فردآبرق: راکتورهای کوچک هسته‌ای یک راه حل ممکن

هفت‌برکه – گریشنا: در مجموعه یادداشت‌های فردآبرق در گریشنا با فراخوان یک گراشی از دبی در مورد آینده آب و برق منطقه گفتگو می‌کنیم و راه‌حل‌های موجود و ممکن بررسی می‌شود. در پاسخ به فراخوان یک گراشی از دبی یکی از متخصصین و پژوهشگران انرژی هسته‌ای، گزینه‌ انتقال آب دریا به منطقه و تولید برق در راکتورهای کوچک هسته‌ای را بررسی کرده است. 

شما هم یادداشت‌های خود را درباره آینده آب و برق منطقه برای gerash@gmail.com یا T.me/Gerash بفرستید.

انتقال آب و راکتور‌های محله‌ای هسته‌ای

همانطور که گفته شد امارات در آستانه بهره‌برداری رسمی راکتور هسته ای عظیمی است که در تولید برق و تصفیه آب نقش مهمی ایفا می‌کند. این راکتور با قدرت ۵۶۰۰ مگاوات قابلیت‌های صنعتی متفاوتی را نیز ایجاد می‌کند. اما در ایران و در منطقه لارستان، طرح پیشنهادی به صورت انتقال آب خلیج فارس به لارستان با حمایت نماینده مجلس و سپس تاسیس راکتورهای کوچک و  محلی قدرت هست به طوری که می‌توان چندین مجتمع را به صورت پیوسته در بازه‌های زمانی و مکان‌های مختلف طراحی کرد.

رنج انرژی راکتورهای محلی ۶۰ تا ۷۰۰ مگاوات است که به طور همزمان می‌توان چندین راکتور کوچک ۱۵ مگاواتی فعال در کنار کانال آب به صورت شبکه‌ای طراحی کرد که این موارد برای روستاهای کم جمعیت مسیر خلیج فارس تا لارستان کاربرد خواهد داشت. این موارد در قیاس با طراحی‌های بزرگ، صرفه اقتصادی بسیاری دارد.

از آنجایی که نمایندگان لارستان و سمنان چندین بار درخواست انتقال آب به حوزه خود را داشته‌اند و در سفر اخیر ریاست جمهوری به سمنان، سرمایه‌گذاری برای انتقال آب دریای خزر به سمنان تخصیص داده شد که با اصرار مردم منطقه و پیگیری نماینده آنان محقق شد.

لازم به ذکر است که هندسه کانال‌کشی برای استفاده در تولید برق قطعا متفاوت از مصارف صرفا کشاورزی خواهد بود. همچنین  منطقه جنوب پیچیدگی جغرافیایی کمتری نسبت با سلسله کوه‌های البرز دارد به همین علت اگر حمایت‌های سیاسی و اقتصادی باشد انجام این پروژه در جنوب گراش در دسترس‌تر از شمال کشور است.

انواع راکتورهای هسته‌ای کوچک

انواع راکتورهای مقیاس کوچک که در حال حاضر فناوری آن‌ها در دسترس است شامل آب سبک، نوترون سریع، فوق حرارتی با کند‌کننده گرافیت و راکتورهای نمک مذاب می‌شود.

راکتور آب سبک، کمترین ریسک تکنولوژیکی دارد و راکتور نوترون سریع، می‌تواند به صورت مجتمع با عملکرد طولانی‌تر طراحی شود. این انرژی‌های پاک، دی اکسید کربن تولید نمی کنند و صنعت پسمانداری هسته ای در کشور نیز پیشرفت قابل ملاحظه‌ای داشته است تا بتوان زباله‌های هسته‌ای را مدیریت کرد و یا به چرخه بهره‌برداری بازگرداند.

همزمان با طرح انتقال آب به وسیله کانال، می‌توان از فکر قدمای جنوب هم استفاده کرد و روی کانال را با سلول‌های خورشیدی پوشاند تا بتوان از دو منبع مختلف، انرژی دریافت کرد همچنان که در گراش قدیم، برکه سقف‌دار می ساختند یا برای جلوگیری از تبخیر آب حوض، سر آن را می‌پوشاندند.

چرا راکتورهای کوچک؟

با توجه به درخواست «انرژی پایدار» منطقه‌ای، حداقل زمان بهره‌برداری این پروژه ۱۲ سال است که تا نسل‌ها قابل بهره برداری خواهد بود. راکتورهای کوچک چون دمای هسته کمتری نسبت به راکتورهای بزرگ دارند نیاز نیست به دلایل امنیتی، زیر زمین یا زیر آب ساخته شوند.

حداکثر مکان اضطراری لازم برای طراحی یک راکتور کوچک، شعاع ۳۰۰ متری است. گرفتن تاییدیه‌های طراحی، ساخت و بهره برداری هزینه‌هایی دارد ولی بنا به تصمیم دولت، کمک در تولید انرژی پاک به بخش خصوصی اهمیت ویژه‌ای دارد.  طراحی مفهومی و سپس طراحی سیستمی، شغل‌های جانبی زیادی ایجاد خواهد کرد. معماری راکتورهای کوچک و سیستم تامین بخار هسته ای حالتی انفعالی دارند که در حوادث، فرونشانی آن نسبت به راکتورهای فعال و قدرت AC بسیار راحت‌تر است لذا این ویژگی، اعمال استانداردهای بالاتر را نیز تسهیل می کند. راکتورهای کوچک پسماند رادیواکتیو کمتری تولید میکنند لذا در برابر بلایای طبیعی همچون زلزله خطرات کمتری دارند. در انتهای عمر راکتورهای کوچک می توان به راحتی آنها را جمع‌آوری کرد.

راکتورهای کوچک آب سبک با ژنراتور بخار مجتمع که متمرکز بر گردش طبیعی خنک‌کننده هستند به صورت چندین منظوره طراحی می‌شوند. همچنین شغل‌های جانبی منشعب از آن همچون کشاورزی و پرورش ماهی، می‌تواند در معضل بیکاری نقش مهمی ایفا کند.

نوع سوخت راکتورهای کوچک اورانیوم-۲۳۵ با غنای ۲۰ درصد است ولی از آنجایی که تاسیسات غنی‌سازی شهری می‌توانند فقط تا غنای ۵ درصد را تدارک ببیند مقدار تناژ بیشتر تا ۲۰ تن می‌تواند در نظر گرفته شود. معدن اورانیوم گچین بندرعباس نسبت به معدن ساغند یزد ذخایر بسیار بالاتری با آلودگی کمتر مولیبدنیوم دارد و چون معدنی روباز هست هزینه جمع آوری و انتقال سنگ آن به کارخانه فرآوری بسیار اندک است. نکته اساسی این است که معدن‌کاری اورانیوم به هزاران لیتر آب نیاز دارد، ولی ذخایر موجود اورانیوم ایران در مناطق خشک و نیمه خشک قرار گرفته است لذا انتقال آب از خلیج فارس، کلید اصلی روشن شدن حل مساله است.

کشورهای با شرایط مشابه

پاکستان و هند نیز تقریبا شرایط مشابه ایران دارند ولی به جای آب سبک از آب سنگین در استخر راکتور کوچک خود استفاده می‌کنند و یا راکتور تحت فشار طراحی کرده‌اند که هر کدام اکنون تا قدرت تولید ۳۰۰ مگاوات به صورت محلی در حال بهره‌برداری دارند. راکتورهای آب سبک با غنای اورانیوم-۲۳۵ کمتر از ۵ درصد  و دوره شش ساله تعویض سوخت، آسان‌ترین رگولاتوری را دارند. این روش تا تولید ۵۰ مگاوات برای مناطق دورافتاده و نظامی کارایی بالایی دارد. برخی راکتورهای کوچک جدید، قابل حمل بر روی آب هستند که در طراحی یک کانال آب، قابلیت جابجایی برای مناطق مختلف را نیز مهیا می‌کند زیرا سیستم تامین بخار درون مجراهای تحت فشار به صورت مجتمع طراحی می‌شوند. این سیستم‌های جدید که ایمنی بالایی دارند همچون دیگر طراحی‌ها، نیاز به خنک‌کننده کندانسور بخار دارد. در چین، این نوع سیستم‌های شناور تا قدرت ۲۰۰ مگاوات در حال طراحی هستند و در روسیه نیز برای نمک‌زدایی آب مورد استفاده قرار می‌گیرند. به عنوان نمونه، یک واحد ۱۵۰ مگاواتی اسمی شناور، بطور خالص ۳۵ مگاوات تولید دارد و تا ۳۵ مگاوات نیز گرما برای نمک زدایی یا انتقال حرارت در فصل زمستان تولید می کند.

راکتورهای آب سنگینی که در دمای بالا با گاز خنک می شوند برای انتقال حرارت تا ۸۰۰ درجه نیز مفید هستند. همچنین از آن‌ها می‌توان برای تبادل گرما در صنعت، انتقال به مدار ثانویه ژنراتور بخار و یا حتی انتقال مستقیم به یک توربین گازی چرخه‌ای (برایتون) برای تولید الکتریسیته تا ۵۰ درصد بازده حرارتی استفاده کرد. سوخت‌های جدید همچون توریم با بازتابنده اکسید برلیوم در راکتورهای آب سنگین استفاده می شود.

سیستم‌های فنی راکتورها

*راکتورهای نوترون سریع کوچک‌تر و ساده‌تر از انواع آب سبک هستند و دوره زمانی بالاتری (حدود ۲۰ سال) برای تعویض سوخت دارند اما نیاز به ایمنی بیشتری دارند. در این سیستم چون کندکننده نوترونی وجود ندارد، شار نوترونهای سریع تولیدی معمولا با فلز مایع همچون سدیم، سرب یا بیسموت-سرب سرد و کند می شود. این راکتورها که در فشار نزدیک به فشار اتمسفر کار می‌کنند ویژگی‌های ایمنی منفعلی و اغلب گردش همرفتی در خنک‌کنندگی اولیه دارند. سوخت آنها نیترید اورانیوم ۱۵ درصد غنی شده است.

راکتورهای نمک مذاب معمولا از فلوراید مذاب به عنوان خنک‌کننده در فشار کم استفاده می‌کنند. نمکهای فلوراید لیتیوم-برلیوم-زیرکونیوم معمولا تا ۱۴۰۰ درجه سانتیگراد بدون تحت فشار قرار گرفتن به صورت مایع باقی می‌مانند در صورتی که راکتورهای قدرت تحت فشار در دمای ۳۱۵ درجه و تحت فشار ۱۵۰ اتمسفر عملیاتی می‌شوند. در برخی طراحی‌ها نیز، سوخت را در خنک‌کننده اولیه حل می‌کنند. در یک طراحی خاص، اگر گرافیت بدون پوشش در هسته راکتور به عنوان کندکننده استفاده شود اجازه می‌دهد که جریان نمک تا ۷۰۰ درجه و در فشارهای کم باشد. گرما را می‌توان به مدار ثانویه نمک و سپس به سیستم بخار انتقال داد.

مدل راکتورهای کوچک همگن آبی نیز سوختی درآمیخته با کندکننده به فرم مایع دارند. در این مدل، نیترات اورانیوم با غنای کم در یک محلول آبی استفاده می‌شود. این نوع راکتورها مزیت خود-رگولاتوری دارند و محصولات شکافت هسته‌ای به طور پیوسته از چرخه سوخت کنار گذاشته می‌شوند. چنین نمونه‌ای در هلند به صورت تحقیقاتی و نه عملیاتی ساخته شده است که برای محلول آن، نیترات آمرسیوم رادیواکتیو درون آب نیز پیشنهاد شده است. مثلا ۵ کیلوگرم از محلول همراه با  هفتصد گرم سوخت هسته‌ای آمرسیوم به قطر ۱۹ سانتیمتر، قدرت خروجی آن حدود چند کیلووات خواهد بود.

مدل تحقیقاتی دیگر، راکتورهای گرمایشی  است که در آن، یک سیال به درون تعداد زیادی لوله های گرمایشی فولادی که به صورت افقی و مهر و موم شده قرار دارند وارد می‌شود تا گرما را از سوخت داغ یعنی جایی که سیال در حال سوختن هست به کندانسور بیرونی هدایت کند یعنی جایی که سیال، گرمای پنهان تبخیر را آزاد می‌کند. در این روش و در فشار کم برای داشتن اثر متوالی شارش داخلی مایع-بخار بصورت همدما، نیاز به هیچ پمپاژی نیست. در اینجا نیز فلز مایع به عنوان سیال استفاده می‌شود تا بتون حدود چند مگاوات خروجی داشت. این روش به عنوان روشی با ریسک کم و عدم نیاز به تکنولوژی پیچیده مطرح هست.

طراحی پیش ساخته‌ها در نمونه و اندازه کوچک قبل از طراحی اصلی در هر نوع مدل می‌تواند در هزینه‌ها صرفه‌جویی به همراه داشته باشد. هزینه سرمایه و هزینه تولید در این نوع مدل‌های کوچک ذکر شده، در صورت طراحی به صورت بهم پیوسته بسیار قابل مقایسه با راکتورهای بزرگ است. هنگامی که یک واحد در این روش پیشنهادی ساخته و بهره‌برداری می‌شود برق تولیدی آن، هزینه ساخت واحد بعدی را تامین خواهد کرد. اگر به عنوان نمونه سقف ۱۰۰۰ مگاواتی طراحی شود و از کل ۳ واحد فرضی، هر واحد طی سه سال ساخته شود حدود ده درصد برای ده سال نیاز هست تا ماکزیمم هزینه منفی را تا ۷۵۰ میلیون دلار مدیریت کرد. این مثال در مقایسه با ساخت یک راکتور تک واحدی هزار مگاواتی همچون بوشهر مطرح شده است.