تولید برق در نیروگاه هسته ای

اهداف مبحث تولید برق در نیروگاه هسته ای :

انرژی هسته ای

همجوشی هسته ای

نیروگاه هسته ای

عملکرد راکتور هسته ای

سوخت و میله های فرمان راکتور هسته ای

انواع نیروگاه هسته ای

• کاربرد انرژی هسته ای در تولید برق

از انرژی هسته ای برای تولید برق استفاده می شود. تولید برق با انرژی هسته ای نیاز به غنی سازی اورانیوم دارد که دانش این امر تنها در انحصار چند کشور است. اساس کار نیروگاه های اتمی و نیروگاه بخار تقریبا شبیه هم است. در نیروگاه اتمی به جای بویلر (دیگ بخار) از راکتور استفاده می شود. در نیروگاه هسته ای، هستۀ اتم تغییر ماهیت داده و از خود انرژی تولید می کند. در راکتور آب به وسیلۀ انرژی حاصل از واکنش های هسته ای گرم شده و بخار می شود و این بخار، توربین را به حرکت در آورده و الکتریسیته تولید می کند. 

ایزوتوپ: ایزوتوپ های یک عنصر، خود عناصری هستند که دارای عدد اتمی یکسانند ولی عدد جرمی متفاوت دارند. این ایزوتوپ ها به دلیل داشتن عدد اتمی یکسان دارای خواص شیمیایی یکسان هستند.

در کشور ما هم مطالعاتی بر روی کشف و استخراج معادنی در استان های اصفهان، خراسان و هرمزگان صورت گرفته است و تحقیقات برای کشف معادن دیگر همچنان ادامه دارد. پس از استخراج سنگ اورانیوم، به کمک فعالیت های شیمیایی، پودر غلیظ اورانیوم زرد رنگ به شکل دی اکسید اورانیوم حاصل می شود. پس از تولید دی اکسید اورانیوم، هگزا فلوئورید اورانیوم (UF6) به دست می آید که محصول اساسی برای غنی سازی اورانیوم می باشد. هگزا فلوئورید اورانیوم یک مادۀ جامد بدون رنگ است که در حرارت کمتر از ۵۶ درجه سلسیوس به شکل گاز در می آید. به همین دلیل و برای جلوگیری از تبدیل شدن آن به گاز، این ماده را در ظروف تحت فشار زیاد قرار می دهند.

روش کار نیروگاه هسته ای برای تولید انرژی

• انرژی اتصالی هسته ای

به نیرویی که تمام اتم ها را با هم نگه میدارد نیروی اتصال می گویند. انرژی اتصال هیچ وابستگی به درجه حرارت، فشار و فعالیت های شیمیایی ندارد. در واقع نیرویی است که اتم ها را در هسته نگه می دارد.

• همجوشی هسته ای به زبان ساده

همجوشی هسته ای یا فیوژن یک فعل و انفعال فیزیکی است در درجه حرارت بسیار زیاد (حدود صد هزار درجۀ کلوین) صورت می گیرد. در حال حاضر عمل فیوژن فقط در بمب های هیدروژنی استفاده می شود. در بمب ها انرژی به صورت لحظه ای آزاد می شود و حالت تخریبی دارد و متأسفانه بشر هنوز نتوانسته این انرژی را مهار کند. اهمیت انرژی فیوژن را می توان با موارد زیر بیان کرد:

از هر یک گالن آب دریا 1/8 گرم دوتریم بدست می آید که در فعل و انفعالات فیوژن مقدار 1010×7 کالری انرژی حاصل می شود. با توجه به برآوردهای انجام شده می توان انرژی مورد نیاز بشر را تا ۶۰ میلیارد سال تأمین کرد.

مورد دیگر انجام عمل فیوژن در خورشید است. طوری که اگر انرژی آزاد شده از این عمل در خورشید را در شبانه روز ۴Q فرض کنیم، کل انرژی مصرف شده در سال ۱۹۶۰ برابر 0/1Q و كل انرژی مصرف شده در سال ۱۹۷۵ برابر با ۰/35Q بوده است. اگر همۀ منابع سوخت های فسیلی در زمین به انرژی تبدیل شود، انرژی بدست آمده معادل ۱۱۰ می باشد که این مقدار برابر با انرژی آزاد شده از خورشید در مدت حدود ۲۸ شبانه روز خواهد بود.

به دلیل درجه حرارت زیادی که عمل فیوژن نیاز دارد، در آزمایشگاه از محیط پلاسما استفاده می شود، زیرا این محیط تحمل درجه حرارت های زیاد را دارا می باشد. در پلاسما انرژی سنیتیک اتم های ماده بسیار بالاست به طوری که الکترون ها هسته های خود را ترک می کنند و ماده یونیزه می شود. پلاسما هادی الکتریسیته است، زیرا الکترون های جدا شده از هسته مانند نواری در فضای پلاسما عمل هدایت را انجام می دهند.

محیط پلاسما خنثی است و نیز پلاسما می تواند تحت تأثیر میدان های الکتریکی و مغناطیسی قرار گیرد. انتظار می رود که یون های مثبت و منفی تحت تأثیر جاذبه ترکیب شوند، ولی در محیط پلاسما به دلیل بیشتر بودن انرژی سنیتیک نسبت به نیروی جاذبۀ بین یون ها این ترکیب انجام نمی شود.

مگر در دو حالت

حالت اول هنگامی رخ می دهد که الكترون، قبلاً مقداری از انرژی خود را از دست بدهد. در اتم این عمل به وسیلۀ آزادسازی فوتون انجام می شود.

حالت دوم از طریق برخورد سوم انجام می گیرد که بين الكترون و یون مثبت و یک اتم سومی است. این حالت فقط در آزمایشگاه رخ می دهد، زیرا محیط پلاسما رقیق است. (مگر در دیوارۀ ظروف در آزمایشگاه)

• نگهداری محیط پلاسما

نگه داشتن محیط پلاسما از اهمیت زیادی برخوردار است. برای این منظور محیط پلاسما را در یک میدان مغناطیسی مهار می کنند. یعنی ذرات را مرتباً در یک مسیر مارپیچی مغناطیسی حرکت می دهند. در پلاسما درجه حرارت در حدود ۱۰۰۰۰۰ کلوین می باشد که ذرات با سرعت چند هزار کیلومتر در ثانیه و در جهت های مختلف حرکت می کنند، که با برخورد به جدار ظرف در مدتی کمتر از 6-10 ثانیه انرژی سنیتیک خود را از دست می دهند و پلاسما سرد می شود. در حال حاضر دانشمندان در سراسر جهان روی زمان پایداری پلاسما فعالیت می کنند.

این زمان در سال ۱۹۸۱ در آزمایشگاه فیزیک دانشگاه برینستون 0/02 ثانیه بود و امروزه به میزان ۱/۴ ثانیه افزایش یافته است. با توجه به این که منابع فسیلی در طی ۵۰ یا ۷۰ سال آینده به اتمام می رسند و همچنین گرانی سوخت های هسته ای و آلودگی های زیست محیطی، بشر تلاش می کند تا بتواند این منبع انرژی را مهار و از آن استفاده کند. فراموش نکنیم که مادۀ اولیۀ راکتورهای فیوژن هیدروژن می باشد که در طبیعت فراوان یافت می شود.

• اجزای نیروگاه هسته ای  

در نیروگاه هسته ای یا فیوژن، در عمل هستۀ یک عنصر سنگین برای نمونه 2۳۵U توسط نوترون های شتاب داده شده بمباران می شود، در این صورت به ازای هر نوکلئون اورانیوم یک Mev انرژی اتصالی آزاد می شود. حال اگر این واکنش روی یک کیلو ۲۳۵U انجام شود انرژی به دست آمده معادل kwH 20×1۰6 خواهد بود، اگر بخواهیم این مقدار انرژی را از سوخت های فسیلی به دست آوریم مقدار ۱/۷ میلیون لیتر با 5/2 میلیون کیلو ذغال سنگ نیاز داریم.

در قسمت غنی سازی، اورانیوم را تا حدود ۴-۵ ٪ غنی سازی می کنند. زیرا این درصد برای تولید انرژی کافی خواهد بود. (انرژی صلح آمیز) چون از نظر خواص شیمیایی اورانیوم های ۲۳۸ و ۲۳۵ یکسانند، بنابراین از راه فرآیندهای شیمیایی نمی توانیم آن ها را از هم جدا کنیم. اما چون اورانیوم ۲۳۸ از اورانیوم ۲۳۵ قدری سنگین تر است. از این خاصیت برای جدا کردن این دو نوع اورانیوم از هم استفاده می کنیم. اورانیوم ۲۳۵ قابلیت شکستن دارد و ۲۳۸ این قابلیت را ندارد. اورانیوم ۲۳۵ خود به خود تجزیه می شود ولی دارای طول عمر زیادی است (یک میلیون سال). اگر در صد اورانیوم ۲۳۵ از حدی بیشتر شود امکان واکنش زنجیره ای وجود دارد. از هر سه نوترون آزاد شده یکی مصرف می شود.

و دو نوترون دیگر آزاد می شوند که برای واکنش های بعدی به کار می روند. باز هم شش نوترون به وجود می آید که دو نوترون استفاده می شود و چهار نوترون دیگر برای واکنش های دیگر به کار می روند و به این ترتیب ادامه می یابد.

• راکتور هسته ای چگونه کار میکند ؟

عمل شکافت هسته ای در راکتورها صورت می گیرد. این راکتورها موارد استفادۀ متنوعی دارند که اصلی ترین آن ها تولید برق می باشد. هدف از این نوع راکتورها داشتن انرژی قابل ملاحظه در دمای بالا برای دسترسی به کار آیی حرارتی زیاد است.

راکتورها بر حسب میزان انرژی نوترون ها به دو نوع راکتورهای حرارتی و سریع تقسیم بندی می شوند. در راکتورهای حرارتی، شکافت به وسیلۀ نوترون هایی انجام می شود که در تعادل حرارتی با مواد قلب راکتور هستند. نوترون های ایجاد شده در اثر شکافت اورانیوم ۲۳۵ ( ۲۳۵U)، انرژی زیادی دارند و احتمال بر هم کنش آنها با یک اتم ۲۳۵U بسیار کم است. به همین دلیل در این راکتورها باید سرعت نوترون ها را بسیار کم نمود که این کار توسط مدراتور انجام می شود. زیرا لازمۀ شکست هسته ای توسط نوترون این است که سرعتش کم باشد تا در برخورد به هسته منحرف نشود و بتواند به هسته چسبیده و باعث شکافت آن شود.

در راکتورهای سریع هیچ تلاشی برای کم کردن سرعت نوترون ها صورت نمی گیرد (به مدراتور نیازی نیست). انرژی متوسط نوترون ها در این نوع راکتورها در حدود 0/5 تا 1/5 مگا الكترون ولت است.

به همین دلیل میله های سوختی باید داخل مدراتور باشند تا واکنش انجام شود. در واقع مدراتور باید علاوه بر این که انرژی جنبشی نوترون را می گیرد، آن را جذب نکند. معمولاً مواد با عدد جرمی کم، کند کننده های خوبی هستند. بعضی از انواع مدراتورها عبارتند از:

هیدروژن (H2): مدراتور خوب، تنها مشکل جذب بعضی از نوترون ها توسط هیدروژن است.

– آب معمولی (H2O): مدراتور ایده آل، می توان از آب به عنوان سیال خنک کننده هم استفاده کرد، به دلیل پایین بودن نقطه جوش آب معمولی، باید آب با فشار بالا به کار رود.

– آب سنگین (D2O): تعدیل کنندۀ مناسب برای کند کردن نوترون به اندازۀ آب معمولی مؤثر نیست، خنک کنندۀ بسیار خوب. احتمال جذب نوترون توسط آب سنگین کمتر از آب معمولی است.

– کربن (گرافیت): نوترون های زیادی را جذب نمی کند ولی آنها را به خوبی پراکنده می سازد. از نقاط ضعف آن اکسید شدن گرافیت در دماهای بالا می باشد.

– برلیوم: از مهم ترین خنک کننده های جامد است که به صورت برلیوم فلزی یا اکسید برلیوم استفاده می شود. از خواص این خنک کنندۀ جامد، کم کردن زیاد سرعت نوترون در برخورد با آن و بالا بودن نقطه ی ذوب آن (حدود ۱۱۵۸ درجه کلوین) می باشد.

نوترون های سرعت یافته در بر خورد با مولکول های تعدیل کننده مقداری از انرژی خود را از دست می دهند. ضمن آن که در برخورد با این مولکول ها باعث گرم شدن آنها می شوند. بنابراین تعدیل کننده ها باید مرتب خنک شوند.

برای خنک کردن تعدیل کننده ها، گرمای داخل راکتور توسط مادۀ خنک کننده به Exchanger Heat برده می شود. خنک کننده ها معمولاً DO،CO،HO، هلیوم مایع، ناتریوم، ویسموت و همچنین فلزات مایع مانند سدیم و سدیم-پتاسیم هستند. توجه شود که فلزات را قبل از شروع به کار راکتور باید حرارت داد.

• سوخت راکتور هسته ای

سوخت اصلی راکتورهای هسته ای قدرت، اورانیوم است که در راکتورهای مختلف، ترکیبات مختلف آن مورد استفاده قرار می گیرد. در این راکتورها از اورانیوم غنی شده به عنوان مادۀ شروع کنندۀ شکافت هسته ای استفاده می شود. اورانیوم غنی شده، اورانیومی است که ایزوتوپ ۲۳۸ آن به روش مصنوعی کم شده است.

(در بعضی راکتورها از اورانیوم طبیعی هم می توان استفاده نمود) در راکتورهای غیر همگن یا هتروژن (مدراتور و سوخت از هم جدا هستند) اغلب از فلز اورانیوم با دی اکسید اورانیوم (UO۲) استفاده می شود. در راکتورهای همگن یا هموژن (سوخت و مدراتور با هم تشکیل یک واحد را می دهند) همیشه و بدون استثناء، از اورانیوم غنی شده به صورت محلول (UO2SO4) استفاده می گردد. این سوخت ها اغلب به صورت میله، تسمه و گلوله به کار برده می شوند.

راکتور هسته ای و چگونگی عملکرد آن

• میله های فرمان راکتور هسته ای

میله های فرمان راکتور هسته ای از جنس کادمیوم یا بور هستند و وظیفۀ آن ها جذب نوترون های اضافی است تا شکافت هسته های بعدی در کنترل باشد. به عبارت دیگر در مواقع لزوم، واکنش زنجیره ای را کاهش می دهند. در بعضی موارد برای استفاده از نوترون های آزاد شده در اثر شکافت، میله های کنترل از مادۀ بور ساخته می شود. مادۀ بارور، ماده ای است که در اثر جذب نوترون و فروپاشی به نمونه های قابل شکافت تبدیل می شود.

از میله های فرمان برای خاموش کردن راکتور هم استفاده می شود . این عمل با وارد کردن میله های قابل کنترل تا انتهای هسته ی راکتور صورت می گیرد. در مواقع اضطراری و بروز خطر هم، این میله ها به صورت اتوماتیک و خیلی سریع تا انتهای هستۀ راکتور نفوذ می کنند. با جذب نوترون ها باعث توقف واکنش زنجیره ای و خاموش شدن راکتور می شوند.

نیروگاه اتمی در صورتی که کنترل نشود مانند بمب منفجر نخواهد شد. چون در بمب های هسته ای واکنش زنجیره ای به طور مداوم انجام می شود، اما در راکتور اگر کنترلی صورت نگیرد حرارت بالا می رود و اورانیوم موجود در راکتور که از نوع ۲۳۸ می باشد، مانع از افزایش واکنش زنجیره ای می شود. همچنین حرارت زیاد سبب افزایش سرعت نوترون ها می شود که نوترون ها با سرعت بالا در واکنش شرکت نمی کنند و همچنین باریم و کریپتون، نوترون ها را جذب می کنند.

اما حرارت بالا سبب ذوب شدن راکتور و لوله های خنک کننده می شود که این عمل باعث بروز مشکلات زیادی روی جان و مال بشر می شود که این پیامدها هم کمتر از مشکلات بمب های هسته ای نیست. علت این که در معادن اورانیوم انفجار رخ نمی دهد این است که در معادن، اورانیوم ۲۳۵ مقدارش خیلی کم و احتمال برخورد نوترون به اورانیوم ۲۳۵ کم است و به همین دلیل انفجار روی نمی دهد.

https://elicaelectric.com/blog/%D8%B1%D9%88%D8%B4-%DA%A9%D8%A7%D8%B1-%D9%86%DB%8C%D8%B1%D9%88%DA%AF%D8%A7%D9%87-%D9%87%D8%B3%D8%AA%D9%87-%D8%A7%DB%8C/

نیروگاه هسته‌ای

تاسیسات نیروگاه هسته‌ای ایندین پوینت در ایالت نیویورک

نیروگاه هسته‌ای ایکاتا در ژاپن فاقد برج‌های خنک‌کننده‌است و تبادل حرارت را به‌طور مستقیم با آب اقیانوس انجام می‌دهد.

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 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.

بنا بر پیش‌بینی اتحادیه جهانی هسته‌ای در سال ۲۰۱۵ به‌طور میانگین هر ۵ روز یک‌بار یک نیروگاه هسته‌ای در جهان آغاز به کار می‌کند.^{[نیازمند منبع]} شکافت هسته‌ای صورت گرفته 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. بنا بر آمارگیری جهانی معادن شناخته شده جهان در حال حاضر برای تأمین بیش از ۷۰ سال انرژی الکتریکی جهان کافی هستند. بهای میانگین اورانیوم در سال ۲۰۰۷، ۱۳۰ دلار آمریکا به ازای هر کیلوگرم بود. 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.

محتویات

• ۱کاربرد
• ۲تاریخچه
  • ۲.۱منشأ
  • ۲.۲سال‌های آغازین
  • ۲.۳پیشرفت
  • ۲.۴آینده
• ۳فناوری رآکتور هسته‌ای
• ۴چرخه سوخت هسته‌ای
  • ۴.۱منابع سوخت
• ۵جوانب اقتصادی
• ۶امنیت نیروگاه هسته‌ای
• ۷نیروگاه‌های متحرک
• ۸پسماند هسته‌ای نیروگاه‌ها
  • ۸.۱نگرانی‌های محیط زیستی
  • ۸.۲حوادث هسته‌ای
    • ۸.۲.۱حادثه تری مایل آیلند (۱۹۷۹)
    • ۸.۲.۲حادثه چرنوبیل (۱۹۸۶)
    • ۸.۲.۳حادثه فوکوشیما (۲۰۱۱)
• ۹نیروگاه‌های هسته‌ای در ایران
• ۱۰جستارهای وابسته
• ۱۱منابع
• ۱۲پیوند به بیرون

کاربرد[ویرایش]

منابع تأمین انرژی الکتریکی در بین سال‌های ۱۹۸۰ تا ۲۰۳۰:

  مایعات

  زغال سنگ

  گاز طبیعی

  قابل بازیافت

  هسته‌ای

نوشتار اصلی: کشورهای استفاده‌کننده از برق هسته‌ای

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 که کشورهای ایالات متحده، فرانسه، و ژاپن در مجموع حدود ۵۷٪ از کل انرژی الکتریکی هسته‌ای جهان را به خود اختصاص داده‌اند.^[۱] در سال ۲۰۰۷ آژانس بین‌المللی انرژی هسته‌ای از وجود ۴۳۹ رآکتور هسته‌ای در حال ساخت در ۳۱ کشور در سراسر جهان خبر داد.^[۲][۳]

ایالات متحده آمریکا با تولید حدود ۲۰٪ انرژی مورد نیاز خود از رآکتورهای هسته‌ای در میزان کل تولید انرژی هسته‌ای جایگاه اول جهان را داراست، حال آن که فرانسه با تولید ۸۰٪ انرژی الکتریکی مورد نیاز خود در ۱۶ نیروگاه هسته‌ای از نظر درصد دارای رتبه نخست در جهان است.^[۴][۵] این درحالی است که در کل اروپا، انرژی هسته‌ای ۳۰٪ برق مصرفی این قاره را تأمین می‌کند.^[۶] البته سیاست‌های هسته‌ای در کشورهای اروپایی با هم متفاوتند طوری‌که در کشورهایی نظیر ایرلند یا اتریش هیچ راکتور هسته‌ای فعالی وجود ندارد.

همچنین در بسیاری از کشتی‌ها و زیردریاییهای نظامی یا حتی غیرنظامی (کشتی‌های یخ‌شکن) از انرژی هسته‌ای به عنوان نیروی محرکه استفاده می‌شود.^[۷]

به دلیل برتری‌های بی‌شمار انرژی هسته‌ای، امروزه بهره‌برداری از این فناوری روز به روز گسترش بیشتری می‌یابد و بر روش‌های استفاده صلح‌آمیز از آن (مانند استفاده از انرژی هسته‌ای برای گرمایش یا نمک‌زدایی آب) افزوده می‌شود.^[۸]

تاریخچه[ویرایش]

تیم دانشگاه شیکاگو برای ساخت رآکتور هسته‌ای. زیلارد و فرمی هر دو در عکس دیده می‌شوند.

منشأ[ویرایش]

در سال ۱۹۳۸ زمانی‌که شیمیدان آلمانی اتو هان (به آلمانی: Otto Hahn)^[۹] و فریتس اشتراسمان (به آلمانی: Fritz Straßmann) فیزیکدان اتریشی لیزه میتنر (به آلمانی: Lise Meitner)^[۱۰] و اتو روبرت فریش (به آلمانی: Otto Robert Frisch)^[۱۱] در حال آزمایش بر روی اورانیوم بمباران شده بودند متوجه شدند که نوترون شلیک شده می‌تواند نتیجه‌ای باورنکردنی داشته باشد و هسته اورانیوم را به دو یا چند قسمت تقسیم کند. بعدها دانشمندان زیادی (و در صدر آن‌ها لیو زیلارد) دریافتند که پخش تعدادی نوترون در فضا هنگام یک شکافت هسته‌ای می‌تواند واکنشی زنجیره‌ای را از این قابلیت به وجود آورد. این کشف دانشمندان را در برخی کشورها (از جمله ایالات متحده، انگلستان، فرانسه، آلمان و اتحاد جماهیر شوروی) بر آن داشت تا از دولت‌های خود برای ادامه پژوهش‌ها در این زمینه درخواست پشتیبانی مالی کنند.

انرژی هسته‌ای 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.^[۱۲] این پروژه (که با نام Chicago Pile-1 شناخته شد) با فوریت تمام در ۲ دسامبر ۱۹۴۲ به بهره‌برداری رسید و بعدها به بخشی از پروژه منهتن تبدیل شد. طی این پروژه رآکتورهای بزرگی را برای دستیابی به پلوتونیوم و استفاده از آن در سلاح هسته‌ای در هانفورد واشینگتن راه‌اندازی کردند.

پس از جنگ جهانی دوم دولت ایالات متحده که می‌ترسید پژوهش‌های هسته‌ای باعث گسترش دانش هسته‌ای و در نتیجه سلاح هسته‌ای شود کنترل‌های سخت‌گیرانه‌ای در مورد پژوهش‌های هسته‌ای اعمال کرد و به‌طور کلی بیشتر پژوهش‌های هسته‌ای بر روی اهداف نظامی متمرکز شوند.

در ۲۰ دسامبر ۱۹۵۱ برای نخستین بار در یک پایگاه آزمایشگاهی با نام EBR-I از رآکتور هسته‌ای برای تولید انرژی الکتریکی (در حدود ۱۰۰ کیلووات) استفاده شد.^[۱۳]

سال‌های آغازین[ویرایش]

نخستین لامپ‌های برقی که توسط انرژی هسته‌ای روشن شدند. آزمایشگاه ملی آیداهو

در ۱۹۵۴ لوییس اشتراوس و پس از آن چیرمن رئیس کمسیون انرژی اتمی ایالات متحده آمریکا دربارهٔ تولید انرژی الکتریکی به وسیله انرژی هسته‌ای گفتگوهایی را انجام دادند و در رابطه با تولید انرژی الکتریکی ارزان‌تر مطالبی را شرح دادند.^[۱۴] اما مسئولین آن زمان ایالات متحده به دلیل بدگمانی دربارهٔ انرژی هسته‌ای بیشتر تمایل داشتند تا از همجوشی هسته‌ای برای این کار استفاده کنند و بنابراین فرصت را از دست دادند.^[۱۵]

سرانجام در ۲۷ ژوئن ۱۹۵۴ نخستین نیروگاه هسته‌ای جهان که به شبکه برق متصل گردید در اتحاد جماهیر شوروی به بهره‌برداری رسید. این نیروگاه توانی در حدود ۵ مگاوات تولید می‌کرد.^[۱۶][۱۷] در ۱۹۵۶ اولین نیروگاه تجاری هسته‌ای جهان در انگلستان به بهره‌برداری رسید که توانی در حدود ۵۰ مگاوات تولید می‌کرد.^[۱۸]

یکی از سازمان‌هایی که برای نخستین بار شروع به توسعه دانش هسته‌ای کرد نیروی دریایی ایالات متحده آمریکا بود که در نظر داشت از انرژی هسته‌ای به عنوان سوخت زیردریاییها و ناوهای هواپیمابر استفاده کند. عملکرد مناسب این سازمان و پافشاری دریاسالار هیمن ریکوور باعث شد تا سر انجام نخستین زیردریایی اتمی جهان با نام ناتیلوس (به انگلیسی: USS Nautilus) در دسامبر ۱۹۵۴ به آب انداخته شود.^[۱۹]

نمودار پیشینه استفاده از انرژی هسته‌ای. همان‌طور که در نمودار مشخص است رشد استفاده از انرژی هسته‌ای در اواسط دهه ۱۹۸۰ به شدت کاهش یافته‌است.

پیشرفت[ویرایش]

با راه‌اندازی نخستین نیروگاه‌های هسته‌ای، بهره‌برداری از این نیروگاه‌ها شتاب گرفت به‌طوری‌که استفاده از برق هسته‌ای از کمتر از ۱ گیگاوات در دهه ۱۹۶۰ به بیش از ۱۰۰ گیگاوات در دهه ۱۹۷۰ و نزدیک به ۳۰۰ گیگاوات در اواخر دهه ۱۹۸۰ رسید. البته در اواخر دهه ۱۹۸۰ از شتاب رشد استفاده از برق هسته‌ای به شدت کاسته شد و به این ترتیب به حدود ۳۶۶ گیگاوات در سال ۲۰۰۵ رسید که بیشترین گسترش پس از دهه ۱۹۸۰ مربوط به جمهوری خلق چین است. باید به این نکته نیز اشاره کرد که بیش از دو سوم از طرح‌های مربوط به احداث نیروگاه هسته‌ای که شروع اجرای آن‌ها پس از ۱۹۷۰ بود، لغو شدند.^[۱۹]

در طول دهه‌های ۱۹۷۰ و ۱۹۸۰ کاهش قیمت سوخت‌های فسیلی و افزایش قیمت ساخت یک نیروگاه هسته‌ای از تمایل دولت‌ها برای ساخت نیروگاه هسته‌ای به شدت کاست.^[۲۰] البته بحران سوخت ۱۹۷۳ باعث شد تا کشورهایی مانند فرانسه و ژاپن که از منابع نفت زیادی برخوردار نیستند به فکر ساخت نیروگاه‌های هسته‌ای بیشتری بیفتند^[۲۱][۲۲] به‌طوری‌که این دو کشور به ترتیب ۸۰٪ و ۳۰٪ از انرژی الکتریکی حال حاضر خود را از این منابع تأمین می‌کنند.

در سی سال انتهایی قرن بیستم ترس از رخدادهای خطرناک هسته‌ای مانند فاجعه چرنوبیل در ۱۹۸۶، مشکلات مربوط به دفع زباله‌های هسته‌ای، بیماری‌های ناشی از تشعشع هسته‌ای و… باعث به وجود آمدن جنبش‌هایی برای مقابله با توسعه نیروگاه‌های هسته‌ای شد و این خود از دلایل کاهش توسعه نیروگاه‌های هسته‌ای در بسیاری از کشورها بود.^[۲۳]

آینده[ویرایش]

تا سال ۲۰۰۷ آخرین رآکتور هسته‌ای مورد بهره‌برداری قرار گرفته در ایالات متحده رآکتور Watts Bar ۱ در تنسی بود که در ۱۹۹۶ به شبکه متصل شد^[۲۴] و این مدرک محکمی بر موفقیت تلاش‌های ضد گسترش نیروگاه‌های هسته‌ای است. با این حال تلاش‌ها در برابر گسترش نیروگاه‌های هسته‌ای تنها در برخی کشورهای اروپایی، فیلیپین، نیوزیلند و ایالات متحده موفق بوده‌است^[۲۵] و در عین حال در این کشورها نیز این جنبش‌ها نتوانستند پژوهش‌های هسته‌ای را متوقف کنند و پژوهش‌های مربوط به انرژی هسته‌ای کماکان ادامه دارد. برخی کارشناسان پیش‌بینی می‌کنند که نیاز روزافزون به منابع انرژی، افزایش قیمت سوخت و بحران افزایش دمای زمین در اثر استفاده از سوخت‌های فسیلی باعث شود که بقیه کشورها نیز به سوی استفاده از نیروگاه‌های هسته‌ای روی آورند و همچنین باید یادآوری کرد که با پیشرفت فناوری هسته‌ای، امروزه امکان بروز فجایع هسته‌ای بسیار کمتر شده‌است. اتحادیه جهانی هسته‌ای پیش‌بینی می‌کند که در سال ۲۰۱۵ به‌طور متوسط هر ۵ روز یک‌بار یک نیروگاه هسته‌ای در جهان افتتاح خواهد شد.^[۲۶]

با تمام مخالفت‌ها، بسیاری از کشورها در گسترش نیروگاه‌های هسته‌ای ثابت قدم بوده‌اند از جمله این کشورها می‌توان به ژاپن، چین، و هند اشاره کرد. در بسیاری از کشورهای دیگر جهان نیز طرح‌های وسیعی برای گسترش استفاده از انرژی هسته‌ای در حال تدوین است.

تعداد رآکتورهای هسته‌ای در جهان در سال ۲۰۱۵ میلادی^[۲۷]

کشوررآکتور عملیاتیرآکتور در حال ساخترآکتور برنامه‌ریزی شدهرآکتور پیشنهاد شده

 ایالات متحده آمریکا۹۹۵۵۱۷

 فرانسه۵۸۱۱۱

 ژاپن۴۸۳۹۳

 روسیه۳۴۹۳۱۱۸

 کره جنوبی۲۳۵۸۰

 چین۲۲۲۷۶۴۱۲۳

 هند۲۱۶۲۲۳۶

 کانادا۱۹۰۲۳

 بریتانیا۱۶۰۴۷

 اوکراین۱۵۰۲۱۱

تعداد کل در جهان۴۳۷۷۰۱۸۳۳۱۱

فناوری رآکتور هسته‌ای[ویرایش]

نوشتار اصلی: راکتور هسته‌ای

تمامی نیروگاه‌های گرمایی متداول از نوعی سوخت برای تولید گرما استفاده می‌کنند برای مثال گاز طبیعی، زغال سنگ یا نفت. در یک نیروگاه هسته‌ای این گرما از شکافت هسته‌ای که در داخل رآکتور صورت می‌گیرد تأمین می‌شود. هنگامی که یک هسته نسبتاً بزرگ قابل شکافت مورد برخورد نوترون قرار می‌گیرد به دو یا چند قسمت کوچک‌تر تقسیم می‌شود و در این فرایند که به آن شکافت هسته‌ای می‌گویند تعدادی نوترون و مقدار نسبتاً زیادی انرژی آزاد می‌شود. نوترون‌های آزاد شده از یک شکافت هسته‌ای در مرحله بعد خود با برخورد به دیگر هسته‌ها موجب شکافت‌های دیگری می‌شوند و به این ترتیب یک فرایند زنجیره‌ای به وجود می‌آید. زمانی که این فرایند زنجیره‌ای کنترل شود می‌توان از انرژی آزاد شده در هر شکافت (که بیشتر آن به صورت گرماست) برای تبخیر آب و چرخاندن توربین‌های بخار و در نهایت تولید انرژی الکتریکی استفاده کرد. در صورتی که در یک رآکتور از سوختی یکنواخت اورانیوم-۲۳۵ یا پلوتونیوم-۲۳۹ استفاده شود بر اثر افزایش غیرقابل کنترل تعداد شکافت‌های هسته‌ای بر اثر فرایند زنجیره‌ای، انفجار هسته‌ای ایجاد می‌شود. اما فرایند زنجیره‌ای موجب ایجاد انفجار هسته‌ای در یک رآکتور نخواهد شد چرا که تعداد شکافت‌های رآکتور به اندازه‌ای زیاد نخواهد بود که موجب انفجار شوند و این به دلیل درجه غنی‌سازی پایین سوخت رآکتورهای هسته‌ای است. اورانیوم طبیعی دارای درصد اندکی (کمتر از ۱٪) از اورانیوم-۲۳۵ است و بقیه آن اورانیوم-۲۳۸ است (زیرا اورانیوم-۲۳۸ توانایی شکافت‌پذیری ندارد^[۲۸]). اکثر رآکتورها نیروگاه‌های هسته‌ای از اورانیوم با درصد غنی‌سازی بین ۳٪ تا ۴٪ استفاده می‌کنند اما برخی از آن‌ها طوری طراحی شده‌اند که با اورانیوم طبیعی کار کنند و برخی از آن‌ها نیز به سوخت‌های با درصد غنی‌سازی بالاتر نیاز دارند. رآکتورهای موجود در زیردریایی‌های هسته‌ای و کشتی‌های بزرگ مانند ناوهای هواپیمابر معمولاً از اورانیوم با درصد غنی‌سازی بالا استفاده می‌کنند. با اینکه قیمت اورانیوم با غنی‌سازی بالاتر بیشتر است اما استفاده از این نوع سوخت‌ها دفعات سوختگیری را کاهش می‌دهد و این قابلیت برای کشتی‌های نظامی بسیار پراهمیت است.^[۲۹] راکتورهای CANDU قابلیت دارند تا از اورانیوم غنی‌نشده‌استفاده کنند و دلیل این قابلیت استفاده آب سنگین به جای آب سبک برای تعدیل‌سازی و خنک‌کنندگی است چراکه آب سنگین مانند آب سبک نوترون‌ها را جذب نمی‌کند.

کنترل فرایند شکافت زنجیره‌ای با استفاده از موادی که می‌توانند نوترون‌ها را جذب کنند (در اکثر موارد کادمیوم) ممکن می‌شود. سرعت نوترون‌ها در رآکتور باید کاهش یابد چراکه احتمال اینکه یک نوترون با سرعت کمتر در لحظه تصادم با هسته اورانیوم-۲۳۵ موجب شکافت هسته‌ای گردد بیشتر است. در رآکتورهای آب سبک از آب معمولی برای کم کردن سرعت نوترون‌ها و همچنین خنک کردن رآکتور استفاده می‌شود. ‍ اما زمانی که دمای آب افزایش می‌یابد چگالی آب کاهش می‌یابد و سرعت تعداد کمتری نوترون به اندازه کافی کم می‌شود و به این ترتیب تعداد شکافت‌های کاهش می‌یابند بنابراین یک بازخور منفی همیشه ثبات سیستم را تثبیت می‌کند. در این حالت برای آنکه بتوان دوباره تعداد شکافت‌های صورت گرفته را افزایش داد باید دمای آب را کاهش داد که به این کار ایجاد چرخه شکافت می‌گویند.

چرخه سوخت هسته‌ای[ویرایش]

نمودار چرخه سوخت هسته‌ای (۱)این چرخه با استخراج سوخت از معادن آغاز می‌شود(۲)سوخت به نیروگاه‌های هسته‌ای فرستاده می‌شود، پس از پایان عمر سوخت، سوخت به تأسیسات بازفراوری فرستاده می‌شود(۳)یا آنکه برای انبار شدن به انبار ضایعات اتمی فرستاده می‌شود(۴)در فرایند باز فراوری تا ۹۵٪ از سوخت مصرف شده دوباره به چرخه بازمی‌گردد.

نوشتار اصلی: چرخه سوخت هسته‌ای

نوشتار اصلی: غنی‌سازی اورانیوم

شکافت هسته‌ای صورت گرفته در یک رآکتور فقط بخشی از یک چرخه هسته‌ای است. این چرخه از معادن شروع می‌شود. اورانیوم استخراج شده 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 شده 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 شده می‌برند. اورانیوم باید حداقل ۵ سال در این حوضچه‌ها باقی بماند تا ایزوتوپهای به وجود آمده 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.

منابع سوخت[ویرایش]

تخمین مقدار اورانیوم

  ذخایر زیرزمینی^[۳۰]

  منابعی که اکنون اقتصادی هستند^[۳۱]

  تخمین مقداری که هنوز کشف نشده است^[۳۲]

  مجموع همه در سال ۲۰۰۴^[۳۰]

  منابع غیرقراردادی^[۳۲]

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. طبق آمارگیری جهانی معادن شناخته شده جهان در حال حاضر برای تأمین بیش از ۷۰ سال انرژی الکتریکی جهان کافی هستند. بهای متوسط اورانیوم در سال ۲۰۰۷، ۱۳۰ دلار آمریکا به ازای هر کیلوگرم بود. به این ترتیب ثبات تأمین سوخت هسته‌ای از بسیاری از دیگر مواد معدنی بیشتر است.^[۳۳][۳۴] به تناسب دیگر مواد معدنی با افزایش دو برابری هزینه تأمین سوخت، می‌توان به ده برابر منابع کنونی اورانیوم دست یافت. باید توجه داشت که قیمت تأمین سوخت در یک نیروگاه هسته‌ای نسبت به دیگر تجهیزات موجود نسبتاً اندک است و بنابراین چند برابر شدن قیمت اورانیوم تأثیر چندانی بر روی قیمت انرژی الکتریکی تولیدی نخواهد داشت. برای مثال افزایش دو برابری در قیمت سوخت مصرفی یک نیروگاه هسته‌ای آب سبک هزینه رآکتورها را در حدود ۲۶٪ و هزینه برق تولیدی را در حدود ۷٪ افزایش می‌دهد در حالی که افزایش دوبرابری قیمت سوخت در یک نیروگاه گازی قیمت برق تولیدی را تا ۷۰٪ افزایش می‌دهد.^[۳۵][۳۶]

نیروگاه‌های آب سنگین موجود در استفاده از سوخت هسته‌ای بهره‌وری پایینی دارند چراکه تنها قابلیت ایجاد شکافت هسته‌ای در ایزوتوپ‌های اورانیوم-۲۳۵ (حدود ۰٫۷٪ از اورانیوم معدنی) را دارند.^[۳۷] در مقابل رآکتورهای متداول آب سبک برخی رآکتورهای هسته‌ای می‌توانند از اورانیوم-۲۳۸ استفاده نیز استفاده کنند که حدود ۹۹٫۳٪ از اورانیوم معدنی را تشکیل می‌دهد. قبل از استفاده از اورانیوم-۲۳۸ در طی فرایندی از آن برای تولید پلوتونیم-۲۳۸ استفاده می‌کنند و سپس از پلوتونیم در رآکتورهای هسته‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد. طبق برآورد انجام شده با مصرف کنونی نیروگاه‌های جهان اورانیوم-۲۳۸ می‌تواند برای ۵ میلیون سال انرژی مورد نیاز این نیروگاه‌ها را تأمین کند.

این تکنولوژی در بسیاری از رآکتورهای هسته‌ای مورد استفاده قرار گرفته‌است، اما هزینه بالای فرآوری سوخت این نیروگاه‌ها (۲۰۰ دلار به ازای هر کیلوگرم) استفاده از آن‌ها را با مشکل مواجه کرده. تا سال ۲۰۰۵ تنها در رآکتور نیروگاه BN-۶۰۰ در «بلویارسک» روسیه از این تکنولوژی برای تولید برق استفاده شده بود، که البته روسیه برنامه‌ریزی‌های مربوط به ساخت نیروگاه دیگری از این نوع با نام BN-۸۰۰ را انجام داده‌است. ژاپن نیز قصد دارد تا پروژه رآکتور Monju را مجدداً شروع کند (این پروژه از سال ۱۹۹۵ تعطیل شده‌است) و همچنین چین و هند نیز قصد دارند تا از این تکنولوژی برای سوخت‌رسانی به رآکتورها استفاده کنند.

راه حل دیگری که در این زمینه وجود دارد استفاده از اورانیوم-۲۳۳ است که از توریوم به دست می‌آید. توریم حدوداً ۳٫۵ برابر بیشتر از اورانیوم در پوسته زمین وجود دارد و پراکندگی جغرافیایی متفاوتی نسبت به اورانیوم دارد. استفاده از این ماده می‌تواند میزان منابع سوخت‌های شکافت یافتنی را تا ۴۵۰٪ افزایش دهد. برعکس اورانیوم-۲۳۸ که برای مصرف آن را باید به صورت پلوتونیم-۲۳۸ درآورد، اورانیوم-۲۳۳ نیازی به تبدیل ندارد. در حال حاضر کشور هند علاقه زیادی برای استفاده از این روش دارد چراکه این کشور دارای معادن بسیار زیاد توریم است درحالی که معادن اورانیوم این کشور اندک هستند.

جوانب اقتصادی[ویرایش]

یکی از مسائل نیروگاه هسته‌ای هزینه ساخت آن است که شامل هزینه ساخت رآکتور، هزینه مسائل امنیتی، هزینه ساخت مراکز معدنی، هزینه ساخت مراکز تبدیل مواد خام به سوخت هسته‌ای، هزینه ساخت مراکز بازپروری هسته‌ای و انبارهای هسته‌ای برای دفن ضایعات هسته‌ای است. هر نیروگاه هسته‌ای به‌طور متوسط ۱۰ تا ۱۵ میلیارد دلار هزینه دارد.

خرج تولید الکتریسیته با نیروی هسته‌ای در سال ۲۰۰۷ حدود ۰٫۰۱۷۶ دلار برای هر کیلووات ساعت بود، در صورتی‌که این مقدار برای زغال سنگ، گاز طبیعی، و نفت به ترتیب ۰٫۰۲۴۷ دلار، ۰٫۰۶۷۸ دلار، و ۰٫۱۰۲۶ دلار بود.^[۳۸]

امنیت نیروگاه هسته‌ای[ویرایش]

از خطرهایی که همواره بیم آن می‌رود، حمله احتمالی تروریستی به نیروگاه‌های هسته‌ای است، چرا که با انفجار نیروگاه محوطه‌ای به شعاع ۲۰ کیلومتر بشدت آلوده می‌شود و هیچ موجود زنده‌ای را باقی نمی‌گذارد و در اثرات تخریبی ژنتیکی تا ۱۰ نسل را بر روی محوطهٔ بزرگتری در حدود شعاع ۴۰ کیلومتر باقی خواهد گذاشت^[۳۹]

با وجود نگرانی عمومی نسبت به امنیت نیروگاه‌های هسته‌ای، این نیروگاه‌ها به علت تدابیر ایمنی سخت‌گیرانه، به نسبت گستردگی‌شان منجر به تلفات ناچیزی شده‌اند. آمار نشان می‌دهد در عمل تعداد مرگ ناشی از سوانح مربوط به انرژی هسته‌ای به نسبت واحد انرژی تولید شده، بسیار کمتر از انواع دیگر انرژی بوده‌است.^[۴۰]

نیروگاه‌های متحرک[ویرایش]

ناو هواپیمابر با رانش هسته‌ای در سال ۱۹۶۴

یکی از وسیعترین کاربردهای نیروگاه‌های هسته‌ای، استفاده از انرژی هسته‌ای جهت رانش ناوها و زیردریایی‌ها است. در این راستا، آدمیرال هیمن ریکوور برای نخستین بار این ایده را در نیروی دریایی ایالات متحده آمریکا پیاده و عملی نمود. امروزه اکثر ناوها و تجهیزات نیروی دریایی آمریکا از نیروگاه‌های متراکم PWR استفاده می‌کنند.

پسماند هسته‌ای نیروگاه‌ها[ویرایش]

نوشتار اصلی: ضایعات هسته‌ای

یافتن راهی ارزان و ایمن برای انبار کردن زباله‌های هسته‌ای چالشی پراهمیت در زمینه چرخه سوخت هسته‌ای است زیرا این ضایعات تا ۱۰٬۰۰۰ سال نیز تشعشعات خطرناک دارند^[۴۱]

نگرانی‌های محیط زیستی[ویرایش]

مهمترین مسئله‌ای که مخالفان انرژی هسته‌ای بیان می‌دارند امنیت محیط زیستی نیروگاه هسته‌ای است زیرا فعالیت هسته‌ای می‌تواند مانند سایت هنفورد آلایش شدید محیط زیستی از خود باقی گذارد، یا با اشتباه و نقص فنی فجایعی مانند فاجعه چرنوبیل قابلیت رخ دادن خواهند داشت.

آلایش هسته‌ای همواره از نگرانی‌های این نوع صنعت به‌طور کل بوده‌است.^[۴۲] با اینحال برخی مطالعات حاکی از قابل مقایسه بودن دیگر صنایع تولید انرژی با نیروگاه‌های هسته‌ای می‌باشند.^[۴۳]

حوادث هسته‌ای[ویرایش]

حادثه تری مایل آیلند (۱۹۷۹)[ویرایش]

نوشتار اصلی: حادثه تری مایل آیلند

در سال ۱۹۷۹ بخشی از هسته اصلی واحد ۲ در نیروگاه تری مایل آیلند در ایالت پنسیلوانیا در آمریکا ذوب شد که باعث نشت ۳ میلیون کوری گاز رادیواکتیو به بیرون از نیروگاه گردید.^[۴۴] در پی این حادثه حدود ۱۴۰٬۰۰۰ نفر از اهالی منطقه خانه‌های خود را ترک کردند. پس از حادثه تری مایلی آیلند، ساخت نیروگاه‌های هسته‌ای برای مدتی در آمریکا متوقف شد.^[۴۵]

حادثه چرنوبیل (۱۹۸۶)[ویرایش]

نوشتار اصلی: حادثه چرنوبیل

حادثه چرنوبیل در سال ۱۹۸۶ و در چرنوبیل (در شوروی سابق و اوکراین کنونی) اتفاق افتاد به‌طوری‌که نیروگاه در ساعت ۱:۴۰ بامداد از کنترل خارج شد و بتن آرمه یک متری گنبد را ذوب نمود و اتفاقات پس از آن موجب شد تا در کل اروپا وضعیت اضطراری اعلام شود.^[۴۶]

حادثه فوکوشیما (۲۰۱۱)[ویرایش]

نوشتار اصلی: حادثه فوکوشیما

حادثه نیروگاه فوکوشیما داییچی، در ۱۱ مارس ۲۰۱۱ و در پی زلزله ۹٬۰ ریشتری و سونامی پیامد آن در ژاپن رخ داد. طی این حادثه از ۶ نیروگاه BWR فوکوشیما داییچی، ۳ نیروگاه که در حال کار بودند در اثر قطع برق شبکه و از کار افتادن دیزل‌های اضطراری آسیب جدی دیده و دچار ذوب قلب شدند. همچنین استخر سوخت‌های مصرف شده رآکتور شماره ۴ نیز با قطع خنک‌کاری و آسیب سوخت‌ها مواجه شد. انفجار هیدروژن در واحدهای شماره ۱ و ۳ باعث آسیب به ساختمان رآکتور و امکان نشت مواد رادیواکتیو به خارج از آن شد. این اولین حادثه مخرب هسته‌ای در دنیاست که در آن ۳ رآکتور آسیب جدی می‌بینند. مقادیری مواد رادیواکتیو به اقیانوس و هوا آزاد شده‌است و تخمین زده می‌شود مقدار مواد رادیواکتیو وارد شده به محیط حدود ۱۰ درصد حادثه چرنوبیل خواهد بود.

نیروگاه‌های هسته‌ای در ایران[ویرایش]

نوشتار اصلی: برنامه هسته‌ای ایران

برنامه هسته‌ای ایران در دهه ۱۹۵۰ با کمک ایالات متحده به عنوان بخشی از برنامه «اتم برای صلح» آغاز شد. اما به دلیل مناقشات به وجود آمده بعد از انقلاب ایران مشکلاتی در زمینه بهره‌برداری آن رخ داد. در حال حاضر تنها نیروگاه اتمی ایران در بوشهر توسط روس‌ها راه‌اندازی شده‌است. در سپتامبر ۲۰۱۱ نیروگاه اتمی بوشهر به مدار تولید برق ایران وصل شد.

جستارهای وابسته[ویرایش]

درگاه فیزیک

درگاه مهندسی

درگاه فناوری هسته‌ای

• نیروگاه
• تولید انرژی الکتریکی
• راکتور هسته‌ای
• شکافت هسته‌ای
• سلاح هسته‌ای

منابع

.

• کاربرد انرژی هسته ای در تولید برق

از انرژی هسته ای برای تولید برق استفاده می شود. تولید برق با انرژی هسته ای نیاز به غنی سازی اورانیوم دارد که دانش این امر تنها در انحصار چند کشور است. اساس کار نیروگاه های اتمی و نیروگاه بخار تقریبا شبیه هم است. در نیروگاه اتمی به جای بویلر (دیگ بخار) از راکتور استفاده می شود. در نیروگاه هسته ای، هستۀ اتم تغییر ماهیت داده و از خود انرژی تولید می کند. در راکتور آب به وسیلۀ انرژی حاصل از واکنش های هسته ای گرم شده و بخار می شود و این بخار، توربین را به حرکت در آورده و الکتریسیته تولید می کند. 

ایزوتوپ: ایزوتوپ های یک عنصر، خود عناصری هستند که دارای عدد اتمی یکسانند ولی عدد جرمی متفاوت دارند. این ایزوتوپ ها به دلیل داشتن عدد اتمی یکسان دارای خواص شیمیایی یکسان هستند.

در کشور ما هم مطالعاتی بر روی کشف و استخراج معادنی در استان های اصفهان، خراسان و هرمزگان صورت گرفته است و تحقیقات برای کشف معادن دیگر همچنان ادامه دارد. پس از استخراج سنگ اورانیوم، به کمک فعالیت های شیمیایی، پودر غلیظ اورانیوم زرد رنگ به شکل دی اکسید اورانیوم حاصل می شود. پس از تولید دی اکسید اورانیوم، هگزا فلوئورید اورانیوم (UF6) به دست می آید که محصول اساسی برای غنی سازی اورانیوم می باشد. هگزا فلوئورید اورانیوم یک مادۀ جامد بدون رنگ است که در حرارت کمتر از ۵۶ درجه سلسیوس به شکل گاز در می آید. به همین دلیل و برای جلوگیری از تبدیل شدن آن به گاز، این ماده را در ظروف تحت فشار زیاد قرار می دهند.

روش کار نیروگاه هسته ای برای تولید انرژی

• انرژی اتصالی هسته ای

به نیرویی که تمام اتم ها را با هم نگه میدارد نیروی اتصالمی گویند. انرژی اتصال هیچ وابستگی به درجه حرارت، فشار و فعالیت های شیمیایی ندارد. در واقع نیرویی است که اتم ها را در هسته نگه می دارد.

• همجوشی هسته ای به زبان ساده

همجوشی هسته ای یا فیوژن یک فعل و انفعال فیزیکی است در درجه حرارت بسیار زیاد (حدود صد هزار درجۀ کلوین) صورت می گیرد. در حال حاضر عمل فیوژن فقط در بمب های هیدروژنی استفاده می شود. در بمب ها انرژی به صورت لحظه ای آزاد می شود و حالت تخریبی دارد و متأسفانه بشر هنوز نتوانسته این انرژی را مهار کند. اهمیت انرژی فیوژن را می توان با موارد زیر بیان کرد:

از هر یک گالن آب دریا 1/8 گرم دوتریم بدست می آید که در فعل و انفعالات فیوژن مقدار 10¹⁰×7 کالری انرژی حاصل می شود. با توجه به برآوردهای انجام شده می توان انرژی مورد نیاز بشر را تا ۶۰ میلیارد سال تأمین کرد.

مورد دیگر انجام عمل فیوژن در خورشید است. طوری که اگر انرژی آزاد شده از این عمل در خورشید را در شبانه روز ۴Q فرض کنیم، کل انرژی مصرف شده در سال ۱۹۶۰ برابر 0/1Q و كل انرژی مصرف شده در سال ۱۹۷۵ برابر با ۰/35Q بوده است. اگر همۀ منابع سوخت های فسیلی در زمین به انرژی تبدیل شود، انرژی بدست آمده معادل ۱۱۰ می باشد که این مقدار برابر با انرژی آزاد شده از خورشید در مدت حدود ۲۸ شبانه روز خواهد بود.

به دلیل درجه حرارت زیادی که عمل فیوژن نیاز دارد، در آزمایشگاه از محیط پلاسما استفاده می شود، زیرا این محیط تحمل درجه حرارت های زیاد را دارا می باشد. در پلاسما انرژی سنیتیک اتم های ماده بسیار بالاست به طوری که الکترون ها هسته های خود را ترک می کنند و ماده یونیزه می شود. پلاسما هادی الکتریسیته است، زیرا الکترون های جدا شده از هسته مانند نواری در فضای پلاسما عمل هدایت را انجام می دهند.

محیط پلاسما خنثی است و نیز پلاسما می تواند تحت تأثیر میدان های الکتریکی و مغناطیسی قرار گیرد. انتظار می رود که یون های مثبت و منفی تحت تأثیر جاذبه ترکیب شوند، ولی در محیط پلاسما به دلیل بیشتر بودن انرژی سنیتیک نسبت به نیروی جاذبۀ بین یون ها این ترکیب انجام نمی شود.

مگر در دو حالت

حالت اول هنگامی رخ می دهد که الكترون، قبلاً مقداری از انرژی خود را از دست بدهد. در اتم این عمل به وسیلۀ آزادسازی فوتون انجام می شود.

حالت دوم از طریق برخورد سوم انجام می گیرد که بين الكترون و یون مثبت و یک اتم سومی است. این حالت فقط در آزمایشگاه رخ می دهد، زیرا محیط پلاسما رقیق است. (مگر در دیوارۀ ظروف در آزمایشگاه)

• نگهداری محیط پلاسما

نگه داشتن محیط پلاسما از اهمیت زیادی برخوردار است. برای این منظور محیط پلاسما را در یک میدان مغناطیسی مهار می کنند. یعنی ذرات را مرتباً در یک مسیر مارپیچی مغناطیسی حرکت می دهند. در پلاسما درجه حرارت در حدود ۱۰۰۰۰۰ کلوین می باشد که ذرات با سرعت چند هزار کیلومتر در ثانیه و در جهت های مختلف حرکت می کنند، که با برخورد به جدار ظرف در مدتی کمتر از ^6-10 ثانیه انرژی سنیتیک خود را از دست می دهند و پلاسما سرد می شود. در حال حاضر دانشمندان در سراسر جهان روی زمان پایداری پلاسما فعالیت می کنند.

این زمان در سال ۱۹۸۱ در آزمایشگاه فیزیک دانشگاه برینستون 0/02 ثانیه بود و امروزه به میزان ۱/۴ ثانیه افزایش یافته است. با توجه به این که منابع فسیلی در طی ۵۰ یا ۷۰ سال آینده به اتمام می رسند و همچنین گرانی سوخت های هسته ای و آلودگی های زیست محیطی، بشر تلاش می کند تا بتواند این منبع انرژی را مهار و از آن استفاده کند. فراموش نکنیم که مادۀ اولیۀ راکتورهای فیوژن هیدروژن می باشد که در طبیعت فراوان یافت می شود.

• اجزای نیروگاه هسته ای  

در نیروگاه هسته ای یا فیوژن، در عمل هستۀ یک عنصر سنگین برای نمونه ^2۳۵U توسط نوترون های شتاب داده شده بمباران می شود، در این صورت به ازای هر نوکلئون اورانیوم یک Mev انرژی اتصالی آزاد می شود. حال اگر این واکنش روی یک کیلو ^۲۳۵U انجام شود انرژی به دست آمده معادل kwH 20×1۰⁶ خواهد بود، اگر بخواهیم این مقدار انرژی را از سوخت های فسیلی به دست آوریم مقدار ۱/۷ میلیون لیتر با 5/2 میلیون کیلو ذغال سنگ نیاز داریم.

در قسمت غنی سازی، اورانیوم را تا حدود ۴-۵ ٪ غنی سازی می کنند. زیرا این درصد برای تولید انرژی کافی خواهد بود. (انرژی صلح آمیز) چون از نظر خواص شیمیایی اورانیوم های ۲۳۸ و ۲۳۵ یکسانند، بنابراین از راه فرآیندهای شیمیایی نمی توانیم آن ها را از هم جدا کنیم. اما چون اورانیوم ۲۳۸ از اورانیوم ۲۳۵ قدری سنگین تر است. از این خاصیت برای جدا کردن این دو نوع اورانیوم از هم استفاده می کنیم. اورانیوم ۲۳۵ قابلیت شکستن دارد و ۲۳۸ این قابلیت را ندارد. اورانیوم ۲۳۵ خود به خود تجزیه می شود ولی دارای طول عمر زیادی است (یک میلیون سال). اگر در صد اورانیوم ۲۳۵ از حدی بیشتر شود امکان واکنش زنجیره ای وجود دارد. از هر سه نوترون آزاد شده یکی مصرف می شود.

و دو نوترون دیگر آزاد می شوند که برای واکنش های بعدی به کار می روند. باز هم شش نوترون به وجود می آید که دو نوترون استفاده می شود و چهار نوترون دیگر برای واکنش های دیگر به کار می روند و به این ترتیب ادامه می یابد.

• راکتور هسته ای چگونه کار میکند ؟

عمل شکافت هسته ای در راکتورها صورت می گیرد. این راکتورها موارد استفادۀ متنوعی دارند که اصلی ترین آن ها تولید برق می باشد. هدف از این نوع راکتورها داشتن انرژی قابل ملاحظه در دمای بالا برای دسترسی به کار آیی حرارتی زیاد است.

راکتورها بر حسب میزان انرژی نوترون ها به دو نوع راکتورهای حرارتی و سریع تقسیم بندی می شوند. در راکتورهای حرارتی، شکافت به وسیلۀ نوترون هایی انجام می شود که در تعادل حرارتی با مواد قلب راکتور هستند. نوترون های ایجاد شده در اثر شکافت اورانیوم ۲۳۵ ( ^۲۳۵U)، انرژی زیادی دارند و احتمال بر هم کنش آنها با یک اتم ^۲۳۵U بسیار کم است. به همین دلیل در این راکتورها باید سرعت نوترون ها را بسیار کم نمود که این کار توسط مدراتور انجام می شود. زیرا لازمۀ شکست هسته ای توسط نوترون این است که سرعتش کم باشد تا در برخورد به هسته منحرف نشود و بتواند به هسته چسبیده و باعث شکافت آن شود.

در راکتورهای سریع هیچ تلاشی برای کم کردن سرعت نوترون ها صورت نمی گیرد (به مدراتور نیازی نیست). انرژی متوسط نوترون ها در این نوع راکتورها در حدود 0/5 تا 1/5 مگا الكترون ولت است.

به همین دلیل میله های سوختی باید داخل مدراتور باشند تا واکنش انجام شود. در واقع مدراتور باید علاوه بر این که انرژی جنبشی نوترون را می گیرد، آن را جذب نکند. معمولاً مواد با عدد جرمی کم، کند کننده های خوبی هستند. بعضی از انواع مدراتورها عبارتند از:

– هیدروژن (H₂): مدراتور خوب، تنها مشکل جذب بعضی از نوترون ها توسط هیدروژن است.

– آب معمولی (H₂O): مدراتور ایده آل، می توان از آب به عنوان سیال خنک کننده هم استفاده کرد، به دلیل پایین بودن نقطه جوش آب معمولی، باید آب با فشار بالا به کار رود.

– آب سنگین (D₂O): تعدیل کنندۀ مناسب برای کند کردن نوترون به اندازۀ آب معمولی مؤثر نیست، خنک کنندۀ بسیار خوب. احتمال جذب نوترون توسط آب سنگین کمتر از آب معمولی است.

– کربن (گرافیت): نوترون های زیادی را جذب نمی کند ولی آنها را به خوبی پراکنده می سازد. از نقاط ضعف آن اکسید شدن گرافیت در دماهای بالا می باشد.

– برلیوم: از مهم ترین خنک کننده های جامد است که به صورت برلیوم فلزی یا اکسید برلیوم استفاده می شود. از خواص این خنک کنندۀ جامد، کم کردن زیاد سرعت نوترون در برخورد با آن و بالا بودن نقطه ی ذوب آن (حدود ۱۱۵۸ درجه کلوین) می باشد.

نوترون های سرعت یافته در بر خورد با مولکول های تعدیل کننده مقداری از انرژی خود را از دست می دهند. ضمن آن که در برخورد با این مولکول ها باعث گرم شدن آنها می شوند. بنابراین تعدیل کننده ها باید مرتب خنک شوند.

برای خنک کردن تعدیل کننده ها، گرمای داخل راکتور توسط مادۀ خنک کننده به Exchanger Heat برده می شود. خنک کننده ها معمولاً DO،CO،HO، هلیوم مایع، ناتریوم، ویسموت و همچنین فلزات مایع مانند سدیم و سدیم-پتاسیم هستند. توجه شود که فلزات را قبل از شروع به کار راکتور باید حرارت داد.

• سوخت راکتور هسته ای

سوخت اصلی راکتورهای هسته ای قدرت، اورانیوم است که در راکتورهای مختلف، ترکیبات مختلف آن مورد استفاده قرار می گیرد. در این راکتورها از اورانیوم غنی شده به عنوان مادۀ شروع کنندۀ شکافت هسته ای استفاده می شود. اورانیوم غنی شده، اورانیومی است که ایزوتوپ ۲۳۸ آن به روش مصنوعی کم شده است.

(در بعضی راکتورها از اورانیوم طبیعی هم می توان استفاده نمود) در راکتورهای غیر همگن یا هتروژن (مدراتور و سوخت از هم جدا هستند) اغلب از فلز اورانیوم با دی اکسید اورانیوم (UO_۲) استفاده می شود. در راکتورهای همگن یا هموژن (سوخت و مدراتور با هم تشکیل یک واحد را می دهند) همیشه و بدون استثناء، از اورانیوم غنی شده به صورت محلول (UO₂SO₄) استفاده می گردد. این سوخت ها اغلب به صورت میله، تسمه و گلوله به کار برده می شوند.

راکتور هسته ای و چگونگی عملکرد آن

• میله های فرمان راکتور هسته ای

میله های فرمان راکتور هسته ای از جنس کادمیوم یا بور هستند و وظیفۀ آن ها جذب نوترون های اضافی است تا شکافت هسته های بعدی در کنترل باشد. به عبارت دیگر در مواقع لزوم، واکنش زنجیره ای را کاهش می دهند. در بعضی موارد برای استفاده از نوترون های آزاد شده در اثر شکافت، میله های کنترل از مادۀ بور ساخته می شود. مادۀ بارور، ماده ای است که در اثر جذب نوترون و فروپاشی به نمونه های قابل شکافت تبدیل می شود.

از میله های فرمان برای خاموش کردن راکتور هم استفاده می شود . این عمل با وارد کردن میله های قابل کنترل تا انتهای هسته ی راکتور صورت می گیرد. در مواقع اضطراری و بروز خطر هم، این میله ها به صورت اتوماتیک و خیلی سریع تا انتهای هستۀ راکتور نفوذ می کنند. با جذب نوترون ها باعث توقف واکنش زنجیره ای و خاموش شدن راکتور می شوند.

نیروگاه اتمی در صورتی که کنترل نشود مانند بمب منفجر نخواهد شد. چون در بمب های هسته ای واکنش زنجیره ای به طور مداوم انجام می شود، اما در راکتور اگر کنترلی صورت نگیرد حرارت بالا می رود و اورانیوم موجود در راکتور که از نوع ۲۳۸ می باشد، مانع از افزایش واکنش زنجیره ای می شود. همچنین حرارت زیاد سبب افزایش سرعت نوترون ها می شود که نوترون ها با سرعت بالا در واکنش شرکت نمی کنند و همچنین باریم و کریپتون، نوترون ها را جذب می کنند.

اما حرارت بالا سبب ذوب شدن راکتور و لوله های خنک کننده می شود که این عمل باعث بروز مشکلات زیادی روی جان و مال بشر می شود که این پیامدها هم کمتر از مشکلات بمب های هسته ای نیست. علت این که در معادن اورانیوم انفجار رخ نمی دهد این است که در معادن، اورانیوم ۲۳۵ مقدارش خیلی کم و احتمال برخورد نوترون به اورانیوم ۲۳۵ کم است و به همین دلیل انفجار روی نمی دهد.