نیروگاه هسته‌ای به تأسیساتی صنعتی و نیروگاهی می‌گویند که بر پایهٔ فناوری هسته‌ای و با کنترل فرایند شکافت هسته‌ای، از گرمای آزاد شدهٔ آن اقدام به تولید انرژی الکتریکی می‌کند. کنترل انرژی هسته‌ای با حفظ تعادل در فرایند 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. در هر صورت، فارغ از سیاست و از دیدگاه علمی، بد نیست اگر بدانیم که انرژی هسته‌ای چیست ؟ و یک نیروگاه هسته ای چگونه کار می‌کند؟. دراین مقاله با «نیروگاه هسته ای» آشنا می‌شویم.
انرژی هسته ای چیست؟
انرژی هسته‌ای در نیمه قرن گذشته و از زمان آغاز به کار اولین نیروگاه هسته ای تجاری جهان در «کالدر هال» با نام کنونی سلافیلد در «کامبریا»ی انگلیس در سال 1956، تاریخچه‌ای پر از فراز و نشیب داشته است. از میان جنجال‌های فراوان، برخی معتقدند که انرژی هسته‌ای راهی حیاتی برای مقابله با تغییرات آب و هوایی است. ولی عده‌ای اصرار دارند که این انرژی مولد آلودگی، خطرناک، غیراقتصادی و غیرضروری است.
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٪ داشته‌است و نخستین بار به وسیله انریکو فرمی در سال ۱۹۳۴ در یکی از آزمایشگاه‌های دانشگاه شیکاگو تولید شد. این اتفاق زمانی رخ داد که تیم او مشغول بمباران کردن هسته اورانیوم با نوترون بودند.
بنابر پیش‌بینی اتحادیه جهانی هسته‌ای در سال ۲۰۱۵ به‌طور 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. میزان اورانیوم موجود در پوسته زمین نسبتاً زیاد است به‌طوری‌که با منابع فلزاتی همچون قلع و ژرمانیوم برابری می‌کند و تقریباً ۳۵ برابر میزان نقره موجود در پوسته زمین است.
اورانیوم ماده تشکیل دهنده بسیاری از اجسام اطراف ما مانند سنگ‌ها و خاک است. بنابر آمارگیری جهانی معادن شناخته‌شده جهان در حال حاضر برای تأمین بیش از ۷۰ سال انرژی الکتریکی جهان کافی هستند. به این ترتیب ثبات تأمین سوخت هسته‌ای از بسیاری از دیگر مواد معدنی بیشتر است.
مهم‌ترین مسئله‌ای که مخالفان انرژی هسته‌ای بیان می‌دارند امنیت محیط زیستی نیروگاه هسته‌ای است زیرا با کوچکترین اشتباه، ممکن است فجایعی مانند فاجعه چرنوبیل به بار آید.
انرژی اتمی چیست؟
برخی از اتم‌های بزرگ بسیار پایدار هستند و تقریباً برای همیشه در این وضعیت باقی می‌مانند. اما اتم‌های دیگر به اشکال ناپایدار به نام «ایزوتوپ پرتوزا» (Radioactive Isotopes) یا رادیواکتیو وجود دارند. این‌ها معادل اتمی ساختمان‌های قدیمی و در شرف ریزش هستند و دیر یا زود، متلاشی خواهند شد؛ مانند یک ساختمان بزرگ که به زمین می‌افتد و انرژی آزاد می‌کند. وقتی اتم‌های بزرگ به یک یا چند اتم کوچک تقسیم می‌شوند، در این فرایند ذرات دیگر و انرژی آزاد می‌کنند به آن «شکافت هسته‌ای» یا فیژن (Nuclear Fission) می‌گویند. دلیل این امر آن است که قسمت مرکزی اتم یا هسته همان چیزی است که از هم می‌پاشد و شکافت، کلمه‌ای برای بیان جدا شدن است.
شکافت هسته‌ای می‌تواند خود به خود اتفاق بیفتد که در این صورت آن را «واپاشی پرتوزا» (Radioactive Decay) می‌نامیم (تبدیل ایزوتوپ‌های ناپایدار و پرتوزا به اتم‌های پایدار که پرتوزا نیستند). شکافت همچنین می‌تواند به صورت خودخواسته اتفاق بیفتد که همانی است که ما در نیروگاه‌های هسته‌ای انجام می‌دهیم و از اتم انرژی می‌گیریم. به این نوع شکافت، «واکنش هسته‌ای» (Nuclear Reaction) می‌گویند.
آشنایی با نیروگاه هسته ای به زبان ساده
ما می‌توانیم با استفاده از انرژی هسته ای برق تولید کنیم. در نیروگاه هسته ای با واکنش هسته ای انرژی الکتریکی تولید می شود. در اینجا، عناصر رادیواکتیو سنگین مانند اورانیوم (U235) یا توریم (Th232) در معرض شکافت هسته ای قرار می گیرند. این شکافت در دستگاه خاصی به نام راکتور انجام می شود.
شکافت هسته ای چیست؟
در فرآیند شکافت، هسته‌های اتم‌های رادیواکتیو سنگین به دو قسمت تقریباً مساوی تقسیم می‌شوند. در طی این شکستن هسته‌ها، مقدار زیادی انرژی آزاد می‌شود. این آزاد شدن انرژی به دلیل نقص جرمی است. این بدان معناست که جرم کل محصول اولیه در طول شکافت کاهش می‌یابد. طبق معادله معروف آلبرت انیشتین، این کاهش جرم در طول شکافت به انرژی گرمایی تبدیل می‌شود.
که در آن، انرژی، جرم و سرعت نور است. معادله اینشتین بیان می‌کند که می‌توان مقدار کمی جرم را به مقدار زیادی انرژی تبدیل کرد. اما چگونه؟ با نگاهی به ریاضیات فرمول، می‌بینیم که مقدار عددی بسیار بزرگ است (300,000,000)، بنابراین c² بسیار بزرگتر است (90*10). این مقدار انرژی برحسب ژول (واحد استاندارد انرژی) به ازای یک کیلوگرم جرم است. از نظر تئوری، اگر بتوانید حدود هفت میلیارد اتم هیدروژن را کاملاً به انرژی تبدیل کنید، تقریباً یک ژول دریافت خواهید کرد (تقریباً به اندازه انرژی مصرفی یک لامپ 10 واتی در یک‌دهم ثانیه). البته دقت کنید که این اعداد و ارقام تقریبی هستند. نکته مهمی که باید به آن توجه کنیم این است: از آنجا که میلیاردها اتم در حتی یک ذره کوچک از ماده وجود دارد، باید بتوان انرژی زیادی تولید کرد. این ایده اصلی در مورد انرژی هسته‌ای است.
در عمل، نیروگاه هسته ای بر مبنای از بین بردن کامل اتم‌ها کار نمی‌کند، بلکه، اتم‌های بسیار بزرگ را به اتم‌های کوچکتر، محکم‌تر و پایدارتر تقسیم می‌کنند. این امر باعث آزاد شدن انرژی (قابل مهار) در فرایند می‌شود.
تامین انرژی نیروگاه
شکل زیر تقسیم اتم‌های بزرگ ناپایدار به اتم‌های کوچکتر و پایدارتر را نشان می‌دهد که می‌توان مقداری از این «انرژی بستگی» (Binding Energy) را آزاد کرد. انرژی نیروگاه هسته ای از همین جا تأمین می‌شود. در این شکل، اتم‌ها از پروتون (قرمز)، نوترون (آبی)، الکترون (سبز) و انرژی پیوند آن‌ها به هم (زرد) ساخته‌شده‌اند.
چرخه سوخت هسته‌ای
(۱) این چرخه با استخراج سوخت از معادن آغاز می‌شود. (۲) سوخت به نیروگاه‌های هسته‌ای فرستاده‌می‌شود، پس از پایان عمر سوخت، سوخت به تأسیسات بازفراوری فرستاده‌می‌شود. (۳) یا آنکه برای انبار شدن به انبار ضایعات اتمی فرستاده‌می‌شود. (۴) در فرایند باز فراوری تا ۹۵٪ از سوخت مصرف‌شده دوباره به چرخه بازمی‌گردد.
نمودار چرخه سوخت هسته‌ای:
شکافت هسته‌ای صورت‌گرفته در یک رآکتور فقط بخشی از یک چرخه هسته‌ای است. این چرخه از معادن شروع می‌شود. اورانیوم استخراج‌شده از معدن معمولاً فرمی پایدار و فشرده مانند کیک زرد دارد. این اورانیوم معدنی به تأسیسات فرآوری فرستاده می‌شود و در آنجا کیک زرد به هگزافلوراید اورانیوم (که پس از غنی‌سازی به عنوان سوخت رآکتورها مورد استفاده قرار می‌گیرد) تبدیل می‌گردد. در این مرحله درجه غنی‌سازی اورانیوم یعنی درصد اورانیوم-۲۳۵ در حدود ۰٫۷٪ است. در صورت نیاز بسته به نوع سوخت نیروگاه (درصد غنی‌سازی لازم برای سوخت نیروگاه) اورانیوم غنی‌سازی می‌شود و سپس از آن برای تولید میل‌های سوختی مورد استفاده در نیروگاه (شکل میله‌ها در نیروگاه‌های مختلف متفاوت است) استفاده می‌کنند.
عمر هر میل تقریباً سه سال است به‌طوری‌که حدود ۳٪ از اورانیوم موجود در آن مورد مصرف قرار گیرد. پس از گذشت عمر اورانیوم، آن را به حوضچه سوخت مصرف شده‌می‌برند. اورانیوم باید حداقل ۵ سال در این حوضچه‌ها باقی بماند تا ایزوتوپ‌های به وجودآمده در اثر شکافت هسته‌ای از آن جدا شوند. پس از گذشت این زمان اورانیوم را در بشکه‌های خشک انبار می‌کنند یا اینکه دوباره آن را به چرخه سوخت بازمی‌گردانند.
واکنش زنجیره‌ای چیست؟
اگر بتوانید تعداد زیادی از اتم‌ها را یکی پس از دیگری تقسیم کنید، چه اتفاقی رخ می‌دهد؟ از نظر تئوری، می‌توانید آن‌ها را وادار کنید تا مقدار زیادی انرژی آزاد کنند. برخی از ایزوتوپ‌های رادیواکتیو در آنچه که «واکنش زنجیره‌ای» (Chain Reaction) نامیده می‌شود، به طور خودکار تقسیم می‌شوند و هر توانی را که بخواهید، تولید می‌کنند.
فرض کنید یک اتم سنگین (نوعی پایدار از اورانیوم به نام اورانیوم 235) داریم. هریک از اتم‌های آن دارای یک هسته با 92 پروتون و 143 نوترون است. یک نوترون را به سمت اورانیوم 235 شلیک کرده و آن را به اورانیوم 236 تبدیل می‌کنیم که یک نسخه ناپایدار از همان اتم (ایزوتوپ رادیواکتیو اورانیوم) با 92 پروتون و 144 نوترون است (به یاد داشته باشید که یک عدد اضافه شده است). اورانیوم 236 بیش از حد ناپایدار است و نمی‌تواند به مدت طولانی معلق بماند، بنابراین به دو اتم بسیار کوچکتر باریم و کریپتون تقسیم می‌شود که انرژی زیادی را آزاد می‌کند و همزمان سه نوترون اضافی را پرتاب می‌کند.
اکنون نکته مهم این است که نوترون‌های اضافی می‌توانند به سایر اتم‌های اورانیوم 235 برخورد کنند و باعث شوند آن‌ها نیز از هم جدا شوند. هنگامی که هریک از آن اتم‌ها شکافته شوند، نوترون‌های اضافی نیز تولید می‌کنند. بنابراین یک شکافِ تنها از یک اتم اورانیوم 235 به سرعت به یک واکنش زنجیره‌ای (بهمن هسته‌ای مهارگسیخته) تبدیل می‌شود که مقدار زیادی انرژی را به شکل گرما آزاد می‌کند.
شکل زیر واکنش زنجیره‌ای را نشان می‌دهد:
نوترون (۱) به یک اتم بزرگ اورانیوم 235 (۲) شلیک می‌شود. با این کار، یک ایزوتوپ رادیواکتیو بزرگتر و ناپایدار از اورانیوم (یعنی اورانیوم 236) ایجاد می‌شود. که بلافاصله به دو اتم کریپتون و باریم (3) کوچکتر و پایدارتر تقسیم می‌شود. در این فرایند، انرژی گرمایی آزاد می‌شود و سه نوترون (4) اضافی باقی می‌ماند. نوترون‌ها می‌توانند با یک واکنش زنجیره‌ای بسیار پرانرژی با اتم‌های اورانیوم 235 بیشتری (5) واکنش دهند. با برخورد یک نوترون به اورانیوم 235، راکتورهای شکافت دیگر ایجاد می‌شوند و دو یا چهار نوترون اضافی تولید می‌کنند. به همین دلیل است که گاهی در کتاب‌ها می‌بینید شکافت اورانیوم 235 در هر واکنش «دو یا سه» (به طور متوسط 2٫47) نوترون اضافی تولیدمی‌کند.
تفاوت نیروگاه هسته ای و بمب هسته‌ای چیست؟
در بمب هسته‌ای، واکنش زنجیره‌ای کنترل نمی‌شود و این همان چیزی است که سلاح‌های هسته‌ای را بسیار وحشتناک و ویرانگر می‌کند. کل واکنش زنجیره‌ای در کسری از ثانیه اتفاق می‌افتد و یک اتم به دو، چهار، هشت، شانزده و… اتم تقسیم می‌شود و در یک چشم بر هم زدن مقدار زیادی انرژی آزاد خواهدشد. در نیروگاه هسته ای واکنش‌های زنجیره‌ای بسیار دقیق کنترل می‌شود تا سرعت نسبتاً آهسته‌ای داشته باشد. بدین ترتیب، انرژی به طور مداوم و طی سا‌ل‌ها یا دهه‌ها آزاد می‌شود. هیچ واکنش زنجیره‌ای افسارگسیخته و کنترل‌نشده‌ای در نیروگاه هسته ای وجود ندارد.
نیروگاه هسته ای چگونه کار می‌کند؟
بسیارخوب، تا حالا دریافته‌ایم که چگونه از یک اتم انرژی بگیریم، اما انرژی که دریافت می‌کنیم، چندان مفید نیست، زیرا فقط مقدار زیادی گرما است! چگونه می‌توانیم آن را به چیزی بسیار مفیدتر، یعنی برق تبدیل کنیم؟
یک نیروگاه هسته ای تقریباً مانند یک نیروگاه معمولی کار می‌کند، اما بیشتر از سوختن زغال‌سنگ، نفت، گاز یا سوخت‌های دیگر انرژی گرمایی تولید می‌کند. گرمای تولیدی برای جوشاندن آب برای تولید بخار استفاده می‌شود که یک یا چند توربین بخار غول‌پیکر را که به ژنراتورهای مولدبرق متصل است، می‌چرخاند.
نحوه کار نیروگاه هسته ای به صورت زیر است:
- ابتدا، سوخت اورانیوم در راکتور (یک گنبد غول‌پیکر بتنی که در صورت منفجر شدن تقویت می‌شود) بارگیری می‌شود. در قلب (هسته) راکتور، اتم‌ها از هم جداشده و انرژی گرما را آزاد می‌کنند، در واکنش هسته‌ای با کنترل دقیق، نوترون تولید می‌کنند و سایر اتم‌ها را نیز می‌شکنند.
- میله‌های کنترل ساخته‌شده از موادی مانند کادمیوم و بور را می‌توان در راکتور بالا برد یا پایین آورد تا نوترون‌ها را خیس کرده و واکنش زنجیره‌ای را کُند یا تُند کند.
- آب از طریق راکتور پمپاژ می‌شود تا انرژی گرمایی حاصل از واکنش زنجیره‌ای را جمع کند. به طور مداوم در اطراف یک حلقه بسته جریان دارد که راکتور را با یک مبدل حرارتی متصل می‌کند.
- درون مبدل حرارتی، آب راکتور، انرژی خود را به آب خنک‌تری که در یک حلقه بسته دیگر جریان‌دارد، می‌دهد و آن را به بخار تبدیل‌می‌کند. استفاده از دو حلقه آب جدا و مبدل حرارتی کمک می‌کند تا آب آلوده به رادیواکتیویته در یک مکان دور از تجهیزات نیروگاه باشد.
- بخار مبدل حرارتی به یک توربین منتقل می‌شود. وقتی بخار از کنار پره‌های توربین می‌گذرد، آن‌ها را با سرعت زیادی به حرکت در می‌آورد.
- توربین در حال چرخش به یک ژنراتور برق متصل است و باعث چرخش آن می‌شود.
- ژنراتور برق تولید می‌کند و برق به شبکه منتقل می‌شود.
بدون دیدگاه