نیروگاه هسته ای چیست و چگونه کار میکند؟
در مطالب قبلی سایت به توضیح مهندسی برق و بازار کار و آینده آن پرداختیم . هم اکنون به بررسی نیروگاه هسته و تولید انرژی هسته در آن میپردازیم. شاید برای شما سوال پیش امده باشد که نیروگاه هسته ای چیست. امروزه حدود ۴۴۰ نیروگاه هسته ای در ۳۱ کشور جهان برق تولید می‌کنند. سهم فرانسه با تولید بیش از ۷۵% درصد انرژی الکتریکی خود از این طریق از سایرین بیشتر می‌باشد. انرژی هسته‌ای در نیمه قرن گذشته و از زمان آغاز به کار اولین نیروگاه هسته ای تجاری جهان در «کالدر هال» (Calder Hall) با نام کنونی سلافیلد (Sellafield) در «کامبریا»ی (Cumbria) انگلیس در سال ۱۹۵۶، تاریخچه‌ای پر از فراز و نشیب داشته است. در نیروگاه هسته ای، هستۀ اتم تغییر ماهیت داده و از خود انرژی تولید می کند. در راکتور آب به وسیلۀ انرژی حاصل از واکنش های هسته ای گرم شده و بخار می شود. این بخار، توربین را به حرکت در آورده و الکتریسیته تولید می کند.
نیروگاه هسته ای به تأسیساتی صنعتی و نیروگاهی می‌گویند که بر پایهٔ فناوری هسته‌ای و با کنترل فرایند شکافت هسته‌ای، از گرمای تولیدشدهٔ آن اقدام به تولید انرژی الکتریکی میکند. کنترل انرژی هسته‌ای با حفظ تعادل در فرآیند شکافت هسته‌ای همراه است که با استفاده از گرمای تولیدی برای تولید بخار آب (مانند بیشتر نیروگاههای گرمایی) اقدام به چرخاندن توربین‌های بخار و به دنبال آن ژنراتورها میکند.
انرژی هسته ای در دنیا
در سال ۲۰۰۴ انرژی هسته‌ای در تولید کل انرژی مصرفی جهان سهمی در حدود ۶.۵%، و در تولید انرژی الکتریکی سهمی در حدود ۱۵.۷% داشته است. نخستین‌بار به‌وسیله انریکو فرمی در سال ۱۹۳۴ (۱۳۱۳ ه.ش) در یکی از آزمایشگاه‌های دانشگاه شیکاگو تولید شد. این اتفاق زمانی رخ داد که تیم او مشغول بمباران کردن هسته اورانیوم با نوترون بودند. بنا بر پیش‌بینی اتحادیه جهانی هسته‌ای در سال ۲۰۱۵ به طور میانگین هر ۵ روز یک‌بار یک نیروگاه هسته‌ای در جهان آغاز به کار میکند. شکافت هسته‌ای صورت‌گرفته در یک رآکتور فقط بخشی از یک چرخه هسته‌ای است. این چرخه از معادن شروع می‌شود
انرژی هسته ای در ایران
در کشور ما هم مطالعاتی بر روی کشف و استخراج معادنی در استان های اصفهان، خراسان و هرمزگان صورت گرفته است .تحقیقات برای کشف معادن دیگر همچنان ادامه دارد. پس از استخراج سنگ اورانیوم، به کمک فعالیت های شیمیایی، پودر غلیظ اورانیوم زرد رنگ به شکل دی اکسید اورانیوم حاصل می شود. پس از تولید دی اکسید اورانیوم، هگزا فلوئورید اورانیوم (UF6) به دست می آید. که محصول اساسی برای غنی سازی اورانیوم می باشد. هگزا فلوئورید اورانیوم یک مادۀ جامد بدون رنگ است .که در حرارت کمتر از ۵۶ درجه سلسیوس به شکل گاز در می آید. به همین دلیل و برای جلوگیری از تبدیل شدن آن به گاز، این ماده را در ظروف تحت فشار زیاد قرار می دهند.
اجزای نیروگاه هسته ای چیست
در نیروگاه هسته ای یا فیوژن، در عمل هستۀ یک عنصر سنگین برای نمونه ۲۳۵U توسط نوترون های شتاب داده شده بمباران می شود، در این صورت به ازای هر نوکلئون اورانیوم یک Mev انرژی اتصالی آزاد می شود. حال اگر این واکنش روی یک کیلو ۲۳۵U انجام شود انرژی به دست آمده معادل kwH 20×۱۰۶ خواهد بود، اگر بخواهیم این مقدار انرژی را از سوخت های فسیلی به دست آوریم مقدار ۱/۷ میلیون لیتر با ۵/۲ میلیون کیلو ذغال سنگ نیاز داریم.
در قسمت غنی سازی، اورانیوم را تا حدود ۴-۵ ٪ غنی سازی می کنند. زیرا این درصد برای تولید انرژی کافی خواهد بود. (انرژی صلح آمیز) چون از نظر خواص شیمیایی اورانیوم های ۲۳۸ و ۲۳۵ یکسانند. بنابراین از راه فرآیندهای شیمیایی نمی توانیم آن ها را از هم جدا کنیم. اما چون اورانیوم ۲۳۸ از اورانیوم ۲۳۵ قدری سنگین تر است. از این خاصیت برای جدا کردن این دو نوع اورانیوم از هم استفاده می کنیم. اورانیوم ۲۳۵ قابلیت شکستن دارد و ۲۳۸ این قابلیت را ندارد. اورانیوم ۲۳۵ خود به خود تجزیه می شود ولی دارای طول عمر زیادی است (یک میلیون سال). اگر در صد اورانیوم ۲۳۵ از حدی بیشتر شود امکان واکنش زنجیره ای وجود دارد. از هر سه نوترون آزاد شده یکی مصرف می شود.
سوخت هسته ای در نیروگاه هسته ای چیست:
چرخه سوخت هسته ای اورانیوم:
اورانیومی که از زمین استخراج می‌شود، بلافاصله قابل استفاده در نیروگاههای تولید انرژی نیست. برای آنکه بتوان بیشترین بازده را از اورانیوم به دست آورد، فرآیندهای مختلفی روی سنگ معدن اورانیوم صورت می‌گیرد تا غلظت ایزوتوپ u-235 که قابل شکافت است، افزایش یابد. چرخه سوخت اورانیوم نسبت به سوخت های رایج دیگر، از جمله ذغال سنگ، نفت و گاز طبیعی، به مراتب پیچیده تر و متمایزتر است. چرخه سوخت اورانیوم را چرخه سوخت هسته ای نیز می‌گویند. چرخه سوخت هسته ای از دو بخش انتهای جلویی و انتهای عقبی ( front end , Back end ) تشکیل شده است. انتهای جلویی چرخه، مراحلی است که منجر به آماده سازی اورانیوم به عنوان سوخت رآکتور هسته ای می‌شود.این بخش شامل استخراج از معدن، آسیاب کردن، تبدیل، غنی سازی و تولید سوخت است.
*اکتشاف و استخراج در نیروگاه هسته ای:
ذخایر طبیعی اورانیوم، سنگ معدن اورانیوم است که براساس مقدار قابل استحصال از معدن محاسبه می‌شود. با تکنیک‌ها و روش های زمین شناسی، معدن اورانیوم شناسایی می‌شود و نمونه هایی از سنگ معدن به آزمایشگاه فرستاده می‌شود. در آنجا، محلولی از سنگ معدن تهیه می‌کنند. سپس اورانیوم ته نشین شده را مورد بررسی قرار می‌دهند تا بفهمند چه مقدار اورانیوم را می‌توان از آن معدن استخراج کرد.
*آسیاب کردن:
پس از استخراج سنگ معدن، تکه سنگ‌ها به آسیاب فرستاده می‌شود تا خوب خرد شده، خرده سنگ هایی که با ابعاد یکسان تولید شود. اورانیوم توسط اسید سولفوریک از دیگر اتم‌ها جدا می‌شود، محلول غنی شده از اورانیوم تصفیه می‌شود و خشک می‌شود. محصول به دست آمده، کنستانتره جامد اورانیوم است که کیک زرد نامیده می‌شود
*تبدیل:
کیک زرد جامد است، ولی مرحله بعد ( غنی سازی ) از تکنولوژی بخصوصی بهره می‌برد که نیازمند حالت گازی است. بنابراین کنستانتره اکسید اورانیوم جامد طی فرآیندی شیمیایی به هگزافلورایداورانیوم ( UF6 ) تبدیل می‌شود. UF6 در دمای اتاق جامد است، ولی در دمایی نه چندان بالا به گاز تبدیل می‌شود
*غنی سازی:
برای ادامه یک واکنش زنجیره هسته ای در قلب یک رآکتور آب سبک، غلظت طبیعی اورانیوم ۲۳۵ بسیار اندک است. برای آنکه UF6 به دست آمده در مرحله تبدیل، به عنوان سوخت هسته ای مورد استفاده قرار گیرد، باید ایزوتوپ قابل شکافت آن را غنی کرد. البته سطح غنی سازی بسته به کاربرد سوخت هسته ای متفاوت است.
برای یک رآکتور آب سبک، سوختی با ۵ درصد اورانیوم ۲۳۵ مورد نیاز است. در حالی که در یک بمب اتمی، سوخت هسته ای باید حداقل ۹۰ درصد غنی شده باشد.غنی سازی با استفاده از یک یا چند روش جداسازی ایزوتوپ های سنگین و سبک صورت می‌گیرد. در حال حاضر، دو روش رایج برای غنی سازی اورانیوم وجود دارد که عبارتند از انتشار گاز و سنتریفوژ گاز.
*ساخت میله های سوخت:
تولید میله سوخت، آخرین مرحله انتهای جلویی در چرخه سوخت هسته ای است. اورانیوم غنی شده که هنوز به شکل UF6 است، باید به پودر دی اکسید اورانیوم (UO2) تبدیل شود. تا به عنوان سوخت هسته ای قابل استفاده باشد، پودر UO2 سپس فشرده می‌شود و به شکل قرص در می‌آید. قرص های در معرض حرارت با دمای بالا قرار می‌گیرند تا به قرص های سرامیکی تبدیل شوند.
پس از طی چند فرآیند فیزیکی، قرص هایی سرامیکی با ابعاد یکسان حاصل می‌شود. حال متناسب با طراحی رآکتور و نوع سوخت مورد نیاز، این قرص های کوچک را در دسته دسته کرده. سپس در لوله ای بخصوص قرار می‌دهند. این لوله از آلیاژ بخصوصی ساخته شده است. که در برابر خوردگی بسیار مقاوم است و در عین حال از رسانایی حرارتی بسیار بالایی برخوردار است. حال میله سوخت آماده شده است و برای استفاده در رآکتور به نیروگاه فرستاده می‌شود.
راه های مختلف تولید انرژی هسته ای در نیروگاه هسته ای چیست:
– شکافت هسته‌ای
– همجوشی هسته ای
شکافت هسته‌ای
فرض می شود نوترون منفردی به یک قطعه ایزوتوپ اوارنیوم۲۳۵ نفوذ کند در اثربرخورد به هسته اتم اورانیوم ۲۳۵ ، اورانیوم بدو قسمت شکسته می شود مقادیر زیادی نیز انرژی آزاد می گردد در حدود (200Mev) اما مسئله مهمتر اینکه نتیجه شکستن هسته اورانیوم ۲۳۵ آزادی دو نوترون است که می تواند دو هسته دیگر را شکسته و چهار نوترون را بوجود آورد.
این چهار نوترون نیز چهار هسته اورانیوم ۲۳۵ را می شکند چهار هسته شکسته شده تولید هشت نوترون می کنند که قادر به شکستن همین تعداد هسته اورانیوم می باشند سپس شکست هسته ای و آزاد شدن نوترون ها بصورت زنجیروار به سرعت تکثیر و توسعه می یابد.در هر دوره تعداد نوترونها دو برابر می شود در یک لحظه واکنش زنجیری خود بخودی شکست هسته ای شروع می گردد. در واکنش های کنترل شده تعدادشکست در واحد زمان و نیز مقدار انرژی به تدریج افزایش یافته و پس از رسیدن به مقداری دلخواه ثابت نگهداشته می شود.
همجوشی هسته ای
همجوشی هسته ای عبارت است از اتحاد عناصر سبک برای تشکیل عناصر سنگین تر که نوع واکنش را واکنش همجوشی گویند تا بحال در انفجار بمب هیدروژنی قوی و بسیار خوب تشخیص داده شده است. این واکنش برای انسان چندان مفید نیست و بنابر این دانشمندان بطور جدی کوشش می کنند تا واکنش همجوشی را کنترل کنند یعنی در کیف کاهش سرعت واکنش به درجه ای که بتواند برای مقاصد صلح جویانه مفید باشد.
در مرحله اول این واکنش ها بصورت کنترل شده برای تولید برق استفاده می شود. همچنین انرژی تولید شده در این واکنش ۸ برابر انرژی تولیدشده سر در شکافت هسته‌ای می باشد.منشا انرژی تابشی خورشید و دیگر ستاره ها یک سری از واکنش های هسته ای انرژی زا است اتم هایی که دراین واکنش ها در درون ستاره شرکت می کنند کاملا یونیزه اند.یعنی تمامی الکترون ها از آن کنده شده است.چنین مجموعه ای از ذرات باردار را پلاسما می نامند.
مزایا و معایب تولید انرژی هسته‌ای در نیروگاه انرژی هسته ای چیست
افراد زیادی هستند که از استفاده از انرژی هسته‌ای حمایت می‌کنند و حداقل همین تعداد هم مخالف آن هستند. حامیان می‌گویند این روش تولید برق محیط زیست را کمتر تخریب میکند، زیرا به طور کلی، انتشار گازهای گلخانه‌ای آن نسبت به نسبت به سوخت‌های دیگری مانند زغال‌سنگ، نفت و گاز طبیعی کمتر است. اما مخالفان نگران ضایعات خطرناک و طولانی‌مدت نیروگاههای هسته‌ای و همچنین، ارتباط آن با ساخت بمب‌های هسته‌ای و خطر حوادث هسته‌ای فاجعه‌بار هستند.
جوانب مثبت انرژی هسته‌ای :
- یک نیروگاه هسته ای ۲ تا ۳ گیگاوات برق تولید خواهد کرد که برابر با برق تولیدی یک نیروگاه بزرگ زغال‌سنگ یا حدود ۱۰۰۰ تا ۱۵۰۰ توربین بادی بزرگ با ظرفیت کاری کامل است. هیچ‌کس منکر این نیست که شکافتن اتم یک روش بسیار مؤثر برای تولید مقدار زیادی انرژی است.
- نیروگاههای هسته‌ای نسبت به نیروگاههای سوخت فسیلی (زغال‌سنگ، نفت و گاز طبیعی) میزان انتشار کربن بسیار کمتری دارند.
- آزاد کردن انرژی با شکافتن اتم‌ها بسیار کارآمدتر از «سوزاندن آن‌ها» (آزاد کردن انرژی از طریق واکنش شیمیایی که آن را احتراق می‌نامیم) است. به همین دلیل نیروگاههای هسته‌ای به مقدار کمی سوخت (در مقایسه با نیروگاههای سوخت فسیلی) نیاز دارند.
- نیروگاههای هسته‌ای می‌توانند به کاهش وابستگی کشورها به نفت وارداتی کمک کنند. کشورهایی که منابع سوخت فسیلی زیادی ندارند، انرژی هسته‌ای را گزینه جذابی می‌دانند.
جوانب منفی انرژی هسته‌ای :
- ضایعات نیروگاههای هسته‌ای سال‌ها به صورت رادیواکتیو باقی می‌مانند و دفع ایمن آن‌ها دشوار است.
- از محصولات جانبی هسته‌ای می‌توان برای ساخت بمب استفاده کرد.
- نیروگاههای هسته‌ای شکل پایدار یا تجدیدپذیر انرژی نیستند، زیرا آن‌ها به استخراج ذخایر محدود اورانیوم متکی هستند. آن‌ها کربن صفر هم نیستند، زیرا برای استخراج این اورانیوم انرژی زیادی لازم است.
- ساخت نیروگاههای هسته‌ای هزینه‌بر است و سال‌ها به طول می‌انجامد.
- نیروگاههای هسته‌ای می‌توانند آلودگی هوا و آلودگی آب را در محدوده‌های جغرافیایی وسیعی ایجاد کنند.
- از آنجا که نیروگاههای هسته‌ای به مقدار زیادی آب خنک کننده نیاز دارند، غالباً در نزدیکی ساحل ساخته می‌شوند. این خود امری خطرناک برای دریا است.
- از رده خارج کردن ایمن نیروگاههای هسته‌ای بسیار هزینه‌بر است.
نیروگاه هسته‌ای همان گونه که مطالعه نمودید چالش‌های بسیاری به همراه دارد و همچنان بحث پسماندهای آن یکی از مشکلات اساسی این مدل از تولید برق می‌باشد.
مهمترین نکته در این حوزه پیدا کردن جواب برای سوال زیر است :
بهترین روش های استفاده از نیروگاه هسته ای چیست؟