اليورانيوم المستخرج من مياه البحر يقترب خطوة واحدة من أن يصبح مصدر طاقة قابلًا للاستخدام

توفر الطاقة النووية باستخدام وقود مثل اليورانيوم كهرباء منخفضة الانبعاثات على امتداد دورة حياتها. ويشمل تاريخها حوادث خطيرة. تقلل أنظمة السلامة الحديثة المخاطر، لكن الرقابة وإدارة النفايات وحماية البيئة تبقى ضرورية. وتدفع جهود الابتعاد عن الوقود الأحفوري إلى إعادة تقييم دورها.

“الطاقة النووية هي مصدر طاقة منخفض الكربون لتحل محل الوقود الأحفوري وتوفر ضمانًا مهمًا للتنمية الخضراء للاقتصاد والبيئة.”

قدم باحثون في عام 2023 طريقة كهروكيميائية لاستعادة اليورانيوم من مياه البحر. وما إذا كانت قابلة للتطبيق بصورة مستدامة على نطاق واسع يظل مرهونًا بتقييم التكاليف واستهلاك الطاقة والآثار البيئية.

تقدم في البحث

حملت الدراسة المنشورة في ACS Central Science عنوان «أقطاب ذاتية الدعم من أطر عطرية مسامية لاستخلاص اليورانيوم بكفاءة كهروكيميائيًا». وبحثت التقاط أيونات اليورانيل الذائبة، لا إنتاج الكهرباء أو وقود نووي جاهز للاستخدام مباشرة من الماء.

يُقدَّر مجموع اليورانيوم الذائب في المحيطات بأنه «نحو 4.5 مليار طن، أي ما يقارب ألف ضعف احتياطيات اليورانيوم البرية». لكن الكمية الذائبة الكلية ليست احتياطيات قابلة للاسترداد اقتصاديًا. فتركيز اليورانيوم في مياه البحر منخفض جدًا.

غطى الفريق نسيجًا من ألياف الكربون ببوليمر مسامي يتضمن مجموعات أميدوكسيم ترتبط بأيونات اليورانيل. واستُخدم النسيج كمهبط مع مصعد من الغرافيت وتيار كهربائي، فتجمعت رواسب تحتوي على اليورانيوم على السطح. وفي تجربة بمياه طبيعية من بحر بوهاي، استُعيد 12.6 ملغ من اليورانيوم لكل غرام من المادة الفعالة المطلية خلال 24 يومًا، وليس لكل غرام من الماء. وكانت العملية الكهروكيميائية أسرع بنحو ثلاثة أمثال التراكم السلبي على النسيج.

ويرى الفريق أن عمله «وفر استراتيجية فعالة لاستخلاص اليورانيوم من مياه البحر عبر العملية الكهروكيميائية». ولا تثبت النتيجة بعد أن الاستعادة التجارية أرخص أو أفضل بيئيًا من التعدين.

فهم اليورانيوم

الانشطار والتفاعل المتسلسل والاضمحلال الإشعاعي

عندما تمتص نواة يورانيوم-235 نيوترونًا، قد تنشطر إلى نوى أخف وتطلق طاقة ونيوترونات إضافية. وهذا الانشطار المستحث يختلف عن سلسلة الاضمحلال الإشعاعي الطبيعية لليورانيوم.

المصدر: https://pubs.usgs.gov/of/2004/1050/uranium.htm — يوضح الرسم سلسلة اضمحلال إشعاعي، وليس تفاعلًا متسلسلًا للانشطار.

يُضبط التفاعل المتسلسل داخل المفاعل. وقد تؤدي نيوترونات انشطار واحد إلى انشطارات أخرى. وتُستخدم الحرارة عادة لإنتاج بخار يدير توربينات متصلة بمولدات الكهرباء.

يستند توليد الكهرباء النووية إلى هذا الانشطار المنضبط. ولا ينبغي إرجاع طاقته ببساطة إلى سلسلة الاضمحلال الإشعاعي الطبيعية الظاهرة في الرسم.

الاندماج النووي: نهج مختلف

ينتج الانشطار نواتج انشطار ومواد مشعة أخرى تحتاج إلى عزل وإدارة مناسبين. وتأتي نواتج الانشطار من انقسام النوى، لا من الاضمحلال الطبيعي المعتاد لليورانيوم وحده. ويدرس العلماء الاندماج منذ عقود بوصفه مصدرًا آخر للطاقة.

يجمع الاندماج نوى خفيفة. ومن التفاعلات المهمة قيد الدراسة اندماج الديوتيريوم والتريتيوم لإنتاج الهيليوم ونيوترون وطاقة. ويغذي الاندماج الشمس أيضًا، لكن سلاسل تفاعلاتها السائدة تختلف عن تفاعل الديوتيريوم والتريتيوم المدروس على الأرض. وتشمل المزايا المحتملة:

طاقة مرتفعة لكل وحدة من كتلة الوقود: قد يعطي الاندماج لكل كيلوغرام من الوقود نحو أربعة أمثال طاقة الانشطار، وما يقارب أربعة ملايين مثل طاقة حرق الفحم أو النفط. والمقارنة تخص كتلة الوقود، لا تفاعلًا منفردًا أو صافي كفاءة محطة كاملة.

إمدادات الوقود: يمكن استخلاص الديوتيريوم من الماء. أما التريتيوم فليس وفيرًا في الطبيعة، ويجب إنتاجه مثلًا من الليثيوم باستخدام نيوترونات الاندماج. ويظل إنتاج كمية كافية من التريتيوم واستعادته تحديًا تقنيًا.

مزايا بيئية محتملة: كما في الانشطار، لا يطلق تفاعل الاندماج نفسه ثاني أكسيد الكربون. وينتج تفاعل الديوتيريوم والتريتيوم هيليومًا ونيوترونات قد تجعل مواد المفاعل مشعة. لذلك تبقى الحماية الإشعاعية وإدارة المواد ضروريتين. وإمكان إعادة الاستخدام بعد نحو 100 سنة يعتمد على المواد والتصميم، وليس ضمانًا عامًا.

السلامة: يتطلب الاندماج ظروفًا صارمة ولا يحافظ على تفاعل انشطار متسلسل. وعند فقدان هذه الظروف يتوقف اندماج البلازما سريعًا. يختلف خطر انصهار القلب عن مفاعلات الانشطار، لكن التريتيوم والنيوترونات والحرارة وسلامة المنشأة تحتاج إلى إدارة. وعدم استخدام وقود اليورانيوم أو البلوتونيوم لا يزيل تلقائيًا جميع مخاطر الانتشار النووي.

حقق مرفق NIF كسبًا للطاقة عند الهدف في 2022 و2023. ففي ديسمبر 2022 مثلًا، أنتجت طاقة ليزر مقدارها 2.05 ميغاجول وصلت إلى الهدف 3.15 ميغاجول من طاقة الاندماج. ولم يكن ذلك صافي توليد للكهرباء أو ميزان طاقة موجبًا للمنشأة كلها، التي استهلكت طاقة أكبر.

كانت توقعات عام 2023 بشأن محطة اندماج تجريبية خلال عشرة إلى عشرين عامًا تقديرات لا مواعيد مؤكدة. ويتوقف التطوير على فيزياء البلازما والمواد وإنتاج الوقود والبناء والتشغيل الاقتصادي.

لا يزال إنتاج الكهرباء المستقر والعملي بالاندماج يتطلب البحث والتطوير الهندسي. ولا تعني تجربة إشعال ناجحة تلقائيًا وجود محطة عاملة أو جدول زمني مضمون.

شركات الطاقة والتقنية النووية

تسهم مؤسسات البحث العامة والشركات الخاصة في تقنيات الطاقة والتقنية النووية. وتختلف أدوار الشركات التالية؛ فلا تعمل جميعها على استخلاص اليورانيوم من البحر أو تطوير الاندماج.

الأرقام في الجداول لقطات تاريخية من مقال عام 2023، وليست بيانات سوقية حالية. وينبغي التحقق من المؤشرات الراهنة بصورة مستقلة.

1. Exelon Corporation

EXC مخطط السعر

فصلت Exelon Corporation (EXC )، ومقرها شيكاغو، نشاط توليد الكهرباء إلى Constellation في فبراير 2022، وركزت على النقل والتوزيع. لذا فإن الوصف القديم لتشغيل 23 مفاعلًا و14 محطة نووية لا ينطبق على تشغيل Exelon الحالي. ويخص الجدول ومخطط EXC شركة Exelon، لا Constellation.

2. NextEra Energy, Inc.

NEE مخطط السعر

كانت NextEra Energy (NEE ) تمتلك محطات نووية في فلوريدا ونيوهامبشير وويسكونسن وفق تقريرها السنوي لعام 2023. ولا يطلق الانشطار نفسه ثاني أكسيد الكربون، لكن للمنشآت آثارًا على امتداد دورة الحياة. وكان رقم تجنب أكثر من 24 مليون طن من الانبعاثات سنويًا الوارد في الأصل تقديرًا مقارنًا، لا قياسًا لانعدام الانبعاثات الكلية.

3. BWX Technologies, Inc.

BWXT مخطط السعر

توفر شركة BWX Technologies (BWXT ) الأمريكية مكونات وتقنيات ووقودًا نوويًا. وتشمل أعمالها الدفع النووي البحري والطب النووي ومفاعلات الأبحاث. وفي 2023 أعلنت عقدًا هندسيًا من GE Hitachi لوعاء ضغط المفاعل الصغير المعياري BWRX-300. وخطط التطوير في أوروبا، ومنها بولندا، لا تعني أن المحطات دخلت التشغيل بالفعل.

الخلاصة

استخلاص اليورانيوم كهروكيميائيًا من مياه البحر والاندماج النووي مجالان بحثيان مختلفان. وقد يوسع الأول مصادر وقود الانشطار إذا ثبتت الملاءمة الاقتصادية والبيئية للاستعادة واسعة النطاق. أما الثاني فيبحث مصدرًا آخر للطاقة مع تحديات تقنية كبيرة. وتمثل نتائج 2023 تقدمًا بحثيًا، لا دليلًا على توافر كهرباء غير محدودة وبلا أثر بيئي بالفعل.