همه چیز در اطراف شما از اجسام کوچکی به نام اتم تشکیل شده است. بیشتر جرم هر اتم در مرکز آن به نام هسته، متمرکز است و بقیه جرم در ابر الکترون های اطراف هسته پراکنده شده است. پروتون ها و نوترون ها ذرات زیر اتمی هستند که هسته را تشکیل می دهند. تحت شرایط خاصی، هسته یک اتم بسیار بزرگ می تواند به دو قسمت تقسیم شود. در این فرآیند، مقدار معینی از جرم اتم بزرگ طبق فرمول معروف انیشتین E = MC2 به انرژی خالص تبدیل می‌شود، که در آن M مقدار کوچک جرم و C سرعت نور است. در دهه‌های 1930 و 40، انسان‌ها این انرژی را کشف کردند و پتانسیل آن را به عنوان یک سلاح تشخیص دادند. فناوری توسعه یافته در پروژه منهتن، با موفقیت از این انرژی در یک واکنش زنجیره ای برای تولید بمب های هسته ای استفاده کرد. بلافاصله پس از پایان جنگ جهانی دوم، منبع انرژی تازه کشف شده در نیروی دریایی هسته ای خانه ای پیدا کرد و موتورهایی را برای زیردریایی ها فراهم کرد که می توانستند بیش از یک سال بدون سوخت گیری کار کنند. این فناوری، به سرعت به بخش عمومی منتقل شد، جایی که نیروگاه های تجاری توسعه یافتند و برای تولید برق مستقر شدند.
انرژی هسته ای امروز
راکتورهای هسته ای کمتر از 20 درصد برق ایالات متحده را تولید می کنند. بیش از 400 راکتور قدرت در جهان وجود دارد. آنها بدون انتشار آلاینده ها یی از جمله CO2 در جو، برق تولید می کنند. با این حال، این راکتورها، زباله های هسته ای رادیواکتیو ایجاد می کنند که باید با دقت ذخیره شوند.
شکافت و همجوشی
دو فرآیند هسته ای اساسی، برای تولید انرژی در نظر گرفته می شود: شکافت و همجوشی.
شکافت، عبارت است از تقسیم انرژی اتم های بزرگ مانند اورانیوم یا پلوتونیوم به دو اتم کوچکتر که محصولات شکافت نامیده می شوند. برای شکافتن یک اتم، باید با نوترون به آن ضربه بزنید. چندین نوترون نیز آزاد می‌شوند که می‌توانند دیگر اتم‌های مجاور را بشکافند و یک واکنش زنجیره‌ای هسته‌ای با انتشار انرژی پایدار ایجاد کنند. این واکنش هسته ای، اولین واکنش از این دو فرایند بود که کشف شد. تمام نیروگاه های هسته ای تجاری در حال کار، از این واکنش برای تولید گرما استفاده می کنند که به برق تبدیل می شود.
همجوشی، ترکیبی از دو اتم کوچک مانند هیدروژن یا هلیوم برای تولید اتم ها و انرژی سنگین تر است. این واکنش‌ها، می‌توانند انرژی بیشتری نسبت به شکافت بدون تولید محصولات جانبی رادیواکتیو آزاد کنند. واکنش‌های همجوشی که در خورشید نیز اتفاق می‌افتند، به طور کلی، از هیدروژن به عنوان سوخت استفاده و هلیوم را نیز به عنوان زباله تولید می کنند. این واکنش، هنوز از نظر تجاری توسعه نیافته است و به دلیل وعده انرژی تقریبا بی حد و حصر، آلودگی کم و غیر تکثیرکننده، یک علاقه تحقیقاتی جدی در سراسر جهان به آن آغاز شده است.
چگالی انرژی منابع مختلف سوخت
مقدار انرژی آزاد شده در واکنش های هسته ای شگفت انگیز است. اورانیوم طبیعی تحت شکافت هسته ای قرار می گیرد و در نتیجه به چگالی انرژی بسیار بالایی می رسد (انرژی ذخیره شده در واحد جرم).
قابلیت های انرژی هسته ای
انرژی هسته ای، مزایا و قابلیت های زیادی دارد که در زیر به برخی از آنها پرداخته شده است:
- پایداری
صحبت های زیادی در مورد کم شدن سوخت هسته ای (اورانیوم) درست مانند نفت وجود دارد. از نظر فنی، این یک مشکل نیست، زیرا زباله های هسته ای قابل بازیافت هستند. اما این مورد، از نظر اقتصادی، می تواند به یک مسئله بزرگ تبدیل شود. راکتورهای هسته ای تجاری امروزی، کمتر از 1 درصد از سوختی را می سوزانند که برای آنها استخراج می شود و بقیه سوخت دور ریخته می شود (به عنوان اورانیوم ضعیف شده و زباله های هسته ای). امروزه فرانسه و ژاپن با موفقیت زیادی در حال بازیافت سوخت هستند. فناوری جدیدی وجود دارد که می تواند نگرانی های مربوط به تکثیر را تا حد زیادی کاهش دهد. بدون بازیافت، ذخایر اورانیوم نشان می دهد که بیش از 200 سال ذخایر اورانیوم در تقاضای فعلی وجود دارد. همچنین، مقدار زیادی اورانیوم محلول در آب دریا با غلظت بسیار کم وجود دارد. هیچ کس تاکنون، راهی ارزان و کم هزینه برای استخراج آن پیدا نکرده است، اگرچه افرادی به این هدف نزدیک شده اند. راکتورهای هسته‌ای همچنین، می‌توانند با سوخت توریم کار کنند.
- زیست محیطی
نیروگاه‌های هسته‌ای در حین کار، چیزی به جز آب گرم در محیط منتشر نمی‌کنند. نماد کلاسیک برج خنک کننده راکتورهای هسته ای دقیقاً همین است، یک برج خنک کننده. بخار آب تمیز، تنها چیزی است که از این نیروگاه ها خارج می شود. کربن دی اکسید یا سایر گازها به مقادیر بسیار کمی از تولید انرژی هسته ای حاصل می شود. مطمئناً، مقداری کربن دی اکسید در حین کار معدن، ساخت و ساز و غیره تولید می شود، اما این مقدار حدود 50 برابر کمتر از زغال سنگ و 25 برابر کمتر از نیروگاه های گاز طبیعی است. همچنین، سوخت هسته ای مصرف شده (ضایعات هسته ای) را می توان به درستی مدیریت کرد و از نظر زمین شناسی بدون تأثیر بر محیط زیست آنها را دفع کرد.
در مارس 2013، دانشمند سابق ناسا، جیمز هانسن، مقاله ای منتشر کرد که نشان می داد انرژی هسته ای در کل جهان 1.8 میلیون زندگی را در تاریخ خود تنها با جابجایی آلودگی هوا که یک قاتل شناخته شده می باشد، نجات داده است. این نجات، شامل هر گونه مرگ و میر ناشی از حوادث انرژی هسته ای است.
- استقلال
با انرژی هسته ای، بسیاری از کشورها می توانند به استقلال انرژی نزدیک شوند. «نیاز به نفت» به دلایل مختلف، یک نگرانی عمده امنیت ملی و جهانی است. با استفاده از وسایل نقلیه الکتریکی یا پلاگین هیبریدی (PHEVs) که از راکتورهای هسته‌ای نیرو می‌گیرند، می‌توانیم تقاضای نفت خود را با دستورات بزرگی کاهش دهیم. علاوه بر این، بسیاری از طرح‌های راکتور هسته‌ای می‌توانند علاوه بر الکتریسیته، گرمای فرآیندی با کیفیت بالا را فراهم کنند، که به نوبه خود می‌تواند برای نمک‌زدایی آب، آماده‌سازی هیدروژن برای سلول‌های سوختی و یا برای گرم کردن محله‌ها در میان بسیاری از فرآیندهای صنعتی دیگر استفاده شود.
مشکلات انرژی هسته ای
- تولید زباله هسته ای
هنگامی که اتم ها برای آزاد کردن انرژی تقسیم می شوند، اتم های کوچکتر باقی مانده اغلب، در حالت های برانگیخته رها می شوند و ذرات پر انرژی ساطع می کنند که می تواند باعث آسیب بیولوژیکی شود. در اینجا برخی از طولانی عمر‌ترین اتم‌ها، برای صدها هزار سال به ثبات و پایداری نمی‌رسند. این زباله های هسته ای، باید حداقل برای مدت طولانی کنترل و دور از محیط نگهداری شوند. طراحی سیستم هایی که عمر طولانی داشته باشند، یک کار دلهره آور است. کاری که نقطه فروش عمده گروه های ضد هسته ای بوده است.
- تصادفات دراماتیک
سه حادثه بزرگ در نیروگاه های تجاری رخ داده است: چرنوبیل، جزیره تری مایل و فوکوشیما.
چرنوبیل، یک انفجار بخار کنترل نشده بود که مقدار زیادی تشعشع در محیط منتشر کرد و بیش از 50 نفر را کشت و صدها هزار نفر را فراری داد و تا 4000 مورد سرطان را ایجاد کرد.
جزیره تری مایل، یک ذوب هسته ای جزئی بود که در آن سطح مایع خنک کننده به زیر سوخت کاهش یافت و اجازه داد بخشی از آن ذوب شود. در این حادثه، به کسی آسیب نرسید و تشعشعات بسیار کمی منتشر شد، اما کارخانه مجبور به تعطیلی شد و باعث شد شرکت عامل و سرمایه گذاران آن پول زیادی از دست بدهند.
فوکوشیما، یک ایستگاه خاموشی بود که توسط یک سونامی بزرگ ایجاد شد. چهار گیاه همسایه شروع به خراب شدن کردند و گرمای پوسیدگی هسته ها را ذوب کرد. تشعشعات رها شد و مردم فراری شدند. این سه حادثه بسیار ترسناک هستند و بسیاری از مردم را از انرژی هسته ای ترساندند.
- هزینه
نیروگاه های هسته ای بزرگتر و پیچیده تر از سایر نیروگاه ها هستند. بسیاری از سیستم های ایمنی اضافی برای حفظ ایمنی کارکرد کارخانه ساخته شده اند. این پیچیدگی باعث می شود که هزینه اولیه یک نیروگاه هسته ای بسیار بیشتر از یک نیروگاه زغال سنگ قابل مقایسه باشد. پس از ساخت نیروگاه، هزینه سوخت بسیار کمتر از هزینه سوخت فسیلی است. به طور کلی، هر چه یک نیروگاه هسته‌ای قدیمی‌تر می‌شود، بهره‌برداران آن بیشتر درآمد دارند. هزینه سرمایه زیاد، بسیاری از سرمایه گذاران را از موافقت با تامین مالی نیروگاه های هسته ای باز می دارد.
نیروگاه هسته ای چگونه کار می کند؟
در داخل نیروگاه‌های هسته‌ای، راکتورهای هسته‌ای و تجهیزات آنها، واکنش‌های زنجیره‌ای را که معمولاً با سوخت اورانیوم ۲۳۵ تأمین می‌شوند، برای تولید گرما از طریق شکافت، در بر دارند و کنترل می‌کنند. گرما، عامل خنک کننده راکتور، معمولاً آب، را برای تولید بخار گرم می کند. سپس، بخار به سمت توربین‌های چرخشی هدایت می‌شود و یک ژنراتور الکتریکی را برای ایجاد الکتریسیته کم کربن فعال می‌کند.
استخراج، غنی سازی و دفع اورانیوم
اورانیوم فلزی است که در سنگ های سراسر جهان یافت می شود و چندین ایزوتوپ طبیعی دارد که شکل‌هایی از عنصری هستند که از نظر جرم و خواص فیزیکی متفاوت اند، اما دارای خواص شیمیایی یکسانی هستند. اورانیوم دارای دو ایزوتوپ اولیه است: اورانیوم-238 و اورانیوم-235. اورانیوم 238 اکثریت اورانیوم جهان را تشکیل می دهد، اما نمی تواند یک واکنش زنجیره ای شکافت را ایجاد کند، در حالی که اورانیوم 235 را می توان برای تولید انرژی از طریق شکافت استفاده کرد، اما کمتر از 1 درصد اورانیوم جهان را تشکیل می دهد.
برای افزایش احتمال شکافت اورانیوم طبیعی، لازم است مقدار اورانیوم 235 در یک نمونه معین از طریق فرآیندی به نام غنی سازی اورانیوم افزایش یابد. پس از غنی‌سازی اورانیوم، می‌توان از آن به‌عنوان سوخت هسته‌ای در نیروگاه‌ها به مدت سه تا پنج سال استفاده کرد و پس از آن نیز هنوز رادیواکتیو باقی می ماند و باید طبق دستورالعمل‌های سختگیرانه، برای محافظت از مردم و محیط زیست دفع شود. سوخت مصرف شده، می تواند به انواع دیگر سوخت برای استفاده به عنوان سوخت جدید در نیروگاه های هسته ای ویژه بازیافت شود.
چرخه سوخت هسته ای چیست؟
چرخه سوخت هسته ای یک فرآیند صنعتی است که شامل مراحل مختلفی برای تولید برق از اورانیوم در راکتورهای انرژی هسته ای است. این چرخه با استخراج اورانیوم شروع می شود و با دفع زباله های هسته ای به پایان می رسد.
مدیریت پسماندهای رادیواکتیو
زباله های رادیواکتیو، بخش کوچکی از کل زباله ها را تشکیل می دهند. این زباله ها، محصول فرعی میلیون‌ها روش پزشکی، کاربردهای صنعتی و کشاورزی هستند که از پرتوها و راکتورهای هسته‌ای استفاده می‌کنند که حدود 11 درصد از برق جهانی را تولید می‌کنند. نسل بعدی نیروگاه های هسته ای که راکتورهای پیشرفته نوآورانه نیز نامیده می شوند، زباله های هسته ای بسیار کمتری نسبت به راکتورهای امروزی تولید خواهند کرد. پیش بینی می شود که تا سال 2030 این نیروگاه ها در دست ساخت باشند.
انرژی هسته ای و تغییرات آب و هوایی
انرژی هسته‌ای یک منبع انرژی کم کربن است، زیرا برخلاف نیروگاه‌های زغال‌سنگ، نفت یا گاز، نیروگاه‌های هسته‌ای عملاً در طول کار خود CO2 تولید نمی‌کنند. راکتورهای هسته‌ای نزدیک به یک سوم برق بدون کربن جهان را تولید می‌کنند و در دستیابی به اهداف تغییر آب و هوا بسیار مهم هستند.
نقش آژانس بین المللی انرژی اتمی چیست؟
آژانس بین‌المللی انرژی اتمی استانداردها و دستورالعمل‌های بین‌المللی را برای استفاده ایمن و مطمئن از انرژی هسته‌ای برای حفاظت از مردم و محیط زیست ایجاد و ترویج می‌کند.
این آژانس، با ارائه پشتیبانی فنی و مدیریت دانش از برنامه های هسته ای موجود و جدید در سراسر جهان حمایت می کند. آژانس بین‌المللی انرژی اتمی از طریق رویکرد نقاط عطف، به کشورهایی که می‌خواهند یک برنامه انرژی هسته‌ای را توسعه دهند و همچنین به کشورهایی که برنامه‌شان را از رده خارج می‌کنند، تخصص فنی و راهنمایی می‌کند. همچنین، از طریق پادمان‌ها و فعالیت‌های راستی‌آزمایی خود نظارت می‌کند که مواد و فناوری‌های هسته‌ای از استفاده صلح‌آمیز منحرف نشوند.
ترجمه و تالیف: سقا
References:
https://whatisnuclear.com