راکتورهای هسته‌ای نیروگاه فوکوشیما دایچی در ژاپن، در وضعیت بحرانی به سر می‌برند، ولی هنوز به حالت ذوب کامل نرسیده‌اند. اما ذوب کامل به چه معناست و عواقب آن چه تفاوتی با چرنوبیل خواهد داشت؟
راکتورهای هسته‌ای نیروگاه فوکوشیما دایچی در ژاپن، در وضعیت بحرانی به سر می‌برند، ولی هنوز به حالت ذوب کامل نرسیده‌اند. ساینتیفیک امریکن در مقاله‌ای توضیح داده که ذوب کامل راکتور به چه معناست و وضعیت کنونی این نیروگاه با سوانح هسته‌ای پیشین چه شباهت‌ها و تفاوت‌هایی دارد.
یک راکتور هسته‌ای چگونه کار می‌کند؟
بیشتر نیروگاه‌های هسته‌ای، مانند آنهایی که در نیروگاه فوکوشیما دایچی ژاپن قرار دارند، در حقیقت کتری‌های بسیار پیچیده‌ای هستند که آب را برای تولید نیروی برق به جوش می‌آورند.
آنها برای تامین انرژی مورد نیاز خود، به شکافت هسته‌ای وابسته‌اند؛ شکافت هسته‌ای به فرایند تقسیم هسته یک اتم به دو اتم کوچک‌تر گفته می‌شود که علاوه بر تولید دو اتم جدید، انرژی گرمایی را آزاد می‌کند و تعدادی نوترون را نیز به اطراف می‌فرستد. اگر هسته یک اتم دیگر یکی از این نوترون‌ها را جذب کند، ناپایدار خواهد شد و خود نیز فرایند شکافت را خواهد پیمود، که در نتیجه آن، گرما و نوترون آزاد بیشتری به دست خواهد آمد.
واکنش زنجیره‌ای حاصله همین طور ادامه خواهد یافت، و یک منبع دائمی از گرما را برای تبخیر آب، چرخاندن توربین‌های بخار و در نتیجه تولید برق، فراهم می‌کند.
انرژی هسته‌ای، در ژاپن و دیگر نقاط جهان، چقدر برق تولید می‌کند؟
طبق داده‌های منتشر شده آژانس بین المللی انرژی هسته‌ای، ژاپن با 58 راکتور هسته‌ای که سالیانه 280 میلیارد کیلووات ساعت برق تولید می‌کنند، سومین تولید کننده بزرگ انرژی هسته‌ای در جهان است، و بعد از ایالات متحده و فرانسه قرار می‌گیرد.
نیروگاه فوکوشیما دایچی، که در اثر زلزله روز جمعه 11 مارس / 20 اسفند به شدت آسیب دید، شش نمونه از این راکتورها را در خود دارد که همگی آنها در دهه 1970 وارد مدار شدند.
انرژی هسته‌ای تقریبا 15 درصد از مجموع برق تولیدی در سراسر جهان را تامین می‌کند. ژاپن تقریبا 30 درصد از برق خود را از نیروگاه‌های هسته‌ای خود تامین می‌کند.
ایالات متحده امریکا، برق هسته‌ای بیشتری تولید می‌کند، ولی سهم انرژی هسته‌ای از مجموع برق تولیدی این کشور کمتر از ژاپن است. تقریبا 20 درصد برق تولیدی در ایالات متحده امریکا از نیروگاه‌های هسته‌ای می‌آید، که این نیروگاه‌ها را به سومین منبع بزرگ تولید برق در این کشور بعد از ذغال سنگ (با 45 درصد) و گاز طبیعی (با 23 درصد) بدل کرده است.
آنها برای تامین انرژی مورد نیاز خود، به شکافت هسته‌ای وابسته‌اند؛ شکافت هسته‌ای به فرایند تقسیم هسته یک اتم به دو اتم کوچک‌تر گفته می‌شود که علاوه بر تولید دو اتم جدید، انرژی گرمایی را آزاد می‌کند و تعدادی نوترون را نیز به اطراف می‌فرستد. اگر هسته یک اتم دیگر یکی از این نوترون‌ها را جذب کند، ناپایدار خواهد شد و خود نیز فرایند شکافت را خواهد پیمود، که در نتیجه آن، گرما و نوترون آزاد بیشتری به دست خواهد آمد.
واکنش زنجیره‌ای حاصله همین طور ادامه خواهد یافت، و یک منبع دائمی از گرما را برای تبخیر آب، چرخاندن توربین‌های بخار و در نتیجه تولید برق، فراهم می‌کند.
انرژی هسته‌ای، در ژاپن و دیگر نقاط جهان، چقدر برق تولید می‌کند؟
طبق داده‌های منتشر شده آژانس بین المللی انرژی هسته‌ای، ژاپن با 58 راکتور هسته‌ای که سالیانه 280 میلیارد کیلووات ساعت برق تولید می‌کنند، سومین تولید کننده بزرگ انرژی هسته‌ای در جهان است، و بعد از ایالات متحده و فرانسه قرار می‌گیرد.
نیروگاه فوکوشیما دایچی، که در اثر زلزله روز جمعه 11 مارس / 20 اسفند به شدت آسیب دید، شش نمونه از این راکتورها را در خود دارد که همگی آنها در دهه 1970 وارد مدار شدند.
انرژی هسته‌ای تقریبا 15 درصد از مجموع برق تولیدی در سراسر جهان را تامین می‌کند. ژاپن تقریبا 30 درصد از برق خود را از نیروگاه‌های هسته‌ای خود تامین می‌کند.
ایالات متحده امریکا، برق هسته‌ای بیشتری تولید می‌کند، ولی سهم انرژی هسته‌ای از مجموع برق تولیدی این کشور کمتر از ژاپن است. تقریبا 20 درصد برق تولیدی در ایالات متحده امریکا از نیروگاه‌های هسته‌ای می‌آید، که این نیروگاه‌ها را به سومین منبع بزرگ تولید برق در این کشور بعد از ذغال سنگ (با 45 درصد) و گاز طبیعی (با 23 درصد) بدل کرده است.
سوخت یک نیروگاه هسته‌ای چیست؟
بیشتر نیروگاه‌های هسته‌ای از سوخت اورانیوم استفاده می‌کنند، که در قالب اورانیوم 235 «غنی‌شده» است؛ اورانیوم 235 یک ایزوتوپ (ایزوتوپ‌ها، گونه‌های مختلف یک عنصر با جرم اتمی متفاوت هستند) از عنصر اورانیوم است که فرایند شکافت هسته‌ای در آن به راحتی انجام می‌شود.
اورانیوم 238 در طبیعت خیلی بیشتر از اورانیوم 235 یافت می‌شود ولی شکافت هسته‌ای در آن به خوبی صورت نمی گیرد، در نتیجه تولید کنندگان سوخت هسته‌ای محتوای اورانیوم 235 را چند درصد افزایش می‌دهند، که برای تداوم یک واکنش هسته‌ای شکافت هسته‌ای و تولید برق، کفایت می‌کند. اورانیوم غنی شده، در کارخانه به میله‌های سوختی تبدیل می‌شود که در پوشش‌های فلزی مانند آلیاژ زیرکونیوم قرار می‌گیرند.
راکتور شماره3 نیروگاه فوکوشیما دایچی از چیزی به نام سوخت اکسید ترکیبی MOX استفاده می‌کند، که در آن، اورانیوم با دیگر مواد قابل شکافت مانند پلوتونیوم حاصل از سوخت مصرف شده نیروگاه‌ها یا سلاح‌های هسته‌ای خنثی شده ترکیب شده است.
چگونه می‌توان یک واکنش هسته‌ای را متوقف کرد؟
فرایندهای شکافت هسته‌ای دائمی، وابسته به حرکت نوترون‌ها از یک اتم به دیگری هستند؛ نوترون‌های آزاد شده در فرایند شکافت یک اتم، شکافت اتم بعدی را سبب می‌شوند. در نتیجه راه توقف یک فرایند شکافت هسته‌ای، قطع حرکت نوترون‌ها است.
راکتورهای هسته‌ای از میله‌های کنترل تولید شده از عناصری مانند کادمیوم، بوروم و هافنیوم استفاده می‌کنند که همگی آنها جذب‌کننده‌های نوترون هستد.
هنگامی که عملکرد یک نیروگاه مختل می‌شود یا وقتی اپراتورها بخواهند بنا به هر دلیلی یک راکتور را خاموش کنند، تکنیسین‌ها می‌توانند از راه دور میله‌های کنترل را وارد هسته راکتور کنند تا نوترون‌ها را جذب کنند و واکنش هسته‌ای را متوقف کنند.
آیا در حالی که واکنش هسته‌ای متوقف شده است، ممکن است که راکتور ذوب شود؟
حتی بعد از این که میله‌های کنترل کار خود را انجام دادند و فرایند شکافت را متوقف کردند، میله‌های سوخت گرمای زیادی خواهند داشت. علاوه بر آن، اتم‌های اورانیوم که پیش از این به دو اتم تقسیم شده بودند، محصولات جانبی رادیواکتیو تولید می‌کنند که خود نیز گرمای زیادی تولید می‌کنند. در نتیجه هسته راکتور به تولید گرما در نبود شکافت ادامه می‌دهد.
اگر بقیه قسمت‌های راکتور سالم باشند و در حال عملکرد نرمال، پمپ‌ها به چرخش مواد خنک کننده (معمولا آب) برای پایین اوردن گرمای هسته ادامه می‌دهند.
در ژاپن، این نه زمین‌لرزه 9 ربشتری که سونامی پس از آن بود که برق AC سیستم خنک‌کننده راکتور و ژانراتورهای دیزلی پشتیبان را از کار انداخت و راکتورها را بدون سیستم خنک کننده و در معرض خطر جدی گرمای بیش از حد قرار دادند.
یک هسته داغ راکتور بدون یک منبع دائمی مواد خنک‌کننده، پیوسته آب اطراف میله‌های سوخت را بخار می‌کند تا جایی که میله‌های سوخت بالاتر از سطح آب قرار گیرند.
اگر میله‌های سوخت بالاتر از سطح مواد خنک کننده قرار گیرند، ممکن است شروع به ذوب شدن کنند و سوخت داغ رادیواکتیو در بستر مخزن حاوی راکتور بماند.
در بدترین حالت ذوب شدن، مخلوط سوخت ذوب شده از طریق محفظه فلزی ذوب می‌شود و با عبور از موانع بعدی که برای نگاه داشتن مواد هسته‌ای طراحی شده‌اند، مقادیر معتنابهی از تشعشعات رادیواکتیو را در معرض دنیای خارج قرار می‌دهد.
چگونه می‌توان از ذوب شدن اجتناب کرد؟
اپراتورهای ژاپنی نیروگاه تلاش‌های متعددی را برای خنک کردن راکتور ترتیب داده‌اند که شامل پمپاژ آب دریا به داخل هسته راکتور برای جایگزینی مایع خنک کننده هم می‌شود. شرکت نیروی برق توکیو (TEPCO)، اسید بوریک را هم که جاذب نوترون است؛ به داخل راکتورها تزریق کرده است.
آیا این سانحه را می‌توان با فاجعه چرنوبیل یا جزیره تری‌مایل مقایسه کرد؟
در حال حاضر، سه راکتور نیروگاه فوکوشیما دایچی به طور جدی تخریب شده‌اند. واحدهای یک و سه شاهد انفجارهایی بودند که دیواره‌های خارجی را تخریب کردند و به نظر می‌رسد که ناشی از تجمع گاز هیدروژن تولید شده از واکنش زیرکونیوم میله‌های سوخت با آب خنک کننده در دمای بسیار بالا است؛ ولی به نظر می‌رسد که محفظه‌های نگهدارنده داخلی تاکنون بدون آسیب مانده‌اند.
در روز 15 مارس نیز انفجار سومی در راکتور شماره 2 رخ داد که به نظر می‌رسد که اوضاع در آنجا وخیم‌تر باشد. فشار استخر ته‌نشینی، (مخزن آب دونات‌شکل در زیر راکتور) بعد از انفجار کاهش یافت، که نشان دهنده این بود که مخزن به خطر افتاده است.
در راکتورهای شماره 1، 2 و 3، سطح آب به حدی کاهش یافت که برای مدت کوتاهی میله‌های سوخت خارج از سطح آب قرار بگیرند. مسلم است که این میله‌های سوخت دچار آسیب جدی شده‌اند. و یک آتش سوزی در استخر ذخیره سازی سوخت‌های مصرف شده راکتور شماره 4 نیز، خطرات جدیدی را برای معدود کارگران باقی‌مانده در محل نیروگاه آفریده است.
مسئولین ژاپنی در ابتدا حادثه راکتور شماره 4 را، «حادثه‌ای با تبعات محلی» در مقیاس هفت مرحله‌ای رخدادهای بین المللی هسته‌ای و پرتوزیستی، آی.ان.ای.اس (INES) اعلام کردند، ولی فرانک فون هیپل، فیزیکدان دانشگاه پرینستون به نیویورک تایمز گفت که وضعیت فعلی در نیروگاه فوکوشیما دایچی، «تا همین جای کار هم خیلی بدتر از جزیره تری‌مایل» است. جزیره تری‌مایل، بدترین سانحه هسته‌ای ایالات متحده، در سطح پنج، یک «حادثه با تبعات گسترده‌تر» طبقه‌بندی شده بود.
در نیروگاه هسته‌ای پنسیلوانیا در سال 1979 / 1358، خرابی سیستم خنک‌کننده به همراه اشتباه کارگران منجر به ذوب شدن جزئی شد؛ تقریبا نیمی از هسته راکتور ذوب شد و مخلوطی را در کف مخزن فلزی فشار تشکیل داد. مخزن بدون آسیب ماند، ولی برخی تشعشعات از نیروگاه خارج شده و وارد محیط پیرامونی شدند.
اما فاجعه چرنوبیل در سال 1986 / 1365 بسیار گسترده‌تر بود؛ و در رده هفت، یا یک «حادثه مهم» در مقیاس INES، طبقه‌بندی شد. در اوکراین که آن زمان بخشی از اتحاد جماهیر شوروی بود؛ تغییرات گسترده در توان تولیدی منجر به انفجار در یکی از راکتورهای نیروگاه شد و مقادیر زیادی از مواد رادیواکتیو را در هوا پراکنده کرد.
به گفته کمیسیون مقررات هسته‌ای ایالات متحده، دو کارگر نیروگاه در عرض چند ساعت در اثر مسمومیت تشعشعی جان باختند؛ و 28 نفر دیگر نیز در ماه‌های بعد مردند.
ریزش اتمی چرنوبیل بسیار گسترده بود که محاسبه خسارات جانی و اثرات آن بر سلامتی مردم کار بسیار سختی خواهد بود.
گزارش کمیته علمی سازمان ملل متحد در مورد اثرات تشعشعات اتمی نشان داد که 6هزار نفر از جمعیت زیر 18 سال ساکن در اوکراین و بلاروس تا سال 2006 / 1385 مبتلا به سرطان تیروئید شدند؛ که به نظر می‌رسد که «بخش عمده‌ای از آنها» در اثر قرار گرفتن در معرض تشعشعات رادیواکتیو به بیماری مبتلا شدند.
بیشتر نیروگاه‌های هسته‌ای از سوخت اورانیوم استفاده می‌کنند، که در قالب اورانیوم 235 «غنی‌شده» است؛ اورانیوم 235 یک ایزوتوپ (ایزوتوپ‌ها، گونه‌های مختلف یک عنصر با جرم اتمی متفاوت هستند) از عنصر اورانیوم است که فرایند شکافت هسته‌ای در آن به راحتی انجام می‌شود.
اورانیوم 238 در طبیعت خیلی بیشتر از اورانیوم 235 یافت می‌شود ولی شکافت هسته‌ای در آن به خوبی صورت نمی گیرد، در نتیجه تولید کنندگان سوخت هسته‌ای محتوای اورانیوم 235 را چند درصد افزایش می‌دهند، که برای تداوم یک واکنش هسته‌ای شکافت هسته‌ای و تولید برق، کفایت می‌کند. اورانیوم غنی شده، در کارخانه به میله‌های سوختی تبدیل می‌شود که در پوشش‌های فلزی مانند آلیاژ زیرکونیوم قرار می‌گیرند.
راکتور شماره3 نیروگاه فوکوشیما دایچی از چیزی به نام سوخت اکسید ترکیبی MOX استفاده می‌کند، که در آن، اورانیوم با دیگر مواد قابل شکافت مانند پلوتونیوم حاصل از سوخت مصرف شده نیروگاه‌ها یا سلاح‌های هسته‌ای خنثی شده ترکیب شده است.
چگونه می‌توان یک واکنش هسته‌ای را متوقف کرد؟
فرایندهای شکافت هسته‌ای دائمی، وابسته به حرکت نوترون‌ها از یک اتم به دیگری هستند؛ نوترون‌های آزاد شده در فرایند شکافت یک اتم، شکافت اتم بعدی را سبب می‌شوند. در نتیجه راه توقف یک فرایند شکافت هسته‌ای، قطع حرکت نوترون‌ها است.
راکتورهای هسته‌ای از میله‌های کنترل تولید شده از عناصری مانند کادمیوم، بوروم و هافنیوم استفاده می‌کنند که همگی آنها جذب‌کننده‌های نوترون هستد.
هنگامی که عملکرد یک نیروگاه مختل می‌شود یا وقتی اپراتورها بخواهند بنا به هر دلیلی یک راکتور را خاموش کنند، تکنیسین‌ها می‌توانند از راه دور میله‌های کنترل را وارد هسته راکتور کنند تا نوترون‌ها را جذب کنند و واکنش هسته‌ای را متوقف کنند.
آیا در حالی که واکنش هسته‌ای متوقف شده است، ممکن است که راکتور ذوب شود؟
حتی بعد از این که میله‌های کنترل کار خود را انجام دادند و فرایند شکافت را متوقف کردند، میله‌های سوخت گرمای زیادی خواهند داشت. علاوه بر آن، اتم‌های اورانیوم که پیش از این به دو اتم تقسیم شده بودند، محصولات جانبی رادیواکتیو تولید می‌کنند که خود نیز گرمای زیادی تولید می‌کنند. در نتیجه هسته راکتور به تولید گرما در نبود شکافت ادامه می‌دهد.
اگر بقیه قسمت‌های راکتور سالم باشند و در حال عملکرد نرمال، پمپ‌ها به چرخش مواد خنک کننده (معمولا آب) برای پایین اوردن گرمای هسته ادامه می‌دهند.
در ژاپن، این نه زمین‌لرزه 9 ربشتری که سونامی پس از آن بود که برق AC سیستم خنک‌کننده راکتور و ژانراتورهای دیزلی پشتیبان را از کار انداخت و راکتورها را بدون سیستم خنک کننده و در معرض خطر جدی گرمای بیش از حد قرار دادند.
یک هسته داغ راکتور بدون یک منبع دائمی مواد خنک‌کننده، پیوسته آب اطراف میله‌های سوخت را بخار می‌کند تا جایی که میله‌های سوخت بالاتر از سطح آب قرار گیرند.
اگر میله‌های سوخت بالاتر از سطح مواد خنک کننده قرار گیرند، ممکن است شروع به ذوب شدن کنند و سوخت داغ رادیواکتیو در بستر مخزن حاوی راکتور بماند.
در بدترین حالت ذوب شدن، مخلوط سوخت ذوب شده از طریق محفظه فلزی ذوب می‌شود و با عبور از موانع بعدی که برای نگاه داشتن مواد هسته‌ای طراحی شده‌اند، مقادیر معتنابهی از تشعشعات رادیواکتیو را در معرض دنیای خارج قرار می‌دهد.
چگونه می‌توان از ذوب شدن اجتناب کرد؟
اپراتورهای ژاپنی نیروگاه تلاش‌های متعددی را برای خنک کردن راکتور ترتیب داده‌اند که شامل پمپاژ آب دریا به داخل هسته راکتور برای جایگزینی مایع خنک کننده هم می‌شود. شرکت نیروی برق توکیو (TEPCO)، اسید بوریک را هم که جاذب نوترون است؛ به داخل راکتورها تزریق کرده است.
آیا این سانحه را می‌توان با فاجعه چرنوبیل یا جزیره تری‌مایل مقایسه کرد؟
در حال حاضر، سه راکتور نیروگاه فوکوشیما دایچی به طور جدی تخریب شده‌اند. واحدهای یک و سه شاهد انفجارهایی بودند که دیواره‌های خارجی را تخریب کردند و به نظر می‌رسد که ناشی از تجمع گاز هیدروژن تولید شده از واکنش زیرکونیوم میله‌های سوخت با آب خنک کننده در دمای بسیار بالا است؛ ولی به نظر می‌رسد که محفظه‌های نگهدارنده داخلی تاکنون بدون آسیب مانده‌اند.
در روز 15 مارس نیز انفجار سومی در راکتور شماره 2 رخ داد که به نظر می‌رسد که اوضاع در آنجا وخیم‌تر باشد. فشار استخر ته‌نشینی، (مخزن آب دونات‌شکل در زیر راکتور) بعد از انفجار کاهش یافت، که نشان دهنده این بود که مخزن به خطر افتاده است.
در راکتورهای شماره 1، 2 و 3، سطح آب به حدی کاهش یافت که برای مدت کوتاهی میله‌های سوخت خارج از سطح آب قرار بگیرند. مسلم است که این میله‌های سوخت دچار آسیب جدی شده‌اند. و یک آتش سوزی در استخر ذخیره سازی سوخت‌های مصرف شده راکتور شماره 4 نیز، خطرات جدیدی را برای معدود کارگران باقی‌مانده در محل نیروگاه آفریده است.
مسئولین ژاپنی در ابتدا حادثه راکتور شماره 4 را، «حادثه‌ای با تبعات محلی» در مقیاس هفت مرحله‌ای رخدادهای بین المللی هسته‌ای و پرتوزیستی، آی.ان.ای.اس (INES) اعلام کردند، ولی فرانک فون هیپل، فیزیکدان دانشگاه پرینستون به نیویورک تایمز گفت که وضعیت فعلی در نیروگاه فوکوشیما دایچی، «تا همین جای کار هم خیلی بدتر از جزیره تری‌مایل» است. جزیره تری‌مایل، بدترین سانحه هسته‌ای ایالات متحده، در سطح پنج، یک «حادثه با تبعات گسترده‌تر» طبقه‌بندی شده بود.
در نیروگاه هسته‌ای پنسیلوانیا در سال 1979 / 1358، خرابی سیستم خنک‌کننده به همراه اشتباه کارگران منجر به ذوب شدن جزئی شد؛ تقریبا نیمی از هسته راکتور ذوب شد و مخلوطی را در کف مخزن فلزی فشار تشکیل داد. مخزن بدون آسیب ماند، ولی برخی تشعشعات از نیروگاه خارج شده و وارد محیط پیرامونی شدند.
اما فاجعه چرنوبیل در سال 1986 / 1365 بسیار گسترده‌تر بود؛ و در رده هفت، یا یک «حادثه مهم» در مقیاس INES، طبقه‌بندی شد. در اوکراین که آن زمان بخشی از اتحاد جماهیر شوروی بود؛ تغییرات گسترده در توان تولیدی منجر به انفجار در یکی از راکتورهای نیروگاه شد و مقادیر زیادی از مواد رادیواکتیو را در هوا پراکنده کرد.
به گفته کمیسیون مقررات هسته‌ای ایالات متحده، دو کارگر نیروگاه در عرض چند ساعت در اثر مسمومیت تشعشعی جان باختند؛ و 28 نفر دیگر نیز در ماه‌های بعد مردند.
ریزش اتمی چرنوبیل بسیار گسترده بود که محاسبه خسارات جانی و اثرات آن بر سلامتی مردم کار بسیار سختی خواهد بود.
گزارش کمیته علمی سازمان ملل متحد در مورد اثرات تشعشعات اتمی نشان داد که 6هزار نفر از جمعیت زیر 18 سال ساکن در اوکراین و بلاروس تا سال 2006 / 1385 مبتلا به سرطان تیروئید شدند؛ که به نظر می‌رسد که «بخش عمده‌ای از آنها» در اثر قرار گرفتن در معرض تشعشعات رادیواکتیو به بیماری مبتلا شدند.
