رآکتورهای کوچک‌تر ممکن است همچنان مشکل بزرگ ضایعات هسته‌ای را داشته باشند

لیندسی کرال به‌دلیل علاقه به موضوعات ناشناخته تصمیم گرفت تا ضایعات هسته‌ای را مطالعه کند. تعیین چگونگی دفن اتم‌های رادیواکتیو ساده نیست و به ترکیبی از فیزیک ذرات، زمین‌شناسی و مهندسی دقیق و مطابقت با مقررات نیاز دارد؛ اما مشکل‌ترین عنصر، عنصر زمان است. هزاران سال طول می‌کشد تا ضایعات هسته‌ای حاصل از رآکتورهای امروزی به موادی ایمن‌تر تبدیل شوند. بنابراین، هیچ راه‌حلی نباید به نظارت بیش‌از‌حد نیاز داشته باشد؛ بلکه فقط باید کارآمد باشد و کارآمدی خود را در طول زمان حفظ کند. تا آن زمان، تأسیساتی که این اتم‌ها را شکافته و شرکتی که آن رآکتور را طراحی کرده است، وجود نخواهد داشت. چه کسی می‌داند؟ شاید حتی ایالات متحده نیز دیگر وجود نداشته باشد.

درحال‌حاضر، ایالات متحده چنین برنامه‌ای ندارد. این شرایط از سال ۲۰۱۱ وجود دارد؛ یعنی زمانی که سازمان‌های نظارتی که با مخالفت شدید محلی مواجه شدند، تلاش چند دهه‌ای خود برای ذخیره ضایعات هسته‌ای زیر کوه یوکا در نوادا را متوقف کردند. از آن زمان، صنعت هسته‌ای ضایعات خود را درون زیرساخت‌های موقتی ذخیره می‌کند. شاید به‌همین‌دلیل، کنگره آمریکا علاقه چندانی به پیداکردن راه‌حلی برای نسل‌های آینده ندارد.

بااین‌حال، نوع جدیدی از تأسیسات هسته‌ای در راه است: رآکتورهای مدولار کوچک (SMR). برای مدت طولانی، صنعت هسته‌ای ایالات متحده تا حد زیادی به دلیل هزینه‌های هنگفت ساخت نیروگاه‌های بزرگ جدید، دچار رکود بود. درمقابل، رآکتورهای مدولار کوچک به‌اندازه‌ای کوچک هستند که درون کارخانه ساخته و سپس برای تولید نیرو به محل دیگری برده شوند.

طرفداران رآکتورهای مدولار کوچک امیدوار‌‌‌ند که این رآکتورها از رآکتورهای بزرگ امروزی مقرون‌به‌صرفه‌تر باشند و به‌عنوان مکمل همیشه فعالی برای انرژی‌های سبز کم‌تر پیش‌بینی‌پذیر مانند انرژی باد و خورشید عمل کنند. به‌گفته‌ی برخی، آن‌ها باید ضایعات رادیواکتیو کمتری نیز از پیشینیان خود تولید کنند. در گزارشی که سال ۲۰۱۴ با حمایت وزارت انرژی ایالات متحده منتشر شد، تخمین زده شد که اگر رآکتورهای بزرگ و قدیمی با رآکتورهای کوچک جایگزین شوند، صنعت هسته‌ای ایالات متحده ۹۴ درصد ضایعات سوخت کمتری تولید می‌کند.

بااین‌همه، کرال درباره‌ی قسمت آخر شک داشت. او می‌گوید: «به‌طورکلی، رآکتورهای مدولار کوچک به‌عنوان راه‌حلی به بازار عرضه می‌شوند که شاید به مخزن زمین‌شناسی برای نگه‌داری ضایعات نیازی نداشته باشند.» بنابراین، کرال به‌عنوان پژوهشگر دانشگاه استنفورد با همکاری دو کارشناس برجسته‌ی هسته‌ای دیگر بررسی پتنت‌ها، مقاله‌های پژوهشی و درخواست‌های مجوز چند طرح رآکتور پیشنهادی را شروع کرد که هیچ‌کدام هنوز ساخته نشده‌اند.

پس از بررسی اسناد و محاسبات بسیار، کرال به این پاسخ رسید. براساس معیارهای مختلف، طرح‌های SMR نه‌تنها ضایعات کمتری تولید نمی‌کنند؛ بلکه احتمالاً ضایعات بیشتری نیز تولید خواهند کرد: بیش از ۵ برابر سوخت مصرف‌شده به‌ازای واحد انرژی و تا ۳۵ برابر برای اشکال دیگر ضایعات. پژوهش کرال و همکاران در مجله PNAS منتشر شده است. استارتاپ‌هایی که به‌دنبال دریافت مجوز ساخت طرح‌های SMR هستند، این یافته‌ها را نپذیرفته‌اند و می‌گویند درحالی‌که ایالات متحده راه‌حل دائمی برای مشکل ضایعات پیدا می‌کند، آن‌ها برای مدیریت هرگونه ضایعاتی که تولید می‌شود، آمادگی دارند.

بااین‌حال، نویسندگان می‌گویند فرایند پایانی چرخه‌ی سوخت که شامل ضایعات و رهاسازی تأسیسات می‌شود، باید به‌طور پررنگ‌تری در اقتصاد مخاطره‌آمیز رآکتورهای جدید در نظر گرفته شود. آلیسون مک‌فارلن، رئیس سابق کمیسیون تنظیم مقررات هسته‌ای ایالات متحده و یکی از نویسندگان مقاله، می‌گوید هدف این مقاله ایجاد بحث و انگیزه برای پیداکردن راه‌حل است. طراحی رآکتورهای کوچک‌تر ممکن است ساخت آن‌ها را راحت‌تر کند؛ اما مشکل نشت نوترون را نیز ایجاد می‌کند.

رآکتورها با شلیک نوترون‌ها به‌سمت اتم‌های اورانیوم انرژی تولید می‌کنند و باعث شکافتن آن‌ها می‌شوند. این امر نوترون‌های بیشتری را پرتاب می‌کند که به‌نوبه‌ی‌خود اهداف دیگری را پیدا می‌کنند و موجب واکنش زنجیره‌ای می‌شوند؛ اما برخی از این نوترون‌ها از دست می‌روند. آن‌ها از هسته خارج می‌شوند و به بخش‌های دیگر رآکتور برخورد می‌کنند و موجب فعال‌ یا رادیواکتیو شدن آن‌ها می‌شوند. در داخل SMRها، فضای کمتری برای حرکت نوترون‌ها وجود دارد؛ بنابراین، تعداد بیشتری از آن‌ها نشت می‌کنند.

کرال می‌گوید: «در این‌‌جا با گرانش و قوانین فیزیک سروکار داریم و برای حل مشکل خودتان باید مهندسی کنید.» یکی از راه‌حل‌ها این است که هسته را با موادی مانند فولاد و گرافیت بپوشانیم تا نوترون‌های متحرک را برگرداند یا سرعت آن‌ها را کم کند؛ اما با گذشت زمان، این مواد به‌قدری با نوترون بمباران می‌شوند تا خودشان رادیواکتیو و باید عوض شوند.

علاوه‌بر‌این، برخی از طرح‌های رآکتور شامل خنک‌کننده‌های سدیم یا فلز مایع هستند که مشکلات رادیوآکتیویته خاص خود را ایجاد می‌کنند. نویسندگان به رآکتورهای آزمایشی در اسکاتلند و تنسی اشاره می‌کنند که در آن دانشمندان چندین دهه را صرف درک این مسئله کرده‌اند که چگونه بخش‌های آلوده‌شده را از سیستم جدا کنند. بنابراین، این اولین مشکلی بود که تیم کرال پیدا کرد: شرایط شلوغ درون SMRها به‌معنای نشت نوترون بیشتر است؛ اما مواد موردنیاز برای مهار چنین نشت‌هایی به ناگزیر به ضایعات رادیواکتیو تبدیل می‌شوند.

مشکل دوم «سوخت» است. راه‌حل مهم دیگر برای مشکل نشت نوترون استفاده از سوختی است که بیشتر با اورانیوم ۲۳۵ غنی‌ شده باشد؛ اما پژوهشگران تخمین می‌زنند که حتی با غلظت بیشتر اتم‌ها، با‌‌توجه‌‌‌به نرخ کمتر مصرف سوخت، این رآکتورها درنهایت حجم بیشتری از سوخت باقی‌مانده را برجای خواهند گذاشت. پس از مصرف، سوخت باید با دقت زیادی دست‌کاری شود. با غلظت بیشتر اتم‌های شکافت‌پذیر در ضایعات، جرم بحرانی آن (یعنی مقدار ماده‌ی موردنیاز برای حفظ واکنش زنجیره‌ای) به‌شدت کاهش می‌یابد و موجب می‌شود ضایعات ناپایدارتر شوند. نتیجه‌ی این امر حجم بیشتری از موادی است که برای نگه‌داری ایمن لازم است به بخش‌های کوچک‌تری تقسیم شود.

رآکتورهای مدولار کوچک راه‌حل بالقوه‌ای برای بحران اقلیمی هستند که ناشی از ناتوانی بخش دیگری از صنعت انرژی برای پاک‌سازی ضایعاتش است. برنز می‌گوید:

مرحله‌ی آخر چرخه‌ی زغال‌سنگ این بود که همه‌ی گاز را وارد اتمسفر کند و موادی که حالت گازی نداشتند، در تلی از خاکستر برجای بگذارد. به‌نظر من، صنعت هسته‌ای کار فوق‌العاده‌ای در برخورد با ضایعات خود انجام داده است؛ اما درنهایت باید از آن‌ها رهایی پیدا کند. گسترش SMR‌ها وضعیت را بدتر خواهند کرد.

نمایندگان سازندگان SMR می‌گویند مقدار ضایعاتی که تأسیسات آن‌ها تولید خواهد کرد، بیش‌ازحد برآورد شده است و مقدار و ماهیت ضایعات بسته به طرح متفاوت خواهد بود. دایان هیوز، سخن‌گوی NuScale، طراح رآکتوری که موضوع گسترده‌ترین تجزیه‌و‌تحلیل مقاله بود، می‌گوید فرضیات پژوهشگران به تخمین بیش‌از‌حد سوخت مصرف‌شده منجر می‌شود. او می‌افزاید اگرچه طراحی شرکت کوچک‌تر است، ازنظر شیمیایی شبیه رآکتورهای موجود است و ضایعات جدیدی تولید نمی‌کند.

ژاکوب دویت، مدیرعامل شرکت اوکلو (Oklo)، امیدوار است طرحی خنک‌شونده با سدیم را بسازد. وی خاطرنشان می‌کند که رادیواکتیویته در خنک‌کننده‌ی مصرف‌شده معمولاً عمر کوتاهی دارد و مشکلات آلودگی که رآکتورهای قبلی خنک‌شونده با سدیم به‌همراه داشتند، خاص آن طرح‌ها بود. دویت می‌گوید: «این تجزیه‌و‌تحلیلی با دامنه‌ی محدود است که برای اشاره به مقایسه‌های منفی طراحی شده است.»

همه شرکت‌هایی که وایرد با آن‌ها تماس گرفت، خاطرنشان کردند که حجم کلی ضایعات کم است و می‌توان آن‌ها را به‌راحتی ذخیره کرد تا زمانی که راه‌حل دائمی برای آن‌ها پیدا شود. جان کوتک از مؤسسه انرژی هسته‌ا‌ی می‌گوید تلاش برای توسعه‌ی رآکتورهای جدید صنعت را به‌سوی پیداکردن راه‌حل‌های جدیدی برای مشکل ضایعات مانند استفاده‌ی مجدد از سوخت مصرف‌شده و ایجاد روش‌های ذخیره‌سازی ایمن‌تر و ارزان‌تر سوق می‌دهد.

کوتک می‌افزاید این امر فوریت بیشتری نیز برای رسیدگی به مسئله‌ی دفع طولانی مدت ضایعات ایجاد کرده است و حمایت دولت جو بایدن از انرژی هسته‌ای پیشرفته به‌عنوان بخشی از برنامه‌های کربن‌زادیی آن با فشار برای تأسیس دفتر جدیدی برای رسیدگی به مسئله ضایعات همراه شده است. یکی از عوامل مهمی که در تجزیه‌و‌تحلیل جدید در نظر گرفته نشده است، ظرفیت بازیافت سوخت هسته‌ای است که می‌تواند میزان هدررفت را کاهش درخورتوجهی دهد.

نویسندگان به نگرانی‌هایی درباره‌ی سایر اشکال ضایعات تولیدشده‌ی فرایندهای بازیافت و ناکامی در رواج فرایندهای بازیافت در نسل کنونی رآکتورهای ایالات متحده اشاره می‌کنند؛ اما بسیاری از شرکت‌های SMR ازجمله اوکلو به‌دلیل کاهش هزینه‌های عملیاتی و کمبود فعلی منابع آسان سوخت تازه‌ی غنی‌شده، روی ایده‌ی بازیافت کار می‌کنند. دویت می‌گوید این شرکت امیدوار است راه‌هایی برای بازیافت ضایعات غیرسوختی مانند فولاد فعال پیدا کند. او به کار در حال پیشرفت روی ذخیره‌سازی دائمی اشاره می‌کند که تا حدودی وزارت انرژی منابع مالی آن را تأمین کرده است.

اوکلو نیز مشغول کار با استارتاپ دیگری به نام دیپ ایزولیشن (Deep Isolation) است که درحال بررسی ایده‌ی حفاری گمانه‌های عمیقی در زمین و ارسال کسپول‌های حاوی ضایعات است. ازنظر تئوری، این کار می‌تواند انوع مکان‌هایی را گسترس دهد که می‌تواند به‌عنوان مخزن عمل کند؛ زیرا دیگر لازم نیست مکان‌هایی با غار طبیعی مناسب مانند کوه یوتا پیدا کنند؛ اما مسیر تحقق و تأیید روش مذکور و سپس پیداکردن مکانی برای انجام آن نامشخص است.

مک‌فارلن، رئیس دانشکده‌ی سیاست عمومی دانشگاه بریتیش کلمبیا، خاطرنشان می‌کند که هرگونه راه‌حل برای ضایعات SMR با همان مخالفت‌هایی رو‌به‌رو خواهد شد که کوه یوکا به‌دلیل نگرانی‌های زیستی‌محیطی با آن مواجه شد. او می‌گوید: «این مشکلی وابسته به اجتماع است و فنی نیست.» مک‌فارلن معتقد است که تنظیم‌کننده‌های ایالات متحده و فروشندگان باید پیش از تأیید و ساخت رآکتورها نحوه‌ی مدیریت ضایعات را پیش‌بینی کنند تا بتوانند هزینه‌ها را دقیق‌تر برآورد کنند.

مک‌فارلن با اشاره به عملکرد موفق کشورهای فنلاند و سوئد و بریتانیا، اضافه می‌کند صنعت SMR در مناطقی که درزمینه‌ی ذخیره‌ی طولانی‌مدت ضایعات بهتر عمل می‌کنند، امیدوارکننده‌تر است. او می‌گوید: «مسئله‌ی واقعی این است که ایالات متحده طرحی برای سوخت هسته‌ای مصرف‌شده‌اش ندارد. درحال‌حاضر، خوشبین نیستم.»