وعلى الرغم من أن برنامج الجيل
IV يتقصى تنوعا واسعا من المنظومات الجديدة، فإن
بعض الأمثلة يفيد في توضيح الأساليب العامة التي يطورها مصممو المفاعلات من أجل
الوصول إلى أهدافهم. وتستند منظومات الجيل التالي هذه إلى ثلاث طوائف عامة من
المفاعلات: المفاعلات المبردة بالغاز والمفاعلات المبردة بالماء ومفاعلات الطيف
السريع fast-spectrum.



المفاعلات المبرَّدة بالغاز^(***)

لقد بنيت المفاعلات النووية التي تستخدم الغاز (عادة
الهليوم أو ثنائي أكسيد الكربون) لتبريد القلب core،
وشُغّلت بنجاح، لكن استخدامها ظل محدودا حتى الآن. وهناك مشروع مثير بصورة
خاصة، وهو المفاعل الحصوي ذو الوحدات⁽¹⁾ pebble-bed
modular reactor له
مزايا تصميمية عديدة تتفق اتفاقا جيدا مع أهداف الجيل IV.
وتتابع هذا النظام المبرد بالغاز فرقٌ من المهندسين العاملين في الصين وجنوب
أفريقيا والولايات المتحدة. وتخطط جنوب أفريقيا لبناء نموذج أولي بالحجم الكامل
سيبدأ تشغيله عام 2006.






ويستند تصميم المفاعل الحصوي إلى عنصر وقود أساسي
يدعى الحصاة، وهي كرة من الگرافيت بحجم كرة البليارد تحتوي على نحو 15000 حبيبة
من أكسيد اليورانيوم بقطر بذرة الخشخاش poppy [انظر
الشكل في هذه الصفحة]. ويوجد على كل من هذه الجسيمات الموزعة بانتظام عدة أغلفة
عالية الكثافة. وتقوم إحدى الطبقات المؤلفة من كربيد السيليكون الخزفي القاسي
مقام وعاء الضغط الذي يحتجز نواتج الانشطار النووي أثناء تشغيل المفاعل وأثناء
الارتفاعات العَرَضية في درجة الحرارة. ويوضع نحو 000 330من حصى الوقود الكروية
هذه في وعاء معدني محاط بدرع من القوالب الگرافيتية. ويزود القلب إضافة إلى ذلك
بنحو 000 100حصاة گرافيتية خالية من الوقود بهدف التحكم في توزيع الطاقة ودرجة
الحرارة داخله من خلال المباعدة بين حصى الوقود الحار.



وتستخدم مواد مقاومة للحرارة والانصهار في القلب
بأكمله لتمكن المنظومة الحصوية من العمل عند درجات حرارة أعلى كثيرا من درجة
الحرارة المعتادة ـ 300 سيلزية ـ التي تنتج في التصاميم الحالية للمفاعلات
المبردة بالماء الخفيف (الجيل II). ويُدفع غاز
التبريد (الهليوم) الذي يخرج من القلب عند درجة الحرارة 900 سيلزية، مباشرة إلى
منظومة عنفة (توربين)/مولد غازي ينتج الكهرباء بمستوى كفاءة حرارية عال نسبيا
يبلغ 40 في المئة، أي أفضل بمقدار الربع من مفاعلات الماء الخفيف الحالية.



أساسيات الطاقة
النووية^(****)




إن الحجم الصغير نسبيا والبساطة العامة في تصاميم
مفاعل الوقود الحصوي يزيدان من جدواه الاقتصادية. فكل وحدة طاقة
power module، تنتج
120 ميگاواط من الكهرباء، يمكن أن تُقام في وحدة يبلغ حجمها عُشر حجم منشآت
المحطات المركزية الحالية، وهو ما يتيح المجال لتطوير مشروعات أكثر مرونة وأصغر
حجما قد تقدم نتائج اقتصادية أفضل. فالمنظومات ذات الوحدات، على سبيل المثال،
يمكن أن تصنّع في المصنع ثم تشحن إلى موقع البناء.



إن البساطة النسبية لمنظومة الوقود الحصوي، مقارنة
بالتصاميم الحالية، لا تخلو من إثارة: فلا يوجد في هذه الوحدات سوى نحو 24
نظاما فرعيا للمنشأة الكبيرة مقارنة بنحو 200 نظام فرعي في مفاعلات الماء
الخفيف. ومن المهم الإشارة إلى أن تشغيل هذه المنشآت يمكن أن يمتد إلى مدى من
درجات الحرارة يسمح بانبعاثات الهدروجين المنخفضة (من الماء أو من مخزونات
التغذية الأخرى) التي تُستخدم في خلايا الوقود وفي محركات وسائل النقل ذات
الاحتراق النظيف، وهي تقانات يمكن أن يبنى عليها اقتصاد مستدام للطاقة التي
أساسها الهدروجين [انظر الإطار في الصفحة 8].



وتضم مفاعلات الجيل التالي هذه عدة ميزات أمان مهمة
كذلك. فالغاز المبرِّد (الهليوم) لكونه غازا نبيلا فإنه لا يتفاعل مع المواد
الأخرى حتى عند درجات الحرارة العالية. وأكثر من ذلك، فإن عناصر الوقود وقلب
المفاعل لا يمكن أن تنصهر لأنها مصنوعة من مواد مقاومة للحرارة، وهي لن تتقوض
degrade إلا عند درجات الحرارة العالية جدا كتلك
التي تحصل فجأة في حالات الحوادث (أعلى من 1600 درجة سيلزية)، وهذه خاصية تعطي
هامشا كبيرا من الأمان عند التشغيل.



حجج لصالح الطاقة
النووية^(*****)




وهناك ميزات أمان أخرى تنتج من الطريقة المتواصلة
التي يزوّد بها القلب بالوقود: فأثناء التشغيل تُزال حصاة واحدة كل دقيقة
تقريبا من قاع القلب ويستعاض عنها بحصاة من أعلاه. وبهذه الطريقة يتحرك جميع
الحصى بالتدريج نحو الأسفل خلال القلب، مثل كرات العلكة في آلة البيع
الأوتوماتية، ويستغرق القيام بهذه العملية نحو ستة أشهر . وتعني هذه الخاصية أن
المنظومة تحتوي على المقدار الأمثل من الوقود اللازم للتشغيل مع قليل من
الزيادة في التفاعلية reactivity الانشطارية. فهي
تستبعد بذلك طائفة كاملة من حوادث زيادة التفاعلية التي يمكن أن تحدث في
المفاعلات الحالية المبرّدة بالماء. وكذلك فإن حركة الحصى المستمرة خلال مناطق
الإنتاج العالية والمنخفضة للطاقة تعني أن كل حصاة لا تتعرض في المتوسط إلى
ظروف تشغيلية قاسية كتلك التي تتعرض لها في منظومات الوقود الثابت، وهذا يزيد
أيضا من هامش الأمان في الوحدة. وينبغي أن يوضع الحصى المستنفد، بعد الاستخدام،
في مستودعات تخزين طويلة الأجل بالطريقة نفسها التي تُعامل بها قضبان الوقود
المستعملة حاليا.






المفاعلات المبردة بالماء^(******)

حتى تقانة المفاعلات النووية القياسية المبردة
بالماء ستكتسب مظهرا جديدا في المستقبل. فبهدف التغلب على إمكان وقوع حوادث
تنتج بسبب فقدان المبرد (مثلما حدث في ثري مايل آيلاند)، ولتبسيط المنشأة ككل،
برزت طائفة جديدة من منظومات الجيل IV يتم فيها
احتواء المكونات الأولية كلها في وعاء منفرد. وهناك تصميم أمريكي ضمن هذه
الطائفة هو المفاعل الدولي المبتكر المأمون (IRIS)
الذي طورته الشركة وستنگهاوس إلكتريك.



إن احتواء نظام التبريد بأكمله داخل وعاء ضغط مقاوم
للعطب يعني أن المنظومة الأولية لا يمكن أن تعاني فقدا جوهريا في المبرد حتى
إذا انكسر أحد أنابيبها الكبيرة. وأي حادث ينتج من ذلك سيؤدي فقط إلى انخفاض في
الضغط أقل بكثير مما كان يمكن أن يحدث في التصاميم السابقة، لأن وعاء الضغط لا
يتيح للسوائل أن تهرب منه.



وقد ضُمّنت هذه المفاعلات عدة تبسيطات مهمة بهدف
إنجاز هذا الشكل المدمج، فالنظم الفرعية داخل الوعاء تكون متراصة بحيث تمكّن من
انتقال الحرارة السلبية بواسطة الدوران الطبيعي أثناء الحوادث. إضافة إلى ذلك
توضع سواقات (مقاود) قضيب التحكم داخل الوعاء فتستبعد بذلك إمكانية قذفها خارج
القلب. ويمكن أن تُبنى هذه المنظومات أيضا كوحدات طاقة صغيرة، وهذا يتيح
انتشارا أكثر مرونة وأقل كلفة.



يستقصي مصممو هذه المفاعلات كذلك إمكان تشغيل
المنشآت عند درجة حرارة وضغط عاليين (أكثر من 374 سيلزية و221 وحدة ضغط جوي)،
وهي حالة تُعرف بالنقطة الحرجة للماء، يزول عندها الفارق بين السائل والبخار.
ويعمل الماء، بعد نقطته الحرجة، مثل مائع مستمر له حرارة نوعية (سعة تخزين
حرارية) استثنائية وخواص ممتازة لانتقال الحرارة (موصلية حرارية). وهو أيضا لا
يغلي حين يسخن ولا يتحول فجأة إلى بخار حين يتعرض إلى إزالة الضغط عنه بسرعة.
إن الميزة الأساسية للتشغيل فوق النقطة الحرجة هي أن الكفاءة الحرارية للمنظومة
يمكن أن تصل إلى 45 في المئة، وتقترب من نظام درجات الحرارة العالية الذي يمكن
أن يصبح عنده إنتاج وقود الهدروجين قابلا للتطبيق.



وعلى الرغم من أن المفاعلات التي تعتمد على الماء
الفائق الحرجية supercritical تبدو للوهلة الأولى
شبيهة جدا بتصاميم الجيل الثاني القياسية، فإنه توجد فروق عديدة بينها. فقلوب
الأولى، على سبيل المثال، أصغر كثيرا، وهذا يساعد على الاقتصاد في وعاء الضغط
وفي المنشأة المحيطة. ثم إن تجهيزات دورة البخار المرافقة مبسطة بصورة جوهرية
لأنها تعمل بمائع وحيد الطور. أضف إلى ذلك أن القلب الأصغر وكثافة المبرد
المنخفضة يُنقصان حجم الماء الذي يجب الاحتفاظ به داخل وعاء الاحتواء في حالة
وقوع حادث. ولما كان المبرد المنخفض الكثافة لا يهدّئ طاقة النترونات فإنه يمكن
التفكير بتصاميم مفاعلات الطيف السريع مع ما يرافقها من ميزات الاستدامة. أما
الجانب السلبي الرئيسي في منظومات الماء الفائق الحرجية فهو أن المبرد يصبح
أكّالا (مسببا للتأكّل) corrosive بصورة متزايدة.
وهذا يعني أنه لا بد من تطوير مواد وطرق جديدة للسيطرة على التأكل والحت. وتجري
أبحاث مفاعلات الماء الفائق الحرجية في كل من كندا وفرنسا واليابان وكوريا
الجنوبية والولايات المتحدة.



مفاعلات الطيف السريع^(*******)

أما أسلوب التصميم للمدى الأبعد فهو مفاعل الطيف
السريع (أو مفاعل النترونات العالية الطاقة)، وهو نوع آخر من نظام الجيل
IV. وهناك مثال من هذه الطائفة تُتابع تطويرَه
فرقُ التصميم العاملة في فرنسا واليابان وروسيا وكوريا الجنوبية وفي أمكنة أخرى.
أما برنامج تطوير المفاعل السريع الأمريكي فقد ألغي عام 1995، إلا أن اهتمام
الولايات المتحدة قد يتجدد ضمن إطار مبادرة الجيل IV.



دورتا الوقود النووي
المفتوحة والمغلقة




تَستعمل معظم المفاعلات النووية طيف إصدار النترونات
الحرارية أو النترونات ذات الطاقة المنخفضة نسبيا. ففي المفاعل الحراري تُبطّأ
النترونات السريعة (عالية الطاقة) التي تولَّد في التفاعل الانشطاري إلى
مستويات الطاقة «الحرارية» عند اصطدامها بالهدروجين في الماء أو بنوى خفيفة
أخرى. ومع أن هذه المفاعلات اقتصادية لتوليد الكهرباء إلا أنها ليست فعّالة جدا
في إنتاج الوقود النووي (في المفاعلات الولودة⁽³⁾
breeder reactors) أو في إعادة تدويره.



لقد استخدَمت معظم مفاعلات الطيف السريع التي بُنيت
حتى الآن الصوديوم السائل كمبرد. ولكن الأشكال المستقبلية من هذه الطائفة من
المفاعلات يمكن أن تستخدم إما الصوديوم، أو الرصاص، أو سبيكة الرصاص والبزموت،
أو الغازات الخاملة مثل الهليوم أو ثنائي أكسيد الكربون. ويمكن أن تُستخدم
نترونات الطاقة الأعلى في المفاعل السريع لصنع وقود جديد أو لإتلاف النفايات
الطويلة العمر الناتجة من المفاعلات الحرارية وپلوتونيوم الأسلحة التي جرى
تفكيكها. كما يمكن للمفاعلات السريعة، من خلال إعادة تدوير الوقود فيها، أن
تنتج طاقة أكبر بكثير من اليورانيوم في الوقت الذي تخفض فيه كمية النفايات التي
يجب أن يتم التخلص منها على المدى البعيد. إن تصاميم المفاعلات الولودة هذه هي
إحدى الطرق الرئيسية المؤدية إلى زيادة الاستدامة في منظومات الطاقة النووية
المستقبلية، خاصة إذا كان لاستخدام الطاقة النووية أن ينمو بصورة جوهرية.






إن للمبردات المعدنية، إضافة إلى كونها تدعم استخدام
طيف النترونات السريع، عدة صفات جذابة. فهي، أولا، تمتلك خواص استثنائية
للانتقال الحراري تسمح للمفاعلات المبردة بالمعدن أن تتحمل حوادث كتلك التي جرت
في ثري مايل آيلاند وفي تشيرنوبل. وثانيا، إن بعض المعادن السائلة (ولكن ليس
كلها) أقل كثيرا من الماء في إحداث تأكّل المكونات. ولذلك فإنها تمد في عمر
تشغيل وعاء المفاعل والنظم الفرعية الحاسمة الأخرى. وثالثا، يمكن لهذه
المنظومات العاملة عند درجات الحرارة العالية أن تعمل تحت ضغط قريب من الضغط
الجوي، وهذا يبسط إلى حد كبير من تصميم المنظومة وينقص المخاطر الصناعية
الممكنة في المنشأة.



لقد شُغّلت أكثر من عشرة مفاعلات مبردة بالصوديوم في
مناطق مختلفة من العالم. ونبهت هذه التجربة إلى صعوبتين رئيسيتين ينبغي التغلب
عليهما. فالصوديوم يتفاعل مع الماء مولدا حرارة عالية، وهذا مصدر محتمل للحوادث.
وقد دفعت هذه الخاصية مصممي المفاعلات المبردة بالصوديوم إلى إضافة نظام ثانوي
يعمل بالصوديوم ليعزل المبرد الأولي في قلب المفاعل عن الماء في النظام الذي
ينتج الكهرباء بالبخار. وهناك تصاميم جديدة تركز على تقانات مبتكرة للمبادلات
الحرارية تمنع التسرب.



أما التحدي الثاني فيتعلق بالاقتصاد. فلما كانت
المفاعلات المبردة بالصوديوم تحتاج إلى خطوتين لانتقال الحرارة بين القلب
والعنَفَة، فإن التكاليف الرأسمالية ستزداد، في حين تقل الكفاءات الحرارية، عن
مثيلاتها الأكثر تقدما التي تُبرَّد بالغاز أو بالماء (نحو 38 في المئة في
مفاعل متقدم مبرد بالصوديوم، مقارنة ب45 في المئة في مفاعل الماء الفائق
الحرجية). إضافة إلى ذلك فإن المعادن السائلة غير شفافة وهو ما يجعل معاينة
المكونات وصيانتها أكثر صعوبة.



تحاول تصاميم مفاعلات الطيف السريع من الجيل القادم
أن تستفيد من مميزات التصاميم السابقة ومعالجة عيوبها. لقد تقدمت التقانة إلى
درجة أصبح معها بالإمكان أن نتخيل مفاعلات الطيف السريع التي يعتقد المهندسون
أن احتمال انصهارها قليل جدا. إضافة إلى ذلك فإن المبردات غير المتفاعلة مثل
الغازات الخاملة أو الرصاص أو سبائك الرصاص والبزموت يمكن أن تلغي الحاجة إلى
نظام تبريد ثانوي، وأن تحسِّن قابلية هذا النهج للبقاء اقتصاديا.



ما مدى حماية
المنشآت النووية من الإرهابيين؟^(********)





لقد وصلت الطاقة النووية إلى مرحلة حاسمة في تطورها،
فالنجاح الاقتصادي للجيل الحالي من المنشآت في الولايات المتحدة اعتمد على
تقنيات إدارية محسنة وممارسات واعية تؤدي إلى تنامي الاهتمام بشراء منشآت جديدة.
أما التصاميم المبتكرة للمفاعلات فيمكن أن تحسِّن بصورة جذرية أمان واستدامة
واقتصاديات منظومات الطاقة النووية على المدى البعيد وتفتح الطريق أمام
انتشارها على نطاق واسع.