مفاعلات كاندو وتطوير الجيل القادم من دورات الوقود النووي

The Unique Neutronic Edge of CANDU Reactors

ويظل مفاعل CANDU (CANada Deuterium Uranium) وهو منتج من إنتاج الهندسة الكندية المتوسطة القرن العشرين، واحدا من أكثر المنابر قابلية للتكيف في الطاقة النووية، وخلافا لمفاعلات المياه الخفيفة المهيمنة، فإن وحدة الوقود الكندية تستخدم المياه الثقيلة (أكسيد الديوتروم) كعاملين مهيديين ومبردين، وينتج عن هذا الاختيار اقتصاد أفقي أعلى بكثير، مما يدفعه مفاعل اليورانيوم الطبيعي.

وتتألف هذه القاع من خزان أفقي للماء الثقيل، يغلب عليه مئات قنوات الوقود، وتحتوي كل قناة على سلسلة من أنواع الوقود المدمجة 37، التي تعالجها آلات إعادة الوقود الآلية، وتضاهي قاعدة الميكانيكية المرونة الجديدة: فالمياه الثقيلة تستوعب عدداً أقل بكثير من المياه العادية، مما يخلق فائضاً يمكن أن يولد وقوداً جديداً أو يحرق أجيالاً طويلة الأجل.

لماذا الانتقال إلى دورات الوقود المتقدمة

أما دورة الوقود التقليدية التي تُجرى مرة واحدة فهي تستخرج أقل من 1 في المائة من الطاقة من اليورانيوم الملغوم، أما بقية الوقود فتصبح اليورانيوم المستنفد أو الوقود المستهلك المفرغ الذي يحتوي على النظائر الانشطارية مثل البلوتونيوم - 239 واليورانيوم المتبقي - 235، وتهدف دورات الوقود الطاردة القادمة إلى إغلاق هذه الحلقة: إعادة تدوير المواد الانشطارية، باستخدام النظائر الخصبة البديلة، والحد من حجم النفايات والسمية المشعة التي تتطلب التخلص من المياه العميقة.

من مفتوح إلى مغلق: متحول في الفلسفة

(أ) دورة الوقود المفتوحة تعالج الوقود المستهلك بوصفه نفايات؛ وتعامله دورة مغلقة كمورد، ويمكن لمفاعلات اليورانيوم المستنفد أن تحرق ما لا يمكن أن تُسترجعه مركبات الكربون المفلورة، وتحافظ البيئة الغنية بالنيوتن على الانشطار على الوقود الذي سيكون دون حرج في مكان آخر من أكسيد الكربون، واليورانيوم المعالج، والوقود ذات التركيزات المنخفضة من العناصر العابرة للوراني.

العوامل الاقتصادية التي تؤدي إلى استدامة الموارد

وتعتمد اقتصادات دورة الوقود بصورة متزايدة على أمن الموارد وتكاليف إدارة النفايات - فأسعار اليورانيوم الطبيعي، رغم استقرارها في الأجل القصير، تواجه قيوداً طويلة في مجال الإمداد، ويتطلب الإثراء هياكل أساسية وطاقية هائلة، حيث يمكن استخدام الوقود المتاح بالفعل من الأسلحة المفككة أو الثوريوم، وهو ما يزيد من ثلاثة إلى أربع مرات عن خصائص الأسطول الذي يتردد على هذه المتغيرات، ويقصد به أن يرتفع حجم الوقود إلى أعلى.

CANDU and Mixed Oxide (MOX) Fuel

وقود أكسيد الكربون المختلط، المصنَّع من ثاني أكسيد اليورانيوم وثاني أكسيد البلوتونيوم، هو أكثر أنواع الوقود النووي البديل نضجاً، وبينما اعتمدت القوات المسلحة الليبرية في فرنسا واليابان موكس، فإن مفاعل CANDU يوفر مزايا متميزة، ويوفر نمط المياه الثقيل كفاءة عالية بشكل استثنائي، بحيث يمكن استخدام وقود الأشعة فوق البلوتونية الأقل انخفاضاً، أو حتى مع مزيج من الوقود المستهلك من ثاني أكسيد الكربون المستخرج من ثاني أكسيد الكربون.

إعادة تدوير البلوتونيوم في المياه الثقيلة

ويحتوي وقود اليورانيوم المستنفد على نحو 1 في المائة من البلوتونيوم - مزيج من النظائر الانشطارية (Pu —239 and Pu —-241) وعلى مواد النيترونية المزودة بأجهزة إعادة تصميم أخرى، وعندما يختلط المشغلون بالوقود المتعدد الكلور ويحملون في وحدة إنتاج المواد الكيميائية، يدمر المفاعل البلوتونيوم بينما يولد الكهرباء.

مظاهر العالم الحقيقي

وقد أُجريت في مرافق البحوث الكندية حزمة من وقود الأشعة فوق البنفسجية في المفاعل العالمي للبحوث الوطنية ومرفق الماء الثقيل من طراز ZED-2 في نهر شالك، وتؤكد الاختبارات أن شركة موركس تتصرف بشكل متوقع في ظل ظروف شركة CANDU: درجات حرارة الوقود، والإفراج عن الغازات الانشطارية، واستقرار البُعد لا يزالان في حدود مقبولة. وتشير دراسات الجدوى التي أجرتها شركة الطاقة الذرية المحدودة وخلفتها إلى أن محطة قائمة من طراز CANDUX يمكن أن تنتقل إلى

سلسلة من مركبات فول الصخرة: رؤية طويلة الأجل

ويفتقر الثوريوم إلى مهندسين نوويين لأنه خصب: إذ يستوعب ث - 232 نيترون ليصبح ث - 233، الذي يزيل من خلال با - 233 إلى ثاني أكسيد الكربون، وهو من النظائر الانشطارية ذات الكفاءة العالية، حيث أن دورة الوقود في شكل وفرة كقصاص، يمكن أن توسّع موارد الوقود لألفينيا، وأن تكون مفاعلات النيتروجين، التي لا تزال قائمة، من حيث إنواعها النيوثورونية، من حيث

تعديل CANDU لثوريوم

ويمكن إعادة تصميم مستودع الوقود الموحد في كندا بحيث يشمل أكسيد الثوريوم إلى جانب اليورانيوم المخصب - أي اليورانيوم المثرى أو البلوتونيوم أو اليورانيوم المطوّق - 233، وفي دورة من ثوريوم، توفر البذور، من خلال دورة من نوع CANDU، مكامن جديدة تحول الهرمونات إلى ثاني أكسيد اليورانيوم - 233، مما يسهم في توليد الطاقة مع تقدم كبير في المفاعلات.

النفايات والمؤثرات الآمنة

والسبب الأكثر إلحاحا في دورة الهرمونات في اتحاد المواصلات هو الانخفاض الجذري في السمية المشعة الطويلة الأمد، لأن مسارات الهرمونات تتخطى أكثر إنتاجا عبرورانيا، وقود الهرمونات المستنفد هي التي تهيمن عليه منتجات النسيج التي تتدهور إلى مستويات آمنة في بضع مئات السنين - وليس على مرئات الآلاف من السنوات المرتبطة باللوتونيوم والكمائن الطفيفة.

The DUPIC Cycle: Direct Use of PWR Spent Fuel in CANDU

كما أن دورة " استخدام الوقود المستهلك " في كندا توفر وسيلة ذكية لإعادة تدوير الوقود المستهلك في جمهورية كوريا الشعبية الديمقراطية دون إعادة المعالجة الكاملة للمواد الكيميائية، كما أن الوقود المستخدم في إنتاج المواد الانشطارية الثابتة والمعاد تصنيعها في مستودعات المواد الكيميائية في كندا قد يخفض من مخاطر الانتشار الأصلية.

دورات الوقود المتقدمة والسلامة التشغيلية

وتعزيز السلامة هدف مستمر، وتتوافق دورات الوقود المتقدمة في اتحاد الدول الجزرية الصغيرة مع تلك البعثة، وتتوفر المرونة في اختيار الوقود الذي يقل فيه درجات حرارة التشغيل، أو زيادة السلوك الحراري، أو وجود معامل تغذية مرتدة أكثر ملاءمة، أبوابا لتحسين السلامة، وتُظهر ] الرابطة النووية العالمية أن مفاعلات المياه الثقيلة تحتفظ بظروف وقود منخفضة جدا، وتصبح أعلى قابلية للرد الإيجابي.

التبريد السلبي والتخفيف من حدة الحوادث

وتميز مفاعلات وحدة مكافحة المخدرات بحجم منخفض من الطاقة الكثافة وحجم كبير من المياه الثقيلة التي تعمل كغلاف حراري كبير، وفي حادث فقدان مسبب للعمود، يوفر مدير المناقشة التبريد السلبي لقنوات الوقود، ويؤخر أو يمنع حدوث أضرار في الوقود، ولا تزال دورات الوقود المتقدمة تؤثر على مدونات أكسيد اليورانيوم ذات الصلة بالحد الأدنى من السلوك الحراري مقارنة بقنوات التوليد الأفقي للوقود التي تنجم عنها آثار في القنوات.

مبادرات التعاون والبحث الدولية

وقد تمثل تطوير دورات الوقود المتقدمة للاتحاد العالمي لجمعيات الصليب الأحمر والهلال الأحمر جهدا عالميا، وتعمل المختبرات الوطنية الكندية مع الوكالة الدولية للطاقة الذرية ووكالة الطاقة النووية التابعة لمنظمة التعاون والتنمية في الميدان الاقتصادي والشركاء في كوريا الجنوبية والصين والأرجنتين، وفي كوريا الجنوبية، قام برنامج " APR - 1400 " بدراسة أوجه التآزر بين عمليات التلقيح ذات الصبغة المنخفضة والماء العالي من أجل تحويل النفايات، وفي الصين، عملت مفاعلان من طراز CANDU -6 مكملان منذ أوائل العقد.

أوجه التآزر الاقتصادي والبيئي

وبالإضافة إلى الأداء الهندسي، فإن دورات الوقود المستدامة في اتحاد جزر القمر تنطوي على أوجه تآزر اقتصادية وبيئية قاهرة، إذ أن المفاعل الذي ينتج في الوقت نفسه الكهرباء التي تحمل على أساسها، يقلل من مخزونات البلوتونيوم القديمة، ويقلل حجم النفايات المرتفعة المستوى من الشواغل المجتمعية المتعددة، ومع توسع أسعار الكربون، تصبح البصمة الكربونية الكاملة للدورة من المواد النووية ميزة تنافسية، وعندما تستخدم هذه المادة الوقود المتجدد، فإن الحاجة إلى التعدين، والطاحن، وزيادة نوعية الطاقة، تصبح ميزة نسبية، والإثراء.

التنمية الإقليمية وأمن الطاقة

وبالنسبة للدول التي لا تملك إثراء منزلي، فإن دورة اليورانيوم الطبيعي توفر بالفعل استقلال الطاقة، وتزيد دورات الوقود المتقدمة من حدة هذا الاستقلال، وتشهد الهند، مع وجود أسطول مفاعلات المياه الثقيلة المثبت فيها، وثورة وفرة من الرمال المغنوية، دورة وقود محلية قائمة على الهرمونات، ويعتمد البرنامج النووي الثلاثي الأطراف في الهند على مفاعلات المياه الثقيلة في المرحلة الأولى لإنتاج البلوتونيوم.

التغلب على العقبات التقنية والتنظيمية

ولا توجد تحديات في مجال الانتقال إلى دورات الوقود المتقدمة، إذ يتطلب الترخيص بأنواع الوقود الجديدة إعداد نماذج شاملة لأداء حالة الأمان - الوقود، وتحليلات الحوادث، وتأهيل النفايات، وتفريغ الوقود المزود بالوقود في نطاق تجاري، وتكلفة مشغلات الوقود المشع في بيئات السلاسل، مع ارتفاع تكاليف رأس المال عن الصنع القياسي لوقود اليورانيوم، غير أن التجربة المستمدة من محطات التعبئة في فرنسا والمملكة المتحدة تدل على أن هذه التكاليف يمكن تشغيلها اقتصاديا.

وقد أثبت الإطار التنظيمي في كندا، الذي تشرف عليه اللجنة الكندية للسلامة النووية، القدرة على الترخيص بالوقود البديلة، ويركز نهج الأداء في المجلس الوطني على نتائج السلامة بدلا من المواصفات الوصفية، ويقترن بتاريخ قوي من استعراض النظراء الدولي، والمسار من المختبر إلى المفاعل الأساسي، في حين أنه متعمد، وتشير مقاييس الطرق في الصناعة إلى أن قاعدة بيانية في غضون عقد من الزمن تستخدم وحدات الوقود المتقدمة في قائمة Cchi.

تشحن الطريق إلى الأمام

إن زواج تكنولوجيا الكوندو مع الجيل القادم من دورات الوقود ليس حلما بعيد المنال، بل هو التطور الطبيعي لمنصة مفاعلات تتفوق دائما في كفاءة نيوترون والقدرة على التكيف مع الوقود، وقد جعلت وحدة تكنولوجيا الطاقة النووية، بعد أن وجهت نداء إلى البلدان التي ترغب في تجنب الإثراء، تجعل من الآن حجر الزاوية في استراتيجيات إغلاق دورة الوقود النووي، ومن تدمير البلوتونيوم الأنظف في الوقود المستنفد إلى فتح مفاعلات الصخردة.

إن المجتمع النووي الدولي، من خلال تعاون مثل المنتدى الدولي المعني بالتجديدات في مجال الأسلحة النووية، واتفاقات البحوث الثنائية، والمشاريع التي تقودها الصناعة، يجب أن يواصل الاستثمار في دورة الوقود المصممة خصيصا لمفاعلات المياه الثقيلة، ويوفر الأسطول العالمي الحالي للوقود قاعدة اختبار جاهزة ومنصة للانتشار، بينما تستمر القدرة على إعادة البناء في البلدان التي تسبق استقلالية دورة الوقود في العالم.