نیروگاه هسته ای - نسخه‌ی قابل چاپ

اساس کار نیروگاه های اتمی و 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.

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 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 ۱/۸ گرم دوتریم بدست می آید که در فعل و انفعالات فیوژن مقدار ۱۰۱۰×۷ 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 ۰/۱Q و كل انرژی مصرف شده در سال ۱۹۷۵ برابر با ۰/۳۵Q 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 می باشد. این حالت فقط در آزمایشگاه رخ می دهد، زیرا محیط پلاسما رقیق می باشد. (مگر در دیوارۀ ظروف در آزمایشگاه)

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 ۶-۱۰ 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 ۰/۰۲ 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.

در نیروگاه هسته ای یا فیوژن در عمل هستۀ یک عنصر سنگین برای نمونه ۲۳۵U 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 20×۱۰۶ خواهد بود، اگر بخواهیم این مقدار انرژی را از سوخت های فسیلی به دست آوریم مقدار ۱/۷ میلیون لیتر با ۵/۲ 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.

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 ۰/۵ تا ۱/۵ 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 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.

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.

اساس کار این نوع راکتور به این ترتیب است که توسط یک مبدل حرارتی انرژی حاصل شده در راکتور به سیکل وارد می شود. آب داخل راکتور دارای فشار و حرارت زیادی است. چون آب تحت فشار تا حدود دمای ۳۰۰۰ درجه سانتیگراد جوش نمی آید و بخار نمی شود. در این راکتور تعدیل کننده و خنک کننده هر دو آب سبک هستند. در نیروگاه های هسته ای از نوع P.W.R به ازای هر راکتور از چند دیگ بخار استفاده می شود تا بازده راکتور افزایش یابد.

در این نوع نیروگاه، آب در راکتور به جوش می آید و بخار می شود و بخار مستقیماً وارد توربین می شود. از مزایای B.W.R این است که قسمت مبدل حرارتی ندارد. همچنین لازم نیست قطعات راکتور، تحت فشار باشند. آب داخل این سیکل آلوده به مواد رادیو اکتیو است.

در این نوع از نیروگاه ها انرژی حاصل از اتم، توسط گاز هلیوم داغ در مبدل حرارتی باعث بخار شدن آب و استفاده در توربین می شود. در این نوع نیروگاه ها تعدیل کننده گرافیت و خنک کننده CO2 است. گاز داغ می تواند هم باعث به جوش آمدن آب شود و هم مستقیم وارد توربین شود.

به دلیل کم و آهسته بودن تبادل حرارتی گاز، باید از فن های با قدرت زیاد استفاده شود که در نتیجه بازده نیروگاه پایین می آید. این نوع نیروگاه ها که مبتكر آن انگلیسی ها بودند حجم زیادی دارند، زیرا مدراتور آن ها گرافیت (به علت جامد بودنش) می باشد و در راکتور آن هم از اورانیوم طبیعی استفاده می شود.

به راکتورهای آب سنگین تحت فشار معروفند. از آب سنگین (D2O) به عنوان کند کننده، اکسید اورانیوم طبیعی به عنوان سوخت و آب سنگین تحت فشار به عنوان خنک کننده استفاده می کنند. البته کند کنندۀ سرد، تحت فشار نیست و در یک محفظۀ استوانه ای کالاندریا قرار دارد که لوله های متحدالمرکز کالاندریا و لوله های فشار از آن عبور می کنند.

در این نوع نیروگاه ها، سوخت گیری در زمان کار راکتور انجام می شود، بنابراین مشکل چند هفته خاموش کردن سالیانه راکتور به منظور سوخت گیری منتفی می شود.