هسته ای در صنعت 17 | استفاده از نیروگاه‌های هسته‌ای کوچک، در استخراج معادن زیرآبی

خبرگزاری تسنیم؛ گروه اقتصادی استخراج معادن زیرآبی در اعماق دریا نظیر نودول‌های پُلی‌متالیک یا منابع سنگین در بستر اقیانوس یکی از چشم‌اندازهای نوظهور برای تأمین عناصر نادر و استراتژیک جهان است. این عملیات، در کنار چالش‌های فنی متعدد، با محدودیت‌های انرژی در مناطق دورافتاده یا زیرساخت‌نداشته روبه‌رو است. انرژی هسته‌ای، به‌ویژه در قالب سامانه‌های کوچک مدولار (SMR)، فرصت بی‌سابقه‌ای برای حل این گره فراهم کرده است. SMRهای دریایی مانند پروژه Flexblue (2008-2016 توسط Naval Group و AREVA طراحی شد) و نمونه‌های مشابه روسی مانند RITM200M که قرار است در نیروگاه شناور انرژی برای معدن Baimskaya استفاده شود (راه‌اندازی پیش‌بینی‌شده از 2028 تا 2029) طراحی شده‌اند تا برق، گرما و قابلیت پشتیبانی 24/7 را در بستر دریا فراهم سازند. این فناوری، هم استقلال انرژی را برای معادن زیرآبی تأمین می‌کند، و هم نقش مهمی در کاهش انتشارCO، حذف ضرورت ژنراتورهای دیزلی و استفاده از گرمای جانبی برای مصارف آب‌شیرین‌کن یا گرمایش دارد.

هدف این یادداشت، بررسی اصول پایه، عناصر فنی، روند اجرایی، کاربردها، مزایا و محدودیت‌ها، چارچوب‌های قانونی بین‌المللی، نمونه‌های موفق و چشم‌انداز توسعه این فناوری در استخراج معادن زیرآبی است. نوشتار با اتکای به منابع بین‌المللی معتبر و در قالب نثری دقیق علمی‌ژورنالیستی، تحلیلی مستند درباره قابلیت‌پذیری و چالش‌ها ارائه خواهد کرد.

در زمینه «کاربرد فناوری هسته‌ای در صنعت» بیشتر بخوانید:

معرفی و اصول کلی فناوری

فناوری استفاده از SMR در استخراج زیرآبی بر سه پایه استوار است: تأمین انرژی، مدیریت حرارتی و رباتیک صنعتی. SMRهای شناور یا زیرآبی مانند Flexblue (یا RITM200M مدل نسل III+ روسی) طراحی شده‌اند تا برق 50 تا 250 مگاوات الکتریکی تولید کنند، در عمق 60 تا 100 متری قرار گیرند و از آب دریا به‌عنوان سینک حرارتی بهره‌مند شوند. این راکتورها با سوخت کم‌غنی‌شده (اورانیوم 235 زیر 20 درصد) طراحی شده و چرخه سوخت‌گیری طولانی (5-10 سال) دارند که از نیاز به تعمیرات مکرر جلوگیری می‌کند.

برای عملیات معدن زیرآبی، بخش انرژی وظیفه تأمین برق لازم برای حفاری، رباتیک و کنترل را دارد. هم‌زمان، گرمای جانبی راکتور می‌تواند برای فرآیندهایی مانند آب‌شیرین‌سازی یا گرمایش داخلی سکوی استخراج به‌کار گرفته شود. همچنین اتوماسیون و رباتیک هسته‌ای، شامل پهپادهای زیرآبی با قابلیت مکان‌یابی خودکار، راهبری هوشمند و فعالیت مستقل، زیرساخت تحویل در عمق را فراهم می‌کند. این فناوری‌ها با ترکیب تابش، امنیت هسته‌ای، و کنترل از راه دور، استخراج را به‌نوعی خودگردان، کم‌خطر و قابل پایش تبدیل کرده‌اند.

اجزای اصلی سیستم

برای بهره‌برداری از انرژی هسته‌ای در استخراج معادن زیرآبی، یک سامانه پیچیده از تجهیزات زیرساختی مورد نیاز است که هماهنگی دقیق میان آن‌ها عملکرد مؤثری را رقم می‌زند. نخست، راکتور هسته‌ای کوچک (SMR) یا شناور زیرآبی است که نیروی برق و گرما را فراهم می‌کند. نمونه‌هایی مانند پروژه Flexblue که به‌وسیله Naval Group و AREVA طراحی شد قرار است در عمق چند ده متری زیر سطح نصب شوند و با استفاده از آب دریا به عنوان سینک حرارتی عمل کنند. همچنین طراحی راکتورهایی نظیر RITM200M برای نصب روی شناور یا شناورهای برق‌ساز کوچک هم در این زمینه قابل توجه‌اند.

دومین عنصر کلیدی، شبکه برق‌رسانی و توزیع انرژی است. برق تولیدشده در زیر ساخت راکتور باید به تجهیزات حفاری و سامانه‌های استخراج انرژی از جمله روبات‌ها یا اسکروهای زیرآبی برسد. این شبکه شامل کابل‌های مقاومت‌پذیر در برابر خوردگی نمکی در اعماق، تجهیزات تبدیل ولتاژ، و سیستم‌های اضطراری است.

سومین رکن، ربات‌ها و تجهیزات استخراج زیرآبی از جمله ربات‌های دقیق یا پهپادهای خودران آبزی است. این تجهیزات باید توانایی تحمل فشار بالای عمق، انتقال داده و کارکرد نسبتاً مستقل را داشته باشند. توسعه روباتی‌های مرتبط با فناوری هسته‌ای نیز ممکن است با همکاری مراکز پیشرفته مانند National Centre for Nuclear Robotics پیش برود.

عنصر چهارم، سامانه کنترل ایمنی پرتویی و زیست‌محیطی است؛ شامل حسگرهای تشخیص نشت، سامانه‌های خنک‌کاری، و مقررات حفاظتی IAEA برای منابع هسته‌ای زیرآبی. همچنین لازم است سازگاری محیطی با اکوسیستم دریایی حفظ شود.

فرآیند کلی انجام

اولین مرحله این پروژه، انتخاب مکان و مطالعات ZEIA (مطالعات زیست‌محیطی و تأثیرات آلودگی) برای تعیین سایت معادن اعماق است. پس از آن، نصب سامانه انرژی هسته‌ای مانند راکتور شناور یا Flexblue در اعماق یا نزدیک سکوی معدن انجام می‌شود. قرارگیری زیرآبی راکتور نه‌تنها بهره‌برداری مؤثر از سینک حرارتی آب دریا را ممکن می‌سازد، بلکه محافظت از حملات لایه‌ای را فراهم می‌کند.

در مرحله دوم، رساندن انرژی به تجهیزات استخراج. کابل‌کشی مقاومت‌پذیر به عمق، همراه با مبدل‌های ولتاژ و شبکه مدیریتی، برق لازم را به تجهیزات حفاری و رباتیک می‌رساند. مرحله بعد، استخراج مکانیزه معادن زیرآبی مانند نودول‌های پُلی‌متالیک یا سنگ‌های رسوبی معدنی، مشابه پروژه Hidden Gem مدیریت، توسط تجهیزات رباتیک انجام می‌شود.

عایق‌بندی‌های ایمنی و نظارت پرتویی هم‌زمان انجام می‌شود تا نشت رادیواکتیو یا گرمای بیش از حد کنترل شود. همچنین احتمال بازیافت گرمای تلف‌شده را می‌توان با استفاده از سیستم‌های احیای حرارت (cogeneration) بررسی کرد. پس از استخراج، مواد به کشتی‌های سطحی منتقل شده و فرآیندهای فرآوری و جدا‌سازی آغاز می‌شوند.

کل این فرایند به‌صورت یکپارچه و پایش‌شده با استفاده از زیرساخت دیجیتال کنترل از راه دور و حسگرهای هوشمند انجام می‌پذیرد تا تداوم عملیات، ایمنی نهایی و پایداری محیطی تضمین شود.

انواع کاربردها

این فناوری می‌تواند در موارد زیر کاربرد عملی داشته باشد:

• استخراج نودول‌های پُلی‌متالیک شامل کبالت، نیکل، لیتیم و عناصر نادر خاکی از مناطق ژرف اقیانوسی مانند ClarionClipperton Zone (CCZ) در اقیانوس آرام، که ذخایری بزرگ و اقتصادی محسوب می‌شوند.
• استخراج سنگ‌های قیمتی یا فلزات سنگین از کف دریا در مناطقی نظیر مجمع‌الجزایر مسطح یا سواحل معادن قدیمی.
• پشتیبانی انرژی دریایی برای سکوی‌های نفتی یا گازی دوردست که برق پایدار نیاز دارند. نمونه‌هایی از SMRهای شناور برای تأمین برق چنین مواردی در حال بررسی هستند.
• استفاده از گرمای جانبی راکتور برای تقطیر آب دریا و تأمین آب شیرین (desalination) نزدیک محل معدن.
• تأمین برق برای ساخت و نگهداری زیرساخت حفاری در مناطقی با دسترسی محدود یا خاموش‌شده.

هر کدام از این کاربردها نیازمند سازگاری دقیق با فناوری‌های استخراج زیرآبی و انرژی هسته‌ای است، اما در مدل‌های نوآورانه، پتانسیل تأمین منابع معدنی نادر و پاک را دارند.

مزایای این روش نسبت به روش‌های سنتی

استفاده از انرژی هسته‌ای در استخراج زیرآبی مزایای مهم زیر را دارد:

• پایداری انرژی مستقل: برخلاف تجهیزات مرسوم که به دیزل یا برق ساحلی وابسته‌اند، SMRهای دریایی برق دائمی و مداوم فراهم می‌کنند.
• کاهش ردپای کربن: استفاده از انرژی هسته‌ای بدون انتشار CO است، که در مقایسه با ژنراتور‌های دیزلی دریایی، مزیت محیطی چشمگیری دارد.
• توان عملیاتی مداوم: راکتورهای زیرآبی یا شناوری قابل توقف ناشی از سوخت ندارند و برای ماموریت‌های طولانی مناسب‌اند.
• کارآمدی در محیط‌های دورافتاده: در مناطقی ممکن است زیرساخت برق ساحلی وجود نداشته باشد؛ این فناوری امکان استخراج در آن مناطق را بدون نیاز به توسعه خط انتقال امکان‌پذیر می‌سازد.
• استفاده از گرمای تلف‌شده: می‌توان هم‌زمان با استخراج، برای تولید آب شیرین یا گرمایش محیط سکوی معدن استفاده کرد.
• ایمنی بالاتر: سامانه Flexblue دریایی کمتر در معرض حملات یا تهدیدات خرابکاری قرار دارد زیرا زیرآب و دسترسی محدود است.

چالش‌ها و محدودیت‌ها

چالش‌های اصلی استفاده از انرژی هسته‌ای در معادن زیرآبی عبارت‌اند از:

• ریسک‌های ایمنی پرتویی و نشت هسته‌ای: جلوگیری از انتشار مواد رادیواکتیو در محیط دریایی نیاز به حفاظ‌های دقیق و سیستم‌های پیچیده کنترل دارد. پتانسیل آسیب زیست‌محیطی در صورت نشت، بسیار بالاست.
• هزینه‌های بالا و زمان طولانی توسعه: ساخت و نصب راکتورهای زیرآبی مشخصاً هزینه‌بر است؛ پروژه‌ای مانند Flexblue و سامانه‌های مشابه نیازمند سرمایه‌گذاری چند میلیارد دلاری هستند.
• چالش‌های فناورانه تبدیل نیرو: انتقال برق در عمق بالا و رابط با تجهیزات استخراج نیاز به کابل‌های خاص، مبدل‌های ضدخوردگی و زیرساخت مقاوم دارد.
• مقررات پیچیده بین‌المللی: منع قانونی یا مقررات دریایی برای نصب تأسیسات هسته‌ای در دریا وجود دارد و هماهنگی‌های مجوزی پیچیده‌اند.
• پذیرش اجتماعی و زیست‌محیطی: نگرانی عمومی در مورد ریسک اکولوژیکی نشت و مقاومت جوامع محلی یا سازمان‌های محیط‌زیستی، مانعی برای توسعه سریع است.
• مدیریت پسماند هسته‌ای: تأمین سوخت، نقل‌وانتقال، و در نهایت دفع سوخت مصرف‌شده زیرآبی نیازمند برنامه‌ریزی دقیقی است.

استانداردها و دستورالعمل‌های بین‌المللی

برای کاربرد ایمن و مسئولانه از فناوری انرژی هسته‌ای زیرآبی، استانداردها و چارچوب‌های قانونی بحرانی‌اند:

• IAEA Safety Standards Series، به‌ویژه مستنداتی مانند GSR Part 3 و SSG8، چارچوب کلی حفاظت اپراتور، محیط و مدیریت منابع هسته‌ای را برای فعالیت‌های غیرنظامی ارائه می‌دهند.
• مقررات ABS (American Bureau of Shipping) در ارتباط با سیستم‌های هسته‌ای شناور و دریایی، چارچوب ایمنی، کلاس‌بندی و شهرت‌سازی برای شناورهای انرژی هسته‌ای را تعریف کرده‌اند.
• استانداردهای IAEA برای SMRهای دریایی و نهادهای رگولاتوری ملی، مانند NRC برای ایالات متحده، CADC برای کانادا، که شرایط نصب، بهره‌برداری و نشت احتمالی را شفاف می‌کنند.
• استانداردهای محیط‌زیستی دریایی برای جلوگیری از افزایش دمای آب دریا یا انتشار مواد رادیواکتیو به اکوسیستم.
• تدوین راهنمای ملی برای کشورهایی که قصد بهره‌برداری از این فناوری را دارند، باید با استفاده از تجربه بین‌المللی، چارچوب قانونی ویژه‌ای داشته باشند تا اطمینان حاصل شود فرآیندها مطابق اصول زیست‌محیطی و ایمنی هستند.

پیشرفت‌های نوین این روش

تحولات اخیر در حوزه این فناوری شامل موارد زیر می‌شوند:

• طرح‌های SMR دریایی یا شناور مانند RITM200M روسی که برای پروژه‌های ساحلی یا شناور کاربرد دارد و نخستین اجراهای عملی آن تا 2029 راه‌اندازی می‌شود.
• توسعه سامانه Allseas برای ادغام SMR در کشتی‌های حفاری و استخراج زیرآبی؛ برای مثال کشتی Hidden Gem که در پروژه استخراج نودول در اعماق تا 4000 متر عملیاتی شده است و اکنون Allseas قصد دارد SMR ویژه این کشتی را طراحی کند.
• پیشرفت در فناوری شناورهای انرژی دریایی Flexblue که امکان استفاده از ساختار پنهان و حفاظت‌شده زیرآبی را برای تولید انرژی فراهم می‌کندهرچند پروژه تا حدودی متوقف شده، اما زمینه ساز آینده است.
• ادغام هوش مصنوعی و رباتیک هسته‌ای برای کنترل دقیق و هوشمند سیستم‌های استخراج زیرآبی توسط مراکز تحقیقاتی مانند NCNR بریتانیا در مدیریت پسماند هسته‌ای.
• ادغام سیستم‌های انرژی سبز مانند ترکیب SMR با انرژی باد یا خورشیدی در سازه‌های دریایی جهت حفظ پایداری برق و تولید همزمان گرما یا هیدروژن سبز.

آینده‌شناسی و توصیه‌ها

آینده کاربرد انرژی هسته‌ای برای معادن زیرآبی نویدبخش اما نیازمند برنامه‌ریزی دقیق است. نخست، سرمایه‌گذاری در پژوهش و توسعه فناوری‌های SMR دریایی و سامانه‌های مرتبط، همراه با انجام عملیات تجربی در مقیاس آزمایشی ضروری است. همچنین باید زیرساخت‌های قانونی و رگولاتوری برای مجوزدهی، ایمنی و نظارت محیط‌زیستی ایجاد شود.

دوم، همکاری میان بازیگران صنعتی و دانشگاهی، به‌ویژه در زمینه طراحی ربات‌های حفاری تحت انرژی هسته‌ای، ضروری است. ارائه دسترسی مانع‌شده، کارگاه تمرینی و نمونه‌های اولیه علمی راه را برای مقیاس‌پذیری عملیاتی باز خواهد کرد.

سوم، لازم است توسعه نیروی انسانی متخصص مهندسان هسته‌ای، دریایی و محیط‌زیست در کشورهایی که قصد بهره‌برداری دارند، صورت پذیرد. آموزش ترکیبی در زمینه رگولاتوری و فناوری‌های خنک‌کاری و رباتیک مورد نیاز است.

چهارم، پایش زیست‌محیطی دقیق قبل، حین و پس از بهره‌برداری پروژه‌ها برای جلوگیری از تأثیرات دمای دریا و نشت احتمالی ضرورت دارد. ارزیابی اثرات بلندمدت اکوسیستم دریایی نیازمند مرجع مستقل علمی است.

در نهایت، توصیه می‌شود فعالیت‌های اولیه در مقیاس آزمایشی یا منطقه‌ای مانند طرح Allseas یا پروژه Az Akademik Lomonosov آغاز شوند، نتایج منتشر شود، و پیش‌شرکت‌های صنعتی بتوانند بهره‌برداری مقیاس‌پذیر را از آنها ادامه دهند.

نمونه‌های کاربردی

چند پروژه واقعی که در این زمینه پیش‌رفت دارند:

• پروژه Hidden Gem متعلق به Allseas: کشتی حفاری به‌کار رفته در استخراج نودول‌های پُلی‌متالیک عمق‌دار (بیش از 4000 متر)؛ حالا Allseas برنامه دارد برای این شناور، یک SMR اختصاصی توسعه دهد تا برق لازم را بدون دیزل تأمین کند.
• پروژه Flexblue توسط Naval Group فرانسه: طرح یک راکتور زیرآبی تقریبا 50 تا 250 مگاواتی که می‌تواند نصب‌شده در عمق‌های محدود، انرژی مورد نیاز عملیات معدن‌آبی را بدون انتشار کربن تأمین نماید.
• شناور Akademik Lomonosov روس‌ها: اولین نیروگاه شناور با دو راکتور KLT40S که برق و گرمای پایدار برای شهر چوکوتکا فراهم کرده است. این نمونه، نمونه‌ای از کاربرد در مناطق دورافتاده و دریایی است که می‌تواند الگوی مشابهی برای حمایت از سکوی استخراج وزارت نفت یا معدن‌کاوی زیرآبی باشد.

جمع‌بندی

کاربرد انرژی هسته‌ای در استخراج معادن زیرآبی فراتر از یک ایده نظری است؛ این فناوری آینده استخراج هوشمند و پایدار دریایی را رقم می‌زند. با استفاده از SMRهای دریایی یا شناور، امکان تأمین برق مستمر برای ربات‌ها و تجهیزات استخراج در عمق‌های زیاد فراهم می‌شود و نیاز به سوخت فسیلی و انتشار آلاینده‌ها حذف می‌شود. هرچند چالش‌هایی از قبیل هزینه بالا، ایمنی پرتویی، مقررات بین‌المللی و ناپذیری اجتماعی باقی است، اما نمونه‌سازی‌هایی مانند Hidden Gem و Akademik Lomonosov نشان می‌دهند که این راه عملی است.

با تدوین چارچوب قانونی، توسعه زیرساخت پژوهشی، همکاری صنعت و دانشگاه، و ابتکار در مدیریت زیست‌محیطی، می‌توان استخراج منابع نادر در اعماق دریا را با کمترین تأثیر محیطی و بیشترین بازدهی انجام داد. این مسیر به توسعه اقتصاد اقیانوسی، کاهش فشار بر معادن زمین‌محور، و تأمین مواد معدنی حیاتی برای تکنولوژی‌های آینده منتهی خواهد شد.