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

While the history behind nuclear الطاقة utilizing fuel sources like Uranium may be marred with concerning events, the narrative behind this potentially climate-friendly power source is rapidly changing.  Modern reactors are safer than ever, and with the increased condemnation of fossil fuels, now is a pivotal time for a push forward with nuclear solutions.

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

With that in mind, researchers have recently developed a new solution that will potentially allow for Uranium to be harvested from seawater in a مستدامة fashion.

الاختراق

The solution, which involves the extraction of uranium ions through an electrochemical reaction, was detailed in a paper titled ‘أقطاب كهربائية ذات إطار عطري مسامي قائم بذاته لاستخراج اليورانيوم الكهربائي الفعال‘.  نُشر في in ACS Central Science, this paper saw researchers identify and set out to solve the following problem.

With uranium reserves in seawater “…تُقدَّر بـ 4.5 مليار طن، أي ما يقرب من 1000 مرة أكبر من احتياطيات اليورانيوم الأرضية”, what can be done to access this vast source of latent energy?

Although we won’t dive into the more technical details of the process outlined in its paper, the solution at which the team arrived saw the creation of a form of treated carbon fiber fabric with enough surface area to capture uranium ions that can then be harvested through an electrochemical reaction.

Overall, the team believes its work has “…provided an effective strategy for the uranium extraction from seawater through the electrochemical process.”

فهم اليورانيوم

سلسلة تحلل اليورانيوم

Uranium’s energy release involves its atomic structure. Uranium atoms have large, unstable nuclei. When a neutron hits a uranium atom, it can cause the atom to split or undergo fission. This fission splits the uranium atom into two smaller atoms and releases additional neutrons plus a significant amount of energy.

المصدر: https://pubs.usgs.gov/of/2004/1050/uranium.htm

In nuclear reactors, this process is controlled. The released neutrons can strike other uranium atoms, creating a chain reaction. The heat generated from this reaction is used to heat water, producing steam which is then harnessed to drive turbines which generate electricity.

في المفاعلات النووية، يتم التحكم في هذه العملية. يمكن للنيوترونات المنطلقة أن تصطدم بذرات يورانيوم أخرى، محدثة تفاعلًا متسلسلًا. يُستخدم الحرارة المتولدة من هذا التفاعل لتسخين الماء، مما ينتج بخارًا يُستغل لتشغيل التوربينات التي تولد الكهرباء.

This controlled use of uranium’s fission process is the basis for nuclear power generation, harnessing the substantial energy released during the decay chain.

هذا الاستخدام المتحكم فيه لعملية انشطار اليورانيوم هو أساس توليد الطاقة النووية، حيث يتم استغلال الطاقة الكبيرة المتحررة خلال سلسلة التحلل.

مستقبل خالٍ من اليورانيوم

Although nuclear fission is currently a top option for sustainable, clean energy, it is not without its own drawbacks.  As mentioned, when fuel sources such as Uranium decay, there are resulting radioactive isotopes known as ‘fission products’.  These byproducts must then be carefully contained, for sometimes extraordinarily long periods of time, until they are no longer hazardous.  For decades, scientists have recognized this and have been hard at work to develop a superior process known as nuclear fusion.

Where nuclear fission harnesses energy from the decay of heavy elements like Uranium, nuclear fusion harnesses energy from the fusion of lighter atomic nuclei (typically deuterium + tritium = helium + a neutron).  Interestingly, this is the same process that powers stars such as the Sun.  There are various reasons that fusion is viewed as being far superior to fission.  These include,

إنتاج طاقة أعلى: يطلق الاندماج طاقة أكبر بكثير من الانشطار. دمج الذرات معًا يُطلق ما يقرب من أربعة ملايين مرة طاقة أكثر من حرق الفحم أو النفط أو الغاز، وحوالي أربعة أضعاف طاقة تفاعلات الانشطار النووي.

مصادر وقود وفيرة: الوقود الأساسي للاندماج، الديوتيريوم والتريتيوم، أكثر وفرة من المواد القابلة للانشطار مثل اليورانيوم. يمكن استخراج الديوتيريوم من الماء، بينما يمكن إنتاج التريتيوم من الليثيوم أثناء عملية الاندماج نفسها، والتي تمتلك احتياطيات برية وبحرية تكفي لأكثر من ألف سنة.

أثر بيئي أقل: لا يُطلق الاندماج غازات دفيئة ضارة مثل ثاني أكسيد الكربون. النتيجة الرئيسية له هو الهيليوم، وهو غاز خامل وغير سام. على عكس مفاعلات الانشطار، لا تنتج مفاعلات الاندماج نفايات نووية عالية النشاط وطويلة العمر. يمكن إعادة تدوير المواد المستخدمة أو استخدامها مرة أخرى خلال 100 سنة.

السلامة: لا يحمل الاندماج نفس مخاطر مفاعلات الانشطار. لا يوجد خطر حدوث ذوبان نووي كما في مفاعلات الانشطار، لأن الحفاظ على تفاعلات الاندماج صعب بطبيعته؛ أي اضطراب يمكن أن يوقف التفاعل فورًا. كما أن الاندماج لا يستخدم مواد قابلة للانشطار مثل اليورانيوم أو البلوتونيوم، مما يقلل من خطر الانتشار النووي.

Although there are many hurdles left to clear until our ability to harness nuclear fusion reactions makes it a viable power source, the process has seen a resurgence in interest as of late due to various breakthroughs surrounding ignition.  For example, on various occasions, researchers have achieved a net energy gain in fusion reactions, where more energy was produced than was used to initiate the reaction​​​.

On الرغم من وجود العديد من العقبات التي لا يزال يتعين تجاوزها قبل أن تصبح قدرتنا على استغلال تفاعلات الاندماج النووي مصدر طاقة قابلًا للاستخدام، فقد شهدت العملية انتعاشًا في الاهتمام مؤخرًا بفضل عدة اختراقات حول الإشعال. على سبيل المثال، في مناسبات متعددة، حقق الباحثون ربحًا صافيًا في الطاقة في تفاعلات الاندماج، حيث تم إنتاج طاقة أكثر مما استُخدم لبدء التفاعل.

The timeline for a demonstrable fusion power plant is estimated to be around 20 years, though some startups claim it could be achieved in a decade or less.  However, these predictions are tempered by the complexities of plasma physics and the practicalities of building a functioning fusion reactor.

يُقدَّر أن الجدول الزمني لإنشاء محطة طاقة اندماجية قابلة للعرض حوالي 20 سنة، رغم أن بعض الشركات الناشئة تدعي أنه يمكن تحقيق ذلك في عقد من الزمن أو أقل. ومع ذلك، تُخفّف هذه التوقعات تعقيدات فيزياء البلازما والاعتبارات العملية لبناء مفاعل اندماج فعال.

Overall, while nuclear fusion offers significant advantages over fission in terms of energy output, environmental impact, and safety, mastering this technology for practical, consistent energy production is still a work in progress, with an optimistic timeline of at least two decades before it becomes a viable energy source.

بشكل عام، بينما يقدم الاندماج النووي مزايا كبيرة على الانشطار من حيث إنتاج الطاقة، والأثر البيئي، والسلامة، فإن إتقان هذه التقنية لإنتاج طاقة مستمرة وعملية لا يزال قيد التطوير، مع توقع متفائل بأن يستغرق على الأقل عقدين قبل أن يصبح مصدر طاقة قابلًا للاستخدام.

أهم شركات الطاقة النووية

If humans are ever going to achieve the kind of feats discussed above, it will require the concerted efforts of public and private companies alike to continue building on past achievements for generations to come.  For now, the following are examples of companies playing an early role in such feats as each advances our understanding and capabilities within the Aerospace sector.

*الأرقام المذكورة أدناه كانت دقيقة في وقت الكتابة وقد تتغير.  يجب على أي مستثمر محتمل التحقق من المقاييس*

1. Exelon Corporation

(EXC )

Exelon Corporation, headquartered in Chicago, Illinois, is the largest nuclear power plant operator in the United States. It supplies power and electricity to 10 million customers via 23 nuclear reactors and 14 nuclear power plants. The company also diversifies into wind, solar, and hydroelectric power.

شركة إكسيلون، ومقرها في شيكاغو، إلينوي، هي أكبر مشغل لمحطات الطاقة النووية في الولايات المتحدة. تزود الطاقة والكهرباء 10 ملايين عميل عبر 23 مفاعلًا نوويًا و14 محطة طاقة نووية. كما تنوع الشركة إلى طاقة الرياح والطاقة الشمسية والطاقة الكهرومائية.

2. NextEra Energy, Inc.

(LEU )

As the world’s largest utility company, NextEra Energy has nuclear plants in Florida, New Hampshire, and Wisconsin. These plants play a crucial role in providing reliable and emissions-free energy, avoiding over 24 million tons of carbon dioxide emissions annually.

كأكبر شركة مرافق في العالم، تمتلك شركة NextEra Energy محطات نووية في فلوريدا ونيوهامبشير وويسكونسن. تلعب هذه المحطات دورًا حيويًا في توفير طاقة موثوقة وخالية من الانبعاثات، مما يجنب أكثر من 24 مليون طن من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون سنويًا.

3. BWX Technologies, Inc.

(BWXT )

BWX Technologies, an American company, supplies nuclear components, technologies, and fuel to nuclear plants in the United States. It also supports governments and private entities operating nuclear facilities. Their services include naval nuclear propulsion, nuclear medicine, and research test reactors. The company has been involved in supporting the deployment of small modular reactors in Poland.

شركة BWX Technologies، وهي شركة أمريكية، تزود مكونات نووية وتقنيات ووقود لمحطات الطاقة النووية في الولايات المتحدة. كما تدعم الحكومات والكيانات الخاصة التي تشغل مرافق نووية. تشمل خدماتها الدفع النووي البحري، والطب النووي، ومفاعلات الاختبار البحثية. شاركت الشركة في دعم نشر المفاعلات الصغيرة النمطية في بولندا.

الخلاصة

These recent developments in uranium extraction from seawater, alongside the steady progress being made in nuclear fusion research, potentially herald a transformative phase in sustainable power generation. The process of harvesting uranium using electrochemical reactions promises a less environmentally intrusive alternative to traditional mining, addressing both the scarcity of land-based uranium and the environmental concerns associated with its extraction. Meanwhile, the pursuit of nuclear fusion, with its superior energy output, abundant fuel sources, minimal environmental impact, and enhanced safety, represents a beacon of hope for a future powered by clean, virtually limitless energy.

هذه التطورات الأخيرة في استخراج اليورانيوم من مياه البحر، إلى جانب التقدم المستمر في أبحاث الاندماج النووي، قد تمهد لمرحلة تحول في توليد الطاقة المستدامة. عملية استخراج اليورانيوم باستخدام التفاعلات الكهروكيميائية تعد ببديل أقل إزعاجًا للبيئة مقارنةً بالتعدين التقليدي، حيث تعالج ندرة اليورانيوم الأرضي ومخاوف البيئة المرتبطة باستخراجه. في الوقت نفسه، يسعى الاندماج النووي، بطاقته المتفوقة، ومصادر وقوده الوفيرة، وأثره البيئي الضئيل، وسلامته المعززة، إلى أن يكون منارة أمل لمستقبل يُشغَّل بطاقة نظيفة ولامحدودة تقريبًا.