معرفی برق هسته ای

رآکتور آب تحت فشار در قله ی کومانچی در تگزاس
نیروگاه هسته ای شامل رآکتورهایی می شود که شکافت واکنش زنجیره ای کنترل شده ای را ایجاد می نمایند. شایان ذکر است که شکافت واکنش زنجیره ای کنترل شده، فرآیندی است که هسته های متعلق به اتم های اورانیوم را به طور پیوسته تقسیم می نماید. این فرآیند، مقدار زیادی انرژی، تشعشع اتمی و نیز حرارت بسیار بالایی تولید می کند. نیروگاه های هسته ای، انرژی آزاد شده از طریق شکافت را تحت کنترل می گیرند و آن را به منظور استفاده برای به حرکت در آوردن ژنراتورهایی به کار می برند که برق تولید می کنند. به رغم آن که انرژی هسته ای فقط در تولید حدود 20 درصد از برق تولید شده در ایالات متحده سهم دارد، ظرفیت هسته ای این کشور، دارای بالاترین میزان (یعنی 101 گیگا وات در سال 2010) نسبت به هر کشور دیگری می باشد.
رآکتورهای هسته ای، به طور مشترک دارای اجزاء زیر می باشند:
سوخت: اورانیوم که یک ماده ی رادیواکتیو می‌باشد، رایج ترین سوخت برای رآکتورهای هسته ای به شمار می رود. در پی فرآیند غنی سازی، اورانیوم به یک سوخت بسیار غلیظ و متمرکز تبدیل می گردد.
یک رآکتور هسته ای تجاری نیازمند هزاران پوند از سوخت اورانیوم غنی شده می باشد تا به بهره برداری برسد. نیروگاه های هسته ای غیر نظامی در ایالات متحده، سالانه در حدود50 میلیون پوند سوخت اورانیوم (معادل U3O8) خریداری می نمایند که اکثریت این سوخت از خارج از کشور تأمین می گردد.
اورانیوم از مکان هایی در سرتاسر جهان - در درجه ی اول از کشورهای قزاقستان، کانادا، استرالیا و آفریقا - استخراج می شود. ایالات متحده جزء ده تولید کننده ی برتر اورانیوم می باشد.
میله‌های کنترل: در حالی که این میله ها از ماده ی جذب کننده ی نوترون، از قبیل کادمیم، هافنیم یا بور، ساخته می شوند، در قلب رآکتور نصب می گردند یا از قلب رآکتور خارج می‏شوند تا سرعت واکنش را کنترل نمایند یا در صورت لزوم، واکنش را متوقف نمایند.
تعدیل کننده: ماده‏ای در قلب رآکتور است که سرعت نوترون آزاد شده از فرآیند شکافت هسته را کاهش می دهد. بنا بر این تعدیل کننده ها منجر به شکافت بیشتری می گردند. معمولاً تعدیل کننده، آب معمولی (آب سبک) می باشد، اما می تواند آب سنگین (D20) یا گرافیت نیز باشد.
خنک کننده: مایع یا گازی است که از میان قلب رآکتور جریان می یابد تا گرما را از رآکتور منتقل نماید. در رآکتورهای آب سبک، تعدیل کننده ی آب نیز به عنوان خنک کننده ی اولیه عمل می نماید.
پوشش ایمنی: رآکتورهای هسته ای در سازه های بتنی به شدت تقویت شده قرار می گیرند تا از تراوش رادیو اکتیویته به اتمسفر جلوگیری نمایند.

فرآیند اصلی انرژی هسته ای

رشته ی فیزیک هسته ای، بسیار فنی محسوب می گردد، اما فرآیند اصلی برای تولید برق با انرژی هسته ای به شرح زیر می باشد:
قلب رآکتور، گرما و رادیواکتیویته را در فرآیندی تولید می نماید که شکافت نامیده می شود و عموماً به عنوان تقسیم اتم شناخته می شود. در داخل قلب رآکتور، سوخت هسته ای اورانیوم وجود دارد. به سبب آن که هسته های اورانیوم تقسیم می شوند، نوترون آزاد می نمایند. زمانی که نوترون ها به سایر اتم های اورانیوم ضربه وارد می کنند، آن هسته ها نیز می شکنند و تقسیم می شوند، در حالی که نوترون هایشان را آزاد می کنند و منجر به شکافت بیشتر می گردند. این تقسیم کردن اتم به صورت پیوسته، یک واکنش زنجیره ای می باشد.
گرمای حاصل از واکنش های شکافت هسته ای برای تولید بخار از آب، مورد استفاده قرار می گیرند. شایان ذکر است که بخار می تواند به صورت مستقیم، به عنوان مثال در رآکتور آب جوش (BWR)، تولید شود یا می تواند به صورت غیر مستقیم، به عنوان مثال در رآکتور آب تحت فشار (PWR) شامل یک ژنراتور بخار، تولید شود.
بخار، توربینی را به حرکت می اندازد که نیروی یک ژنراتور را تأمین می نماید.
این ژنراتور، نیروی الکتریسیته ای تولید می کند که در شبکه ی برق توزیع می‏شود.

انواع رآکتور هسته ای

در سراسر جهان، انواع مختلفی از رآکتورهای هسته ای، مورد استفاده قرار می گیرند. با این حال، رایج ترین شکل های آن‌ها، رآکتورهای آب تحت فشار (PWR) و رآکتورهای آب جوش (BWR) می باشند که به عنوان رآکتورهای آب سبک طبقه بندی می شوند. در ایالات متحده، رآکتورهای آب تحت فشار و رآکتورهای آب جوش، تنها دو نوع از نیروگاه های هسته ای در حال بهره برداری محسوب می گردند.
رآکتورهای آب جوش (BWR): در این نوع رآکتور، شکافت، گرمایی تولید می‏کند که آب درون قلب رآکتور را می جوشاند. بخار حاصل از آب در حال جوش، نیروی مورد نیاز توربینی را فراهم می نماید که یک ژنراتور را به منظور تولید الکتریسیته، به حرکت می اندازد. رآکتورهایی در نیروگاه های ناییشی فوکوشیما واقع در شمال شرقی کشور ژاپن که در ماه مارس سال 2011 در اثر زمین لرزه و سونامی صدمه دیدند، رآکتورهای آب جوش یا BWR بودند.
رآکتورهای آب تحت فشار (PWR): این نوع رآکتور، رایج ترین رآکتور برای تولید انرژی به شمار می رود. این رآکتور از آب به عنوان خنک کننده و تعدیل کننده استفاده می کند. شایان ذکر است که تعدیل کننده، عاملی است که به کنترل سرعت شکافت کمک می نماید. در سیستم خنک کننده ی اولیه ی بسته، آبی که به واسطه‌ی انرژی حرارتی حاصل از شکافت گرم می شود و در حالی که از میان قلب رآکتور عبور می کند، تحت فشار بالا نگه داشته می شود و از این رو آب نمی جوشد. بخار در یک حلقه ی خنک کننده‏ی ثانویه تولید می شود و این بخار برای تأمین نیروی توربینی مورد استفاده قرار می گیرد که یک ژنراتور الکتریکی را به حرکت می اندازد.
رآکتورهای تعدیل شده ی آب سنگین و CANDU: این طرح ها از آب سنگین به عنوان تعدیل کننده استفاده می نمایند. آب سنگین (با دوتریم که جای گزین دو اتم هیدروژن می‌شود) مانند تعدیل کننده، سرعت نوترون ها را در فرآیند شکافت کاهش می دهد و اجازه ی استفاده از اورانیوم طبیعی را به جای اورانیوم غنی شده به عنوان سوخت، فراهم می نماید.
رآکتور مدولار با بستر سنگ ریزه: یک رآکتور با دمای بالا می باشد که از خنک کننده ی هلیم استفاده می کند و در این نوع از رآکتورها، سوخت در اجسام کروی دارای جنس گرافیت و کاربید سیلیکون قرار می گیرند تا از مهار محصول شکافت و مقاومت در برابر فروپاشی اطمینان حاصل شود.