وقتی عبارت انرژی پاک را می‌شنوید، چه چیزی به ذهن شما خطور می‌کند؟ بیشتر افراد بلافاصله به نیروگاه خورشیدی یا توربین‌های بادی فکر می‌کنند اما به نظرتان چند نفر انرژی هسته‌ای به ذهنشان می‌رسد؟ انرژی هسته‌ای به دلیل محسوس نبودن اثرات آن در جامعه اغلب از مباحث انرژی پاک کنار گذاشته می‌شود. در حالی که این انرژی دومین منبع بزرگ برق کم کربن در جهان پس از انرژی آبی است. بنابراین، انرژی هسته‌ای، منبعی پاک و پایدار از انرژی است. در این مطلب با انرژی هسته‌ای و مزایا و معایب آن آشنا خواهید شد.
انرژی هسته‌ای چیست؟
انرژی هسته‌ای شکلی از انرژی آزاد شده از نوکلئوس یا هسته‌ی اتم بوده که از پروتون‌ها و نوترون‌ها تشکیل شده است. این منبع انرژی می‌تواند به دو صورت تولید شود:
- شکافت هسته‌ای: هسته‌ی اتم طی فرآیند شکافت به چند قسمت تقسیم شده و مقداری از جرم آن به انرژی تبدیل می‌شود.
- همجوشی یا گداخت هسته‌ای: برعکس عمل شکافت است و هسته‌های اتم طی فرایند همجوشی با یکدیگر همجوشی داده شده و هسته‌های سنگین‌تر به همراه انرژی آزاد می‌شود.
انرژی هسته‌ای که امروزه در سراسر جهان برای تولید الکتریسیته استفاده می‌شود از طریق شکافت هسته‌ای است. فناوری تولید برق از طریق همجوشی نیز در مرحله‌ی تحقیق و توسعه قرار دارد.
شکافت هسته‌ای چیست؟
شکافت هسته‌ای واکنشی است که در آن هسته‌ی یک اتم به دو یا چند هسته‌ی کوچک‌تر تقسیم شده و در عین حال انرژی آزاد می‌شود.
به عنوان مثال، هنگامی که یک نوترون هسته‌ی اتم اورانیوم ۲۳۵ مورد اصابت قرار می‌گیرد، به دو هسته‌ی کوچک‌تر تقسیم می‌شود. مثلاً به یک هسته‌ی باریم و یک هسته‌ی کریپتون و دو یا سه نوترون تبدیل می‌شود. این نوترون‌های اضافی به سایر اتم‌های اورانیوم ۲۳۵ اطراف برخورد کرده که در اثر فرآیند تکثیر شدن شکافته شده و نوترون‌های اضافی تولید می‌کنند. بنابراین در کسری از ثانیه یک واکنش زنجیره‌ای ایجاد می‌کنند.
هر بار که واکنش رخ می‌دهد، انرژی به شکل گرما و تشعشع آزاد می‌شود. گرما را می‌توان در یک نیروگاه هسته‌ای به الکتریسیته تبدیل کرد (مشابه نحوه‌ی استفاده از گرمای سوخت‌های فسیلی مانند زغال سنگ، گاز و نفت برای تولید برق).
نیروگاه هسته‌ای چگونه کار می‌کند؟
طرز کار نیروگاه هسته‌ای با روش کار نیروگاه‌هایی مانند نیروگاه خورشیدی فولاد مبارکه اصفهان متفاوت است. در داخل نیروگاه‌های هسته‌ای، راکتورهای هسته‌ای و تجهیزات آن‌ها واکنش‌های زنجیره‌ای انجام می‌دهند که معمولاً سوخت آن توسط اورانیوم ۲۳۵ تأمین می‌شود. این واکنش‌ها از طریق شکافت و برای تولید گرما صورت می‌گیرد. گرما عامل خنک کننده راکتور که معمولاً آب بوده را برای تولید بخار گرم می‌کند. سپس بخار به سمت توربین‌های چرخشی هدایت شده و یک ژنراتور الکتریکی را برای ایجاد الکتریسیته کم کربن فعال می‌کند.
استخراج، غنی‌سازی و دفع اورانیوم
اورانیوم فلزی است که درون سنگ‌هایی در سراسر جهان یافت می‌شود. اورانیوم دارای چندین ایزوتوپ طبیعی است (ایزوتوپ‌ها شکل‌های مختلف از یک عنصر بوده که از نظر جرم و خواص فیزیکی متفاوت هستند اما خواص شیمیایی یکسانی دارند). اورانیوم دارای دو ایزوتوپ اولیه به نام‌های اورانیوم-۲۳۸ و اورانیوم-۲۳۵ است. اورانیوم ۲۳۸ اکثریت اورانیوم جهان را تشکیل می‌دهد، اما نمی‌تواند یک واکنش زنجیره‌ای شکافت ایجاد کند. در حالی که اورانیوم ۲۳۵ را می‌توان برای تولید انرژی از طریق شکافت استفاده کرد اما این ایزوتوپ کمتر از ۱ درصد اورانیوم جهان را تشکیل می‌دهد.
برای افزایش احتمال شکافت اورانیوم طبیعی، لازم است مقدار اورانیوم ۲۳۵ در یک نمونه معین از طریق فرایندی به نام غنی‌سازی اورانیوم افزایش یابد. پس از غنی‌سازی اورانیوم، می‌توان از آن به مدت سه تا پنج سال به‌عنوان سوخت هسته‌ای در نیروگاه‌ها استفاده کرد. البته این اورانیوم، پس از استفاده نیز هنوز رادیواکتیو بوده و باید طبق دستورالعمل‌های سختگیرانه‌ای برای محافظت از مردم و محیط‌زیست دفع شود. سوخت مصرف شده که به آن سوخت فرسوده نیز گفته می‌شود، می‌تواند برای استفاده به عنوان سوخت جدید در نیروگاه‌های هسته‌ای ویژه به انواع دیگر سوخت بازیافت شود.
زباله‌های هسته‌ای
برخلاف نیروگاه‌های خورشیدی و بادی همچون پروژه‌های شرکت صنایع نیرو و انرژی پاک فولاد (صناپ)، بهره‌برداری از نیروگاه‌های هسته‌ای، زباله‌هایی با سطوح مختلف رادیواکتیویته تولید می‌کند. این پسماندهای هسته‌ای بسته به سطح رادیواکتیویته و هدف مصرفشان به صورت متفاوتی مدیریت می‌شوند.
سوخت هسته‌ای استفاده شده قبل از بازیافت یا دور ریختن در انبارهای مرطوب یا خشک نگهداری می‌شود. هنگامی که سوخت مصرف شده از یک راکتور خارج می‌شود، هم داغ و هم رادیواکتیو بوده و برای خنک شدن نیاز به ذخیره در آب دارد. سوخت را می‌توان در انبار مرطوب نگهداری کرد یا پس از یک دوره سرد شدن اولیه به یک مرکز خشک منتقل کرد. نگهداری سوخت مصرف شده در انبار موقت برای کاهش گرما و رادیواکتیویته‌ی آن، بازیافت و دفع را آسان‌تر می‌کند.
نسل بعدی نیروگاه‌های هسته‌ای که راکتورهای پیشرفته‌ی نوآورانه نامیده می‌شوند، نسبت به راکتورهای امروزی، زباله‌های هسته‌ای بسیار کمتری تولید خواهند کرد. پیش‌بینی می‌شود که ساخت این نیروگاه‌ها تا سال ۲۰۳۰ آغاز شود.
مزایای انرژی هسته‌ای
انرژی هسته‌ای مزایا و معایب زیادی داشته و شناخت هرکدام برای درک توانایی این منبع انرژی مهم است.
۱. عملیات مقرون به صرفه
انرژی هسته‌ای صرف نظر از هزینه‌ی اولیه ساخت، یکی از مقرون به صرفه‌ترین راهکارهای انرژی موجود است. هزینه‌ی تولید برق از انرژی هسته‌ای بسیار کمتر از هزینه‌ی تولید انرژی از گاز، زغال سنگ یا نفت است (مگر این که این منابع در نزدیکی نیروگاه قرار داشته باشند). انرژی هسته‌ای بر خلاف سوخت‌های فسیلی سنتی که به طور مرتب در نوسان قیمت قرار دارند، خطرات نسبتاً پایینی در مواجهه با تورم هزینه دارد.
۲. منبع قابل اطمینان انرژی
در حالی که برخی از منابع انرژی مانند انرژی حاصل از نیروگاه خورشیدی و بادی به شرایط آب و هوایی وابسته هستند، انرژی هسته‌ای چنین محدودیتی ندارد. مهم نیست در منطقه‌ای باد نمی‌وزد یا هوا ابری باشد. نیروگاه‌های هسته‌ای اساساً تحت تأثیر عوامل اقلیمی خارجی قرار نگرفته و خروجی انرژی قابل پیش بینی و ثابتی ایجاد می‌کنند. یک نیروگاه هسته‌ای در حال فعالیت کامل می‌تواند برای یک سال تمام انرژی را بدون توقف تولید کرده که امکان بازگشت مناسب سرمایه را فراهم می‌کند. زیرا تأخیری در تولید انرژی وجود نخواهد داشت.
علاوه‌براین، نیروگاه‌های هسته‌ای قابل اطمینان هستند زیرا اورانیوم کافی را در کره زمین برای تولید انرژی به مدت ۷۰ تا ۸۰ سال آینده در اختیار داریم.
۳. خروجی کم آلودگی
در زمینه آلودگی، واضح است که انرژی هسته‌ای مزایا و معایبی دارد. با این حال، تولید کلی آلودگی در یک نیروگاه هسته‌ای در مقایسه با تولید انرژی از سوخت‌های فسیلی بسیار کمتر است. مصرف فعلی انرژی هسته‌ای در حال حاضر در هر سال بیش از ۵۵۵ میلیون تن از انتشار گازهای گلخانه‌ای را کاهش می‌دهد. این کاهش در گازهای گلخانه‌ای نشان‌دهنده این واقعیت است که چگونه انتقال منبع انرژی به انرژی هسته‌ای می‌تواند به کاهش تأثیر انسان بر تغییرات اقلیمی جهانی در بلندمدت کمک کند.
۴. در دسترس بودن سوخت تا بیش از ۸۰ سال دیگر
اورانیوم مورد استفاده برای تأمین نیروگاه‌های هسته‌ای، مانند سوخت‌های فسیلی در عرضه محدود است. با این حال، تخمین زده می‌شود که ذخایر اورانیوم ما تا ۸۰ سال دیگر دوام بیاورد. در حالی که سوخت‌های فسیلی طول عمر بسیار محدودتری دارند. انسان از زمان انقلاب صنعتی، به طور مداوم و پیوسته ذخایر سوخت فسیلی خود را تخلیه کرده است. اگر به مصرف سوخت‌های فسیلی ادامه داده و با افزایش جمعیت جهان، مصرف خود را افزایش دهیم، تخمین زده می‌شود که منابع نفت تا سال ۲۰۵۲، منابع گاز تا سال ۲۰۶۰ و منابع زغال سنگ تا سال ۲۰۸۸ تمام شود.
البته هنوز اکتشافات بیش‌تری در زمینه سوخت‌های فسیلی وجود داشته ولی در نهایت تمام خواهند شد. روی آوردن به اورانیوم ممکن است به انسان زمان بیش‌تری را برای یافتن منابع انرژی تجدیدپذیر بهتر و پاک‌تر بدهد. به‌علاوه، برخی از کشورها مانند هند، چین و روسیه در حال حاضر برای تأمین انرژی راکتورهای هسته‌ای، بر استفاده از توریم سبزتر و فراوان‌تر تمرکز کرده‌اند. اگر به توریم روی بیاوریم، حتی بیش از ۸۰ سال سوخت در دسترس خواهیم داشت. با این حال، اگر دانشمندان بتوانند همجوشی هسته‌ای را به واقعیت تبدیل کرده و آن را کاربردی کنند، از نظر تئوری منبع برق نامحدود وجود خواهد داشت.
۵. چگالی انرژی بالا ناشی از شکافت هسته‌ای
فرایند شکافت هسته‌ای، نسبت به سوزاندن ساده سوخت‌های فسیلی مانند گاز، نفت یا زغال سنگ، مقادیر بسیار بیش‌تری انرژی آزاد می‌کند. در تولید انرژی، این فرایند تقریباً ۸۰۰۰ برابر کارآمدتر از سوخت‌های فسیلی سنتی است. از آن‌جایی که انرژی هسته‌ای کارآمدتر است، به سوخت کمتری برای تأمین انرژی نیروگاه نیاز بوده و در نتیجه ضایعات کمتری نیز ایجاد می‌کند.
معایب انرژی هسته‌ای
هنگام بررسی انرژی هسته‌ای، معایبی نیز وجود دارد که باید در نظر داشت. در ادامه برخی از معایب اصلی انرژی هسته‌ای آورده شده است.
۱. هزینه ساخت در حال افزایش است
ساخت نیروگاه‌های هسته‌ای بسیار گران بوده و هزینه آن مدام در حال افزایش است. از سال ۲۰۰۲ تا ۲۰۰۸ هزینه تخمینی ساخت یک نیروگاه هسته‌ای از ۲ تا ۴ میلیارد دلار به ۹ میلیارد دلار افزایش یافت. همچنین در طول فرایند ساخت، هزینه‌ها اغلب از برآوردها فراتر می‌رود. در نیروگاه‌های هسته‌ای علاوه بر هزینه ساخت نیروگاه، باید بودجه‌ای را نیز برای حفاظت از زباله‌هایی که تولید می‌شود، اختصاص داد. همه‌ی این هزینه‌ها انرژی هسته‌ای را بسیار گران می‌کند.
۲. خطر بروز فاجعه
یکی از اولین چیزهایی که اکثر افراد با شنیدن نیروگاه هسته‌ای به آن فکر می‌کنند، فاجعه‌ی چرنوبیل است. اگرچه دقیقاً مشخص نشد که چند نفر در نتیجه‌ی حادثه‌ی چرنوبیل جان خود را از دست دادند، اما تخمین زده می‌شود که این میزان حدود ۱۰۰۰۰ نفر بوده که درصدی از آن ناشی از اثرات طولانی مدت تشعشعات در آن منطقه باشد. بحران نیروگاه فوکوشیما در سال ۲۰۱۱ نیز نشان داد که مهم نیست که نیروگاه‌های هسته‌ای تا چه اندازه ایمن طراحی شده‌اند؛ در هر حال ممکن است حوادثی اتفاق بیفتد.
۳. مشکل در ذخیره‌سازی زباله‌های رادیواکتیو
همان‌طور که اشاره شد، اگرچه تولید انرژی هسته‌ای هیچ گونه انتشار کربنی ایجاد نمی‌کند، اما زباله‌های رادیواکتیوی تولید می‌کند که باید به طور ایمن ذخیره شده تا محیط زیست را آلوده نکنند. با وجود این که تشعشع مواد رادیواکتیو ممکن است ترسناک به نظر برسد، اما ما دائماً در معرض مقادیر کمی از رادیواکتیویته‌ی ناشی از پرتوهای کیهانی یا گاز رادون موجود در هوا هستیم. تشعشعات در مقادیر کم، مضر نیستند. اما زباله‌های رادیواکتیو ناشی از تولید انرژی هسته‌ای فوق‌العاده خطرناک هستند.
۴. مضر بودن فرایندهای استخراج و غنی‌سازی اورانیوم برای محیط زیست
استخراج و غنی‌سازی اورانیوم فرآیندهای سازگار با محیط زیست نیستند. استخراج روباز اورانیوم برای معدنچیان بی‌خطر است، اما ذرات رادیواکتیو بر جای گذاشته و باعث فرسایش می‌شود و حتی منابع آب مجاور را آلوده می‌کند. استخراج زیرزمینی نیز شرایط بهتری نداشته و استخراج‌کنندگان را در معرض مقادیر زیادی تشعشع قرار می‌دهد و در حین استخراج و پردازش، سنگ‌های زباله‌ی رادیواکتیو تولید می‌کند.
۵. تأمین سوخت موقت
یکی از مهم‌ترین ملاحظاتی که باید در نظر داشت این است که انرژی هسته‌ای برای تولید انرژی به اورانیوم و توریم وابسته است. تا زمانی که نتوانیم راهی برای ایجاد همجوشی یا گداخت هسته‌ای یا ساخت رآکتورهای مولد قبل از اتمام عرضه پیدا کنیم، نمی‌توانیم با نیروگاه‌های هسته‌ای که برای آینده ساخته‌ایم، انرژی تولید کنیم. در نهایت، انرژی هسته‌ای تنها یک راه حل موقت با هزینه‌ای بسیار بالا است.
کلام آخر
مزایای فناوری هسته‌ای می‌تواند به حل برخی از پیچیده‌ترین چالش‌های جهان مانند فقر، گرسنگی، نابرابری، رکود اقتصادی، آسیب‌های زیست محیطی و موارد دیگر کمک کند. بخش توسعه بین المللی انرژی هسته‌ای در حال حاضر در حال بررسی راهکارهای مبتنی بر این انرژی برای توسعه پایدار در زمینه‌ی انرژی، حمل و نقل، کشاورزی، پزشکی، حفظ مواد غذایی، هیدرولوژی، صنعت و محیط زیست است.
