تکامل راکتورهای هسته‌ای از گذشته تا به امروز

عصرایران؛ محمد مهدی حیدرپور - چهار دانشمند برجسته علوم آب و هوایی در نوامبر 2013 به این نکته اشاره داشتند که انرژی هسته ای باید بخشی از راه حل مقابله با تغییرات اقلیمی جهانی باشد. ما نیازمند کاهش انتشار دی اکسید کربن از سوخت های فسیلی هستیم و انرژی هسته ای می تواند یکی از بهترین گزینه های امروز باشد. این انرژی به شیوه ای امن، اقتصادی، مستمر و ایمن با پشتیبانی منابع انرژی پاک دیگر مانند انرژی های خورشیدی و بادی می تواند برق مورد نیاز مردم را تامین کند. این فناوری از زمان تولد خود طی جنگ جهانی دوم تا به امروز تحول و تکامل مداوم را شاهد بوده است.

به گزارش "گروه علم و فناوری" عصرایران، انرژی هسته ای حیات خود را در دانشگاه شیکاگو آغاز کرد. در اواخر سال 1942، گروهی از دانشمندان تحت رهبری "انریکو فرمی" نخستین راکتور هسته ای را در دانشگاه شیکاگو راه اندازی کردند. همانند تمامی راکتورهایی که پس از آن ساخته شدند، راکتور هسته ای دانشگاه شیکاگو اتم های سوخت را به عناصر سبکتر تقسیم می کرد - فرآیندی که به نام شکافت شناخته می شود و مقادیر قابل توجه انرژی، بیش از یک میلیون برابر بزرگتر از یک واکنش شیمیایی عادی، آزاد می کند.

تیم انریکو فرمی سوخت اورانیوم شکافت‌پذیر را در آرایه ای از بلوک های گرافیت سرهم کردند. این پیکربندی سرعت نخستین نوترون های ایجاد شده توسط شکافت را به میزان کافی برای ادامه واکنش کاهش می داد. راکتور فرمی ثابت کرد که امکان شکل گیری یک زنجیره واکنش پایدار و کنترل شده وجود دارد و از این رو مسیر برای ساخت راکتورهای بزرگتر که توانایی تامین نیروی برق شهرها و کل یک منطقه را داشتند، هموار شد.

در اوایل سال 1955، دریاسالار "هایمن ریکوور" بر ساخت و به آب انداختن موفق زیردریایی ناتیلوس نظارت داشت. این زیردریایی از ماده خنک کننده آب سبک برای استخراج انرژی آزاد شده به واسطه فرآیند شکافت از هسته سوخت اورانیومی بسیار غنی شده خود استفاده می کرد. ماده خنک کننده تحت فشار از تراکم کافی برای کند کردن نوترون ها به منظور حفظ پایدار رنجیره واکنش برخوردار بود.

بر مبنای استفاده موفقیت آمیز برای زیردریایی ها و کشتی های نیروی دریایی، این طراحی ماده خنک کننده آب سبک تحت فشار برای ساخت نیروگاه های هسته ای تجاری در آمریکا مورد استفاده قرار گرفت و امروزه در سطح جهانی برای تولید برق به همراه خویشاوند نزدیک خود یعنی راکتور آب سبک جوشان مورد استفاده قرار می گیرد.

طرح های مفهومی راکتور از آن زمان و طی دوره زمانی 60 ساله توسعه راکتور هسته ای تاکنون تکامل یافته اند و از مواد خنک کننده دیگر مانند گاز، نمک گداخته و فلزات مایع از جمله سدیم و سرب که امکان انجام عملیات در دماهای بالا و در نتیجه چرخه های نیرو کارآمدتر را می دهند، استفاده می شود.

توجه جدی و گسترده به ایمنی راکتور، روند ساخت و ساز و هزینه های تعمیر و نگهداری، و کنترل سوخت مصرف شده به استقرار گسترده نیروگاه های هسته ای - حدود 100 نیروگاه در آمریکا و بیش از 400 نیروگاه در سراس جهان - منجر شده است. آنها نمونه های از نوع راکتور آب سبک طراحی ناتیلوس هستند که از آب تحت فشار به عنوان ماده خنک کننده برای دریافت گرمای آزاد شده توسط فرآیند شکافت و انتقال آن به ژنراتورهای الکتریکی استفاده می کنند.

نسل بعدی نیروگاه ها

انرژی هسته ای از پتانسیل تامین برق کشورها بدون منابع سوخت جایگزین، کمک به ثبات آب و هوا از طریق تولید برق بدون انتشار دی اکسید کربن، و جایگزینی سوخت هایی که به آلودگی هوا منجر می شوند، برخوردار است. با توجه به این مزایا، مهندسان در آزمایشگاه های ملی و دانشگاه ها و همچنین در بخش خصوصی به طور فعال در پی نوآوری در راکتورهای هسته ای هستند. بر همین اساس طراحی نسل جدید نیروگاه های هسته ای دنبال می شود.

- راکتوری که نیازمند تغذیه تنها با اورانیوم طبیعی است و در نتیجه بر خلاف راکتورهای اورانیوم غنی شده موجود انرژی کامل را از سوخت اورانیوم استخراج می کند.

- راکتوری که سوخت ساخته شده از زباله سوخت راکتورهای موجود یا بازیافت سوخت مصرف شده خود را استفاده می کند. راکتورهایی از این نوع در چین و روسیه فعال هستند، در روسیه و هند در حال ساخت هستند و در فرانسه طراحی می شوند.

این دو نوع راکتور جدید با سدیم (یا در یک پروژه با سرب) خنک می شوند. هر دو عنصر به طور قابل توجه حرکت نوترون ها را کند نمی کنند زیرا از وزن اتمی (جرم اتمی) بالاتری نسبت به ترکیب هیدروژن-اکسیژن آب برخوردار هستند. این نوع را راکتورهای سریع نامیده اند که به سرعت نوترون ها اشاره دارد. سرعت بالاتر به نوترون ها اجازه واکنش با مواد سوخت - اورانیوم طبیعی و عناصر با وزن اتمی بالاتر - به منظور استخراج انرژی کامل از اورانیوم و سوختن سوخت مصرف شده را می دهد.

- راکتوری با درجه حرارت بالا در حال حاضر روند ساخت و ساز خود در چین را دنبال می کند. این راکتور از سوخت قرار گرفته در توپ های گرافیتی بهره می برد. این سوخت در چنان حرارت بالایی فعالیت می کند که می تواند نیاز موجود به گاز طبیعی (برای فرآیندهای شیمیایی مختلف استفاده می شود) را برطرف کرده و همچنین یک تولیدکننده کارآمد هیدروژن باشد.

- یک راکتور حرارت بالای دیگر که از سوخت اورانیوم مشابه در توپ های گرافیتی استفاده می کند اما از خنک کننده نمک فلوراید گداخته بهره می برد. ویژگی های نمک فلوراید اجازه انجام عملیات در حرارت های بالا به منظور تولید برق بدون فشار خنک کننده بالا یا جوشش را می دهد. از این رو امکان بکارگیری ساختارهای جداره نازک با هزینه سرمایه ای پایین فراهم می شود.

هر یک از چهار نوع راکتوری که به آنها اشاره شد ارائه امن، اقتصادی و ایمن نیروی هسته ای را بهبود خواهند بخشید.

افزایش ایمنی در راکتورها

برای دستیابی به پذیرش صنعتی و تجاری، این طرح های مفهومی جدید از نیروگاه های هسته ای نیز نیازمند افزایش در هزینه و ایمنی عملکرد هستند.

دستیابی به کاهش هزینه های راکتور از طریق نوآوری ها در تکنیک های ساخت و ساز که هم هزینه های سرمایه های و هم زمان ساخت را کاهش می دهند، امکان پذیر شده است. انرژی مورد نیاز جهان عظیم و رو به افزایش است. برق گزینه ای کلیدی برای بهبود کیفیت زندگی انسان محسوب می شود و انرژی هسته ای منبع پاک از نیروی امن و قابل اعتماد است که به همراه منابع پاک دیگر می تواند نیازهای انرژی جهان را به شیوه ای پایدار تامین کند.

برای خواندن مطالب بیشتر در زمینه علم و فناوری به اینجا مراجعه کنید.

تماشاخانه

قهوه ترک یا اسپرسو کدام برنده واقعی هستند؟ دو سبک، دو تجربه (فیلم)

آنچه از بم برجای ماند / ۲۱ سال بعد، هنوز برخی زخم‌ها باز هستند (فیلم)

فیلم های دیگر