نیروگاه هسته‌ ای چگونه برق تولید می‌کند؟

نیروگاه هسته‌ ای برخلاف تصور رایج، برق را مستقیماً از واکنش هسته‌ای تولید نمی‌کند. در واقع شکافت هسته‌ای تنها گرمای بسیار زیادی ایجاد می‌کند و این گرما با تبدیل آب به بخار، توربین را به حرکت درمی‌آورد تا ژنراتور برق تولید کند. به بیان دیگر، تفاوت اصلی نیروگاه هسته‌ای با نیروگاه‌های حرارتی در منبع تولید گرماست، نه در شیوه تولید برق. در ادامه با مراحل تولید برق از اورانیوم، نحوه کنترل واکنش زنجیره‌ای، نقش آب سبک و آب سنگین و مزایا و چالش‌های این فناوری آشنا می‌شوید.

برق هسته‌ای چگونه تولید می‌شود؟

به گزارش خبر محور به نقل از عصرایران؛ وقتی صحبت از نیروگاه هسته ای می شود، بسیاری تصور می کنند برق به طور مستقیم از واکنش های هسته ای تولید می شود. اما واقعیت این است که اصل فرآیند تولید برق در یک نیروگاه هسته ای تفاوت زیادی با نیروگاه های زغال سنگ، گازسوز یا حتی برخی نیروگاه های خورشیدی حرارتی ندارد. در همه آن ها در نهایت یک توربین به حرکت درمی آید و یک ژنراتور برق تولید می کند. تفاوت اصلی فقط در منبع تولید گرما است.

همه چیز از شکافت هسته ای آغاز می شود

سوخت اصلی بیشتر نیروگاه های هسته ای، اورانیوم است. البته همه انواع اورانیوم برای تولید انرژی مناسب نیستند. ایزوتوپ اورانیوم 235 قابلیت شکافت دارد و زمانی که یک نوترون به هسته آن برخورد می کند، هسته به 2 بخش کوچک تر تقسیم می شود.

در جریان این شکافت، مقدار بسیار زیادی انرژی به صورت گرما آزاد می شود. علاوه بر آن، چند نوترون جدید نیز تولید می شوند که می توانند با برخورد به هسته های دیگر، واکنش های بیشتری ایجاد کنند. به این فرآیند، واکنش زنجیره ای گفته می شود.

واکنش زنجیره ای چگونه کنترل می شود؟

اگر این واکنش بدون کنترل ادامه پیدا کند، میزان انرژی تولید شده به سرعت افزایش می یابد. به همین دلیل در قلب راکتور از میله های کنترل استفاده می شود.

این میله ها که معمولا از موادی مانند بور یا کادمیوم ساخته می شوند، بخشی از نوترون های آزاد شده را جذب می کنند و سرعت واکنش زنجیره ای را در محدوده ای ایمن نگه می دارند. اپراتورهای نیروگاه با بالا و پایین بردن این میله ها می توانند میزان تولید انرژی را تنظیم یا در شرایط اضطراری، راکتور را خاموش کنند.

نقش آب در نیروگاه هسته ای چیست؟

گرمای حاصل از شکافت هسته ای باید به نوعی به برق تبدیل شود. برای این کار، آب اطراف قلب راکتور گرما را جذب می کند و به بخار با دمای بالا تبدیل می شود.

این بخار با فشار زیاد وارد توربین می شود و پره های آن را به چرخش درمی آورد. توربین نیز ژنراتور را می چرخاند و در نتیجه انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی تبدیل می شود.

به همین دلیل است که در بیشتر نیروگاه های هسته ای، برج های خنک کننده بزرگ دیده می شوند. بخار پس از عبور از توربین دوباره سرد شده، به آب تبدیل می شود و وارد چرخه تولید بخار خواهد شد.

آب سبک و آب سنگین چه تفاوتی دارند؟

یکی از تفاوت های مهم میان انواع نیروگاه های هسته ای، نوع ماده ای است که برای کند کردن نوترون ها و انتقال گرما استفاده می شود.

در بسیاری از نیروگاه های جهان از آب معمولی یا همان آب سبک استفاده می شود. اما برخی راکتورها نیز از آب سنگین بهره می برند. آب سنگین حاوی نوع متفاوتی از هیدروژن است و می تواند نوترون ها را با جذب کمتر، بهتر کند کند. همین ویژگی باعث می شود بعضی راکتورهای آب سنگین بتوانند از اورانیوم طبیعی یا با غنی سازی بسیار کم استفاده کنند.

غنی سازی اورانیوم به چه معنا است؟

اورانیوم استخراج شده از معادن، مقدار کمی از ایزوتوپ اورانیوم 235 را در خود دارد. برای استفاده در بسیاری از نیروگاه های هسته ای لازم است درصد این ایزوتوپ افزایش پیدا کند. به این فرآیند غنی سازی اورانیوم گفته می شود.

در نیروگاه های تولید برق، غلظت اورانیوم 235 معمولا بین 3 تا 5 درصد است که با غنی سازی مورد استفاده قرار می گیرد. این مقدار با غنای بسیار بالاتر مورد نیاز برای کاربردهای نظامی تفاوت قابل توجهی دارد.

آیا نیروگاه هسته ای فقط گرما تولید می کند؟

از نظر عملکرد، پاسخ مثبت است. راکتور هسته ای در واقع یک منبع بسیار قدرتمند تولید گرما است. این گرما آب را به بخار تبدیل می کند و بخار نیز توربین را به حرکت درمی آورد. بنابراین برق در ژنراتور تولید می شود، نه در خود راکتور.

به همین دلیل اگر از بخش تولید گرما صرف نظر کنیم، بسیاری از تجهیزات یک نیروگاه هسته ای با نیروگاه های حرارتی شباهت زیادی دارند.

مزایای تولید برق با انرژی هسته ای

یکی از مهم ترین مزیت های انرژی هسته ای، چگالی بسیار بالای انرژی آن است. مقدار کمی سوخت هسته ای می تواند انرژی بسیار بیشتری نسبت به سوخت های فسیلی تولید کند.

از سوی دیگر، نیروگاه های هسته ای هنگام تولید برق، دی اکسید کربن بسیار کمتری نسبت به نیروگاه های زغال سنگ یا نفتی منتشر می کنند. به همین دلیل بسیاری از کشورها از انرژی هسته ای به عنوان یکی از راهکارهای کاهش انتشار گازهای گلخانه ای استفاده می کنند.

چالش های نیروگاه های هسته ای

در کنار مزایا، نیروگاه های هسته ای با چالش هایی نیز روبرو هستند. مدیریت پسماندهای رادیواکتیو، هزینه بالای ساخت نیروگاه، الزامات ایمنی و نگهداری طولانی مدت از جمله مهم ترین آن ها هستند.

به نظر شما سرمایه‌گذاری روی نیروگاه هسته‌ای مهم‌تر است یا توسعه انرژی خورشیدی و بادی؟

اخبار لحظه ای را در شبکه های اجتماعی خبر محور بخوانید. 

بله | ایتا | روبیکا | سروش پلاس | تلگرام | اینستاگرام | آپارات