انرژی هسته ای
انرژی هسته ای چیست؟
انرژی اتمی یا انرژی هسته‌ای عبارت است از استفاده فرایندهای هسته‌ای حرارت‌زا برای ایجاد گرما و الکتریسیته ی مفید. این واژه شامل شکافت هسته‌ای، پرتوزایی و همجوشی هسته‌ای می‌باشد. امروزه، شکافت هسته‌ای عناصر دستهٔ آکتینیدها در جدول تناوبی اکثریت قریب به اتفاق انرژی هسته‌ای مورد نیاز بشر را با استفاده از فرایندهای پرتوزایی تولید می‌کند، که در درجهٔ اول به شکل انرژی زمین گرمایی و مولد گرما-الکتریکی ایزوتوپی نیاز انسان را برطرف می‌سازد. نیروگاه‌های هسته‌ای، جدا از سهمی که در تأمین رآکتورهای شکافت هسته‌ای نیروهای دریایی دارند، حدود ۵٫۷ درصد انرژی جهان و ۱۳ درصد الکتریسیته جهان را در سال ۲۰۱۲ تأمین می‌کردند.
در سال ۲۰۱۳، آژانس بین‌المللی انرژی اتمی گزارش داد که ۴۳۷ رآکتور هسته‌ای فعال در ۳۱ کشور وجود دارد اگرچه تمام رآکتورها الکتریسیته تولید نمی‌کنند. به علاوه، تقریباً ۱۴۰ کشتی دریایی وجود دارد که با استفاده از حدوداً ۱۸۰ رآکتور، نیرو محرکهٔ هسته‌ای آنان را تأمین می‌کنند. پس از ۲۰۱۳، رسیدن به افزوده خالص انرژی به وسیلهٔ همجوشی هسته‌ای پایدار، به استثنای منابع انرژی همجوشی مانند خورشید، فضایی مداومی برای تحقیقات فیزیکی و مهندسی ایجاد کرده‌است. انرژی هسته‌ای نوعی انرژی است که توسطواپاشی هسته‌ای، شکافت هسته‌ای، یا گداخت هسته‌ای تولید شده و اساس آن را می‌توان با معادلهٔ ΔE = Δm.c² توصیف کرد.
در هر اتمی، ذراتی از انرژی نهفته که اجزای مختلف اتم نیز به وسیلهٔ همان بهم پیوند یافته‌است لذا هسته اتم منبعی از انرژی به‌شمار می‌رود که با شکافت اتم این انرژی رها می‌شود. انرژی نهفته در هسته اتم‌های برخی از عناصر (مانند اورانیوم) می‌تواند با آزاد شدن، همان کاری را بکند که سوزاندن مقدار زیادی نفت و گاز انجام می‌دهد که البته سوزاندن نفت و گاز، مشکلات زیست‌محیطی ایجاد کرده و مقدار زیادی گاز گلخانه‌ای تولید می‌کند.
مذاکرات انرژی هسته‌ای به‌طور مداوم وجود دارد. حامیانی چون سازمان هسته‌ای جهانی، آژانس بین‌المللی انرژی اتمی و طرفداران محیط زیست انرژی هسته‌ای مدعی هستند که انرژی اتمی، یک منبع انرژی ایمن و پایدار است که تولید کربن را کاهش می‌دهد. مخالفانی چون سازمان جهانی صلح سبز واطلاعات و منابع خدمات هسته‌ای، بر این باورند که انرژی هسته‌ای خطر بزرگی برای انسان و محیط زیست محسوب می‌شود.
حوادث و اتفاقات هسته‌ای و تابشی شامل حادثه چرنوبیل (۱۹۸۶)، حادثه اتمی فوکوشیما ۱ (۲۰۱۱) و حادثه تری مایل آیلند (۱۹۷۹)، می‌باشد. تاکنون چندین حادثهٔ زیر آبی نیز اتفاق افتاده‌است. بررسی از دست دادن حیات به ازای هر واحد انرژی تولید شده، نشان می‌دهند که انرژی هسته‌ای، مرگ و میر کمتری نسبت به دیگر منابع اصلی انرژی، ایجاد می‌کند. انرژی حاصل از زغال سنگ، نفت، گاز طبیعی و انرژی آبی به ازای واحد انرژی تولید شده، به علتآلودگی هوا و حوادث انرژی مرگ و میر بیشتری ایجاد می‌کنند. هزینهٔ انسان برای تخلیه جمعیت‌های تحت تأثیر معیشت‌های از دست رفته، بسیار گزاف است.
همراه سایر منابع انرژی پایدار، انرژی هسته‌ای، روش تولید انرژی کم‌کربن برای ایجاد الکتریسیته است، که در مقایسه با انتشار گازهای گلخانه‌ای در هر واحد از انرژی تولید شده، شبیه سایر منابع تجدید پذیر است. بدین ترتیب، از زمان آغاز تجاری‌سازی نیروگاه‌های هسته‌ای در دههٔ ۱۹۷۰، از تولید ۶۴ گیگاتن کربن دی‌اکسید معادل، جلوگیری شده‌است.
بعد از سال ۲۰۱۲، بر اساس گزارش‌ها آژانس بین‌المللی انرژی اتمی، ۶۸ رآکتور هسته‌ای در ۱۵ کشور در حال ساخت بود و تقریباً ۲۸ عدد از آن‌ها با جدیدترین رآکتورهای هسته‌ای، به جمهوری خلق چین تعلق داشت. آن‌ها بعد از ماه مه ۲۰۱۳، به تورین برقی متصل شدند. این ماجرا در ۱۷ فوریهٔ ۲۰۱۳ درنیروگاه هسته‌ای هنگیان در چین اتفاق افتاد. در ایالات متحده دو رآکتور نسل سه جدید در وگتل در حال ساخت هستند. مقامات عالی رتبهٔ صنعت هسته‌ای ایالات متحده انتظار دارند تا سال ۲۰۲۰، ۵ رآکتور جدید وارد تمام نیروگاه‌های موجود شوند. در سال ۲۰۱۳، رآکتورهای چهار ساله و غیر رقابتی، برای همیشه از رده خارج شدند.
حادثه اتمی فوکوشیما ۱ ژاپن، در سال ۲۰۱۱، که در رآکتوری اتفاق افتاد که در دههٔ ۱۹۶۰ طراحی شده بود، یک بازرسی دوباره برای امنیت و ایمنی هسته‌ای و سیاست انرژی هسته‌ای در بسیاری از کشورها، ایجاد کرد. آلمان تصمیم گرفته‌است که تا سال ۲۰۲۲ تمام رآکتورهای خود را غیرفعال کند و ایتالیا نیز انرژی هسته‌ای را تحریم کرده‌است. پس از واقعهٔ فوکوشیما در سال ۲۰۱۱، آژانس بین‌المللی انرژی اتمی تصمیم گرفته‌است که ظرفیت تولید انرژی هسته‌ای را تا سال ۲۰۳۵ به نصف کاهش دهد.
نیروگاه انرژی هسته‌ای:
همان‌طور که اکثر نیروگاه‌های حرارتی با مهار انرژی حرارتی آزاد شده از سوخت‌های فسیلی برق تولید می‌کنند، نیروگاه‌های انرژی هسته‌ای نیز انرژی آزاد شده از هستهٔ اتم‌ها در فرایند شکافت هسته‌ای درون رآکتور هسته‌ای را مورد استفاده قرار می‌دهند. گرمای هستهٔ رآکتور، به وسیلهٔ یک سیستم سرمایشی دفع می‌شود و با استفاده از این گرما، توربین بخار متصل به ژنراتور، به منظور تولید الکتریسیته به حرکت در می‌آید.
کیک زرد:
پس از استخراج سنگ معدن تکه سنگ‌ها به آسیاب فرستاده می‌شود تا به خوبی خرد شده و خرده سنگ‌هایی با ابعاد یکسان تولید می‌شود. اورانیم توسط اسید سولفوریک از دیگراتم‌ها جدا می‌شودعلم شیمی و محلول حاصل که دارای اورانیم است، تصفیه و خشک می‌شود. محلول به دست آمده، کنستانترهٔ جامد اورانیم است که به آن کیک زرد گفته می‌شود.
کیک زرد جامد است، ولی برای برای استفاده در مرحلهٔ بعد یعنی غنی سازی، از فناوری ویژه‌ای استفاده می‌شود تا بتوان آن را تبدیل به گاز uf6یا همان هگزا فلورید تبدیل کنیم. uf6 در دمای اتاق جامد است اما در دمایی نه چندان بالا به صورت مایع در می‌آید.
غنی‌سازی اورانیم:
برای آن که گاز uf6به دست آمده از مرحلهٔ تبدیل، به عنوان سوخت هسته‌ای مورد استفاده قرار بگیرد، باید ایزوتوپ قابل شکاف آن را غنی کرد. برای یک راکتور آب سبک سوختی با ۵ درصد اورانیم ۲۳۵ نیاز است، در حالی که برای ساخت بک بمب اتمی باید حداقل۹۰ درصد غنی شده باشد. در حال حاضر دو روش برای غنی‌سازی اورانیم وجود دارد : انتشار گاز (فیزیکی) استفاده از نیرو ی گریز از مرکز (سانتریفیوژ) در روش جدا کردن به وسیله سانتریفیوژ، گاز uf6طبیعی را به مخزن‌هایی استوانه‌ای تزریق می‌کنند و گاز را با سرعت زیادی می‌چرخانند، نیروی گریز از مرکز باعث می‌شود مولکول‌های سنگین تر گاز uf6های سبک‌تر جدا شود. امروزه فناوری غنی‌سازی جدید تری نیز نیز توسعه یافته‌است که با استفاده از کاربردهای لیزر غنی‌سازی را انجام می‌دهد.
زباله‌های هسته‌ای:
زباله های هسته ای بیسار پر خطر هستند
در هر هشت مگاوات ساعت، انرژی الکتریکی تولید شده در نیروگاه هسته‌ای ۳۰ گرم زبالهٔ رادیو اکتیوی به وجود می‌آید. اگر چه مقدار آن بسیار کم است اما بسیار مادهٔ خطرناکی است! و دفع آن نیز به شیوهٔ صحیح ودرست به مراتب از سوخت‌های دیگر پر هزینه تر می‌باشد.
چرخه سوخت هسته‌ای:
شکافت هسته‌ای صورت گرفته در یک رآکتور فقط بخشی از یک چرخه هسته‌ای است. این چرخه از معادن شروع می‌شود. اورانیوم استخراج شده از معدن معمولاً فرمی پایدار و فشرده مانند کیک زرد دارد. این اورانیوم معدنی به تأسیسات فرآوری فرستاده می‌شود و در آنجا کیک زرد به هگزافلوراید اورانیوم (که پس از غنی‌سازی به عنوان سوخت رآکتورها مورد استفاده قرار می‌گیرد) تبدیل می‌گردد. در این مرحله درجه غنی‌سازی اورانیوم یعنی درصد اورانیوم-۲۳۵ در حدود ۰٫۷٪ است.
در صورت نیاز بسته به نوع سوخت نیروگاه (درصد غنی‌سازی لازم برای سوخت نیروگاه) اورانیوم غنی‌سازی شده و سپس از آن برای تولید میل‌های سوختی مورد استفاده در نیروگاه (شکل میله‌ها در نیروگاه‌های مختلف متفاوت است) استفاده می‌کنند. عمر هر میل تقریباً سه سال است به‌طوری‌که حدود ۳٪ از اورانیوم موجود در آن مورد مصرف قرار گیرد. پس از گذشت عمر اورانیوم، آن را به حوضچه سوخت مصرف شده می‌برند. اورانیوم باید حداقل ۵ سال در این حوضچه‌ها باقی بماند تا ایزوتوپهای به وجود آمده در اثر شکافت هسته‌ای از آن جدا شوند. پس از گذشت این زمان اورانیوم را در بشکه‌های خشک انبار می‌کنند یا اینکه دوباره آن را به چرخه سوخت بازمی‌گردانند.
عملیات داخلی یک رآکتور هسته‌ای آب سبک:
عملیات رآکتور هسته‌ای آب سبک
۱. قلب رآکتور هسته‌ای
۲. میله‌های کنترل سرعت سوخت
۳. دیگ بخار
۴. توربین بخار
۵. موتور برق
۶. لوله‌های انتقال و پمپ آب برای رادیاتور داخلی رآکتور
۷. پمپ و مسیر انتقال آب برای تولید بخار
۸. سیستم خنک کننده نهایی
۹. برج خنک کننده
۱۰. آب‌های آزاد
امنیت نیروگاه هسته‌ای:
از خطرهایی که همواره بیم آن می‌رود، حمله احتمالی تروریستی به نیروگاه‌های هسته‌ای است، چرا که با انفجار نیروگاه محوطه‌ای به شعاع ۲۰ کیلومتر بشدت آلوده می‌شود و هیچ موجود زنده‌ای را باقی نمی‌گذارد و در اثرات تخریبی ژنتیکی تا ۱۰ نسل را بر روی محوطهٔ بزرگتری در حدود شعاع ۴۰ کیلومتر باقی خواهد گذاشت.
با وجود نگرانی عمومی نسبت به امنیت نیروگاه‌های هسته‌ای، این نیروگاه‌ها به علت تدابیر ایمنی سخت‌گیرانه، به نسبت گستردگی‌شان منجر به تلفات ناچیزی شده‌اند. آمار نشان می‌دهد در عمل تعداد مرگ ناشی از سوانح مربوط به انرژی هسته‌ای به نسبت واحد انرژی تولید شده، بسیار کمتر از انواع دیگر انرژی بوده‌است.