نیروگاه هسته‌ای چیست؟
نیروگاههای هسته‌ای نوعی نیروگاه هستند که از انرژی هسته‌ای برای تولید برق استفاده می‌کنند. این نیروگاه‌ها از فرآیند تجزیه هسته‌ای و همچنین اتصال هسته‌ها برای تولید گرما و بخار استفاده می‌کنند که نتیجه این عمل، تولید برق است. تجهیزات اصلی در نیروگاه هسته‌ای شامل راکتور هسته‌ای، مولد بخار، توربین بخار و ژنراتور برق است.
نیروگاههای هسته‌ای چه کاربردی دارند؟
نیروگاههای هسته‌ای در سراسر جهان برای تولید برق به کار می‌روند. این نیروگاه‌ها به دلیل قدرت و کارایی بالایی که از منابع هسته‌ای به دست می‌آید، توانایی تامین انرژی برق را به مقدار زیادی ارائه می‌دهند.
همچنین، تولید انرژی هسته‌ای برای حفظ محیط زیست نیز مزیت‌هایی دارد؛ زیرا آن‌ها میزان کمتری از گازهای گلخانه‌ای را – به نسبت به نیروگاههای فسیلی – در جو زمین منتشر می‌کنند.
تفاوت و شباهت نیروگاه حرارتی و هسته ای
اصل اساسی یک نیروگاه هسته‌ای مانند یک نیروگاه حرارتی معمولی است. تنها تفاوت این است که، به جای استفاده از گرمای تولیدشده در اثر احتراق زغال سنگ، در اینجا در نیروگاه هسته‌ای، از گرمای تولیدشده در اثر شکافت هسته‌ای برای تولید بخار از آب در دیگ استفاده می‌شود. این بخار برای راندن یک توربین بخار استفاده‌می‌شود. این توربین محرک اصلی دینام است. این دینام انرژی الکتریکی تولید می‌کند. اگرچه در دسترس بودن سوخت هسته‌ای زیاد نیست، اما مقدار بسیار کمتری از سوخت هسته‌ای می تواند مقدار زیادی انرژی الکتریکی تولید کند.
برتری اصلی نیروگاه هسته ای چیست؟
این ویژگی منحصر به فرد یک نیروگاه هسته‌ای است. یک کیلوگرم اورانیوم معادل 4500 متر یک تن زغال سنگ مرغوب است. این بدان معناست که شکافت کامل اورانیوم 1 کیلوگرمی می‌تواند به همان اندازه گرما تولید کند که با احتراق کامل 4500 تن زغال سنگ با عیار بالا تولید می‌شود. به همین دلیل است که اگرچه سوخت هسته‌ای بسیار گران‌تر است، اما هزینه سوخت هسته‌ای به ازای هر واحد انرژی الکتریکی کمتر از هزینه انرژی تولیدشده توسط سوخت‌های دیگر مانند زغال سنگ و گازوئیل است. برای مقابله با بحران سوخت متعارف در عصر حاضر، نیروگاههای هسته‌ای می توانند مناسب‌ترین جایگزین باشند.
اجزای مختلف نیروگاه هسته‌ای
یک نیروگاه هسته ای عمدتاً دارای چهار جزء است.
- راکتور هسته‌ای
- مبدل حرارتی
- توربین بخار
- آلترناتور
بیایید این مولفه‌ها را یک به یک مورد بحث قرار دهیم:
راکتور هسته‌ای
در یک راکتور هسته‌ای، اورانیوم 235 در معرض شکافت هسته‌ای قرار می گیرد. این واکنش زنجیره‌ای را که پس از انجام شکافت شروع می شود، کنترل می کند. واکنش زنجیره ای باید کنترل شود در غیر این صورت سرعت انرژی آزادشده سریع خواهد بود، ممکن است احتمال انفجار زیاد باشد. در شکافت هسته‌ای، هسته‌های سوخت هسته‌ای مانند U235 توسط جریان آهسته نوترون‌ها بمباران می‌شوند. در اثر این بمباران هسته‌های اورانیوم شکسته می‌شود که باعث آزاد شدن انرژی گرمایی عظیمی می‌شود و در هنگام شکستن هسته‌ها تعدادی نوترون نیز ساطع می‌شود.
این نوترون‌های گسیل‌شده را نوترون‌های شکافت می‌نامند. این نوترون‌های شکافت باعث شکافت بیشتر می‌شوند. شکافت بیشتر نوترون‌های شکافت بیشتری ایجاد می‌کند که دوباره سرعت شکافت را افزایش می‌دهد. این یک فرآیند تجمعی است.
خطر انفجار راکتور
اگر فرآیند کنترل نشود، در مدت زمان بسیار کوتاهی سرعت شکافت آنقدر بالا می‌رود که انرژی زیادی آزاد می‌کند، ممکن است انفجار خطرناکی رخ دهد. این واکنش تجمعی را یک واکنش زنجیره ای می نامند. این واکنش زنجیره ای تنها با حذف نوترون‌های شکافت از یک راکتور هسته‌ای قابل کنترل است. سرعت شکافت را می‌توان با تغییر سرعت حذف نوترون‌های شکافت از راکتورها کنترل کرد.
ساختار راکتور هسته‌ای
راکتور هسته‌ای یک مخزن تحت فشار استوانه‌ای شکل است. میله‌های سوخت از اورانیوم متوسط ساخته‌شده‌اند که عموماً از گرافیت ساخته‌شده و روی میله‌های سوخت را می‌پوشاند. میله‌ی کنترل سرعت نوترون‌ها را قبل از برخورد با هسته‌های اورانیوم کاهش می‌دهند. این میله‌های کنترل از کادمیوم ساخته‌شده‌اند زیرا کادمیوم یک جاذب قوی نوترون‌ها است. همچنین میله‌های کنترل در محفظه شکافت قرار می‌گیرند. این میله‌های کنترل کادمیوم را می‌توان برحسب نیاز به سمت پایین هل داد و بالا کشید. هنگامی که این میله‌ها به اندازه کافی به سمت پایین رانده‌می‌شوند، بیشتر نوترون‌های شکافت توسط این میله‌ها جذب می‌شوند، بنابراین واکنش زنجیره‌ای متوقف می‌شود. بازهم، در حالی که میله‌های کنترل به سمت بالا کشیده می‌شوند، در دسترس بودن نوترون‌های شکافت بیشتر می‌شود که سرعت واکنش زنجیره‌ای را افزایش می‌دهد.
از این رو، واضح است که با تنظیم موقعیت میله‌های کنترل، می توان سرعت واکنش هسته‌ای را کنترل کرد و در نتیجه تولید توان الکتریکی را بر اساس تقاضای بار کنترل کرد. در عمل، فشار دادن و کشیدن میله های کنترل توسط یک سیستم بازخورد خودکار مطابق با نیاز بار کنترل می شود. به صورت دستی کنترل نمی‌شود. گرمای آزادشده در طی یک واکنش هسته‌ای با استفاده از مایع خنک کننده متشکل از فلز سدیم به مبدل حرارتی منتقل می‌شود.
مبدل حرارتی
در یک مبدل حرارتی، گرمای حمل شده توسط فلز سدیم در آب پخش می‌شود و آب در اینجا به بخار پرفشار تبدیل می‌شود. پس از آزاد شدن گرما در آب، خنک کننده فلزی سدیم با استفاده از پمپ گردش مایع خنک کننده به راکتور باز می‌گردد.
توربین بخار
در یک نیروگاه هسته‌ای، توربین بخار همان نقش نیروگاه زغال سنگ را ایفا می‌کند. بخار به همین ترتیب توربین را به حرکت در می‌آورد. پس از انجام کار، بخار خروجی به یک کندانسور بخار می‌آید و در آنجا متراکم می‌شود تا فضایی برای بخار پشت آن فراهم شود.
آلترناتور
یک دینام همراه با یک توربین، می‌چرخد و نیروی الکتریکی تولید می‌کند تا مورد استفاده قرار گیرد. خروجی از دینام از طریق ترانسفورماتور، قطع کننده مدار و ایزولاتور به باس میله‌ها ارسال می‌شود.
نکات مهم در انتخاب مکان احداث نیروگاه هسته‌ای
به طور کلی چند نکته اساسی برای احداث یک نیروگاه هسته‌ای باید مدنظر قرار داده شود که این موارد عبارتند از:
در دسترس بودن آب
اگرچه مقدار بسیار زیادی آب به عنوان یک نیروگاه برق آبی تنظیم نمی‌شود، اما هنوز تامین کافی آب خنثی برای اهداف خنک کننده در یک نیروگاه هسته‌ای آشکار است. به همین دلیل است که همیشه ترجیح داده می‌شود این گیاه را در نزدیکی رودخانه یا کنار دریا قرار دهید.
دفع آب و زباله هسته‌ای
محصولات جانبی یا ضایعات نیروگاههای هسته‌ای رادیواکتیو هستند و ممکن است خطرات جدی برای سلامتی ایجاد کنند. به همین دلیل باید در دفع زباله‌های نیروگاههای هسته‌ای دقت ویژه‌ای کرد. زباله‌ها باید در عمق ناکافی از سطح زمین دفن شوند و یا باید در دریا دور از ساحل دریا دفع شوند. از این رو در انتخاب مکان نیروگاه هسته‌ای باید این عوامل را در نظر گرفت.
فاصله از منطقه پرجمعیت
از آنجایی که همیشه احتمال رادیواکتیویته وجود دارد، همیشه ترجیح داده می‌شود که یک ایستگاه هسته‌ای به اندازه کافی دور از مناطق پرجمعیت قرار گیرد.
امکانات حمل و نقل
در طول دوره راه اندازی، تجهیزات سنگین قرار است نصب شود که از سایت سازنده حمل می‌شود. بنابراین وجود راه‌آهن و راه‌آهن خوب مورد نیاز است. برای در دسترس بودن نیروی انسانی ماهر، حمل و نقل عمومی خوب نیز باید در محل حضور داشته باشد.
مزایا و معایب انرژی هسته‌ای
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 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.
طبق گزارش آژانس بین‌المللی انرژی اتمی در سال 2020، در حال حاضر 440 راکتور هسته‌ای فعال در 30 کشور جهان وجود دارد که مجموع ظرفیت تولید آن‌ها 389,340 مگاوات (389 گیگاوات) است.
مزایای نیروگاه هسته ای چیست؟
جوانب مثبت انرژی هسته‌ای به شرح زیر است:
همانطور که گفتیم مصرف سوخت در این نیروگاه بسیار کم است و از این رو هزینه تولید یک واحد انرژی نسبت به سایر روش‌های متداول تولید برق بسیار کمتر است. میزان سوخت هسته‌ای مورد نیاز نیز کمتر است. یک نیروگاه هسته‌ای فضای بسیار کمتری را در مقایسه با سایر نیروگاههای معمولی با همان ظرفیت اشغال می‌کند. این ایستگاه به آب فراوان نیاز ندارد، از این رو ساخت منابع آبی نزدیک به طبیعی گیاه ضروری نیست. این نیز به مقدار زیادی سوخت نیاز ندارد. از این رو ساخت نیروگاه در نزدیکی معدن زغال سنگ یا مکانی که امکانات حمل و نقل خوبی در آن وجود دارد نیز ضروری نیست. به همین دلیل، نیروگاه هسته‌ای را می‌توان در نزدیکی مرکز بار ایجاد کرد. ذخایر بزرگی از سوخت هسته‌ای در سطح جهان وجود دارد، بنابراین چنین نیروگاه‌هایی می‌توانند تأمین مداوم انرژی الکتریکی را برای هزاران سال آینده تضمین کنند.
- یک نیروگاه هسته‌ای 2 تا 3 گیگاوات برق تولید خواهد کرد که برابر با برق تولیدی یک نیروگاه بزرگ زغال‌سنگ یا حدود 1000 تا 1500 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 كردن انرژی با شکافتن اتم‌ها بسیار کارآمدتر از «سوزاندن آن‌ها» (آزاد كردن انرژی از طریق واكنش شیمیایی كه 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.
معایب نیروگاه هسته‌ای چیست؟
برخی از معایب انرژی هسته‌ای به صورت زیر است:
- سوخت به راحتی در دسترس نیست و بسیار گران است.
- هزینه اولیه ساخت نیروگاه هسته‌ای بسیار زیاد است و سال‌ها به طول می‌انجامد.
- نصب و راه‌اندازی این نیروگاه نسبت به سایر نیروگاههای معمولی بسیار پیچیده است.
- محصولات جانبی شکافت ماهیت رادیواکتیو دارند و ممکن است باعث آلودگی رادیواکتیو بالا شوند.
- هزینه تعمیر و نگهداری بیشتر است و نیروی انسانی مورد نیاز برای راه‌اندازی یک نیروگاه هسته‌ای بسیار بالاتر است زیرا به افراد متخصص آموزش‌دیده نیاز است.
- نوسانات ناگهانی بار را نمی توان به طور موثر توسط نیروگاههای هسته‌ای پاسخ داد.
- از آنجایی که محصولات جانبی واکنش‌های هسته‌ای و ضایعات نیروگاههای هسته‌ای به شدت رادیواکتیو هستند، دفع ایمن آن‌ها دشوار است. فقط می توان آن را در اعماق زمین یا در دریا دور از ساحل دفع کرد.
- 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.
- 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.
نمودار زیر نشان می‌دهد که نیروگاههای هسته‌ای (بخش نارنجی) حدود 8 درصد از انرژی مورد استفاده در ایالات متحده را تأمین می‌کنند (منظور همه صورت‌های انرژی است، نه فقط برق). سوخت‌های فسیلی (بخش‌های خاکستری) 10 برابر بیشتر انرژی تأمین می‌کنند. بخش‌های بیرونی داده‌های سال 2020 (اعداد زرد) را نشان می‌دهند، در حالی که حلقه داخلی مربوط به داده‌های سال 2015 است (اعداد سفید)، بنابراین می‌توانید ببینید که تغییر مسیر بسیار آهسته‌ای از زغال‌سنگ به انرژی‌های تجدیدپذیر و هسته‌ای طی شده است.
بدون دیدگاه