شیرین سازی آب دریا با انرژی هسته ای یک برنامه کامل و صلح آمیز

به گزارش مارین نیوز، نیاز به آب شیرین یک نیاز اساسی برای بقاست و بخش عمده ‏ای از سطح سیاره زمین (بیش از 1.5 میلیون کیلومتر مکعب) را آب فرا گرفته است که نزدیک به 97 درصد این آب ‏ها شور و غیر قابل نوشیدن هستند و 3 درصد باقی مانده به صورت یخ زده و غیر قابل مصرف در قطب ‏ها و بر فراز قله کوه ‏ها وجود دارد. تخمین زده شده است که تا سال ۲۰۲۵ حدود ۵۰ درصد از جمعیت جهان در مناطق کم آب زندگی خواهند کرد که این امر نشان دهنده اهمیت تصفیه و مدیریت آب می باشد. تصفیه آب دریا و شیرین سازی آن یکی از راه هایی است که می تواند مشکل کم آبی را حل کند. آب دریا را به چند روش می توان شیرین نمود که یکی از این روشها استفاده از انرژی هسته ای است. در همین راستا نشریه مهندسی دریا با آقای دکتر مهدی اسدزاده مدیر گروه پسمانداری پژوهشکده چرخه سوخت هسته ‌ای و مواد پژوهشگاه علوم و فنون هسته ای گفتگویی انجام داده است که می خوانید: 

شرکت های بسیاری در ایران موجود هستند که در بحث‌ های طراحی، ساخت و راه‌ اندازی آب شیرین کن‌ ها فعالیت می‌ کنند و می ‌توانند در توسعه این صنعت نقش بسزایی داشته باشد. تفاوت آب شیرین کن هسته ‌ای با سایر آب شیرین ‌کن ‌ها به نوع انرژی مصرفی مرتبط است، در واقع تمام آب شیرین‌ کن ‌ها از یک اصول حرارتی یا غشایی استفاده می کنند. تامین انرژی دستگاه می تواند با نفت، گاز، انرژی خورشیدی، انرژی بادی و یا انرژی هسته ‌ای فراهم شود.

با توجه به اهمیت بسیار زیاد فرآیندهای نمک زدایی آب، روش های متعددی برای این منظور مورد استفاده قرار می ‌گیرند که هر یک دارای مزیا و معایب خاص خودشان می باشند. از رایج ترین روش های شیرین سازی آب می توان به موارد زیر اشاره نمود:

همان طور که از نام این تکنیک ها مشخص است، فرآیند جداسازی نمک و املاح از آب به کمک حرارت دادن آن صورت میگیرد. این روش ها در اغلب مواقع برای نمک زدایی آب دریا کاربرد داشته و از نظر اقتصادی برای شیرین سازی آب هایی با کمتر از 3 درصد مقرون به صرفه نخواهند بود. روش های حرارتی نمک زدایی آب شامل موارد زیر می باشد:

از رایج ترین و قدیمی ترین روش ها برای نمک زدایی آب دریا، استفاده از تقطیر ناگهانی چند مرحله ای یا Multi-stage flash distillation می باشد که بر پایه تقطیر سریع یا فلش به کمک کاهش فشار آب طراحی شده است. مخازن شیرین سازی آب با کمک MSF قادرند روزانه 50 هزار تا 60 هزار مترمکعب آب دریا را با حرارت دهی 90 تا 120 درجه سانتی گراد نمک زدایی کنند. اساس کار این روش به این صورت می باشد که ابتدا آب وارد مخازن گرمکن شده و دمای آن 90 تا 120 درجه سانتی گراد رسیده و سپس به مرحله بعد وارد شده و فشار آن به شدت کاهش پیدا می کند. کاهش فشار آب در نهایت منجر به تبخیر سریع به صورت ناگهانی می‌ شود. آب تبخیر شده روی لوله های مبدل حرارتی در نظر گرفته شده چگالیده می شود و در مرحله بعد میزان افت فشار آن بیشتر می شود و مجدد عمل تبخیر صورت خواهد گرفت. تعداد مراحل این روش از 4 تا 40 قابل پیاده ‌سازی می باشد.

علیرغم بازدهی بالا در نمک زدایی آب با این روش، برخی از معایب در آن وجود دارد که عبارتند از:

• هزینه بر بودن طراحی و راه اندازی

• ایجاد رسوب زیاد بر روی لوله های ضد زنگ

از دیگر روش های شیرین سازی آب می توان به تقطیر موثر چند مرحله ای یا Multiple-effect distillation اشاره نمود که با حرارت دهی آب شور و کاهش فشار آن در مراحل مختلف در نهایت حجم زیادی از نمک و سایر املاح آن حذف می گردد. شیرین سازی آب با تقطیر چند اثره به این صورت می باشد که ابتدا بخار با دمای بالا وارد لوله های حرارتی شده و آب تغذیه در مرحله اولیه با این لوله ها تماس برقرار نموده و تبخیر می گردد. آب تغذیه پس از تبخیر وارد مرحله دوم شده و آب شور به محض ورود به این مرحله با بخار آب موجود تبادل دمایی انجام داده و به بخار تبدیل می شود. با تبخیر آب شور حجم زیادی از نمک و املاح آن حذف شده و به مرحله بعد وارد می شود. لوله های بخار در نظر گرفته شده در این روش به صورت عمودی یا افقی طراحی می شود و بخار موجود در آنها پس از سرد شدن به دلیل تبادل دمایی با آب تغذیه، به بویلر بر می گردند.روش شیرین سازی آب با کمک تقطیر موثر چند مرحله ای نیاز به انجام مراحل پیش تصفیه نبوده و هزینه راه اندازی و نگهداری پایینی دارد، اما رسوب گذاری در آن با افزایش دما وجود دارد که به عنوان یک محدودیت برای آن قلمداد می شود.

تقطیر فشرده سازی بخار بر پایه متراکم کردن بخار و استفاده از گرمای آن به منظور تبخیر آب شور استفاده می شود. به عبارت دیگر، در این روش از بخار متراکم استفاده می‌شود که دارای دما و فشار بالایی می باشد. آب شور در تماس با این بخار تبادل دمایی انجام داده و در نهایت تبخیر می گردد. این روش از نظر اقتصادی مقرون به صرفه بوده اما برای مخازن بزرگ  نمک زدایی آب کاربرد ندارد.

در حالت کلی و با مقایسه سه روش حرارتی مورد استفاده برای نمک زدایی آب، تقطیر ناگهانی چند مرحله‌ای بیشترین کارایی و بازدهی را دارد، اما میزان مصرف انرژی آن بیشتر از تقطیر موثر چند مرحله ای (MED) می باشد.

اسمز معکوس یکی از شیوه های به کار رفته در صنعت تصفیه و نمک زدایی آب می باشد که از رفتار طبیعت الهام گرفته شده است. این روش که برای اولین بار در سال 1748 به عنوان یک طرح توسط ژان آنتونی نولت مطرح شد، رفتاری عکس با پدیده اسمز که در طبیعت و همچنین تصفیه خون بدن دارد. شیرین سازی آب با اسمز معکوس که دارای غشای نیمه تراوا می باشد، به این صورت است که ابتدا آب توسط پمپ از غشا عبور داده میشود. با توجه به اینکه غشای در نظر گرفته شده برای این دستگاه دارای منافذ بسیار کوچکی می باشد، لذا یون ها و املاح و نمک ها امکان عبور از آن را پیدا نکرده و در نهایت آب شیرین به عنوان خروجی از آن تهیه می شود. این روش از نظر اقتصادی مقرون به صرفه بوده و کارایی و بازدهی بالایی دارد. علاوه براین، باکتری ها و ویروس های موجود در آب نیز امکان عبور از غشا را پیدا نکرده و در نتیجه آب شیرین بدست آمده از نظر سلامتی نیز در سطح مطلوبی قرار دارد. البته لازم به ذکر است که یکی از معایب نمک زدایی با اسمز معکوس نیاز به تمیز کردن و شستشوی مرتب غشا می باشد.

هزینه ساخت 2 برابر ذغالی و 5 برابر نفتی است اما هزینه سوخت مصرفی آب شیرین کن هسته ای یک پنجم سوخت ذغالی و یک دهم سوخت نفتی است. 

به عنوان مثال در کشور عربستان، روزانه 15 میلیون متر مکعب آب شیرین از طریق نمک ‎زدایی آب دریا تولید می ‎شود که برای مصرف آب حدود 75 میلیون نفر کافی است. این در حالیست که جمعیت این کشور تنها 28 میلیون نفر است و آب‌ شیرین‌ کن ‌ها آب مورد نیاز برای 2.5 برابر جمعیت عربستان را تامین می ‌کنند.

آب آشامیدنی در فرآیند اسمز معکوس تولید می‌ گردد که می توان با کاهش مراحل فیلتراسیون آب را تنها برای مصارف کشاورزی تولید کرد.

میزان سهم مشارکتی شورای همکاری خلیج فارس شامل کشورهای عربستان، بحرین، امارات، عمان، قطر و کویت و سهم جهانی در نمک ‌زدایی آب ‌های مختلف در شکل زیر، آورده شده است. نتایج نشان می ‌دهد که کشورهای خلیج فارس در بحث نمک ‌زدایی آب‌ ها به طور جدی وارد شده‌ اند که در این میان، سهم ایران از فعالیت‌ های نمک ‌زدایی بسیار کم و ناچیزتر است. 

هنوز کشورهای عربی حوزه خلیج فارس واحد نمک زدایی هسته ای ندارند.

محمد بن راشد آل مکتوم رئیس امارات در توئیتی از راه اندازی اولین رآکتور هسته ای در کشورهای عربی خبر داد. وی در این توئیت اعلام کرد: باید اعلام کنیم که امارات موفق شده است اولین رآکتور هسته ای صلح آمیز انرژی هسته ای در جهان عرب را در نیروگاه هسته ای "براکه" در ابوظبی راه اندازی کند. گروه‌ ها موفق شدند بسته ‌های سوخت هسته ‌ای را بارگیری و آزمایش ‌های جامعی را اجرا کنند. عملیات راه ‌اندازی با موفقیت به اتمام رسید. در ادامه این توئیت آمده است: هدف راه‌ اندازی چهار نیروگاه انرژی هسته ‌ای است که یک چهارم نیاز کشور به برق به‌ طور ایمن، قابل ‌اطمینان و بدون آلودگی پاسخ خواهد داد. پروژه ساخت نیروگاه براکه سال ۲۰۱۲ با همکاری مهندسان کره‌ ای آغاز شد. منابع خبری، پیشتر، گزارش داده بودند که شرکت "کپکو" (Korea Electric Power Corporation) پیمانکار اصلی نیروگاه یاد شده است و وظیفه طراحی، ساخت و راه‌ اندازی آن را بر عهده دارد.

دستگاه های آب شیرین کن امروزه سهم مهمی در تولید آب شیرین به وسیله آب شیرین کن های صنعتی در بخش مصرف خانگی و مصرف کشاورزی و صنعتی دارد ولی این آب گوارا تنها محصول این فرآیند پر سود و مفید نیست. یک محصول جانبی که اتفاقا سهم بزرگتری از محصولات را دارد، پساب برگشتی به دریا (Brine)  می باشد که اصطلاحا به آن شورابه می گویند. در ابتدا می بایست گفت که این پساب را لزوما به دریا نمی ریزند بلکه روش های دیگری بر حسب مکان تاسیسات دستگاه آب شیرین کن صنعتی و اهداف پروژه وجود دارد که با این پساب رفتار کنند. از جمله این روش ها می توان به این موارد اشاره کرد:

• رها سازی در سطح ( این روش ارزان بوده و در آن پساب به دریاچه ها، رودخانه ها و مخازن طبیعی ریخته می شود)

• استخر های تبخیر ( که آب در این استخر ها می ماند تا توسط نور خورشید تبخیر شده و نمک آن باقی می ماند و این نمک را به عنوان یک محصول می توان برداشت کرد)

• استفاده به عنوان آب جهت آبیاری (برای برخی گیاهان مقاوم به شوری آب)

• تزریق به درون چاه های عمیق (این روش گران قیمت می باشد چرا که هزینه های حفر چاه های عمیق و نگهداری و پایش چاه بالا می باشد)

• تخلیه در سیستم فاضلاب (این روش بیشتر برای دستگاه های آب شیرین کن صنعتی به روش اسمز معکوس استفاده می گردد)

• استفاده به عنوان عامل کنترل رانش و فرسایش خاک (که به خصوص در جاده ها در فصل های تابستان در اقلیم های خشک و بیابانی اسپری شده و نمک آن ذرات خاک را به هم می چسباند)

• استفاده به عنوان عامل یخ زدا (می توان پساب شورابه را به جای ماسه و نمک که در زمستان در سطح خیابان می پاشند استفاده کرد که به سرعت برف ها را آب می کند)

با این حال بر اساس شواهد سال 2007 تاکنون تحقیقات خاصی به روی تاثیرات افزایش خاصیت قلیایی اکوسیستم دریایی ناشی از پساب برگشتی از دریا صورت نگرفته است. همچنین دمای پساب برگشتی به دریا که معمولا از دمای میانگین آب دریا بیشتر می باشد می تواند به روی تکثیر و رشد جمعیت های دریایی و بالاخص جانداران متحرک نظیر پلانکتون ها و ماهی ها تاثیر بگذارد و در برخی موارد دوره به بلوغ رسیدن این جانداران را کاهش می دهد. البته این افزایش دمای آب را نیز می توان با تمهیداتی کنترل کرد. 

In general, and according to the type of coolant used, there are two types of nuclear reactors that are used in desalination: light water reactors (LWR) and the heavy water reactors (HWR). LWR category also include boiling water reactors (BWR) and pressurized water reactors (PWR). Whereas, the HWR category include pressurized heavy water reactors (HPWR). There are other types such as the Liquid Metal Fast Breeder Reactor (LMFR) and high temperature gas cooled reactor (HTGR). In general, the water-cooled reactors are preferred because of the well-established technology. In the literature, Pressurized Water Reactor (PWR), Pressurized Heavy Water Reactor (PHWR), and Liquid Metal Fast Breeder Reactor (LMFR) are the most common nuclear reactors coupled with desalination processes.

راکتور نیروگاه هسته ‌ای بوشهر از نوع آب سبک تحت فشار می‌باشد، برای نمک زدایی مناسب است.

نوع سوخت راکتور مبنای راه ‌اندازی نیست، بلکه میزان انرژی و حرارت در یک نیروگاه برای راه ‌اندازی یک واحد نمک ‌زدایی هسته ای استفاده می گردد.  

آب یک ضرورت اساسی زندگی معیشتی مردم است و تامین آن با انرژی هسته ای در بالا بردن نگاه مردم به صلح آمیز بودن آنها قطعا افزایش خواهد یافت. 

با توجه به اینکه برنامه تولید آب از طریق شیرین سازی آب دریا یک برنامه کامل و صلح آمیز بوده و تعهد غربی ها در برجام معطوف به کمک به برنامه های صلح آمیز هسته ای است، می تواند محک خوبی برای راستی آزمایی آنها در این زمینه باشد.