كيف يمكن أن يصمم "كندو" خلية فوئيل مختلفة

وتفتت تكنولوجيا مفاعلات كندا (CANada Deuterium Uranium) في المشهد النووي العالمي بسبب اقتصادها النيوترونات الاستثنائي، فخلافا لمفاعلات المياه المجهزة بالضغط (PWRs) أو مفاعلات المياه المغلية التي تتطلب اليورانيوم المثرى بمحتوى ثاني أكسيد اليورانيوم - 235، فإن مفاعلاً من طراز CANDU يعمل على وقود اليورانيوم الطبيعي (0.7 في المائة من اليورانيوم - 235).

والمزايا الفيزيائية الرئيسية هي نسبة التحويل - عدد الذرات الانشطارية المنتجة لكل ذرة انشطارية مستهلكة - في اتحاد CANDU، فإن الجمع بين طيف النيوترونات الحرارية وما يتصل به من إعادة الوقود على شبكة الإنترنت يعطيان تحويلاً عالياً نسبياً من اليورانيوم - 238 إلى البلوتونيوم - 239، الذي سيستخدم لاحقاً في تصميمات وطاقات كبيرة، ويمكن استخدام نفس المفاعلات المحتوية على النيتروز لتدمير مواد متفاوتين

إن إعادة الإمداد بالوقود على الإنترنت هي مفرق محوري، إذ أن مفاعلات الساندو بالوقود يتم تجديدها باستمرار بواسطة آلتين تعملان عن بعد - واحدة تدفع أركن الوقود الطازجة إلى قناة وقود بينما تتلقى الأخرى أركن مستهلكة في الطرف الآخر، وهذه القدرة تتيح للمشغلين أن يفصلوا تركيبات الوقود في الوقت الحقيقي، مع إدخال كميات من الوقود المعاد تدويرها إلى جانب اليورانيوم الطبيعي دون إغلاق مفاعلها.

إطار الاقتصاد العلماني في الطاقة النووية

ويسعى نموذج الاقتصاد الدائري إلى إبقاء الموارد في الاستخدام إلى أقصى حد ممكن، واستخراج أقصى قيمة، ثم استعادة وتجديد المنتجات في نهاية فترة خدمتها، وهذا يعني الانتقال من دورة الوقود المفتوحة التي تُستخدم مرة واحدة، حيث يُقصد بالوقود المستهلك التخلص من النفايات الجيولوجية الدائمة إلى دورة مغلقة أو مغلقة جزئياً حيث يتم فصل المواد الانشطارية والخصوبة إلى مفاعل جديد للتوليد، وإعادة إنتاجها.

وفي الاقتصاد النووي الدائري، أصبحت ثلاثة مسارات رئيسية للنفايات مواد وسيطة قيمة:

  • Reprocessed uranium (RepU)] from PWR spent fuel, which still contains roughly 0.8 -1.2% U-235-higher than natural uranium.
  • Plutonium and transuranic elements] recovered during re processing, which can be blended into MOX or inert spec fuels.
  • Thorium] placed in the reactor as a fertile blanket, breeding U-233, a emission isotope with excellent neutron characteristics.

ونظراً لأن مفاعلات الاتحاد لا تحتاج إلى سلسلة من التخصيب عالية الضغط، يمكن اختلاق هذه المواد المعاد تدويرها في مجموعة جديدة من الوقود ذات البساطة النسبية، مما يقلل بشدة من الطلب على اليورانيوم المستخرج حديثاً ويخفض الحجم الإجمالي للسمية المشعة للنفايات المتبقية.() وقد نشرت الرابطة العالمية النووية تحليلات واسعة النطاق بشأن توافر مفاعلات المياه المتجددة على الصعيد العالمي.

إن سياسة كندا لإدارة النفايات المشعة تشمل صراحة تقليل النفايات إلى أدنى حد على سبيل الأولوية، وقد لاحظت منظمة إدارة النفايات النووية، المسؤولة عن إدارة الوقود المستهلك في الأجل الطويل، أن إعادة التدوير عن طريق وحدة مكافحة المخدرات يمكن أن تقلل من آثار التخلص النهائية بنسبة تصل إلى 40 في المائة، مما يؤخر الحاجة إلى مستودع جيولوجي عميق آخر، وهذا التوافق في السياسة يعطي الاتحاد ميزة استراتيجية قوية في المستقبل حيث تزداد كفاءة الموارد.

Recycling Spent PWR Fuel in CANDU: The DUPIC Cycle

ومن أكثر المفاهيم ابتكاراً لدورة الوقود التي صُممت صراحة حول اتحاد الجمارك والأخشاب البرية، نظام " DUPIC " (الاستعمال النابع من مفاعلات المياه المضادة في كندا) الذي تم تطويره من خلال التعاون بين كوريا الجنوبية وكندا والولايات المتحدة، وهو يزيل خطى الفصل المتوازية التي تُستخدم عادة لإعادة المعالجة التقليدية، وبدلاً من ذلك، فإن تركيبات الوقود المستنفدة تعمل آلياً، وتُسحق

وتستغل عملية الـ ديوبتش حقيقة أن الوقود المستهلك لليورانيوم لا يزال يحتوي على نحو ١,٦ في المائة من البلوتونيوم الإنشطاري وكمية كبيرة من المواد المتبقية من اليورانيوم - ٥٣٢ إلى آخر، ومحتويات انشطارية كافية للحفاظ على الأهمية في وحدة إنتاج المواد الكيميائية دون أن تختلط باليورانيوم الطازج، وقد تكون الاختبارات التي أجريت في مفاعل البحوث التابع لمؤسسة هانارو ومحركات محاكاة واسعة النطاق في معهد بحوث الطاقة الذرية ]٥٢: ١-٢[.

ومن منظور الاقتصاد الدائري، يجسد المجلس مبدأ الاحتفاظ بقيمة " حلقة جديدة " ، ويتجنب البنية الأساسية للتقسيم الكيميائي في إعادة المعالجة التقليدية، ولكنه لا يزال يمدّد حياة واسعة من الموارد، وعلى الرغم من أن هذا النظام لم يُستغل بعد، فإن التحقق المفاهيمي منه يرتكز على البحوث الجارية في مجال تكنولوجيات تصنيع الوقود المتقدمة التي يمكن أن تستخدم مباشرة الوقود المستهلك من أي أسطول من أسطول مفاعلات المياه الخفيفة الذي يهيمن على العالم.

ولا تزال هناك تحديات قائمة، في المقام الأول في النسيج عن بعد ومناولة الوقود المستهلك عالي الإشعاع، وتحتاج عملية دوبيتش إلى مرافق آلية تماماً وحمّية لسحق وربط الخنازير المشععة، وما ينتج عن ذلك من حزم الوقود من إشعاع غاما الشديد الذي يتطلب نظماً مناولة مأهولة بالإشعاع، غير أن التقدم في تكنولوجيا الآلات الآلية والمحركات الساخنة قد قلل باستمرار الخطر التقني، ولا تزال كوريا الجنوبية تستثمر في مجال تكنولوجيا العرض.

تكنولوجيات إعادة المعالجة والأشكال المتقدمة للوقود

وبالإضافة إلى إعادة الصنع الآلي المباشر، تشمل الرؤية الأكبر لإعادة استخدام المواد النووية فصلاً هيدروكيميائياً أو بروكيميائياً لمكونات الوقود المستهلك، ويمكن بعد ذلك استخدام مفاعلات اليورانيوم المسترد والبلوتونيوم المتطورة لتصنيع اليورانيوم والبلوتونيوم.

كما أن حبوب الوقود في كندا قصيرة نسبياً (نحو 50 سم) وتتألف من سلفات ثاني أكسيد اليورانيوم الطبيعي المصنَّفة في رصيف 4، وتسمح نماذجها باستراتيجيات التحميل المرنة، ويمكن أن يختلط اليورانيوم المعالج الذي يحتوي على كميات صغيرة من اليورانيوم-236 (ممتص للنيوترونات) باليورانيوم المستنفد أو اليورانيوم الطبيعي للتعويض عن التصريف الخفيف في الأسلحة الفلورية.

وهناك عدة مشاع بيانية، بما فيها تلك التي تقوم بها شركة الطاقة الذرية المحدودة في مختبرات نهر الشالك ومفاعلات الجيل الأول ومفاعلات البيوت الوطنية، تحققت من أن وحدة مكافحة الأسلحة الكيميائية يمكنها أن تحرق وقود الازدحام بكفاءة دون إدخال تعديلات كبيرة على جوهر المفاعل، وفي الواقع، فإن لجنة السلامة النووية التابعة لأجهزة التردد قد توفر استعراضات السلامة الحالية من خلال مفاعل التحميلات متعددة.

ويجري تطوير متغيرات إعادة المعالجة المتقدمة مثل COEX (عملية مبسطة للاستخلاص المشترك لا تنتج مسارات البلوتونيوم النقي) وGANEX (استخراج المواد الانشطارية بواسطة الغروب) للحد من مخاطر الانتشار مع تحقيق أقصى قدر من الانتعاش.() ويناسب تصميم وقود وحدة مكافحة المخدرات الكندية قبول منتجات المنشطات المختلطة من هذه العمليات لأن خط الأساس الخاص بها يتعامل بالفعل مع مجموعة واسعة من المواد الانشطارية التي لا تتطلب تركيزات.

ثوريوم كقاعدة موارد الاقتصاد العلماني

ويضيف ثوريوم بعدا آخر إلى سرد الاقتصاد الدائري في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية، فالثوريوم - ٢٣٢ ليس انشطاريا بل يمكن تحويله إلى U-233 عندما يشع بالنيوترونات، ولأنه يستهلك تقريبا ثلاثة إلى أربعة أضعاف أكثر وفرة من اليورانيوم في قشرة الأرض، وكثيرا ما يكون مصمما بالاقتران مع رواسب العناصر الأرضية النادرة، فإنه يمثل موردا للطاقة واسعا وغير مستغل إلى حد كبير.

In a CANDU thorium fuel cycle, a central emission core of low-enriched uranium or plutonium provides the neutrons that are captured by a thorium-containing outer anlus, breeding U-233. The bred U-233 then fisions in situ, contributing power and extending burnup. Detailed reactor physics studies, including those published in [FLT1]

This fits the circular economy aspirations of a "sustainable nuclear ecosystem" where the fertile thorium blanket is repeatedly irradiated, the bred U-233 is burned, and the remaining heavy metal inventory is recycled into new fuel. because thorium fuel cycles produce far fewer transuranic elements (neptunium, americium, curium) than uranium-plutonium cycles,

كما أن دورة وقود اليورانيوم في منطقة جزر القمر - ثوريوم توفر مسارا لاستخدام المخزونات الحالية من اليورانيوم المستنفد كبذور السائقين، فاليورانيوم المستنفد، وهو منتج ثانوي لمصانع التخصيب، يخزن في جميع أنحاء العالم بدون استخدام حالي، ويسهم في إشعاله في بلوتونيوم من إنتاج وحدة مكافحة المخدرات الكندية، مما يمكن أن يؤدي إلى دفع بطانية للثوريوم، ويحول بفعالية مسارين للنفايات إلى معدل نمو للطاقة.

Reducing the Environmental Footprint of Uranium Mining

وكل كيلوغرام من اليورانيوم المعالج أو البلوتونيوم المستخدم في مفاعل CANDU يزيل مباشرة خام اليورانيوم الملغوم، والنهاية الأولى لدورة الوقود النووي - وهي إزالة الطاحن وتحويل وتخصيب الآثار البيئية والاجتماعية، بما في ذلك اضطراب الأراضي وإدارة المياه وانبعاثات الكربون من المواد الكيميائية المعالجة، وبإغلاق دورة الوقود، يمكن لمفاعلات CANDU أن تقلل من كثافة غازات الدفيئة الإجمالية لدورة الحياة فيما بين الكهرباء.

وتشير التقييمات الكمية إلى أن إعادة تجهيز وإعادة استخدام وقود PWR المستهلك في اتحاد الصناعات التحويلية يمكن أن يقلل من الحاجة إلى اليورانيوم الجديد بنسبة تتراوح بين 20 و30 في المائة تقريباً لكل وحدة من وحدات الكهرباء المولدة، وذلك حسب افتراضات الاحتراق والتشكيل الإسباني للوقود المستهلك، وعند تطبيقه على أسطول من المفاعلات، فإن هذا يترجم إلى عدد أقل من الألغام، وإلى انخفاض عدد وحدات توليد الطاقة الكهربائية، وإلى زيادة حساسية تقل قيمة العرض بالنسبة لتقلبات سوق اليورانيوم الجغرافي السياسي.

كما أن تجنب التعدين له فوائد اجتماعية، إذ يوجد العديد من رواسب اليورانيوم في أقاليم الشعوب الأصلية أو بالقرب منها، حيث يمكن أن يؤدي التعدين إلى نشوب نزاعات، ومن خلال خفض الطلب على الألغام الجديدة، تساعد أنواع الوقود المعاد تدويرها على احترام حقوق المجتمعات المحلية وتخفيض الآثار التراكمية على الأراضي التقليدية، وقد خلصت دراسة من وكالة الطاقة النووية التابعة لمنظمة التعاون والتنمية في الميدان الاقتصادي، من خلال تخفيض البصمات الصناعية بنسبة 15 في المائة إلى 50 في المائة.

الاعتبارات الاقتصادية والمتعلقة بالهياكل الأساسية

إن نموذج الاقتصاد الدائري ليس مفهوما تقنيا فحسب، بل يجب أن يكون قابلا للتطبيق من الناحية الاقتصادية، إذ إن إعادة تجهيز الوقود المستهلك، وصناعة الوقود المتطور، وشحن المواد المتخصصة، كلها تنطوي على تكاليف يجب أن تُقيَّم على تكاليف التخلص النهائي والقيمة السوقية للمواد الانشطارية المستعادة، أما بالنسبة لمفاعلات الاتحاد الوطني للاستقلال التام لأنغولا، فإن عدم وجود متطلبات تخصيبية هو عامل اقتصادي كبير: يمكن استخدام اليورانيوم المعاد تجهيزه في سيناريوه الذي يدفعه بأسعار تنافسية.

وقد أثبتت مرافق إعادة المعالجة على نطاق تجريبي في كوريا الجنوبية (مرفق بحوث دورة الوقود المتقدمة التابع لرابطة كيري الدولية) والمملكة المتحدة (مرفق بحوث الطاقة المتجددة في سيلافيلد، التي أغلقت الآن، ولكن مع التخطيط اللاحق للخطوط الجديدة) الجدوى الصناعية لفصل اليورانيوم والبلوتونيوم لإعادة الاستخدام، غير أن توسيع نطاق هذه العمليات وربطها بمصانع إنتاج الوقود الخاصة بشركة سيانديوكس ما لا يزال يشكل تحدياً في السياسات والاستثمار.

وعلى جانب الهياكل الأساسية، فإن أسطول وحدة مكافحة المخدرات الموجود حالياً - الذي يضم أكثر من 40 مفاعلاً في جميع أنحاء العالم - قد أنشأ سلاسل إمدادات لصناعة الوقود لليورانيوم الطبيعي، حيث إن إعادة تجهيز هذه المرافق لمعالجة المواد الوسيطة المعاد تدويرها يتطلب الاستثمار، ولكن تصميم الحزمة النموذجية يبسط عملية الانتقال مقارنة بمفاعلات المياه الخفيفة، وتقدر تكلفة خط الإثراء من طراز DUPIC أو MX بمبلغ يتراوح بين 100 مليون دولار و300 مليون دولار.

السلامة والضمانات والقبول العام

إن أي مناقشة بشأن إعادة تدوير المواد النووية يجب أن تعالج مقاومة الانتشار والثقة العامة، إذ أن مفاعلات اليورانيوم المحتوي على ميزة هنا بسبب تصميمها المزود باليورانيوم، الذي يمكن أن يقبل الوقود المعاد تدويره الذي لا يعزل أبداً مجرى البلوتونيوم النقي، ففي عملية البوليتونيوم، مثلاً، لا تزال مختلطة بمنتجات النسيج المشع بدرجة عالية، مما يجعلها ذاتية، ويصعبة جداً استخدام البلوتوكس.

وعلاوة على ذلك، فإن مفاعلات الاتحاد الوطني للاستقلال التام لأندو ما زالت تُزود بالوقود باستخدام أجهزة الوقود التي تعمل عن بعد، مما يعني أن المفاعل لا يحتاج إلى وقفه لإعادة الوقود والحصول على الوقود الطازج يخضع لمراقبة صارمة، ويقترن ذلك بضمانات الوكالة الدولية للطاقة الذرية التي تنطبق على جميع المواد النووية في كندا (التي لها إطار تنظيمي قوي يحكمه قانون السلامة النووية والرقابة [FLT:]) الذي يجري تنفيذه في إطار عمل من قبل الجامعة.

وتشير الدراسات الاستقصائية للتصورات العامة إلى أن المجتمعات المحلية القريبة من محطات اتحاد الكاندو، مثل تلك الموجودة في أونتاريو، تدعم عموما إعادة تدوير الوقود أكثر من عامة السكان، ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى أنها شهدت عقودا من العمل الآمن، وقد أظهرت برامج مشاركة المجتمع المحلي في بروس بروس باور أن إعادة التدوير تخفض حجم وخطر الوقود المستهلك المخزن، وزيادات القبول، وأن الاتصال الدقيق بالمخاطر أمر أساسي، وتتطلب تراخيص من أجل توفير تقييمات بيئية تشمل إعادة التشاور العام، واستخدامات.

دراسات الحالة والبرامج التجريبية

وتوضح عدة أمثلة ملموسة كيف بدأت مفاعلات اتحاد رابطات الموظفين المدنيين الدوليين بالفعل في التحقق من مفهوم الاقتصاد الدائري:

  • AECL’s MOX irradiation tests:] Throughout the 1970s and 1980s, AECL irradiated experimental fuel bundles containing uranium-plutonium oxide in the NRU reactor at Chalk River. Post-irradiation examination confirmed stable performance and fission product retain, establishing the baseline for modern MOX-CU fuel qual.
  • (أ) في إطار التخلص من البلوتونيوم الروسي الفائض من الأسلحة، قامت المنظمات الكندية والروسية بتقييم مفاعلات الاتحاد كخيار لاستهلاك البلوتونيوم من نوع الأسلحة أثناء توليد الكهرباء، وفي حين أن تحليل الفيزياء أظهر أن وحدة من وحدات الـ CANDU-6 يمكن أن تتخلص من 0.5 طن من البلوتونيوم الإنشطاري في السنة،
  • The South Korean DUPIC program:] South Korea successfully fabricated DUPIC fuel elements and performed test irradiations at HANARO, proving the technical viable of direct refabrication. The program also spurred advancements in remote fabrication technology, essential for handling highly radioactive materials.
  • ] China’s CANDU experience:] Qinshan Phase III operates two CANDU-6 reactors that have loaded natural uranium, slightly enriched uranium, and experimental thorium-bearing bundles. The operational data from these reactors furnish real-world evidence of the core’s flexibility and have contributed to China’s advanced nuclear fuel research, including mol saltten.
  • () قامت الهند بتطوير أسطول كبير من مفاعلات المياه الثقيلة المجهزة بالضغط، استناداً إلى تكنولوجيا الاتحاد، وتقوم الهند حالياً، في إطار برنامجها النووي الثلاثي، باستخدام أجهزة الهيدروكربون المشبع بالفلور في حرق الثروتيوم في دورة وقودية مغلقة، مع إعادة إنتاج اليورانيوم الطبيعي من ثلاث مراحل.

مسارات تنظيمية وسياساتية من أجل أسطول نووي دائري

ولكي تصبح إعادة تدوير المواد النووية وإعادة استخدامها في اتحاد الدول الجزرية الصغيرة النامية ممارسة معيارية، يجب وضع إطار تنظيمي واضح، وفي كندا، تقوم اللجنة الكندية للسلامة النووية بعملية محددة جيدا لترخيص أنواع الوقود الجديدة، ويجب على مقدم الطلب أن يثبت أن الوقود الجديد يفي أو يتجاوز هوامش الأمان القائمة في إطار التشغيل العادي، والأحداث التشغيلية المتوقعة، والسيناريوهات اللاحقة للحوادث، مما يستتبع وجود تفاعل واسع النطاق بشأن الممتلكات الائتمانية للغاز.

ويحظى دعم السياسات بنفس القدر من الأهمية، ويسلم إطار السياسة العامة للنفايات المشعة في كندا بأن تخفيض حجم النفايات عن طريق إعادة التدوير هو استراتيجية مشروعة لإدارة النفايات، وأن استمرار الحكومة الاتحادية في الاستثمار في البحوث النووية من خلال خطة العمل الاتحادية لعلوم وتكنولوجيا الطاقة النووية في كندا يشمل بنوداً من أجل دراسات متقدمة لدورة الوقود، وفي المرحلة الدولية، تقوم منظمات مثل وكالة الطاقة النووية التابعة لمنظمة التعاون والتنمية في الميدان الاقتصادي بتعزيز مبادئ الإدارة المادية التي تشجع الدول الأعضاء على إعادة النظر إلى المواد النووية باعتبارها موارد.

وسيشمل مسار تنظيمي محدد لوقود الديوبيتش تعديلاً لرخصة كل مشغل مفاعل، تدعمه حالة أمان شاملة، وقد أبدى المجلس الوطني للسلام استعداده لاستعراض هذه الحالات، كما فعل بالنسبة لوقود اليورانيوم المخصب قليلاً المرخص لمصانع كينزان، وقد تستغرق العملية عادة ثلاث إلى خمس سنوات، بما في ذلك جلسات استماع عامة، وللتعجيل بالنشر، يمكن لنهج منسق بين دوائر الصناعة والحكومة أن يستحدث اليوم مواصفات مماثلة للوقود المرخص به.

الآفاق المستقبلية: النظام المتقدم للشبكة ونظم نيوترونات سريعة

ومن المرجح أن يؤدي الجيل القادم من مفاهيم المفاعلات الثقيلة والمحتوية على المياه إلى زيادة الضغط الاقتصادي الدائري، كما أن تصميم المفاعلات المتقدمة في كندا، وإن كان قد تم قصفها في شكلها الأصلي، يتضمن إثراء طفيف )١-٢ في المائة( لتحقيق تداخل أكبر مع الاحتفاظ بمفاعل المياه الثقيلة، ويمكن أن يوفر هذا الإثراء الطفيف بالكامل عن طريق اليورانيوم المعاد تصنيعه، مما يؤدي إلى توليد ما يسمى بنموذج " المفاعل " PWR.

وعلاوة على ذلك، تشمل الفئة الناشئة من المفاعلات النموذجية الصغيرة تصميمات تعتمد نمطاً مائياً ثقيلاً أو مصممة بطريقة أخرى لمرونة الوقود، وتتوخى خريطة الطريق الكندية الخاصة بالنقل الشامل، التي أقرتها مقاطعات متعددة، مستقبلاً تكون فيه الوقود المصنَّع محلياً من المواد المعاد تدويرها، شبكة موزعة من المفاعلات، بما في ذلك التطبيقات البعيدة عن الشبكة، تربط مباشرة الاقتصاد الدائري بسيادة الطاقة للمجتمعات الأصلية والشمالية، حيث الحد من أهمية النقل والإمداد بالنفايات.

ومن الآفاق الواعدة الأخرى دمج وحدة مكافحة التخصيب في إعادة تجهيز الملح المميت، أما التقنيات الكيميائية التي تعمل في درجات حرارة عالية في كهرباء الملح المبتذلة، فهي يمكن أن تفصل بين المواد الخامية من منتجات الإنشطار دون إنتاج مسارات من البلوتونيوم الخالص، ويمكن حل حزام الوقود في كندا، كما أن المواد السائلة الكهربية التي تعمل في إطار المنتدى الرابع، التي تُعاد صياغتها.

الخلاصة: مستقبل فعال للموارد النووية

إن مفاعلات الكوندو ليست مجرد إنجاز هندسي تاريخي، بل هي منصة حية ومتطورة لإغلاق دورة الوقود النووي، ومن خلال قبول أنواع أخرى من المفاعلات لا يمكن أن تستخدم بسهولة اليورانيوم المجهز، وأجهزة التعبئة، وأجهزة التقاط الغازات ذات القيمة المضافة في مجال الطاقة، وكميات من التكوينات التي تستخدمها أجهزة التموين، وتحول النفايات إلى ثراء طويل الأجل من حيث الاستهلاك من الوقود.