تتجه الصناعة النووية العالمية نحو نموذج جديد بشكل أساسي لتكنولوجيا المفاعلات، والذي يشار إليه بتكنولوجيا الجيل الرابع. لكن ماذا يخفي هذا المفهوم؟ يقدم المهندسون النوويون الروس نهجهم الخاص.

فقد أشار ألكسندر لوكشين، النائب الأول للمدير العام لمنتجات الطاقة النووية الجديدة في روساتوم، في حديثه في منتدى أتوم إكسبو 2024، إلى أن مفهوم الجيل الرابع يتعلق بنظام معقد أكثر من مجرد مفاعل. وأكد أن أنظمة الجيل الرابع قد صممت لحل مهمتين هما: إعادة معالجة الوقود النووي المستهلك وتعظيم استخدام اليورانيوم الطبيعي. ولكن في الوقت الحاضر، يتكون وقود المفاعل من اليورانيوم المخصب بنسبة تصل إلى 5% من اليورانيوم 235. تبلغ نسبة هذا النظير في اليورانيوم الطبيعي 0.7%، لذلك يُخزّن معظم اليورانيوم 238.

منتدى INPRO والجيل الرابع

لا يوجد تعريف محدد لـ” الجيل الرابع”. وتتجنب الوكالة الدولية للطاقة الذرية تمامًا تصنيف المفاعلات حسب الجيل، بعد أن أدخلت مفهومي المفاعلات “المبتكرة” و”المتقدمة”. ومع ذلك، فقد ترسخ مصطلح “جيل” في الخطاب النووي في جميع أنحاء العالم ولا يزال يستخدم على نطاق واسع في المجتمع المهني. بالنسبة لهم، تختلف الأجيال الأولى والثاني والثالث والثالث+ من حيث السلامة (انظر قسم تطور المفاعل أدناه). على سبيل المثال، تنتمي مفاعلات VVER-1200 ذات التصميم الروسي، والتي تبنيها شركة روساتوم في جميع أنحاء العالم، إلى الجيل الثالث+ وهي الأكثر أمانًا على الإطلاق.

وكانت روسيا هي من بدأ الجدل الحالي حول نوع الطاقة النووية التي يحتاجها المستقبل. وتجري المناقشة في إطار المشروع الدولي بشأن المفاعلات النووية ودورات الوقود المبتكرة (INPRO) الذي أُطلق في عام 2000 تحت رعاية الوكالة الدولية للطاقة الذرية. وقد صرّح فلاديمير كاغرامانيان في مقابلة مع AtomInfo.ru قائلًا: “كان الاهتمام بالمشروع هائلاً. فعلى الفور انخرطت عديد من البلدان النامية، والمستهلكين المحتملين لتكنولوجيا الطاقة النووية، بما في ذلك الهند والصين، وحتى ألمانيا المناهضة للطاقة النووية، ناهيك عن دول مثل فرنسا أو اليابان، التي حلمت بالحفاظ على أسطول مفاعلاتها الحالي“.

منذ البداية، وضعت INPRO متطلبات أنظمة الجيل الرابع ــ السلامة، ومنع الانتشار، وإدارة النفايات ــ التي تظل ذات أهمية حتى يومنا هذا. كان لروسيا وجهة نظر تقليدية. وقال فلاديمير كاغرامانيان: “إن الوقود النووي المستهلك ليس نفايات، بل هو مادة خام للوقود الطازج ضمن دورة وقود نووي مغلقة تتضمن مفاعلات سريعة“.

وفي العام التالي جاء المنتدى الدولي للجيل الرابع (GIF IV) الذي أطلقته الولايات المتحدة. وفقًا لفلاديمير كاغرامانيان، كان مفترضًا أن يختار المطورون الغربيون تقنية أو اثنتين ويبنون مفاعلًا تجريبيًا. ومع ذلك، لوحظ على الفور تقريبًا أن أساليب الطرفين كانت مختلفة جدًا، وكذلك تقنياتهما. وبعد المناقشات كلها التي جرت، اتفق الطرفان على قائمة تقنيات مفاعلات الجيل الرابع الستة (انظر أدناه) التي تلبي متطلباتهم. ومن المسلم به أن INPRO تنظر أيضًا في تقنيات مماثلة.

وقال ألكسندر بيتشكوف، نائب المدير العام السابق للوكالة الدولية للطاقة الذرية، في مقابلة مع AtomInfo.ru: “لقد أعطت الدراسات التي أجريت في إطار INPRO والوكالة الدولية للطاقة الذرية والمجتمع النووي بأكمله أدوات موثوقة لتقييم الطاقة النووية باعتبارها أنظمة معقدة “طويلة العمر” تهدف إلى التنمية المستدامة للبشرية“.

تم توجيه كل من INPRO والمنتدى الدولي للجيل الرابع بمجموعة من المعايير المماثلة عند تحديد تقنيات المستقبل: يجب أن تضمن هذه التقنيات توليد الطاقة المستمر مع الحد الأدنى من النفايات؛ ويجب أن تكون تكلفة الطاقة المولدة أقل مقارنة بمصادر الطاقة الأخرى طوال فترة الخدمة بأكملها؛ كما ينبغي أن يستبعد مستوى سلامتها وقوع حوادث خارجة عن نطاق التصميم؛ وينبغي ضمان عدم الانتشار.

هدف الأنظمة الجديدة

تنبع الحاجة إلى تقنيات نووية جديدة بشكل أساسي من ثلاثة عيوب في تصميمات المفاعلات المبردة بالماء الموجودة. أولا، أنها تعمل بكفاءة منخفضة نسبيا. ثانيًا، لديهم ضغط مرتفع في الدائرة الأولية، وهو أمر يحتمل أن يكون خطيرًا. وأخيرًا، يستخدمون الطيف الحراري للنيوترونات، أي جزء صغير فقط من إمكانات الطاقة المخبأة في اليورانيوم الطبيعي. لذا فإن الغرض من أنظمة الجيل الجديد هو تخطي هذه العيوب.

وكما أشار ممثل الوكالة الدولية للطاقة الذرية، فلاديمير كريفينتسيف، في معرض أتوم إكسبو 2024، إلى أن كلَّ تكنولوجيا جديدة (من تلك التي نظر فيها المنتدى الرابع) لها عيب أو آخر. على سبيل المثال، تتمتع المفاعلات فوق الحرجة بدرجة حرارة وكفاءة أعلى ولكن ضغطها أعلى بكثير. في المفاعلات المبردة بالغاز ذات درجة الحرارة العالية، تُحلّ مشكلة الكفاءة، والضغط العالي ليس بهذه الخطورة لأنها تستخدم الغاز كمبرد، لكن طيف النيوترونات لا يزال حراريًا. لا تحتوي المفاعلات السريعة المبردة بالصوديوم على أي من العيوب المذكورة أعلاه، لكن الصوديوم يتفاعل بعنف مع الماء والهواء، لذلك تحتاج دائرة وسيطة (ثالثة). لا تواجه المفاعلات السريعة المبردة بالرصاص هذه المشكلة وتتميز بأمان أعلى مقارنة بتصميمات المفاعلات الأخرى جميعها، ولكن هناك متطلبات متزايدة للمواد الهيكلية، والتي يجب ألا تتضرر بسبب المبرد أو الإشعاع. إضافة إلى ذلك، لم تُجرّب بعد عدد من التقنيات التي تناولها المنتدى الدولي للجيل الرابع.

يزيل النهج الذي تتبعه الصناعة النووية الروسية سؤال “ما الذي يجعل تقنيات الجيل الرابع غير المختبرة أفضل من تقنيات الجيل الثالث التي أثبتت جدواها بمرور الوقت”. يجب أن يتضمن الجيل الرابع أنظمة ذات خصائص محسنة، مثل السلامة، وصفر نفايات، وفاعلية التكلفة، والحد الأقصى من استخدام المواد الخام، أي ضمان مزيد من الاستدامة طوال فترة خدمة محطة الطاقة النووية.

دخول الجيل الرابع

تركز روسيا على الأنظمة المعقدة وليس على تصميمات المفاعلات الفردية (وهذا الأخير هو الحال في كثير من الأحيان في جميع أنحاء العالم). كما يركز المهندسون الروس جهودهم، إلى جانب مفاهيم المفاعلات الجديدة، على أنواع جديدة من تكنولوجيا الوقود والتصنيع، والأهم من ذلك، الأساليب الجديدة لما ينبغي أن يتضمنه مرفق التوليد النووي، والذي يمكن النظر إليه على نطاق أوسع من مجرد محطة نووية.

وقد تبلورت هذه الأفكار بشكل كامل في إطار مشروع الابتكار بروريف (أي اختراق باللغة الروسية) الذي نفذته شركة روساتوم. ينص المشروع على بناء منشأة تجريبية لتوليد الطاقة في مباني مصنع سيبيريا الكيميائي (جزء من قسم الوقود في روساتوم). ستتألف المنشأة (وتسمى ODEK باللغة الروسية) من مفاعل سريع تجريبي مبرد بالرصاص BREST-OD-300، ووحدة لتصنيع/إعادة تصنيع الوقود، ووحدة لمعالجة الوقود المستهلك. وستمكن هذه المجموعة من اختبار أول دورة على الإطلاق لإعادة معالجة الوقود النووي المستهلك وتحويله إلى وقود طازج في الموقع. وبعبارة أخرى، فإن المشاكل التي ذكرها ألكسندر لوكشين ستُحل عمليًا.

قال فاديم ليميخوف، كبير مصممي مشروع بروريف، لمجلة نوفي أتومني إكسبرت (الخبير النووي الجديد): “تتوافق متطلبات مفاعلات الجيل الرابع إلى حد كبير مع أهداف مشروع بروريف – إغلاق دورة الوقود النووي، وعدم الحاجة إلى الإخلاء وإعادة التوطين خارج موقع المحطة في حالة وقوع حادث، وما إلى ذلك. لم تكن هذه الأهداف محددة آنذاك، لكنها تبلورت من الخبرة التي اكتسبتها صناعات الطاقة النووية العالمية والسوفيتية في أواخر الثمانينيات، ونضجت في التسعينيات؛ وُضعت مناهج المنتدى الدولي للجيل الرابع في العقد الأول من القرن الحادي والعشرين. كانت الأفكار تحوم حول العالم وتطورت إلى المتطلبات نفسها تقريبًا التي نقوم بتنفيذها الآن“.

يحرز مشروع بروريف تقدمًا سريعًا. وفي منتصف أبريل/ نيسان، منحت هيئة الرقابة الروسية “روستكنادزور” مصنع الكيماويات السيبيري رخصة تشغيل للمنشآت النووية التابعة لوحدة تصنيع/إعادة تصنيع الوقود الكثيف. تشمل المنشآت النووية أي منشآت صناعية تنتج المواد المشعة أو الانشطارية أو تعالجها أو تتعامل معها. يتيح الحصول على الترخيص من روستكنادزور الانتقال إلى المرحلة التالية من اختبار المعدات وتجارب الإنتاج. في هذه المرحلة، سيشغّل خط الإنتاج الكامل لمجمعات الوقود BREST-OD-300 في وضع الاختبار.

وفي أواخر شهر مارس/ آذار، أُطلق اختبار خط تصنيع الوقود الحراري في وحدة تصنيع/إعادة تصنيع الوقود، وتمكن جميع زوار معرض أتومكسبو 2024 من مشاهدة البث المباشر للإطلاق.

وفي منتصف أبريل/ نيسان، غُمر القسم الأوسط من الهيكل الواقي للمفاعل في حفرة مفاعل BREST-OD-300، ما يمثل اكتمال المرحلة الثانية من بنائه. ومن المقرر أن يوضع الجزء العلوي في حفرة المفاعل في شهر ديسمبر/ كانون الأول المقبل. وسيكون الارتفاع النهائي للهيكل 17 مترًا.

ويُتوقع تشغيل ODEK بالكامل في عام 2030. على أي حال، استُخدمت بالفعل نتائج الأبحاث والحلول الهندسية المستخدمة فيه لتصميم منشأة طاقة تجارية (CEF) ستشمل مفاعلين نيوترونيين سريعين مبردين بالرصاص BR-1200. ويمكن أن يشتمل المركز أيضًا على وحدة في الموقع لإعادة معالجة وتصنيع الوقود المستهلك. يجب أن تكون منشأة طاقة تجارية قادرة على المنافسة مع الأنواع الأخرى من مرافق التوليد.

كما تساهم مفاعلات النيوترونات السريعة المبردة بالصوديوم في الأهداف الشاملة ذاتها المتمثلة في إغلاق دورة الوقود النووي من خلال إعادة معالجة الوقود النووي المستهلك، واستغلال إمكانات الطاقة لليورانيوم الطبيعي بشكل أكمل، وتحقيق كفاءة أعلى من حيث التكلفة. وفي محطة بيلويارسك للطاقة النووية، يعمل مفاعل بي إن-800 المبرد بالصوديوم للسنة الثانية بالكامل باستخدام وقود موكس المصنوع من اليورانيوم المنضب والبلوتونيوم المستخرج من الوقود النووي المستهلك. يجري العمل حاليًا على تصميم مفاعل سريع مبرد بالصوديوم BN-1200. وقد اختير موقع المفاعل الجديد، وعقدت جلسات استماع عامة حول هذا الموضوع. الهدف لعام 2026 هو الحصول على رخصة البناء. ومن المقرر أن تُصب الخرسانة الأولى في عام 2027. وتتمثل الخطة لعام 2031 في الحصول على رخصة تشغيل، وإيصال المفاعل إلى الحالة الحرجة ومن ثم إلى الطاقة.

وتقوم روساتوم أيضًا بتطوير تكنولوجيا مفاعل الملح المنصهر، والتي تهدف أيضًا إلى إغلاق دورة الوقود النووي وإعادة معالجة الوقود النووي المستهلك. تستطيع مفاعلات الملح المنصهر حرق الأكتينيدات الصغيرة، وهي عناصر شديدة الإشعاع تظهر في الوقود النووي أثناء التشعيع في قلب المفاعل، ما سيؤدي إلى تقليل النشاط الإشعاعي للوقود النووي المستهلك بشكل كبير.

لن تكون قائمة التقنيات الجديدة التي طورتها روساتوم مكتملة دون ذكر المفاعلات المبردة بالغاز ذات درجة الحرارة العالية والمصممة للعمل مع مصنع الهيدروجين، ومفاعلات التحكم في التحول الطيفي، ومفاعلات الماء فوق الحرج.

في الواقع، روسيا ليست الدولة الوحيدة في العالم التي تعمل على مستقبل الطاقة النووية، بل تشارك الصين والهند في أبحاث مماثلة، وهناك محاولات في بلدان أخرى أيضًا. ومع ذلك، فإن تطور تكنولوجيا المفاعلات السريعة المبردة بالصوديوم والرصاص، والوقود المختلف لدورة الوقود النووي المغلقة وعدد من الحلول الأخرى يسمح لروسيا بتحويل الأفكار إلى واقع في الوقت الحالي، ما يجعل صناعة الطاقة النووية العالمية أكثر استدامة من حيث الكفاءة والاستخدام الرشيد للمواد الخام وتقليل النفايات.

تقنيات المنتدى الدولي للجيل الرابع

1. مفاعل تبريد الماء فوق الحرج (SCWR)
2. المفاعل السريع المبرد بالصوديوم (SFR)
3. المفاعل السريع المبرد بالرصاص (LFR)
4. مفاعل الملح المنصهر (MSR)
5. المفاعل السريع المبرد بالغاز (GFR)
6. مفاعل ذو درجة حرارة عالية جدًا (VHTR)

تطور المفاعل

الجيل الأول 1950-1960. التصميمات المبكرة لمفاعلات الطاقة التي تعمل باليورانيوم الطبيعي أو منخفض التخصيب، والمخفف بالجرافيت أو الماء الخفيف أو الماء الثقيل، وتُبرد بالماء أو الغاز (CO2).

الجيل الثاني. أوائل السبعينيات – أواخر التسعينيات. مفاعلات الماء الخفيف: مفاعلات الماء المغلي (BWR) ومفاعلات الماء المضغوط (PWR,VVER).

الجيل الثاني+. يشير هذا المصطلح أحيانًا إلى مفاعلات الجيل الثاني المطورة والتي بُنيت بعد عام 2000.

الجيل الثالث. تتميز مفاعلات هذه الفئة بكفاءة أعلى في استهلاك الوقود والحرارة، وتحسينات كبيرة في السلامة (بما في ذلك تحسين السلامة النووية)، وتصميمات موحدة.

الجيل الثالث+. وهي عبارة عن مفاعلات أمان محسنة تتميز بالتصميم المعياري، وزيادة توحيد المعدات، والقدرة على تحمل حوادث تحطم الطائرات، وعدد من أنظمة السلامة السلبية (إزالة الحرارة السلبية، والماسكات الأساسية، وتبريد وعاء ضغط المفاعل، وما إلى ذلك).