مستقبل توليد الكهرباء بالطاقة النووية 2 ~ <center>dakanet</center>

جدول رقم (2)

أنواع مفاعلات القوى النووية التجارية العاملة الآن في العالم

نوع المفاعل	المبرد	المهدئ	الوقود	ج وك *	العدد	الدول الرئيسية
مفاعل الماء المضغوط (PWR)	ماء	ماء	UO₂ مخصّب	242	264	الولايات المتحدة، فرنسا، روسيا، اليابان
مفاعل الماء المغلي (BWR)	ماء	ماء	UO₂ مخصّب	81	92	الولايات المتحدة، السويد، اليابان
المفاعل المبرد بالغاز (AGR)	CO₂	غرافيت	U طبيعي (معدن) UO₂ مخصّب	11	26	بريطانيا
مفاعل الماء الثقيل المضغوط 'CANDU' (PHWR)	ماء ثقيل	ماء ثقيل	UO₂ طبيعي	19	38	كندا
مفاعل الماء الخفيف الغرافيتي (RBMK)	ماء	غرافيت	UO₂ مخصّب	13	17	روسيا
المفاعلات المولدة السريعة (FBR)	صوديوم سائل	لا شيء	UO₂ و PuO₂	1	3	فرنسا، اليابان، روسيا

* جيغا واط كهربائي السعة بألف مليون واط

5 ـ التطور في صناعة المفاعلات

هناك عدة أجيال من المفاعلات؛ الجيل الأول وهو الذي طور في الفترة 1950 – 1960 والقليل منها ما زال يشتغل حتى الآن وهي في العموم تستخدم اليورانيوم الطبيعي كوقود و الغرافيت كمهدئ. الجيل الثاني هو الذي يستخدم اليورانيوم المخصب كوقود والماء كمبرد ومهدئ ومعظم مفاعلات القوى العاملة في الولايات المتحدة من هذا النوع. أما الجيل الثالث فهو ما يطلق عليه المفاعلات المتقدمة ولقد تم تشغيل أول ثلاثة منها في اليابان وهناك أخريات تحت الإنشاء أو التجهيز للشغل، وهي تطوير للجيل الثاني مع زيادة في إجراءات السلامة.

أما الجيل الرابع فلازال تحت التصميم ومن المقدر له أن يشتغل بعد عام 2020 ويفترض أن تكون له دورة وقود مغلقة ويحرق معظم المواد المشعة ذات عمر النصف الطويل من ضمن الوقود وهذا الجيل سيكون في الغالب من المفاعلات السريعة.

بعد حادثة تشرنوبيل 1986 والذي كان بسبب تصدعات في التصميم بالإضافة إلى أخطاء جدية ارتكبها المشغلون حدثت ثورة في مجال تصميم المفاعلات وتكاتف خبراء العالم من أجل ابتكار واستنباط تقانات مفاعلات جديدة متطورة ودورة وقودها وكان للوكالة الدولية للطاقة الذرية IAEA دور الريادة في هذا المضمار عن طريق مشروعها الرائد INPRO (المشروع الدولي للتصاميم المبتكرة للمفاعلات ودورة الوقود) الذي يضم 20 دولة ويعتبر مكملاً للمشروع العالمي الآخر GIF (الندوة العالمية لمفاعلات الجيل الرابع) . هذه المشاريع تركز على معالجة المشاكل المتعلقة بالأمن والأمان النوويين والسلامة والإنتشار وتوليد النفايات مع مراعاة أن يكون توليد الكهرباء بأسعار منافسة وتصميم مرافق يتيح تخفيض أزمنة البناء وتقليل تكاليف التشغيل. وتولي الوكالة الدولية للطاقة الذرية أيضاً اهتماماً متزايداً بالمفاعلات الصغيرة والمتوسطة التي توفر انسجاماً أفضل مع قدرة الشبكة الكهربائية العامة في البلدان النامية، بالإضافة إلى تكيفها مع تطبيقات عديدة مثل تدفئة المناطق أو إزالة ملوحة مياه البحر أو تصنيع وقود كيميائي.

6 ـ الوقود

يعتبر نظير اليورانيوم -235 من أكثر النظائر القابلة للإنشطار شيوعاً وهو الوقود المستخدم في معظم المفاعلات الحالية وعلى الرغم من وفرة اليورانيوم في الطبيعة (100 مرة أكثر من الفضة ومساوي للقصدير والزنك) إلاّ أن نظيره القابل للإنشطار نادر جداً. ولذلك فإن اليورانيوم -235 الذي نسبته في اليورانيوم الطبيعي تساوي 0.7% يحتاج إلى تثرية (أو تخصيب) أي زيادة نسبته إلى أكثر من ذلك حتى يصلح كوقود لمعظم مفاعلات القوى. وتصل الطاقة المنتجة من كيلو غرام من اليورانيوم إلى أكثر من ثلاث ملايين مرة من مثيلها من الفحم أوالنفط. والحقيقة أن إنشطار ذرة واحدة من اليورانيوم تنطلق منه طاقة تقدر ب 10 مليون مرة الطاقة الناتجة من إحتراق ذرة كربون من الفحم.

ومثل باقي أنواع الوقود التقليدية فإن اليورانيوم كمصدر للطاقة يجب أن يمر بسلسلة من المراحل حتى يكون وقوداً قابلاً لإنتاج الطاقة الكهربائية وهذه المراحل تسمى ب"دورة الوقود النووي". ويمكن تلخيص دورة الوقود النووي في شكل 7 وتفصيلها في المراحل الآتية:

أ ـ التنقيب عن خام اليورانيوم : يوجد اليورانيوم في الصخور والتربة على سطح الأرض وفي باطنها وكذلك في مياه البحار والأنهار وتعتبر أستراليا وكندا وكازاخستان من أكثر الدول إنتاجاً لليورانيوم الخام، ويتم التنقيب إما سطحياً أو في أعماق مختلفة حسب تواجد الخام في الأرض حيث تتم تصفيته في الموقع بواسطة ماء مؤكسد وأحماض خفيفة أو قلويات للاحتفاظ باليورانيوم في محلول ليسهل بعد ذلك استخلاصه بطرق الطحن العادية. ويبين جدول رقم (3) مصادر اليورانيوم المعروفة اليوم.

جدول رقم (3)

مصادر اليورانيوم في العالم

الدولة	طن من اليورانيوم	النسبة المئوية من العالم
أستراليا	863,000	%28
كازاخستان	472,000	%15
كندا	437,000	%14
جنوب أفريقيا	298,000	%10
ناميبيا	235,000	%8
البرازيل	197,000	%6
روسيا	131,000	%4
الولايات المتحدة	104,000	%3
أزبكستان	103,000	3%
الإجمالي	3,107,000

ب ـ الطحن إلى أكسيد اليورانيوم : وغالباً ما تكون معدات الطحن على قرب من المناجم وفي هذه العملية يتم طحن الخام وتفتيته إلى قطع صغيرة ثم إضافة حمض الكبريتيك القوي ليسمح بفصل اليورانيوم ثم ترسيبه كأكسيد يورانيوم مركز (U₃O₈) وهذا ما يسمى بالكعكة الصفراء وتحتوي أكثر من 80% من اليورانيوم ونسبة الإشعاع هنا أقل منها في المرحلة السابقة ويجب أن تعزل عن ما حولها.

ج ـ التحويل إلى غاز سادس فلوريد اليورانيوم : يجب أن يكون اليورانيوم في حالة غازية قبل أن يصل إلى عملية التخصيب. في محطات التحويل في أوروبا وروسيا وأمريكا الشمالية يتم تحويل أكسيد اليورانيوم (U₃O₈) إلى ثاني أكسيد اليورانيوم (UO₂) ثم إلى سادس فلوريد اليورانيوم (UF₆). ويتم تصنيع الوقود للمفاعلات التي تشتغل باليورانيوم الطبيعي ولا تحتاج إلى تخصيب مباشرة من ثاني أكسيد اليورانيوم. والخطر الأساسي من هذه العملية يأتي من إستخدام فلوريد الهيدروجين.

د ـ التخصيب : إن الأغلبية العظمى من المفاعلات العاملة في مجال توليد الطاقة الكهربائية الآن والتي هي تحت الإنشاء تتطلب وقوداً مخصباً أي زيادة نسبة اليورانيوم-235 مـن 0.7% إلـى 2-5%. وفي هذه العملية يتم فصل حوالي 85% من اليورانيوم-238 وبالتالي فإن غاز سادس فلوريد اليورانيوم ينقسم إلى قسمين رئيسيين أحدهما مخصب إلى المستوى المطلوب وينتقل إلى المرحلة التالية والآخر مستنفد من اليورانيوم-235 ويسمى اليورانيوم المستنفـد أو المنضب ومعظمه يورانيوم -238 .

وأول محطة تخصيب تجارية في العالم بنيت في الولايات المتحدة واستخدمت طريقة الإنتشار الغازي في حين أن هناك الآن محطات أكثر حداثة في أوروبا وروسيا تستخدم طريقة القوة الطاردة المركزية وهاتان الطريقتان توظفان الخواص الفيزيائية للجزيئات خاصة الفرق في الكتلة لفصل النظائر.

هـ ـ صناعة الوقود : ينقل سادس فلوريد اليورانيوم المخصب إلى محطات صناعة الوقود حيث يحول إلى مسحوق ثاني أكسيد اليورانيوم (UO₂) ثم يضغط إلى كريات صغيرة هذه الكريات يتم إدخالها في أنابيب مصنوعة من سبائك الزركونيوم أو الفولاذ لتكون قضبان الوقود. تغلف هذه القضبان بعد ذلك وتجمع في ما يعرف بمجاميع الوقود التي تكون جاهزة لاستخدامها في قلب المفاعل.

و ـ تحميل الوقود في المفاعل : يتكون قلب المفاعل من عدة مئات من مجاميع الوقود مرتبة بطريقة معينة. وبالنسبة لمفاعل بقدرة 1000 ميغا واط كهربائي، يحتوي قلب المفاعل على ما يقارب 75 طناً من اليورانيوم منخفض التخصيب. ويتم في قلب المفاعل الإنشطار النووي بالطريقة التي أشرنا إليها في السابق منتجاً كمية هائلة من الحرارة تولد بخاراً يستخدم في تشغيل التوربينات التي تنتج الكهرباء. بعض اليورانيوم-238 يتم تحويله في قلب المفاعل إلى البلوتونيوم القابل للإنشطار الذي من الممكن أن يساهم في إنتاج الطاقة الكهربائية أو يستخدم للأغراض العسكرية. وللحفاظ على كفاءة أداء المفاعل لا بد من تغيير الوقود المستهلك كل عام أو كل 18 شهراً.

ز ـ تخزين الوقود المستعمل : إن مجاميع الوقود المستخدم التي تستخرج من قلب المفاعل تكون عالية الإشعاع وتعطي درجة حرارة عالية لذلك فهي تخزن في برك خاصة قرب موقع المفاعل من أجل تخفيض درجة حرارتها وامتصاص إشعاعها. ويمكن للوقود المستخدم أن يخزن بأمان لفترات طويلة في هذه البرك كما يمكن أيضاً تخزينه بشكل جاف بطرق هندسية مع التبريد. وهاتان الطريقتان انتقاليتان إلى حين إعادة الإستعمال أو إرسالها إلى مواقع للتخلص منها نهائياً. وكلما خزنت لفترات أطول كلما سهل التعامل معها وذلك لتحلل إشعاعها.

ح ـ إعادة الاستعمال : يبقى الوقود المستخدم محتوياً على حوالي 96% من اليورانيوم الأصلي وقد قل فيه اليورانيوم-235 القابل للإنشطار إلى 1% كما يحتوي الوقود المستخدم على 3% نفايات مشعة و 1% بلوتونيوم تم إنتاجه بتفاعل يورانيوم-238 مع النيترونات. وإعادة الاستعمال تفصل اليورانيوم والبلوتونيوم من النفايات وذلك بتقطيع قضبان الوقود وإذابتها في أحماض لفصل المعادن عن بعضها. يعاد اليورانيوم المسترجع إلى محطات التحويل والتخصيب ويتم مزج البلوتونيوم مع اليورانيوم المخصب ليكون معروفاً باسم MOX .

ط ـ التخلص النهائي من النفايات : بعد عملية إعادة الإستخدام فإن النفايات العالية الإشعاع يتم تسخينها حتى الكلسنة وتحويلها إلى مسحوق جاف يتم إدماجه في زجاج البيريكس وبعد ذلك يتم وضعه في علب من الفولاذ. وبذلك تكون النفايات قابلة للنقل والتخزين بدروع مناسبة. والنفايات بهذا الشكل أو الوقود المستعمل وغير المعاد للاستخدام يتم وضعه في حاويات غير قابلة للصدأ. والخطة الأكثر قبولاً للتخلص من النفايات هي دفنها في صخور ثابتة البنية في أعماق الأرض. وأول مقبرة دائمة للنفايات المشعة ستكون في سنة 2010 . ومعظم الدول المنتجة للكهرباء بالطاقة النووية تفكر في إنشاء مواقع دائمة للتخلص من النفايات بعد 2010 ولكن بعد توفر كميات تكون مبررة إقتصادياً.

شكل (8)

مخطط توضيحي لدورة الوقود النووي

7 ـ اليورانيوم في العالم

أصدرت الوكالة الدولية للطاقة الذرية كتاباً تحت عنوان " يورانيوم 2001: موارده وإنتاجه والطلب عليه" يعتمد على معلومات من 45 دولة. وسيعرض الكتاب إحصائيات حول الموارد المتاحة، الاستكشافات، الإنتاج والطلب العالمي على اليورانيوم حتى العام 2020 بالإضافة إلى نظرة تحليلية للعرض والطلب حتى عام 2050.

أ ـ موارد اليورانيوم : تصنف الموارد إلى موارد تقليدية وموارد غير تقليدية. وتعتبر الموارد غير تقليدية عند وجود اليورانيوم فيها بنسبة قليلة ويسترجع اليورانيوم في هذه الحالة كمنتج ثانوي. وتقدر هذه الموارد بحوالي 22 مليون طن موجودة في توضعات الفوسفات وبحوالي 4 مليارات طن في مياه المحيطات والبحار. وتعتبر هذه الموارد غير مجدية اقتصادياً نظراً لكلفة استخراجها العالية. أما الموارد التقليدية فتقدر بمجملها بحوالي 16 مليون طن من اليورانيوم (وهو ما يعادل 250 سنة من الإمداد لنفس معدّل الاستخدام الحالي " حوالي 64 ألف طن سنوياً " أما الموارد غير المكتشفة فقد قدّرت في العام 2001 بحوالي 16 مليون طن. وتتركز الاستثمارات الكبيرة في الاستكشافات في ستة دول هي استراليا، كندا، الهند، الاتحاد الروسي، الولايات المتحدة الأمريكية وأزبكستان. كما يذكر أيضاً أن إيران وأوكرانيا زادتا نسبة إنفاقهما على أعمال الاستكشاف بيـن عامـي 1998 و 2000.

ب ـ الإنتاج : بلغ إنتاج اليورانيوم في العام 2000 حوالي 36 طناً بزيادة 12% عن إنتاج العام 1990 (حوالي 32 طناً). وتجدر الإشارة إلى أن حوالي 14% من الإنتاج يتم الحصول عليه كمنتج ثانوي من عمليات النحاس والذهب .

ج ـ الطلب : في نهاية العام 2000 استمرت نسبة نمو الطاقة النووية وفقاً للنسبة نفسها خلال السنوات العشر المنصرمة، كان عدد المفاعلات النووية التجارية 438 مفاعلاً تنتج 360 جيغا واط كهربائي ـ أمن الإنتاج العالمي حوالي 36 طناً في اليورانيوم أي حوالي 56% من الاحتياجات الفعلية للمفاعلات (حوالي 64 طناً) وتمت تلبية باقي الاحتياجات من المخزونات العادية والعسكرية وإعادة معالجة اليورانيوم وإعادة تخصيب اليورانيوم المستنفد.

د ـ الوضع في العام 2020 : إن التقديرات المتعلقة بنهاية خدمة بعض المفاعلات التي تعمل حالياً وتلك التي هي تحت الإنشاء يجعلنا نقدر السعة النووية العالمية في العام 2020 بأنها مساوية للسعة الحالية مضافاً إليها سعة المفاعلات المخطط إنشاؤها حالياً رغم زيادة خطط الإنشاء في آسيا وأوروبا والولايات المتحدة الأمريكية.

إن التحسينات التي طرأت على تقانة المفاعلات تؤثر حتماً على الاحتياجات من اليورانيوم فستنخفض كمية اليورانيوم الضرورية لإنتاج كمية معينة من الكهرباء.

ولكن الاتجاه العام لرفع قدرة المفاعلات وإطالة أعمار المفاعلات العاملة حاليا سيؤدي إلى احتياجات أعلى من اليورانيوم. إن تحويل مواد رؤوس حربية إلى الاستخدام السلمي في السنوات الماضية أدى إلى وجود وفرة متزايدة من اليورانيوم مما خفض سعره وأدى بالتالي إلى تقليص عمليات الاستكشاف. وحتى يعود الإنتاج الرئيسي إلى مستـواه المطلوب، يمكن أن يحصل مع الزمن، عدم تـوازن بيـن العرض والطلب خاصة بعد بروز احتياجات جديدة. ويمكن التأكيد أن إنتاج جميع الدول المنتجة لليورانيوم والمعروفة حالياً لا يمكن أن يلبي احتياجات العالم المستقبلية مما يعني ضرورة استمرار المصادر الثانوية في رفع الإنتاج العالمي لليورانيوم. أما ابتداء من العام 2020 فستنخفض إمدادات الإنتاج الثانوي مما يعني ضرورة تطويـر مشروعات جديدة لإنتاج اليورانيوم لتلبية احتياجات المفاعلات التي ستكون قيد العمل في ذلك الوقت.

وقد قدر فريق من الخبراء احتياجات العالم في العام 2050 من اليورانيوم وفقاً لتوقعات منخفضة، متوسطة وعالية وفقاً للجدول رقم (4) التالي :

جدول رقم (4)

الاحتياجات المتوقعة من اليورانيوم

	منخفضة (طن يورنيوم)	متوسطة (طن يورانيوم)	عالية (طن يورانيوم)
2000 2020 2050	62,000 60,233 52,000	62,000 83,300 177,000	62,000 106,500 283,000

إن عوامل غير تقنية وغير مرتبطة بتوافر مناجم لليورانيوم قد تطرأ وتؤثر على الإنتاج الرئيسي والإنتاج الثانوي. ومن هذه العوامل المعارضات البيئية أو السياسية لاستغلال المناجم أو لتخصيب اليورانيوم في ظل الخوف الدائم والمبرر أحياناً من انتشار الأسلحة النووية.

8 ـ الوضع الحالي لتوليد الكهرباء بالطاقة النووية:

إنه من المحتمل جداً أن يكون العالم بين خيارين، إما قرار التوسع في استخدام الطاقة النووية وإما تقليل مستوى المعيشة. ولاشك أن العالم سيذهب بقوة عاجلاً أم آجلاً إلى الطاقة النووية. ولمعرفة الوضع الحالي المفصل لتوليد الكهرباء بالطاقة النووية يمكننا الرجوع إلى الجدول رقم 5 الذي يبين حالة الدول التي لها القدرة على إنتاج الطاقة الكهربائية من الطاقة النووية؛ الوضع سنة 2004 مقدراً بالتيرا (10¹²) واط ساعة والنسبة المئوية لمساهمة الطاقة النووية بين مصادر الطاقة الأخرى، والوضع في أغسطس 2005 من حيث عدد المفاعلات العاملة والتي تحت الإنشاء والمخطط لها وقدرة كل منها بالميغا واط كهربائي وحاجتها من اليورانيوم.

جدول رقم (5)

بيان لإنتاج الكهرباء بالطاقة النووية والمفاعلات العاملة

والتي تحت الإنشاء والمخطط لها في العالم

اليورانيوم المطلوب 2005	مفاعلات مقترحة أغسطس 2005		مفاعلات مخطط لها أغسطس 2005		مفاعلات تحت الإنشاء أغسطس 2005		المفاعلات العاملة أغسطس 2005		توليد الكهرباء النووية 2004		الدولة
طن من اليورانيوم	م و ك	عدد	م و ك	عدد	م و ك	عدد	م و ك	عدد	% ك	ت و س
140	0	0	0	0	692	1	935	2	8.2	7.3	الأرجنتين
55	0	0	0	0	0	0	376	1	39	2.2	أرمينيا
1163	0	0	0	0	0	0	5728	7	55	44.9	بلجيكا
311	0	0	1245	1	0	0	1901	2	3	11.5	البرازيل
345	1000	1	0	0	0	0	2722	4	42	15.6	بلغاريا
1796	0	0	2570	4	515	1	12080	17	15	85.3	كندا
1352	15000	19	8000	8	1900	2	6587	9	2.2	47.8	الصين
474	1900	2	0	0	0	0	3472	6	31	26.3	تشيكا
0	600	1	0	0	0	0	0	0	0	0	مصر
540	0	0	1600	1	0	0	2656	4	27	21.8	فنلندا
10431	1600	1	0	0	0	0	63473	59	78	426.8	فرنسا
3708	0	0	0	0	0	0	20303	17	32	158.4	المانيا
274	0	0	0	0	0	0	1755	4	34	11.2	المجر
351	13160	24	0	0	3638	8	2993	15	2.8	15	الهند
0	2000	2	0	0	0	0	0	0	0	0	اندونيسيا
125	2850	3	950	1	950	1	0	0	0	0	ايران
0	1200	1	0	0	0	0	0	0	0	0	اسرائيل
8184	0	0	14782	12	866	1	47700	55	29	273.8	اليابان
0	0	0	950	1	950	1	0	0	0	0	كوريا الشمالية
3011	0	0	9200	8	0	0	16840	20	38	124	كوريا الجنوبية
290	0	0	0	0	0	0	1185	1	72	13.9	ليثوانيا
237	0	0	0	0	0	0	1310	2	5.2	10.6	المكسيك
112	0	0	0	0	0	0	452	1	3.8	3.6	هولندا
57	0	0	300	1	0	0	425	2	2.4	1.9	باكستان
90	1995	3	0	0	655	1	655	1	10	5.1	رومانيا
3409	9375	8	925	1	3600	4	21743	31	16	133	روسيا
373	840	2	0	0	0	0	2472	6	55	15.6	سلوفاكيا
128	0	0	0	0	0	0	676	1	38	5.2	سلوفينيا
356	125	1	0	0	0	0	1842	2	6.6	14.3	جنوب افريقيا
1622	0	0	0	0	0	0	7584	9	23	60.9	أسبانيا
1536	0	0	0	0	0	0	8857	10	52	75	السويد
595	0	0	0	0	0	0	3220	5	40	25.4	سويسرا
0	4500	3	0	0	0	0	0	0	0	0	تركيا
1531	0	0	950	1	0	0	13168	15	51	81.1	اوكرانيا
2409	0	0	0	0	0	0	11852	23	19	73.7	بريطانيا
22397	0	0	0	0	1065	1	97838	103	20	788.6	الولايات المتحدة
0	2000	2	0	0	0	0	0	0	0	0	فيتنام
68,357	58,145	73	41,472	39	17,431	23	367,684	440	16	2618.6	العالم

ومن الجدول يتضح أن هناك 440 مفاعل قوى عامل في 31 بلداً بقدرة كهربية إجمالية 368,000 ميغا واط كهربائي وتنتج الطاقة النووية 16% من كهرباء العالم وتزداد هذه النسبة باستمرار. وربما تكون العلامة الفارقة هي النمو السريع في استخدام الطاقة النووية لتوليد الكهرباء في كل من الصين والهند.

شكل (9)

توليد الطاقة الكهربائية في العالم

ويبين شكل 9 مصادر الطاقة الكهربية في العالم ونسبة مساهمتها في إنتاجها ويوضح شكل 10 حجم مساهمات مصادر الطاقة المختلفة في بعض الدول حيث يعبر عرض العمود عن إجمالي إنتاج الطاقة الكهربية بالتيرا واط ساعة في عام 2001 .

شكل (10)

النسبة المئوية للوقود المستخدم في إنتاج الكهرباء