هیچ راهی معتبر برای تثبیت آب و هوا وجود ندارد که نقشی اساسی برای انرژی هسته ای در آن پیش بینی نشده باشد.
چهار دانشمند اقلیم که در سطح بین المللی شناخته شده اند، در ماه نوامبر 2013 این استدلال را برای همکاران محیط زیست ابراز داشتند و اظهار داشتند که انرژی هسته ای باید بخشی از راه حل جهانی برای مشکل تغییر آب و هوا باشد. ما باید میزان انتشار دی اکسید کربن (CO2) از سوخت های فسیلی را کاهش دهیم. انرژی هسته ای بهترین گزینه امروز است. این می تواند تولید برق به روشی کاملاً ایمن، اقتصادی، مداوم و مطمئن با تأمین از منابع بدون کربن دیگر مانند خورشید و باد را برانگیزد. و این فناوری از بدو تولدش در طول جنگ جهانی دوم، تاکنون در حال پیشرفت است.
تصویر: مدل مقیاسی راکتور Fermi’s CP-1 که در واقع در حیاط راکت های دانشگاه شیکاگو ساخته شده است. وزارت انرژی ایالات متحده
داستان اصلی انرژی هسته ای
انرژی هسته ای در زیر جایگاه های فوتبال در دانشگاه شیکاگو آغاز شد. در آن جا بود که در اواخر سال 1942، گروهی از دانشمندان تحت نظر انریکو فرمی اولین راکتور هسته ای را ایجاد کردند. مانند همه راکتورهای بعدی، این راکتور اتم های سوخت را به عناصر سبک تری می شکافت – که این در طی فرایندی به نام شکافت، که مقادیر زیادی انرژی، بیش از یک میلیون برابر یک واکنش شیمیایی معمولی، آزاد می کند، رخ می داد.گروه فِرمی، سوخت شکاف پذیر اورانیوم را در مجموعه ای از بلوک های گرافیت جمع کرد. این پیکر بندی، سرعت اولین نوترون های ایجاد شده در اثر شکافت را برای ادامه واکنش کاهش می داد. راکتور فرمی ثابت کرد که می توان یک واکنش زنجیره ای پایدار و در عین حال کنترل شده تولید کرد، بنابراین طلیعه دار راکتورهای بسیار بزرگ تری شد که قادر به تأمین برق شهرها و کل مناطق بودند.
تصویر: دریا سالار ریکاور در حال بازرسی از ناو آمریکایی ناوتیلوس. نیروی دریایی ایالات متحده
تا اوایل سال 1955، دریا سالار هیمن ریکوور بر ساخت و به آب اندازی موفقیت آمیز زیر دریایی ناوتیلوس نظارت داشت. برای پیش راندن کشتی، از خنک کننده آب سبک برای استخراج انرژی آزاد شده از طریق شکاف هسته ای سوخت اورانیوم بسیار غنی شده هسته آن استفاده شد. خنک کننده‌ی تحت فشار، چگالی کافی برای کاهش سرعت نوترون ها را داشت تا بتواند واکنش زنجیره ای را حفظ کند. بر اساس استفاده موفقیت آمیز از آن برای پیشرانه شناورهای زیر دریایی و سطحی، این طرح خنک کننده آب سبک تحت فشار بعداً برای انرژی هسته ای تجاری در ایالات متحده به تصویب رسید و امروزه در سراسر جهان برای تولید برق، همراه با خویشاوند نزدیکش، راکتور آب جوش سبک، مورد استفاده قرار می گیرد.
تصویر: گرمای حاصل از راکتورهای آب تحت فشار باعث ایجاد بخار در توربین های تولید کننده برق می شود. کمیسیون تنظیم مقررات هسته ای ایالات متحده ، CC BY-NC-SA
مفاهیم راکتور از آن زمان در دوره 60 ساله توسعه راکتور انرژی هسته ای، با استفاده از خنک کننده های دیگر مانند گاز، نمک مذاب و فلزات مایع از جمله سدیم و سرب، تکامل یافته اند که امکان کار در دمای بالاتر و در نتیجه چرخه های انرژی کارآمدتر را فراهم می کنند.
ذخیره سازی قابل بازیابی و نظارت، ایمن ترین روش برای ذخیره سازی پسماندهای هسته ای است.توجه زیاد به ایمنی راکتور، هزینه های ساخت و نگهداری، و کنترل سوخت استفاده شده مصرف شده، منجر به راکتورهای گسترش یافته امروزی شده است – که حدود 100 تا از آنها در ایالات متحده و بیش از 400 تا در سراسر جهان وجود دارد. آنها غالباً از نوع آب سبک طرح Nautilus هستند که از آب تحت فشار به عنوان خنک کننده استفاده می کنند تا گرمای آزاد شده توسط شکافت را گرفته و به ژنراتورهای الکتریکی منتقل کنند.
تصویر: نیروگاه هسته ای Vogtle در حال حاضر در جورجیا در دست ساخت است. کمیسیون تنظیم مقررات هسته ای، CC BY
نسل بعدی انرژی هسته ای
انرژی هسته ای توانایی تأمین برق کشورهای فاقد منابع سوخت جایگزین، کمک به تثبیت آب و هوا با تولید برق بدون انتشار CO2 ، و جایگزینی سوخت هایی را دارد که منجر به آلودگی هوا می شوند. با توجه به این مزایا، مهندسان در آزمایشگاه ها و دانشگاه های ملی و در بخش خصوصی به طور فعال در حال پیگیری نوآوری در راکتورهای انرژی هسته ای هستند.* راکتوری که فقط نیاز دارد با اورانیوم طبیعی تغذیه شود و در نتیجه - برخلاف راکتورهای اورانیوم غنی شده موجود - انرژی کامل منابع جهانی سوخت اورانیوم ما را استخراج می کند.
* راکتوری که سوخت حاصل از ضایعات سوخت راکتورهای موجود یا سوخت مصرفی بازیافتی خود را می سوزاند. راکتورهایی از این نوع، در چین و روسیه در حال کارند، در روسیه و هند در حال ساخته شدنند، و در فرانسه در حال طراحی شدنند.
هر دوی این انواع راکتورهای جدید با سدیم (یا در یک پروژه، سرب) خنک می شوند. هر دو عنصر به طور قابل ملاحظه ای سرعت نوترون ها را کاهش نمی دهند زیرا از وزن اتمی بالاتری نسبت به ترکیب هیدروژن و اکسیژن آب برخوردار هستند. آنها را به طور مناسب راکتورهای سریع می نامند که این به سرعت نوترون ها اشاره دارد. سرعت بالاتر باعث می شود تا فعل و انفعالات نوترونی با مواد سوختی - هم اورانیوم طبیعی و هم ترا اورانیوم های وزن اتمی بالاتر - بتوانند مقدار کامل انرژی اورانیوم را استخراج کرده و سوخت مصرف شده را بسوزانند.
تصویر: طرح راکتور بستر سنگ ریزه English svg. پیکوتراوات
* یک راکتور با درجه حرارت بالا، راکتور گاز بیناب حرارتی با خنک کننده هلیوم که در ایالات متحده پیشگام شد، و اکنون در چین در دست ساخت است. این راکتور از سوختی استفاده می کند که درون گلوله های گرافیتی به اندازه توپ بیلیارد قرار دارند، و همین وجه تسمیه آن به عنوان "نوع راکتور بستر سنگریزه" است. در چنان دمای بالایی کار می کند که می تواند نیاز موجود به گاز طبیعی را جبران کند (که برای چندین فرآیند شیمیایی از آن استفاده می شود) و همچنین یک تولید کننده کارآمد هیدروژن، سوخت قرن 21، است.
* یک راکتور دمای بالای بیناب حرارتی دیگر که از همان نوع سوخت اورانیوم به شکل توپ های گرافیتی، استفاده می کند اما از یک ماده خنک کننده نمک فلوراید مذاب که دارای وزن اتمی کم است در آن استفاده می شود. از همه مهمتر این که خصوصیات نمک فلوراید اجازه می دهد تا در دمای بسیار بالا، الکتریسیته بدون فشار خنک کننده یا جوش زیاد تولید شود، بنابراین می توان از ساختارهای دیواره ای نازک که با هزینه سرمایه ای کم همراه هستند استفاده کرد.
هر یک از این چهار نوع راکتور، تحویل ایمن، اقتصادی و بی خطر انرژی هسته ای را افزایش می دهد.
تصویر: گلوله های سوخت هسته ای ساخته شده از اورانیوم فرآوری شده. کمیسیون تنظیم مقررات هسته ای ، CC BY
افزایش ایمنی در راکتورهای امروزی
اما برای دستیابی به مقبولیت صنعتی و تجاری، این مفاهیم جدید باید به بهبود عملکرد و هزینه و ایمنی نیز دست پیدا کنند. بنابراین همچنین نیروگاه های هسته ای پیشرفته اکنون در سراسر جهان باید بر اساس فناوری ثابت شده راکتور آب سبک مستقر شوند تا جایگزین ناوگان موجود راکتورهای فعال شوند.هیچ مرگی به دلیل بهره برداری از یک نیروگاه هسته ای تجاری در ایالات متحده برای هیچ یک از مردم رخ نداده است.چنین دستاوردهای ایمنی اکنون بیشتر از طریق پذیرش سیستم های ایمنی راکتور تحت قوانین طبیعی مانند جاذبه و گردش طبیعی حاصل می شود تا وابستگی به توان الکتریکی تولید شده فعال. این سیستم های ایمنی خنک کننده اضطراری می توانند به طور خودکار خنک کننده مورد نیاز را برای جلوگیری از آسیب هسته ای را توسط جریان جاذبه، بدون نیاز به عملگر، تحویل دهند.
رویکردهایی برای کاهش هزینه های راکتور از طریق نوآوری در تکنیک های ساخت که هم هزینه های سرمایه ای و هم زمان نصب را کاهش می دهند، حاصل می شود.
نیازهای انرژی جهان زیاد و رو به رشد است. 1.2 میلیارد نفری که حتی به برق دسترسی ندارند، توانایی بهبود کیفیت زندگی خود را ندارند. انرژی هسته ای منبعی مقیاس پذیر و تمیز از انرژی ایمن و قابل اطمینان را فراهم می کند که با سایر منابع انرژی پاک می تواند نیازهای جهان را به صورت پایدار تأمین نماید.
استفاده علیرغم ریسک
تصویر: هنوز هم در حال کار: عملیات نیروگاه های هسته ای موجود در آمریکا بسیار فراتر از عمر مورد انتظار برای آنها در حال تداوم است. جیمز ماروین فلپس / فلیکر ، CC BY-NC
انرژی هسته ای انرژی‌ای است که احتمالاً کمترین درک از آن در ایالات متحده وجود دارد. فقط 99 نیروگاه هسته ای که در 30 ایالت گسترش یافته اند، یک پنجم برق آمریکا را تأمین می کنند. این کارخانجات برای دهه ها انرژی قابل اعتماد، مقرون به صرفه و تمیز را ارائه داده اند. آنها همچنین خطراتی را به همراه دارند - برای عموم، برای محیط زیست و برای توانایی پرداخت بدهی مالی شرکت ها.
ریسک، محصولِ احتمال وقوع یک حادثه و پیامدهای آن است. احتمال مرگ در یک تصادف رانندگی در واقع در مقایسه با سایر حوادث روزانه بسیار زیاد است، اما چنین تصادفاتی معمولاً تعداد افراد کمی را به طور همزمان درگیر می کنند و بنابراین خطر کم است. دلیل این که انرژی هسته ای توجه زیادی را به خود جلب می کند این است که گرچه احتمال یک واقعه فاجعه بار بسیار کم است، اما نتیجه آن اغلب بسیار وخیم است.
انرژی هسته ای و ریسک عمومی
در ایالات متحده، نیروگاه های هسته ای تجاری از اواخر دهه 1960 در حال فعالیت بوده اند. اگر سال های بهره برداری از نیروگاه ها را جمع کنید و بر تعداد آنها تقسیم کنید، متوجه می شوید که به طور متوسط هر کدام حدود 30 سال است در حال کار هستند که مجموعاً حدود 3000 سال تجربه کار با راکتورها می شود. هیچ مرگی به دلیل بهره برداری از یک نیروگاه هسته ای تجاری در ایالات متحده برای هیچ یک از مردم رخ نداده است. به این ترتیب ریسک امریکا از نظر تلفات انسانی در این رابطه، تا حد هیچ، پایین است.با توجه به این که نیروگاه های هسته ای با شتاب تمام در حال کار هستند، آنها دارای سابقه ایمنی انرژی هسته ای قابل ستایشی هستند. فاکتور ظرفیت متوسط این نیروگاه ها بیش از 90٪ است. این بدان معناست که 99 نیروگاه در بیش از 90٪ از زمانشان تولید برق کاملی دارند.
اگر این را با هر شکل دیگری از تولید انرژی مقایسه کنید، یک شکاف بزرگ مشاهده خواهد شد. ذغال سنگ یکی از پایه های اصلی تولید برق در امریکاست و فاکتور ظرفیت آن در حدود 65 درصد است. فاکتور ظرفیت گاز تقریباً همین قدر است. فاکتور ظرفیت باد در حدود 30٪ و انرژی خورشیدی در حدود 25٪ است.
در حالی که احتمال وقوع یک فاجعه هسته ای بسیار کم است، اما این تنها بخشی از محاسبه ریسک است. قسمت دیگر خطر، نتیجه آن است. جهان شاهد سه حادثه مهم تولید انرژی هسته ای بوده است: جزیره سه مایلی (Three Mile Island) در 1979، چرنوبیل در 1986 و فوکوشیما در 2011. از نظر دانش ما، جزیره سه مایلی، هرچند بسیار وحشتناک بود، اما هیچ عواقب سلامتی برای مردم در بر نداشت.
چرنوبیل یک فاجعه شدید بود که در آن مخزن راکتور - مکانی که سوخت هسته ای تولید گرما می کند - پاره شد و کند کننده گرافیتی نوترون ها در راکتور مشتعل شد و باعث آتش سوزی در فضای باز و انتشار زیاد مواد رادیواکتیو شد. این طرح راکتور هرگز مجوز فعالیت در دنیای غرب را نداشت زیرا فاقد مهار لازم بود.
اجماع علمی در مورد اثرات این فاجعه که توسط کمیته علمی ملل متحد در مورد اثرات تشعشعات اتمی (UNSCEAR) ایجاد شده است، 66 مورد مرگ و میر ناشی از سانحه، مسمومیت با اشعه حاد و مواردی از سرطان تیروئید را شناسایی کرده است. مرگ های اضافی ممکن است در طول زمان اتفاق بیفتد، زیرا درک علل مرگ یک فرآیند آماری است تا یک فرایند قطعی. علیرغم این که مقامات محلی برای ساعات زیادی به جوامع همسایه محل حادثه، هشدار ندادند، با توجه به این آمار، عواقب طولانی مدت سلامتی آن حادثه راکتور به طرز شگفت آوری ناچیز است.
انرژی هسته ای توانایی تأمین برق کشورهای فاقد منابع سوخت جایگزین، کمک به تثبیت آب و هوا با تولید برق بدون انتشار CO2 ، و جایگزینی سوخت هایی را دارد که منجر به آلودگی هوا می شوند.و سپس فوکوشیما دایچی بود. حداقل سه تا از راکتورها متحمل آسیب به هسته شدند و به طور بالقوه آسیب به رآکتور نیز وارد شد. تاکنون، هیچ مرگی به انتشار تابش در فوکوشیما نسبت داده نشده است، اما تخمین زده می شود 1600 نفر در نتیجه تخلیه جان خود را از دست داده باشند و به طور گسترده ای آلودگی زمین وجود داشته است.
بنابراین اگر با هم به این موارد نگاه کنید، در چرنوبیل، یک هسته راکتور آتش گرفت و رو به هوا باز شد. در فوکوشیما، سه راکتور در حین کار کامل قدرت خود را از دست داده و خسارات اساسی را متحمل شدند، و در نتیجه، این امر منجر به انتشار رادیواکتیویته قابل توجهی در یکی از پرجمعیت ترین کشورهای جهان شد.
این سانحه ها، عواقب جدی و پایداری به همراه داشت که قابل اغماض نیستند، اما عواقب، در حد آن چیزی نیست که در 50 سال گذشته در فیلم ها از آن ترسانده و بزرگ شده است. آن چه در این مدت در باره خطر عمومی آموخته ایم این است که کابوس های پیش بینی شده ناشی از حوادث هسته ای، حتی در تصادفات جدی، به سادگی، عملی نشده اند. و به طور همزمان، ما به عنوان یک جامعه، پذیرفته ایم که کنار بیاییم با - یا حداقل نگاهی به گونه ای دیگر داشته باشیم به - هزاران مرگ ناشی از ترافیک یا ذغال سنگ در هر سال که فقط در ایالات متحده حادث می شود.
مهار زباله: خطر و ذخیره سازی
تولید انرژی به هر شکلی محیط را تغییر می دهد. ذغال سنگ و گاز طبیعی، ذرات معلق و گازهای گلخانه ای و موارد مشابه را تولید می کند. در سال 2012، کارخانه های تولید زغال سنگ در ایالات متحده 110 میلیون تن خاکستر زغال سنگ تولید کردند. زباله های هسته ای ایجاد شده توسط تولید برق به شکل جامد است و حجم آن در مقایسه بسیار کوچک است، اما بسیار سمی است. حتی تولید انرژی باد و خورشیدی نیز زباله ایجاد می کند.سوخت برای نیروگاه های هسته ای به صورت مجموعه ها یا بسته های سوختی است که هر یک حاوی لوله های آلیاژ زیرکونیوم است که هر کدام صدها گلوله سرامیکی اکسید اورانیوم را در خود جای می دهند.
قبل از این که هر مجموعه سوخت برداشته شود چهار تا پنج سال برق تأمین می کند. پس از برداشتن، سوخت، زائد تلقی می شود و باید به گونه ای امن ذخیره شود، زیرا سطح سمیت رادیویی آن بسیار بالاست. بدون پردازش، حدود 300000 سال طول می کشد تا سطح تابش زباله های داخل یک مجموعه به سطح پس زمینه برگردد، که در آن زمان خوش خیم خواهد
بود.
تصویر: بشکه های عمودی زباله های هسته ای تحت نظارت هستند. کمیسیون تنظیم مقررات هسته ای ایالات متحده
به دلیل لغو سایت کوه یوکا در نوادا، مکانی برای ذخیره سازی طولانی مدت زباله های هسته ای در ایالات متحده تعیین نشده است و شرکت های آب و برق به ساخت انبار در محل کارخانه های خود متوسل شده اند. این ظروف ذخیره سازی به صورت دائمی طراحی نشده اند و کمیسیون تنظیم مقررات هسته ای (NRC) اکنون به این امکانات موقت فقط تا 100 سال مجوز می دهد.
هنگام بسته شدن پروژه کوه یوکا بسیاری شادی می کردند، اما زباله ها همچنان باید ذخیره شوند و به وضوح ذخیره زباله در یک مخزن ثابت و دائمی (مثل کوه یوکا) نسبت به 99 سازه جداگانه و موقتی (مربوط به نیروگاه های هسته ای امریکا) ایمن تر است.
ذخیره سازی قابل بازیابی و نظارت، ایمن ترین روش برای ذخیره سازی پسماندهای هسته ای است. می توان سایت های زباله را متمرکز کرد و به طور مداوم تحت نظارت قرار داد و به گونه ای ساخت که در صورت بهبود فناوری ذخیره سازی، یا اگر پردازش مجدد آینده زباله اقتصادی شود، بازیابی باقیمانده اورانیوم و پلوتونیوم تولید شده در حین کار، ممکن باشد.
انرژی هسته ای باید بخشی از راه حل جهانی برای مشکل تغییر آب و هوا باشد.اگر بخواهیم از انرژی هسته ای حتی با سرعت فعلی استفاده کنیم، خطرات مربوط به پسماند هر ساله افزایش می یابد تا زمانی که کار ذخیره سازی با دقت و به طور کامل انجام شود.
زیرساخت: همان نیروگاه، اما قرنی متفاوت
در سپیده دم انرژی هسته ای تجاری، چشم انداز انرژی ارزان و فراوان پیش بینی می کرد که انرژی هسته ای، در سنجش، بسیار ارزان باشد. اما با تکامل طرح های نیروگاه ها، مشخص شد که اطمینان از ایمنی باعث افزایش هزینه انرژی تولید شده می شود.هر حادثه چیزی را به ما آموخت و با هر حادثه NRC مجموعه جدیدی از مقررات را ارائه داد، در نتیجه سیستم نیروگاه ها در مقایسه با چند دهه پیش بسیار ایمن تر شده است. چنین نظارت دقیقی، اگرچه مورد نیاز است، هزینه ها را افزایش می دهد و این بدین معنی است که شرکت های بزرگ با هر نیروگاه هسته ای که ایجاد می کنند، از نظر مالی ریسک قابل توجهی را متحمل می شوند.
دهه ها پیش، ایده اعطای مجوز 20 ساله NRC به نیروگاه های برق، و امکان دست یابی به این مجوز، غیر متعارف بود. امروزه 75٪ از نیروگاه ها، آن را دریافت کرده اند. اکنون در مورد دور دوم تمدید مجوز صحبت شده است وNRC ، وزارت انرژی ایالات متحده و صنعت مشغول صحبت در مورد آنچه برای به دست آوردن دور سوم نیاز است، هستند. ما در حال صحبت کردن در مورد 80 یا حتی 100 سال بهره برداری هستیم، در این صورت یک نیروگاه بیش از طول عمر جمعیت کره زمین در زمان ساخت آن، زندگی می کند.
تصویر: نیروگاه ایندیَن پوینت، در حدود 50 مایلی شهر نیویورک، به دنبال تمدید پروانه بهره برداری خود برای 20 سال دیگر است. تونی فیشر / فلیکر ، CC BY
در کوتاه مدت، طولانی کردن حیات نیروگاه ها منطقی است. بیشتر نیروگاه ها در ایالات متحده کارخانجاتی از نسل 2 هستند، اما در سراسر جهان نسل 3 در حال ساخت است. نیروگاه های نسل 2 بسیار مقاوم هستند و کارخانه های موجود کاملاً اقتصادی هستند. کارخانه های نسل 3، مانند Vogtle که اکنون در جورجیا ساخته می شود، دارای سیستم های ایمنی بهتر، اجزای ساختاری بهتر و طراحی بهتر هستند.
آیا باید ترجیح دهیم یکی از آنها را داشته باشیم یا آنهایی را که الان داریم ترجیح دهیم؟ صددرصد مورد اول باید انتخاب شود. خطر بهره برداری از چنین تأسیساتی به سادگی کمتر است. ساخت نیروگاه های نسل 3 با 5/4 تا 10 میلیارد دلار آمریکا بسیار گران است، اما یا باید این هزینه سرمایه گذاری را بپذیریم یا منبع برق دیگری را پیدا کنیم که دارای تمام مزایای انرژی هسته ای باشد.
منبع: نِیل تودریاس، گرِی واس، Massachusetts Institute of Technology، University of Michigan
