فرایند تولید انرژی الکتریکی از سوخت هسته‌ای و اثرات زیست محیطی

تولید برق از انرژی اتمی سالهای طولانی است در كشورهای مختلف جهان از جمله ممالك صنعتی انجام می‌شود. در حال حاضر تعداد زیادی نیروگاه اتمی در دنیا وجود دارد كه بخش مهمی از انرژی الكتریكی مورد نیاز جوامع را تولید می‌كنند.
در مقاله زیر كه به وسیله مهندس معصومه لاجوردی كارشناس شركت مهندسین دانشمند برق اصفهان تدوین شده؛ تاریخچه به كارگیری انرژی هسته‌ای در تولید برق مورد بحث و بررسی قرار گرفته است.
نیروگاهها از عرصه‌های مهم در تولید انرژی برق و یكی از محورهای عمده توسعه جوامع بشری در دوران معاصر به شمار می‌آیند. امروزه برای تولید برق، روشهای گوناگونی وجود دارد كه از مهمترین عوامل انتخاب نوع روش تولید برق می‌توان به عوامل، فنی- اقتصادی، شرایط جغرافیایی و اقلیمی منطقه و مسائل زیست‌محیطی اشاره كرد. با توجه به شرایط زیست محیطی كشورهای جهان و اثرات قابل توجه بخش انرژی بر آن، گرایش به سمت كاربرد روشهایی با كارایی بالاتر و تولید برق همراه با آلودگی كمتر مدنظر است. تمایل به كاهش مصرف سوخت‌های فسیلی و كاهش انتشار دی‌اكسیدكربن به جو زمین با استفاده از انرژیهای جایگزین از جمله انرژیهای تجدیدپذیر كه شامل انرژیهای هسته‌ای و تا حدی انرژی زمین گرمایی است رو به گسترش نهاده است.
دو روش عمده تولید الكتریسیته از انرژیهای جایگزین كه از لحاظ اقتصادی نیز با تولید برق از سوختهای فسیلی قابل رقابت است و در سراسر دنیا به طور گسترده در حال بكارگیری است، تولید برق از انرژی هسته‌ای، نیروگاههای برق آبی و سدها است. اگرچه در بسیاری از موارد با توجه به قیمت سوختهای فسیلی در اكثر نقاط جهان، از نظر اقتصادی تولید برق از سایر منابع انرژی جایگزین قابل مقایسه با سوختهای فسیلی نیست، اما با توجه به محدودیت‌های زیست‌محیطی و ملاحظات راهبردی در بسیاری از كشورهای جهان از آنها استفاده می‌شود و تحقیقات به منظور توسعه كاربرد آنها و كاهش قیمت تمام شده برق با استفاده از این منابع ادامه دارد.
نباید فراموش كرد به طور كلی تولید برق با استفاده از سوختهای فسیلی و هسته‌ای، بیشترین آلودگی را درپی دارد كه برحسب روش تولید، امكان تولید گازها، ذرات معلق، انواع پسابها و یا مواد زائد جامد و خطرناك وجود دارد و نباید اثرات زیانبار و خطرناك این مواد را بر محیط زیست از نظر دور داشت.
● تاریخچه به كارگیری انرژی هسته‌ای
در دو دهه اول و دوم قرن بیستم نظریه اینشتین، امكان تولید جرم به انرژی را برای بشر فراهم ساخت و از آغاز نیمه دوم قرن بیستم ساخت نیروگاههای هسته‌ای برای تولید الكتریسیته و نیز تولید رادیو عنصر پلوتونیوم كه در بمب اتمی و هیدروژنی كاربرد دارد، شروع شد به طوری كه تعداد نیروگاههای اتمی تا سال ۱۹۹۰ میلادی از مرز ۴۳۷ نیروگاه تجاوز كرده و مقدار انرژی تولید شده در نیروگاههای صنعتی جهان بالغ بر ۳۰۰ هزار مگاوات شد كه سهم مواد زائد تولیدی حاصل از فعالیت این نیروگاهها را نباید از نظر دور داشت، كه غالباً ایزوتوپهای سزیم ۱۳۷ و استرانسیم ۹۰ و پلوتونیوم ۲۳۹ بوده است. در نیروگاههای متكی بر پدیده پیوست (اتمی)، اتمهای سبك با یكدیگر پیوست حاصل كرده و اتمی سنگین‌تر از خود را به وجود می‌آورند، مشابه واكنشی كه در خورشید اتفاق می‌افتد. از دهه ۱۹۵۰ تاكنون، دانشمندان درصدد ایجاد دمایی در حدود میلیون درجه بوده‌اند تا واكنش پیوست را به نحو متوالی در این دما نگه دارند. بدین منظور دستگاهی به نام توكوماك (TOKOMAK) ساخته‌اند كه در آن میدان مغناطیسی بسیار شدیدی ایجاد شده و شدت جریان الكتریكی عبوری از آن در حدود ۱۵ میلیون آمپر است (جریان برق عبوری در منزل ۳۰ تا ۹۰ آمپر است). در مركز این دستگاه اتم‌های سبك در اثر میدان مغناطیسی و الكتریكی به حالت پلاسما در می‌آیند كه در چنین شرایطی هسته اتمها در دریایی از الكترونها غرق شده و اتمهای سبك آنقدر تحریك و نزدیك به یكدیگر می‌شوند كه در یكدیگر نفوذ كرده و اتم جدیدی كه هلیوم است، به وجود می‌آید كه از این گاز به عنوان خنك‌كننده راكتورهای هسته‌ای و نیز سیال توربین گازی استفاده می‌شود.
● آشنایی با نیروگاههای هسته‌‌ای (Nuclear Power Station)
ضرورت استفاده از انرژی هسته‌ای هم از نظر راهبردی و هم از نقطه نظر اقتصادی در بسیاری از كشورهای جهان در حال توسعه وجود دارد.
در نیروگاههای هسته‌ای از حرارت تولیدی از انرژی هسته‌ای برای استفاده در یك چرخه بخار یا یك چرخه گاز و بخار برای تولید الكتریسیته استفاده می‌شود كه این حرارت معمولاً از شكافت اتمهای سنگین حاصل می‌شود كه در حال حاضر از عنصر اورانیوم به عنوان سوخت هسته‌ای در نیروگاههای اتمی استفاده می‌شود. برای تولید انرژی هسته‌ای در نیروگاههای اتمی راكتورهای حرارتی مختلفی برای تولید الكتریسیته بكار می‌رود كه می‌توان به راكتورهای آب تحت فشار، راكتورهای آبی جوشان، راكتورهای خنك شونده با گاز، راكتورهای Candu و راكتورهای Magnox اشاره كرد.
در شكل یك مراحل اساسی چرخه سوخت هسته‌ای برای تولید الكتریسیته نشان داده شده است.
در حال حاضر از اورانیوم به عنوان سوخت هسته‌ای در نیروگاههای اتمی استفاده می‌شود. معادن این عنصر در طبیعت وجود دارد و به صورت متعارف استخراج و مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرد، سپس این محصولات در فرآیند فرآوری هایی قرار می‌گیرد تا از آنها به عنوان سوخته هسته‌ای استفاده شود. اورانیوم طبیعی دارای دو ایزوتوپ ۲۳۵ و ۲۳۸ است كه در نیروگاههای اتمی فقط ایزوتوپ ۲۳۵ آن كاربرد دارد، در صورتی كه این ایزوتوپ فقط ۷/۰ درصد از مقدار اورانیوم طبیعی را تشكیل می‌دهد.
در بعضی از راكتورهای هسته‌ای از اورانیوم طبیعی به عنوان سوخت استفاده می‌كنند اما اكثر راكتورهای اتمی، اورانیومی را كه قدری غنی‌ شده باشد به عنوان سوخت بكار می‌برند.
در اورانیوم قدری غنی شده، درصد ایزوتوپ ۲۳۵ افزایش یافته است. در درون راكتور، فرآیند شكافت هسته‌ای تحت كنترل انجام می‌شود، كه طی آن اورانیوم ۲۳۵ شكافته شده و به انرژی و اتمهای سبك‌تر كه به عنوان محصولات شكافت مرسوم هستند، تبدیل می‌شوند، كه بعضی از این محصولات به شدت دارای خاصیت رادیواكتیویته هستند. از اتمهای سنگین‌تر مهم، می توان به پلوتونیوم ۲۳۹ (PU) اشاره كرد كه یك ایزوتوپ پلوتونیوم است و مانند اورانیوم ۲۳۵ شكافته شده و به صورت سوخت عمل می‌كند. بعضی از ایزوتوپهای پلوتونیوم تا زمانی كه سوخت در راكتور باقی مانده باشد تحت فرآیند شكافت قرار گرفته و انرژی آزاد می‌كند. سوخت مصرف شده با خروج از راكتور حاوی اورانیوم مصرف نشده، محصولات شكافت، پلوتونیوم و یا اتمهای سنگین‌تر است كه از نظر شیمیایی امكان حل شدن سوخت مصرف شده وجود دارد و تحت فرآیندهای شیمیایی آن را فرآوری كرده و با عمل جداسازی، اورانیوم و پلوتونیوم مصرف شده از آن، مجدداً مورد مصرف قرار می‌گیرد. از طرف دیگر سوخت مصرف شده را می‌توان بدون فرآوری مستقیماً به عنوان پسماند برای فراینده دفع ارسال كرد.
● چرخه سوخت هسته‌ای و تولید برق
در نیروگاهها دو چرخه سوخت هسته‌ای كاربرد دارد كه عبارتند از:
۱) چرخه راكتور یك بار گذر نوترونی حرارتی
۲) چرخه راكتور نوترونی حرارتی با بازیافت و فرآوری سوخت
در نوع اول سوخت مصرف شده دوباره فرآوری نمی‌شود، اما ذخیره شده و در نهایت به عنوان پسماند دفع می‌گردد، در صورتی كه در چرخه نوع دوم سوخت مصرفی فرآوری شده و اورانیوم و پلوتونیوم آن از سایر محصولات شكافت جدا شده و امكان برگشت اورانیوم یا پلوتونیوم و یا هر
دو آنها به چرخه سوخت به طور مجدد وجود دارد.
در نیروگاههای هسته‌ای در یك سیكل تركیبی از گاز خنك‌كننده راكتور هسته‌ای با دمای بالا برای به گردش درآوردن توربین گازی استفاده می‌شود، كه در چنین تركیبی از راكتور و توربین، گاز هلیوم نقش خنك‌كننده راكتور و سیال توربین گازی را برعهده دارد. گاز هلیوم ابتدا وارد كمپرسور هلیوم شده، سپس داخل مدار یك مولد گشته و در آن پیش گرم شده و به راكتور هسته‌ای با دمای بالا وارد می‌شود و با دمایی حدود ۷۸۰ الی ۸۰۰ درجه سانتیگراد خارج می‌شود. با گردش توربین گازی، هلیوم در مسیر خود در مبدل، مقداری حرارت از دست داده و كمی از حرارت باقیمانده را نیز در مبدل دیگری به عنوان گرمكن آب تغذیه یك سیكل بخار از دست می‌دهد و سپس دوباره وارد كمپرسور می‌شود.
چرخه بخار در نیروگاههای هسته‌ای بسیار ساده و در ضمن دارای كمترین مرحله است. آب تغذیه پس از گرم شدن در مبدل، توسط هلیوم داغ وارد سیستم مولد بخار با استفاده از سوخت فسیلی شده و سپس به صورت بخار فوق اشباع از توربین بخار عبور نموده و در نهایت برق تولید می‌شود.
باید توجه داشت كه چرخه‌های تركیبی از تركیب سیكل بخار و گاز ایجاد می‌شوند و برای بازدهی بیشتر سوخت كه ممكن است یكسان و یا متفاوت باشد و نیز افزایش تولید برق از واحد مصرف سوخت، طراحی و ساخته می‌شوند.
در سیكل بخار می‌توان از انواع سوختهای فسیلی و در سیكل‌های گاز از سوختهای فسیلی مرغوبتر مانند گاز، نفت، گاز و یا از سوختهای هسته‌ای استفاده كرد. چنانچه در هر دو چرخه سوختهای فسیلی بكار گرفته شود، مسائل مربوط به زایدات این واحدها، نیروگاههای گازی و نیروگاههای توربین بخار را همزمان به همراه خواهد داشت.
● جمعبندی
با توجه به غیرقابل ذخیره بودن جریان الكتریسیته و افزایش تقاضا برای توان و مشكلات توزیع و طبیعت سوخت در دسترس با توجه به فواصل انتقال و سایت كردن نیروگاهها‌ (انتخاب كردن محل مناسب برای نیروگاهها)، استفاده وسیع از انرژی هسته‌ای به سوی اصلاح الگوی تغذیه موجود متمایل خواهد شد.
در مقایسه با سوخت‌های ذغال‌سنگ و نفت، ارزش انتقال سوخت هسته‌ای ناچیز است، در ضمن به دلیل مقدار استعمال كم، یك نیروگاه هسته‌ای به حدود ۴۱/۲ تن اورانیوم نیاز دارد، در صورتی كه در یك نیروگاه ذغال- سوختی ۵۰ هزار نت سوخت، سوزانده می‌شود و این در حالی است كه نیروگاههای هسته‌ای در مقایسه با نیروگاههای ذغال- سوختی و نفت – سوختی به آب خنك بیشتری نیاز دارند. بدین منظور است كه در كشور بریتانیا، تمام نیروگاههای هسته‌ای به دلیل كارایی و بازده پایین در كنار ساحل قرار داده‌اند و از آب خنك دریافت استفاده می‌كنند.
از طرف دیگر در سالهای اخیر ملاحظات منابع طبیعی و زیست محیطی، عمده اهمیت و تاثیر سایتینگ، هزینه ساختار و عملكرد كارخانجات تولیدی را نیز برعهده گرفته است. از سوی دیگر باید به مشكلات حاصل از زائدات مراكز تولید انرژی هسته‌ای كه باعث ایجاد اثرات زیانبار در جوامع می‌شود، توجه خاص كرد، مشكلاتی كه گسترش آنها به كیفیت تولید انرژی هسته‌ای بستگی دارد.

مهندس معصومه لاجوردی- شركت مهندسین دانشمند برق اصفهان
منابع:
۱- كتاب مدیریت زیست محیطی نیروگاهها- سازمان بهره‌وری انرژی ایران (سابا)
۲- كتاب اثرات توسعه انرژی بر زیست بوم- دكتر محمدعلی عبدلی- مركز مطالعات انرژی ایران
۳- استفاده از سایتهای اینترنتی

منبع : ماهنامه پیک برق