یک نیروگاه هسته ای چگونه کار می کند؟

انرژی هسته ای مرز میان بزرگ ترین امید بشر و وحشت برانگیزترین خیال از آینده است. از یک سو، انرژی اتمی، مقادیر فراوانی از انرژی پاک را در اختیار انسان ها قرار می دهد و انسان را از وابستگی به سوخت فسیلی می رهاند و از سوی دیگر، می تواند فاجعه بار باشد. وقایع چرنوبیل و فوکوشیما هیچگاه از ذهن بشر پاک نخواهد شد.

اما درون یک نیروگاه انرژی هسته ای چه رخ می دهد و چه می شود که انرژی پاک اما وحشتناک به دست ما می رسد؟ از پریز برق شروع می شود، ده ها و شاید صدها کیلومتر سیم کشیده شده و دست آخر به یک ژنراتور عظیم می رسیم، جایی که رآکتور هسته ای قرار دارد و شاید خطرناک ترین دستاورد بشر در آن ناحیه باشد.

ژنراتور، توربین و حجم عظیمی از بخار آب که از شکافت هسته ای حاضل شده انرژی را به وجود می آورند اما به طور دقیق اینکه چه انجام می شود تا مسیر طولانی طی شده و انرژی به دست مصرف کننده برسد یک مهندسی عظیم و بزرگ است.

آب نقشی اساسی در نیروگاه هسته ای ایفا می کند. از خنک کردن ماده رادیواکتیو و رآکتور گرفته تا تبدیل شدن به بخار و چرخاندن توربین هایی که انرژی را تولید می کنند. در مارس سال 2011، ژاپن هولناک ترین زلزله تاریخ خود را تجربه کرد، زلزله ای که در بستر اقیانوس آرام رخ داد، سبب ایجاد سونامی بزرگی شد و قربانی این سونامی، نیروگاه هسته ای فوکوشیما دای ایچی بود.

صدمه ای که سونامی به نیروگاه وارد کرد سبب شد تا به رآکتور شماره یک آب نرسد و کنترل دما از بین رود. آب نرسیدن به رآکتور یعنی بالا رفتن دمای آن و در نتیجه یک فاجعه غیرقابل اجتناب.

تا یک مارس 2011، تعداد 443 رآکتور هسته ای در 47 کشور دنیا در حال فعالیت بود. در سال 2009، انرژی اتمی به تنهایی 14 درصد از کل تولید الکتریسیته جهان را به عهده داشت. این رقم را به تک تک کشورها که بسط بدهیم متوجه می شویم که لیتوانی و فرانسه قریب به 75 درصد از انرژی خود را از این طریق تامین می کنند اما ایالات متحده با 104 نیروگاه هسته ای اش تنها 20 درصد انرژی خود را از این راه به دست می آورد.

در ادامه با دیجیاتو همراه باشید تا به صورت ساده این مسیر را با یکدیگر مرور کنیم.

شاید فکر کنید انرژی هسته ای، با این همه جدیتی که پشت نام آن نهفته شده، یک ساختار عجیب و غریبی دارد که در هیچ جای دیگری یافت نمی شود و نحوه دریافت انرژی از آن هم متفاوت است اما حقیقتا انرژی هسته ای شباهت فراوانی به سوخت های فسیلی دارد. هدف نهایی هر دو ایجاد گرما و انتقال آن به آب جهت تبخیر و چرخاندن توربین ها است. اما تفاوت اصلی میان این دو، نحوه ایجاد گرمایش است.

حین دریافت انرژی از سوخت های فسیلی، واکنش سوختن انجام می شود اما در رآکتور هسته ای، شکافت صورت می پذیرد و یک اتم تقسیم به دو شده و انرژی فراوانی آزاد می کند. شکافت هسته ای به طور طبیعی هر روز انجام می شود. برای مثال، اورانیوم با نرخ سرعت پایینی مرتبا و خود به خود شکافت انجام می دهد. به همین دلیل اورانیوم تشعشعات دارد.

اورانیوم یک عنصر متداول در کره زمین است و از ابتدای شکل گیری کره خاکی وجود داشه. در حالی که چندین و چند مدل اورانیوم داریم، اما اورانیوم-235 (U-235) مهم ترین عامل در ایجاد انرژی هسته ای و البته بمب هسته ای است.

اورانیوم-235 به صورت خود به خود با تابش پرتوی آلفا از هم می پاشد. یک ذره آلفا متشکل شده از دو نوترون و دو پروتون که به یکدیگر متصل شده اند. یک نوترون کافی است تا اعتدال U-235 از بین رود. وقتی که نوترون به اورانیوم مذکور برسد جذب آن شده و اورانیوم از حالت ثبات خارج شده و سریعا به دو عنصر باریم و کریپتون تبدیل می شود.

شکافت یک اتم اورانیوم-235 تقریبا 200 میلیون الکترون ولت تولید می کند اما در هر پوند (یا تقریبا نیم کیلوگرم) از اورانیوم، میلیون ها اورانیوم وجود دارد. انرژی یک پوند اورانیوم غنی شده که انرژی زیردریایی را تامین می کند برابر است با میلیون ها بشکه گازولین.

از هم شکافتن یک اتم به تنهایی میزان قابل توجهی گرما و اشعه گاما (اشعاتی پر از فوتون های پر انرژی) تولید می کند. دو اتمی که از شکافت اورانیوم به وجود می آیند بعدها تولید اشعه بتا (الکترون های بسیار سریع) و گاما می کنند.

دانشمندان ابتدا باید نمونه ای از اورانیوم را غنی کنند تا حاوی 2 الی 3 درصد بیشتر از U-235 باشد. غنای 3 درصد برای یک نیروگاه هسته ای کافی است اما در ارتباط با سلاح هسته ای، حداقل این رقم باید به 90 درصد برسد.

برای تبدیل انرژی شکافت هسته ای به انرژی الکتریکی، نیروگاه انرژی هسته ای باید میزان انرژی تولید شده توسط اورانیوم غنی شده را کنترل کند و به آن اجازه دهد تا آب را به بخار تبدیل نماید.

اورانیوم های غنی شده معمولا در پالت هایی به اندازه 2.5 سانتی متر قرار می گیرند و قطری کمتر از چند میلی متر دارند. سپس این پالت ها درون لوله ها قرار گرفته و لوله ها به صورت یک بسته یا باندل در می آیند. باندل ها درون مخازن آبی تحت فشار قرار می گیرند. آب به عنوان یک خنک کننده مورد استفاده قرار می گیرد.

بالا و پایین آوردن لوله های کنترل به اپراتورها اجازه می دهد تا واکنش هسته ای را کنترل کنند. وقتی اپراتور بخواهد اورانیوم سریع تر واکنش دهد و گرمای بیشتری تولید کند، لوله های کنترل از باندل ها بیرون کشیده می شوند و بنابراین نوترون کمتری دریافت می کنند. برای کاهش گرما، عکس این عمل انجام می شود. اگر لوله ها تا انتها درون باندل ها فرو بروند، رآکتور خود به خود متوجه می شود که اتفاقی در حال رخ دادن است و عملیات را متوقف می کند.

باندل های اورانیومی به عنوان منابع گرمایی پر انرژی ای فعالیت می کنند. آب را گرم کرده و به بخار تبدیل می کنند و بخار هم توربین را می چرخاند که در نتیجه چرخیدن توربین، انرژی الکتریکی تولید می شود.

در برخی از نیروگاه های پیشرفته تر، بخار آب وارد چرخه دوم می شود تا دوباره از تبدیل آب به بخار استفاده شود. برتری این شیوه از آنجایی نشات می گیرد که آب یا بخار رادیواکتیو شده هیچگاه در تماس با توربین قرار نمی گیرد. همچنین، در برخی رآکتورها نیز، خنک کننده ای که با هسته رآکتور در تماس است گاز (کربن دی اکسید) یا فلز مایع (سدیم یا پتاسیم) است. این مدل رآکتورها می توانند در دماهای بالاتری هم انجام وظیفه کنند.

از رآکتور که بگذریم، به محیط بیرونی نیروگاه هسته ای می رسیم. نیروگاه هایی که با سوخت فسیلی کار می کنند نیاز به محافظت جدی دارند اما نه در حدی که یک نیروگاه هسته ای نیازمند است. معمولا یک لایه بتنی عظیم، رآکتور و تمامی محیط آن را در بر گرفته تا محیط بیرونی را از تشعشعات آن حفظ کند.

همین لایه ی بتنی هم در یک مخزن بزرگ فولادی قرار گرفته که هسته رآکتور را هم در بر می گیرد. از این ناحیه، اپراتورها و کارکنان نیروگاه می توانند مخازن سوخت را دوباره جایگزین کنند و رآکتور را راه بیاندازند. مخزن فولادی از عبور هرگونه گاز یا مایع به محیط بیرونی نیروگاه جلوگیری می کند.

ساختمان بتنی دیگری به عنوان لایه محافظ آخر ایفای نقش می کند و دور تا دور مخزن فولادی را پوشانده. این لایه به قدری مستحکم ساخته شده که در برابر زلزله یا حتی سقوط یک هواپیما هم توان ایستادن دارد. در نظر نگرفتن همین لایه محافظ ثانویه بود که سبب فاجعه چرنوبیل شد.

کارکنان در اتاق کنترل می توانند بر تمامی اعمالی که رخ می دهد نظارت داشته باشند و اگر چیزی به اشتباه رخ داد در برابر آن آمادگی کافی را پیدا کنند. در نیروگاه های هسته ای امنیت بسیار جدی گرفته می شود و کارکنان در سطح بالایی از محافظت به کار خود می پردازند.

انرژی هسته ای هیچ یک از آلودگی های زیست محیطی که نیروگاه های دیگر تولید می کنند را ندارد. نه گاز گلخانه ای درست می کند و نه سبب گرم شدن کره زمین می شود، حتی هزینه های آن هم درگیر بالا و پایین شدن قیمت نفت نمی شود.

بر اساس آمار انستیتو انرژی هسته ای، انرژی تولید شده توسط نیروگاه های هسته ای اگر قرار باشد توسط سوخت های فسیلی تولید شود، به صورت سالانه 2 میلیارد تن دی اکسید کربن وارد هوا می شود. به بیان دیگر، آنقدری که یک نیروگاه سوخت فسیلی به زمین آسیب می رساند، نیروگاه های هسته ای مضر نیستند.

علاوه بر این، میزان سوخت مصرفی از لحاظ حجمی هم بسیار تفاوت دارد. یک گرم اورانیوم، یک میلیون بار انرژی بیشتری نسبت به یک گرم سوخت فسیلی تولید می کند. این ها منافع استفاده از انرژی هسته ای هستند اما به هر حال مخالفت های بسیاری هم در ارتباط با آن وجود دارد.

پروسه به دست آوردن اورانیوم چندان ساده و بی دردسر نیست. حتی زمانی که اورانیوم از دل زمین بیرون کشیده شد، نقل و انتقال آن مبحث دیگری است. پس از مصرف را چه بگوییم؟ دیگر با سوخت های فسیلی طرف نیستیم که زباله ها را درون آب دریاها خالی کنیم. اورانیوم به شدت خطرناک و کشنده است.

به طور معمول، هر نیروگاه هسته ای در سال، 20 تن سوخت مصرف شده تولید می کند که به آن ها «ضایعات پرانرژی رادیواکتیو» گفته می شود. این عدد را که به تمام نیروگاه ها بسط بدهیم، به رقم 2 هزار تن در سال می رسیم و تمامی این ضایعات تشعشعات خاص خود را دارند که به محیط اطراف منتقل می کنند. علاوه بر ضایعات پرانرژی، «ضایعات کم انرژی رادیواکتیو» هم خود را در قالب تجهیزات و قطعات آلوده نشان می دهند.

در طول زمان، سوخت های استفاده شده مرتبا شکافت انجام می دهند و به سطح قابل قبولی از رادیواکتیویته می رسند اما این پروسه طی یکی دو سال انجام نمی شود، بلکه هزاران سال زمان می برد. حتی دسته ی دوم ضایعات هم قرن ها زمان لازم دارند. در حال حاضر، نیروگاه ها پیش از اینکه سوخت ها را درون محفظه های محکم بتنی قرار دهند به آن ها اجازه خنک شدن می دهند.

زباله ها یا ضایعات هسته ای هزینه ای گزاف در پی دارند و نگهداری از آن ها به قدری پر هزینه است که حتی ساخت یک نیروگاه آنقدر هزینه ندارد.