أ.د. محمود نصر الدين
د. ضو سعد مصباح
الهيئة العربية للطاقة الذرية
1ـ مقدّمة
لقد استخدمت التقنية النووية الطاقة المنطلقة من إنشطار نوى بعض العناصر الثقيلة في أربعينيات القرن الماضي في الأغراض العسكرية أثناء الحرب العالمية الثانية. ولكن في بداية الخمسينيات وبعد إنتهاء الحرب انتبه العالم إلى الإستخدام السلمي للإنشطار النووي وبالتحديد في توليد الطاقة الكهربائية حيث أنشئت مفاعلات القوى لأغراض توليد الكهرباء فكانت أول محطة نووية لتوليد الكهرباء في أوبننسك في روسيا سنة 1954 ثم تلتها بريطانيا في محطة كالدرهول سنة 1956 وبعد ذلك كان مفاعل شبنجبورت لتوليد الكهرباء في نهاية 1957 ثم استمرت هذه الدول ولحقت بها أخرى في تطوير المفاعلات النووية في توليد الكهرباء واستخدامها بصورة متزايدة . والآن أصبح العالم ينتج كهرباء من الطاقة النووية بما يعادل مجموع الطاقة الكهربائية التي تم إنتاجها من جميع المصادر مجتمعة في سنة 1960. والطاقة النووية الآن تولد أكثر من سدس الكهرباء في العالم بواسطة 440 مفاعل قوى في 31 بلداً. وهناك حوالي 17 بلداً تعتمد على الطاقة النووية في توليد أكثر من ربع حاجتها من الكهرباء ، ولعله من المفيد الإشارة إلى أن فرنسا تولد 78% من إحتياجاتها من الطاقة الكهربائية بالطاقة النووية . والطاقة النووية كمصدر للكهرباء تعتبر الأسرع نمواً بين مصادر الطاقة الرئيسية الأخرى حيث يوجد حوالي 30 مفاعل قوى تحت الإنشاء كما أن هناك خططاً لإنشاء 35 مفاعلاً آخراً. وتزداد كفاءة هذه المفاعلات وأمانها يوماً بعد يوم. ومن خلال النقاش المحتدم بين مؤيدي توليد الكهرباء من الطاقة النووية ومعارضيها الذين يتحفظون على قضايا خاصة بإدارة النفايات النووية وإقتصاديات الكهرباء النووية وأمانها بالمقارنة مع غيرها من المصادر وعلاقتها المحتملة بالأسلحة النووية وموقف الجمهور منها أصبح من غير الممكن تجاهل الطاقة النووية كمصدر أكبر وضروري لتأمين التوازن بين الطلب المتزايد على الطاقة وبين المتاح منها.
إن تنامي الحاجة للطاقة لاسيما في دول تتمتع بخزان بشري كبير وبنمو إقتصادي كبير كالصين والهند مثلاً، يتطلب التفتيش عن مصادر مختلفة للطاقة لمواجهة الحاجة المتزايدة ولعدم الاعتماد على مصدر واحد قد يتأثر مستقبلاً بعوامل داخلية أو خارجية، اقتصادية أو سياسية أو أمنية . ولقد وعت الصين والهند هذا الواقع واتجهت فيما اتجهت إلى الطاقة النووية حيث تم في العام 2002 إنشاء أربع محطات نووية في الصين (من أصل ستة على صعيد العالم كله) كما أن الهند بدأت ببناء ست محطات نووية جديدة لتوليد الكهرباء.
ومن الجدير ذكره أن الحديث عن توليد الكهرباء قد يصدق أيضاً، في عدد من دول العالم ولا سيما في الدول العربية، في موضوع إزالة ملوحة مياه البحر حيث تستخدم الطاقة الحرارية في تبخير كميات كبيرة من مياه البحر، وتقطيرها لاحقاً عوضاً عن استعمال البخار في تشغيل توربينات لتوليد الكهرباء.
لقد شكلت الطاقة النووية موضوع تجاذب في الدول الأوروبية من مجموعات ناشطة في حقل البيئة أو في السياسة بشعارات بيئية مما ألزم بعض الحكومات، كألمانيا مثلاً، للإعلان عن التخلي عن الخيار النووي في توليد الكهرباء ولكن السنوات القليلة الماضية أعادت الاهتمام بالطاقة النووية من الباب العريض لاسيما في أمريكا ، إنجلترا وفرنسا ودول أوروبية وآسيوية أخرى.
سيتم في هذه الدراسة إيجاز الخيارات المتاحة لتوليد الطاقة للإنطلاق بعد ذلك في دراسة خيار استغلال الطاقة النووية في توليد الكهرباء (أو تحلية مياه البحر) مستعرضين العقبات الموضوعية المتعلقة بتأمين الوقود النووي.
لن يتم التطرق إلى موضوع الأمن والأمان النوويين اللذين يطرحان جوانب الإجراءات الضرورية للأمن (المادي : حراسة، تخزين آمن ... الخ) وإجراءات الأمان النووي أي القيام بكل ما هو ضروري لعدم حصول حوادث نووية. ولكن يمكن الإشارة إلى أن جهوداً كبيرة بذلت وتبذل أثناء عمليات تصميم المفاعلات وبنائها من أجل الوصول إلى أعلى درجات الأمان. ومن المعروف أن كل دولة تستخدم الطاقة النووية في كافة الأغراض السلمية، تنشئ هيئة رقابية حكومية ومستقلة لمراقبة استيراد وتركيب وتشغيل وتخزين كل الأجهزة والمواد التي يصدر عنها إشعاعات مؤينة. ويصبح وجود هذه الهيئة أكثر ضرورة عند البدء ببناء مفاعلات بحثية أو مفاعلات طاقة.
2 ـ خيارات تأمين مصادر الطاقة
سوف يتضاعف استخدام الطاقة في العالم بحلول عام 2050 – وإذا اعتبرنا أنه من الممكن إدخال تحسينات جوهرية في استخدامات الوقود الأحفوري بالإضافة إلى تحول مستمر من الفحم إلى الغاز الطبيعي فسيبقى من الضروري جعل مساهمة الوقود الأحفوري في إنتاج الطاقة لا تزيد عن 30% من إجمالي الطاقة في العام 2050 حتى يصبح من الممكن بلوغ ما هو مطلوب من الحد من انبعاثات الغازات التي تسبب ظاهرة الإنحباس الحراري.
لذلك يصبح من الضروري أن يعمد متخذو القرار لاستعراض كل المقاربات الممكنة لإنتاج الطاقة من أجل التأكد من أن الطلب العالمي والمتزايد على الطاقة سيتم تلبيته رغم ما تفرضه الاتفاقات الدولية من تقييدات على انبعاث الغازات المسببة للإنحباس الحراري. ويرى بعض الدارسين أن هناك أربعة خيارات أساسية لبلوغ هذا الحدث :
أ ـ وضع معايير واضحة وصارمة للطلب على الطاقة بحيث يتم تقليصه أو على الأقل إبقاؤه على المستوى ذاته.
ب ـ اللجوء إلى استخدام المحطات النووية لتوليد الكهرباء و / أو إزالة ملوحة مياه البحر.
ج ـ تطوير استخدام الطاقات المتجددة لا سيما في المنازل والزراعة وبعض الصناعات، التي لا تتطلب كماً كبيراً من الطاقة، وإضاءة الشوارع والأماكن العامة.
د ـ فصل غاز ثاني اكسيد الكربون الناتج عن استخدام الوقود الأحفوري.
وبالرغم من ظهور هذه الخيارات كأنها مستقلة عن بعضها أو متعارضة أحياناً فإن المطلوب مستقبلاً هو الاستعانة بها كلها من أجل الوصول إلى ما يهدف إليه العالم اليوم من تأمين لمصادر الطاقة دون المس بكوكب الأرض.
إن صنع القرار في مجال الطاقة هو أمر معقد بسبب وجود عوامل عديدة تتراوح بين المصادر المتاحة للطاقة، سياسات ومصالح الدول والشركات، الكوارث الطبيعية والاضطرابات السياسية أو الأمنية...الخ. ويمكن الإشارة إلى ظاهرة تضاعف سعر النفط ثلاث مرات خلال عام واحد للدلالة على عدم التمكن من استقراء كل التطورات المقبلة على صعيد إنتاج الطاقة أو الطلب عليها. ولكن ورغم ذلك يبقى من الضروري وضع آلية واضحة لمصادر الطاقة في العام 2050 وفقاً للخيارات التي ستكون متاحة في ذلك الوقت.
إن اتخاذ قرار باعتماد خيار محدد لإنتاج الطاقة لن يصبح متاحاً، من حيث الاستثمار، قبل مضي بعض الوقت الذي قد يصل إلى عدد من السنوات (كبناء مفاعلات القدرة النووية). وهذا ما سيتعارض مع رغبة المستثمرين بالمردود السريع وعدم المخاطرة الاقتصادية. ممّا يؤكد أن المقياس الزمني هو مسألة جوهرية وخاصة في ميدان الطاقة النووية وذلك بسبب كون العمر المتوسطي لمفاعلات القدرة هو 40 سنة، مما سيؤدي إلى اعتبار أن أكبر من نصف القدرة النووية الحالية سيختفي بحلول العام 2020.
وإذا ما اعتبرنا أن جميع المشاريع الحالية ستستكمل فإنها لن تعطي في العام 2030 أكثر من 20% من القدرة النووية المستغلة حالياَ.
إن تعويض هذا النقص في القدرة النووية الإجمالية لن يعوض كله بالطاقة النووية بل بتطوير استغلال الطاقات المتجددة وبتطوير أساليب استخدام الوقود الأحفوري (مع تطمينات بشأن انبعاث الغازات المسببة لظاهرة الانحباس الحراري الزجاجي) بالإضافة إلى اتخاذ إجراءات لتخفيض الطلب على الطاقة.
في كل هذه الوقائع، إن المقاربة المعقولة الوحيدة هي المحافظة قدر الإمكان على أكبر عدد من الخيارات المفتوحة، وأمام عدم التأكد من المستقبل يصبح من الضروري أن يضع العالم له خططاً متنوعة تأخذ بعين الاعتبار كل الخيارات المتاحة وتطوير التقنيات في كل ميادين إنتاج الطاقة بحيث لا تضيع الفرص ولا تهدر المصادر بشكل غير مدروس.
وبناء على ذلك يبدو من الصعوبة الوقوف ضد المقترح الذي يُبقي خيار بناء عدد أكبر من المحطات النووية خياراً مفتوحاً. وهذا ما اعتمدته الصين للسنوات العشر القادمة لتأمين الطلب المتزايد على الطاقة فيها حيث ستبني أكثر من 80 مفاعلاً من أجل تأمين 4 % فقط من حاجتها المتنامية للطاقة.
3 ـ خيار الطاقة النووية
إن اعتماد خيار الطاقة النووية في المستقبل سيعتمد أساساً على عاملين مهمين : البيئة داخل الدولة والبيئة خارجها.
أ ـ البيئة داخل الدولة وستتضمن عناصر عديدة نورد بعضها :
ـ توفر المصادر الأخرى للطاقة (نفط، فحم ، غاز طبيعي، طاقات متجددة)
ـ الوعي البيئي
ـ الجهة المستثمرة (دولة، قطاع خاص)
ـ المستوى التقني ومدى امتلاك التقنيات النووية في ميدان المفاعلات النووية
ب ـ البيئة الخارجية والتي ستتضمن عناصر إضافية نورد بعضها:
ـ مدى نمو الطلب على الطاقة في العالم والذي يرتبط بالنمو الكافي والنشاط الاقتصادي العالمي
ـ وضع مقاربات طويلة الأجل لأنظمة إنتاج الطاقة
ـ مدى توافر الوقود الأحفوري على ضوء حجم الاحتياطيات العالمية وتطور أسعارها
ـ استمرارية إمداد الوقود الأحفوري على ضوء التوتر الدولي والأحداث الأمنية
ـ التأثيرات البيئية للوقود الأحفوري على ضوء المخطط له في الوقت الحالي بواسطة هيئة العمل بين الحكومات حول التغير المناخي (IPCC)
ـ مدى سرعة تطور تقانات الطاقة المتجددة ومردودها الاقتصادي
ـ مدى اتساع نطاق عملية فصل غاز ثاني أكسيد الكربون الناتج عن استخدام الوقود الأحفوري
ـ تطور تقانات تخزين الكهرباء وهو أمر مهم جداً في ميدان الطاقات المتجددة
ـ العوامل الاقتصادية لا سيما في الدول الأقل نمواً والتي تفتقر إلى رساميل قابلة للتوظيف على فترة زمنية طويلة. وهذا ما يستدعي تطوير مفاعلات بتكلفة تقل عن التكلفة الحالية.
ـ توفر الوقود النووي الذي يعتمد على ما هو متوفر من اليورانيوم أو ما يمكن توفيره عبر اكتشافات جديدة أو عبر استخلاصه من مياه البحر بتقنيات جديدة.
ـ إدارة النفايات المشعة لاسيما على ضوء تناقص المساحات المعدة للتخزين وعلى ضوء الكلفة العالية لإيجاد أماكن تدفن فيها هذه النفايات (عميقا) أو تخزن على سطح الأرض.
ـ الأمان النووي وهو ذو سجل مثير للإعجاب رغم الحوادث القليلة والمأساوية التي حصلت. ولكن توسعاً أكبر في القدرة النووية قد يزيد احتمالات حصول بعض الحوادث العارضة مما يستدعي جهداً إضافياً لمنع حصول هذه الحوادث.
ـ إنتشار الأسلحة : إن المخاوف من انتشار السلاح النووي تساهم في عدم التمكن من اعتماد الخيار النووي في بعض الدول لا سيما تلك التي يتوجب عليها شراء المفاعلات والمواد النووية من الخارج.
ـ موقف الرأي العام من الطاقة النووية والذي يختلف من دولة إلى أخرى : إن درجة القبول لدى الجمهور تحدد مدى قيام متخذي القرار باعتماد الخيار النووي كمصدر، ضمن مصادر أخرى، للطاقة ونورد في ما يلي جدولاً بالمواقف من القدرة النووية .
جدول رقم (1) :
المواقف من القدرة النووية
مع الخيار النووي(%) | ضد الخيار النووي (%) | متعادلون / لا يعلمون (%) | |
الرأي العام | 28 | 25 | 47 |
جميع متخذي القرار | 43 | 44 | 13 |
إدراك متخذي القرار للرأي العام | 2 | 84 | 14 |
ـ توفر المهارات في الميدان النووي : ويعتبر هذا الأمر مهماً في ظل وجود قرار باعتماد الخيار النووي أو في غيابه. إن الوصول بالمهارات الوطنية في أي ميدان، لاسيما ميدان الطاقة النووية، يتطلب جهداً ووقتاً كبيرين. ورغم توفر هذه المهارات في الدول الكبرى فإنها بدأت تقلق أمام تناقص عدد الصفوف في الجامعات، ووضعت مشاريع دولية ووطنية (بالتعاون مع الوكالة الدولية للطاقة الذرية) للحفاظ على المعرفة. وهذا ما يستدعي أن تتحول الدول الأخرى بمجهودات إضافية لتوفير حد معقول من المهارات النووية السلمية.
ـ البحث والتطوير : إن وجود مهارات نووية يؤمن اندفاعاً في مجالات البحث والتطوير لاستغلال أمثل للطاقة النووية كمصدر من المصادر المستقبلية للطاقة.
ـ إن حجم التحديات المصاحبة لمسألة مصادر الطاقة وتأثيرها على البيئة والصحة العامة ستبقى في العقود القادمة كبيرة ومثيرة للجدل. ويبقى على الدول التي تملك قدرات نووية مميزة أن تساهم في تطوير مفاعلات أكثر أماناً، أقل كلفة وأكثر جذباً للإستثمار التجاري لا سيما في القطاع الخاص الذي يتردد طويلاً في تجميد استثمارات كبيرة لفترة طويلة قبل الشروع بحصد الأرباح.
4 ــ المحطات النووية لتوليد الطاقة
تشتغل المحطة النووية لتوليد الطاقة الكهربائية بشكل أساسي بنفس طريقة المحطات المشتغلة بالوقود الأحفوري ولكن بفارق وحيد هو مصدر الحرارة حيث أن عملية إنتاج الحرارة في المحطات النووية تكون عن طريق إنشطار ذرة اليورانيوم إلى ذرتين أخف بواسطة النيترونات وتنطلق من هذه العملية طاقة حرارية هائلة ونيترونات (شكل 1) .
شكل (1) الإنشطار النووي شكل (2) مفاعلات القوى
تتم تهدئة النيترونات الخارجة من هذا التفاعل وتقوم بشطر ذرة يورانيوم أخرى وهكذا تتكرر العملية وهذا مايسمى بالتفاعل المتسلسل. والمفاعل النووي هو ذلك الوعاء الذي يحوي ويتحكم في التفاعل المتسلسل.
والحرارة التي تنطلق من قلب المفاعل تقوم بغلي الماء ثم يتولد عنه بخار الذي يدوّر بدوره توربين وبالتالي تتولد الكهرباء (شكل 2) كما في محطات الوقود الأحفوري وهذا النوع من المفاعلات يسمى مفاعلات القوى في حين أن مفاعلات الأبحاث توظف النيترونات بدل الطاقة الحرارية.
هناك عدة مكونات أساسية في معظم أنواع المفاعلات وهي:
• الوقود : وهو عبارة عن كريات من ثاني أكسيد اليورانيوم مصفوفة داخل أنابيب لتكوّن قضبان الوقود وهذه القضبان مرتبة في مجاميع وقود داخل قلب المفاعل.
• المهدئ : وهو المادة التي تبطئ النيترونات المنطلقة من الإنشطار من أجل المزيد من الإنشطار وقد يكون المهدئ ماءً خفيفاً أو ثقيلاً أو غرافيت.
• قضبان التحكم : وتتكون من عناصر ممتصة للنيترونات مثل الكادميوم ، الهافنيوم أو البورون وتغمر أو تسحب من قلب المفاعل من أجل التحكم في معدل التفاعل أو وقفه.
• المبرد : وهو سائل أو غاز يدور خلال قلب المفاعل من أجل تبريده ونقل الحرارة منه.
• وعاء الضغط أو أنابيب الضغط : عبارة عن وعاء حديدي صلب يحتوي قلب المفاعل والمهدئ أو سلسلة من الأنابيب تحمل الوقود وتقوم بتوصيل المبرد خلال المهدئ.
• مولد البخار : وهو جزء من نظام التبريد حيث يتم استعمال الحرارة الخارجة من قلب المفاعل في صنع البخار اللازم لإدارة التوربينات.
• وعاء الإحتواء : وهو البناء الذي يحتوي مكونات المفاعل ويحميه من المؤثرات الخارجية ويحمي الذين خارجه من تأثيرات الإشعاع ومن أي حادث قد يطرأ ، وهو في الغالب بسماكة متر واحد ومصنوع من الخرسانة والحديد الصلب.
هناك غرضان أساسيان من إنشاء المفاعلات النووية هما الإستفادة منها كمصدر للنيترونات لأغراض التشعيع والبحث وإنتاج النظائر المشعة وما لها من تطبيقات مختلفة أما الغرض الآخر ـ موضوع هذا البحث ـ فهو إستخدامها كمصدر للحرارة التي تتولد في قلب المفاعل نتيجة للإنشطار النووي حيث يستخدم المبرد بعد تسخينه وضغطه في توليد بخار في دائرة تبريد ثانوية من خلال مبادل حراري مشترك ليستخدم ذلك البخار في إدارة التوربينات في محطات توليد الكهرباء أو لإنتاج بخار يجري تكثيفه فيما بعد ليعاد ضخه إلى دوائر التبريد أو إستخدامه في عمليات إزالة ملوحة مياه البحر.
وللمفاعلات النووية أنواع ويتميز كل نوع بتصميمه الهندسي ونوع الوقود والمهدئ والمبرد الخاص به ويختلف أيضاً في الغرض من تصميمه والأنواع الرئيسية الأكثر إستخداماً في مفاعلات القوى هي:
أ ـ مفاعلات الماء الخفيف LWR : وتنقسم هذه المفاعلات إلى نوعين هما مفاعلات الماء المضغوط PWR(شكل 3) ومفاعلات الماء المغلي BWR (شكل 4) وتستخدم الماء الاعتيادي في التبريد والتهدئة ومعظم محطات القدرة النووية في العالم هي من هذا النوع. وتستخدم هذه المفاعلات الوقود المخصب بنسبة 3 ـ 5% من اليورانيوم -235 والنيترونات الحرارية في الإنشطار.
شكل (3) مفاعل الماء المضغوط
شكل (4) مفاعل الماء المغلي
ب ـ مفاعلات الماء الثقيل HWR : تستخدم هذه المفاعلات الماء الثقيل للتهدئة والتبريد أو لأي منهما حيث يمتاز الماء الثقيل بأنه قليل الامتصاص للنيترونات واستخدامه كمهدئ يساعد على تصميم المفاعل لاستخدام وقود اليورانيوم الطبيعي (0.7% يورانيوم –235 و99.2% يورانيوم–238) وكانت كندا أول من قام بتطوير هذا النوع من المفاعلات ولذلك سمي بـ CANDU .
شكل (5) مفاعل الماء الثقيل المضغوط
ج ـ المفاعلات المتقدمة المبردة بالغاز ِAGR: وتستخدم الغرافيت كمهدئ وفي الغالب غاز ثاني أكسيد الكربون كمبرد وبريطانيا هي أول من طور مثل هذه المفاعلات. وتستخدم اليورانيوم-235 المخصب بنسبة 2.5 – 3.5% (شكل 6).
شكل (6) المفاعل المتقدم المبرد بالغاز
د ـ المفاعلات المولدة السريعة FBR : لقد تم تطوير هذا النوع من المفاعلات التي بإمكانها أن تولد مواداً انشطارية أكثر مما تستهلك وتأخذ تصاميمها أشكالاً مختلفة، كما أن وقودها وموائع تبريدها هي الأخرى متعددة. وتستخدم هذه المفاعلات النيترونات السريعة في الإنشطار واليورانيوم الطبيعي كوقود ولا تحتاج إلى مهدئ (شكل 7) .
شكل (7) المفاعل المولد السريع المبرد بالغاز
 |
| الصفحة التالية |
