نیروگاه هسته ای
انرژی ارزان و فراوان در سال های آینده برای دنیای مدرن ضروری است. رشد سریع صنعت و بالا رفتن استاندارد زندگی مردم فشاری بر منابع متداول انرژی مانند زغال سنگ، نفت و گاز وارد می کند. بدیهی است که این منابع به زودی قادر به پاسخگویی به تقاضای روزافزون جهان نیستند.
استفاده از انرژی هسته ای برای تولید نیرو در کشورهایی که سایر منابع ناکافی هستند اجتناب ناپذیر است. یکی از حقایق عالی در مورد انرژی هسته ای، مقدار زیادی انرژی است که می تواند از جرم کوچکی از مواد فعال آزاد شود.
انرژی حاصل از شکافت کامل یک کیلوگرم اورانیوم معادل 3100 تن زغال سنگ یا 1700 تن نفت است. انرژی هسته ای نه تنها به وفور در دسترس است، بلکه ارزان تر از انرژی تولید شده توسط منابع متعارف است.
اهمیت نیروگاه هسته ای
علیرغم هزینه اولیه بالاتر یک نیروگاه هسته ای، هزینه سوخت آن پایین تر است که این امکان صرفه جویی در ارز خارجی در بخش برق را فراهم می کند. نزدیک به 1012 تن اورانیوم و توریوم در پوسته زمین موجود است. عوامل دیگری که به نفع انرژی هسته ای هستند عبارتند از:
- هزینه سوخت کمتر
- صنعت بومی را با استفاده از انرژی الکتریکی ارزان ارتقا می دهد
- اثرات زیست محیطی تولید برق را به حداقل می رساند
- به امکانات حمل و نقل سوخت نیاز ندارد
- این به مخازن ذخیره سازی بزرگ نیاز ندارد
- محصول احتراق ندارد، منبع انرژی پاک است و باعث آلودگی هوا نمی شود
سوخت های هسته ای مورد استفاده در نیروگاه های هسته ای
- اورانیوم طبیعی
- اورانیوم غنی شده
- توریوم
- پلوتونیوم
- U233
- اکسید اورانیوم (UO2)
- کاربید اورانیوم (UC)
همجوشی هسته ای و شکافت هسته ای
همجوشی هسته ای و شکافت هسته ای دو نوع واکنش متفاوت هستند که به دلیل وجود پیوندهای هسته ای با استحکام بالا بین ذرات موجود در هسته، انرژی آزاد می کنند. در شکافت، یک اتم به دو یا چند اتم کوچکتر و سبکتر تقسیم می شود. در همجوشی، دو یا چند اتم کوچکتر با هم ذوب می شوند و اتم بزرگ و سنگین تری ایجاد می کنند.
همجوشی هسته ای
همجوشی هسته ای را می توان به عنوان واکنشی تعریف کرد که در آن انرژی از طریق ترکیب دو یا چند هسته و تشکیل یک عنصر جدید با عدد اتمی بالاتر آزاد می شود.
انرژی آزاد شده در همجوشی مرتبط است با:
E = mc2 (معادله جرم-انرژی انیشتین)
شکافت هسته ای
شکافت هسته ای را می توان به عنوان واکنشی تعریف کرد که در آن انرژی از طریق تقسیم یک هسته عظیم به فوتون ها به شکل پرتوهای گاما، نوترون های آزاد و سایر ذرات زیراتمی آزاد می شود.
واکنش هسته ای معمولی شامل U235 و نوترون است.
سپس
اجزای راکتور هسته ای
راکتور هسته ای وسیله ای است که در آن شکافت هسته ای به عنوان یک واکنش زنجیره ای خودپایدار کنترل می شود. به عبارت دیگر، یک کوره هسته‌ای است که سوخت‌هایی مانند U235، U233 یا Pu239 را برای تولید گرما، نوترون‌ها و ایزوتوپ‌های پرتوزا مانند شکل زیر می‌سوزاند.
یک راکتور هسته ای شامل موارد زیر است:
- میله سوخت
- آرام کننده
- رفلکتور (بازتابنده)
- خنک کننده
- میله های کنترل
- محافظ
- مخزن راکتور
1. میله سوخت
سوخت های مورد استفاده در راکتورها اورانیوم، پلوتونیوم و توریم است. از میان این سه، اورانیوم و محتوای آن به طور طبیعی 70 تا 90 درصد در سنگ معدن اورانیوم موجود است و دو مورد دیگر در راکتور هسته ای در طی فرآیند شکافت تشکیل می شوند.
میله های سوخت برای تولید گرما، نوترون ها و ایزوتوپ های پرتوزا (رادیو ایزوتوپ ها) استفاده می شوند.
2. آرام کننده
وظیفه اصلی آن جذب بخشی از انرژی جنبشی نوترون ها است. نوترون ها مستقیما با آرام کننده برخورد می کنند و بنابراین انرژی جنبشی نوترون را کاهش می دهد. آب سبک، آب سنگین و گرافیت رایج ترین آرام کننده های مورد استفاده در راکتورها هستند.
همچنین از آرام کننده برای افزایش احتمال واکنش استفاده می شود.
3. رفلکتور (بازتابنده)
وظیفه اصلی آن بازتاب نوترون هایی که به سطح هسته گریخته اند به داخل هسته است. معمولا یک بازتابنده در اطراف هسته قرار می گیرد. نوترون های تولید شده در فرآیند شکافت می توانند توسط خود سوخت جذب شوند، آرام کننده، خنک کننده و برخی نوترون ها ممکن است بدون جذب از هسته خارج شوند. برای کاهش تلفات نوترون، بازتابنده در اطراف هسته قرار می گیرد.
4. خنک کننده
وظیفه اصلی خنک کننده جذب مقدار بسیار زیاد گرمای تولید شده در راکتور است. گرمای گرفته شده توسط خنک کننده برای تولید برق استفاده می شود. اگر از آب به عنوان خنک کننده استفاده شود، گرما را جذب کرده و برای تولید برق به بخار تبدیل می شود.
5. میله های کنترل
میله های کنترل برای موارد زیر استفاده می شوند:
- روشن کردن راکتور در حالت سرد
- حفظ واکنش زنجیره ای در حالت پایا
- خاموش کردن خودکار راکتور در شرایط اضطراری
کنترل برای جلوگیری از ذوب شدن میله های سوخت و تخریب راکتور در شرایط اضطراری ضروری است. معمولا از کادمیوم، بور یا هافنیوم به عنوان میله کنترل استفاده می شود.
6. محافظ
محافظ حرارتی برای حفاظت از قسمت های خارجی یک راکتور (به عنوان مثال، اجزای بتنی محافظ بیولوژیکی، که نمی توانند در برابر افزایش شدید دما مقاومت کنند) از تشعشعات مولد گرما که از هسته راکتور ساطع می شوند به کار می رود. محافظ حرارتی توسط لایه ای از مواد مقاوم در برابر حرارت مانند فولاد، چدن یا ماسه ایجاد می شود که شار نوترون و پرتو گاما را به سطوحی کاهش می دهد که در آن هیچ گرادیان دمایی بالا و در نتیجه هیچ تنش مکانیکی ایجاد نمی شود. محافظ حرارتی در نزدیکی هسته، پشت بازتابنده نصب می شود و ممکن است به طور خاص خنک شود. در انواع خاصی از راکتورها از دیواره های مخزن راکتور به عنوان محافظ حرارتی استفاده می شود.
7. مخزن راکتور
مخزن راکتور، هسته راکتور، بازتابنده و محافظ را در بر می گیرد. همچنین مسیر ورودی و خروجی خنک کننده را فراهم می کند. میله های کنترل از بالای مخزن از یک نگهدارنده عبور می کنند. مخزن راکتور باید فشاری حدود 200 بار یا بیشتر را تحمل کند. هسته راکتور در پایین آن قرار می گیرد.
طرز کار نیروگاه هسته ای و چیدمان آن
ساختمان ساده یک نیروگاه هسته ای در شکل زیر نشان داده شده است. همانطور که می بینید، از یک راکتور هسته ای، پمپ گردش خنک کننده، مبدل حرارتی، پمپ تغذیه، کندانسور، توربین و ژنراتور تشکیل شده است.
گرما در یک راکتور توسط واکنش شکافت تولید می شود. مایع خنک کننده در مدار اول با جذب حرارت گرم شده و وارد مبدل حرارتی می شود. در یک مبدل حرارتی، آب تغذیه توسط خنک کننده داغ با انتقال حرارت گرم شده و به بخار تبدیل می شود.
بخار از مبدل حرارتی وارد توربین می شود و توربین به ژنراتور که برق تولید می کند متصل است. بخار پس از انجام کار وارد کندانسور شده و به آب تبدیل می شود که این آب مجددا توسط پمپ تغذیه به مبدل حرارتی پمپ می شود.
خنک‌کننده داغ که در مبدل حرارتی خنک می‌شود، توسط پمپ گردش خنک‌کننده به داخل راکتور بازگردانده می‌شود. این چرخه برای تولید مداوم برق تکرار می شود. برق تولید شده همانطور که در شکل نشان داده شده است به خط توزیع برای مصرف کنندگان عرضه می شود.
مزایا
- سوخت کمتری مورد نیاز است
- به فضای کمتری نسبت به نیروگاه حرارتی نیاز دارد
- نگه داری آن آسان است
- آب کمتری مورد نیاز است
- هزینه حمل و نقل سوخت کمتر است
معایب
- نیاز به سرمایه گذاری کلان
- هزینه نگهداری بالا
- ضایعات رادیواکتیو باید با دقت دفع شوند
- به کارگران ماهر نیاز است
- برای بارهای مختلف مناسب نیست
انواع راکتورها
1. بسته به انرژی نوترون:
- راکتورهای سریع
- راکتورهای حرارتی یا راکتورهای کند
- راکتورهای میانی
2. بسته به نوع سوخت مصرفی:
- راکتورهای U235
- راکتورهای U238
- راکتورهای Th22
3. نوع مایع خنک کننده مورد استفاده:
- راکتور گاز سرد
- راکتور آب سرد
- راکتور خنک شده فلز مایع
4. نوع آرام کننده مورد استفاده:
- راکتور گرافیت
- راکتور بریلیم
- راکتور آب
5. نوع هسته
- راکتور همگن
- راکتور ناهمگن
راکتورهای شکافت حرارتی
راکتورهای مختلف شکافت حرارتی عبارتند از:
- راکتور آب فشرده
- راکتور آب جوشان
- راکتور گاز سرد
1. راکتور آب فشرده (PWR)
چینش راکتور آب فشرده در شکل زیر نشان داده شده است. ساده‌ترین فرم آن به صورت راکتور آب سبک و آرام شده است. PWR از اورانیوم غنی شده به عنوان سوخت استفاده می کند.
مخزن تحت فشار در مدار، آب را در حدود 100kgf/cm نگه می دارد به طوری که نمی جوشد و حداکثر حرارت راکتور را می گیرد. کویل الکتریکی در راکتور، آب را می جوشاند تا بخار موجود در گنبد را تشکیل دهد و مدار خنک کننده را قبل از راه اندازی راکتور تحت فشار قرار دهد. برای کاهش فشار از اسپری آب برای متراکم کردن بخار استفاده می شود.
آب در مدار اولیه با جذب گرمای شکافت که در هسته راکتور رخ می دهد گرم می شود و همان انرژی به مبدل حرارتی داده می شود تا بخار آب تغذیه تولید شود. آب خارج شده از مبدل حرارتی توسط پمپ به گردش در می آید تا فشار در مدار در محدوده 100 تا bar 130 حفظ شود.
بخار از مبدل حرارتی برای تولید برق به توربین داده می شود. بخار از توربین به کندانسور میرود و در آنجا به آب تبدیل شده و یک بار دیگر به مبدل حرارتی پمپ می شود.
مزایا
- آب به عنوان خنک کننده، آرام کننده و بازتابنده استفاده می شود، بنابراین هزینه عملیاتی آن کمتر است
- به تعداد کمی میله کنترل نیاز دارد
- به دلیل مدار مجزا، هیچ آلودگی رادیواکتیوی در بخار وجود ندارد
راکتور آب جوشان (BWR)
در این نوع راکتورها از اورانیوم غنی شده به عنوان سوخت و از آب به عنوان خنک کننده، آرام کننده و بازتابنده استفاده می شود. در این مورد همانطور که در شکل نشان داده شده، بخار به جای بویلر جداگانه در خود راکتور تولید می شود.
بخار تولید شده در راکتور مستقیما در توربین برای تولید برق استفاده می شود. بخار حاصل از توربین دوباره به آب چگالیده می شود و با استفاده از یک پمپ تغذیه به داخل راکتور برگشت داده می شود و دوباره گرم شده و در راکتور به بخار تبدیل می شود.
مزایا
- مدار مبدل حرارتی حذف شده است، بنابراین هزینه کاهش می یابد
- افزایش راندمان حرارتی
- فشار کم در مخزن آن را بسیار سبک تر می کند
- راندمان راکتور آب جوشان بیشتر از راکتور آب فشرده است
راکتور گاز سرد (GCR)
راکتور گاز سرد یک راکتور هسته ای است که با گرافیت به عنوان آرام کننده نوترون و گازی مانند دی اکسید کربن یا هلیوم در به عنوان خنک کننده کار می کند. این راکتور می تواند از اورانیوم طبیعی به عنوان سوخت استفاده کند.
دی اکسید کربن در داخل هسته به گردش در می آید، گرمای سوخت را جذب می کند و به دمای C° 650می رسد. سپس به سمت مبدل های حرارتی واقع در خارج از مخزن تحت فشار بتن راکتور جریان می یابد. آن ها از انواع مبدل های حرارتی گاز به آب هستند که برای جوشاندن آب جاری از مبدل تک گذر استفاده می کنند. سپس آب در چرخه بخار معمولی به کار برده می شود.
مزایا
- مشکل خوردگی ندارد
- گازها به راحتی قابل حمل هستند
- می توان آن را در دماهای بالا به کار برد
- گازها را می توان به راحتی تحت فشار قرار داد
- گرافیت در دماهای بالا پایدار می ماند و مشکلات تشعشع حداقل است
اثرات تشعشعات هسته ای
1. رادیواکتیو می تواند همه موجودات زنده را در یک منطقه حدود 100 مایل مربع از بین ببرد.
2. سلامت انسان را تحت تأثیر قرار می دهد. مانند:
- کاهش مقاومت در برابر عفونت
- استفراغ، اسهال، خستگی و تاثیر روی دندان ها
- آسیب به سلول های مغز، سرطان، آسیب به کلیه ها و ریه ها
- مشکل تیروئید
- بر سیستم خون تاثیر می گذارد و استخوان ها را ضعیف می کند
- نارسایی قلبی
3. اختلال در اکوسیستم
4. آسیب به گیاهان و حیوانات، خاک و حیات وحش
5. آلودگی آب
6. خطر ورود بخار و گازها به اتمسفر
7. آسیب به لایه اوزون
دفع زباله های هسته ای
طبق آژانس بین المللی انرژی اتمی چهار دسته اصلی زباله های هسته ای عبارتند از:
- زباله های هسته ای سطح پایین
- زباله های هسته ای سطح متوسط
- زباله های هسته ای سطح بالا
- زباله های معدن و آسیاب اورانیوم
1. زباله های سطح پایین و دفع آن ها
زباله های سطح پایین شامل موادی هستند که با رادیواکتیو آلوده شده اند یا در اثر قرار گرفتن در معرض تشعشعات نوترونی رادیواکتیو شده اند.
این زباله ها معمولا شامل موارد زیر هستند:
- لباس محافظ و پوشش کفش آلوده
- دستمال های تمیزکاری
- تِی ها
- فیلترها
- بقایای تصفیه آب راکتور
- تجهیزات و ابزار
- لوله های پزشکی
- پنبه
- سوزن و سرنگ
دفع
زباله های سطح پایین در عمق کم دفن می شوند. این ارزان ترین روش دفع است زیرا خاک مواد رادیواکتیو را به راحتی جذب می کند. چنین دفعی در مناطق کم بارندگی و بالاتر از سطح آب زیرزمینی مجاز است.
بیشتر زباله های رادیواکتیو با ذخیره سازی دفع می شوند. مشکل ذخیره سازی با جداسازی سزیم و استرانسیم که بسیار پرتوزا هستند، ساده می شود. آن ها عموما در مخازنی که درزمین دفن شده اند ذخیره می شوند و پس از 13 سال ذخیره در دریا دفن می شوند.
بسیاری از معادن زغال سنگی که تخلیه شده اند برای دفع زباله استفاده می شوند. ضایعات در توده های نمک موجود در معادن دفن می شوند زیرا نمک یک جاذب قدرتمند تشعشعات رادیواکتیو است، زباله های مایع نیز به صورت منجمد دفع می شوند.
معمولا گازهای رادیواکتیو (که جز زباله های رادیواکتیو سطح پایین هستند) جمع آوری و در یک مخزن دفن شده در زمین ذخیره می شوند و زمانی که سطح فعالیت آن ها به اندازه کافی کاهش یابد در جو آزاد می شوند.
2. زباله های هسته ای سطح متوسط
زباله هایی که در معرض تشعشعات آلفا (A) قرار گرفته اند یا شامل نوکلئوییدهای رادیویی با عمر طولانی و غلظت هایی هستند که نیاز به جداسازی و نگهداری برای دوره های بیش از چند صد سال دارند، به عنوان زباله های رادیواکتیو سطح متوسط طبقه بندی می شوند. این زباله ها در حین جابجایی و نگهداری موقت نیاز به محافظت دارند. این زباله ها شامل اجزای هسته راکتور، رزین ها و فیلترهایی هستند که برای تصفیه سیستم آب راکتور استفاده می شوند.
دفع
این ضایعات نیز با همان روشی که برای دفع زباله های رادیواکتیو سطح پایین استفاده می شود، دفع می شوند.
3. زباله های هسته ای سطح بالا
ضایعات رادیواکتیو سطح بالا برای سوخت هسته ای استفاده می شود. هنگامی که بسته های سوخت استفاده شده از راکتور خارج می شوند، بسیار پرتوزا هستند، حاوی مواد رادیواکتیو با عمر طولانی هستند و گرمای قابل توجهی تولید می کنند. این نیاز به مدیریت دقیق در یک دوره بسیار طولانی دارد.
دفع
برای زباله های پرتوزا، دفن در زمین مناسب ترین وسیله برای جداسازی دائمی این گونه زباله ها از محیط زیست انسان است. همچنین می توان آن ها را در کف اقیانوس، مناطق پوشیده از یخ، فضا و یا تخریب به صورت تراجهش هسته ای دفع کرد.
روش های مختلفی که در دفع زباله های هسته ای استفاده می شوند
روش های ممکن برای دفع زباله های هسته ای عبارتند از:
- مخازن در عمق زمین
- نوعی بتن با چگالی بالا که برای ذخیره سازی ضایعات هسته ای استفاده می شود (Ducrete)
- دفن در کف اقیانوس
- بتن نمکی
- استخر سوخت مصرف‌شده
- بشکه های مخصوص حمل سوخت های مصرف شده
- سنگ مصنوعی
- تأسیسات آزمایشی مجزاسازی ضایعات
- دفع در چاه های عمیق
- شیشه سازی
- بازیافت
- دفع در فضا
- تراجهش هسته ای
- دفن در زمین
مزایای نیروگاه هسته ای
- در مقایسه با سایر نیروگاه ها به فضای کمتری نیاز دارد
- برای تقاضاهای بالا مناسب است
- در ضرایب بار بالا (80 تا 90 درصد) عملکرد بهتری دارد
- مصرف سوخت کمتر
- هزینه حمل و نقل سوخت بسیار کمتر است
- قابلیت اطمینان عملیات بالا
- تحت تاثیر شرایط آب و هوایی نامساعد قرار نمی گیرد
- آب کمتری مورد نیاز است
- امکان افزایش ظرفیت نیروگاه
- فضای کمتری اشغال می کند
معایب نیروگاه هسته ای
- هزینه اولیه بالا
- خطر همیشگی رادیواکتیو
- برای شرایط بار متفاوت مناسب نیست
- دفع محصولات شکافت مشکل بزرگی است
- هزینه نگهداری همیشه بالاست
- به اپراتورهای ماهر نیاز است
- محیط کار همیشه برای سلامت کارگران مضر است
