نیروگاه برق هسته ای چگونه کار میکند؟ (آموزش جامع)
محتویات
ما می توانیم با استفاده از انرژی هسته ای برق تولید کنیم. در نیروگاه هسته ای با واکنش هسته ای انرژی الکتریکی تولید می شود. در این نیروگاه، عناصر رادیواکتیو سنگین مانند اورانیوم (U235) یا توریم (Th232) در معرض شکافت هسته ای قرار می گیرند. این شکافت در دستگاه خاصی به نام راکتور انجام می شود.
شکافت هسته ای چیست؟
در فرآیند شکافت، هسته های اتم های رادیواکتیو سنگین به دو قسمت تقریباً مساوی تقسیم می شوند. در طی شکستن هسته ها، مقدار زیادی انرژی آزاد می شود. این آزاد شدن انرژی به دلیل کمبود جرم ماده است. این به این معنی است که جرم کل ماده اولیه در طول شکافت کاهش می یابد. طبق معادله معروف آلبرت انیشتین، این کاهش جرم در طول شکافت به انرژی گرمایی تبدیل می شود.
یک نیروگاه هسته ای مانند یک نیروگاه حرارتی معمولی است. تنها تفاوت آن در این است که، به جای استفاده از گرمای تولید شده در اثر احتراق زغال سنگ، از گرمای تولید شده در اثر شکافت هسته ای برای تولید بخار از آب در بویلر استفاده می شود. از این بخار برای چرخاندن توربین بخار استفاده می شود.
این توربین محرک اصلی ژنراتور است. این ژنراتور انرژی الکتریکی تولید می کند. اگرچه در دسترس بودن سوخت هسته ای زیاد ممکن نیست، اما مقدار بسیار کمی از سوخت هسته ای می تواند مقدار زیادی انرژی الکتریکی تولید کند. این ویژگی منحصر به فرد یک نیروگاه هسته ای است. یک کیلوگرم اورانیوم معادل 4500 تن زغال سنگ مرغوب است. این به این معنی است که شکافت کامل 1 کیلوگرم اورانیوم می تواند به اندازه احتراق کامل 4500 تن زغال سنگ گرما تولید کند.
به همین دلیل است که اگرچه سوخت هسته ای بسیار گران تر است، اما هزینه سوخت هسته ای به ازای هر واحد انرژی الکتریکی هنوز کمتر از هزینه انرژی تولید شده توسط سوخت های دیگر مانند زغال سنگ و گازوئیل است. برای مقابله با بحران سوخت، نیروگاه های هسته ای می توانند مناسب ترین جایگزین باشند.
مزایای نیروگاه هسته ای
- همانطور که گفتیم مصرف سوخت در این نیروگاه بسیار کم است و از این رو هزینه تولید یک واحد انرژی نسبت به سایر روش های تولید برق بسیار کمتر است. همچنین میزان سوخت هسته ای مورد استفاده کمتر است.
- یک نیروگاه هسته ای به فضای بسیار کمتری در مقایسه با سایر نیروگاه های معمولی با ظرفیت مشابه نیاز دارد.
- این نیروگاه به آب زیادی نیاز ندارد، در نتیجه ساخت این نیروگاه نزدیک به منابع آب طبیعی ضروری نیست. این نیروگاه نیاز به حجم بالای سوخت ندارد بنابراین، ساخت نیروگاه در نزدیکی معدن زغال سنگ یا مکانی که امکانات حمل و نقل خوبی در آن موجود است نیز ضروری نیست. به همین دلیل، نیروگاه هسته ای را می توان در نزدیکی محل بار ساخت.
- ذخایر بزرگی از سوخت هسته ای در سطح جهان وجود دارد، بنابراین چنین نیروگاه هایی می توانند تامین مداوم برق را برای هزاران سال آینده تضمین کنند.
معایب نیروگاه هسته ای
- سوخت این نیروگاه به راحتی در دسترس نیست و بسیار گران است.
- هزینه اولیه ساخت نیروگاه هسته ای بسیار زیاد است.
- راه اندازی این نیروگاه نسبت به سایر نیروگاه های معمولی بسیار پیچیده است.
- فرآیند شکافت همراه با ایجاد مواد رادیواکتیو است در نتیجه ممکن است آلودگی های رادیواکتیو بالایی تولید کند.
- هزینه تعمیر و نگهداری زیاد است و برای راه اندازی یک نیروگاه هسته ای به تعداد زیادی افراد آموزش دیده متخصص نیاز است.
- نوسانات ناگهانی بار را نمی توان به طور موثر توسط نیروگاه های هسته ای پاسخ داد.
- از آنجایی که واکنش های هسته ای به شدت رادیواکتیو هستند، دفع آن مشکل بسیار بزرگی است. فقط می توان آن را در اعماق زمین یا در دریا دور از ساحل دفع کرد.
اجزای مختلف نیروگاه هسته ای
یک نیروگاه هسته ای از 4 جزء تشکیل شده است:
- راکتور هسته ای
- مبدل حرارتی
- توربین بخار
- ژنراتور
در ادامه درمورد هر یک از اجزاء خواهیم گفت.
راکتور هسته ای
در یک راکتور هسته ای، اورانیوم 235 در شکافت هسته ای قرار می گیرد. راکتور هسته ای واکنش زنجیره ای را که پس از انجام شکافت شروع می شود، کنترل می کند. واکنش زنجیره ای باید کنترل شود در غیر این صورت سرعت انرژی آزاد شده سریع بوده و ممکن است احتمال انفجار زیاد باشد. در شکافت هسته ای، هسته های سوخت هسته ای مانند U235 توسط نوترون ها بمباران می شوند. در اثر این بمباران، هسته های اورانیوم شکسته می شود که باعث آزاد شدن انرژی گرمایی زیادی می شود. در هنگام شکستن هسته ها تعدادی نوترون نیز منتشر می شود.
این نوترون های ساطع شده را نوترون های شکافت می نامند. این نوترون های شکافت باعث شکافت بیشتر می شوند. شکافت بیشتر نوترون های بیشتری ایجاد می کند که دوباره سرعت شکافت را افزایش می دهد. این یک فرآیند تجمعی است.
اگر فرآیند کنترل نشود، در مدت زمان بسیار کوتاهی سرعت شکافت آنقدر بالا می رود که انرژی زیادی آزاد می کند، همچنین ممکن است انفجار خطرناکی رخ دهد. این واکنش تجمعی را یک واکنش زنجیره ای می نامند. این واکنش زنجیره ای را فقط می توان با حذف نوترون های شکافت از یک راکتور هسته ای کنترل کرد. سرعت شکافت را می توان با تغییر سرعت حذف نوترون های شکافت از راکتور ها کنترل کرد.
راکتور هسته ای یک مخزن استوانه ای فشار قوی است. میله های سوخت از سوخت هسته ای یعنی اورانیوم ساخته شده اند که در پوششی از گرافیت قرار دارند. این ها سرعت نوترون ها را قبل از برخورد با هسته های اورانیوم کاهش می دهند. میله های کنترل از کادمیوم ساخته شده اند زیرا کادمیوم یک جذب کننده قوی نوترون است.
میله های کنترل در محفظه شکافت قرار می گیرند. این میله های کنترل را می توان برحسب نیاز به سمت پایین فشار داد و بالا کشید. هنگامی که این میله ها به اندازه کافی به سمت پایین کشیده می شوند، بیشتر نوترون های شکافت توسط این میله ها جذب می شوند، بنابراین واکنش زنجیره ای متوقف می شود. همچنین، هنگامی که میله های کنترل به سمت بالا کشیده می شوند، نوترون های شکافت بیشتر می شود و سرعت واکنش زنجیره ای افزایش می یابد.
بنابراین، با تنظیم موقعیت میله های کنترل، می توان سرعت واکنش هسته ای را کنترل کرد و در نتیجه تولید توان الکتریکی را بر اساس نیاز بار کنترل کرد. در عمل، فشار دادن و کشیدن میله های کنترل بر اساس نیاز بار توسط یک سیستم فیدبک خودکار کنترل می شود. گرمای آزاد شده در طی یک واکنش هسته ای با استفاده از مایع خنک کننده متشکل از فلز سدیم به مبدل حرارتی منتقل می شود.
مبدل حرارتی: در یک مبدل حرارتی، گرمای حمل شده توسط فلز سدیم در آب پراکنده می شود و آب به بخار پر فشار تبدیل می شود. پس از آزاد شدن گرما در آب، خنک کننده سدیم به وسیله پمپ گردشی خنک کننده به راکتور باز می گردد.
توربین بخار: در یک نیروگاه هسته ای، توربین بخار همانند نقشی که در نیروگاه زغال سنگ دارد ایفا می کند. بخار توربین را به حرکت در می آورد. پس از انجام کار، بخار خروجی به یک کندانسور بخار می آید و در آنجا متراکم می شود تا فضایی برای بخار پشت آن فراهم شود.
ژنراتور: یک ژنراتور، همراه با یک توربین می چرخد و نیروی الکتریکی مورد استفاده را تولید می کند. خروجی ژنراتور از طریق ترانسفورماتور، قطع کننده مدار و ایزولاتور به بارها تحویل داده می شود.
انتخاب مکان نیروگاه هسته ای
- در دسترس بودن آب: اگرچه مقدار بسیار زیادی آب مانند یک نیروگاه برق آبی استفاده نمی شود، اما تامین کافی آب خنثی به عنوان خنک کننده در یک نیروگاه هسته ای موردنیاز است. به همین دلیل است که همیشه ترجیح داده می شود این نیروگاه در نزدیکی رودخانه یا کنار دریا باشد.
- دفع آب: ضایعات نیروگاه های هسته ای رادیواکتیو هستند و ممکن است خطرات جدی برای سلامتی ایجاد کنند. به همین دلیل باید در دفع زباله های نیروگاه های هسته ای دقت ویژه ای به عمل آید. زباله ها باید در عمق ناکافی از سطح زمین یا در دریا کاملاً دور از ساحل دفن شوند. بنابراین در انتخاب مکان نیروگاه هسته ای باید این عوامل را در نظر گرفت.
- فاصله از منطقه پرجمعیت: از آنجایی که همیشه احتمال آزاد شدن تشعشعات رادیواکتیو وجود دارد، همیشه ترجیح داده می شود که یک ایستگاه هسته ای به اندازه کافی دور از مناطق پرجمعیت قرار گیرد.
- امکانات حمل و نقل: در طول دوره راه اندازی، تجهیزات سنگین نصب خواهند شد که باید از محل تولیدکننده منتقل شوند. بنابراین وجود راه آهن خوب و دسترسی به راه ها ضروری است. نیروی انسانی ماهر، حمل و نقل عمومی خوب نیز باید در محل حضور داشته باشد.
