بطارية ثورية تحول النفايات النووية إلى طاقة طويلة الأمد

طرق متعددة للاستفادة من الطاقة النووية

ترتبط الطاقة النووية غالبًا بمحطات ضخمة وأبراج تبريد كبيرة ومخاطر الحوادث الشديدة. لكن القطاع يشهد تصاميم جديدة، منها المفاعلات الصغيرة النمطية (SMRs) والجيل الرابع من محطات الطاقة النووية (اتبع الرابطين للاطلاع على تقرير استثماري مفصل عن كل منهما).

تعتمد معظم محطات الانشطار النووي الحالية والمقترحة على حرارة التفاعل لإنتاج البخار وتشغيل توربين يولد الكهرباء، مع اختلافات كبيرة في الوقود والمبرد وتصميم المفاعل.

وتوجد طريقة أخرى للاستفادة من التحلل الإشعاعي هي المولدات الكهروحرارية بالنظائر المشعة (RTGs)، التي تحول الحرارة إلى كهرباء واستُخدمت، عادةً بوقود البلوتونيوم-238، في بعثات الفضاء العميق.

كما يمكن تسخير الإشعاع مباشرة بوسائل أخرى. فمنها البطاريات البيتافولتية، التي تحول طاقة جسيمات بيتا إلى تيار كهربائي داخل وصلة شبه موصلة. ولا يعني ذلك فصل الإلكترونات عن أنوية الذرات بالطريقة المبسطة التي توحي بها بعض الشروح.

اختبر باحثون في جامعة ولاية أوهايو وجامعة توليدو مفهومًا إشعاعيًا ضوئيًا من خطوتين: يمتص مِضواء الإشعاع ويصدر ضوءًا، ثم تحوله خلية شمسية إلى كهرباء. النموذج تجربة مخبرية صغيرة، ولم يُشغَّل مباشرةً بوقود نووي مستهلك.

نشر الفريق نتائجه¹ في دورية Optical Materials بعنوان «بطاريات فوتوفولطية نووية تعتمد على المضيئات لتوليد الطاقة بمستوى الميكروواط».

الانشطار والتحلل الإشعاعي

الانشطار والتحلل الإشعاعي عمليتان مختلفتان. في الانشطار تنقسم نواة ثقيلة، مثل اليورانيوم-235، وتطلق طاقة ونيوترونات ونواتج انشطار. أما بعض النظائر فتنحل تلقائيًا بمرور الزمن وتصدر جسيمات ألفا أو بيتا أو أشعة غاما بحسب النظير ومسار التحلل.

المصدر: Britannica

في ظروف مناسبة تستطيع النيوترونات الناتجة عن الانشطار بدء تفاعل متسلسل مضبوط داخل المفاعل، فتتحول طاقة الانشطار إلى حرارة ثم إلى كهرباء.

وخلال تشغيل الوقود النووي تتكون نواتج انشطار وعناصر أثقل، كما تبقى نظائر لم تنشطر. لذلك يكون الوقود المستهلك خليطًا معقدًا، وتختلف إشعاعيته وحرارته وعمره النصفي من مكوّن إلى آخر.

تطلق بعض هذه النظائر قدرًا كبيرًا من الحرارة والإشعاع في البداية، بينما تبقى نظائر أخرى مشكلة لإدارة النفايات على مدد أطول بكثير.

إدارة الوقود المستهلك والنفايات النووية

لا تُعد جميع المواد الخارجة من المفاعل عديمة الاستخدام، ولا يمكن اختزال النفايات النووية في «عناصر جديدة» فقط. يمكن لبعض دورات الوقود إعادة معالجة اليورانيوم والبلوتونيوم، لكن ذلك يضيف تكاليف ومتطلبات أمنية وانتشارية، وتظل نواتج انشطار ونفايات أخرى بحاجة إلى عزل آمن.

من أساليب الإدارة تثبيت النفايات عالية المستوى في الزجاج ثم وضعها في حاويات ومنشآت تخزين، تمهيدًا للتخلص الجيولوجي العميق. يعتمد الأمان على حواجز هندسية وجيولوجية متعددة ومراقبة وتنظيم، لا على مجرد دفنها والأمل في بقائها معزولة.

ويمكن في بعض دورات الوقود استخدام المفاعلات السريعة أو المولدة أو الحارقة لتحويل جزء من الأكتينيدات والاستفادة من مواد قابلة للانشطار، لكن هذه الأنظمة لا تلغي جميع النفايات ولا متطلبات التخزين والتخلص.

شغّلت فرنسا مفاعلات سريعة تجريبية وعملية خلال العقود الماضية. ومن التصاميم الحديثة المقترحة، غير المبنية حتى الآن، مفاعل PRISM السريع المبرد بالصوديوم من GE Hitachi.

وثمة نهج مختلف يستهدف تحويل جزء صغير من طاقة الإشعاع الصادر عن نظائر مشعة إلى كهرباء من دون تفاعل متسلسل، وهو المجال الذي يندرج تحته النموذج الإشعاعي الضوئي محل الدراسة.

تحويل الإشعاع إلى ضوء ثم إلى كهرباء

اختيار المِضواء المناسب

يصعب تحويل أشعة غاما عالية الطاقة مباشرةً إلى كهرباء بكفاءة، كما يمكن للجرعات المتراكمة أن تتلف مواد أشباه الموصلات وتضعف أداءها. وتتوقف النتيجة على طاقة الإشعاع والجرعة وبنية الجهاز ومواد الحماية والتحويل.

دُرست التحويلات الإشعاعية الضوئية منذ عقود، إلا أن النماذج السابقة عانت عادةً كفاءة منخفضة وتدهور المواد. ولا تمثل النسب المبلغ عنها في أنظمة مختلفة معيارًا واحدًا يمكن نقله مباشرةً إلى هذا الجهاز.

المصدر: Optical Material

استخدم فريق أوهايو مِضواءً يصدر ضوءًا عند تعرضه للإشعاع، ثم وجه الضوء إلى خلية فوتوفولطية. وتطلب اختيار المادة موازنة عدة خصائص:

• قدرة جيدة على امتصاص الإشعاع لتحسين التقاط الطاقة وتقليل وصوله إلى الخلية الشمسية.
• طيف ضوئي يتوافق قدر الإمكان مع استجابة الخلية الشمسية.
• مقاومة للتلف الإشعاعي والحفاظ على خرج ضوئي مستقر.
• هندسة وسماكة تلتقط الإشعاع مع الحد من إعادة امتصاص الضوء قبل وصوله إلى الخلية.

وقع الاختيار على عقيق الغادولينيوم والألومنيوم والغاليوم عالي المردود الضوئي والمطعّم بالسيريوم (GAGG:Ce-HL، وصيغته Gd3Al2Ga3O12).

المصدر: Optical Material

اختبار إنتاج الطاقة

استخدم الباحثون خلية شمسية رقيقة متعددة البلورات من تيلورايد الكادميوم (CdTe) مع نقاط تلامس من الذهب والإنديوم. اختيرت هذه المادة لمقاومتها الإشعاعية الأعلى من كثير من خلايا السيليكون، مع الإشارة إلى تحمل جرعات قد تصل في ظروف محددة إلى 3 ميغاغراي (MGy).

المصدر: Optical Material

لاختبار الفكرة، عرّض الباحثون الجهاز لمصدرَي سيزيوم-137 وكوبالت-60 في أجهزة تشعيع مخبرية. كانا مصدرين اختباريين محكمين، وليسَا عينة من نفايات مفاعل فعلية.

المصدر: Optical Material

أظهرت التجربة أن شكل بلورة المِضواء وحجمها يؤثران بقوة في كمية الإشعاع الملتقطة وفي انتقال الضوء إلى الخلية، ومن ثم في خرج الجهاز.

ساعد الحجم الأكبر ضمن هندسة الاختبار على التقاط إشعاع أكثر، لكن زيادة الحجم وحدها لا تضمن كفاءة أفضل؛ إذ تؤثر أيضًا خسائر الضوء والاقتران بين المِضواء والخلية.

المصدر: Optical Material

بلغ الخرج الأقصى المبلغ عنه نحو 1.5 ميكروواط عند معدل جرعة مرتفع قدره 10 كيلوراد في الساعة باستخدام الكوبالت-60، وكان حجم النموذج نحو 4 سنتيمترات مكعبة. وتوضح هذه الأرقام أنه إثبات مفهوم منخفض القدرة، لا بطارية قادرة حاليًا على تشغيل أجهزة استهلاكية.

«تمثل هذه النتائج تقدمًا كبيرًا من حيث خرج القدرة. ولا تزال العملية ذات الخطوتين في مراحلها الأولية، وستركز الخطوة التالية على توليد قدرة أكبر عبر هياكل أوسع نطاقًا.»

إبراهيم أكسوز – زميل بحث في الهندسة الميكانيكية والفضائية بجامعة أوهايو.

التطبيقات والقيود

يمكن لمصدر إشعاعي طويل العمر أن يتيح تشغيلًا ممتدًا، لكن الجهاز لا يعمل «إلى الأبد». يتحدد عمره بنصف عمر النظير، وتدهور المِضواء والخلية، والإلكترونيات، والتغليف، وظروف التشغيل. ولم تثبت الدراسة عمرًا تشغيليًا يمتد عقودًا للنظام الكامل.

لأن النموذج تجريبي وخرجه في نطاق الميكروواط، فهو بعيد عن تشغيل الهواتف الذكية. كما أن استخدام النظائر يتطلب تدريعًا وترخيصًا وسلسلة توريد وإدارة آمنة في نهاية العمر.

قد تناسب التقنية مستقبلًا مستشعرات منخفضة الاستهلاك في مواقع يصعب الوصول إليها، مثل منشآت نووية أو بيئات بحرية أو فضائية. وسيعتمد ذلك على الوزن والتدريع والموثوقية والتكلفة مقارنةً بتقنيات مثل البطاريات البيتافولتية والمولدات الكهروحرارية بالنظائر المشعة.

لم تقدم الدراسة جدولًا زمنيًا موثوقًا للاستخدام التجاري. ويلزم أولًا رفع القدرة، وقياس الكفاءة والعمر والتلف الإشعاعي، وتطوير تصنيع قابل للتكرار، واستيفاء متطلبات السلامة والتنظيم.

«سيكون توسيع نطاق هذه التقنية مكلفًا ما لم يصبح تصنيع هذه البطاريات موثوقًا. ويلزم مزيد من البحث لتقييم فائدتها وحدودها، بما في ذلك المدة التي قد تعمل خلالها بعد تنفيذها بأمان.»

إبراهيم أكسوز – زميل بحث في الهندسة الميكانيكية والفضائية بجامعة أوهايو.

إذا أثبتت التقنية جدواها، فقد تحول بعض النظائر المناسبة إلى مصادر طاقة لمستشعرات وإلكترونيات متخصصة. لكن الكمية المستخدمة في أجهزة صغيرة لن تستوعب إلا جزءًا ضئيلًا من مخزون الوقود المستهلك والنفايات عالية المستوى.

لذلك لا تحل البطاريات الإشعاعية الضوئية مشكلة النفايات النووية بمفردها. وقد تضيف مسارات فصل وتصنيع وتدريع ونقل، ثم تخلّف مصدرًا مشعًا يحتاج إلى إدارة آمنة بعد انتهاء الجهاز.

«مفهوم البطارية النووية واعد جدًا. ولا يزال هناك مجال واسع للتحسين، لكنني أعتقد أن هذا النهج سيجد مستقبلًا مكانًا مهمًا في إنتاج الطاقة وصناعة المستشعرات.»

إبراهيم أكسوز – زميل بحث في الهندسة الميكانيكية والفضائية بجامعة أوهايو.

شركة مرتبطة بقطاع الطاقة النووية

كاميكو ووستنغهاوس إلكتريك

أعلنت كاميكو وبروكفيلد في 2022 صفقة للاستحواذ على وستنغهاوس، واكتملت الصفقة لاحقًا بهيكل ملكية يمنح كاميكو حصة 49% والائتلاف الذي تقوده بروكفيلد حصة 51%. تمنح الصفقة كاميكو تعرضًا لأعمال الوقود والخدمات وتصميم المفاعلات، لكنها تضيف أيضًا مخاطر تنفيذ وتمويل ودورات مشاريع طويلة.

تدير Brookfield Renewable Partners (BEP.UN.TO ) (BEPC ) (BEP ) أصولًا للطاقة المتجددة والانتقالية، بينما تعمل Brookfield Corporation (BN ) في إدارة الأصول على نطاق عالمي. تتغير قيمة الأصول المدارة ورأس المال المتاح مع الزمن، ولا ينبغي اعتبار حجم المجموعة ضمانًا لتمويل كل مشروع نووي.

قد توسع الملكية المشتركة قدرة وستنغهاوس على الوصول إلى رأس المال والشركاء، لكن مشاريع المفاعلات تحتاج سنوات من التطوير والترخيص والإنشاء، وقد تتعرض للتأخير وتجاوز التكلفة أو الإلغاء قبل تحقيق الإيرادات المتوقعة.

تحقق وستنغهاوس الإيرادات من الهندسة والمكونات والوقود والخدمات على مراحل مختلفة، ولا يوجد عام سادس ثابت تبدأ فيه إيرادات كل مفاعل. يختلف توقيت التدفقات ومدتها بحسب العقد والتصميم والبلد وحالة المشروع.

المصدر: Cameco

يُعد AP1000، وهو مفاعل ماء مضغوط، التصميم الكبير الأبرز لدى وستنغهاوس، وله وحدات عاملة وأخرى قيد الإنشاء. ولا يستخدم «معيار CANDU»؛ فمفاعلات CANDU تصميم مختلف يعمل بالماء الثقيل، وإن كانت وستنغهاوس تقدم منتجات وخدمات لمشغلي CANDU.

تطور وستنغهاوس أيضًا المفاعل الصغير النمطي AP300، ووقعت اتفاقات أو أجرت دراسات محتملة بشأن تقنيات AP1000 وAP300 في سلوفاكيا وفنلندا والسويد. هذه الخطوات لا تعني أن نشر المفاعلات أصبح مؤكدًا. كما تعمل على المفاعل الدقيق eVinci، الذي لا يزال بدوره خاضعًا للتطوير والترخيص.

المصدر: Westinghouse

توفر وستنغهاوس الوقود والمكونات والخدمات والهندسة لجزء واسع من سلسلة الإمداد النووية. تشكل الخبرة التنظيمية وحواجز الاعتماد ميزة محتملة، لكنها لا تعني أن الشركة ستفوز بكل محطة جديدة، سواء كانت تقليدية أم صغيرة نمطية.

يمكن لملكية وستنغهاوس أن تنوع تعرض كاميكو بعيدًا عن سعر اليورانيوم وحده، إلا أن العائد يعتمد على الطلب الفعلي وهوامش الخدمات وأداء المشاريع والتمويل والتنظيم. لذلك لا يمكن افتراض استفادة تمتد عقودًا بصرف النظر عن أسعار الوقود أو تنفيذ المشاريع.

يبقى تعدين اليورانيوم ومعالجته جزءًا أساسيًا من أعمال كاميكو، مع أصول رئيسية في كندا ومشاركة في عمليات بكازاخستان. وقد تستفيد من نمو الطلب النووي، لكنها تظل معرضة لأسعار اليورانيوم ومخاطر التشغيل والسياسة وسلاسل الإمداد.

تأثرت شركات اليورانيوم والمفاعلات تاريخيًا بالحوادث والتكلفة والتنظيم وإدارة النفايات. قد تحسن التصاميم الأحدث وبعض تقنيات الوقود الثقة والاقتصاديات، لكنها لا تزيل مخاطر الحوادث أو مسؤولية النفايات، ولا تزال التقنية الإشعاعية الضوئية بعيدة عن تغيير هذه المعادلة.

قد يدعم الطلب على كهرباء منخفضة الكربون دور الطاقة النووية إلى جانب مصادر متجددة وشبكات وتخزين أكثر مرونة. ومع ذلك، يتوقف الاستثمار على تكلفة كل مشروع ومدة بنائه وأسعار الكهرباء والسياسة العامة، ولا تضمن الحاجة إلى كهرباء مستقرة «نهضة» موحدة في كل سوق.

آخر أخبار كاميكو

مرجع الدراسة:

^{1. Ibrahim Oksuz, Sabin Neupane, Yanfa Yan, Lei R. Cao. (2025). Optical Materials. المجلد 25، فبراير 2025، 100401. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590147825000038#abs0010}