رآکتورهای جدید هسته‌ای و نقش آن در آینده انرژی

آژانس متولی توسعه انرژی هسته‌ای در آمریکا خبر از به بازار آمدن نسل جدیدی از رآکتورهای هسته‌ای داده که به میزان قابل توجهی به صرفه است، از لحاظ نگرانی‌های ایمنی بسیار بهبود یافته و تولید زباله‌های اتمی را به حداقل می‌رساند و می‌تواند از گسترش سلاح‌های اتمی جلوگیری کند.
اما متاسفانه در دنیای انرژی هسته‌ای، گفتن حرف‌های خوب کافی نیست. آمریکا یک‌بار با خوش‌اقبالی از وقوع یک فاجعه هسته‌ای در یکی از رآکتورهای این کشور در جزیره تری‌مایل جلوگیری کرده است. در سال 1979 میلادی رآکتور اتمی واقع شده در این جزیره بیش از حد مجاز گرم شد، اما خوشبختانه تشعشعات بسیار کمی به بیرون از رآکتور نشت کرد و حادثه تلفات جانی در بر نداشت. اما اروپا به اندازه آمریکا خوش‌اقبال نبوده است. در جریان حادثه چرنوبیل در اوکراین در سال 1986 ده‌ها نفر در جا کشته شدند و سلامتی حداقل ده‌ها هزار نفر با آسیب‌های جدی مواجه شد. حتی با وجود آنکه انرژی هسته‌ای با سلاح‌های هسته‌ای ارتباطی ندارد، مردم جهان دلایل بسیار خوبی در دست دارند که نسبت به ایمن بودن رآکتورها و ادعاهای جدید در مورد آن ظنین باشند.

از طرف دیگر تمایل سیاسی به انرژی هسته‌ای به مدد نگرانی از پدیده گرم‌شدن زمین و امنیت تامین انرژی، در بیشتر نقاط جهان در حال گسترش است. براساس اطلاعات منتشر شده از سوی وزارت انرژی آمریکا، در حال حاضر در حدود 441 رآکتور هسته‌ای در 31 کشور جهان در حال فعالیت است و این تعداد رآکتور، 17 درصد الکتریسیته جهان را تامین می‌کند. تا همین چند وقت قبل، موضوع مهم مورد بحث در محافل انرژی جهان این بود که چگونه این تعداد رآکتور را از چرخه تولید الکتریسیته خارج کنیم. اکنون صحبت از آن است که چگونه عمر این رآکتورها را افزایش دهیم. از سوی دیگر، در کنار 441 راکتور یادشده، 32 رآکتور جدید عمدتا در هند، چین و همسایگان این کشورها در حال ساخت است. این نیروگاه‌های جدید هسته‌ای به نسل جدیدی از رآکتورها تعلق دارند که «نسل سوم» نامیده می‌شوند. «نسل سوم» رآکتورها با استفاده از تجربیات کسب شده در طول سالیان گذشته مورد بازبینی و اصلاح قرار گرفته و به گفته سازندگان آن بسیار پیشرفته است. اما آیا به راستی این رآکتورهای جدید نسبت به نسل قبلی واقعا ایمن‌تر است؟
مشخصا، طراحی‌های جدید باید کمتر در کمک به وقوع حوادث و اتفاقات مستعد باشد. مهمترین خاصیتی که ابزارهای فنی جدید باید داشته باشد، قابلیت از کارافتادن خودکار به صورت «ایمن» است. این مطلب در یک رآکتور بدین معنی است که اگر سیستم‌های کنترلی از کار افتاد، رآکتور به صورت خودکار خاموش شود، به‌صورت ایمن حرارت ایجاد در هسته رآکتور در حین فعل و انفعالات هسته‌ای خارج شده و رآکتور بتواند جلوی نشت سوخت و زباله‌های رادیو‌اکتیو موجود در هسته را از طریق ذخیره‌‌سازی در نوعی مخزن، بگیرد. رآکتورهایی که مراحل فوق را اجرا کنند منفعل (passive) نامیده می‌شوند. اکثر نسل سوم رآکتورها تقریبا منفعل هستند و رآکتورهای جدیدتر را هم که می‌شود کاملا منفعل نامید. با این وجود هزینه به راه انداختن برخی از رآکتورهای کاملا منفعل بسیار بیشتر از سایر رآکتورهاست.
انرژی هسته‌ای از طریق شکافت هسته‌ اتم تولید می‌شود. این فرآیند به این صورت است که معمولا هسته یک اتم بزرگ‌ نظیر اورانیوم یا پلوتونیوم از طریق شکافت به دو هسته کوچک‌تر تقسیم شده و در حین این فرآیند مقدار زیادی انرژی و نوترون آزاد می‌شود. نوترون‌های آزاد شده موجب شکافت سایر هسته‌ها و ادامه فرآیند به صورت زنجیره‌وار می‌گردد. در صورتی که این واکنش زنجیره‌ای را بتوان کنترل کرد، انرژی آزاد شده از آنرا می‌توان برای جوشاندن آب و تولید بخار آب و چرخاندن توربین بخار که الکتریسیته تولید می‌کند، مورد استفاده قرار داد. اما اگر واکنش زنجیره‌ای از کنترل خارج شود، دما به حدی افزایش می‌یابد که تجهیزات مورد استفاده در واکنش ذوب شده و حادثه‌ای ناگوار رخ می‌دهد و حتی در شرایط بسیار بد، ممکن است واکنش منجر به انفجار شود گرچه مورد اخیر بسیار بعید است از آنجایی که درجه غلظت مواد مورد استفاده در رآکتور بسیار کمتر از مواد مورد نیاز جهت یک انفجار هسته‌ای است.
در بسیاری از طراحی‌های جدید رآکتورها، دانشمندان موفق شده‌اند نوتورن‌ها و واکنش‌ زنجیره‌ای را از طریق کاستن از سرعت آن با استفاده از آب تحت کنترل درآورند و جالب آنکه نوترون‌های با سرعت کمتر نسبت به نوترون‌های سریع‌تر موجب شکافت هسته‌ای بیشتر می‌شوند. آب مورد استفاده در این فرآیند تحت فشار حدود 150 اتمسفر قرار دارد و این فشار باعث می‌شود تا در دماهای بسیار بالا، آب همچنان به حالت مایع باقی بماند. سیستم طراحی شده به این صورت عمل می‌کند که در حین واکنش هسته‌ای وقتی که دما به اندازه مشخصی افزایش می‌یابد، چگالی آن کاهش پیدا کرده و دیگر موجب کاهش سرعت نوترون‌ها نمی‌شود. عدم کاهش سرعت نوترون‌ها از وقوع شکافت‌های بیشتر جلوگیری می‌کند و باعث می‌شود که درجه شکافت در اندازه مشخصی باقی بماند.
هم‌اکنون اکثر رآکتورهای هسته‌ای مورد استفاده در آمریکا از سیستم آب تحت فشار استفاده می‌کنند. رآکتور اولکیلوتو (Oulkilouto) در فنلاند هم که در حال احداث است و تا سال 2009 به بهره‌برداری خواهد رسید از این سیستم استفاده کرده است. این رآکتور بزرگترین نیروگاه تولید انرژی هسته‌ای در جهان خواهد بود و سالانه 1600 مگاوات برق تولید خواهد کرد و می‌تواند به تنهایی نیاز برق 8/1 میلیون خانوار را تامین کند.
در نیروگاه اتمی اولکیلوتو علاوه بر سیستم آب تحت فشار چندین تدبیر دیگر هم برای مقابله با حوادث احتمالی اندیشیده شده است. این تدابیر عبارتند از 1- چهار سیستم خنک‌کننده اضطراری مجزا که هر کدام قادرند به تنهایی حرارت زیاد ناشی از توقف ناگهانی سیستم‌های کنترلی را از مجموعه خارج کنند. 2- دیواری بتونی که برای تحمل ضربات بعد از وقوع حادثه طراحی شده و مقاومت آن به حدی است که ضربه یک هواپیما را می‌تواند تحمل کند.
نیروگاه اتمی دیگری با همین مشخصات قرار است در فرانسه ساخته شود. در صورتی که روش‌های پیشگیرانه به کار رفته در این نیروگاه بتواند نگرانی‌های عمومی در فرانسه را پاسخگو باشد و برنامه احداث آن نهایی شود، نیروگاه می‌تواند تا سال 2012 به بهره‌برداری برسد. همینطور قرار است چهار نیروگاه اتمی مشابه در چین در آینده نزدیک ساخته شود.
کانادا، کشوری که در طول تاریخ خود تلاش کرده تا نسبت به همسایه جنوبی‌اش متمایز باشد، در زمینه انرژی هسته‌ای طرح‌های خود را دارد. رآکتور‌های آب‌سنگین تحت فشار کانادا، CANDU نام دارد و تقریبا مشابه رآکتور‌های آب تحت فشار که به نام رآکتور آب‌سبک مشهور است، عمل می‌کند، با این تفاوت که هیدروژن آب مورد استفاده در رآکتور با عنصر سنگین‌تری به نام دوتریوم عوض شده است. استفاده از آب سنگین پرهزینه ، اما سوخت مورد استفاده در رآکتورهای CANDU بسیار ارزان است.
رآکتورهای آب‌سبک به اورانیوم غنی‌شده به عنوان سوخت نیاز دارند. اورانیوم غنی‌شده یکی از ایزوتوپ‌های نادر اما بسیار شکاف‌پذیر اورانیوم است. غنی‌سازی هم فرآیند پیچیده و پرهزینه‌ای محسوب می‌شود. مزیت CANDU عدم نیاز به استفاده از اورانیوم غنی‌شده به عنوان سوخت می‌باشد. این رآکتور می‌تواند از اورانیوم عادی استفاده کند و ارزان بودن سوخت باعث می‌شود تا هزینه‌ها با رآکتورهای آب‌سبک برابری کند. علاوه بر این در CANDU به جای آنکه سوخت را فقط در یک محفظه ویژه نگهداری کرد، می‌تواند در تعداد زیادی محفظه قرار دارد و به همین‌خاطر این نوع رآکتورها می‌توانند در حین فعالیت سوخت‌گیری کنند و در نتیجه در مقایسه با رآکتورهای آب‌سبک بهینه‌ترند. هند و چین نیروگاه‌های اتمی با فناوری CANDU در اختیار دارند. رآکتورهای CANDU هم از نوع منفعل هستند.
نوع دیگری از رآکتور اتمی هم وجود دارد که آفریقای جنوبی مبدع آن است و «pubble-bed» (پوشش سنگ‌ریزه‌ای) نامیده می‌شود. این نوع رآکتور کاملا منفعل است. در روش مورد استفاده در «pubble-bed» به جای آب از گرافیت برای کنترل سرعت نوترون‌ها استفاده شده و حرارت حاصل از واکنش‌های هسته‌ای به جای گرم‌کردن آب گازهایی نظیر هلیوم، نیتروژن و دی‌اکسید را گرم می‌کند و با استفاده از توربین‌های گازی الکتریسیته تولید می‌شود.
نام «pubble-bed» برگرفته از این واقعیت است که گرافیت مانند پوششی برای شکل گوی‌ مانند سوخت اتمی قرار می‌گیرد. رآکتورهای «pubble-bed» مانند CANDU از این قابلیت برخوردار است که در حین واکنش سوخت‌گیری شود. هم‌اکنون چین در تلاش است تا رآکتورهای «pubble-bed» تولید کند.
دانشمندان علوم هسته‌ای در تلاش‌اند تا نسل چهارم رآکتورهای اتمی را به بازار ارائه کنند. این رآکتورها احتمالا بین سال‌های 2030 تا 2040 برای عرضه به بازار آماده شود. طراحی نسل چهارم رآکتورها حاصل کار تیمی ده کشور دنیا است که در قالب پروژه تحقیقاتی مشترک در حال انجام است. برخی از کشورهای شرکت‌کننده در این طرح عبارتند از آمریکا، انگلستان، فرانسه، ژاپن، آفریقای‌جنوبی، چین و کره‌جنوبی
از میان طرح‌های ارائه شده برای نسل چهارم رآکتورها، سه طرح مربوط به رآکتورهای «سریع» می‌شود. در این رآکتورهای دیگر نیازی به کند کردن سرعت نوترون‌ها وجود ندارد و از این طریق طراحان به دنبال آنند که چرخه‌ای ایجاد کنند که طی آن رآکتور سوخت مورد نیاز را بتواند در حین واکنش‌ها بازتولید کند. رآکتورهای «سریع» طراحی بسیار پیچیده‌ای دارد و ممکن است در عمل ساخت آن به صرفه نباشد. به هر حال تا سال 2030 زمان بسیار زیادی باقی‌مانده، اما آنچه مشخص است، استفاده از انرژی هسته‌ای بعد از دوره‌ای رکود دوباره در جهان به یک ضرورت بدل شده و کشورها سرمایه‌گذاری وسیعی جهت ابداع روش‌های جدید ایمن و بهینه‌ کرده‌اند.

منبع: اکونومیست