میتوانیم انرژی برق را با استفاده از انرژی هستهای تولید کنیم. در نیروگاه هستهای، انرژی برق با واکنش هستهای تولید میشود. در اینجا، عناصر سنگین و پرتوزا مانند اورانیوم (U235) یا توریوم (Th232) به شکافت هستهای میخورند. این شکافت در دستگاه خاصی به نام رآکتور انجام میشود.
در فرآیند شکافت، هستههای عناصر سنگین و پرتوزا به دو قسمت تقریباً مساوی تقسیم میشوند. در طول این شکافت، مقدار زیادی انرژی آزاد میشود. آزاد شدن این انرژی به دلیل اختلاف جرم است. یعنی جرم کل محصول اولیه در طول شکافت کاهش مییابد. این از دست دادن جرم در طول شکافت به انرژی حرارتی تبدیل میشود، مطابق با معادله مشهور ارائه شده توسط آلبرت اینشتین.
اصل کار یک نیروگاه هستهای همانند یک نیروگاه حرارتی سنتی است. تنها تفاوت این است که به جای استفاده از گرما تولید شده از سوختن ذغال، در یک نیروگاه هستهای، گرما تولید شده از شکافت هستهای برای تولید بخار از آب در ق Kabine استفاده میشود. این بخار برای چرخاندن توربین بخار استفاده میشود.
این توربین محرک اصلی الترناتور است. این الترناتور انرژی برقی تولید میکند. اگرچه موجودی سوخت هستهای زیاد نیست، اما مقدار بسیار کمی از سوخت هستهای میتواند مقدار زیادی انرژی برقی تولید کند.
این ویژگی منحصر به فرد یک نیروگاه هستهای است. یک کیلوگرم اورانیوم معادل ۴۵۰۰ تن ذغال سنگ با کیفیت بالا است. یعنی شکافت کامل یک کیلوگرم اورانیوم میتواند به اندازه سوخت کامل ۴۵۰۰ تن ذغال سنگ با کیفیت بالا گرما تولید کند.
به همین دلیل، اگرچه سوخت هستهای بسیار گرانتر است، اما هزینه سوخت هستهای برای هر واحد انرژی برقی هنوز کمتر از هزینه انرژی تولید شده با سوختهای دیگر مانند ذغال و دیزل است. برای مقابله با بحران سوختهای سنتی در دوران کنونی، نیروگاههای هستهای میتوانند جایگزینهای مناسبتر باشند.
همانطور که گفتیم، مصرف سوخت در این نیروگاه بسیار کم است و بنابراین، هزینه تولید هر واحد انرژی بسیار کمتر از روشهای تولید انرژی سنتی است. مقدار سوخت هستهای مورد نیاز نیز کمتر است.
یک نیروگاه هستهای فضای کمتری نسبت به سایر نیروگاههای سنتی با ظرفیت مشابه میگیرد.
این نیروگاه نیاز به مقدار زیادی آب ندارد، بنابراین لازم نیست آن را در نزدیکی منابع طبیعی آب ساخته شود. همچنین مقدار زیادی سوخت نیاز ندارد، بنابراین لازم نیست آن را در نزدیکی معادن ذغال یا مکانهایی با امکانات حمل و نقل خوب ساخته شود. به دلیل این، میتوان نیروگاه هستهای را بسیار نزدیک به مرکز بار ساخت.
موجودی سوخت هستهای در سراسر جهان زیاد است، بنابراین این نیروگاهها میتوانند تأمین مستمر انرژی برقی را برای هزاران سال آینده تضمین کنند.
سوخت به راحتی در دسترس نیست و بسیار گران است.
هزینه اولیه ساخت یک نیروگاه هستهای بسیار بالاست.
نصب و راهاندازی این نیروگاه بسیار پیچیدهتر و پیشرفتهتر از سایر نیروگاههای سنتی است.
محصولات جانبی شکافت هستهای دارای تابش هستهای هستند و میتوانند آلودگی هستهای بالایی ایجاد کنند.
هزینه نگهداری بالا است و نیروی کار مورد نیاز برای اجرای یک نیروگاه هستهای بسیار بالاتر است، زیرا نیاز به افراد متخصص آموزش دیده است.
نوسانات ناگهانی بار را نمیتوان به طور موثر با نیروگاههای هستهای مدیریت کرد.
به دلیل اینکه محصولات جانبی واکنشهای هستهای بسیار تابشی هستند، تخلیه آنها یک مشکل بزرگ است. فقط میتوان آنها را در عمق زمین یا در دریا، دور از ساحل، تخلیه کرد.
یک نیروگاه هستهای عموماً چهار جزء اصلی دارد.
رآکتور هستهای
معاوضهگر گرما
توربین بخار
الترناتور
بیایید این اجزا را یک به یک بررسی کنیم:
در یک رآکتور هستهای، اورانیوم ۲۳۵ به شکافت هستهای میخورد. این رآکتور واکنش زنجیرهای را که با شکافت آغاز میشود کنترل میکند. واکنش زنجیرهای باید کنترل شود، در غیر این صورت سرعت آزادسازی انرژی بسیار بالا خواهد بود و احتمال بسیار بالایی برای انفجار وجود خواهد داشت. در شکافت هستهای، هستههای سوخت هستهای مانند U235 توسط جریان آهسته نوترونها بمباران میشوند. به دلیل این بمباران، هسته اورانیوم شکسته میشود که باعث آزادسازی مقدار زیادی انرژی حرارتی میشود و در طول شکافت هسته، تعداد زیادی نوترون نیز منتشر میشوند.
این نوترونهای منتشر شده نوترونهای شکافت نامیده میشوند. این نوترونهای شکافت شکافتهای بعدی را ایجاد میکنند. شکافتهای بعدی موجب ایجاد نوترونهای شکافت بیشتر میشوند که مجدداً سرعت شکافت را افزایش میدهند. این یک فرآیند تجمعی است.
اگر فرآیند کنترل نشود، در مدت زمان بسیار کوتاه سرعت شکافت به حدی بالا میرود که مقدار زیادی انرژی آزاد میکند و ممکن است انفجار خطرناکی ایجاد شود. این واکنش تجمعی واکنش زنجیرهای نامیده میشود. این واکنش زنجیرهای فقط با خارج کردن نوترونهای شکافت از رآکتور هستهای کنترل میشود. سرعت شکافت با تغییر سرعت خارج کردن نوترونهای شکافت از رآکتور کنترل میشود.
یک رآکتور هستهای یک ظرف فشاری استوانهای شکل است. میلههای سوخت از سوخت هستهای مانند اورانیوم ساخته شدهاند که معمولاً با گرافیت پوشیده میشوند. معتدلکنندهها قبل از برخورد با هستههای اورانیوم نوترونها را کند میکنند. میلههای کنترل از کادمیوم ساخته شدهاند زیرا کادمیوم جذبکننده قوی نوترونها است.
میلههای کنترل در کامره شکافت قرار داده میشوند. این میلههای کادمیوم میتوانند به ترتیب نیاز پایین و بالا کشیده شوند. وقتی این میلهها به اندازه کافی پایین کشیده میشوند، بیشتر نوترونهای شکافت توسط این میلهها جذب میشوند و بنابراین واکنش زنجیرهای متوقف میشود. دوباره، وقتی میلههای کنترل بالا کشیده میشوند، در دسترس بودن نوترونهای شکافت بیشتر میشود که سرعت واکنش زنجیرهای را افزایش میدهد.
بنابراین، واضح است که با تنظیم موقعیت میلههای کنترل، میتوان سرعت واکنش هستهای را کنترل کرد و در نتیجه تولید انرژی برقی را بر اساس تقاضای بار کنترل کرد. در عمل، فشردن و کشیدن میلههای کنترل توسط یک سیستم بازخورد خودکار بر اساس نیاز بار کنترل میشود و به صورت دستی کنترل نمیشود. گرما آزاد شده در طول واکنش هستهای توسط مائع خنک
