فناوری هسته‌ای در خدمت آب، نه یک انتخاب، بلکه یک ضرورت راهبردی . به قلم دکتر سید پژمان شیرمردی

فناوری هسته‌ای در خدمت آب؛ ضرورتی راهبردی برای آینده کشور

دکتر سید پژمان شیرمردی، عضو هیأت علمی پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، در مقاله‌ای با عنوان «فناوری هسته‌ای در خدمت آب، نه یک انتخاب، بلکه یک ضرورت راهبردی» به نقش کلیدی فناوری هسته‌ای در مدیریت پایدار منابع آب پرداخته است.

وی با اشاره به بحران جهانی آب و افزایش تقاضا تا سال ۲۰۵۰، تأکید کرده است که استفاده از فناوری‌های نوین هسته‌ای در حوزه‌هایی چون نمک‌زدایی آب دریا با راکتورهای مدولار کوچک (SMR)، تصفیه پساب‌ها با پرتوهای یونساز و ردیابی منابع آب زیرزمینی می‌تواند راهکاری مؤثر برای تأمین امنیت آبی کشور باشد.

🔹 شما را به مطالعه متن کامل مقاله دعوت میکنیم :

فناوری هسته‌ای در خدمت آب، نه یک انتخاب، بلکه یک ضرورت راهبردی

سید پژمان شیرمردی

عضو هیات علمی پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای

آب از دیرباز بعنوان عنصر اساسی حیات مقدس شمرده می‌شد. آب از یک سو نماد زندگی و از سوی دیگر نماد پالایش و طهارت می‌باشد. طبق نظر دانشمندان این مایع مقدس بخش مهمی از بدن انسان را تشکیل داده است. میزان آب موجود در بدن یک فرد می‌تواند بین ۴۵ تا ۷۵ درصد متغیر باشد. به عنوان مثال، نوزادان بیشترین درصد آب را در بدن خود دارند که با افزایش سن، میزان آن کاهش می‌یابد. همچنین، بسته به ساختار بدنی فرد و نسبت ماهیچه به چربی آن، درصد آب بدن انسان می‌تواند متفاوت باشد. علاوه بر انسان، تمام موجودات زنده اعم از گیاهان و حیوانات به نحوی برای بقای خود به آب نیاز دارند.

حدود ۲/۵ تا ۳ درصد از کل آب موجود در دنیا آب شیرین و حدود ۹۷ درصد آن شور است. از این مقدار آب شیرین، بخش عمده آن یعنی حدود ۶۸ تا ۷۰ درصد به‌صورت یخ در یخچال‌های طبیعی و کلاهک‌های یخی قطب‌ها ذخیره شده است. حدود ۳۰ درصد در آب‌های زیرزمینی (احتمال آلودگی به مواد معدنی و شوری زیاد است) یافت می‌شود و حدود یک درصد از کل آب‌های جهان به‌صورت آب شیرین قابل دسترس در رودخانه‌ها، دریاچه‌ها و تالاب‌ها وجود دارد که مستقیماً برای شرب قابل استفاده است. با این حال، حتی این مقدار اندک آب شیرین قابل شرب به دلیل آلودگی، بهره‌برداری بیش از حد و تغییرات اقلیمی تحت فشار است و در بسیاری از مناطق نیاز به تصفیه یا نمک‌زدایی دارد.

آب شیرین یک منبع تجدیدپذیر است که توسط چرخه آب طبیعی دوباره به گردش در می‌آید، اما توزیع طبیعی ناهموار در مکان و زمان، رشد جمعیت، تقاضای بالای کشاورزی و توسعه کمی و کیفی صنایع باعث فشارهایی در زمینه دسترسی به آن گردیده است.

بر اساس گزارش‌های سازمان بهداشت جهانی و یونیسف برای سال ۲۰۲۴، حدود ۲/۲ میلیارد نفر در سراسر دنیا به آب آشامیدنی سالم و ایمن دسترسی ندارند. این آمار نشان‌دهنده عدم دسترسی به آب تمیز، بدون آلودگی‌های باکتریایی، شیمیایی یا فیزیکی، و در دسترس در محل سکونت است. حدود شش میلیارد نفر از جمعیت جهان (۷۵ درصد جمعیت جهان) به آب آشامیدنی ایمن دسترسی دارند. با این حال، نابرابری‌های جغرافیایی و اقتصادی همچنان شدید است؛ برای مثال، در مناطق روستایی پوشش تنها ۶۰ درصد است. از ۲/۲ میلیارد نفر بدون دسترسی، ۱/۴ میلیارد نفر به خدمات پایه دسترسی دارند (آب تمیز اما نه لزوماً ایمن)، که این کمبود منجر به حدود ۸۳۰ هزار مرگ سالانه ناشی از بیماری‌های مرتبط با آب ناسالم می‌شود.

طبق گزارشات و پیش‌بینی‌های منتشر شده تا سال ۲۰۵۰، تقاضای جهانی آب حدوداً ۲۰ تا ۳۰ درصد افزایش خواهد یافت و بیش از ۵۰ درصد جمعیت جهان نیز در مناطق تحت تنش آبی زندگی خواهند کرد. همانطور که در بالا اشاره شد، تقریباً یک چهارم جمعیت جهان به آب آشامیدنی ایمن دسترسی ندارند و پیش‌بینی می‌شود که این مشکل با رشد جمعیت و کاهش منابع آب تشدید شود. در این میان، مناطق خشک و نیمه‌خشک آسیا و شمال آفریقا بیشترین آسیب را خواهند دید. طبق گزارش منتشر شده توسط یونسکو، کمبود آب شیرین جهانی تا پایان سال ۲۰۲۵ به دو هزار میلیارد مترمکعب خواهد رسید.

با توجه به آمار فوق، ضرورت مدیریت منابع آب موضوعی حیاتی برای کشورها، بویژه در کشور عزیزمان ایران می‌باشد. مشارکت جمعی برای استفاده بهینه و صرفه‌جویی در منابع موجود آب شیرین، استفاده از روش‌های نوین کشاورزی، آموزش مستمر استفاده از منابع آب، انتقال صنایع آب‌بر به سواحل دریا، مدیریت پساب‌ها و شیرابه‌ها و شیرین‌سازی آب‌های شور از مهمترین کارهایی است که می‌توان برای مدیریت این نعمت خدادادی جهت بهره‌گیری در زندگی انسان به کار گرفت. یکی از مهمترین روش‌ها برای بازگردانی پساب‌ها به چرخه مصرف و همچنین استفاده از آب شور دریاها، بکارگیری فناوری‌های نوینی همچون فناوری هسته‌ای است.

طبق آمار و گزارشات منتشر شده در مقالات علمی، در سال ۲۰۱۵، حدود ۱۹ هزار کارخانه نمک‌زدایی در جهان با ظرفیت تولید حدود ۹۰ میلیون مترمکعب آب آشامیدنی در روز فعال بودند که بیش از ۷۰ درصد آنها از فناوری اسمز معکوس و تقریباً ۳۰ درصد از فرآیندهای حرارتی (مانند MSF و MED) استفاده می‌کردند. استفاده از فرآیندهای حرارتی برای آب با شوری بالا مناسب‌تر است و می‌توانند از گرمای تلف‌شده نیروگاه‌ها استفاده کنند. فناوری‌های نوپدید مانند الکترودیونیزاسیون (EDI) و اسمز مستقیم یا پیش‌رو (FO) نیز در حال توسعه هستند. نمونه عملیاتی: تاسیسات آب شیرین‌کن جبل علی کشور امارات بعنوان بزرگترین کارخانه نمک‌زدایی آب در جهان حدود ۲/۲ میلیون مترمکعب آب آشامیدنی در شبانه‌روز تولید می‌کند و همچنین در عربستان حدود ۵۰ درصد آب آشامیدنی از فرآیندهای نمک‌زدایی از آب‌های شور تأمین می‌شود که نمونه آن تاسیسات بزرگ الجبیل در راس‌الخیر با تولید بیش از یک میلیون مترمکعب در شبانه‌روز است.

فناوری هسته‌ای به دلیل توانایی تولید انرژی پایدار، گزینه‌ای رقابتی برای نمک‌زدایی در مقیاس بزرگ است. راکتورهای هسته‌ای می‌توانند انرژی موردنیاز برای فرآیندهای نمک‌زدایی را با هزینه‌ای رقابتی نسبت به سوخت‌های فسیلی تأمین کنند و انتشار گازهای گلخانه‌ای را کاهش دهند. ترکیب تولید برق و نمک‌زدایی موضوعی رایج است و از نظر اقتصادی مزیت قابل توجهی دارد. راکتورهای هسته‌ای کوچک و متوسط برای نمک‌زدایی مناسب هستند و می‌توانند به‌صورت ترکیبی برق و آب تولید کنند.

استفاده از راکتورهای کوچک مدولار یا SMRها برای تأمین انرژی نمک‌زدایی آب دریا یا آب شور، بسیار مناسب و امیدوارکننده ارزیابی می‌شود. این راکتورهای نوظهور به عنوان منبع انرژی کربن‌صفر می‌توانند هم برق و هم حرارت لازم برای فرآیندهای نمک‌زدایی را تأمین کنند. این فناوری به ویژه در مناطق خشک و نیمه‌خشک جهان مانند غرب آسیا که با کمبود آب شیرین روبرو هستند، می‌تواند بعنوان یک روش امن و پایدار مورد استفاده قرار گیرد.

هزینه‌های نمک‌زدایی هسته‌ای در روش‌های مختلف متفاوت است. هزینه تراز شده آب با استفاده از راکتورهای کوچک مدولار بطور میانگین و بر اساس نوع روش نمک‌زدایی می‌تواند از ۰/۵ تا ۱/۵ دلار برای تولید یک مترمکعب آب شیرین باشد (استفاده از روش هیبریدی و همچنین میزان بالاتر تولید موجب کاهش هزینه تراز شده آب خواهد شد). این هزینه تراز شده برای روش‌های دیگر مانند نیروگاه‌های سوخت‌های فسیلی از ۱ تا ۲ دلار متغیر است.

علاوه بر موضوع هزینه تراز شده نمک‌زدایی، استفاده از راکتورهای مدولار هسته‌ای برای تأمین انرژی فرآیندهای حرارتی و اسمز معکوس، ردپای کربن پایینی دارد و برای تولید هر مترمکعب آب شیرین زیر ۵۰ گرم دی‌اکسیدکربن تولید می‌کند و آن هم در مراحل تولید سوخت راکتور (مانند استخراج اورانیوم) ناشی می‌شود. در مقابل، نمک‌زدایی مبتنی بر گاز طبیعی بیش از ۱/۵ کیلوگرم و زغال‌سنگ حدود ۳ کیلوگرم و بیشتر است.

در نتیجه، روش استفاده از راکتورهای مدولار هسته‌ای قابل‌رقابت با نیروگاه‌های با سوخت فسیلی است. همچنین با توجه به افزایش تقاضا برای آب و محدودیت‌های زیست‌محیطی سوخت‌های فسیلی، انرژی هسته‌ای می‌تواند نقش کلیدی در تأمین آب آشامیدنی ایمن ایفا کند و بطور کلی، نمک‌زدایی با استفاده از انرژی هسته‌ای راه‌حلی پایدار و اقتصادی برای مقابله با کمبود آب جهانی است. سرمایه‌گذاری در فناوری‌های پیشرفته و همکاری‌های بین‌المللی می‌تواند این رویکرد را به گزینه‌ای اصلی برای تأمین آب در مناطق کم‌آب تبدیل کند. در این رابطه نگرانی‌های زیست‌محیطی مانند تأثیر پساب شور بر دریا وجود داشت که در مطالعه‌ای در استرالیا در سال ۲۰۱۸ نشان داد که این اثرات ناچیز است.

کاربرد فناوری هسته‌ای در حوزه مدیریت منابع آب فراتر از نمک‌زدایی است و یکی از کاربردهای کلیدی آن، پرتودهی فاضلاب و پساب‌ها با استفاده از پرتوهای یونساز (مانند گاما یا باریکه‌های الکترونی) یا پلاسمای سرد است. این روش، که بخشی از فناوری‌های پیشرفته هسته‌ای برای تصفیه آب محسوب می‌شود، می‌تواند فاضلاب‌های شهری، صنعتی یا کشاورزی را به آب قابل استفاده در صنعت، کشاورزی و حتی آشامیدنی تبدیل کند. در این روش، پرتوهای یونساز و یا پلاسمای سرد با برخورد با آب می‌توانند مولکول‌های سنگین شیمیایی مانند مواد روغنی، رنگ‌های مورد استفاده در کارخانجات نساجی، داروها و سموم کشاورزی را شکسته و تجزیه نمایند و علاوه بر آن موجب مرگ میکروب‌های موجود در پساب مانند باکتری‌ها، ویروس‌ها و انگل‌ها خواهند شد. این فرایند می‌تواند موجب کاهش تیرگی پساب، بوی بد و مواد معلق آن گردد. یک نمونه عملیاتی این روش در کشور چین و در کارخانجات نساجی گوانگهوا برای رنگ‌زدایی از پساب‌های رنگی این کارخانه تاسیس شده که مجهز به ۷ دستگاه شتاب‌دهنده الکترونی است و روزانه بیش از ۳۰ هزار مترمکعب پساب را رنگ‌زدایی کرده و به چرخه مصرف برمی‌گرداند.

حضور و بروز فناوری هسته‌ای در موضوع آب، تحولی در موضوعات هیدرولوژی و پیگیری منشأ و مسیر آب‌ها، بویژه آب‌های زیرزمینی نیز ایجاد کرده است. استفاده از ردیاب‌های رادیوایزوتوپی مانند تریتیوم و کربن-۱۴ برای تعیین سن آب، تاریخچه منابع و آسیب‌پذیری آبخوان‌ها استفاده می‌شود. رادیوایزوتوپ کربن-۱۴ که دارای نیمه‌عمر بلندی در حدود ۵۷۳۰ سال است به عنوان ابزار اصلی تاریخ‌گذاری آب‌های زیرزمینی قدیمی عمل می‌کند و برای مطالعه سفره‌های آب عمیق، فسیلی و منابع غیرقابل تجدید ایده‌آل است (آب‌های با عمر چند هزار سال)، در حالی که تریتیوم یا هیدروژن-۳ که تنها ایزوتوپ رادیواکتیو هیدروژن است دارای نیمه‌عمر حدود ۱۲/۳ سال بوده و برای ردیابی آب‌های با قدمت کم و زیر ۱۰۰ سال استفاده می‌شود.

در پایان می‌توان اینگونه نتیجه گرفت که فناوری هسته‌ای، فراتر از تولید یک انرژی پاک، به ابزاری چندبعدی در مدیریت پایدار منابع آب تبدیل شده است. از نمک‌زدایی آب (تأمین انرژی با تولید کربن بسیار کم و نزدیک به صفر) و هزینه رقابتی مناسب، تا پرتودهی پساب‌ها برای بازگردانی ایمن آب و حذف آلاینده‌های مقاوم، و استفاده از رادیوایزوتوپ‌های تریتیوم و کربن-۱۴ برای ردیابی آب، تعیین سن سفره‌ها و جلوگیری از برداشت‌های غیرعلمی آب‌های زیرزمینی، راه‌حلی جامع برای بحران جهانی آب ارائه می‌دهند. در جهانی که تا سال ۲۰۵۰ بیش از نیمی از آن با کمبود آب روبرو خواهند بود، این فناوری راهبردی نه تنها تأمین‌کننده آب شیرین، بلکه حافظ منابع موجود و تصمیم‌گیر آگاه در سیاست‌گذاری‌های مرتبط با آب خواهد بود. در این راستا کشور پهناور و پرافتخار ما نیز با بکارگیری این فناوری راهبردی و استفاده از راکتورهای اتمی، بویژه راکتورهای SMR، سامانه‌های پرتودهی و رادیوایزوتوپ‌ها، بر چالش‌های آبی که متأسفانه در سال‌های اخیر نمود بیشتری پیدا کرده، غلبه نموده و به سمت امنیت آبی پایدار حرکت کند.