اگر در گذشته بحران غذا و یا بحران آب آشامیدنی حیات بشر را به خطر می انداخت، امروزه کارشناسان بر این اعتقادند که بحران آینده که حیات بشریت را تهدید می کند، بحران انرژی است.

حیات بشر امروزی به طور مستقیم و غیرمستقیم به منابع مختلف انرژی مانند نفت و گاز و زغال سنگ و ... وابسته است و تصور زندگی بدون دسترسی به این منابع، دشوار و حتی غیرممکن است.

از طرفی، گذشت سریع زمان، این زنگ خطر را بلندتر و واضح تر به گوش می رساند که منابع انرژی تجدیدناپذیر در حال پایان است، بنابر این ضرورت کشف و استفاده از منابع انرژی نو بیش از پیش اهمیت می یابد.

انرژی هسته ای از جمله مطمئن ترین و پاک ترین انرژی هایی است که می تواند کمبود و حتی خلاء انرژی های فسیلی را جبران کند.

جمهوری اسلامی ایران نیز با درک ضرورت استفاده از این انرژی مدرن، در جهت دستیابی به آن برای تولید برق کوششی بی وقفه و خستگی ناپذیر را آغاز کرده است.

برای تولیدبرق، روش های مختلفی وجود دارد که ازآن جمله می توان نیروگاه های آبی، بادی، خورشیدی، جزر و مد، ژئوترمال ( زمین گرمایی ) حرارتی و هسته ای را نام برد.

در نیروگاه حرارتی از سوزاندن منابع اولیه انرژی مانند زغال سنگ،نفت یا گاز، حرارت تولید می شود و حرارت تولید شده در دیگ بخار، آب را تبخیر می کند. بخارحاصله بعد از به چرخش در آوردن توربین در چکالنده، به آب تبدیل می شود و دوباره به دیگ بخار بر می گردد. چرخش توربین منجر به چرخش محور مولد برق شده و نیروی برق تولید می شود.

چگونگی تولید برق در نیروگاه هسته ای

در نیروگاه های هسته ای پس از شکاف هسته، انرژی هسته ای به صورت حرارت آزاد می شود. از حرارت حاصله همانند نیروگاه های حرارتی می توان برای تولید برق استفاده کرد.

یک نیروگاه هسته ای در اصل مانند یک نیروگاه فسیلی (حرارتی) کارمی کند، با این تفاوت که در نیروگاه اتمی، حرارت از سوزاندن زغال سنگ، نفت و یا گاز ایجاد نمی شود، بلکه از راه شکاف هسته اتم تولید می شود.

جریان آب، این حرارت را به مولد بخار که درآن آب به بخار تبدیل می شود، از مدار اول منتقل می کند و بخار حاصله، توربین و در نتیجه مولد برق را به گردش در می آورد و سپس در چگالنده به آب تبدیل می شود. این آب در مدار دوم دوباره به مولد بخار برگردانده می شود و حرارت پس داده شده ، هنگام تبدیل بخار به آب در چگالنده، به وسیله آب خنک کننده در مدار سوم جذب و خارج می شود.

نیروگاه های اتمی انواع مختلفی دارند. یکی از پیشرفته ترین آنها نیروگاه اتمی با راکتور آب تحت فشار است.

برق تولیدشده در نیروگاه اتمی پس ازافزایش ولتاژ، درترانس های افزاینده، توسط خطوط انتقال فشار قوی به محل های مصرف منتقل می شود، در آنجا به وسیله ترانس های کاهنده، ولتاژ تا حد لازم کاهش می یابد و در اختیار مصرف کننده قرار می گیرد.این افزایش و کاهش ولتاژ به علت کم کردن تلفات در خطوط انتقال برق است.

نیروگاه هسته ای و شیرین سازی آب شور

نیروگاه اتمی علاوه بر تولید برق ، فواید و کاربردهای دیگری نیز دارد که از جمله شیرین سازی آب شور دریا است. می توان به هر واحد نیروگاه اتمی هزار مگاواتی، یک واحد شیرین سازی آب شور به ظرفیت ‪ ۱۰۰‬هزار متر مکعب در روز متصل کرد و آب شور از دریا به وسیله پمپ به واحد شیرین سازی آب شور هدایت کرد.

در این واحد، از حرارت تولید شده به وسیله راکتور برای تقطیر کردن آب استفاده می شود. آب تقطیرشده پس از طی مراحلی به آب آشامیدنی تبدیل می شود.

مایعات زاید دوباره به دریا برگردانده شده، آب آشامیدنی وارد شبکه توزیع می شود. آب شیرین حاصله برای مصارف کشاورزی، شهری و صنعتی قابل استفاده است.

اورانیوم و نقش آن در نیروگاه هسته ای

هسته اتم از ذراتی به نام "پروتون" و "نوترون" تشکیل شده است. پروتون بارالکتریکی مثبت دارد و مقدار آن برابر با بار منفی الکترون است در حالی که نوترون دارای بار الکترویکی نیست و به عبارت دیگر خنثی است.

پروتون ها و نوترون ها به وسیله نوعی انرژی اتصالی درکنار هم قرار گرفته، انرژی آزادشده به صورت حرارت مورد استفاده قرار می گیرد.

اورانیوم نیز ازعناصر سنگین به شمار می رود و دارای انرژی اتصالی بسیار زیادی است. مقدار انرژی آزاد شده هنگام شکافت هسته اورانیوم بسیار زیاد است و به این منظور، از اورانیوم برای سوخت راکتور اتمی استفاده می شود.

برای مقایسه، مقدار انرژی اورانیوم موجود درراکتور نیروگاه اتمی بوشهر (‪ ۸۰‬تن) برابر است با مقدار انرژی موجود در ‪ ۱۷‬میلیون بشکه نفت خام.

در مقیاس کوچک، انرژی حاصل از سوزاندن یک قرص سوخت ‪ ۱۲‬گرمی اورانیوم معادل انرژی حاصل از سوختن یک تن زغال سنگ، دو ونیم تن چوب و ‪ ۱۷‬هزار فوت مکعب گاز طبیعی است.

در نیروگاه اتمی بوشهر، تعداد ‪ ۱۶۳‬مجتمع سوخت داخل محفظه تحت فشار راکتور قرار داده می شود که هسته مرکزی راکتور را تشکیل می دهد و حرارت ایجاد شده در نتیجه شکافت هسته، آب را به بخار تبدیل می کند و بخار حاصله توربین را به حرکت در می آورد و توربین مولد را می چرخاند و نیروی برق تولید می شود.

در اورانیوم که سوخت نیروگاه اتمی است، انرژی به صورت مهار شده وجود دارد. این انرژی پس از شکافت هسته آزاد شده، به شکل انرژی حرارتی مورد استفاده قرار می گیرد.

این سووال برای برخی مطرح می شود که چگونه می توان یک هسته اتم را که بسیار کوچک تر از یک دانه شن است، شکافت؟

نوترون قادر به برخورد مستقیم با هسته اتم است و پس از جذب شدن به وسیله هسته اتم، آن را به دو قسمت تقسیم می کند. پاره های حاصل ازشکافت، با انرژی زیاد جدا شده،در نتیجه انرژی حرارتی آزاد می شود.

همچنین با شکافت هسته، حدود سه نوترون آزاد می شود که هر کدام می تواند هسته دیگری را بشکافند.

با ازدیاد نوترون، هسته های بیشتری شکافته شده، نوترون های بیشتری آزاد می شوند و در نتیجه، واکنش زنجیره ای آغاز می شود. هرچه تعداد هسته ای شکافته شده بیشتر باشد، به همان نسبت حرارت بیشتری آزاد می شود.

از حرارت تولید شده می توان برای تولید بخار و درنتیجه گردش توربین ها استفاده کرد.هنگام بهره برداری از یک نیروگاه اتمی، پسمان های پرتوزا به صورت گاز مایع و جامد به وجود می آیند.

مهار پرتوهای هسته ای

برای حفاظت محیط زیست بایستی مقدار مواد پرتوزایی که وارد محیط می شود، کمتر از مقدار تعیین شده باشد.

در نیروگاه اتمی، ساختمان راکتور و تاسیسات جانبی آن تحت کنترل هستند و مواد پرتوزا فقط در قسمت های کنترل شده تولید می شوند.

به منظور کاهش مقدار پرتوزایی، مواد گازی شکل مانند گازهایی که از آب خنک کننده مدار اول متصاعد می شوند ، آن را از فیلترهای زغالی گذرانده، یا این که برای مدت طولانی در ظروف مخصوص نگهداری می کنند. علت آن این است که گذشت زمان، اثر پرتوزایی را کاهش می دهد.

وقتی مقدارپرتوزایی این گازها از مقدار معینی کمتر باشد، آن ها را رقیق کرده،از طریق دودکش به فضا می فرستند و هوای آلوده به مواد پرتوزا در اتاق های قسمت تحت کنترل، بعد از این که توسط فیلترهای مخصوص تصفیه شد، به وسیله دودکش به فضا فرستاده می شود.

مایعات زاید پرتوزا ، جمع آوری شده و به طور موقت نگه داری می شوند و در مرحله بعد، این مایعات تبخیرشده و مواد جامد پرتوزا به جای می ماند.آب تصفیه شده به دریا برگردانده می شود و با مواد به جای مانده، طبق قوانین وضع شده عمل می شود.

مواد پرتوزای جامد مانند، مجتمع های سوخت کارکرده را در داخل محفظه های ضد ضربه و ضد حریق از نیروگاه خارج می کنند. مواد جامد پرتوزای دیگر مانند فیلترها، پوشاک و وسایل نظافت در داخل بشکه هایی بسته بندی شده و طبق قوانین موجود با آن ها عمل می شود.

برای اطمینان یافتن از این که مقدار پرتوزایی تمام مواد خارج شده از قسمت تحت کنترل برای محیط زیست بی ضرر است، به طور دایم مقدار پرتوزایی مایعات، گازها و جامدات زاید اندازه گیری می شود.

در زمان بهره برداری از نیروگاه، محیط اطراف آن از نظر پرتوزایی، پیوسته کنترل می شود.

در برنامه ریزی، طراحی، احداث و بهره برداری نیروگاه های اتمی، به مسایل ایمنی توجه ویژه ای می شود.حصارها و سیستم های ایمنی خودکار حتی در زمانی که بزرگترین حادثه قابل پیش بینی اتفاق بیافتد، از بروز هر گونه اثر نامطلوب به روی کارکنان و محیط جلوگیری می کند.

از آغاز عملیات برنامه ریزی و طراحی، دانشمندان و متخصصان اطمینان حاصل می کنند که می توانند حتی نادرترین حادثه و عواقب مربوط به آن را کنترل کنند، مانند زمین لرزه و ...

اجزای هر سیستم به طور منظم آزمایش می شوند تا از عملکرد صحیح آن اطمینان حاصل شود.نیروگاه اتمی در حال حاضر از ایمن ترین تاسیسات صنعتی است.

حصار ایمنی در نیروگاه اتمی

درصد بسیاری از مواد پرتوزای تولید شده در اثر شکافت هسته در داخل شبکه کریستالی سوخت هسته ای باقی می ماند و حصار یک، درون حصار دو قرار دارد.

لوله های ضد فشار و ضد نشت که از نوعی آلیاژ زیر کونیوم ساخته شده، قرص های سوخت را در برگرفته و از خروج مواد پرتوزای حاصله، ازشکافت هسته ای جلوگیری می کند.

محفظه تحت فشار راکتور که از قطعات فولادی تهیه شده، حصاری تشکیل می دهد که در مقابل فشار حرارت و پرتو کاملا مقاوم است.

حفاظ بیولوژیکی که بیشتر از یک متر ضخامت دارد و از بتن مسلح ساخته شده، حفاظی در مقابل پرتوهای خارج شده از محفظه تحت فشار راکتور می باشد.

کره ایمنی فولادی تمام سیستم های هسته ای راکه حاوی مواد رادیو اکتیو است در بر می گیرد و این حفاظ حتی در زمان وقوع خطرناک ترین حوادث، از خروج مواد پرتوزا جلوگیری می کند.

ساختمان راکتور که از بتن مسلح با ضخامت حدود دو متر ساخته شده است، حفاظی در مقابل عوامل خارجی محسوب می شود.

میزان مجاز پرتو هسته ای

بر اساس قوانین وضع شده، مقدار پرتوی مجاز در مجاورت نیروگاه های اتمی حداکثر برابر با ‪ ۱/۵‬میلی زیورت نام دارد.

انسان، حیوانات و گیاهان همواره به طور طبیعی مقداری پرتو دریافت می کنند و این مقدار در ایران به طور متوسط در حدود ‪ ۱/۵‬میلی زیورت در سال است.

مقدار پرتو دریافتی از یک نیروگاه در مدت زمان یک سال بهره برداری، کمتر از یک درصد مقدار پرتو دریافت شده از طبیعت است.

در یک ساعت پرواز با هواپیما، مقدار پرتو دریافت شده، تقریبا برابر با مقدار پرتو دریافتی طی یک سال سکونت در نزدیکی نیروگاه اتمی است.

در پزشکی و به خصوص رادیوگرافی، از منابع پرتوزا استفاده می شود. همچنین تلویزیون و رنگ های شب نما مقداری پرتو ایجاد می کنند.

شیوه جدید پیش روی بشر برای تولید برق و همجوشی هسته ای

واکنش شکافت هسته اتم باعث تولید گرما شده، از این گرما برای تولید بخار استفاده می شود.بخار تولید شده با چرخاندن پره های توربین، برق تولید می کند.

مدتی است که متخصصان این رشته به فکر ساخت راکتورهایی افتاده اند که در آن به جای شکافت هسته ای اتم (فیسیون)، از روش ترکیب اتم ها (فوزین یا همجوشی) استفاده می شود.این واکنش همان اتفاقی است که در خورشید و ستارگان می افتد و انرژی آن ها را تامین می کند.

تاکنون از این روش در بمب های هیدروژنی استفاده شده و با وجود پیشرفت های فنی، هنوز نیروگاه همجوشی ساخته نشده است. کشورهای آمریکا، فرانسه، روسیه، ژاپن و آلمان طراحی و ساخت یک نیروگاه همجوشی در خاک فرانسه را به نام "پروژه ایتر" (اینترنشنال ترمویا) آغاز کرده اند و امیدوارند که در دهه های بعد این نیروگاه ها جایگزین نیروگاه های فعلی شوند.

انرژی همجوشی به عنوان یک منبع انرژی، با توجه به سوخت مورد مصرف در این فرآیند که تقریبا در دنیا بی پایان است، راهی برای فرار از بحران انرژی در سال های آینده محسوب می شود.

به علاوه، این انرژی از لحاظ زیست محیطی، کمترین آسیب را به طبیعت وارد می کند و همچون شکافت هسته ای، زباله هایی با عمر طولانی از خود به جای نمی گذارد.

در روش همجوشی، اتم های دوتریو و تریتیوم (دو ایزوتوپ هیدروژن) در شرایط مناسب با یکدیگر ترکیب شده، اتم سنگین تری به نام هلیوم تولید می کند.

در این فرآیند همچنین ذره نوترون و مقدار زیادی حرارت تولید می شود و از این حرارت برای گرم کردن آب و تبدیل آن به بخار استفاده می شود. بخار تولید شده، پره های توربین را می چرخاند و در نهایت باعث تولید برق می شود.

محمود صادقی