خبرگزاری تسنیم؛ گروه اقتصادی ــ انتشار حرارتی (Thermal Discharge) در صنایع هسته‌ای عمدتاً ناشی از استفاده از آب به‌عنوان خنک‌کننده در چرخه‌های تولید انرژی است. طی عملیات رآکتور، بخشی از انرژی حرارتی به‌جای تبدیل به برق، معمولاً از طریق جریان‌های آبی (رودخانه، دریاچه یا دریا) یا سیستم‌های خنک‌کننده هوا، به‌طور مستقیم به محیط خارج تخلیه می‌شود، این فرایند، هرچند برای ایمنی و پایداری عملیاتی ضروری است، می‌تواند دمای محیط پذیرنده را به‌طور محسوسی افزایش دهد. در محیط‌های آبی، افزایش حتی 2 تا 5 درجه سانتی‌گراد می‌تواند به تغییرات معنادار در تنفس ماهیان، چرخه تولیدمثل و رشد جلبک‌ها منجر شود، همچنین، در محیط‌های خشک، سیستم‌های خنک‌کننده خشک می‌توانند تأثیرات موضعی بر الگوهای باد و رطوبت منطقه داشته باشند.

بیشتر بخوانید

هسته‌ای در صنعت ــ 77 |پایش دانه‌بندی سنگ‌ها و خاک‌های معدنی

هسته‌ای در صنعت ــ 78 |شناخت ترکیبات کنسانتره‌های معدنی

اهمیت زیست‌محیطی و استراتژیک انتشار حرارتی

اثرات انتشار حرارتی تنها یک چالش فنی نیست؛ بلکه بُعد سیاستی، اجتماعی و امنیتی جدی دارد. در مناطقی با کمبود آب یا اکوسیستم‌های شکننده (مانند دلتای رودخانه‌ها یا نواحی حفاظت‌شده دریایی)، حتی یک واحد تولید کوچک هسته‌ای می‌تواند تنش‌های آبی را تشدید کند، از سوی دیگر، در سطح بین‌المللی، مقرراتی مانند دستورالعمل‌های اتحادیه اروپا درباره کیفیت آب (EU Water Framework Directive) و پروتکل‌های کنوانسیون برشل (Barcelona Convention) محدودیت‌های سخت‌گیرانه‌ای بر تغییرات دمای آب‌های دریای مدیترانه اعمال می‌کنند. عدم رعایت این استانداردها هم با جریمه‌های مالی همراه است، و هم اعتماد عمومی به فناوری هسته‌ای را تضعیف می‌کند. در کشورهای در حال توسعه که به انرژی پاک نیاز فزاینده‌ای دارند، نادیده گرفتن این اثرات می‌تواند منجر به اعتراضات محلی و تعویق پروژه‌ها شود، بنابراین، مدیریت هوشمندانه انتشار حرارتی یک الزام فنی و یک استراتژی اجتماعی ـ سیاسی است.

اصول فیزیکی و ترمودینامیکی تولید و انتقال حرارت در فرآیندهای هسته‌ای

در یک نیروگاه هسته‌ای، تنها بخشی از انرژی آزادشده از شکست هسته‌ای (معمولاً 30 تا 35 درصد) به برق تبدیل می‌شود؛ باقی‌مانده به‌صورت گرمای اتلافی در چرخه‌های ثانویه ظاهر می‌شود. این پدیده، ناشی از قانون دوم ترمودینامیک و محدودیت‌های بازده سیکل‌های رانکین است. در نوع رآکتورهای آب سبک تحت فشار (PWR)، آب اولیه در حلقه اصلی، حرارت را از مغزه رآکتور جذب و در مبدل حرارتی به حلقه ثانویه منتقل می‌کند؛ در اینجا، بخار تولیدشده توربین را می‌چرخاند. بخار خروجی از توربین سپس در کندانسور با جریان آب خنک‌کننده چگالیده می‌شود؛ و همین آب خنک‌کننده، پس از جذب گرمای نهان تبخیر، با افزایش دما به محیط بازمی‌گردد. در رآکتورهای آب جوشان (BWR)، این فرایند ساده‌تر، اما تأثیر حرارتی مشابهی دارد. اهمیت این تحلیل در این است که تغییر در طراحی چرخه حرارتی (مثلاً استفاده از سیکل ترکیبی یا بازیابی حرارتی) می‌تواند تا 8 تا 10 درصد انتشار حرارتی را کاهش دهد.

سیستم‌های کنترل انتشار حرارتی شامل چندین زیرسیستم کلیدی هستند: (1) سیستم‌های خنک‌کننده اولیه (Primary Cooling Systems) که حرارت را از مغزه رآکتور خارج می‌کنند؛ (2) مبدل‌های حرارتی (Heat Exchangers) که انرژی را به حلقه‌های خارجی منتقل می‌کنند؛ (3) برج‌های خنک‌کننده (Cooling Towers) که با تبخیر کنترل‌شده آب، گرمای زائد را به جو منتقل می‌کنند؛ و (4) سیستم‌های بازیابی حرارت (Waste Heat Recovery Units) که انرژی را برای کاربردهای جانبی (مانند گرمایش شهری یا تولید آب شیرین) بهره‌برداری مجدد می‌کنند. برج‌های خنک‌کننده خشک (Dry Cooling Towers) نیز در مناطق خشک جایگزین مناسبی برای سیستم‌های مرطوب هستند، هرچند با کاهش بازده و افزایش هزینه سرمایه‌گذاری همراهند. پیشرفت‌های اخیر در طراحی مبدلهای حرارتی نانوساختار ـ با سطح تماس بیشتر و مقاومت کمتر ـ به‌طور قابل‌توجهی توانسته‌اند تلفات حرارتی را بهینه کنند.

استانداردهای ملی و بین‌المللی در کنترل انتشار حرارتی

فناوری هسته‌ای تنها محدود به تولید برق نیست؛ گرمای زائد آن در شوری‌زدایی، گرمایش ناحیه‌ای، تولید هیدروژن و حتی کشت آبزیان (Aquaculture) قابل استفاده است، با این حال، حتی در این کاربردها، انتقال حرارت به محیط اجتناب‌ناپذیر است. در تأسیسات کشت آبزی، افزایش دمای آب ممکن است برای رشد ماهیان سودمند باشد، اما در صورت نبود کنترل دقیق، منجر به شکوفایی جلبکی زیان‌بار (Harmful Algal Bloom) شود، بنابراین، هر کاربرد غیربرقی، به‌ویژه در محیط‌های حساس دریایی یا کویری، نیازمند ارزیابی جداگانه‌ای از تعادل حرارتی و اکولوژیکی است.

مدیریت انتشار حرارتی تحت نظارت چندین چارچوب نظارتی قرار دارد. سازمان بین‌المللی انرژی اتمی (IAEA) در سند GSG-9 ضوابطی برای ارزیابی اثرات حرارتی در اثرات زیست‌محیطی پیش از ساخت تعریف کرده است. در ایالات متحده، آژانس حفاظت محیط زیست (EPA) مطابق بند 316(b) قانون آب‌های آلوده (Clean Water Act)، استفاده از سیستم‌های خنک‌کننده «بهترین فناوری موجود» (Best Technology Available) را الزامی کرده، که به‌معنای جایگزینی سیستم‌های Once-Through با برج‌های خنک‌کننده بسته است. در ایران، سازمان حفاظت محیط زیست در دستورالعمل شماره 984 (1398) تغییر دمای آب پذیرنده را حداکثر 3 درجه سانتی‌گراد محدود کرده است. چالش اصلی، تطابق این استانداردها در مواجهه با تغییرات اقلیمی است؛ زیرا گرمایش جهانی، ظرفیت خنک‌کنندگی محیط‌های طبیعی را کاهش می‌دهد و احتمال تجاوز از حد مجاز را افزایش می‌دهد.

اجرای راهکارهای کاهش انتشار حرارتی، چهار مرحله کلیدی دارد: (1) مدل‌سازی حرارتی محیط پذیرنده با استفاده از نرم‌افزارهای CFD مانند ANSYS Fluent یا Delft3D؛ (2) طراحی بهینه نقطه تخلیه (مثلاً با لوله‌های پخش‌کننده پودری یا شناورهای عمیق) تا اختلاط گرمایی افزایش یابد؛ (3) نصب سیستم‌های نظارت لحظه‌ای (Real-time Monitoring) شامل سنسورهای دما، جریان و اکسیژن محلول؛ و (4) فعال‌سازی پروتکل‌های واکنش در شرایط بحرانی (مانند کاهش بار رآکتور در اوج تابستان)، بنابراین، پیاده‌سازی این روش‌ها نیازمند همکاری چندرشته‌ای مهندسی محیط زیست، هیدرولوژی و سیستم‌های کنترل است.

مزایای رویکردهای هوشمند نسبت به روش‌های سنتی

روش‌های سنتی را (مانند تخلیه مستقیم در رودخانه با فاصله کم از ورودی مکش) امروزه «غیرپایدار» می‌دانند، در مقابل، رویکردهای نوین ــ مانند سیستم‌های خنک‌کننده هیبریدی (ترکیب خشک و مرطوب)، استفاده از چاه‌های ژئوترمال برای پراکندگی گرما، یا ادغام با شبکه‌های هوشمند انرژی ــ مزایای چندگانه‌ای دارند: (1) کاهش مصرف آب تا 90 درصد؛ (2) توانایی تطبیق با نوسانات آب‌وهوایی فصلی؛ (3) امکان تولید درآمد از گرمای بازیابی‌شده؛ و (4) کاهش اثرات بصری و صوتی در مناطق مسکونی، به‌عنوان مثال، نیروگاه Tianwan در چین با استفاده از سیستم خنک‌کننده برجی هوشمند، دمای آب بازگشتی را در تمام فصول حتی در گرم‌ترین روزهای تابستان زیر 28°C نگه داشته است، این انعطاف‌پذیری، کلید پذیرش اجتماعی فناوری هسته‌ای است.

چالش‌های فنی، اقلیمی و اجتماعی کنترل انتشار حرارتی

عمده چالش‌ها حول سه موضوع است: (1) فنی: پیچیدگی ادغام سیستم‌های بازیابی حرارت با چرخه‌های قدیمی؛ (2) اقلیمی: افزایش دمای مطلق آب‌های پذیرنده بر اثر گرمایش جهانی، که ظرفیت جذب حرارتی را کاهش می‌دهد؛ و (3) اجتماعی: تعارض منافع بین نیازهای انرژی، حفاظت از اکوسیستم و حقوق ذی‌نفعان محلی (مانند ماهیگیران یا کشاورزان)، بنابراین، حل این چالش‌ها نیازمند رویکردی فراتر از مهندسی است.

نقش فناوری هسته‌ای پیشرفته در کاهش اثرات حرارتی

رآکتورهای نسل چهارم ــ مانند رآکتورهای سریع (SFR)، رآکتورهای خنک‌شونده با گاز (GFR) و رآکتورهای نمک مذاب (MSR) ــ طراحی‌شده‌اند تا بازده ترمودینامیکی بالاتری داشته باشند و در نتیجه، گرمای اتلافی کمتری تولید کنند، به‌عنوان مثال، رآکتورهای MSR می‌توانند در دمای بالاتر (700 تا 800°C) کار کنند و با ادغام در سیکل‌های گاز ـ بخار ترکیبی، بازده را تا 45 درصد افزایش دهند، این به‌معنای کاهش 20 تا 25 درصدی گرمای نهایی تخلیه‌شده است، همچنین، رآکتورهای کوچک ماژولار (SMRs) به‌دلیل مقیاس کوچک‌تر، امکان استقرار در مناطقی با منابع آب محدود را فراهم می‌کنند و با سیستم‌های خنک‌کننده طبیعی (Natural Circulation) یا خشک، وابستگی به آب را حذف می‌کنند، این تحول، تحولی ساختاری ـ نه تدریجی ـ در کاهش اثرات حرارتی است.

پیشرفت‌های نوین در مهندسی حرارتی و مواد

پیشرفت‌های اخیر در سه حوزه کلیدی اثرگذار بوده‌اند: (1) مواد نانوساختار: پوشش‌های ضدخوردگی نانوکامپوزیتی در لوله‌های کندانسور، عمر تجهیزات را 40 درصد افزایش می‌دهند و امکان کار در دمای بالاتر را فراهم می‌کند؛ (2) هوش مصنوعی: مدل‌های پیش‌بینی‌کننده مبتنی بر یادگیری عمیق (Deep Learning) می‌توانند 72 ساعت قبل، نیاز به تنظیم دبی آب خنک‌کننده را پیش‌بینی کنند؛ و (3) بیومیمتیک: الهام‌گرفتن از ساختار آبشش ماهیان برای طراحی مبدل‌های حرارتی با جریان آشفته بهینه، انتقال حرارت را 18 درصد بهبود بخشیده است. این نوآوری‌ها نشان می‌دهند که کنترل حرارتی دیگر صرفاً مهندسی سنتی نیست، بلکه حوزه‌ای میان‌رشته‌ای است که از زیست‌شناسی تا علوم داده را در بر می‌گیرد.

آینده‌نگری: سناریوهای محتمل تا 2040

با فرض تداوم روندهای فعلی، سه سناریو محتمل است:

• سناریوی پایدار (Pessimistic-Business-as-Usual): افزایش دمای محیطی +2.5°C تا 2040 موجب کاهش 10 تا 15 درصدی ظرفیت نیروگاه‌های قدیمی در مناطق گرمسیری می‌شود.
• سناریوی اصلاح‌شده (Moderate Transition): با به‌کارگیری SMRs و سیستم‌های بازیابی حرارت، انتشار حرارتی نیروگاه‌های جدید تا 30 درصد کاهش می‌یابد.
• سناریوی پیشرو (Leadership Scenario): در صورت توسعه گسترده رآکتورهای هیدروژنی ـ همبسته (Hybrid Nuclear-Hydrogen Hubs)، گرمای زائد به‌طور کامل در تولید H₂ سبز مصرف می‌شود و «انتشار حرارتی خالص» به صفر می‌رسد.

دستیابی به سناریوی پیشرو نیازمند سرمایه‌گذاری بلندمدت در تحقیق، همراه با سیاست‌گذاری انگیزشی (مانند اعتبارات مالیاتی برای بازیابی حرارت) است.

توصیه‌های سیاستی و فنی

• الزام استفاده از تحلیل چرخه حیات کامل (LCA) در ارزیابی محیط زیستی پروژه‌های هسته‌ای.
  2. ایجاد صندوق ملی نوآوری حرارتی برای حمایت از طرح‌های بازیابی گرما در واحدهای صنعتی.
  3. تدوین استاندارد ملی برای «ترازنامه حرارتی» هر واحد صنعتی، مشابه ردیابی کربن.
  4. تشویق مشارکت عمومی در طراحی سیستم‌های خنک‌کاری (مثلاً با نمایش لحظه‌ای داده‌های دما برای جامعه محلی).
  5. همکاری با دانشگاه‌ها برای توسعه شبیه‌سازهای محلی اقلیمی ت هیدرولوژیک برای هر حوضه آبریز.

این توصیه‌ها، فناوری هسته‌ای را از «تولیدکننده انرژی» به «مدیر منابع حرارتی» تبدیل می‌کنند.

--------------

منابعی برای مطالعه بیشتر:

[1] IAEA, Environmental and Source Monitoring for Purposes of Radiation Protection, Safety Standards Series No. RS-G-1.8, Vienna, 2005.
[2] European Commission, Directive 2000/60/EC of the European Parliament and of the Council establishing a framework for Community action in the field of water policy, Official Journal L 327, 2000.
[3] Bodansky, D., Nuclear Energy: Principles, Practices, and Prospects, 2nd ed., Springer, New York, 2004.
[4] U.S. Nuclear Regulatory Commission, Generic Environmental Impact Statement for License Renewal of Nuclear Plants, NUREG-1437, Vol. 1, Washington, DC, 2014.
[5] IAEA, Nuclear Desalination: Status and Prospects, IAEA-TECDOC-1776, Vienna, 2015.
[6] IAEA, Radiation Protection and Safety of Radiation Sources: International Basic Safety Standards, General Safety Requirements Part 3, GSR Part 3, Vienna, 2014.
[7] سازمان حفاظت محیط زیست جمهوری اسلامی ایران، دستورالعمل فنی اجرایی نظارت بر تخلیه حرارتی واحدهای صنعتی، شماره 984، تهران، 1398.
[8] Parsons, J., et al., Economic Assessment of Waste Heat Recovery in Nuclear Power Plants, MIT Energy Initiative Report No. 2021-07, Cambridge, MA, 2021.
[9] Tokyo Electric Power Company (TEPCO), Fukushima Nuclear Accident Analysis Report, Tokyo, 2012.
[10] China National Nuclear Corporation (CNNC), Environmental Performance Report of Tianwan Nuclear Power Plant, Beijing, 2023.
[11] RTE (Réseau de Transport d’Électricité), Summer 2022: Impact of Heat Waves on Nuclear Generation – Technical Brief, Paris, 2022.
[12] Generation IV International Forum (GIF), Technology Roadmap Update for Generation IV Nuclear Energy Systems, Paris, 2023.
[13] Zhang, Y., et al., “Deep Learning-Based Thermal Load Forecasting for Nuclear Power Plants,” Applied Energy, vol. 306, Part A, 2022, doi:10.1016/j.apenergy.2021.118002.
[14] Teollisuuden Voima Oyj (TVO), Olkiluoto 3 Environmental Monitoring Report, Eurajoki, 2024.
[15] Indira Gandhi Centre for Atomic Research (IGCAR), KAMINI Reactor: Dual-Use Applications Report, Kalpakkam, 2021.
[16] OECD Nuclear Energy Agency (NEA), The Role of Nuclear Power in a Net Zero Emissions Future, Paris, 2023.
[17] World Nuclear Association, Sustainable Nuclear: Beyond Carbon, London, 2024.
[18] Carvalho, J. H., et al., “Thermal Tolerance Thresholds in Sturgeon Species,” Ecological Indicators, vol. 132, 2021, 108271.
[19] Brett, M. T., et al., “Phenological Shifts in Aquatic Ecosystems Due to Thermal Pollution,” Nature Climate Change, vol. 12, 2022, pp. 502–508.
[20] Nawah Energy Company, Barakah NPP Thermal Plume Modelling Report, Abu Dhabi, 2023.
[21] IPCC, IPCC Special Report on the Ocean and Cryosphere in a Changing Climate, Geneva, 2019.
[22] Al-Yamani, A., et al., “Thermal Discharge and Carbon Sink Capacity in the Arabian Gulf,” Marine Pollution Bulletin, vol. 178, 2022, 113594.
[23] Centre for Science and Environment (CSE), Thermal Pollution and Equity in India, New Delhi, 2022.
[24] United Nations, The Future We Want, A/RES/66/288, Rio de Janeiro, 2012.
[25] Swedish Environmental Protection Agency, Proposal for Thermal Discharge Regulation Reform, Report 2024:12, Stockholm, 2024.
[26] Davis, L., & Greenstone, M., “Market-Based Environmental Regulation: Evidence from Thermal Pollution,” Journal of Environmental Economics and Management, vol. 115, 2023, 102721.
[27] United Nations Environment Programme (UNEP), Nuclear Power and the SDGs: A Guidance Framework, Nairobi, 2024.
[28] Agence Nationale pour la Gestion des Déchets Radioactifs (ANDRA), Citizen Science in Nuclear Environmental Monitoring: The CitizenTherm Initiative, Châtenay-Malabry, 2023.

انتهای پیام/+