ساختار نيروگاه هاي اتمي جهان

برحسب نظريه اتمي عنصر عبارت است از يك جسم خالص ساده كه با روش هاي شيميايي نمي توان آن را تفكيك كرد. از تركيب عناصر با يكديگر اجسام مركب به وجود مي آيند. تعداد عناصر شناخته شده در طبيعت حدود 92 عنصر است.
در این روش معمولاً 3/1 از انرژی الکتریکی را به توربین بخار و 3/2 آن را توربین گاز تولید می نماید .
گاز داغ خروجی از هر توربین گاز وارد مستقیماً وارد بویلر مخصوص به خود می گردد. بخار خروجی از بویلر نیز وارد هدر (Header) مشترک شده و توربین بخار را تغذیه می نماید .
از آنجایی که قابلیت بهره برداری بویلر و توربین بخار بیش از توربین گاز می باشد در این آرایش این امکان وجود دارد که در صورت توقف یک واحد گازی ، واحدهای گازی دیگر بتوانند به همراه توربین بخار کار کنند .
قدرت ژنراتور واحدهای گازی و واحد بخار دو توربین گاز مشابه می باشد . متناسب با سلیقه بهره برداری می توان با تعبیه اگزوز کمکی در حد فاصل توربین گاز و بویلر ، کارکرد مستقل توربین گاز را ( در صورت توقف توربین بخار یا بویلر ) فراهم نمود .
در این روش ایجاد امکان تعمیرات بر روی بویلر ضروری می باشد که مستلزم تعبیه دمپرهای مناسب است . ( دمپر وسیله ای است که در محل خروج گاز داغ از توربین گاز قرار می گیرد و با ایستادن در وضعیت های مختلف ، امکان انتقال گاز داغ را به اگزوز و یا بویلر فراهم می آورد .) البته وجود دمپر مستلزم انجام تعمیرات خاص و بازدیدهای ویژه می باشد که این امر به نوبه خود باعث کاهش قابلیت بهره برداری می گردد. همچنین وجود دمپر پس از مدتی بهره برداری باعث تلفات گاز داغ می گردد که نهایتاً کاهش راندمان را در پی خواهد داشت .
برخی سازندگان و تولید کنندگان انرژی الکتریکی جهت ایجاد امکان بهره برداری غیر هم زمان توربین گاز و بخار ، به جای اگزوز کمکی کندانسور کمکی را توصیه می نماید . حسن این روش در این است که ضمن ایجاد امکان بهره گیری از توربین گاز در مواقع توقف توربین بخار و جلوگیری از تلفات گاز داغ از طریق اگزوز کمکی ، راه اندازی سریع بویلر و توربین بخار را باعث می گردد . این روش بیشتر در مواردی که فروش بخار و یا آب گرم مصرف شهری و صنعتی نیز مد نظر باشد مورد استفاده قرار می گیرد .



4- یک توربین گاز ، یک بویلر و چند توربین بخار
قدمت زیاد واحدهای بخاری و امکان باز سازی مجدد آنها و شرایط کار این گونه واحدها باعث شد که غالب تولیدکنندگان انرژی الکتریسیته به فکر بازسازی این گونه واحدها با استفاده از واحدهای گازی بیفتند. در این روش ضمن ایجاد امکان به کار گیری مجدد از سرمایه گذاری انجام شده ، می توان نسبت به افزایش راندمان واحدهای قدیمی تر نیز اقدام کرد .
این روش بازسازی و نوسازی تنها برای واحدهای گازسوز و یا با سوخت مایع امکان پذیر است . این روش بدان جهت قوت گرفت که غالباٌ قسمت حساس واحدهای بخاری یعنی بویلر آنها ، معمولاً پس از مدتی کارکرد نیاز به بازسازی کامل دارد در صورتی که توربین و سایر متعلقات آن با انجام تعمیرات جزیی قابل استفاده مجدد می باشند. بدین ترتیب با تلفیق تکنولوژی قدیمی ( توربین بخار ) که دارای شرایط کار قابل انطباق با شرایط تکنولوژی جدید توربین گاز می باشد ، شرایظ بهره برداری مناسبی از توربین گاز جدید و توربین بخار قدیمی فراهم می آید. به عنوان مثال در صورتی که هدف بازسازی سه واحد بخار 20 مگاواتی باشد ، می توان به جای نوسازی سه بویلر، با نصب یک واحد توربین گاز 120 مگاواتی و یک بویلر بدون مشعل ، ضمن افزایش قدرت مجموعه به 180 مگاوات ، با جزئی سرمایه گذاری بیشتر راندمان مجموعه را از 30 درصد ، که در صورت کارکرد مستقل هر کدام حاصل می شود ، به بیش از 40 درصد افزایش داد که البته این افزایش 10 درصدی در راندمان هزینه های سوخت را به میزان 3/1 کاهش خواهد داد .


مدل مربوط به این طرح در شکل زیر آورده شده است :

ساختار نيروگاه هاي اتمي جهان
برحسب نظريه اتمي عنصر عبارت است از يك جسم خالص ساده كه با روش هاي شيميايي نمي توان آن را تفكيك كرد. از تركيب عناصر با يكديگر اجسام مركب به وجود مي آيند. تعداد عناصر شناخته شده در طبيعت حدود 92 عنصر است.
هيدروژن اولين و ساده ترين عنصر و پس از آن هليم، كربن، ازت، اكسيژن و... فلزات روي، مس، آهن، نيكل و... و بالاخره آخرين عنصر طبيعي به شماره 92، عنصر اورانيوم است. بشر توانسته است به طور مصنوعي و به كمك واكنش هاي هسته اي در راكتورهاي اتمي و يا به كمك شتاب دهنده هاي قوي بيش از 20 عنصر ديگر بسازد كه تمام آن ها ناپايدارند و عمر كوتاه دارند و به سرعت با انتشار پرتوهايي تخريب مي شوند. اتم هاي يك عنصر از اجتماع ذرات بنيادي به نام پرتون، نوترون و الكترون تشكيل يافته اند. پروتون بار مثبت و الكترون بار منفي و نوترون فاقد بار است.

تعداد پروتون ها نام و محل قرار گرفتن عنصر را در جدول تناوبي (جدول مندليف) مشخص مي كند. اتم هيدروژن يك پروتون دارد و در خانه شماره 1 جدول و اتم هليم در خانه شماره 2، اتم سديم در خانه شماره 11 و... و اتم اورانيوم در خانه شماره 92 قرار دارد. يعني داراي 92 پروتون است.


ساختار نيروگاه اتمي

به طور خلاصه چگونگي كاركرد نيروگاه هاي اتمي را بيان كرده و ساختمان دروني آنها را مورد بررسي قرار مي دهيم.

طي سال هاي گذشته اغلب كشورها به استفاده از اين نوع انرژي هسته اي تمايل داشتند و حتي دولت ايران 15 نيروگاه اتمي به كشورهاي آمريكا، فرانسه و آلمان سفارش داده بود. ولي خوشبختانه بعد از وقوع دو حادثه مهم تري ميل آيلند (Three Mile Island) در 28 مارس 1979 و فاجعه چرنوبيل (Tchernobyl) در روسيه در 26 آوريل 1986، نظر افكار عمومي نسبت به كاربرد اتم براي توليد انرژي تغيير كرد و ترس و وحشت از جنگ اتمي و به خصوص امكان تهيه بمب اتمي در جهان سوم، كشورهاي غربي را موقتاً مجبور به تجديدنظر در برنامه هاي اتمي خود كرد.

نيروگاه اتمي در واقع يك بمب اتمي است كه به كمك ميله هاي مهاركننده و خروج دماي دروني به وسيله مواد خنك كننده مثل آب و گاز، تحت كنترل درآمده است. اگر روزي اين ميله ها و يا پمپ هاي انتقال دهنده مواد خنك كننده وظيفه خود را درست انجام ندهند، سوانح متعددي به وجود مي آيد و حتي ممكن است نيروگاه نيز منفجر شود، مانند فاجعه نيروگاه چرنوبيل شوروي. يك نيروگاه اتمي متشكل از مواد مختلفي است كه همه آنها نقش اساسي و مهم در تعادل و ادامه حيات آن را دارند. اين مواد عبارت اند از:

1- ماده سوخت متشكل از اورانيوم طبيعي، اورانيوم غني شده، اورانيوم و پلوتونيم است.

عمل سوختن اورانيوم در داخل نيروگاه اتمي متفاوت از سوختن زغال يا هر نوع سوخت فسيلي ديگر است. در اين پديده با ورود يك نوترون كم انرژي به داخل هسته ايزوتوپ اورانيوم 235 عمل شكست انجام مي گيرد و انرژي فراواني توليد مي كند. بعد از ورود نوترون به درون هسته اتم، ناپايداري در هسته به وجود آمده و بعد از لحظه بسيار كوتاهي هسته اتم شكسته شده و تبديل به دوتكه شكست و تعدادي نوترون مي شود. تعداد متوسط نوترون ها به ازاي هر 100 اتم شكسته شده 247 عدد است و اين نوترون ها اتم هاي ديگر را مي شكنند و اگر كنترلي در مهار كردن تعداد آنها نباشد واكنش شكست در داخل توده اورانيوم به صورت زنجيره اي انجام مي شود كه در زماني بسيار كوتاه منجر به انفجار شديدي خواهد شد.

در واقع ورود نوترون به درون هسته اتم اورانيوم و شكسته شدن آن توام با انتشار انرژي معادل با 200 ميليون الكترون ولت است اين مقدار انرژي در سطح اتمي بسيار ناچيز ولي در مورد يك گرم از اورانيوم در حدود صدها هزار مگاوات است. كه اگر به صورت زنجيره اي انجام شود، در كمتر از هزارم ثانيه مشابه بمب اتمي عمل خواهد كرد. اما اگر تعداد شكست ها را در توده اورانيوم و طي زمان محدود كرده به نحوي كه به ازاي هر شكست، اتم بعدي شكست حاصل كند شرايط يك نيروگاه اتمي به وجود مي آيد. به عنوان مثال نيروگاهي كه داراي 10 تن اورانيوم طبيعي است قدرتي معادل با 100 مگاوات خواهد داشت و به طور متوسط 105 گرم اورانيوم 235 در روز در اين نيروگاه شكسته مي شود و همان طور كه قبلاً گفته شد در اثر جذب نوترون به وسيله ايزوتوپ اورانيوم 238 اورانيوم 239 به وجود مي آمد كه بعد از دو بار انتشار پرتوهاي بتا (يا الكترون) به پلوتونيم 239 تبديل مي شود كه خود مانند اورانيوم 235 شكست پذير است. در اين عمل 70 گرم پلوتونيم حاصل مي شود. ولي اگر نيروگاه سورژنراتور باشد و تعداد نوترون هاي موجود در نيروگاه زياد باشند مقدار جذب به مراتب بيشتر از اين خواهد بودو مقدار پلوتونيم هاي به وجود آمده از مقدار آنهايي كه شكسته مي شوند بيشتر خواهند بود. در چنين حالتي بعد از پياده كردن ميله هاي سوخت مي توان پلوتونيم به وجود آمده را از اورانيوم و فرآورده هاي شكست را به كمك واكنش هاي شيميايي بسيار ساده جدا و به منظور تهيه بمب اتمي ذخيره كرد.

2- نرم كننده ها موادي هستند كه برخورد نوترون هاي حاصل از شكست با آنها الزامي است و براي كم كردن انرژي اين نوترون ها به كار مي روند. زيرا احتمال واكنش شكست پي در پي به ازاي نوترون هاي كم انرژي بيشتر مي شود. آب سنگين (D2O) يا زغال سنگ (گرافيت) به عنوان نرم كننده نوترون به كار برده مي شوند.

3- ميله هاي مهاركننده: اين ميله ها از مواد جاذب نوترون درست شده اند و وجود آنها در داخل رآكتور اتمي الزامي است و مانع افزايش ناگهاني تعداد نوترون ها در قلب رآكتور مي شوند. اگر اين ميله ها كار اصلي خود را انجام ندهند، در زماني كمتر از چند هزارم ثانيه قدرت رآكتور چند برابر شده و حالت انفجاري يا ديورژانس رآكتور پيش مي آيد. اين ميله ها مي توانند از جنس عنصر كادميم و يا بور باشند.

4- مواد خنك كننده يا انتقال دهنده انرژي حرارتي: اين مواد انرژي حاصل از شكست اورانيوم را به خارج از رآكتور انتقال داده و توربين هاي مولد برق را به حركت در مي آورند و پس از خنك شدن مجدداً به داخل رآكتور برمي گردند. البته مواد در مدار بسته و محدودي عمل مي كنند و با خارج از محيط رآكتور تماسي ندارند. اين مواد مي توانند گاز CO2 ، آب، آب سنگين، هليم گازي و يا سديم مذاب باشند.

غني سازي اورانيم

سنگ معدن اورانيوم موجود در طبيعت از دو ايزوتوپ 235 به مقدار 7/0 درصد و اورانيوم 238 به مقدار 3/99 درصد تشكيل شده است. سنگ معدن را ابتدا در اسيد حل كرده و بعد از تخليص فلز، اورانيوم را به صورت تركيب با اتم فلئور (F) و به صورت مولكول اورانيوم هكزا فلورايد UF6 تبديل مي كنند كه به حالت گازي است. سرعت متوسط مولكول هاي گازي با جرم مولكولي گاز نسبت عكس دارد اين پديده را گراهان در سال 1864 كشف كرد. از اين پديده كه به نام ديفوزيون گازي مشهور است براي غني سازي اورانيوم استفاده مي كنند.در عمل اورانيوم هكزا فلورايد طبيعي گازي شكل را از ستون هايي كه جدار آنها از اجسام متخلخل (خلل و فرج دار) درست شده است عبور مي دهند. منافذ موجود در جسم متخلخل بايد قدري بيشتر از شعاع اتمي يعني در حدود 5/2 انگشترم (000000025/0 سانتيمتر) باشد. ضريب جداسازي متناسب با اختلاف جرم مولكول ها است.روش غني سازي اورانيوم تقريباً مطابق همين اصولي است كه در اينجا گفته شد. با وجود اين مي توان به خوبي حدس زد كه پرخرج ترين مرحله تهيه سوخت اتمي همين مرحله غني سازي ايزوتوپ ها است زيرا از هر هزاران كيلو سنگ معدن اورانيوم 140 كيلوگرم اورانيوم طبيعي به دست مي آيد كه فقط يك كيلوگرم اورانيوم 235 خالص در آن وجود دارد. براي تهيه و تغليظ اورانيوم تا حد 5 درصد حداقل 2000 برج از اجسام خلل و فرج دار با ابعاد نسبتاً بزرگ و پي درپي لازم است تا نسبت ايزوتوپ ها تا از برخي به برج ديگر به مقدار 01/0 درصد تغيير پيدا كند. در نهايت موقعي كه نسبت اورانيوم 235 به اورانيوم 238 به 5 درصد رسيد بايد براي تخليص كامل از سانتريفوژهاي بسيار قوي استفاده نمود. براي ساختن نيروگاه اتمي، اورانيوم طبيعي و يا اورانيوم غني شده بين 1 تا 5 درصد كافي است. ولي براي تهيه بمب اتمي حداقل 5 تا 6 كيلوگرم اورانيوم 235 صددرصد خالص نياز است.

عملا در صنايع نظامي از اين روش استفاده نمي شود و بمب هاي اتمي را از پلوتونيوم 239 كه سنتز و تخليص شيميايي آن بسيار ساده تر است تهيه مي كنند. عنصر اخير را در نيروگاه هاي بسيار قوي مي سازند كه تعداد نوترون هاي موجود در آنها از صدها هزار ميليارد نوترون در ثانيه در سانتيمتر مربع تجاوز مي كند. عملاً كليه بمب هاي اتمي موجود در زراد خانه هاي جهان از اين عنصر درست مي شود.روش ساخت اين عنصر در داخل نيروگاه هاي اتمي به صورت زير است: ايزوتوپ هاي اورانيوم 238 شكست پذير نيستند ولي جاذب نوترون كم انرژي (نوترون حرارتي هستند. تعدادي از نوترون هاي حاصل از شكست اورانيوم 235 را جذب مي كنند و تبديل به اورانيوم 239 مي شوند. اين ايزوتوپ از اورانيوم بسيار ناپايدار است و در كمتر از ده ساعت تمام اتم هاي به وجود آمده تخريب مي شوند. در درون هسته پايدار اورانيوم 239 يكي از نوترون ها خودبه خود به پروتون و يك الكترون تبديل مي شود.بنابراين تعداد پروتون ها يكي اضافه شده و عنصر جديد را كه 93 پروتون دارد نپتونيم مي نامند كه اين عنصر نيز ناپايدار است و يكي از نوترون هاي آن خود به خود به پروتون تبديل مي شود و در نتيجه به تعداد پروتون ها يكي اضافه شده و عنصر جديد كه 94 پروتون دارد را پلوتونيم مي نامند. اين تجربه طي چندين روز انجام مي گيرد.
خورشید از نو ع متمرکز کننده‌های سهموی خطی قرار خواهند گرفت.

.


 
 
نیروگاه های آبی

اینگونه مولدها در مناطقی که دارای آب جاری فراوان باشند بکار گرفته می گردد. متناسب با میزان آب جاری رودخانه در طول سال و حداقل و حداکثر دبی آب رودخانه ، سدی بر روی رودخانه احداث می گردد و این سد توسط مجاری خاصی آب را از توربین عبور می دهد و محور آن را به گردش در می آورد . این محور گردان به نوبه خود ژنراتوری را که با آن کوپله است به چرخش در می آورد و بدین ترتیب جریان الکتریسیته تولید می شود.
ظرفیت قابل بهره برداری لز تیرو گاههای آبی علاوه بر عامل نگهداری صحیح ، تابعی از میزان دبی رودخانه می باشد که آنهم متاثر از میزان ریزش باران است . ارتفاع موثر نیز عامل غیر قابل انکاری در این زمینه به شمار می آید . ظرفیت نیروگاههای آبی را سریعاٌٍ – که از چند دقیقه تجاوز نمی کند – می توان در اختیار شبکه قرار داد، در حالیکه این امر در مورد نیروگاههای حرارتی به مدت زمان بیشتری نیاز دارد .
از این نیروگاهها با توجه به میزان قدرت و انرژی قابل تولید و لزوم یا عدم لزوم و چگونگی کنترل آب برای مصارف کشاورزی ، صنعتی و شهری ، به عنوان مولد یکی از بارهای پایه ، میانی و یا پیک استفاده می گردد.
هزینه احداث اینگونه نیروگاهها در حدود هزار تا هزار و پانصد دلار به ازاء هر کیلو وات قدرت نصب شده می باشد ، لیکن به لحاظ ناچیز بودن هزینه های بهره برداری و نگهداری و تعمیرات ، هزینه تولید هر کیلو وات ساعت انرژی در این نوع نیروگاهها نصف هزینه تولید همین مقدار انرژی در نیروگاههای بخاری است .( با احتساب کلیه هزینه های تولید همچون هزینه استهلاک ، سود ، سوخت ، دستمزد و تعمیرات و ... )

 

 اساس نحوه استفاده از گاز خروجی ، نیروگاههای سیکل ترکیبی به سه دسته تقسیم بندی می شوند .

1- نیروگاههای سیکل ترکیبی بدون مشعل
در این نوع ، دود خروجی از اگزوز توربین گاز که حجم بالا و دمای زیادی ( دمای گاز خروجی در بار اسمی در حدود 500 درجه سانتی گراد است ) دارد به بویلری هدایت می شود و به جای مشعل و سوخت در واحدهای بخاری ، جهت تولید حرارت به کار می رود. بخار تولید شده نیز توربین بخار را به چرخش در می آورد. این امر باعث بالا رفتن راندمان مجموعه نیروگاهی می گردد ، ضمن آنکه هزینه های سرمایه گذاری به ازای هر کیلو وات تا حد قابل ملاحظه ای کاهش پیدا می کند . این مجموعه برای تولید برق پایه استفاده می شود و کارآیی آن در صورتی که فقط برای تولید برق به کار رود تا 50 درصد هم بالا می رود .
در مناطق سردسیر با بکارگیری توربین بخار با فشار خروجی زیاد (Back pressure) به جای کندانسور و برج خنک کن در تامین آب گرم و بخار مصرفی گرمایش مناطق شهری و صنعتی نیز استفاده می شود که در این صورت راندمان تا 80 درصد هم افزایش می یابد.


 * منبع- بانک اطلاعات انرزی الکتریک



 * منبع- بانک اطلاعات انرزی الکتریک