چگونه انرژي هسته اي تبديل به انرژي الكتريكي مي‌شود؟

فرآيند توليد انرژي الكتريكي از انرژي هسته‌اي چرخه‌ي بسيار بلندبالايي دارد. اما آخرين مرحله از توليد انرژي كه در نيروگاه هسته‌اي انجام مي‌شود، تفاوت چنداني با نيروگاهي كه در آن سوخت مورد استفاده زغال سنگ يا سوخت‌هاي فسيلي است، ندارد. تفاوت كلي سوخت هسته‌اي با ساير سوخت‌هاي مورد استفاده در نيروگاه‌ها كه شامل انواع فسيلي است، در محدوديت اين منابع سوختي است. البته بايد به تفاوت آلودگي‌ها و شدت گازهاي گلخانه‌اي منتشر شده نيز اشاره كرد.

همانطور كه اشاره كرديم، فرآيند توليد سوخت هسته‌اي توسط اورانيوم با روش توليد انرژي الكتريكي توسط ساير سوخت‌هاي فسيلي تفاوت چنداني ندارد. براي توليد انرژي از يك منبع، بايد مقداري انرژي به آن وارد كنيم تا ماده‌ي مورد انديشه متخصصين انرژي خود را به شكل بزرگ‌تر آزاد كند. براي مثال در زمان استفاده از زغال سنگ، اين ماده در معرض انرژي حرارتي قرار گرفته و پس از شعله‌‌ور شدن انرژي آن آزاد مي‌شود كه از اين انرژي براي بخار كردن آب و چرخاندن توربين‌ها استفاده مي‌شود. تفاوت در منابع انرژي مورد استفاده براي توليد انرژي الكتريكي در ميزان انرژي آزاد شده است. انرژي آزاد شده توسط سوخت هسته‌اي بسيار بيشتر بوده و مي‌تواند مقدار بسيار بيشتري انرژي الكتريكي را توليد كند. براي آزاد كردن انرژي اورانيوم كافي است با فراهم كردن شرايط مورد انديشه متخصصين، امكان شكافت هسته‌اي را ايجاد كرد تا از اين طريق انرژي آزاد شده را براي ايجاد بخار آب و چرخاندن توربين‌ها مورد استفاده قرار داد.

در صورتي كه بخواهيم ميزان انرژي الكتريكي تامين شده با استفاده از زغال سنگ و انرژي اتمي را با يكديگر مقايسه كنيم، بايد بدانيم كه انرژي توليد شده توسط چند كيلوگرم اورانيومي كه درون راكتور هسته‌اي قرار خواهد گرفت با چند تن زغال سنگ برابري مي‌كند. علاوه بر نياز به حجم بالايي از زغال سنگ براي توليد مقدار برابري از انرژي الكتريكي از طريق انجام فرآيند هسته‌اي، سوخت‌هاي فسيلي چون زغال سنگ آلودگي بسياري ايجاد كرده و بر حجم گازهاي گلخانه‌اي اضافه مي‌كنند. براي درك اين موضوع كه چگونه اين ميزان از انرژي در حجم بسيار كوچكي جمع شده، بايد سفري در تاريخ داشته و به روزهاي اول حيات روي كره‌ي زمين برويم.

در روزهاي اول حيات زمين، اين كره حال و روز ديگري داشت و ازاين رو المان‌هايي كه اين كره‌ي خاكي را تشكيل داده بودند، به تازگي در اثر انواع ابرنواخترها به وجود آمده بودند. با توجه به جوان بودن، كره‌ي زمين از وجود ايزوتوپ‌هاي راديو اكتيو متعددي بهره‌مند بود. با توجه به اينكه شمار بسيار زيادي از اتم‌ها در آن دوران در وضعيت ناپايدار بودند، از اين‌رو تشعشعات بسياري از اتم‌ها ساطع مي‌شد. پس از آنكه هر اتم به اندازه‌اي انرژي آزاد مي‌كرد به حالت پايدار مي‌رسيد.به اين فرآيند كه طي آن اتم‌ها انرژي خود را آزاد مي‌كنند تا به حالت پايدار برسند، تجزيه‌ي راديو اكتيو اطلاق مي‌شود. با گذشت زمان ايزوتوپ‌هاي پايدار كمتري اقدام به انتشار تشعشعات هسته‌اي مي‌كنند و در نتيجه‌ي تجزيه‌ي اتمي با سرعت بيشتري پس از تولد زمين، بسياري از ايزوتوپ‌ها به سمت نمونه‌هايي سنگين‌تر و كم‌انرژي‌تر سوق پيدا كرده‌اند تا آنكه مواد مختلف به وضعيت امروزي خود رسيدند.

با توجه به اينكه اغلب اتم‌ها به وفور از نوع ايزوتوپ‌هاي پايدار هستند، از اين رو شكافت هسته‌اي بسيار سخت بوده و شكستن اتم‌ها در فرآيندي كه با نام فيسيون شناخته مي شود، بسيار اشكال است. چاره‌ي شكافت اتم‌ها و دريافت ميزان عظيمي از انرژي حاصل از اين فرايند، استفاده از موادي است كه اتم‌هاي آن‌ها داراي انرژي زيادي بوده و سطح انرژي بالايي براي شكافته شدن دارند. اين روزها اورانيوم به عنوان سوخت اصلي در راكتورهاي هسته‌اي مورد استفاده قرار مي‌گيرد، البته اين ماده نيز داراي ايزوتوپ‌هاي مختلفي است كه شماري قابليت شكافت بالاتري دارند، از اين‌رو براي بالا بردن خلوص ايزوتوپي از اورانيوم كه مي‌توان آن را با صرف انرژي پايين‌تري وارد فرآيند شكافت كرد، مباحثه غني سازي اورانيوم پيش مي‌آيد.

پس از آنكه اورانيوم به درصد خلوص ايده‌آل براي وارد شدن به چرخه‌ي شكافت رسيد، مي‌توان اين فرآيند را درون راكتور هسته‌اي آغاز كرد تا بتوان از انرژي آزاد شده به منظور تامين نيروي برق استفاده كرد. اين بخش از چرخه‌ي توليد انرژي آسان‌ترين بخش در فرآيند توليد انرژي از اين طريق است. شكافت هسته‌اي تشعشعات بسياري را به همراه دارد كه البته در كنار آن انرژي بسياري بالايي نيز آزاد مي‌شود كه همين فاكتور دليل اصلي استفاده از انرژي هسته‌اي است. براي آغاز چرخه‌ي شكافت هسته‌اي كافي است تا يك نوترون در كنار اتم‌هاي اورانيوم با خلوص مشخص شده قرار گيرد؛ در اين حالت شاهد آغاز شكافت هسته‌هاي اورانيوم خواهيم بود كه در نتيجه‌ي آن انواع تشعشعات هسته‌اي، انرژي و نوترون‌هاي بيشتر آزاد مي‌شوند كه همين آزاد شدن نوترون‌ها باعث تسريع فرايند شكافت هسته‌اي مي‌شود.

 اما مساله‌اي كه در اين مرحله پيش مي‌آيد، نحوه‌ي كنترل نوترون‌هاي آزاد شده به منظور انجام فرآيند شكافت بصورت ادامه دار است. دو راهكار براي كنترل سرعت نوترون‌ها مورد استفاده قرار مي‌گيرد كه شامل استفاده از راكتورهاي آب سنگين و آب سبك است. در صورتي كه سرعت پخش شدن نوترون‌ها در راكتور بسيار افزايش پيدا كند، نمي‌توان فرآيند شكافت و در نتيجه دريافت انرژي را به درستي انجام داد. در راكتورهاي آب سبك، از آب معمولي براي خنك كردن راكتور و همچنين جذب نوترون‌هاي حرارتي استفاده مي‌شود. اين راكتورها را بايد با استفاده از اورانيومي كه تا خلوص ۳ تا ۵ درصد غني سازي شده، تغديه كرد.

در مورد راكتورهاي آب سنگين، وضعيت تا حدودي متفاوت است. در اين راكتورها به جاي استفاده از آب معمولي، از آب سنگين كه هزينه‌ي توليد بالايي نيز دارد، استفاده مي‌شود. در آب سنگين از ايزوتوپ‌هاي سنگين‌تر هيدروژن استفاده مي‌شود كه همين امر باعث جذب مقدار بيشتري از نوترون‌هاي آزاد شده مي‌شود. استفاده از آب سنگين اين امكان را در اختيار متخصصان قرار مي‌دهد تا راكتور را با اورانيومي كه غني سازي نشده، وارد چرخه‌ي شكافت و در نتيجه توليد انرژي كنند. با توجه به اينكه در راكتور آب سنگين خبري از غني سازي اورانيوم نيست، از اين‌رو هزينه‌ي توليد آب سنگين نيز چندان زياد به انديشه متخصصين نمي‌رسد.

در هر دو حالت از آب براي خنك كردن راكتور استفاده مي‌شود، بطوريكه آب با جذب نوترون‌ها و همچنين انرژي توليد شده تبديل به بخار شده و اين بخار با فشار پره‌هاي توربين قرار گرفته در مسير را حركت مي‌دهد كه نتيجه‌ي آن توليد انرژي الكتريكي است.

البته شمار ديگري از راكتورها نيز طراحي شده‌اند كه از جمله‌ي آن‌ها مي‌توان به راكتورهاي نمك گداخته اشاره كرد. در اين راكتورها از نمك گداخته براي خنك كردن سيستم استفاده مي‌شود كه اين موضوع امكان فعاليت در دماي بالاي عملياتي را بدون افزايش فشار سيستم ممكن مي‌كند. بسياري ار متخصص كارشناسان، استفاده از توريم را به عنوان سوخت هسته‌اي پيشنهاد مي‌دهند. توريم در مقايسه با اورانيوم يا پلوتونيوم زباله‌ي هسته‌اي كمتري را توليد مي‌كند. همانطور كه مي‌دانيد زباله‌هاي هسته‌اي خود خطر بسيار بالايي دارند.

 در طول ساليان اخير تدابير امنيتي ويژه‌اي براي كنترل فرايند سوخت هسته‌اي به نيروگاه‌هاي اتمي اضافه شده و مورد استفاده قرار گرفته است. اين تدابير شامل پيش‌بيني ايجاد زيرساخت‌هاي همراهي از راكتورهاي هسته‌اي در لحظات بحراني است. براي مثال مي‌توان به نيروگاه فوكوشيما اشاره كرد كه طي نفوذ آب براثر سونامي به ارتفاع ۱۵ متر، ژنراتورهاي ديزلي آن از كار افتاده و دراثر عدم پمپاژ آب، راكتور‌هاي فعال در اين نيروگاه با افزايش بيش از حد دما دچار حادثه شدند. در حال حاضر بسياري از راكتورهاي مورد استفاده داراي كليدي با نام ايست هستند كه در صورت ايجاد بحران وارد عمل شده و سوخت هسته‌اي از طريق فعال شدن اين كليد از راكتور خارج مي‌شود.

تنها خطري كه يك نيروگاه هسته‌اي را تهديد مي‌كند، عدم مديريت و كنترل فرآيند شكافت هسته‌اي درون راكتور است. در صورتي كه اين فرآيند از كنترل خارج شده و نتوان شكافت هسته‌اي را در راكتور كنترل و مديريت كرد، دما با سرعت بالايي افزايش يافته و نهايتا شاهد سرنوشتي شبيه به نيروگاه فوكوشيماي ژاپن خواهيم بود. بحران هسته‌اي ابعاد خطرناك بسيار گسترده‌اي دارد كه بشر تاكنون دو بار شاهد آن بوده است. گسترده‌ترين حادثه‌ي روي داده در نيروگاه‌هاي اتمي، مربوط به نيروگاه چرنوبيل در زمان جنگ سرد است كه شكافت هسته‌اي به بيرون از راكتور منتقل شد و انفجار عظيم منطقه‌ي بزرگي را آلوده كرد. اما در فوكوشيما بخش بزرگي از شكافت هسته‌اي در داخل راكتور آسيب ديده انجام شد و اثرات زيانبار چندان گسترده‌اي متوجه محيط اطراف نشد.

با در انديشه متخصصين گرفتن خطرات ناشي از نيروگاه‌هاي هسته‌اي، شماري از متخصص كارشناسان و متخصصان در حوزه‌ي انرژي، استفاده از انرژي‌هاي تجديد پذير را پيشنهاد مي‌دهند. ژاپني‌ها نيز پس از زلزله‌ي بزرگي كه منجر به انفجار نيروگاه اتمي فوكوشيما شد، بيش از پيش به اين حوزه علاقمند شده‌اند. شماري از كشورهاي اسكانديناوي اين روزها بخش بزرگي از انرژي مورد نياز خود را بايد از طريق توربين‌ها تامين كنند. آيا مي‌توان در سال‌هاي آينده شاهد گسترش استفاده از انرژي‌هاي تجديد‌پذير باشيم؟ انديشه متخصصين شما در اين باره چيست؟