اقتصاد انرژی هسته ای

در دنیا تقریباً 30درصد انرژی جهت تولید برق مصرف می‌شود. بقیه 70درصد آن در بخش حمل و نقل، تولید آب گرم و بخار و یا کلاً تولید انرژی حرارتی مصرف می‌شود.

این مسئله بیانگر این واقعیت است که کاربردهای غیرالکتریکی انرژی بخصوص در زمینه انرژی حرارتی، بخش قابل ملاحظه‌ای را به خود اختصاص می‌دهد.

در نتیجه نیاز به منابع انرژی که از نظر اقتصادی و زیست‌محیطی مزیت داشته باشد، روز به روز بیشتر احساس می‌شود.

گرچه هم اکنون در اکثر کشورها از سوخت‌های فسیلی (نفت، گاز، زغال‌سنگ) به عنوان مهمترین منبع تولید انرژی استفاده می‌شود، ولی آثار زیست‌محیطی آن، عدم قابلیت اطمینان در کافی بودن منابع سوخت‌های فسیلی برای تهیه انرژی در آینده، همچنین لزوم حفظ منابع نفت و گاز برای نسل‌های آینده، مسائلی است که جهان درگیر آن بوده و خواهد بود.

انرژی هسته‌ای دارای این پتانسیل و قابلیت است که تمام مسائل فوق را حل نماید. این انرژی پاک باعث آلودگی محیط‌زیست نشده و از قابلیت اطمینان بالایی به عنوان یک منبع انرژی مطمئن برای آینده برخوردار است.

فناوری پیشرفته امروزی این امکان را به بشر داده است تا بتواند از انرژی هسته‌ای به عنوان یک منبع بیکران و در شرایطی کاملاً ایمن، جهت تولید انرژی الکتریکی و غیرالکتریکی بهره جوید. گرچه شناخت این منبع عظیم انرژی بی نظیر با انفجارات هسته‌ای جنگ جهانی دوم روبه‌رو شد، ولی باید اذعان نمود که تصمیمات کشورهای مختلف برای استفاده از آن جهت تولید انرژی و از طرفی استفاده پزشکی، صنعتی و کشاورزی از تولیدات آن به نحوی است که دیگر هیچ جامعه‌ای از آن بی نیاز نیست.

فناوری هسته‌ای، پزشکی، کشاورزی و صنعت

امروزه از انرژی و فناوری هسته‌ای در بسیاری از زمینه‌ها استفاده می‌شود.امروزه از رادیوایزوتوپ‌ها و رادیوداروها جهت تشخیص و درمان طیف وسیعی از بیماری‌ها استفاده می‌شود.

روش تشخیصی ام.ار.ای یک روش تشخیصی دقیق در علم پزشکی است که از فناوری هسته‌ای بهره می‌برد.

استفاده از پرتوهای مواد رادیواکتیو جهت درمان سرطان‌ها، همچنین استرلیزاسیون تجهیزات پزشکی(بخصوص تجهیزاتی که نسبت به درجه حرارت حساسند و نمی‌توان از گرما برای استرلیزه کردن آنها استفاده کرد) از کاربردهای دیگر فناوری هسته‌ای در پزشکی است.

استفاده از رادیوایزوتوپ‌ها جهت مطالعه گیاهان، تولید گیاهانی که نسبت به آفت‌ها مقاومند، کنترل جمعیت حشرات و کمک به امکان نگهداری بیشتر مواد غذایی فاسدشدنی از جمله کاربرد فناوری هسته‌ای در کشاورزی است.

رادیوگرافی در صنایع مختلف هواپیماسازی، صنایع نفت و گاز(جهت بررسی کیفیت جوش به کار رفته در قطعات) اندازه گیری ویسکوزیته، دانسیته و ضخامت در مواردی که مواد شیمیایی خطرناک و یا درجه حرارت‌های بالا وجود دارد، تولید لایه‌های بسیار نازک پلاستیکی، محاسبه راندمان و جریان مواد در کوره‌های بزرگ و آشکارسازی نشت مواد در مولدهای بخار و برج‌های خنک‌کننده از جمله کاربرد‌های فناوری هسته‌ای در صنعت است.

تعیین منابع آلودگی آبهای زیرزمینی و اقیانوس‌ها، تعیین عمر آثار باستانی (تا 400 بیلیون سال) کشف معادن اورانیوم، مس، روی، نیکل و آهن به روش آشکارسازی پرتوها از کاربردهای فناوری هسته‌ای در زمین‌شناسی است.

قابلیت‌های نیروگاه‌های هسته‌ای و تولید انرژی

در تمام نیروگاه‌های هسته‌ای فرایند اولیه در قلب راکتور هسته‌ای عبارت است از تبدیل انرژی ناشی از شکافت اتم‌ها به انرژی حرارتی. در مرحله بعدی از این انرژی حرارتی می‌توان برای تولید برق و یا مستقیماً به صورت انرژی حرارتی استفاده کرد. بنابراین اصولاً تمام راکتورهای هسته‌ای می‌توانند برای تولید انرژی اعم از الکتریکی و غیرالکتریکی مورد استفاده قرار بگیرند.

انرژی مورد نیاز صنایع شامل رنج وسیعی از درجه حرارت، از درجه حرارت کم برای تولید آب گرم مناطق مسکونی همچنین تهیه آب آشامیدنی از آب دریا، تا درجه حرارت  1000 درجه سانتی‌گراد برای فرایند‌های مختلف صنعتی نظیر ازدیاد برداشت از چاه‌های نفت، پالایشگاه‌ها، صنایع شیمیایی، تبدیل زغال‌سنگ به سوخت مایع، تولید هیدروژن و... است.

همانطوری که اشاره گردید، تمام راکتورهای هسته‌ای می‌توانند برای تولید انرژی مورد نیاز صنایع مورد استفاده قرار بگیرند. در این مورد دو اصل کلی در نظر گرفته می‌شود: اصل اول درجه حرارت تولیدی و اصل دوم فشار بخار تولیدی است. در ارتباط با درجه حرارت انرژی تولیدی، راکتورهای هسته‌ای آبی (LWR) توانایی تامین انرژی حرارتی تا 300 درجه سانتی‌گراد را دارا هستند.

 این راکتورها شامل راکتورهای آبی تحت فشار(PWR) راکتورهای آبی جوشان (BWR) و راکتورهای آب سنگین (HWR) هستند.

راکتورهای هسته‌ای با کند‌کننده گرافیتی تا 400درجه سانتی‌گراد می‌تواند حرارت تولید کنند. درحالی که راکتورهای سریع زاینده (FBR) تا 540 درجه سانتی‌گراد می‌توانند گرما تولید کنند.

راکتورهای هسته‌ای با خنک‌کننده گازی می‌توانند درجه حرارت بالاتری تولید کنند به طوری که راکتورهای هسته‌ای گازی پیشرفته (AGR) تا650 درجه سانتی‌گراد و راکتورهای هسته‌ای گازی با درجه حرارت بالا (HTGR) تا 950 درجه سانتی‌گراد می‌توانند حرارت تولید کنند.

مسئله دیگری که بخصوص در ازدیاد برداشت از چاه‌های نفت اهمیت دارد، فشار بخار تغذیه شده می‌باشد. در این‌گونه کاربردها، راکتورهای سریع زاینده، راکتورهای گازی پیشرفته و راکتورهای گازی با درجه حرارت بالا مزیت نسبی دارند.

بنابراین نیروگاه‌های هسته‌ای دارای این پتانسیل می‌باشند که نه‌تنها از آنها برای تولید برق استفاده شود، بلکه قابلیت تولید انرژی حرارتی در رنج وسیعی از درجه حرارت را برای صنایع مختلف دارا هستند.

نیروگاه‌های هسته‌ای و آب‌شیرین‌کن‌ها

در تمام نقاط دنیا به  خصوص در کشورهای در حال توسعه مسئله تامین آب سالم، مسئله مهمی‌است. افزایش جمعیت، افزایش آلودگی آبهای سطحی، همچنین کاهش منابع آبهای زیرزمینی باعث بوجود آمدن مشکلاتی در تهیه آب سالم برای مصارف خانگی، صنایع و کشاورزی شده است.

از سال 1980 میلادی آژانس بین‌المللی انرژی اتمی ‌توجه بخصوصی به استفاده از انرژی هسته‌ای جهت تامین آب سالم نموده است. کمبود منابع آبی بخصوص در کشورهای عربی باعث حرکت وسیعی در ارزیابی امکان استفاده از انرژی هسته‌ای جهت تامین آب سالم از آب دریا شده است.

آب شیرین‌کن‌ها تاسیساتی هستند که با استفاده از آنها می‌توان آب دریا را به آب آشامیدنی همچنین آب مورد نیاز صنایع و کشاورزی تبدیل کرد.

مطالعات اقتصادی انجام شده نشان‌دهنده مزیت استفاده از انرژی هسته‌ای برای آب شیرین‌کن‌ها در مقایسه با استفاده از سوخت‌های فسیلی برای این منظور است.

پارامترهای حرارتی انرژی تولید شده توسط راکتورهای هسته‌ای، جهت استفاده در آب شیرین‌کن‌ها بسیار مناسب است.

با توجه به اینکه پروسه‌های استفاده شده در آب شیرین‌کن‌ها نیازمند مقادیر زیادی حرارت است، راکتورهای هسته‌ای کاندید بسیار مناسبی جهت تامین انرژی مورد نیاز آب شیرین‌کن‌ها  هستند.

هم‌اکنون در بسیاری از کشورها از انرژی هسته‌ای جهت تولید آب سالم از آب دریا، استفاده می‌شود. به عنوان نمونه در کشور چین، از یک راکتور هسته‌ای با قدرت 200 مگاوات ترمال برای تولید 144 هزار متر مکعب آب در روز استفاده می‌شود.

راکتور آب سبک موسسه تحقیقات هسته‌ای کره جنوبی با قدرت 330 مگاوات ترمال، توانایی تولید همزمان 100 مگاوات برق و 40 هزار متر مکعب آب را در روز دارد. در کشور کانادا از یک راکتور آب سنگین جهت تولید همزمان برق و آب سالم استفاده می‌شود.

در این راکتور بدون اینکه در تولید برق اختلالی ایجاد شود، مقادیر زیادی از حرارت اضافی که بایستی به محیط بازگردانیده شود، جهت تولید آب آشامیدنی سالم در آب‌شیرین‌کن استفاده می‌شود. در کشور قزاقستان یک راکتور سریع نوع BN-350  و یک مجتمع آب شیرین‌کن، کار تهیه آب سالم مورد نیاز صنایع مختلف و انرژی حرارتی مورد نیاز شهری را بر عهده دارد. در روسیه از یک راکتور استخری به قدرت 55 مگاوات ترمال جهت تهیه آب سالم، همچنین تامین انرژی حرارتی مناطق مسکونی استفاده می‌شود.

نیروگاه‌های هسته‌ای و تهیه سوخت مایع

با توجه به محدودیت منابع نفتی و اینکه روز به روز در اثر مصرف سوخت‌های مایع به انتهای منابع نفتی نزدیک می‌شویم، مسئله تبدیل زغال‌سنگ به سوخت مایع و گاز بسیار مورد توجه قرار گرفته است.

از آنجایی که امکان استفاده از زغال‌سنگ در صنایع حمل و نقل تقریباً غیرممکن است، همچنین سوختن زغال‌سنگ آثار زیست‌محیطی مخربی دارد، بنابراین فرایند تبدیل آن به سوخت مایع و گازی می‌تواند کمک بزرگی در این زمینه بکند. از تبدیل زغال‌سنگ به سوخت مایع می‌توان موادی نظیر گاز و نفت گاز بدست آورد.

در فناوری تبدیل زغال سنگ به سوخت مایع از بخار آب با درجه حرارت بالا (حدوداً 450 درجه سانتی‌گراد) استفاده می‌شود. برای تامین این درجه حرارت می‌توان از راکتورهای هسته‌ای با خنک‌کننده گازی استفاده کرد. حرارت تولید شده در قلب این نوع راکتورها توسط گاز هلیوم برداشت شده و به بخش مایع سازی زغال‌سنگ منتقل می‌شود.

درجه حرارت خروجی راکتورهای گازی تا 950 درجه سانتی‌گراد می‌تواند برسد که کاندید بسیار خوبی برای این نوع فرایندهای با درجه حرارت بالا هستند.

نیروگاه‌های هسته‌ای و تولید هیدروژن

هیدروژن یکی از سوخت‌های مورد توجه در جهان می‌باشد. هیدروژن به عنوان یک سوخت پاک قابل ذخیره و انتقال بوده، همچنین قابل استفاده در صنایع حمل و نقل، منازل، صنایع شیمیایی، پالایشگاه‌ها، داروسازی، ژنراتورها و موتورهای بزرگ و ... است. هیدروژن در اثر سوختن، آسیبی به محیط‌زیست وارد نمی‌کند.

در حال حاضر تولید هیدروژن از طریق سوخت‌های فسیلی و فرایندهای حرارتی تولید می‌شود. این روش علاوه بر مصرف سوخت‌های فسیلی (عمدتاً گاز) آلودگی محیط‌زیست را نیز به دنبال دارد. روش دیگر، تولید هیدروژن از آب معمولی است.

تولید هیدروژن از آب به روش‌های الکترولیز، ترمولیز، ترموشیمیایی و فتولیز امکان‌پذیر است. در روش ترمولیز درجه حرارتی بین 2500 تا 3000 درجه سانتی‌گراد لازم است تا بتوان مولکول‌های آب را به هیدروژن و اکسیژن شکست.

با استفاده از سیکل‌های ترموشیمیایی می‌توان این عمل را در کمتر از 1000درجه سانتی‌گراد انجام داد. بنابراین راکتورهای هسته‌ای بخصوص راکتورهای HTGR دارای پتانسیل خوبی در این زمینه می‌باشند. در این مورد می‌توان هم از الکتریسیته تولید شده توسط این نوع راکتورها برای الکترولیز آب استفاده نمود و هم از حرارت تولیدی در فرایند ترمولیز استفاده کرد.

نیروگاه‌های هسته‌ای و تولید گاز متان

معمولاً در مخازن گاز  به همراه گاز طبیعی، مقادیر زیادی گاز دی اکسید کربن وجود دارد. پس از جداسازی گازهای مفید از دی اکسید کربن، مسئله‌ای که در اینجا وجود دارد مدیریت مقادیر زیادی گاز دی اکسید کربن به گونه‌ای است که آثار زیست‌محیطی کمتری داشته باشد.

یک راه ممکن تزریق گاز دی اکسید کربن به چاه‌های نفت است که این ممکن است از نظر اقتصادی به صرفه نباشد. راه دیگر این است که گاز دی اکسید کربن را در مجاورت کاتالیزورها حرارت داده و محصولات مفید دیگری تولید کرد. دو روش جالب در این زمینه به شرح زیر است:

اکسیژن+ متانول = آب+ الکتریسیته + حرارت + گاز مخلوط با دی‌اکسید کربن
اسید فورمیک =  آب+ حرارت + گاز مخلوط با دی‌اکسید کربن

با توجه به اینکه فرایندهای فوق نیازمند درجه حرارت بالایی (تقریباً 400 درجه سانتی‌گراد) است، می‌توان از راکتورهای هسته‌ای گازی برای تولید حرارت همچنین الکتریسیته مورد نیاز در فرایندهای فوق استفاده کرد.

نیروگاه‌های هسته‌ای و افزایش راندمان چاه‌های نفت

در زمان برداشت نفت از مخازن نفتی، معمولاً مقادیر قابل توجهی از مواد نفتی در چاه‌های نفتی باقی می‌ماند. به طور معمول جهت ازدیاد برداشت از چاه‌های نفت، از متدهایی استفاده می‌شود که در آنها با تغییر مشخصات مواد نفتی باعث ازدیاد برداشت می‌شود. این روش‌ها عبارتند از: تزریق گاز به چاه‌های نفت، تزریق آب به همراه پلیمرها به منظور افزایش ویسکوزیته، تزریق بخار آب با درجه حرارت بالا و استفاده از میکروارگانیسم‌ها.

روش حرارتی افزایش راندمان چاه‌های نفت، بخصوص استفاده از بخار آب با درجه حرارت بالا یک فناوری تایید شده است که می‌توان از آن برای افزایش میزان برداشت نفت از چاه‌های نفت استفاده کرد.

این روش بخصوص برای مخازنی که شامل مواد نفتی سنگین است، بسیار مناسب است.

رای تامین بخار مورد نیاز در این روش می‌توان از راکتورهای هسته‌ای HTR استفاده کرد. به عنوان نمونه یک راکتور هسته‌ای HTR با قدرت 200 مگاوات حرارتی می‌تواند بخاری با فشار 75بار و حداقل درجه حرارت 300 درجه سانتی‌گراد جهت تزریق به چاه‌های نفت و 25 تا 30 مگاوات قدرت الکتریکی جهت پمپ‌ها و سایر تجهیزات سرچاهی تامین کند.

نیروگاه‌های هسته‌ای و آب‌گرم مناطق شهری

با توجه به قابلیت راکتورهای هسته‌ای بخصوص راکتورهای HTR، می‌توان از آنها علاوه بر تولید برق در تهیه آب‌گرم مناطق مسکونی بخصوص در نواحی سردسیری استفاده کرد. این امر باعث صرفه‌جویی زیادی در مصرف سوخت‌های فسیلی و کاهش آلودگی محیط‌زیست و جلوگیری از اتلاف انرژی می‌شود.

در کشور چین دو راکتور هسته‌ای به قدرت 5  و 200 مگاوات جهت تولید حرارت مورد نیاز صنایع ساخته شده است. راکتور هسته‌ای به قدرت 200 مگاوات مذکور، توانایی تغذیه انرژی حرارتی مورد نیاز 5 میلیون متر مربع از مناطق شهری را دارد. برای تولید چنین حرارتی بایستی معادل 250 هزار تن زغال‌سنگ در سال مصرف کرد که در این صورت مقادیر زیادی گازهای آلوده‌کننده وارد محیط‌زیست می‌شود.

یکی از بزرگترین پروسه‌های تولید حرارت توسط انرژی هسته‌ای جهت مناطق مسکونی و صنایع در کشور کانادا قرار دارد.

در این کشور راکتور آب‌سنگین کندو علاوه بر تولید برق، وظیفه تولید بخار و انرژی حرارتی مورد نیاز صنایع و مناطق مسکونی را به عهده دارد. در کشور اسلواک، راکتورهای هسته‌ای با طرح روسی به قدرت 440 و 230 مگاوات الکتریکی علاوه بر تولید برق، تامین آب گرم مناطق شهری، صنایع کشاورزی را برعهده دارند.

در کشور روسیه نیز از نیروگاه‌های هسته‌ای جهت تولید همزمان برق و تامین آب گرم مناطق شهری و صنایع به طور گسترده‌ای استفاده می‌شود.

نیروگاه‌های هسته‌ای و تاسیسات سرمایشی

از نیروگاه‌های هسته‌ای در مناطق گرمسیری جهت تاسیسات سرمایشی و تهویه مطبوع می‌توان استفاده کرد.

به عنوان نمونه، طرح ارائه شده توسط موسسه فناوری هسته‌ای چین این امکان را می‌دهد تا با استفاده از انرژی هسته‌ای و فناوری موجود در چیلرهای جذبی، سیستم سرمایش و تهویه مطبوع طراحی نمود. تخمین زده می‌شود که یک نیروگاه هسته‌ای با قدرت 200مگاوات ترمال توانایی تامین انرژی مورد نیاز برای تهویه مطبوع شهری به مساحت 3 تا 5/3 میلیون متر مربع را دارا باشد.