خريطة طريق تكنولوجية

من المسلم به أن الحضارة التكنولوجية التي ننعم بها اليوم هي وليدة الوفرة الهائلة في انتاج الطاقة واستخدامها. ويمكن إرجاع الكثير من السلوك السياسي الاستعماري للامم الصناعية إلى هاجس امتلاك الطاقة ومصادرها. وقد احتل هذا الهاجس مكانة أولى في البحث الدائم عن مصادر جديدة للطاقة، وطرق استخراجها، وأنظمة استثمار هذه المصادر لتوليد الطاقة في أشكال عملية وكذلك مواءمتها مع الالات المستخدمة صناعياً. وفي حمى البحث عن الطاقة وتفعيلها، أجاز البشر لأنفسهم فعل ما لا يخطر على البال، وغير آبهين بالعواقب المترتبة على أفعالهم.
فقد قطعوا بلايين الاشجار ليستعملوها وقوداً، واستخرجوا بلايين أطنان الوقود الأحفوري (فحم حجري ونفط) من جوف الارض وأطلقوا دخانها في الهواء غازاً ساماً وملوثاً. ونبشوا آلاف الأطنان من اليورانيوم النائم في طبقات الارض، فأطلقوا مُلَوّثاً إشعاعياً آخر في بيئة الارض.
الفارق بين النفط وطاقة اليورانيوم
من الناحية العلمية، تحاكي عملية حرق الاخشاب والوقود الاحفوري إعادة ترتيب جزيئات المادة وطبقاتها الخارجية من دون المساس ببنية ذراتها. وتجرى عملية الحرق وفقاً لمعادلة كيماوية بسيطة تقول بأن مزج الأوكسجين مع الوقود يعطي طاقة، لكنه يؤدي الى انبعاث غازات ملوّثة مثل الكاربون. وعلى رغم بساطتها، أدرك العلماء دوماً ان هذه العملية تلتهم الأوكسجين الذي نحتاجه كأحياء؛ وكذلك فإن الكربون هو غاز لا ترضاه رئتينا ولا أنسجتنا الحيّة.
وتدريجاً، تراكم غاز الكربون في الغلاف الجوي. وسار التراكم ببطء، ولكن بثبات، ثم تزايدت سرعته فرسم ملامح كارثة بيئية ظهر خطرها في تغيير المناخ العالمي وازدياد حرارة الكوكب، مع ما يرافق هذا الامر من مصاعب في حياة كثير من سكان الارض، لأجيال مقبلة.
وفي خمسينات القرن العشرين، وصل البحث عن الطاقة إلى أعماق المادة: قلب الذرة. وتوصّل علم الفيزياء النووية إلى معرفة طرق للتلاعب بنواة الذرة واستدراجها لاطلاق طاقتها. وجاء الاعلان الأول عن هذه الطاقة عِبْر القنبلة المشؤومة التي قضت على مدينة «هيروشيما» اليابانية في ثوانٍ قليلة من صبيحة 6 آب (أغسطس) في العام 1945، وتلا ذلك الإبادة الذرية ل «ناغازاكي» في التاسع من السنة نفسها.
وثمة أوجه للشبه، وللاختلاف أيضاً، بين الوقود الكربوني واليورانيوم في ما يتعلق بطريقة التعامل مع طبقات المادة وذرّاتها فيهما. فيعمل إحراق الوقود الإحفوري مثل المحدلة تتقدم ببطء ومن دون كوارث فورية، لكنها تعبّد طريقاً ثابتاً لانهيار بيئة الأرض عبر نفث الكربون. وأما مارد اليورانيوم فلا يحتمل أدنى هفوة بشرية، ولا إغفاءة ضمير في دولة نووية، لينشر الدمار ويحل الموت خلال ثوان.
ومن الناحية العلمية، إذاً، تتلخص عملية الوصول إلى طاقة الانشطار النووي في معادلة تقول إن مزج النيوترون (وهو مُكوّن في نواة الذرّة) مع الوقود النووي، يؤدي الى تغيير في تركيب نواة تلك الذرة، مع خروج الكثير من الطاقة، مع انتاج المزيد من النيوترونات التي تتفاعل بدورها مع أنوية الذرات في الوقود النووي وتُطلق المزيد من الطاقة والنيوترونات أيضاً؛ وهكذا دواليك في تفاعل انشطاري متسلسل يتطور بسرعة مذهلة إلى انفجار نووي رهيب. (أُنظر أيضاً المربع «تاريخ سريع عن انشطار الذرّة»). وحتى قبل صنع القنبلة الذرية الأولى، أدرك العلماء ان التحدي النووي الأول يتمثّل في السيطرة على ذلك التفاعل المتسلسل. وقد عملوا عليه منذ نهاية الحرب العالمية الثانية، ونجحوا في تقنين الحريق النووي بغية استخدامه للأغراض السلمية، والمعنى المقصود هو صنع المُفاعلات النووية المُخصّصة للاستخدام السلمي.
صورة من الجو لمفاعل «بوشهر» الذي يعمل بالماء الخفيف ويعتبر من الأجيال المتطورة
مُفاعلات الجيلين الأول والثاني
في العام 1957، أنشىء أول مُفاعل من الجيل الأول كنموذج تجريبي. وعلى غراره صنعت مجموعة من المُفاعلات التي سارت سريعاً الى التقاعد.
وأُخليت الساحة لجيل ثان ٍ من المُفاعلات الأكثر تطوّراً. وحتى نهاية سبعينات القرن الماضي، كانت مُفاعلات هذا الجيل تنتشر في كثير من الدول ملاقية رواجاً تضبطه قوانين الحرب الباردة و»الوكالة الدولية للطاقة النووية». إلا أن الجيل الثاني شهد أكثر من كارثة نووية اشتهر منها حادث «ثري مايل آيلند» بولاية بنسلفانيا الأميركية عام 1979، وانفجار أحد المُفاعلات الروسية في محطة «تشيرنوبيل» عام 1986. وبعدها، عانت الطاقة النووية سنوات من الركود والترقّب.
وفي تسعينات القرن عينه، عمل باحثو الطاقة النووية في إطار ما سمّي الجيل الثالث، الذي يتميز بتحقيق قدر أكبر من الأمان، فعادت الثقة تدريجاً بإمكان التعايش مع هذا البحر الهائل الهائج من الطاقة، الذي لم يعد ممكناً الاستغناء عنه.
وقد صمّمت مُفاعلات الجيل الثالث بحيث يدفن المُفاعل نفسه تلقائياً في بئرٍ عميقة (وصلت إلى 200 متر في بعض المُفاعلات) اذا ما ارتفعت حرارته بشدة، نتيجة خلل أو حادثٍ خارجي.
إلاّ أن مُفاعلات الجيل الثالث، على رغم أمانها المشهود حتى اليوم، لم تنجح في حل إشكالات كثيرة لا تزال ترافق عملية إنتاج الطاقة. فالكلفة لا تزال أعلى بكثير مما تصوّره علماء الذّرة الأوائل، وكذلك فإن التخلص من نفايات الانشطار النووي، وهي مواد لها قوة اشعاعية عالية، بات مشكلة كونية إضافية. ويتمثّل الإشكال الأهم في أن بعض مخلفات اليورانيوم (وخصوصاً البلوتونيوم) يمكن استعادته بعد استنفاد دورة الوقود واستغلاله في صنع أسلحة نووية، ما يتنافى مع الأهداف المرجوّة من تعميم الطاقة ويتعارض مع سياسة «الوكالة الدولية للطاقة الذرية».
وعلى رغم الصعوبات التي واجهت وتواجه استمرار العمل بالأنظمة النووية، وعلى رغم الكلفة والأخطار وبعض الحوادث النوعية، يتواجد حالياً 443 محطة كهرباء نووية، تعمل في 31 دولة لتزوّد بالكهرباء ما يزيد على بليون نسمة، كما تُنتج نحو 17 في المئة من مجمل الطاقة الكهربائية عالمياً. ويضاف إلى ذلك الرقم، 32 منشأة أخرى قيد الإنشاء راهناً.
وباستثناء الحوادث المعدودة، والكارثية، التي شهدها تاريخ إنتاج الطاقة النووية، فإن المُفاعلات النووية تتمتع بصفات مميّزة من حيث ثبات الإنتاج واستمراريته، والنظافة المميّزة مقارنة بمولّدات الفيول والفحم التقليدية، إذ تتميز المُفاعلات النووية بخفض ما تنفثه من الغازات المُلوّثة للبيئة.
تجاوز مأساة «تشيرنوبيل»
بعد أكثر من ثلاثة عقود على آخر حادث نووي وقع في «تشيرنوبيل»، تشهد الطاقة النووية راهناً إعادة إحياء لدورها وتبييض لسمعتها وترويج لإنتاج جيلٍ جديد آمن منها. وما يعزّز هذا «النهوض النووي» تعاظم الحاجة إلى الطاقة، وارتفاع كلفة الوقود الأحفوري في الأسواق العالمية، والنمو الكبير في الطلب على الطاقة لدعم الأزدهار الاقتصادي، والاهتمام المتزايد بالتخلّص من التهديدات البيئية المترافقة مع إحراق أنواع الوقود الأحفوري وإحلال الطاقة النووية «النظيفة» نسبياً من الانبعاثات مكانه، ووجود سوق للطاقة الكهربائية مؤاتية جداً للطاقة النووية وغيرها.
وفي الوقت الذي تستمرّ فيه مُفاعلات الجيلين الثاني والثالث العاملة حالياً في العمل، فإن المزيد من التحسينات في تصاميم أنظمة الطاقة النووية سوف تتيح المزيد من انتشارها عالمياً.
وقد ازداد التفكير في السنوات الأخيرة بإطلاق نقاش علمي عالمي حول ضرورة الوصول إلى جيل رابع جديد من المُفاعلات، جيل يأخذ في الحسبان كل الإشكالات التي عرفها تاريخ الطاقة النووية حتى اليوم، بحيث تصبح هذه الطاقة أكثر أماناً وأقل كلفة وأشد ديمومة، وأكثر مقاومة لانتشار تكنولوجيا صنع الأسلحة النووية.
بدأت الأبحاث رسمياً حول الجيل النووي الجديد للمُفاعلات في إطار «المعرض الدولي للجيل الرابع» الذي عقد في مستهل العام 2000 في جنيف بحضور تسع دول مؤسسة: الولايات المتحدة الأميركية، المملكة المتحدة، فرنسا، اليابان، كوريا الجنوبية، كندا، البرازيل، الأرجنتين وجنوب أفريقيا. ثم انضم في ما بعد إلى هذا النادي كل من سويسرا وروسيا والصين.
وانطلق هذا الائتلاف من أهداف تكنولوجية تبتغي أمن الطاقة النووية وأمانها، ومقاومة استيلاد أسلحة نووية، وتقليل إنتاج النفايات النووية، وخفض كلفة الإنشاء والتشغيل.
«خريطة طريق تكنولوجية»
لا تزال مُفاعلات الجيل الرابع مجموعة من تصاميم نظرية قيد الدرس، من غير المتوقع أن تدخل مرحلة التصنيع التجاري قبل العام 2030، باستثناء أحدها، «المُفاعل الشديد الحرارة»، الذي يتوقع بناؤه تجارياً خلال أقل من عقدين من الزمن.
لقد فُتح معرض الجيل الرابع أمام الباحثين. فقُدّمت مشاريع أبحاث تناهز المئة حول ذلك الموضوع. وفي آخر العام 2002، نُشرت «خريطة طريق تكنولوجية» حول أنظمة الجيل الرابع للطاقة النووية؛ وكذلك حُدّدت ستة مشاريع مختارة، ثلاثة منها «مُفاعلات حرارية» أي بالتعبير العلمي «مُفاعلات عاملة بالنيوترونات البطيئة»، وثلاثة «مُفاعلات سريعة» أي التي تعمل بالنيوترونات السريعة.
وتعود تسمية «المُفاعلات الحرارية» إلى أن تشغيلها يحتاج إلى إبطاء حركة النيوترونات في قلب المُفاعل. وعملياً يتحقق هذا الإبطاء بإدخال مواد خفيفة مثل المياه الثقيلة إلى قلب المُفاعل كي يرتطم كل نيوترون منتج بنواة جزيء من الماء الثقيل، فيفقد النيوترون قسماً من طاقته إثر كل ارتطام.
ومن بين المُفاعلات الحرارية، يجدر التنويه ب «المُفاعل الشديد الحرارة» VHTR الذي يتمتع بسهولة نسبية في إنشائه. ويُنتظر التمكن من بنائه تجارياً في العام 2021. وأطلق الأميركيون عليه إسم «مشروع الجيل النووي القادم». ويتيح هذا النموذج إنتاج الهيدروجين بكميات صناعية كبيرة على هامش إنتاج الطاقة الكهربائية.
أما المُفاعلان الحراريان الآخران المصنّفان للجيل الرابع فهما:
«مُفاعل ماء الحال الحرجة جدا» SCWR الذي يستخدم الماء الخفيف (العادي) لتبريد قلب المُفاعل. ويعمل عبر وضع الماء في ظروف ضغطٍ وحرارة مرتفعين: درجة حرارة 374 مئوية وضغط يساوي 221 ضعفاً من الضغط الجوي. في هذه الحال، يصبح الماء بين السائل والبخار، فيُصبح قابلاً بشدة لنقل الحرارة من قلب المُفاعل إلى المُبادل الحراري، حيث تُنتج الكهرباء. وتصل الكفاية الحرارية للنظام إلى 45 في المئة، بينما هي 33 في المئة في مُفاعلات الماء الخفيف العادية.
«مُفاعل الملح الذائب» الذي تقوم فكرته على تبريد قلب المُفاعل بملح الفلورايد المذاب. ويمرّر هذا السائل عبر قلبٍ من الغرافيت الذي يستعمل كمخفف لسرعة النيوترونات.
أما مُفاعلات النيوترونات السريعة التي تسمى أيضاً «مُفاعلات الطيف السريع» FSC فقد اختير منها في خريطة الطريق التكنولوجية ثلاثة مُفاعلات تختلف بحسب مادة التبريد التي تنقل الحرارة من داخل المُفاعل: وهي التبريد بالغاز، التبريد بالصوديوم والتبريد بالرصاص.
وتصمم هذه المُفاعلات التي تستخدم النيوترونات السريعة لتشكيل وقود جديدة داخل قلب المُفاعل على أنقاض الوقود المستهلك بحيث يتفاعل النيوترون السريع مع شريحة أكبر من مخلفات الإنشطار داخل المُفاعل. ويمكن لهذه المُفاعلات تدمير قسم من النفايات المأخوذة من المُفاعلات الحرارية (وكذلك حرق البلوتونيوم الذي يخشى استخدامه لصناعة الأسلحة النووية). وكنتيجة تَعِدُ هذه المُفاعلات بالتقليل في كمية النفايات النووية الصادرة عنها. كما يمكن لأنظمة الطيف السريع أن تعمل في ضغط يقارب الضغط الجوي بحيث تتراجع الأخطار الكامنة في صناعة المُفاعل. كما أن القابلية العالية جداً للمعادن بنقل الحرارة ، تسمح بالتبريد السريع للمُفاعل وتجعل فرصة انصهار قلب المُفاعل ضئيلة جداً.