هرهفته شنبه ها - سال سیزدهم

پرتیراژترین نشریه صنعت ساختمان

نشریه شماره   215   هفته نامه آرشیو PDF پیام ساختمان

انرژی هسته ای چگونه به دست می آید؟


کد مطلب :2130گروه تأسیسات: استفاده اصلي از انرژي هسته‌اي، توليد انرژي الکتریسیته است. اين راهي ساده و كارآمد براي جوشاندن آب و ايجاد بخار براي راه‌اندازي توربين‌هاي مولد است. بدون راكتورهاي موجود در نيروگاه‌هاي هسته‌اي، اين نيروگاه‌ها شبيه ديگر نيروگاه‌ها زغال‌سنگي و سوختي مي‌شود. انرژي هسته‌اي بهترين كاربرد براي توليد مقياس متوسط يا بزرگي از انرژي الكتريكي به‌طور مداوم است. سوخت اينگونه ايستگاه‌ها را اورانیوم تشكيل مي‌دهد.
چرخه سوخت هسته‌اي تعدادي عمليات صنعتي است كه توليد الکتریسیته را با اورانيوم در راكتورهاي هسته‌اي ممكن مي‌كند. اورانيوم عنصري نسبتاً معمولي و عادي است كه در تمام دنيا يافت مي‌شود،  اين عنصر به‌صورت معدني در بعضي از كشورها وجود دارد كه حتماً بايد قبل از مصرف به‌صورت سوخت در راكتورهاي هسته‌اي، فرآوري شود.
الكتريسته با استفاده از گرماي تولیدشده در راكتورهاي هسته‌اي و با ايجاد بخار براي به کار انداختن توربين‌هايي كه به مولد متصل‌اند توليد مي‌شود. سوختي كه از راكتور خارج‌شده، بعدازاینکه به پايان عمر مفيد خود رسيد مي‌تواند به‌عنوان سوختي جديد استفاده شود.
فعاليت‌هاي مختلفي كه با توليد الكتريسيته از واكنش‌هاي هسته‌اي همراهند مرتبط به چرخه‌ سوخت هسته‌اي هستند. چرخه سوخت انرژي هسته‌اي با اورانيوم آغاز مي‌شود و با انهدام پسماندهاي هسته‌اي پايان مي‌يابد. دو بار عمل‌آوري سوخت‌هاي خرج شده به مرحله‌هاي چرخه سوخت هسته‌اي شكلي صحيح مي‌دهد.
نیروگاه هسته‌ای 
 یک نیروگاه الکتریکی که از انرژی تولیدی شکست هسته اتم اورانیوم یا پلوتونیم استفاده می‌کند، چون شکست سوخت هسته‌ای اساساً گرما تولید می‌کند از گرمای تولیدشده رآکتورهای هسته‌ای برای تولید بخار استفاده می‌شود  و از بخار تولیدشده برای به حرکت درآوردن توربین‌ها و ژنراتورها که نهایتاً برای تولید برق استفاده می‌شود .
پیل هسته‌ای یا اتمی دستگاه تبدیل‌کننده انرژی اتمی به جریان برق مستقیم است. ساده‌ترین پیل‌ها شامل دو صفحه است؛ یک پخش‌کننده بتای خالص مثل استرنیوم 90 و یک هادی مثل سیلسیوم.
ساختار نيروگاه اتمي
به‌طور خلاصه چگونگي كاركرد نیروگاه‌های اتمي را بيان كرده و ساختمان دروني آنها را مورد بررسي قرار می‌دهیم:
طي سال‌های گذشته اغلب كشورها به استفاده از اين نوع انرژي هسته‌ای تمايل داشتند
کارکرد نيروگاه اتمي درواقع با انفجارهای اتمي است كه به كمك ميله‌هاي مهاركننده و خروج دماي دروني به‌وسیله مواد خنک‌کننده مثل آب و گاز، تحت كنترل درآمده است.
يك نيروگاه اتمي متشكل از مواد مختلفي است كه همه آنها نقش اساسي و مهم در تعادل و ادامه حيات آن را دارند. اين مواد عبارت‌اند از:
۱. ماده سوخت متشكل از اورانيوم طبيعي، اورانيوم غنی‌شده، اورانيوم و پلوتونيم است. عمل سوختن اورانيوم در داخل نيروگاه اتمي متفاوت از سوختن زغال يا هر نوع سوخت فسيلي ديگر است. در اين پديده با ورود يك نوترون كم انرژي به داخل هسته ايزوتوپ اورانيوم ۲۳۵ عمل شكست انجام مي‌گيرد و انرژي فراواني توليد مي‌كند. بعد از ورود نوترون به درون هسته اتم، ناپايداري در هسته به وجود آمده و بعد از لحظه بسيار كوتاهي هسته اتم شكسته شده و تبديل به دوتكه شكست و تعدادي نوترون مي‌شود. تعداد متوسط نوترون‌ها به ازاي هر ۱۰۰ اتم شكسته شده ۲۴۷ عدد است و اين نوترون‌ها اتم‌هاي ديگر را مي‌شكنند.
در واقع ورود نوترون به درون هسته اتم اورانيوم و شكسته شدن آن توأم با انتشار انرژي معادل با ۲۰۰ ميليون الكترون ولت است اين مقدار انرژي در سطح اتمي بسيار ناچيز ولي در مورد يك گرم از اورانيوم در حدود صدها هزار مگاوات است كه اگر تعداد شكست‌ها را در توده اورانيوم و طي زمان محدود كرده به‌نحوی‌که به ازاي هر شكست، اتم بعدي شكست حاصل كند شرايط يك نيروگاه اتمي به وجود مي‌آيد. به‌عنوان‌مثال نيروگاهي كه داراي ۱۰ تن اورانيوم طبيعي است قدرتي معادل با ۱۰۰ مگاوات خواهد داشت و به‌طور متوسط ۱۰۵ گرم اورانيوم ۲۳۵ در روز در اين نيروگاه شكسته مي‌شود و همان‌طور كه قبلاً گفته شد در اثر جذب نوترون به‌وسیله ايزوتوپ اورانيوم ۲۳۸ اورانيوم ۲۳۹ به وجود می‌آمد كه بعد از دو بار انتشار پرتوهاي بتا (يا الكترون) به پلوتونيم ۲۳۹ تبديل مي‌شود كه خود مانند اورانيوم ۲۳۵ شکست‌پذیر است، در اين عمل ۷۰ گرم پلوتونيم حاصل مي‌شود. ولي اگر نيروگاه سورژنراتور باشد و تعداد نوترون‌هاي موجود در نيروگاه زياد باشند مقدار جذب به‌مراتب بيشتر از اين خواهد بود و مقدار پلوتونيم‌هاي به وجود آمده از مقدار آنهايي كه شكسته مي‌شوند بيشتر خواهند بود.
 در چنين حالتي بعد از پياده كردن ميله‌هاي سوخت مي‌توان پلوتونيم به وجود آمده را از اورانيوم و فرآورده‌هاي شكست را به كمك واکنش‌های شيميايي بسيار ساده جدا و به‌منظور تهيه بمب اتمي ذخيره كرد.
۲.  نرم‌کننده‌ها موادي هستند كه برخورد نوترون‌های حاصل از شكست با آنها الزامي است و براي كم كردن انرژي اين نوترون‌ها به كار می‌روند. زيرا احتمال واكنش شكست پی‌درپی به ازاي نوترون‌های كم انرژي بيشتر می‌شود. آب‌سنگین (D2O) يا زغال‌سنگ (گرافيت) به‌عنوان نرم‌کننده نوترون به‌کاربرده مي‌شوند.
۳ . میله‌های مهاركننده: اين میله‌ها از مواد جاذب نوترون درست‌شده‌اند و وجود آنها در داخل رآكتور اتمي الزامي است و مانع افزايش ناگهاني تعداد نوترون‌ها در قلب رآكتور می‌شوند.اين میله‌ها می‌توانند از جنس عنصر كادميم و يا بور باشند.
۴ . مواد خنک‌کننده يا انتقال‌دهنده انرژي حرارتي: اين مواد انرژي حاصل از شكست اورانيوم را به خارج از رآكتور انتقال داده و توربین‌های مولد برق را به حركت در می‌آورند و پس از خنك شدن مجدداً به داخل رآكتور برمي گردند. البته مواد در مدار بسته و محدودي عمل می‌کنند و با خارج از محيط رآكتور تماسي ندارند. اين مواد می‌توانند گاز CO2 ، آب، آب‌سنگین، هليم گازي و يا سديم مذاب باشند.