الولايات المتحدة تطور تقنية لإعادة تدوير النفايات النووية وتحويلها إلى وقود هيدروجيني

حاليًا، لا توجد محطة طاقة نووية في العالم تعمل بمبدأ الاندماج النووي (تفاعل الاندماج النووي). جميع محطات الطاقة النووية تعمل بمبدأ انشطار اليورانيوم لتوليد الطاقة الحرارية.

الاندماج النووي هو عملية دمج ذرتين معًا لإطلاق حرارة تُشغّل مولدًا. تضمن هذه المولدات توفير كمية كبيرة من الكهرباء دون أي انبعاثات تُذكر. لذلك، يُعتبر نظريًا من أنظف أشكال الطاقة.

تعتمد محطات الطاقة النووية العاملة اليوم على تفاعلات الانشطار النووي لتوليد الطاقة، ولكنها تنتج أيضًا قدرًا كبيرًا من النفايات النووية التي تظل مشعة لسنوات عديدة.

من الصعب التعامل مع النفايات النووية الناتجة عن محطات الطاقة النووية كما أن تخزينها مكلف للغاية.

في المقابل، تُنتج عملية الاندماج النووي التي تُغذي نجوم الكون قدرًا ضئيلًا جدًا من النفايات المشعة في مرحلتها النهائية. تتطلب هذه العملية اندماج الديوتيريوم والتريتيوم.

لقد قطعت البشرية شوطًا كبيرًا في تسخير طاقة الاندماج، ومن بينها محطة الطاقة النووية التابعة لشركة OpenAI في أوهايو بالولايات المتحدة الأمريكية. إلا أن الأمر الأصعب هو وقود التريتيوم اللازم لتفاعلات الاندماج.

على الرغم من توفر الديوتيريوم بسهولة، تعاني الولايات المتحدة حاليًا من نقص حاد في التريتيوم. وصرح تيرينس تارنوفسكي، الفيزيائي في مختبر لوس ألاموس الوطني (LANL) والمؤلف الرئيسي للدراسة، قائلاً: "تبلغ قيمة التريتيوم التجاري حاليًا حوالي 15 مليون دولار للرطل [33 مليون دولار للكيلوغرام]، والولايات المتحدة لا تملك القدرة المحلية على إنتاجه".

التريتيوم لمفاعلات الاندماج النووي يوجد التريتيوم بشكل طبيعي في الغلاف الجوي العلوي، والمفاعلات النووية في كندا هي المنتج التجاري الرئيسي له.

وفي بيان صحفي، قال تارنوفسكي إن إجمالي المخزون الحالي من التريتيوم على الكوكب يبلغ نحو 55 زائد أو ناقص 31 رطلاً [25 زائد أو ناقص 14 كيلوغراماً].

بحسب تقديرات تارنوفسكي، تكفي 25 كيلوغرامًا لتزويد أكثر من 500 ألف منزل بالطاقة لمدة ستة أشهر. "هذا يفوق عدد منازل واشنطن العاصمة."

في الوقت نفسه، تُنتج الولايات المتحدة آلاف الأطنان من النفايات النووية الناتجة عن محطات الطاقة النووية التجارية. تحتوي هذه النفايات على مواد شديدة الإشعاع تتطلب تخزينًا مكلفًا للحفاظ عليها آمنة.

لذلك، رأى العلماء فرصةً لتقييم جدوى استخدام النفايات النووية التي لا تزال مشعةً لتوليد التريتيوم القيّم. أشارت عمليات المحاكاة إلى أن النفايات النووية قد تكون مصدرًا جيدًا، وأجرى تارنوفسكي العديد من عمليات المحاكاة الحاسوبية لمفاعلات التريتيوم المحتملة لتقييم إنتاج التصميم وكفاءة الطاقة.

وعندما انقسمت الذرات أثناء المحاكاة، أطلقت نيوترونات، وأدت في النهاية إلى إنشاء التريتيوم بعد سلسلة من التحولات النووية الأخرى، وفقًا للبيان الصحفي.

وتسمح ميزة التعزيز للمشغلين بتشغيل هذه التفاعلات أو إيقافها، وهي تعتبر أكثر أمانًا من التفاعلات المتسلسلة التي تحدث في محطة الطاقة النووية التقليدية.

يقذف المسرّع المكونات المشعة في النفايات النووية، مطلقًا نيوترونات لتكوين التريتيوم. صورة توضيحية: GenAI

يُقدّر أن هذا النظام النظري، الذي يعمل بطاقة 1 جيجاواط، يُمكنه إنتاج حوالي 2 كجم من التريتيوم سنويًا. ويتوقع أن يُنتج هذا التصميم كمية من التريتيوم تزيد عن عشرة أضعاف ما يُنتجه مفاعل الاندماج النووي بنفس الطاقة الحرارية.

تتمثل خطة العالم التالية في حساب تكلفة إنتاج التريتيوم بعد أن يحصل على حسابات أكثر تفصيلاً لأداء المفاعل. كما سيتم تحسين عمليات المحاكاة لتقييم كفاءة وسلامة تصميم المفاعل بدقة.

ويخطط تارنوفسكي أيضًا لتطوير كود جديد لنموذج يحيط بالنفايات النووية بملح الليثيوم المنصهر، وهو تصميم راسخ لمفاعل يعمل باليورانيوم ويستخدم فقط في التجارب العلمية.

وقال تارنوفسكي، الذي يسعى حاليا إلى بناء أول محطة طاقة اندماجية تجارية في الولايات المتحدة والعالم: "إن التحول في مجال الطاقة مكلف، وكلما أمكننا تسهيله، يتعين علينا المحاولة".

وإذا تم إتقان هذا التصميم، فإنه قد يعمل على تشغيل مفاعلات الاندماج النووي المستقبلية ويضمن انتقالاً أقل كثافة في الانبعاثات في مجال الطاقة.

مُوِّل البحث من قِبل مختبر لوس ألاموس الوطني والإدارة الوطنية الأمريكية للأمن النووي. سيعرض العالم نتائجه في الاجتماع الخريفي للجمعية الكيميائية، المُنعقد في الفترة من 17 إلى 21 أغسطس/آب.