انرژی هسته‌ای چیست و چگونه تولید می‌شود: کاربردها و ویژگی‌ها
انرژی هسته‌ای چیست
پرسش: انرژی هسته‌ای چیست؟ انرژی هسته‌ای نوعی انرژی نهفته در هسته اتم‌ها است که در اثر شکافت (fission) یا گداختِ (fusion) هسته اتم آزاد می‌شود. در حال حاضر، همه نیروگاه‌های اتمی دنیا با روش شکافت هسته‌ای کار می‌کنند. گرمای شدیدی که در اثر شکافت هسته‌ای تولید می‌شود، آب درون راکتور را می‌جوشاند و به بخار داغ تبدیل می‌کند و بخار داغ با فشار به پره‌های توربینِ نیروگاه برخورد می‌کند و توربین را می‌چرخاند. ژنراتوری که به توربین متصل است نیز انرژی مکانیکی توربین را به انرژی الکتریکی یعنی به برق تبدیل می‌کند. اما شکافت هسته‌ای چگونه به آزاد شدن انرژی هسته‌ای منجر می‌شود؟
همه مواد از اتم تشکیل شده‌اند. اتم‌ها در هسته خود پروتون و نوترون دارند. بار الکتریکی پروتون‌ها مثبت است و با اینکه طبق قوانین فیزیک، بارهای الکتریکی مشابه باید یکدیگر را دفع کنند، اما نیرویی قوی و مرموز موسوم به نیروی هسته‌ای (nuclear force)، پروتون‌ها را در هسته اتم کنار هم نگه داشته است. این نیرو چنان قوی است که حتی بر نیروی الکتروستاتیک بین پروتون‌ها نیز غلبه می‌کند. ضمنا این نیرو فقط در هسته اتم‌ها وجود دارد فلذا آن‌را نیروی هسته‌ای می‌نامند. اگر بر این نیرو غلبه کنید و پیوند قوی بین پروتون‌های اتم را بشکنید (شکافت هسته‌ای)، انرژی عظیم نهفته در هسته اتم آزاد می‌شود که به‌آن انرژی هسته‌ای (nuclear energy) می‌گوییم.
تصویر ۱. در اثر شکافت هسته‌ای، اتم سنگین و بزرگ اورانیوم-۲۳۵ به اتم عناصر سبکتر و کوچکتری تقسیم و مقداری انرژی به‌علاوه دو یا سه نوترون آزاد می‌شود (تصویرسازی: emadelm.ir)
انرژی هسته‌ای حاصل از گداخت یا همجوشی
عکس قضیه فوق نیز درست است. یعنی اگر هسته دو اتم مجزا به هم پیوند بخورند (گداخت یا همجوشی هسته‌ای)، هسته سنگین‌تری تشکیل می‌دهند و بخشی از جرم اولیه آن‌ها به انرژی هسته‌ای تبدیل می‌شود. اما همانطور که گفتیم، فعلا همه نیروگاه‌های اتمی دنیا با روش اول یعنی با شکافت هسته‌ای انرژی تولید می‌کنند. خورشید و سایر ستاره‌های عالَم با روش دوم یعنی با همجوشی هسته‌ای انرژی و گرما تولید می‌کنند. همجوشی یا گداخت هسته‌ای در مقایسه با شکافت هسته‌ای انرژی بسیار بیشتری تولید می‌کند و تشعشات خطرناک آن نیز بسیار کمتر است، اما برای آغاز همجوشی باید انرژی فراوانی به محیط اعمال کنید و ضمنا همجوشی هسته‌ای گرمای بسیار شدیدی تولید می‌کند. لذا انجام آن بر روی زمین فعلا ممکن نشده است. البته برخی کشورها از جمله چین تحقیق در این‌باره را آغاز کرده و به موفقیت‌های کوچکی هم دست یافته‌اند. در ادامه با جزییات بیشتری توضیح می‌دهیم که انرژی هسته‌ای چیست و چه کاربردی دارد و چگونه تولید می‌شود.
مطلب مرتبط: همجوشی هسته‌ای در خورشید و ستارگان چیست و چگونه انجام می‌شود؟
چرا با شکافت هسته‌ای انرژی هسته‌ای تولید می‌شود؟
وقتی هسته یک اتم سنگین مثل اورانیوم را می‌شکافیم، اتم‌های کوچکتری تولید می‌شوند. اتم‌های کوچکتر برای حفظ پیوند هسته‌شان طبیعتا انرژی کمتری لازم دارند. پس بخش مازادِ انرژی اولیه‌ی آن‌ها به شکل گرما و پرتوهای رادیواکتیو آزاد می‌شود. این انرژی آزادشده همان انرژی هسته‌ای است.
کاربرد انرژی هسته‌ای چیست (انرژی هسته‌ای چه کاربردی دارد)
تولید برق، مهمترین کاربرد انرژی هسته‌ای است. هر نیروگاه برق هسته‌ای تنها با مقدار کمی اورانیوم می‌تواند سال‌ها برق مطمئن و پایدار تولید کند. تولید انرژی هسته‌ای تنها یکی از زیرشاخه‌های فناوری هسته‌ای است. فناوری هسته‌ای مفهوم گسترده‌تری است و کاربردهای پرشماری دارد. شیرین کردن آب دریا، تولید رادیوداروهای مختلف برای درمان بیماری‌های خاص، فیزیک لیزر، اکتشافات فضایی و پژوهش‌های علمی تنها بعضی از کاربردهای فناوری هسته‌ای هستند.
- هر قرص کوچک اورانیومی، به‌اندازه ۱۰۰۰ کیلوگرم زغال سنگ انرژی دارد
- هر قرص اورانیومی تا ۵ سال انرژی گرمایی تولید می‌کند
مطلب مرتبط: تبدیل اورانیوم به سوخت هسته‌ای چه مراحلی دارد و چگونه انجام می‌شود؟
نیروگاه برق هسته‌ای چیست
نیروگاه برق هسته‌ای تاسیساتی است که انرژی هسته‌ای را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند و برای این منظور از روش شکافت هسته‌ای بهره می‌برد. در اثر شکافتن هسته اتم، انرژی عظیم نهفته در هسته، آزاد می‌شود و گرمای شدیدی تولید می‌کند. این گرمای شدید، مخازن آب نیروگاه را داغ می‌کند. در اثر این گرما، آب مایع به بخار بسیار داغی تبدیل می‌شود و این بخار داغ با فشار به پره‌های توربین نیروگاه برخورد می‌کند و توربین را می‌چرخاند. ژنراتوری که به توربین متصل است، انرژی مکانیکی توربین را به انرژی الکتریکی تبدیل و برق تولید می‌کند.
نیروگاه برق هسته‌ای قسمت‌ها و اجزای متعددی دارد اما مهمترین بخش‌های آن‌را می‌توان در ۴ مورد خلاصه کرد:
- سوخت هسته‌ای (معمولا اورانیوم)
- رآکتور هسته‌ای
- توربین‌ها و ژنراتورها
- چگالنده
اورانیوم
اورانیوم-۲۳۵ یا اصطلاحا U-235 رایج‌ترین سوخت نیروگاه‌های برق هسته‌ای است. تنها ۰.۷ درصد اورانیوم موجود در طبیعت از نوع اورانیوم -۲۳۵ است لذا باید با غنی‌سازی اورانیوم، تراکم آن‌را به حدود ۲ تا ۴ درصد افزایش داد. اورانیوم ابتدا به پودر زردنگی موسوم به کیک زرد و سپس به قرص‌های کوچکی موسوم به قرص‌های سوختی تبدیل می‌شود. قطر و ارتفاع هر یک از قرص‌های سوختی تنها حدود ۱ سانتی‌متر است اما همین قرص‌های کوچک انرژی چشمگیری تولید می‌کنند. قرص‌های سوختی را درون لوله‌های آلومینیومی باریک و بلندی جای می‌دهند که به‌آن‌ها میله‌های سوخت می‌گویند. این میله‌های سوختی درون رآکتور جای می‌گیرند.
تصویر ۲. قرص‌های اورانیوم، سوخت رآکتور هسته‌ای محسوب می‌شوند.
درون رآکتور هسته‌ای، اورانیوم-۲۳۵ را با نوترون اصطلاحا بمباران می‌کنند. یعنی نوترون‌ها به قلب اتم‌های اورانیوم شیلک می‌شوند و هسته اتم را می‌شکافند. در اثر این پدیده، بخشی از جرم اتم به انرژی گرمایی تبدیل و همزمان ۲ یا ۳ نوترون از هسته اتم اورانیوم-۲۳۵ آزاد می‌شود. نوترون‌های آزاد نیز متعاقباً اتم‌های اورانیوم دیگر را می‌شکافند و این فرآیند پیوسته تکرار و تکثیر می‌شود. به‌همین سبب این فرآیند را واکنش زنجیره ای شکافت هسته‌ای (chain reactions of nuclear fission) می‌نامند.
رآکتور هسته‌ای
واکنشگر یا راکتور هسته‌ای (nuclear reactor) وسیله‌ای است که انرژی گرمایی حاصل از شکافت هسته‌ای را استخراج می‌کند. بسیاری از راکتورهای فعلی دنیا و برای مثال، تقریبا همه رآکتورهای هسته‌ای امروزی در ژاپن رآکتورهای آب سبک هستند. رآکتور آب سبک گرمای حاصل از شکافت هسته‌ای را به بخار بسیار داغ و پرفشار تبدیل می‌کند و برای خنک کردن و تعدیل مواد جهت کاهش سرعت نوترون‌ها از آب سبک معمولی بهره می‌برد. همانطور که گفتیم بیشتر رآکتورهای فعلی دنیا یا راکتور آب‌فشاری (PWR) و یا راکتور آب جوش (BWR) هستند.
توربین‌ها و ژنراتورها
بخار داغ و پرفشاری که در رآکتور تولید می‌شود، از لوله‌های مخصوصی بیرون می‌دمد و توربین‌های نیروگاه را می‌چرخاند. ژنراتورهای متصل به توربین انرژی مکانیکی حاصل از چرخش توربین را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند.
تصویر ۳. عکسی از توربین‌های واحد دوم نیروگاه برق هسته‌ای کاشیوازاکی-کاریوا در ژاپن
چگالنده
بخار آب پس از آن‌که به توربین برخورد کرد و آن‌را چرخاند، باید مجددا خنک شود تا به آب مایع تغییر حالت دهد. این کار را چگالنده (condenser) انجام می‌دهد. مثلا بعشی چگالنده‌ها حدود ۴۰,۰۰۰ تا ۵۰,۰۰۰ لوله خنک‌ساز دارند که ضخامت هر کدام‌شان حدود ۳ سانتی‌متر است. درون این لوله‌ها آب دریا جریان دارد و این آب هرگز با بخار مخلوط نمی‌شود. ضمنا چگالنده بازده توربین را افزایش می‌دهد زیرا با تبدیل بخار به آب، حجم آن کاهش می‌یابد (مایعات در مقایسه با گازها جای کمتری اشغال می‌کنند). درنتیجه، در لوله‌های بخار فضای بیشتری ایجاد می‌شود تا بخار راحت‌تر جریان یابد.
مطلب مرتبط: چرخه سوخت هسته‌ای چیست و چه مراحلی دارد؟
مزایای انرژی هسته‌ای چیست
در ادامه، خلاصه‌وار توضیح می‌دهیم که انرژی هسته‌ای چه مزایایی دارد:
۱. انرژی هسته‌ای هوا را آلوده نمی‌کند
نیروگاه‌های برق هسته‌ای تقریبا هیچ گاز آلاینده‌ای در هوا منتشر نمی‌کنند. پس اگر به‌جای سوخت‌های فسیلی مثل نفت و زغال سنگ به استفاده از نیروگاه‌های برق هسته‌ای روی بیاوریم، سالانه از انتشار هزاران تن مونو‌اکسیدکربن و دیگر آلاینده‌ها در هوا جلوگیری می‌کنیم.
۲. انرژی هسته‌ای بازده و چگالی بیشتری دارد
یک قرص اورانیومی‌که از گردو نیز کوچکتر است، به‌اندازه ۱۰۰۰ کیلوگرم زغال سنگ یا بیش از ۴۷۰ لیتر نفت، انرژی تولید می‌کند. پس اصطلاحا می‌گوییم سوخت هسته‌ای چگالی انرژی بیشتری دارد و لذا تولید زباله آن نیز کمتر است. بازده انرژی هسته‌ای نیز بیشتر است. بازده انرژی حاصل از شکافت هسته‌ای در مقایسه با انرژی حاصل از سوزاندن سوخت‌های فسیلی حدود ۸۰۰۰ برابر بیشتر است.
۳. نیروگاه برق هسته‌ای زباله کمی تولید می‌کند
همانطور که گفتیم، سوخت هسته‌ای چگالی انرژی بیشتری دارد، و البته زباله و ضایعات اندکی تولید می‌کند. با فناوری‌های امروزی حتی می‌توان زباله‌های هسته‌ای را بازیافت کرد تا دوباره به سوخت تبدیل شوند. برای مثال، روسیه در حال حاضر همین کار را انجام می‌دهد اما آمریکا فعلا زباله‌های هسته‌ای خود را بازیافت نمی‌کند.
۴. نیروگاه‌های برق هسته‌ای فضای کمتری اشغال می‌کنند
یک نیروگاه هسته‌ای ۱۰۰۰ مگاواتی تقریبا ۲.۵ کیلومتر مربع فضا لازم دارد. اما اگر بخواهید با توربین بادی همان مقدار انرژی تولید کنید، ۳۶۰ برابر فضای بیشتری لازم دارید و باید ۴۳۰ توربین بادی بزرگ نصب کنید. تاسیس نیروگاه خورشیدی نیز ۷۵ برابر بیشتر فضا اشغال می‌کند و برای تولید ۱۰۰۰ مگاوات برق خورشیدی باید ۳,۰۰۰,۰۰۰ صفحه خورشیدی نصب کنید.
۵. نیروگاه‌های برق هسته‌ای قوانین و مقررات دقیق و سختیگرانه‌ای دارند
احتمالا هیچ نوع نیروگاهی در دنیا به‌اندازه نیروگاه‌های برق هسته‌ای قوانین سفت و سختی ندارند. مکان تاسیس نیروگاه، ساختمان نیروگاه و تاسیسات و اجزای داخلی آن از جمله رآکتور باید بدقت انتخاب، طراحی و پیاده‌سازی شوند و استانداردهای مربوطه را رعایت کنند. علاوه بر این، وضعیت و عملکرد نیروگاه و میزان تشعشات آن با دقت پایش می‌شود تا حادثه و خطری روی ندهد.
۶. نیروگاه هسته‌ای برق پایدار تولید می‌کند
نیروگاه‌های هسته‌ای و نیز نیروگاه‌های بادی و خورشیدی و حتی سوخت فسیلی هر یک مزایا و ضعف‌هایی دارند. اما یکی از مهمترین مزایای انرژی هسته‌ای پایداری آن است. برای مثال نیروگاه خورشیدی شب‌هنگام نمی‌تواند برق تولید کند. نیروگاه‌های بادی نیز هنگامی که هوا ساکن و آرام است، برق تولید نمی‌کنند. اما نیروگاه برق هسته‌ای با کمی سوخت اورانیومی می‌تواند سال‌ها پیوسته برق تولید کند. به عبارت دیگر، شرایط جوی بر بازده نیروگاه‌های برق هسته‌ای تاثیر نمی‌گذراند.
تصویر ۴. از بالا و از راست به چپ: کیک زرد، سانتریفیوژها، پودر و قرص اورانیوم، و میله‌های سوخت
مطلب مرتبط: توربین بادی چیست و چگونه کار می‌کند؟
آیا انرژی هسته‌ای تجدیدپذیر است؟
اگر منبع تامین انرژی، دائمی باشد، آن‌را تجدیدپذیر (renewable energy) می‌نامیم. مثلا خورشید و باد هر دو منابعی دائمی هستند. با اینکه شب‌ها آفتاب نمی‌تابد و بعضی روزها باد نمی‌وزد اما این دو منبع انرژی برخلاف سوخت‌های فسیلی محدود نیستند و تمام نمی‌شوند، پس انرژی خورشیدی و انرژی باد هر دو تجدیدپذیرند. اما سوخت‌هایی فسیلی مثل نفت و زغال سنگ طی میلیون‌ها سال تشکیل می‌شوند و مقدارشان محدود است، پس تجدیدناپذیرند.
با این تعریف، آیا انرژی هسته‌ای نیز تجدیدپذیر است؟ در این‌باره دیدگاه‌های مختلفی وجود دارد. خود انرژی هسته‌ای تجدیدپذیر است زیرا هر رآکتور تنها با کمی اورانیوم سال‌ها برق تولید می‌کند. بخار داغی که توربین‌های نیروگاه را می‌چرخاند، مدام بازیافت و تجدید می‌شود. اما آیا منبع سوخت هسته‌ای نیز دائمی و تجدیدپذیر است؟
در حال حاضر، سوخت اکثر نیروگاه‌های اتمی اورانیوم است. اورانیوم در طبیعت فراوان است اما حجم معادن اورانیوم محدود است و از این نظر، منبعی تجدیدناپذیر محسوب می‌شود. اما علاوه بر معادن، آب دریا نیز اورانیوم دارد و دریا منبعی دائمی و تجدیدپذیر است. پس درصورت استخراج اورانیوم از آب دریاها، اورانیوم را نیز می‌توان منبعی تجدیدپذیر به شمار آورد.
در هر لیتر از آب دریا فقط ۳.۳ میکروگرم اورانیوم وجود دارد. اما دریاها و اقیانوس‌ها بسیار پهناورند و اگر همان عدد کم (۳.۳ میکروگرم) را در حجم اقیانوس‌ها ضرب کنیم، به عدد چشمگیری می‌رسیم. برای مثال، از هر یک میلیارد کیلومتر مکعب آب اقیانوس‌ها می‌توانیم ۴.۵ میلیارد تن اورانیوم استخراج کنیم. اورانیومی که از معادن زمین استخراج می‌شود برای همیشه می‌سوزد و از بین می‌رود. اما اورانیومی که از دریا استخراج می‌شود، تجدیدپذیر است.
چرا اورانیوم موجود در آب دریا تجدیدپذیر است؟
سنگ‌های زمین و آب دریاها پیوسته و به‌روش‌های مختلف با هم در ارتباطند و واکنش‌های شیمیایی مستمری دارند. بخشی از سنگ‌ها و صخره‌های زمین مستقیما به دریا نشت می‌کنند و گاهی نیز عوامل آب‌وهوایی (مثلا باد)، خاک‌ها و سنگریزه‌های معدنی را در پهنه زمین جابه‌جا می‌کنند و آن‌ها را به اقیانوس می‌ریزند. بدین ترتیب، اورانیوم و دیگر عناصر موجود در دریاها پیوسته بازسازی می‌شوند. و چون ظرفیت بازسازی و تجدید اورانیوم در دریا بیش از ظرفیت استخراج آن است، اورانیوم دریا منبعی تجدیدپذیر خواهدبود. البته در حال حاضر، استخراج اورانیوم از دریا کار پرهزینه‌ای است. برخی کشورها و به‌ویژه ژاپن از دهه ۱۹۶۰ میلادی درباره روش‌های استخراج اورانیوم از آب دریا تحقیق می‌کنند.
مطلب مرتبط: موتور الکتریکی چیست و چگونه کار می‌کند: انواع و اجزای موتورهای الکتریکی
آیا انرژی هسته‌ای پایدار است؟
اگر منبع تامین انرژی برای تامین نیازهای طولانی‌مدت انسان در آینده کافی باشد و میزان مصرف نسل فعلی طوری باشد، که نسل‌های آتی را به خطر نیاندازد، آن نوع انرژی را انرژی پایدار (sustainable energy) می‌نامیم. پس مثلا نفت سوخت پایدار نیست زیرا طبق برآوردهای فعلی، منابع نفت دنیا تا چند دهه بعد تمام می‌شوند. اما باد، آفتاب و حتی سوخت هسته‌ای منابع پایداری هستند چون ذخایر آن‌ها بیش از نیازهای نسل فعلی است.
آیا انرژی هسته‌ای، پاک است؟
هر سوختی که ضایعات آن برای هوا بی‌خطر باشد، نوعی سوخت پاک و انرژی حاصل از این سوخت نیز انرژی پاک (clean energy) است. با توجه به‌این تعریف، توربین‌های بادی بهترین نمونه‌های تولید انرژی پاک محسوب می‌شوند. انرژی هسته‌ای نیز چون آلاینده‌های کربنی و گازهای گلخانه‌ای تولید نمی‌کند، نوعی انرژی پاک به‌شمار می‌آید. اما ضایعات هسته‌ای رادیواکتیو هستند و برای سلامت انسان مضرند.
ماخذ:
- تارنمای شرکت‌‌های اقماری برق توکیو (tepco.co.jp)
- وبگاه کانزِرو-انرژی-فیوچر (conserve-energy-future)
- وبگاه فورو-نوکلیر (foronuclear)
- تارنمای شرکت روس‌اتم برون‌مرزی (rusatom-overseaes.com)
عنوان: انرژی هسته‌ای چیست و چگونه تولید می‌شود: کاربردها و ویژگی‌ها
موضوع: انرژی هسته‌ای چیست؟ انرژی هسته‌ای چگونه تولید می‌شود؟ کاربرد انرژی هسته‌ای چیست؟ ویژگی‌های انرژی هسته ای چیست؟ مزایای انرژی هسته‌ای چیست