تنبؤ بمعدلات التحويل الناتجة عن التفكك بواسطة مسدِّد البروتونات للنواتج الانشطارية طويلة الأمد

تحويل النفايات المشكلة إلى شيء أكثر أمانًا

تنتج محطات الطاقة النووية الكهرباء دون إصدار ثاني أكسيد الكربون، لكنها تنتج أيضًا كمية صغيرة من النفايات التي تظل مشعة لفترات زمنية طويلة للغاية. مجموعة قليلة من هذه المكوّنات طويلة العمر تهيمن على الخطر على المدى البعيد وتجعل من الصعب إقناع الجمهور بأن الطاقة النووية يمكن أن تكون آمنة للأجيال القادمة. تستقصي هذه الورقة فكرة تقنية متقدمة: استخدام مسرع جسيمات قوي لقصف هدف معدني، محدثًا فيضانًا من النيوترونات التي يمكنها "إعادة ترتيب" ذرات هذه النفايات إلى أشكال تتحلل بسرعة أكبر بكثير، مما يخفف العبء عن مواقع التخزين المستقبلية.

لماذا تتسبب بضع ذرات في معظم المشكلة

ليست كل النفايات النووية متساوية. يركز المؤلفون على ستة "نواتج انشطار طويلة العمر" محددة تظل مشعة لمئات الآلاف إلى ملايين السنين وتسيطر على السمية المتبقية بعد إعادة تدوير المواد الأخرى. وهذه تشمل أشكالًا معينة من السيلينيوم والزركونيوم والتكنيشيوم والقصدير واليود والسيزيوم. وبما أنها تنبعث منها بالأساس إشعاعات بيتا غير مرئية وتظل خطرة لفترات طويلة، فإنها تدفع الحاجة إلى مستودعات آمنة جدًا. إذا أمكن تحويل حتى جزء من هذه الذرات إلى أشكال أكثر أمانًا وأقصر عمرًا، فيمكن تقليل الوقت وتعقيد تخزين النفايات بدرجة كبيرة.

استخدام مطرقة بروتون لصنع نيوترونات مفيدة

يعتمد النهج المقترح على عملية تُسمى التفكك (سباليشن). تُطلق حزمة عالية الطاقة من البروتونات، تسير بسرعة تقارب سرعة الضوء، إلى داخل هدف معدني عالي الكثافة مثل الرصاص أو اليورانيوم المنضب. عندما يصطدم كل بروتون بنواة ثقيلة، يطلق شلالًا عنيفًا داخليًا يقذف رشًا من النيوترونات. تكون هذه النيوترونات أكثر عددًا وطاقة بكثير من تلك التي تُطلق عادة في المفاعل. من خلال إحاطة الهدف بقضبان تحتوي على النفايات طويلة العمر وملء الفراغات بالماء الثقيل وعاكس من البريليوم، يتحول النظام إلى "حدادة" نيوترونية مخصصة. تبطؤ النيوترونات أثناء تشتتها في الوسط المهدئ، واعتمادًا على طاقتها، يمكن أن تُلتقط بواسطة ذرات النفايات، محولة إياها إلى نظائر جديدة غالبًا ما تكون أقل مشكلة بكثير.

البحث عن أفضل هدف وتصميم

لاختبار مدى فاعلية هذا المفهوم، استخدم الفريق محاكيات حاسوبية مفصلة تتعقب الجسيمات الفردية والتفاعلات النووية. فحصت مجموعة من الحسابات معادن أهداف التفكك المختلفة. أنتج اليورانيوم المنضب نحو ضعف عدد النيوترونات لكل بروتون وارد مقارنةً بالرصاص، ما عزز معدلات التحويل لجميع أنواع النفايات الست بنحو 10–25%. ومع ذلك، تأتي هذه الزيادة في الأداء مع مقايضات: يخضع اليورانيوم نفسه للانشطار في الحزمة، مولدًا حرارة إضافية ونفايات جديدة وتدفقًا مستمرًا من النواتج طويلة العمر التي يحاول النظام إزالتها. درس الباحثون أيضًا كيفية وضع قضبان النفايات المختلفة حول الهدف. ونظرًا لأن طاقة النيوترونات تتغير مع المسافة، فإن بعض النظائر تعمل بشكل أفضل بالقرب من الهدف في طيف "أكثر حرارة"، بينما تستفيد أخرى من نيوترونات أبرد وأكثر حرارية في المواقع البعيدة.

أي ذرات نفايات تستحق الجهد؟

تكشف المحاكاة عن سلوك متباين. تستجيب التكنيشيوم واليود والسيلينيوم جيدًا جدًا لهذا العلاج، حيث يتم تحويل كسور كبيرة من كتلتها خلال خمس سنوات من التعرض المستمر للإشعاع. يكون القصدير أكثر عنادًا لكنه لا يزال يتحسن إذا وُضع في مناطق تبطؤت فيها النيوترونات. أما الزركونيوم، فعلى النقيض من ذلك يكاد يكون شفافًا للنيوترونات: حتى مع ضبط طيف النيوترونات بعناية، يحترق ببطء وسيكون مكلفًا معالجته. يتضح أن السيزيوم معقد لسبب آخر — فأشكاله الأكثر شيوعًا تمتص النيوترونات أولًا، لذلك يزيد الشكل الإشكالي فعليًا لعدة سنوات قبل أن يبدأ الانخفاض الصافي. عندما تُجمع الأنواع الست معًا في خزان واحد، تظل النويات "السّهلة" تتحول بكفاءة، لكن الزوج المطالب، السيزيوم والزركونيوم، يثقل الأداء العام ويرفع تكلفة المعالجة لكل كيلوغرام بشكل كبير.

التوازن بين الفيزياء والسعر

تشغيل مسرع بجهد 1 جيغا إلكترون فولت عند الشدة المطلوبة ليس رخيصًا. في السيناريو المدروس، سيستغني تزويد المسرع بالطاقة عن نحو 100 ميغاواط من الكهرباء من مفاعل كبير نموذجي على نفس الموقع، ما يمثل نحو عُشر إنتاجه وعشرات الملايين من الدولارات من العائد السنوي الضائع. عند توزيع تكاليف الطاقة هذه على معدلات التحويل المحاكية، يبرز التكنيشيوم كهدف الأكثر جذبًا من الناحية الاقتصادية، بينما يكون السيزيوم والزركونيوم مكلفين جدًا. يجادل المؤلفون بأن استراتيجية واقعية قد تركز على النظائر الأسهل أو تعالج الصعبة في أنظمة مخصصة بدل خلط كل شيء معًا.

ما الذي يعنيه هذا لمستقبل نفايات الطاقة النووية

بعبارات بسيطة، تُظهر هذه الدراسة أن استخدام حزمة جسيمات قوية لتقليص بعض أطول مكونات النفايات النووية عمرًا ممكن تقنيًا، وتحويلها إلى أشكال أقل إزعاجًا. وتوضح العمل أيضًا أن ليست كل النفايات قابلة للاستجابة بنفس القدر: فبعض النظائر مرشحة واعدة لتنظيف مدفوع بالمسرع، بينما تبقى أخرى عنيدة أو مكلفة جدًا لمعالجتها بهذه الطريقة. من خلال رسم هذه المقايضات بتفصيل، يقدّم المؤلفون مخططًا لتصاميم أذكى تجمع بين الفيزياء والهندسة والاقتصاد. إذا أكدت التجارب المستقبلية هذه التنبؤات وأصبحت تقنيات المسرعات أكثر كفاءة، فقد تقلّص مثل هذه الأنظمة بشكل كبير الخطر طويل الأمد للنفايات النووية، مما يساعد على جعل الطاقة النووية تبدو خيارًا طاقيًا مستدامًا حقًا.

الاستشهاد: Tukharyan, G., Kendrick, W.R., Yu, J. et al. Prediction of spallation induced transmutation rates for long-lived fission products via proton accelerator. Sci Rep 16, 8585 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38736-9

الكلمات المفتاحية: نفايات نووية, التفكك (سباليشن), التحويل النووي, مسرع بروتونات, نواتج الانشطار طويلة العمر