برخی، انرژی هستهای را به عنوان یک جایگزین انرژی پاکیزه میدانند که ما را از بند وابستگی به سوختهای فسیلی رها میکند. برای برخی دیگر، این انرژی تداعیگر تصاویری از فاجعه است: نیروگاههای ژاپنی که بر اثر زلزله شکسته شده و بخار رادیواکتیو از آنها متصاعد میشود، و منطقه ممنوعه اطراف تابوت بتنی نیروگاه شهر چرنوبیل (Chernobyl).
اما چه اتفاقی در داخل یک نیروگاه هستهای رخ میدهد که چنین شگفتی و مصیبتی را به وجود میآورد؟ تصور کنید که یک ولت برق را از پریز دیوار، کیلومترها از طریق خطوط برق، تا راکتور هستهای که آن را تولید کرده است، دنبال میکنید. با ژنراتوری که جرقه را تولید میکند و توربینی که آن را میچرخاند، مواجه خواهید شد. سپس، به جریانی از بخار میرسید که توربین را میچرخاند و در نهایت، بستههای اورانیوم رادیواکتیو که آب را به بخار تبدیل میکنند. به قلب راکتور هستهای (Nuclear reactor) خوش آمدید.
آب داخل راکتور به عنوان خنککننده برای مواد رادیواکتیو نیز عمل میکند و از گرم شدن بیش از حد و ذوب شدن آنها جلوگیری میکند. در مارس 2011، بینندگان تلویزیونی در سراسر جهان آموختند که وقتی سیستم خنککننده دچار یک نقص فاجعهبار میشود، چه اتفاقی میافتد. شهروندان ژاپنی دهها هزار نفر از منطقه اطراف تأسیسات هستهای فوکوشیما-دایچی (Fukushima-Daiichi) پس از قدرتمندترین زلزله ثبت شده و سونامی متعاقب آن که خسارات جدی به نیروگاه و چندین واحد راکتور آن وارد کرد، گریختند. از جمله رویدادهای دیگر، آب از قلب راکتور تخلیه شد که به نوبه خود کنترل دما را غیرممکن کرد. این امر منجر به گرم شدن بیش از حد و ذوب جزئی هستهای شد )منبع: (NPR.
بر اساس گزارش انجمن جهانی هستهای، تا آوریل 2018، حدود 450 راکتور هستهای در 50 کشور در حال بهرهبرداری هستند و حدود 11 درصد از برق جهان را تأمین میکنند. در ایالات متحده به تنهایی، 99 راکتور در 61 نیروگاه هستهای تجاری در حال بهرهبرداری در 30 ایالت ایالات متحده وجود دارد، از جمله واحد 2 واتس بار منطقه تنسی (Tennessee’s Watts Bar Unit 2)، یک راکتور با ظرفیت 1150 مگاوات که بهرهبرداری تجاری خود را در اکتبر 2016 آغاز کرد [منبع: EIA].
انرژی هستهای 20 درصد از نیازهای برق ایالات متحده را تأمین میکند، که کمتر از 31.7 درصد تولید شده توسط گاز طبیعی و 30.1 درصد تولید شده توسط زغال سنگ است، و فقط کمی بیشتر از 17.1 درصد تولید شده توسط انرژیهای تجدیدپذیر مانند برق آبی، بادی و خورشیدی است )منبع: EIA). اما برخی از کشورها به طور جدیتری به اتم وابسته هستند. به عنوان مثال،، بر اساس گزارشی از آوریل 2018، فرانسه 72 درصد از برق خود را از نیروگاههای هستهای و سوئد حدود 40 درصد از آن را از این نیروگاهها دریافت میکند (منبع: World-Nuclear.org).
شکافت هستهای: قلب راکتور
با وجود تمام انرژی کیهانی که واژه “هستهای” تداعی میکند، نیروگاههایی که به انرژی اتمی متکی هستند، عملکردی چندان متفاوت از یک نیروگاه معمولی زغالسوز ندارند. هر دو نوع نیروگاه، آب را به بخار تحت فشار تبدیل میکنند که توربین ژنراتور را به حرکت درمیآورد. تفاوت اصلی بین این دو نیروگاه، روش گرم کردن آب است (منبع: Mnsu.edu).
در حالی که نیروگاههای زغالسوز سوختهای فسیلی را میسوزانند، نیروگاههای هستهای به گرمایی متکی هستند که در طول شکافت هستهای رخ میدهد: زمانی که یک اتم به دو اتم تقسیم میشود و انرژی آزاد میکند. شکافت هستهای (Nuclear fission) به طور طبیعی هر روز رخ میدهد. به عنوان مثال، اورانیوم (Uranium) دائماً با سرعت بسیار کند دچار شکافت خود به خودی (spontaneous fission) میشود. به همین دلیل است که این عنصر، تشعشع ساطع میکند و به همین دلیل، گزینهای طبیعی برای شکافت القایی (Induced fission) است که نیروگاههای هستهای به آن نیاز دارند (منبع: World-nuclear.org).
اورانیوم یک عنصر رایج روی زمین است و از زمان تشکیل سیاره وجود داشته است. در حالی که انواع مختلفی از اورانیوم وجود دارد، اورانیوم-235 (U-235) مهمترین نوع برای تولید هم انرژی هستهای و هم بمبهای هستهای است.
U-235 به طور طبیعی از طریق تابش آلفا، واپاشی میشود: یک ذره آلفا، یا دو نوترون و دو پروتون متصل به هم را پرتاب میکند. همچنین یکی از معدود عناصری است که میتواند تحت شکافت القایی قرار گیرد. اگر یک نوترون آزاد را به هسته U-235 شلیک کنید، هسته نوترون را جذب میکند، ناپایدار میشود و بلافاصله تقسیم میشود.
واپاشی یک اتم U-235 منفرد تقریباً MeV 200 (میلیون الکترون ولت) انرژی آزاد میکند. ممکن است مقدار زیادی به نظر نرسد، اما اتمهای اورانیوم زیادی در یک پوند اورانیوم (0.45 کیلوگرم) وجود دارد (منبع: World-nuclear.org).
شکافتن یک اتم، گرما و تابش گاما (Gamma radiation)، یا تشعشعی که از فوتونهای پرانرژی ساخته شده است، آزاد میکند. دو اتمی که از شکافت حاصل میشوند نیز بعداً تابش بتا (Beta radiation) (الکترونهای فوق سریع) و تابش گاما خود را آزاد میکنند (منبع: World-nuclear.org).
اما برای اینکه همه اینها کارساز باشد، دانشمندان ابتدا باید نمونهای از اورانیوم را غنی کنند تا حاوی 2 تا 3 درصد U-235 بیشتری باشد (منبع: World-nuclear.org). سه درصد غنیسازی برای نیروگاههای هستهای کافی است، اما اورانیوم با درجه تسلیحاتی از حداقل 90 درصد U-235 تشکیل شده است. فرآیند غنیسازی اورانیوم از طریق یک سانتریفیوژ (Centrifuge) پس از ایجاد گاز از اورانیوم انجام میشود. نیروی سانتریفیوژ (گریز از مرکز)، اتمهای U-235 را از اتمهای U-238 جدا میکند. در ابتدا، تنها افزایش جزئی در غلظت اتمهای U-235 وجود دارد، بنابراین این فرآیند باید چندین بار در سانتریفیوژ تکرار شود تا غنیسازی افزایش یابد. ساخت اورانیوم با درجه تسلیحاتی بسیار دشوار و پرهزینه است، که یکی از دلایلی است که تعداد کمی از کشورها دارای سلاح هستهای هستند. اما این موانع غیرقابل عبور نیستند (منبع: Zielinski).
پلوتونیوم چطور؟
اورانیوم-235 تنها سوخت ممکن برای یک نیروگاه نیست. ماده شکافتنی دیگری به نام پلوتونیوم-239(Plutonium-239) با بمباران U-238 با نوترونها ایجاد میشود (منبع: World-nuclear.org).
درون یک نیروگاه هستهای
برای تبدیل شکافت هستهای به انرژی الکتریکی، اپراتورهای نیروگاه هستهای باید انرژی ساطع شده از اورانیوم غنیشده را کنترل کرده و به آن اجازه دهند تا آب را به بخار تبدیل کند. سپس این بخار توربینها را به حرکت درآورده و برق تولید میکند (منبع: NEI).
اورانیوم غنیشده معمولاً به شکل قرصهایی به طول ۱ اینچ (۲٫۵ سانتیمتر) در میآید که هر کدام تقریباً به قطر یک سکه ده سنتی هستند. سپس، این قرصها در میلههای بلندی چیده میشوند و میلهها در کنار هم در دستههایی جمع میشوند. این دستهها در داخل یک مخزن تحت فشار در آب غوطهور میشوند. آب به عنوان خنککننده عمل میکند. اگر اورانیوم به حال خود رها شود، در نهایت بیش از حد گرم شده و ذوب میشود.
برای جلوگیری از گرم شدن بیش از حد، میلههای کنترل، ساختهشده از مادهای که نوترونها را جذب میکند، با استفاده از مکانیزمی که میتواند آنها را بالا یا پایین ببرد، وارد دسته اورانیوم میشوند. بالا و پایین بردن میلههای کنترل به اپراتورها اجازه میدهد تا سرعت واکنش هستهای را کنترل کنند. وقتی اپراتور میخواهد هسته اورانیوم گرمای بیشتری تولید کند، میلههای کنترل از دسته اورانیوم خارج میشوند (در نتیجه نوترونهای کمتری را جذب میکنند). برای کاهش گرما، آنها به داخل دسته اورانیوم وارد میشوند. همچنین میتوان میلهها را به طور کامل به داخل دسته اورانیوم وارد کرد تا در صورت وقوع حادثه یا برای تعویض سوخت، راکتور را خاموش کرد (منابع: Nosowitz, World-nuclear.org).
دسته اورانیوم به عنوان یک منبع انرژی بسیار بالای گرما عمل میکند. این ماده، آب را گرم کرده و آن را به بخار تبدیل میکند. بخار، توربین را به حرکت در میآورد، که یک ژنراتور را میچرخاند تا برق تولید کند. انسانها صدها سال است که از انبساط آب به بخار برای تولید انرژی استفاده میکنند.
در برخی از نیروگاههای هستهای، بخار خروجی از راکتور، از طریق یک مبدل حرارتی ثانویه و واسطهای عبور میکند تا حلقه دیگری از آب را به بخار تبدیل کند که توربین را به حرکت در میآورد. مزیت این طراحی این است که آب/بخار رادیواکتیو، هرگز با توربین تماس پیدا نمیکند. همچنین، در برخی از راکتورها، سیال خنککننده در تماس با هسته راکتور، گاز (دی اکسید کربن) یا فلز مایع (سدیم، پتاسیم) است. این نوع راکتورها به هسته اجازه میدهند تا در دماهای بالاتر کار کند (منبع: World-nuclear.org).
با توجه به تمام عناصر رادیواکتیو داخل یک نیروگاه هستهای، نباید تعجب کرد که نمای بیرونی یک نیروگاه کمی بیشتر از یک نیروگاه زغالسنگ است.
بیرون یک نیروگاه هستهای
پس از عبور از خود راکتور، تفاوت چندانی بین یک نیروگاه هستهای و یک نیروگاه زغالسنگی یا نفتسوز وجود ندارد، به جز منبع حرارتی که برای تولید بخار استفاده میشود. اما از آنجایی که این منبع میتواند سطوح خطرناکی از تشعشع را ساطع کند، اقدامات احتیاطی بیشتری لازم است.
یک لایه بتنی معمولاً مخزن تحت فشار راکتور را در خود جای میدهد و به عنوان سپر محافظت در برابر تشعشع عمل میکند. این لایه نیز به نوبه خود در داخل یک محفظه فولادی بسیار بزرگتر قرار میگیرد. این محفظه شامل قلب راکتور و همچنین تجهیزاتی است که کارگران نیروگاه برای سوختگیری مجدد و نگهداری از راکتور از آن استفاده میکنند. محفظه فولادی به عنوان یک مانع برای جلوگیری از نشت هرگونه گاز یا مایع رادیواکتیو از نیروگاه عمل میکند (منبع: Nuclear-power.net).
یک ساختمان بتنی بیرونی به عنوان آخرین لایه عمل میکند و از محفظه فولادی محافظت میکند. این سازه بتنی به گونهای طراحی شده است که به اندازه کافی قوی باشد تا از آسیبهای گسترده ناشی از زلزله یا سقوط هواپیمای جت، جان سالم به در ببرد (منبع: Wald).
این سازههای ثانویه برای جلوگیری از خروج تشعشع/بخار رادیواکتیو در صورت وقوع حادثه ضروری هستند. عدم وجود سازههای ثانویه در نیروگاههای هستهای روسیه، اجازه داد مواد رادیواکتیو در چرنوبیل خارج شوند (منبع: Salisbury).
کارگران در اتاق کنترل نیروگاه هستهای میتوانند راکتور هستهای را نظارت کرده و در صورت بروز مشکل اقدام کنند. تأسیسات هستهای همچنین معمولاً دارای محیطهای امنیتی و پرسنل اضافی برای کمک به محافظت از مواد حساس هستند.
همانطور که احتمالاً میدانید، انرژی هستهای منتقدانی دارد، همانطور که طرفدارانی نیز دارد. در ادامه، نگاهی سریع به برخی از مزایا و معایب شکافتن اتم برای روشن نگه داشتن تلویزیونها و سرخکنهای همه خواهیم انداخت.
جوانب مثبت و منفی انرژی هستهای
بزرگترین مزیت انرژی هستهای چیست؟ این نوع انرژی به سوختهای فسیلی وابسته نیست و از نوسانات قیمت نفت و گاز متاثر نمیشود. نیروگاههای زغالسنگ و گاز طبیعی، دیاکسید کربن را در جو منتشر میکنند که به تغییرات اقلیمی کمک میکند. در نیروگاههای هستهای، انتشار CO2 در کمترین مقدار خود است، اگرچه استخراج اورانیوم، ساخت راکتورها، حمل و نقل سوخت و سایر بخشهای انرژی هستهای، گازهای گلخانهای تولید میکنند (منبع: Lenzen).
به گفته موسسه انرژی هستهای، برقی که توسط نیروگاههای هستهای جهان تولید میشود، اگر به سوختهای فسیلی وابسته بودند، به طور معمول ۲٫۲ میلیارد تن (۲ میلیارد تن متریک) CO2 در سال تولید میکرد. در واقع، یک نیروگاه هستهای که به درستی کار میکند، در مقایسه با یک نیروگاه زغالسنگ، تشعشعات رادیواکتیو کمتری را در جو منتشر میکند. این به این دلیل است که وقتی زغالسنگ برای تولید برق سوزانده میشود، خاکستر بادی (که حاوی مقادیر بسیار متمرکزی از اورانیوم و توریوم (Thorium) است) آزاد میشود. این خاکستر بادی ۱۰۰ برابر بیشتر از تشعشعات رادیواکتیویتهای که توسط یک نیروگاه هستهای با تولید همان مقدار انرژی آزاد میشود، رادیواکتیویته دارد (منبع: Hvistendahl). به علاوه، انرژی هستهای نیاز به سوخت بسیار کمتری دارد. شکافت هستهای تقریباً یک میلیون برابر بیشتر از سوختهای فسیلی در واحد وزن، انرژی تولید میکند (منبع: Helman).
اما معایب زیادی نیز وجود دارد. از نظر تاریخی، استخراج و خالصسازی اورانیوم فرایند بسیار پاکیزهای نبوده است. حتی حمل و نقل سوخت هستهای به داخل و از نیروگاهها به بیرون خطر آلودگی را به همراه دارد. و هنگامی که سوخت مصرف شد، نمیتوان آن را در سطل زباله شهر ریخت. هنوز هم رادیواکتیو است و قرار گرفتن در معرض این زبالهها، بسته به اینکه چه مقدار تشعشع جذب کنید، میتواند باعث بیماریهای ناشی از تشعشع، سرطان یا حتی مرگ شود (منبع:Rettner ). به گفته دفتر پاسخگویی دولت ایالات متحده، ایالات متحده ۸۸۱۸۵ تن (۸۰۰۰۰ تن متریک) زباله هستهای تولید شده توسط نیروگاهها را جمعآوری کرده است که بیشتر آنها هنوز در سایتهای شرکت نگهداری میشوند، زیرا دولت فدرال در تلاش است تا راه حل بهتری ارائه دهد.
و انگار این کافی نبود، نیروگاههای هستهای مقدار زیادی زباله رادیواکتیو سطح پایین (low-level radioactive waste) به شکل روکش کفش، دستمالهای تمیزکننده، تجهیزات و سایر مواد تولید میکنند (منبع: NRC).
فاجعه هستهای و خاموشکردن راکتور
به خاطر داشته باشید که در قلب هر راکتور هستهای، محیطی کنترلشده از رادیواکتیویته و شکافت هستهای القایی وجود دارد. زمانی که این محیط از کنترل خارج شود، نتایج میتواند فاجعهبار باشد.
برای سالهای متمادی، فاجعه چرنوبیل به عنوان نمونه بارز بدترین سناریوی نقص عملکرد هستهای مطرح بود. در سال 1986، راکتور هستهای اوکراین منفجر شد و 50 تن (45 تن متریک) ماده رادیواکتیو را به منطقه اطراف پراکنده کرد و میلیونها هکتار از جنگلها را آلوده نمود. این فاجعه باعث جابجایی 150,000 نفر شد و در نهایت منجر به مرگ هزاران نفر بر اثر سرطان و سایر بیماریها گردید (منبع: History.com).
چرنوبیل به شکلی نامناسب طراحی و به طور ناصحیح اداره میشد. این نیروگاه برای جلوگیری از نقص عملکرد راکتور به توجه مداوم انسانی نیاز داشت. با این حال، حتی یک نیروگاه هستهای با طراحی خوب نیز در برابر بلایای طبیعی آسیبپذیر است.
در روز جمعه، 11 مارس 2011، ژاپن بزرگترین زلزله تاریخ مدرن را تجربه کرد. یک واکنش برنامهریزی شده در تاسیسات هستهای فوکوشیما-دایچی بلافاصله تمامی میلههای کنترل راکتور را پایین آورد و در عرض 10 دقیقه تمامی واکنشهای شکافت را متوقف کرد. متاسفانه، با این حال، نمیتوان تمام رادیواکتیویته را با زدن یک کلید خاموش کرد.
همانطور که در صفحه قبل بررسی کردیم، زبالههای هستهای سالها پس از اولین استفاده در یک نیروگاه برق به تولید گرما ادامه میدهند. به طور مشابه، در عرض چند ساعت اول پس از خاموش شدن یک راکتور هستهای، تولید گرما از فرآیند واپاشی ادامه مییابد.
زلزله مارس 2011، یک سونامی مرگبار را به وجود آورد که ژنراتورهای دیزلی پشتیبان را که پمپهای خنککننده آب نیروگاه پس از قطع برق از شبکه ژاپن، به آنها روی آورده بود، نابود کرد. این پمپها آب را در راکتور به گردش در میآورند تا گرمای واپاشی را دفع کنند. با عدم گردش آب، هم دمای آب و هم فشار آب داخل راکتور به طور پیوسته افزایش یافت. علاوه بر این، تشعشعات راکتور شروع به تجزیه آب به اکسیژن و هیدروژن فرار کرد. انفجارهای هیدروژنی حاصل، پانلهای فولادی محافظ ساختمان راکتور را تخریب کرد (منبع: World-Nuclear.org).
به بیان ساده، تاسیسات فوکوشیما-دایچی اقدامات متقابل بسیاری برای متوقف کردن عملیات در صورت وقوع فعالیت لرزهای شدید داشت. آنها فقط انتظار از دست دادن برق پمپهای خنککننده خود را نداشتند.
نیروگاههایی مانند فوکوشیما-دایچی ژاپن، چرنوبیل روسیه و جزیره سه مایلی ایالات متحده لکه ننگی بر صنعت انرژی هستهای هستند و اغلب بر برخی از مزایای زیستمحیطی که این فناوری ارائه میدهد، سایه میافکنند.
نویسندگان: Marshall Brain, Robert Lamb & Patrick J. Kiger
مترجم: فؤاد پورفائز
منبع: howstuffworks.com
