فرآیند تولید برق هستهای
تولید برق هستهای در جهان جایگاه ویژهای یافته است چراکه انرژی و وسایل برقی، بخشی جداییناپذیر از جامعه هستند و بشر امروزی با گذر از دورههای مختلف مصرف انرژی به سراغ تولید انرژی پاک رفته است تا بتواند نیاز روزافزون خود را برطرف کند.
بنابراین تولید انرژی الکتریکی پاک از طریق وسایل هستهای، برق آبی، زمین گرمایی و خورشیدی موضوعی است که به دنیای امروز مربوط میشود.
اورانیوم به عنوان سوخت برای گرم کردن آب در نیروگاه هستهای بکار گرفته میشود تا برق را تولید کند چنانکه در روش تولید برق بوسیلهی نیروگاه زغال سنگ یا نیروگاه بیوانرژی، روند همین است و در این حیطه، تنها سوخت است که نیروگاه را متمایز میکند.
شکافت هستهای
فناوری انرژی هستهای مبتنی بر تولید گرما از طریق شکافتن اتمهای اورانیوم است. شکافت اتمها به نام شکافت شناخته میشود. شلیک یک نوترون به سمت اتم اورانیوم، هسته اتم را شکافته و نوترونهای جدیدی آزاد میکند.
اینها به نوبه خود میتوانند اتمهای دیگر را شکافته و یک واکنش زنجیرهای ایجاد کنند. در این فرایند، شکافت گرمایی آزاد میشود که برای تولید برق در یک نیروگاه هستهای بکار میرود.
تولید برق هستهای با راکتور آب جوش
یک نیروگاه هستهای را میتوان به یک دیگ آب عظیم تشبیه کرد. اورانیوم که در این حالت، به عنوان سوخت مصرف میشود، آب را گرم کرده و آن را به بخار، تبدیل میکند که توربینها را تحت فشار قرار داده و با چرخاندن توربینها، برق تولید میکند.
این روش در نیروگاههایی که از انواع دیگر سوخت مانند زغال سنگ، گاز یا نفت استفاده میکنند، یکسان است. فقط مزیت نیروگاههای هستهای، این است که عملیات تولید آنها عاری از انتشار کربن است.
برق از نیروگاههای هستهای از طریق شبکه انتقال و شبکههای منطقهای و محلی به سطح جامعه منتقل میشود. هرچه ولتاژ بیشتر باشد، میتوان الکتریسیته را بدون تلفات بیش از حد انرژی حمل کرد.
آیا اورانیوم خطرناک است؟
اورانیوم یکی از عناصری است که زمین از آن ساخته شده است و در سه ایزوتوپ مختلف اورانیوم 234، اورانیوم 235 و اورانیوم 238 در طبیعت وجود دارد.
اورانیوم 235، سادهترین خنککننده است و بنابراین به عنوان سوخت هستهای استفاده میشود. این ماده، یک عنصر غنی از انرژی است و یک کیلوگرم اورانیوم به اندازه 90 تن زغال سنگ انرژی دارد.
تولید سوخت هستهای مستلزم کار گستردهای است. اورانیوم ابتدا خرد میشود و سپس در چند مرحله قبل از ایجاد عناصر سوخت هستهای واقعی، پردازش میشود.
اورانیوم قبل از استفاده از سوخت در رآکتور، سطوح بسیار کم تشعشع از خود ساطع میکند و میتوان بدون استفاده از تجهیزات حفاظتی خاصی با آن کار کرد.
اورانیوم موجود در یک راکتور هستهای نمیتواند منفجر شود، زیرا حاوی مواد شکافتپذیر بسیار کمی است.
تولید برق هستهای در جهان
در سال 2021، 33 کشور جهان، نیروگاه هستهای تجاری داشتند و در 15 کشور از این تعداد، انرژی هستهای حداقل 20 درصد از کل تولید برق سالانه آنها را تامین میکرد. ایالات متحده بیشترین ظرفیت تولید برق هستهای را داشت و بیش از هر کشور دیگری، برق هستهای تولید میکرد.
فرانسه، دومین ظرفیت تولید برق هستهای را داشته و سومین تولیدکننده برق هستهای بوده است.
در سال 2021، کشور آمریکا با تولید 95.49 میلیون کیلووات، فرانسه با تولید 61.37 میلیون کیلووات، چین با تولید 53.26 میلیون کیلووات، کشور روسیه با تولید 27.73 میلیون کیلووات و کره جنوبی با تولید 24.43 میلیون کیلووات، جزو 5 کشور اول تولیدکننده برق از انرژی هستهای بودهاند.
مطالعه موردی کشور سوئد
کشور سوئد نیز یکی از کشورهایی هست که از انرژی هستهای، برق تولید میکند چنانکه بعد از تولید برق، برق توسط شبکه انتقال که متعلق به دولت است از شمال تا جنوب سوئد را تحت پوشش قرار میدهد، ولتاژ این خطوط 400,000 یا 220000 ولت هستند.
شبکه انتقال بین نیروگاههای اصلی و ترانسفورماتورهای واقع در فضای باز در حومه شهر اجرا میشود و اگر یک نیروگاه متوقف شود، همیشه در نیروگاههای دیگر، ذخایر وجود دارد.
هنگامی که برق به منطقهای که قرار است استفاده شود میرسد، به یک شبکه منطقهای منتقل میشود. در آنجا از ترانسفورماتورها برای کاهش ولتاژ به 40000 تا 75000 ولت در یک سری مراحل استفاده میشود و سپس برق به صنعت و شهرداریها منتقل میشود.
برای رسیدن برق به تمام سطح خانهها، از شبکههای محلی استفاده میشود، از این رو، لازم است تا ولتاژ به 4000 تا 20000 ولت کاهش یابد.
خطوط برق را میتوان در حومه شهر مشاهده کرد، اما در شهرها، کابلها معمولا زیر زمین هستند و ولتاژ قبل از رسیدن به خانوارهای سوئدی به 230 تا 400 ولت کاهش مییابد.
سنگ معدن اورانیوم در معادن روباز بالای زمین خرد میشود، در سوئد، محتوای اورانیوم آنقدر کم است که خرد کردن آن قابل جبران نیست. در نتیجه، اورانیوم مورد نیاز خود را به اندازهی 1500 تن در سال وارد میکند.
سنگ معدن اورانیوم عمدتاً در کانادا، استرالیا و همچنین در نامیبیا، آفریقای جنوبی، قزاقستان، ازبکستان و روسیه خرد میشود.
اورانیوم طبیعی تعیین شده برای راکتورهای سوئدی از کشورهایی مانند استرالیا، کانادا، نامیبیا و تا حدودی روسیه وارد میشود. نیروگاههای هستهای سوئد، الزامات زیست محیطی را بر تامینکنندگان و تولیدکنندگان سوخت هستهای تحمیل میکنند.
پس از خرد کردن، سنگ معدن اورانیوم به کارخانه فرآوری اورانیوم منتقل میشود و در آنجا به پودر تبدیل میشود.
محتوای اورانیوم با استفاده از فرآیندهای مختلف افزایش مییابد و نتیجهی آن، کنسانتره اورانیوم به شکل پودر زرد است، کارخانههای فرآوری اورانیوم اغلب در نزدیکی معدن قرار دارند.
کنسانتره اورانیوم قبل از اینکه بتواند به عنوان سوخت هستهای عمل کند باید بیشتر پردازش شود و از طریق فرآیندی به نام تبدیل، به هگزا فلوراید اورانیوم – مادهای شبیه به پارافین – تبدیل شود.
هگزا فلوراید اورانیوم حرارت داده و غنی میشود که مستلزم فرآیندی برای افزایش محتوای شکافتپذیر اورانیوم 235 به حدود 3 درصد است که برای سوخت هستهای مورد نیاز است.
اورانیوم طبیعی تنها شامل 0.7 درصد اورانیوم 235 است و پنج کیلوگرم اورانیوم طبیعی یک کیلوگرم اورانیوم غنی شده تولید میکند.
پس از غنیسازی هگزافلوراید اورانیوم، آن تا زمانی که به حالت جامد برگردد سرد میشود و به دی اکسید اورانیوم تبدیل میشود. در نهایت، دی اکسید اورانیوم برای تولید سوخت هستهای به شکل استوانههای کوچک به نام گلوله تبدیل میشود.
یک راکتور انرژی هستهای تقریباً حاوی 15 میلیون گلوله است، هر گلوله به اندازه 800 لیتر روغن دیزل، انرژی تولید میکند.
