چگونه انرژی هسته‌ای تبدیل به انرژی الکتریکی می‌شود؟

انرژی هسته‌ای واژه‌ای است که در سال‌های اخیر بسیار درباره‌ی آن شنیده‌ایم، چراکه استفاده از آن برای تولید انرژی الکتریکی به یکی از چالش‌های کشورمان تبدیل شده است. اما به واقع در نیروگاه‌های هسته‌ای و داخل راکتور چه فرآیندی برای تبدیل انرژی هسته‌ای به انرژی الکتریکی روی می‌دهد؟

فرآیند تولید انرژی الکتریکی از انرژی هسته‌ای چرخه‌ی بسیار بلندبالایی دارد. اما آخرین مرحله از تولید انرژی که در نیروگاه هسته‌ای انجام می‌شود، تفاوت چندانی با نیروگاهی که در آن سوخت مورد استفاده زغال سنگ یا سوخت‌های فسیلی است، ندارد. تفاوت کلی سوخت هسته‌ای با سایر سوخت‌های مورد استفاده در نیروگاه‌ها که شامل انواع فسیلی است، در محدودیت این منابع سوختی است. البته باید به تفاوت آلودگی‌ها و شدت گازهای گلخانه‌ای منتشر شده نیز اشاره کرد.

همانطور که اشاره کردیم، فرآیند تولید سوخت هسته‌ای توسط اورانیوم با روش تولید انرژی الکتریکی توسط سایر سوخت‌های فسیلی تفاوت چندانی ندارد. برای تولید انرژی از یک منبع، باید مقداری انرژی به آن وارد کنیم تا ماده‌ی مورد نظر انرژی خود را به شکل بزرگ‌تر آزاد کند. برای مثال در زمان استفاده از زغال سنگ، این ماده در معرض انرژی حرارتی قرار گرفته و پس از شعله‌‌ور شدن انرژی آن آزاد می‌شود که از این انرژی برای بخار کردن آب و چرخاندن توربین‌ها استفاده می‌شود. تفاوت در منابع انرژی مورد استفاده برای تولید انرژی الکتریکی در میزان انرژی آزاد شده است. انرژی آزاد شده توسط سوخت هسته‌ای بسیار بیشتر بوده و می‌تواند مقدار بسیار بیشتری انرژی الکتریکی را تولید کند. برای آزاد کردن انرژی اورانیوم کافی است با فراهم کردن شرایط مورد نظر، امکان شکافت هسته‌ای را ایجاد کرد تا از این طریق انرژی آزاد شده را برای ایجاد بخار آب و چرخاندن توربین‌ها مورد استفاده قرار داد.

در صورتی که بخواهیم میزان انرژی الکتریکی تامین شده با استفاده از زغال سنگ و انرژی اتمی را با یکدیگر مقایسه کنیم، باید بدانیم که انرژی تولید شده توسط چند کیلوگرم اورانیومی که درون راکتور هسته‌ای قرار خواهد گرفت با چند تن زغال سنگ برابری می‌کند. علاوه بر نیاز به حجم بالایی از زغال سنگ برای تولید مقدار برابری از انرژی الکتریکی از طریق انجام فرآیند هسته‌ای، سوخت‌های فسیلی چون زغال سنگ آلودگی بسیاری ایجاد کرده و بر حجم گازهای گلخانه‌ای اضافه می‌کنند. برای درک این موضوع که چگونه این میزان از انرژی در حجم بسیار کوچکی جمع شده، باید سفری در تاریخ داشته و به روزهای اول حیات روی کره‌ی زمین برویم.

در روزهای اول حیات زمین، این کره حال و روز دیگری داشت و ازاین رو المان‌هایی که این کره‌ی خاکی را تشکیل داده بودند، به تازگی در اثر انواع ابرنواخترها به وجود آمده بودند. با توجه به جوان بودن، کره‌ی زمین از وجود ایزوتوپ‌های رادیو اکتیو متعددی بهره‌مند بود. با توجه به اینکه شمار بسیار زیادی از اتم‌ها در آن دوران در وضعیت ناپایدار بودند، از این‌رو تشعشعات بسیاری از اتم‌ها ساطع می‌شد. پس از آنکه هر اتم به اندازه‌ای انرژی آزاد می‌کرد به حالت پایدار می‌رسید.به این فرآیند که طی آن اتم‌ها انرژی خود را آزاد می‌کنند تا به حالت پایدار برسند، تجزیه‌ی رادیو اکتیو اطلاق می‌شود. با گذشت زمان ایزوتوپ‌های پایدار کمتری اقدام به انتشار تشعشعات هسته‌ای می‌کنند و در نتیجه‌ی تجزیه‌ی اتمی با سرعت بیشتری انجام می‌شود. پس از تولد زمین، بسیاری از ایزوتوپ‌ها به سمت نمونه‌هایی سنگین‌تر و کم‌انرژی‌تر سوق پیدا کرده‌اند تا آنکه مواد مختلف به وضعیت امروزی خود رسیدند.

شکافت هسته‌ای نیازمند بهره‌گیری از اتم‌هایی با سطح انرژی بالا است تا به راحتی در فرآیند شکافت شرکت کنند

با توجه به اینکه اغلب اتم‌ها به وفور از نوع ایزوتوپ‌های پایدار هستند، از این رو شکافت هسته‌ای بسیار سخت بوده و شکستن اتم‌ها در فرآیندی که با نام فیسیون شناخته می شود، بسیار مشکل است. چاره‌ی شکافت اتم‌ها و دریافت میزان عظیمی از انرژی حاصل از این فرایند، استفاده از موادی است که اتم‌های آن‌ها دارای انرژی زیادی بوده و سطح انرژی بالایی برای شکافته شدن دارند. این روزها اورانیوم به عنوان سوخت اصلی در راکتورهای هسته‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد، البته این ماده نیز دارای ایزوتوپ‌های مختلفی است که شماری قابلیت شکافت بالاتری دارند، از این‌رو برای بالا بردن خلوص ایزوتوپی از اورانیوم که می‌توان آن را با صرف انرژی پایین‌تری وارد فرآیند شکافت کرد، بحث غنی سازی اورانیوم پیش می‌آید.

سانتریفیوژها اتم‌های اورانیوم را با بهره‌گیری از ایجاد نیروی گریز از مرکز از هم جدا می‌کنند

طی فرآیند غنی سازی اورانیوم، درصد ایزوتوپی از این ماده که می‌توان آن را به راحتی وارد فرآیند شکافت کرد، افزایش پیدا می‌کند. غنی سازی اورانیوم با بهره‌گیری از وزن ایزوتوپ‌ها و استفاده از ابزار‌هایی با نام سانتریفیوژ صورت می‌پذیرد. سانتریفیوژها اتم‌های اورانیوم را با بهره‌گیری از ایجاد نیروی گریز از مرکز از هم جدا می‌کنند. همانطور که اشاره کردیم، فرآیند جداسازی از فاکتوری چون وزن و چگالی اتم‌ها استفاده می‌کند تا با جدا کردن ایوزتوپ‌های مختلف، درصد ایزوتوپ‌های مورد نیاز برای وارد شدن در چرخه‌ی شکافت افزایش یابد. خلوص مورد نیاز برای اینکه بتوان اورانیوم را در راکتور اتمی مورد استفاده قرار داد، ۳ تا ۵ درصد است. در دورانی که زمین دوران اولیه حیات خود را پشت سر می‌گذاشت، میزان ایزوتوپ‌های ناپایداری از مواد که قادر به وارد شدن به چرخه‌ی شکافت بودند، بسیار بالاتر بود.

پس از آنکه اورانیوم به درصد خلوص ایده‌آل برای وارد شدن به چرخه‌ی شکافت رسید، می‌توان این فرآیند را درون راکتور هسته‌ای آغاز کرد تا بتوان از انرژی آزاد شده به منظور تامین نیروی برق استفاده کرد. این بخش از چرخه‌ی تولید انرژی آسان‌ترین بخش در فرآیند تولید انرژی از این طریق است. شکافت هسته‌ای تشعشعات بسیاری را به همراه دارد که البته در کنار آن انرژی بسیاری بالایی نیز آزاد می‌شود که همین فاکتور دلیل اصلی استفاده از انرژی هسته‌ای است. برای آغاز چرخه‌ی شکافت هسته‌ای کافی است تا یک نوترون در کنار اتم‌های اورانیوم با خلوص مشخص شده قرار گیرد؛ در این حالت شاهد آغاز شکافت هسته‌های اورانیوم خواهیم بود که در نتیجه‌ی آن انواع تشعشعات هسته‌ای، انرژی و نوترون‌های بیشتر آزاد می‌شوند که همین آزاد شدن نوترون‌ها باعث تسریع فرایند شکافت هسته‌ای می‌شود.

دانشمندان استفاده از راکتورهای آب سبک و آب سنگین را برای کنترل فرآیند شکافت با نوترون پیشنهاد می‌دهند

اما مساله‌ای که در این مرحله پیش می‌آید، نحوه‌ی کنترل نوترون‌های آزاد شده به منظور انجام فرآیند شکافت بصورت ادامه دار است. دو راهکار برای کنترل سرعت نوترون‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد که شامل استفاده از راکتورهای آب سنگین و آب سبک است. در صورتی که سرعت پخش شدن نوترون‌ها در راکتور بسیار افزایش پیدا کند، نمی‌توان فرآیند شکافت و در نتیجه دریافت انرژی را به درستی انجام داد. در راکتورهای آب سبک، از آب معمولی برای خنک کردن راکتور و همچنین جذب نوترون‌های حرارتی استفاده می‌شود. این راکتورها را باید با استفاده از اورانیومی که تا خلوص ۳ تا ۵ درصد غنی سازی شده، تغدیه کرد.

در مورد راکتورهای آب سنگین، وضعیت تا حدودی متفاوت است. در این راکتورها به جای استفاده از آب معمولی، از آب سنگین که هزینه‌ی تولید بالایی نیز دارد، استفاده می‌شود. در آب سنگین از ایزوتوپ‌های سنگین‌تر هیدروژن استفاده می‌شود که همین امر باعث جذب مقدار بیشتری از نوترون‌های آزاد شده می‌شود. استفاده از آب سنگین این امکان را در اختیار متخصصان قرار می‌دهد تا راکتور را با اورانیومی که غنی سازی نشده، وارد چرخه‌ی شکافت و در نتیجه تولید انرژی کنند. با توجه به اینکه در راکتور آب سنگین خبری از غنی سازی اورانیوم نیست، از این‌رو هزینه‌ی تولید آب سنگین نیز چندان زیاد به نظر نمی‌رسد.

در هر دو حالت از آب برای خنک کردن راکتور استفاده می‌شود، بطوریکه آب با جذب نوترون‌ها و همچنین انرژی تولید شده تبدیل به بخار شده و این بخار با فشار پره‌های توربین قرار گرفته در مسیر را حرکت می‌دهد که نتیجه‌ی آن تولید انرژی الکتریکی است.

البته شمار دیگری از راکتورها نیز طراحی شده‌اند که از جمله‌ی آن‌ها می‌توان به راکتورهای نمک گداخته اشاره کرد. در این راکتورها از نمک گداخته برای خنک کردن سیستم استفاده می‌شود که این موضوع امکان فعالیت در دمای بالای عملیاتی را بدون افزایش فشار سیستم ممکن می‌کند. بسیاری ار کارشناسان، استفاده از توریم را به عنوان سوخت هسته‌ای پیشنهاد می‌دهند. توریم در مقایسه با اورانیوم یا پلوتونیوم زباله‌ی هسته‌ای کمتری را تولید می‌کند. همانطور که می‌دانید زباله‌های هسته‌ای خود خطر بسیار بالایی دارند.

در طول سالیان اخیر تدابیر امنیتی ویژه‌ای برای کنترل فرایند سوخت هسته‌ای به نیروگاه‌های اتمی اضافه شده و مورد استفاده قرار گرفته است. این تدابیر شامل پیش‌بینی ایجاد زیرساخت‌های پشتیبانی از راکتورهای هسته‌ای در لحظات بحرانی است. برای مثال می‌توان به نیروگاه فوکوشیما اشاره کرد که طی نفوذ آب براثر سونامی به ارتفاع ۱۵ متر، ژنراتورهای دیزلی آن از کار افتاده و دراثر عدم پمپاژ آب، راکتور‌های فعال در این نیروگاه با افزایش بیش از حد دما دچار حادثه شدند. در حال حاضر بسیاری از راکتورهای مورد استفاده دارای کلیدی با نام ایست هستند که در صورت ایجاد بحران وارد عمل شده و سوخت هسته‌ای از طریق فعال شدن این کلید از راکتور خارج می‌شود.

تنها خطری که یک نیروگاه هسته‌ای را تهدید می‌کند، عدم مدیریت و کنترل فرآیند شکافت هسته‌ای درون راکتور است. در صورتی که این فرآیند از کنترل خارج شده و نتوان شکافت هسته‌ای را در راکتور کنترل و مدیریت کرد، دما با سرعت بالایی افزایش یافته و نهایتا شاهد سرنوشتی شبیه به نیروگاه فوکوشیمای ژاپن خواهیم بود. بحران هسته‌ای ابعاد خطرناک بسیار گسترده‌ای دارد که بشر تاکنون دو بار شاهد آن بوده است. گسترده‌ترین حادثه‌ی روی داده در نیروگاه‌های اتمی، مربوط به نیروگاه چرنوبیل در زمان جنگ سرد است که شکافت هسته‌ای به بیرون از راکتور منتقل شد و انفجار عظیم منطقه‌ی بزرگی را آلوده کرد. اما در فوکوشیما بخش بزرگی از شکافت هسته‌ای در داخل راکتور آسیب دیده انجام شد و اثرات زیانبار چندان گسترده‌ای متوجه محیط اطراف نشد.

با در نظر گرفتن خطرات ناشی از نیروگاه‌های هسته‌ای، شماری از کارشناسان و متخصصان در حوزه‌ی انرژی، استفاده از انرژی‌های تجدید پذیر را پیشنهاد می‌دهند. ژاپنی‌ها نیز پس از زلزله‌ی بزرگی که منجر به انفجار نیروگاه اتمی فوکوشیما شد، بیش از پیش به این حوزه علاقمند شده‌اند. شماری از کشورهای اسکاندیناوی این روزها بخش بزرگی از انرژی مورد نیاز خود را باید از طریق توربین‌ها تامین کنند.

منبع: زومیت

تماشاخانه

هیجان و جنون یکی از پرفرازونشیب‌ترین روزهای خرید / جمعه سیاه چطور به وجود آمد؟ (فیلم)

شکوه فرش ایرانی از دوره صفوی در اروپا ؛ هیجان مدیر گالری کریستی هنگام تعریف کردن را ببینید (فیلم)

فیلم های دیگر