منابع انرژی

اورانیوم (هسته ای)

مبانی اورانیوم (هسته ای)
انرژی هسته ای انرژی موجود در هسته اتم است

اتم ها ذرات ریز مولکول های تشکیل دهنده گازها، مایعات و جامدات هستند. خود اتم ها از سه ذره به نام های پروتون، نوترون و الکترون تشکیل شده اند. یک اتم دارای یک هسته (یا هسته) حاوی پروتون و نوترون است که توسط الکترون احاطه شده است. پروتون ها دارای بار الکتریکی مثبت و الکترون ها دارای بار الکتریکی منفی هستند. نوترون ها بار الکتریکی ندارند. انرژی زیادی در پیوندهایی وجود دارد که هسته را به هم چسبیده اند. با شکستن این پیوندها، این انرژی هسته ای آزاد می شود. پیوندها می توانند از طریق شکافت هسته ای شکسته شوند و از این انرژی می توان برای تولید برق استفاده کرد.

در شکافت هسته ای ، اتم ها از هم جدا شده و باعث آزاد شدن انرژی می شوند. تمام نیروگاه های هسته ای از شکافت هسته ای و بیشتر نیروگاه های هسته ای از اتم های اورانیوم استفاده می کنند. در طی شکافت هسته ای ، یک نوترون با یک اتم اورانیوم برخورد کرده و آن را تقسیم می کند و مقدار زیادی انرژی را به صورت گرما و تابش آزاد می کند. با تقسیم اتم اورانیوم ، نوترون بیشتری نیز آزاد می شود. این نوترون ها با سایر اتم های اورانیوم برخورد می کنند و روند آن بارها و بارها تکرار می شود. این فرآیند را واکنش زنجیره ای هسته ای می نامند. این واکنش در راکتورهای نیروگاه هسته ای کنترل می شود تا مقدار دلخواه گرما تولید کند.

انرژی هسته ای همچنین می تواند در همجوشی هسته ای آزاد شود ، جایی که اتم ها با هم ترکیب شده یا با هم ذوب می شوند و یک اتم بزرگتر تشکیل می دهند. همجوشی منبع انرژی در خورشید و ستارگان است. توسعه فناوری برای مهار همجوشی هسته ای به عنوان منبع انرژی برای تولید گرما و برق موضوع تحقیقات مداوم است ، اما اینکه آیا این یک فناوری تجاری مناسب خواهد بود یا نه هنوز به دلیل مشکل در کنترل واکنش همجوشی مشخص نشده است.

سوخت هسته ای – اورانیوم

اورانیوم سوختی است که بیشتر مورد استفاده نیروگاه های هسته ای برای شکافت هسته ای قرار می گیرد. اورانیوم یک منبع انرژی غیر قابل تجدید در نظر گرفته می شود، حتی اگر یک فلز متداول باشد که در سنگ های دنیا یافت می شود. نیروگاه های هسته ای از نوع خاصی از اورانیوم که به آن U-235 گفته می شود برای سوخت استفاده می کنند زیرا اتم های آن به راحتی از هم جدا می شوند. گرچه اورانیوم حدود 100 برابر بیشتر از نقره شایع است، U-235 نسبتاً نادر است.

بیشتر معادن اورانیوم آمریکا در غرب ایالات متحده استخراج می شود. پس از استخراج اورانیوم، U-235 باید قبل از استفاده به عنوان سوخت استخراج و فرآوری شود.

نیروگاه های هسته ای
انرژی هسته ای از شکافت هسته ای حاصل می شود

نیروگاه های هسته ای برای تولید بخار آب را گرم می کنند. از این بخار برای چرخش توربین های بزرگ تولید برق استفاده می شود. نیروگاه های هسته ای از گرمای تولید شده در طی شکافت هسته ای برای گرم کردن آب استفاده می کنند.

در شکافت هسته ای، اتم ها از هم جدا شده و اتم های کوچکتری تشکیل داده و انرژی آزاد می کنند. شکافت در داخل راکتور یک نیروگاه هسته ای اتفاق می افتد. در مرکز راکتور هسته وجود دارد که حاوی سوخت اورانیوم است.

سوخت اورانیوم به صورت گلوله های سرامیکی در می آید. هر گلوله سرامیکی تقریباً به همان اندازه 150 گالن روغن انرژی تولید می کند. این گلوله های غنی از انرژی در میله های سوخت فلزی 12 فوت از انتها به انتهای دیگر انباشته می شوند. به یک بسته میله سوخت، بعضی از آنها با صدها میله، مجموعه سوخت گفته می شود. یک هسته راکتور شامل بسیاری از مجامع سوخت است.

گرمای تولید شده هنگام شکافت هسته ای در هسته راکتور برای جوشاندن آب به بخار استفاده می شود، که پره های توربین بخار را تبدیل می کند. با چرخش پره های توربین، آنها ژنراتورهایی را تولید می کنند که برق تولید می کنند. نیروگاه های هسته ای بخار را در یک ساختار جداگانه در نیروگاه به نام برج خنک کننده، به آب خنک می کنند یا از آب استخرها، رودخانه ها یا اقیانوس استفاده می کنند. سپس آب خنک شده مجدداً برای تولید بخار استفاده می شود.

نیروگاه های هسته ای حدود 20٪ برق آمریکا تولید می کنند

از اول ژانویه سال 2020، 96 راکتور هسته ای در 58 نیروگاه هسته ای در 29 ایالت کار می کردند. سی و پنج گیاه دارای دو یا چند راکتور هستند. انرژی هسته ای از سال 1990 حدود یک پنجم کل برق سالانه آمریکا را تأمین کرده است. درباره صنعت انرژی هسته ای ایالات متحده بیشتر بدانید .

ایالات متحده بیش از هر کشور دیگری انرژی هسته ای تولید می کند

در سال 2017، 31 کشور دارای نیروگاه هسته ای تجاری بودند و در 15 کشور، انرژی هسته ای حداقل 20٪ از کل تولید برق سالانه خود را تأمین می کرد. ایالات متحده بیشترین ظرفیت تولید برق هسته ای را داشت و بیش از هر کشور دیگری برق هسته ای تولید می کرد. فرانسه، با دومین ظرفیت تولید برق هسته ای و دومین تولید برق هسته ای، بیشترین سهم را دارد – حدود 72٪ – از کل تولید برق سالانه از انرژی هسته ای.

پنج کشور برتر تولید برق هسته ای، 2017
کشور ظرفیت تولید برق هسته ای (میلیون کیلووات) تولید برق هسته ای (میلیارد کیلووات ساعت) سهم هسته ای از کل تولید برق کشور
ایالات متحده 99.6 805.0 19.8٪
فرانسه 63.1 381.8 71.5٪
چین 31.5 232.8 3.7٪
روسیه 26.1 190.1 18.4٪
کره جنوبی 22.5 141.3 26.6٪
منبع: اداره اطلاعات انرژی ایالات متحده ، آمار بین المللی انرژی ، از 16 آوریل 2020
انواع راکتورهای هسته ای

راکتورهای هسته ای ماشین هایی هستند که ضمن آزاد کردن گرما با سرعت کنترل شده، واکنش های زنجیره ای هسته ای را در خود دارند و کنترل می کنند.

یک نیروگاه هسته ای از گرمای تولید شده توسط یک راکتور هسته ای برای تبدیل آب به بخار استفاده می کند و سپس ژنراتورهای توربین تولید کننده برق را هدایت می کند.

نیروگاه های هسته ای ایالات متحده از دو نوع راکتور هسته ای استفاده می کنند

نیروگاه های هسته ای در ایالات متحده یا دارای یک راکتور آب جوش یا راکتور آب تحت فشار هستند.

راکتورهای هسته ای آب جوش

در یک راکتور آب جوش، هسته راکتور آب را گرم می کند که مستقیماً در ظرف راکتور به بخار تبدیل می شود. این بخار برای تأمین انرژی مولد توربین استفاده می شود.

راکتورهای هسته ای با فشار آب

در یک راکتور آب تحت فشار، هسته راکتور آب را گرم می کند و آن را تحت فشار نگه می دارد تا از تبدیل آب به بخار جلوگیری کند. این آب رادیواکتیو گرم از طریق لوله ها در یک مولد بخار جریان می یابد.

مولد بخار یک استوانه غول پیکر است که با آب غیر رادیواکتیو (یا آب تمیز) پر شده است. درون استوانه غول پیکر پر آب هزاران لوله پر از آب رادیواکتیو گرم از هسته راکتور قرار دارد که در نهایت آب تمیز را به جوش آورده و به بخار تبدیل می کند.

آب رادیواکتیو دوباره به هسته راکتور می رود تا دوباره گرم شود و پس از دوباره گرم شدن، به مولد بخار برمی گردد. آب تمیز ممکن است از یکی از چندین منبع مانند اقیانوس ها، دریاچه ها یا رودخانه ها تامین شود.

راکتورهای کوچک مدولار چیست؟

وزارت انرژی ایالات متحده از طراحی ، صدور گواهینامه و تجاری سازی راکتورهای مدولار کوچک (SMR) پشتیبانی می کند . اندازه SMR ها تقریباً یک سوم راکتورهایی است که در ایالات متحده کار می کنند و در حال ساخت هستند. SMR ها دارای طرح های ساده و جمع و جوری هستند که می توانند در یک کارخانه جمع شوند و با قطار یا کامیون به محل نیروگاه منتقل شوند. اندازه و سادگی SMR ها می تواند زمان ساخت نیروگاه هسته ای جدید را کاهش دهد.

دریافت (تولید) اورانیوم
ایالات متحده بیشتر اورانیوم مورد استفاده خود را به عنوان سوخت وارد می کند

اورانیوم سوختی است که بیشتر مورد استفاده نیروگاه های هسته ای برای شکافت هسته ای قرار می گیرد. اورانیوم یک فلز رایج است که در سنگ های سراسر جهان یافت می شود. اورانیوم در ترکیب با مقادیر کمی از عناصر دیگر ظاهر می شود. ذخایر اورانیوم قابل بازیافت اقتصادی در غرب ایالات متحده، استرالیا، کانادا، آسیای میانه، آفریقا و آمریکای جنوبی وجود دارد.

مالکان و گردانندگان راکتورهای انرژی هسته ای ایالات متحده معادل 40 میلیون پوند اورانیوم در سال 2018 خریداری کرده اند. حدود 10٪ از خرید اورانیوم در سال 2018 از تامین کنندگان آمریکایی بوده است و 90٪ از کشورهای دیگر بوده است.

  • منابع و سهام کل خرید اورانیوم در آمریکا در سال 2018 بوده است
  • کانادا 24٪
  • قزاقستان 20٪
  • استرالیا 18٪
  • روسیه 13٪
  • تامین کنندگان آمریکایی 10٪
  • ازبکستان 6٪
  • نامیبیا 5٪
  • چین، نیجر، آفریقای جنوبی و سایر کشورها 3٪
انرژی هسته ای و محیط زیست
راکتورهای هسته ای و نیروگاه های برق دارای ویژگی های ایمنی و امنیتی پیچیده ای هستند

یک واکنش هسته ای کنترل نشده در یک راکتور هسته ای می تواند منجر به آلودگی گسترده هوا و آب شود. خطر این اتفاق در نیروگاه های هسته ای در ایالات متحده به دلیل وجود موانع متنوع و زائد و سیستم های ایمنی موجود در نیروگاه های هسته ای، آموزش و مهارت اپراتورهای راکتور، فعالیت های آزمایش و نگهداری و الزامات نظارتی اندک است. و نظارت بر کمیسیون تنظیم مقررات هسته ای ایالات متحده. منطقه وسیعی در اطراف نیروگاه هسته ای توسط تیم های مسلح امنیتی محدود و محافظت می شود. راکتورهای ایالات متحده همچنین دارای شناورهای مهارکننده هستند که برای مقاومت در برابر حوادث شدید جوی و زلزله طراحی شده اند.

راکتورهای انرژی هسته ای تولید مستقیم دی اکسید کربن نمی کنند

بر خلاف نیروگاه های سوخت فسیلی، راکتورهای هسته ای هنگام کار آلودگی هوا یا دی اکسید کربن تولید نمی کنند. با این حال، فرآیندهای استخراج و تصفیه سنگ معدن اورانیوم و ساختن سوخت راکتور همگی به مقدار زیادی انرژی نیاز دارند. نیروگاه های هسته ای نیز مقادیر زیادی فلز و بتن دارند که برای تولید به انرژی زیادی احتیاج دارند. اگر از سوخت های فسیلی برای استخراج و تصفیه سنگ معدن اورانیوم استفاده شود، یا اگر هنگام ساخت نیروگاه هسته ای از سوخت های فسیلی استفاده شود، انتشار گازهای حاصل از سوزاندن این سوخت ها می تواند با برق تولیدی نیروگاه های هسته ای مرتبط باشد.

انرژی هسته ای زباله های رادیواکتیو تولید می کند

یک نگرانی مهم زیست محیطی مربوط به انرژی هسته ای ایجاد پسماندهای رادیواکتیو مانند باطله آسیاب اورانیوم، سوخت راکتور مصرف شده (استفاده شده) و سایر مواد زاید رادیواکتیو است. این مواد می توانند برای هزاران سال رادیواکتیو و برای سلامتی انسان خطرناک باقی بمانند. پسماندهای رادیواکتیو مشمول مقررات خاصی هستند که برای محافظت از سلامت انسان و محیط زیست، حمل و نقل، ذخیره سازی و دفع آنها را کنترل می کند. کمیسیون نظارت هسته ای ایالات متحده (NRC) تنظیم بهره برداری از نیروگاه های هسته ای.

 

زباله های رادیواکتیو به عنوان زباله های سطح پایین یا زباله های سطح بالا طبقه بندی می شوند. رادیواکتیویته این مواد زائد می تواند از کمی بالاتر از سطح پس زمینه طبیعی ، مانند باطله های آسیاب اورانیوم ، تا رادیواکتیویته بسیار بالاتر سوخت راکتور استفاده شده (مصرف شده) و بخشهایی از راکتورهای هسته ای باشد. رادیواکتیویته زباله های هسته ای با گذر زمان با روندی به نام پوسیدگی رادیواکتیو کاهش می یابد. به مدت زمانی که نیاز است رادیواکتیویته مواد رادیواکتیو به نصف سطح اصلی آن کاهش یابد ، نیمه عمر رادیواکتیو گفته می شود. زباله های رادیواکتیو با نیمه عمر کوتاه اغلب قبل از دفع به طور موقت ذخیره می شوند تا دوزهای احتمالی تابش به کارگرانی که زباله ها را کنترل و حمل می کنند ، کاهش یابد. این سیستم ذخیره سازی همچنین باعث کاهش سطح تابش در محل های دفع می شود.

از نظر حجم ، اکثر زباله های مربوط به صنعت انرژی هسته ای دارای سطح رادیواکتیویته نسبتاً کمی هستند. باطله های آسیاب اورانیوم حاوی عنصر رادیواکتیو رادیوم است که در تولید رادیون گاز رادیواکتیو فروپاشی می شود. بیشتر باطله های آسیاب اورانیوم در نزدیکی تاسیسات فرآوری یا آسیاب از محل تولید آنها قرار می گیرند. باطله های آسیاب اورانیوم با مانع آب بندی مواد مانند خاک رس پوشانده می شود تا از خروج رادون به جو جلوگیری کند. مانع آب بندی توسط لایه ای از خاک ، سنگها یا مواد دیگر پوشیده شده است تا از فرسایش مانع آب بندی جلوگیری کند.

انواع دیگر زباله های رادیواکتیو سطح پایین ، ابزارها ، لباس های محافظ ، پارچه های پاک کن و سایر وسایل دور ریختنی است که در تأسیسات پردازش سوخت هسته ای و نیروگاه های هسته ای با مقادیر کمی غبار رادیواکتیو یا ذرات آلوده می شوند. این مواد برای رسیدگی ، نگهداری و دفع آنها مشمول مقررات خاصی هستند بنابراین با محیط خارج تماس نخواهند داشت.

زباله های رادیواکتیو سطح بالا متشکل از سوخت راکتور هسته ای تابش شده یا مصرف شده (یعنی سوختی است که دیگر برای تولید برق مفید نیست). سوخت راكتور مصرف شده به صورت جامد است و از گلوله هاي كوچك سوخت در لوله هاي بلند فلزي به نام ميله تشكيل شده است.

ذخیره سوخت راکتور مصرف شده و از کار انداختن راکتور

مجموعه سوخت راکتور مصرف شده بسیار رادیواکتیو است و در ابتدا باید در استخرهای مخصوص آب ذخیره شود. آب سوخت را خنک می کند و به عنوان محافظ تابش عمل می کند. مجموعه های سوخت راکتور مصرف شده را می توان در ظروف ذخیره سازی خشک که به طور خاص طراحی شده اند ذخیره کرد. تعداد بیشتری از بهره برداران راکتور اکنون سوخت مصرف شده قدیمی خود را با استفاده از ظروف بتونی یا استیل مخصوص فضای باز با خنک کننده هوا در تاسیسات ذخیره سازی خشک ذخیره می کنند. در حال حاضر ایالات متحده امکان دفع دائمی زباله های هسته ای سطح بالا را ندارد.

هنگامی که راکتور هسته ای کار خود را متوقف می کند ، باید از رده خارج شود. از کار انداختن شامل حذف ایمن راکتور و کلیه تجهیزات رادیواکتیو و کاهش رادیواکتیویته تا حدی است که اجازه استفاده دیگر از دارایی را می دهد. کمیسیون تنظیم مقررات هسته ای ایالات متحده قوانین سختگیرانه ای راجع به غیرفعال شدن نیروگاه هسته ای دارد که شامل پاکسازی سیستم ها و سازه های نیروگاه آلوده به رادیواکتیو و حذف سوخت رادیواکتیو است.