«جام‌جم» با نگاهی به پژوهش‌ها ظرفیت توسعه برق هستهای کشور را بررسی می‌کند
جریان هستهای در شبکه‌انرژی کشور
تولید برق و تأمین انرژی از مهم‌ترین کاربردهای صلح‌آمیز فناوری هستهای است که در دهه‌های اخیر به‌عنوان راهکاری برای کنترل گرمایش زمین نیز در مجامع بین‌المللی مورد توجه قرار گرفته است. در کشور ما نیز این موضوع همواره در اسناد بالادستی و برخی قوانین مصوب ازجمله قوانین پنج‌ساله توسعه مورد توجه بوده است. نیروگاه اتمی بوشهر با یک واحد نیروگاهی با ظرفیت هزار‌مگاوات اکنون در حال فعالیت است و گفته می‌شود توسعه سهم نیروگاه‌های هستهای در سبد تولید برق کشور از سیاست‌های کلان حوزه انرژی به شمار می‌رود.درحال‌حاضر 10درصد برق تولیدی در جهان از نیروگاه‌های هستهای با مجموع ظرفیت 394 گیگاوات تأمین می‌شود. با پیشرفت فناوری‌های مورد استفاده در نیروگاه‌های تولید برق هستهای به نظر می‌رسد توسعه این انرژی در کنار انرژی‌های تجدیدپذیر به راهکاری جدی برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای مورد هدف قرار گرفته است.
تأمین میزان برق مورد نیاز کشور در سال‌های اخیر به‌ویژه در فصول گرم سال از چالش‌های مهم تأمین انرژی به‌شمار می‌رود. از طرف دیگر وابستگی نیروگاه‌های کشور به سوزاندن گاز طبیعی موجب شده که در فصول سرد که تأمین این حامل انرژی با مشکلاتی همراه است شاهد استفاده از سوخت‌هایی با آلایندگی بسیار بالا در نیروگاه‌ها باشیم که در سال‌های اخیر موجب آلودگی شدید هوا در ماه‌های سرد سال شده است. درصورتی‌که امکان توسعه فناوری هستهای به شکل مقرون‌به‌صرفه در کشور فراهم شود می‌تواند پاسخ مناسبی برای رفع چنین مشکلاتی در حوزه تأمین انرژی باشد.
فناوری رآکتورهای هستهای تولید برق
در رآکتور هستهای انرژی حاصل از شکافت هستهای به‌صورت کنترل‌شده به گرما تبدیل می‌شود. این گرما به‌واسطه نوعی سیال خنک‌کننده برای تولید بخار استفاده می‌شود. بخار تولیدشده در نهایت به گردش توربین و تولید برق در مولد الکتریکی منجر می‌شود. با توجه به نوع رآکتور هستهای، فناوری‌های مورد استفاده در چرخه سوخت هستهای نیز متفاوت خواهد بود. رآکتورهای هستهای قدرت براساس نوع خنک‌کننده یا کندکننده‌ای که استفاده می‌کنند و همچنین برخی ویژگی‌های ساختاری دسته‌بندی می‌شوند. در سال‌های پیش‌تر رآکتورهای آب تحت فشار، رآکتورهای آب جوشان، رآکتورهای آب سنگین تحت فشار، رآکتورهای آب سبک با کندکننده گرافیتی و رآکتورهای دارای خنک‌کننده گازی در مقیاس صنعتی توسعه یافته‌اند و اکنون نیز در نیروگاه‌های کشورهای مختلف در حال بهره‌برداری هستند.
طرح‌های جدیدتری نیز در مراحل تحقیق و توسعه هستند که از میان آنها می‌توان به رآکتورهای زاینده سریع، رآکتورهای نمک مذاب، رآکتورهای کوچک ماژولار و رآکتورهای گداخت هستهای اشاره کرد. در سراسر جهان حدود 440 رآکتور هستهای قدرت با مجموع ظرفیت 394 گیگاوات مشغول فعالیت هستند. از میان انواع فناوری‌ها، رآکتورهای آب تحت فشار با 307عدد و ظرفیت 293 گیگاوات (حدود 74درصد ظرفیت برق هستهای جهان) بیشترین فراوانی را در میان رآکتورها دارد و رآکتورهای آب جوشان و آب سنگین تحت فشار در رتبه‌های بعدی آن قرار دارند. رآکتورهای آب تحت فشار که در نیروگاه کشور ما نیز در حال بهره‌برداری است، در کنار مزایای فنی سازگاری بهتری با اهداف منع گسترش سلاح‌های هستهای دارد که موجب شده سهم بیشتری از رآکتورهای جهان را به خود اختصاص دهد.
از هستهای شدن تا برق هستهای
برنامه هستهای ایران همگام با توسعه صنعت هستهای در جهان از سال 1335 با امضای تفاهم‌نامه‌ای با آمریکا در زمینه استفاده صلح‌آمیز از انرژی هستهای آغاز شد. ایران در سال 1337 به عضویت آژانس بین‌المللی انرژی هستهای درآمد. طی همکاری با کشورهای هستهای دیگر ازجمله آمریکا، کانادا، فرانسه و آلمان و رشد نسبی دانش هستهای در کشور، سازمان انرژی اتمی در سال 1353 تأسیس شد. در سال 1354 قرارداد ساخت دو واحد نیروگاه هستهای در بوشهر با شرکت آلمانی کرافتورک یونیون به امضا رسید. با انقلاب اسلامی و آغاز جنگ تحمیلی برای چند سال برنامه هستهای ایران متوقف شد و بسیاری از قراردادها با کشورهای خارجی نیز فسخ شدند. به همین دلیل مذاکرات جدیدی با چین و روسیه آغاز و در سال 1374 تکمیل واحد اول نیروگاه هستهای بوشهر به روسیه سپرده شد. از سال 1384 برنامه هستهای ایران شتاب بیشتری گرفت و تولید کیک زرد و غنی‌سازی اورانیوم آغاز شد. طی این سال‌ها واحد اول نیروگاه بوشهر تکمیل شد و از سال 1390 مورد بهره‌برداری قرار گرفت و به شبکه برق سراسری متصل شد. عملیات ساخت واحد دوم نیز از سال 98 آغاز شده و پیش‌بینی می‌شود تا سال 1404 به بهره‌برداری برسد و همچنین واحد سوم نیز در مراحل اولیه ساخت قرار دارد.
چشم‌انداز آینده
از عوامل مهم در برنامه‌ریزی‌های توسعه نیروگاه‌های هستهای، برآورد میزان نیاز کشور به برق هستهای در مقایسه با سایر منابع است. به همین دلیل ضمن درنظرگرفتن مزایای این روش تولید انرژی مانند مزایای اقتصادی، امنیت انرژی و بهبود شرایط زیست‌محیطی باید چالش‌های بالقوه آن مانند تأمین مواد مورد نیاز، زیرساخت‌های موجود و مسائل سیاسی را نیز در نظر گرفت. در کنار مطالعات پژوهشی مختلفی که طی این پنج دهه فعالیت هستهای کشور صورت گرفته است، در سند تراز تولید و مصرف گاز طبیعی در کشور تا افق 1420 که در سال 99 به تصویب شورای عالی انرژی رسید، افزایش استفاده از نیروگاه‌های هستهای به‌عنوان راهکاری برای کاهش مصرف گاز طبیعی مطرح شده است. براساس این سند، در کنار سایر اقدامات در جهت ایجاد امنیت تأمین گاز طبیعی در کشور، افزایش ظرفیت نیروگاه‌های هستهای به حدود 3000 مگاوات تا سال 1410 و حدود 8000 مگاوات تا افق 1420 هدف‌گذاری شده است. علاوه‌براین در قانون بودجه سال 1401 نیز به دولت اجازه داده شده است تا نسبت به احداث نیروگاه هستهای تا ظرفیت 10هزار مگاوات اقدام کند.
برگرفته از: پژوهش مرکز پژوهش‌های مجلس‌شورای اسلامی
فرآیند تولید برق هستهای
در فرآیند شکافت هستهای، هسته شکافا (که عمدتا هسته‌های سنگین مانند اورانیوم و پلوتونیم هستند) با جذب نوترون به دو هسته سبک‌تر شکافته شده و انرژی زیادی آزاد می‌کند. انرژی هر شکافت هستهای 20میلیون برابر بیشتر از انرژی آزادشده از سوخت‌های فسیلی مانند متان است. با هر شکافت تعدادی نوترون هم آزاد می‌شود که با برخورد به هسته‌های بعدی باعث شکافت آنها شده و زنجیره شکافت هستهای را ایجاد می‌کنند.
برای سیاست‌گذاری پایدار در زمینه برق هستهای باید همه بخش‌های زنجیره تولید که به آن چرخه سوخت هستهای گفته می‌شود به‌صورت متوازن توسعه پیدا کند. این چرخه از چند مرحله تشکیل شده است:
معدن‌کاری: استخراج اورانیوم طبیعی از معدن، خرد کردن و انجام فرآیندهای شیمیایی که به تولید کیک زرد منجر می‌شود.
تبدیل: کیک زرد تولیدشده برای امکان فرآیند غنی‌سازی به UF6 تبدیل می‌شود.
غنی‌سازی: از آنجا که اورانیوم طبیعی برای استفاده در رآکتورهای هستهای مناسب نیست باید ابتدا تعداد ذرات هستهای آن افزایش یابد. در این مرحله UF6 در سانتریفیوژ گازی وارد می‌شود و هسته اورانیوم-235 به اورانیوم-238 ارتقا پیدا می‌کند.
ساخت سوخت: UF6 غنی‌شده با فرآیندهای مکانیکی به اکسید اورانیوم با چگالی بالا(UO2) تبدیل شده و با قرارگیری در پوشش زیرکونیومی به مجتمع‌های سوخت تبدیل می‌شود.
نیروگاه هستهای: با قرار دادن مجتمع‌های سوخت در رآکتورهای هستهای امکان تولید توان هستهای فراهم خواهد شد.
ذخیره‌سازی: پس از پایان چرخه کاری رآکتور هستهای، سوخت مصرف‌شده برای جایگزینی با سوخت تازه از رآکتور خارج می‌شود.
دفع: آخرین مرحله چرخه‌های سوخت باز دفع زیرزمینی سوخت مصرف‌شده در تأسیسات ایمن است.
بازفرآوری: با بازفرآوری سوخت‌های مصرف‌شده در چرخه‌های سوخت بسته، اورانیوم و پلوتونیم موجود استخراج و مجددا وارد کارخانه ساخت سوخت می‌شود.
برق هستهای در شبکه نیروی کشور
درحال‌حاضر توان تولید برق هستهای کشور حدود هزار مگاوات است که در تنها نیروگاه هستهای کشور یعنی واحد اول نیروگاه بوشهر تأمین می‌شود. از آغاز به فعالیت این واحد در سال 90 تاکنون از انتشار حدود 46میلیون تن انواع آلاینده‌های گازی جلوگیری شده، همچنین معادل 13.9میلیارد مترمکعب گاز طبیعی نیز در مصرف سوخت‌های فسیلی در کشور صرفه‌جویی شده است. میزان برق تحویلی این نیروگاه در سال‌های 1390 تا 1400 در نمودار زیر قابل مشاهده است. بهره‌برداری تجاری از این نیروگاه از سال 1392 آغاز شده است. خاموشی‌های برنامه‌ریزی‌شده شامل سوخت‌گذاری سالانه و تعمیرات و همچنین برخی خاموشی‌های برنامه‌ریزی‌نشده موجب شده که میزان برق تحویلی این نیروگاه به شبکه در سال‌های مختلف با فراز و فرودهایی همراه باشد.
عسل اخویان طهرانی - گروه دانش و سلامت
فناوری رآکتورهای هستهای تولید برق
در رآکتور هستهای انرژی حاصل از شکافت هستهای به‌صورت کنترل‌شده به گرما تبدیل می‌شود. این گرما به‌واسطه نوعی سیال خنک‌کننده برای تولید بخار استفاده می‌شود. بخار تولیدشده در نهایت به گردش توربین و تولید برق در مولد الکتریکی منجر می‌شود. با توجه به نوع رآکتور هستهای، فناوری‌های مورد استفاده در چرخه سوخت هستهای نیز متفاوت خواهد بود. رآکتورهای هستهای قدرت براساس نوع خنک‌کننده یا کندکننده‌ای که استفاده می‌کنند و همچنین برخی ویژگی‌های ساختاری دسته‌بندی می‌شوند. در سال‌های پیش‌تر رآکتورهای آب تحت فشار، رآکتورهای آب جوشان، رآکتورهای آب سنگین تحت فشار، رآکتورهای آب سبک با کندکننده گرافیتی و رآکتورهای دارای خنک‌کننده گازی در مقیاس صنعتی توسعه یافته‌اند و اکنون نیز در نیروگاه‌های کشورهای مختلف در حال بهره‌برداری هستند.
طرح‌های جدیدتری نیز در مراحل تحقیق و توسعه هستند که از میان آنها می‌توان به رآکتورهای زاینده سریع، رآکتورهای نمک مذاب، رآکتورهای کوچک ماژولار و رآکتورهای گداخت هستهای اشاره کرد. در سراسر جهان حدود 440 رآکتور هستهای قدرت با مجموع ظرفیت 394 گیگاوات مشغول فعالیت هستند. از میان انواع فناوری‌ها، رآکتورهای آب تحت فشار با 307عدد و ظرفیت 293 گیگاوات (حدود 74درصد ظرفیت برق هستهای جهان) بیشترین فراوانی را در میان رآکتورها دارد و رآکتورهای آب جوشان و آب سنگین تحت فشار در رتبه‌های بعدی آن قرار دارند. رآکتورهای آب تحت فشار که در نیروگاه کشور ما نیز در حال بهره‌برداری است، در کنار مزایای فنی سازگاری بهتری با اهداف منع گسترش سلاح‌های هستهای دارد که موجب شده سهم بیشتری از رآکتورهای جهان را به خود اختصاص دهد.
از هستهای شدن تا برق هستهای
برنامه هستهای ایران همگام با توسعه صنعت هستهای در جهان از سال 1335 با امضای تفاهم‌نامه‌ای با آمریکا در زمینه استفاده صلح‌آمیز از انرژی هستهای آغاز شد. ایران در سال 1337 به عضویت آژانس بین‌المللی انرژی هستهای درآمد. طی همکاری با کشورهای هستهای دیگر ازجمله آمریکا، کانادا، فرانسه و آلمان و رشد نسبی دانش هستهای در کشور، سازمان انرژی اتمی در سال 1353 تأسیس شد. در سال 1354 قرارداد ساخت دو واحد نیروگاه هستهای در بوشهر با شرکت آلمانی کرافتورک یونیون به امضا رسید. با انقلاب اسلامی و آغاز جنگ تحمیلی برای چند سال برنامه هستهای ایران متوقف شد و بسیاری از قراردادها با کشورهای خارجی نیز فسخ شدند. به همین دلیل مذاکرات جدیدی با چین و روسیه آغاز و در سال 1374 تکمیل واحد اول نیروگاه هستهای بوشهر به روسیه سپرده شد. از سال 1384 برنامه هستهای ایران شتاب بیشتری گرفت و تولید کیک زرد و غنی‌سازی اورانیوم آغاز شد. طی این سال‌ها واحد اول نیروگاه بوشهر تکمیل شد و از سال 1390 مورد بهره‌برداری قرار گرفت و به شبکه برق سراسری متصل شد. عملیات ساخت واحد دوم نیز از سال 98 آغاز شده و پیش‌بینی می‌شود تا سال 1404 به بهره‌برداری برسد و همچنین واحد سوم نیز در مراحل اولیه ساخت قرار دارد.
چشم‌انداز آینده
از عوامل مهم در برنامه‌ریزی‌های توسعه نیروگاه‌های هستهای، برآورد میزان نیاز کشور به برق هستهای در مقایسه با سایر منابع است. به همین دلیل ضمن درنظرگرفتن مزایای این روش تولید انرژی مانند مزایای اقتصادی، امنیت انرژی و بهبود شرایط زیست‌محیطی باید چالش‌های بالقوه آن مانند تأمین مواد مورد نیاز، زیرساخت‌های موجود و مسائل سیاسی را نیز در نظر گرفت. در کنار مطالعات پژوهشی مختلفی که طی این پنج دهه فعالیت هستهای کشور صورت گرفته است، در سند تراز تولید و مصرف گاز طبیعی در کشور تا افق 1420 که در سال 99 به تصویب شورای عالی انرژی رسید، افزایش استفاده از نیروگاه‌های هستهای به‌عنوان راهکاری برای کاهش مصرف گاز طبیعی مطرح شده است. براساس این سند، در کنار سایر اقدامات در جهت ایجاد امنیت تأمین گاز طبیعی در کشور، افزایش ظرفیت نیروگاه‌های هستهای به حدود 3000 مگاوات تا سال 1410 و حدود 8000 مگاوات تا افق 1420 هدف‌گذاری شده است. علاوه‌براین در قانون بودجه سال 1401 نیز به دولت اجازه داده شده است تا نسبت به احداث نیروگاه هستهای تا ظرفیت 10هزار مگاوات اقدام کند.
برگرفته از: پژوهش مرکز پژوهش‌های مجلس‌شورای اسلامی
فرآیند تولید برق هستهای
در فرآیند شکافت هستهای، هسته شکافا (که عمدتا هسته‌های سنگین مانند اورانیوم و پلوتونیم هستند) با جذب نوترون به دو هسته سبک‌تر شکافته شده و انرژی زیادی آزاد می‌کند. انرژی هر شکافت هستهای 20میلیون برابر بیشتر از انرژی آزادشده از سوخت‌های فسیلی مانند متان است. با هر شکافت تعدادی نوترون هم آزاد می‌شود که با برخورد به هسته‌های بعدی باعث شکافت آنها شده و زنجیره شکافت هستهای را ایجاد می‌کنند.
برای سیاست‌گذاری پایدار در زمینه برق هستهای باید همه بخش‌های زنجیره تولید که به آن چرخه سوخت هستهای گفته می‌شود به‌صورت متوازن توسعه پیدا کند. این چرخه از چند مرحله تشکیل شده است:
معدن‌کاری: استخراج اورانیوم طبیعی از معدن، خرد کردن و انجام فرآیندهای شیمیایی که به تولید کیک زرد منجر می‌شود.
تبدیل: کیک زرد تولیدشده برای امکان فرآیند غنی‌سازی به UF6 تبدیل می‌شود.
غنی‌سازی: از آنجا که اورانیوم طبیعی برای استفاده در رآکتورهای هستهای مناسب نیست باید ابتدا تعداد ذرات هستهای آن افزایش یابد. در این مرحله UF6 در سانتریفیوژ گازی وارد می‌شود و هسته اورانیوم-235 به اورانیوم-238 ارتقا پیدا می‌کند.
ساخت سوخت: UF6 غنی‌شده با فرآیندهای مکانیکی به اکسید اورانیوم با چگالی بالا(UO2) تبدیل شده و با قرارگیری در پوشش زیرکونیومی به مجتمع‌های سوخت تبدیل می‌شود.
نیروگاه هستهای: با قرار دادن مجتمع‌های سوخت در رآکتورهای هستهای امکان تولید توان هستهای فراهم خواهد شد.
ذخیره‌سازی: پس از پایان چرخه کاری رآکتور هستهای، سوخت مصرف‌شده برای جایگزینی با سوخت تازه از رآکتور خارج می‌شود.
دفع: آخرین مرحله چرخه‌های سوخت باز دفع زیرزمینی سوخت مصرف‌شده در تأسیسات ایمن است.
بازفرآوری: با بازفرآوری سوخت‌های مصرف‌شده در چرخه‌های سوخت بسته، اورانیوم و پلوتونیم موجود استخراج و مجددا وارد کارخانه ساخت سوخت می‌شود.
برق هستهای در شبکه نیروی کشور
درحال‌حاضر توان تولید برق هستهای کشور حدود هزار مگاوات است که در تنها نیروگاه هستهای کشور یعنی واحد اول نیروگاه بوشهر تأمین می‌شود. از آغاز به فعالیت این واحد در سال 90 تاکنون از انتشار حدود 46میلیون تن انواع آلاینده‌های گازی جلوگیری شده، همچنین معادل 13.9میلیارد مترمکعب گاز طبیعی نیز در مصرف سوخت‌های فسیلی در کشور صرفه‌جویی شده است. میزان برق تحویلی این نیروگاه در سال‌های 1390 تا 1400 در نمودار زیر قابل مشاهده است. بهره‌برداری تجاری از این نیروگاه از سال 1392 آغاز شده است. خاموشی‌های برنامه‌ریزی‌شده شامل سوخت‌گذاری سالانه و تعمیرات و همچنین برخی خاموشی‌های برنامه‌ریزی‌نشده موجب شده که میزان برق تحویلی این نیروگاه به شبکه در سال‌های مختلف با فراز و فرودهایی همراه باشد.
عسل اخویان طهرانی - گروه دانش و سلامت