برق هستهای چگونه تولید میشود؟
نویسنده : مترجم: فاطمی
در توضیح نحوه تولید برق در نیروگاههای هستهای ، به زبان ساده باید گفت: نیروگاه هستهای با استفاده از حرارت ناشی ازواکنشهای هسته ای، برق تولید میکند.حرارت تولیدی در طول واکنش، آب را به جوش میآورد و بخار تولید میکند.بخار تولیدی توربین را به حرکت در میآورد و برق تولید میکند.راکتورهای هستهای از اورانیم به عنوان سوخت استفاده میکنند بدین شکل که اتمهای اورانیم درون راکتورطی فرآیندی با عنوان "شکافت هسته ای"به عناصر سبک تر تقسیم میشوند.این فرآیند شکافت ، حرارت قابل توجهی تولید میکند که برای تولید الکتریسیته استفاده میشود.
آب در نیروگاههای هستهای نقش مهمی ایفا میکند.در واقع آب برای تولید بخار به منظور چرخاندن توربینها استفاده میشود.آب همچنین برای کنترل ضایعات رادیواکتیو و مدیریت ریسک در نیروگاههای برق هستهای مورد استفاده قرار میگیرد.سیستمهای خنک کننده مبتنی بر آب برای ذخیره سوخت مصرفی به منظور اجتناب از اشعه استفاده میشود.در نتیجه نیروگاههای برق هستهای بیشتر از هر نوع نیروگاهی ، به ازای هر واحد الکتریسیته ، آب مصرف میکنند.به لحاظ طراحی 2 نوع راکتور معمول هستهای وجود دارد: راکتور آب BWR) boiling) و راکتور آب PWR) pressurized) .
مقایسه انرژی هستهای با دیگر منابع انرژی
حجمی ازسوخت اورانیم رابه کوچکی پاک کن انتهای یک مداد تصور کنید،این میزان اورانیم به همان اندازه 480 متر مکعب گاز طبیعی و یا 806 کیلوگرم زغال سنگ یا 149 گالن نفت ، انرژی دارد.برای یک راکتورهستهای هزار مگاوات الکتریک سالانه 27 تن سوخت تازه موردنیاز است، در حالی که یک نیروگاه زغال سنگ برای تولید همین میزان انرژی ، بیش از 5/2 میلیون تن زغال سنگ نیاز دارد.یک گرم اورانیم 235 وقتی تحت فرآیند شکافت در یک راکتور هستهای قرار میگیرد،بهاندازه سوزاندن 3 تن زغال سنگ یا 2 تن نفت ، انرژی تولید میکند.
کارآیی برق هسته ای
یک کیلوگرم زغال سنگ برای مدت 4 روز میتواند یک لامپ 60 وات را روشن نگه دارد، در حالی که انرژی هستهای قادر به تامین برق موردنیاز همان لامپ تا 685 سال است.
آیا انرژی هستهای گاز گلخانهای تولید میکند؟
در طول فرآیند تولید برق در نیروگاه هستهای هیچ میزان دی اکسید کربن، اکسید نیتروژن و دی اکسید سولفور تولید نمیشود.انرژی هستهای تنها منبع انرژی پاکی است که 24 ساعت شبانه روز و 7 روز هفته برق تولید میکند.به ازای هر کیلووات ساعت برق هستهای ، کمتر از 5 گرم دی اکسید کربن منتشر میشود، رقمی که برای برق تولیدی در نیروگاه گاز طبیعی بیش از 365 گرم و برای نیروگاه زغال سنگ ،900 گرم است.
آیا نیروگاه هستهای زمین زیادی لازم دارد؟
در مقایسه با دیگر منابع انرژی غیر آلاینده،تاسیسات انرژی هستهای بسیارجمع و جور است به گونهای که برای تولیدهمان میزان برق حاصل از یک نیروگاه هستهای چند راکتوری ،اگر بخواهیم از انرژی خورشیدی بهره ببریم، نیازمندبیش از 60 مایل مکعب پانلهای فتوولتائیک و یا 180 مایل مکعب توربین بادی هستیم.
هزینه ساخت راکتورهای جدید
ساخت یک راکتور بزرگ بین 6 تا 8 میلیارد دلار هزینه دربرداردکه البته پس از ساخت ، هزینههای فعالیت آن برای تولید برق پایین خواهد بود.
مقایسه مساحت مورد نیاز برای تولید برق از طریق انرژی هسته ای، باد و خورشید
در این جا به مقایسه میزان زمین موردنیاز برای تولید 1800 مگاوات برق به 3 روش بهره گیری از انرژی هسته ای، باد و خورشید میپردازیم(1800 مگاوات برق برای تامین انرژی موردنیاز 8/1 میلیون خانه کافی است). البته ذکر این نکته نیز ضروری است که انرژی هستهای یک منبع پایه تامین برق است که در بیش از 90 درصد زمان ها،یعنی24 ساعت شبانه روزو365 روزسال به طور متوسط قادر به تولید برق است.این در حالی است که انرژی باد و خورشید تنها به ترتیب 33 و 25 درصد ظرفیت تولید برق دارند.اعداد جدول پایین با فرض این که راندمان فرآیند تولید برق ازانرژی باد و خورشید نیز 90 درصد باشد،محاسبه شده در حالی که به طور واقعی این راندمان تنها 33 و 25 درصد است.
نیروگاه هسته ای
خروجی برق:1800 مگاوات
تعدادراکتورموردنیاز:2 عدد
زمین مصرفی:4/4 کیلومتر مربع
نیروگاه بادی
خروجی برق:هر توربین بادی به طور متوسط 5/2 مگاوات برق تولید میکند
تعداد توربینهای موردنیاز برای تولید 1800 مگاوات برق:720
زمین مصرفی:437 کیلومتر مربع
نیروگاه خورشیدی
خروجی برق:یک مگاوات در هر30 هزار مترمربع از پانلهای خورشیدی فتوولتائیک
زمین مصرفی:54 کیلومتر مربع
علاوه بر هزینه مذکور، فرآیند تولید پانلهای خورشیدی ضایعات سمی و خطرناکی ایجاد میکند. بیش از 80 درصد پانلهای خورشیدی اروپا در چین تولید میشود و در سال 2011 در پی نشت گسترده ضایعات سمی در نتیجه وقوع حادثهای در یک کارخانه تولید پانلهای خورشیدی، اعتراضات گستردهای در چین انجام شد.نکته جالب دیگر این که اگر یک راکتور منفرد هستهای 500 مگاواتی را از شبکه خارج کنید، باید بیش از 100 هزار تاسیسات خورشیدی و 750 توربین بادی به کار گرفته شود تا جای خالی راکتور را پر کند.
بررسی هزینههای تولید برق
اکونومیست طی گزارشی در اواخر جولای 2014 به بررسی هزینههای تولید برق با انرژیهای مختلف پرداخت و اعلام کرد که تولید برق با انرژی باد و خورشید به مراتب گران تر از آن چیزی است که تصوروگفته میشود.در این گزارش آمده است: سالانه میلیارها دلار صرف گسترش صنایع نوظهور برق بادی و خورشیدی میشود به این امید که روزی این انرژیها جای سوختهای فسیلی را بگیرند و میزان دی اکسید کربن تولیدی را کاهش دهند،اما واقعیت این است که نیروگاههای هستهای در مقایسه با تمام منابع تولید انرژی از جمله انرژیهای نو،برای مصارف خانگی و صنعتی منابع اصلی و بسیار ارزان تامین برق محسوب میشوندو در حال حاضر جهان جایگزینی برای نیروگاههای هستهای ندارد و منابع دیگر انرژی برای تولید برق بسیار پرهزینه هستند.همچنین کشورهای جهان بدین نتیجه رسیدهاند که انرژیهای نو مانند بادو خورشید تنها به عنوان مکمل قابل استفاده هستند و صنعت و اقتصاد کشوری را نمیتوان با اتکا به این انرژیها چرخاند.انرژی باد به عنوان مثال در یک روز آرام، قادر به تولید برق نیست یا برق خورشیدی در شب تولید نمیشود.بنابراین در صورت اتکا به این منابع برای تولید برق یک کشور،باید دائم شاهد توقف نیروگاهها باشیم.ضمن این که میزان تقاضا برای برق در طول ساعات مختلف روز متفاوت است و برق تولیدی توسط انرژی باد و خورشید به هیچ عنوان نمیتواند پاسخ گوی این نوسانات و افزایش تقاضا باشد.همچنین تولید برق با انرژی هستهای به میزان 400 هزار دلاربه ازای هر مگاوات ظرفیت ،از انتشار کربن جلوگیری میکند.این رقم برای برق خورشیدی 69 هزارو 500 دلارو برای برق بادی 107 هزار دلار است.
نیاز فزاینده جهان به انرژی و برق هسته ای
اتحادیه جهانی هستهای طی گزارشی درآگوست 2014 اعلام کرد:تقاضای جهان به انرژی در 20 سال آینده به شدت افزایش خواهد یافت و در این میان برق هستهای مناسب ترین روش برای محیط زیست به منظور تولید الکتریسیته درسطح وسیع است.در مقابل تولید برق از انرژیهای تجدیدپذیر مانند باد و خورشیدبسیار پرهزینه است و تنها میتوان به عنوان یک منبع انرژی در حاشیه و مکمل و نه انرژی اصلی برای تامین مصارف اقتصادی و صنعتی یک کشوراز آن استفاده کرد.
وزارت انرژی آمریکا درباره چشم انداز و رشد مصرف انرژی طی ۲۷سال آینده (از سال ۲۰۰۸ تا ۲۰۳۵ میلادی) گزارشی منتشر کرده است که نشان میدهد میزان مصرف انرژی جهان در طول این بازه زمانی، ۵۵درصد افزایش خواهد داشت. اگر چه استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر به صورت محلی امکان پذیر است، اما اتکا به این انرژیها به عنوان تامین کننده انرژی موردنیاز صنایع و اقتصاد یک کشور به هیچ وجه ممکن نیست و توجیه اقتصادی ندارد و امروزه اجماع بینالمللی بر اقتصادی بودن انرژی هستهای قرار گرفته است. این انرژی علاوه بر اقتصادی بودن، کاربردهای متنوعی در صنایع مختلف دارد. اگر چه میتوان به کمک مبدل هایی، از منابع طبیعی مانند خورشید، باد و آب انرژی به دست آورد، اما با توجه به هزینه ایجاد این مبدلها و حجم انرژی که به دست میآید، استفاده از این انرژیها مقرون به صرفه نیست. ضمن این که برق حاصل از انرژیهای نو و تجدیدپذیر باید در حدی باشد که نیاز کلان کشور را به انرژی رفع کند در حالی که میزان انرژی تولید شده از انرژیهای تجدیدپذیر بسیار محدود است. برای تولید یک کیلووات ساعت انرژی الکتریسیته، ۳۵صدم کیلوگرم زغال سنگ یا یک سوم لیتر نفت یا چهاردهم متر مکعب گاز لازم است در حالی که با 2.5 میلی گرم اورانیم طبیعی و یا یک دهم این مقدار اورانیم غنی شده نیز، میتوان همین مقدار انرژی را تولید کرد. امروزه هیچ کشوری خود را به استفاده از یک منبع انرژی نو محدود نمیکند چرا که این انرژیها پاسخ گوی نیازهای یک کشور نیستند.ضمن این که استفاده از انرژی تجدیدپذیر به جغرافیای هر منطقه نیز بستگی دارد به عنوان نمونه در همه کشورها و حتی کشور خودمان، وزش باد و یا تابش خورشید در آن حدی نیست که دائم توربینهای بادی را بچرخاند و یا سلولهای خورشیدی قادر باشند دائم و در سطح گسترده انرژی خورشیدی تولید کنند تا جواب گوی تمامی نیازهای انرژی کشور باشد. انرژی هستهای با اندک سوخت موردنیاز انرژی بسیار زیادی از نظر حجم تولید میکند به طوری که یک گرم اورانیم با چند تن زغال سنگ برای تولید یک میزان انرژی برابری میکند. به عبارت دیگر توان خروجی نیروگاه هستهای بسیار بالاست.در مقایسه با انرژیهای نو نیز باز هم انرژی قابل استحصال از انرژی هستهای با انرژی که از انرژیهای نو به دست میآید، قابل مقایسه نیست زیرا از یک راکتور هستهای میتوان چندصدبرابر همان میزان از انرژیهای دیگر انرژی به دست آورد که این مزیت بسیار بزرگی است.
انرژیهای بادی نیز در همه جا قابل استفاده نیستند و تنها میتوان در مکانهای خاصی از آنها استفاده کرد.اما راکتورهای هستهای را میتوانیم در یک حجم نسبتا کوچک در هر جایی بسازیم و از آن مقدار زیادی انرژی دریافت کنیم. در حال حاضر راکتورهای هستهای از نوع شکافت با سوخت اورانیم هستند اما نسل دوم انرژی هستهای که دنیا در حال سرمایه گذاری روی آن در قالب یک پروژه چند ملیتی است، متمرکز بر ساخت راکتور اتمی از نوع گداخت است. این پروژه از سال ۲۰۰۰ شروع شده است.