afsanah82
08-10-2010, 03:33 PM
نیروگاه هسته‌ای به تأسیساتی صنعتی و نیروگاهی می‌گویند که بر پایهٔ فناوری هسته‌ای و با کنترل فرآیند شکافت هسته‌ای، از گرمای تولید شده آن اقدام به تولید انرژی الکتریکی می‌کند. کنترل انرژی هسته‌ای با حفظ تعادل در فرآیند شکافت هسته‌ای همراه است که با استفاده از گرمای تولیدی برای تولید بخار آب (مانند بیشتر نیروگاه‌های گرمایی) اقدام به چرخاندن توربین‌های بخار و به دنبال آن ژنراتورها می‌کند.
تاسیسات نیروگاه هسته‌ای ایندین پوینت در ایالت نیویورک
نیروگاه هسته‌ای ایکاتا در ژاپن فاقد برج‌های خنک کننده‌است و تبادل حرارت را به طور مستقیم با آب اقیانوس انجام می‌دهد.
در سال ۲۰۰۴ انرژی هسته‌ای در تولید کل انرژی مصرفی جهان سهمی در حدود ۶٫۵٪، و در تولید انرژی الکتریکی سهمی در حدود ۱۵٫۷٪ داشته‌است و نخستین بار به وسیله انریکو فرمی در سال ۱۹۳۴ در یکی از آزمایشگاه‌های دانشگاه شیکاگو تولید شد. این اتفاق زمانی رخ داد که تیم او مشغول بمباران کردن هسته اورانیوم با نوترون بودند.
بر طبق پیش‌بینی اتحادیه جهانی هسته‌ای در سال ۲۰۱۵ به طور متوسط هر ۵ روز یک‌بار یک نیروگاه هسته‌ای در جهان افتتاح خواهد شد.شکافت هسته‌ای صورت گرفته در یک راکتور فقط بخشی از یک چرخه هسته‌ای است. این چرخه از معادن شروع می‌شود.میزان اورانیوم موجود در پوسته زمین نسبتاً زیاد است به طوری که با منابع فلزاتی همچون قلع و ژرمانیوم برابری می‌کند و تقریباً ۳۵ برابر میزان نقره موجود در پوسته زمین است. اورانیوم ماده تشکیل دهنده بسیاری از اجسام اطراف ما مانند سنگ‌ها و خاک است. طبق آمارگیری جهانی معادن شناخته شده جهان در حال حاضر برای تامین بیش از ۷۰ سال انرژی الکتریکی جهان کافی هستند. بهای متوسط اورانیوم در حال حاضر ۱۳۰ دلار آمریکا به ازای هر کیلوگرم است. به این ترتیب ثبات تامین سوخت هسته‌ای از بسیاری از دیگر مواد معدنی بیشتر است.
مهمترین مسئله‌ای که مخالفان انرژی هسته‌ای بیان می‌دارند امنیت محیط زیستی نیروگاه هسته‌ای است زیرا با کوچکترین اشتباه فجایعی مانند فاجعه چرنوبیل قابلیت رخ دادن خواهند داشت.
کاربرد
در سال ۲۰۰۴ انرژی هسته‌ای در تولید کل انرژی مصرفی جهان سهمی در حدود ۶٫۵٪، و در تولید انرژی الکتریکی سهمی در حدود ۱۵٫۷٪ داشته‌است که کشورهای ایالات متحده، فرانسه، و ژاپن در مجموع حدود ۵۷٪ از کل انرژی الکتریکی هسته‌ای جهان را به خود اختصاص داده‌اند.[۱] در سال ۲۰۰۷ آژانس بین‌المللی انرژی هسته‌ای از وجود ۴۳۹ راکتور هسته‌ای در حال ساخت در ۳۱ کشور در سراسر جهان خبر داد.[۲][۳]
ایالات متحده آمریکا با تولید حدود ۲۰٪ انرژی مورد نیاز خود از راکتورهای هسته‌ای در میزان کل تولید انرژی هسته‌ای جایگاه اول جهان را داراست، حال آن که فرانسه با تولید ۸۰٪ انرژی الکتریکی مورد نیاز خود در ۱۶ نیروگاه هسته‌ای از نظر درصد دارای رتبه اول در جهان است.[۴][۵] این درحالی است که در کل اروپا، انرژی هسته‌ای ۳۰٪ برق مصرفی این قاره را تامین می‌کند.[۶] البته سیاست‌های هسته‌ای در کشورهای اروپایی با هم متفاوتند طوری که در کشورهایی نظیر ایرلند یا اتریش هیچ راکتور هسته‌ای فعالی وجود ندارد.
همچنین در بسیاری از کشتی‌ها و زیردریایی‌های نظامی و یا حتی غیرنظامی (کشتی‌های یخ شکن) از انرژی هسته‌ای به عنوان نیروی محرکه استفاده می‌شود.[۷]
به دلیل مزیت‌های بی‌شمار انرژی هسته‌ای، امروزه استفاده از این فناوری روز به روز گسترش بیشتری می‌یابد و بر روش‌های استفاده صلح‌آمیز از آن (مانند استفاده از انرژی هسته‌ای برای گرمایش یا نمک‌زدایی آب) افزوده می‌شود.[۸]
تاریخچه
منشأ
درسال ۱۹۳۸ زمانی‌که شیمیدان آلمانی اتو هان (به آلمانی: Otto Hahn)[۹] و فریتس اشتراسمان (به آلمانی: Fritz Straßmann) فیزیکدان اتریشی لیزه میتنر (به انگلیسی: Lise Meitner)[۱۰] و اتو روبرت فریش (به انگلیسی: Otto Robert Frisch)[۱۱] در حال آزمایش بر روی اورانیوم بمباران شده بودند متوجه شدند که نوترون شلیک شده می‌تواند نتیجه‌ای باورنکردنی داشته باشد و هسته اورانیوم را به دو یا چند قسمت تقسیم کند. بعدها دانشمندان زیادی (و در صدر آنها لیو زیلارد) دریافتند که پخش تعدادی نوترون در فضا هنگام یک شکافت هسته‌ای می‌تواند واکنشی زنجیره‌ای را از این قابلیت به وجود آورد. این کشف دانشمندان را در برخی کشورها (از جمله ایالات متحده، انگلستان، فرانسه، آلمان و اتحاد جماهیر شوروی) بر آن داشت تا از دولت‌های خود برای ادامه تحقیقات در این زمینه درخواست پشتیبانی مالی کنند.
انرژی هسته‌ای نخستین بار به وسیله انریکو فرمی در سال ۱۹۳۴ در یکی از آزمایشگاه‌های دانشگاه شیکاگو تولید شد. این اتفاق زمانی رخ داد که تیم او مشغول بمباران کردن هسته اورانیوم با نوترون بودند.[۱۲] این پروژه (که با نام Chicago Pile-1 شناخته شد) با فوریت تمام در ۲ دسامبر ۱۹۴۲ به بهره‌برداری رسید و بعدها به بخشی از پروژه منهتن تبدیل شد. طی این پروژه راکتورهای بزرگی را برای دستیابی به پلوتونیوم و استفاده از آن در سلاح هسته‌ای در هانفورد واشینگتن راه‌اندازی کردند.
پس از جنگ جهانی دوم دولت ایالات متحده که می‌ترسید تحقیقات هسته‌ای باعث انتشار دانش هسته‌ای و در نتیجه سلاح هسته‌ای شود کنترل‌های سخت‌گیرانه‌ای در مورد تحقیقات هسته‌ای اعمال کرد و به طور کلی بیشتر تحقیقات هسته‌ای بر روی اهداف نظامی متمرکز شوند.
در ۲۰ دسامبر ۱۹۵۱ برای اولین بار در یک پایگاه آزمایشگاهی با نام EBR-I از راکتور هسته‌ای برای تولید انرژی الکتریکی (در حدود ۱۰۰ کیلووات) استفاده شد.[۱۳]
سال های آغازین
در ۱۹۵۴ لوییس اشتراوس و پس از آن چیرمن رییس کمسیون انرژی اتمی ایالات متحده آمریکا درباره تولید انرژی الکتریکی به وسیله انرژی هسته‌ای گفتگوهایی را انجام دادند و در رابطه با تولید انرژی الکتریکی ارزان‌تر مطالبی را شرح دادند.[۱۴] اما مسئولین آن زمان ایالات متحده بدلیل بد گمانی درباره انرژی هسته‌ای بیشتر تمایل داشتند تا از همجوشی هسته‌ای برای این کار استفاده کنند و بنابراین فرصت را از دست دادند.[۱۵]
سرانجام در ۲۷ ژوئن ۱۹۵۴ اولین نیروگاه هسته‌ای جهان که به شبکه برق متصل گردید در اتحاد جماهیر شوروی به بهره‌برداری رسید. این نیروگاه توانی در حدود ۵ مگاوات تولید می‌کرد. [۱۶][۱۷] در ۱۹۵۶ اولین نیروگاه تجاری هسته‌ای جهان در انگلستان به بهره‌برداری رسید که توانی در حدود ۵۰ مگاوات تولید می‌کرد. [۱۸]
یکی از سازمانهایی که برای اولین بار شروع به توسعه دانش هسته‌ای کرد نیروی دریایی ایالات متحده آمریکا بود که در نظر داشت از انرژی هسته‌ای به عنوان سوخت زیردریایی‌ها و ناوهای هواپیمابر استفاده کند. عملکرد مناسب این سازمان و پافشاری دریاسالار هیمن ریکوور باعث شد تا سر انجام اولین زیردریایی اتمی جهان با نام ناتیلوس (به انگلیسی: USS Nautilus) در دسامبر ۱۹۵۴ به آب انداخته شود.[۱۹]
پیشرفت
با راه‌اندازی اولین نیروگاه‌های هسته‌ای استفاده از این نیروگاه‌ها شتاب گرفت به طوری که استفاده از برق هسته‌ای از کمتر از ۱ گیگاوات در دهه ۱۹۶۰ به بیش از ۱۰۰ گیگاوات در دهه ۱۹۷۰ و نزدیک به ۳۰۰ گیگاوات در اواخر دهه ۱۹۸۰ رسید. البته در اواخر دهه ۱۹۸۰ از شتاب رشد استفاده از برق هسته‌ای به شدت کاسته شد و به این ترتیب به حدود ۳۶۶ گیگاوات در سال ۲۰۰۵ رسید که بیشترین گسترش پس از دهه ۱۹۸۰ مربوط به جمهوری خلق چین است. باید به این نکته نیز اشاره کرد که بیش از دو سوم از طرح‌های مربوط به احداث نیروگاه هسته‌ای که شروع اجرای آنها پس از ۱۹۷۰ بود، لغو شدند.[۱۹]
در طول دهه‌های ۱۹۷۰ و ۱۹۸۰ کاهش قیمت سوخت‌های فسیلی و افزایش قیمت ساخت یک نیروگاه هسته‌ای از تمایل دولت‌ها برای ساخت نیروگاه هسته‌ای به شدت کاست.[۲۰] البته بحران سوخت ۱۹۷۳ باعث شد تا کشورهایی مانند فرانسه و ژاپن که از منابع نفت زیادی برخوردار نیستند به فکر ساخت نیروگاه‌های هسته‌ای بیشتری بیفتند[۲۱][۲۲] به طوری که این دو کشور به ترتیب ۸۰٪ و ۳۰٪ از انرژی الکتریکی حال حاضر خود را از این منابع تامین می‌کنند.
در سی سال انتهایی قرن بیستم ترس از حوادث هسته‌ای مانند فاجعه چرنوبیل در ۱۹۸۶، مشکلات مربوط به دفع زباله‌های هسته‌ای، بیماری‌های ناشی از تشعشع هسته‌ای و... باعث به وجود آمدن جنبش‌هایی برای مقابله با توسعه نیروگاه‌های هسته‌ای شد و این خود از دلایل کاهش توسعه نیروگاه‌های هسته‌ای در بسیاری از کشورها بود.[۲۳]
ینده
تا سال ۲۰۰۷ آخرین راکتور هسته‌ای مورد بهره‌برداری قرار گرفته در ایالات متحده راکتور Watts Bar ۱ در تنسی بود که در ۱۹۹۶ به شبکه متصل شد[۲۴] و این مدرک محکمی بر موفقیت تلاش‌های ضد گسترش نیروگاه‌های هسته‌ای است. با این حال تلاش‌ها در برابر گسترش نیروگاه‌های هسته‌ای تنها در برخی کشورهای اروپایی، فیلیپین، نیوزیلند و ایالات متحده موفق بوده‌است[۲۵] و در عین حال در این کشورها نیز این جنبش‌ها نتوانستند تحقیقات هسته‌ای را متوقف کنند و تحقیقات مربوط به انرژی هسته‌ای کماکان ادامه دارد. برخی کارشناسان پیش‌بینی می‌کنند که نیاز روز افزون به منابع انرژی، افزایش قیمت سوخت و بحران افزایش دمای زمین در اثر استفاده از سوخت‌های فسیلی باعث شود که بقیه کشورها نیز به سوی استفاده از نیروگاه‌های هسته‌ای روی آورند و همچنین باید یادآوری کرد که با پیشرفت تکنولوژی هسته‌ای، امروزه امکان بروز فجایع هسته‌ای بسیار کمتر شده‌است.
بر طبق پیش‌بینی اتحادیه جهانی هسته‌ای در سال ۲۰۱۵ به طور متوسط هر ۵ روز یک‌بار یک نیروگاه هسته‌ای در جهان افتتاح خواهد شد.[۲۶]
با تمام مخالفت‌ها، بسیاری از کشورها در گسترش نیروگاه‌های هسته‌ای ثابت قدم بوده‌اند از جمله این کشورها می‌توان به ژاپن، چین، و هند اشاره کرد. در بسیاری از کشورهای دیگر جهان نیز طرح‌های وسیعی برای گسترش استفاده از انرژی هسته‌ای در حال تدوین است.
فناوری راکتور هسته‌ای
تمامی نیروگاه‌های گرمایی متداول از نوعی سوخت برای تولید گرما استفاده می‌کنند برای مثال گاز طبیعی، زغال سنگ یا نفت. در یک نیروگاه هسته‌ای این گرما از شکافت هسته‌ای که در داخل راکتور صورت می‌گیرد تامین می‌شود. هنگامی که یک هسته نسبتاً بزرگ قابل شکافت مورد برخورد نوترون قرار می‌گیرد به دو یا چند قسمت کوچک‌تر تقسیم می‌شود و در این فرآیند که به آن شکافت هسته‌ای می‌گویند تعدادی نوترون و مقدار نسبتاً زیادی انرژی آزاد می‌شود. نوترون‌های آزاد شده از یک شکافت هسته‌ای در مرحله بعد خود با برخورد به دیگر هسته‌ها موجب شکافت‌های دیگری می‌شوند و به این ترتیب یک فرآیند زنجیره‌ای به وجود می‌آید. زمانی که این فرآیند زنجیره‌ای کنترل شود می‌توان از انرژی آزاد شده در هر شکافت (که بیشتر آن به صورت گرماست) برای تبخیر آب و چرخاندن توربین‌های بخار و در نهایت تولید انرژی الکتریکی استفاده کرد. در صورتی که در یک راکتور از سوختی یکنواخت اورانیوم-۲۳۵ یا پلوتونیوم-۲۳۹ استفاده شود بر اثر افزایش غیرقابل کنترل تعداد شکافت‌های هسته‌ای بر اثر فرآیند زنجیره‌ای، انفجار هسته‌ای ایجاد می‌شود. اما فرآیند زنجیره‌ای موجب ایجاد انفجار هسته‌ای در یک راکتور نخواهد شد چرا که تعداد شکافت‌های راکتور به اندازه‌ای زیاد نخواهد بود که موجب انفجار شوند و این به دلیل درجه غنی سازی پایین سوخت راکتورهای هسته‌ای است. اورانیوم طبیعی دارای درصد اندکی (کمتر از ۱٪) از اورانیوم-۲۳۵ است و بقیه آن اورانیوم-۲۳۸ است(زیرا اورانیوم-۲۳۸ توانایی شکافت‌پذیری ندارد[۲۷]). اکثر راکتورها نیروگاه‌های هسته‌ای از اورانیوم با درصد غنی‌سازی بین ۳٪ تا ۴٪ استفاده می‌کنند اما برخی از آنها طوری طراحی شده‌اند که با اورانیوم طبیعی کار کنند و برخی از آنها نیز به سوخت‌های با درصد غنی‌سازی بالاتر نیاز دارند. راکتورهای موجود در زیردریایی‌های هسته‌ای و کشتی‌های بزرگ مانند ناوهای هواپمابر معمولاً از اورانیوم با درصد غنی‌سازی بالا استفاده می‌کنند. با اینکه قیمت اورانیوم با غنی‌سازی بالاتر بیشتر است اما استفاده از این نوع سوخت‌ها دفعات سوختگیری را کاهش می‌دهد و این قابلیت برای کشتی‌های نظامی بسیار پر اهمیت است.[۲۸] راکتورهای CANDU قابلیت دارند تا از اورانیوم غنی‌نشده استفاده کنند و دلیل این قابلیت استفاده آب سنگین به جای آب سبک برای تعدیل سازی و خنک کنندگی است چراکه آب سنگین مانند آب سبک نوترون‌ها را جذب نمی‌کند.
کنترل فرآیند شکافت زنجیره‌ای با استفاده از موادی که می‌توانند نوترون‌ها را جذب کنند (در اکثر موارد کادمیوم) ممکن می‌شود. سرعت نوترون‌ها در راکتور باید کاهش یابد چراکه احتمال اینکه یک نوترون با سرعت کمتر در لحظه تصادم با هسته اورانیوم-۲۳۵ موجب شکافت هسته‌ای گردد بیشتر است. در راکتورهای آب سبک از آب معمولی برای کم کردن سرعت نوترون‌ها و همچنین خنک کردن راکتور استفاده می‌شود. اما زمانی که دمای آب افزایش می‌یابد چگالی آب کاهش می‌یابد و تعداد سرعت کمتری نوترون به اندازه کافی کم می‌شود و به این ترتیب تعداد شکافت‌های کاهش می‌یابند بنابراین یک بازخور منفی همیشه ثبات سیستم را تثبیت می‌کند. در این حالت برای آنکه بتوان دوباره تعداد شکافت‌های صورت گرفته را افزایش داد باید دمای آب را کاهش داد که به این کار ایجاد چرخه شکافت می‌گویند.
چرخه سوخت هسته‌ای
شکافت هسته‌ای صورت گرفته در یک راکتور فقط بخشی از یک چرخه هسته‌ای است. این چرخه از معادن شروع می‌شود. اورانیوم استخراج شده از معدن معمولاً فرمی پایدار و فشرده مانند کیک زرد دارد. این اورانیوم معدنی به تأسیسات فرآوری فرستاده می‌شود و در آنجا کیک زرد به هگزافلوراید اورانیوم (که پس از غنی سازی به عنوان سوخت راکتورها مورد استفاده قرار می‌گیرد) تبدیل می‌گردد. در این مرحله درجه غنی‌سازی اورانیوم یعنی درصد اورانیوم-۲۳۵ در حدود ۰٫۷٪ است. در صورت نیاز بسته به نوع سوخت نیروگاه (درصد غنی سازی لازم برای سوخت نیروگاه) اورانیوم غنی سازی شده و سپس از آن برای تولید میل‌های سوختی مورد استفاده در نیروگاه (شکل میله‌ها در نیروگاه‌های مختلف متفاوت است) استفاده می‌کنند. عمر هر میل تقریباً سه سال است به طوری که حدود ۳٪ از اورانیوم موجود در آن مورد مصرف قرار گیرد. پس از گذشت امر اورانیوم، آن را به حوضچه سوخت مصرف شده می‌برند. اورانیوم باید حداقل ۵ سال در این حوضچه‌ها باقی بماند تا ایزوتوپ‌های به وجود آمده در اثر شکافت هسته‌ای از آن جدا شوند. پس از گذشت این زمان اورانیوم را در بشکه‌های خشک انبار می‌کنند و یا اینکه دوباره آن را به چرخه سوخت باز می‌گردانند.
منابع سوخت
میزان اورانیوم موجود در پوسته زمین نسبتاً زیاد است به طوری که با منابع فلزاتی همچون قلع و ژرمانیوم برابری می‌کند و تقریباً ۳۵ برابر میزان نقره موجود در پوسته زمین است. اورانیوم ماده تشکیل دهنده بسیاری از اجسام اطراف ما مانند سنگ‌ها و خاک است. طبق آمارگیری جهانی معادن شناخته شده جهان در حال حاضر برای تامین بیش از ۷۰ سال انرژی الکتریکی جهان کافی هستند. بهای متوسط اورانیوم در حال حاضر ۱۳۰ دلار آمریکا به ازای هر کیلوگرم است. به این ترتیب ثبات تامین سوخت هسته‌ای از بسیاری از دیگر مواد معدنی بیشتر است.[۳۳][۳۴] به تناسب دیگر مواد معدنی با افزایش دو برابری هزینه تامین سوخت، می‌توان به ده برابر منابع کنونی اورانیوم دست یافت. باید توجه داشت که قیمت تامین سوخت در یک نیروگاه هسته‌ای نسبت به دیگر تجهیزات موجود نسبتاً اندک است و بنابراین چند برابر شدن قیمت اورانیوم تأثیر چندانی بر روی قیمت انرژی الکتریکی تولیدی نخواهد داشت. برای مثال افزایش دو برابری در قیمت سوخت مصرفی یک نیروگاه هسته‌ای آب سبک هزینه راکتورها را در حدود ۲۶٪ و هزینه برق تولیدی را در حدود ۷٪ افزایش می‌دهد در حالی که افزایش دوبرابری قیمت سوخت در یک نیروگاه گازی قیمت برق تولیدی را تا ۷۰٪ افزایش می‌دهد.[۳۵][۳۶]
نیروگاه‌های آب سبک موجود در استفاده از سوخت هسته‌ای بهره‌وری پایینی دارند چراکه تنها قابلیت ایجاد شکافت هسته‌ای در ایزوتوپ‌های اورانیوم-۲۳۵ (حدود ۰٫۷٪ از اورانیوم معدنی) را دارند.[۳۷] در مقابل راکتورهای متداول آب سبک برخی راکتورهای هسته‌ای می‌توانند از اورانیوم-۲۳۸ استفاده نیز استفاده کنند که حدود ۹۹٫۳٪ از اورانیوم معدنی معدنی را تشکیل می‌دهد. قبل از استفاده از اورانیوم-۲۳۸ در طی فرآیندی از آن برای تولید پلوتونیم-۲۳۸ استفاده می‌کنند و سپس از پلوتونیم در راکتورهای هسته‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد. طبق برآیند گرفته شده با مصرف کنونی نیروگاه‌های جهان اورانیوم-۲۳۸ می‌تواند برای ۵ میلیون سال انرژی مورد نیاز این نیروگاه‌ها را تامین کند.
این تکنولوژی در بسیاری از راکتورهای هسته‌ای مورد استفاده قرار گرفته‌است، اما هزینه بالای فرابری سوخت این نیروگاه‌ها (۲۰۰ دلار به ازای هر کیلوگرم) استفاده از آنها را با مشکل مواجه کرده. تا سال ۲۰۰۵ تنها در راکتور نیروگاه BN-۶۰۰ در «بلویارسک» روسیه از این تکنولوژی برای تولید برق استفاده شده بود، که البته روسیه برنامه‌ریزی‌های مربوط به ساخت نیروگاه دیگری از این نوع با نام BN-۸۰۰ را انجام داده‌است. ژاپن نیز قصد دارد تا پروژه راکتور Monju را مجدداً شروع کند (این پروژه از سال ۱۹۹۵ تعطیل شده‌است) و همچنین چین و هند نیز قصد دارند تا از این تکنولوژی برای سوخت‌رسانی به راکتورها استفاده کنند.
راه حل دیگری که در این زمینه وجود دارد استفاده از اورانیوم-۲۳۳ است که از توریوم به دست می‌آید. توریم حدوداً ۳٫۵ برابر بیشتر از اورانیوم در پوسته زمین وجود دارد و پراکندگی جغرافیایی متفاوتی نسبت به اورانیوم دارد. استفاده از این ماده می‌تواند میزان منابع سوخت‌های شکافت یافتنی را تا ۴۵۰٪ افزایش دهد. برعکس اورانیوم-۲۳۸ که برای مصرف آن را باید به صورت پلوتنیوم-۲۳۸ درآورد، اورانیوم-۲۳۳ نیازی به تبدیل ندارد. در حال حاضر کشور هند علاقه زیادی برای استفاده از این روش دارد چراکه این کشور دارای معادن بسیار زیاد توریم است درحالی که معادن اورانیوم این کشور اندک هستند.
جوانب اقتصادی
یکی از مسائل نیروگاه هسته‌ای هزینه ساخت آن است که شامل هزینه ساخت راکتور، هزینه مسائل امنیتی، هزینه ساخت مراکز معدنی، هزینه ساخت مراکز تبدیل مواد خام به سوخت هسته‌ای، هزینه ساخت مراکز بازپروری هسته‌ای و انبارهای هسته‌ای برای دفن ضایعات هسته‌ای است.
خرج تولید الکتریسیته با نیروی هسته‌ای در سال ۲۰۰۷ حدود ۰٫۰۱۷۶ دلار برای هر کیلووات ساعت بود، در صورتیکه این مقدار برای ذغال سنگ، گاز طبیعی، و نفت بترتیب ۰٫۰۲۴۷ دلار، ۰٫۰۶۷۸ دلار، و ۰٫۱۰۲۶ دلار بود.[۳۸]
امنیت نیروگاه هسته‌ای
از خطرهایی که همواره بیم آن می‌رود، حمله احتمالی تروریستی به نیروگاه‌های هسته‌ای است، چرا که با انفجار نیروگاه محوطه‌ای به شعاع ۲۰ کیلومتر بشدت آلوده می‌شود و هیچ موجود زنده‌ای را باقی نمی‌گذارد و در اثرات تخریبی ژنتیکی تا ۱۰ نسل را بر روی محوطهٔ بزرگتری در حدود شعاع ۴۰ کیلومتر باقی خواهد گذاشت[۳۹]
نیروگاه‌های متحرک
یکی از وسیعترین کاربردهای نیروگاه‌های هسته‌ای، استفاده از انرژی هسته‌ای جهت رانش ناوها و زیردریایی‌ها است. در این راستا، آدمیرال هیمن ریکوور برای نخستین بار این ایده را در نیروی دریایی ایالات متحده آمریکا پیاده و عملی نمود. امروزه اکثر ناوها و تجهیزات نیروی دریایی آمریکا از نیروگاه‌های متراکم PWR استفاده می‌کنند.
پسماند هسته‌ای نیروگاه‌ها
یافتن راهی ارزان و ایمن برای انبار کردن زباله‌های هسته‌ای چالشی پر اهمیت در زمینه چرخه سوخت هسته‌ای است زیرا این ضایعات تا ۱۰٬۰۰۰ سال نیز تشعشعات خطرناک دارند[۴۰]
نگرانیهای محیط زیستی
مهمترین مسئله‌ای که مخالفان انرژی هسته‌ای بیان می‌دارند امنیت محیط زیستی نیروگاه هسته‌ای است زیرا با کوچکترین اشتباه فجایعی مانند فاجعه چرنوبیل قابلیت رخ دادن خواهند داشت.
آلایش هسته‌ای همواره از نگرانیهای این نوع صنعت بطور کل بوده‌است.[۴۱][پیوند مرده] با اینحال برخی مطالعات حاکی از قابل مقایسه بودن دیگر صنایع تولید انرژی با نیروگاه‌های هسته‌ای می‌باشند.[۴۲]
حوادث هسته‌ای
حادثه تری مایل آیلند (۱۹۷۹)
در سال ۱۹۷۹ بخشی از هسته اصلی واحد ۲ در نیروگاه تری مایل آیلند در ایالت پنسیلوانیا در آمریکا ذوب شد که باعث نشت ۳ میلیون کوری گاز رادیواکتیو به بیرون از نیروگاه گردید.[۴۳] در پی این حادثه حدود ۱۴۰٬۰۰۰ نفر از اهالی منطقه خانه‌های خود را ترک کردند. پس از حادثه تری مایلی آیلند، ساخت نیروگاه‌های هسته‌ای برای مدتی در آمریکا متوقف شد.[۴۴]
حادثه چرنوبیل (۱۹۸۶)
حادثه چرنوبیل در سال ۱۹۸۶ و در چرنوبیل (در شوروی سابق و اوکراین کنونی) اتفاق افتاد به طوری که نیروگاه در ساعت ۱:۴۰ بامداد از کنترل خارج شد و بتن آرمه یک متری گنبد را ذوب نمود و اتفاقات پس از آن موجب شد تا در کل اروپا وضعیت اضطراری اعلام شود.[۴۵]
نیروگاه‌های هسته‌ای در ایران
برنامه هسته‌ای ایران در دهه ۱۹۵۰ با کمک ایالات متحده به عنوان بخشی از برنامه «اتم برای صلح» آغاز شد. امروزه دولت ایران بر صلح آمیز بودن برنامه هسته‌ای خود پافشاری می‌کند و هدف از ایجاد کل این تأسیسات را دستیابی به نیروگاه هسته‌ای و تولید انرژی الکتریکی از انرژی هسته‌ای می‌داند. با این حال ایالات متحده و برخی از دیگر کشورها هدف از این برنامه ایران را دستیابی مخفیانه به سلاح هسته‌ای می‌دانند.
مراجع
-↑ Key World Energy Statistics (انگلیسی) (۲۰۰۶). بازدید در تاریخ ۲۹ مه ۲۰۰۸.
↑ NUCLEAR POWER PLANTS INFORMATION، از آژانس بین‌المللی انرژی اتمی، ۱۵/۰۶/۲۰۰۵.
↑ World NUCLEAR POWER REACTORS ۲۰۰۵-۰۶, ۱۵/۰۸/۲۰۰۶, Australian Uranium Information Centre (انگلیسی).
↑ Impacts of Energy Research and Development With Analysis of Price-Anderson Act and Hydroelectric Relicensing (انگلیسی). Energy Information Administration (۲۰۰۴). بازدید در تاریخ ۲۹ مه ۲۰۰۸.
↑ Eleanor Beardsley (۲۰۰۶). France Presses Ahead with Nuclear Power (انگلیسی). NPR. بازدید در تاریخ ۲۹ مه ۲۰۰۸.
↑ Gross electricity generation, by fuel used in power-stations (انگلیسی) (۲۰۰۶). بازدید در تاریخ ۲۹ مه ۲۰۰۸.
↑ Nuclear Icebreaker Lenin (انگلیسی). Bellona.oorg (۲۰۰۳). بازدید در تاریخ ۲۹ مه ۲۰۰۸.
↑ Passively safe reactors rely on nature to keep them cool (انگلیسی). http://www.anl.gov+(۲۰۰۲).+بازدید در تاریخ ۲۹ مه ۲۰۰۸.
↑ Otto Hahn, The Nobel Prize in Chemistry, ۱۹۴۴. http://www.nobelprize.org.+بازدید در تاریخ ۲۹ مه ۲۰۰۸.
↑ Otto Hahn, Fritz Strassmann, and Lise Meitner (انگلیسی). http://www.chemheritage.org.+بازدید در تاریخ ۲۹ مه ۲۰۰۸.
↑ Otto Robert Frisch (انگلیسی). http://www.nuclearfiles.org.+بازدید در تاریخ ۲۹ مه ۲۰۰۸.
↑ Enrico Fermi, The Nobel Prize for Physics, ۱۹۳۸. http://www.nobelprize.org.+بازدید در تاریخ ۲۹ مه ۲۰۰۸.
↑ The Nuclear Power Deception (انگلیسی). Institute for Energy and Environmental Research (۱۹۹۶). بازدید در تاریخ ۲۹ مه ۲۰۰۸.
↑ Too Cheap to Meter? (انگلیسی). Canadian Nuclear Society (۲۰۰۶). بازدید در تاریخ ۲۹ مه ۲۰۰۸.
↑ David Bodansky. Nuclear Energy: Principles, Practices, and Prospects (انگلیسی). بازدید در تاریخ ۲۹ مه ۲۰۰۸.
↑ From Obninsk Beyond: Nuclear Power Conference Looks to Future (انگلیسی). بازدید در تاریخ ۲۹ مه ۲۰۰۸.
↑ Nuclear Power in Russia (انگلیسی). بازدید در تاریخ ۲۹ مه ۲۰۰۸.
↑ On This Day: ۱۷ October. BBC News. بازدید در تاریخ ۲۹ مه ۲۰۰۸.
↑ ۱۹٫۰ ۱۹٫۱ ۵۰ Years of Nuclear Energy. آژانس بین‌المللی انرژی اتمی. بازدید در تاریخ ۲۹ مه ۲۰۰۸.
↑ THE NUCLEAR ENERGY OPTION. Plenum Press. بازدید در تاریخ ۲۹ مه ۲۰۰۸.
↑ Evolution of Electricity Generation by FuelPDF (۳۹٫۴ KiB)
↑ The Japanese Situation
↑ خطر تشعشعات هسته‌ای:بررسی حادثه انفجار راکتورهای نیروگاه هسته‌ای چرنوبیل نوشته لویی پویی زو ترجمه سید اسدالله علوی انتشارات آستان قدس رضوی
↑ TVA: Watts Bar Nuclear Plant
↑ “Nuclear Energy's Role in Responding to the Energy Challenges of the 21st Century(PDF)”. Idaho National Engineering and Environmental Laboratory. Retrieved on 2008-06-21.
↑ Plans For New Reactors Worldwide, World Nuclear Association
↑ کتاب انرژی اتمی نوشته اریک اوبلاکر انتشارات قدیانی
↑ “Ending the Production of Highly Enriched Uranium for Naval Reactors(PDF)”. James Martin Center for Nonproliferation Studies. Retrieved on September 25, 2008.
↑ ۲۹٫۰ ۲۹٫۱ Herring, J.: Uranium and thorium resource assessment, Encyclopedia of Energy, Boston University, Boston, USA, ۲۰۰۴, ISBN ۰-۱۲-۱۷۶۴۸۰-X.(Fells, ۲۰۰۴)
↑ NEA, IAEA: Uranium ۲۰۰۵ – Resources, Production and Demand. OECD Publishing, ۲٫۶.۲۰۰۶, ISBN 9789264024250.
↑ R. Price, J.R. Blaise: Nuclear fuel resources: Enough to last?. NEA News ۲۰۰۲ – No. ۲۰٫۲, Issy-les-Moulineaux, Ranska.
↑ At least ۴ billion tons, could last for millennia
↑ “"Uranium resources sufficient to meet projected nuclear energy requirements long into the future"”. آزانس انرژی اتمی (NEA). June 3 2008. Retrieved on 2008-06-16.
↑ NEA, IAEA: Uranium 2007 – Resources, Production and Demand. OECD Publishing, June 10, 2008, ISBN 978-92-64-04766-2.
↑ [۱] [۲] James Jopf (۲۰۰۴). World Uranium Reserves. American Energy Independence. بازدید در تاریخ ۲۹ مه ۲۰۰۸. [۳] [۴]
↑ Uranium in a global context.
↑ Waste Management in the Nuclear Fuel Cycle (۲۰۰۶). بازدید در تاریخ ۲۹ مه ۲۰۰۸.
↑ Nuclear Energy Institute - Economic Growth
↑ کتاب انرژی اتمی نوشته دکتر اریک اوبلاکر انتشارات قدیانی
↑ Sally Palmer. «مراقب باشید اینجا محل دفن زباله‌های اتمی است». دانشمند. اردیبهشت ۱۳۸۶. ۵۲۳، ترجمهٔ محمدحسن پیران. ۴۴.
↑ [۵]
↑ Coal Combustion - ORNL Review Vol. ۲۶, No. ۳&۴, ۱۹۹۳
↑ Human Performance Technology and the Accident at Three Mile Island
↑ مشارکت‌کنندگان ویکی‌پدیا، «Three Mile Island accident»، ویکی‌پدیای انگلیسی، دانشنامهٔ آزاد. (بازیابی در ۳ اسفند ۱۳۸۸).
↑ کتاب خطر تششعات هسته‌ای انتشارات آستان قدس رضوی فصل اول
تاسیسات نیروگاه هسته‌ای ایندین پوینت در ایالت نیویورک
نیروگاه هسته‌ای ایکاتا در ژاپن فاقد برج‌های خنک کننده‌است و تبادل حرارت را به طور مستقیم با آب اقیانوس انجام می‌دهد.
در سال ۲۰۰۴ انرژی هسته‌ای در تولید کل انرژی مصرفی جهان سهمی در حدود ۶٫۵٪، و در تولید انرژی الکتریکی سهمی در حدود ۱۵٫۷٪ داشته‌است و نخستین بار به وسیله انریکو فرمی در سال ۱۹۳۴ در یکی از آزمایشگاه‌های دانشگاه شیکاگو تولید شد. این اتفاق زمانی رخ داد که تیم او مشغول بمباران کردن هسته اورانیوم با نوترون بودند.
بر طبق پیش‌بینی اتحادیه جهانی هسته‌ای در سال ۲۰۱۵ به طور متوسط هر ۵ روز یک‌بار یک نیروگاه هسته‌ای در جهان افتتاح خواهد شد.شکافت هسته‌ای صورت گرفته در یک راکتور فقط بخشی از یک چرخه هسته‌ای است. این چرخه از معادن شروع می‌شود.میزان اورانیوم موجود در پوسته زمین نسبتاً زیاد است به طوری که با منابع فلزاتی همچون قلع و ژرمانیوم برابری می‌کند و تقریباً ۳۵ برابر میزان نقره موجود در پوسته زمین است. اورانیوم ماده تشکیل دهنده بسیاری از اجسام اطراف ما مانند سنگ‌ها و خاک است. طبق آمارگیری جهانی معادن شناخته شده جهان در حال حاضر برای تامین بیش از ۷۰ سال انرژی الکتریکی جهان کافی هستند. بهای متوسط اورانیوم در حال حاضر ۱۳۰ دلار آمریکا به ازای هر کیلوگرم است. به این ترتیب ثبات تامین سوخت هسته‌ای از بسیاری از دیگر مواد معدنی بیشتر است.
مهمترین مسئله‌ای که مخالفان انرژی هسته‌ای بیان می‌دارند امنیت محیط زیستی نیروگاه هسته‌ای است زیرا با کوچکترین اشتباه فجایعی مانند فاجعه چرنوبیل قابلیت رخ دادن خواهند داشت.
کاربرد
در سال ۲۰۰۴ انرژی هسته‌ای در تولید کل انرژی مصرفی جهان سهمی در حدود ۶٫۵٪، و در تولید انرژی الکتریکی سهمی در حدود ۱۵٫۷٪ داشته‌است که کشورهای ایالات متحده، فرانسه، و ژاپن در مجموع حدود ۵۷٪ از کل انرژی الکتریکی هسته‌ای جهان را به خود اختصاص داده‌اند.[۱] در سال ۲۰۰۷ آژانس بین‌المللی انرژی هسته‌ای از وجود ۴۳۹ راکتور هسته‌ای در حال ساخت در ۳۱ کشور در سراسر جهان خبر داد.[۲][۳]
ایالات متحده آمریکا با تولید حدود ۲۰٪ انرژی مورد نیاز خود از راکتورهای هسته‌ای در میزان کل تولید انرژی هسته‌ای جایگاه اول جهان را داراست، حال آن که فرانسه با تولید ۸۰٪ انرژی الکتریکی مورد نیاز خود در ۱۶ نیروگاه هسته‌ای از نظر درصد دارای رتبه اول در جهان است.[۴][۵] این درحالی است که در کل اروپا، انرژی هسته‌ای ۳۰٪ برق مصرفی این قاره را تامین می‌کند.[۶] البته سیاست‌های هسته‌ای در کشورهای اروپایی با هم متفاوتند طوری که در کشورهایی نظیر ایرلند یا اتریش هیچ راکتور هسته‌ای فعالی وجود ندارد.
همچنین در بسیاری از کشتی‌ها و زیردریایی‌های نظامی و یا حتی غیرنظامی (کشتی‌های یخ شکن) از انرژی هسته‌ای به عنوان نیروی محرکه استفاده می‌شود.[۷]
به دلیل مزیت‌های بی‌شمار انرژی هسته‌ای، امروزه استفاده از این فناوری روز به روز گسترش بیشتری می‌یابد و بر روش‌های استفاده صلح‌آمیز از آن (مانند استفاده از انرژی هسته‌ای برای گرمایش یا نمک‌زدایی آب) افزوده می‌شود.[۸]
تاریخچه
منشأ
درسال ۱۹۳۸ زمانی‌که شیمیدان آلمانی اتو هان (به آلمانی: Otto Hahn)[۹] و فریتس اشتراسمان (به آلمانی: Fritz Straßmann) فیزیکدان اتریشی لیزه میتنر (به انگلیسی: Lise Meitner)[۱۰] و اتو روبرت فریش (به انگلیسی: Otto Robert Frisch)[۱۱] در حال آزمایش بر روی اورانیوم بمباران شده بودند متوجه شدند که نوترون شلیک شده می‌تواند نتیجه‌ای باورنکردنی داشته باشد و هسته اورانیوم را به دو یا چند قسمت تقسیم کند. بعدها دانشمندان زیادی (و در صدر آنها لیو زیلارد) دریافتند که پخش تعدادی نوترون در فضا هنگام یک شکافت هسته‌ای می‌تواند واکنشی زنجیره‌ای را از این قابلیت به وجود آورد. این کشف دانشمندان را در برخی کشورها (از جمله ایالات متحده، انگلستان، فرانسه، آلمان و اتحاد جماهیر شوروی) بر آن داشت تا از دولت‌های خود برای ادامه تحقیقات در این زمینه درخواست پشتیبانی مالی کنند.
انرژی هسته‌ای نخستین بار به وسیله انریکو فرمی در سال ۱۹۳۴ در یکی از آزمایشگاه‌های دانشگاه شیکاگو تولید شد. این اتفاق زمانی رخ داد که تیم او مشغول بمباران کردن هسته اورانیوم با نوترون بودند.[۱۲] این پروژه (که با نام Chicago Pile-1 شناخته شد) با فوریت تمام در ۲ دسامبر ۱۹۴۲ به بهره‌برداری رسید و بعدها به بخشی از پروژه منهتن تبدیل شد. طی این پروژه راکتورهای بزرگی را برای دستیابی به پلوتونیوم و استفاده از آن در سلاح هسته‌ای در هانفورد واشینگتن راه‌اندازی کردند.
پس از جنگ جهانی دوم دولت ایالات متحده که می‌ترسید تحقیقات هسته‌ای باعث انتشار دانش هسته‌ای و در نتیجه سلاح هسته‌ای شود کنترل‌های سخت‌گیرانه‌ای در مورد تحقیقات هسته‌ای اعمال کرد و به طور کلی بیشتر تحقیقات هسته‌ای بر روی اهداف نظامی متمرکز شوند.
در ۲۰ دسامبر ۱۹۵۱ برای اولین بار در یک پایگاه آزمایشگاهی با نام EBR-I از راکتور هسته‌ای برای تولید انرژی الکتریکی (در حدود ۱۰۰ کیلووات) استفاده شد.[۱۳]
سال های آغازین
در ۱۹۵۴ لوییس اشتراوس و پس از آن چیرمن رییس کمسیون انرژی اتمی ایالات متحده آمریکا درباره تولید انرژی الکتریکی به وسیله انرژی هسته‌ای گفتگوهایی را انجام دادند و در رابطه با تولید انرژی الکتریکی ارزان‌تر مطالبی را شرح دادند.[۱۴] اما مسئولین آن زمان ایالات متحده بدلیل بد گمانی درباره انرژی هسته‌ای بیشتر تمایل داشتند تا از همجوشی هسته‌ای برای این کار استفاده کنند و بنابراین فرصت را از دست دادند.[۱۵]
سرانجام در ۲۷ ژوئن ۱۹۵۴ اولین نیروگاه هسته‌ای جهان که به شبکه برق متصل گردید در اتحاد جماهیر شوروی به بهره‌برداری رسید. این نیروگاه توانی در حدود ۵ مگاوات تولید می‌کرد. [۱۶][۱۷] در ۱۹۵۶ اولین نیروگاه تجاری هسته‌ای جهان در انگلستان به بهره‌برداری رسید که توانی در حدود ۵۰ مگاوات تولید می‌کرد. [۱۸]
یکی از سازمانهایی که برای اولین بار شروع به توسعه دانش هسته‌ای کرد نیروی دریایی ایالات متحده آمریکا بود که در نظر داشت از انرژی هسته‌ای به عنوان سوخت زیردریایی‌ها و ناوهای هواپیمابر استفاده کند. عملکرد مناسب این سازمان و پافشاری دریاسالار هیمن ریکوور باعث شد تا سر انجام اولین زیردریایی اتمی جهان با نام ناتیلوس (به انگلیسی: USS Nautilus) در دسامبر ۱۹۵۴ به آب انداخته شود.[۱۹]
پیشرفت
با راه‌اندازی اولین نیروگاه‌های هسته‌ای استفاده از این نیروگاه‌ها شتاب گرفت به طوری که استفاده از برق هسته‌ای از کمتر از ۱ گیگاوات در دهه ۱۹۶۰ به بیش از ۱۰۰ گیگاوات در دهه ۱۹۷۰ و نزدیک به ۳۰۰ گیگاوات در اواخر دهه ۱۹۸۰ رسید. البته در اواخر دهه ۱۹۸۰ از شتاب رشد استفاده از برق هسته‌ای به شدت کاسته شد و به این ترتیب به حدود ۳۶۶ گیگاوات در سال ۲۰۰۵ رسید که بیشترین گسترش پس از دهه ۱۹۸۰ مربوط به جمهوری خلق چین است. باید به این نکته نیز اشاره کرد که بیش از دو سوم از طرح‌های مربوط به احداث نیروگاه هسته‌ای که شروع اجرای آنها پس از ۱۹۷۰ بود، لغو شدند.[۱۹]
در طول دهه‌های ۱۹۷۰ و ۱۹۸۰ کاهش قیمت سوخت‌های فسیلی و افزایش قیمت ساخت یک نیروگاه هسته‌ای از تمایل دولت‌ها برای ساخت نیروگاه هسته‌ای به شدت کاست.[۲۰] البته بحران سوخت ۱۹۷۳ باعث شد تا کشورهایی مانند فرانسه و ژاپن که از منابع نفت زیادی برخوردار نیستند به فکر ساخت نیروگاه‌های هسته‌ای بیشتری بیفتند[۲۱][۲۲] به طوری که این دو کشور به ترتیب ۸۰٪ و ۳۰٪ از انرژی الکتریکی حال حاضر خود را از این منابع تامین می‌کنند.
در سی سال انتهایی قرن بیستم ترس از حوادث هسته‌ای مانند فاجعه چرنوبیل در ۱۹۸۶، مشکلات مربوط به دفع زباله‌های هسته‌ای، بیماری‌های ناشی از تشعشع هسته‌ای و... باعث به وجود آمدن جنبش‌هایی برای مقابله با توسعه نیروگاه‌های هسته‌ای شد و این خود از دلایل کاهش توسعه نیروگاه‌های هسته‌ای در بسیاری از کشورها بود.[۲۳]
ینده
تا سال ۲۰۰۷ آخرین راکتور هسته‌ای مورد بهره‌برداری قرار گرفته در ایالات متحده راکتور Watts Bar ۱ در تنسی بود که در ۱۹۹۶ به شبکه متصل شد[۲۴] و این مدرک محکمی بر موفقیت تلاش‌های ضد گسترش نیروگاه‌های هسته‌ای است. با این حال تلاش‌ها در برابر گسترش نیروگاه‌های هسته‌ای تنها در برخی کشورهای اروپایی، فیلیپین، نیوزیلند و ایالات متحده موفق بوده‌است[۲۵] و در عین حال در این کشورها نیز این جنبش‌ها نتوانستند تحقیقات هسته‌ای را متوقف کنند و تحقیقات مربوط به انرژی هسته‌ای کماکان ادامه دارد. برخی کارشناسان پیش‌بینی می‌کنند که نیاز روز افزون به منابع انرژی، افزایش قیمت سوخت و بحران افزایش دمای زمین در اثر استفاده از سوخت‌های فسیلی باعث شود که بقیه کشورها نیز به سوی استفاده از نیروگاه‌های هسته‌ای روی آورند و همچنین باید یادآوری کرد که با پیشرفت تکنولوژی هسته‌ای، امروزه امکان بروز فجایع هسته‌ای بسیار کمتر شده‌است.
بر طبق پیش‌بینی اتحادیه جهانی هسته‌ای در سال ۲۰۱۵ به طور متوسط هر ۵ روز یک‌بار یک نیروگاه هسته‌ای در جهان افتتاح خواهد شد.[۲۶]
با تمام مخالفت‌ها، بسیاری از کشورها در گسترش نیروگاه‌های هسته‌ای ثابت قدم بوده‌اند از جمله این کشورها می‌توان به ژاپن، چین، و هند اشاره کرد. در بسیاری از کشورهای دیگر جهان نیز طرح‌های وسیعی برای گسترش استفاده از انرژی هسته‌ای در حال تدوین است.
فناوری راکتور هسته‌ای
تمامی نیروگاه‌های گرمایی متداول از نوعی سوخت برای تولید گرما استفاده می‌کنند برای مثال گاز طبیعی، زغال سنگ یا نفت. در یک نیروگاه هسته‌ای این گرما از شکافت هسته‌ای که در داخل راکتور صورت می‌گیرد تامین می‌شود. هنگامی که یک هسته نسبتاً بزرگ قابل شکافت مورد برخورد نوترون قرار می‌گیرد به دو یا چند قسمت کوچک‌تر تقسیم می‌شود و در این فرآیند که به آن شکافت هسته‌ای می‌گویند تعدادی نوترون و مقدار نسبتاً زیادی انرژی آزاد می‌شود. نوترون‌های آزاد شده از یک شکافت هسته‌ای در مرحله بعد خود با برخورد به دیگر هسته‌ها موجب شکافت‌های دیگری می‌شوند و به این ترتیب یک فرآیند زنجیره‌ای به وجود می‌آید. زمانی که این فرآیند زنجیره‌ای کنترل شود می‌توان از انرژی آزاد شده در هر شکافت (که بیشتر آن به صورت گرماست) برای تبخیر آب و چرخاندن توربین‌های بخار و در نهایت تولید انرژی الکتریکی استفاده کرد. در صورتی که در یک راکتور از سوختی یکنواخت اورانیوم-۲۳۵ یا پلوتونیوم-۲۳۹ استفاده شود بر اثر افزایش غیرقابل کنترل تعداد شکافت‌های هسته‌ای بر اثر فرآیند زنجیره‌ای، انفجار هسته‌ای ایجاد می‌شود. اما فرآیند زنجیره‌ای موجب ایجاد انفجار هسته‌ای در یک راکتور نخواهد شد چرا که تعداد شکافت‌های راکتور به اندازه‌ای زیاد نخواهد بود که موجب انفجار شوند و این به دلیل درجه غنی سازی پایین سوخت راکتورهای هسته‌ای است. اورانیوم طبیعی دارای درصد اندکی (کمتر از ۱٪) از اورانیوم-۲۳۵ است و بقیه آن اورانیوم-۲۳۸ است(زیرا اورانیوم-۲۳۸ توانایی شکافت‌پذیری ندارد[۲۷]). اکثر راکتورها نیروگاه‌های هسته‌ای از اورانیوم با درصد غنی‌سازی بین ۳٪ تا ۴٪ استفاده می‌کنند اما برخی از آنها طوری طراحی شده‌اند که با اورانیوم طبیعی کار کنند و برخی از آنها نیز به سوخت‌های با درصد غنی‌سازی بالاتر نیاز دارند. راکتورهای موجود در زیردریایی‌های هسته‌ای و کشتی‌های بزرگ مانند ناوهای هواپمابر معمولاً از اورانیوم با درصد غنی‌سازی بالا استفاده می‌کنند. با اینکه قیمت اورانیوم با غنی‌سازی بالاتر بیشتر است اما استفاده از این نوع سوخت‌ها دفعات سوختگیری را کاهش می‌دهد و این قابلیت برای کشتی‌های نظامی بسیار پر اهمیت است.[۲۸] راکتورهای CANDU قابلیت دارند تا از اورانیوم غنی‌نشده استفاده کنند و دلیل این قابلیت استفاده آب سنگین به جای آب سبک برای تعدیل سازی و خنک کنندگی است چراکه آب سنگین مانند آب سبک نوترون‌ها را جذب نمی‌کند.
کنترل فرآیند شکافت زنجیره‌ای با استفاده از موادی که می‌توانند نوترون‌ها را جذب کنند (در اکثر موارد کادمیوم) ممکن می‌شود. سرعت نوترون‌ها در راکتور باید کاهش یابد چراکه احتمال اینکه یک نوترون با سرعت کمتر در لحظه تصادم با هسته اورانیوم-۲۳۵ موجب شکافت هسته‌ای گردد بیشتر است. در راکتورهای آب سبک از آب معمولی برای کم کردن سرعت نوترون‌ها و همچنین خنک کردن راکتور استفاده می‌شود. اما زمانی که دمای آب افزایش می‌یابد چگالی آب کاهش می‌یابد و تعداد سرعت کمتری نوترون به اندازه کافی کم می‌شود و به این ترتیب تعداد شکافت‌های کاهش می‌یابند بنابراین یک بازخور منفی همیشه ثبات سیستم را تثبیت می‌کند. در این حالت برای آنکه بتوان دوباره تعداد شکافت‌های صورت گرفته را افزایش داد باید دمای آب را کاهش داد که به این کار ایجاد چرخه شکافت می‌گویند.
چرخه سوخت هسته‌ای
شکافت هسته‌ای صورت گرفته در یک راکتور فقط بخشی از یک چرخه هسته‌ای است. این چرخه از معادن شروع می‌شود. اورانیوم استخراج شده از معدن معمولاً فرمی پایدار و فشرده مانند کیک زرد دارد. این اورانیوم معدنی به تأسیسات فرآوری فرستاده می‌شود و در آنجا کیک زرد به هگزافلوراید اورانیوم (که پس از غنی سازی به عنوان سوخت راکتورها مورد استفاده قرار می‌گیرد) تبدیل می‌گردد. در این مرحله درجه غنی‌سازی اورانیوم یعنی درصد اورانیوم-۲۳۵ در حدود ۰٫۷٪ است. در صورت نیاز بسته به نوع سوخت نیروگاه (درصد غنی سازی لازم برای سوخت نیروگاه) اورانیوم غنی سازی شده و سپس از آن برای تولید میل‌های سوختی مورد استفاده در نیروگاه (شکل میله‌ها در نیروگاه‌های مختلف متفاوت است) استفاده می‌کنند. عمر هر میل تقریباً سه سال است به طوری که حدود ۳٪ از اورانیوم موجود در آن مورد مصرف قرار گیرد. پس از گذشت امر اورانیوم، آن را به حوضچه سوخت مصرف شده می‌برند. اورانیوم باید حداقل ۵ سال در این حوضچه‌ها باقی بماند تا ایزوتوپ‌های به وجود آمده در اثر شکافت هسته‌ای از آن جدا شوند. پس از گذشت این زمان اورانیوم را در بشکه‌های خشک انبار می‌کنند و یا اینکه دوباره آن را به چرخه سوخت باز می‌گردانند.
منابع سوخت
میزان اورانیوم موجود در پوسته زمین نسبتاً زیاد است به طوری که با منابع فلزاتی همچون قلع و ژرمانیوم برابری می‌کند و تقریباً ۳۵ برابر میزان نقره موجود در پوسته زمین است. اورانیوم ماده تشکیل دهنده بسیاری از اجسام اطراف ما مانند سنگ‌ها و خاک است. طبق آمارگیری جهانی معادن شناخته شده جهان در حال حاضر برای تامین بیش از ۷۰ سال انرژی الکتریکی جهان کافی هستند. بهای متوسط اورانیوم در حال حاضر ۱۳۰ دلار آمریکا به ازای هر کیلوگرم است. به این ترتیب ثبات تامین سوخت هسته‌ای از بسیاری از دیگر مواد معدنی بیشتر است.[۳۳][۳۴] به تناسب دیگر مواد معدنی با افزایش دو برابری هزینه تامین سوخت، می‌توان به ده برابر منابع کنونی اورانیوم دست یافت. باید توجه داشت که قیمت تامین سوخت در یک نیروگاه هسته‌ای نسبت به دیگر تجهیزات موجود نسبتاً اندک است و بنابراین چند برابر شدن قیمت اورانیوم تأثیر چندانی بر روی قیمت انرژی الکتریکی تولیدی نخواهد داشت. برای مثال افزایش دو برابری در قیمت سوخت مصرفی یک نیروگاه هسته‌ای آب سبک هزینه راکتورها را در حدود ۲۶٪ و هزینه برق تولیدی را در حدود ۷٪ افزایش می‌دهد در حالی که افزایش دوبرابری قیمت سوخت در یک نیروگاه گازی قیمت برق تولیدی را تا ۷۰٪ افزایش می‌دهد.[۳۵][۳۶]
نیروگاه‌های آب سبک موجود در استفاده از سوخت هسته‌ای بهره‌وری پایینی دارند چراکه تنها قابلیت ایجاد شکافت هسته‌ای در ایزوتوپ‌های اورانیوم-۲۳۵ (حدود ۰٫۷٪ از اورانیوم معدنی) را دارند.[۳۷] در مقابل راکتورهای متداول آب سبک برخی راکتورهای هسته‌ای می‌توانند از اورانیوم-۲۳۸ استفاده نیز استفاده کنند که حدود ۹۹٫۳٪ از اورانیوم معدنی معدنی را تشکیل می‌دهد. قبل از استفاده از اورانیوم-۲۳۸ در طی فرآیندی از آن برای تولید پلوتونیم-۲۳۸ استفاده می‌کنند و سپس از پلوتونیم در راکتورهای هسته‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد. طبق برآیند گرفته شده با مصرف کنونی نیروگاه‌های جهان اورانیوم-۲۳۸ می‌تواند برای ۵ میلیون سال انرژی مورد نیاز این نیروگاه‌ها را تامین کند.
این تکنولوژی در بسیاری از راکتورهای هسته‌ای مورد استفاده قرار گرفته‌است، اما هزینه بالای فرابری سوخت این نیروگاه‌ها (۲۰۰ دلار به ازای هر کیلوگرم) استفاده از آنها را با مشکل مواجه کرده. تا سال ۲۰۰۵ تنها در راکتور نیروگاه BN-۶۰۰ در «بلویارسک» روسیه از این تکنولوژی برای تولید برق استفاده شده بود، که البته روسیه برنامه‌ریزی‌های مربوط به ساخت نیروگاه دیگری از این نوع با نام BN-۸۰۰ را انجام داده‌است. ژاپن نیز قصد دارد تا پروژه راکتور Monju را مجدداً شروع کند (این پروژه از سال ۱۹۹۵ تعطیل شده‌است) و همچنین چین و هند نیز قصد دارند تا از این تکنولوژی برای سوخت‌رسانی به راکتورها استفاده کنند.
راه حل دیگری که در این زمینه وجود دارد استفاده از اورانیوم-۲۳۳ است که از توریوم به دست می‌آید. توریم حدوداً ۳٫۵ برابر بیشتر از اورانیوم در پوسته زمین وجود دارد و پراکندگی جغرافیایی متفاوتی نسبت به اورانیوم دارد. استفاده از این ماده می‌تواند میزان منابع سوخت‌های شکافت یافتنی را تا ۴۵۰٪ افزایش دهد. برعکس اورانیوم-۲۳۸ که برای مصرف آن را باید به صورت پلوتنیوم-۲۳۸ درآورد، اورانیوم-۲۳۳ نیازی به تبدیل ندارد. در حال حاضر کشور هند علاقه زیادی برای استفاده از این روش دارد چراکه این کشور دارای معادن بسیار زیاد توریم است درحالی که معادن اورانیوم این کشور اندک هستند.
جوانب اقتصادی
یکی از مسائل نیروگاه هسته‌ای هزینه ساخت آن است که شامل هزینه ساخت راکتور، هزینه مسائل امنیتی، هزینه ساخت مراکز معدنی، هزینه ساخت مراکز تبدیل مواد خام به سوخت هسته‌ای، هزینه ساخت مراکز بازپروری هسته‌ای و انبارهای هسته‌ای برای دفن ضایعات هسته‌ای است.
خرج تولید الکتریسیته با نیروی هسته‌ای در سال ۲۰۰۷ حدود ۰٫۰۱۷۶ دلار برای هر کیلووات ساعت بود، در صورتیکه این مقدار برای ذغال سنگ، گاز طبیعی، و نفت بترتیب ۰٫۰۲۴۷ دلار، ۰٫۰۶۷۸ دلار، و ۰٫۱۰۲۶ دلار بود.[۳۸]
امنیت نیروگاه هسته‌ای
از خطرهایی که همواره بیم آن می‌رود، حمله احتمالی تروریستی به نیروگاه‌های هسته‌ای است، چرا که با انفجار نیروگاه محوطه‌ای به شعاع ۲۰ کیلومتر بشدت آلوده می‌شود و هیچ موجود زنده‌ای را باقی نمی‌گذارد و در اثرات تخریبی ژنتیکی تا ۱۰ نسل را بر روی محوطهٔ بزرگتری در حدود شعاع ۴۰ کیلومتر باقی خواهد گذاشت[۳۹]
نیروگاه‌های متحرک
یکی از وسیعترین کاربردهای نیروگاه‌های هسته‌ای، استفاده از انرژی هسته‌ای جهت رانش ناوها و زیردریایی‌ها است. در این راستا، آدمیرال هیمن ریکوور برای نخستین بار این ایده را در نیروی دریایی ایالات متحده آمریکا پیاده و عملی نمود. امروزه اکثر ناوها و تجهیزات نیروی دریایی آمریکا از نیروگاه‌های متراکم PWR استفاده می‌کنند.
پسماند هسته‌ای نیروگاه‌ها
یافتن راهی ارزان و ایمن برای انبار کردن زباله‌های هسته‌ای چالشی پر اهمیت در زمینه چرخه سوخت هسته‌ای است زیرا این ضایعات تا ۱۰٬۰۰۰ سال نیز تشعشعات خطرناک دارند[۴۰]
نگرانیهای محیط زیستی
مهمترین مسئله‌ای که مخالفان انرژی هسته‌ای بیان می‌دارند امنیت محیط زیستی نیروگاه هسته‌ای است زیرا با کوچکترین اشتباه فجایعی مانند فاجعه چرنوبیل قابلیت رخ دادن خواهند داشت.
آلایش هسته‌ای همواره از نگرانیهای این نوع صنعت بطور کل بوده‌است.[۴۱][پیوند مرده] با اینحال برخی مطالعات حاکی از قابل مقایسه بودن دیگر صنایع تولید انرژی با نیروگاه‌های هسته‌ای می‌باشند.[۴۲]
حوادث هسته‌ای
حادثه تری مایل آیلند (۱۹۷۹)
در سال ۱۹۷۹ بخشی از هسته اصلی واحد ۲ در نیروگاه تری مایل آیلند در ایالت پنسیلوانیا در آمریکا ذوب شد که باعث نشت ۳ میلیون کوری گاز رادیواکتیو به بیرون از نیروگاه گردید.[۴۳] در پی این حادثه حدود ۱۴۰٬۰۰۰ نفر از اهالی منطقه خانه‌های خود را ترک کردند. پس از حادثه تری مایلی آیلند، ساخت نیروگاه‌های هسته‌ای برای مدتی در آمریکا متوقف شد.[۴۴]
حادثه چرنوبیل (۱۹۸۶)
حادثه چرنوبیل در سال ۱۹۸۶ و در چرنوبیل (در شوروی سابق و اوکراین کنونی) اتفاق افتاد به طوری که نیروگاه در ساعت ۱:۴۰ بامداد از کنترل خارج شد و بتن آرمه یک متری گنبد را ذوب نمود و اتفاقات پس از آن موجب شد تا در کل اروپا وضعیت اضطراری اعلام شود.[۴۵]
نیروگاه‌های هسته‌ای در ایران
برنامه هسته‌ای ایران در دهه ۱۹۵۰ با کمک ایالات متحده به عنوان بخشی از برنامه «اتم برای صلح» آغاز شد. امروزه دولت ایران بر صلح آمیز بودن برنامه هسته‌ای خود پافشاری می‌کند و هدف از ایجاد کل این تأسیسات را دستیابی به نیروگاه هسته‌ای و تولید انرژی الکتریکی از انرژی هسته‌ای می‌داند. با این حال ایالات متحده و برخی از دیگر کشورها هدف از این برنامه ایران را دستیابی مخفیانه به سلاح هسته‌ای می‌دانند.
مراجع
-↑ Key World Energy Statistics (انگلیسی) (۲۰۰۶). بازدید در تاریخ ۲۹ مه ۲۰۰۸.
↑ NUCLEAR POWER PLANTS INFORMATION، از آژانس بین‌المللی انرژی اتمی، ۱۵/۰۶/۲۰۰۵.
↑ World NUCLEAR POWER REACTORS ۲۰۰۵-۰۶, ۱۵/۰۸/۲۰۰۶, Australian Uranium Information Centre (انگلیسی).
↑ Impacts of Energy Research and Development With Analysis of Price-Anderson Act and Hydroelectric Relicensing (انگلیسی). Energy Information Administration (۲۰۰۴). بازدید در تاریخ ۲۹ مه ۲۰۰۸.
↑ Eleanor Beardsley (۲۰۰۶). France Presses Ahead with Nuclear Power (انگلیسی). NPR. بازدید در تاریخ ۲۹ مه ۲۰۰۸.
↑ Gross electricity generation, by fuel used in power-stations (انگلیسی) (۲۰۰۶). بازدید در تاریخ ۲۹ مه ۲۰۰۸.
↑ Nuclear Icebreaker Lenin (انگلیسی). Bellona.oorg (۲۰۰۳). بازدید در تاریخ ۲۹ مه ۲۰۰۸.
↑ Passively safe reactors rely on nature to keep them cool (انگلیسی). http://www.anl.gov+(۲۰۰۲).+بازدید در تاریخ ۲۹ مه ۲۰۰۸.
↑ Otto Hahn, The Nobel Prize in Chemistry, ۱۹۴۴. http://www.nobelprize.org.+بازدید در تاریخ ۲۹ مه ۲۰۰۸.
↑ Otto Hahn, Fritz Strassmann, and Lise Meitner (انگلیسی). http://www.chemheritage.org.+بازدید در تاریخ ۲۹ مه ۲۰۰۸.
↑ Otto Robert Frisch (انگلیسی). http://www.nuclearfiles.org.+بازدید در تاریخ ۲۹ مه ۲۰۰۸.
↑ Enrico Fermi, The Nobel Prize for Physics, ۱۹۳۸. http://www.nobelprize.org.+بازدید در تاریخ ۲۹ مه ۲۰۰۸.
↑ The Nuclear Power Deception (انگلیسی). Institute for Energy and Environmental Research (۱۹۹۶). بازدید در تاریخ ۲۹ مه ۲۰۰۸.
↑ Too Cheap to Meter? (انگلیسی). Canadian Nuclear Society (۲۰۰۶). بازدید در تاریخ ۲۹ مه ۲۰۰۸.
↑ David Bodansky. Nuclear Energy: Principles, Practices, and Prospects (انگلیسی). بازدید در تاریخ ۲۹ مه ۲۰۰۸.
↑ From Obninsk Beyond: Nuclear Power Conference Looks to Future (انگلیسی). بازدید در تاریخ ۲۹ مه ۲۰۰۸.
↑ Nuclear Power in Russia (انگلیسی). بازدید در تاریخ ۲۹ مه ۲۰۰۸.
↑ On This Day: ۱۷ October. BBC News. بازدید در تاریخ ۲۹ مه ۲۰۰۸.
↑ ۱۹٫۰ ۱۹٫۱ ۵۰ Years of Nuclear Energy. آژانس بین‌المللی انرژی اتمی. بازدید در تاریخ ۲۹ مه ۲۰۰۸.
↑ THE NUCLEAR ENERGY OPTION. Plenum Press. بازدید در تاریخ ۲۹ مه ۲۰۰۸.
↑ Evolution of Electricity Generation by FuelPDF (۳۹٫۴ KiB)
↑ The Japanese Situation
↑ خطر تشعشعات هسته‌ای:بررسی حادثه انفجار راکتورهای نیروگاه هسته‌ای چرنوبیل نوشته لویی پویی زو ترجمه سید اسدالله علوی انتشارات آستان قدس رضوی
↑ TVA: Watts Bar Nuclear Plant
↑ “Nuclear Energy's Role in Responding to the Energy Challenges of the 21st Century(PDF)”. Idaho National Engineering and Environmental Laboratory. Retrieved on 2008-06-21.
↑ Plans For New Reactors Worldwide, World Nuclear Association
↑ کتاب انرژی اتمی نوشته اریک اوبلاکر انتشارات قدیانی
↑ “Ending the Production of Highly Enriched Uranium for Naval Reactors(PDF)”. James Martin Center for Nonproliferation Studies. Retrieved on September 25, 2008.
↑ ۲۹٫۰ ۲۹٫۱ Herring, J.: Uranium and thorium resource assessment, Encyclopedia of Energy, Boston University, Boston, USA, ۲۰۰۴, ISBN ۰-۱۲-۱۷۶۴۸۰-X.(Fells, ۲۰۰۴)
↑ NEA, IAEA: Uranium ۲۰۰۵ – Resources, Production and Demand. OECD Publishing, ۲٫۶.۲۰۰۶, ISBN 9789264024250.
↑ R. Price, J.R. Blaise: Nuclear fuel resources: Enough to last?. NEA News ۲۰۰۲ – No. ۲۰٫۲, Issy-les-Moulineaux, Ranska.
↑ At least ۴ billion tons, could last for millennia
↑ “"Uranium resources sufficient to meet projected nuclear energy requirements long into the future"”. آزانس انرژی اتمی (NEA). June 3 2008. Retrieved on 2008-06-16.
↑ NEA, IAEA: Uranium 2007 – Resources, Production and Demand. OECD Publishing, June 10, 2008, ISBN 978-92-64-04766-2.
↑ [۱] [۲] James Jopf (۲۰۰۴). World Uranium Reserves. American Energy Independence. بازدید در تاریخ ۲۹ مه ۲۰۰۸. [۳] [۴]
↑ Uranium in a global context.
↑ Waste Management in the Nuclear Fuel Cycle (۲۰۰۶). بازدید در تاریخ ۲۹ مه ۲۰۰۸.
↑ Nuclear Energy Institute - Economic Growth
↑ کتاب انرژی اتمی نوشته دکتر اریک اوبلاکر انتشارات قدیانی
↑ Sally Palmer. «مراقب باشید اینجا محل دفن زباله‌های اتمی است». دانشمند. اردیبهشت ۱۳۸۶. ۵۲۳، ترجمهٔ محمدحسن پیران. ۴۴.
↑ [۵]
↑ Coal Combustion - ORNL Review Vol. ۲۶, No. ۳&۴, ۱۹۹۳
↑ Human Performance Technology and the Accident at Three Mile Island
↑ مشارکت‌کنندگان ویکی‌پدیا، «Three Mile Island accident»، ویکی‌پدیای انگلیسی، دانشنامهٔ آزاد. (بازیابی در ۳ اسفند ۱۳۸۸).
↑ کتاب خطر تششعات هسته‌ای انتشارات آستان قدس رضوی فصل اول