أخبار التكنولوجيا

أهداف الطاقة النووية وتغير المناخ


تهدف الهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ (IPCC) إلى الوصول إلى صافي صفر من ثاني أكسيد الكربون2 الانبعاثات العالمية بحلول عام 2050 للحد من ارتفاع درجة الحرارة إلى 1.5 درجة مئوية فوق مستويات ما قبل الصناعة. ويتطلب ذلك خفض انبعاثات الغازات الدفيئة العالمية بنسبة 43% بحلول عام 2030 مقارنة بالذروة المتوقعة في أوائل عشرينيات القرن الحالي. ندوة عبر الإنترنت عقدتها مؤسسة صامويل لورانس في 2 يونيو1 وحاولت الإجابة على سؤال ما إذا كان توليد الطاقة النووية يمكن أن يكون جزءا من الحل لمعالجة هذه المشكلة الخطيرة والملحة للغاية. وكان من بين المتحدثين جريجوري جاكزكو، الرئيس السابق للجنة التنظيمية النووية الأمريكية (NRC)؛ مارك جاكوبسون، أستاذ الهندسة المدنية والبيئية في جامعة ستانفورد؛ وإم في رامانا، الأستاذ ورئيس كرسي سيمونز في نزع السلاح والأمن العالمي والإنساني في كلية السياسة العامة والشؤون العالمية في جامعة كولومبيا البريطانية.

تسلط هذه المقالة الضوء على بعض نقاط المناقشة الرئيسية والاستنتاجات من هذه الندوة عبر الويب.

النهضة النووية التي فشلت

دعونا نلقي نظرة على دراسة حالة لإنتاج الطاقة النووية في الولايات المتحدة. في أواخر التسعينيات وأوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، كان هناك اهتمام متجدد في الولايات المتحدة بتوسيع إنتاج الطاقة النووية. وكان يُنظر إليه على أنه بديل نظيف نسبيًا للوقود الأحفوري. أنشأت الحكومة إعانات وحاولت تبسيط العملية التنظيمية للمساعدة في توسيع إمدادات الطاقة النووية. كان من المتوقع أن تكون التصميمات الجديدة مثل المفاعلات النمطية الصغيرة (SMRs) أكثر نمطية، وأسهل في الإنتاج بكميات كبيرة، وأكثر فعالية من حيث التكلفة. وكانت التوقعات تشير إلى طلب حوالي 30 مفاعلا جديدا وإضافة ما يقرب من 15 جيجاوات من القدرة الجديدة بحلول عام 2021. ومع ذلك، فإن الواقع كان أقل بكثير من التوقعات: فقد بدأ بناء أربعة مفاعلات فقط، تم التخلي عن اثنين منها بعد إنفاق حوالي 9 مليارات دولار. . وينتج مفاعلان عاملان فقط، فوجتل 3 و4، الواقعان في ولاية جورجيا، حوالي 2.23 جيجاوات.

يظهر الشكل 1 اتجاه صافي المفاعلات النووية العاملة في جميع أنحاء العالم.


18.09.2023

تخفيض تكلفة إنتاج الدوائر المتكاملة في عصر التكامل

14.09.2023

إضفاء الطابع الديمقراطي على الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي من خلال نهج بدون تعليمات برمجية

09.12.2023

اتجاه بدء تشغيل المفاعلات النووية وإغلاقها.
الشكل 1: اتجاه بدء تشغيل المفاعلات النووية وإغلاقها (المصدر: تقرير حالة الصناعة النووية العالمية 2023)

ويظهر الرسم البياني بوضوح أنه ربما كانت أفضل أيام بناء المفاعلات قبل نحو 30 عاما، وأن القدرة النووية العالمية ظلت ثابتة إلى حد ما منذ ذلك الحين. يوضح الشكل 2 أن حصة الطاقة النووية في إجمالي توليد الكهرباء على مستوى العالم قد ظلت راكدة عند حوالي 10%، في حين أظهرت حصة الطاقة المتجددة التي تشمل الرياح والمياه والطاقة الشمسية (WWS) نموًا قويًا من المتوقع أن يستمر خلال السنوات القادمة .

اتجاه حصة الطاقة العالمية المولدة بين الطاقة النووية وطاقة الرياح والمياه والطاقة الشمسية المتجددة، ولا يشمل ذلك توليد الطاقة الكهرومائية الكبيرة.
الشكل 2: اتجاه حصة الطاقة العالمية المولدة بين الطاقة النووية والطاقة المتجددة في مجال خدمة المياه والصرف الصحي، لا يشمل توليد الطاقة الكهرومائية الكبيرة (المصدر: المراجعة الإحصائية للطاقة العالمية لعام 2022 من شركة بريتيش بتروليوم)

تحديات التوسع في الطاقة النووية

وقد ساهمت عدة عوامل في فشل النمو في توليد الطاقة النووية:

  • التكلفة: تشكل التكاليف الرأسمالية الأولية المرتفعة لبناء المفاعلات النووية، فضلاً عن التكاليف التشغيلية المرتفعة نسبياً، عائقاً رئيسياً أمام توسيع قدرة توليد الطاقة النووية. خذ على سبيل المثال محطات فوجتل المذكورة أعلاه: تبلغ تكلفة مفاعلات الماء الخفيف الكبيرة AP1000 هذه حوالي 35 مليار دولار، وهو ما يزيد عن ضعف التقديرات الأولية. في حين أن إنتاج المفاعلات الصغيرة والمتوسطة قد يكون أرخص، إلا أنها تنتج أيضًا طاقة أقل لكل مفاعل وستحتاج إلى عدد كبير ليتم بناؤها لتحقيق التعادل.
  • الجدول الزمني/التقني: تتطلب أهداف المناخ التي حددتها الهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ اتخاذ إجراءات فورية. ولتحقيق أهداف توليد الطاقة النظيفة بنسبة 80% بحلول عام 2030، يجب أن تكون المشاريع في مرحلة تكثيف خلال هذا العقد. وحتى مع التحفيز والدعم الحاليين للمفاعلات المتقدمة والمنشآت الصغيرة والمتوسطة، فإن السيناريوهات الأكثر تفاؤلاً تتنبأ بمفاهيم توضيحية في ثلاثينيات القرن الحالي. أي زيادة في الإنتاج ستكون بعد ذلك، واستنادًا إلى التوقعات التاريخية الموضحة في الشكل 1، فمن غير المرجح أن تكون عند مستوى من شأنه أن يكون له تأثير كبير على أهداف تغير المناخ لعام 2050 لتوليد الطاقة. وتشير التقديرات إلى الحاجة إلى 115 مفاعلا سنويا من الآن وحتى عام 2050 للطاقة النووية لتلبية الطلب على الطاقة.

تمثل الشركات الصغيرة والمتوسطة تحديات تقنية جديدة. ومن الأمثلة على ذلك التصميم الذي قدمته شركة NuScale إلى المجلس النرويجي للاجئين. وسلط المجلس النرويجي للاجئين الضوء على أوجه القصور الفنية، ولم تتم الموافقة على التصميم النهائي بعد. لا تزال التصميمات الأخرى، مثل مفاعلات الكلوريد المنصهر السريعة من شركة Terrapower والمفاعل عالي الحرارة المبرد بالغاز، في مرحلة ما قبل التطبيق وقد يستغرق تطويرها عدة سنوات إلى أكثر من عقد من الزمن، والحصول على الموافقة النهائية ثم البناء. المفاعلات الأخرى التي تبدو واعدة تشمل EM2 مفاعل سريع مبرد بالهيليوم من شركة General Atomics، ولكن من غير المتوقع إنتاج نماذج أولية حتى ثلاثينيات القرن الحالي، مع أي إنتاج ضخم بعد هذا التاريخ.

  • الانتشار النووي: هناك خط رفيع يفصل بين الخبرة النووية اللازمة لإنتاج الطاقة وتلك اللازمة للاستخدام في أنظمة الأسلحة. وفي ظل السيناريو الافتراضي المتمثل في وضع المنشآت الصغيرة والمتوسطة في معظم البلدان النامية ذات الكثافة السكانية العالية لتحل محل إنتاجها من الطاقة الأحفورية، فإن مخاطر الانتشار تتضاعف بسرعة وقد يكون من الصعب السيطرة عليها.
  • النفايات النووية والتعدين: تتطلب أجهزة LWR مستودعات جيولوجية عميقة مع مخاوف من النشاط الإشعاعي طويل المدى على مدى نصف عمر مادة النفايات. يمكن لمفاعلات الماء الخفيف أن تنتج نفايات يصعب التخلص منها وتحتاج إلى إعادة معالجة إضافية، مثل الوقود المرتبط بالصوديوم. م2 تقوم المفاعلات بإعادة تدوير المواد الانشطارية وبالتالي لديها القدرة على خفض متطلبات التخلص من النفايات على المدى الطويل، ولكن لا تزال هناك حاجة إلى اختبار الإنتاج. يمثل تعدين اليورانيوم العديد من المخاطر الصحية، بما في ذلك سرطان الرئة.
  • الحوادث: دراسة2 وخلص إلى أن احتمال حدوث انصهار قلب المفاعل هو واحد في 3704 سنوات من المفاعل. يضع المؤلفون احتمالًا بنسبة 70% لحدوث انصهار قلب المفاعل خلال العقد القادم في المفاعلات العاملة البالغ عددها 443 مفاعلًا.

بدائل الطاقة النووية

يوضح الشكل 3 عمر الطاقة أو تكلفتها المتساوية بالدولار لكل ميجاوات/ساعة لمختلف أشكال إنتاج الطاقة. وقد أظهرت تكلفة مصادر الطاقة المتجددة انخفاضاً حاداً، حيث أصبحت التكاليف الحالية أقل بنحو 63% من تكاليف الوقود الأحفوري. تُعَد ألمانيا مثالاً جيدًا للدولة التي قررت التخلص التدريجي من الطاقة النووية بعد حادث فوكوشيما وإعطاء الأولوية لتوليد الطاقة في خدمة الرعاية الصحية العالمية. وتتجاوز حصة الطاقة المتجددة في الطاقة الألمانية الآن 50%، مع تقديرات للوصول إلى هدف 80% بحلول عام 2030.

اتجاه تكلفة الطاقة المستوية.
الشكل 3: اتجاه التكلفة المستوية للطاقة (المصدر: لازارد، كما هو موضح في تقرير حالة الصناعة النووية العالمية 2022)

ومن منظور التكلفة الرأسمالية فقط، وبالنظر إلى مثال محطة فوجتل، لو أنفق مبلغ 35 مليار دولار على توليد طاقة الرياح، لكان توليد الطاقة المتوقع قد بلغ 54.1 جيجاوات، بدلا من 2.23 جيجاوات التي يتم إنتاجها فعليا.

كما أن توليد الطاقة النووية ليس خاليا من الانبعاثات. إن الوقت الطويل من التخطيط إلى البناء (حوالي 17 عامًا، في حالة مصنع فوجتل) يضع “تكلفة الفرصة البديلة” للانبعاثات المتولدة خلال هذا الوقت. يقدر جاكوبسون الجرام المكافئ من ثاني أكسيد الكربون2 لكل كيلووات/ساعة ما بين 78 و178 للطاقة النووية، مقابل 4.8 إلى 8.6 لمزرعة الرياح البرية.

ومن المتوقع أيضًا انخفاض الطلب على الطاقة حيث يركز العالم بشكل أكبر على الكهرباء لأغراض النقل والطلب على الطاقة السكنية والصناعية. ويشمل ذلك السيارات الكهربائية، والمضخات الحرارية عالية الكفاءة، والقضاء على تعدين الوقود، واستخدام أشباه الموصلات ذات فجوة واسعة مثل إلكترونيات الطاقة من كربيد السيليكون في تحويل الطاقة وتوزيعها. وهذا يتيح ما يقدر بنحو 56.4% من خفض صافي الطلب على الطاقة في 145 دولة شملتها دراسة جاكوبسون.

يسلط الشكل 4 الضوء على حلول خدمات الرعاية الصحية (WWS) لمختلف قطاعات الطلب. سيكون تخزين الطاقة جزءًا أساسيًا من الحل، مع وضع البطاريات لتغطية جزء كبير من متطلبات التخزين قصيرة المدى الإجمالية للشبكة مع انخفاض الأسعار، مع تقديرات طويلة المدى تصل إلى أقل من 60 دولارًا / كيلووات في الساعة. كما سيكون التخزين طويل الأمد، مثل التخزين المائي والحراري، جزءًا مهمًا من الحل.

حلول WWS لقطاعات الطلب على الطاقة.
الشكل 4: حلول الرعاية الصحية العالمية لقطاعات الطلب على الطاقة (المصدر: مؤسسة صامويل لورانس)

وفقًا لتقديرات جاكوبسون، بالنسبة لـ 145 دولة تمت دراستها في محاكاة اعتماد WWS، يمكن تحقيق هدف 80٪ بحلول عام 2030، كما هو موضح في الشكل 5.

مقارنة الجدول الزمني لاعتماد توليد الطاقة في WWS مقابل منحنيات العمل المعتاد في الأعلى.  يشير اللون الأسود الثابت إلى انخفاض الطلب في توليد الكهرباء واستخدامها بشكل أكثر كفاءة.
الشكل 5: مقارنة الجدول الزمني لاعتماد توليد الطاقة في خدمة الرعاية الصحية العالمية (WWS) مقابل منحنيات العمل المعتاد في الأعلى. يشير اللون الأسود الثابت إلى انخفاض الطلب في توليد الكهرباء واستخدامها بشكل أكثر كفاءة. (المصدر: مؤسسة صموئيل لورانس)

وبإضافة التكاليف الصحية الناجمة عن سيناريو العمل كالمعتاد القائم على الوقود الأحفوري، فإن إجمالي التكاليف الاجتماعية المترتبة على عدم التحول إلى الطاقة المتجددة يقدر بنحو 83.2 تريليون دولار سنويا. ومن شأن اعتماد خدمة الرعاية الصحية العالمية أن يخفض هذا المبلغ إلى 6.6 تريليون دولار سنوياً، أي انخفاض بنسبة 92%.

إن الحاجة الملحة لحل مشكلة تغير المناخ للابتعاد عن الوقود الأحفوري تتطلب حلولاً فعالة بالفعل وفعالة من حيث التكلفة لتكون قادرة على الانتشار على نطاق واسع في كل من البلدان المتقدمة والنامية. يتمتع توليد WWS المتجدد بالقدرة على تحقيق هذه الأهداف. وتظهر التجارب السابقة في مجال توليد الطاقة النووية أنها لن تكون قادرة على تلبية متطلبات التكلفة والجدول الزمني. ويلخص الجدول 1 المقارنة بين الطريقتين.

ملخص لـ WWS وتوليد الطاقة النووية.
الجدول 1: ملخص لـ WWS وتوليد الطاقة النووية1

مراجع

1فولكرز وآخرون. (2023). “هل يمكن للطاقة النووية أن تساعد في تحقيق أهداف المناخ الأمريكية؟” (ندوة عبر الإنترنت). مؤسسة صموئيل لورانس.

2روز، ت.، وسويتينغ، ت. (2016). “ما مدى أمان الطاقة النووية؟ تشير دراسة إحصائية إلى أقل من المتوقع. نشرة العالم الذري، المجلد. 72، العدد 2، ص 112-115.

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *