كيف يمكن للمفاعلات التي تتخذ من ثورة أن تثور الطاقة النووية

الاقتباس والتوزيع

فالتوزيع الجغرافي الواسع النطاق للثوريوم يقلل من المخاطر الجيوسياسية المرتبطة بسلاسل الإمداد باليورانيوم، وبالنسبة للدول التي تفتقر إلى اليورانيوم الأصلي ولكنها تمتلك احتياطيات من الفخار، فإن الوقود يوفر مسارا لاستقلال الطاقة، فالهند مثلاً تمتلك أكبر رواسب للثوريوم المعروفة، وجعلت الثوريوم حجر الزاوية في برنامجها النووي الثلاثي المراحل، وعلى النقيض من ذلك، تتركز احتياطيات اليورانيوم في حفنة من البلدان، مما يخلق مواطن الضعف المحتملة لدى الدول المستوردة.

كثافة الطاقة والكفاءة

ويمكن أن تكون الطاقة لدى ثوريوم كبيرة، وعندما تستخدم بالكامل من خلال دورة وقود الهرمونات، يمكن لمجموع معين من الفيوريوم أن ينتج نظرياً قدراً أكبر بكثير من الطاقة من اليورانيوم - وبحجم أقل من النفايات العابرة الوراني التي طال أمدها، وهذه الكفاءة ناتجة عن ارتفاع نسبة تحويل الهرمون إلى اليورانيوم - 233، التي يمكن أن تقارب قيماً تقارب 1 أو تتجاوزها في تصميمات المفاعلات المتقدمة، مما يمكِّن [FLT:

دورة الوقود في ثوريوم: كيف تعمل

إن فهم دورة الوقود في الثوريوم أمر أساسي لتقدير مزاياها، وتبدأ العملية بالثوريوم - ٢٣٢، الذي يقصف بالنيوترونات - من مصدر مبتدئ مثل البلوتونيوم، واليورانيوم المخصب، أو مولد نيوترون خارجي، وعندما يلتقط الثروتيوم - ٢٣٢ نيوترون، يصبح الفستق - ٢٣٣ الذي يستهلكه بروتوكتينيوم - ٢٣٣.

الضبط والتحويل

ردود الفعل الرئيسية هي:

1. Thorium-232 + neutron ⁇ Thorium-233 (beta decay, half-life 22 minutes)]
2. Thorium-233 ⁇ Protactinium-233 (beta decay, half-life 27 days)]
3. Protactinium-233 ⁇ Uranium-233 (fissile, half-life 27 days)]

ويخضع اليورانيوم - 233 بعد ذلك إلى الانشطار عندما يضرب بالنيوترونات، ويطلق الطاقة ويزيد من النيوترونات، مما يمكن أن يحافظ على رد فعل السلاسل ويحول الثوريوم الإضافي، وفي مفاعل متقن، يمكن أن تحقق الدورة نسبة من اليورانيوم المبرد أكبر من 1، أي أن المفاعل ينتج مواد انشطارية أكثر مما يحتاج إلى إمدادات طويلة.

Thermal Versus Fast Spectrum

ويمكن استخدام الثوريوم في مفاعلات الطيف الحراري (النيوترون) والسريع (النيوترونات عالية الطاقة) وتركز معظم البحوث الجارية على مفاعلات الملح الحرارية والمستنقعات المغلفة بالماء الثقيل، وتتيح تصميمات المنابر الحرارية استخدام النيوترونات بكفاءة دون اشتراط مستويات عالية من التخصيب اللازمة للمفاعلات السريعة، وتبسيط نسيج الوقود.

أهم الملاءمات على المفاعلات التقليدية لليورانيوم

وتوفر المفاعلات التي تتخذ من ثوريوم مجموعة من الفوائد التي تعالج أشد الانتقادات إلحاحا في مجال الطاقة النووية.

السلامة: الضغط المنخفض، التبريد السلبي

وهناك العديد من مفاهيم مفاعلات الصهريج - خاصة مفاعلات الملح المتحركة - التي تعمل عند الضغط الجوي أو بالقرب منه - وفي مفاعل متعدد الصواريخ، يُحل الوقود في مفاعل مائي مائي مائي مائي مائي مائي مائي مائي مائي مائي مائي يعمم عبر النواة، كما أن نقطة الغليان العالية للملح (ما فوق 400 1 درجة مئوية) تعني أن المفاعل يمكن أن يصل إلى ضغط مرتفع من حيث الحرارة دون التغلي.

Waste Profile: Reduced Long-Lived Actinides

وتنتج مفاعلات اليورانيوم التقليدي كميات كبيرة من البلوتونيوم والأمريكيوم والعناصر السينية التي لا تزال خطرة لمئات الآلاف من السنوات، وتولد مفاعلات ثوريوم، على النقيض من ذلك، كميات أقل بكثير من اليورانيوم، ومعظم منتجات الأنيسول من الهرمونات التي لا تتجاوز نصف عمرها 30 إلى 300 سنة، مما يبسط إدارة النفايات الطويلة الأجل.

مقاومة الانتشار

إن دورة وقود الثوريوم هي في جوهرها أكثر مقاومة لانتشار الأسلحة النووية، فاليورانيوم - 233، المنتج الإنشطاري، ملوث دائما باليورانيوم - 232، وهو مصدر قوي من نوع غاما يجعل المواد من الصعب التعامل معها بسهولة، كما أن أي محاولة لتحويل اليورانيوم - 233 أو تخصيبه ستعرض العمال للإشعاعات الخطيرة، مما يزيد إلى حد كبير من الحواجز التقنية أمام إنتاج الأسلحة، علاوة على ذلك، فإن دورة الوقود لا تنتج البلوتونيوم المنفصل، وهو أكثر المواد استخداما في مفاعلات النووية.

كفاءة الوقود والاستدامة

ونظراً لأن ثوريوم أكثر وفرة ويمكن أن يُنثر في المواد الانشطارية، فإن مفاعل ثوريوم يمكن أن يستخرج حوالي 200 مرة من الطاقة لكل كتلة من الخامات الملغومة من دورة وقود اليورانيوم التي كانت تُجرى مرة واحدة، وهذه الكفاءة تقلل من متطلبات التعدين، والتعطيل البيئي من استخراج اليورانيوم، والتكاليف المرتبطة بذلك، وبالنسبة للدول التي لديها احتياطيات كبيرة من الثوريوم، يمثل الوقود إمدادات طويلة الأجل ومصدرة محلياً من الطاقة.

تصميمات المفاعلات للثوريوم

ويجري تطوير عدة هياكل للمفاعلات لاستغلال إمكانات ثوريوم، وتشمل أهم تصميمات ما يلي:

مفاعلات الملح المتحركة

ويُعتبر مُنصباً رئيسياً لنشر هرمونات تجارية، وفي هذه المفاعلات، يُحل الوقود في خليط ملح دائري يعمل أيضاً كمبرد رئيسي، ويسمح الوقود باستمرار إزالة منتجات الإنشطار، وإعادة الإمداد بالوقود على الإنترنت، واقتصاد النيوترونات الممتاز، وتشمل مشاريع تجديد نظم الإدارة تصميم ثوركون (يستهدف وحدة تحويلية تبلغ 250 ميغاواط) ومفاعل التوليد التجريبي الصيني البالغ الصغر والعامل 21 ميغاهيدروني.

المفاعلات الثقيلة - المائية

ويمكن تكييف مفاعلات المياه الثقيلة، مثل تصميم وحدة مكافحة التخصيب، بحيث تستخدم الفرسان المختلط بكمية صغيرة من اليورانيوم المخصب أو البلوتونيوم كوقود سائق، وقد نجحت الهند في تشغيل 300 ميغاواط - وقود اليورانيوم في مفاعلها البحثي في دهروفا، وخطط لاستخدام الهرمون في مفاعلها المتطور للمياه الثقيلة (AHWR).

المفاعلات ذات الصبغة العالية الغازية

وتستخدم هذه المواد الوقود المشبع بالمركبات (جزئات تريسو) المحتوي على بطاطس مثبتة بالغرافيت أو كتل منجزية، ويمكن إدراج الثيوم في كعب الوقود، وتعمل هذه التصاميم في درجات حرارة عالية (70-950 درجة مئوية)، وتتيح تطبيقات حرارة العمليات وزيادة الكفاءة الحرارية، ويصبح التصور الحالي لتوليد الزئبق المكمل للخلل مأمون، مع عدم وجود أي شكل من أشكال التخريب.

المفاعلات السريعة

ويمكن أيضاً لمفاعلات الفستق أن تستخدم الفخار، رغم أن التركيز الرئيسي كان على دورات اليورانيوم/البلوتونيوم، وفي مفاعل سريع، يمكن استخدام الفخار كمواد بطانية لتوليد اليورانيوم - 233، الذي يمكن استخدامه بعد ذلك كوقود السائقين، ويتيح الجمع بين المفاعلات السريعة والثوريوم إمكانية الاحتراق العالي والنفايات المخفضة، ولكن التكنولوجيا أكثر تعقيداً وأقل تقدماً من مفاهيم الأشعة فوق البنفسجية أو HWR.

التحديات الرئيسية التي تواجه مفاعلات ثوريوم

وعلى الرغم من المزايا الجبارة، فإن الفرسان ليس رصاصة فضية، ويجب التغلب على العديد من العقبات التقنية والاقتصادية والتنظيمية قبل انتشار التجارة.

العقبات التقنية

• Materials and Corrosion:] Molten salts are highly corrosive at elevated temperatures. Developing structural alloys and container materials that resist corrosion for decades is a significant engineering challenge. Graphite moderation in MSRs also requires strict control of porosity and neutron damage.
• (ه) Protactinium Handling:] Protactinium-233 has a 27-day half-life. If it remains in the reactor for too long, it can absorb neutrons and become protactinium-234 (which decays to uranium-234, a neutron absorber rather than a fuel). Efficient separation or timely removal of protactinium
• Startup Fuel:] because thorium is fertile not fiive, a startup source ofانشطاري (such as enriched uranium, plutonium, or uranium-233 stockpiled from previous cycles) is required.() وبالنسبة للبلدان التي لا توجد بها هياكل نووية أساسية، فإن هذا يزيد من التكاليف والتعقيد.
• Waste Re processing:] While thorium produces fewer long-lived actinides, the re processing of spent fuel to recover uranium-233 involves handling highly radioactive materials and requires advanced chemical separation facilities that are not yet commercially deployed.

الحواجز الاقتصادية والتنظيمية

• Lack of Infrastructure:] The entire nuclear supply chain-fuel fabrication, reactor manufacturing manufacturing, waste management-is optimized for uranium. Building a parallel infrastructure for thorium would require massive investment. no commercial thorium fabrication facilities exist today.
• Licensing Uncertainty:] Nuclear regulators, such as the U.S. Nuclear Regulatory Commission, have no established framework for licensing molten salt reactors. The review process would need to address novel safety cases, fuel chemistry, and accident scenarios that different fundamentally from water-cooled reactors.
• ]Cost Competitiveness:] Natural gas, solar, and wind have become remarkably cheap. Without a clear cost advantage, utilities are reluctant to invest in unproven reactor technology. Thorium reactors must demonstrate not only safety but also economic viable-lower capital costs, shorter construction times, or higher efficiency-to compete in deregulated markets.

القبول السياسي والعام

وتواجه القوى النووية عموماً السخرية العامة في العديد من البلدان، ويدفع دعاة ثوريوم بأن السمات المتأصلة في السلامة للمتمثلين في حركة عدم الانحياز (عدم الانهيار، والضغط المنخفض، والإغلاق السلبي) يمكن أن تساعد على تحسين القبول، غير أنه يجب على الصناعة أن تتغلب على عقود من الخوف على أساس الحوادث الشديدة الخطورة وقضايا النفايات التي لم تحل، وسيتطلب بناء الثقة الاتصال الشفاف، والتظاهرات الناجحة، وسجلاً سليماً للعمليات الآمنة.

مبادرات ثوريوم عالمي

وتقوم عدة دول بنشاط بوضع برامج لمفاعلات الثوريوم، وكل منها له دوافع استراتيجية مختلفة.

India: The Three-Stage Program

ولدى الهند أكثر خطط هرمونية طموحا، وهي مدمجة في برنامج الطاقة النووية الذي يمتد من ثلاث مراحل، وتستخدم المرحلة الأولى مفاعلات المياه الثقيلة المضغطة لإنتاج البلوتونيوم من اليورانيوم الطبيعي، وتستخدم المرحلة الثانية مفاعلات توليد الوقود السريع لتحويل البلوتونيوم إلى وقود أكبر، كما تولد اليورانيوم - 233 من أغطية الهرمونات.

الصين: برامج مولتن للملح والوقود الصلب

وقد أطلقت الصين رسمياً برنامجاً بحثياً عن الفخار في عام 2011 وقامت منذ ذلك الحين ببناء مفاعلين من الملح الحراري متعددي العجلات (TMSR-LF1) في ووي، مقاطعة غانسو، بدأ تشغيله في عام 2021، كما يقوم البلد بتطوير مفاعل لفول الصوديوم، مع احتياطاته من الصخرة والتزام قوي بحياد الكربون بحلول عام 2060، يهدف الباحثون الصينيون إلى إضفاء الطابع التجاري على 100 ميغاواط.

الولايات المتحدة: المشاريع الخاصة والبحوث الحكومية

وفي الولايات المتحدة، هناك عدة حالات بدء - مثل تيرا باور (مع مفاعلها الممول من كلوريد) وتحالف الطاقة في ثوريوم، وشركة الجنوب (الاستخلاص من اختبار الملح المتناهيج) - وهي تقدم مفاهيم الثوريوم، وقد قامت وزارة الطاقة بتمويل البحوث المتعلقة بكيمياء الملح وعلوم المواد في المختبرات الوطنية، ومع ذلك، فإن قانون الاستثمار في البنية التحتية والعمالة لعام 2021 يتضمن تمويلاً لمظاهرات متطورة للمفاعلات.

الأمم المتحدة الأخرى

وقد أجرت شركة الطاقة في النرويج اختبارات للأشعة على بلوائح وقود الهرمونات في مفاعل بحوث هالدن، وتقوم شركة الطاقة في المملكة المتحدة بتطوير مفاعل ثابت للملح يستخدم الفرسان في تشكيلة ثابتة من الوقود، وتقوم كندا باستكشاف وقود الهرمون في مفاعلات الاتحاد الكوندي كوسيلة لتخفيض مخزونات البلوتونيوم، وتحافظ اليابان وكوريا الجنوبية وروسيا على جهود بحثية أصغر تركز أساسا على دراسات دورة الوقود.

خط زمني للعقارات التجارية

ومن الصعب تحديد الجدول الزمني المحدد لمفاعلات الهرمونات، ولكن عدة معالم تقدم إطارا، وبحلول عام 2030، تتوقع الصين أن يكون لديها عرض تجريبي لعشرة ميغاواط ميغاواط، وتعتزم الهند بدء بناء مفاعلها النووي، وفي الثلاثينات، يمكن أن تظهر وحدات تجارية من النوع الأول، على الأرجح في بلدان ذات مرافق قوية لدعم الحكومة ودورة الوقود المكرسة، وقد لا يحدث انتشار عالمي واسع النطاق حتى قبول التكلفة 2040.

إن دورة التنمية الطويلة ليست غير عادية بالنسبة للابتكار النووي: فقد استغرقت مفاعلات المياه الخفيفة عقوداً من النمو، غير أن الضرورة الملحة لتغير المناخ قد تعجل بالدعم، وإذا أصبح تسعير الكربون أكثر انتشاراً أو زادت الشواغل الأمنية للطاقة، فإن مزايا ثوريوم يمكن أن تُسجّل الجداول الاقتصادية أسرع مما تشير إليه التوقعات الحالية.

خاتمة

وتعطي المفاعلات التي تتخذ من ثوريوم رؤية مختلفة حقاً عن الطاقة النووية - وهي رؤية تؤكد على السلامة المتأصلة، وتقليص النفايات، وتعزيز مقاومة الانتشار، ووفرة إمدادات الوقود، وهذه التكنولوجيا ليست افتراضية، وقد تأكدت من الناحية التجريبية في تصميمات متعددة للمفاعلات، وتكتسب زخماً من خلال برامج وطنية في الهند والصين وفي أماكن أخرى، ومع ذلك لا تزال هناك عقبات كبيرة في مجال علوم المواد، والقدرة التنافسية الاقتصادية، والاستعداد التنظيمي، والثقة العامة.

إن الدفع المحتمل هائل: مصدر للطاقة النظيفة يمكن أن يمتد لألفينيا على احتياطيات الثوريوم المعروفة، ويولد الكهرباء بأقل قدر من النفايات الطويلة الأجل، ويقلل خطر الفشل الكارثي، إذ أن إدراك هذه الرؤية سيتطلب استثمارا مستمرا وتعاونا دوليا، واستعدادا للتحرك إلى ما وراء نموذج اليورانيوم الذي ساد الصناعة النووية لمدة 70 عاما، ولن يؤدي ثوريوم إلى " إعادة تطويع " الطاقة النووية في المستقبل على نحو مستدام.