توليد نيروي اتمي
سوختن سوخت هاي فسيلي (زغال ،نفت وگاز) براي توليد الكتريسيته از قبل از
قرن بيست ويكم استفاده مي شد.براي بيشتر از 3 دهه يك سوخت غير فسيلي
،اورانيوم ،براي تولآيد الكتريسيته استفاده مي شود اولين دستگاه نيروي
اتمي در سال 1957 در شيپينگپورت ،پنسيلوانيا بصورت تجاري بكار افتاد .از
آن به بعد ،استفاده الكتريسيته توليدي اتم در
برخی کشورها
رشد
داشته است .
صنعت نيروي اتمي آمريكا ،به ركورد چهارمين سال متوالي سطوح توليد نيرو در
طول سال 2002 رسيد .كل نيروي هسته اي 1/780بيليون كيلو وات ساعت بود
،حدود 5/1 درصد ركورد قبلي از ثابت 8/768 كيلو وات ساعت در 2001 بالا
رفت .اين رشد مدام در يك صنعت را نشان مي دهد كه كمتر از 600 بيليون
كيلووات ساعت در سال پيش از 1991 را توليد كرده بود .اين ركورد يا ثبت
علاوه بر اين حقايقي را كب كرده بود كه رقم هاي كلي واكنش گر هاي تجاري
از 111 واكنش گر در سال 1990 هم اكنون به 104 واكنش گر كاهش يافته اند
ركورد از ميان استفاده زياد ظرفيت هسته اي موجود بدست آمده است
.فاكتورضريب ظرفيت شبكه ساليانه تخميني 7/90 درصد در طول سال 2002 در
مقايسه با 4/89 درصد در سال 2001و 66 در صد در سال 1990 بود.
توليد الكتريسيته اتمي 2003-1976
دستگاههاي نيروي اتمي ، به فرايند شكافت اتمي اعتماد دارند . در اين
فرايند، هسته اتم سنگين ، نظير اورانيوم . زمانيكه كه توسط نوترون هاي
آزاد در راكتور اتمي بمباران مي شود ، شكافته مي شود . (1) فرايند شكافت
اتمهاي اورانيوم ، دو اتم كوچكتر آزاد مي كند ، 1 تا 3 نوترون آزاد به
علاوه مقداري انرژي . زيرا نوترون هاي آزاد بيشتري از يك شكافت اورانيوم
نسبت به آنهايي كه براي شكافت هستند ، آزادي مي شوند و آهنش مي تواند خود
نگه دار باشد . يك واكنش زنجيري تحت شرايط كنترل شده ، بنابراين مقدار
خيل زياد انرژي انرژي توليد مي كند . اورانيوم به صورت تركيبي با مقادير
كم كم عناصر ديگر وجود دارد . از لحاظ اقتصادي نشتهاي اورانيوم قابل
بازيافت اساسا در غرب ايالت متحده ، استراليا ، كانادا ، آفريقا و
آمريكاي جنوبي كشف شده اند ، يك تن كانسار اورانيوم در ايالات متحده در
حدود 7 پوند اكيد اورانيوم
))
آزاد مي كند . كانسار اورانيوم ابتدا از لحاظ شيميايي بايد فرآوري ، غني
و به صورت ساچمه هايي در آيد تا قابل استفاده به صورت سوخت باشد .
ساچمه هاي سوختي اورانيوم در ميله هاي خالي كه ميله سوختي ناميده مي شود
، بار زده مي شوند . صدها ميله سوختي تجمعات سوخت تشكيل مي دهند كه با
ميله هاي كنترل در داخل هسته راكتور اتمي جاي داده ميشوند و سپس به صورت
نصفه با آب تركيب مي شود . نظير سوختهاي فسيلي ، نتيجه سوخت اورانيوم
توليد گر ما مي باشد كه آب را به بخار تبديل مي كند . بخار ، پروانه ها
را در توربين مرتبط با يك ژنراتور الكتريكي مي گرداند . بنابراين ، گرما
به طور متفاوت در يك راكتور اتمي نسبت به دستگاه نيروي سوخت فسيلي توليد
مي شود .
هسته اتم شامل تركيبي از پروتون و نوترون مي باشد كه داراي وزن مشابه مي
باشند . انرژي در يك راكتور هسته اي از فرايندي كه شكافت هسته اي ناميده
مي شود ، ناشي مي شود ، به اين ترتيب كه يك نوترون با هسته يك اتم
اورانيم تصارم مي كند و جذب ميشود . جذب نوترون باعث ناپايداري هسته مي
شود ، و باعث مي شود تا به دو اتم با عناصر سبك تر شكسته شود و گرما و
نوترون هاي جديد آزاد كند . گرما براي توليد الكتريسيته استفاده مي شود ،
هنگاميكه نوترون احتمالا توسط اتم هاي ديگر اورانيوم جذب ميشود ، نتيجه
آن شكافت بيشتر هسته اي مي باشد . اين فرايند متوالي شكافت واكنش زنجيري
ناميده مي شود . اين فرايند متوالي و پي در پي مي باشد ، زيرا براي هر
اتم اورانيوم شكافت شده توسط يك نوترون ، نوترون هاي جديد آزاد مي شود كه
فرايند را ادامه مي دهند
انرژي اتمي (اورانيوم)انرژي ناشي شده از اتم ها:
نيروي اتمي شامل 20 درصد از مجموع الكتريسيته توليد شده در آمريكا مي شود
،يك مقدار قابل مقايسه باهم الكتريسيته استفاده شده،در كاليفر نيا،تكزاس
ونيويورك كه سه ايالت پر جمعيت مي باشند .در سال 2001 ، 66 دستگاه
نيروي اتمي (متشكل از 104 راكتور اتمي پر وانه دار )در سر تا سر ايالات
متحده وجود داشت كه اكثراًَ در ساحل شرقي ودر غرب ميانه وجود داشت .يك
دستگاه نيروي اتمي اساساً روش مشابه اي نظير دستگاه سوخت فيل ،بايك تفاوت
مي باشد ،منبع گرما .فرايندي كه گرما براي راكتور اتمي توليد مي كند
،شكافت يا واپاشي اتمهاي اورانيوم مي باشد .اين گرما آب را به جوش مي
آورد تا بخار براي گرداندن ژنراتور تور بين بسازد ،نظير دستگاه سوخت فيلي
.بخشي كه گرما توليد مي شود هسته راكتور ناميده مي شود.
سوخت اتمي
اتم
ها از سه جزءاصلي تشكيل شده اند .پروتون ،نرترونوالكترونؤمعمولي ترين اتم
قابل شكافت ايزوتوپ (عضو ويژه خانواده اتمي)اورانيوم كه
تحت عنوان اورانيوم 235(235-U
)معروف
است و سوخت مورد استفاده در بيشتر انواع راكتور هاي اتمي ميباشد.
اگر
چه كاملاً معمولي مي باشد ،در حدود 100 برابر معمولتر از نقره ،235-U
نسبتاً كمياب مي باشد.بيشتر اورانيوم آمريكا ايالات متحده غربي استخراج
شدهاند .چون اورانيوم بصورت 235-U
استخراج مي شود ،ابتدا بايد كوچكتر و فر آوري شود قبل از اينكه بصورت
سوخت قابل استفاده باشد .در حالت نهايي قابل استفاده سوخت اتمي بشكل
ساچمه هاي سفتي با يك اينچ طول خواهد بود كه مي تواند تقريباً مقدار
مساوي الكتريسيته معادل يك تن زغال توليد كند .
انواع راكتورها
همان
طور كه راههاي زيادي براي طراحي وساخت هواپيما ها و اتو مبيل ها وجود
دارد، مهندسان انواع مختلفي از دستگاههاي نيروي اتمي را گسترش داده
اند:دو نوعي كه در آمريكا استفاده مي شود ،راكتورآ-جوشان(BWRS)،وراكتور
آب تحت فشار ،PWRS)درBWR،آب
گرم شده توسط هسته راكتور مستقيماً به بخار در ظرف راكتور تبديل مي شود
وسپس باعث نيروي ژنراتور تور بين مي شود .در
PWR،آب
در حال گذر از هسته راكتور تحت فشار قرار مي گيرد ،به همين خاطر نمي
تواند به بخار تبديل شود .يك ژنراتور بخاري يك استوانه بزرگي با هزاران
لولآه در آن مي باشد كه از اين طريق آب راديو اكتيو داغ مي تواند جاري
شود .خارج از لوله ها در ژنراتوربخار آب راديو اكتيو نشده (يا آب تميز
)مي جوشد ودر نهايت به بخار تبديل مي شود .آب تميز از يكي از چندين منابع
سر چشمه بگيرد ،اقيانوس ها ،در يا چه ها يا رودخانه ها ،آب راديو اكتيو
به هسته راكتور بر مي گردد تا دوباره گرم شود تقريباً چندين درصد راكتور
هاي كار كنننده در آمريكا از نوع
PWRهستند.
راكتورهاي اتمي اساساًماشين هايي هستند كه شامل زنجيره واكنش ها وآنها را
كنترل مي كنند،زماني كه گرما در يك نرخ كنترل شده آزاد مي شود .در
دستگاههاي نيروي الكتريكي ،راكتورها گرما براي تبديل آب به وبخار تهيه مي
كنند كه باعث گرداندن توربين هاي بخار مي شود .الكتريسيته از طريق خطوط
انتقال به مدارس ،بيمارستانها ،كار خانه ها ،ساختمان هاي اداري ،سيستم
هاي ريلي وديگر مشتريان حمل يا پخش مي شود.
هسته راكتور از چهار عامل اصلي تشكيل شده است:
سوخت :سوخت
اتمي شامل ساچمه هايدي اكسيد اورانيوم غني شده به فرم لوله هاي فلزي
مدادي ضخيم و12 فوت طول مي باشدكه ميله هاي سوختي ناميده مي شود اين ميله
هاي سوختي براي تشكيل اجتماعات سوختي بهم متصل مي شوند .يك دستگاه اتمي
مي تواند بطور مداوم براي بيشتر از 2 سال كار كند .براي زياد كردن اين
مدت ،يك راكتور بايد يك تجمع 100 تا 300 تايي داشته باشد .
ميله
هاي كنترل:ميله
هاي كنترل شامل موادي هستند كه سرعت واكنش وغيري را تنظيم مي كند .اگر
آنها از هسته بهبيرون كشيده شوند ،سرعت واكنش افزايش مي يابد .اگر داخل
شوند سرعت واكنش كاهش مي يابد .
سرد كننده:يك
سرد كننده كه معمولاًآب مي باشد ،به داخل راكتور پمپ مي شود تا گرماي
توليد شده توسط شكافت سوختي از بين ببرد .اين موضوع قابل مقايسه با آب
سيستم 5 سرد كننده ماشين ،كه گرماي توليد شده در موتور رااز بين ميبرد
باشد .در يك راكتور ،به اندازه 330000 گالن آب در هسته راكتور در هر
دقيقه جاري ميشود تا گرما را از بين ببرد.
تعديل
كننده :يك
تعديل كننده ،آب ،سرعت اتم را زماني كه حركت مي كند ،كند ميكند .
اين كاهش سرعت بطور واقعي فرصت شكافت را زياد مي كند ،بنابر اين انرژي
آزاد مي كند .
اگر چه طراحي هاي مهندسي كاملاًپيچيده هستند ،اما اين چهار عامل سوخت
،ميله كنترل ،سرد كننده و تعديل كننده ،اجزاي اساسي راكتور هستهاي مي
باشند .
محيط زيست:
نظیر
همه فرايند هاي زيست محيطي ،توليد نيروي اتمي ،مواد زائد فرعي نيز دارد
:زبا له هاي راديو اكتيو و
آب
داغ:
زيرا الكتريسيته توليد شده اتمي دي اكسيد كربن وارد اتمسفر نمي كند
.دستگاههاي نيروي اتمي در آمريكا ،از انتشار گاز هاي گلخانه اي به علت
وجود 5 ميليون ماشين در خيابان ها و بزرگراه ها جلو گيري مي كنند .
زباله
هاي راديو اكتيو ،نگراني اصلي زيست محيطي براي نيروي اتمي هستند
،بيشترين زباله هاي راديو اكتيو زباله هاي اتمي در سطح پايين مي باشند كه
معمولاً اشغال ،ابزار الات ،لباسهاي محافظ كننده ،لباسهاي خشك كننده و
مواد دور ريختني كه با مقادير كمي از مواد معلق و غبار هاي راديو اكتيو
آغشته شده اند .اين مواد تابع نظم ويژه اي هستند كه ذخيره آنها را تحت
كنترل دارد بنا بر اين در تماس با محيط بيروني نخواهند بود .
از
طرف ديگر ،تجمعات سوختي غير راديو اكتيو بطور زيادي راديواكتيو هستندو
بايد در استخر هاي طراحي شده مخصوصي شبيه به استخر هاي شنا (آب به سوخت
را سرد و به عنوان يك صفحه پر تو افكن عمل مي كند )
يا در
ظرف هاي ذخيره خشك طراحي شده مخصوص نگهداري شوند.سوخت قديمي تر وكم
راديو اكتيو در وسايل ذخيره خشك نگهداري مي شود ،كه ما بتون مخصوص كه
باعث تقويت ظرف مي شود ،بسته مي شود .برنامه دراز مدت بخش انرژي
آمريكا،براي اين سوخت معرف شده ،به اين صورت است كه در اعماق زمين در يك
مخزن زمين شناسي ،در كوههاي يو كا .نووادا نگه داشته شود.
