موضوع مقاله: نیروگاه هسته‌ای | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # نیروگاه هسته‌ای | مقدمه: 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. | ## بخش 1: نیروگاه هسته‌ای | 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. بنا بر آمارگیری جهانی معادن شناخته شده جهان در حال حاضر برای تأمین بیش از ۷۰ سال انرژی الکتریکی جهان کافی هستند. 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. 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. منشأ در سال ۱۹۳۸ زمانی‌که شیمیدان آلمانی اتو هان و فریتس اشتراسمان فیزیکدان اتریشی لیزه میتنر و اتو روبرت فریش در حال آزمایش بر روی اورانیوم بمباران شده بودند متوجه شدند که نوترون شلیک شده می‌تواند نتیجه‌ای باورنکردنی داشته باشد و هسته اورانیوم را به دو یا چند قسمت تقسیم کند. بعدها دانشمندان زیادی (و در صدر آن‌ها لیو زیلارد) دریافتند که پخش تعدادی نوترون در فضا هنگام یک شکافت هسته‌ای می‌تواند واکنشی زنجیره‌ای را از این قابلیت به وجود آورد. این کشف دانشمندان را در برخی کشورها (از جمله ایالات متحده، انگلستان، فرانسه، آلمان و اتحاد جماهیر شوروی) بر آن داشت تا از دولت‌های خود برای ادامه پژوهش‌ها در این زمینه درخواست پشتیبانی مالی کنند. انرژی هسته‌ای 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. این پروژه (که با نام Chicago Pile-1 شناخته شد) با فوریت تمام در ۲ دسامبر ۱۹۴۲ به بهره‌برداری رسید و بعدها به بخشی از پروژه منهتن تبدیل شد. طی این پروژه رآکتورهای بزرگی را برای دستیابی به پلوتونیوم و استفاده از آن در سلاح هسته‌ای در هانفورد واشینگتن راه‌اندازی کردند. پس از جنگ جهانی دوم دولت ایالات متحده که می‌ترسید پژوهش‌های هسته‌ای باعث گسترش دانش هسته‌ای و در نتیجه سلاح هسته‌ای شود کنترل‌های سخت‌گیرانه‌ای در مورد پژوهش‌های هسته‌ای اعمال کرد و به‌طور کلی بیشتر پژوهش‌های هسته‌ای بر روی اهداف نظامی متمرکز شوند. در ۲۰ دسامبر ۱۹۵۱ برای نخستین بار در یک پایگاه آزمایشگاهی با نام EBR-I از رآکتور هسته‌ای برای تولید انرژی الکتریکی (در حدود ۱۰۰ کیلووات) استفاده شد. آزمایشگاه ملی آیداهو در ۱۹۵۴ لوییس اشتراوس و پس از آن چیرمن رئیس کمسیون انرژی اتمی ایالات متحده آمریکا دربارهٔ تولید انرژی الکتریکی به وسیله انرژی هسته‌ای گفتگوهایی را انجام دادند و در رابطه با تولید انرژی الکتریکی ارزان‌تر مطالبی را شرح دادند. اما مسئولان آن زمان ایالات متحده به دلیل بدگمانی دربارهٔ انرژی هسته‌ای بیشتر تمایل داشتند تا از همجوشی هسته‌ای برای این کار استفاده کنند و بنابراین فرصت را از دست دادند. سرانجام در ۲۷ ژوئن ۱۹۵۴ نخستین نیروگاه هسته‌ای جهان که به شبکه برق متصل گردید در اتحاد جماهیر شوروی به بهره‌برداری رسید. در ۱۹۵۶ اولین نیروگاه تجاری هسته‌ای جهان در انگلستان به بهره‌برداری رسید که توانی در حدود ۵۰ مگاوات تولید می‌کرد. یکی از سازمان‌هایی که برای نخستین بار شروع به توسعه دانش هسته‌ای کرد نیروی دریایی ایالات متحده آمریکا بود که در نظر داشت از انرژی هسته‌ای به عنوان سوخت زیردریاییها و ناوهای هواپیمابر استفاده کند. عملکرد مناسب این سازمان و پافشاری دریاسالار هیمن ریکوور باعث شد تا سر انجام نخستین زیردریایی اتمی جهان با نام ناتیلوس در دسامبر ۱۹۵۴ به آب انداخته شود. همان‌طور که در نمودار مشخص است رشد استفاده از انرژی هسته‌ای در اواسط دهه ۱۹۸۰ به شدت کاهش یافته‌است. پیشرفت با راه‌اندازی نخستین نیروگاه‌های هسته‌ای، بهره‌برداری از این نیروگاه‌ها شتاب گرفت به‌طوری‌که استفاده از برق هسته‌ای از کمتر از ۱ گیگاوات در دهه ۱۹۶۰ به بیش از ۱۰۰ گیگاوات در دهه ۱۹۷۰ و نزدیک به ۳۰۰ گیگاوات در اواخر دهه ۱۹۸۰ رسید. البته در اواخر دهه ۱۹۸۰ از شتاب رشد استفاده از برق هسته‌ای به شدت کاسته شد و به این ترتیب به حدود ۳۶۶ گیگاوات در سال ۲۰۰۵ رسید که بیشترین گسترش پس از دهه ۱۹۸۰ مربوط به جمهوری خلق چین است. | ## بخش 2: نیروگاه هسته‌ای | باید به این نکته نیز اشاره کرد که بیش از دو سوم از طرح‌های مربوط به احداث نیروگاه هسته‌ای که شروع اجرای آن‌ها پس از ۱۹۷۰ بود، لغو شدند. در طول دهه‌های ۱۹۷۰ و ۱۹۸۰ کاهش قیمت سوخت‌های فسیلی و افزایش قیمت ساخت یک نیروگاه هسته‌ای از تمایل دولت‌ها برای ساخت نیروگاه هسته‌ای به شدت کاست. با این حال تلاش‌ها در برابر گسترش نیروگاه‌های هسته‌ای تنها در برخی کشورهای اروپایی، فیلیپین، نیوزیلند و ایالات متحده موفق بوده‌است Retrieved on 2008-06-21. و در عین حال در این کشورها نیز این جنبش‌ها نتوانستند پژوهش‌های هسته‌ای را متوقف کنند و پژوهش‌های مربوط به انرژی هسته‌ای کماکان ادامه دارد. در بسیاری از کشورهای دیگر جهان نیز طرح‌های وسیعی برای گسترش استفاده از انرژی هسته‌ای در حال تدوین است. تعداد رآکتورهای هسته‌ای در جهان در سال ۲۰۱۵ میلادیانرژی هسته‌ای: راه فردا یا بیراهه دیروز؟ در یک نیروگاه هسته‌ای این گرما از شکافت هسته‌ای که در داخل رآکتور صورت می‌گیرد تأمین می‌شود. هنگامی که یک هسته نسبتاً بزرگ قابل شکافت مورد برخورد نوترون قرار می‌گیرد به دو یا چند قسمت کوچک‌تر تقسیم می‌شود و در این فرایند که به آن شکافت هسته‌ای می‌گویند تعدادی نوترون و مقدار نسبتاً زیادی انرژی آزاد می‌شود. نوترون‌های آزاد شده از یک شکافت هسته‌ای در مرحله بعد خود با برخورد به دیگر هسته‌ها موجب شکافت‌های دیگری می‌شوند و به این ترتیب یک فرایند زنجیره‌ای به وجود می‌آید. زمانی که این فرایند زنجیره‌ای کنترل شود می‌توان از انرژی آزاد شده در هر شکافت (که بیشتر آن به صورت گرماست) برای تبخیر آب و چرخاندن توربین‌های بخار و در نهایت تولید انرژی الکتریکی استفاده کرد. در صورتی که در یک رآکتور از سوختی یکنواخت اورانیوم-۲۳۵ یا پلوتونیوم-۲۳۹ استفاده شود بر اثر افزایش غیرقابل کنترل تعداد شکافت‌های هسته‌ای بر اثر فرایند زنجیره‌ای، انفجار هسته‌ای ایجاد می‌شود. اما فرایند زنجیره‌ای موجب ایجاد انفجار هسته‌ای در یک رآکتور نخواهد شد چرا که تعداد شکافت‌های رآکتور به اندازه‌ای زیاد نخواهد بود که موجب انفجار شوند و این به دلیل درجه غنی‌سازی پایین سوخت رآکتورهای هسته‌ای است. اورانیوم طبیعی دارای درصد اندکی (کمتر از ۱٪) از اورانیوم-۲۳۵ است و بقیه آن اورانیوم-۲۳۸ است (زیرا اورانیوم-۲۳۸ توانایی شکافت‌پذیری نداردکتاب انرژی اتمی نوشته اریک اوبلاکر انتشارات قدیانی). اکثر رآکتورها نیروگاه‌های هسته‌ای از اورانیوم با درصد غنی‌سازی بین ۳٪ تا ۴٪ استفاده می‌کنند اما برخی از آن‌ها طوری طراحی شده‌اند که با اورانیوم طبیعی کار کنند و برخی از آن‌ها نیز به سوخت‌های با درصد غنی‌سازی بالاتر نیاز دارند. رآکتورهای موجود در زیردریایی‌های هسته‌ای و کشتی‌های بزرگ مانند ناوهای هواپیمابر معمولاً از اورانیوم با درصد غنی‌سازی بالا استفاده می‌کنند. با اینکه قیمت اورانیوم با غنی‌سازی بالاتر بیشتر است اما استفاده از این نوع سوخت‌ها دفعات سوختگیری را کاهش می‌دهد و این قابلیت برای کشتی‌های نظامی بسیار پراهمیت است. راکتورهای CANDU قابلیت دارند تا از اورانیوم غنی‌نشده‌استفاده کنند و دلیل این قابلیت استفاده آب سنگین به جای آب سبک برای تعدیل‌سازی و خنک‌کنندگی است چراکه آب سنگین مانند آب سبک نوترون‌ها را جذب نمی‌کند. کنترل فرایند شکافت زنجیره‌ای با استفاده از موادی که می‌توانند نوترون‌ها را جذب کنند (در اکثر موارد کادمیوم) ممکن می‌شود. سرعت نوترون‌ها در رآکتور باید کاهش یابد چراکه احتمال اینکه یک نوترون با سرعت کمتر در لحظه تصادم با هسته اورانیوم-۲۳۵ موجب شکافت هسته‌ای گردد بیشتر است. در رآکتورهای آب سبک از آب معمولی برای کم کردن سرعت نوترون‌ها و همچنین خنک کردن رآکتور استفاده می‌شود. اما زمانی که دمای آب افزایش می‌یابد چگالی آب کاهش می‌یابد و سرعت تعداد کمتری نوترون به اندازه کافی کم می‌شود و به این ترتیب تعداد شکافت‌های کاهش می‌یابند بنابراین یک بازخور منفی همیشه ثبات سیستم را تثبیت می‌کند. در این حالت برای آنکه بتوان دوباره تعداد شکافت‌های صورت گرفته را افزایش داد باید دمای آب را کاهش داد که به این کار ایجاد چرخه شکافت می‌گویند. 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 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. 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. طبق آمارگیری جهانی معادن شناخته شده جهان در حال حاضر برای تأمین بیش از ۷۰ سال انرژی الکتریکی جهان کافی هستند. | ## بخش 3: نیروگاه هسته‌ای | 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. 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. 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. خرج تولید الکتریسیته با نیروی هسته‌ای در سال ۲۰۰۷ حدود ۰٫۰۱۷۶ دلار برای هر کیلووات ساعت بود، در صورتی‌که این مقدار برای زغال‌سنگ، گاز طبیعی، و نفت به ترتیب ۰٫۰۲۴۷ دلار، ۰٫۰۶۷۸ دلار، و ۰٫۱۰۲۶ دلار بود. امنیت نیروگاه هسته‌ای از خطرهایی که همواره بیم آن می‌رود، حمله احتمالی تروریستی به نیروگاه‌های هسته‌ای است، چرا که با انفجار نیروگاه محوطه‌ای به شعاع ۲۰ کیلومتر به‌شدت آلوده می‌شود و هیچ موجود زنده‌ای را باقی نمی‌گذارد و در اثرات تخریبی ژنتیکی تا ۱۰ نسل را بر روی محوطهٔ بزرگتری در حدود شعاع ۴۰ کیلومتر باقی خواهد گذاشتکتاب انرژی اتمی نوشته دکتر اریک اوبلاکر انتشارات قدیانی با وجود نگرانی عمومی نسبت به امنیت نیروگاه‌های هسته‌ای، این نیروگاه‌ها به علت تدابیر ایمنی سخت‌گیرانه، به نسبت گستردگی‌شان منجر به تلفات ناچیزی شده‌اند. آمار نشان می‌دهد در عمل تعداد مرگ ناشی از سوانح مربوط به انرژی هسته‌ای به نسبت واحد انرژی تولید شده، بسیار کمتر از انواع دیگر انرژی بوده‌است. در این راستا، آدمیرال هیمن ریکوور برای نخستین بار این ایده را در نیروی دریایی ایالات متحده آمریکا پیاده و عملی نمود. امروزه اکثر ناوها و تجهیزات نیروی دریایی آمریکا از نیروگاه‌های متراکم PWR استفاده می‌کنند. پسماند هسته‌ای نیروگاه‌ها یافتن راهی ارزان و ایمن برای انبار کردن زباله‌های هسته‌ای چالشی پراهمیت در زمینه چرخه سوخت هسته‌ای است زیرا این ضایعات تا ۱۰٬۰۰۰ سال نیز تشعشعات خطرناک دارند نگرانی‌های محیط زیستی مهمترین مسئله‌ای که مخالفان انرژی هسته‌ای بیان می‌دارند امنیت محیط زیستی نیروگاه هسته‌ای است زیرا فعالیت هسته‌ای می‌تواند مانند سایت هنفورد آلایش شدید محیط زیستی از خود باقی گذارد، یا با اشتباه و نقص فنی فجایعی مانند فاجعه چرنوبیل قابلیت رخ دادن خواهند داشت. با اینحال برخی مطالعات حاکی از قابل مقایسه بودن دیگر صنایع تولید انرژی با نیروگاه‌های هسته‌ای می‌باشند. حوادث هسته‌ای حادثه تری مایل آیلند (۱۹۷۹) در سال ۱۹۷۹ بخشی از هسته اصلی واحد ۲ در نیروگاه تری مایل آیلند در ایالت پنسیلوانیا در آمریکا ذوب شد که باعث نشت ۳ میلیون کوری گاز رادیواکتیو به بیرون از نیروگاه گردید. پس از حادثه تری مایلی آیلند، ساخت نیروگاه‌های هسته‌ای برای مدتی در آمریکا متوقف شد. حادثه چرنوبیل (۱۹۸۶) حادثه چرنوبیل در سال ۱۹۸۶ و در چرنوبیل (در شوروی سابق و اوکراین کنونی) اتفاق افتاد به‌طوری‌که نیروگاه در ساعت 24 :1بامداد از کنترل خارج شد و بتن آرمه یک متری گنبد را ذوب نمود و اتفاقات پس از آن موجب شد تا در کل اروپا وضعیت اضطراری اعلام شود.کتاب خطر تشعشعات هسته‌ای انتشارات آستان قدس رضوی فصل اول حادثه فوکوشیما (۲۰۱۱) حادثه نیروگاه فوکوشیما دای‌ایچی ، در ۱۱ مارس ۲۰۱۱ و در پی زلزله 9.1 ریشتری و سونامی پیامد آن در ژاپن رخ داد. طی این حادثه از ۶ نیروگاه BWR فوکوشیما داییچی، ۳ نیروگاه که در حال کار بودند در اثر قطع برق شبکه و از کار افتادن دیزل‌های اضطراری آسیب جدی دیده و دچار ذوب قلب شدند. همچنین استخر سوخت‌های مصرف شده رآکتور شماره ۴ نیز با قطع خنک‌کاری و آسیب سوخت‌ها مواجه شد. انفجار هیدروژن در واحدهای شماره ۱ و ۳ باعث آسیب به ساختمان رآکتور و امکان نشت مواد رادیواکتیو به خارج از آن شد. مقادیری مواد رادیواکتیو به اقیانوس و هوا آزاد شده‌است و تخمین زده می‌شود مقدار مواد رادیواکتیو وارد شده به محیط حدود ۱۰ درصد حادثه چرنوبیل خواهد بود. نیروگاه‌های هسته‌ای در ایران برنامه هسته‌ای ایران در دهه ۱۹۵۰ با کمک ایالات متحده به عنوان بخشی از برنامه «اتم برای صلح» آغاز شد. | ## جمع‌بندی | اما به دلیل مناقشات به وجود آمده بعد از انقلاب ایران مشکلاتی در زمینه بهره‌برداری آن رخ داد.