وفقًا لتقرير سابق نشرته صحيفة «أساهي شيمبون» اليابانية، كشفت مصادر داخل الحكومة اليابانية أن الحكومة تخطط للبدء في تصريف المياه المعالجة الملوثة إشعاعيًا من محطة فوكوشيما للطاقة النووية في البحر في موعد قد يكون أواخر أغسطس.
أثارت خطة تصريف المياه الملوثة إشعاعياً في البحر في اليابان جدلاً حاداً داخل الأوساط العلمية وبين الجمهور، حيث تركز النقاش على مسألة معالجة مياه الصرف النووية. وبشكل عام، تحتوي المياه الملوثة إشعاعياً على نظائر مشعة مثل السترونتيوم والسيزيوم والبلوتونيوم واليورانيوم والتريتيوم المشع. في السابق، قامت شركة تيبكو (شركة طوكيو للطاقة الكهربائية) بإزالة 62 نوكليدًا، بما في ذلك السيزيوم، من خلال أجهزة امتصاص السيزيوم ونظام امتصاص النوكليدات المتعددة ALPS (نظام معالجة السوائل المتقدم). وفي عام 2014، أضافت الشركة جهازًا لامتصاص السترونتيوم. وبعد أن تخضع مياه الصرف لإزالة السيزيوم والسترونتيوم، بالإضافة إلى تحلية المياه عن طريق التناضح العكسي، فإنها تتجه إلى ثلاثة وجهات: حيث يعود حوالي 280 مترًا مكعبًا من المياه إلى خزان الحقن لتستخدم كمياه تبريد متداولة للمفاعل؛ ويتم توجيه المياه المتبقية إلى وحدة ALPS أو الوحدة المتنقلة لإزالة السترونتيوم، ويتم في النهاية تخزين النفايات السائلة المعالجة في خزانات التخزين. ومع ذلك، هناك نظير واحد، وهو التريتيوم، الذي يصعب إزالته لتلبية المعايير من خلال نظام ALPS.
ما هو التريتيوم؟
التريتيوم هو نظير للهيدروجين، وهو موجود أيضًا في الطبيعة. وله تأثير ضئيل نسبيًا على جسم الإنسان، لكن التركيزات العالية منه قد تشكل مخاطر صحية. تتشكل المياه المتريتيومية في محطات الطاقة النووية التقليدية بشكل أساسي نتيجة إشعاع النيوترونات لنظائر الهيدروجين في دائرة التبريد أو نتيجة تغلغل نواتج الانشطار الثانوية من عناصر الوقود إلى الدائرة.
في الواقع، قامت اليابان بجهود بحثية واستكشافية واسعة النطاق للتعامل مع مشكلة التريتيوم. في سبتمبر 2014، اختارت وزارة الاقتصاد والتجارة والصناعة اليابانية شركة «كوريون» (Kurion) من الولايات المتحدة، وشركة «روسراو» (RosRAO) (وهي شركة تابعة لمؤسسة الطاقة الذرية الروسية المملوكة للدولة «روساتوم»)، وشركة «جي إي-هيتاشي للطاقة النووية» (GE-Hitachi Nuclear Energy) من كندا لتنفيذ مشروع تجريبي لإزالة التريتيوم. إذن، كيف يبدو حل إزالة التريتيوم الذي يمثل تحديًا كبيرًا؟ وفقًا للمعلومات المتاحة، تستخدم كل من شركة «فيوليا» (التي استحوذت على شركة «كوريون») وشركة «روساتوم» حلاً تقنيًّا يعتمد على عملية «التبادل التحفيزي بالتحليل الكهربائي المركب» (CECE)
كما تم اعتماد عملية «التحلل الكهربائي والتبادل التحفيزي المدمجين» (CECE)، التي اختارها المفاعل التجريبي الدولي للطاقة الحرارية النووية (ITER) لإزالة التريتيوم من سائل التبريد المائي نظرًا لخصائصها المتمثلة في انخفاض درجة حرارة التشغيل وسهولة التحكم في العملية، وقد اعتمدتها أيضًا شركة طوكيو للطاقة الكهربائية في اليابان كتقنية بديلة مهمة لإزالة التريتيوم على نطاق واسع من مياه الصرف النووية في أعقاب حادثة فوكوشيما النووية. في عملية CECE، لا يخضع سوى جزء صغير من مياه الصرف الملوثة بالتريتيوم المعالجة لمزيد من المعالجة بعد التخصيب والتركيز، بينما يتم تحويل الغالبية إلى هيدروجين غازي لإطلاقه. يحتوي الهيدروجين المنبعث على بخار ماء مشبع، ويوجد التريتيوم في شكل ماء تريتيوم مؤكسد (HTO) داخل بخار الماء المشبع، ويُظهر سمية بيولوجية أقوى بـ 10,000 مرة من التريتيوم الغازي العنصري. لذلك، قبل إطلاق الهيدروجين، من الضروري معالجة بخار الماء معالجة شاملة، وهو ما يتحقق عادةً عن طريق تكثيف البخار وإعادة السائل المكثف إلى نظام المعالجة.
يتألف نظام إزالة التريتيوم MDS من شركة KURION من مكونين رئيسيين: وحدة برج التبادل الحفاز في الطور السائل، ووحدة إنتاج الهيدروجين بالتحليل الكهربائي. ويُملأ برج التبادل الحفاز في الطور السائل بمحفزات من المعادن الثمينة كارهة للماء ومواد حشو محبة للماء. يقوم الهيدروجين المتولد في وحدة التحليل الكهربائي بتبادل نظائر الهيدروجين مع المياه المتدفقة لأسفل في برج التبادل التحفيزي. يتم تخصيب التريتيوم في الماء في المرحلة السائلة، بينما يتم استنفاده في مرحلة الهيدروجين الغازية. ينقسم برج التبادل التحفيزي إلى قسمين عند مدخل المياه المتريتيوم، حيث يمثل القسم العلوي مرحلة الاستنفاد، بينما يمثل القسم السفلي مرحلة التخصيب. يتدفق الماء الطبيعي لأسفل من أعلى مرحلة الاستنفاد، مزيلًا الهيدروجين المتولد، ويتم تصريف الهيدروجين المستنفد من الأعلى. في مرحلة التخصيب، يختلط ماء التغذية المُثري بالتريتيوم مع الماء المتدفق لأسفل من مرحلة الاستنفاد، حيث يتم تبادل النظائر مع الهيدروجين. وتؤدي هذه العملية إلى تخصيب الماء المُثري بالتريتيوم في قاع برج التبادل الحفاز للمرحلة السائلة.
ورغم أن فصل التريتيوم عن مياه الصرف النووية أمر ممكن من الناحية التقنية، إلا أن الحكومة اليابانية لم تطبق عمليًّا أي تقنية لإزالة التريتيوم بسبب “التكلفة” المرتبطة بذلك، وهو السبب وراء الفشل في تحقيق التصنيع. ووفقًا لتقرير صادر عن “وورلد نوكلير نيوز” (WNN) في نوفمبر 2014، خصصت وزارة الاقتصاد والتجارة والصناعة اليابانية ما يقارب $10 مليون لشركة «كوريون» الأمريكية المتخصصة في إدارة النفايات المشعة. وكان الغرض من ذلك هو إثبات فعالية تقنية فصل التريتيوم، بهدف التحقق من صلاحية هذه التقنية وتقييم تكاليف الإنشاء والتشغيل لتطبيقها في محطة فوكوشيما للطاقة النووية. وأشار التقرير إلى أن التقنيات الحالية لفصل التريتيوم عن الماء الثقيل كانت تُعتبر «باهظة التكلفة» لمعالجة مياه الصرف النووية في فوكوشيما في ذلك الوقت.
في مارس 2015، أفادت صحيفة «لوس أنجلوس تايمز» أن غايتان بونوم، المدير التنفيذي للتكنولوجيا في شركة «كوريون»، قدّر أن التكنولوجيا الحالية للشركة قادرة على إزالة التريتيوم من 800,000 متر مكعب من المياه في غضون 5 إلى 8 سنوات. ومع ذلك، فإن تكلفة بناء المنشأة وحدها ستبلغ $1 مليار، مع نفقات تشغيل سنوية تقدر بالملايين من الدولارات. في أبريل 2016، خلصت مجموعة عمل خاصة تابعة للحكومة اليابانية إلى أن التقنيات الحالية لإزالة التريتيوم لا يمكن تطبيقها على محطة فوكوشيما للطاقة النووية. وأشار التقرير إلى أن أساس هذا الاستنتاج كان اعتبارات اقتصادية وليس نقصًا في القدرات التكنولوجية.
في ظل احتياجات التنمية الوطنية وحماية البيئة، ستلعب الطاقة النووية دورًا متزايد الأهمية في قطاع الطاقة في بلدنا. وفي الوقت نفسه، من الضروري إدراك أنه على الرغم من أن الطاقة النووية أكثر ملاءمةً للبيئة واستدامةً مقارنةً بالوقود الأحفوري، فإنها تولد حتمًا كمية معينة من النفايات المشعة أثناء توفيرها لكميات هائلة من الطاقة. علاوة على ذلك، مع توسع نطاق الطاقة النووية، ستزداد النفايات المشعة المتولدة تدريجيًا. ونظرًا للخصائص الفريدة للنفايات المشعة، فقد ظلت دائمًا مصدر قلق واسع النطاق.
تُعد مياه الصرف المُشععة بالتريتيوم أحد الجوانب الحاسمة في هذا الشأن، حيث يتولد التريتيوم في وحدات الطاقة النووية التي تعمل بمفاعلات الماء المضغوط (PWR) بشكل أساسي من خلال التفاعلات النووية. ويتم إنتاج جزء منه أثناء عملية الانشطار النووي، حيث يتم إطلاق بعضه عندما تتولد عناصر الوقود النووي وتخترق الغلاف لتدخل في الدائرة. وينتج جزء آخر عن المواد النزرة الموجودة في سائل تبريد الدائرة، مثل البورون والليثيوم والديوتيريوم، التي تتشكل تحت تأثير النيوترونات. وبالنسبة لمحطة طاقة نووية بقدرة مليون كيلوواط، يبلغ انبعاث التريتيوم حوالي 70 تيرابيكريل سنويًا، حيث يتواجد التريتيوم في مياه الصرف في شكل ماء مضاف إليه التريتيوم (HTO). وفي حالة وحدات مفاعل AP1000، يدخل التريتيوم الموجود في سائل التبريد الدائري بشكل أساسي إلى نظام معالجة السوائل العادمة (WLS) في شكل مياه تصريف من نظام تبريد المفاعل.
التريتيوم مادة مشعة ويخضع لانحلال بيتا، ويبلغ عمره النصفي ما يصل إلى 12.43 سنة. وعلى الرغم من أن المعيار الوطني الصيني “المعايير الأساسية للحماية من الإشعاع المؤين وسلامة مصادر الإشعاع” يصنف التريتيوم على أنه نوكليد مشع منخفض السمية، فإن هذا لا يعني أنه يمكن تجاهل مخاطر التريتيوم. تبلغ السمية الإشعاعية للتريتيوم السائل (HTO/T2O) 10,000 مرة أعلى من تلك الخاصة بالتريتيوم الغازي (HT/T2). ويمكن أن يدخل الجسم عبر الجهازين الهضمي والتنفسي وعبر الجلد المتضرر. ويمكن أن يؤدي التعرض المطول أو التراكم المفرط في الجسم إلى الإصابة بمرض الإشعاع الداخلي المزمن.
ونظرًا لعدم وجود مرافق معالجة لمياه الصرف المُشعة بالتريتيوم في محطات الطاقة النووية الحالية، فإن الطرق التقليدية لإزالة النويدات المشعة العادية — مثل الامتصاص، والترشيح، والتبخير، والتبادل الأيوني، وتكنولوجيا الأغشية، وما إلى ذلك — تكاد تكون عديمة الفعالية في فصل HTO عن H2O. ونتيجة لذلك، يتم في النهاية تصريف غالبية التريتيوم إلى البيئة. ومع تزايد حجم بناء محطات الطاقة النووية، من المتوقع أن يرتفع تصريف مياه الصرف الملوثة بالتريتيوم تدريجيًا. وستصبح هذه المشكلة أكثر بروزًا، لا سيما مع البناء المقرر لمحطات الطاقة النووية في المناطق الداخلية. ونظرًا لضعف قدرة المسطحات المائية الداخلية على التخفيف نسبيًا مقارنةً بمحطات الطاقة النووية الساحلية، يجب أن يراعي تطوير محطات الطاقة النووية الداخلية أولاً التأثير البيئي للتصريف الكبير لمياه الصرف الملوثة بالتريتيوم ذات التركيز المنخفض أو التلوث المباشر لمياه الشرب.
تتميز مياه الصرف المُشعة بالتريتيوم الناتجة عن محطات الطاقة النووية بتركيز منخفض وحجم كبير يتطلب معالجته. وفي الوقت نفسه، هناك متطلبات عالية فيما يتعلق بعوامل مثل تبسيط العملية، والسلامة، والفعالية من حيث التكلفة. وفي الوقت الحالي، فإن عمليات معالجة المياه المشعة بالتريتيوم المتاحة للجمهور مصممة في الغالب للماء الثقيل الذي يحتوي على التريتيوم، وغالبًا ما تنطوي على عملية تخفيف تتطلب كمية كبيرة من الهيدروجين لإزاحة التريتيوم من الماء. وتتطلب العمليات النهائية لوحدات فصل نظائر الهيدروجين ضغطًا كبيرًا واستهلاكًا كبيرًا للطاقة.
استجابةً لهذه الحالة، قامت المؤسسات البحثية في الصين بتحسين عملية معالجة مياه الصرف النووية المُشعة بالتريتيوم. وتشمل هذه التحسينات تعديلات على نظام التغذية، ووحدة تقطير المياه، والنظام متعدد المراحل، ووحدة التبادل الحفاز بالتحليل الكهربائي المدمجة، وحاوية تخزين مياه التريتيوم، ونظام توفير الطاقة باستخدام المضخة الحرارية. ويعتمد نهج المعالجة على مرحلتين على استخدام تقطير المياه كعملية تخفيف وتخفيض أولية لتحقيق التخفيف القياسي لتصريف المياه المشعة بالتريتيوم ذات السعة العالية والتركيز المنخفض. أما عملية التحليل الكهربائي والتبادل الحفاز المدمجة، فهي بمثابة عملية تخفيض ثانوية عالية الكفاءة لتحقيق معالجة التخفيف والتخفيض بمضاعفات مختلفة من المياه المشعة بالتريتيوم. تقدم هذه الطريقة مزايا مثل بساطة العملية، وسهولة تشغيل المعدات، واستقرار النظام الجيد، وارتفاع عوامل التخفيف والتخفيض. وهي تحقق بشكل فعال معالجة التخفيف والتخفيض للمياه المُشعَّة بالتريتيوم، وتتمتع بقيمة تطبيقية هندسية كبيرة.
وقد انخرطت شركة دودجن بنشاط في هذا المجال وقامت بتطوير معدات أساسية مناسبة لهذا التطبيق. وللحصول على تفاصيل محددة، يمكنكم الرجوع إلى: “تقطير الماء الثقيل: اختيار حشوات الشبك السلكي والمكونات الداخلية للبرج”.”
باختصار، تُعد التكلفة المرتفعة السبب الرئيسي وراء عدم نجاح تطبيق تقنيات إزالة التريتيوم من مياه الصرف النووية على نطاق صناعي. ويجب أن تتمتع تقنيات معالجة مياه الصرف النووية المطبقة صناعيًا بقدرات معالجة كبيرة الحجم للتعامل مع الكميات الهائلة من مياه الصرف النووية. بالإضافة إلى ذلك، تنطوي معالجة مياه الصرف النووية على مواد مشعة عالية الخطورة. ويجب أن تضمن أي تقنية صناعية أنها لا تشكل مخاطر إضافية على البشر والبيئة أثناء العملية. إن السلامة والملاءمة البيئية لـ التكنولوجيا الكيميائية هي متطلبات لا غنى عنها، وتتطلب إجراء تجارب مكثفة وعمليات التحقق من الصحة.
في الوقت الحالي، يتطلب تحقيق التصنيع لتقنيات إزالة التريتيوم من مياه الصرف النووية استثمارات مالية ضخمة، مما يجعلها غير مجدية اقتصاديًا. ومع ذلك، يُعتقد أنه مع استمرار التقدم التكنولوجي والتغلب المستمر على تحديات التصنيع، فإن آفاق خفض التكاليف تلوح في الأفق.
