يُعدّ استخدام النفايات النووية لإنتاج الطاقة إنجازًا مُحتملًا في كلٍّ من إدارة النفايات وتوليد الطاقة المستدامة. تُمثّل تقنية قصف النفايات بالنيوترونات طريقةً لاستخراج الطاقة من الوقود النووي المُستهلك مع تقليل نشاطه الإشعاعي وعمره النصفي بشكل كبير. تقترح دراسة جديدة أجرتها الوكالة الفيدرالية الألمانية للابتكارات المُزعزعة (SPRIND) وشركة TRANSMUTEX طريقة مُقنعة لاستخدام هذه التقنية في محطات الطاقة النووية الألمانية المُتوقفة عن العمل. ومع ذلك، يواجه تطبيقها العملي عقبات تكنولوجية واقتصادية وتنظيمية، لا سيما فيما يتعلق بتدقيق الوكالة الدولية للطاقة الذرية التابعة للأمم المتحدة وضماناتها.
تهدف دراسة جديدة أجرتها الوكالة الفيدرالية الألمانية للابتكارات الثورية (SPRIND)، بالتعاون مع شركة TRANSMUTEX السويسرية لتشغيل المنشآت، إلى تقليل عمر النصف والنشاط الإشعاعي للوقود النووي المستهلك، واستخراج الطاقة الحرارية القابلة للاستخدام من هذه العملية. تقترح الدراسة استخدام تقنية نظام مُسرّع (ADS) للتحويل النووي، وهي عملية تُقذف فيها النظائر المشعة بالنيوترونات، مما يُحوّلها إلى مواد جديدة أقل خطورة. تُسرّع هذه العملية بشدة من تحلل العناصر المشعة، حيث تُصبح المادة المُهدرة، بامتصاصها نيوترونًا، أقل استقرارًا، وتتحلل تباعًا إلى عنصرين جديدين. وقد ثبت أن هذه العناصر الجديدة لها عمر نصف وسمية إشعاعية أقل بكثير. في الوقت نفسه، يُمكن الاستفادة من الحرارة الناتجة عن التحلل المُسرّع لتطبيقات أخرى.
على سبيل المثال، يُمكن تقليل عمر النصف للبلوتونيوم-239 شديد السمية الإشعاعية من حوالي 24000 عام إلى 100 عام فقط. وبالمثل، يمكن تحويل النبتونيوم-237، الذي يبلغ نصف عمره حوالي 2.1 مليون سنة، إلى عناصر يبلغ نصف عمرها حوالي 1000 سنة. في كلتا الحالتين، تنخفض السمية الإشعاعية أيضًا بنسبة مذهلة تتراوح بين 99% و99.95%، لأن العناصر الناتجة أكثر استقرارًا بكثير. وينطبق هذا أيضًا على نواتج النفايات الأخرى وعنصريها الأكثر استقرارًا الناتجين عن عملية التحول، وهما عنصران يُطلق عليهما أيضًا عناصر المنتج. بشكل عام، العناصر غير المستقرة هي تلك المشعة، حيث يُصدر تحللها الطبيعي إشعاعات ألفا أو بيتا أو جاما.
وعلى عكس المفاعلات النووية التقليدية، تعمل تقنية ADS باستخدام مُسرّع جسيمات يُوجه بروتونات عالية الطاقة نحو مادة مستهدفة، عادةً ما تكون الرصاص أو البزموت. يُولّد هذا التفاعل سلسلة من النيوترونات، مما يُحفز تفاعل التحول. لأن نظام ADS دون الحرج، وبالتالي لا يمكنه الحفاظ على تفاعل متسلسل مستقل – على عكس المفاعل النووي التقليدي – يُعتبر أكثر أمانًا بطبيعته من محطات الطاقة النووية التقليدية. في حال إيقاف تشغيل مصدر النيوترون، يتوقف التفاعل وتوليد الحرارة فورًا، مما يمنع مخاطر الانصهار النووي.
تُنتج عملية التحويل حرارة اضمحلال كبيرة تبلغ حوالي 100 درجة مئوية (212 درجة فهرنهايت)، وهي، من حيث المبدأ، مثالية للتدفئة ولكنها غير كافية لتوليد الكهرباء. ويمكن أن تُقدم تقنية ADS نهجًا واعدًا خصيصًا للتدفئة المركزية، حيث تقترح دراسة SPRIND نشرها في مواقع محطات الطاقة النووية الألمانية المُغلقة، باستخدام خطوط النقل وأنظمة التبريد وإجراءات الأمان الحالية، مع خفض التكاليف الأولية بنحو 30%.
تُقدّر الدراسة أن أنظمة التدفئة المركزية (ADS) قادرة على توفير تدفئة بتكلفة تنافسية تتراوح بين 25 و40 يورو/ميغاواط/ساعة، مما يجعلها بديلاً عملياً للتدفئة باستخدام الوقود الأحفوري. وللعلم، تستهلك الأسرة الألمانية ما بين 0.13 و0.15 ميغاواط/ساعة من الطاقة الحرارية لكل متر مربع سنوياً. وبينما لا تُحدد الدراسة عدد المنازل الممكن توفير تلك الأنظمة لها، فإنها تُشير إلى أن كل وحدة من مدخلات الطاقة تُنتج ما يصل إلى ثلاث وحدات حرارية.
ومع ذلك، تُمثل التكاليف الأولية المرتفعة، والتي تتراوح بين 1 و7 مليارات يورو لكل محطة، تحدياً أولياً كبيراً. وبينما قد تُصبح أسعار التدفئة في أنظمة التدفئة المركزية (ADS) تنافسية، فإن مبيعات الطاقة وحدها ليست المصدر الرئيسي للإيرادات. يعتمد النجاح المالي لهذه التقنية – وطاقتها الحرارية التنافسية اقتصادياً – على استخراج وبيع عناصر المنتجات النادرة من خلال عملية التحويل. وتُعدّ هذه المواد حالياً بالغة الأهمية للصناعات التكنولوجية المتقدمة، وكذلك لعلاج السرطان والأبحاث. وعلى الرغم من عدم اليقين بشأن أسعار العناصر النادرة، تُشير الدراسة إلى أنه في ظل ظروف سوقية مستقرة لهذه العناصر، يُمكن لأنظمة التدفئة المركزية (ADS) أن تُثبت مكانتها كبديل عملي للتدفئة التقليدية.
تساعد الحرارة القابلة للاستخدام من تقنية ADS في جهود إزالة الكربون. ويُعد تسخير الطاقة من خلال التخلص من النفايات المشعة ميزة إضافية لعملية يمكنها معالجة عبء النفايات المتوارث بين الأجيال. إذا استمرت مجتمعات اليوم في الاعتماد على الطاقة النووية التقليدية، فقد تصبح تقنية ADS تقنية رئيسية لتخفيف معضلة تخزين الوقود المستهلك وإدارة النفايات التي تنطوي عليها محطات الطاقة النووية التقليدية.
المفهوم الأساسي لتقنية ADS ليس جديدًا تمامًا. فقد اقترحها كارلو روبيا، الحائز على جائزة نوبل، لأول مرة وأثبت صحتها تجريبيًا في تسعينيات القرن الماضي، ووضع عمله الرائد الأساس لمزيد من البحث والتطوير لهذه التقنية. ومنذ ذلك الحين، عملت مؤسسات مثل سيرن في سويسرا ومعهد فيزياء الطاقة العالية في الصين على تعزيز الجدوى الصناعية لتقنية .ADS
في حين أثبتت تقنية ADS نجاحها وفعاليتها بشكل متكرر على المستوى المختبري، إلا أن التوسع على نطاق صناعي يمثل عقبات كبيرة. وقد أثار المكتب الاتحادي الألماني لسلامة إدارة النفايات النووية (BASE)، إلى جانب TÜV Nord، مخاوف بشأن الجدوى الاقتصادية للتوسع في استخدام تقنية ADS . تكمن المشكلة الرئيسية في مُسرّع النيوترونات نفسه، الذي لم يُبنَ أو يُختبر على المستوى الصناعي للتشغيل المستمر عالي الطاقة. كما لم تُحَلّ مسألة استقرار المواد على المدى الطويل تحت القصف النيوتروني المستمر، بالإضافة إلى تحدي إنتاج العدد الهائل من النيوترونات المطلوبة لاستخدامه على نطاق واسع.
تمثل التحديات التنظيمية أيضًا عائقًا رئيسيًا أمام اعتماد تقنية ADS . حيث تفرض الوكالة الدولية للطاقة الذرية رقابة صارمة على التقنيات التي تنطوي على “المواد النووية الحساسة للانتشار” (PSNMs)، مثل البلوتونيوم-239 واليورانيوم-233. هذان العنصران، على وجه الخصوص، حيويان للغاية لإنتاج الرؤوس الحربية النووية. بموجب اتفاقيات حظر الانتشار النووي العالمية، يتطلب استخدام النفايات النووية لإنتاج الطاقة مراقبةً مستمرةً وتتبعًا للمواد وعمليات تفتيش. إضافةً إلى ذلك، تُضيف هيئات إقليمية، مثل الاتحاد الأوروبي للطاقة الذرية (EURATOM)، المزيد من التعقيدات التنظيمية، مما يُعقّد عملية التوسع في الاستخدام.
في حين أن مفاعلات ADS أكثر أمانًا بطبيعتها من محطات الطاقة النووية التقليدية نظرًا لطبيعتها دون الحرجة، إلا أنها تُنتج مواد انشطارية PSNMs مباشرةً – على عكس المفاعلات التقليدية حيث تتشكل هذه المواد كمنتجات ثانوية فقط ولا تُشكّل سوى جزء ضئيل من إجمالي المواد المستخدمة. وتُثير معالجة تركيزات وكميات عالية من مواد PSNMs في ADS مخاوف، لا سيما بالنظر إلى انخفاض الكتلة الحرجة للبلوتونيوم-239 واليورانيوم-233 – وهي الحد الأدنى اللازم لاستمرار تفاعل انشطاري.
ونتيجةً لذلك، تخضع مفاعلات ADS لضمانات الوكالة الدولية للطاقة الذرية الأكثر صرامة، مما يتطلب تتبعًا دقيقًا وإبلاغًا وامتثالًا. بخلاف محطات الطاقة النووية التقليدية التي تستخدم فقط مواد انشطارية متوسطة التخصيب، تتضمن مفاعلات ADS تركيزات أعلى بكثير، مما يستلزم رقابة صارمة ومنعًا لإساءة الاستخدام طوال عملية التحويل. قد يؤدي هذا إلى زيادة التكاليف التنظيمية واحتمالية التأخير في التوسع في الاستخدام.
يتطلب الانتقال من التجارب على نطاق المختبرات إلى التطبيق الصناعي لتقنية ADS التغلب على عوائق تقنية وتنظيمية كبيرة. وستكون المرحلة الحاسمة التالية هي مراجعات الأقران المستقلة لدراسة SPRIND، مما يضمن خضوع ادعاءات الجدوى والجدوى الاقتصادية والسلامة لتدقيق دقيق من المجتمع العلمي.
ستلعب هذه التقييمات دورًا حاسمًا في تحديد ما إذا كانت تقنية ADS قادرة حقًا على الظهور كتقنية تحويلية، أو ما إذا كانت تحدياتها تفوق فوائدها.
صورة: تحويل نووي، أي تحول ذرة من عنصر إلى آخر. عبر ويكيميديا كومنز ©
