تولید نیروی اتمی

سوختن سوخت های فسیلی (زغال ،نفت وگاز) برای تولید الكتریسیته از قبل از قرن بیست ویكم استفاده می شد.برای بیشتر از ۳ دهه یك سوخت غیر فسیلی ،اورانیوم ،برای تولآید الكتریسیته استفاده می شود اولین دستگاه نیروی اتمی در سال ۱۹۵۷ در شیپینگپورت ،پنسیلوانیا بصورت تجاری بكار افتاد .از آن به بعد ،استفاده الكتریسیته تولیدی اتم در برخی کشورها رشد داشته است .
صنعت نیروی اتمی آمریكا ،به ركورد چهارمین سال متوالی سطوح تولید نیرو در طول سال ۲۰۰۲ رسید .كل نیروی هسته ای ۱/۷۸۰بیلیون كیلو وات ساعت بود ،حدود ۵/۱ درصد ركورد قبلی از ثابت ۸/۷۶۸ كیلو وات ساعت در ۲۰۰۱ بالا رفت .این رشد مدام در یك صنعت را نشان می دهد كه كمتر از ۶۰۰ بیلیون كیلووات ساعت در سال پیش از ۱۹۹۱ را تولید كرده بود .
این ركورد یا ثبت علاوه بر این حقایقی را كب كرده بود كه رقم های كلی واكنش گر های تجاری از ۱۱۱ واكنش گر در سال ۱۹۹۰ هم اكنون به ۱۰۴ واكنش گر كاهش یافته اند ركورد از میان استفاده زیاد ظرفیت هسته ای موجود بدست آمده است .فاكتورضریب ظرفیت شبكه سالیانه تخمینی ۷/۹۰ درصد در طول سال ۲۰۰۲ در مقایسه با ۴/۸۹ درصد در سال ۲۰۰۱و ۶۶ در صد در سال ۱۹۹۰ بود.
● تولید الكتریسیته اتمی ۲۰۰۳-۱۹۷۶
دستگاههای نیروی اتمی ، به فرایند شكافت اتمی اعتماد دارند . در این فرایند، هسته اتم سنگین ، نظیر اورانیوم . زمانیكه كه توسط نوترون های آزاد در راكتور اتمی بمباران می شود ، شكافته می شود . (۱) فرایند شكافت اتمهای اورانیوم ، دو اتم كوچكتر آزاد می كند ، ۱ تا ۳ نوترون آزاد به علاوه مقداری انرژی .
زیرا نوترون های آزاد بیشتری از یك شكافت اورانیوم نسبت به آنهایی كه برای شكافت هستند ، آزادی می شوند و آهنش می تواند خود نگه دار باشد . یك واكنش زنجیری تحت شرایط كنترل شده ، بنابراین مقدار خیل زیاد انرژی انرژی تولید می كند . اورانیوم به صورت تركیبی با مقادیر كم كم عناصر دیگر وجود دارد .
از لحاظ اقتصادی نشتهای اورانیوم قابل بازیافت اساسا در غرب ایالت متحده ، استرالیا ، كانادا ، آفریقا و آمریكای جنوبی كشف شده اند ، یك تن كانسار اورانیوم در ایالات متحده در حدود ۷ پوند اكید اورانیوم )) آزاد می كند . كانسار اورانیوم ابتدا از لحاظ شیمیایی باید فرآوری ، غنی و به صورت ساچمه هایی در آید تا قابل استفاده به صورت سوخت باشد .
ساچمه های سوختی اورانیوم در میله های خالی كه میله سوختی نامیده می شود ، بار زده می شوند . صدها میله سوختی تجمعات سوخت تشكیل می دهند كه با میله های كنترل در داخل هسته راكتور اتمی جای داده میشوند و سپس به صورت نصفه با آب تركیب می شود . نظیر سوختهای فسیلی ، نتیجه سوخت اورانیوم تولید گر ما می باشد كه آب را به بخار تبدیل می كند . بخار ، پروانه ها را در توربین مرتبط با یك ژنراتور الكتریكی می گرداند . بنابراین ، گرما به طور متفاوت در یك راكتور اتمی نسبت به دستگاه نیروی سوخت فسیلی تولید می شود .
هسته اتم شامل تركیبی از پروتون و نوترون می باشد كه دارای وزن مشابه می باشند . انرژی در یك راكتور هسته ای از فرایندی كه شكافت هسته ای نامیده می شود ، ناشی می شود ، به این ترتیب كه یك نوترون با هسته یك اتم اورانیم تصارم می كند و جذب میشود . جذب نوترون باعث ناپایداری هسته می شود ، و باعث می شود تا به دو اتم با عناصر سبك تر شكسته شود و گرما و نوترون های جدید آزاد كند .
گرما برای تولید الكتریسیته استفاده می شود ، هنگامیكه نوترون احتمالا توسط اتم های دیگر اورانیوم جذب میشود ، نتیجه آن شكافت بیشتر هسته ای می باشد . این فرایند متوالی شكافت واكنش زنجیری نامیده می شود . این فرایند متوالی و پی در پی می باشد ، زیرا برای هر اتم اورانیوم شكافت شده توسط یك نوترون ، نوترون های جدید آزاد می شود كه فرایند را ادامه می دهند .
● انرژی اتمی (اورانیوم)انرژی ناشی شده از اتم ها:
نیروی اتمی شامل ۲۰ درصد از مجموع الكتریسیته تولید شده در آمریكا می شود ،یك مقدار قابل مقایسه باهم الكتریسیته استفاده شده،در كالیفر نیا،تكزاس ونیویورك كه سه ایالت پر جمعیت می باشند .در سال ۲۰۰۱ ، ۶۶ دستگاه نیروی اتمی (متشكل از ۱۰۴ راكتور اتمی پر وانه دار )در سر تا سر ایالات متحده وجود داشت كه اكثراًَ در ساحل شرقی ودر غرب میانه وجود داشت .یك دستگاه نیروی اتمی اساساً روش مشابه ای نظیر دستگاه سوخت فیل ،بایك تفاوت می باشد ،منبع گرما .
فرایندی كه گرما برای راكتور اتمی تولید می كند ،شكافت یا واپاشی اتمهای اورانیوم می باشد .این گرما آب را به جوش می آورد تا بخار برای گرداندن ژنراتور تور بین بسازد ،نظیر دستگاه سوخت فیلی .بخشی كه گرما تولید می شود هسته راكتور نامیده می شود.
● سوخت اتمی
اتم ها از سه جزءاصلی تشكیل شده اند .پروتون ،نرترونوالكترونؤمعمولی ترین اتم قابل شكافت ایزوتوپ (عضو ویژه خانواده اتمی)اورانیوم كه تحت عنوان اورانیوم ۲۳۵(۲۳۵-U )معروف است و سوخت مورد استفاده در بیشتر انواع راكتور های اتمی میباشد.
اگر چه كاملاً معمولی می باشد ،در حدود ۱۰۰ برابر معمولتر از نقره ،۲۳۵-U نسبتاً كمیاب می باشد.بیشتر اورانیوم آمریكا ایالات متحده غربی استخراج شدهاند .چون اورانیوم بصورت ۲۳۵-U استخراج می شود ،ابتدا باید كوچكتر و فر آوری شود قبل از اینكه بصورت سوخت قابل استفاده باشد .در حالت نهایی قابل استفاده سوخت اتمی بشكل ساچمه های سفتی با یك اینچ طول خواهد بود كه می تواند تقریباً مقدار مساوی الكتریسیته معادل یك تن زغال تولید كند .
● انواع راكتورها
همان طور كه راههای زیادی برای طراحی وساخت هواپیما ها و اتو مبیل ها وجود دارد، مهندسان انواع مختلفی از دستگاههای نیروی اتمی را گسترش داده اند:دو نوعی كه در آمریكا استفاده می شود ،راكتورآ-جوشان(BWRS)،وراكتور آب تحت فشار ،PWRS)درBWR،آب گرم شده توسط هسته راكتور مستقیماً به بخار در ظرف راكتور تبدیل می شود وسپس باعث نیروی ژنراتور تور بین می شود .در PWR،آب در حال گذر از هسته راكتور تحت فشار قرار می گیرد ،به همین خاطر نمی تواند به بخار تبدیل شود .
یك ژنراتور بخاری یك استوانه بزرگی با هزاران لولآه در آن می باشد كه از این طریق آب رادیو اكتیو داغ می تواند جاری شود .خارج از لوله ها در ژنراتوربخار آب رادیو اكتیو نشده (یا آب تمیز )می جوشد ودر نهایت به بخار تبدیل می شود .آب تمیز از یكی از چندین منابع سر چشمه بگیرد ،اقیانوس ها ،در یا چه ها یا رودخانه ها ،آب رادیو اكتیو به هسته راكتور بر می گردد تا دوباره گرم شود تقریباً چندین درصد راكتور های كار كنننده در آمریكا از نوع PWRهستند.
راكتورهای اتمی اساساًماشین هایی هستند كه شامل زنجیره واكنش ها وآنها را كنترل می كنند،زمانی كه گرما در یك نرخ كنترل شده آزاد می شود .در دستگاههای نیروی الكتریكی ،راكتورها گرما برای تبدیل آب به وبخار تهیه می كنند كه باعث گرداندن توربین های بخار می شود .الكتریسیته از طریق خطوط انتقال به مدارس ،بیمارستانها ،كار خانه ها ،ساختمان های اداری ،سیستم های ریلی ودیگر مشتریان حمل یا پخش می شود.
▪ هسته راكتور از چهار عامل اصلی تشكیل شده است:
۱) سوخت :
سوخت اتمی شامل ساچمه هایدی اكسید اورانیوم غنی شده به فرم لوله های فلزی مدادی ضخیم و۱۲ فوت طول می باشدكه میله های سوختی نامیده می شود این میله های سوختی برای تشكیل اجتماعات سوختی بهم متصل می شوند .یك دستگاه اتمی می تواند بطور مداوم برای بیشتر از ۲ سال كار كند .برای زیاد كردن این مدت ،یك راكتور باید یك تجمع ۱۰۰ تا ۳۰۰ تایی داشته باشد .
۲) میله های كنترل:
میله های كنترل شامل موادی هستند كه سرعت واكنش وغیری را تنظیم می كند .اگر آنها از هسته بهبیرون كشیده شوند ،سرعت واكنش افزایش می یابد .اگر داخل شوند سرعت واكنش كاهش می یابد .
۳) سرد كننده:
یك سرد كننده كه معمولاًآب می باشد ،به داخل راكتور پمپ می شود تا گرمای تولید شده توسط شكافت سوختی از بین ببرد .این موضوع قابل مقایسه با آب سیستم ۵ سرد كننده ماشین ،كه گرمای تولید شده در موتور رااز بین میبرد باشد .در یك راكتور ،به اندازه ۳۳۰۰۰۰ گالن آب در هسته راكتور در هر دقیقه جاری میشود تا گرما را از بین ببرد.
۴) تعدیل كننده :
یك تعدیل كننده ،آب ،سرعت اتم را زمانی كه حركت می كند ،كند میكند .
این كاهش سرعت بطور واقعی فرصت شكافت را زیاد می كند ،بنابر این انرژی آزاد می كند .
اگر چه طراحی های مهندسی كاملاًپیچیده هستند ،اما این چهار عامل سوخت ،میله كنترل ،سرد كننده و تعدیل كننده ،اجزای اساسی راكتور هستهای می باشند .
● محیط زیست:
نظیر همه فرایند های زیست محیطی ،تولید نیروی اتمی ،مواد زائد فرعی نیز دارد :
▪ زباله های رادیو اكتیو و آب داغ:
زیرا الكتریسیته تولید شده اتمی دی اكسید كربن وارد اتمسفر نمی كند .دستگاههای نیروی اتمی در آمریكا ،از انتشار گاز های گلخانه ای به علت وجود ۵ میلیون ماشین در خیابان ها و بزرگراه ها جلو گیری می كنند .
زباله های رادیو اكتیو ،نگرانی اصلی زیست محیطی برای نیروی اتمی هستند ،بیشترین زباله های رادیو اكتیو زباله های اتمی در سطح پایین می باشند كه معمولاً اشغال ،ابزار الات ،لباسهای محافظ كننده ،لباسهای خشك كننده و مواد دور ریختنی كه با مقادیر كمی از مواد معلق و غبار های رادیو اكتیو آغشته شده اند .این مواد تابع نظم ویژه ای هستند كه ذخیره آنها را تحت كنترل دارد بنا بر این در تماس با محیط بیرونی نخواهند بود .
از طرف دیگر ،تجمعات سوختی غیر رادیو اكتیو بطور زیادی رادیواكتیو هستندو باید در استخر های طراحی شده مخصوصی شبیه به استخر های شنا (آب به سوخت را سرد و به عنوان یك صفحه پر تو افكن عمل می كند )
یا در ظرف های ذخیره خشك طراحی شده مخصوص نگهداری شوند.سوخت قدیمی تر وكم رادیو اكتیو در وسایل ذخیره خشك نگهداری می شود ،كه ما بتون مخصوص كه باعث تقویت ظرف می شود ،بسته می شود .برنامه دراز مدت بخش انرژی آمریكا،برای این سوخت معرف شده ،به این صورت است كه در اعماق زمین در یك مخزن زمین شناسی ،در كوههای یو كا .نووادا نگه داشته شود.