نیروگاه هسته ای چیست و چگونه کار می کند؟ – به زبان ساده

انرژی اتمی چیست؟

تصویر زیر راکتور هسته‌ای علمی ناسا در ایستگاه «پلام بروک» (Plum Brook) سندوسکی اوهایو را نشان می‌دهد که قبل از تعطیلی در دهه 1970، برای تولید مواد برنامه فضایی مورد استفاده قرار می‌گرفت. اکنون در این ایستگاه تحقیقات فضایی پیشرفته دیگری انجام می‌شود.

اتم چقدر انرژی تولید می‌کند؟

پاسخ این است: به طرز شگفت‌آوری زیاد! همان چیزی که آلبرت انیشتین هنگام نوشتن این معادله ساده و مشهور نوشت:

$$\large E = mC^2$$

فیلم آموزش فیزیک مدرن با رویکرد حل‌مساله در فرادرس

کلیک کنید

واکنش زنجیره‌ای چیست؟

اگر بتوانید تعداد زیادی از اتم‌ها را یکی پس از دیگری تقسیم کنید، چه اتفاقی رخ می‌دهد؟ از نظر تئوری، می‌توانید آن‌ها را وادار کنید تا مقدار زیادی انرژی آزاد کنند. برخی از ایزوتوپ‌های رادیواکتیو در آنچه که «واکنش زنجیره‌ای» (Chain Reaction) نامیده می‌شود، به طور خودکار تقسیم می‌شوند و هر توانی را که بخواهید، تولید می‌کنند.

فرض کنید یک اتم سنگین (نوعی پایدار از اورانیوم به نام اورانیوم 235) داریم. هریک از اتم‌های آن دارای یک هسته با 92 پروتون و 143 نوترون است. یک نوترون را به سمت اورانیوم 235 شلیک کرده و آن را به اورانیوم 236 تبدیل می‌کنیم که یک نسخه ناپایدار از همان اتم (ایزوتوپ رادیواکتیو اورانیوم) با 92 پروتون و 144 نوترون است (به یاد داشته باشید که یک عدد اضافه شده است). اورانیوم 236 بیش از حد ناپایدار است و نمی‌تواند به مدت طولانی معلق بماند، بنابراین به دو اتم بسیار کوچکتر باریم و کریپتون تقسیم می‌شود که انرژی زیادی را آزاد می‌کند و همزمان سه نوترون اضافی را پرتاب می‌کند.

اکنون نکته مهم این است که نوترون‌های اضافی می‌توانند به سایر اتم‌های اورانیوم 235 برخورد کنند و باعث شوند آن‌ها نیز از هم جدا شوند. هنگامی که هریک از آن اتم‌ها شکافته شوند، نوترون‌های اضافی نیز تولید می‌کنند. بنابراین یک شکافِ تنها از یک اتم اورانیوم 235 به سرعت به یک واکنش زنجیره‌ای (بهمن هسته‌ای مهارگسیخته) تبدیل می‌شود که مقدار زیادی انرژی را به شکل گرما آزاد می‌کند.

شکل زیر واکنش زنجیره‌ای را نشان می‌دهد.

نوترون (۱) به یک اتم بزرگ اورانیوم 235 (۲) شلیک می‌شود. با این کار، یک ایزوتوپ رادیواکتیو بزرگ‌تر و ناپایدار از اورانیوم (یعنی اورانیوم 236) ایجاد می‌شود که بلافاصله به دو اتم کریپتون و باریم (3) کوچک‌تر و پایدارتر تقسیم می‌شود. در این فرایند، انرژی گرمایی آزاد می‌شود و سه نوترون (4) اضافی باقی می‌ماند. نوترون‌ها می‌توانند با یک واکنش زنجیره‌ای بسیار پرانرژی با اتم‌های اورانیوم 235 بیشتری (5) واکنش دهند. با برخورد یک نوترون به اورانیوم 235، راکتورهای شکافت دیگر ایجاد می‌شوند و دو یا چهار نوترون اضافی تولید می‌کنند. به همین دلیل است که گاهی در کتاب‌ها می‌بینید که شکافت اورانیوم 235 در هر واکنش «دو یا سه» (به طور متوسط 2٫47) نوترون اضافی تولید می‌کند.

تفاوت نیروگاه هسته ای و بمب هسته‌ای چیست؟

در بمب هسته‌ای، واکنش زنجیره‌ای کنترل نمی‌شود و این همان چیزی است که سلاح‌های هسته‌ای را بسیار وحشتناک و ویرانگر می‌کند. کل واکنش زنجیره‌ای در کسری از ثانیه اتفاق می‌افتد و یک اتم به دو، چهار، هشت، شانزده و... اتم تقسیم می‌شود و در یک چشم بر هم زدن مقدار زیادی انرژی آزاد خواهد شد.

فیلم آموزش نیروهای هسته‌ای در فرادرس

کلیک کنید

در نیروگاه هسته ای واکنش‌های زنجیره‌ای بسیار دقیق کنترل می‌شود تا سرعت نسبتاً آهسته‌ای داشته باشد. بدین ترتیب، انرژی به طور مداوم و طی سا‌ل‌ها یا دهه‌ها آزاد می‌شود. هیچ واکنش زنجیره‌ای افسارگسیخته و کنترل‌نشده‌ای در نیروگاه هسته ای وجود ندارد.

نیروگاه هسته ای چگونه کار می‌کند؟

بسیار خوب، تا حالا دریافته‌ایم که چگونه از یک اتم انرژی بگیریم، اما انرژی که دریافت می‌کنیم، چندان مفید نیست، زیرا فقط مقدار زیادی گرما است! چگونه می‌توانیم آن را به چیزی بسیار مفیدتر، یعنی برق تبدیل کنیم؟

نحوه کار نیروگاه هسته ای به صورت زیر است:

1. ابتدا، سوخت اورانیوم در راکتور (یک گنبد غول‌پیکر بتنی که در صورت منفجر شدن تقویت می‌شود) بارگیری می‌شود. در قلب (هسته) راکتور، اتم ها از هم جدا شده و انرژی گرما را آزاد می‌کنند، در واکنش هسته‌ای با کنترل دقیق، نوترون تولید می‌کنند و سایر اتم‌ها را نیز می‌شکنند.
2. میله‌های کنترل ساخته شده از موادی مانند کادمیوم و بور را می‌توان در راکتور بالا برد یا پایین آورد تا نوترون‌ها را خیس کرده و واکنش زنجیره‌ای را کُند یا تُند کند.
3. آب از طریق راکتور پمپاژ می‌شود تا انرژی گرمایی حاصل از واکنش زنجیره‌ای را جمع کند. به طور مداوم در اطراف یک حلقه بسته جریان دارد که راکتور را با یک مبدل حرارتی متصل می کند.
4. درون مبدل حرارتی، آب راکتور انرژی خود را به آب خنک‌تری که در یک حلقه بسته دیگر جریان دارد می‌دهد و آن را به بخار تبدیل می‌کند. استفاده از دو حلقه آب جدا و مبدل حرارتی کمک می‌کند تا آب آلوده به رادیواکتیویته در یک مکان دور از تجهیزات نیروگاه باشد.
5. بخار مبدل حرارتی به یک توربین منتقل می‌شود. وقتی بخار از کنار پره‌های توربین می‌گذرد، آن‌ها را با سرعت زیادی به حرکت در می‌آورد.
6. توربین در حال چرخش به یک ژنراتور برق متصل است و باعث چرخش آن می‌شود.
7. ژنراتور برق تولید می‌کند و برق به شبکه منتقل می‌شود.

آیا ممکن است نیروگاه هسته ای مانند بمب هسته‌ای منفجر شود؟

نقاشی رنگ روغن زیر اثر «چارلز بتینگر» (Charles Bittinger) و مربوط به انفجار هسته‌ای ناشی از آزمایش هسته‌ای در «آتول بیکینی» (Bikini Atoll) اقیانوس آرام در دهه 1950 است.

یکی از دلایل مخالفت بسیاری از مردم با انرژی هسته‌ای این است که فکر می‌کنند نیروگاه هسته ای مانند بمب‌های هسته‌ای است و هر لحظه ممکن است انفجاری رخ دهد و نابودی تمدن بشری را به دنبال داشته باشد. درست است که نیروگاه هسته ای و بمب‌ هسته‌ای هر دو مبتنی بر واکنش‌های هسته‌ای هستند که در آن اتم‌ها از هم جدا می‌شوند، اما این شباهت همین‌جا به پایان می‌رسد.

درجه‌های بسیار متفاوتی از اورانیوم در نیروگاه‌ها و بمب‌های هسته‌ای به کار می‌رود. بمب‌ها به اورانیوم 235 بسیار خالص (غنی شده) نیاز دارند که با حذف آلاینده‌ها از اورانیوم طبیعی ساخته می‌شود (به ویژه ایزوتوپ دیگر اورانیوم، یعنی اورانیوم 238). تا زمانی که آلاینده‌ها از بین نروند، از بروز واکنش زنجیره‌ای هسته‌ای جلوگیری می‌کنند. نیروگاه‌ها، درصورتی که ماده دیگری به نام «کُندساز» (Moderator) به آن اضافه کنند، می‌توانند با اورانیوم با خلوص کمتر و بسیار معمولی کار کنند. کندساز، كه معمولاً از كربن یا آب ساخته می‌شود، به طور مؤثر اورانیوم با خلوص كمتر را «تبدیل» می‌كند، که این امر باعث می‌شود یک واکنش زنجیره‌ای اتفاق بیفتد.

اما اگر واکنش در داخل نیروگاه از کنترل خارج شود چه اتفاقی می‌افتد؟ اگر این اتفاق بیفتد، آنقدر انرژی آزاد می‌شود که راکتور بیش از حد گرم می‌شود و حتی ممکن است منفجر شود (البته یک انفجار نسبتاً کوچک و کاملاً معمولی، نه مانند یک بمب هسته‌ای وحشتناک). در چنین شرایطی، کندساز می‌سوزد یا ذوب می‌شود، راکتور از بین می‌رود و واکنش هسته‌ای متوقف می‌شود. هیچ واکنش زنجیره‌ای مهارگسیخته‌ای وجود ندارد. بدترین وضعیت «فروگداخت» (Meltdown) نامیده می‌شود که در آن، راکتور ذوب می‌شود و یک قطره رادیواکتیو داغ تولید خواهد شد که به عمق زمین فرو می‌ریزد و منابع آبی را آلوده می‌کند. انفجار عادی همچنین می‌تواند ابر ماده رادیواکتیو را به سمت آسمان پرتاب کند و باعث آلودگی هوا شود و منطقه وسیع در اطراف خود را آلوده کند.

اختلافات مهم دیگری نیز وجود دارد که از تبدیل نیروگاه‌های هسته‌ای به بمب‌های هسته‌ای جلوگیری می‌کند. به طور خاص، بمب‌های هسته‌ای باید کاملاً دقیق مونتاژ شوند (با نزدیک کردن مواد هسته‌ای به یکدیگر تا واکنش مناسب رخ دهد). این موارد در یک نیروگاه هسته‌ای انجام نمی‌شود.

نوع متفاوتی از نیروگاه هسته ای وجود دارد که «راکتور زاینده سریع» (Fast-breeder Reactor) نامیده می‌شود و با روشی متفاوت، در یک فرایندِ خودپایدارساز سوخت پلوتونیوم را تولید می‌کند. واکنش زنجیره‌ای این راکتور بسیار نزدیک به آنچه است که در بمب هسته‌ای اتفاق می‌افتد. به همین دلیل است که یک راکتور زاینده سریع، از نظر تئوری می‌تواند از کنترل خارج شده و منجر به انفجار هسته‌ای شود.

در روزهای پس از انفجار انرژی هسته‌ای چرنوبیل در اوکراین در سال 1986، ابری از «فروریزه» (Fallout) رادیواکتیو در سراسر اروپا گسترش یافت. تصویر زیر ابر (ناحیه صورتی) را در دو، شش و ده روز پس از حادثه نشان می‌دهد. توجه به این نکته مهم است که آنچه رخ داد یک انفجار معمولی بود که مواد رادیواکتیو را به هوا پرتاب می‌کرد و مشابهتی با بمب هسته‌ای نداشت.

مزایا و معایب انرژی هسته‌ای

طبق گزارش آژانس بین‌المللی انرژی اتمی در سال 2020، در حال حاضر 440 راکتور هسته‌ای فعال در 30 کشور جهان وجود دارد که مجموع ظرفیت تولید آن‌ها 389,340 مگاوات (389 گیگاوات) است.

جوانب مثبت انرژی هسته‌ای به شرح زیر است:‌

• یک نیروگاه هسته ای 2 تا 3 گیگاوات برق تولید خواهد کرد که برابر با برق تولیدی یک نیروگاه بزرگ زغال‌سنگ یا حدود 1000 تا 1500 توربین بادی بزرگ با ظرفیت کاری کامل است. هیچ‌کس منکر این نیست که شکافتن اتم یک روش بسیار مؤثر برای تولید مقدار زیادی انرژی است.
• نیروگاه‌های هسته‌ای نسبت به نیروگاه‌های سوخت فسیلی (زغال‌سنگ، نفت و گاز طبیعی) میزان انتشار کربن بسیار کمتری دارند.
• آزاد كردن انرژی با شکافتن اتم‌ها بسیار کارآمدتر از «سوزاندن آن‌ها» (آزاد كردن انرژی از طریق واكنش شیمیایی كه آن را احتراق می‌نامیم) است. به همین دلیل نیروگاه‌های هسته‌ای به مقدار کمی سوخت (در مقایسه با نیروگاه‌های سوخت فسیلی) نیاز دارند.
• نیروگاه‌های هسته‌ای می‌توانند به کاهش وابستگی کشورها به نفت وارداتی کمک کنند. کشورهایی که منابع سوخت فسیلی زیادی ندارند، انرژی هسته‌ای را گزینه جذابی می‌دانند.

برخی از معایب انرژی هسته‌ای به صورت زیر است:

• ضایعات نیروگاه‌های هسته‌ای سال‌ها به صورت رادیواکتیو باقی می‌مانند و دفع ایمن آن‌ها دشوار است.
• از محصولات جانبی هسته‌ای می‌توان برای ساخت بمب استفاده کرد.
• نیروگاه‌های هسته‌ای شکل پایدار یا تجدیدپذیر انرژی نیستند، زیرا آن‌ها به استخراج ذخایر محدود اورانیوم متکی هستند. آن‌ها کربن صفر هم نیستند، زیرا برای استخراج این اورانیوم انرژی زیادی لازم است.
• ساخت نیروگاه‌های هسته‌ای هزینه‌بر است و سال‌ها به طول می‌انجامد.
• نیروگاه‌های هسته‌ای می‌توانند آلودگی هوا و آلودگی آب را در محدوده‌های جغرافیایی وسیعی ایجاد کنند.
• از آنجا که نیروگاه‌های هسته‌ای به مقدار زیادی آب خنک کننده نیاز دارند، غالباً در نزدیکی ساحل ساخته می‌شوند. این خود امری خطرناک برای دریا است.
• از رده خارج کردن ایمن نیروگاه‌های هسته‌ای بسیار هزینه‌بر است.

نمودار زیر نشان می‌دهد که نیروگاه‌های هسته‌ای (بخش نارنجی) حدود 8 درصد از انرژی مورد استفاده در ایالات متحده را تأمین می‌کنند (منظور همه صورت‌های انرژی است، نه فقط برق). سوخت‌های فسیلی (بخش‌های خاکستری) 10 برابر بیشتر انرژی تأمین می‌کنند. بخش‌های بیرونی داده‌های سال 2020 (اعداد زرد) را نشان می‌دهند، در حالی که حلقه داخلی مربوط به داده‌های سال 2015 است (اعداد سفید)، بنابراین می‌توانید ببینید که تغییر مسیر بسیار آهسته‌ای از زغال‌سنگ به انرژی‌های تجدیدپذیر و هسته‌ای طی شده است.

معرفی فیلم آموزش تولید انرژی الکتریکی - بخش اول

آموزش تولید انرژی الکتریکی ۱ در ۱۱ ساعت و ۵۱ دقیقه و در قالب ۱۳ درس ارائه شده است. هدف از درس یکم این فیلم آموزشی، آشنایی کلی با ساختار و اصول کار نیروگاه‌ها و وضعیت تولید برق ایران است. در درس دوم، مسائل اقتصادی و انتخاب نوع نیروگاه مورد بررسی قرار گرفته است. در درس‌های سوم تا سیزدهم نیز، به ترتیب، به نیروگاه‌های بخاری، نیروگاه گازی، نیروگاه سیکل ترکیبی، نیروگاه آبی، نیروگاه هسته‌ای، نیروگاه‌های بادی، نیروگاه‌های حرارتی خورشیدی و پنل‌های فتوولتائیک، نیروگاه بیومس یا زیست‌توده، انرژی هیدروژن و پیل‌های سوختی، نیروگاه زمین‌گرمایی و انرژی امواج و نیروگاه‌های دریایی پرداخته شده است.

• برای مشاهده فیلم آموزش تولید انرژی الکتریکی - بخش اول + اینجا کلیک کنید.