نیروگاه هسته‌یی چیست؟
از فاجعه نیروگاه قدیمی چرنوبیل تا حادثه نیروگاه پیشرفته فوکوشیما. آیا نیروگاههای اتمی قابل اتکا هستند؟
برای پاسخ به این سؤال با تاریخچه نیروگاههای اتمی، مکانیزم‌ها، جوانب اقتصادی، عوارض زیست محیطی و عواقب استفاده از این انرژی آشنا می‌شویم.
نخستین لامپهایی که توسط انرژی هسته‌یی روشن شدند
برای پاسخ به این سؤال با تاریخچه نیروگاههای اتمی، مکانیزم‌ها، جوانب اقتصادی، عوارض زیست محیطی و عواقب استفاده از این انرژی آشنا می‌شویم.
نیروگاه هسته‌یی چیست؟
نیروگاه هسته‌یی به تأسیساتی صنعتی و به نیروگاهی گفته میشود که بر پایه فناوری هسته‌یی و با کنترل فرایند شکافت هسته‌ای، از گرمای ناشی از آن اقدام به تولید انرژی الکتریکی می‌کند. پس از جنگ جهانی دوم و استفاده نظامی از انرژی هسته‌ای، جامعه جهانی به استفاده صلح‌آمیز از این انرژی فراخوان داد.نخستین لامپهایی که توسط انرژی هسته‌یی روشن شدند
در بیستم دسامبر 1951 در آزمایشگاه ای.بی.آر یک EBR1 در ایالت آیداهوی آمریکا برای نخستین بار از انرژی هسته‌یی توانی برابر با 100 کیلو وات برق تولید شد.
از آن پس تلاش دانشمندان برای کنترل و مهار این انرژی به‌منظور استفاده صلح‌آمیز از آن بیشتر و بیشتر شد.
سرانجام در ۲۷ ژوئن ۱۹۵۴ نخستین نیروگاه هسته‌یی جهان که به شبکه برق متصل شد در اتحاد جماهیر شوروی به بهره‌برداری رسید. این نیروگاه توانی حدود ۵ مگاوات تولید می‌کرد. در 17اکتبر ۱۹۵۶اولین نیروگاه تجاری هسته‌یی جهان در انگلستان توانی حدود ۵۰ مگاوات را به شبکه سراسری افزود.
نیروی دریایی آمریکا یکی از ارگانهایی بود که برای نخستین بار شروع به توسعه دانش هسته‌یی کرد. این نیرو در نظر داشت از انرژی هسته‌یی به‌عنوان سوخت زیردریاییها و ناوهای هواپیمابر استفاده کند. سر انجام نخستین زیردریایی اتمی جهان با نام ناتیلوس (Nautilus) در دسامبر ۱۹۵۴ به آب انداخته شد.
با راه‌اندازی نخستین نیروگاههای هسته‌ای، بهره‌برداری از این نیروگاهها شتاب گرفت به‌طوری که استفاده از برق هسته‌یی از کمتر از ۱ گیگا وات 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 هسته‌یی به‌شدت کاسته شد و به این ترتیب به حدود ۳۶۶ گیگاوات در سال ۲۰۰۵ رسید. بیشترین گسترش پس از دهه ۱۹۸۰ مربوط به جمهوری خلق چین است.
در طول دهه‌های ۱۹۷۰ و ۱۹۸۰ کاهش قیمت سوختهای فسیلی و افزایش قیمت ساخت نیروگاه هسته‌یی از تمایل دولتها برای ساخت نیروگاه هسته‌یی به‌شدت کاست. البته بحران سوخت ۱۹۷۳ سبب شد تا کشورهایی مانند فرانسه و ژاپن که از منابع نفت زیادی برخوردار نیستند به فکر ساخت نیروگاههای هسته‌یی بیشتری بیفتند به‌طوری که این دو کشور به ترتیب ۸۰٪ و ۳۰٪ از انرژی الکتریکی خود را از این منابع تأمین میکنند.
در سی سال انتهایی قرن بیستم ترس از رخدادهای خطرناک هسته‌یی مانند فاجعه چرنوبیل در ۱۹۸۶، مشکلات مربوط به دفع زباله‌های هسته‌ای، بیماریهای ناشی از تشعشع هسته‌یی باعث به وجود آمدن جنبش‌هایی برای مقابله با توسعه نیروگاههای هسته‌یی شد و این خود از دلایل کاهش توسعه نیروگاههای هسته‌یی در بسیاری از کشورها بود.
بنا به گزارش سازمان جهانی انرژی اتمی در شانزدهم ژانویه 2013 چهارصد و سی و نه نیروگاه هسته‌یی در 31 کشور جهان در حال کار است.
اورانیوم چیست؟
اورانیوم فلزی است نقره فام، سخت، با چگالی بالا، چکش خور، هادی و پرتوزا. علامت اورانیوم در جدول تناوبی U میباشد ، وزن اتمی اورانیوم 30/823بوده و دارای 92 الکترون در مدارهای هسته خود است. میزان اورانیوم موجود در پوسته زمین نسبتاً زیاد است به‌طوری که با منابع فلزاتی همچون قلع و ژرمانیوم برابری می‌کند و تقریباً 40 برابر میزان نقره موجود در پوسته زمین یافت میشود. اورانیوم ماده تشکیل دهنده بسیاری از اجسام اطراف ما مانند سنگ‌ها و خاک است.اورانیوم طبیعی به‌صورت مخلوطی از ایزوتوپهای مختلف اورانیوم است. اورانیوم 238، نود و نه (99) درصد آن را تشکیل می‌دهد. یک درصد باقیمانده را اورانیوم 235 و 234 تشکیل می‌دهند. برای اورانیوم 16 ایزوتوپ دیگر نیز شناسایی شده است
مکانیزم تولید برق توسط نیروگاه اتمی چگونه است؟
مکانیزم تولید برق در نیروگاه هسته‌یی مشابه مکانیزم تولید برق در نیروگاههای سوخت فسیلی است. همگی چرخه‌ای برای تولید بخار آب برای گردش توربین و مولد دارند. در اغلب نیروگاههای تولید برق سوختهایی مانند زغال سنگ، اتم یا گاز طبیعی به‌عنوان نوعی انرژی برای ایجاد حرارت و تبدیل آب به بخار استفاده میشود. این بخار، توربینی را می‌چرخاند که با مولد برق هم محور است. در نهایت در مولد برق تولید شده به شبکه انتقال نیرو منتقل میشود. با این‌که طرح کلی یکی است اما تفاوتی عمده‌ای بین نیروگاه هسته‌یی با دیگر نیروگاهها وجود دارد. نیروگاههای سوخت فسیلی از نفت، زغال‌سنگ یا گاز طبیعی برای ایجاد حرارت لازم برای تولید بخار بهره می‌برند. اما در نیروگاههای اتمی یک واکنش زنجیره‌یی اتمی است که حرارت لازم را تولید می‌کند. این عمل در راکتور انجام میشود. راکتورها ساختمان پیچیده و مکانیزمهای خاص خودشان را دارند. اصلی‌ترین کنش واکنش هسته‌یی در قلب رآکتور انجام میشود. در قلب رآکتور میله‌های سوخت قرار دارد. میله‌های فلزی دارای صفحات غنی شده اورانیوم میله‌های سوخت نامیده شده و به‌صورت گروهی بسته سوخت را تشکیل می‌دهند. هر گروه در محفظه خود قرار میگیرد. محفظه‌ای آب‌کش شکل که قلب راکتور است. آب سبک یا سنگین از میان محفظه‌های سوخت اتمی عبور می‌کند. به‌طور عام دو نوع نیروگاه اتمی وجود دارد. نیروگاه آب جوش و نیروگاه آب زیر فشار. در نیروگاه آب جوش گرمای ناشی از شکافت هسته اتم باعث جوشیدن آب و تبدیل آن به بخار میشود بعد از این‌که بخار توربین را به چرخش درآورد از حالت گازی خارج شده و به شکل مایع در می‌آید.در نیروگاه آب زیر فشار، چرخه اضافه‌تری وجود دارد. آب موجود در مخزن زیر فشار قرار میگیرد، بنابراین نقطه جوش آن دیگر صد درجه نیست بلکه بالاتر است. در این نوع نیروگاه آب تحت فشار با حرارت بسیار بالایی که در راکتور پیدا کرده از میان هزاران لوله کوچک دیگر عبور کرده و آب داخل آن را به بخار تبدیل می‌کند. بدین ترتیب بخار لازم برای چرخاندن توربین و مولد تولید میشود. آب تحت فشار پس از تبادل حرارتی دوباره به مخزن پمپ میشود و در همین چرخه به‌کار خود ادامه می‌دهد. بخار آب نیز دوباره به آب تبدیل شده و دوباره مورد استفاده قرار میگیرد. در نیروگاههای هسته‌یی برای مهار افزایش ناخواسته حرارت، میله‌ها کنترلی به‌کار گرفته میشود. این میله ها معمولاً از کادمیوم cadmium که جاذب نوترون است ساخته می‌شوند، برای پایین آوردن سرعت زنجیره شکافت هسته‌یی این میله ها را وارد گروه میله‌های سوخت میکنند و برای بالابردن حرارت میله‌های کنترلی را از گروه میله‌های سوخت بیرون میکشند. در صورت وارد کردن کامل میله‌های کنترلی راکتور خاموش و زنجیره شکافت هسته‌یی متوقف میشود.
یک بسته سوخت اتمی انرژی‌یی برابر با 2000 بشکه نفت آزاد میکنند و به عبارت دیگر می‌تواند برق مورد نیاز یک خانه را برای 100سال تأمین کند.
زنجیره شکافت هسته‌یی چیست؟
دانشمندان دریافتند که با بمباران نوترونی، هسته اورانیوم شکافته شده و از شکافت این هسته، انرژی قابل توجهی آزاد میشود. محصول دیگر این شکافت نوترونهای بیشتر برای ادامه این کنش واکنش است. در نتیجه نوترونهای آزاد شده، خود باعث شکافتهای دیگری می‌شوند. به همین دلیل این روند، زنجیره شکافت هسته‌یی نامیده میشود. برای کنترل فرآیند زنجیره شکافت هسته‌یی باید مطمئن شد که همیشه مقدار نوترونها ثابت باشند. به این منظور در نیروگاههای هسته‌یی اورانیومی با غلظت کمتر از 5% استفاده میشود. اگر حجم ماده شکافت پذیر کمتر از حد لازم باشد، عمل زنجیره شکافت هسته‌یی انجام نخواهد شد. کمترین مقدار ضروری برای شروع زنجیره شکافت هسته‌ای، حجم بحرانی نامیده میشود. به‌دلیل درصد پایین غلظت اورانیوم در میله‌های سوخت، هیچ‌گاه فرایند زنجیره‌یی موجب انفجار هسته‌یی در یک رآکتور نخواهد شد. اغلب حوادث نیروگاهها یا مراکز هسته‌یی مانند حادثه چرنوبیل ناشی از انفجار هیدروژنی است.رآکتورهای موجود در زیردریایی‌های هسته‌یی و کشتی‌های بزرگ مانند ناوهای هواپیمابر یا کشتی‌ها یخ شکن معمولاً از اورانیوم با درصد غنی‌سازی بالاتری 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 به‌ویژه برای کشتی‌های نظامی بسیار پر اهمیت است.
چرخه سوخت هسته‌یی چیست؟
شکافت هسته‌یی صورت گرفته در یک رآکتور تنها بخشی از یک چرخه هسته‌یی 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 به‌عنوان سوخت رآکتورها مورد استفاده قرار میگیرد تبدیل می‌گردد. در این مرحله درجه غنی‌سازی اورانیوم یعنی درصد اورانیوم-۲۳۵ در حدود ۰٫۷٪ هفت دهم درصد است. در صورت نیاز بسته به نوع سوخت نیروگاه، اورانیوم غنی شده و از آن برای تولید میله‌های سوخت مورد نیاز نیروگاه استفاده میکنند. عمر هر میله سوخت تقریباً سه سال است به‌طوری که حدود ۳ درصد از اورانیوم موجود در آن مصرف میشود. پس از گذشت عمر اورانیوم، آن را به حوضچه سوخت مصرف شده می‌برند. اورانیوم باید دست‌کم ۵ سال در این حوضچه‌ها باقی بماند تا ایزوتوپهای به وجود آمده در اثر شکافت هسته‌یی از آن جدا شوند. پس از گذشت این زمان اورانیوم را در بشکه‌های خشک با غلاف هایی از مس انبار میکنند و یا این‌که دوباره آن را به چرخه سوخت باز می‌گردانند. برخی کشورها با ایجاد شبکه‌یی از تونل‌ها در عمق چند صد متری زمین انباری برای زباله‌های هسته‌یی ایجاد کرده‌اند.راکتور آب سبک چگونه کار می‌کند؟
راکتور آب سبک از میله سوخت اورانیوم235 استفاده می‌کند. اورانیوم 235تنها ۰.۷درصد اورانیوم طبیعی را تشکیل می‌دهد. اورانیوم 235 با مکانیزم همجوشی از اورانیوم 238 جدا میشود به این منظور از گاز هگزا فلوراید اورانیوم استفاده میشود. چرا که اورانیوم 235 که ایزوتوپ سبکتری نسبت به اورانیوم 238 است، زودتر فرآیند همجوشی را انجام می‌دهد. کارکرد آب سبک یا به عبارتی آب معمولی در راکتور، کنترل و پایین آوردن سرعت نوترون‌هاست. سرعت پایین‌تر نوترونها، برای کنش واکنش شکافت هسته‌یی مناسب‌تر است. در نیروگاههای آب سبک با بالا رفتن حرارت آب، غلظت آن نیز کاسته شده، به این ترتیب سرعت نوترونها افزایش می‌یابد، در نتیجه زنجیره شکافت هسته‌یی کند میشود.نیروگاه آب سنگین چیست؟
در نیروگاه آب سنگین از میله سوخت اورانیوم 238که حدود ۹۹٫۳ درصد از اورانیوم معدنی را تشکیل می‌دهد استفاده میشود. در راکتور این نیروگاه، اورانیوم 238 با بمباران نوترونی به پلوتونیوم 239 تبدیل میشود. در این فرآیند انرژی بسیار زیادی آزاد میشود. این همان انرژی است که برای تبدیل آب به بخار آب استفاده میشود. از پلوتونیوم به‌دست آمده نیز می‌توان در دیگر رآکتورها استفاده کرد. همچنین این پلوتونیوم می‌تواند در سلاح اتمی به‌کار رود. طبق برآورد انجام شده با مصرف کنونی نیروگاههای جهان اورانیوم-۲۳۸ می‌تواند برای ۵ میلیون سال انرژی مورد نیاز این نیروگاهها را تأمین کند.آب سنگین در این نیروگاهها برای کند کردن و کنترل سرعت نوترونها استفاده میشود. در هر 7000لیتر آب، یک لیتر از آن آب سنگین است. آب سنگین 10درصد از آب معمولی سنگینتر است چرا که این آب از ایزوتوپهای سنگین‌تری از هیدروژن به نام دوتریوم deuterium ساخته شده است.
آیا نیروگاه هسته‌یی برای ایران مقرون به صرفه است؟
یکی از مسائل نیروگاه هسته‌یی 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 هسته‌یی و انبارهای هسته‌یی برای دفن ضایعات هسته‌یی است.با توجه به این هزینه‌ها، تولید برق با استفاده از تکنولوژی هسته‌یی به‌ویژه برای کشورهایی مانند ایران که سرشار از منابع نفت و گاز طبیعی هستند مقرون به صرفه نیست.
عوارض جانبی نیروگاههای هسته‌یی چیست؟
انفجار نیروگاه هسته‌یی محوطه‌ای به شعاع ۲۰ کیلومتر را به‌شدت آلوده کرده و هیچ موجود زنده‌ای را در آن باقی نمی‌گذارد. همچنین بر اثر تشعشعات آن، تخریب ژنتیکی تا ۱۰ نسل در محوطه بزرگتری حدود شعاع ۴۰ کیلومتر باقی می‌گذارد. حتی اگر حادثه‌ای رخ ندهد، یافتن راهی ارزان و ایمن برای انبار کردن زباله‌های هسته‌یی چالشی پر اهمیت در زمینه چرخه سوخت هسته‌یی است چرا که این ضایعات تا ۱۰٬۰۰۰ سال نیز تشعشعات خطرناک دارند. به همین دلیل مهمترین مسأله‌ای که مخالفان انرژی هسته‌یی بیان میکنند امنیت محیط زیست نیروگاه هسته‌یی است. فعالیت هسته‌یی می‌تواند آلایش شدید زیست محیطی از خود باقی گذارد، همچنین اشتباه، نقص فنی یا عوامل طبیعی مانند سونامی می‌تواند به فجایعی مانند فاجعه چرنوبیل و فوکوشیما منجر شود.از دیگر چالشهای انرژی هسته‌یی زباله‌های آن است. این زباله‌ها برای یک دوره چند ساله در حوضچه‌های مخصوص نگهداری می‌شوند. سپس در بشکه‌های مخصوص که دارای پوشش فولادی است نگهداری می‌شوند. برخی کشورها زباله‌های اتمی خود را در دریا می‌ریزند و برخی دیگر در انبارهایی در سطح زمین، نگهداری میکنند. برخی کشورها نیز زباله‌های اتمی را در تونلهای زیر زمین جای می‌دهند. در همه این موارد گزارشهایی در رابطه با نشت مواد رادیو اکتیو به محیط زیست منتشر شده است. گزارشهایی که این سؤال را در افکار عمومی ایجاد کرده است. آیا انرژی هسته‌یی با تمام ضایعاتی که دارد مقرون به صرفه است.
تا کنون چه حوادث هسته‌یی رخ داده است؟
1961 – سانحه زیردریایی اتمی k-19 شوروی. 1979 سانحه هسته‌یی در منطقه تری مایل آیلند آمریکا.1985- سانحه زیردریایی اتمی k-431 شوروی.
1986 انفجار نیروگاه هسته‌یی چرنوبیل در شوروی
2011 حادثه انفجار نیروگاه هسته‌یی فوکوشیما
برنامه اتمی در ایران چه زمانی آغاز شد و اکنون در چه نقطه‌ای است؟
برنامه هسته‌یی ایران در دهه 1350 با کمک آمریکا به‌عنوان بخشی از برنامه «اتم برای صلح» آغاز شد. اما به‌دلیل مناقشات به وجود آمده بعد از انقلاب مشکلاتی در زمینه بهره‌برداری آن رخ دارد. در جنگ ضدمیهنی نیروگاه بوشهر شش بار بمباران شد. این نیروگاه بعد از بیرون کشیدن آلمان، توسط روسها ادامه پیدا کرد. نیروگاه بوشهر از نوع نیروگاه اتمی چرنوبیل میباشد. روسها تا جایی که توانستند با استفاده از این نیروگاه، رژیم آخوندی را چاپیدند و میلیاردها دلار به جیب زدند.مقامهای وزارت نیروی رژیم اعتراف کردند: تأخیر ۱۲ ساله روسها در تکمیل رآکتور اتمی بوشهر، ۲۴ میلیارد دلار ضرر وارد کرده است.
هزینه تکمیل رآکتور اتمی بوشهر در قرارداد اولیه با شرکت روسی قرار بود ۸۰۰ میلیون تا یک میلیارد و ۲۰۰ میلیون دلار باشد.
اما کارشناسان هزینه واقعی را چند برابر برآورد میکنند. مقامهای رژیم در این باره سکوت میکنند و مخارج این پروژه را ”محرمانه“ می‌خوانند. معلوم نیست چه چیزی را می‌خواهند پنهان کنند.
وزیر نیروی دولت آخوند روحانی هزینه تکمیل این رآکتور را تلویحاً ۵ میلیارد دلار ذکر کرده است.
بر اساس داده‌های وزارت نیرو، میزان مصرف سوخت در نیروگاههای ایران در سال ۹۱ معادل ۴۰۰ میلیون بشکه نفت خام بوده است. اگر بهای متوسط هر بشکه نفت را در بازار جهانی ۱۰۰ دلار حساب کنیم ارزش این سوخت ۴۰ میلیارد دلار میشود. در نتیجه تکمیل چنین نیروگاهی آن هم برای تأمین این میزان برق مطلقاً مقرون به صرفه نیست.
علاوه بر این رژیم ایران نه تنها برای تکمیل و راه‌اندازی نیروگاه بوشهر وابسته به روسیه است، مطابق قرارداد دست‌کم تا ده سال نیز سوخت آن را از این کشور تحویل میگیرد.
سایر مشکلات این نیروگاه از جمله قرار گرفتن آن بر روی گسل زلزله و چشم‌انداز فاجعه اتمی را هم باید به این مشکلات افزود.
