generation توليد و نيروگاه :
مقاله: ساختار نيروگاه هاي اتمي جهان
برحسب نظريه اتمي عنصر عبارت است از يك جسم خالص ساده كه با روشهاي شيميايي نمي توان آن را تفكيك كرد. از تركيب عناصر با يكديگر اجسام مركب بهوجود مي آيند. تعداد عناصر شناخته شده در طبيعت حدود ۹۲ عنصر است.

هيدروژناولين و ساده ترين عنصر و پس از آن هليم، كربن، ازت، اكسيژن و... فلزات روي، مس،آهن، نيكل و... و بالاخره آخرين عنصر طبيعي به شماره ۹۲، عنصر اورانيوم است. بشرتوانسته است به طور مصنوعي و به كمك واكنش هاي هسته اي در راكتورهاي اتمي و يا بهكمك شتاب دهنده هاي قوي بيش از ۲۰ عنصر ديگر بسازد كه تمام آن ها ناپايدارند و عمركوتاه دارند و به سرعت با انتشار پرتوهايي تخريب مي شوند. اتم هاي يك عنصر ازاجتماع ذرات بنيادي به نام پرتون، نوترون و الكترون تشكيل يافته اند. پروتون بارمثبت و الكترون بار منفي و نوترون فاقد بار است.



تعداد پروتون ها نام و محلقرار گرفتن عنصر را در جدول تناوبي (جدول مندليف) مشخص مي كند. اتم هيدروژن يكپروتون دارد و در خانه شماره ۱ جدول و اتم هليم در خانه شماره ۲، اتم سديم در خانهشماره ۱۱ و... و اتم اورانيوم در خانه شماره ۹۲ قرار دارد. يعني داراي ۹۲ پروتوناست.

ايزوتوپ هاي اورانيوم

تعداد نوترونها در اتم هاي مختلف يك عنصر همواره يكسان نيست كه براي مشخص كردن آنها از كلمهايزوتوپ استفاده مي شود. بنابراين اتم هاي مختلف يك عنصر را ايزوتوپ مي گويند. مثلاً عنصر هيدروژن سه ايزوتوپ دارد: هيدروژن معمولي كه فقط يك پروتون دارد و فاقدنوترون است. هيدروژن سنگين يك پروتون و يك نوترون دارد كه به آن دوتريم گويند ونهايتاً تريتيم كه از دو نوترون و يك پروتون تشكيل شده و ناپايدار است و طي زمانتجزيه مي شود.

ايزوتوپ سنگين هيدروژن يعني دوتريم در نيروگاه هاي اتميكاربرد دارد و از الكتروليز آب به دست مي آيد. در جنگ دوم جهاني آلماني ها برايساختن نيروگاه اتمي و تهيه بمب اتمي در سوئد و نروژ مقادير بسيار زيادي آب سنگينتهيه كرده بودند كه انگليسي ها متوجه منظور آلماني ها شده و مخازن و دستگاه هايالكتروليز آنها را نابود كردند.

غالب عناصر ايزوتوپ دارند از آن جمله عنصراورانيوم، چهار ايزوتوپ دارد كه فقط دو ايزوتوپ آن به علت داشتن نيمه عمر نسبتاًبالا در طبيعت و در سنگ معدن يافت مي شوند. اين دو ايزوتوپ عبارتند از اورانيوم ۲۳۵و اورانيوم ۲۳۸ كه در هر دو ۹۲ پروتون وجود دارد ولي اولي ۱۴۳ و دومي ۱۴۶ نوتروندارد. اختلاف اين دو فقط وجود ۳ نوترون اضافي در ايزوتوپ سنگين است ولي از نظر خواصشيميايي اين دو ايزوتوپ كاملاً يكسان هستند و براي جداسازي آنها از يكديگر حتماًبايد از خواص فيزيكي آنها يعني اختلاف جرم ايزوتوپ ها استفاده كرد. ايزوتوپاورانيوم ۲۳۵ شكست پذير است و در نيروگاه هاي اتمي از اين خاصيت استفاده مي شود وحرارت ايجاد شده در اثر اين شكست را تبديل به انرژي الكتريكي مي نمايند. در واقعورود يك نوترون به درون هسته اين اتم سبب شكست آن شده و به ازاي هر اتم شكسته شده۲۰۰ميليون الكترون ولت انرژي و دو تكه شكست و تعدادي نوترون حاصل مي شود كه ميتوانند اتم هاي ديگر را بشكنند. بنابراين در برخي از نيروگاه ها ترجيح مي دهند تاحدي اين ايزوتوپ را در مخلوط طبيعي دو ايزوتوپ غني كنند و بدين ترتيب مسئله غنيسازي اورانيوم مطرح مي شود.

ساختار نيروگاهاتمي

به طور خلاصه چگونگي كاركرد نيروگاه هاي اتمي را بيان كرده وساختمان دروني آنها را مورد بررسي قرار مي دهيم.

طي سال هاي گذشته اغلبكشورها به استفاده از اين نوع انرژي هسته اي تمايل داشتند و حتي دولت ايران ۱۵نيروگاه اتمي به كشورهاي آمريكا، فرانسه و آلمان سفارش داده بود. ولي خوشبختانه بعداز وقوع دو حادثه مهم تري ميل آيلند (Three Mile Island) در ۲۸ مارس ۱۹۷۹ و فاجعهچرنوبيل (Tchernobyl) در روسيه در ۲۶ آوريل ۱۹۸۶، نظر افكار عمومي نسبت به كاربرداتم براي توليد انرژي تغيير كرد و ترس و وحشت از جنگ اتمي و به خصوص امكان تهيه بمباتمي در جهان سوم، كشورهاي غربي را موقتاً مجبور به تجديدنظر در برنامه هاي اتميخود كرد.

نيروگاه اتمي در واقع يك بمب اتمي است كه به كمك ميله هايمهاركننده و خروج دماي دروني به وسيله مواد خنك كننده مثل آب و گاز، تحت كنترلدرآمده است. اگر روزي اين ميله ها و يا پمپ هاي انتقال دهنده مواد خنك كننده وظيفهخود را درست انجام ندهند، سوانح متعددي به وجود مي آيد و حتي ممكن است نيروگاه نيزمنفجر شود، مانند فاجعه نيروگاه چرنوبيل شوروي. يك نيروگاه اتمي متشكل از موادمختلفي است كه همه آنها نقش اساسي و مهم در تعادل و ادامه حيات آن را دارند. اينمواد عبارت اند از:

1- ماده سوختمتشكل ازاورانيوم طبيعي، اورانيوم غني شده، اورانيوم و پلوتونيم است.

عمل سوختناورانيوم در داخل نيروگاه اتمي متفاوت از سوختن زغال يا هر نوع سوخت فسيلي ديگراست. در اين پديده با ورود يك نوترون كم انرژي به داخل هسته ايزوتوپ اورانيوم ۲۳۵عمل شكست انجام مي گيرد و انرژي فراواني توليد مي كند. بعد از ورود نوترون به درونهسته اتم، ناپايداري در هسته به وجود آمده و بعد از لحظه بسيار كوتاهي هسته اتمشكسته شده و تبديل به دوتكه شكست و تعدادي نوترون مي شود. تعداد متوسط نوترون ها بهازاي هر ۱۰۰ اتم شكسته شده ۲۴۷ عدد است و اين نوترون ها اتم هاي ديگر را مي شكنند واگر كنترلي در مهار كردن تعداد آنها نباشد واكنش شكست در داخل توده اورانيوم بهصورت زنجيره اي انجام مي شود كه در زماني بسيار كوتاه منجر به انفجار شديدي خواهدشد.

در واقع ورود نوترون به درون هسته اتم اورانيوم و شكسته شدن آن توام باانتشار انرژي معادل با ۲۰۰ ميليون الكترون ولت است اين مقدار انرژي در سطح اتميبسيار ناچيز ولي در مورد يك گرم از اورانيوم در حدود صدها هزار مگاوات است. كه اگربه صورت زنجيره اي انجام شود، در كمتر از هزارم ثانيه مشابه بمب اتمي عمل خواهدكرد.
اما اگر تعداد شكست ها را در توده اورانيوم و طي زمان محدود كرده به نحويكه به ازاي هر شكست، اتم بعدي شكست حاصل كند شرايط يك نيروگاه اتمي به وجود مي آيد. به عنوان مثال نيروگاهي كه داراي ۱۰ تن اورانيوم طبيعي است قدرتي معادل با ۱۰۰مگاوات خواهد داشت و به طور متوسط ۱۰۵ گرم اورانيوم ۲۳۵ در روز در اين نيروگاهشكسته مي شود و همان طور كه قبلاً گفته شد در اثر جذب نوترون به وسيله ايزوتوپاورانيوم ۲۳۸ اورانيوم ۲۳۹ به وجود مي آمد كه بعد از دو بار انتشار پرتوهاي بتا (ياالكترون) به پلوتونيم ۲۳۹ تبديل مي شود كه خود مانند اورانيوم ۲۳۵ شكست پذير است. در اين عمل ۷۰ گرم پلوتونيم حاصل مي شود. ولي اگر نيروگاه سورژنراتور باشد و تعدادنوترون هاي موجود در نيروگاه زياد باشند مقدار جذب به مراتب بيشتر از اين خواهدبودو مقدار پلوتونيم هاي به وجود آمده از مقدار آنهايي كه شكسته مي شوند بيشترخواهند بود. در چنين حالتي بعد از پياده كردن ميله هاي سوخت مي توان پلوتونيم بهوجود آمده را از اورانيوم و فرآورده هاي شكست را به كمك واكنش هاي شيميايي بسيارساده جدا و به منظور تهيه بمب اتمي ذخيره كرد.

2- نرمكننده هاموادي هستند كه برخورد نوترون هاي حاصل از شكست با آنها الزامي استو براي كم كردن انرژي اين نوترون ها به كار مي روند. زيرا احتمال واكنش شكست پي درپي به ازاي نوترون هاي كم انرژي بيشتر مي شود. آب سنگين (D2O) يا زغال سنگ (گرافيت) به عنوان نرم كننده نوترون به كار برده مي شوند.

3- ميله هاي مهاركننده: اين ميله ها از مواد جاذب نوترون درستشده اند و وجود آنها در داخل رآكتور اتمي الزامي است و مانع افزايش ناگهاني تعدادنوترون ها در قلب رآكتور مي شوند. اگر اين ميله ها كار اصلي خود را انجام ندهند، درزماني كمتر از چند هزارم ثانيه قدرت رآكتور چند برابر شده و حالت انفجاري ياديورژانس رآكتور پيش مي آيد. اين ميله ها مي توانند از جنس عنصر كادميم و يا بورباشند.

4- مواد خنك كننده يا انتقال دهنده انرژيحرارتي: اين مواد انرژي حاصل از شكست اورانيوم را به خارج از رآكتور انتقالداده و توربين هاي مولد برق را به حركت در مي آورند و پس از خنك شدن مجدداً به داخلرآكتور برمي گردند. البته مواد در مدار بسته و محدودي عمل مي كنند و با خارج ازمحيط رآكتور تماسي ندارند. اين مواد مي توانند گاز CO2 ، آب، آب سنگين، هليم گازي ويا سديم مذاب باشند.


انواعراکتور
راکتورهای اتمی را معمولا برحسب خنک کننده، کند کننده، نوع و درجهغنای سوخت در آن طبقه بندی می کنند. معروفترین راکتورهای اتمی، راکتورهایی هستند کهاز 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 آبسبک(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 واورانیوم 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 راکتوریاست که از آب سنگین به عنوان کندکننده و خنک کننده و از اورانیوم طبیعی به عنوانسوخت استفاده می کند. نوع کانادایی این راکتور به CANDU موسوم بوده و از کاراییخوبی برخوردار می باشد. مابقی راکتورها مثل FBR (راکتوری که از مخلوط اورانیوم وپلوتونیوم به عنوان سوخت و سدیم مایع به عنوان خنک کننده استفاده کرده و فاقد کندکننده می باشد) LWGR(راکتوری که از آب سبک به عنوان خنک کننده و از گرافیت به عنوانکند 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 حالکار 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 پایهاصلی و استخوان بندی تکنولوژی فعلی نیروگاههای اتمیPWR را تشکیل داد. سپس شرکتجنرال الکتریک موفق به ساخت راکتورهایی از نوع BWR گردید. اما اولین راکتوری کهاختصاصا جهت تولید برق طراحی شده، توسط شوروی و در ژوئن 1954در "آبنینسک" نزدیکمسکو احداث گردید که بیشتر جنبه نمایشی داشت، تولید الکتریسیته از راکتورهای اتمیدر مقیاس صنعتی در سال 1956 در انگلستان آغاز گردید. تا سال 1965 روند ساختنیروگاههای اتمی از رشد محدودی برخوردار بود اما طی دو دهه 1966 تا 1985 جهش زیادیدر ساخت نیروگاههای اتمی بوجود آمده است. این جهش طی سالهای 1972 تا 1976 که بطورمتوسط هر سال 30 نیروگاه شروع به ساخت می کردند بسیار زیاد و قابل توجه است. یکدلیل آن شوک نفتی اوایل دهه 1970 می باشد که کشورهای مختلف را برآن داشت تا جهتتأمین انرژی مورد نیاز خود بطور زاید الوصفی به انرژی هسته ای روی آورند. پس ازدوره جهش فوق یعنی از سال 1986 تاکنون روند ساخت نیروگاهها به شدت کاهش یافتهبطوریکه بطور متوسط سالیانه 4 راکتور اتمی شروع به ساخت می شوند.
کشورهای مختلف در تولید برق هسته ای روند گوناگونی داشته اند. بهعنوان مثال کشور انگلستان که تا سال 1965 پیشرو در ساخت نیروگاه اتمی بود، پس از آنتاریخ، ساخت نیروگاه اتمی در این کشور کاهش یافت، اما برعکس در آمریکا به اوج خودرسید. کشور آمریکا که تا اواخر دهه 1960 تنها 17 نیروگاه اتمی داشت در طول دهه های 1970و 1980 بیش از 90 نیروگاه اتمی دیگر ساخت. این مسئله نشان دهنده افزایش شدیدتقاضای انرژی در آمریکاست. هزینه تولید برق هسته ای در مقایسه با تولید برق ازمنابع دیگر انرژی در امریکا کاملا قابل رقابت می باشد. هم اکنون فرانسه با داشتنسهم 75 درصدی برق هسته ای از کل تولید برق خود درصدر کشورهای جهان قرار دارد. پس ازآن به ترتیب لیتوانی(73درصد)، بلژیک(57درصد)، بلغارستان و اسلواکی(47درصد) و سوئد (8/46درصد) می باشند. آمریکا نیز حدود 20 درصد از تولید برق خود را به برق هسته ایاختصاص داده است.
گرچه ساخت نیروگاههای هسته ای و تولید برق هسته ای در جهان از رشدانفجاری اواخر دهه 1960 تا اواسط 1980 برخوردار نیست اما کشورهای مختلف همچناندرصدد تأمین انرژی مورد نیاز خود از طریق انرژی هسته ای می باشند. طبق پیش بینی هایبه عمل آمده روند استفاده از برق هسته ای تا دهه های آینده همچنان روند صعودی خواهدداشت. در این زمینه، منطقه آسیا و اروپای شرقی به ترتیب مناطق اصلی جهان در ساختنیروگاه هسته ای خواهند بود. در این راستا، ژاپن با ساخت نیروگاههای اتمی با ظرفیتبیش 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 طیدو دهه آینده طی خواهد کرد.

غنی سازی اورانيم

سنگ معدن اورانيوم موجود درطبيعت از دو ايزوتوپ ۲۳۵ به مقدار ۷/۰ درصد و اورانيوم ۲۳۸ به مقدار ۳/۹۹ درصدتشكيل شده است. سنگ معدن را ابتدا در اسيد حل كرده و بعد از تخليص فلز، اورانيوم رابه صورت تركيب با اتم فلئور (F) و به صورت مولكول اورانيوم هكزا فلورايد UF6 تبديلمي كنند كه به حالت گازي است. سرعت متوسط مولكول هاي گازي با جرم مولكولي گاز نسبتعكس دارد اين پديده را گراهان در سال ۱۸۶۴ كشف كرد. از اين پديده كه به نامديفوزيون گازي مشهور است براي غني سازي اورانيوم استفاده مي كنند.در عمل اورانيومهكزا فلورايد طبيعي گازي شكل را از ستون هايي كه جدار آنها از اجسام متخلخل (خلل وفرج دار) درست شده است عبور مي دهند. منافذ موجود در جسم متخلخل بايد قدري بيشتر ازشعاع اتمي يعني در حدود ۵/۲ انگشترم (۰۰۰۰۰۰۰۲۵/۰ سانتيمتر) باشد. ضريب جداسازيمتناسب با اختلاف جرم مولكول ها است.روش غني سازي اورانيوم تقريباً مطابق هميناصولي است كه در اينجا گفته شد. با وجود اين مي توان به خوبي حدس زد كه پرخرج ترينمرحله تهيه سوخت اتمي همين مرحله غني سازي ايزوتوپ ها است زيرا از هر هزاران كيلوسنگ معدن اورانيوم ۱۴۰ كيلوگرم اورانيوم طبيعي به دست مي آيد كه فقط يك كيلوگرماورانيوم ۲۳۵ خالص در آن وجود دارد. براي تهيه و تغليظ اورانيوم تا حد ۵ درصد حداقل۲۰۰۰برج از اجسام خلل و فرج دار با ابعاد نسبتاً بزرگ و پي درپي لازم است تا نسبتايزوتوپ ها تا از برخي به برج ديگر به مقدار ۰۱/۰ درصد تغيير پيدا كند. در نهايتموقعي كه نسبت اورانيوم ۲۳۵ به اورانيوم ۲۳۸ به ۵ درصد رسيد بايد براي تخليص كاملاز سانتريفوژهاي بسيار قوي استفاده نمود. براي ساختن نيروگاه اتمي، اورانيوم طبيعيو يا اورانيوم غني شده بين ۱ تا ۵ درصد كافي است. ولي براي تهيه بمب اتمي حداقل ۵تا ۶ كيلوگرم اورانيوم ۲۳۵ صددرصد