إن مفاعلات التوليد السريعة تمثل واحدا من أكثر التكنولوجيات واعدة وإن كانت مثيرة للجدل في مشهد الطاقة النووية، حيث أن الدول تواجه ضغوطا مزدوجة تتمثل في إزالة الكربون من شبكات الكهرباء وضمان أمن الطاقة في الأجل الطويل، فإن هذه المفاعلات تمثل افتراضا متميزا: القدرة على إنتاج وقود نووي أكثر مما تستهلكه، ويمكن أن تستنفد موارد اليورانيوم الدقيقة من عقود إلى قرون، وأن تقلل من حجم وسمة النفايات العالية المستوى، وأن توفر أهدافا منخفضة الانبعاثات الكربون.

فهم المفاعلات السريعة

ويحافظ المفاعل النووي في أبسط صوره على سلسلة من الظواهر الانشطارية، ويمكن أن يبطئ النيوترونات التي يتم إطلاقها )تحليل( بواسطة مشرف، كما هو الحال في مفاعلات المياه الخفيفة التقليدية، أو تترك في طاقة عالية، وتعمل مفاعلات التوليد السريع مع النيوترونات السريعة، والاسم، والتفكك مع جهاز التحكم، وهذا الخيار له آثار عميقة على نوع المبرد، والأداء، والمفاعل.

Neutron Spectrum and the Breeding Process

وفي مفاعل حراري، تكون ألياف اليورانيوم - ٢٣٥ بسهولة، ولكن اليورانيوم - ٢٣٨ الذي يضم أكثر من ٩٩ في المائة من اليورانيوم الطبيعي غير ملوثة بدرجة كبيرة، غير أن النيوترونات السريعة يمكنها تحويل اليورانيوم - ٢٣٨ إلى بلوتونيوم - ٢٣٩ عن طريق التقاط النيوترونات يليها فوتوغرافي، وبلوتونيوم - ٢٣٩ هو نفسه من المواد الانشطارية ويمكن استخدامه كوادر إنتاجية للمفاعلات.

إن القدرة على التوالد تعني أن جميع اليورانيوم الطبيعي يمكن أن يستخدم أساساً كوقود وليس اليورانيوم النادرة 235، مما يزيد الطاقة المستخرجة من كمية معينة من اليورانيوم بنحو 60 ميلاً إلى 100 ضعفاً مقارنة بالمفاعلات الحرارية، ومن منظور الموارد، التي تحول اليورانيوم من مورد محدود إلى مصدر يمكن أن يُمكن للبشرية من توليد الطاقة في آلاف السنين بأسعار الاستهلاك الحالية.

المبردات: الصوديوم، الرصاص، وما بعده

ونظراً لأن المفاعلات السريعة لا يمكن أن تستخدم المياه كمبرد (تباطؤ المياه بالنيوترونات)، فإنها تعتمد على المعادن السائلة، وأكثرها نضجاً هو الصوديوم السائل، الذي يستخدم في معظم مفاعلات التوليد التجريبية والتجارية السريعة التي تم بناؤها حتى الآن، وللسودمي خصائص ممتازة لنقل الحرارة ونقطة غسيل عالية، مما يسمح للمفاعل بالعمل في ضغط شبه الغلاف الجوي، مما يزيل الحاجة إلى وجود سفن ضغط ثقيل.

فالبريد أو الرصاص في المبردات البكتريولوجية يتم تطويره كبديل، ولا يرد الرصاص عنيف على الماء أو الهواء، كما أن نقطة الغليان الأعلى فيها توفر هامش أمان أكبر، كما أن مفاعل روسيا BREST - 300 ومفاعل الرصاص التابع للجين الرابع مثال على هذه التكنولوجيا، ولا يزال تصعيد المواد الهيكلية يشكل تحديا، بل إن التقدم في التستر والسويات يعالجها.

وثمة مفهوم جديد آخر هو المفاعل السريع المحتوي على الغاز، الذي يستخدم الهيليوم كمبرد، وهو ما يزيل مسائل التفاعل الكيميائي، ولكن انخفاض القدرة الحرارية للغاز يفرض قيودا هندسية مختلفة، وكل خيار مبرد يقدم مجموعة فريدة من المبادلات في مجالات السلامة والاقتصاد والخبرة التشغيلية.

أنواع الوقود ومركبات الوقود

ويمكن أن تغذي مفاعلات التوليد السريع بالوقود المختلط - وهو مزيج من ثاني أكسيد البلوتونيوم واليورانيوم - ٢٣٨ ثاني أكسيد اليورانيوم - أو بالوقود المعدنية مثل سبائك اليورانيوم - البلوتونيوم - الزركونيوم - وقد استخدمت أنواع الوقود المميت تاريخيا في مفاعلات توليد الطاقة التجريبية في الولايات المتحدة ويجري السعي إليها في بعض تصميمات الجيل القادم بسبب ارتفاع معدل السلوك الحراري وتحسينه.

إن دورة الوقود المغلقة جزء لا يتجزأ من مفهوم المولد، إذ يعاد تجهيز الوقود المستهلك لاستعادة البلوتونيوم وغيره من الحركات العابرة للمنطقة، التي تُختلق بعد ذلك في وقود جديد، ويجب تصميم تكنولوجيات إعادة المعالجة، مثل PUREX (aqueous) أو التجهيز بالأشعة (الكيميائية الإلكترونية) على أن تكون مقاوما للانتشار بينما تبقى صالحة اقتصاديا، والعرض الناجح لدورة الوقود المغلقة على نطاق تجاري هو شرط أساسي حاسم الأهمية.

The Role of Fast Breeder Reactors in Climate Change Mitigation

وتظهر نماذج التقييم المتكاملة التي يستخدمها الفريق الحكومي الدولي المعني بتغير المناخ باستمرار أن تحقيق انبعاثات ثاني أكسيد الكربون الصافية في منتصف القرن يتطلب توسيع مصادر الكهرباء المنخفضة الكربون إلى أبعد من المستويات الحالية، فالقوة النووية هي أحد المصادر القليلة التي ثبتت جدواها للطاقة المنخفضة الكربون القادرة على العمل بعوامل عالية القدرة، مكملة للمتغيرات المتجددة مثل الرياح والطاقة الشمسية، وتزيد مفاعلات التوليد السريع من مساهمة الأسلحة النووية بطرق عدة.

توسيع نطاق موارد الوقود والحد من آثار التعدين

ولا تستهلك المفاعلات التقليدية سوى نحو 0.7 في المائة من محتوى الطاقة في اليورانيوم الطبيعي، إذ يمكن أن تصل إلى أكثر من 90 في المائة من تلك الطاقة، مما يجعل اليورانيوم مورداً لا يمكن تفسيره، ويزيل أحد القيود الطويلة الأجل على التوسع النووي، ويعني في الأجل القريب أن المخزونات الواسعة من اليورانيوم المستنفد (منتج ثانوي من الإثراء) ومفاعلات إنتاج الطاقة المتجددة.

الحد من النفايات العالية المستوى

ومن أكثر الحجج البيئية إلحاحاً بالنسبة للمركبات الفلورية قدرتها على حرق العناصر العابرة السورونيوم الطويلة الأمد، والأمريكيوم، والسيليوم، التي تهيمن على السمية الإشعاعية الطويلة الأجل للوقود النووي المستخدم، والتي يمكن أن تؤدي في مفاعل حراري إلى زيادة عدد هذه العناصر، ويجب عزلها لمئات الآلاف من السنوات في مستودع جغرافي، مما يؤدي إلى تحويل مفاعل النفايات إلى مئات السنين.

توفير الطاقة المرنة، طاقة التردد المنخفض الكربون

ومع نمو القدرة الشمسية والريحية، يحتاج مشغلو الشبكات إلى مصادر طاقة مرسلة يمكن سد الثغرات خلال فترات متدنية التجديد، فالمفاعلات النووية، بما فيها المولدات السريعة، مصممة عادة لتشغيل الحمولة الأساسية، ولكن بعض التصميمات تتضمن قدرات مزودة بالكميات أو تخزين الطاقة (مثلاً، عن طريق التخزين الحراري المدمج مع حلقة الصوديوم) ويمكن أن يوفر أسطولاً من أجهزة إعادة تصنيع الكربون الخفيفة الموثوقة في الوقت نفسه

Global Fast Breeder Reactor Programs: Current Status and Future Plans

ولدى عدة بلدان برامج نشطة أو مكتملة مؤخراً للتوالد السريع، لكل منها نُهج تقنية ودوافع استراتيجية متميزة.

روسيا

وتقوم روسيا بتشغيل أكبر مفاعل سريع في العالم، وهو BN-800 (800 MWe)، في مصنع بلويارسك النووي، وتستخدم BN-800 مبردات الصوديوم ووقود مكس، وتديره تجاريا منذ عام 2016، وهي بمثابة متظاهر كامل النطاق لتصميم أكبر حجما من نوع BN-1200، الذي تعتزم روسيا نشره كجزء من استراتيجيتها النووية الطويلة الأجل.

الهند

ولدى الهند برنامج نووي من ثلاث مراحل يوضع مركبات الكربون الكلورية فلورية في المرحلة المتوسطة، ويقترب مفاعل البوليسترات المحتوي على 500 ميغاواط من طراز PFBR في كالباككام من التكليف بعد عقود من التطوير، وتعتزم الهند بناء وحدات إضافية من طراز FB-R600، وحركة الهند هي استقلال الطاقة: لديها هرمونات وراثية محدودة، وكميات من اليورانيوم السريع(33).

الصين

وقد كلفت الصين المفاعل التجريبي الصيني في عام 2010، وهو مفاعل اختباري مدمج في مادة الـ 20 ميغاواط، وهي الآن تشيد محطة إنتاج FFR - 600، وهي محطة تُعرض على 600 ميغاواط، وتُخطط لمجموعة من الوحدات التجارية، وترى الصين أن المفاعلات السريعة هي وسيلة لاستخدام مخزونها المتزايد من البلوتونيوم من إعادة المعالجة، وإلى إغلاق دورة الوقود في نهاية المطاف.

برامج أخرى

وقد تم تشغيل مفاعل مونجو الياباني (وهو نموذج أولي من نوع الصوديوم - المزود بالفلور) على فترات متقطعة من عام 1994 حتى إغلاقه النهائي في عام 2016 بعد سلسلة من الإخفاقات التشغيلية؛ وقد أطلعت فرنسا على التحسينات الدولية في مجال السلامة، وشغلت مفاعلات Phenix و Superphenix في التسعينات، مما يدل على التكنولوجيا على حجمها ولكنه يواجه معارضة التكلفة والمعارضة السياسية.

Technology Advancements Shaping Future FBRs

وكانت المفاعلات السريعة المبكرة معقدة ومكلفة ومعرضة لنكسات تشغيلية - لا سيما تسرب الصوديوم وردود فعل المياه - قد أسفرت عقود من البحث والخبرة التشغيلية عن تحسينات هامة.

مراقبة المواد والتصويب

كما أن السبيكات الجديدة، مثل الفولاذ المتصاعد من حيث التفكك، توفر مقاومة أفضل للضرر النيوترونات وزروع الزعنفة العالية، وبالنسبة للمفاعلات التي تعمل بالقود، والمعاطف المتقدمة، ومراقبة نشاط الأكسجين في المبرد، قد قللت من التآكل إلى مستويات يمكن إدارتها، وهذه المواد توسع عمر المفاعلات وتحسن الموثوقية.

نظم السلامة السلبية

وتشتمل تصميمات القوات المسلحة الرواندية الحديثة على إزالة حرارة مرنة من الدهون باستخدام التداول الطبيعي للمبرد، وإزالة الاعتماد على المضخات النشطة والطاقة الاحتياطية، ومفاعل الصوديوم المزود بالبلازما (GEINHitachi) ومفاعل الألفيدرويد المزود بالرصاص (ALFRED) على نماذج من التصميمات التي يمكن أن تغلق وتبرد دون تدخل من مشغلي أو قوة خارجية لفترات طويلة، وتعالج هذه السمات شواغل السلامة ويمكن أن تبسط الموافقة التنظيمية.

دورة الوقود ومقاومة الانتشار

ويحتفظ تجهيز الفيروكيميائي (إعادة المعالجة بالكهرباء) بالبلوتونيوم المختلط مع مغايري الاورانيات الأخرى، مما يجعل من الصعب فصل البلوتونيوم النقي عن استخدام الأسلحة، مع الجمع بين مواقع المفاعلات ومرافق إعادة المعالجة، مما يمكن أن يقلل من مخاطر الانتشار مقارنة بإعادة المعالجة التقليدية لليورانكس، ويجري وضع ضمانات دولية خاصة لدورات الوقود المتقدمة هذه.

الصلاحية والتوحيد الاقتصاديان

وكانت التكلفة الرأسمالية المرتفعة للمركبات المفلورة حاجزا رئيسيا، إذ أن تصميمات مثل الـ 200 1 نون بوينيل تهدف إلى تحقيق التكافؤ بين التكاليف ومفاعلات المياه الخفيفة من خلال التبسيط والبناء النظامي والحجم الأكبر للوحدات، كما أن المفاعلات السريعة الصغيرة (مثل 100 إلى 300 ميغاواط) قيد النظر، مما يتيح قدرا أقل من الاستثمار والتصنيع، وسيتطلب تحقيق القدرة التنافسية على التعلم في مجال التكلفة بناء وحدات متعددة لتحقيق وفورات.

التحديات التي تواجه الانتشار الواسع النطاق

وعلى الرغم من التقدم التقني، لا تزال هناك عقبات كبيرة عديدة.

التكاليف الرأسمالية العليا

ومفاعلات التوليد السريع أكثر تعقيداً من عمليات الغسل الحراري التقليدية، مع وجود حلقات إضافية لتبادل الحرارة، ونظم مناولة الصوديوم، ومرافق إعادة المعالجة في كثير من الأحيان، وكانت تكاليف التشييد للشبكة التجارية BN-800 و PFBR مرتفعة ومتأخرة، وبدون دعم حكومي كبير أو تسعير كربون يعكس التكلفة الحقيقية للوقود الأحفوري، من غير المحتمل أن يُفضل المستثمرون الخاصون عمليات التراكم الأحيائي على البدائل الأرخص.

الموثوقية والخبرة في مجال العمليات

ولم تعمل سوى حفنة من المفاعلات السريعة لفترات طويلة، وقاعدة التجارب العالمية رقيقة مقارنة بآلاف السنوات التي تتراكم فيها مفاعلات المياه الخفيفة، ولا تزال هناك تصميمات كثيرة في مرحلة العرض، والمرافق حذرة من اعتماد تكنولوجيا غير مثبتة لتوليد الطاقة التجارية.

قبول الجمهور والشواغل المتعلقة بعدم الانتشار

وتواجه الطاقة النووية معارضة في العديد من البلدان، وترتبط المفاعلات السريعة أحيانا بإنتاج البلوتونيوم، مما يثير المخاوف من انتشار الأسلحة، وفي حين أن التدابير التقنية يمكن أن تقلل من خطر الانتشار، يجب مواءمة التصور العام ونظم الضمانات الدولية، ولا تزال مشاركة قدرة إعادة المعالجة المدنية حساسة سياسيا.

إدارة النفايات وإدماج دورة الوقود

وتتطلب دورة الوقود المغلقة القدرة على إعادة المعالجة، وتخزين الوقود المستهلك، ومرافق تصنيع الوقود الباهظة التكلفة، ويجب أن تستوفي معايير السلامة والأمن العالية، ولا تتناول الأطر التنظيمية الحالية في العديد من البلدان بعد بشكل كامل ترخيص المفاعلات المتقدمة أو محطات إعادة المعالجة، وسيتطلب إدماج مركبات الكربون الفلورية التي لديها أساطيل قائمة في مجال الأسلحة غير المحتوية على أسلحة الدمار الشامل وخطط إدارة النفايات تنسيقا دقيقا للسياسات.

مسارات السياسات والتوقعات المتعلقة بمركبات الكربون الفلورية في عالم نيت - زيرو

ولا يعتمد مستقبل مفاعلات التوليد السريعة على التكنولوجيا وحدها؛ بل هو أيضا مسألة الإرادة السياسية، وتصميم الأسواق، والتعاون الدولي؛ وإذا ما أخذت الأهداف المناخية على محمل الجد، يجب على الحكومات أن تعتمد سياسات تستوعب التكاليف الخارجية لانبعاثات الكربون، وتوفر إشارات أسعار طويلة الأجل، وتدعم إظهار التكنولوجيات النووية المتقدمة.

وتشمل القيود الرئيسية على السياسات ما يلي:

  • التمويل المباشر لمشاريع البحث والتطوير والعرض، كما هو مرئي في روسيا والهند والصين.
  • (ج) معايير تسعير الكربون أو الطاقة النظيفة التي تقدر قدرة الشركة المنخفضة الكربون.
  • تبسيط مسارات الترخيص لتصميمات المفاعلات المبتكرة، مع معايير دولية متوائمة.
  • الاستثمار في الهياكل الأساسية لدورات الوقود، بما في ذلك مرافق إعادة المعالجة، وتصنيع الوقود، والتخزين المؤقت.
  • إقامة شراكات بين القطاعين العام والخاص لتبادل المخاطر المالية للمصانع ذات النوعية الأولى.

ويمكن للتعاون الدولي في إطار أطر مثل المنتدى الدولي للجيل الرابع والفريق العامل المعني بالمفاعلات السريعة التابع للوكالة الدولية للطاقة الذرية أن يعجل بتطوير التكنولوجيا، وأن يتقاسم بيانات السلامة، وأن يبني قاعدة معارف مشتركة، كما أن الاهتمام الأخير بالمفاعلات النموذجية الصغيرة والوقود المتقدم يوفر زخما إضافيا.

والواقع أن عمليات التطهير من مخلفات الحرب ليست حلا قصير الأجل لتغير المناخ، فالفترة الأولى للتصميم والترخيص والبناء هي 15 إلى 20 سنة على الأقل، حتى في ظل السيناريوهات المتفائلة، غير أنه بالنسبة للنصف الأخير من القرن الحادي والعشرين، عندما يتطلب التخلص من مركبات الكربون في الصناعة والنقل والمباني قدرا كبيرا من الطاقة في الشركات المنخفضة الكربون، يمكن أن يصبح خيارا لا غنى عنه، وهو توفير وسيلة لاستخدام الوقود النووي على نحو أكثر كفاءة.

خاتمة

وفي الوقت الذي يمكن فيه لمفاعلات توليد الطاقة السريعة أن تكون تكنولوجيا عالية الخطورة ومرتفعة المستوى داخل الصناعة النووية، فإن قدرتها على توليد الوقود، والحد من النفايات، والتوسع بشكل كبير في موارد اليورانيوم الصالح للاستخدام، تجعلها عنصراً طويلاً في نظام الطاقة المزال من الكربون، كما أن التجربة العملية من روسيا والهند والصين، إلى جانب التقدم في مجال علوم المواد وملامح السلامة المبتكرة، تعالج ببطء المسائل التاريخية المتمثلة في التكلفة والموثوقية والسلامة.