الجيل الرابع من الطاقة النووية: أرخص وأنظف وأكثر أمانًا

من الخيال العلمي إلى الركود

إن القول بأن الطاقة النووية مثيرة للجدل هو قول بخس. ويرى كثيرون أنها فكرة خطيرة للغاية، ويستشهدون بشبح تشيرنوبيل وفوكوشيما كدليل، ومشكلة النفايات النووية كأمر غير قابل للحل. ويرى آخرون أنها تقنية محتملة لإنقاذ الحضارة، وذلك بفضل قدرتها على توليد طاقة الحمل الأساسي مع انبعاثات كربونية منخفضة للغاية وبصمة أرضية.

كان هذا التقسيم موجودًا في وقت مبكر قبل أن يصبح تغير المناخ موضوعًا.

لقد أدرك العالم لأول مرة القوة غير العادية للطاقة النووية من خلال القصف الذري على هيروشيما وناجازاكي، وسرعان ما أعقب ذلك اختراع القنبلة الهيدروجينية والحرب الباردة. ومن هذه الأصول، كانت الإمكانات التدميرية لسيطرتنا المكتسبة حديثًا على الذرة واضحة.

وسرعان ما ترسخت فكرة تسخيرها للأغراض السلمية. الأول كان "الذرة من أجل السلاممبادرة، ثم موجة هائلة من بناء محطات الطاقة النووية في جميع أنحاء العالم. لبعض الوقت، بدا من الواضح أن المستقبل سيكون نوويًا، وأن حرق الفحم والنفط والغاز سوف يصبح عتيقًا مثل طواحين الهواء الخلابة في هولندا.

ومن الناحية العملية، توقف إنتاج الطاقة النووية عن النمو في أواخر التسعينيات بعد حادث تشيرنوبيل، وظل راكداً على مستوى العالم منذ ذلك الحين، مع تعويض إنتاج الصين المتنامي عن تراجع الصناعة النووية الأوروبية.

المصدر الطاقة النووية – عالمنا في البيانات

لسنوات عديدة، كانت الصين وروسيا فقط هي التي بدت راغبة في تطوير الطاقة النووية.

وخاصة الصين، التي كما قالت مجلة الإيكونوميست:بناء المفاعلات النووية بشكل أسرع من أي دولة أخرى".

المصدر الخبير الاقتصادي

واليوم، تعود الطاقة النووية إلى الساحة العالمية، على نطاق لم يكن من الممكن تصوره قبل بضع سنوات، حيث تشير العديد من الأخبار إلى حدوث تغيير في السياسات في معظم أنحاء العالم:

• اليابان تكثف جهودها لإعادة تشغيل أكبر محطة نووية في العالم
• وزيرة الطاقة الأمريكية جنيفر جرانهولم تدعو إلى مضاعفة الأسطول النووي الأمريكي ثلاث مرات
• الطاقة النووية الجديدة مدرجة في مسودة خطة الطاقة الكورية
• فرنسا تتخلى عن أهداف الطاقة المتجددة وتعطي الأولوية للطاقة النووية في فاتورة الطاقة الجديدة
• تخطط المملكة المتحدة لبناء مفاعل نووي جديد في اسكتلندا
• الهند تعتزم بناء 18 مفاعلا نوويا بقدرة 13.8 جيجاوات بحلول عام 2032

الحلقة المفقودة لإزالة الكربون؟

ولا تزال المخاوف المتعلقة بالسلامة قائمة إلى حد كبير، وهي المبرر وراء القرار الذي اتخذته ألمانيا بإغلاق محطات الطاقة النووية لديها.

ومع ذلك، أصبحت المخاوف بشأن انبعاثات الكربون وتغير المناخ أكثر إلحاحا، والطاقة النووية هي في الواقع أصغر مصدر للانبعاثات بين جميع مصادر الطاقة، حتى أفضل من طاقة الرياح والطاقة الشمسية، التي تتطلب المزيد من الأراضي والمواد الخام.

المصدر عالمنا في البيانات

وعلى الرغم من أن الطاقة النووية مذهلة ولها عواقب دائمة، فإنها أيضًا، في الممارسة العملية، آمنة مثل مصادر الطاقة المتجددة عند قياس الوفيات التي تسببت فيها، حتى عندما تشمل الكوارث الكبرى.

لذلك، عندما ننظر إليها بموضوعية، ربما ينبغي للطاقة النووية أن تكون واحدة من الأدوات المستخدمة لإزالة الكربون من شبكة الطاقة والاقتصاد ككل. وهذا صحيح بشكل خاص لأننا نحتاج إلى المزيد والمزيد من الطاقة لكهربة وسائل النقل (EVs) والتدفئة (المضخات الحرارية)، بالإضافة إلى الاحتياجات الجديدة مثل مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي.

إن كمية الفحم والنفط والغاز التي تحتاج إلى الاستبدال مذهلة. حتى بالنظر إلى التقدم المحرز في مصادر الطاقة المتجددة واعتماد السيارات الكهربائية، فإنها لا تزال تشكل الغالبية العظمى من استهلاكنا للطاقة اليوم.

المصدر عالمنا في البيانات

ماذا عن النفايات النووية؟

ومع ذلك، فإن ملف السلامة الحقيقي للطاقة النووية يترك مسألة النفايات النووية.

إن فكرة ترك النفايات السامة للأجيال القادمة والتي سوف تشكل خطورة لفترة أطول بكثير من عمر الهرم الأكبر، هي فكرة مزعجة على أقل تقدير.

هل يجب علينا تسميم المستقبل لإنقاذ المناخ؟ ولحسن الحظ، هناك مجموعتان على الأقل من الحلول الناشئة من التقدم التكنولوجي للإجابة على هذه المعضلة.

الخيار الأول هو إعادة تدوير النفايات النووية، والآخر هو عدم إنتاج أي نفايات نووية تقريبًا. كلاهما جزء مما يسمى 4^th توليد محطات الطاقة النووية.

لمزيد من التفاصيل، انظر أدناه المفاعلات السريعة ومفاعلات الثوريوم.

وبطبيعة الحال، في وقت لاحق، يمكن اعتماد حلول أخرى، مثل إزالة هذه النفايات من العالم بفضل الصواريخ فائقة الموثوقية. لكن في الوقت الحالي، من غير المرجح أن تعتبر المخاطرة برش النفايات النووية على مدى نصف قارة في حالة فشل الإطلاق أمراً مقبولاً.

أجيال محطات الطاقة النووية

و1^st كان توليد محطات الطاقة النووية في الأساس نماذج أولية دون أي استخدام تجاري.

و2^nd ويمثل توليد محطات الطاقة النووية الجزء الأكبر من الأسطول الحالي. تم بناؤها في الفترة 1965-1996.

و3^rd تم بناء محطات الطاقة النووية في أعقاب الدروس المستفادة من 2^nd جيل وحاول معالجة العيوب التي أدت إلى كوارث نووية نادرة ولكنها كارثية. تم بناؤها في الفترة 1996-2016. في بعض الأحيان، يوصف الجيل 3+ بأنه المولدات التي تم بناؤها في الفترة 2017-2021، مع التركيز على زيادة السلامة.

الجيل الرابع من الطاقة النووية هو في بدايته فقط ويمثل خروجًا عن الجيل السابق، مع هدف لتصميم ومفهوم جديد، وربما تغيير الوقود النووي بدلاً من التحسينات الإضافية.

هناك أيضا 5^th-توليد محطة للطاقة النووية في المناقشات. هذه التصاميم ممكنة من الناحية النظرية ولكن لم يتم بحثها بشكل نشط. ويرجع ذلك عادةً إلى مشكلات الجدوى الاقتصادية أو التقنيات المفقودة أو المخاوف المتعلقة بالسلامة.

4^th محطات توليد الطاقة النووية

ما الذي يجعل محطة الطاقة النووية جزءًا من 4^th الجيل محل نقاش ساخن بين الخبراء في الصناعة.

في هذه المقالة، سنناقش في الغالب تصميم المصنع مبتعدًا بشكل جذري عن 3^rd تصاميم الأجيال

وسنحاول أن نبقي الشرح بسيطًا قدر الإمكان، مع إخفاء بعض التفاصيل عند الحاجة.

مفاعل ذو درجة حرارة عالية جدًا (VHTR)

ويتميز هذا التصميم بدرجات حرارة عالية جداً تصل إلى 1,000 درجة مئوية. هذا هو الوحيد 4^th محطة توليد الطاقة النووية تعمل بالفعل، مع الإطلاق التجاري في عام 2023 لمحطة الطاقة النووية Huaneng Shandong Shidao Bay في شرق الصين.

ويعتمد التصميم في كثير من الأحيان على "سرير حصوي"، حيث تحمي الكرات الخزفية الصغيرة بما يكفي لحملها باليد نواة اليورانيوم، مع وجود عشرات الآلاف من هذه الكرات في مفاعل واحد.

المصدر CGTN

اكس انرجي وتقوم أيضًا بتطوير تقنية مماثلة في الولايات المتحدة الأمريكية.

نظرًا لأن التفاعل يتطلب درجة حرارة عالية ويتم تبريده بشكل سلبي، فإن هذا التصميم أكثر أمانًا بطبيعته من 3^rd محطات توليد الطاقة النووية.

وتتمثل ميزة التصميم الحصوي في السماح بالاستبدال دون مقاطعة إنتاج المفاعل، مع تجنب السيراميك أيضًا أي خطر لتسرب المواد المشعة.

مفاعل الملح المنصهر (MSR)

في هذه المفاعلات، يكون المبرد عبارة عن خليط من الملح المنصهر بدلاً من الماء أو الغاز. وفي بعض الحالات، يوجد الوقود أيضًا في الملح المنصهر.

تميل مفاعلات الملح المنصهر إلى الحصول على كفاءة إنتاج أعلى، وحرق الوقود بشكل أكثر كفاءة، وإنشاء نفايات نووية أقل. ولأنها أكثر سخونة، يتم تجميعها أحيانًا مع VHTR في فئة "المفاعل الحراري".

ومع ذلك، فإن مشكلة الأملاح المنصهرة هي أنها قابلة للتآكل، وهي مشكلة تتفاقم بسبب الضعف المحتمل للبنية بسبب النشاط الإشعاعي. وهذا يعني الحاجة إلى صيانة وفحص شديد الحذر لأنابيب النظام والمضخات وما إلى ذلك.

الثوريوم

منذ خمسينيات القرن العشرين، استخدمت جميع المفاعلات تقريبًا اليورانيوم كوقود. وهذا يقود الناس إلى افتراض أن هذا هو الحل الوحيد.

لكن هذا كان في الواقع خيارًا سياسيًا في الغالب، حيث أن مصانع اليورانيوم تنتج البلوتونيوم. وكان يُنظر إليه على أنه شيء جيد في ذلك الوقت، لأنه ساعد القوى النووية على تصنيع المواد اللازمة لصنع القنابل النووية.

البديل الذي يحتوي على موارد أكثر بثلاث مرات من اليورانيوم هو عنصر الثوريوم. ومن غير المرجح أيضًا أن يتم تحويل المنتجات الثانوية لمفاعل الثوريوم إلى مواد للأسلحة الذرية.

المصدر ACS

الميزة الرئيسية الأخرى للثوريوم هي إمكانية إنتاج نفايات أقل بما يصل إلى 100 مرة، على الأقل عند الاستخدام تصميم مفاعل فلوريد الثوريوم السائل (مفاعل الثوريوم الملح المنصهر).

وهنا، تتصدر الصين أيضًا مفاعل الثوريوم يمكن تشغيله بدون ماء، مما يجعله مناسبًا للمناطق الصحراوية. ومع سيتم تشغيل سفن الحاويات بواسطة مفاعل الثوريوم الذي كشفت عنه الشركة الصينية لبناء السفن (CSSC).

المفاعلات السريعة / المولدة / الحارقة

تعتمد المفاعلات السريعة على "النيوترونات السريعة" التي لا يتم إبطاؤها بواسطة الوسائط كما هو الحال في المفاعلات النووية الكلاسيكية. يسمح هذا بتصميم المفاعل بحيث يمكنه استخدام النيوترونات السريعة لاستهلاك عناصر من عائلة الأكتينيدات (والتي تشمل اليورانيوم والبلوتونيوم).

المصدر مذكرات العلوم

ونظرًا لأن وقود المفاعلات التقليدي يتحول إلى مزيج معقد من الأكتينيدات طويلة العمر، فإن هذه الفئة من العناصر هي المشكلة الرئيسية في النفايات النووية.

تعمل المفاعلات الحارقة على تحويل أغلب الأكتينيدات المثيرة للمشاكل في الوقود النووي المستهلك، مما يجعل النفايات المعالجة الناتجة أقل نشاطا، وأقل حجما بنسبة 90% إلى 98%، وتظل مشكلة لعقود أو قرون فقط بدلا من آلاف السنين.

عادة ما يتم تصنيف هذه الفئة من المفاعلات حسب نظام التبريد الذي يمكن استخدامه الغاز, صوديوم، or قيادة.

بينما تم تصنيفها على أنها 4^th جيل، هذه ليست في الواقع تكنولوجيا جديدة أو لم يتم اختبارها. والجدير بالذكر أن فرنسا عنقاء و سوبرفينيكس تم حرق النفايات النووية طوال السبعينيات والتسعينيات، قبل أن يتم إغلاقها في النهاية لأسباب تتعلق بتكاليف التشغيل والضغط السياسي من حزب الخضر.

تشمل الإصدارات الحديثة من مفاعلات التوليد السريع، على سبيل المثال، المفاعلات المصممة ولكن غير المبنية بريزم من شركة جنرال إلكتريك هيتاشي.

المفاعلات المعيارية الصغيرة (SMRs) والمفاعلات الدقيقة

يتم تصور معظم المفاعلات النووية على أنها محطات توليد الطاقة الكبيرة النموذجية التي نعتقد أنها محطات نووية.

يتطلع نوع جديد من التصميم إلى تقليص حجم المحطات النووية إلى حجم يمكن حمله بواسطة شاحنة (SMR) أو حتى في حاوية قياسية (المفاعلات الدقيقة).

المصدر: Nuscale

بشكل عام، من المتوقع استخدام المفاعلات الصغيرة والمتوسطة لتشغيل الشبكة أو العمليات الصناعية الكبيرة، في حين من المرجح أن يتم استخدام المفاعلات الصغيرة في المناطق النائية. المنشآت العسكرية، واستكشاف الفضاء.

ومن شأن الحجم الأصغر والتصميم الموحد أن يجعل اعتماد القواعد الصغيرة والمتوسطة أسهل بالنسبة للبلدان الأصغر.

وهناك ميزة أخرى للمركبات الصغيرة والمتوسطة الحجم وهي أنه يمكن إنتاجها على شكل سلاسل، مثل الشاحنات أو السفن، بدلاً من التصميم المخصص الفريد الذي تفضله الصناعة عادةً. ومن الناحية النظرية، ينبغي أن يوفر هذا وفورات الحجم وخفض التكلفة.

ومن الناحية العملية، قد تكون التكاليف أعلى من المتوقع، على الأقل بالنسبة للنماذج الأولية. أدى هذا إلى انخفاض طفيف في الحماس بشأن الشركات الصغيرة والمتوسطة بعد أن أصبحت مبالغًا فيها قليلاً.

ومع ذلك، من المرجح أن تتوسع الشركات الصغيرة والمتوسطة بسرعة، مع تقدم المشاريع على سبيل المثال فنلندا, النرويج, بولندا, الولايات المتحدة الأمريكية, كنداو الأرجنتين.

يمكنك قراءة المزيد عن حالة تقنية SMR في مقالتنا "تحديث بشأن SMRs (المفاعل المعياري الصغير) - لا يزال مستقبل الطاقة النووية"

المحطة النووية العائمة

بينما ربما ليس من الناحية الفنية 4^th توليد الطاقة، محطات الطاقة العائمة هي مفهوم جديد يوفر خروجًا جذريًا عن مفهوم محطة الطاقة النووية المعتاد.

وهذا المفهوم الذي تؤيده شركة روساتوم الروسية في الغالب، يختلف عن السفن التي تعمل بالطاقة النووية، مثل بعض حاملات الطائرات على سبيل المثال.

هنا، الغرض الأساسي من السفينة هو أن تكون محطة طاقة، على الرغم من أنها محطة عائمة متنقلة. ونظرًا لقيود الحجم، يمكن أيضًا وصف ذلك بأنه نموذج SMR، وإن كان كبيرًا جدًا.

المصدر تكنولوجيا الطاقة

تم تطبيق هذه المفاهيم في القطب الشمالي الروسي، حيث تم تزويد المدن الواقعة على الساحل بالطاقة، وركزت في الغالب على التعدين واستخراج النفط والغاز. في هذه البيئة، لا يتم إهدار "الحرارة المهدرة" للمحطة ويمكن استخدامها لتدفئة المناطق.

ويمكن أن يكون التطبيق الأوسع هو جلب الطاقة النووية إلى البلدان النامية التي ليس لديها خبرة في تشغيل التكنولوجيا النووية. يمكن تشغيل المحطة من قبل الشركة المصنعة لها، ويتم بيع الطاقة إلى البر الرئيسي ببساطة عن طريق "توصيلها" بشبكة الكهرباء.

ويمكن لهذا المفهوم أيضًا أن يوفر الطاقة للجزر والمناطق النائية، بالإضافة إلى نظام سريع التعبئة للإغاثة في حالات الكوارث.

على سبيل المثال، وتتطلع غينيا بالفعل إلى العمل مع روسيا في مثل هذا المشروع.

وستنجهاوس ومعجزة كما يقومون بالتحقيق في الفكرة أيضًا KSOE الكورية وكيبكو أو الدنماركي سيبورج الجمع بين تكنولوجيا الملح المصهور ومحطات الطاقة البحرية.

التكلفة

أحد الانتقادات الأخيرة الموجهة ضد الطاقة النووية هو التكلفة.

ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى أن أحدث المشاريع النووية في الولايات المتحدة الأمريكية وأوروبا عانت من تجاوزات هائلة في التكاليف. على سبيل المثال، محطة فوغتل لتوليد الكهرباء في جورجيا انتهى الأمر بتكلفة 37 مليار دولار، منها 20 مليار دولار عبارة عن تجاوزات في التكاليف. أو ال مصنع Olkiluoto-11 بقيمة 3 مليار يورو في فنلندا، بدلاً من 3 مليار يورو المتوقعة في البداية.

إن حقيقة أن شركة Vogtle استغرقت 14 عامًا في البناء وأن شركة Olkiluoto دخلت الخدمة بعد 12 عامًا من التقدير الأولي هي المسؤولة إلى حد كبير عن التكاليف المتضخمة.

لكن هذه ليست حالة وفاة. وفي نفس الفترة، وكشفت بلومبرج أن الصين قامت ببناء 6 مفاعلات نووية بتكلفة 17 مليار دولار فقط.

ويرتبط نمو التكلفة في الغرب في الغالب بثلاثة عوامل:

1. تزايد العبء التنظيمي.
   1. وفي حين أن جزءًا من هذا يرجع إلى التدقيق المتزايد بشأن السلامة، فقد انتقده البعض باعتباره روتينًا بيروقراطيًا وعوائق ذات دوافع سياسية أمام الصناعة.
2. تزايد تكلفة رأس المال.
   1. وبما أن تكاليف محطة الطاقة النووية تكون في معظمها مقدمة من البناء، فإن التكاليف الرأسمالية المنخفضة تقلل السعر النهائي بشكل كبير. عادة، يتم منح المشاريع النووية الصينية إمكانية الحصول على قروض منخفضة الفائدة من قبل الدولة.
3. عدد قليل جدًا من المشاريع.
   1. إذا تم بناء المزيد من المصانع على التوالي، يمكن للمصنعين توحيد الإنتاج وإنتاج المعدات على دفعات أو سلسلة، بدلاً من التصميم المخصص الفريد من نوعه في كل مرة.
   2. كما يساعد التدفق المستمر للمشاريع على تدريب الموظفين المهرة والاحتفاظ بهم.

كل من هذه المشاكل يمكن حلها.

ويمكن تقليص العبء التنظيمي الضخم، وتعبئة رأس المال من قبل الحكومة. والمزيد من المشاريع وسياسة الطاقة المستقرة ستعمل على إعادة بناء سلسلة التوريد.

شركات الطاقة النووية

1. شركة كاميكو

تعتمد الطاقة النووية على إمدادات اليورانيوم. اليورانيوم ليس موردا نادرا جدا، على الرغم من أنه ليس من السهل العثور على رواسب عالية التركيز.

ويهيمن على السوق شركة Kazatomprom في كازاخستان وشركة Cameco في كندا. يوجد منتجون آخرون لليورانيوم، لكن هذين المنتجين هما الأكبر إلى حد كبير والمنتجان بتكاليف إنتاج أقل. ونتيجة لذلك، ستكون شركة Cameco في مركز توريد المواد الخام التي تحتاجها محطات الطاقة النووية الحالية والمستقبلية.

المصدر كاميكو

ومع ذلك، فإن الجانب التعديني لشركة Cameco هو نصف القصة فقط. وذلك لأنه في عام 2022، اتخذت شركة Cameco قرارًا بالاستحواذ على حصة الأغلبية في شركة Westinghouse، الشركة الرائدة في مجال بناء محطات الطاقة النووية في الولايات المتحدة، جنبًا إلى جنب مع شركة استثمارية عملاقة، Brookfield.

وهذا يمنح شركة Cameco إمكانية الوصول إلى إيرادات Westinghouse الثابتة من خدمة المحطات القائمة والتحكم في جزء كبير من سلسلة التوريد النووية. ونظرًا للوائح الصارمة، ستكون هذه الأجزاء والمعدات مطلوبة لأي محطة طاقة جديدة، تقليدية أو SMR على حدٍ سواء.

من الأمثلة الجيدة على إمكانات الابتكار لدى Westinghouse تصميم AP300 SMR الذي تم الكشف عنه مؤخرًا، والتي من المرجح أن يتم نشرها في سلوفاكيا، فنلندا ، والسويد.

لذا فإن شركة Cameco تراهن على أسعار اليورانيوم وتحتفظ شركة Westinghouse بسيطرة قوية على سوق بناء المحطات النووية التي كانت تهيمن عليها في السابق. تجدر الإشارة إلى أن الملكية المشتركة مع Brookfield قد تساعد أيضًا، حيث تمتلك الشركة قسمًا ضخمًا لتوليد الطاقة المتجددة/منخفضة الكربون بقيمة 19 مليار دولار شركاء Brookfield Renewable (أفضل الممارسات البيئية).

2. شركة Mirion Technologies، Inc.

وبصرف النظر عن المفاعلات وتقنيات الوقود، يعتمد توليد الطاقة النووية بشكل كبير على العديد من أجهزة الالتقاط والأجزاء وغيرها من المعدات "الثانوية" التي مع ذلك تحتاج إلى الثقة لتعمل بشكل مثالي.

إحدى هذه الفئات هي الكشف عن الإشعاع، وهو العمل الأساسي لشركة ميريون (الولايات المتحدة الأمريكية). يتطلب تنظيم الطاقة النووية إجراء فحوصات صارمة للغاية بشأن تعرض الموظفين والبيئة للإشعاع، والكشف المبكر عن أي تسرب أو تلوث محتمل. وينطبق الشيء نفسه على الاستخدام الطبي للمركبات المشعة، مثل علاج السرطان والصور.

المصدر ميريون

وتنشط الشركة أيضًا في مجال القياسات الفيزيائية للتحليلات والأبحاث العلمية، بالإضافة إلى أجهزة إيقاف التشغيل وإزالة التلوث لصناعة الدفاع والأمن السيبراني وخدمات التدريب. تم طرح الشركة للاكتتاب العام في عام 2020.

وقد نمت إيرادات "ميريون" بشكل مطرد، وتحملها بالتساوي قطاعها الطبي وعملائها الصناعيين.

تعد ميريون جزءًا أقل "بريقًا" من سلسلة التوريد النووية، حيث تقوم بمراقبة وقياس الإشعاع بدلاً من إنشاء تصميمات جديدة للمفاعلات، أو الوقود عالي الكثافة، أو التطبيقات العسكرية. هذا لا يجعلها أقل إثارة للاهتمام من الناحية المالية.

لذا، فإن شركة Mirion هي بمثابة نوع من الأسهم "الاختيار والجرف" التي ستستفيد من الاهتمام المتجدد والاستثمارات في مجال الطاقة النووية. وسوف تستفيد أيضاً من الشكوك العامة التي لا تزال مرتفعة بشأن الطاقة النووية، مما يعزز متطلبات أجهزة الاستشعار والمراقبة الإشعاعية المنتشرة في كل مكان، والتي تتسم بالكفاءة والموثوقية، والتي يقدمها موردون مجربون ومختبرون.