05/04/2022
نیروگاه هسته ای چیست و چگونه کار می کند؟ — به زبان ساده
برق، فیزیک، مهندس
انرژی هستهای در نیمه قرن گذشته و از زمان آغاز به کار اولین نیروگاه هسته ای تجاری جهان در «کالدر هال» (Calder Hall) با نام کنونی سلافیلد (Sellafield) در «کامبریا»ی (Cumbria) انگلیس در سال 1956، تاریخچهای پر از فراز و نشیب داشته است. از میان جنجالهای فراوان، برخی معتقدند که انرژی هستهای راهی حیاتی برای مقابله با تغییرات آب و هوایی است. در مقابل، عدهای اصرار دارند که این انرژی مولد آلودگی، خطرناک، غیراقتصادی و غیرضروری است. در هر صورت، فارغ از سیاست و از دیدگاه علمی، بد نیست اگر بدانیم که انرژی هستهای چیست و یک نیروگاه هسته ای چگونه کار میکند. در این مطلب با «نیروگاه هسته ای» (Nuclear Power Plant) آشنا میشویم.
فهرست مطالب این نوشته
انرژی اتمی چیست؟
اتم چقدر انرژی تولید میکند؟
واکنش زنجیرهای چیست؟
تفاوت نیروگاه هسته ای و بمب هستهای چیست؟
نیروگاه هسته ای چگونه کار میکند؟
آیا ممکن است نیروگاه هسته ای مانند بمب هستهای منفجر شود؟
مزایا و معایب انرژی هستهای
معرفی فیلم آموزش آشنایی با تکنولوژی نیروگاه های بادی، آبی، بیوماس و امواج
معرفی فیلم آموزش تولید انرژی الکتریکی – بخش اول
معرفی فیلم آموزش آشنایی با واژگان و اصطلاحات پالایشگاهی و انرژی
تصویر زیر تقابل انرژی هستهای و انرژی خوشیدی را به خوبی نشان میدهد. صفحات خورشیدی پیشرفته و درخشان در همسایگی نیروگاه هسته ای «رانچو سیکو» (Rancho Seco) دیده میشوند که اکنون از مدار خارج شده است. آیا تا زمانی که بتوانیم انرژی کل دنیا را از انرژی تجدیدپذیر تأمین کنیم، انرژی هستهای همچنان برقرار خواهد بود یا استفاده از آن یک دیوانگی پرهزینه است؟
انرژی هستهای
انرژی اتمی چیست؟
تصویر زیر راکتور هستهای علمی ناسا در ایستگاه «پلام بروک» (Plum Brook) سندوسکی اوهایو را نشان میدهد که قبل از تعطیلی در دهه 1970، برای تولید مواد برنامه فضایی مورد استفاده قرار میگرفت. اکنون در این ایستگاه تحقیقات فضایی پیشرفته دیگری انجام میشود.
راکتور هستهای
گرچه به وضوح مشخص نیست و شاید کمی عجیب به نظر برسد، اما ساختمانهای بلند، انرژی (پتانسیل) را ذخیره میکنند. باید سخت کار کنید تا آجرها و سایر مصالح ساختمانی را از زمین به موقعیت مناسب در ارتفاع برسانید. تا زمانی که این مصالح در جایی که قرار دادهاید باقی بمانند، میتوانند این انرژی را تا ابد ذخیره کنند. اما یک ساختمان بلند و ناپایدار دیر یا زود تخریب میشود و سقوط میکند و وقتی این اتفاق رخ دهد، مواد و مصالحی که ساختمان را تشکیل دادهاند، به زمین سقوط میکنند و انرژی ذخیره شده خود را به صورت گرما، صدا و انرژی جنبشی آزاد میکند (حواستان باشد آجرها روی سرتان نیفتند!).
اتمها (عناصر سازنده ماده) نیز وضعیت تقریباً مشابهی دارند. برخی از اتمهای بزرگ بسیار پایدار هستند و تقریباً برای همیشه در این وضعیت باقی میمانند. اما اتمهای دیگر به اشکال ناپایدار به نام «ایزوتوپ پرتوزا» (Radioactive Isotopes) یا رادیواکتیو وجود دارند. اینها معادل اتمی ساختمانهای قدیمی و در شرف ریزش هستند و دیر یا زود، متلاشی خواهند شد؛ مانند یک ساختمان بزرگ که به زمین میافتد و انرژی آزاد میکند. وقتی اتمهای بزرگ به یک یا چند اتم کوچک تقسیم میشوند، در این فرایند ذرات دیگر و انرژی آزاد میکنند به آن «شکافت هستهای» یا فیژن (Nuclear Fission) میگویند. دلیل این امر آن است که قسمت مرکزی اتم یا هسته همان چیزی است که از هم میپاشد و شکافت، کلمهای برای بیان جدا شدن است. شکافت هستهای میتواند خود به خود اتفاق بیفتد که در این صورت آن را «واپاشی پرتوزا» (Radioactive Decay) مینامیم (تبدیل ایزوتوپهای ناپایدار و پرتوزا به اتمهای پایدار که پرتوزا نیستند). شکافت همچنین میتواند به صورت خودخواسته اتفاق بیفتد که همانی است که ما در نیروگاههای هستهای انجام میدهیم و از اتم انرژی میگیریم. به این نوع شکافت، «واکنش هستهای» (Nuclear Reaction) میگویند.
اتم چقدر انرژی تولید میکند؟
پاسخ این است: به طرز شگفتآوری زیاد! همان چیزی که آلبرت انیشتین هنگام نوشتن این معادله ساده و مشهور نوشت:
E
=
m
C
2
که در آن،
E
انرژی،
m
جرم (اصطلاح علمی اجسام معمولی اطرافمان) و
c
سرعت نور است. معادله اینشتین بیان میکند که میتوان مقدار کمی جرم را به مقدار زیادی انرژی تبدیل کرد. اما چگونه؟ با نگاهی به ریاضیات فرمول، میبینیم که
c
مقدار عددی بسیار بزرگ است (300,000,000)، بنابراین
c
2
بسیار بزرگتر است (90,000,000,000,000,000). این مقدار انرژی برحسب ژول (واحد استاندارد انرژی) به ازای یک کیلوگرم جرم است. از نظر تئوری، اگر بتوانید حدود هفت میلیارد اتم هیدروژن را کاملاً به انرژی تبدیل کنید، تقریباً یک ژول دریافت خواهید کرد (تقریباً به اندازه انرژی مصرفی یک لامپ 10 واتی در یکدهم ثانیه). البته دقت کنید که این اعداد و ارقام تقریبی هستند. نکته مهمی که باید به آن توجه کنیم این است: از آنجا که میلیاردها اتم در حتی یک ذره کوچک از ماده وجود دارد، باید بتوان انرژی زیادی تولید کرد. این ایده اصلی در مورد انرژی هستهای است.
انیشتین
آلبرت انیشتین، پدر انرژی هستهای
در عمل، نیروگاه هسته ای بر مبنای از بین بردن کامل اتمها کار نمیکند، بلکه، اتمهای بسیار بزرگ را به اتمهای کوچکتر، محکمتر و پایدارتر تقسیم میکنند. این امر باعث آزاد شدن انرژی (قابل مهار) در فرایند میشود. طبق قانون پایستگی انرژی، انرژی آزاد شده در واکنش شکافت هستهای برابر است با جرم کل اتم اصلی (و کل انرژی که آن را نگه میدارد) منهای کل جرم اتمهایی که اتم اصلی به آنها تقسیم میشود (و تمام انرژی که آنها را به هم نزدیک نگه میدارد).
شکل زیر تقسیم اتمهای بزرگ ناپایدار به اتمهای کوچکتر و پایدارتر را نشان میدهد که میتوان مقداری از این «انرژی بستگی» (Binding Energy) را آزاد کرد. انرژی نیروگاه هسته ای از همین جا تأمین میشود. در این شکل، اتمها از پروتون (قرمز)، نوترون (آبی)، الکترون (سبز) و انرژی پیوند آنها به هم (زرد) ساخته شدهاند.
اتمها
برای آشنایی با مباحث فیزیک، پیشنهاد میکنیم به مجموعه آموزشهای فیزیک فرادرس مراجعه کنید که لینک آن در ادامه آورده شده است.
برای مشاهده مجموعه آموزشهای فیزیک + اینجا کلیک کنید.
واکنش زنجیرهای چیست؟
اگر بتوانید تعداد زیادی از اتمها را یکی پس از دیگری تقسیم کنید، چه اتفاقی رخ میدهد؟ از نظر تئوری، میتوانید آنها را وادار کنید تا مقدار زیادی انرژی آزاد کنند. برخی از ایزوتوپهای رادیواکتیو در آنچه که «واکنش زنجیرهای» (Chain Reaction) نامیده میشود، به طور خودکار تقسیم میشوند و هر توانی را که بخواهید، تولید میکنند.
فرض کنید یک اتم سنگین (نوعی پایدار از اورانیوم به نام اورانیوم 235) داریم. هریک از اتمهای آن دارای یک هسته با 92 پروتون و 143 نوترون است. یک نوترون را به سمت اورانیوم 235 شلیک کرده و آن را به اورانیوم 236 تبدیل میکنیم که یک نسخه ناپایدار از همان اتم (ایزوتوپ رادیواکتیو اورانیوم) با 92 پروتون و 144 نوترون است (به یاد داشته باشید که یک عدد اضافه شده است). اورانیوم 236 بیش از حد ناپایدار است و نمیتواند به مدت طولانی معلق بماند، بنابراین به دو اتم بسیار کوچکتر باریم و کریپتون تقسیم میشود که انرژی زیادی را آزاد میکند و همزمان سه نوترون اضافی را پرتاب میکند.
اکنون نکته مهم این است که نوترونهای اضافی میتوانند به سایر اتمهای اورانیوم 235 برخورد کنند و باعث شوند آنها نیز از هم جدا شوند. هنگامی که هریک از آن اتمها شکافته شوند، نوترونهای اضافی نیز تولید میکنند. بنابراین یک شکافِ تنها از یک اتم اورانیوم 235 به سرعت به یک واکنش زنجیرهای (بهمن هستهای مهارگسیخته) تبدیل میشود که مقدار زیادی انرژی را به شکل گرما آزاد میکند.
شکل زیر واکنش زنجیرهای را نشان میدهد.
واکنش زنجیرهای
نوترون (۱) به یک اتم بزرگ اورانیوم 235 (۲) شلیک میشود. با این کار، یک ایزوتوپ رادیواکتیو بزرگتر و ناپایدار از اورانیوم (یعنی اورانیوم 236) ایجاد میشود که بلافاصله به دو اتم کریپتون و باریم (3) کوچکتر و پایدارتر تقسیم میشود. در این فرایند، انرژی گرمایی آزاد میشود و سه نوترون (4) اضافی باقی میماند. نوترونها میتوانند با یک واکنش زنجیرهای بسیار پرانرژی با اتمهای اورانیوم 235 بیشتری (5) واکنش دهند. با برخورد یک نوترون به اورانیوم 235، راکتورهای شکافت دیگر ایجاد میشوند و دو یا چهار نوترون اضافی تولید میکنند. به همین دلیل است که گاهی در کتابها میبینید که شکافت اورانیوم 235 در هر واکنش «دو یا سه» (به طور متوسط 2٫47) نوترون اضافی تولید میکند.
تفاوت نیروگاه هسته ای و بمب هستهای چیست؟
در بمب هستهای، واکنش زنجیرهای کنترل نمیشود و این همان چیزی است که سلاحهای هستهای را بسیار وحشتناک و ویرانگر میکند. کل واکنش زنجیرهای در کسری از ثانیه اتفاق میافتد و یک اتم به دو، چهار، هشت، شانزده و… اتم تقسیم میشود و در یک چشم بر هم زدن مقدار زیادی انرژی آزاد خواهد شد. در نیروگاه هسته ای واکنشهای زنجیرهای بسیار دقیق کنترل میشود تا سرعت نسبتاً آهستهای داشته باشد. بدین ترتیب، انرژی به طور مداوم و طی سالها یا دههها آزاد میشود. هیچ واکنش زنجیرهای افسارگسیخته و کنترلنشدهای در نیروگاه هسته ای وجود ندارد.
نیروگاه هسته ای چگونه کار میکند؟
بسیار خوب، تا حالا دریافتهایم که چگونه از یک اتم انرژی بگیریم، اما انرژی که دریافت میکنیم، چندان مفید نیست، زیرا فقط مقدار زیادی گرما است! چگونه میتوانیم آن را به چیزی بسیار مفیدتر، یعنی برق تبدیل کنیم؟ یک نیروگاه هسته ای تقریباً مانند یک نیروگاه معمولی کار میکند، اما بیشتر از سوختن زغالسنگ، نفت، گاز یا سوختهای دیگر انرژی گرمایی تولید میکند. گرمای تولیدی برای جوشاندن آب برای تولید بخار استفاده میشود که یک یا چند توربین بخار غولپیکر را که به ژنراتورهای مولد برق متصل است، میچرخاند.
نیروگاه هستهای
نحوه کار نیروگاه هسته ای به صورت زیر است:
ابتدا، سوخت اورانیوم در راکتور (یک گنبد غولپیکر بتنی که در صورت منفجر شدن تقویت میشود) بارگیری میشود. در قلب (هسته) راکتور، اتم ها از هم جدا شده و انرژی گرما را آزاد میکنند، در واکنش هستهای با کنترل دقیق، نوترون تولید میکنند و سایر اتمها را نیز میشکنند.
میلههای کنترل ساخته شده از موادی مانند کادمیوم و بور را میتوان در راکتور بالا برد یا پایین آورد تا نوترونها را خیس کرده و واکنش زنجیرهای را کُند یا تُند کند.
آب از طریق راکتور پمپاژ میشود تا انرژی گرمایی حاصل از واکنش زنجیرهای را جمع کند. به طور مداوم در اطراف یک حلقه بسته جریان دارد که راکتور را با یک مبدل حرارتی متصل می کند.
درون مبدل حرارتی، آب راکتور انرژی خود را به آب خنکتری که در یک حلقه بسته دیگر جریان دارد میدهد و آن را به بخار تبدیل میکند. استفاده از دو حلقه آب جدا و مبدل حرارتی کمک میکند تا آب آلوده به رادیواکتیویته در یک مکان دور از تجهیزات نیروگاه باشد.
بخار مبدل حرارتی به یک توربین منتقل میشود. وقتی بخار از کنار پرههای توربین میگذرد، آنها را با سرعت زیادی به حرکت در میآورد.
توربین در حال چرخش به یک ژنراتور برق متصل است و باعث چرخش آن میشود.
ژنراتور برق تولید میکند و برق به شبکه منتقل میشود.
آیا ممکن است نیروگاه هسته ای مانند بمب هستهای منفجر شود؟
نقاشی رنگ روغن زیر اثر «چارلز بتینگر» (Charles Bittinger) و مربوط به انفجار هستهای ناشی از آزمایش هستهای در «آتول بیکینی» (Bikini Atoll) اقیانوس آرام در دهه 1950 است.
بمب اتمی
یکی از دلایل مخالفت بسیاری از مردم با انرژی هستهای این است که فکر میکنند نیروگاه هسته ای مانند بمبهای هستهای است و هر لحظه ممکن است انفجاری رخ دهد و نابودی تمدن بشری را به دنبال داشته باشد. درست است که نیروگاه هسته ای و بمب هستهای هر دو مبتنی بر واکنشهای هستهای هستند که در آن اتمها از هم جدا میشوند، اما این شباهت همینجا به پایان میرسد.
درجههای بسیار متفاوتی از اورانیوم در نیروگاهها و بمبهای هستهای به کار میرود. بمبها به اورانیوم 235 بسیار خالص (غنی شده) نیاز دارند که با حذف آلایندهها از اورانیوم طبیعی ساخته میشود (به ویژه ایزوتوپ دیگر اورانیوم، یعنی اورانیوم 238). تا زمانی که آلایندهها از بین نروند، از بروز واکنش زنجیرهای هستهای جلوگیری میکنند. نیروگاهها، درصورتی که ماده دیگری به نام «کُندساز» (Moderator) به آن اضافه کنند، میتوانند با اورانیوم با خلوص کمتر و بسیار معمولی کار کنند. کندساز، که معمولاً از کربن یا آب ساخته میشود، به طور مؤثر اورانیوم با خلوص کمتر را «تبدیل» میکند، که این امر باعث میشود یک واکنش زنجیرهای اتفاق بیفتد.
اما اگر واکنش در داخل نیروگاه از کنترل خارج شود چه اتفاقی میافتد؟ اگر این اتفاق بیفتد، آنقدر انرژی آزاد میشود که راکتور بیش از حد گرم میشود و حتی ممکن است منفجر شود (البته یک انفجار نسبتاً کوچک و کاملاً معمولی، نه مانند یک بمب هستهای وحشتناک). در چنین شرایطی، کندساز میسوزد یا ذوب میشود، راکتور از بین میرود و واکنش هستهای متوقف میشود. هیچ واکنش زنجیرهای مهارگسیختهای وجود ندارد. بدترین وضعیت «فروگداخت» (Meltdown) نامیده میشود که در آن، راکتور ذوب میشود و یک قطره رادیواکتیو داغ تولید خواهد شد که به عمق زمین فرو میریزد و منابع آبی را آلوده میکند. انفجار عادی همچنین میتواند ابر ماده رادیواکتیو را به سمت آسمان پرتاب کند و باعث آلودگی هوا شود و منطقه وسیع در اطراف خود را آلوده کند.
اختلافات مهم دیگری نیز وجود دارد که از تبدیل نیروگاههای هستهای به بمبهای هستهای جلوگیری میکند. به طور خاص، بمبهای هستهای باید کاملاً دقیق مونتاژ شوند (با نزدیک کردن مواد هستهای به یکدیگر تا واکنش مناسب رخ دهد). این موارد در یک نیروگاه هستهای انجام نمیشود.
نوع متفاوتی از نیروگاه هسته ای وجود دارد که «راکتور زاینده سریع» (Fast-breeder Reactor) نامیده میشود و با روشی متفاوت، در یک فرایندِ خودپایدارساز سوخت پلوتونیوم را تولید میکند. واکنش زنجیرهای این راکتور بسیار نزدیک به آنچه است که در بمب هستهای اتفاق میافتد. به همین دلیل است که یک راکتور زاینده سریع، از نظر تئوری میتواند از کنترل خارج شده و منجر به انفجار هستهای شود.
در روزهای پس از انفجار انرژی هستهای چرنوبیل در اوکراین در سال 1986، ابری از «فروریزه» (Fallout) رادیواکتیو در سراسر اروپا گسترش یافت. تصویر زیر ابر (ناحیه صورتی) را در دو، شش و ده روز پس از حادثه نشان میدهد. توجه به این نکته مهم است که آنچه رخ داد یک انفجار معمولی بود که مواد رادیواکتیو را به هوا پرتاب میکرد و مشابهتی با بمب هستهای نداشت.
کابوس هستهای
مزایا و معایب انرژی هستهای
افراد زیادی هستند که از استفاده از انرژی هستهای حمایت میکنند و حداقل همین تعداد هم مخالف آن هستند. حامیان میگویند این روش تولید برق محیط زیست را کمتر تخریب میکند، زیرا به طور کلی، انتشار گازهای گلخانهای آن نسبت به نسبت به سوختهای دیگری مانند زغالسنگ، نفت و گاز طبیعی کمتر است. اما مخالفان نگران ضایعات خطرناک و طولانیمدت نیروگاههای هستهای و همچنین، ارتباط آن با ساخت بمبهای هستهای و خطر حوادث هستهای فاجعهبار هستند.
طبق گزارش آژانس بینالمللی انرژی اتمی در سال 2020، در حال حاضر 440 راکتور هستهای فعال در 30 کشور جهان وجود دارد که مجموع ظرفیت تولید آنها 389,340 مگاوات (389 گیگاوات) است.
جوانب مثبت انرژی هستهای به شرح زیر است:
یک نیروگاه هسته ای 2 تا 3 گیگاوات برق تولید خواهد کرد که برابر با برق تولیدی یک نیروگاه بزرگ زغالسنگ یا حدود 1000 تا 1500 توربین بادی بزرگ با ظرفیت کاری کامل است. هیچکس منکر این نیست که شکافتن اتم یک روش بسیار مؤثر برای تولید مقدار زیادی انرژی است.
نیروگاههای هستهای نسبت به نیروگاههای سوخت فسیلی (زغالسنگ، نفت و گاز طبیعی) میزان انتشار کربن بسیار کمتری دارند.
آزاد کردن انرژی با شکافتن اتمها بسیار کارآمدتر از «سوزاندن آنها» (آزاد کردن انرژی از طریق واکنش شیمیایی که آن را احتراق مینامیم) است. به همین دلیل نیروگاههای هستهای به مقدار کمی سوخت (در مقایسه با نیروگاههای سوخت فسیلی) نیاز دارند.
نیروگاههای هستهای میتوانند به کاهش وابستگی کشورها به نفت وارداتی کمک کنند. کشورهایی که منابع سوخت فسیلی زیادی ندارند، انرژی هستهای را گزینه جذابی میدانند.
برخی از معایب انرژی هستهای به صورت زیر است:
ضایعات نیروگاههای هستهای سالها به صورت رادیواکتیو باقی میمانند و دفع ایمن آنها دشوار است.
از محصولات جانبی هستهای میتوان برای ساخت بمب استفاده کرد.
نیروگاههای هستهای شکل پایدار یا تجدیدپذیر انرژی نیستند، زیرا آنها به استخراج ذخایر محدود اورانیوم متکی هستند. آنها کربن صفر هم نیستند، زیرا برای استخراج این اورانیوم انرژی زیادی لازم است.
ساخت نیروگاههای هستهای هزینهبر است و سالها به طول میانجامد.
نیروگاههای هستهای میتوانند آلودگی هوا و آلودگی آب را در محدودههای جغرافیایی وسیعی ایجاد کنند.
از آنجا که نیروگاههای هستهای به مقدار زیادی آب خنک کننده نیاز دارند، غالباً در نزدیکی ساحل ساخته میشوند. این خود امری خطرناک برای دریا است.
از رده خارج کردن ایمن نیروگاههای هستهای بسیار هزینهبر است.
نمودار زیر نشان میدهد که نیروگاههای هستهای (بخش نارنجی) حدود 8 درصد از انرژی مورد استفاده در ایالات متحده را تأمین میکنند (منظور همه صورتهای انرژی است، نه فقط برق). سوختهای فسیلی (بخشهای خاکستری) 10 برابر بیشتر انرژی تأمین میکنند. بخشهای بیرونی دادههای سال 2020 (اعداد زرد) را نشان میدهند، در حالی که حلقه داخلی مربوط به دادههای سال 2015 است (اعداد سفید)، بنابراین میتوانید ببینید که تغییر مسیر بسیار آهستهای از زغالسنگ به انرژیهای تجدیدپذیر و هستهای طی شده است.
نمودار میزان انرژی
معرفی فیلم آموزش آشنایی با تکنولوژی نیروگاه های بادی، آبی، بیوماس و امواج
آموزش آشنایی با تکنولوژی نیروگاه های بادی، آبی، بیوماس و امواج
برای آشنایی با نیروگاه آبی پیشنهاد میکنیم به آموزش آشنایی با تکنولوژی نیروگاه های بادی، آبی، بیوماس و امواج مراجعه کنید که توسط فرادس تهیه شده و در مدت ۳ ساعت و ۵۷ دقیقه و در قالب ۸ درس تدوین شده است. در درس یکم این آموزش، وضعیت انرژی باد و مبانی احداث نیروگاه بادی بیان شده است. موضوع درس دوم مشخصهها و فیزیک انرژی باد است و در درس سوم ملاحظات طراحی، کنترل و عملکرد توربین بادی شرح داده شده است. مباحث اقتصادی، سیاستگذاری و زیستمحیطی در درس چهارم بیان شدهاند. در درس پنجم تکنولوژی استحصال انرژی از آب و در درس ششم، انرژی امواج مورد بحث قرار گرفتهاند. در درس هفتم به مبانی بیوماس پرداخته شده است و در نهایت، در درس هشتم، تکنولوژی استحصال انرژی از بیوماس معرفی شده است.
برای مشاهده فیلم آموزش آشنایی با تکنولوژی نیروگاه های بادی، آبی، بیوماس و امواج + اینجا
