در تیرماه سال جاری درگاه خبری دانشگاه معتبر «ام.آی.تی» گزارشی را منتشر ساخت که حاکی از تحول در نسل‌های آتی نیروگاه‌های هسته‌ای بود. در این گزارش از نسل جدید نیروگاه‌های هسته‌ای پرده‌برداری شده و ساختار و کارکرد کلی آن‌ها شرح داده می‌شود. اما سؤالی که مطرح می‌شود این است که آیا متن «برجام» اجازه تحقیق و توسعه چنین نیروگاه‌هایی را به ما خواهد داد؟

در حالیکه دولتمردان غرب به خصوص امریکا طی دهه اخیر همواره درصدد تلاش جهت مانع تراشی و توقف و حذف فناوری و فعالیت های صلح آمیز هسته ای کشور عزیزمان بوده اند، اما خود پیوسته به دنبال فتح مرزهای جدید دانش در این حوزه بوده و هستند و لحظه ای از فعالیت های تحقیق و توسعه نیروگاه های هسته ای بازنمانده اند. در سوم تیرماه سال جاری درگاه خبری دانشگاه معتبر «ام آی تی» گزارشی را منتشر ساخت که حاکی از تحول در نسل های آتی نیروگاه های هسته ای داشت. در این گزارش از نسل جدید نیروگاه های هسته ای پرده برداری گردیده و ساختار و کارکرد کلی آنها شرح داده می شود. گروه رصد اندیشکده راهبردی تبیین امیدوار است با انتشار این گزارش که خود سندی بر اهمیت و لزوم تحقیق و توسعه در حوزه فناوری هسته ای است، عزم و ایده ظرفیت های علمی و اجرایی کشور در توسعه این فناوری افزوده گردد.

 

آشنایی با دانشگاه ام‌آی‌تی

مؤسسه فناوری ماساچوست[1] مشهور به ام‌آی‌تی، دانشگاه خصوصی واقع در شهر کمبریج، در ایالت ماساچوست آمریکا است، که دارای پنج دانشکده اصلی، یک کالج و ۳۲ گروه آموزشی می‌باشد. این دانشگاه معمولاً با نام اختصاری آن، یعنی ام‌آی‌تی (MIT) شناخته می شود. این دانشگاه یکی از مهم‌ترین مراکز علمی تحقیقاتی در آمریکا و جهان به‌شمار می‌رود. دانشگاه ام‌آی‌تی همه ساله درمیان بهترین دانشگاه های مهندسی جهان انتخاب می‌شود. ام‌آی‌تی در سال ۲۰۱۲ طی الگوی تحقیقاتی انجام شده توسط مؤسسه «کیو اس» برای رتبه‌بندی کلی دانشگاه‌ها، در رتبه اول بهترین دانشگاه‌های جهان قرار گرفت. در سال 2014 رتبه این دانشگاه در نظام رتبه‌بندی دانشگاه شانگهای، در زمینه مهندسی و علوم کامپیوتر، نخست و در رتبه‌بندی کلی، در جایگاه سوم دانشگاه‌های جهان است.[2]

 

گزارش «نگاهی نوین به انرژی هسته ای»

A new look for nuclear power

به قلم نانسی استافر- برنامۀ انرژی دانشگاه اِم آی تی

بسیاری از متخصصان انرژی هسته ای را بعنوان مؤلفه ای مهم در آیندۀ انرژی های پاک می بینند. نیروگاه های هسته ای منابعی با دوام و قابل اطمینان هستند که انرژی فراوانی تولید می کنند، با سوخت های ارزان و فراوان به کار می افتند و هیچ دی اکسیدکربنی (CO2) منتشر نمی کنند.

 

بهره برداری از یک نیروگاه هسته ای نوین که در دریا با فاصلۀ 8 مایل یا بیشتر از آن از ساحل شناور باشد نسبت به نیروگاه های امروزی که روی خشکی قرار قرار دارند، امن تر، ارزان تر و ساده تر است. این نیروگاه های شناور در ایده ای که محققین دانشگاه MIT آن را مطرح کرده اند دو فناوری (راکتور هسته ای و سکوهای نفتی در دریاهای عمیق) که روی آن ها بسیار کار شده است را ترکیب می کند. این نیروگاه ها در محل ساخت کشتی ها، ساخته شده و بعدها در صورت نیاز امحا و جداسازی می گردند، که این مسئله باعث کم شدن هزینه و زمان این امر می شود.

 

این نیروگاه ها در آب های نسبتاً عمیق قرار دارند و به میزان مناسبی از جمعیت های ساکن سواحل دور هستند و تنها بوسیلۀ خطوط انتقال انرژی که زیر آب قرار دارند به خشکی مرتبط می شوند. آب دریا با عمق مشخصی از این نیروگاه در برابر زلزله ها و سونامی ها محافظت می کند و در صورت رخداد حادثه می توان از آب دریا بعنوان منبع بی پایان خنک کننده استفاده کرد و نیازی به پمپ آب وجود ندارد. تجزیه و تحلیل بازارهای بالقوه در این رابطه نشان داده است که مکان های بسیاری در سرتاسر دنیا با شرایط فیزیکی و اقتصادیِ مناسب برای بهره گیری از نیروگاه های شناور وجود دارد.

 

پروفسور دپارتمان علوم و مهندسی هسته ای در دانشگاه MIT می گوید: «بیش از 70 راکتور جدید در حال حاضر در حال ساخت است اما این این تعداد برای کاهش مؤثر انتشار گاز CO2 در سرتاسر جهان کافی نیست. بنابراین سوالی که مطرح است این می باشد که چرا راکتورهای بیشتری نمی سازیم؟»

 

توضیح تصویر: از چب به راست: «مایکل گالِی[3]» و «جکوبو بوآنژورنو[4]» از دپارتمان علوم و مهندسی هسته ای و «نییِل تودرییِز[5]» از دپارتمان علوم و مهندسی هسته ای و دپارتمان مهندسی مکانیک در حال طراحی یک نیروگاه هسته ای شناور هستند که می تواند امنیت بیشتر، ساخت راحت تر و ساخت متمرکز را فراهم آورد و نهایتاً پس از بهره برداری می تواند نقشی مهم در آیندۀ انرژی های پاک بازی کند.

 

نیروگاه هسته ای شناور در دریا

تصویر محققین از یک نیروگاه هسته ای شناور در دریا[6] (که در تصویر پایین مشخص است) یک سازۀ اصلی با قطر تقریبا 45 متر را شامل می شود که نیروگاهی با قدرت تولید برق 300 مگاوات را در خود جای می دهد. و طرح جایگزین آن برای نیروگاه 1100 مگاواتی نیازمند سازه ای با قطر 75 متر می باشد. در هر دو مورد، این سازه ها نیز مشابه با سکوهای حفاری نفت شامل بخش های محل استقرار افراد و محل فرود هلیکوپتر برای جابجایی کارکنان می باشد.

 

 

بوآنژورنو چندین چالش پیش روی این تصویر را ذکر می کند. اول: اگرچه سوخت نیروگاه ارزان است اما ساخت یک نیروگاه هسته ای فرایندی طولانی و هزینه بر است که اغلب دچار تأخیر و عدم قطعیت می شود. دوم: تعیین محل نیروگاه های تولید انرژی دشوار است: خشکی های نزدیک به منابع آب برای خنک کردن ارزشمند هستند اما اعتراض مردم محلی به ساخت و ساز می تواند شدید باشد. و سوم: بسیاری از مردم هنوز به وضوح حادثۀ سال 2011 در مجتمع هسته ای فوکوشیما در ژاپن را به یاد دارند که در آن زلزله منجر به سونامی ای شد که آن تأسیسات هسته ای را غرق کرد. انرژی مربوط به پمپ های خنک کننده قطع گردید؛ سوخت داخل هسته های راکتور ذوب شد؛ تشعشعات هسته ای به بیرون درز کرد و بیش از 100 هزار نفر از مردم را از آن منطقه تخلیه کردند.

 

بوآنژورنو و گروهش (مایکل گالِی پروفسور دپارتمان مهندسی و علوم هسته ای؛ نییِل تودرییِز پروفسور دپارتمان مهندسی و علوم هسته ای و دپارتمان مهندسی مکانیک از شرکت کپکو[7] و دانشجویان آن ها در رشته مهندسی و علوم هسته ای و مهندسی مکانیک) در سایۀ چنین نگرانی هایی یک ایدۀ نوین را مورد بررسی قرار داده اند: سوار کردن یک راکتور هسته ای متعارف بر روی یک سکوی شناور مشابه سکوهایی که برای حفر نفت و گاز در دریاها استفاده می شود و مستقر کردن آن در تقریباً 10 مایل (16 کیلومتر) دور از ساحل.

 

نیروگاه های هسته ای شناور در دریا دو فناوری که بسیار روی آن ها کار صورت گرفته را با زنجیرۀ تأمین قدرتمند جهانی پیوند می دهد. بوآنژورنو می گوید: «کشتی سازی هایی وجود دارد که سکوهای استوانه ای از نوعی که ما نیاز داریم را می سازند و همچنین شرکت هایی وجود دارند که راکتورهای هسته ای از نوعی که ما نیاز داریم می سازند. بنابراین ما تنها این دو را با یکدیگر ترکیب می کنیم. به نظر من این یک برتری بزرگ است.» محققین با تکیه بر فناوری های شناخته شده فعالیت های هزینه بر و زمان بر و فرایندهای استانداردسازی را کاهش می دهند. با این حال آن ها در حال ایجاد تغییراتی هستند که تصور می کنند انقلابی در صنعت هسته ای خواهد بود.

 

مزیت های ساخت نیروگاه در کشتی سازی و استقرار آن در دریا

بر طبق برنامۀ محققین، نیروگاه های هسته ای شناور در دریا بطور کامل در محل کشتی سازی ساخته خواهند شد که بیشتر بخش های آنها بصورت عادی با سکوهای نفت و گاز و کشتی های هسته ای بزرگ سر و کار دارد. سازۀ نیروگاه هسته ای شناور (سکو و تمام بخش ها) بصورت قائم و بر روی غلتک ساخته می شود و بر یک کشتی باری سوار شده و به محل استقرار آن منتقل می شود. در آنجا از کشتی خارج و روی آب شناور می شود، لنگر انداخته و با کابل های انتقال برق که در زیر آب قرار دارند به شبکۀ برقِ خشکی وصل می گردد. این نیروگاه در پایان عمرش برای پیاده سازی اجزای آن به سوی محل کشی سازی کشیده خواهد شد مثل اتفاقی که برای زیردریایی های هسته ای و ناوهای هواپیما بار می افتد.

 

این فرایند در مقایسه با نیروگاه های هسته ای که روی زمین مستقر می شوند باید کنترل بر کیفیت، استانداردسازی و بازدهِ بالاتری را به همراه داشته باشد. به انتقال کارکنان، مصالح و تجهیزات سنگین به محل ساخت و ساز یا پاک سازی بعد از پایان عمر نیروگاه. نیازی نیست. این برنامه همچنین موجب کاهش نیاز به ارزیابی و آماده سازی محل استقرار نیروگاه می شود که این موارد در انجام فعالیت موجب تردید شده و آن ها را به تعویق می اندازد. در آخر، نیروگاه هسته ای شناور غالباً از فولاد ساخته شده و نیازی به بتن ندارد که طبق نظر بوآنژورنو این مورد معمولا موجب هدر رفتن چشمگیر هزینه و به تعویق افتادن ساخت و ساز و همچنین انتشار میزان قابل توجهی از گاز CO2 می شود.

 

در مجموع این عوامل نشان می دهند که نیروگاه های هسته ای شناور می توانند با سرعت بی سابقه ای به بهره برداری برسند که این مسئله یک مزیت مهم انجام چنین پروژه هایی است که به سرمایه گذاری زیادی نیازمنداند. بوآنژورنو می گوید: «هیچ کس نمیخواهد سرمایۀ گذاری زیادی بکند و سرمایه اش 8 یا 10 سال بدون آنکه بازدهی داشته باشد (بدون تولید برق) باقی بماند.»

 

محل استقرار نیروگاه شناور مزایای دیگری نیز دارد. نیروگاه هسته ای شناور در 8 تا 12 مایلی (8/12 تا 3/19 کیلومتر) از ساحل (در محدودۀ مرزهای آبی) و در آب هایی با حداقل 100 متر عمق قرار خواهد گرفت. از این رو نیروگاه از جمعیت ساکن در سواحل دور خواهد بود (تنها ارتباط آن با خشکی یک پست برق کوچک، یک پرسنل و تأسیسات مدیریت مواد خواهد بود) و میزان زیاد آب زیر نیروگاه خطر صدمه خوردن آن از زلزله و سونامی ها را کاهش می دهد: در آن عمق آب هر گونه تحرک از طرف کف اقیانوس در هنگام زلزله را جذب می کند و موج های سونامی نیز کوچک هستند. سونامی ها تنها زمانی بزرگ و مخرب می شوند که به آب های کم عمقِ نزدیک ساحل برخورد کنند که این مورد نیز برای ساخت نیروگاه هسته ای در سواحل مسئله ای است که موجب نگرانی می شود.

 

و در نهایت می توان به این نکته اشاره کرد که آب های آزاد اقیانوس منبع آب خنکی بی پایان را برای نیروگاه فراهم می آورد. اگر حادثه رخ دهد می توان از آب دریا برای خنک کردن راکتور استفاده کرد زیرا نیروگاه به میزان مناسبی پایین تر از سطح دریا قرار دارد جریان مورد نیاز بطور عادی و بدون هیچ گونه پمپاژ و بدون آلودگی آب دریا رقم می خورد. بوآنژورنو می گوید: «گرمای تولید شده از واپاشیِ سوخت هسته ای بعد از خاموش شدن راکتور می تواند برای مدت نامحدودی خنثی شود.»

 

از این رو همانطور که بوآنژورنو ذکر کرده نیروگاه هسته ای شناور سه نقطه ضعف اصلی فوکوشیما را برطرف می کند: از جمعیت دور خواهد بود؛ در برابر زلزله و سونامی مقاوم خواهد بود؛ و هیچ گاه سیستم خنک کنندۀ سوخت خود را از دست نخواهد داد.

 

توضیح تصویر: سازۀ پوشش ایمنی بوسیلۀ آب دریا احاطه شده. بخار حاصل از ژنراتورها در آب گرم درون مخزن تحت فشار راکتور[8] فرو رفته و به سوی توربین های تولید برق در بالای سازه حرکت می کند. هر 12 تا 48 ماه مجموعۀ سوخت های مصرف شده برداشته می شود و سوخت تازه به راکتور تزریق می شود. مجموعه های برداشته شده به مخزنِ سوخت مصرف شده منتقل شده که ظرفیت آن به میزانی است که همۀ سوخت های مصرفیِ برداشته شده در تمام طول عمر نیروگاه را در خود جای می دهد.

 

نیروگاهی طراحی شده با بازده بالاتر و امنیت بیشتر

کلِ سازه بصورت قائم است، شکلی استوانه ای دارد، به طبقات زیادی تقسیم شده که اکثر آن ها به قسمت های مختلف تقسیم شده که با دیوارهای مقاوم در برابر نفوذ آب از یکدیگر جدا شده اند. در طبقات بالایی بخش های غیر حیاتی تر مثل بخش های مربوط به استقرار پرسنل و محل فرود هلیکوپتر قرار دارد. همانند سکوهای نفت و گاز، کارگران بوسیلۀ کشتی یا هلیکوپتر برای شیفت های کاریِ 3 یا 4 هفته ای به آنجا آورده می شوند. غذا، سوخت و تجهیزات و مواد مورد نیاز برای فعالیت های جزئیِ مربوط به نگهداری بوسیلۀ کشتیِ تدارکات به سکو آورده می شوند و بارهای سنگین نیز بوسیلۀ جرثقیل برداشته می شوند.

 

راکتور هسته ای (چه واحد 300 مگاواتی چه 1100 مگاواتی) و سیستم های مرتبط با ایمنی در قسمت های ضد نفوذ آب در بخش های پایینیِ سازه برای افزایش امنیت و ایمنی قرار گرفته است که دسترسی ساده به آب اقیانوس را مقدور می سازد. هستۀ راکتور و عوامل مهم مرتبط با آن درون مخزن تحت فشار راکتور درون یک سازۀ فشرده به نام «پوشش ایمنی» قرار دارد. اطراف پوشش ایمنی یک دالان بزرگ است که تا لبۀ سازۀ استوانه ای ادامه داشته که البته بوسیلۀ یک فضای خالی از هم جدا می شوند و بطور مداوم با آب دریا پر می شود و آب دریا از طریق درگاه ها آزادانه وارد و خارج می گردد.

 

ویژگی های خاص در طراحی، اجازۀ واکنش به انواع مختلف اختلالات در فعالیت های معمولیِ خنک سازی را می دهند. بطور کلی پمپ ها آب خنک را از لایه های زیرین اقیانوس وارد راکتور می کنند و آب استفاده شده و گرم را در سطح آب تخلیه می کند و بدین صورت از «آلودگی گرمایی» که می تواند اکوسیستم محل را تهدید کند جلوگیری می شود. اگر این فرایند خنک سازی بطور موقت با اختلال رو برو شود، آب گرم راکتور بطور طبیعی در یک مبدل حرارتی مخصوص درون دالان غرق شده در آب می تواند بچرخد.

 

اگر مشکلی جدی تر (برای مثال شکسته شدن لوله) هستۀ راکتور را با خطر مواجه کند، آب تقطیر شدۀ خنک از مخزن تحت فشار راکتور به داخل پوشش ایمنی (همیشه هستۀ راکتور را در آب غوطه ور نگه می دارد) می ریزد و آب دریا که در بخش های خارجی وجود دارد فضای خالیِ دور پوشش ایمنی راکتور را پر می کند. به این صورت گرما بطور مؤثری از دیوارهای پوشش ایمنی به آب دریا منتقل می شود و این آب دریا بطور مداوم و بصورت عادی بخاطر جریان آن جدید می شود. همواره آب خنک و آب دریا جدا نگه داشته می شوند تا پوشش های ایمنی از یکی به دیگر جریان پیدا نکند.

 

در مواقع بسیار غیر محتملی که علیرقم حذف گرما، فشار داخل پوشش ایمنی به سطح خطرناکی می رسد گازهایی که داخل پوشش ایمنی وجود دارند می توانند در اقیانوس خالی شوند. با اینحال این گازها ابتدا باید از فیلترها عبور کنند تا سزیوم، یود و دیگر عناصر رادیواکتیوی آنها گرفته شود و انتشار آن ها را به حداقل برساند. پژوهش های فعلی به دنبال پراکندگی و رقیق سازی احتمالیِ چنین موادی است تا از این مسئله اطمینان حاصل شود که هر گونه مواد رادیواکتیوی در آب حتی تحت چنین شرایط خاصی پایین تر از حد قابل قبول باقی بماند.

 

توضیح تصویر:یک مبدل حرارتیِ کمکی در آب دریا غوطه ور شده است. اگر مشکلی جدی تر رخ دهد آب خنک  از درون مخزن تحت فشار راکتور به سازۀ پوشش ایمنی می ریزد و آب دریا می تواند به فضای خالی دور پوشش ایمنی وارد شود. گرمای آب خنک کننده از دیوار پوشش ایمنی به سوی آب دریا می رود. آب دریا بطور طبیعی در سازه جریان پیدا می کند بنابراین بطور مداوم آب های [خنک] جدیدی وارد سیستم می شود که منبع خنک کنندۀ بی پایانی را فراهم می آورد.

 

صرفۀ اقتصادی، بازارهای بالقوۀ فراوان

گروه محققین اِم آی تی معتقدند که نیروگاه هسته ای شناور با بررسی جنبه های اقتصادی انرژی هسته ای می تواند یک «عامل بالقوه در تغییر وضعیت فعلی» باشد. این نیروگاه مزیت اقتصادیِ تولید «کارخانه» ایِ چندین واحد را فراهم می آورد با این حال این واحدها می توانند آنقدر بزرگ باشند که از جنبۀ «صرفه جویی به مقیاس»[9] نیز سود برسانند. بعلاوه برخلاف نیروگاه های مستقر در خشکی، نیروگاه های هسته ای شناور قابل جابجایی هستند.

 

بوآنژورنو می گوید: «اگر یک نیروگاه برق روی زمین ساخته شود آن نیروگاه برای 40 یا 50 سال در محل ساخت خود باقی می ماند. اما با نیروگاه هسته ای شناور اگر بعد از یک یا دو دهه 100 مایل بالاتر در کنار ساحل به ظرفیت تولید آن نیاز باشد می توان لنگر نیروگاه برق شناور را جمع کرد و آن را به محل جدید منتقل نمود.»

 

البته امکان علمیِ این ایدۀ محققین به این بستگی دارد که مکان هایی با این مشخصات ضروری وجود داشته باشد: آب های عمیقی که نسبتاً نزدیک به ساحل باشند اما از خطوط کشتیرانی و طوفان های شدید و مکرر دور باشند. و همچنین مسائل اقتصادی و دیگر موارد تأثیرگذار برای بکارگیری نیروگاه هسته ای شناور.

 

بررسی جزئی و دقیق مکان های بالقوۀ بسیاری را نشان می دهد. برای مثال مناطق واقع در شرق و جنوب شرقی آسیا منابع بومیِ محدودی دارند و خطر بالای زلزله و سونامی در آن ها وجود دارد و جمعیت ساحل نشینی دارند که به برق نیاز دارند. کشورهای خاورمیانه می توانند برای برطرف ساختن نیازهای داخلی خود از نیروگاه های هسته ای شناور استفاده کنند که این مسئله باعث می شود منابع ارزشمند نفت و گازشان برای فروش آزاد شود. برق برخی کشورها در مناطق ساحلی آفریقا و آمریکای جنوبی را ژنراتورهایی تأمین می کنند که سوخت دیزلی مصرف می کنند که راهی گران برای تولید انرژی است و بسیار موجب آلودگی می شود. بوآنژورنو می گوید: «ساخت یک نیروگاه هسته ای شناور، مستقر کردن آن نزدیک ساحل و و راه اندازی یک سیستم توزیع کوچک بسیار عقلانی است زیرا نیاز حداقلی به توسعۀ زیرساخت دارد.»

 

تحقیقات ادامه می‌یابد

محققین همچنان به بررسی‌ جوانب مختلف نیروگاه هسته‌ای‌‌ شناور ادامه می‌دهند. برای مثال آنها به دنبال روش‌های بهینه برای سوخت‌گیری، دستیابی به طرحی دقیق برای سیستم استقرار نیروگاه و ایجاد مدل کامل‌تری از واکنش های هیدرودینامیکی نیروگاه در برابر امواج طوفانی هستند. آنها همچنین درصدد ایجاد برنامه حفاظتی منسجمی برای نیروگاه هسته‌ای‌ شناور می‌باشند.

 

ساختار نیروگاه، امنیت قابل توجهی‌ را فراهم آورده است: راکتور در اعماق سازه، درون چندین لایه قرار دارد؛ سکوی فوقانی دارای نمای کامل ۳۶۰ درجه است و طراحی بدنه نیروگاه به صورتی‌ است که حملات احتمالی را به حداقل می‌رساند. محققین با همکاری کارشناسان امنیتی به دنبال بررسی‌ روشهای دیگر ایمن‌سازی با استفاده از جدیدترین دستگاه‌های ردیاب (سونار) و سیستم‌های راداری، موانع و تورهایی برای محافظت در برابر زیردریایی‌ها، و به خدمت گرفتن گروهی از نیروهای مسلح امنیتی هستند.

 

با این که کارهای زیادی همچنان باقی‌ است، بوآنژورنو می‌گوید: «ما انتظار داریم که اولین نیروگاه هسته‌ای‌ شناور حدود پانزده سال دیگر به بهره برداری برسد که بسیار به موقع خواهد بود تا جواب‌گوی رشد عظیم در مصرف انرژی هسته‌ای‌ برای مقابله با تغیرات آب و هوایی ‌باشد.»

 

این تحقیق توسط کمیته حمایت از پژوهش در دانشگاه ام آی تی تایید شده است.[10]


[1] Massachusetts Institute of Technology

[2] www.topuniversities.com

[3] Michael Golay

[4] Jacopo Buongiorno

[5] Neil Todreas

[6] OFNP

[7] شرکت برق کره جنوبی

[8] RPV

[9] صرفه‌ به مقیاس یا مزیت مقیاس(Economies of scale) مفهومی در اقتصاد خرد است که به کسب مزیت کاهش هزینه در اثر افزایش حجم تولید اشاره دارد. صرفه‌ به مقیاس به معنای آن است که با افزایش حجم تولید، هزینه متوسط تولید هر واحد کاهش می‌یابد.

[10] http://newsoffice.mit.edu/2015/new-look-floating-nuclear-power-0624