آشنایی ابتدایی با انرژی هسته ای

دید کلی
وقتی که صحبت از مفهوم انرژی به میان می‌آید، نمونه‌های آشنای انرژی مثل انرژی گرمایی ، نور و یا انرژی مکانیکی و الکتریکی در شهودمان مرور می‌شود. اگر با انرژی هسته‌ای و امکاناتی که این انرژی در اختیارمان قرار می‌دهد، آشنا ‌شویم، شیفته آن خواهیم شد.
آیا می‌دانید که
* انرژی گرمایی تولید شده از واکنش های هسته‌ ای در مقایسه با گرمای حاصل از سوختن زغال سنگ در چه مرتبه بزرگی قرار دارد؟
* منابع تولید انرژی هسته‌ای که بر اثر سیلاب ها و رودخانه از صخره شسته شده و به بستر دریا می‌رود، چقدر برق می‌تواند تولید کند؟
* کشورهایی که بیشترین استفاده را از انرژی هسته‌ ای می‌برند، کدامند؟ و ... .
نحوه آزاد شدن انرژی هسته‌ای
می‌دانیم که هسته از پروتون (با بار مثبت) و نوترون (بدون بار الکتریکی) تشکیل شده است. بنابراین بار الکتریکی آن مثبت است. اگر بتوانیم هسته را به طریقی به دو تکه تقسیم کنیم، تکه‌ ها در اثر نیروی دافعه الکتریکی خیلی سریع از هم فاصله گرفته و انرژی جنبشی فوق العاده‌ای پیدا می‌کنند. در کنار این تکه‌ها ذرات دیگری مثل نوترون و اشعه‌ های گاما و بتا نیز تولید می‌شود. انرژی جنبشی تکه‌ ها و انرژی ذرات و پرتوهای به وجود آمده ، در اثر برهمکنش ذرات با مواد اطراف ، سرانجام به انرژی گرمایی تبدیل می‌شود. مثلا در واکنش هسته‌ ای که در طی آن 235U به دو تکه تبدیل می‌شود، انرژی کلی معادل با 200MEV را آزاد می‌کند. این مقدار انرژی می‌تواند حدود 20 میلیارد کیلوگالری گرما را در ازای هر کیلوگرم سوخت تولید کند. این مقدار گرما 2800000بار بزرگتر از حدود 7000کیلوگالری گرمایی است که از سوختن هر کیلوگرم زغال سنگ حاصل می‌شود.
کاربرد حرارتی انرژی هسته‌ای
گرمای حاصل از واکنش هسته‌ای در محیط راکتور هسته‌ای تولید و پرداخته می‌شود. به عبارتی در طی مراحلی در راکتور این گرما پس از مهارشدن انرژی آزاد شده واکنش هسته‌ای تولید و پس از خنک سازی کافی با آهنگ مناسبی به خارج منتقل می‌شود. گرمای حاصله آبی را که در مرحله خنک سازی به عنوان خنک کننده بکار می‌رود را به بخار آب تبدیل می‌کند. بخار آب تولید شده ، همانند آنچه در تولید برق از زغال سنگ ، نفت یا گاز متداول است، بسوی توربین فرستاده می‌شود تا با راه اندازی مولد ، توان الکتریکی مورد نیاز را تولید کند. در واقع ، راکتور همراه با مولد بخار ، جانشین دیگ بخار در نیروگاه‌های معمولی شده است.
سوخت راکتورهای هسته‌ای
ماده‌ای که به عنوان سوخت در راکتورهای هسته‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد باید شکاف پذیر باشد یا به طریقی شکاف پذیر شود.235U شکاف پذیر است ولی اکثر هسته‌های اورانیوم در سوخت از انواع 238U است. این اورانیوم بر اثر واکنش هایی که به ترتیب با تولید پرتوهای گاما و بتا به 239PU تبدیل می‌شود. پلوتونیوم هم مثل 235U شکافت پذیر است. به علت وجود پلوتونیوم اضافی در سطح جهان ؛ نخستین مخلوط های مورد استفاده آنهایی هستند که مصرف در آنها منحصر به پلوتونیوم است.میزان اورانیومی که از صخره‌ها شسته می‌شود و از طریق رودخانه‌ها به دریا حمل می‌شود، به اندازه‌ای است که می‌تواند 25 برابر کل مصرف برق کنونی جهان را تأمین کند. با استفاده از این موضوع ، راکتورهای زاینده‌ای که براساس استخراج اورانیوم از آب دریاها راه اندازی شوند قادر خواهند بود تمام انرژی مورد نیاز بشر را برای همیشه تأمین کنند، بی آنکه قیمت برق به علت هزینه سوخت خام آن حتی به اندازه یک درصد هم افزایش یابد.
مزیت های انرژی هسته‌ای بر سایر انرژی ها
بر خلاف آنچه که رسانه‌های گروهی در مورد خطرات مربوط به حوادث راکتورها و دفن پسماندهای پرتوزا مطرح می‌کند از نظر آماری مرگ ناشی ازخطرات تکنولوژی هسته‌ای از 1 درصد مرگهای ناشی از سوختن زغال سنگ جهت تولید برق کمتر است. در سرتاسر جهان تعداد نیروگاه های هسته‌ای فعال بیش از 419 می‌باشد که قادر به تولید بیش از 322 هزار مگاوات توان الکتریکی هستند که بیش از 70 درصد این نیروگاه‌ها در کشور فرانسه و بیش از 20 درصد آنها در کشور آمریکا قرار دارد.

آب رسانی برای دیگ بخار

سیال اصلی استفاده شده در دیگ بخار آب است باید این سیال طی مراحلی آماده و وارد دیگ شود. قسمت‌های اصلی آب‌رسانی عبارتند از: 1. منبع آب صنعتی مانند چاه عمیق2. فیلتر شنی: ذرات جامد معلق در آب را جمع‌آوری می‌کند که از طبقات شنی، سیلیسی و سنگی تشکیل شده است. شیر ها در این قسمت و فیلتر بعدی بگونه‌ای طراحی شده‌اند که بعد از ساعاتی کار و کثیف شدن بتوان جریان آب را به صورت معکوس از آن عبور داد تا تمیز شوند.3. سختی گیر: سختی گیری برای جدا کردن دو عنصر کلسیم و منیزیم بکار میرود. اگر این دو عنصر از آب جدا نشوند همان اتفاقی در دیگ بخار می‌افتد که در کتری رخ می‌دهد. در واقع رسوبات سطح بین لوله های آتش کار با آب را کاهش میدهد و انرژی بیشتری برای تولید میزان معینی فشار مصرف می‌شود. همچنین پاکسازی این لوله ها علاوه بر هزینه بر بودن خط تولید را نیز متوقف می‌کند.این بخش از دو مخزن تشکیل می‌شود مخزن اول شامل بافت رزین سه‌بعدی بوده که با منیزیم ترکیب شده RMg بوجود می‌آورد در نتیجه سختی آب از بین می‌رود ولی نمی‌توان آن را به فاضلاب هدایت کرد چون رزین از دست خواهیم رفت. پس از مخزن دوم به عنوان مخزن احیا استفاده می کنیم در این مخزن آب‌نمک وجود دارد. واکنشهای به صورت زیر انجام می‌شود زیر را با ترکیب رزین و منیزیم انجام میدهد.واکنش اول : واکنش دوم :اکنون وارد فاضلاب شده و RNa مجددا با سولفات منیزیم تر کیب شده و تولید RMg می‌نماید که با انجام چرخه‌ای این واکنش‌ها رزین مجددا احیا شده و از چرخه خارج می‌شود. اکنون سختی آب گرفته شده ولی برای وارد شدن به داخل دیگ هنوز مشکلاتی وجود دارد1. اکسیژن محلول در آب که باعث اکسید شدن خط لوله می‌شود.2. دمای پایین آب که به دیگ بخار که در دمای بالا است شک وارد می‌کند. برای حل مشکلات بالا از ریگازور استفاده می‌کنند که مخزنی است حاوی آب بدون سختی که از مرحله قبل تولید شده و قسمتی از بخار تولیدی دیگ با فشار وارد آن می‌شود تا علاوه بر بالا رفتن دمای آب اکسیژن موجود به صورت حباب از آن خارج شود.آب موجود میتواند مورد استفاده دیگ بخار قرار گیرد که توسط پمپ با دبی بالا دیگ را تغذیه می‌کند. این تغذیه هم می‌تواند اتوماتیک باشد و هرگاه سنسور‌های دیگ سطح آب داخل دیگ را کافی تشخیص ندادند به پمپ فرمان تغذیه دهند و یا به صورت دستی و توسط اوپراتور پمپ روشن شود.

سیستم گازرسانی برای دیگ بخار

لوله گاز شهری با یک کلید قطع و وصل اصلی وارد مدار دیگ بخار می‌شود. بعد از این کلید مانومتر فشار خط را نشان می‌دهد که حدود 5/2 بار است اما این فشار برای مشعل خیلی زیاد و خطرناک است، پس باید از رگلاتور که فشار شکن است استفاده می‌کنیم . همچنین قبل از رگلاتور از یک فیلتر برای مواد جامد معلق در گاز استفاده می‌کنیم سپس گاز وارد رگلاتور می‌شود. با استفاده از مانومتر می‌توان دریافت فشار گاز بعد از رگلاتور به 25 میلی بار کاهش یافته است.گاز فشار پایین بعد از عبور از یک سوپاپ اطمینان وارد دو شیر برقی می‌شود که مستقیما توسط مشعل هدایت می‌شوند. شیر برقی شماره یک به صورت تک‌ضرب فقط حالت روشن و خاموش دارد که یا گاز را قطع میکند یا وصل، اما شیر شماره دو به صورت تدریجی می‌تواند میزان گاز عبوری را کم و زیاد کند. این گاز مستقیما وارد مشعل می‌شود

توربین ها، ژنراتورها و نیروگاه های برق

در این فصل یاد می گیریم که چگونه در نیروگاه ها الکتریسیته تولید می شود.نیروگاه های حرارتی دارای دیگ های بزرگی هستند که در آن ها با استفاده از یک سوخت فسیلی، گرما تولید می شود. دیگ بخار مانند قوری چای بر روی یک اجاق گاز است. هنگامی که آب می جوشد، بخار از طریق سوراخ کوچکی که در بالای لوله قوری قرار دارد، خارج می شود. بخار در حال حرکت صدای سوتی ایجاد می کند که به شما می گوید آب در حال جوشیدن است. در نیروگاه ها، آب در داخل دیگ های بزرگ به جوش می آید و سپس بخار آب از طریق لوله های خیلی ضخیم به توربین پمپاژ می شود. در بیشتر دیگ های بخار برای تولید گرما، چوب، زغال سنگ، نفت یا گاز طبیعی در محفظه های ویژه ای سوزانده می شوند. در داخل و بالای این محفظه سوخت، مجموعه ای از لوله ها وجود دارند که در آن ها آب داغ جریان دارد. انرژی گرمایی به داخل لوله های فلزی هدایت می شود، آب داخل لوله ها را گرم کرده و به نقطه جوش می رساند. آب در نقطه 212 درجه فارنهایت یا 100 درجه سانتی گراد به بخار تبدیل می شود . معمولاً بخار پس از عبور از داخل توربین، وارد یک برج خنک کننده می شود که در آن جا دمای بخار کاهش می یابد. بخار خنک شده بار دیگر به آب تبدیل می شود. وقتی که لوله های داغ در تماس با هوای خنک قرار می گیرند، قسمتی از بخار آب موجود در هوا گرم می شود و بخار آب از بالای برج های خنک کننده خارج می شود. به همین علت است که شما گاهی اوقات ابرهای سفید بزرگ را می بینید که از بالای برج های خنک کننده خارج می شوند. بدیهی است که این ابرهای سفید دود نیستند، بلکه بخار آب هستند. البته این بخار آب، بخاری نیست که در توربین استفاده می شود. آب سرد مجدداً به دیگ بخار برمی گردد و در آن جا دوباره حرارت داده می شود، این فرآیند بارها و بارها تکرار می شود. بیشتر نیروگاه ها مجهز به سیستم های پاکسازی هوا هستند و از سوختن گاز طبیعی، برق تولید می کنند. سایر نیروگاه ها برای گرم کردن آب از نفت و یا زغال سنگ استفاده می کنند. در نیروگاه های هسته ای برای تولید برق، از انرژی هسته ای، جهت گرم کردن آب استفاده می شود. هنوز هم برخی دیگر از نیروگاه ها تحت عنوان نیروگاه های ژئوترمال، بدون نیاز به سوخت فسیلی از بخار آب یا آب داغی که به طور طبیعی زیر سطح زمین یافت می شود، استفاده می کنند. در فصل های بعد به آن دسته از منابع انرژی خواهیم پرداخت.
ژنراتور چگونه کار می کند؟
توربین توسط یک محور به توربوژنراتور متصل شده است. روی محور ژنراتور یک سیم پیچ طویل وجود دارد که یک آهنربای بسیار بزرگ را در بر می گیرد. اساس کار ژنراتور با استفاده از اصل "القای الکترومغناطیسی" است که در سال 1831 توسط دانشمند انگلیسی، مایکل فارادی کشف شد. فارادی کشف کرد که اگر یک رسانای الکتریکی، مانند یک سیم مسی، در یک میدان مغناطیسی حرکت کند، جریان الکتریکی در داخل رسانا برقرار (القا) خواهد شد. بنابراین انرژی مکانیکی سیم متحرک به انرژی الکتریکی جاری در سیم تبدیل می شود. سپس الکتریسیته تولید شده توسط ژنراتور، در سیم های انتقال دهنده بسیار طویل جریان پیدا می کند و به این ترتیب جریان برق از نیروگاه به منازل ما، مدرسه ها و مراکز تجاری منتقل می شود.همه نیروگاه ها توربین و ژنراتور دارند. برخی از توربین ها به وسیله باد ، بعضی با آب و برخی دیگر توسط بخار به حرکت در می آیند.

سیستم حرارتی

ساختمان هایی که مردم در آن سکونت دارند در سرما نیاز به گرم شدن دارند. آتش یا گرمکن های کوچک فقط می توانند اتاق ها را به طور مجزا گرم کنند، اما سیستم گرمایش مرکزی می تواند کل ساختمان را گرم نماید. سیستم گرمایش مرکزی یک دیگ بخار دارد که با برق، گاز، نفت و یا سوخت جامد (مثل ذغال سنگ) گرم می شود. دیگ بخار آب (در حال چرخش در لوله های متصل به رادیاتور شوفاژ) را گرم می کند، همچنین ممکن است، آب حمام و آشپزخانه را نیز گرم نماید. بعضی سیستم ها از تابش خورشیدی برای گرم کردن آب داخل پانل های خورشیدی استفاده می کنند. سیستم های دیگر هوای در حال حرکت، ساختمان را گرم می کنند، یا از سیم پیچ های گرمکن واقع در کف و سقف، برای گرم کردن ساختمان استفاده می نمایند. گرمکن ها و سیستم های گرمایشی توسط زمان سنج و ترموستات کنترل می شوند. این وسایل گرمکن را خاموش و روشن می کنند، و بدین ترتیب دما تثبیت شود.
سیستم های گرمایشی برای تمام فصول
بسیاری از مردم در مناطقی زندگی می کنند که زمستانی سرد و تابستانی گرم دارد، و ساختمانشان به سیستمی نیاز دارد که اتاق ها را سرد و یا گرم نماید. سیستم های تهویه هوا می توانند اتاق ها را هم گرم و هم سرد نمایند. این سیستم ها پروانه ای دارند که هوا را در داخل کانال هایی در تمام اتاق های ساختمان به گردش در می آورد. همچنین پروانه دمنده، هوای تمیز بیرون را به داخل کشیده و با هوای داخل مخلوط می کند، از طرف دیگر "دستگاه رطوبت" مقدار رطوبت هوا را تنظیم می کند. در زمستان، یک قطعه ای که بوسیله برق، بخار یا آب داغ گرم می شود، هوایی که از اتاق ها می آید را گرم می کند. هوای گرم شده به اتاق ها باز گردانده می شود. در اتاق ها دمای هوا به وسیله دماپا کنترل می شود. در تابستان، هوا از یک دستگاه خنک کننده (که شبیه یخچال کار می کند) عبور داده می شود. این دستگاه گرما را از اتاق ها به بیرون ساختمان منتقل می کند. گرمای هوای داخل ساختمان بوسیله دستگاه تبخیر کننده جذب می شود. ماده سرد کننده به قسمت چگالنده تلمبه می شود و در آن محل گرما به هوای بیرون خانه منتقل می گردد.

سیکل ترکیبی چیست؟

برای پاسخ به پرسش مذکور در ابتدا تعریفی از انواع توربین ها و اصول کلی کار آنها ارائه می دهیم.
توربین ها اصو لا بر اساس عامل ایجاد کننده کار تقسیم بندی می گردند . اگر عامل فوق گاز باشد آن را بخاری اگر آب باشد آبی و چنانچه باد باشد توربین بادی گو یند. توجه داشته باشیم که منظور از گاز گاز ناشی از احتراق است. لذا نوع سوخت دخیل در آن که بر حسب مورد می تواند گازوئیل مازول یا گاز باشد در این تقسیم بندی ها اهمیت ندارد. (اگر چه در کشور ما سوخت گاز سوخت غالب این توربین هاست. )
هر توربین گاز v94.2 متشکل از دو محفظه احتراق است که در طر فین توربین نصب هستند و سوخت گاز یا گازو ئیل پس از ورود به آن همراه با عملکرد سیستم جرقه مشتعل شده و با هوایی که از سمت فیلتر های ورودی وارد کمپرسور شده و پس از انبساط از آن خارج می شود وارد ناحیه محفظه احتراق شده محترق می گردد و گازی با درجه حرارت 1050 در جه سانتیگراد تو لید می نماید. گاز مذکور وارد توربین گاز شده و سبب گردش توربین و در نتیجه محور ژنراتور ده و تولید برق می کند. محصول خروجی از توربین گاز دودیست با درجه حرارت حدود 550 درجه سانتیگراد که به عنوان تلفات حرارتی از طریق دودکش وارد جو می شود و به این ترتیب توربین گاز در بهترین شرایط با بهره برداری حدود 33 درصد تولید انرژی می کند. به بیان دیگر 67 درصد دیگر به عنوان تلفات حرارتی محسوب و فاقد کارایی می باشد. ایده سیکل ترکیبی در واقع بازیافت مجدد از بخش 67 درصد یاد شده است. به این ترتیب که در بخش خروجی اگزوز هر توربین گاز با نصب دریچه های کنترل شونده گاز داغ فوق را به قسمت دیگ بخار هدایت تا آب موجود در آن به بخار سوپر هیت(بخار خیلی داغ و خشک) با درجه حرارت حدود 530 درجه سانتیگراد تبدیل و به همراه بخار خروجی از بویلر دوم جهت استفاده در توربین بخار به کار گرفته شود. به این ترتیب در بخش دیگ بخار چون از مشعل و سوخت جهت گرمایش صرفه جویی می شود راندمان در کل افزایش یافته و به رقمی معادل 55 در صد می رسد. (نزدیک به 25 درصد از 67 درصد تلفات فوق الذکر بازیافت و بدون نیاز به سوخت اضافی تبدیل به انرژی الکتریکی می شود. )
این بخار پس از انجام کار در توربین بخار افت درجه حرارت پیدا کرده و دمای آن به رقمی حدود 60 درجه سانتیگراد می رسد و در اینجا به منظور استفاده مجدد از آن بخار فوق توسط سیستم خنک کن ( در نیرو گاه کرمان به کمک فنر های پرقدرت) سرد و تبدیل به آب شده و جهت استفاده مجدد پس از انجام عملیات تصفیه بین راهی وارد تانک تغذیه می گردد تا دوباره وارد دیگ بخار گشته و تبدیل به بخار سوپر هیت شود. این چرخه را سیکل ترکیبی گویند که نیرو گاه کرمان یکی از نیرو گاه های فوق الذکر در سطح کشور محسوب می شود. آب مورد نیاز این نیرو گاه از طریق سه حلقه چاه حفر شده در دشت جو پار تامین و به کمک خط لوله به استخر آب خام نیرو گاه به ظرفیت 3000 متر مکعب وارد و ذخیره شده تا پس از انجام عملیات تصفیه مورد استفاده بویلر های نیرو گاه قرار گیرد. ظرفیت آبدهی چاه های مذکور 80 لیتر در ثانیه است.