حیات بشر امروزی به طور مستقیم و غیرمستقیم بهمنابع مختلف انرژی مانند نفت و گاز و زغال سنگ و ... وابسته است و تصور زندگی بدون دسترسی به این منابع، دشوار و حتی غیرممکن است.
از طرفی، گذشت سریع زمان، این زنگ خطر را بلندتر و واضح تر به گوش میرساند که منابع انرژی تجدیدناپذیر در حال پایان است، بنابر این ضرورت کشف و استفاده از منابع انرژی نو بیش از پیش اهمیت مییابد.
انرژی هستهای از جمله مطمئنترین و پاکترین انرژیهایی است که میتواند کمبود و حتی خلاء انرژیهای فسیلی را جبران کند.
جمهوری اسلامی ایران نیز با درک ضرورت استفاده از این انرژی مدرن، در جهت دستیابی به آن برای تولید برق کوششی بیوقفه و خستگی ناپذیر را آغاز کرده است.
برای تولیدبرق، روشهای مختلفی وجود دارد که ازآن جمله میتوان نیروگاههای آبی، بادی، خورشیدی، جزر و مد، ژئوترمال ( زمین گرمایی ) حرارتی و هستهای را نام برد.
در نیروگاه حرارتی از سوزاندن منابع اولیه انرژی مانند زغال سنگ،نفت یا گاز، حرارت تولید میشود و حرارت تولید شده در دیگ بخار، آب را تبخیر میکند. بخارحاصله بعد از به چرخش در آوردن توربین در چکالنده، به آب تبدیل میشود و دوباره به دیگ بخار بر میگردد. چرخش توربین منجر بهچرخش محور مولد برق شده و نیروی برق تولید میشود.
چگونگی تولید برق در نیروگاه هستهای
در نیروگاههای هستهای پس از شکاف هسته، انرژی هستهای به صورت حرارت آزاد میشود. از حرارت حاصله همانند نیروگاههای حرارتی میتوان برای تولید برق استفاده کرد.
یک نیروگاه هستهای در اصل مانند یک نیروگاه فسیلی (حرارتی) کارمیکند، با این تفاوت که در نیروگاه اتمی، حرارت از سوزاندن زغال سنگ، نفت و یا گاز ایجاد نمیشود، بلکه از راه شکاف هسته اتم تولید میشود.
جریان آب، این حرارت را به مولد بخار که درآن آب بهبخار تبدیل میشود، از مدار اول منتقل میکند و بخار حاصله، توربین و در نتیجه مولد برق را به گردش در میآورد و سپس در چگالنده به آب تبدیل میشود. این آب در مدار دوم دوباره به مولد بخار برگردانده میشود و حرارت پس داده شده ، هنگام تبدیل بخار به آب در چگالنده، به وسیله آب خنککننده در مدار سوم جذب و خارج میشود.
نیروگاههای اتمی انواع مختلفی دارند. یکی از پیشرفتهترین آنها نیروگاه اتمی با راکتور آب تحت فشار است.
برق تولیدشده در نیروگاه اتمی پس ازافزایش ولتاژ، درترانسهای افزاینده، توسط خطوط انتقال فشار قوی به محلهای مصرف منتقل میشود، در آنجا به وسیله ترانسهای کاهنده، ولتاژ تا حد لازم کاهش مییابد و در اختیار مصرفکننده قرار میگیرد.این افزایش و کاهش ولتاژ به علت کم کردن تلفات در خطوط انتقال برق است.
نیروگاه هستهای و شیرینسازی آب شور
نیروگاه اتمی علاوه بر تولید برق ، فواید و کاربردهای دیگری نیز دارد که از جمله شیرینسازی آب شور دریا است. می توان به هر واحد نیروگاه اتمی هزار مگاواتی، یک واحد شیرینسازی آب شور به ظرفیت ۱۰۰هزار متر مکعب در روز متصل کرد و آب شور از دریا به وسیله پمپ به واحد شیرین-سازی آب شور هدایت کرد.
در این واحد، از حرارت تولید شده به وسیله راکتور برای تقطیر کردن آب استفاده میشود. آب تقطیرشده پس از طی مراحلی بهآب آشامیدنی تبدیل میشود.
مایعات زاید دوباره به دریا برگردانده شده، آب آشامیدنی وارد ش
بکه توزیع میشود. آب شیرین حاصله برای مصارف کشاورزی، شهری و صنعتی قابل استفاده است.
اورانیوم و نقش آن در نیروگاه هستهای
هسته اتم از ذراتی به نام "پروتون" و "نوترون" تشکیل شده است. پروتون بارالکتریکی مثبت دارد و مقدار آن برابر با بار منفی الکترون است در حالی که نوترون دارای بار الکترویکی نیست و به عبارت دیگر خنثی است.
پروتونها و نوترونها به وسیله نوعی انرژی اتصالی درکنار هم قرار گرفته، انرژی آزادشده به صورت حرارت مورد استفاده قرار میگیرد.
اورانیوم نیز ازعناصر سنگین بهشمار میرود و دارای انرژی اتصالی بسیار زیادی است. مقدار انرژی آزاد شده هنگام شکافت هسته اورانیوم بسیار زیاد است و به این منظور، از اورانیوم برای سوخت راکتور اتمی استفاده میشود.
برای مقایسه، مقدار انرژی اورانیوم موجود درراکتور نیروگاه اتمی بوشهر ( ۸۰تن) برابر است با مقدار انرژی موجود در ۱۷میلیون بشکه نفت خام.
در مقیاس کوچک، انرژی حاصل از سوزاندن یک قرص سوخت ۱۲گرمی اورانیوم معادل انرژی حاصل از سوختن یک تن زغال سنگ، دو ونیم تن چوب و ۱۷هزار فوت مکعب گاز طبیعی است.
در نیروگاه اتمی بوشهر، تعداد ۱۶۳مجتمع سوخت داخل محفظه تحت فشار راکتور قرار داده میشود که هسته مرکزی راکتور را تشکیل میدهد و حرارت ایجاد شده در نتیجه شکافت هسته، آب را به بخار تبدیل میکند و بخار حاصله توربین را به حرکت در میآورد و توربین مولد را میچرخاند و نیروی برق تولید میشود.
در اورانیوم که سوخت نیروگاه اتمی است، انرژی به صورت مهار شده وجود دارد. این انرژی پس از شکافت هسته آزاد شده، به شکل انرژی حرارتی مورد استفاده قرار میگیرد.
این سووال برای برخی مطرح میشود که چگونه میتوان یک هسته اتم را که بسیار کوچک تر از یک دانه شن است، شکافت؟
نوترون قادر به برخورد مستقیم با هسته اتم است و پس از جذب شدن به وسیله هسته اتم، آن را به دو قسمت تقسیم میکند. پارههای حاصل ازشکافت، با انرژی زیاد جدا شده،در نتیجه انرژی حرارتی آزاد میشود.
همچنین با شکافت هسته، حدود سه نوترون آزاد میشود که هر کدام میتواند هسته دیگری را بشکافند.
با ازدیاد نوترون، هستههای بیشتری شکافته شده، نوترونهای بیشتری آزاد میشوند و در نتیجه، واکنش زنجیرهای آغاز میشود. هرچهتعداد هستهای شکافته شده بیشتر باشد، به همان نسبت حرارت بیشتری آزاد میشود.
از حرارت تولید شده میتوان برای تولید بخار و درنتیجه گردش توربینها استفاده کرد.هنگام بهره برداری از یک نیروگاه اتمی، پسمانهای پرتوزا به صورت گاز مایع و جامد به وجود میآیند.
مهار پرتوهای هستهای
برای حفاظت محیط زیست بایستی مقدار مواد پرتوزایی که وارد محیط میشود، کمتر از مقدار تعیین شده باشد.
در نیروگاه اتمی، ساختمان راکتور و تاسیسات جانبی آن تحت کنترل هستند و مواد پرتوزا فقط در قسمتهای کنترل شده تولید میشوند.
به منظور کاهش مقدار پرتوزایی، مواد گازی شکل مانند گازهایی که از آب خنککننده مدار اول متصاعد میشوند ، آن را از فیلترهای زغالی گذرانده، یا این که برای مدت طولانی در ظروف مخصوص نگهداری میکنند. علت آن این است که گذشت زمان، اثر پرتوزایی را کاهش میدهد.
وقتی مقدارپرتوزایی این گازها از مقدار معینی کمتر باشد، آنها را رقیق کرده،از طریق دودکش به فضا میفرستند و هوای آلوده به مواد پرتوزا در اتاقهای قسمت تحت کنترل، بعد از این که توسط فیلترهای مخصوص تصفیه شد، به وسیله دودکش به فضا فرستاده میشود.
مایعات زاید پرتوزا ، جمع آوری شده و بهطور موقت نگه داری میشوند و در مرحلهبعد، این مایعات تبخیرشده و مواد جامد پرتوزا بهجای میماند.آب تصفیه شده به دریا برگردانده میشود و با مواد به جای مانده، طبق قوانین وضع شده عمل میشود.
مواد پرتوزای جامد مانند، مجتمعهای سوخت کارکرده را در داخل محفظههای ضد ضربه و ضد حریق از نیروگاه خارج میکنند. مواد جامد پرتوزای دیگر مانند فیلترها، پوشاک و وسایل نظافت در داخل بشکههایی بسته بندی شده و طبق قوانین موجود با آنها عمل میشود.
برای اطمینان یافتن از این که مقدار پرتوزایی تمام مواد خارج شده از قسمت تحت کنترل برای محیط زیست بیضرر است، به طور دایم مقدار پرتوزایی مایعات، گازها و جامدات زاید اندازهگیری میشود.
در زمان بهره برداری از نیروگاه، محیط اطراف آن از نظر پرتوزایی، پیوسته کنترل میشود.
در برنامه ریزی، طراحی، احداث و بهره برداری نیروگاههای اتمی، به مسایل ایمنی توجه ویژهای میشود.حصارها و سیستمهای ایمنی خودکار حتی در زمانی که بزرگترین حادثه قابل پیش بینی اتفاق بیافتد، از بروز هر گونه اثر نامطلوب به روی کارکنان و محیط جلوگیری میکند.
از آغاز عملیات برنامه ریزی و طراحی، دانشمندان و متخصصان اطمینان حاصل میکنند که میتوانند حتی نادرترین حادثه و عواقب مربوط به آن را کنترل کنند، مانند زمین لرزه و ...
اجزای هر سیستم به طور منظم آزمایش میشوند تا از عملکرد صحیح آن اطمینان حاصل شود.نیروگاه اتمی در حال حاضر از ایمنترین تاسیسات صنعتی است.
حصار ایمنی در نیروگاه اتمی
-درصد بسیاری از مواد پرتوزای تولید شده در اثر شکافت هسته در داخل شبکه کریستالی سوخت هستهای باقی میماند و حصار یک، درون حصار دو قرار دارد.
- لولههای ضد فشار و ضد نشت که از نوعی آلیاژ زیر کونیوم ساخته شده، قرصهای سوخت را در برگرفته و از خروج مواد پرتوزای حاصله، ازشکافت هستهای جلوگیری میکند.
- محفظه تحت فشار راکتور که از قطعات فولادی تهیه شده، حصاری تشکیل میدهد که در مقابل فشار حرارت و پرتو کاملا مقاوم است.
- حفاظ بیولوژیکی که بیشتر از یک متر ضخامت دارد و از بتن مسلح ساخته شده، حفاظی در مقابل پرتوهای خارج شده از محفظه تحت فشار راکتور میباشد.
- کره ایمنی فولادی تمام سیستمهای هستهای راکه حاوی مواد رادیو اکتیو است در بر میگیرد و این حفاظ حتی در زمان وقوع خطرناکترین حوادث، از خروج مواد پرتوزا جلوگیری میکند.
- ساختمان راکتور که از بتن مسلح با ضخامت حدود دو متر ساخته شده است، حفاظی در مقابل عوامل خارجی محسوب میشود.
میزان مجاز پرتو هستهای
بر اساس قوانین وضع شده، مقدار پرتوی مجاز در مجاورت نیروگاههای اتمی حداکثر برابر با ۱/۵میلی زیورت نام دارد.
انسان، حیوانات و گیاهان همواره به طور طبیعی مقداری پرتو دریافت میکنند و این مقدار در ایران به طور متوسط در حدود ۱/۵میلی زیورت در سال است.
مقدار پرتو دریافتی از یک نیروگاه در مدت زمان یک سال بهره برداری، کمتر از یک درصد مقدار پرتو دریافت شده از طبیعت است.
در یک ساعت پرواز با هواپیما، مقدار پرتو دریافت شده، تقریبا برابر با مقدار پرتو دریافتی طی یک سال سکونت در نزدیکی نیروگاه اتمی است.
در پزشکی و به خصوص رادیوگرافی، از منابع پرتوزا استفاده میشود. همچنین تلویزیون و رنگهای شب نما مقداری پرتو ایجاد میکنند.
شیوه جدید پیش روی بشر برای تولید برق و همجوشی هستهای
واکنش شکافت هسته اتم باعث تولید گرما شده، از این گرما برای تولید بخار استفاده میشود.بخار تولید شده با چرخاندن پرههای توربین، برق تولید میکند.
مدتی است که متخصصان این رشته به فکر ساخت راکتورهایی افتادهاند که در آن به جای شکافت هستهای اتم (فیسیون)، از روش ترکیب اتمها (فوزین یا همجوشی) استفاده میشود.این واکنش همان اتفاقی است که در خورشید و ستارگان میافتد و انرژی آنها را تامین میکند.
تاکنون از این روش در بمبهای هیدروژنی استفاده شده و با وجود پیشرفتهای فنی، هنوز نیروگاه همجوشی ساخته نشده است. کشورهای آمریکا، فرانسه، روسیه، ژاپن و آلمان طراحی و ساخت یک نیروگاه همجوشی در خاک فرانسه را به نام "پروژه ایتر" (اینترنشنال ترمویا) آغاز کردهاند و امیدوارند که در دهههای بعد این نیروگاهها جایگزین نیروگاههای فعلی شوند.
انرژی همجوشی به عنوان یک منبع انرژی، با توجه به سوخت مورد مصرف در این فرآیند که تقریبا در دنیا بیپایان است، راهی برای فرار از بحران انرژی در سالهای آینده محسوب میشود.
به علاوه، این انرژی از لحاظ زیست محیطی، کمترین آسیب را به طبیعت وارد میکند و همچون شکافت هستهای، زبالههایی با عمر طولانی از خود به جای نمیگذارد.
در روش همجوشی، اتمهای دوتریو و تریتیوم (دو ایزوتوپ هیدروژن) در شرایط مناسب با یکدیگر ترکیب شده، اتم سنگینتری به نام هلیوم تولید میکند.
در این فرآیند همچنین ذره نوترون و مقدار زیادی حرارت تولید میشود و از این حرارت برای گرم کردن آب و تبدیل آن به بخار استفاده میشود.
بخار تولید شده، پرههای توربین را میچرخاند و در نهایت باعث تولید برق میشود.
