نیروگاه هستهای
نیروگاه هستهای
نیروگاه هستهای به تأسیساتی صنعتی و نیروگاهی میگویند که بر پایهٔ فناوری هستهای و با کنترل فرایند شکافت هستهای، از گرمای آزاد شدهٔ آن اقدام به تولید انرژی الکتریکی میکند. کنترل انرژی هستهای با حفظ تعادل در فرایند شکافت هستهای همراه است که با استفاده از گرمای تولیدی برای تولید بخار آب (مانند بیشتر نیروگاههای گرمایی) اقدام به چرخاندن توربینهای بخار و به دنبال آن ژنراتورها میکند.
در سال ۲۰۰۴ انرژی هستهای در تولید کل انرژی مصرفی جهان سهمی در حدود ۶٫۵٪، و در تولید انرژی الکتریکی سهمی در حدود ۱۵٫۷٪ داشتهاست و نخستین بار به وسیله انریکو فرمی در سال ۱۹۳۴ در یکی از آزمایشگاههای دانشگاه شیکاگو تولید شد. این اتفاق زمانی رخ داد که تیم او مشغول بمباران کردن هسته اورانیوم با نوترون بودند.
بنا بر پیشبینی اتحادیه جهانی هستهای در سال ۲۰۱۵ بهطور میانگین هر ۵ روز یکبار یک نیروگاه هستهای در جهان آغاز به کار میکند. شکافت هستهای صورت گرفته در یک رآکتور فقط بخشی از یک چرخه هستهای است. این چرخه از معادن شروع میشود. میزان اورانیوم موجود در پوسته زمین نسبتاً زیاد است بهطوریکه با منابع فلزاتی همچون قلع و ژرمانیوم برابری میکند و تقریباً ۳۵ برابر میزان نقره موجود در پوسته زمین است. اورانیوم ماده تشکیل دهنده بسیاری از اجسام اطراف ما مانند سنگها و خاک است. بنا بر آمارگیری جهانی معادن شناخته شده جهان در حال حاضر برای تأمین بیش از ۷۰ سال انرژی الکتریکی جهان کافی هستند. بهای میانگین اورانیوم در سال ۲۰۰۷، ۱۳۰ دلار آمریکا به ازای هر کیلوگرم بود. به این ترتیب ثبات تأمین سوخت هستهای از بسیاری از دیگر مواد معدنی بیشتر است.
مهمترین مسئلهای که مخالفان انرژی هستهای بیان میدارند امنیت محیط زیستی نیروگاه هستهای است زیرا با کوچکترین اشتباه، ممکن است فجایعی مانند فاجعه چرنوبیل به بار آید.
در سال ۲۰۰۴ انرژی هستهای در تولید کل انرژی مصرفی جهان سهمی در حدود ۶٫۵٪، و در تولید انرژی الکتریکی سهمی در حدود ۱۵٫۷٪ داشتهاست که کشورهای ایالات متحده، فرانسه، و ژاپن در مجموع حدود ۵۷٪ از کل انرژی الکتریکی هستهای جهان را به خود اختصاص دادهاند. در سال ۲۰۰۷ آژانس بینالمللی انرژی هستهای از وجود ۴۳۹ رآکتور هستهای در حال ساخت در ۳۱ کشور در سراسر جهان خبر داد.
ایالات متحده آمریکا با تولید حدود ۲۰٪ انرژی مورد نیاز خود از رآکتورهای هستهای در میزان کل تولید انرژی هستهای جایگاه اول جهان را داراست، حال آن که فرانسه با تولید ۸۰٪ انرژی الکتریکی مورد نیاز خود در ۱۶ نیروگاه هستهای از نظر درصد دارای رتبه نخست در جهان است. این درحالی است که در کل اروپا، انرژی هستهای ۳۰٪ برق مصرفی این قاره را تأمین میکند.البته سیاستهای هستهای در کشورهای اروپایی با هم متفاوتند طوریکه در کشورهایی نظیر ایرلند یا اتریش هیچ راکتور هستهای فعالی وجود ندارد.
همچنین در بسیاری از کشتیها و زیردریاییهای نظامی یا حتی غیرنظامی (کشتیهای یخشکن) از انرژی هستهای به عنوان نیروی محرکه استفاده میشود.
به دلیل برتریهای بیشمار انرژی هستهای، امروزه بهرهبرداری از این فناوری روز به روز گسترش بیشتری مییابد و بر روشهای استفاده صلحآمیز از آن (مانند استفاده از انرژی هستهای برای گرمایش یا نمکزدایی آب) افزوده میشود.
چرخه سوخت هستهای
شکافت هستهای صورت گرفته در یک رآکتور فقط بخشی از یک چرخه هستهای 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 به عنوان سوخت رآکتورها مورد استفاده قرار میگیرد) تبدیل میگردد. در این مرحله درجه غنیسازی اورانیوم یعنی درصد اورانیوم-۲۳۵ در حدود ۰٫۷٪ است. در صورت نیاز بسته به نوع سوخت نیروگاه (درصد غنیسازی لازم برای سوخت نیروگاه) اورانیوم غنیسازی شده و سپس از آن برای تولید میلهای سوختی مورد استفاده در نیروگاه (شکل میلهها در نیروگاههای مختلف متفاوت است) استفاده میکنند. عمر هر میل تقریباً سه سال است بهطوریکه حدود ۳٪ از اورانیوم موجود در آن مورد مصرف قرار گیرد. پس از گذشت عمر اورانیوم، آن را به حوضچه سوخت مصرف شده میبرند. اورانیوم باید حداقل ۵ سال در این حوضچهها باقی بماند تا ایزوتوپهای به وجود آمده در اثر شکافت هستهای از آن جدا شوند. پس از گذشت این زمان اورانیوم را در بشکههای خشک انبار میکنند یا اینکه دوباره آن را به چرخه سوخت بازمیگردانند.
میزان اورانیوم موجود در پوسته زمین نسبتاً زیاد است بهطوریکه با منابع فلزاتی همچون قلع و ژرمانیوم برابری میکند و تقریباً ۳۵ برابر میزان نقره موجود در پوسته زمین است. اورانیوم ماده تشکیل دهنده بسیاری از اجسام اطراف ما مانند سنگها و خاک است. طبق آمارگیری جهانی معادن شناخته شده جهان در حال حاضر برای تأمین بیش از ۷۰ سال انرژی الکتریکی جهان کافی هستند. بهای متوسط اورانیوم در سال ۲۰۰۷، ۱۳۰ دلار آمریکا به ازای هر کیلوگرم بود. به این ترتیب ثبات تأمین سوخت هستهای از بسیاری از دیگر مواد معدنی بیشتر است.به تناسب دیگر مواد معدنی با افزایش دو برابری هزینه تأمین سوخت، میتوان به ده برابر منابع کنونی اورانیوم دست یافت. باید توجه داشت که قیمت تأمین سوخت در یک نیروگاه هستهای نسبت به دیگر تجهیزات موجود نسبتاً اندک است و بنابراین چند برابر شدن قیمت اورانیوم تأثیر چندانی بر روی قیمت انرژی الکتریکی تولیدی نخواهد داشت. برای مثال افزایش دو برابری در قیمت سوخت مصرفی یک نیروگاه هستهای آب سبک هزینه رآکتورها را در حدود ۲۶٪ و هزینه برق تولیدی را در حدود ۷٪ افزایش میدهد در حالی که افزایش دوبرابری قیمت سوخت در یک نیروگاه گازی قیمت برق تولیدی را تا ۷۰٪ افزایش میدهد.
نیروگاههای آب سنگین موجود در استفاده از سوخت هستهای بهرهوری پایینی دارند چراکه تنها قابلیت ایجاد شکافت هستهای در ایزوتوپهای اورانیوم-۲۳۵ (حدود ۰٫۷٪ از اورانیوم معدنی) را دارند. در مقابل رآکتورهای متداول آب سبک برخی رآکتورهای هستهای میتوانند از اورانیوم-۲۳۸ استفاده نیز استفاده کنند که حدود ۹۹٫۳٪ از اورانیوم معدنی را تشکیل میدهد. قبل از استفاده از اورانیوم-۲۳۸ در طی فرایندی از آن برای تولید پلوتونیم-۲۳۸ استفاده میکنند و سپس از پلوتونیم در رآکتورهای هستهای مورد استفاده قرار میگیرد. طبق برآورد انجام شده با مصرف کنونی نیروگاههای جهان اورانیوم-۲۳۸ میتواند برای ۵ میلیون سال انرژی مورد نیاز این نیروگاهها را تأمین کند.
منابع سوخت
این تکنولوژی در بسیاری از رآکتورهای هستهای مورد استفاده قرار گرفتهاست، اما هزینه بالای فرآوری سوخت این نیروگاهها (۲۰۰ دلار به ازای هر کیلوگرم) استفاده از آنها را با مشکل مواجه کرده. تا سال ۲۰۰۵ تنها در رآکتور نیروگاه BN-۶۰۰ در «بلویارسک» روسیه از این تکنولوژی برای تولید برق استفاده شده بود، که البته روسیه برنامهریزیهای مربوط به ساخت نیروگاه دیگری از این نوع با نام BN-۸۰۰ را انجام دادهاست. ژاپن نیز قصد دارد تا پروژه رآکتور Monju را مجدداً شروع کند (این پروژه از سال ۱۹۹۵ تعطیل شدهاست) و همچنین چین و هند نیز قصد دارند تا از این تکنولوژی برای سوخترسانی به رآکتورها استفاده کنند.
راه حل دیگری که در این زمینه وجود دارد استفاده از اورانیوم-۲۳۳ است که از توریوم به دست میآید. توریم حدوداً ۳٫۵ برابر بیشتر از اورانیوم در پوسته زمین وجود دارد و پراکندگی جغرافیایی متفاوتی نسبت به اورانیوم دارد. استفاده از این ماده میتواند میزان منابع سوختهای شکافت یافتنی را تا ۴۵۰٪ افزایش دهد. برعکس اورانیوم-۲۳۸ که برای مصرف آن را باید به صورت پلوتونیم-۲۳۸ درآورد، اورانیوم-۲۳۳ نیازی به تبدیل ندارد. در حال حاضر کشور هند علاقه زیادی برای استفاده از این روش دارد چراکه این کشور دارای معادن بسیار زیاد توریم است درحالی که معادن اورانیوم این کشور اندک هستند.
