نگهداری، تعمیرات نیروگاهها و اصول مربوط به آن از دیدگاه علمی- تخصصی
برحسب نظریه اتمی عنصر عبارت است از یك جسم خالص ساده كه با روش های شیمیایی نمی توان آن را تفكیك كرد. از تركیب عناصر با یكدیگر اجسام مركب به وجود می آیند. تعداد عناصر شناخته شده در طبیعت حدود ۹۲ عنصر است.
هیدروژن اولین و ساده ترین عنصر و پس از آن هلیم، كربن، ازت، اكسیژن و... فلزات روی، مس، آهن، نیكل و... و بالاخره آخرین عنصر طبیعی به شماره ۹۲، عنصر اورانیوم است. بشر توانسته است به طور مصنوعی و به كمك واكنش های هسته ای در راكتورهای اتمی و یا به كمك شتاب دهنده های قوی بیش از ۲۰ عنصر دیگر بسازد كه تمام آن ها ناپایدارند و عمر كوتاه دارند و به سرعت با انتشار پرتوهایی تخریب می شوند. اتم های یك عنصر از اجتماع ذرات بنیادی به نام پرتون، نوترون و الكترون تشكیل یافته اند. پروتون بار مثبت و الكترون بار منفی و نوترون فاقد بار است.
تعداد پروتون ها نام و محل قرار گرفتن عنصر را در جدول تناوبی (جدول مندلیف) مشخص می كند. اتم هیدروژن یك پروتون دارد و در خانه شماره ۱ جدول و اتم هلیم در خانه شماره ۲ ، اتم سدیم در خانه شماره ۱۱ و... و اتم اورانیوم در خانه شماره ۹۲ قرار دارد. یعنی دارای ۹۲ پروتون است .
ایزوتوپ های اورانیوم
تعداد نوترون ها در اتم های مختلف یك عنصر همواره یكسان نیست كه برای مشخص كردن آنها از كلمه ایزوتوپ استفاده می شود. بنابراین اتم های مختلف یك عنصر را ایزوتوپ می گویند . مثلاً عنصر هیدروژن سه ایزوتوپ دارد: هیدروژن معمولی كه فقط یك پروتون دارد و فاقد نوترون است. هیدروژن سنگین یك پروتون و یك نوترون دارد كه به آن دوتریم گویند و نهایتاً تریتیم كه از دو نوترون و یك پروتون تشكیل شده و ناپایدار است و طی زمان تجزیه می شود .
ایزوتوپ سنگین هیدروژن یعنی دوتریم در نیروگاه های اتمی كاربرد دارد و از الكترولیز آب به دست می آید. در جنگ دوم جهانی آلمانی ها برای ساختن نیروگاه اتمی و تهیه بمب اتمی در سوئد و نروژ مقادیر بسیار زیادی آب سنگین تهیه كرده بودند كه انگلیسی ها متوجه منظور آلمانی ها شده و مخازن و دستگاه های الكترولیز آنها را نابود كردند .
غالب عناصر ایزوتوپ دارند از آن جمله عنصر اورانیوم، چهار ایزوتوپ دارد كه فقط دو ایزوتوپ آن به علت داشتن نیمه عمر نسبتاً بالا در طبیعت و در سنگ معدن یافت می شوند. این دو ایزوتوپ عبارتند از اورانیوم ۲۳۵ و اورانیوم ۲۳۸ كه در هر دو ۹۲ پروتون وجود دارد ولی اولی ۱۴۳ و دومی ۱۴۶ نوترون دارد. اختلاف این دو فقط وجود ۳ نوترون اضافی در ایزوتوپ سنگین است ولی از نظر خواص شیمیایی این دو ایزوتوپ كاملاً یكسان هستند و برای جداسازی آنها از یكدیگر حتماً باید از خواص فیزیكی آنها یعنی اختلاف جرم ایزوتوپ ها استفاده كرد. ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۵ شكست پذیر است و در نیروگاه های اتمی از این خاصیت استفاده می شود و حرارت ایجاد شده در اثر این شكست را تبدیل به انرژی الكتریكی می نمایند. در واقع ورود یك نوترون به درون هسته این اتم سبب شكست آن شده و به ازای هر اتم شكسته شده ۲۰۰ میلیون الكترون ولت انرژی و دو تكه شكست و تعدادی نوترون حاصل می شود كه می توانند اتم های دیگر را بشكنند. بنابراین در برخی از نیروگاه ها ترجیح می دهند تا حدی این ایزوتوپ را در مخلوط طبیعی دو ایزوتوپ غنی كنند و بدین ترتیب مسئله غنی سازی اورانیوم مطرح می شود .
ساختار نیروگاه اتمی
به طور خلاصه چگونگی كاركرد نیروگاه های اتمی را بیان كرده و ساختمان درونی آنها را مورد بررسی قرار می دهیم .
طی سال های گذشته اغلب كشورها به استفاده از این نوع انرژی هسته ای تمایل داشتند و حتی دولت ایران ۱۵ نیروگاه اتمی به كشورهای آمریكا، فرانسه و آلمان سفارش داده بود. ولی خوشبختانه بعد از وقوع دو حادثه مهم تری میل آیلند (Three Mile Island) در ۲۸ مارس ۱۹۷۹ و فاجعه چرنوبیل (Tchernobyl) در روسیه در ۲۶ آوریل ۱۹۸۶ ، نظر افكار عمومی نسبت به كاربرد اتم برای تولید انرژی تغییر كرد و ترس و وحشت از جنگ اتمی و به خصوص امكان تهیه بمب اتمی در جهان سوم، كشورهای غربی را موقتاً مجبور به تجدیدنظر در برنامه های اتمی خود كرد .
نیروگاه اتمی در واقع یك بمب اتمی است كه به كمك میله های مهاركننده و خروج دمای درونی به وسیله مواد خنك كننده مثل آب و گاز، تحت كنترل درآمده است. اگر روزی این میله ها و یا پمپ های انتقال دهنده مواد خنك كننده وظیفه خود را درست انجام ندهند، سوانح متعددی به وجود می آید و حتی ممكن است نیروگاه نیز منفجر شود، مانند فاجعه نیروگاه چرنوبیل شوروی. یك نیروگاه اتمی متشكل از مواد مختلفی است كه همه آنها نقش اساسی و مهم در تعادل و ادامه حیات آن را دارند. این مواد عبارت اند از :
1- ماده سوخت متشكل از اورانیوم طبیعی، اورانیوم غنی شده، اورانیوم و پلوتونیم است .
عمل سوختن اورانیوم در داخل نیروگاه اتمی متفاوت از سوختن زغال یا هر نوع سوخت فسیلی دیگر است. در این پدیده با ورود یك نوترون كم انرژی به داخل هسته ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۵ عمل شكست انجام می گیرد و انرژی فراوانی تولید می كند. بعد از ورود نوترون به درون هسته اتم، ناپایداری در هسته به وجود آمده و بعد از لحظه بسیار كوتاهی هسته اتم شكسته شده و تبدیل به دوتكه شكست و تعدادی نوترون می شود. تعداد متوسط نوترون ها به ازای هر ۱۰۰ اتم شكسته شده ۲۴۷ عدد است و این نوترون ها اتم های دیگر را می شكنند و اگر كنترلی در مهار كردن تعداد آنها نباشد واكنش شكست در داخل توده اورانیوم به صورت زنجیره ای انجام می شود كه در زمانی بسیار كوتاه منجر به انفجار شدیدی خواهد شد .
در واقع ورود نوترون به درون هسته اتم اورانیوم و شكسته شدن آن توام با انتشار انرژی معادل با ۲۰۰ میلیون الكترون ولت است این مقدار انرژی در سطح اتمی بسیار ناچیز ولی در مورد یك گرم از اورانیوم در حدود صدها هزار مگاوات است. كه اگر به صورت زنجیره ای انجام شود، در كمتر از هزارم ثانیه مشابه بمب اتمی عمل خواهد كرد .
اما اگر تعداد شكست ها را در توده اورانیوم و طی زمان محدود كرده به نحوی كه به ازای هر شكست، اتم بعدی شكست حاصل كند شرایط یك نیروگاه اتمی به وجود می آید . به عنوان مثال نیروگاهی كه دارای ۱۰ تن اورانیوم طبیعی است قدرتی معادل با ۱۰۰ مگاوات خواهد داشت و به طور متوسط ۱۰۵ گرم اورانیوم ۲۳۵ در روز در این نیروگاه شكسته می شود و همان طور كه قبلاً گفته شد در اثر جذب نوترون به وسیله ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۸ اورانیوم ۲۳۹ به وجود می آمد كه بعد از دو بار انتشار پرتوهای بتا (یا الكترون) به پلوتونیم ۲۳۹ تبدیل می شود كه خود مانند اورانیوم ۲۳۵ شكست پذیر است . در این عمل ۷۰ گرم پلوتونیم حاصل می شود. ولی اگر نیروگاه سورژنراتور باشد و تعداد نوترون های موجود در نیروگاه زیاد باشند مقدار جذب به مراتب بیشتر از این خواهد بودو مقدار پلوتونیم های به وجود آمده از مقدار آنهایی كه شكسته می شوند بیشتر خواهند بود. در چنین حالتی بعد از پیاده كردن میله های سوخت می توان پلوتونیم به وجود آمده را از اورانیوم و فرآورده های شكست را به كمك واكنش های شیمیایی بسیار ساده جدا و به منظور تهیه بمب اتمی ذخیره كرد .
2- نرم كننده ها موادی هستند كه برخورد نوترون های حاصل از شكست با آنها الزامی است و برای كم كردن انرژی این نوترون ها به كار می روند. زیرا احتمال واكنش شكست پی در پی به ازای نوترون های كم انرژی بیشتر می شود. آب سنگین (D2O) یا زغال سنگ (گرافیت ) به عنوان نرم كننده نوترون به كار برده می شوند .
3- میله های مهاركننده : این میله ها از مواد جاذب نوترون درست شده اند و وجود آنها در داخل رآكتور اتمی الزامی است و مانع افزایش ناگهانی تعداد نوترون ها در قلب رآكتور می شوند. اگر این میله ها كار اصلی خود را انجام ندهند، در زمانی كمتر از چند هزارم ثانیه قدرت رآكتور چند برابر شده و حالت انفجاری یا دیورژانس رآكتور پیش می آید. این میله ها می توانند از جنس عنصر كادمیم و یا بور باشند .
4- مواد خنك كننده یا انتقال دهنده انرژی حرارتی : این مواد انرژی حاصل از شكست اورانیوم را به خارج از رآكتور انتقال داده و توربین های مولد برق را به حركت در می آورند و پس از خنك شدن مجدداً به داخل رآكتور برمی گردند. البته مواد در مدار بسته و محدودی عمل می كنند و با خارج از محیط رآكتور تماسی ندارند. این مواد می توانند گاز CO2 ، آب، آب سنگین، هلیم گازی و یا سدیم مذاب باشند .
انواع راکتور
راکتورهای اتمی را معمولا برحسب خنک کننده، کند کننده، نوع و درجه غنای سوخت در آن طبقه بندی می کنند. معروفترین راکتورهای اتمی، راکتورهایی هستند که از آب سبک به عنوان خنک کننده و کند کننده و اورانیوم غنی شده(2 تا 4 درصد اورانیوم 235) به عنوان سوخت استفاده می کنند. این راکتورها عموما تحت عنوان راکتورهای آب سبک (LWR ) شناخته می شوند. راکتورهای WWER,BWR,PWR از این دسته اند. نوع دیگر، راکتورهایی هستند که از گاز به عنوان خنک کننده، گرافیت به عنوان کند کننده و اورانیوم طبیعی یا کم غنی شده به عنوان سوخت استفاده می کنند. این راکتورها به گاز - گرافیت معروفند. راکتورهای HTGR,AGR,GCR از این نوع می باشند. راکتور PHWR راکتوری است که از آب سنگین به عنوان کندکننده و خنک کننده و از اورانیوم طبیعی به عنوان سوخت استفاده می کند. نوع کانادایی این راکتور به CANDU موسوم بوده و از کارایی خوبی برخوردار می باشد. مابقی راکتورها مثل FBR ( راکتوری که از مخلوط اورانیوم و پلوتونیوم به عنوان سوخت و سدیم مایع به عنوان خنک کننده استفاده کرده و فاقد کند کننده می باشد ) LWGR( راکتوری که از آب سبک به عنوان خنک کننده و از گرافیت به عنوان کند کننده استفاده می کند) از فراوانی کمتری برخوردار می باشند. در حال حاضر، راکتورهای PWR و پس از آن به ترتیب PHWR,WWER,BWR فراوانترین راکتورهای قدرت در حال کار جهان می باشند .
به لحاظ تاریخی اولین راکتور اتمی در آمریکا بوسیله شرکت " وستینگهاوس" و به منظور استفاده در زیر دریائیها ساخته شد. ساخت این راکتور پایه اصلی و استخوان بندی تکنولوژی فعلی نیروگاههای اتمی PWR را تشکیل داد. سپس شرکت جنرال الکتریک موفق به ساخت راکتورهایی از نوع BWR گردید. اما اولین راکتوری که اختصاصا جهت تولید برق طراحی شده، توسط شوروی و در ژوئن 1954در "آبنینسک" نزدیک مسکو احداث گردید که بیشتر جنبه نمایشی داشت، تولید الکتریسیته از راکتورهای اتمی در مقیاس صنعتی در سال 1956 در انگلستان آغاز گردید. تا سال 1965 روند ساخت نیروگاههای اتمی از رشد محدودی برخوردار بود اما طی دو دهه 1966 تا 1985 جهش زیادی در ساخت نیروگاههای اتمی بوجود آمده است. این جهش طی سالهای 1972 تا 1976 که بطور متوسط هر سال 30 نیروگاه شروع به ساخت می کردند بسیار زیاد و قابل توجه است. یک دلیل آن شوک نفتی اوایل دهه 1970 می باشد که کشورهای مختلف را برآن داشت تا جهت تأمین انرژی مورد نیاز خود بطور زاید الوصفی به انرژی هسته ای روی آورند. پس از دوره جهش فوق یعنی از سال 1986 تاکنون روند ساخت نیروگاهها به شدت کاهش یافته بطوریکه بطور متوسط سالیانه 4 راکتور اتمی شروع به ساخت می شوند .
کشورهای مختلف در تولید برق هسته ای روند گوناگونی داشته اند. به عنوان مثال کشور انگلستان که تا سال 1965 پیشرو در ساخت نیروگاه اتمی بود، پس از آن تاریخ، ساخت نیروگاه اتمی در این کشور کاهش یافت، اما برعکس در آمریکا به اوج خود رسید. کشور آمریکا که تا اواخر دهه 1960 تنها 17 نیروگاه اتمی داشت در طول دهه های 1970 و 1980 بیش از 90 نیروگاه اتمی دیگر ساخت. این مسئله نشان دهنده افزایش شدید تقاضای انرژی در آمریکاست. هزینه تولید برق هسته ای در مقایسه با تولید برق از منابع دیگر انرژی در امریکا کاملا قابل رقابت می باشد. هم اکنون فرانسه با داشتن سهم 75 درصدی برق هسته ای از کل تولید برق خود درصدر کشورهای جهان قرار دارد. پس از آن به ترتیب لیتوانی(73درصد)، بلژیک(57درصد)، بلغارستان و اسلواکی(47درصد) و سوئد (8/46 درصد) می باشند. آمریکا نیز حدود 20 درصد از تولید برق خود را به برق هسته ای اختصاص داده است .
گرچه ساخت نیروگاههای هسته ای و تولید برق هسته ای در جهان از رشد انفجاری اواخر دهه 1960 تا اواسط 1980 برخوردار نیست اما کشورهای مختلف همچنان درصدد تأمین انرژی مورد نیاز خود از طریق انرژی هسته ای می باشند. طبق پیش بینی های به عمل آمده روند استفاده از برق هسته ای تا دهه های آینده همچنان روند صعودی خواهد داشت. در این زمینه، منطقه آسیا و اروپای شرقی به ترتیب مناطق اصلی جهان در ساخت نیروگاه هسته ای خواهند بود. در این راستا، ژاپن با ساخت نیروگاههای اتمی با ظرفیت بیش از 25000 مگا وات درصدر کشورها قرار دارد. پس از آن چین، کره جنوبی، قزاقستان، رومانی، هند و روسیه جای دارند. استفاده از انرژی هسته ای در کشورهای کاندا، آرژانتین، فرانسه، آلمان، آفریقای جنوبی، سوئیس و آمریکا تقریبا روند ثابتی را طی دو دهه آینده طی خواهد کرد .
غنی سازی اورانیم
سنگ معدن اورانیوم موجود در طبیعت از دو ایزوتوپ ۲۳۵ به مقدار ۷/۰ درصد و اورانیوم ۲۳۸ به مقدار ۳/۹۹ درصد تشكیل شده است. سنگ معدن را ابتدا در اسید حل كرده و بعد از تخلیص فلز، اورانیوم را به صورت تركیب با اتم فلئور (F) و به صورت مولكول اورانیوم هكزا فلوراید UF6 تبدیل می كنند كه به حالت گازی است. سرعت متوسط مولكول های گازی با جرم مولكولی گاز نسبت عكس دارد این پدیده را گراهان در سال ۱۸۶۴ كشف كرد. از این پدیده كه به نام دیفوزیون گازی مشهور است برای غنی سازی اورانیوم استفاده می كنند.در عمل اورانیوم هكزا فلوراید طبیعی گازی شكل را از ستون هایی كه جدار آنها از اجسام متخلخل (خلل و فرج دار) درست شده است عبور می دهند. منافذ موجود در جسم متخلخل باید قدری بیشتر از شعاع اتمی یعنی در حدود ۵/۲ انگشترم ( ۰۰۰۰۰۰۰۲۵/۰ سانتیمتر) باشد. ضریب جداسازی متناسب با اختلاف جرم مولكول ها است.روش غنی سازی اورانیوم تقریباً مطابق همین اصولی است كه در اینجا گفته شد. با وجود این می توان به خوبی حدس زد كه پرخرج ترین مرحله تهیه سوخت اتمی همین مرحله غنی سازی ایزوتوپ ها است زیرا از هر هزاران كیلو سنگ معدن اورانیوم ۱۴۰ كیلوگرم اورانیوم طبیعی به دست می آید كه فقط یك كیلوگرم اورانیوم ۲۳۵ خالص در آن وجود دارد. برای تهیه و تغلیظ اورانیوم تا حد ۵ درصد حداقل ۲۰۰۰ برج از اجسام خلل و فرج دار با ابعاد نسبتاً بزرگ و پی درپی لازم است تا نسبت ایزوتوپ ها تا از برخی به برج دیگر به مقدار ۰۱/۰ درصد تغییر پیدا كند. در نهایت موقعی كه نسبت اورانیوم ۲۳۵ به اورانیوم ۲۳۸ به ۵ درصد رسید باید برای تخلیص كامل از سانتریفوژهای بسیار قوی استفاده نمود. برای ساختن نیروگاه اتمی، اورانیوم طبیعی و یا اورانیوم غنی شده بین ۱ تا ۵ درصد كافی است. ولی برای تهیه بمب اتمی حداقل ۵ تا ۶ كیلوگرم اورانیوم ۲۳۵ صددرصد خالص نیاز است .
عملا در صنایع نظامی از این روش استفاده نمی شود و بمب های اتمی را از پلوتونیوم ۲۳۹ كه سنتز و تخلیص شیمیایی آن بسیار ساده تر است تهیه می كنند. عنصر اخیر را در نیروگاه های بسیار قوی می سازند كه تعداد نوترون های موجود در آنها از صدها هزار میلیارد نوترون در ثانیه در سانتیمتر مربع تجاوز می كند. عملاً كلیه بمب های اتمی موجود در زراد خانه های جهان از این عنصر درست می شود.روش ساخت این عنصر در داخل نیروگاه های اتمی به صورت زیر است: ایزوتوپ های اورانیوم ۲۳۸ شكست پذیر نیستند ولی جاذب نوترون كم انرژی ( نوترون حرارتی هستند. تعدادی از نوترون های حاصل از شكست اورانیوم ۲۳۵ را جذب می كنند و تبدیل به اورانیوم ۲۳۹ می شوند. این ایزوتوپ از اورانیوم بسیار ناپایدار است و در كمتر از ده ساعت تمام اتم های به وجود آمده تخریب می شوند. در درون هسته پایدار اورانیوم ۲۳۹ یكی از نوترون ها خودبه خود به پروتون و یك الكترون تبدیل می شود.بنابراین تعداد پروتون ها یكی اضافه شده و عنصر جدید را كه ۹۳ پروتون دارد نپتونیم می نامند كه این عنصر نیز ناپایدار است و یكی از نوترون های آن خود به خود به پروتون تبدیل می شود و در نتیجه به تعداد پروتون ها یكی اضافه شده و عنصر جدید كه ۹۴ پروتون دارد را پلوتونیم می نامند. این تجربه طی چندین روز انجام می گیرد .
تعاریف اصطلاحات در فیزیک هسته ای
ویژه هسته: یک هسته خاص با اعداد پروتونی (Z) و نوترونی (N) معین را گویند .
ایزوتوپ ها: ویژه هسته هایی با پروتون های یکسان و نوترون های مختلف را گویند.مثال:ایزوتوپ هیدروژن 21 H و 31 H می باشند .
ایزوتون ها: ویژه هسته هایی با نوترون برابر و پروتون مختلف را گویند .
ایزوبارها: ویژه هسته هایی با عدد جرمی A ی برابر (A=Z+N) را می گویند .
ایزومر: ویژه هسته هایی در حالت بر انگیخته با نیم عمر قابل اندازه گیری را ایزومر می نامند .
نوکلئون: ذرات تشکیل دهنده هسته) نوترون یا پروتون ) نوکلئون نام دارند .
مزون ها: ذراتی هستند با جرمی بین جرم الکترون و جرم پروتون . شناخته شده ترین مزون ها عبارتند از: مزون های پی که نقش مهمی در نیروهای هسته ای باز می کند و مزون های مو که در پدیده های پرتو کیهانی مهم است .
پوزیترون: الکترون با بار مثبت به عبارتی ذره ای با جرمی برابر جرم الکترون و باری برابر بار الکترون با علامت مثبت .
فوتون: کوانتوم تابش الکترومغناطیسی که معمولاً بصورت نور اشعه ایکس یا اشعه گاما ظاهر می شودبه عبارت دیگر کوچکترین ذرات سازنده نور فوتون ها هستند .
اسپین: صرفنظر از انرژی مربوط به چرخش الکترون به دور هسته اتمی الکترون نیز انرژی اضافی دیگری دارد که مربوط به چرخش حول محور خود می باشد .علاوه بر الکترون ذراتی دیگر مثل پروتون ، نوترون و فنون ها نیز به نوبه خود دارای اسپین می باشد .
آب سنگین: اصطلاحی که معمولا برای مولکول آب دارای دو اتم هیدروژن سنگین بکار می رود در این مولکول دو اتم دوتریوم بجای دو اتم هیدروژن جایگزین می شود (D2o). آب سنگین دارای خواص غیر عادی بوده و در راکتور های هسته ای نقش ایفا می کنند .
بتاترون: یک شتاب دهنده چرخه ای است این دستگاه شامل یک محفظه حلقوی بدون هوا است.که بین قطبهای یک الکترومغناطیس جای دارد یک چشمه الکترونی نیز داخل آن محفظه قرار گرفته است .
سوخت هسته ای پلوتنیم: یک عنصر شیمیائی یا عدد اتمی 92 و جرم اتمی 239 و یک فلز سمی است. به سادگی در هوا آتش می گیرد. کاربرد عمده پلوتونیم در راکتورهای هسته ای ، بمب های هسته ای ، چشمه ذره آلفا و اشعه گاما در پزشکی است .
کوانتا (Cuonta ): در سال 1901 فیزیکدان معاصر آلمانی ماکس پلانک پیشنهاد نمود که در انتقالات فیزیکی و تاثیرات متقابل اتم های ماده ، انرژی بصورت مقادیر مجزا یا "بسته های" کوچک نشر یافته و یا جذب می شوند. در نتیجه مطابق این تئوری، انرژی دارای مقادیر پیوسته ای نمی باشد. این قسمتهای کوچک نام کوانتوم بخود گرفت .
لباسهای بادی (Pneumatic suit ): لباسهای مخصوص که برای کار در هوای آلوده به مواد رادیو اکتیو ) بخارهای گازها ، ذرات بسیار ریز) بکار می رود .
مهندسی هسته ای:شاخه ای از مهندسی مواد که انرژی هسته ای و نیز موارد استفاده از آن را برای احتیاجات کلی و دفاعی مطالعه و بررسی می کند .
نوترنیو (Neutrino): ذراتی هستند خنثی که تشخیص و حتی به تله انداختن آنها خیلی مشکل است ضمن واپاشی بتای هسته های اتمی همراه الکترون یا پوزیترون گسیل می شود .
نیم عمر (Half Life): یکی از مهمترین کمیت های مشخصه مواد رادیو اکتیو نیم عمر آنها می باشد و طبق تعریف مدت زمانی است که فعالیت چشمه به نصف مقدار اولیه می رسد .
راکتورهای هسته ای: وسیله که درآن واکنش شکافت زنجیری کنترل شده انجام می شود. راکتور هسته ای نام دارد. اورانیوم و پلوتونیم به عنوان سوخت هسته ای به کار می رود .
پرتوهای کیهانی:تابش های کیهانی عبارتست از ذرات مثبت تند ( پروتون ها ) و شماری ذرات آلفا و هسته های دیگر ذرات اولیه. پرتوهای کیهانی دارای انرژی عظیم از مرتبه میلیارد الکترون ولت است گاهی این انرژی به مقادیر حیرت آور از مرتبه 21 ev 10 می رسد این پرتوها قادرند تا عمق اقیانوس ها و زمین هم نفوذ کنند .
جرم سکون (Rest Mass): جرم یک ذره ای که سرعت آن صفر بوده و یا صفر می شود را جرم سکون گویند .
جرم بحرانی سوخت هسته ای (Critical Mass): جرم بحرانی برای انجام یک واکنش زنجیری شکست عبارتست از کمترین مقدار سوخت هسته ای بطوریکه هر دوره نوترون باعث تولید یک دوره بعدی یا همان تعداد نوترون گردد یعنی کاهش نوترون در سوخت هسته ای بطور کامل جبران شود .
تعریف جرم بحرانی: کمترین مقدار لازم جرم فیزیکی ماده سوختنی جهت سوختن را جرم بحرانی گویند
نگهداری، تعمیرات نیروگاهها و اصول مربوط به آن از دیدگاه علمی- تخصصی
جمعه 18 اردیبهشت 1388
تعمیرات اساسی در صنعت برق كشور به ویژه در نیروگاهها از اهمیت خاصی برخوردار است. از سوی دیگر در صنعت برق بحث چگونگی از بین بردن ضایعات در تولید و یا بهرهگیری مجدد از آنها نیز مطرح است. در مقاله زیر كه به وسیله مهندس معصومه لاجوردی كارشناس شركت مهندسین دانشمند اصفهان به رشته تحریر درآمده است راهكارهای حذف ضایعات در تولید، موضوع نگهداری و تعمیرات و ... مورد بحث و بررسی قرار گرفته است.
در چند دهة گذشته، فلسفة نگهداری و تعمیرات بتدریج تغییر كرد و روشهای تعمیراتی دارای تغییر و تحولات زیادی شده است، به طوری كه در صنعت برق و به ویژه در نیروگاهها، دارا بودن یك سیستم مناسب نگهداری و تعمیرات همگام با توسعه و افزایش حجم واحدها در حال فزونی است.
وجود یك سیستم نگهداری و تعمیرات از آن جهت الزامی است كه كنترل مستمر و اطلاع كامل از اوضاع و نحوة عملكرد واحدهای عملیاتی و تأسیساتی وابسته و سرویسهای لازم را امكان پذیر میسازد.
در حال حاضر شركتها و نیز واحدهای تعمیراتی در نیروگاهها، امر نگهداری و تعمیرات را بر عهده داشته و نوعی تفكیك نیروی كار در صنعت برق مشاهده میشود.
تعریف نگهداری و تعمیرات
براساس تعریف استاندارد DIN ،نگهداری وتعمیرات عبارت است از: تمامی فعالیتهای انجام شده در جهت حفاظت یا اعادة وضع یك جزء و یا كل سیستم موجود، به طوری كه نگهداری و تعمیرات صحیح ، افزایش ارزشها ی زیر را در برداشته باشد:
1- افزایش كارآیی و بهرهوری
2- افزایش ایمنی كار و محصول
3- افزایش طول عمر دستگاهها و تجهیزات و جلوگیری از فرسودگی آنها
4- كاهش ساعات توقف كار
5- كاهش هزینههای بهرهبرداری
6- كاهش مصرف قطعات یدكی
7- پیشبینی میزان و زمان مصرف قطعات
8- بازسازی مصرف مجدد قطعات
9- تأمین كیفیت مناسب كار یا محصول تولیدی
هدف تعمیرات (Maintenance Target)
هدف تعمیرات عبارت است از : طولانی كردن عمر كارخانه با حداقل هزینه و بیشترین بهرهوری (طول عمر از زمان نصب ماشینآلات در طول زمان تولید تعریف میشود.)
وظایفتعمیرات (Maintenance Responsibility)
جهت دستیابی به هدف ذكر شده سه وظیفة عمده به شرح زیر بر عهدة تعمیرات قرار میگیرد:
1- تنظیم و بهینهسازی
2- جلوگیری از استهلاك
3- موقع بازسازی و جایگزینی
انواع تعمیرات
انواع تعمیرات مطابق دیاگرام نشان داده میشود كه شامل موارد زیر است:
1) تعمیرات اصلاحی (روتین): این تعمیرات شامل نقایص جزئی و غیرقابل پیشبینی بوده كه در زمان بهرهبرداری عادی قابل رفع است و در صورت نیاز به توقف اجرای كار در ردیف تعمیرات دورهای قرار میگیرد و توسط پیمانكار انجام میشود. كاركنان مورد نیاز در این بخش با توجه به آمار درخواستهای تعمیرات نیروگاهها بیش از 10 نفر در دورههای كارشناسی و تكنسینی نیستند.
2) تعمیرات ادواری: از این تعمیرات میتوان تا برقراری كامل سیستم به صورت هوشمند استفاده كرد. این تعمیرات براساس دستورالعملهای سازنده و تجربیات نیروگاه به صورت دورهای در زمان بهره برداری عادی و یا توقف واحد انجام میشود. این سیستم برای سهولت برنامهریزی و كنترل ، قابل مكانیزه شدن است. كاركنان مورد نیاز در این بخش براساس ماهیت كار تعیین میشود.
3) تعمیرات هوشمند: در این تعمیرات با استفاده از سیستمهای مانیتورینگ و سیستمهای تحلیلكننده، رفتار ماشین تحت نظارت مداوم قرار گرفته و در صورت نزدیكی به محدودة غیرمجاز بهرهبرداری، هشدار و سپس فرمان توقف صادر خواهد شد. كاركنان مورد نیاز این بخش كمتر از نوع ادواری است.
روشهای نگهداری و تعمیرات
در طی چند دهة اخیر راهكارهای گوناگونی در زمینه بهبود و ارتقاء نت مورد استفاده قرار گرفته است كه در ادامه ، اهم آنها به اختصار مورد بررسی قرار خواهد گرفت:
تعمیرات اضطراری (رفع خرابی): در این نگرش كه در دهة 1930 مطرح بود بر ایجاد سیستمهای با تخصص بالد و آماده نگهداشتن آنها برای رفع نواقص ایجاد شده در تجهیزات استوار بود و تمام هم گروه تعمیراتی بر این بود كه از یك طرف تجهیزات و ماشین آلات از كار افتاده را تعمیر كرده و به بهرهبرداری برسانند و از طرف دیگرابزار مورد نیاز برای انجام كار را به طور صحیح پیشبینی كند.
نگهداری و تعمیرات پیشگیرانه: این روش شامل تمامی اقدامات و خدماتی است كه توسط كاركنان جهت حفظ و نگهداری سیستم با تجهیزات از نظر ایمنی و افزایش قابلیت از طریق بازدیدها و بازرسیهای سیستماتیك، كشف و پیدا كردن اشكالات، روغنكاری، تمیزكاری و تعمیرات دورهای با زمانهای ثابت از پیش تعیین شده انجام میپذیرد و شامل مواد زیر است:
بازرسیهای فنی كه شامل موارد زیر است:
ارائه سرویس مانند : تنظیم، روغنكاری و تمیزكاری
تعویض قطعات قبل از ایجاد فرسودگی در آنها
تعمیر كلی تجهیزات در فواصل زمانی مشخص
تعمیرات پیشگیرانه بر اساس شرایط فنی
در روش تعمیرات پیشگیرانه بر مبنای بروز علائم ، خرابیهای مهم در یك دستگاه كه توسط ایجاد تغییرات در پارامتر كنترلكننده دستگاه؛ شرایط و یا عملكرد آن مشخص میشود، مورد عمل قرار میگیرد، همچنین نتایج حاصل از یك تغییر قابل اندازهگیری به طور دائمی یا دورهای صورت میپذیرد. كنترل شرایط كاركرد دستگاه برای برنامهریزی نگهداری و تعمیرات در دو وضعیت در حین كار و در زمان توقف دستگاه انجام میشود كه در زیر به بعضی از روشهای مربوط به هر دو حالت اشاره میشود:
برخی از روشهای كنترل در حین كار كه شامل كنترل درجه حرارت توسط ترمومترها، ترموكوپلها، ترموستاتها و ...، كنترل روغن، ارتعاش و صدا است.
برخی از روشهای كنترل در زمان توقف دستگاه نیز شامل: روشهای سمعی و بصری توسط بروسكوپها، اینتروسكوپها، تارهای نوری، انجام تستهای غیرمخرب به منظور ردیابی تركها و تعمیرات با مركزیت قابلیت اطمینان (R.C.M.) است.
(Reliability Centered Maintenace)
كاربرد این روش به هنگام در معرض خطر قرارگرفتن سلامتی و ایمنی عمومی، مخصوصاً در صنایع هواپیمایی، تأسیسات هستهای، مخازن نفت، میدانهای نفتی و واحدهای تولید شیمیایی است و در آن به مقدار زیاد از تكنیكهای آماری و ریاضی برای پیشگویی قابلیت اطمینان استفاده میشود.
در این روش هدف اصلی حفظ قابلیت اطمینان تجهیزات در حداكثر مقدار خود توأم با اقتصادی كردن دوره عمر كل كارخانه بوده و فعالیتهای نگهداری و تعمیرات به صورت پیشگیرانه و با استفاده از سه شیوة ذیل صورت میپذیرد.
تعویض بعضی از قطعات قبل از ایجاد نقص و بروز اشكال در وظایف آنها در طی دورههای زمانی معین از بهرهبرداری از پیش تعیین شده
Hard Time Replacement (H.T.R.)
نگهداری و تعمیرات تجهیزات كه بروز نقص در آنها در آینده براساس بازرسیهای دورهای و ارزیابی نتایج از قبل قابل تشخیص است
Preventive Maintenance (P.M.)
نظارت مداوم بر وضعیت كاركرد تجهیزات برای تشخیص عیوب آنی آنها قبل از بروز نقص در آنها و جلوگیری از وقوع عیب
Condition Monitoring (C.M.)
تعمیرات جامع بهرهور (T.P.M.)
(Total Productive Maintenance)
این روش در برگیرندة مفهوم نوینی برای نگهداری و تعمیرات واحدها و تجهیزات است و تلفیق دقیقی از مفاهیم و راهكارهای بهبود بهرهوری است.
لفظ فراگیر در عبارت نگهداری و تعمیرات بهرهور فراگیر درسه حوزة زیر قابل تعریف است :
این سه حوزه اثر بخشی فراگیر (توسعة راندمان)، پیشگیری فراگیر (اجرای نگهداری و تعمیرات پیشگیرانه جامع (P.M.) ) و همكاری فراگیر كه شامل انجام فعالیتهای نگهداری و تعمیرات به صورت مستقل توسط پرسنل بهرهبردار است.)
در این روش تعمیرات روزانه معمولی، چكنمودها، تنظیمهای كوچك و تعویض قطعات كوچك از وظایف بهرهبرداربوده وتعمیرات اساسی و رفع نقصهای كلی به وسیلة نیروی تعمیراتی و با كمك بهرهبردار انجام میگیرد.
به طور كلی در روش نگهداری و تعمیرات پیشگیرانه (P.M.) بر ایجاد یك سیستم برنامهریزی نگهداری و تعمیرات تأكید میشود، در صورتی كه در روش(T.P.M.) مفاهیم عمیقتری در مورد بازنگری فعالیتهای نگهداری و تعمیرات، مشاركت، بهبود مستمر و بهبود شاخص ارزیابی اثربخشی تجهیزات مدنظر است.
مشكلات موجود نیروگاهها
با توجه به عدم برقراری سیستم نگهداری و تعمیرات پیشگیرانه در اكثر نیروگاههای كشور بجاست كه به برخی از موانع موجود در راه استقرار (P.M.) در نیروگاهها اشاره شود:
عدم توجه و آشنایی مدیران به اهمیت و نقش فعالیتهای تعمیرات و نگهداری پیشگیرانه و عدم پشتیبانی همه جانبه در زمینه پیادهسازی سیستم از جمله مسایل است. همچنین درگیر بودن مسوولان با مشكلات روزمره در مورد نقصهای اضطراری، در اختیار نداشتن ابزارهای مناسب و عدم وجود سیستم مناسب جهت تأمین بازخورهای اطلاعاتی به منظور كمك به فعالیتهای برنامهریزی و سازماندهی و كنترل كارهای تعمیراتی از دیگر مشكلات موجود است.
ضمناً غالب بودن تفكر درمان به جای پیشگیری در روحیة كاركنان تعمیراتی نبود انگیزه در كاركنان تعمیراتی و عدم وجود سیستم ارزیابی و كارانه مناسب جزو مسایل به شمار میآید.
تفكر پرسنل تعمیراتی نسبت به فعالیتهای (P.M.) به عنوان كارهای اضافی، ضعف عملكرد بخش مهندسی و برنامهریزی برای تدوین و پیگیری كارها نیز از دیگر مشكلات را تشكیل میدهد.
آشنانبودن كاركنان بهرهبرداری و مشاركت آنها در اجرای فعالیتهای (P.M.)، كمبود و نبود منابع برای تهیه مستندات لازم و تعریف فعالیتها نیز جزو مسایل است.
اولویتبندی نكردن تجهیزات و فعالیتهای تعریف شده و وجود مشكل زمانبندی در اجرای فعالیتها و عدم وجود یك سیستم مكانیزه متناسب با نیازهای نیروگاهی در زمینه كمك به برنامهریزی جزو دیگر مسایل است.
ضایعات ششگانه موجود در تولید و راهكارهای حذف آنها
در برنامهریزی نت بهرهور فراگیر توجه خاصی به عیبیابی ضایعات، قبل از برنامهریزی اجرایی نت وجود دارد. بروز بعضی از ضایعات به شرح زیر باعث كاهش اثر بخشی سیستم میشود.
این ضایعات شامل خرابیهای اضطراری، كاهش زمان كار مفید ناشی از آمادهسازی و تنظیم تجهیزات و كاهش زمان كار مفید ناشی از كار بدون تولید و توقفهای در ضمن كار است.
افت سرعت، ضایعات تولید و دوباره كاری و ضایعات راهاندازی از دیگر مسایل را در این ارتباط تشكیل میدهند.
كاهش ضایعات
به منظور كاهش اثرات ضایعات مزبور در اثر بخشی باید به نحوة مقابله با معضلات مزبور توجه زیاد كرد. به طور كل در یك سیستم ، معضلات به دو گروه اتفاقی و مزمن تقسیم میشوند.
ضایعات اتفاقی به طور ناگهانی بروز كرده و شناسایی عوامل ایجاد آنها مشكل نیست و بازگشت سیستم به حالت اولیه به عنوان یك حركت اصلاحی مورد توجه است، اما ضایعات مزمن ناشی از نوعی شرایط زیانبار و مستمر است كه رفع آنها نیازمند تغییر اصولی در وضعیتها است. در بسیاری از موارد معضلات مزمن از جمله عوامل ایجاد ضایعات ششگانه در تولید هستند و به دلیل عادت سیستم به این معضلات ، شناسایی و حذف آنها دشوار است.
بنابراین به منظور حذف ضایعات مزمن كه اثر بخشی سیستم را كاهش میدهند، میتوان توصیههایی را مدنظر داشت:
حذف خرابیهای اضطراری، بهبود آمادهسازی و تنظیم تعمیرات، كاهش زمانهای حركت بدون تولید، بهبود سرعت ماشین و كاستن اشكالات كیفیتی از جمله این توصیهها است.
از طرف دیگر به منظور افزایش اثر بخشی و نیز كاهش ضایعات ششگانه، اقداماتی باید به وسیله كاركنان بهرهبردار صورت پذیرد كه شامل موارد زیر است:
تمیزكاری ، روانكاری، آچاركشی، بررسی روزانه فرسایش، سرویسهای ساده، بازرسیهای دورهای و تشخیص حالتهای غیرطبیعی از جمله اقداماتی است كه كاركنان باید انجام دهند.
نتیجهگیری
جهت دستیابی به بهرهبرداری هر چه بهتر در نیروگاهها با استقرار تعمیرات بهرهور فراگیر، بعضی از توصیهها به شرح زیر ارائه میشود
استقرار سیستم مشاركت كاركنان به صورت فراگیر در نیروگاه و ذخیرهسازی، تجزیه و تحلیل سوابق تجهیزات به منظور تشخیص تجهیزاتی كه دارای نواقص مزمن هستند و ریشهیابی علل بروز تكرار نواقص جزو توصیههای مزبور است.
ایجاد زمینه همكاری و تفاهم میان پرسنل تعمیرات و پرسنل بهرهبرداری، ارتقای سطح دانش و تخصص پرسنل بهرهبرداری به منظور كسب توانایی در انجام بعضی از فعالیتهای نگهداری و تعمیرات از قبیل: تمیزكاری، تعویض فیلترهای هوا یا آب و ... نیز جزو این مسایل است.
برگزاری دورههای آموزشی برای تمامی كاركنان، شناسایی منابع بروز تلفات و ضایعات در نیروگاهها به ویژه ضایعات ششگانه مطرح شده و اتخاذ روشهای مناسب برای حذف آنها نیز باید انجام شود.
تعریف اهداف مورد انتظار از طرف مدیریت از قبیل: درصد قابل قبول خرابیها و درصد مورد انتظار توقفهای ناخواسته واحد پس از استقرار سیستم و جلوگیری از فرسودگی تجهیزات با اجرای تنظیم فعالیتهای (P.M.) نیز باید به انجام برسد.
منابع :
1) معزی، رضا- نقش استانداردهای تعمیرات در برنامهریزی و پیشبینی نیازها- اولین كنگره ملی نگهداری و تعمیرات نت- دانشگاه صنعتی اصفهان- سال 1373
2) قلمچی، مصطفی- عوامل مؤثر در تعمیرات مدفن نیروگاهها- ماهنامة علمی تخصصی صنعت برق- بهمن ماه سال 1380
3) خبازان، عبدالحمید- آشنایی با مبانی و نحوة بكارگیری روش T.P.M. در نیروگاهها- سومین نشست تعمیر و نگهداری و بهینهسازی (سمینار علمی- فنی نیروگاهی) شركت برق منطقهای اصفهان- اردیبهشت ماه سال 1382
