استخدام أذكى للنفايات النووية

استخدام أذكى للنفايات النووية^(*)

تستطيع مفاعلات النيوترونات السريعة استخلاص المزيد من طاقة
الوقود النووي المعاد تدويره، والحد من خطورة انتشار الأسلحة النووية،
وكذلك اختصار الزمن اللازم لعزل النفايات النووية.

<H.W.هانوم> ـ <E.G.مارش> ـ <S.G.ستانفورد>

 

على الرغم من القلق العام القديم حول أمان الطاقة النووية، فإن كثيرًا من الناس أخذوا يدركون أنها قد تكون أكثر طرق توليد كميات  كبيرة من الكهرباء رفقا بالبيئة. تقوم عدة دول ـ من بينها البرازيل والصين ومصر وفنلندا والهند واليابان وباكستان وروسيا وكوريا الجنوبية وکيتنام ـ ببناء منشآت نووية، أو تخطط لبنائها. ولكن هذا التوجه العام لم يمتد حتى الآن إلى الولايات المتحدة، حيث تعود آخر الأعمال في منشآت كهذه إلى ما قبل 30 عاما.

قد تكون الطاقة النووية بالفعل، فيما إذا طوّرت بطريقة حساسة، مستدامة لا تنضب، وقد يمكن تشغيلها دون أن تسهم في تغير المناخ. وهناك على وجه الخصوص شكل جديد نسبيا من التقانة النووية قد يتغلب على المثالب الأساسية للطرق الحالية: أي القلق من حوادث المفاعلات، واحتمال تحويل الوقود النووي إلى أسلحة شديدة الفتك، وإدارة النفايات المشعة الخطيرة والطويلة العمر، واستنزاف احتياطيات اليورانيوم العالمية المجدية اقتصاديا. ستجمع دورة الوقود النووي هذه بين اختراعين: المعالجة التعدينية الحرارية⁽¹⁾(طريقة عالية الحرارة لإعادة تدوير نفايات المفاعلات وتحويلها إلى وقود) ومفاعلات نيوترونات سريعة متقدمة تستطيع حرق ذلك الوقود. يمكن بهذه المقاربة أن ينخفض النشاط الإشعاعي للنفايات المتولدة إلى مستويات آمنة خلال بضع مئات من السنين، مزيلا بذلك الحاجة إلى عزلها لعشرات الآلاف من السنين.

ولكي تستطيع النيوترونات إحداث انشطارات نووية بفعالية يجب أن تكون حركتها إما بطيئة أو عالية السرعة. تضم معظم منشآت الطاقة النووية الموجودة حاليا ما يدعى مفاعلات حرارية⁽²⁾، وهي تشغّل بنيوترونات ذات سرعة (أو طاقة) منخفضة نسبيا تصطدم مرتدة عن قلب المفاعل. وعلى الرغم من أن المفاعلات الحرارية تنتج الحرارة ـ ومن ثم الكهرباء ـ بكفاءة عالية، فإنها غير قادرة على تقليل النفايات المشعة الناتجة إلى الحد الأدنى.

تنتج جميع المفاعلات الطاقة بشطر نوى ذرات فلز ثقيل (ذي وزن ذريّ عال)، وبشكل رئيسي اليورانيوم أو عناصر مشتقة منه. يوجد اليورانيوم في الطبيعة كخليط من نظيرين: اليورانيوم 235 القابل للانشطار بسهولة (ويقال إنه «انشطاري» fissile) واليورانيوم 238 الأكثر استقرارا بكثير.

يتم قدح نار اليورانيوم في مفاعل ذري والمحافظة على أوارها بوساطة النيوترونات. عندما تُصدم نواة ذرة انشطارية بنيوترون، وخاصة بنيوترون بطيء، فإنها ستنفلق على الأرجح (تنشطر) محررة بذلك كميات كبيرة من الطاقة وعدة نيوترونات أخرى. يمكن عندئذ لبعض هذه النيوترونات المنبعثة أن تصدم ذرات انشطارية مجاورة أخرى مسببة انقسامها ومولدة بذلك تفاعلا نوويا متسلسلا⁽³⁾ تُنقل الحرارة الناتجة إلى خارج المفاعل حيث تحوّل الماء إلى بخار يستخدم لتشغيل عنفات تقود مولدات كهربائية.

واليورانيوم 238 ليس مادة انشطارية، وإنما يسمى «قابلا للانشطار» لأنه قد ينفلق أحيانا عند قذفه بنيوترون سريع. كما يقال أحيانا إنه خصب fertileلأنه عندما تمتص ذرة يورانيوم 238 نيوترونا من دون أن تنشطر، فإنها تتحول إلى البلوتونيوم 239، وهو بدوره انشطاري مثل اليورانيوم 235 ويمكن له المحافظة على بقاء تفاعل  متسلسل. بعد نحو ثلاث سنوات من التشغيل، عندما ينزع الفنيّون الوقود المستهلك عادة من أحد المفاعلات الحالية بسبب تدني حالته نتيجة الإشعاع واستنفاد اليورانيوم 235 منه،  فإن البلوتونيوم يسهم في أكثر من نصف ما تولده المنشأة من كهرباء.

يتم إبطاء (أو تهدئة) النيوترونات في مفاعل حراري ـ والتي تكون سريعة عند ولادتها ـ من خلال تآثراتها مع الذرات المجاورة ذات الوزن الذري المنخفض مثل الهدروجين في الماء الذي يتدفق عبر قلب المفاعل. وجميع المفاعلات النووية التجارية ال440 أو نحوها، باستثناء مفاعلين اثنين، حرارية، ومعظمها ـ بما فيها مفاعلات الطاقة الأمريكية ال103 ـ تستعمل الماء لإبطاء النيوترونات ولنقل الحرارة المتولدة بالانشطار إلى المولدات الكهربائية المرافقة. ومعظم هذه الأنظمة الحرارية هي ما يدعوه المهندسون مفاعلات ماء خفيف⁽⁴⁾.

في جميع منشآت الطاقة النووية تُستهلَك ذرات الفلز الثقيل «باحتراق» الوقود. ومع أن المنشآت تبدأ بوقود غني بمحتواه من اليورانيوم 235، فإن معظم ذلك اليورانيوم السهل الانشطار ينضب بعد نحو ثلاث سنوات. وعندما ينزع الفنيّون الوقود المستنفد⁽⁵⁾ فإن نحو جزء واحد فقط من عشرين جزءا من الذرات القابلة للانشطار (اليورانيوم 235 والبلوتونيوم واليورانيوم 238) يكون قد استهلك، ومن ثم فإن ما يسمى الوقود المستهلك مازال يحوي نحو 95% من  طاقته الأصلية. إضافة إلى ذلك، يحوّل قرابة العُشْر فقط من خام اليورانيوم المستخرج من المناجم إلى وقود خلال عملية الإثراء (التي يتم خلالها زيادة ملموسة فى تركيز اليورانيوم 235). وبذلك فإن أقل من واحد في المئة من إجمالي المحتوى الطاقي للخام يستخدم لتوليد الطاقة في المنشآت الحالية.

تعني هذه الحقيقة أن الوقود المستخدم الناتج من المفاعلات الحرارية الحالية ما زال يملك القدرة على إيقاد الكثير من النار النووية. ولما كانت موارد اليورانيوم في العالم محدودة، والعدد المتنامي باستمرار من المفاعلات الحرارية قد يستنفد احتياطيات اليورانيوم المتوافرة المنخفضة التكلفة خلال بضعة عقود، فمن غير المعقول أن يرمى بهذا الوقود المستهلك أو «البقايا» المتبقية من عملية الإثراء.

 

يتألف الوقود المستهلك من ثلاثة أصناف من المواد: نواتج الانشطار التي تشكل نحو 5 في  المئة من الوقود المستخدم، وهي النفاية الحقيقية أو رماد النار الانشطارية إن  شئت. وهي تتكوَّن من مزيج من عناصر أخف نشأت عندما انشطرت الذرات الثقيلة. يكون هذا المزيج ذا نشاط إشعاعي عال في البداية لعدة سنوات، وبعد عقد أو نحوه يغلب على النشاط الإشعاعي نظيران: السيزيوم 137 والسترونسيوم 90. وكلاهما يذوب في الماء. ومن ثم يجب احتواؤها بشكل مأمون تماما. يضمحل النشاط الإشعاعي لهذين النظيرين في ثلاثة قرون تقريبا بعامل 1000 وعندها يزول خطرهما عمليا.

يشكل اليورانيوم معظم الوقود النووي المستهلك (نحو 94 في المئة)، وهو يورانيوم غير منشطر يكون قد فقد معظم ما يحويه من اليورانيوم 235، وهو يشابه اليورانيوم الطبيعي (الذي يحوي بالكاد 0.71 في المئة من اليورانيوم 235الانشطاري). هذا المكوّن متوسط النشاط الإشعاعي، وعند فصله عن نواتج الانشطار وباقي المواد في الوقود المستهلك يمكن خزنه بسهولة للاستخدام المستقبلي بشكل آمن ضمن منشآت محمية عادية.

إن الجزء الموازِن من المواد ـ وهو الجزء الذي يشكل مشكلة فعلية ـ يشمل عناصر ما بعد اليورانيوم transuranic، وهي عناصر أثقل من اليورانيوم⁽⁶⁾. وهذا الجزء من الوقود عبارة عن مزيج من نظائر البلوتونيوم مع قدر ملموس من الأمريشيوم americium. وعلى الرغم من أن نظائر ما بعد اليورانيوم لا تشكل سوى واحد في المئة من الوقود المستهلك فإنها تشكل المصدر الأساسي لمشكلة النفايات النووية الحالية. يمتد عمر النصف لهذه الذرات (أي الفترة الزمنية التي ينتصف فيها النشاط الإشعاعي) حتى عشرات الآلاف من السنين، وهذه الخاصية جعلت المنظّمين في حكومة الولايات المتحدة يفرضون أن يعزل مخزن النفايات النووية العالية المستوى المزمع إنشاؤه في جبل يوكا بنيکادا الوقود المستهلك لفترة تزيد على عشرة آلاف سنة.

استراتيجية بالية^(**)

توقع المهندسون النوويون الأوائل أنه سيجري فصل البلوتونيوم المتشكل في وقود المفاعلات الحرارية المستهلك ومن ثم يعاد استخدامه في مفاعلات النيوترونات السريعة والتي تسمى مفاعلات ولودة سريعة⁽⁷⁾؛ لأنها مصممة لإنتاج بلوتونيوم أكثر مما تستهلك. تصوّر رواد الطاقة النووية أيضا اقتصادا يتضمن تجارة حرة بالبلوتونيوم. بيد أن البلوتونيوم يصلح للاستخدام في صنع القنابل. ومع انتشار التقانة النووية خارج الدول العظمى الرئيسية فإن هذا الاستخدام المحتمل أدى إلى قلق من انتشار الأسلحة الذرية بشكل غير قابل للسيطرة عليه إلى دول أخرى أو حتى إلى مجموعات إرهابية.

نظرة إجمالية/ اعادة التدوير النووي(***)   بغية التقليل من ارتفاع حرارة الكرة الأرضية العالمي بأكبر قدر ممكن، قد تحتاج البشرية إلى توليد القدر الأكبر من الطاقة مستقبلا باستعمال تقانات الطاقة النووية، وهي لا تطلق أي ثنائي أكسيد الكربون بذاتها. في حال إنشاء المزيد من منشآت الطاقة النووية الحرارية (أو النيوترونات البطيئة) الحالية فإن الاحتياطيات العالمية من اليورانيوم المنخفض الثمن ستنضب في بضعة عقود. إضافة إلى ذلك فإن كميات كبيرة من النفايات العالية النشاط الإشعاعي المتولدة فقط في الولايات المتحدة يجب تخزينها لعشرة آلاف سنة على الأقل. وهي أكثر بكثير مما يمكن وضعه في مدفن جبل يوكا في نيکادا. والأسوأ من ذلك أن معظم الطاقة التي يمكن استخلاصها من اليورانيوم الأصلي ستكون قد ادّخرت في النفايات. إن استعمال دورة وقود نووي جديدة وأكثر فعالية بكثير ـ تستند إلى مفاعلات النيوترونات السريعة وإعادة تدوير الوقود المستهلك عبر المعالجة المعدنية الحرارية ـ سيتيح استخدام قدر أكبر بكثير من طاقة اليورانيوم الموجود في الأرض لإنتاج الكهرباء. ستقلل دورة كهذه توليد نفايات المفاعلات الطوية العمر ويمكنها أن تدعم توليد الطاقة النووية إلى ما لانهاية.

عالجت اتفاقية عدم الانتشار النووي هذه المعضلة جزئيا عام 1986. يمكن للدول الراغبة في جني فوائد تقانة الطاقة النووية أن توقّع الاتفاقية وتعد بألا تحوز أسلحة نووية؛ وبناء على ذلك توافق الأمم التى تمتلك أسلحة على مساعدة الآخرين في تطبيقاتها السلمية. ورغم أن كادرا (فريقا)cadre من المفتشين الدوليين قام منذئذ بمراقبة التزام الأعضاء بالاتفاقية، فإن فعالية هذه الاتفاقات الدولية كانت متفاوتة لأنها افتقرت إلى السلطة الفعالة ووسائل التنفيذ الجبري.

يحتاج مصممو الأسلحة النووية إلى بلوتونيوم ذي محتوى عال جدا من نظير البلوتونيوم 239، في حين يحتوي البلوتونيوم الناتج من منشآت الطاقة التجارية عادة على مقادير ملموسة من نظائر بلوتونيوم أخرى مما يجعلها صعبة الاستخدام في قنبلة. ومع ذلك فإن استخدام البلوتونيوم الموجود في الوقود المستهلك في الأسلحة ليس أمرا يستحيل تصورّه. لذلك فقد حظر الرئيس الأمريكي السابق جيمي <كارتر> إعادة المعالجة المدنية للوقود النووي في الولايات المتحدة عام 1977. وقد برّر ذلك بأنه مادام لم يجر بعد استعادة البلوتونيوم من الوقود المستهلك، فإنه لا يمكن استخدامه لصنع قنابل.< أراد كارتر> أيضا أن تكون أمريكا مثالا لباقي العالم، ولكن فرنسا واليابان وروسيا والمملكة المتحدة لم تحذُ حذوه، ولذلك فإن إعادة معالجة البلوتونيوم لاستخدامه في منشآت الطاقة مستمرةٌ في عدد من الدول.

مقاربة بديلة^(****)

عندما أُصدِر الحظر كانت «إعادة المعالجة» مرادفا لطريقة «پوريكس»PUREX (مصطلح مشتق من استخلاص البلوتونيوم واليورانيوم)⁽⁸⁾، وهي تقانة تم تطويرها لاستيفاء الحاجة إلى بلوتونيوم نقي كيميائيا لأغراض الأسلحة الذرية. ولكن مفاعلات النيوترونات السريعة الحديثة تتيح استراتيجية إعادة تدوير بديلة لا تتضمن بلوتونيوم نقيا في أي مرحلة. لذلك فإن المفاعلات السريعة تخفض خطورة استخدام الوقود المستهلك الناتج من توليد الطاقة في إنتاج الأسلحة إلى أدنى حد ممكن، وتؤمّن في الوقت نفسه مقدرة فريدة على استخراج أكبر قدر من الطاقة من الوقود النووي [انظر الإطار في الصفحة 8]. أنشئت عدة مفاعلات كهذه لتوليد الطاقة – في فرنسا واليابان وروسيا والمملكة المتحدة والولايات المتحدة. ومازال اثنان منها قيد التشغيل [انظر: «الجيل التالي من الطاقة النووية»، مجلة العلوم، العددان  5/6،(2002) ، ص 4].

تستطيع المفاعلات السريعة استخلاص قدر أكبر من طاقة الوقود النووي مقارنة بالمفاعلات الحرارية لأن نيوتروناتها المتحركة بسرعة (طاقة أعلى) تسبب انشطارات ذرية أكثر مما تفعل النيوترونات الحرارية البطيئة. تعود هذه الكفاءة إلى ظاهرتين: أولا، عند سرعات بطيئة يُمتَص عدد أكبر بكثير من النيوترونات في تفاعلات غير انشطارية وتُفقَد. ثانيا، تعمل الطاقة الأعلى لنيوترون سريع على زيادة احتمال انشطار ذرة فلز ثقيل خصب ـ مثل اليورانيوم 238 ـ عند صدمها. وبسبب هذه الحقيقة فلن يكون اليورانيوم 235 والبلوتونيوم 239 فقط مرجّحين لأن ينشطرا في مفاعل سريع، ولكنّ قدرا ملحوظا من ذرات ما بعد اليورانيوم الثقيلة سيقوم بذلك أيضا.

 

نوع جديد من المفاعلات النووية (*****)        قد تستند دورة طاقة نووية أكثر أمانا واستدامة إلى تصميم مفاعلات الفلز السائل المتقدمة(ALMR) الذي جرى تطويره في  ثمانينيات القرن العشرين في مختبر آرگون الوطني. وكجميع منشآت الطاقة الذرية فإن منظومة تستند إلى المفاعل ALMR ستستخدم  تفاعلات نووية متسلسلة في القلب لإنتاج الحرارة اللازمة لتوليد الكهرباء. وما يميز المنشآت النووية التجارية الحالية هو المفاعلات الحرارية التي تعتمد على نيوترونات تتحرك ببطء نسبيا لنشر التفاعلات المتسلسلة في وقود اليورانيوم والبلوتونيوم. وفي المقابل فإن منظومة تستند إلى المفاعلALMR ستستخدم نيوترونات تتحرك بسرعة (ذات  طاقة عالية). تتيح هذه العملية استهلاك كامل اليورانيوم والذرات الأثقل متيحة بذلك التقاط قدر أكبر بكثير من طاقة الوقود. وسيحرق المفاعل الجديد وقودا مصنّعا من إعادة تدوير وقود المفاعلات الحرارية المستهلك. وفي معظم تصاميم المفاعلات الحرارية يغمر الماء القلب ليبطئ (يهدئ) النيوترونات ويبقيه باردا. أما المفاعل ALMR فهو يستخدم حوضا من الصوديوم السائل الدائر كمبرد [1]. اختار المهندسون الصوديوم لأنه لا يبطئ النيوترونات السريعة بشكل كبير ولأنه ينقل الحرارة بشكل جيد جدا مما يحسِّن كفاءة إيصال الحرارة إلى منشأة توليد الكهرباء. وسيعمل مفاعل سريع على النحو التالي: تؤدي النار النووية المتقدة في القلب إلى تسخين الصوديوم السائل المشع المار فيه. يضخ بعض الصوديوم المسخّن إلى مبادل حراري متوسط [2] حيث سينقل  الطاقة الحرارية إلى الصوديوم السائل غير المشع الذي يتدفق في الأنابيب الملاصقة والمنفصلة[3] من حلقة الصوديوم الثانوية. ينقل الصوديوم غير المشع بدوره [4] الحرارة إلى مبادل الحرارة النهائي/  مولد البخار (غير ظاهر) حيث يجري توليد البخار في الأنابيب المجاورة المملوءة بالماء. يستعمل البخار الساخن العالي الضغط بعدئذ لإدارة توربينات (عنفات) بخارية تُشغّل المولدات المنتجة للكهرباء (غير ظاهر).سترمى في القلب ما يضمن إيقافه.      ضمانات المفاعل (******) خلال التشغيل تدفع مضخات ذات استطاعة عالية مبرد الصوديوم عبر القلب. إذا تعطلت المضخات فإن الجاذبية ستدير المبرد. إذا تعطلت مضخات المبرد أو توقفت، فإن تجهيزات أمان خاصة ستتيح أيضا لنيوترونات إضافية التسرب إلى خارج القلب مؤدية إلى خفض حرارته. في حال الطوارئ تدخل ستة قضبان تحكم ماصة للنيوترونات في القلب لإيقافه فورا. وإذا استمرت التفاعلات المتسلسلة فإن آلاف الكرات من كربيد البور سترمى في القلب ما يضمن إيقافه.

 

طريقة جديدة لإعادة استخدام الوقود النووي (*******)          ان المدخل إلى إعادة التدوير التعديني الحراري للوقود النووي هو إجراءات التكرير الكهربائيelectro-refining. تنزع هذه العملية النفايات الحقيقية، أي نواتج الانشطار، من اليورانيوم والبلوتونيوم والأكتينيدات الأخرى (عناصر مشعة ثقيلة) في الوقود النووي. تبقى الأكتينيدات ممتزجة مع البلوتونيوم بحيث لا يمكن استخدامه مباشرة في الأسلحة. سيخضع الوقود المستهلك من المفاعلات الحرارية الحالية (أكسيد اليورانيوم والبلوتونيوم) أولا إلى اختزال الأكسيد لتحويله إلى فلز، في حين يذهب وقود اليورانيوم والبلوتونيوم الفلزي من المفاعلات السريعة مباشرة إلى المكرر الكهربائي. يشابه التكرير الكهربائي الطلاء الكهربائي: يغطس الوقود النووي المرتبط بمهبط في حمام كيميائي. يطلي التيار الكهربائي اليورانيوم والأكتينيدات الأخرى على المصعد. ثم ترسل العناصر المستخلصة إلى معالج المصعد لنزع ما تبقى من أملاح وكادميوم بعد التكرير. أخيرا يسبك اليورانيوم المتبقي والأكتينيدات في قضبان وقود طازج، ويعاد تدوير الأملاح والكادميوم.

لا يمكن استخدام الماء في مفاعل سريع لنقل الحرارة من القلب، لأنه سوف يبطئ النيوترونات السريعة. لذا يستخدم المهندسون عادة فلزا سائلا مثل الصوديوم كمبرّد وناقل للحرارة. يتمتع الفلز السائل بميزة واحدة كبيرة مقارنة بالماء: تعمل المنظومات المبردة بالماء تحت ضغط عال جدا بحيث إنّ تشققا صغيرا قد يتطور بسرعة إلى إطلاقات كبيرة من البخار، وربما إلى كسر خطير في أنبوب مسببا فقدانا سريعا لمبرد المفاعل. أما منظومات الفلز السائل فتعمل تحت الضغط الجوي، لذلك فهي تشكل احتمالاً أقل بكثير لحدوث إطلاق كبير. مع ذلك فإن الصوديوم يشتعل عند تعرضه للماء مما يوجب إدارته بحذر. لقد تكدّست خبرة صناعية ملموسة بالتعامل مع هذه المادة عبر السنين، كما تطورت طرق الإدارة بصورة جيدة. ومع ذلك فقد حدثت حرائق صوديوم، ودون شك سيكون هناك المزيد. بدأت إحدى حرائق الصوديوم عام 1995 في مفاعل مونجو السريع في اليابان. وقد أدى ذلك إلى إفساد بناء المفاعل، ولكنه لم يشكل قط تهديدا لسلامة المفاعل ولم يتأذَّ أحد أو يتعرض للإشعاع. لا يعتبر المهندسون قابلية الصوديوم للاشتعال مشكلة كبيرة.

بدأ باحثون في مختبر آرگون الوطني بتطوير تقانة المفاعلات السريعة في خلال خمسينات القرن العشرين، ثم وجهت هذه الأبحاث في الثمانينات نحو مفاعل سريع (سُمّي مفاعل الفلز السائل المتقدم⁽⁹⁾ ALMR) ذي وقود فلزي مبرد بفلز سائل كان سيدمج مع وحدة معالجة تعدينية حرارية ذات حرارة عالية بهدف إعادة تدوير الوقود وإعادة تعبئته. تتبّع المهندسون النوويون أيضا عدة أفكار أخرى للمفاعلات السريعة يستخدم بعضها وقود اليورانيوم أو البلوتونيوم الفلزي، في حين يستخدم بعضها الآخر وقودا أكسيديا. استخدمت مبردات من الرصاص المنصهر ومحلول الرصاص-بيزموث. يعد الوقود الفلزي المستخدم في المفاعل ALMR ذا أفضلية على الأكاسيد لعدة أسباب:  فهو يتمتع  ببعض ميزات الأمان، ويسمح بتوليد وقود جديد بصورة أسرع ويمكن مزاوجته مع إعادة التدوير التعديني الحراري بصورة أسهل.

 

المعالجة الحرارية^(********)

تستخلص المعالجة المعدنية الحرارية (اختصارا: پيرو pyro، أو المعالجة الحرارية) من الوقود المستخدم مزيجا من عناصر ما بعد اليورانيوم بدلا من البلوتونيوم الصرف كما في طريقة بوريكس. وهي تستند إلى طلاء كهربائي، أي استخدام الكهرباء لتجميع فلز مستخلص بشكل أيونات من حمام كيميائي على قطب فلزي موصل (ناقل). وقد اشتق اسمها من درجات الحرارة العالية التي يجب تعريض الفلزات لها خلال العملية. جرى تطوير مقاربَتين متشابهتين: إحداهما في الولايات المتحدة والأخرى في روسيا. الفرق الرئيسي هو أن الروس يعالجون وقودا سيراميكيا (أكسيدا)، في حين أن الوقود في المفاعلALMR فلزي.

في المعالجة الحرارية الأمريكية [انظر الإطار في الصفحة المقابلة] يقوم الفنيون بحل الوقود الفلزي المستهلك في حمّام مائي، ثم يقوم تيار كهربائي قوي بتجميع انتقائي للبلوتونيوم وعناصر ما بعد اليورانيوم الأخرى مع بعض نواتج الانشطار والكثير من اليورانيوم على قطب كهربائي. تبقى معظم نواتج الانشطار وبعض اليورانيوم في الحمّام. عندما تتجمع دفعة كاملة يقوم الفنيون بنزع الأقطاب وكشط المواد المتجمعة عن القطب وصهرها ثم يصبونها في قالب، ويرسل القالب إلى خط إعادة تصنيع لتحويلها إلى وقود مفاعل سريع. عندما يشبع الحمّام بنواتج الانشطار يقوم الفنيون بتنظيف المحلول ويعالجون نواتج الانشطار المستخلصة بغية التخلص الدائم منها.

لذلك ـ وخلافا لطريقة بوريكس الحالية ـ فإن المعالجة الحرارية تجمع عمليا جميع عناصر ما بعد اليورانيوم (بما فيها البلوتونيوم) مع جزء ملموس من اليورانيوم ونواتج الانشطار. وينتهي قدر صغير جدا من مكوّن ما بعد اليورانيوم في مجرى النفايات النهائي مما يقلل الزمن اللازم للعزل بشكل كبير. إن تجميع نواتج الانشطار مع مواد ما بعد اليورانيوم غير ملائم للأسلحة ولا حتى لوقود المفاعلات الحرارية. من ناحية ثانية، لا يعد هذا المزيج مقبولا فقط وإنما هو مفيد في وقود المفاعلات السريعة.

وعلى الرغم من أن تقانة إعادة التدوير التعديني الحراري ليست جاهزة تماما للاستخدام التجاري الفوري فإن الباحثين بينوا مبادئها الأساسية، وتم عرضها بنجاح على مستوى الريادة في منشآت طاقة عاملة في كل من الولايات المتحدة وروسيا. ولكنها لم تعمل بعد على نطاق الإنتاج الكامل.

مقارنة الدورات^(*********)

تتشابه الإمكانات التشغيلية للمفاعلات السريعة والحرارية من عدة أوجه، ولكن الفروق جسيمة في نواح أخرى [انظر الإطار في الصفحة 10]. فعلى سبيل المثال تنتج منشأة مفاعل حراري قدرته الكهربائية 1000 ميغاوات أكثر من 100طن من  الوقود المستهلك في السنة. على النقيض من ذلك فإن النفايات المتولدة سنويا من مفاعل سريع له نفس الاستطاعة الكهربائية، تتجاوز بقليل الطن الواحد من نواتج الانشطار، إضافة إلى كميات ضئيلة من عناصر ما بعد اليورانيوم.

ستكون إدارة النفايات باستخدام دورة المفاعل ALMR مبسّطة بشكل كبير. ولما كانت نفايات المفاعلات السريعة لا تحوي كميات ملموسة من عناصر ما بعد اليورانيوم طويل عمر النصف، فإن إشعاعها سيتفكك إلى مستوى الفلز الذي استخرج منه خلال بضع مئات من السنين بدلا من عشرات الألوف.

إذا استخدمت حصرا المفاعلات السريعة فإن نقل المواد ذات النشاط الإشعاعي العالي لن يجرى إلا في حالتين: عند نقل نفايات نواتج الانشطار إلى جبل يوكا أو موقع بديل للتخلص منها، أو عند نقل وقود الإقلاع إلى مفاعل جديد. إن تجارة البلوتونيوم ستكون فعليا قد أزيلت.

يدافع بعض الناس بأن الولايات المتحدة تعمل على برنامج مكثف لمعالجة الوقود المستهلك بطريقة بوريكس التي تنتج مزيجا من أكاسيد اليورانيوم والبلوتونيوم لإعادتها إلى مفاعلات حرارية. وعلى الرغم من أن طريقة مزيج الأكاسيد⁽¹⁰⁾ MOX تستخدم حاليا لإتلاف فائض بلوتونيوم  الأسلحة بحيث يمتنع استخدامه في قنابل ـ وهي فكرة جيدة ـ فإننا نعتقد أنه من  الخطأ نشر البنية التحتية لبوريكس الأكبر بكثير التي ستلزم لمعالجة الوقود المدني. إن كسب الموارد سيكون متوسطا، في حين تبقى مشكلة النفايات الطويلة المدى، وجميع هذه الجهود لن تؤجل الحاجة إلى مفاعلات سريعة فعالة إلا لفترة قصيرة فقط.

تستخلص عناصر اليورانيوم والأكتينيدات من وقود مفاعلات حرارية مستهلك وتطلى على مصعد وحدة تكرير كيميائية خلال إجراء معالجة حرارية. بعد معالجة أخرى يمكن حرق الوقود الفلزي في مفاعلات النيوترونات السريعة.

إن منظومة مكونة من مفاعل سريع والمعالجة الحرارية متعددة المزايا بشكل استثنائي. يمكن لها أن تكون مستهلكا صرفا للبلوتونيوم أو منتجا صرفا له، كما يمكن تشغيلها في نمط متعادل من دون ربح أو خسارة. يمكن للمنظومة،عند تشغيلها كمنتج صرف، أن تؤمن مواد إقلاع لمنشآت مفاعلات طاقة سريعة أخرى. يمكن لها، كمستهلك صرف، استنفاد البلوتونيوم الفائض ومواد الأسلحة. عند اختيار نمط التعادل فإن الوقود الإضافي الذي تحتاج إليه المنشأة النووية لن يكون سوى صب (سكب) دوري لليورانيوم المستنفد (يورانيوم تم نزع معظم اليورانيوم الانشطاري 235 منه)  لتعويض ذرات المعدن الثقيل التي انشطرت.

مقارنة ثلاث دورات للوقود النووي(**********)   يمكن استخدام ثلاث مقاربات لحرق الوقود النووي والتعامل مع نفاياته.  فيما يلي عدد من مزاياها

أظهرت دراسات الأعمال أن هذه التقانة يمكن أن تكون منافسة اقتصاديا لتقانات الطاقة النووية الحالية [انظر بحث <دبرلي> ضمن «مراجع للاستزادة» في الصفحة 11]. من المؤكد أن إعادة التدوير التعدينية الحرارية ستكون أرخص بكثير من إعادة التدوير بطريقة بوريكس، بيد أنه في الحقيقة لا يمكن معرفة قابلية المنظومة للبقاء اقتصاديا ما لم يتم إثباتها.

إن الاقتصاديات الكلية لأي مصدر طاقة لا تعتمد فقط على التكاليف المباشرة، بل تعتمد أيضا على ما يدعوه الاقتصاديون «الخارجيات»externalities، وهي تكاليف مفاعيل خارجية يصعب تقديرها كميا تنجم عن استخدام التقانة. على سبيل المثال عندما نحرق الفحم أو النفط لتوليد الطاقة فإن مجتمعاتنا تتقبل الآثار الصحية الضارة والتكاليف البيئية التي تتضمنها. لذلك فإن التكاليف الخارجية في الواقع تناصر توليد طاقة الوقود الأحفوري، إما مباشرة أو عبر آثار غير مباشرة على المجتمع ككل. وعلى الرغم من صعوبة تقدير «الخارجيات» فإن المقارنات الاقتصادية التي لا تأخذها بعين الاعتبار ستكون غير واقعية ومضللة.

الربط بين أنماط المفاعلات^{(***********)}

 إذا دخلت المفاعلات المتقدمة حيز الاستخدام، فإنها ستحرق في البداية وقود المفاعلات الحرارية المستهلك الذي جرت إعادة تدويره بمعالجة حرارية. ستنقل هذه النفايات، وهي مخزنة بشكل مؤقت حاليا في الموقع، إلى منشآت تستطيع معالجتها في ثلاث قنوات خرج: القناة الأولى تكون عالية النشاط الإشعاعي، وتضم معظم نواتج الانشطار مع قدر ضئيل لا يمكن تجنبه من عناصر ما بعد اليورانيوم. سيتم تحويلها إلى شكل مستقر فيزيائيا ـ قد تكون مادة شبيهة بالزجاج ـ ومن ثم تنقل إلى جبل يوكا أو موقع دائم آخر للتخلص النهائي.

والقناة الثانية ستلتقط عمليا جميع عناصر ما بعد اليورانيوم مع بعض اليورانيوم ونواتج الانشطار، وسيجري تحويلها إلى وقود فلزي للمفاعلات السريعة، ومن ثم تحال إلى مفاعلات من النوع ALMR.

والقناة الثالثة التي تبلغ نسبتها نحو 92 في المئة من وقود المفاعلات الحرارية  المستهلك ستحوي معظم اليورانيوم، وهو الآن مستنفد ويمكن ادخاره للاستعمال المستقبلي كوقود مفاعل سريع.

لا يمكن بالطبع تحقيق سيناريو كهذا خلال ليلة وضحاها. إذا بدأنا اليوم فإن أول المفاعلات السريعة قد يبدأ العمل بعد نحو 15 سنة.  من الجدير بالذكر أن ذلك البرنامج متوافق بشكل معقول مع الجدول الزمني المخطط  لإرسال وقود المفاعلات الحرارية المستهلك إلى جبل يوكا. يمكن بدلا من ذلك إرسالها لإعادة تدويرها كوقود مفاعل سريع.

ومع بلوغ المفاعلات الحرارية الحالية نهاية عمرها التشغيلي يمكن استبدال مفاعلات سريعة بها. إذا تم ذلك فلن تكون هناك حاجة إلى استخراج فلزات اليورانيوم لعقود، ولن تكون هناك أي طلبات أبدا لإثراء اليورانيوم. وعلى المدى الطويل جدا فإن إعادة تدوير وقود المفاعلات السريعة ستكون أمرا فعالا إلى درجة أن الموارد المتوافرة حاليا من اليورانيوم ستبقى إلى ما لانهاية.

إن كلا من الهند والصين أعلنتا أنهما تخططان لتوسعة مصادرهما الطاقية باستخدام المفاعلات السريعة. ندرك أن مفاعلاتهما الأولى ستستخدم وقودا أكسيديا أو كربيديا وليس وقودا فلزيا ـ وهو ليس السبيل الأمثل وقد يكون اختياره تم لأن تقانة إعادة المعالجة بوريكس ناضجة، في حين ما زالت المعالجة الحرارية غير مثبتة تجاريا.

ما زال هناك متسع من الوقت كي تستكمل الولايات المتحدة التطوير الأساسي لمنظومات مفاعلات سريعة/ معالجة حرارية للوقود الفلزي. في المستقبل المنظور تبقى الحقيقة القاسية أن الطاقة النووية فقط هي القادرة على تلبية حاجات البشرية الطويلة الأمد من الطاقة مع المحافظة على البيئة. وكي يستمر توليد طاقة نووية مستدامة على نطاق واسع، يجب أن يدوم توريد الوقود النووي لوقت طويل. ويعني ذلك أن دورة الطاقة النووية يجب أن تتمتع بصفات المفاعل ALMR والمعالجة الحرارية. ويبدو أن الوقت مناسب لاتخاذ هذا المنحى الجديد باتجاه تطوير واع للطاقة.

المؤلفون

William H. Hannum – Gerald E.Marsh – George S. Stanford

 

 فيزيائيون عملوا على تطوير المفاعلات السريعة في مختبرات آركونا الوطنية التابعة لوزارة الطاقة الأمريكية.< هانوم> رئيس أبحاث تطوير الفيزياء النووية وأمان المفاعلات في وزارة الطاقة. وكان نائب المدير العام لوكالة الطاقة النووية التابعة لمنظمة التعاون والتطوير الاقتصادي في پاريس. عمل<مارش>، وهو زميل في الجمعية الفيزيائية الأمريكية، مستشارا في وزارة الدفاع الأمريكية حول التقانات والسياسات النووية الاستراتيجية في إدارات عدد من الرؤساء السابقين. وهو مؤلف مشارك في الكتاب:

(The Phantom Defense: America’s Pursuit of the Star Wars Illusion (Praeger Press 

أما <ستانفورد> الذي تركزت أبحاثه على الفيزياء النووية التجريبية وفيزياء المفاعلات وأمان المفاعلات السريعة، فهو مؤلف مشارك للكتاب:

(Nuclear Shadowboxing: Contemporary Threats from Cold War. Weaponry (Fidlar Doubleday.

   مراجع للاستزادة

 

Breeder Reactors: ARenewebIe Energg Source. Bernard L. Cohen in American Journol of Physics, vol. S1,No.1;Jenuary 1983.

 

The Technology of the Integral Fest Reactor and lts Associated Fuel Cycle. Edited by

W. H. Hannum. Progress in Nuclear energy, SpeciaI lssue,Vol.31,Nos. 1-2; 1997.

 

Integral Fast Reactors: Source of Safe. Abundant. Non-Polluting power. George Stanford.

National Policy Analysis Paper #378; December 2001. Available at www.netionelcenter.0rg/

NPA378.html

 

LWR Recycle: Necessity or impediment? G.S.Stanford in Proceedings of Global 2003.

ANS Winter Meeting, New Orleans, November 16-20, 2003. Available at www.nationalcenter.org/

LWRStanford.pdf

 

S-PRISM Fuel cycle Study. Allan Dubberly et al. in Proceedings of ICAPP’03. Cordoba. Spain,

May 4—7,2003و Paper3144.

 

(*) SMARTER USE OF NUCLEAR WASTE: العنوان الأصلي

(**) An Outdated Strategy

(***) An Alternative Approach

(****) Overview / Nuclear Recycling

(*****) New Types of Nuclear Reactors

(*****) Reactor Safe guards

 (*******) New Way To Use Nuclear Fuel

(********) Pyroprocessing

(*********) Comparing Cycles

(**********) Comparing Three Nuclear Fuel Cycles

(***********) Coupling Rector Types

 

 

(1) processing pyrometallurgical

(thermal reactors (2

(3) nuclear chain reaction

(4) light-water rectors

(5) يُعرَّف الاستنفاد depletion بأنه النسبة المئوية للنقص فى عدد الذرات القابلة للانشطار في مجموعات الوقود نتيجة لاستهلاكها في المفاعل النووي.

(6) العناصر الترانسيورانية، أو عناصر ما بعد اليورانيوم transuranic elements هي ما يلي اليورانيوم من عناصر في الجدول الدوري، أي ما يزيد عدده الذري على 92.   (التحرير)
(7) fast breeder reactors

(8) plutonium uranium extraction

(9) the advanced liquid-metal rector

(10) mixed oxide method