ما هي المفاعلات النمطية الصغيرة؟

شرح الموضوعات النووية

تتمتع المفاعلات النمطية الصغيرة بطاقة تصل إلى 300 ميغاواط (كهربائي) لكل وحدة. والأسواق المتوخاة بعدد كبير من هذه المفاعلات، التي يمكن تجميعها في المصنع ثم نقلها إلى الموقع لتركيبها، هي التطبيقات الصناعية أو المناطق النائية التي لا تتمتع إلا بقدرة محدودة من الإمداد الشبكي. (الصورة من: أ. فارغاس/الوكالة الدولية للطاقة الذرية)

تتمتع المفاعلات النمطية الصغيرة بطاقة تصل إلى 300 ميغاواط (كهربائي) لكل وحدة. والأسواق المتوخاة بعدد كبير من هذه المفاعلات، التي يمكن تجميعها في المصنع ثم نقلها إلى الموقع لتركيبها، هي التطبيقات الصناعية أو المناطق النائية التي لا تتمتع إلا بقدرة محدودة من الإمداد الشبكي. (الصورة من: أ. فارغاس/الوكالة الدولية للطاقة الذرية)

المفاعلات النمطية الصغيرة هي مفاعلات نووية متقدمة ذات قدرة كهربائية تصل إلى 300 ميغاواط (كهربائي) لكل وحدة، أي حوالي ثلث القدرة التوليدية للمفاعلات النووية التقليدية. وتتميز المفاعلات النمطية الصغيرة، التي يمكن أن تنتج كمية كبيرة الكهرباء المنخفضة الكربون، بما يلي:

  • أنها صغيرةـ أي من ناحية الحجم لا تمثل إلا جزءا ضئيلا من حجم مفاعل القوى النووية التقليدي.
  • وأنها نمطية –أي يمكن تجميع نظمها ومكوناتها في المصنع ثم نقلها كوحدة إلى الموقع لتركيبها.
  • أنها مفاعلات –أي يجري فيها تسخير الانشطار النووي لتوليد الحرارة لإنتاج الطاقة.

اعرف المزيد عن الانشطار النووي والطاقة.

مزايا المفاعلات النمطية الصغيرة

ترتبط العديد من فوائد المفاعلات النمطية الصغيرة على نحو متأصل بطبيعة تصميمها، أي بكونها صغيرة ونمطية. فنظرا لصغر حجمها، يمكن أن توضع في مواقع لا تناسب محطات القوى النووية الأكبر حجما. ويمكن تجهيز الأجزاء المصنعة مسبقا من وحدات المفاعلات النمطية الصغيرة في المصنع ثم شحنها إلى الموقع وتركيبها هناك، مما يجعل بناءها في متناول اليد مقارنة بمفاعلات القوى الكبيرة، التي غالبا ما تُصمم خصيصا لموقع معين، مما يؤدي أحيانا إلى التأخير في البناء. وتتيح المفاعلات النمطية الصغيرة توفيرا في التكلفة ووقت البناء، ويمكن نشرها بشكل يتزايد بما يتماشى مع الطلب المتنامي على الطاقة.

ومن التحديات التي تواجه تعجيل إمكانية الوصول إلى الطاقة البنيةُ الأساسية ــ محدودية التغطية بشبكة الكهرباء في المناطق الريفية ــ وتكاليف الربط الشبكي لكهربة الريف. وينبغي ألا تمثل محطة توليد القوى الواحدة أكثر من 10 في المائة من إجمالي سعة الشبكة القائمة. وفي المناطق التي تفتقر إلى خطوط النقل الكافية والسعة الكبيرة للشبكة، يمكن تركيب المفاعلات النمطية الصغيرة في شبكة قائمة أو في منطقة نائية خارج الشبكة، بحسب ناتجها الكهربائي الأقل حجما، مما يوفر طاقة منخفضة الكربون للصناعة والسكان. وينطبق ذلك بشكل خاص على المفاعلات الصغرية، وهي فئة فرعية من المفاعلات النمطية الصغيرة مصممة لتوليد قوى كهربائية تصل عادة إلى 10 ميغاواط (كهربائي). وتتميز المفاعلات الصغرية بصغر حجمها مقارنة مع غيرها من المفاعلات النمطية الصغيرة، وستكون مناسبة بشكل أفضل للمناطق التي يتعذر فيها الحصول على الطاقة النظيفة والموثوقة والميسورة التكلفة. علاوة على ذلك، يمكن أن تعمل المفاعلات الصغرية كمورد قوى احتياطي في حالات الطوارئ أو تحل محل مولدات القوى التي غالبا ما تعمل بالديزل، على سبيل المثال، في المجتمعات الريفية أو في الأعمال النائية.

وبالمقارنة مع المفاعلات الحالية، تتسم تصميمات المفاعلات النمطية الصغيرة المقترحة بكونها أبسط، بشكل عام؛ وغالباً ما يعتمد مفهوم الأمان بالنسبة للمفاعلات النمطية الصغيرة اعتماداً أكبر على النظم الخاملة وسمات الأمان المتأصّلة في المفاعل، مثل انخفاض القوى وضغط التشغيل. ويعني ذلك أنه في مثل هذه الحالات لا يلزم أي تدخل بشري أو قوة أو سلطة خارجية لإيقاف تشغيل النظم، لأن النظم الخاملة تعتمد على الظواهر المادية، مثل الدوران الطبيعي والحمل الحراري والجاذبية الأرضية والضغط الذاتي. ومن شأن هذه الزيادة في هوامش الأمان أن تؤدي، في بعض الحالات، إلى إبعاد احتمالات حدوث انبعاثات إشعاعية غير مأمونة تمس البيئة أو الجمهور في حالة وقوع حادث أو إلى الحد من تلك الاحتمالات.

وتساعد المفاعلات النمطية الصغيرة في خفض معدلات استهلاك الوقود. وتحتاج محطات القوى القائمة على المفاعلات النمطية الصغيرة إلى إعادة التزويد بالوقود بوتيرة أقل، تتراوح بين مرة كلَّ 3 إلى 7 سنوات، مقارنة بمرة كل سنة أو سنتين في المحطات التقليدية. بل إنَّ بعضها مصمم للعمل لفترة تصل إلى 30 عاماً من دون إعادة تزويد بالوقود.

ما هي حالة المفاعلات النمطية الصغيرة؟

تشارك المؤسسات العامة والخاصة على حد سواء مشاركة نشطة في الجهود الرامية إلى جعل تكنولوجيا المفاعلات النمطية الصغيرة تؤتي ثمارها في غضون هذا العقد. وتنتج محطة أكاديميك لومونوسوف الروسية، وهي أول محطة قوى نووية عائمة في العالم بدأت التشغيل التجاري في أيار/مايو 2020، الطاقة من مفاعلين نمطيين صغيرين سعة كل منهما 35 ميغاواط (كهربائي). وهناك عدد آخر من هذه المفاعلات يجري بناؤها أو في مرحلة الترخيص في الأرجنتين وروسيا والصين وكندا وكوريا الجنوبية والولايات المتحدة الأمريكية.

ويجري حاليا تطوير أكثر من 70 تصميما تجارياً لمفاعلات نمطية صغيرة حول العالم تستهدف مخرجات متنوعة وتطبيقات مختلفة، مثل الكهرباء، ونظم الطاقة الهجين، والتدفئة، وتحلية المياه، وتوليد البخار للتطبيقات الصناعية. ورغم انخفاض تكاليف رأس المال الأولية لكل وحدة من هذه المفاعلات، فإن قدرتها التنافسية الاقتصادية لا تزال بحاجة إلى التأكيد عملياً عند نشرها.

اقرأ كيف سيساعد التعاون الدولي على إنجاح المفاعلات النمطية الصغيرة، بما في ذلك المفاعلات الصغرية.

المفاعلات النمطية الصغيرة والتنمية المستدامة

تتيح المفاعلات النمطية الصغيرة ومحطات القوى النووية سمات فريدة من نوعها من حيث الكفاءة والاقتصاديات والمرونة. وفي حين توفر المفاعلات النووية مصادر طاقة يمكن التحكم في مخرجاتها ــ وفقا للطلب على الكهرباء ــ فإن بعض مصادر الطاقة المتجددة، مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية، تشكل مصادر متغيرة للطاقة تعتمد على الطقس والوقت من اليوم. ويمكن إقران المفاعلات النمطية مع مصادر الطاقة المتجددة لزيادة كفاءتها في نظام الطاقة الهجين. ومن شأن هذه الخصائص أن تمكّن المفاعلات النمطية الصغيرة من الاضطلاع بدور رئيسي في الانتقال إلى الطاقة النظيفة، وفي الوقت نفسه تساعد البلدان في سعيها لبلوغ أهداف التنمية المستدامة.

وقد أحرزت الجهود الرامية إلى تحقيق الهدف المتمثل في ضمان حصول الجميع على الطاقة، وهو الهدف السابع من أهداف التنمية المستدامة، تقدما ملحوظا؛ بيد أن الثغرات لا تزال سائدة، وتتركز بشكل رئيسي في المناطق النائية والريفية. وفي الوقت الذي تسعى فيه الجهود العالمية إلى تنفيذ حلول نظيفة ومبتكرة، فإن زيادة استخدام الطاقة المتجددة، المقترنة بإدخال المفاعلات النمطية الصغيرة، يمكن أن تسد هذه الثغرات.

تعرَّف على الكيفية التي يمكن من خلالها أن تحلَّ الطاقة النووية محلَّ الفحم كجزء من الانتقال إلى الطاقة النظيفة.

ما هو دور الوكالة؟

Advantages of SMRs

Many of the benefits of SMRs are inherently linked to the nature of their design – small and modular. Given their smaller footprint, SMRs can be sited on locations not suitable for larger nuclear power plants. Prefabricated units of SMRs can be manufactured and then shipped and installed on site, making them more affordable to build than large power reactors, which are often custom designed for a particular location, sometimes leading to construction delays. SMRs offer savings in cost and construction time, and they can be deployed incrementally to match increasing energy demand.

One of the challenges to accelerating access to energy is infrastructure – limited grid coverage in rural areas – and the costs of grid connection for rural electrification. A single power plant should represent no more than 10 per cent of the total installed grid capacity. In areas lacking sufficient lines of transmission and grid capacity, SMRs can be installed into an existing grid or remotely off-grid, as a function of its smaller electrical output, providing low-carbon power for industry and the population. This is particularly relevant for microreactors, which are a subset of SMRs designed to generate electrical power typically up to 10 MW(e). Microreactors have smaller footprints than other SMRs and will be better suited for regions inaccessible to clean, reliable and affordable energy. Furthermore, microreactors could serve as a backup power supply in emergency situations or replace power generators that are often fuelled by diesel, for example, in rural communities or remote businesses.

In comparison to existing reactors, proposed SMR designs are generally simpler, and the safety concept for SMRs often relies more on passive systems and inherent safety characteristics of the reactor, such as low power and operating pressure. This means that in such cases no human intervention or external power or force is required to shut down systems, because passive systems rely on physical phenomena, such as natural circulation, convection, gravity and self-pressurization. These increased safety margins, in some cases, eliminate or significantly lower the potential for unsafe releases of radioactivity to the environment and the public in case of an accident.

SMRs have reduced fuel requirements. Power plants based on SMRs may require less frequent refuelling, every 3 to 7 years, in comparison to between 1 and 2 years for conventional plants. Some SMRs are designed to operate for up to 30 years without refuelling.

Nuclear Power: The Road to a Carbon Free Future

Nuclear power provides 10 per cent of the world’s electricity, but to stem climate change, far greater amounts of clean and reliable energy are needed. Thirty countries currently operate nuclear power plants. More than two dozen others are looking at nuclear energy to meet their power and climate needs. In the western United States, more than 30 towns and cities are also looking to the future. They want to go carbon free, and they are betting on SMRs to get there.

What is the status of SMRs?

Both public and private institutions are actively participating in efforts to bring SMR technology to fruition within this decade. Russia’s Akademik Lomonosov, the world’s first floating nuclear power plant that began commercial operation in May 2020, is producing energy from two 35 MW(e) SMRs. Other SMRs are under construction or in the licensing stage in Argentina, Canada, China, Russia, South Korea and the United States of America.

More than 80 commercial SMR designs being developed around the world target varied outputs and different applications, such as electricity, hybrid energy systems, heating, water desalinisation and steam for industrial applications. Though SMRs have lower upfront capital cost per unit, their economic competitiveness is still to be proven in practice once they are deployed.

Read how international collaboration will help bring SMRs, including microreactors, to fruition.

SMRs and sustainable development

SMRs and nuclear power plants offer unique attributes in terms of efficiency, economics and flexibility. While nuclear reactors provide dispatchable sources of energy – they can adjust output accordingly to electricity demand – some renewables, such as wind and solar, are variable energy sources that depend on the weather and time of day. SMRs could be paired with and increase the efficiency of renewable sources in a hybrid energy system. These characteristics position SMRs to play a key role in the clean energy transition, while also helping countries address the Sustainable Development Goals (SDGs).

Efforts to achieve the target of universal access to energy, SDG 7, has made visible progress; however, gaps are still prevalent, mainly concentrated in remote and rural regions. As global efforts seek to implement clean and innovative solutions, the increased use of renewable energy coupled with the introduction of SMRs has the potential to fill such gaps.

Find out how nuclear can replace coal as part of the clean energy transition.

What is the role of the IAEA?

The SMR Regulators’ Forum, created in March 2015, provides enabling discussions among countries and stakeholders to share SMR regulatory knowledge and experience.

This article was first published on 4 November 2021.