مفاعلات الكاندو والانتقال إلى نظم الطاقة المنخفضة الكربون

وتُعد مفاعلات الاتحاد ، وهي تكنولوجيا رائدة للطاقة النووية طورت في كندا، مساراً منخفضاً من الكربون، حيث تعجل الدول بالانتقال إلى نظم الطاقة المستدامة، حيث أن سمات التصميم الفريدة، بما في ذلك الاعتدال في المياه الثقيلة، والتشكيل المتغير لشبكة الوقود، والقدرة على العمل في اليورانيوم الطبيعي، فإن مفاعلات الاتحاد تقدم الكهرباء التي يمكن الاعتماد عليها دون انبعاثات غازات الدفيئة أثناء التشغيل.

Understanding CANDU Reactor Technology

وتستخدم مفاعلات الديوتريوم (المياه الثقيلة) كعامل مهيدي ومبرد، وهذا الاختيار التصميمي يمكّن المفاعل من تحقيق الأهمية الحيوية باليورانيوم الطبيعي، ويلغي الحاجة إلى مرافق التخصيب الباهظة التكلفة، وقد نشأت التكنولوجيا عن شراكة بين الطاقة الذرية المحدودة في كندا، وشركة أونتاريو هيدرو، والصناعة الكندية في أواخر الخمسينات، مما أدى إلى تطويع مفاعل دائم مثبت على عدة عقود.

"الماء الثقيل"

ويحسن استيعاب المياه الجوفية المنخفض تحسيناً كبيراً في الاقتصاد النيوترونات، مما يسمح لمفاعلات النيتروز بالارتفاع باليورانيوم الطبيعي غير المثرى، وفي حين أن المياه الثقيلة باهظة التكلفة لإنتاج عدة مئات من الدولارات لكل كيلوغرام، فإن الوفورات من تجنب الإثراء والقدرة على استخدام مجموعة أوسع من المواد الوقودية تزيد عن التعويض على مدى عمر المفاعل، وهو ما يحافظ على درجة الحرارة الأدنى.

تصميم الضغط

وعلى عكس مفاعلات المياه الخفيفة التي تحمل وعاء ضغط كبير واحد، تستخدم تصميمات وحدة المياه الجوفية أنبوب ضغط أفقي متعدد تسكنه في كالاندريا أكبر من غير مكتظة، ويتفادى هذا النهج التحديات التي تواجه التصنيع في سفن الضغط الكبيرة ويمكِّن من القدرة الحاسمة على إعادة الوقود، كما أن كل أنبوب ضغط يحتوي على أحزمة وقود تبرد بماء ثقيل مرتفع الضغط، بينما يظل جهاز الاستنشاق المحيط في منطقة الكالاندريا تحت ضغط أقل.

Fuel Bundle Configuration

وتتم تعبئة بذور ثاني أكسيد اليورانيوم الطبيعي في 37 من قضبان الوقود، وتُجمع في مجمعات إسطوانية تبلغ حوالي 50 سماً و10 سنتيمتر، وتُنتج أيضاً نسبة 0.7 في المائة من أنواع الوقود المتطورة من اليورانيوم 235، وهو ما يسهم في نصف إنتاج الطاقة، ويقلل من قدرة مفاعلات الوقود المحتوي على اليورانيوم المصممة على نحو ملحوظ().

المزايا التشغيلية ورسوم السلامة

وقد تراكمت مفاعلات الاتحاد الوطني لكوت ديفوار أكثر من 600 سنة من سنوات المفاعلات من الخبرة التشغيلية في جميع أنحاء العالم، مع وجود سجل قوي للسلامة وعوامل عالية القدرة، وقد أدى الجمع بين إعادة الإمداد بالطاقة الكهربائية، وخصائص السلامة المتأصلة، ونظم الأمان المتعددة المصممة إلى جعلها واحدة من أكثر تصميمات المفاعلات قوة بالنسبة لكل من الحمولة الأساسية والعمل المرن.

القدرة على الإمداد بالوقود في الدول

ويمكن لمفاعلات الاتحاد أن تزود بالوقود في كامل طاقتها باستخدام آلات آلية تُدخل في نفس الوقت حزام الوقود الطازج بينما تزيل المستودعات المنفقة من الطرف المقابل لأنبوب الضغط، وهذه العملية المستمرة تزيد إلى أقصى حد من توافر النباتات - وهي تزيد على 80 في المائة من عوامل القدرة على إنتاج الوقود على مدى عقود، وتسمح بإزالة كميات الوقود الموسَّعة التي يتم اكتشافها، وتخفض مستويات الإشعاع في حلقة التبريد الأولية، وتعمل المنظومة على جميع مستويات قدرة المفاعلات وتحافظ على القدرة المثلى على حرق الوقود.

خصائص السلامة المتسقة

كما أن الهوامش التي تتفاعل معها المفاعل منخفضة بما يكفي بحيث لا يمكن أن تؤدي تفاعل التسلسل إلا في وجود مياه ثقيلة، كما أن التزود بالماء الخفيف يوقف فوراً رد الفعل النووي، ويوفر آلية أمان سلبية، وما دامت المياه السائلة كافية تحلل حرارة الوقود، فإن الانهيار الحاد للوقود مستحيل ماديا، وفي أكثر من 50 عاماً من عملية الاتحاد العالمي، كان أخطر حادث ملوث بمواقع مائية كبيرة هو المفاعل NRX الذي احتوى.

نظم السلامة المتعددة

وتشتمل محطات التثبيت على أربعة نظم أمان خاصة: نظامان مستقلان للغلق (قضبان الجاذبية وحقن التسمم السائل)، ونظام لتبريد المواد الأساسية في حالات الطوارئ، واحتواءها، ويكفل مبدأ الدفاع بعمق وجود حواجز متعددة بين المواد المشعة والبيئة، مع تكرار وتنوع وظائف السلامة، وترمي نظم الإغلاق إلى أن تكون موثوقة للغاية، مع بدء التشغيل التلقائي لأية من عمليات استعراضات الظواهر الشاذبة.

مرونة الوقود وكفاءة استخدام الموارد

إن تصميم مفاعلات النيترون ذات الكفاءة الجديدة يعطيها مرونة في الوقود غير المتناظر، وهذا لا يقلل من استهلاك اليورانيوم فحسب، بل يفتح أيضا مسارات لإعادة تدوير الوقود المستهلك من أنواع أخرى من المفاعلات ولإستخدام أنواع الوقود البديلة مثل الثهوريوم.

دورة الوقود الطبيعي

ويقضي تشغيل اليورانيوم الطبيعي على تكاليف التخصيب، ولا حاجة إلى مرافق لتخصيب الانتشار، وتستخدم مفاعلات اليورانيوم الملغومة 30 إلى 40 في المائة من اليورانيوم الأقل من مفاعلات المياه الخفيفة لكل وحدة من وحدات الكهرباء، كما أن الوقود أقل تكلفة بسبب نقص التخصيب، وهذا التبسيط في دورة الوقود يعزز أمن الطاقة للبلدان التي لا تملك قدرات إثراء، ويصبح من الواضح نسبياً أن دورة الوقود المحول تُسلَّم من المفاعلات النسيجية.

القدرات البديلة على الوقود

ويمكن لمفاعلات الاتحاد استخدام اليورانيوم المسترجع من مفاعل الماء الخفيف المستنفد (بنسبة 0.9 في المائة من اليورانيوم 235 مقارنة بنسبة 0.7 في المائة من اليورانيوم الطبيعي)، مما يستخرج من الطاقة بنسبة 30 إلى 40 في المائة، كما أن استخدام الوقود المستخدم في الاتحاد الأوروبي في إعادة تدوير الوقود المستهلك دون إعادة المعالجة، مما يؤدي إلى خفض حجم النفايات العالية المستوى واستخدام الموارد الانشطارية الموجودة.

CANDU Reactors in the Global Energy Landscape

ويعمل 27 مفاعلا من مفاعلات الطاقة في كندا في سبعة بلدان، ويظهر تاريخ نشرها قدرة التكنولوجيا على التكيف مع مختلف البيئات التنظيمية، وظروف الشبكات، والقدرات التكنولوجية للبلدان المضيفة، كما أن نموذج التصدير قد عزز أيضا الشراكات الطويلة الأجل ونقل التكنولوجيا.

النشر الدولي

وقد شملت مبيعات الصادرات وحدات إلى كوريا الجنوبية (4)، ورومانيا (2)، والهند (2)، وباكستان (1)، والأرجنتين (1)، والصين (2)، إضافة إلى أن الهند قد بنيت 16 مفاعلاً على أساس تصميم وحدة السلع الأساسية، تسمى سلسلة مفاعلات المياه الثقيلة المضللة، وهذه المشاريع تنقل الخبرة الهندسية وتدعم أهداف تنمية الطاقة في البلدان الشريكة، وقد بلغت نسبة الوحدات التي تولد الطاقة الكهربائية من طراز CANDU 6، وهي 700 في المائة من وحدات طبقة الكهرباء من طراز WWeong، 85 وحدة من وحدات الإنتاج.

الأداء التشغيلي

وقد حققت وحدات وحدة CANDU 6 عوامل قدرة متوسط العمر فوق 80 في المائة، وحددت الوحدة 1 من المرحلة الثالثة من كينشان في الصين سجلا عالميا لمفاعلات CANDU -6 التي تبلغ مساحتها 738 يوما من التشغيل المستمر، وفي أونتاريو، توفر مفاعلات CANDU ما يزيد على 60 في المائة من الاستهلاك السنوي لشبكة الكهرباء في المقاطعة 140 TWh، مما أسهم في توليد الكهرباء المنخفضة بنسبة 80 في المائة من محطات دارلينغتون، التي حققت أداء 881 وحدة من وحدات الطاقة الكهربائية غير المرخصة،

التطورات الأخيرة والبناء الجديد

وتقوم رومانيا ببناء مفاعلين جديدين تابعين للوحدة في سيرنافودا، أول بناء جديد للشركة منذ عام 2007، وهو مشروع يشمل شركة كاندو للطاقة (شركة أتكينزرايليس)، وفلور، وشركة أنسالدو النووية، وشركة سارجينت لوندي، يمثلان اهتماما متجددا بالتكنولوجيا، وقد منعت وحدات رومانيا القائمة المعنية بصناعة الأسلحة الكيميائية ما يزيد على 000 215 طن من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون منذ عام 1996.

دور اتحاد رابطات الموظفين المدنيين الدوليين في الانتقال من الطاقة المنخفضة الكربون

ومع تعجيل العالم نحو الانبعاثات الصافية من حيث الطاقة النووية، يُعترف بالطاقة النووية على نحو متزايد بأنها أساسية لتوفير الكهرباء والحرارة الموثوق بهما، وهما منخفضو الكربون، وتُستخدم مفاعلات الاتحاد، التي لها سمات فريدة وتاريخ تشغيلي واسع النطاق، في مكان جيد للمساهمة بشكل كبير في هذا التحول.

طاقة قاعدة عدم الانتشار

وتنتج مفاعلات الاتحاد الوطني الكرواتي كهرباء ثابتة منخفضة الكربون تكمل مصادر متجددة متغيرة مثل الرياح والطاقة الشمسية، وتزيد عوامل قدرتها العالية التي تتجاوز 90 في المائة من الطاقة الأساسية المستقرة التي تحتاج إليها شركات تشغيل الشبكة لدمج توليد الطاقة المتقطعة دون اللجوء إلى دعم الوقود الأحفوري، وهذه الموثوقية قيمة بوجه خاص خلال فترات الذروة التي قد يكون فيها الناتج المتجدد منخفضاً، مثل ساعات العمل في المساء في المناخ البارد.

دعم الأهداف المناخية

ويعزز تحديث تصميم مفاعلات الاتحاد الأوروبي أمن الطاقة في الوقت الذي يدعم فيه الحلفاء في الانتقال إلى الكهرباء الأنظف، وتظهر الاستثمارات الحكومية في الجيل القادم من تكنولوجيا الاتحاد الروسي التزام الطاقة النووية كحل مناخي، ويعكس اتفاق الترخيص المتعلق بالملكية الفكرية مع شركة الطاقة الذرية المحدودة في كندا الاعتراف بدور وحدة التنسيق في إزالة الكربون في كندا وفي العالم، ويبرز تحليل الوكالة الدولية للطاقة أن الطاقة النووية يجب أن تضاعف بحلول عام 2050 لتلبي أهداف الوقود الصافية التي يمكن إثباتها؛

الاستحقاقات الاقتصادية والاجتماعية

أما مفاعلات الطاقة في كندا، فهي تنتج إمدادات عالمية كاملة تقريبا من الكوبالت - ٦٠ للتعقيم الطبي وعلاج السرطان، كما أن كل مرفق نووي يستخدم مئات العمال المهرة ويدعم سلاسل الإمداد المحلية، ويوفر وظائف عالية الجودة وحافزا اقتصاديا، وينشئ وحدات جديدة من وحدات الكولوز آلافا من الوظائف في الهندسة والصناعة التحويلية والبناء، على سبيل المثال، إنتاج محطات إنتاج الطاقة الكهربائية في أونتاريو.

التحديات والابتكارات والتنمية في المستقبل

ولا توجد أي تكنولوجيا تواجه تحديات، وتواجه مفاعلات اتحاد الكاندو عقبات تقنية واقتصادية محددة، غير أن الابتكار الجاري - من دورات الوقود المتقدمة إلى الضوابط الرقمية وتصميمات المفاعلات النموذجية الصغيرة - يتصدى لهذه القضايا ويتيح فرصا جديدة.

حجم التكاليف الرأسمالية والمفاعل

فالاستثمار الأولي في مخزونات المياه الثقيلة كبير، كما أن نواة الوحدويات التابعة للوحدة أكبر من مفاعلات المياه الخفيفة القابلة للمقارنة بسبب انخفاض محتوى اليورانيوم الطبيعي من المواد الانشطارية، غير أن هذه التكاليف تقابلها وفورات في الوقود وعمر تشغيلي ممتد قدره ٦٠ سنة مع تجديدات متوسطة العمر، بينما يتطلب تصميم أنبوب الضغط، مع التمكين من إعادة الوقود، استبدال قنوات الوقود بصورة دورية مرتين خلال فترة تصميم المفاعل.

التصميمات المتقدمة للشركة

وقد أطلق أتكينزرايلي تصميم كاندو مونارك في عام 2023: مفاعل 1000 ميغاواط مع 480 قناة، وملامح السلامة السلبية، ونظام نقل حراري ذي شقين، وتتعهد الحكومة الكندية بتقديم مبلغ يصل إلى 304 ملايين دينار كويتي لتمويل نصف مشروع التصميم، كما أن الشبكة المعززة للشبكة 6 (EC6) توفر 740 ميغاواطا من الناتج الإجمالي، وحياة تصميمية تبلغ 50 عاما، وتضعا قدرة على التر

تنمية المفاعلات النموذجية الصغيرة

ويستخدم هذا البرنامج التركيب 300 ميغاواط، وهو تصميم الشبكة الوحيدة التي تستخدم الوقود الطبيعي وغير المثرى من اليورانيوم الذي يُستخرج من المناجم الكندية دون شحنات إثراء دولية، كما أن شركة عامة خاصة تهدف إلى نشر شبكة الأشعة السينية بحلول عام 2028، وتدعم هدف الشبكة الكندية لإنتاج الطاقة المائية بحلول عام 2050.

التجديد وتمديد العمر

وتشمل برامج التجديد عقدين من قنوات الوقود، ومولدات البخار، ونظم المساعدة، وتوفير إيجار جديد عن الحياة للمفاعلات القديمة، وانتهاء برنامج توليد الطاقة في أونتاريو من العمل على أربع وحدات قبل الموعد المحدد وفي إطار الميزانية، مع تجديد تراخيص لمدة 20 سنة إلى 2045، وكانت نقطة ليبروف في نيو برونزويك أول 000 6 وحدة من وحدات إعادة التكثيف الدولية.

الاعتبارات البيئية وإدارة النفايات

وتتجنب مفاعلات ثاني أكسيد الكربون ملايين الأطنان من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون مقارنة بتوليد الوقود الأحفوري، حيث إن وحدة كينزان الثالث وحدها خفضت انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بمقدار 9.97 مليون طن على دورة تشغيل واحدة، وتستخدم إدارة الوقود المستهلك نظماً للتخزين الجاف ثبتت سلامة وفعالية عقود، وتنتج المواد العالية من الوقود كميات أكبر من الوقود المستهلك لكل وحدة من وحدات الكهرباء، ولكن مع انخفاض تركيز المواد الجاهزة من المواد الجاهزة الطويلة الأجل.

التكامل مع نظم الطاقة المتجددة

ومع أن شبكات الكهرباء تتضمن كميات متزايدة من الرياح والطاقة الشمسية، توفر مفاعلات CANDU قاعدة ثابتة من الحمولة اللازمة للموثوقية، كما أن التصميمات المعززة ذات القدرات العالية التوليد تسمح بتعديل الإنتاج بحيث يستوعب التقلبات المتجددة، ويمكن أن تجمع النظم الهيدروجينية في المستقبل بين مفاعلات النيتروجين مع إنتاج الهيدروجين، أو حرارة العمليات الصناعية، أو التدفئة في المناطق لتعظيم القيمة والدعم في مجال إزالة الكربون خارج قطاع الكهرباء.

البحث والتطوير والابتكار

وتشتمل التطورات الجارية في تصميم وقود الكوندو على تحقيق الاستخدام الأمثل للحرق العالي، واستخدام الأقراص المصورة في درجات حرارة الوقود المنخفضة، وتقنيات الحام المتقدمة، و61 من الحزمة المتطورة لتطبيقات حروق عالية جداً.

السياسة والتنظيم والوضع السوقي

:: إن نهج الترخيص القائم على الأداء في كندا يسمح بالابتكار مع الحفاظ على معايير السلامة الصارمة، وقد امتد الدعم الحكومي للبناء النووي على مدى 50 عاماً، مما يتيح المجال أمام التكنولوجيا العالمية والصناعات ذات القدرة على الانتقالية، حيث يقدر حجم السوق العالمية لأسعار الاستهلاك المنخفض بـ 150 بليون دولار سنوياً من عام 2030 إلى عام 2040، مما يجعل كندا تستفيد اقتصادياً من جهود إزالة الكربون.

الطريق: كوندو في مستقبل صافي الزيرو

ومن المتوقع أن يزيد الطلب على الطاقة في أونتاريو بنسبة 75 في المائة بحلول عام 2050، وهو ما يدفعه إلى الكهرباء، بينما توفر مفاعلات الاتحاد الروسي - على نطاق واسع ومتغيرات معدلات الخصوبة - طلبا متزايدا على موثوقية الشبكة، مع وجود تكنولوجيا ثابتة موزعة وخبرة تشغيلية قوية، مما يدل على أن نجاح برامج نقل التكنولوجيا، مثل تلك الموجودة في كوريا الجنوبية والهند، يؤدي إلى إيجاد حلول أوسع نطاقا فيما يتعلق بالصناعة النووية.