دور تكنولوجيا البير في تلبية الطلب العالمي على الطاقة ذات التأثير البيئي المنخفض

دور تكنولوجيا الطاقة في تلبية الطلب العالمي على الطاقة ذات التأثير البيئي المنخفض

وقد أصبحت تكنولوجيا مفاعلات المياه المضغوطة حجر الزاوية في توليد الطاقة النووية الحديثة، حيث يواجه العالم التحديين التوأمين المتمثلين في زيادة استهلاك الطاقة والتعجيل بتغير المناخ، توفر هذه المركبات حلاً ثابتاً وكبير النطاق ينتج طاقة أساسية موثوقة ذات انبعاثات الكربون التشغيلي القريبة من الصفر، وهناك أكثر من 300 وحدة تعمل في مجال الطاقة النووية تعمل حالياً على الصعيد العالمي، وتُشكل أكثر من ثلثي القدرة النووية في العالم.

ما هي تكنولوجيا PWR؟

ومفاعل المياه المضبوط هو نوع من المفاعل النووي المائي الخفيف الذي يُحتفظ فيه بالماء المبرد الرئيسي عند ضغط مرتفع - عادة نحو 150 جوا - لمنعه من الغليان أثناء التداول عبر قلب المفاعل واستيعاب الحرارة من الانشطار النووي، ويتدفق هذا الماء المسخ إلى مولد البخار، حيث يُنقل الطاقة الحرارية إلى حلقة ثانوية من المياه المُنفصلة، مما يؤدي إلى إحداث ثغرة في المفاعلات الكهربائية.

العناصر الرئيسية وكيفية عملها

ويحتوي جوهر المفاعل على مجمعات للوقود مصنوعة من أغطية ثاني أكسيد اليورانيوم المخصبة داخل أنبوبات سداسي للزركونيوم، وتُدرج أو تُسحب مواد غير مجهزة باللوقود، مثل البورون أو الهفنيوم، لتنظيم معدل الإنشطار، وتحتفظ الدائرة الضغط على النظام وتستوعب التغيرات في الحجم مع توسيع المولدات أو العقود الثانوية.

لماذا مسائل الضغط

ويسمح الحفاظ على المبرد الرئيسي تحت ضغط مرتفع للمركبات العضوية الثابتة بالعمل عند درجات حرارة تبلغ حوالي 300 درجة مئوية دون غسيل، مما يؤدي إلى زيادة كفاءة الحرارة مقارنة بمفاعلات المياه المغلية وغيرها من التصميمات التي تعتمد على البخار المشبع، كما أن التشكيلة المضغطة توفر درجة من الأمان المتأصل لأن أي فقدان للضغط - مثل من خلال التسرب - يساعد على الحد الفوري من آلية التبريد ودرجة الحرارة.

النشر العالمي لتكنولوجيات الأسلحة الكيميائية

وتسيطر هذه الدول على المشهد النووي في جميع أنحاء العالم، ووفقاً للرابطة النووية العالمية، فإن ثلثي جميع المفاعلات النووية المدنية العاملة من نوع PWR، وتعتمد بلدان مثل فرنسا والولايات المتحدة وروسيا وكوريا الجنوبية والصين اعتماداً كبيراً على الأسلحة النووية من أجل أساطيلها النووية، وتزود وحدات الطاقة النووية الفرنسية وحدها بحوالي 70 في المائة من الكهرباء في البلد، مما يدل على الكيفية التي يمكن بها لتكنولوجيا الطاقة النووية أن تدعم استقلال الطاقة الوطنية بكربون منخفض.

وفيما عدا الدول النووية القائمة، تعتمد الاقتصادات الناشئة أيضاً تصميمات PWR، وقد بنت الصين عشرات وحدات PWR في العقد الماضي، وهي بصدد تطوير نسخ محلية مثل وحدة هوالونغ الأولى.() وتعمل الإمارات العربية المتحدة أربع وحدات من طراز APR1400 PWR في محطة باراكه، التي توفر الآن حوالي 25 في المائة من الكهرباء في البلد، وتؤكد هذه الأمثلة على الأهمية العالمية لتكنولوجيا PWR في تلبية الطلب المتزايد على الطاقة، مع الحد من انبعاثات غازات الدفيئة.

مزايا برنامج الطاقة في تلبية الطلب على الطاقة

وتجلب هذه البرامج مجموعة مميزة من السمات تجعلها مناسبة تماماً لتوليد الكهرباء على نطاق واسع وبضعة مركبات الكربون، وتتجاوز هذه المزايا الأداء التشغيلي المباشر بحيث تشمل القدرة على التكيف على الشبكة، واستخدام الأراضي، وانبعاثات دورة الحياة.

قوة تحميل القاعدة عالية الكفاءة والموثوقة

وتعمل عمليات إعادة التأهيل على أساس عوامل القدرة التي تزيد عن 90 في المائة، أي أنها تعمل في الغالبية العظمى من العام أو بالقرب من الطاقة الكاملة، وهذا الموثوقية أمر حاسم بالنسبة لتشغيل الشبكات المستقرة، لا سيما وأن المصادر المتجددة المتغيرة مثل الرياح والطاقة الشمسية تضاف إلى مزيج الطاقة، ويمكن لوحدة واحدة كبيرة من وحدات PWR أن تولد أكثر من 000 1 ميغاوات من الكهرباء باستمرار، وتوفر طاقة ميسورة ومرسلة مكملة للمتجددات المتقطعة.

الانبعاثات التشغيلية للكربون القريب من الزيرو

وأثناء العملية، لا تنتج القوات المسلحة الفلسطينية أي ثاني أكسيد الكربون أو الميثان أو غازات الدفيئة الأخرى، وعند النظر في دورة الحياة الكاملة - بما في ذلك التعدين، وتلفيق الوقود، والبناء، ووقف التشغيل - تكون البصمة الكربونية للطاقة النووية مماثلة للريح والطاقة الكهرمائية وأقل بكثير من أي مصدر للوقود الأحفوري، ويضع تحليل شامل لدورة الحياة نشره الفريق الحكومي الدولي المعني بتغير المناخ انبعاثات غاز ثاني أكسيد الكربون في حدود 12 غراماً مربعاً

منخفض الأرض

وتتطلب محطات الطاقة النووية أرضا أقل بكثير لكل وحدة من الكهرباء المولدة من المنشآت الشمسية أو الريحية، حيث يسكن ما يتراوح بين 1 و 2 كيلومترا مربعا تقريبا، بما في ذلك مناطق الاستبعاد والمرافق الإضافية، ويحتاج إنتاج الطاقة السنوية نفسها من الألواح الشمسية ذات الطاقة الفلكية إلى مساحة أرضية أكثر من 20 إلى 50 مرة، كما أن مزارع الرياح الساحلية ستحتاج إلى المزيد من البرمجيات.

توافر الوقود وكثافة الطاقة

ويعاني اليورانيوم، وهو الوقود المستخدم في عمليات إعادة التأهيل، من كثافة عالية جداً في الطاقة، إذ يمكن لكيلوغرام واحد من اليورانيوم المخصب أن يُطلق الطاقة بقدر ما يحرق 100 طن متري تقريباً من الفحم، وهذا السمة تقلل من احتياجات نقل الوقود، وتبسّط إدارة تدفق النفايات، وتوفر استقراراً في إمدادات الوقود في الأجل الطويل، وتكفي احتياطيات اليورانيوم الافتراضي لعقود من معدلات الاستهلاك الحالية، كما يمكن أن تمتد دورات الوقود المتقدمة وتكنولوجيات إعادة التدوير.

غريد ستايند و إنيرتيا

وتسهم عمليات إعادة التأهيل في استقرار الشبكات من خلال التربينات الدوارة الكبيرة التي توفر تزامنا - وهي ممتلكات مادية تساعد على الحفاظ على استقرار الترددات والفولط أثناء الاضطرابات، وتتزايد قيمة هذه السمة مع تكامل نظم الطاقة بين مصادر متجددة أكثر تعمقاً تفتقر إلى التخلف، كما يمكن تصميم عمليات إعادة التأهيل من أجل تشغيل نظام التحميل، وتكييف إنتاجها مع متطلبات الاستجابة.

الأثر البيئي والسلامة

وفي حين أن تكنولوجيا PWR توفر مزايا بيئية كبيرة على الوقود الأحفوري، فإنها لا تخلو من آثارها، وتشمل توليد النفايات المشعة، واستخدام المياه، والتصريف الحراري، والحاجة إلى تدابير صارمة للسلامة، ويتطلب تقييم متوازن دراسة الفوائد التشغيلية ومسؤوليات الإدارة الطويلة الأجل.

الانبعاثات وتحليل دورة الحياة

وكما ذُكر أعلاه، فإن انبعاثات دورة الحياة في بروتاس من نوع PWR هي من بين أقل التكنولوجيات توليد الكهرباء، ومعظم هذه الانبعاثات تأتي من أنشطة في المراحل الأولى مثل تعدين اليورانيوم، والطاحن، والإثراء، وكذلك من مواد البناء مثل الصلب والخرسانة، ومن المهم أن تزيل النباتات النووية انبعاثات أكبر بكثير من الفحم أو الغاز الطبيعي كلما عملت، مما يخلق فوائد مناخية صافية، وقد ذكرت الوكالة الدولية للطاقة مرارا أن بلوغ أهداف صافية للانبعاثات من الأسلحة النووية ستتطلب زيادة في الحجم.

نظم السلامة والسجل التشغيلي

وتشمل عمليات إعادة التأهيل المتطورة وجود طبقات متعددة من نظم السلامة، يشار إليها في كثير من الأحيان باسم الدفاع بعمق، وتشمل نظم التبريد الزائدة والمتنوعة، ومباني الاحتواء التي صنعت من الأسمنت المقوى بخطوط الصلب، ومولدات الديزل في حالات الطوارئ، وآليات إغلاق المفاعلات الآلية، وبعد حادث فوكوشيما دايتشي في عام 2011، احتاجت وكالات تنظيمية كثيرة إلى تحسينات إضافية في مجال السلامة في محطات إعادة التأهيل الحالية، بما في ذلك تعزيز القدرة الاحتياطية، ونظم التبريد السلبية، ونظم التبريد المكثفة،

سجل السلامة التشغيلية للمركبات العضوية الثابتة قوي، فعلى مدى عقود من العمليات التجارية عبر مئات الوحدات، كانت الحوادث الخطيرة نادرة للغاية، ولم يشهد أي فرد من الجمهور أي آثار إشعاعية حادة من حادث تجاري من حوادث الأسلحة النووية في الولايات المتحدة أو أوروبا الغربية، وتحافظ لجنة التنظيم النووي في الولايات المتحدة على رقابة صارمة على عمليات النبات وعمليات التفتيش والصيانة لضمان استمرار التحسن في أداء السلامة.

إدارة النفايات

إن الوقود النووي المستعمل من الأسلحة النووية المتعددة الكلور مشع جدا ويجب عزله عن البيئة لفترات طويلة، غير أن حجم النفايات صغير نسبيا، وجميع الوقود المستخدم الذي ينتجه الأسطول النووي الأمريكي على مدى السنوات الستين الماضية سيدخل في حقل واحد لكرة القدم يتراكم على نحو سبعة أمتار، وتشمل الاستراتيجيات الحالية لإدارة النفايات تخزين الوقود المستهلك في مجمعات المياه ذات الكثافة في الموقع للتبريد الأولي، يليه النقل إلى مستودعات صلبة.

وتشمل حلول التخلص الطويلة الأجل مستودعات جيولوجية عميقة مثل مستودع أونكالو في فنلندا، الذي يقترب من الانتهاء، وسيخزن الوقود المستهلك في حجر الأساس الثابت لعشرات الآلاف من السنوات، كما يجري البحث في إعادة المعالجة وإعادة التدوير في الوقود المستهلك في عدة بلدان بهدف استعادة اليورانيوم والبلوتونيوم القابل للاستخدام والحد من حجم النفايات المتبقية وسمية هذه النفايات حتى 90 في المائة.

المياه المستعملة والنزوح الحراري

وتحتاج عمليات إعادة التأهيل إلى كميات كبيرة من مياه التبريد، مما يمكن أن يؤثر على النظم الإيكولوجية المائية المحلية إذا لم تدار على النحو المناسب، وتسحب النباتات المياه من الأنهار أو البحيرات أو البحر، وتستخدمها لتكديس البخار في الحلقة الثانوية، ثم تعيده إلى المصدر بدرجة أعلى من الحرارة، ويمكن أن يغير التفريغ الحراري درجات حرارة المياه المحلية ويؤثر على الأسماك وغيرها من الكائنات الحية، غير أن التصميمات الحديثة كثيرا ما تساعد على إحداث أضرار في المستقبل.

وتجدر الإشارة إلى أن محطات الطاقة الحرارية من جميع الأنواع - بما فيها الفحم والغاز والنووية - تحتاج إلى مياه تبريد، وأن استهلاك النباتات النووية من المياه في كل كيلوواط ساعة يماثل استهلاك محطات الوقود الأحفوري وأقل بكثير من ذلك بكثير من محطات الطاقة الكهرمائية أو محاصيل الطاقة الأحيائية، حيث أن شح المياه في العديد من المناطق، فإن اختيار المواقع واختيار التكنولوجيا المبردة تصبح عوامل حاسمة في مشاريع جديدة في مجال الطاقة النووية.

الاعتبارات الاقتصادية

وقد تطورت اقتصادات تكنولوجيا الأسلحة النووية تطورا كبيرا على مدى العقدين الماضيين، فبينما كانت للمصانع النووية تكاليف مرتفعة للبناء في البداية، فإنها توفر تكاليف تشغيل منخفضة ومستقرة، وعمرات تشغيلية طويلة (تبلغ 60 عاما أو أكثر)، وتقلب أسعار الوقود المنخفض مقارنة بالغاز أو محطات الفحم، وعندما يتم بناء محطة للبثبات، تحدد تكلفة الكهرباء بدرجة كبيرة باستعادة رأس المال، ولا يمثل الوقود سوى جزء صغير من تكلفة الجيل الإجمالي.

وقد واجهت المشاريع الأخيرة في البلدان الغربية تجاوزات في التكاليف وتأخرات في الجدول الزمني، ويرجع ذلك جزئيا إلى التغييرات التنظيمية، وقضايا سلسلة الإمداد، وفقدان الخبرة في مجال التشييد خلال الفترة الطويلة من الاختلالات في المباني الجديدة، غير أن البلدان التي تحتفظ ببرامج ثابتة للبناء النووي - مثل كوريا الجنوبية والصين - قد أثبتت أنه يمكن بناء محطات PWR في الوقت المناسب وعلى الميزانية، ويجري اعتماد تصميمات موحدة وتقنيات للبناء النموذجي لخفض التكاليف وتحسين إمكانية التنبؤ بالمشاريع المقبلة.

وتعود المفاعلات النموذجية الصغيرة التي تستند إلى تكنولوجيا PWR إلى انخفاض الاستثمار المباشر وإلى جداول أعمال التشييد الأقصر، ويمكن أن تكون هذه الوحدات، التي تُقيَّم عادة بـ 50 إلى 300 ميغاواط، جاهزة للصنع وتُنقل إلى الموقع، مما يقلل من مخاطر العمل في الموقع والمخاطر المالية، ويتوقع أن تكون المشاريع التجارية الأولى المتعلقة بالنقل التجاري المباشر على الإنترنت في أواخر عام 2020 أو أوائل عام 2030.

مستقبل تكنولوجيا PWR

وتتواصل تطور تكنولوجيا الأسلحة النووية في رواندا، مع الابتكارات الرامية إلى تحسين الكفاءة والسلامة والحد من النفايات والمرونة التشغيلية، وهناك اتجاهات عديدة ترسم الجيل القادم من مفاعلات المياه المضغطة.

التصميمات المتقدمة للزراعة العضوية

ويقوم البائعون بتطوير جيل ثالث + برواتب متعددة الأطراف يشمل نظماً سلبية للسلامة، ومخططات مبسطة، ودورات أطول للتزود بالوقود (حتى 24 شهراً)، وأجهزة وسيطة رقمية، ومن الأمثلة على ذلك نظام ويستنغزهاد (AP1000, وAPR1400 الكوري، وVVER-1200 الروسي، وقد تم بالفعل نشر هذه التصميمات أو يجري بناؤها في عدة بلدان، مما يوفر هامش أمان معزز وأدائه الاقتصادي.

المفاعلات النموذجية الصغيرة

إنّ العلاقات بين الموظفين والإدارة تمثل واحدة من أكثر التطورات واعدة في تكنولوجيا الأسلحة النووية، وهناك العديد من التصميمات، مثل وحدة الطاقة النووية، وشركة رولز رويس للتبادل، تستخدم تكنولوجيا المياه الخفيفة المُضَعَلة التي تُقَدَّم إلى نواتج أصغر، ويمكن نشر هذه المواد بصورة تدريجية، مما يتيح للمرافق التوفيق بين إضافات القدرات والطلب على النمو، كما يمكنها أن تحل محل محطات التعدين في حجمها، وتوفر حرارة العمليات في مجال التطبيقات الصناعية، ومفاعلات الطاقة.

القدرة على التحكم في النفايات

ومن الناحية التاريخية، كانت النباتات النووية تعمل كوحدات للشحن الأساسي، تعمل بكامل طاقتها على مدار الساعة، ومع ذلك، فمع ارتفاع معدلات التغلغل المتجددة، يطلب مشغلو الشبكات من النباتات النووية تعديل ناتجها بحيث يضاهي تقلبات العرض والطلب، وتتمكن الأجهزة الحديثة من تشغيل نظام التعبئة - مما يقلل من الطاقة إلى ما لا يقل عن 20 في المائة من الطاقة الكاملة ويتراجع عن ما يلزم من مرونة.

التكامل مع المواد المتجددة وخزن الطاقة

وسيتطلب مستقبل الطاقة النظيفة تكاملا عميقا بين الطاقة النووية والمتجددات ونظم تخزين الطاقة، ويمكن أن توفر هذه الأسلحة طاقة ثابتة ومرسلة تدعم توليد الرياح المتغيرة والشمس، كما أن تضافر النباتات النووية مع مرافق إنتاج الهيدروجين أو نظم تخزين الطاقة الحرارية يمكن أن يتيح لها أيضا تحويل الإنتاج من أوقات الطلب المنخفض إلى أوقات الطلب المرتفع، وتحسين الاقتصاد الكلي للنظام، وإجراء البحوث في نظم الطاقة الهجينة التي تجمع بين أجهزة تخزين الطاقة الكهربائية.

دورات الوقود المتقدمة والتقليل من النفايات

وتهدف البحوث الجارية في مجال الوقود المسبب للحادث إلى الاستعاضة عن الزلكونيوم التقليدي بمواد أكثر مقاومة للتبدد وتوليد الهيدروجين في ظروف الحوادث، ويمكن أن تؤدي هذه الوقود إلى تحسين هوامش الأمان ومد الوقت المتاح للاستجابة من جانب المشغلين خلال حالات الطوارئ، وقد يؤدي تطوير دورات الوقود المغلقة، حيث يعاد تجهيز الوقود المستهلك وأوامر إعادة تدويره، إلى الحد من حجم النفايات.

خاتمة

وقد أثبتت تكنولوجيا إعادة تصنيع المياه المضغوطة قيمتها على مدى عقود من العمليات الموثوقة المنخفضة الكربون على نطاق عالمي، وقدرتها على توليد كميات كبيرة من الكهرباء النظيفة بأقل قدر من استخدام الأراضي، وتكاليف مستقرة، وموثوقية عالية، تجعلها أداة أساسية لتلبية الطلب على الطاقة مع الحد من الأثر البيئي، وتستمر التكنولوجيا في التقدم من خلال تحسين نظم السلامة، وتصميمات الوحدات، وتعزيز المرونة، وتحسين استراتيجيات إدارة النفايات، مع سعي البلدان في جميع أنحاء العالم إلى تحقيق أهداف صافية في مجال الطاقة.

وللمزيد من القراءة، تقدم الرابطة العالمية النووية استعراضات تقنية مفصلة لتصميم وتشغيل الأسلحة النووية في رواندا، وتنشر الوكالة الدولية للطاقة الذرية بيانات شاملة عن القدرة النووية والأداء النووي، وتقدم إدارة المعلومات المتعلقة بالطاقة في الولايات المتحدة تحليلا لدور الطاقة النووية في أسواق الكهرباء، ويمثل فهم تكنولوجيا الأسلحة النووية بعمق خطوة حاسمة بالنسبة لأي شخص يعمل في مجال سياسات الطاقة أو تخطيط المرافق أو استراتيجية المناخ.