عنوان: پایان نامه بررسي تجهيزات و عملكرد نیروگاه اتمي، مهندسي برق

رشته:  پروژه پایانی دوره کارشناسی‌،مهندسي برق

فرمت فایل: WORD (قابل ویرایش)

تعداد صفحه: 170

چکیده:
امروزه زندگی بشر وابستگی شدیدی به انرژی پیدا کرده است .یکی ازبهترین صورتهای انرژی، انرژی الکتریکی میباشد .با توجه به رشد روز افزون جمعیت جهان و نیازهای زندگی بشری برای تامین این نیازها باید راه مطمئن وقابل صرفه ایی را جستجو کرد که در این میان سوختهای فسیلی وانرژی هسته ای گزینه های برتر هستند. با توجه به اینکه سوختهای فسیلی منابع تجدید ناپذیری هستند و از طرفی با پیشرفت علم امروزه میتوان نیازهای اساسی دیگری را به کمک ان برطرف کرد فرضا در صنایع پتروشیمی لذا سوزاندن سوختای فسیلی برای رسیدن به انرژی الکتریکی امروزه جای سئوال وتأمل دارد از این جهت است که امروزه کشورهای صنعتی جهان با تمام توان گام در راه تاسیس نیروگاههای هسته ای نهاده اند تا نیازهای جامعه خویش را در آینده برطرف نمایند.از این رو در این بحث بر آن شده ایم که به طور اجمالی نیروگاه هسته ای را تحلیلی اجمالی نمائیم.

فهرست صفحه
فصل اول :کلیات هسته ای
1-1- مقدمه……………………………………………………………………………………………………………………………………………1
1-2- انرژِی های امروز……………………………………………………………………………………………………………………………3
1-3- تغییرات در تقاضا برای انرژی و منابع ………………………………………………………………………………………….5
1-4- تقاضا برای انرژی ومنابع آن در آینده…………………………………………………………………………………………..6
1-5- تقاضا برای برق………………………………………………………………………………………………………………………………8
1-5-1- صنايع…………………………………………………………………………………………………………………………………..8
1-5-2- تجاري………………………………………………………………………………………………………………………………….8
1-5-3-منازل……………………………………………………………………………………………………………………………………8
1-6- سوخت های امروزی برای تولید برق……………………………………………………………………………………………9
1-6-1- نفت………………………………………………………………………………………………………………………………..11
1-6-2-گاز طبیعی………………………………………………………………………………………………………………………11
1-6-3-زغال سنگ……………………………………………………………………………………………………………………..12
1-6-4-اورانیوم……………………………………………………………………………………………………………………………12
1-7- عوامل اقتصادی………………………………………………………………………………………………………………………….14
1-8- مزایای انرژی هسته ای بر سایر انرژی ها………………………………………………………………………………….16
1-8-1- ديدگاه اقتصادي استفاده از برق هسته‌اي……………………………………………………………………..16
1-8-2- ديدگاه زيست محيطي استفاده از برق هسته‌اي…………………………………………………………….17
1-9-کاربرد های انرژی هسته ای……………………………………………………………………………………………………….18
1-9-1- کاربرد انرژی هسته ای در تولید انرژی الکتریکی…………………………………………………..18
1-9-2- کاربرد انرژی هسته ای در علم پزشکی و امور بهداشتی………………………………………..18
1-9-3- کاربرد انرژی هسته ای در بخش دامپزشکی و دام پروری……………………………………..19
1-9-4- کاربرد انرژی هسته ای در دسترسی به منابع آب………………………………………………….19
1-9-5- کاربرد انرژی هسته ای در بخش صنایع غذایی و کشاورزی………………………………….19
1-9-6- تکنیک های هسته ای جهت کشف مین های ضد نفر………………………………………….19
فصل دوم :اورانیوم و واکنش شکافت هسته ای
2-1- ساختمان اتم………………………………………………………………………………………………………………………………21
2-2- ماده اورانیوم و خواص آن…………………………………………………………………………………………………………..22
2-2-1- ایزوتوپ های اورانیوم ………………………………………………………………………………………………….23
2-2-2- منابع اورانیوم ………………………………………………………………………………………………………………23
2-2-3- ترکیبات………………………………………………………………………………………………………………………..24
2-3- آسیاب کردن اورانیوم…………………………………………………………………………………………………………………25
2-4- اکتشاف و استخراج و تلغیظ اورانیوم………………………………………………………………………………………..25
2-5- هشدارها……………………………………………………………………………………………………………………………………..26
2-6- خواص اشعه رادیواکتیو………………………………………………………………………………………………………………26
2-6-1- خواص ذره آلفا………………………………………………………………………………………………………………………26
2-6-2- خواص ذره بتا……………………………………………………………………………………………………………………….27
2-6-3- خواص اشعه گاما…………………………………………………………………………………………………………………..27
2-7- تاثیرات زیست محیطی اورانیوم……………………………………………………………………………………………….27
2-8- مفهوم غنی سازی اورانیوم………………………………………………………………………………………………………..29
2-8-1- غنی سازی با دستگاه سانتریفیوژ……………………………………………………………………………….29
2-8-2- غنی سازیبه روش انتشار گازها Gas Diffusion…………………………………………………..30
2-8-3- غنی سازی با استفاده از میدان مغناطیسی……………………………………………………………….31
2-9-کاهش جرم انرژی های اجباری…………………………………………………………………………………………………31
2-10- انرژی های آزاد شده در واکنش هسته ای ……………………………………………………………………………34
2-11- شکافت هسته ای…………………………………………………………………………………………………………………….35
2-12-کیک زرد…………………………………………………………………………………………………………………………………..38
2-12-1- روش های تهیه کیک زرد…………………………………………………………………………………………38
2-12-2- مواد تشکیل دهنده کیک زرد…………………………………………………………………………………..39
2-12-3- کاربرد کیک زرد………………………………………………………………………………………………………..39
2-12-4- تبدیل اورانیوم…………………………………………………………………………………………………………..39
فصل سوم : چرخه‌ي سوخت و فرآیند هم جوشی هسته ای
3-1- سیکل سوخت هسته ای ……………………………………………………………………………………………………………42
3-1-1- مفهوم چرخه سوخت هسته ای ……………………………………………………………………………………42
3-1-1-1- استخراج سنگ اورانیوم…………………………………………………………………………………42
3-1-1-2- احیای سنگ اورانيوم…………………………………………………………………………………….42
3-1-1-3- تبدیل اورانیوم……………………………………………………………………………………………….44
3-1-1-4- غنی سازی اورانیوم…………………………………………………………………………………………44
3-1-1-5- تولید اجزای سوخت……………………………………………………………………………………….45
3-1-1-6- قرار گیری اجزای سوخت……………………………………………………………………………….45
3-1-1-7- استفاده مجدد از سوخت………………………………………………………………………………….45
3-1-1-8- ذخیره ای اجزای سوخت…………………………………………………………………………………45
3-1-1-9- احیای مجدد سوخت…………………………………………………………………………………………46
3-1-1-10- قسمت دفع زباله های هسته ای…………………………………………………………………….46
3-2- همجوشی هسته ای …………………………………………………………………………………………………………………..46
3-2-1-مقدمه……………………………………………………………………………………………………………………………..46
3-2-2-راکتور همجوشی هسته ای …………………………………………………………………………………………..47
3-2-3- ساختا ر همجوشی هسته ای………………………………………………………………………………………..47
3-2-4- شرایط لازم برای یک راکتور همجوشی هسته ای ……………………………………………………..48
3-2-5- سوخت های همجوشی…………………………………………………………………………………………………48
3-2-6- محصور سازی انرژی همجوشی …………………………………………………………………………………..49
3-2-7- نحوه ی رساندن به دمای بالا……………………………………………………………………………………….50
3-3- انواع واکنش های همجوشی………………………………………………………………………………………………………50
3-4- یایداری و ناپایداری…………………………………………………………………………………………………………………….51
3-4-1- هیدروژن نرمال یا معمولی…………………………………………………………………………………………..52
3-4-2- هیدروژن دوتریم…………………………………………………………………………………………………………..52
3-4-3-هیدروژن تریتیوم…………………………………………………………………………………………………………..52
فصل چهارم:راکتور هسته ای
4-1- راکتور های هسته ای ……………………………………………………………………………………………………………….55
4-2- ساختمان راکتور های هسته ای ……………………………………………………………………………………………….56
4-2-1- مقدمه………………………………………………………………………………………………………………………………56
4-2-2- سوخت…………………………………………………………………………………………………………………………….56
4-2-2-1- میله سوخت……………………………………………………………………………………………………..56
4-2-2-2- مجتمع سوخت………………………………………………………………………………………………….60
4-2-3- میله های کنترل……………………………………………………………………………………………………………..62
4-2-3-1-کاربرد میله های کنترل……………………………………………………………………………………………….63
4-2-4- بسته های زهر های مصرف شدنی( سوختنی)……………………………………………………………….64
4-2-5-مدراتور یا کند کننده………………………………………………………………………………………………………65
4-2-6- خنک کننده راکتور………………………………………………………………………………………………………….67
4-2-6-1- سیستم خنک سازی استخر سوخت…………………………………………………………….67
4-2-6-1-الف)سیستم مخصوص پر کردن استخر سوخت………………………………………….67
4-2-6-1-ب)سیستم برداشت حرارت از استخر سوخت……………………………………………..68
4-2-6-1-ج)سیستم تصفیه آن محتوی بور در استخر سوخت…………………………………..69
4-2-6-2-د)سیستم تخلیه استخر سوخت…………………………………………………………………..69
4-2-7- باز تابنده یا رفلکتور………………………………………………………………………………………………………….69
4-2-8- جدار محافظ……………………………………………………………………………………………………………………..69
4-2-8-1-کاربرد جدا محافظ……………………………………………………………………………………………70
4-2-9- مواد ساختمان ………………………………………………………………………………………………………………71
4-3-راکتور قدرت………………………………………………………………………………………………………………………………..72
4-3-1-مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………………….72
4-3-2-راکتور با آب تحت فشار………………………………………………………………………………………………….72
4-3-3-قلب راکتور…………………………………………………………………………………………………………………….81
4-3-3-1-کاربرد قلب راکتور ……………………………………………………………………………………….81
4-3-3-2- قلب راکتور آب تحت فشار ………………………………………………………………………..83
4-3-4-راکتور آب جوشان ……………………………………………………………………………………………………….84
4-3-5- قلب راکتور آب جوشان ……………………………………………………………………………………………..89
4-3-6-راکتور های با خنک کننده ی گازی …………………………………………………………………………….91
4-3-7-راکتور آب سنگین تحت فشارPHWR…………………………………………………………………………93
4-4- راکتور های سریع……………………………………………………………………………………………………………………….97
4-4-1- مقدمه ……………………………………………………………………………………………………………………………97
4-4-2- فلزات مایع……………………………………………………………………………………………………………………..98
4-4-3- راکتور زاینده ی سریع با خنک کننده ی فلزات مایعLMFBR………………………………….99
فصل پنجم : انتخاب پارامترهای بخار در نیروگاه اتمی یا خنک سازی آبی
5-1- انتخاب پارامتر های اولیه بخار…………………………………………………………………………………………………102
5-2- چرخه‌ی ترمودینامیکی واحد توربین بخار در نمودار(T-S)……………………………………………………103
5-3- انتخاب پارامتر های نهایی بخار ………………………………………………………………………………………………107
5-4- فرآیند های واقعی در واحد توربین و شاخص های صرفه جویی حرارتی نیروگاه اتمی برق..107
5-5- بلانس گرمایی و صرفه اقتصادی کلی در نیروگاه اتمی برق…………………………………………………..113
5-6- تمایل به گسترش واحد راکتور با خنک سازی آبی………………………………………………………………..114
5-6-1- نیاز به افزایش ایمنی و اطمینان نیروگاه های اتمی………………………………………………….117
5-6-2- پمپ اصلی مدار یک……………………………………………………………………………………………………118
5-6-3- سیستم جبران کننده ی فشار در مدار راکتور پوسته ای………………………………………….121
5-6-4- سیستم ایمنی …………………………………………………………………………………………………………….122
5-6-5- سیستم تصفیه آب راکتور…………………………………………………………………………………………..125
5-6-6- انتخاب پمپ سیستم آبرسانی صنعتی……………………………………………………………………….129
5-6-7- امکان استفاده ازآب دریا برای سرد کردن کندانسور توربین نیروگاه اتمی برق………130
فصل شش : پسماند و بمب هسته ای
6-1- پسماند های هسته ای ومحیط زیست ………………………………………………………………………………….132
6-1-1- مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………………132
6 -1-2- پسماند های هسته ای …………………………………………………………………………………………….133
6-1-3- باز فرآوری سوخت مصرف شده…………………………………………………………………………………136
6-1-4- پسماند های سطح بالای مربوط به باز فرآوری…………………………………………………………137
6-1-5- انبار و دفع سوخت مصرف سده بعنوان پسماند ………………………………………………………..139
6-2- اثرات زیست محیطی ……………………………………………………………………………………………………………..140
6-3- اثر گلخانه ای…………………………………………………………………………………………………………………………..142
6-4- اثرات بهداشتی و پرتو ها…………………………………………………………………………………………………………143
6-5- بمب هسته ای ……………………………………………………………………………………………………………………….143
6-5-1- بمب هسته ای چیست؟………………………………………………………………………………………………143
6-5-2- تاریخچه آزمایش های هسته ای………………………………………………………………………………144
6-7- نکاتی در مورد بمب هسته ای ………………………………………………………………………………………………148
6-8- حوزه انفجار هسته ای…………………………………………………………………………………………………………….149
6-9- تخریب بعد از انفجار هسته ای ……………………………………………………………………………………………..150
6-10- تقسیم بندی انرژی انفجار سلاح هسته ای…………………………………………………………………………151
6-11- ده مکان مشهور انجام آزمایش های هسته ای……………………………………………………………………151
6-11-1-کوه کمباران……………………………………………………………………………………………………………151
6-11-2- مارالینگا…………………………………………………………………………………………………………………152
6-11-3پوکاران……………………………………………………………………………………………………………………..152
6-11-4- جزایر مارشال………………………………………………………………………………………………………..153
6-11-5-کیر یتماتی……………………………………………………………………………………………………………..153
6-11-6- لوپ نور………………………………………………………………………………………………………………….153
6-11-7- مورورا…………………………………………………………………………………………………………………….153
6-11-8- مویازملیا………………………………………………………………………………………………………………..154
6-11-9- سمپالا تینکس……………………………………………………………………………………………………..154
6-11-10- صحرای نوادا………………………………………………………………………………………………………154
فهرست اشکال صفحه
فصل اول : كليات هسته‌اي
شکل(1-1)نمونه ای از نیروگاه هسته ای
فصل دوم : اورانيوم و واكنش شكافت هسته‌اي
شکل(2-1) ساختمان كلي اتم
شکل(2-2)سنگ اورانیوم.
شکل(2-3)آلودگی هوای اطراف نیروگاه هسته ای
شکل (2-4)سانتریفیوژها
شکل(2-5)غنی سازی به روش انتشار گازها
شکل(2-6)غنی سازی با استفاده از میدان مغناطیسی
شکل(2-7)نمودار انرژی ساختاری اتم های مختلف بر حسب عدد جرمی
شکل(2-8)واکنش هسته ای
شکل(2-9)نحوه ی عملکرد شکافت هسته ای اورانیوم.
شکل(2-10)واکنش زنجیره ای شکافت هسته ای
شکل(2-11)شکافت هسته ای اورانیوم
شکل(2-12)کیک زرد
فصل سوم : چرخه‌ي سوخت و فرآيند همجوشي هسته‌اي
شکل(3-1)روند کلی تحولات سوخت هسته ای
شکل(3-2)واکنش هجوشی
شکل(3-3)میدان الکتریکي هسته‌ي پلاسما
شکل(3-4) هسته‌ی ایزوتوپ های هیدروژنی
فصل چهارم : راكتور هسته‌اي
شکل(4-1)میله سوخت
شکل(4-2)مجتمع سوخت
شکل(4-3)میله کنترل
شکل(4-4)مدراتور یا کند کننده
شکل(4-5)سیستم خنک سازی استخر سوخت.
شکل(4-6)طرح راکتور با دو جدار بیولوژیکی
شکل( 4-7-الف) طرح كلي نيروگاه با راكتورهاي با آب تحت فشارPWR.
شکل(4-7- ب) موقعيت اجزاي نيروگاه PWR فيليپس بورگ آلمان.
شکل(4-8)مسیر آب در سیکل اولیه‌ي نیروگاه هسته ای با راکتور PWR
شکل(4-9)طرح کلی یک مخزن کنترل کننده‌ي فشار
شکل(4-10)طرح کلی یک راکتور با آب تحت فشار
شکل(4-11)طرح کلی یک دیگ بخار در نیروگاه هسته ای با راکتورPWR
شکل(4-12)قلب راکتور
شکل(4-13)قسمت بالایی از اجزای سوخت یکراکتور با آب تحت فشار
شکل(4-14- الف) طرح كلي نيروگاه هسته‌اي با راكتور آب جوشان
شکل(4-14- ب) موقعيت اجزاي نيروگاه BWR فيليپس بورگ آلمان.
شکل(4-15)طرحکلی از یک راکتور BWR
شکل(4-16)قسمت بالایی از اجزای سوخت یک راکتور.
شکل(4-17)طرحواره یک نیروگاه هسته ای با راکتور از نوع HTGR
شکل(4-18)نمودار جریان آب سنگین تحت فشار از نوع CANDU
شکل(4-19)نمودار ساده جریان برای راکتور اب سنگین مولد بخارSGHWR
شکل(4-20)اجزای یک راکتور CANDUبه همراه سیکل اولیه راکتور
شکل(4-21)یک دسته میله سوخت در اجزای سوخت.
شکل (4-22)نمودار جریان ساده شده در سستم قدرت EBR-H
شکل (4-23)طرحواره ی دستگاه انتقال حرارت راکتور زاینده با خنک کننده سديم مایع
فصل پنجم : انتخاب پارامترهای بخار در نیروگاه اتمی یا خنک سازی آبی
شکل(5-1)نمودار (T-S) برای نیروگه اتمی با توربین بخار فراگرم فشار بالا
شکل (5-2)مقایسه چرخه هایی با بخار اشباع و فراگرم با دمای اولیه یکسان
شکل(5-3)نمودار h-sفرآیند های ایده آل و واقعی در واحد توربین یا بخار اشباع بدون جداسازی رطوبت فراگرم کن میانی
شکل(5-4)فرآیند واقعی در واحد توربین با بخار اشباع با جداسازی رطوبت فراگرم کن میانی در نمودارh-s

شکل(5-5)پمپ اصلی مدار یک با دبی بالا به همراه چراغ طیار برای نیروگاه اتمی با راکتور اتمی با راکتور پوسته ای
شکل(5-6)نمای تصفیه آب راکتور کانالی
فصل شش : پسماند و بمب هسته ای
شکل(6-1)اپنهایمر، پدر بمب هسته ای در کنار آلبرت انشتین
شکل(6-2)تصویر اولین آزمایش اتمی در تاریخ در ترینیتی ایا‌لت نیو مکزیکو آمریکا.
شکل(6-3)پسر کوچک Little Boyانفجار مهیب و فاجعه ای بزرگ در هیروشیما آفری
شکل(6-4)مرد چاقFat Manدومین بمب اتمی که بر فراز ژاپن منفجر شد
شکل(6-5)تشعشعات ناشی از انفجار بمب هسته ای در یکی از آزمایش ها.
شکل (6-6)ابر قارچی شکل حاصل از بمب اتمی ناکازاکی ژاپن

فهرست جداول صفحه
فصل چهارم : راكتور هسته‌اي
جدول(4-1) مشخصات فني ميله‌ي سوخت
جدول(4-2) مشخصات فني مجتمع سوخت
جدول(4-3) مشخصات فني ميله‌ي كنترل
جدول(4-4) مشخصات فني جدار حفاظتي
جدول(4-5) تعدادي از نيروگاه‌هاي هسته‌اي از نوع PWR
جدول(4-6) مشخصات فني قلب راكتور
جدول(4-7) نمونه‌هايي از نيروگاه‌هاي هسته‌اي از نوع BWR
جدول(4-8) تعدادي از نيروگاه‌هاي هسته‌اي از نوع HTGR
جدول(4-9) نمونه‌هايي از نيروگاه‌هاي هسته‌اي از نوع PHWR
جدول(4-10) تعدادي از نيروگاه‌هاي هسته‌اي از نوع LMFBR

مقدمه
بي شك ميتوان گفت كه براي پاسخ گويي به نيازهاي بشري نياز به وجود منابع انرژي در حد كافي ميباشد.باتوجه به محدود بودن سوخت هاي فسيلي،توجه به منابع انرژي جديد،امري اجتناب ناپذير است. تعدادي از منابع جديد انرژي كه به نام منابع انرژي نو خوانده ميشوند،عبارتند از:انرژي باد، اقيانوس، جذر و مد،زمين گرمايي(ژئوترمال)، خورشيد و . . . .كسب اين نوع انرژي ها هم ازنظر تكنولوژي، گران و هم محدود ميباشد ومخارج ان ها بيش از ان است كه در اينده ي نزديك، درصد قابل ملاحظه اي از كل انرژي توليد شده را تشكيل دهند. به همين خاطر است كه توجه انسان به سوي انرژي هاي ناشي از شكافت هسته اي وهمجوشي هسته اي جلب شد.انرژی های تجدید پذیر یا انرژی های نو در سالهای اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته است که دلیل اصلی آن توان رقابت وبه کارگیری این انرژی با هزینیه انرژی های فسیلی از یک طرف و کاربردی تر شدن انرژی های نو از سوی دیگر است ضمن آنکه اکثر قریب به اتفاق کشور ها به این انرژی لایزال خداوندیدسترسی دارند وتوسعه به کارگیری این انرژی نیز به قطع وابستگی کشورها کمک میکند رشد و توسعه انرژی های نو در سالهای اولیه قرن بیست ویکم بسیار سریع بوده و برنامه های آینده کشورها بخصوص کشورهای صنعتی وتوسعه یافته ویا در حال توسعه نیز این رشد را نشان می دهد .در این بین توسعه کاربرد انرژی فتوولتائیک یانور ولتی از سایر انواع انرژی های تجدید پذیر بیشتر بوده است و در این رابطه آمار های جهانی نشاندهنده این نکته است که در مقابل رشد ده برابری سایر انرژی های تجدید پذیر انرژی نور ولتی تا سال 2020 میلادی رشدی 100 برابر خواهد داشت.علاوه بر آن به دلیل رشد جمعیت که طبق آمار مرکز تحقیقات اروپا در سال 2050 میلادی جمعیت جهان بالغ بر 10میلیارد نفر خواهد رسید می بایست جهت تامین انرژی سالیانه بیش از 20 TW انرژی تولید گردد و به عبارتی هر روز یک راکتور جهت تولید انرژی ساخته شود. از این رو کشور ایران نیز از این توسعه مستثنی نبوده و به سرعت در جهت توسعه و بکارگیری انرژی های نو حرکتمی کند. نيروگاه هاي هسته اي از جمله منابع انرژي الكتريكي در سيستم هاي قدرت هستند كه بر اساس واكنش شكافت هسته اي عمل ميكنند. بيش از17% كل انرژي الكتريكي توليدي در جهان به وسيله ي اين نوع نيروگاه ها توليد
ميشود. واكنش شكافت هسته اي بر اين اساس است كه با بمباران نوتروني هسته ي اورانيوم 235 وجذب نوترون توسط ان، تعادل نيروهاي داخلي بين نوترون ها و پروتون ها در هسته ي اورانيم بر هم ميخورد ودر نتيجه،اين هسته به دو هسته ي سبك تر شكافته مي‌شود. اين تقسيم هسته با انرژي آزاد شده‌ي بسياري همراه است كه درصد بسيار زيادي از اين انرژي (كه قابل بهره برداري هم ميباشد) به صورت انرژي جنبشي توسط نوترون ساطع مي‌گردد و درصد كمي از آن نيز به صورت انرژي تشعشعي انتقال مي‌يابد. در عمل ، ميتوان با عبور سيالي مثل آب از درون محفظه اي كه در آن شكافت هسته اي صورت مي‌گيرد، انرژي جنبشي مذكور را جذب نمود. اين عمل در قلب نيروگاه‌هاي هسته اي به نام راكتور انجام مي‌شود.

این پایان نامه با آیین نامه نحوه نگارش و تدوین پایان نامه تهیه شده و آماده ارائه میباشد.