انرژی آبی  

زمانیکه در کوهها و تپّه ها باران می بارد ، آب حاصل از آن بصورت نهر و رودخانه جاری شده و به دریا می ریزد. از آب جاری و ریزشی می توان به نحو احسن استفاده نمود. همانطوریکه قبلاً گفته شد ، انرژی عبارت است از «توانایی انجام کار». بنابراین می توان از آب جاری ، که حاوی انرژی جنبشی است ، برای تولید برق استفاده کرد.

 در گذشته برای خرد کردن گندم و ذرت در آسیابها، از آب جاری برای چرخاندن چرخهای چوبی آسیاب استفاده می کردند. این نوع آسیاب را آسیاب آبی یا آسیاب غلات می گفتند.

در سال 1086 ، کتاب چند جلدی Domesday نوشته شد. در این کتاب فهرست کلیه املاک ، خانه ها ، فروشگاهها و سایر موارد در انگلستان ارائه شده است. در این کتاب فهرست 5624 آسیاب آبی واقع در جنوب رودخانه ترنت (Trent) در انگلستان درج شده است. به عبارت دیگر به ازای هر 400 نفر یک آسیاب وجود داشت.

گردش چرخهای آسیاب آبی یا از طریق آبهای ریزشی (ریزش آب از بالا برروی چرخ) و یا آبهای جاری (رودخانه) صورت می گیرد (این نوع آسیابها در تصویر نشان داده شده اند). امروزه از آب جاری نیزمی توان برای تولید برق استفاده نمود. هیدرو به معنی آب است. بدین ترتیب هیدرو – الکتریک یعنی تولید برق از طریق انرژی آب .

استفاده از انرژی جنبشی آب جاری جهت تولید برق را نیروی هیدروالکتریک گویند. با ایجاد سد میتوان جریان رودخانه را متوقف نمود. همانطوریکه در تصویر مربوط به سد شاستا (Shasta) در شمال کالیفرنیا ملاحضه می فرمائید ، با ایجاد سد، مخزنی از آب تشکیل می شود. اما سدهای احداثی برروی رودخانه های بزرگتر باعث تشکیل مخزن نمی شود. جهت تولید برق در یک نیروگاه هیدروالکتریکی ، آب رودخانه به داخل آن هدایت می شود. در تصویر ، سد دالاس را مشاهده می کنید که برروی رودخانه کلمبیا، در طول مرز بین ایالت اورگون و واشنگتن ، احداث شده است.

نیروگاههای آبی بزرگترین تولید کنندگان برق در ایالات متحده هستند. این نیروگاهها 10 درصد از کل برق مصرفی این کشور را تأمین می کنند. ساخت نیروگاههای از این نوع در ایالتهای که دارای کوهستانهای مرتفع و رودخانه های زیادی هستند ، می تواند منجر به افزایش تولید برق شود. به عنوان مثال، در حدود 15 درصد از کل برق تولیدی ایالت کالیفرنیا از نیروگاههای هیدروالکتریک تأمین می شود. اما بیشترین تولید برق آبی مربوط به ایالت واشنگتن است. 3 سد از 6 سد اصلی که برروی رودخانه کلمبیا احداث شده اند عبارتند از گراند کولی (Grand coulee) ، چیف جوزف (Chief joseph) و جان دی (John Day) . حدود 87 درصد از کل برق تولیدی ایالت واشنگتن از نیروگاههای هیدروالکتریک تأمین می شود. مقداری از برق تولیدی این نیروگاهها به ایالتهای دیگر نیز ارسال می شود.

نحوة کار یک سد آبی

آب پشت سد بعداز عبور از یک مدخل وارد لوله ای بنام آبگیر (دریچه مخصوص تنظیم جریان آب) می شود. آب به تیغه های توربین فشار آورده و باعث حرکت آنها می گردد. توربین یک نیروگاه آبی مانند توربین یک نیروگاه معمولی عمل می کند، با فرق اینکه در اینجا از آب بجای بخار برای چرخاندن توربین استفاده می شود. گردش توربین باعث چرخش ژنراتور و درنتیجه تولید برق می گردد. سپس برق تولیدی از طریق خطوط انتقال به خانه ، مدرسه ، کارخانه و مراکز تجاری ارسال می شود.

 امروزه نیروگاههای آبی در نواحی کوهستانی ایالتهای مختلف آمریکا ، که در آنجا دریاچه و
رودخانه های طویل وجود دارد ، ساخته می شوند.

نیروگاه

نیروگاه‌ها کارخانه‌های تولید برق هستند.

در دنیا ۵ منبع انرژی، که تقریباً تمام برق دنیا را مهیا می‌‌کنند، وجود دارد. این منابع ذغال سنگ، نفت خام، گاز طبیعی، نیروی آب و انرژی هسته‌ای هستند. تجهیزات هسته‌ای، ذغالی و نفتی از چرخه بخار برای برگرداندن گرما به انرژی الکتریکی استفاده می‌‌کنند.

نیروگاه بخاری از آب بسیار خالص در یک چرخه بسته استفاده می‌‌کند. ابتدا آب در بویلرها برای تولید بخار در فشار و دمای بالا گرما داده می‌‌شود که عموماً دماو فشارآن در یک نیروگاه مدرن به 150 اتمسفر و550 درجه سانتیگراد می‌‌رسد. این بخار تحت فشار زیاد توربینها را (که آنها هم ژنراتورهای الکتریکی را می‌‌گردانند , و این ژنراتورها با توربینها بطور مستقیم کوپل هستند) می‌‌گردانند یا اصطلاحا درایو می‌‌کنند. بیشینه انرژی از طریق بخار به توربینها داده خواهد شد فقط اگر بعداً همان بخار اجازه یابد در یک فشار کم (بطور ایده آل فشار خلاء) از توربینها خارج شود. این مطلب می‌‌تواند توسط میعان بخار خروجی به آب بدست آید.

سپس آب دوباره بداخل بویلرها پمپ می‌‌شود و چرخه دوباره شروع می‌‌گردد. در مرحله تقطیر مقدرا زیادی از گرما مجبور است از سیستم استخراج شود. این گرما در چگالگر که یک شکل از تبادل کننده گرمایی است , برداشته می‌‌شود. مقدار بیشتری از گرمای آب ناخالص وارد یک طرف چگالگر می‌‌شود و آن را از طرف دیگر ترک می‌‌کند بصورت آب گرم , داشتن گرمای به اندازه کافی استخراج شده از بخار داغ برای تقطیر آن به آب. در هیچ نقطه‌ای نباید دو سیستم آبی مخلوط شوند. در یک سایت ساحلی آب ناخالص داغ شده به سادگی به دریا برگشت داده می‌‌شود در یک نقطه با فاصله کوتاه. یک نیروگاه 2 GW به حدود 60 تن آب دریا در هر ثانیه احتیاج دارد. این برای دریا مشکل نیست , اما در زمین تعداد کمی از سایتها می‌‌توانند اینقدر آب را در یک سال ذخیره کنند. چاره دیگر بازیافت آب است. برجهای خنک کن برای خنک کردن آب ناخالص استفاده می‌‌شوند بطوریکه آن می‌‌تواند به چگالگرها برگردانده بشود , بنابراین همان آب بطور متناوب بچرخش در می‌‌آید. یک برج خنک کن از روی ساحختار سیمانی اش که مانند یک دودکش خیلی پهن است شناخته شده است و بصورت مشابه نیز عمل می‌‌کند. حجم زیادی از هوا داخل اطراف پایه (در پایین و داخل و مرکز لوله برج) آن کشیده می‌‌شود و ازمیانه بالایی سرباز آن خارج می‌شود. آب گرم و ناخالص به داخل مرکز داخلی برج از تعدای آب پاش نرم (آب پاش با سوراخهای ریز) پاشیده می‌‌شود و هنگامیکه آن فرو میریزد با بالارفتن هوا(توسط هوای بالا رونده) خنک می‌‌شود. سرانجام آب پس از خنک شدن در یک حوضچه در زیر برج جمع می‌‌شود. برج خنک کن وافعا یک تبدل دهنده گرمایی دوم , که گرمای آب ناخالص را به هوای اتمسفر می‌‌فرستد , است, اما نه مانند تبادل دهنده گرمایی اول , در اینجا دو سیال اجازه می‌‌یابند با هم تماس داشته باشند و در نتیجه مقداری ار آب توسط تبخیر کم می‌‌شود.

برجهای خنک کن هرگز قادر به کاهش دمای آب ناخالص تا پایینتر از دمای حدی هوا نیستند بطوریکه کارآیی کندانسور و ازآنجا کارآیی تمام نیروگاه در مقایسه با یک سایت ساحلی کاهش می‌‌یابد. همچنین ساختمان برجهای خنک کن قیمت کلی ساختمان و بنای نیروگاه را افزایش می‌‌دهد.

احتیاج برای خنک کردن آب یک عامل مهم در انتخاب محل نیروگاه زغالی , نفتی و هسته‌ای است. یک سایت که مناسب است برای یک نیروگاه که از یک نوع سوخت استفاده می‌‌کند بناچار مناسب نیست برای یک نیروگاه که ار نوع دیگری سوخت استفاده می‌‌کند.

نیروگاه‌های برقابی

نیروگاه‌های برق- آبی باید جایی واقع شوند که دهانه آب دردسترس هست , و نظربه اینکه این اغلب در مناطق کوهستانی است , آنها ممکن است به خطوط انتقال طولانی برای حمل توان به نزدیک‌ترین مرکز یا پیوستن به شبکه نیاز داشته باشند. همه طرحهای برق- آبی به دو فاکتور اساسی وابسته هستند: یکی جریان آب و یکی اختلاف در سطح یا دهانه. نیاز دهانه ممکن است فراهم بشود بین یک دریاچه و یک دره باریک, یا توسط ساختن یک سد کوچک در یک رودخانه که جریان را منحرف می‌کند به سمت نیروگاه, یا توسط ساختن یک سد مرتفع در مقابل یک دره برای ساخت یک دریاچه مجازی.

نیروگاههای برق

تأثیر خواص تولید و انتقال

چهار خاصیت منبع الکتریسیته وجود دارد که یک تأثیر عمیق روی موضوعی که منهدسی می‌شود دارد.

 آنها بصورت زیر هستند:

1- الکتریسیته, نه مانند گاز و آب, نمی‌تواند ذخیره بشود و تهیه کننده کنترل کوچکی بر بار در هر زمانی دارد. مهندسان کنترل تلاش می‌کنند برای نگهداری خروجی ژنراتورها متناسب با با ر متصل شده در ولتاژ و فرکانس مخصوص.

2- یک افزایش متناوب در تقاضا برای توان وجود دارد. اگرچه در بسیاری از کشورهای صنعتی سرعت افزایش در سالهلی اخیر کاهش پیدا کرده است, حتی سرعت معتدل مستلزم کتسردگیها و افزایشات عظیم در سیستم‌های موجود است.

3- توزیع و طبیعت سوخت دردسترس. این جنبه هست جالبتر هنگامیکه ذغال سنگ اسخراج می‌شود در مناطقی که لروما مراکز بار اصلی نیستند: توان برق-آبی معمولاً دور از مراکز بار بزرگ است. مشکل فواصل انتقال و سایت کردن(انتخاب کردن محل برای نیروگاه) نیروگاه یک تجربه مبهم و مورد بحث در اقتصاد است. استفاده عظیم انرژی هسته‌ای بسوی اصلاح الگوی تغذیه موجود متمایل خواهد شد.

4- در سالهای اخیر ملاحظات منابع طبیعی و محیطی عمده اهمیت و تأثیر سایتینگ, هزینه ساختار,وعملکرد کارخانجات تولیدی را بعهده گرفته است. همچنین طراحی تحت تأثیر واقع می‌شود بدلیل تاخیرات در شروع پروژه‌ها بخاطر مراحل قانونی که باید طی شوند. از مهم‌ترین خواص در زمان حاضر ضربه زیست محیطی کارخانجات هسته‌ای است, خصوصا راکتور افزاینده سریع پیشنهاد شده.

تبدیل انرژی با بکارگیری بخار

احتراق ذغال یا نفت در بویلرها بخار را در بالاترین دما و فشار که به توربینهای بخاری می‌رود تولید می‌کند. نفت مزایای اقتصادی دارد هنگامیکه آن می‌تواند پمپ شود از تصفیه خانه به داخل خطوط لوله مستقیما بسمت بویلرهای نیرگاه. استفاده ازنتیجه انرژی شکافت هسته‌ای بطور افزاینده در تولید برق دراد کسترش می‌‌یابد: همچنین در اینجا اساس انرژی برای تولید بخار توربینها استفاده می‌‌شود. نوع جریان- محوری توربین بطور مشترک با چندین سیلندر در یک شافت استفاده می‌‌شود.

نیروگاه بخاری براساس سیکل رانکین عمل می‌کند , که آن(: سیکل رانکین) با سوپرهیتینگ: superheating , گرمایش تغیه آب: Feed-water heating و دوباره گرمایش بخار: steam reheating اصلاح شده است. کارایی گرمایی افزایش یافته, استفاده از بخار در بالاترین دما و فشار ممکن را نتیجه می‌دهد. همچنین برای توربینها ساختار اقتصادی , اندازه بزرگ و هزینه کلی کم است. به‌عنوان یک نتیجه در حال حاضر توربوژنراتور500MW و بیشتر دارد استفاده می‌شود. با استفاده از توربینهای با ظرفیت 100MW و بیشتر , کارآیی توسط دوباره گرمایش بخار بعدازاینکه آن اندکی توسط یک گرم کننده خارجی منبسط شود, افزایش می‌‌یابد. سپس بخار دوباره گرم شده بداخل توربین که در مرحله نهایی بارگذاری منبسط می‌‌شود , برگشت داده می‌شود.

باوجود مزایای دائم در طراحی بویلرها و در توسعه مواد بهبود یافته, طبیعت چرخه بخار آنچنان است که کارآییها نسبتاً کم هستند و مقادیر وسیع گرما در مرحله میعان (در چگالگر) به هدر می‌‌رود. به هرحال مزیتهای بزرگ در طراحی و مواد در سالهای اخیر کارآیی‌های دمایی و حرارتی نیروگاههای ذغالی را در حدود 40 درصد افزایش داده است.

در نیروگاه‌های ذغال- سوختی , ذغال سنگ به یک کارخانه جداسازی ذغال از سنگ حمل می‌شود وخورد می‌‌شود به و به ظرافت ساییده می‌شود. سوخت ساییده و پودر شده به داخل بویلر دمیده می‌‌شود بطوریکه با هوا برای احتراق مخلوط می‌‌شود. خروجی از توربین فشار ضعیف سرد می‌شود برای شکل گرفت عمل معیان توسط عبور از میان میعان کننده (چگالگر) وسط مقادیر زیاد آب دریا یا رودخانه, درجاییکه امکان سرد کردن توسط برجهای خنک کن وجود ندارد.

بویلرها در بستر جریانی

برای ذغالهای نوعی , گازهای احتراق شامل 2/0 - 3/0 درصد اکسیدسولفور بر حجم می‌‌باشند. اگر سرعت جریان گاز در میان بستر دانه‌ای یک بویلر نوع بزرگ افزایش می‌‌یابد کشش گرانش متعادل می‌‌شود توسط نیرری بسمت بالای گاز و بستر سوخت روی خاصیت یک سیال می‌‌رود. در یک پیمایش سایش این گرمای خروجی و دما را افزایش می‌دهد. خاکستر شکل گرفته جوش می‌‌خورد و بصورت کلوخ در می‌‌آید و ته نشین می‌‌شود بداخل صافی و به داخل چاه خاکستر برده می‌‌شود. بستر به دمای خاکستر سوزی(زینتر کردن خاکستر) در حدود 1050 - 1200 درجه سانتیگراد محدود می‌‌شود. احتراق ثانویه در بالای بستر جاییکه که گازCO به گازCO2 میسوزد و H2S به SO2 تبدیل می‌‌شود , اتفاق می‌‌افتد. این نوع از بویلر دستخوش بهبود وسیعی می‌‌شود و بدلیل تراز آلودگی کم و کارآیی بهتر جذاب است.

تبدیل انرژی با استفاده از آب

شاید قدیمی‌ترین شکل تبدیل انرژی استفاده از نیروی آب است. دریک نیروگاه برق-آبی انرژی با هزینه رایگان فراهم می‌‌شود. این چهره جذاب همواره تاحدی توسط هزینه کلی بسیار بالای ساختار خنثی شده است, خصوصا از منظر کارهای مهندسی عمران. بهرحال امروزه هزینه کلی به ازای کیلووات نیروگاههای برق-آبی با نوع بخاری نیروگاه‌ها در مقایسه است. متاسفانه, شرایط جغرافیایی لازم برای تولید آبی بطور عادی یافت نمی‌شوند. در بیشتر کشورهای توسعه یافته منابع برق-آبی در دوردست استفاده می‌‌شوند.

یک راه حل برای استفاده مرسوم از انرژی آب , ذخیره پمپی است, که آب را قادر می‌‌سازد تا دروضعیتی که متمایل به طرحهای مرسوم نخواهد بود , استفاده بشود. بهره برداری از انرژی درجریانهای جذرومد در کانالها مدتها موضوع بحث و تفکر بوده است. مشکلات فنی و اقتصادی خیلی عظیم هستند و تعداد کمی محل وجود دارد که طرح در آنها عملی باشد. یک تأسیسات که از جریان جذرومد استفاده می‌کند در دهانه رود لارنس در شمال فرانسه که رنج ارتفاع جذرومد 2/9 متر است و جریان جذرومد 18000مترمکعب بر ثانیه تخمین زده می‌‌شود, قرار دارد.

قبل از بحث در مورد انواع توربینها , یک توضیح خلاصه بر روشهای کلی عملکرد نیروگاههای برق-آبی داده خواهد شد. اختلاف عمودی بین مخزن بالایی و تراز توربینها باعنوان هد (head یا دهانه) شناخته می‌شود. آب ریزان از میان این دهانه انرژی جنبشی که پس از آن به تیغه‌های توربین می‌‌رسد را ایجاد و تقویت می‌‌کند.

انواع تأسیسات

در زیر 3 نوع اصلی از تأسیسات آورده شده است:

1- دهانه بلند یا ذخیره بلند - منطقه ذخیره سازی یا منبع بصورت نرمال در بالای 400 h میریزد.

2- دهانه متوسط یا حوضچه‌ای - ذخیره در 200-400 h میریزد.

3- حرکت رودخانه‌ای (Run of River) - مخزن در کمتر از 2 h میریزد ارتفاع دهانه آن بین 3 تا 15 متر است. یک دیاگرم برای نوع سوم در شکل 3-2 نشان داده شده است.

در ارتباط و هماهنگی با این ارتفاعات و دهانه مختلف که در بالا آورده شد , توربینها از انواع خاصی از توربین هستند. آنها بصورت زیر هستند:

1- پیلتون. این برای دهانه‌های بین 1840 - 184 متر استفاده می‌‌شود و شامل یک سطل چرخ رتور با نازل جریان تعدیل پذیراست.

2- فرانسیس. که برای دهانه‌های بین 490- 37 متر استفاده می‌‌شود و از انواع جریان مخلوط است.

3- کاپلن. که برای نیروگاههای جریان-رودخانه‌ای و حوضچه‌ای با دهانه‌های بالای 61 متر استفاده می‌‌شود. این نوع این نوع یک روتور محور- جریانی با گام تیغه‌های متغیر (تیغه‌های گام - متغیر) است.

هنگامیکه کارآیی به دهانه آب که دائما در نوسان است بستگی دارد, اغلب آب مصرفی در مترهای مکعب به ازای کیلووات ساعت استفاده می‌‌شود و به دهانه آب ارتباط دارد. کارخانه برق-آبی توانایی شروع سریع را دارد و در زمان تعطیلی متضرر نمی‌شود. بناراین آن مزیتهای بزرگی دراد برای تولید در برخورد با پیک بارها در کمترین هزینه, در عطف با نیروگاه حرارتی یا گرمایی. با استفاده از کنترل ازراه دور جایگاههای آبی, زمان مورد نیلز از زمان راهنمایی و هدایت برای راه اندازی تا رسیدن به یک اتصال واقعی به شبکه قدرت می‌تواند تا کمتر از 2 دقیقه کوتاه شود.

توربینهای گازی

استفاده از توربین گازی به‌عنوان یک محرک اصلی مزیتهای خاصی را بر کارخانه بخار دارد , اگرچه با گردش نرمال آن از نظر اقتصادی درعملکرد کمتر اقتصادی است. مزیت اصلی در توانایی برای راه اندازی و بارگذاری سریع نهفته است. از این رو توربین گازی برای استفاده به‌عنوان یک روش برای رسیدگی کردن به پیکهای بار سیستم بکارمی‌آید. یک استفاده بیشتر برای این نوع از ماشین , استفاده به‌عنوان متعادل کننده یا جبران کننده هم‌زمان‌بودگی برای کمک به ترازهای ولتاژی ناخواسته و اتفاقی است. حتی در زمینه‌های اقتصادی بطور محتمل آن مفید است در برخورد با پیک بارها توسط راه اندازی توربینهای گازی از حالت سرد برای 2 دقیقه نسبت به گردش کارخانه یدکی (اضافی) بطور پیوسته.

نیروگاه های هسته ای

رآکتور هسته ای

در همه رآکتورها، قلب رآکتور که دمای بسیار زیادی دارد باید خنک شود. در یک نیروگاه هسته ای، سیستم خنک ساز به نوعی طراحی می‌شود که از گرمای آزاد شده به بهترین شکل ممکن استفاده شود. در اغلب این سیستمها از آب استفاده می‌شود. اما آب نوعی کند کننده هم محسوب می‌شود و از این رو نمی تواند در رآکتورهای سریع مورد استفاده قرار گیرد. در رآکتورهای سریع از سدیم مذاب یا نمک های سدیم استفاده می‌شود و دمای عملیاتی خنک ساز بالاتر است. در رآکتورهایی که برای تبدیل مورد طراحی شده اند، به راحتی گرمای آزاد شده را در محیط آزاد می‌کنند.
در یک نیروگاه هسته ای، رآکتور کند منبع آب را گرم می‌کند و آن را به بخار تبدیل می‌کند. بخار آب توربین بخار را به حرکت در می‌آورد ، توربین نیز ژنراتور را می‌چرخاند و به این ترتیب انرژی تولید می‌شود. این آب و بخار آن در تماس مستقیم با راکتور هسته ای است و از این رو در معرض تابش های شدید رادیواکتیو قرار می‌گیرند. برای پیشگیری از هر گونه خطر مرتبط با این آب رادیواکتیو، در برخی رآکتورها بخار تولید شده را به یک مبدل حرارتی ثانویه وارد می‌کنند و از آن به عنوان یک منبع گرمایی در چرخه دومی از آب و بخار استفاده می‌کنند. بدین ترتیب آب و بخار رادیواکتیو هیچ تماسی با توربین نخواهند داشت.

انواع رآکتورهای گرمایی
در در رآکتورهای گرمایی علاوه برکند کننده، سوخت هسته ای ( ایزوتوپ قابل شکافت القایی)، مخزن بخار و لوله های منتقل کننده آن، دیواره های حفاظتی و تجهیزات کنترل و مشاهده سیستم رآکتور نیز وجود دارند. البته بسته به این که این رآکتورها از کانالهای سوخت فشرده شده، مخزن بزرگ بخار یا خنک کننده گازی استفاده کنند، می‌توان آنها را به سردسته تقسیم کرد.
الف - کانالهای تحت فشار در رآکتورهای RBMK و CANDU استفاده می‌شوند و می‌توان آنها را در حال کارکردن رآکتور، سوخت رسانی کرد.
ب - مخزن بخار پرفشار داغ، رایج ترین نوع رآکتور است و در اغلب نیروگاههای هسته ای و رآکتورهای دریایی ( کشتی، ناوهواپیمابر یا زیردریایی ) از آن استفاده می‌شود. این مخزن می‌تواند به عنوان لایه حفاظتی نیز عمل کند.
ج - خنک سازی گازی: در این رآکتورها به جای آب، از یک سیال گازی شکل برای خنک کردن رآکتور استفاده می‌شود. این گاز در یک چرخه گرمایی با منبع حرارتی راکتور قرار می‌گیرد و معمولاً از هلیوم برای آن استفاده می‌شود، هر چند که نیتروژن و دی اکسید کربن نیز کاربرد دارند. در برخی رآکتورهای جدید، رآکتور به قدری گرما تولید می‌کند که گاز خنک کن می‌تواند مستقیما یک توربین گازی را بچرخاند، در حالی که در طراحی های قدیمی تر گاز خنک کن را به یک مبدل حرارتی می‌فرستادند تا در یک چرخه دیگر، آب را به بخار تبدیل کند و بخار داغ، یک توربین بخار را بگرداند.

بقیه اجزای نیروگاه هسته ای

غیر از رآکتور که منبع گرمایی است، تفاوت اندکی بین نیروگاه هسته ای و یک نیروگاه حرارتی تولید برق با سوخت فسیلی وجود دارد.
مخزن بخار تحت فشار معمولا درون یک ساختمان بتونی تعبیه می‌شود که این ساختمان به عنوان یک سد حفاظتی در برابر تابش رادیواکتیو عمل می‌کند. این ساختمان هم درون یک مخزن بزرگتر فولادی قرار می‌گیرد. هسته رآکتور و تجهیزات مرتبط با آن درون این مخزن فولادی قرار گرفته اند و کارکنان می‌توانند راکتور را تخلیه یا سوخت رسانی کنند. وظیفه این مخزن فولادی، جلوگیری از نشت هر گونه گاز یا مایع رادیواکتیو از درون سیال است.
در نهایت این مخزن فولادی هم به وسیله یک ساختمان بتونی خارجی محافظت می‌شود. این ساختمان به قدری محکم است که در برابر اصابت یک هواپیمای جت مسافربری ( مشابه حادثه یازده سپتامبر ) هم تخریب نمی شود. وجود این ساختمان حفاظتی دوم برای جلوگیری از انتشار مواد رادیواکتیو در اثر هرگونه نشت از حفاظ اول ضروری است. در حادثه انفجار چرنوبیل، فقط یک ساختمان حفاظتی وجود داشت و همان موجب شد موادراکتیو در سطح اروپا پخش شود.
رآکتورهای هسته ای طبیعی
در طبیعت هم می‌توان نشانه هایی از رآکتور هسته ای پیدا کرد، البته به شرطی که تمام عوامل مورد نیاز به طور طبیعی در کنار هم قرار گرفته باشند. تنها نمونه شناخته شده یک رآکتور هسته ای طبیعی دو میلیارد سال پیش در منطقه اوکلو در کشور گابون ( قاره آفریقا ) فعالیتش را آغاز کرده است. البته دیگر چنین رآکتورهایی روی زمین شکل نمی گیرند، زیرا واپاشی رادیواکتیو این مواد ( به خصوص U-235 ) در این زمان طولانی 5/4 میلیارد ساله ( سن زمین )، فراوانی U-235 را در منابع طبیعی این رآکتورها بسیار کاهش داده است، به طوری که مقدار آن به پایین تر از حد مورد نیاز آغاز یک واکنش زنجیره ای رسیده است.
این رآکتورهای طبیعی زمانی شکل گرفتند که معادن غنی از اورانیوم به تدریج از آب زیرزمینی یا سطحی پر شدند. این آب به صورت کند کننده عمل کرد و واکنش های زنجیره ای شدیدی به وقوع پیوست. با افزایش دما، آب کند کننده بخار می‌شد و رآکتور خاموش شد. پس از مدتی، این بخارها به مایع تبدیل می‌شدند و دوباره رآکتور به راه می‌افتاد. این سیستم خودکار و بسته، یک رآکتور را کنترل می‌کرد و برای صدها هزار سال، این رآکتور را فعال نگاه می‌داشت.
مطالعه و بررسی این رآکتورهای هسته ای طبیعی بسیار ارزشمند است، زیرا می‌تواند به تحلیل چگونگی حرکت مواد رادیواکتیو در پوسته زمین کمک کند. اگر زمین شناسان بتوانند را از این حرکت‌ها را شناسایی کنند، می‌توانند راه حل های جدیدی برای دفن زباله های هسته ای پیدا کنند تا روزی خدای ناکرده، این ضایعات خطرناک به منابع آب سطح زمین نشت نکنند و فاجعه ای بشری به بار نیاورند.
انواع رآکتورهای گرمایی
الف - کند سازی با آب سبک:
a- رآکتور آب تحت فشار Pressurized Water Reactor
b- رآکتور آب جوشان Boiling Water Reactor
c- رآکتور D2G

ب- کند سازی با گرافیت:
a- ماگنوس Magnox
b- رآکتور پیشرفته با خنک کنندی گازی Advanced Gas-Coaled Reactor (AGR)
c- RBMK
d- PBMR
ج - کند کنندگی با آب سنگین:
a - SGHWR
b - CANDU
رآکتور آب تحت فشار، PWR
رآکتور PWR یکی از رایج ترین راکتورهای هسته ای است که از آب معمولی هم به عنوان کند ساز نوترونها و هم به عنوان خنک ساز استفاده می‌کند. در یک PWR، مدار خنک اولیه از آب تحت فشار استفاده می‌کند. آب تحت فشار، در دمایی بالاتر از آب معمولی به جوش می‌آید، از این دوچرخه خنک ساز اولیه را به گونه ای طراحی می‌کنند که آب با وجود آنکه دمایی بسیار بالا دارد، جوش نیاید و به بخار تبدیل نشود. این آب داغ و تحت فشار در یک مبدل حرارتی، گرما را به چرخه دوم منتقل میکند که یک نوع چرخه بخار است و از آب معمولی استفاده می‌کند. دراین چرخه آب جوش می‌آید و بخار داغ تشکیل می‌شود، بخار داغ یک توربین بخار را می‌چرخاند، توربین هم یک ژنراتور و در نهایت ژنراتور، انرژی الکتریکی تولید می‌کند.
PWR به دلیل دارابودن چرخه ثانویه با BWR تفاوت دارد. از گرمای تولیدی در PWR به عنوان سیستم گرم کننده درنواحی قطبی نیز استفاده شده است. این نوع رآکتور، رایج ترین نوع رآکتورهای هسته ای است و در حال حاضر، بیش از 230 عدد از آنها در نیروگاههای هسته ای تولید برق و صدها رآکتور دیگر برای تأمین انرژی تجهیزات دریایی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
خنک کننده
همان طور که می‌دانید، برخورد نوترونها با سوخت هسته ای درون میله های سوخت، موجب شکافت هسته اتمها می‌شود و این فرآیند هم به نوبه خود، گرما و نوترونهای بیشتری آزاد می‌کند. اگر این حرارت آزاد شده منتقل نشود، ممکن است میله های سوخت ذوب شوند و ساختار کنترلی رآکتور از بین برود ( و البته خطرهای مرگ آوری که به دنبال آن روی می‌دهند. ) در PWR، میله های سوخت به صورت یک دسته در ساختاری، ترسیمی قرار گرفته اند و آب از کف رآکتور به بالا جریان پیدا می‌کند. آب از میان این میله های سوخت عبور می‌کند و به شدت گرم می‌شود، به طوری که به دمای 325 درجه سانتی گراد می‌رسد. درمبدل حرارتی، این آب داغ موجب داغ شدن آب در چرخه دوم می‌شود و بخاری با دمای 270 درجه سانتی گراد تولید می‌کند تا توربین را بچرخاند.

کند کننده
نوترونهای حاصل از یک شکافت هسته ای بیش از آن حدی گرمند که بتوانند یک واکنش شکافت هسته ای را آغاز کنند. انرژی آنها را باید کاهش داد تا با محیط اطراف خود به تعادل گرمایی برسند. محیط اطراف نوترونها ( قلب رآکتور ) دمایی در حدود 450 درجه سانتی گراد دارد.
در یک PWR، نوترونها در پی برخورد با مولکولهای آب خنک ساز، انرژی جنبشی خود را از دست می‌دهند؛ به طوری که پس از 8 تا 10 برخورد ( البته به طور متوسط ) با محیط هم دما می‌شوند. در این حالت، احتمال جذب نوترونها از سوی هسته U-235 بسیار زیاد است ودر صورت جذب، بالافاصله هسته U-236 جدید دچار شکافت می‌شود.
مکانیسم حساسی که هر رآکتور هسته ای را کنترل می‌کند، سرعت آزاد سازی نوترونها در طول یک فرآیند شکافت است به طور متوسط از هر شکافت، دونوترون و مقدار زیادی انرژی آزاد می‌شود. نوترونهای آزاد شده اگر با هسته U-235 دیگری برخورد کنند، شکافت دیگری را سبب می‌شوند و در نهایت یک واکنش زنجیره ای روی می‌دهد. اگر تمام این نوترونها در یک لحظه آزاد شوند، تعدادشان به قدری زیاد می‌شود که باعث ذوب شدن راکتور خواهد شد. ( تعداد ذرات پر انرژی، دمای یک سیستم را تعیین می‌کند. معادله بوتنرمن، این ارتباط را توصیف می‌کند. ) خوشبختانه برخی از این نوترونها پس از یک بازه زمانی نه چندان کوتاه ( حدود یک دقیقه ) تولید می‌شوند و سبب می‌شوند دیگر عوامل کنترل کننده از این تاخیر زمانی استفاده کرده، اثر خود را داشته باشند.
یکی از مزیت های استفاه از آب در PWR، این است که اثر کند سازی آب با افزایش دما کاهش می‌یابد. در حالت عادی، آب در فشار 150 برابر فشار یک اتمسفر قرار دارد ( حدود 15 مگا پاسکال ) و در قلب رآکتور به دمای 325 درجه سانتی گراد می‌رسد. درست است که آب با فشار پانزده مگا پاکسال در این دما جوش نمی آید، ولی به شدت از خاصیت کند کنندگی اش کاسته می‌شود، بنابراین آهنگ واکنش شکافت هسته ای کاهش می‌یابد، حرارت کمتری تولید می‌شود و دما پایین می‌آید. دما که کاهش یابد، توان رآکتور افزایش می‌یابد و دما که افزایش یابد توان راکتور کاهش می‌یابد؛ پس خود سیستم PWR دارای یک سیستم خود تعادلی در رآکتور است و تضمین می‌کند توان رآکتور در کمترین میزان مورد نیاز برای تأمین گرمای سیستم بخار ثانویه است.
در اغلب رآکتورهای PWR، توان رآکتور را در دوره فعالیت معمولی با تغییرات غلظت بورون ( در شکل اسید بوریک ) در چرخه خنک کننده اولیه کنترل اولیه کنترل می‌کنند سرعت جریان خنک کننده اول در رآکتورهای PWR معمولی ثابت است. بورون یک جذب کننده قوی نوترون است و با افزایش یا کاهش غلظت آن، می‌توان شدت فعالیت راکتور را کاهش یا افزایش داد. برای این کار، یک سیستم کنترلی پیچیده شامل پمپ های فشار بالا که آب را در فشار 15 مگا پاسکال از چرخه خارج می‌کند، تجهیزات تغییر غلظت اسید بوریک و تزریق مجدد آب به چرخه خنک ساز مورد نیاز است.
یکی از اشکالات راکتورهای شکافت، این است که حتی پس از توقف واکنش شکافت، هنوز هم واپاشی های رادیواکتیوی انجام می‌شود و حرارت زیادی آزاد می‌شود که می‌تواند راکتور را ذوب کند. البته سیستم های حفاظتی و پشتیبانی متعددی برای جلوگیری از این واقعه وجود دارند، با این حال ممکن است در اثر پیچیدگی های این سیستم، برهمکنش های پیش بینی نشده یا خطاهای عملیاتی مرگ آفرینی در شرایط اضطراری روی دهند. در نهایت، هر رآکتور با یک حفاظ ساختمانی بتونی احاطه شده است که آخرین سد در برابر تشعشعات رادیواکتیو است.
رآکتور آب جوشان، BWR
در رآکتور آب جوشان، از آب سبک استفاده می‌شود. آب سبک، آبی است که در آن فقط هیدروژن معمولی وجود دارد. ) BWR اختلاف زیادی با رآکتور آب تحت فشار ندارد، غیر از اینکه در BWR فقط یک چرخه خنک کننده وجود دارد و آب مستقیما در قلب راکتور به جوش می‌آید. فشار آب در BWR کمتر از PWR است، به طوری که در بیشترین مقدار به 75 برابر فشار جو می‌رسد ( 5/7 مگا پاسکال ) و بدین ترتیب آب در دمای 285 درجه سانتی گراد به جوش می‌آید.
رآکتور BWR به شکلی طراحی شده که بین 12 تا 15 درصد آب درون قلب رآکتور به شکل بخار در قسمت بالای آن قرار می‌گیرد. بدین ترتیب عملکرد بخش بالایی و پایینی هسته رآکتور با هم تفاوت دارند. در بخش بالایی قلب رآکتور، کند سازی کمتری صورت می‌گیرد و در نتیجه بخش بالایی کمتر است.
در حالت کلی دو مکانیسم برای کنترل BWR وجود دارد: استفاده از میله های کنترل و تغییر جریان آب درون راکتور.
الف - بالا بردن یا پایین آوردن میله های کنترل، روش معمولی کنترل توان رآکتور در حالت راه اندازی رآکتور تا رسیدن به 70 درصد حداکثر توان است. میله های کنترل حاوی مواد جذب کننده نوترون هستند؛ در نتیجه پایین آوردن آنها موجب افزایش جذب نوترون در میله ها، کاهش جذب نوترون در سوخت و درنهایت کاهش آهنگ شکافت هسته ای و پایین آمدن توان رآکتور می‌شود. بالا بردن میله های سوخت دقیقاً نتیجه معکوس می‌دهد.
ب - تغییرات جریان آب درون رآکتور، زمانی برای کنترل رآکتور مورد استفاده قرار می‌گیرد که راکتور بین 70 تا صد درصد توان خود کار می‌کند. اگر جریان آب درون رآکتور افزایش یابد، حباب های بخار در حال جوش سریع تر از قلب راکتور خارج می‌شوند و آب درون قلب رآکتور بیشتر می‌شود. افزایش مقدار آب به معنی افزایش کندسازی نوترون و جذب بیشتر نوترونها از سوی سوخت است و این یعنی افزایش توان راکتور. با کاهش جریان آب درون رآکتور، حباب‌ها بیشتر در رآکتور باقی می‌مانند، سطح آب کاهش می‌یابد و به دنبال آن کندسازی نوترونها و جذب نوترون هم کاهش می‌یابد و در نهایت توان رآکتور کاهش می‌یابد.
بخار تولید شده در قلب رآکتور از شیرهای جدا کننده بخار و صفحات خشک کن ( برای جذب هر گونه قطرات آب داغ ) عبور می‌کند و مستقیماً به سمت توربین های بخار که بخشی از مدار رآکتور محسوب می‌شوند، می‌رود. آب اطراف رآکتور همواره در معرض تابش و آلودگی رادیواکتیو است و از آنجا که توربین هم در تماس مستقیم با این آب است، باید پوشش حفاظتی داشته باشد. اغلب آلودگی های درون آب عمر کوتاهی دارند ( مانند N16 که بخش اعظم آلودگی های آب را تشکیل می‌دهد و نیمه عمرش تنها 7 ثانیه است )، بنابراین مدت کوتاهی پس از خاموش شدن رآکتور می‌توان به قسمت توربین وارد شد.
در رآکتور BWR، افزایش نسبت بخار آب به آب مایع درون رآکتور موجب کاهش گرمای خروجی می‌شود. با این حال، یک افزایش ناگهانی در فشار بخار، سبب بروز یک کاهش ناگهانی در نسبت بخار به آب مایع درون رآکتور می‌شود که خود، سبب افزایش توان خروجی می‌شود. این شرایط و دیگر حالت های خطرساز، موجب شده است از سیستم کنترلی اسید بوریک ( بورون ) نیز استفاده شود، بدین شکل که در سیستم پشتیبان خاموش کننده اضطراری، محلول اسید بوریک با غلظت بالا به چرخه خنک کننده تزریق می‌شود. خوبی این سیستم این است که اسید اوریک، یک خورنده قوی است و معمولا در PWR سبب می‌شود تلفات ناشی از خوردگی قابل توجه باشد. در بدترین شرایط اضطراری که تمام سیستم های امنیتی از کار افتاد، هر رآکتور به وسیله یک ساختمان حفاظتی از محیط اطراف جدا شده است. در یک رآکتور BWR جدی، حدود 800 دسته واحد سوخت قرار می‌گیرد و در هر دسته بین 74 تا 100 میله سوخت قرار می‌گیرد. این چنین حدود 140 تن اورانیوم در قلب رآکتور ذخیره می‌شود.

• رآکتور D2G
رآکتور هسته ای D2G را می‌توان در تمام ناوهای دریایی ایالات متحده می‌توان پیدا کرد. D2G مخفف عبارت زیراست:
رآکتور ناو جنگی D=Destroyer-sized reactor
نس دوم 2=Second Geneation
ساخت جنرال الکتریک G= General - Electric built
بدین ترتیب، D2G را می‌توان مخفف این عبارت دانست: رآکتور هسته ای نسل دوم ویژه ناوهای جنگی ساخت جنرال الکتریک. این رآکتور برای تولید حداکثر 150 مگا وات انرژی الکتریکی و عمر مفید 15 سال مصرف معمولی طراحی شده است.
در این رآکتور، برای مخزن بخار دو رآکتور وجود دارد و طوری طراحی شده که بتوان هر دو اتاق توربین را با یک رآکتور به راه انداخت. اگر هر دو رآکتور فعال باشند، ناو به سرعت 32 گره می‌رسد. اگر یک رآکتور فعال باشد و توربین‌ها متصل به هم باشند، سرعت ناو به 25 تا 27 گره خواهد رسید و اگر فقط یک رآکتور فعال باشد ولی توربین‌ها جدا باشند، سرعت فقط 15 گره خواهد بود.

نيروی باد امروز

وزارت انرژی ايالات متحده (دی. او. ای.) بيش از 30 سال است كه با صنعت توليد انرژی باد در آمريكا همكاری كرده است تا بتواند رويای يك منبع نيروی تميز و قابل تجديد را امروز تبديل به موفقيت آميزترين و ماندنی ترين فن آوری نيروی صيانت شده و قابل جايگزين كند.

به قلم رابرت ثره شر

رابرت ثره شر مدير مركز ملی فن آوری باد در لابراتوار ملی انرژی تجديد شونده وزارت نيروی ايالات متحده است.

نيروی باد --- فن آوری استفاده از باد برای ايجاد برق --- جزء منابع جديد توليد برق است كه امروزه سريعترين رشد را در سطح جهانی بخود اختصاص داده است. نيروی باد توسط توربينهای عظيم سه پره ای توليد ميشود كه در بالای برج های بلند نصب ميشوند و كار كردشان مانند پنكه معكوس است. بجای استفاده از انرژی برق برای توليد باد و خنكی، توربين ها از باد استفاده ميكنند كه نيروی برق توليد كنند.

باد پره ها را ميگرداند و پره ها از طريق شافت يا ميله گردان انتقال دهنده حركت و يك سری چرخ دنده ژنراتور الكتريكی را به حركت وا ميدارد. توربين های بزرگ برای دستگاه ها و ماشين آلات از 750 كيلو وات تا 1.5 مگا وات برق توليد ميكنند (يك كيلو وات معدل 1000 وات و يك مگا وات معادل يك ميليون وات است). برای منازل، ايستگاه های مخابراتی، و پمپ آب توربين های كوچك با توان حداكثر 100 كيلو وات كفايت ميكند؛ بويژه در نقاط دور افتاده كه هيچ منبع انرژی ديگری برای ارائه خدمات وجود ندارد.

در كارخانجات باد يا اصطلاحا در مزارع باد، گروه هايی از توربين های بادی بهم متصل شده تشكيل يك شبكه را ميدهند و برق توليد ميكنند. برق توليدی از طريق دستگاه انتقال نيرو و شبكه خطوط توزيع به دست مصرف كننده می رسد.

از سال 1980 كه برنامه های تحت پوشش پروژه باد وزارت نيرو آغاز به كار كرد قيمت انرژی بادی از 80 سنت ( ارزش دلار امروز) به ازای هر كيلو وات ساعت به بين 4 تا 6 سنت برای هر كيلو وات ساعت كاهش يافته.

يكی از اهداف برنامه باد اينست كه قيمت برق توليدی را تا 3 سنت برای هر كيلو وات ساعت (برای مزارع داخل خشكی با سرعت كم باد) و 5 سنت برای هر كيلو وات ساعت (در آبهای ساحلی و مزارع روی اقيانوس) تقليل دهد. اماكن سرعت – كم – باد جاهايی هستند كه معدل سرعت سالانه باد ( در ارتفاع 10 متری از سطح زمين) حدود 21 كيلو متر در ساعت است.

برای انجام اين و هدفهای ديگر دو واحد از لابراتوارهای عمده تحقيقاتی دی. او. ای. يعنی لابراتوار ملی انرژی جايگزين شونده (ان. آر. ای. ال.) در كولورادو، و لابراتوارهای ملی سانديا در نيو مكزيكو با شركايی در صنعت و بخش تحقيقات دانشگاهی در سطح ملی همكاری ميكنند تا موجب پيشرفت فن آوريهای انرژی بادی شوند. هر لابراتوار توان و مهارت خاص و يگانه ای را داراست كه پاسخگوی نيازهای صنعت می باشد.

مركز ملی فن آوری باد (ان. دبليو. تی. سی.) ، وابسته به ان. آر. ای. ال. ، تاسيسات تحقيقاتی پيشگام در برنامه باد است. ان. دبليو. تی. سی. تحقيقاتش در زمينه پشتيبانی از شركای صنعتی خود است و در طراحی و بازبينی تحليل، ساخت و بهبود قطعات، تحليل سيستمها و دستگاه های كنترل و نظارت، آزمايش قطعات، خدمات تركيبی و مرتبه به هم، كمكهای فنی، و بيش از اينها ... مشغول اقدام است. در حاليكه سانديا زمينه كاريش در انجام تحقيقات عملی در بخش ساخت و توليد پيشرفته و پيچيده، حصول اطمينان از كيفيت و اعتبار قطعات، بخش ائرو ديناميك، تحليل و كنترل ساختارها، فرسودگی و ستوهش مواد سازنده، و سيستم های كنترل و مراقبت است.
با عنايت به تلاشها، تحقيقات، و توسعه هايی از اين دست، ظرفيت جهانی انرژی بادی در 10 سال گذشته بيش از 10 برابر افزايش يافته --- و از 3.5 گيگا وات (هر گيگا وات معادل يك ميليارد وات است) در سال 1994 به حدود 50 گيگا وات تا پايان 2004 رسيده است. در ايالات متحده ظرفيت انرژی بادی در اين مدت به سه برابر افزايش يافته؛ از 1600 مگا وات در 1994 به بيش از 6700 مگاوات تا پايان 2004 --- ظرفيتی كه قادر است بيش از 1.6 ميليون خانوار را از نظر برق مصرفی تامين نمايد.

در سال 2005 ، بعلت تمديد معافيت مالياتی فدرال بوسيله كنگره در 2004 پيش بينی ميشود صنعت انرژی باد در ايالات متحده از رشد چشمگيری برخوردار شود. اعتبار مالياتی مورد نظر مبلغ 1.9 سنت برای هر كيل

موضوعات مرتبط: فیزیک دبیرستان، ،
برچسب‌ها: