النفايات النووية Nuclear Wast

يشكل التخلص من النفايات النووية أكبر معضلة تواجه تشغيل المفاعلات النووية. ولعل عامة الناس أكثر حساسية من غيرهم تجاه هذه المعضلة. إذ ينتج عن تشغيل هذه المفاعلات تولد مواد إشعاعية ذات مستوى إشعاعي عالي High Level Waste) HLW). وعندما يتم توقف المفاعل أو معالجة الوقود المستخدم تهبط فاعلية المواد المشعة بسرعة. وعلى كل حال شكل نواتج الانشطار وعناصر الأكتينيدات المصدر الرئيسي للتلوث الإشعاعي السام الذي يستمر لآلاف السنين.

وحتى الآن ليست هناك التزامات معينة نحو التخلص الدائم من النفايات النووية. فهناك اتجاه لتعليق التعامل مع النفايات في الوقت الراهن ويتم تخبئة منظومات الوقود المستهلك في أماكن محددة حيث يمكن استردادها والتعامل معها بعد ذلك.

ومن المقترحات التي تنال استحسانا للتعامل مع النفايات عالية الإشعاع (HLW) مقترح يتعلق بتحويلها إلى أشكال ثابتة كزجاج أو اسمنت توضع في كبسولات داخل حافظات من الصلب. ثم شحن هذه على ظهور السفن أو القطارات إلى مخازن التخلص الدائمة. حيث يمكن دفنها غالباً عند أعماق كبيرة تحت سطح الأرض في صخور تتمتع باستقرار جيولوجي متميز.

يشكل إذن الوقود المستخدم وإعادة المعالجة المصدر الأساسي للنفايات النووية. ففي حالة دورة وقود اليورانيوم/ بلوتونيوم المستخدم في مفاعلات الماء الخفيف LWR هناك عدة خيارات:

أ) دورة الإلقاء بعيداً (Throwaway) حيث يعتبر هنا الوقود المستخدم Spent Fuel نفاية يتم التخلص منها بشكل دائم مباشرة.

ب) دورة الإخفاء (Stowaway) حيث يتم هنا تخزين الوقود المستخدم في أماكن من السهل الحصول عليه بعد ذلك منها حيث يعاد استخدامه بعد معالجته في المفاعل.

ج) إعادة المعالجة للحصول على اليورانيوم فقط.

د) إعادة المعالجة للحصول على اليورانيوم والبلوتونيوم كل على حدة.

1- تصنيف النفايات:

يمكن أن تكون النفايات النووية على هيئة مواد صلبة أو سائلة أو غازية. وهذه تنتج من شظايا الانشطار أو التنشيط النيوتروني أو نظائر عناصر ما بعد اليورانيوم. وتصنف هذه - من وجهة النظر الأشعاعية - إلى:

أ) نفايات ذات مستوى إشعاعي عالي (HLW).

ب) نفايات مشعات الفا وعناصر ما بعد اليورانيوم.

ج) نفايات ذات مستوى إشعاعي منخفض (LLW).

د) نفايات مشعة طبيعية.

تنتج النفايات ذات المستوى العالي (HLW) من دورات إعادة معالجات الوقود. بينما تحتل الأقسام الأخرى باقي المصادر.

2- المحتوى الإشعاعي للنفايات والوقود المستخدم:

يشكل النشاط الإشعاعي للنفايات الناتجة عن الوقود المستخدم والحرارة المتولدة عنها ونشاطها السام بالإضافة إلى تدفقها الكمي وتدفق نواتج الانشطار والأكتينيدات أهم الأخطار الناتجة عنها والتي يجب اتخاذ إجراءات معينة للتخلص منها. وهذ تتمثل في التعامل مع مصانع إعادة المعالجة والتعامل مع النفايات وتخزينها. وترتكز الدراسات على محتوى طن (1te) واحد من وقود المعدن الثقيل 109. حيث نجد أن: te1.4 من UO₂ أو PuO₂/  يعادل (te HM1).

عند إدخال (te HM1) من وقود مفاعل الماء الخفيف (LWR) في دورة متزنة وبتخصيب يساوي 3.2% من U²³⁵ إلى قلب المفاعل. فإن الوقود يحتوي على Kg 32 من U²³⁵ وKg968 من U²³⁸ وعند استبدال هذا الوقود بعد تشغيل المفاعل للحصول على MWd(th)/te 36000 وسحبه من القلب فإن te HM1 من الوقود المستخدم يحتوي على Kg 6.8 من U²³⁵ و 942 من U²³⁸ وKg 4.1 من U²³⁶ وحوالي Kg 9.5 من نظائر البلوتونيوم المختلفة و kg 36.9 من نواتج الانشطار وKg 0.5 من  Np237 وKg 0.15 من الامريسيوم وKg 0.04 من الكوريوم. وكثير من النواتج الاخرى.

ينتج عن هذا الكم الهائل كم هائل من النشاط الإشعاعي. يبين الشكل (1) النشاط الإشعاعي (Ci/teHM) الناتج عن نواتج الانشطار والأكتينيدات في النفايات ذات المستوى العالي HLW وإعادة معالجة وقود مفاعل LWR بعد 3 سنوات من وقف المفاعل. يبين الشكل أن معظم النشاط الإشعاعي للنفايات ينتج عن نواتج الانشطار. وبعد 3 سنوات من التبريد في موقع المفاعل يمكن نقل النفايات وتخزينها حيث تهبط الفاعلية لنواتج الانشطار والأكتينيدات إلى حوالي 1/100 من قيمتها الابتدائية.

الشكل (1)

عند إعادة المعالجة يتم فصل كل من: نواتج الانشطار وجميع الأكتينيدات مثل النبتونيوم والأمريسيوم والكوريوم و%1 من البلوتونيوم وكدلك اليورانيوم حيث توضع مع النفايات ذات المستوى العالي. بينما يتم استخلاص حوالي % 99 من البلوتونيوم واليورانيوم.

تتحلل معظم نواتج الانشطار بعد حوالي 500 سنة. أما بعد 200 سنة فيشكل النشاط الإشعاعي للأكتينيدات المصدر الأساسي للإشعاع الناتج عن النفايات. ويستمر ذلك لفترة تصل إلى حوالي 11,000 سنة (يغلب هنا نشاط شظايا الانشطار مثل 99 -TC على باقي المواد). لمزيد من التفاصيل. أنظر الجدول (1).

3- التعامل مع النفايات:

بعد إزالة قضبان الوقود من المفاعل بعد استخدامها يتم نقلها إلى مخازن عبارة عن برك مائية ضخمة حيث تخزن هناك لبضعة شهور حيث يتم تحلل نواتج الانشطار قصيرة العمر. وهنا يتم الاستفادة من المياه حيث تعتبر:

أ) درع واقي من لإشعاع.

ب) حمام مائي للتخلص من الحرارة الناتجة عن التحلل الإشعاعي للمواد المشعة.

ويتم التعامل مع النفايات بصورة عامة على خطوتين:

أ) تقليل كمية النفاية عند المصدر إلى أقل ما يمكن.

ب) تقليل النشاط الإشعاعي للنفاية إلى أقل ما يمكن.

ويجب هنا أن يتم تكييف النفايات بحيث يمكننا التعامل معها وتخزينها بسهولة وأمان. ويتم ذلك بتقليل حجمها وتحويلها إلى حالة صلبة بحيث يكون الناتج مستقراً ميكانيكياً وكيميائياً وإشعاعياً وقابلاً لامتصاص الحرارة الناتجة عنه.

وستتناول فيما يلي هذه العمليات شيء من التفصيل:

تكييف النفايات الناتجة عن إعادة معالجة وتود مفاعل الماء الخفيف:

وهذه تنقسم إلى أربعة أقسام:

أ) تقسية Solidification وتخزين النفايات السائلة ذات المحتوى الإشعاعي العالي: (HLW):

يتم تركيز المحلول HLW الناتج عن استخلاص اليورانيوم والبلوتونيوم في معامل إعادة معالجة وقود LWR المستخدم إلى حوالي 1/10 من قيمته بالتبخير. وينتج عن ذلك حواليm³ 0.5من محلول HLW لكل طن من الوقود المستخدم. ثم يضخ هذا المحلول من HLW إلى صهاريج من الصلب موضوعة داخل أوعية من الصلب لتجميع أي كمية متربة. كما وتوضع هذه الأوعية بدورها في خلايا حارة Hot Cells مبطنة بالصلب وذلك لحجز الإشعاع القوى الناتج عن النفاية.

وتتم إعادة دوران محلول النفاية HLW خلال الأوعية ويتم تبريده بتمرير الماء داخل أنابيب حلزونية خلال الأوعية الحاوية لمحلول النفاية (درجة حرارة أقل من C65) وذلك للتخلص من الحرارة الناتجة عن النشاط الإشعاعي لنواتج الانشطار والأكتينيدات. . ثم تحفظ هذه الأوعية لمدة لا تقل عن 20 - 30 سنة.

يبين الشكل (2) مصادر النفايات المختلفة الناتجة عن المفاعلات النووية.

ولتقسية النفايات السائلة HLW فإن الخطوة الأولى هي تكليسها Calcination أي طرد السوائل من محلول HLW عند درجات حرارة عالية ( 900 C) حيث ينتج عن ذلك نترات أو أكاسيد معدنية. كما وتوجد طريقة بديلة حيث يمكن هنا إزالة النترات Denitrate بإضافة غاز الفورميك الساخن إلى المحلول حيث ينتج عن ذلك أكاسيد متكلسة.

وهناك أربع تقنيات مختلفة للتكلس هي:

1.     تقنية الوعاء Pot.

2.     السطح المائع  Fluidized bed .

3.     الرذاذ Spray.

4.     الأنبوبة الدوارة Rotary Tube.

الشكل (2)

يعتبر التكلس مرحلة متوسطة وذلك لأن التكلس غير مقاوم بما فيم الكفاية للترشيح وذو توصيل حراري منخفض بالإضافة إلى أن استقراره الميكانيكي غير كافي. ولهذا يتم تحويل الكلس إلى مادة زجاجية أو سيراميكية. ويتم ذلك بتسخين قمينة الزجاج بعد إضافة السيليكون والبورون والكلس إلى درجة الانصهار (C1200 -1000) ومن ثم ينتج الزجاج.