انرژی هسته ای و اثرات زیست محیطی آن :

 محدودیت منابع فسیلی و مشکلات زیست محیطی ناشی از آن تفکر استفاده از منابع جدید و جایگزین را فرا روی متخصصین قرار داده است. در این میان انرژی هسته ای که انرژی پاک و انرژی هزاره سوم نیز نامیده می شود نقش مهمی راایفا خواهد نمود. ما علاوه بر انرژی برق که تولید آن برایمان اجتناب ناپذیر است جهت توسعه فنی، اقتصادی، بهداشتی و حتی اجتماعی نیاز به انرژی هسته ای داریم بقیه در ادامه مطلب...

زکات علم در نشر ان است. امام علی(ع)

انرژی هسته ای


 

انرژی هسته ای

مقدمه

 محدودیت منابع فسیلی و مشکلات زیست محیطی ناشی از آن تفکر استفاده از منابع جدید و جایگزین را فرا روی متخصصین قرار داده است.

در این میان انرژی هسته ای که انرژی پاک و انرژی هزاره سوم نیز نامیده می شود نقش مهمی راایفا خواهد نمود. ما علاوه بر انرژی برق که تولید آن برایمان اجتناب ناپذیر است جهت توسعه فنی، اقتصادی، بهداشتی و حتی اجتماعی نیاز به انرژی هسته ای داریم

 

 انرژی هسته ای

 تشعشعات و نیروی عظیم حرارتی حاصل از شکافت و گداخت اتم را انرژی هسته ای گویند که کاربرد اصلی آن در تولید برق است.

 این انرژی  در دسته انرژی های تجدیدناپذیر قرار می گیرد. زیرا انرژی هسته ای قابلیت تبدیل به انرژی های دیگر را داراست ولی هیچ انرژی به انرژی هسته ای تبدیل نمی شود.

  مزایای استفاده از انرژی هسته ای

- مقرون به صرفه بودن آن از لحاظ اقتصادی نسبت به سایر انرژی ها.

- ایجاد آلودگی کمتر نسبت به سایر انرژی ها به ویژه انرژی حاصل از نفت و سوخت های فسیلی.

- کاربردهای فراوان آن در زمینه های پزشکی، صنعت، کشاورزی و... که در هر کدام به سهم خود دارای توجیه اقتصادی و اجتماعی است.

 

تاریخچه

در سالهای اولیه ای که تشریح رادرفورد در خصوص واپاشی اتم عنوان شد، هوادار چندانی نداشت اما پس از کشف نوترون در سال ۱۹۳۲ به وسیله جیمز چادویک فیزیکدان انگلیسی این نظریه جهت و سوی تازه ای یافت. لیزه مایتنر (1878-1968 م) شیمیدان اتریشی ثابت کرد که اتم های سنگین به اتم های سبک تر تجزیه می شوند، او این فرایند را شکافت هسته ای نامید. در سال 1938 لیزه ماریتنر، اتوهان اتو فریش و فردریک استراسمن روی پدیده شکافت هسته اورانیوم 235 کار کردند و به همین دلیل در سال 1944 ، جایزه نوبل شیمی را در یافت کردند .

این دانشمندان پدیده شکافت هسته اتم را به وسیله بمباران نوترون در مجله طبیعت (Nature) در مقاله ای ارائه کردند و این کشف منجر به اختراع بمب اتمی در جنگ جهانی دوم شد. در سال 1932 .م انریکو فرمی (ایتالیایی) و همکارانش تصمیم گرفتند تا با بمباران اورانیوم عنصری مصنوعی (شماره ۹۳) را بوجود بیاورند. آنها فراورده این بمباران را ( اورانیوم ایکس ) نامیدند و تصور کردند عنصر جدیدی بوجود آوردند. آنها با توجه به جدول تناوبی خواصی مشابه رنیوم برای این ماده فرض کردند و کوشش کردند تا با استفاده از خود باریوم، آنرا از اورانیوم جدا کنند، که ممکن نشد.

 اما مشهورترین کار فرمی، استفاده از نوترون ها برای بمباران اتم ها و تولید ایزوتوپ های رادیواکتیو جدید بود. کلید موفقیت وی آن بود که بلوکی از موم را برای کاستن سرعت نوترون ها به کار گرفت و تأثیر آنها را افزایش داد. فرمی، در سال 1938 میلادی، جایزه نوبل در رشته فیزیک را دریافت کرد. انریکو فرمی به عنوان "پدر فیزیک هسته ای " شناخته شده است. او را به این نام خوانده اند چون او نخستین کسی است که واکنش زنجیر ای راکشف کرد.وی در سال 1942 پس از چندین سال کار و زحمت نخستین راکتور هسته ای را در شیکاگو  در یک زمین بازی اسکواش ساخت و با این راکتور به وسیله ی انفجار هسته ای انرژی تولید کرد. و بعد ها به در خواست دولت آمریکا به کار بر روی پروژه بمب اتم پرداخت. به خاطر موفقیت ها علمی وی در سال 1964 عنصری از عناصر هم به افتخار او فرمیون خوانده شد.

در دهه 1950 میلادی، دانشمندان به این نکته پی بردند که نیروی هسته ای راه حلی برای نیاز به انرژی در سراسر دنیاست. نخستین نیروگاه تجاری دنیا، کالد هال در انگلستان بود که در سال 1956، تولید برق را آغاز کرد. 

در پایان سال 1991 حدود 31 کشور توانایی تولید تجاری انرژی از راکتورهای هسته ای را یافتند که این نشانه پیشرفت جهانی در عرصه فناوری هسته ای بود.

تحقیقات در زمینه های دیگر در دهه 90 نیز ادامه یافت و جایگاه انرژی هسته ای علاوه بر تولید انرژی حرارتی(الکتریسیته) در سایر زمینه ها همچون پزشکی، کشاورزی، صنعت و علم شناخته شد. برای مثال پزشکان از رادیوایزوتوپ ها که از انرژی هسته ای سرچشمه می گیرد و بالا بردن تأثیرات طب سنتی استفاده می کنند. همچنین باستان شناسان انرژی هسته ای را برای تعیین زمان دقیق یافته های خود بکار می بردند، علاوه بر آن پرتوافکنی به غذاها، ماندگاری آنها را افزایش داده و تأثیرات فریز کردن را (در از بین رفتن ویتامین موادغذایی مؤثر است)کم می کند. دراین مقاله سعی داریم با توجه به اهمیت تولید انرژی برق نحوه استفاده از انرژی هسته ای در تولید برق را تشریح نمایم.

 نیروگاه هسته ای

روش های بهره برداری از انرژی هسته ای  در نیروگاه ها:

1- شکافت هسته‌ای: در این روش هسته یک اتم (اورانیوم ) توسط یک نوترون به دو بخش کوچکتر تقسیم می‌شود. در این واکنش مقدار زیادی انرژی  به صورت گرما و نور آزاد می شود. عمل شکافت هسته اصطلاحاً فیزیون هسته ای نامیده می شود.

 اگر این انرژی به صورت آهسته از اتم خارج شود می توان با مهار کردن آن برق تولید کرد اما اگر این انرژی به طور ناگهانی خارج شود انفجار مهیبی به صورت بمب اتم رخ می دهد.

2- گداخت هسته‌ای: با برخورد دو نوع هیدروژن (دوتریم و ترتیم) به یکدیگر یک اتم هلیوم و یک ذره اضافی نوترون تشکیل می‌شود. در این تبدیل، انرژی بسیار زیادی بصورت نور و گرما تولید می‌شود. عمل گداخت هسته ای فوزیون نامیده می شود.

برای در ک بهتر مطالب ابتدا به تعریف بعضی از مفاهیم می پردازیم.

 

تعاریف

عنصر : عبارتست از یک ماده خالص ساده که با روش های شیمیایی نمی توان آن را به دو یا چند ماده خالص تر تفکیک و تجزیه کرد. عناصر به سه حالت جامد، مایع و گاز در جهان یافت می شوند. و این عناصر از ذرات ریزی به نام اتم تشکیل یافته اند واتم های یک عنصر یکسان هستند.

ماده: هر آنچه که جهان هستی از آن تشکیل شده و می توان آن را به عنوان هر چیزی که فضا را اشغال کند و دارای جرم باشد تعریف کرد.

 

 تاریخچه کشف اتم

برای اولین بار دموکریتوس، بنا به نوشتار یونان قدیم ذیمقراطیس (370تا 460 پیش از میلاد) وجود اتم را پیش بینی کرد و تعدادی از ویژگی های اتم را بیان کرد.

دموکریتویس فرضیه خود را اینگونه عنوان کرد ‍»گیتی از اتم ها [ملاء] و خلاء آغاز می شود و مابقی فقط در فکر و نظر وجود دارد. هیچ چیز از عدم به وجود نمی آید و هیچ چیز معدوم نمی شود(اصل بقا انرژی) و اتم ها که از لحاظ تعداد کثرت می شمارند عالم را در بر گرفته و چون گردبادی در چرخشند و بدین شکل کلیه ترکیبات بغرنج از قبیل آتش،آب، هواو خاک آفریده می شوند.

درباره این فرضیه اینگونه می توان گفت که  Atomیک واژه یونانی به معنای تجزیه ناپذیر است وی عقیده داشت که جهان از ذرات بی نهایت ریزی به نام اتم تشکیل شده که دیگر قابل تجزیه نیست و این اتم ها از هیچ به وجود نمی آیند بلکه هر چیزی اصل و منشاء دارد و بر طبق اصل بقا انرژی که بعدها به اثبات رسید هیچ چیز از بین نمی رود بلکه تبدیل می گردد.

دموکریتوس برای این ذرات حرکت را در نظر می گیرد و بدین شکل همچنین وی برای اجسام تفاوت های که ناشی از تفاوت در اتم آنها است قائل بود بنا به عقیده وی اتم ها بعضی کروی و برخی چند ضلعی هستند و از به هم پیوستن آنها اجسام تشکیل می شوند.

به دلیل تسلط فلسفه ارسطو در آن زمان( اروپای وسطی ) و نبود امکانات و وسائل علمی دقیق این نظریه توسط ارسطو رد شود. نظر ارسطو بر این بود که مواد تا بی نهایت می توانند تجزیه شوند.

نظریه اتمی دموکریتوس تا قرن هفدهم میلادی به فراموشی سپرده شد تا اینکه فیلسوف فرانسوی پیر گاسندی ( 1592-1655) این فرضیه را دنبال کرد  و به همین دلیل از سوی کلیسا تحت تعقیب قرار گرفت و محاکمه شد.

در سال 1661 رابرت بویل و درسال1687 ایزاک نیتون، وجود اتم را پذیرفتند ولی همچنان این فرضیه در حد یک اندیشه باقی ماند. سرانجام در سال 1803 تا 1808 دانشمند انگلیسی جان دالتون نظریه اتمی خود را عنوان کرد که مهر تأئیدی بر فرضیه دموکریتوس بود.

اتم

نظریه اتمی دالتون برچند اصل استوار بود:

عناصر از ذرات ریز و کروی شکلی به نام اتم تشکیل شده اند .

تمام اتم های یک عنصر یکسان و اتم های عناصر گوناگون متفاوتند.

تمام اتم های یک عنصر معین جرم یکسانی دارند.

اتم های یک عنصر در واکنش های شیمیایی از هم جدا و به هم می پیونند. در این واکنش ها هیچ اتمی ایجاد نمی شود و از بین نمی رود بلکه یک عنصر به عنصر دیگری تبدیل می گردد.

وی با عنوان این نظریه توانست قوانین تغییرات شیمیایی را توضیح دهد و با نسبت دادن جرم های نسبی به اتم های عناصر گوناگون یک مفهوم به نظریه اتمی بدهد.

وی همچنین عنوان کرد که یک ماده شیمیایی مرکب حاصل ترکیب دو یا چند اتم عناصر مختلف است. نظریه دالتون امروزه بر همین کیفیت باقی است ولی اصل سوم آن تغییر کرده است. زیرا بعضی از عناصر دارای اتم های با تعداد نوترون های متفاوت و در نتیجه با جرم مختلف هستند. این اصل امروزه اینگونه بیان می گردد که تمام اتم های یک عنصر از لحاظ شیمیایی به هم شبیه و اتم های یک عنصر با اتم های عنصر دیگر متفاوت است.

 در اواخر سده نوزدهم معلوم شد که برخلاف آنچه دالتون و یونانیان قدیم عنوان می کردند اتم کوچکترین ذره هر ماده نیست و خود اتم از ذرات ریزتری تشکیل یافته است. این کشف نتیجه آزمایشات الکتریسیته بود که در سال های 1808 به وسیله شیمی دان انگلیسی« همفری دیوی» با تجزیه مرکب نیروی الکتریسیته پنج عنصر پتاسیم، سدیم، کلسیم و استرونسیم و باریم صورت گرفت. نتیجه ای که حاصل شد این بود که عناصر با نیروی جاذبه ای که ماهیت آن ها الکتریکی است به هم متصل اند.

دانشمندانی همچون مایکل فارادی(1833) و جانسون استونی (1874) در این زمینه نیز به پژوهش پرداختند و به وجود ذرات باردار الکتریکی پی بردند. گلد شتاین با انجام آزمایشاتی در سال 1886 متوجه حرکت ذراتی به سمت الکترود منفی و ذراتی هم به طرف الکترود مثبت شد، وی توجه خود را معطوف ذراتی که به وسیله الکترود منفی جذب شده بود ساخت و این ذرات با بار مثبت را پروتون نامید. 

درسال 1891 جورج جان تامسون واحدهای الکتریکی با بار منفی  را الکترون نامید. در سال 1895 ویلهلم رونتگن فیزیکدان آلمانی اشعه مجهول را کشف کرد. کشف این اشعه حاصل پنج سال کوشش وآزمایشات وی بود. رونتگن آن را اشعه ایکس نامیده که قادر بود از پاره ای از اجسام عبور کند و موانع سر راه خود را معلوم کند .

با کشف اشعه ایکس برای نخستین بار در سال 1909 رابرت.آ. میلیکان توانست به اندازه گیری دقیق بار الکترون بپردازد. در آزمایش وی با برخورد اشعه X به ملکول های تشکیل دهنده هوا و روغن، (الکترون های تولید شده با قطر های روغن جذب شد) با عبور قطرات باردار شده روغن و نحوه و سرعت سقوط آنها از بین دو صفحه جرم آنها را برآورد کرد و در نهایت به الکترون یک واحد  بار منفی از لحاظ جرمی اطلاق کرد.

در سال 1919 میلادی ارنست رادفورد دانشمند اهل زلاندنو ( نیوزلند) پس آزمایشات متعدد مدل تازه ای برای اتم پیشنهاد کرد.

 

رادفورد در مدل خود بار مثبت هسته ای اتم را به ذره هایی به نام پروتون نسبت داد بار الکتریکی پروتون  به اندازه بار الکترون است در حالی که اندازه گیری ها نشان داده که جرم پروتون حدود هزار بار بیشتر از جرم یک الکترون است.

در سال های 1932-1933 جیمز چارویک دانشمند انگلیسی عنوان کرد در هسته اتم علاوه بر پروتون، ذره دیگری نیز وجود دارد او نام این ذره را که جرم آن تقریباً با جرم پروتون برابر و بار الکتریکی ندارد نوترون اعلام کرد و به این ترتیب نظریه وجود سه ذره در ساختار اتم شکل گرفت.

 رآکتور هسته ای

منابع عناصر در جهان

از 116 عنصر شناخته شده 92 عنصر در طبیعت وجود دارد که شش تای آنها (O2،N2و چهار گاز نجیب Ye،Kr،Ar،Ne) به صورت عنصر در اتمسفر یافت می شوند. این عناصر را با روش تقطیر جزء به جزء هوای مایع می توان از یکدیگر جدا کرد و سایر عناصر مانند  Na، Mg، Cl2،Br2 را می توان از آب اقیانوس ها به صورت یون های تک اتمی استخراج کرد و سپس با واکنش های الکتروشمیایی در سلول های الکتریکی به عناصر مورد نظر تبدیل کرد.

سایر عناصر را می توان از ذخایر معدنی در زمین استخراج کرد، تعدادی دیگر از عناصر (حدود 24 عنصر) را دانشمندان توانسته اند به طور مصنوعی و به کمک واکنش های هسته ای در راکتورهای اتمی و یا به کمک شتاب دهنده های قوی بسازند که تمامی آن ها، ناپایدار ند و عمر کوتاه دارند و به سرعت و با انتشار پرتوهایی تخریب می شوند.

جدول تناوبی : آرایشی از عناصر شیمیایی به صورت تناوب ها یا دوره ها(ردیف ها) و گروه ها(ستون ها) است. این جدول بر اساس قانون تناوبی عناصر استوار است بر طبق این قانون هرگاه عنصر ها را برحسب افزایش عدد اتمی در کنار یکدیگر قرار دهیم خواص فیزیکی و شیمیایی آن ها به صورت تناوبی تکرار می شود.

در این جدول هیدروژن اولین و ساده ترین عنصر و پس از آن هلیم، کربن، نیتروژن، اکسیژن، و... فلزات روی، مس،آهن، نیکل و... است و بالاخره آخرین عنصر طبیعی به شماره 92 عنصر اورانیوم است.

اتم های عناصر شامل ذراتی به نام های پروتون، نوترون و الکترون هستند. در مرکز اتم (هسته) که بیشتر جرم و تمام بار مثبت اتم در آن متمرکز است، دو ذره نوترون و پروتون قرار گرفته اند که پروتون دارای بار مثبت و نوترون دارای بار خنثی است. الکترون ها که بیشتر حجم اتم را اشغال می کنند در اطراف هسته قرار گرفته و به دور آن می گردند. اتم ها دارای بار الکتریکی خنثی هستند در نتیجه کل بار مثبت هسته(تعداد پروتون ها) برابر و معادل کل بار منفی اطراف هسته(تعداد الکترون ها ) است.

ایزوتوپ: تعداد نوترون ها در اتم های مختلف یک عنصر همواره یکسان نیست و برای مشخص کردن آنها از کلمه ایزوتوپ استفاده می کنند به طور کلی اتم های مختلف یک عنصر را ایزوتوپ گویند،  فردریک سودی کاشف ایزوتوپ‌ها بود.

بعضی عناصر شیمیایی مانند آلومینیوم، طلا، فلوئور و فسفر فقط یک نوع اتم دارند. اما بیشتر عناصر چندین ایزوتوپ دارند مثلاَ عنصر هیدروژن 3 ایزوتوپ دارد. هیدروژن معمولی ( با عدد جرمی 1 )که دارای یک پروتون و فاقد نوترون است. هیدروژن سنگین شامل یک پروتون و یک نوترون (عدد جرمی2) که به آن دوتریم گویند و در نهایت تریتیم که دو نوترون و یک پروتون(عدد جرمی 3) تشکیل شده که ناپایدار است و طی زمان تجزیه می شود.

عدد جرمی : به مجموع تعداد پروتون ها و نوترون ها در هسته یک اتم عدد جرمی گویند.

خواص شیمیایی ایزوتوپ های یک عنصر یکسان است زیرا تعداد پروتون و الکترون ها مساوی است. اما بعضی خواص فیزیکی ایزوتوب های یک عنصر، مانند وزن اتمی و چگالی آنها متفاوت است زیرا تعداد نوترون های آنها مساوی نیست.

رآکتور اتمی

 

عنصر اورانیوم: Uranium,u,92

یکی از عناصر شیمیایی که در جایگاه (92) با نمادU  در گروه اکتینیدها، دوره7، بلوک f با جرم حجمی Kg/m3 19050 و سختی 6 در جدول تناوبی قرار گرفته اورانیوم است.

اورانیوم یک عنصر فلزی، سمی، براق و به رنگ سفید مایل به نقره ای با خاصیت ضعیف رادیواکتیو است مانند سایر فلزات چکش خوار و قابل مفتول شدن و رسانای جریان برق است.این عنصر بسیار سنگین و پر چگالی، عنصری است طبیعی که بصورت اکسید و یا نمک‌های مخلوط در مواد معدنی (مانند اورانیت یا کارونیت)   در تمام سنگ ها، آب ها و خاک به مقدار ناچیز یافت می شود و از نظر فراوانی در میان عناصر طبیعی پوسته زمین در رده 48 قراردارد و نسبت وجود آنها در زمین برابر دو در میلیون نسبت به سایر سنگها و مواد کانی است.

اورانیوم در سال 1789 توسط مارتین کلاپروت (Martin Klaproth) شیمی دان آلمانی از نوعی اورانیت بنام پیچبلند (Pitchblende) کشف شد. واژه‌ی اورانیم از نام سیاره‌ی اورانوس گرفته شد. این سیاره هشت سال پیش از اورانیم کشف شده بود.

در گذشته‌های بسیار دور از ترکیبهای اورانیم در ساختن شیشه‌ی رنگی استفاده می‌کردند. مارتین کلاپروت، شیمیدان آلمانی، هنگامی که درباره‌ ساختمان شیمیایی یک سنگ معدن براق و سیاهرنگ به نام پچبلنده تحقیق می‌کرد، به ماده‌ای برخورد که کاملاً ناشناخته بود او آن را اورانیم نامید. اما کلاپروت در واقع ترکیبی از اورانیم را پیدا کرده بود نه فلز خالص را. اورانیم خالص سرانجام در سال 1841 م،1220 هجری شمسی توسط اوژن پلیگو، شیمیدان فرانسوی، به دست آمد. کشف اشعه‌ی ایکس یا رونتگن توسط ویلهلم کونراد رونتگن در سال 1985، توجه آنتوان هانری بکرل، فیزیکدان فرانسوی را به پدیده‌ی فلوئورسانس جلب کرد.

وی مشغول تحقیق بر روی مواد دارای خاصیت فسفرسانس شد (خاصیت فسفرسانس ازجمله خواص فیزیکی مواد به شمار می رود و مواد دارای این خاصیت نور با طول موج خاصی را جذب کرده و نور با طول موج دیگری را منتشر می سازند. تابش این نور تا مدت کوتاهی پس از قطع شدن منبع نور ادامه می یابد. در ساعت ها و بعضی شب نماها از موادی با این خاصیت استفاده می شود.) آنتوان هانری بکرل متوجه شد که تأثیر نور مرئی و سنگ معدن اورانیوم(سولفات پتاسیم اورانیوم) بر روی یک فیلم عکاسی بسته بندی شده شبیه هم هستند ( بعدها مشخص شد که سنگ معدن اورانیوم از خود پرتوهای آلفا و گاما گسیل کرده و چون پرتوهای گاما همان پرتوهای X پرانرژی هستند و از جنس نور یا امواج الکترومغناطیسی اند، بنابراین اورانیوم، چنین تاثیری بر روی فیلم عکاسی بسته بندی شده وی گذاشته است) در همین حین ماری کوری خاصیت پرتوزایی را کشف کرد و با تعداد محدودی ماده پرتوزا مانند پولونیم(فلز ضعیف) و رادیم(فلز قلیایی خاکی) آشنا گردید. ماری کوری نام های کنونی چون رادیواکتیو(پرتوزا) یا رادیواکتیویته (پرتوزایی) را برگزید و منتشر ساخت. در آن زمان، اطلاعات بشر در مورد این مواد بسیار کم بود و رادرفورد در پی اکتشافات تازه ای درمورد این مبحث نوین وجود دو ذره گسیلی متفاوت از الکترونها را که در مورد آنها با تامسون کار کرده بود، به اثبات رساند. این ذرات پرتوهای آلفا و بتا بودند. پرتوهای آلفا همان پرتوهایی هستند که اینک هسته هلیم نامیده می شوند و پرتوهای بتا جریانی از الکترونها و پروتونها هستند که از هر منبعی رها می شود. رادرفورد با کار بر روی توریم، مفهوم نیم عمر را جا انداخت. اورانیوم طبیعی از سه ایزوتوپ U234،U235،U238 تشکیل شده است. سنگ معدن استخراج شده از معادن بیشتر حاوی دو ایزوتوپU235 , U238 است که 3/99 درصد آن U238و 7/0 درصد آن را ایزوتوپ   U235تشکیل می دهد.

این سه ایزوتوپ رادیواکتیو بوده که نیمه عمر ایزوتوپ U238 در حدود 5/4 میلیارد سال و پایدارترین ایزوتوپ طبیعی اروانیوم و U235 با نیمه عمر 700 میلیون سال است.

 

 

 

رادیواکتیو: مواد رادیو اکتیو از اتم های ناپایداری تشکیل می شوند و انرژی سطح بالایی به نام تابش رادیو اکتیو را آزاد می کنند. این اتم ها نهایتاَ عناصر جدیدی را تشکیل می دهند.

 

 سه نوع تابش رادیو اکتیو وجود دارد .

پرتو آلفا: از دو پروتون و دو نوترون و با بار الکتریکی مثبت تشکیل شده است که ضعیف ترین نوع تابش رادیواکتیو هستند مسیر آن را می توان با کاغذ سفید مسدود کرد.

پرتو بتا: با الکترون های سریع، جرم ناچیز و بار الکتریکی منفی تشکیل شده است. این ذرات قدرتمند هستند و از کاغذ عبور کرده ولی آلومینیوم آنرا مسدود می کند .

پرتو گاما:( موج الکترو مغناطیسی ): از ذرات بدون جرم و بدون بار تشکیل شده و بسیار قدرتمند که فقط با لایه ضعیفی از سرب می توان آن را کنترل کرد.

نیمه عمر: یک ماده زمانی است که طول می کشد تا خاصیت رادیواکتیویتیه آن به نصف کاهش یابد مثلاَ نیمه عمر اورانیوم U235  که 700 میلیون سال است یعنی 700 میلیون سال طول می کشد تا نصف اتم های رادیواکتیو اورانیوم 235 دچار فروپاشی شوند یا یک گرم از اتم های رادیواکتیو به نیم گرم تقلیل یابند و 700 میلیون سال دیگر طول می کشد تا همین مقدار نیز به نصف برسد و به همین ترتیب نیمه عمر عناصر مختلف از چند ثانیه تا میلیون ها سال متغیر است . فروپاشی شبکه ای از زباله های اتمی حاصل از نیروگاه های هسته ای میلیون ها سال طول می کشد تا فرو پاشیده شود. 

 

خواص فیزیکی و شیمیایی عنصر اورانیوم

 برای دستیابی به اطلاعات بیشتر در مورد اورانیوم و سایر عناصر جدول تناوبی به سایت زیر مراجعه کنید.                                       

 همانطور که عنوان شد استفاده اصلی از انرژی هسته‌ای، تولید انرژی الکتریسته است. روشی بسیار ساده برای جوشاندن آب و ایجاد بخار برای راه‌اندازی توربین‌های مولد برق.

 

تولید برق به وسیله انرژی هسته ای از طریق:

 

1-  نیرو گاه هسته ای

 نیروگاه هسته ای: جایست که تمامی چرخه هسته ای و در نهایت تولید برق در آن صورت می گیرد.

چرخه سوخت هسته‌ای با تعدادی عملیات صنعتی صورت می گیرد که تولید الکتریسته را با اورانیوم در راکتورهای هسته‌ای ممکن می‌کند. این چرخه با عنصر اورانیوم به عنوان سوخت آغاز و با انهدام پسماند های واکنش های هسته ای پایان می یابد.

 

چرخه انرژی هسته ای

1- استخراج اورانیوم از معدن  Mining

سنگ معدن اورانیوم (حاوی دو ایزوتوپ U235 به مقدار 7/0 درصد، U238به مقدار 3/99 درصدو006/0 درصد  U234 در طبیعت با دو روش حفاری زیر زمینی یا ایجاد کانال و چاله های باز و رو زمینی استخراج می گردد.

حفاری‌های روزمینی در جاهایی صورت می گیرد که ذخایر معدنی نزدیک به سطح زمین و حفاری‌های زیرزمینی برای ذخیره‌های معدنی عمیق‌تر به کار می‌رود.  نکته قابل توجه در حفاری های رو زمینی این است که اندازه گودال‌ها باید بزرگتر از اندازه ذخیره معدنی باشد و دیواره‌های گودال ها باید محکم باشد تا مانع ریزش دیواره گودال گردد. در نتیجه، میزان موادی که باید به بیرون از معدن انتقال داده شود تا به کانه دسترسی پیدا کند زیاد است. حفاری‌های زیرزمینی دارای خرابی و اخلال‌های کمتری در سطح زمین هستند و حجم موادی که باید برای دسترسی به سنگ معدن یا کانه به بیرون از معدن انتقال داده شوند به‌طور قابل ملاحظه‌ای کمتر از حفاری نوع روزمینی است. در معادن زیر زمینی اورانیوم به علت خاصیت رادیو اکتیویته عنصر اورانیوم و مضر بودن و خطرناک بودن تابش ها تهویه هوا باید به دقت مورد توجه قرار گیرد.

 بمب اتم

2-تبدیل (فرآوری) Conversion

بعد از استخراج، سنگ معدن اورانیوم به محل آسیاب کردن انتقال می یابد که معمولاً به معادن نزدیک است. در یک آسیاب ابتدا عمل خرد کردن سنگ معدن صورت می گیرد و بعد از شستشو با اسید سولفوریک، آلکالاین و یا پرااکسید و ته نشین شدن اورانیوم و جدا کردن اورانیوم خالص از محلول، محصول بدست آمده را خشک  و فیلتر می کنند، نتیجه آن اکسید اورانیوم غلیظی است که به کیک زرد(قرص زرد) معروف است که معمولاً با حرارت دادن به صورت اشباع شده و غلیظ در استوانه ای 200 لیتری بسته بندی می شود.

پسماند های  سنگ معدن که بیشتر شامل مواد پرتوزا و سنگ معدن است در محلی معین به دور از محیط معدن، معمولاً در گودال‌هایی روی زمین نگه داری می شوند

پس‌ماند‌های دارای مواد رادیواکتیو، نیمه عمری طولانی وخاصیتی سمی دارند. هرچند مقدار کلی عناصر پرتوزا کمتر از سنگ معدن اصلی است و نیمه عمر آنها کوتاه خواهد بود اما این مواد باید از محیط زیست دور بمانند.

کیک زرد:  Yellowcakeکه به نام اورانیا Uraniaهم شناخته می شود به اکسید اورانیوم تلغیظ شده با فرمول  (U3O8 )به میزان 90-70 درصد وزنی و سایر اکسید ها به نسبت کم اطلاق می شود. اطلاق این عنوان به ماده بدست آمده به خاطر رنگ زرد آن در مراحل اولیه کار است و تاریخچه نام نهادن این اکسید به گذشته بر می گردد که کیفیت روشهای خالص سازی سنگ معدن مناسب نبود و ماده بدست آمده به رنگ زرد بود ولی هم اکنون ماده حاصله از خالص سازی به رنگ قهوای و یا سیاه است و تنها در همان اوایل کار زرد است. 

سایر اکسید های کیک زرد شامل:

هیدرو اکسید اورانیوم، UO2OH2 که در صنایع ساخت شیشه و سرامیک کاربرد دارد.

سولفات اورانیوم،UO2SO4  ماده ای زرد رنگ و بی بو.

اورانیت سدیم (Na2 (UO3)2 6H2O )  ماده ای با رنگ زرد مایل به نارنجی

پراکسید اورانیوم (UO4nH2O ) ماده ای با رنگ زرد کم رنگ

کیک زرد عموماَ برای تهیه سوخت راکتورهای هسته ای بعد از یکسری پردازش ها بکار می رود. این ماده بعد از پردازش به OU2 تبدیل شده و در میله های سوختی بکار برده می شود.

مهمترین کاربرد  کیک زرد تهیه هگزا فلوراید اورانیوم است .

محلول آسیاب شده اورانیوم مستقیماً قابل استفاده به‌عنوان سوخت در راکتورهای هسته‌ای نیست. پردازش اضافی به غنی‌سازی اورانیوم مربوط است که برای تمام راکتورها لازم است.

 

3- غنی سازی اورانیوم Enrichment

در راکتورهای هسته ای به علت تمایل زیاد  U235به شکافته شدن زنجیره ای نسبت به U238 به عنوان سوخت در نیروگاه های هسته ای (به منظورهای صلح آمیز و ساخت بمب هسته ای ) محسوب می شود. ولی به علت وجود درصد بسیار کم اورانیوم 235 در سنگ معدن(به علت "نیمه عمر" کوتاه  و فروپاشی سریع آن، این ایزوتوپ در طبیعت بسیار نادر است بطوری که از هر ۱۰۰۰ اتم اورانیوم موجود در طبیعت تنها هفت اتم از نوع  U235بوده و مابقی از نوع سنگینتر  U238است) بایستی غنی سازی اورانیوم صورت گیرد تا مقدار 7/0 درصد به 1 الی 3 درصد (برای مصارف صلح آمیز) و یا بیش از 5 درصد تا حدود 90 درصد برای ساخت بمب های اورانیومی (مصارف نظامی) برسد. در کل می توان گفت که هدف اصلی از فرایند غنی سازی اورانیوم افزایش  میزان اتم های ایزوتوپ 235 اورانیوم است.

 غنی سازی اورانیوم در شرایط تحت خلاء و به وسیله واحد های مختلفی صورت می گیرد. اولین واحد، واحد خوراک دهی است: در این واحد ابتدا اورانیوم را به نوع گازی تبدیل می کنند و راه بدست آمدن آن تبدیل کردن اورانیوم به هگزا فلوراید (Hexa fluoride) است. در این عمل اورانیوم را با اتم فلوئور (F) ترکیب و به صورت ملکول اورانیوم هگزا فلوراید UF6  درمی آورند.

 

ملکول هگزافلورایدUF6

با توجه به اینکه سرعت متوسط ملکول های گازی یا جرم ملکولی گاز نسبت عکس دارد از این پدیده، در گذشته برای غنی سازی اورانیوم استفاده می کردند که به این پدیده دیفوزیون گازی یا روش انتشاری  می گفتند. در این پدیده در عمل اورانیوم ‏هگزا فلوراید طبیعی گازی شکل را از ستونهایی که جدار آنها از اجسام متخلخل ‏‏(خلل و فرج دار) درست شده است عبور می‌دهند و از آنجا که اورانیوم 235 سبک تر از اورانیوم 238 است سریع تر حرکت کرده و امکان بیشتری برای عبور از سوراخ های موجود در غشا را دارند. سوراخهای موجود در جسم ‏متخلخل باید قدری بیشتر از شعاع اتمی یعنی در حدود 2.5 آنگسترم  ( <!--[if !vml]--><!--[endif]-->) باشد. هگزا فلوراید جامد با گرم شدن در دمای 64 درجه سانتی گراد به گاز با جرم ملکولی کمتر نسبت به جامد آن، تبدیل می گردد. برای این منظور UF6 جامد به کمک مخازنی ویژه به واحد خوراک دهی منتقل و با تجهیزات خاصی در درون گرمکن های به نام اتو کلاو قرار می گیرند. در درون اتوکلاو به این مخازن حرارت داده می شود و   UF6به گاز تبدیل می گردد.

با توجه به ظرفیت پرتو زایی و خورنده بودن  UF6  این گاز برای ادامه مراحل غنی سازی باید به دقت جابجا شود لوله ها و پمپ ها در کارخانه مبدل به طور ویژه ای از آلیاژ آلومینیوم و نیکل ساخته شده اند و گاز تولیدی همچنین باید از نفت، روغن ها و مواد چرب به جهت جلوگیری از واکنش های نا خواسته و برگشت ناپذیر شیمیایی دور نگه داشته شود.

دومین واحد در عملیات غنی سازی واحد جدا سازی   UF6گازی است.

جدا سازی اورانیوم با روش های انتشار (پخش) حرارتی، انتشار (پخش) گازها، روش الکترومغناطیسی، مرکز گریز گازی(سانتریفیوژ)، مرکز گریز گازی زیپه و روش‌های لیزری و شیمیایی صورت می گیرد که متداول ترین روش در نیروگاه های هسته ای اغلب کشورها دو روش سانتریفیوژ گازی و بخش گازی (دیفیوژن) است. در کشور ایران روش سانتریفیوژ گازی برای غنی سازی اورانیوم متداول است.

در این روش هگزا فلوراید تهیه شده در داخل سیلندرهای سانتریفیوژ که بصورت موازی در کنار هم قرار گرفته اند تزریق می شود و بعد سیلندرها با سرعت زیاد(به طور متوسط 1000 تا 1500 دور در ثانیه) به گردش در آورده می شود، این گردش سریع نیروی گریز از مرکز بسیار قوی تولید می کند که باعث جدا شدن ایزوتوپ های سنگین با جرم حجمی بالاتر از اورانیوم 235 می شود. یعنی اورانیوم 238 با جرم ملکولی زیاد از محور گردش دور می شوند و به پائین محفظه کشیده می شود و خارج می گردد و برعکس اتم های سبک تر   U235حول محور باقی مانده و بعد از جدا سازی از بخش میانی سیلندر جمع آوری می شود.(از نظر وزنی اورانیوم 235 فقط26/1 درصد از اورانیوم 238 سبک تر است).

در گام بعدی U235 جمع آوری شده به سیلندر های گریز از مرکز بعدی انتقال می یابد. فرایند سانتریفیوژ کردن بارها با دستگاههای  گریز از مرکز که بصورت زنجیره ای در کنار هم قرار گرفته اند انجام می شود تا خالص ترین میزان اورانیوم 235 بدست آید. طی این مراحل میزان به مراتب بیشتری  U235نسبت به جدا سازی در یک مرحله بدست می آید. سانتریفیوژ متوالی به کَس کید (cascade) معروف است. لازم به ذکر است که به خاطر ماهیت خورندگی هگزا فلوراید اورانیوم، تمامی اجزایی که با این ماده در تماسند باید از مواد مقاوم در برابر خوردگی ساخته شوند از همین رو، مواد مناسب برای گرداننده های سانتریفیوژها (روتورها) شامل آلیاژ های آلومینیوم، تیتانیم، فولاد ماراژین یا ترکیباتی که با برخی شیشه های خاص تقویت می شوند، فیبرهای کربنی هستند که در حال حاضر فولاد ماراژین متداول ترین ماده است. سانتریفیوژ با روتور آلومینیومی به نوع 1 P و سانتریفیوژ با روتور فولاد ماراژین به نوع 2P معروف است. همانطورکه گفته شد نوع 2P آن به خاطر قوی تر بودن و چرخش سریع نسبت به 1P مرسوم تر است. این نوع سانتریفیوژ با سرعت 2 تا 3 برابر بیشتر از نوع 1P اورانیوم را غنی می کند.

فولاد مارازین(ماراجینگ): جزء فولادهای مارتنزیتی با استحکام، پیرسختی و چقرمگی شکست بالا هستند. در این فولادها میزان کربن بسیار پائین (در حد ناخالصی)، ولی غلظت کبالت موجود در ترکیب آن بالا است. مارازین شامل ترکیباتی همچون 6- 7 درصد نیکل، 0-11 درصد کبالت، 0-5 درصد مولیبدن، تیتانیم و کولومبیوم است. این فولاد به خاطر  استحکام و مقاومت زیاد، در پروسه های هوافضا، صنایع نظامی (ساخت بدنه و تولید کلاهک های هسته ای) کاربرد فراوانی دارد و به عنوان روتورهای سانتریفوژ در نیروگاه های هسته ای نیز استفاده می شود.

مارتنزیتی: بطور کلی به ساختارهای بلورینی گفته می‌شود که با استحاله مارتنزیتی به وجود بیایند. اما این اصطلاح بیشتر به فاز مارتنزیت در فولادهای سخت‌شده اطلاق می‌شود. استحاله این فلز سخت با کاهش دما و سرد کردن آن( به میزان 400 تا 500 در جه سانتی گراد) صورت می گیرد و ساختار بلوری این آلیاژ تشکیل می شود. (ساختاری بسیار ریز و در حد نانوساختار)

پیرسختی: با گذشت زمان سختی و استحکام فلزات افزایش می یابد. در این نوع فولاد ها در اثر سرد کردن سریع و تغییر شکل در ساختار نوعی پیری کرنشی به وجود می آید یعنی دیگر قابلیت انعطاف پذیری ندارند و در گذر زمان به علت نفوذ عناصری همچون کربن و نیتروژن به این آلیاژ و رسوب کردن آنها به سختی این فولاد افزوده می شود.

چقرمگی: مقاومت ماده در مقابل شکست است. چقرمگی یک حسن محسوب می شود هر چه ماده ای دارای چقرمگی بیشتری باشد انرژی بیشتری برای شکست لازم دارد. همانطور که گفته شد در اثر پیرسختی در این فلزات بر میزان چقرمگی افزوده می شود.

آنچه که پس از جداسازی اورانیوم 235 باقی می ماند به نام اورانیوم خالی یا فقیرشده شناخته می شود که عمدتاَ از اورانیوم 238 تشکیل شده است. اورانیوم خالی، فلز بسیار سنگینی است که اندکی خاصیت رادیو اکتیویته دارد و از آن برای ساخت گلوله های توپ ضد زره پوش و اجزای برخی سلاح های جنگی دیگر از جمله منعکس کننده نوترونی در بمب اتمی استفاده می شود.

آنچه که پس از جداسازی اورانیوم 235 باقی می ماند به نام اورانیوم خالی یا فقیرشده شناخته می شود که عمدتاَ از اورانیوم 238 تشکیل شده است. اورانیوم خالی، فلز بسیار سنگینی است که اندکی خاصیت رادیو اکتیویته دارد و از آن برای ساخت گلوله های توپ ضد زره پوش و اجزای برخی سلاح های جنگی دیگر از جمله منعکس کننده نوترونی در بمب اتمی استفاده می شود.

 

کاربردهای اورانیوم غنی سازی شده

در مصارف صلح آمیز انرژی هسته ای، از اورانیوم غنی سازی شده ( با تلخیص در حدود 1الی 3 درصدی ) به عنوان سوخت در راکتورهای هسته ای نیروگاه ها برای تولید برق و سایر مصارف استفاده می شود. در ادامه مطلب چگونگی تولید برق با انرژی هسته ای و سایر کاربردها توضیح داده خواهد شد.

مصرف دیگر اورانیوم غنی سازی شده با تلخیص سازی تا حدود 90 درصد برای مصارف نظامی و تهیه بمب های اورانیومی است. البته در صنایع نظامی دیگر از بمب اورانیومی استفاده نمی شود و بمب های اتمی را از پلوتونیوم 239 که سنتز و تلخیص شیمیایی آن بسیار ساده تر است تهیه می کنند.

 

به کار بردن در راکتور Reactor

وسیله ای که در آن واکنش شکافت هسته ای ( هسته اورانیوم 235) کنترل می شود راکتور نام دارد. راکتور ها نیز دارای کاربرد های کاملا دو گانه ای هستند. یعنی هم در مصارف صلح آمیز و هم در دستیابی به تسلیحات اتمی کاربرد دارد.

 

انواع راکتور

1- براساس نوع فرآیند شکافت  به:راکتورهای حرارتی( ریع ، میانی و ، واسطه)

2- براساس مصرف سوخت به:( راکتورهای سوزاننده ، مبدل و زاینده) 

3- بر اساس نوع سوخت به: ( راکتورهای اورانیوم طبیعی ، راکتورهای اورانیوم غنی شده با  U235 راکتور مخلوطی (Be

4  -  براساس خنک کننده به: ( راکتورهای  ,  CO2فلز مایع و آب )

5 - براساس فاز سوخت کندکننده‌ها به:)  راکتورهای همگن ، ناهمگن( 

6 - براساس کاربرد به:) راکتورهای قدرت ، تولید نوکلید و تحقیقاتی(تقسیم می شود. 

 

کاربرد راکتورهای هسته ای

 انواع مختلف راکتورها کاربردهای گوناگونی دارند، برخی از آنها در تحقیقات، بعضی از آنها برای تولید رادیو ایزتوپهای پرانرژی، برخی برای راندن کشتیها و برخی برای تولید برق به کار می‌روند.

دو گروه اصلی راکتورهای هسته‌ای براساس تقسیم بندی کاربرد آنها، راکتورهای قدرت و راکتورهای تحقیقاتی هستند. راکتورهای قدرت مولد برق بوده و راکتورهای تحقیقاتی برای تحقیقات هسته‌ای پایه، مطالعات کاربردی تجزیه‌ای و تولید ایزوتوپها مورد استفاده قرار می گیرند.

دراین مقاله بر حسب اهمیت تولید برق از طریق این فناوری به توضیح درباره راکتورهای قدرت و چگونگی عملکرد آنها می پردازیم.

 

ساختمان راکتور

انواع مختلف راکتور‌ها، از اجزای یکسانی تشکیل شده‌اند. این اجزا شامل سوخت، پوشش(غلاف) برای سوخت، کند کننده سرعت نوترونهای حاصله از شکافت، خنک کننده‌ای برای حمل انرژی گرمایی حاصله از فرآیند شکافت و ماده کنترل کننده، برای کنترل نمودن میزان شکافت است.

سوخت هسته‌ای

سوخت راکتورهای هسته‌ای باید به گونه‌ای باشد تا بتوان به راحتی با نوترون آن را شکافت. ایزوتوپ اتم های مختلفی مانند: 233U ، 235U ، 238U ،   239Pu  به عنوان سوخت در راکتورهای هسته ای به کار برده می شود و همانطور که گفته شد راکتورها براساس انواع سوخت دسته بندی می شوند. برخی از این ایزوتوپ ها برای شکافت حاصل از نوترونهای حرارتی و برخی برای شکافت حاصل از نوترونهای سریع هستند. تفاوت بین سوخت یک خاصیت در دسته‌بندی راکتورها است.

در کنار قابلیت شکافت، سوخت بکار رفته در راکتور هسته‌ای باید دارای ویژگی های زیر باشد: این سوخت باید از نظر مکانیکی قوی، از نظر شیمیایی پایدار و در مقابل تخریب تشعشعی مقاوم باشد، تا تحت تاثیر تغییرات فیزیکی و شیمیایی محیط راکتور قرار نگیرد. هدایت حرارتی ماده باید بالا باشد تا بتواند حرارت را خیلی راحت جابجا کند. همچنین امکان بدست آوردن، ساخت راحت، هزینه نسبتاً پایین و خطرناک نبودن از نظر شیمیایی از دیگر فایده‌های سوخت است.

 

غلاف سوخت راکتور

سوختهای هسته‌ای  به دلایل محافظت از خوردگی و جلوگیری از گسترش محصولات حاصل از شکافت، مستقیما در داخل راکتور قرار داده نمی‌شوند، بلکه همواره بصورت پوشیده مورد استفاده قرار می‌گیرند. این غلاف می‌تواند پشتیبان ساختاری سوخت بوده و در انتقال حرارت به آن کمک کند. ماده غلاف همانند خود سوخت باید دارای خواص خوب حرارتی و مکانیکی بوده و از نظر شیمیایی نباید با سوخت و مواد محیط اطراف خود برهمکنش داشته باشد. همچنین لازم است غلاف دارای سطح مقطع پایینی نسبت به بر همکنشهای هسته‌ای حاصل از نوترون بوده و در مقابل تشعشع مقاوم باشد.

 

مواد کندکننده

کندکننده ماده‌ای است که برای کند یا حرارتی کردن نوترونهای سریع بکار می‌رود. هسته‌هایی که دارای جرمی نزدیک به جرم نوترون هستند بهترین کندکننده محسوب می شوند. کندکننده برای آنکه بتواند در راکتور مورد استفاده قرار گیرد بایستی سطح مقطع جذبی پایینی نسبت به نوترون باشد. با توجه به خواص اشاره شده برای کندکننده، چند ماده هستند که می‌توان از آنها به عنوان کندکننده استفاده کرد. هیدروژن، دوتریم، بریلیوم و کربن چند نمونه از کندکننده‌هاست. از آنجا که بریلیوم سمی است، این ماده خیلی کم به عنوان کند کننده در راکتور مورد استفاده قرار می‌گیرد. همچنین ایزوتوپهای هیدروژن ، به شکل آب و آب سنگین و کربن، به شکل گرافیت به عنوان مواد کندکننده استفاده می‌شوند.

 

خنک کننده‌ها

انرژی گرمای حاصل از شکافت در محیط راکتور باید از سوخت زدوده شود و یا در نهایت این گرما به قدری زیاد شود که میله‌های سوخت را ذوب کند. حرارت گرفته شده از سوخت در راکتور های قدرت برای تولید برق بکار رود. از ویژگیهایی که ماده خنک کننده باید داشته باشد، اینست که: هدایت حرارتی آن باید به گونه ای باشد تا بتواند در انتقال حرارت  مؤثر باشد. همچنین پایداری شیمیایی در برابر واکنش و برهمکنش با محیط اطراف خود و سطح مقطع جذب پایین‌تر از نوترون دو خاصیت عمده ماده خنک کننده است. نکته دیگری که باید به آن اشاره شود این است که این ماده نباید در اثر واکنشهای گاما دهنده رادیواکتیو شود.از گازهای دی اکسید کربن و هلیوم( هلیوم ایده‌آل است ولی پر هزینه بوده و تهیه مقادیر زیاد آن مشکل است)، مایعاتی مانند آب، آب سنگین و فلزات مایع به عنوان خنک کننده در راکتور های هسته ای استفاده می شود. نکته قابل توجه اینست که: به علت اینکه برای جلوگیری از جوشیدن آب فشار زیادی لازم است، خنک کننده ایده‌آلی محسوب نمی شود.

 

 مواد کنترل کننده شکافت

برای کنترل فرآیند و یا متوقف کردن یک سیستم شکافت پس از شروع، باید از موادی استفاده شود که بتوانند نوترونهای اضافی را جذب کنند. مواد جاذب نوترون برخلاف مواد دیگر مورد استفاده در محیط راکتور باید سطح مقطع جذب بالایی نسبت به نوترون داشته باشند. مواد زیادی وجود دارند که سطح مقطع جذب آنها نسبت به نوترون بالاست، ولی ماده مورد استفاده باید دارای چند خاصیت مکانیکی و شیمیایی باشد که برای این کار مفید واقع شود.

 

*راکتور های قدرت با سوخت اورانیوم غنی شده U235 :

راکتورهای هسته ای قدرت، وظیفه تولید انرژی را به عهده دارند. انرژی  گرمایی آزادشده از شکافت هسته اورانیوم در راکتور قدرت تحت کنترل درمی آید و از این گرما به منظور گرم کردن آب و بخار شدن استفاده می کنند. بخار حاصله به توربین دمیده می شود و آن را به گردش درمی آورد و در نهایت با چرخش توربین  انرژی الکتریکی تولید می شود. استفاده های دیگر راکتور قدرت شامل تولید گرمای مورد نیاز برای فرآیندهای صنعتی، نمک زدایی(شیرین سازی) آب دریا، حرکت کشتی ها و مخصوصاً در زیر دریایی هاست.

 

چگونگی عملکرد راکتورها

در اکثر نیروگاه های هسته ای اورانیوم غنی شده را ابتدا به صورت سکه های که پلیت نامیده می شود درمی آورند بعد پلیت ها را به صورت میله های که باندل نامیده می شوند درون یک محفظه عایق و سنگین تحت فشار قرار می دهند. در مرحله بعد باندل را جهت خنک نگه داشتن درون آب یا فلز مایع و یا گاز دی اکسیدکربن قرار می دهند. سپس باندل ها عایق بندی شده همراه ماده خنک کننده درون قلب راکتور قرار داده می شود.

برای عمل‌کردن راکتور و ایجاد گرما بواسطه‌ی فیزیون (شکافت) هسته‌ ای اورانیوم باید به اندازه‌ی کافی غنی‌شده باشد، تا اجازه بدهد که زنجیره‌ی واکنش‌های پشت ‌سر هم اتفاق بیفتد. تنظیم این فرآیند و اجازه‌ی عمل به دستگاه هسته‌ای، به وسیله‌ی میله‌هایی که در هسته‌ی راکتور وجود دارد کنترل می‌شود. این میله‌ها از ماده‌ای بادوام و مقاوم ساخته می‌شوند، به‌عنوان نمونه، فلز کادیم که نوترون‌ها را در راکتور جذب می‌کند.

تعدادی نوترون واسطه می‌شود تا زنجیره‌ی فعل ‌و انفعالات پیاپی در راکتور هسته‌ای آغاز ‌شود، و شکافت هسته‌ای را به آهستگی پیش برد. برای این کار با شلیک  نوترون کند(با انرژی مشخص و سرعت مورد نظر ) بر روی باندل U235 ، این ایزوتوپ به U236  تحریک شده، تبدیل می‌شود. که بسیار ناپایدار بوده و به سرعت می شکند و هسته به دو تکه تقسیم می شود، تکه‌ها در اثر نیروی دافعه الکتریکی خیلی سریع از هم فاصله گرفته و انرژی جنبشی فوق العاده‌ای پیدا می‌کنند. در کنار این تکه‌ها ذراتی مانند باریوم، کریپتون، 3 تا نوترون تند و اشعه‌های گاما و بتا تولید می‌شود. انرژی جنبشی تکه‌ها و انرژی ذرات و پرتوهای بوجود آمده، در اثر برهمکنش ذرات با مواد اطراف و شکست های متوالی و زنجیره ای در راکتور، انرژی گرمایی تولید می کند. مثلا در واکنش هسته‌ای که طی آن  U235 به دو تکه تبدیل می‌شود و انرژی کلی معادل با ( 117-200(MeV  را آزاد می‌کند. این مقدار انرژی می‌تواند حدود 20 میلیارد کیلوگالری گرما را در ازای هر کیلوگرم سوخت تولید کند. این مقدار گرما 2800000 بار بزرگتر از حدود 7000 کیلوگالری گرمایی است که از سوختن هر کیلوگرم زغال سنگ حاصل می‌شود.

     لازم به ذکر است در راکتورهای هسته‌ای که با نوترون کار می‌کند، طبق واکنشهای به عمل آمده 2 الی3 نوترون سریع تولید می‌شود. این نوترونهای سریع، باید توسط مواد کندکننده، کند شوند وگرنه خود راکتور همانند یک بمب عمل کرده و با شکست های زنجیره ای متوالی، و تولید انرژی بسیار زیادی حالت انفجار به خود می گیرد که می تواند فاجعه عظیمی به بار آورد. به عنوان مثال می توان به حادثه چرنوبیل وتری مایل اشاره کرد.

حادثه تری مایل آیلند در سال (1979) تا پیش از وقوع فاجعه چرنوبیل ، مشهورترین حادثه در تاریخ نیروی هسته‌ای به شمار می‌رفت. نیروگاه مورد بحث از نوع رآکتور آب تحت فشار با قدرت 900 مگاواتی بود.

در سال 1986، متصدیان قسمت چهار راکتور RBMK در نیروگاه هسته‌ای چرنوبیل شوروی سابق، در جریان یک آزمایش سیستم ایمنی، کندکننده‌های نوترون را از آن خارج کردند که نتیجه آن راکتوری بدون کندکننده مناسب و از کنترل خارج شدن آن بود. بدون توانایی در کنترل رآکتور، دمای آن به حدی رسید که بیشتر از حرارت خروجی طرح ریزی شده بود و کنترل راکتور از دسترس خارج شد و انفجار عظیمی را در ساختمان راکتور ایجاد کرد. قسمتی از ساختمان تخریب شد و مقدار زیادی پرتو در آن ناحیه آزاد شد راکتورهای RBMK در آن زمان، به سیستم نگهدارنده مجهز نبودند. این سیستم در واقع یک گنبد ساخته شده از سیمان و فولاد است که علاوه بر سقف راکتور روی آن قرار می‌گیرد و باعث می‌شود تا در صورت بروز چنین حادثه‌ای پرتوها داخل راکتور بمانند و در فضای خارج پخش نشوند. با گذشت زمان، عناصر رادیواکتیوی مثل پلوتونیوم، ید، استرانتیوم و سزیوم در کل منطقه پخش شد. علاوه بر این بلوک‌های گرانیتی که به‌عنوان متعادل نگهدارنده در RBML نگهداری می‌شوند با ورود هوا به راکتور و گرمای ناشی از انفجار آتش گرفتند که این موضوع موجب تابش پرتوهای موجود در مرکز راکتور به بیرون شد. انفجار اولیه منجر به مرگ دو نفر از کارگران منجر شد اما 28 آتش‌نشان و کارگرانی که راکتور را تمیز کردند تنها در فاصله سه ماه بعد از انفجار به دلیل بیماری‌های ناشی از پرتوهای رادیواکتیو و ایست قلبی جان سپردند. البته تعداد زیادی از کارکنان تأسیسات در عرض چند ساعت نشانه‌های دریافت تشعشع رادیو اکتیو را نشان دادند.

بعد از حادثه، حداقل 1800 مورد سرطان تیروئید کودکان در بین جوانان 14-0 ساله گزارش شد. این میزان سرطان تیروئید خیلی‌ بیشتر از میزان طبیعی آن است.

 گرمای حاصل از واکنش هسته‌ای در محیط راکتور  مهار شده و پس از خنک سازی کافی با روش مناسبی به خارج از محیط راکتور منتقل می‌شود. گرمای حاصله آبی را که در مرحله خنک سازی به عنوان خنک کننده بکار می‌رود به بخار  تبدیل می‌کند. بخار آب تولید شده، همانند آنچه در تولید برق از زغال سنگ، نفت یا گاز متداول است، به سوی توربین فرستاده می‌شود تا با راه اندازی مولد، توان الکتریکی مورد نیاز را تولید کند. در واقع راکتور همراه با مولد بخار، جانشین دیگ بخار در نیروگاه‌های معمولی شده است.

 

بازفرآوری Reprocessing

یکی از معایب عمده انرژی هسته ای، زباله ها و پس ماندهای حاصل از تولید آن است که هزاران سال در محیط زیست باقی مانده و برای سلامت موجودات زنده بسیار خطرناک است. برای مثال یک راکتور معمولی در سال حدود 60 تن زباله اتمی تولید می کند که یک تن آن به شدت پرتوزا است.  با وجود این پس از مقایسه آماری بین خطرات همه انواع انرژی، انرژی هسته‌ای جزو بهترین گزینه های موجود به شمار می‌ رود.

باز فرآوری عملیاتی است شیمیایی، برای جدا سازی سوخت کارکردی از زباله های اتمی. بعد از استفاده از اورانیوم برای تولید انرژی در راکتور هسته ای این سوخت دیگر قابل استفاده نیست و باید با روش های خاصی بازیافت و مواد زائد آن دفن شود، اما این کار به دلیل تشعشع زیاد میله های سوختی به راحتی صورت نمی گیرد.

میله سوختی را معمولاً برای سرد شدن اولیه در حوضچه های قرار می دهند که علاوه بر سرد شدن این میله ها از میزان تشعشع آن ها نیز کاسته می شود.

در مرحله بعد میله ها را خرد کرده و درون ظرفی حاوی اسید نیتریک قرار می دهند غلاف بیرونی فلزی این میله ها در اسید حل شده و از بین می رود و محصولات بدست آمده از این روش 96 درصد اورانیوم، 3 درصد زباله های اتمی که به شدت رادیواکتیو بوده و درنهایت 1 درصد پلوتونیوم است. اورانیوم و پلوتونیوم بازیافت شده به ابتدای چرخه سوخت باز می گردند تا از آنها استفاده شود و مازاد مواد دفن می گردند .

 

دفن مواد زائد اتمی ( زباله های اتمی ):

مواد زائد اتمی به دلیل تشعشعاتی که دارند باید به طور خاصی تحت نظر باشند و طی مراحل پیچیده از محیط دور شده و دفن شوند. امروزه تلاش بر این است که این زباله ها با کمترین آسیب به طبیعت نابود شوند.

این مواد اغلب  پس از استفاده از مواد رادیواکتیو در نیروگاه ها، مصارف پزشکی و صنعتی و ... تولید می شوند که معمولآ آنها را با توجه به میزان تشعشع به سه دسته تقسیم می کنند. این تقسیم بندی بر اساس قوانین بین المللی صورت گرفته و برای هر کدام از آنها شرایط ویژه جمع آوری و دفن در نظرگرفته شده است.

1. سطح پایین( Low-Leve): این مواد کم خطرترین مواد رادیواکتیو هستند که مدت زمان بسیار کوتاهی توانایی تشعشع دارند. این نوع از زباله ها نیازی به محافظت های مخصوص Shield) کردن) ندارند، اما آنگونه هم نیستند که مانند زباله های عادی با آنها برخورد شود. آنها معمولآ سوزانده و در عمق کم دریا یا خشکی دفن می شوند.

 

2. سطح متوسط :( Intermediate-Leve) این دسته از زباله ها شامل موادی مانند پسابهای شیمیایی، روکش فلزی سوختها و بسیاری از مواد زائد نیروگاههای اتمی هستند. این نوع مواد دارای عمر کوتاه تشعشع هستند اما لازم است که با پوشش های مخصوص محافظت یا Shield شوند، چرا که در عمر محدود خود، تشعشع قابل توجهی دارند، لذا این مواد را معمولآ در میان بلوک های بتون قرار می دهند و در مکانهای مخصوص انبار می کنند.

3.  سطح بالا( High-Leve):  این زباله ها دقیقآ تفاله های سوخت هسته ای در راکتورها هستند، که شرایط نگهداری بسیار سخت تر و پرهزینه تری دارند. آنها باید با پوشش های مخصوص، محافظت یا Shield شوند و سپس در دماهای زیر صفر در انبارهایی در عمق حد اقل 1.5 کیلومتری زمین نگهداری شوند.

- از طریق، پیل برق هسته ای :

پیل هسته ای یا اتمی دستگاه تبدیل کننده انرژی اتمی به جریان برق مستقیم(DC) است. ساده ترین پیل ها شامل دو صفحه است. یک پخش کننده بتای خالص مثل استرنیوم 90 و یک هادی مثل سیلسیوم.

جریان الکترون های سریعی که با استرنیوم منتشر می شود از میان نیمه هادی عبور کرده و در حین عبور تعداد زیادی الکترون اضافی را از نیمه هادی جدا می‌کند که صدها هزار مرتبه زیادتر از جریان الکتریکی حاصل از ایزوتوپ رادیواکتیو استرنیوم 90 است.

 

تعداد نیرو گاه های هسته ای جهان

به گزارش ایرنا به نقل از ان.اچ.کی، بنابر اعلام سازمان همکاری اقتصادی و توسعه، هم اکنون ‪ 439 نیروگاه هسته ای در جهان وجود دارد، اما پیش بینی می شود که این میزان تا سال ‪ 2050 میلادی تا سطح یک هزار و  400 مرکز افزایش یابد.

 

سهم برق هسته‌ای در تولید برق کشورها

کشور انگلیس تا سال 1965 پیشرو در ساخت نیروگاه اتمی بود پس از آن تاریخ  ساخت نیروگاه اتمی در این کشور کاهش یافت اما برعکس آمریکا روز به روز بر پیشرفت خود در این زمینه می افزود به طوری که تا اواخر دهه 1960 تنها 17 نیروگاه اتمی داشت، در طی سال های 1970 تا 1980 بیش از 90 نیروگاه اتمی دیگر ساخت. این بدان علت بود که هزینه تولید برق هسته‌ای در مقایسه با تولید برق از منابع دیگر انرژی در آمریکا خیلی ارزانتر بود.

در حال حاضر کشور  فرانسه با داشتن سهم 75 درصدی برق هسته‌ای از کل تولید برق خود در صدر کشورهای جهان قرار دارد. پس از آن به ترتیب لیتوانی (73 درصد ( ، بلژیک (57 درصد) ، بلغارستان و اسلواکی (47 درصد) ،سوئد (48.6 درصد) و بریتانیا (22 درصد) در مقام های بعدی قرار دارند.ایالات متحده آمریکا نیز حدود 16 درصد از تولید برق خود را به برق هسته‌ای اختصاص داده است. گرچه ساخت نیروگاههای هسته‌ای و تولید برق هسته‌ای در جهان از رشد انفجاری اواخر دهه 1960 تا اواسط 1980 فاصله گرفته است اما کشورهای مختلف همچنان درصدد تأمین انرژی مورد نیاز خود از طریق انرژی هسته‌ای هستند.

همانطور که قبلا ذکر شد در صورت راه اندازی نیروگاه بوشهر سهم برق اتمی تولیدی ایران به 1000 مگاوات در سال خواهد رسید.

استفاده غیر منطقی از انرژی هسته ای

 

بمب های هسته ای

این نوع بمبها تاکنون قویترین و مخربترین بمبهای جهان محسوب می‌شوند. دارندگان این نوع بمبها در شمار قدرتهای هسته‌ای جهان محسوب می‌شود. بمب اتمی در اصل یک راکتور هسته‌ای ‌کنترل نشده است که در آن یک واکنش هسته‌ای بسیار وسیع در مدت یک میلیونیم ثانیه در سراسر ماده صورت می‌گیرد. بنابراین، این واکنش با راکتور هسته‌ای کنترل شده تفاوت دارد. در راکتور هسته‌ای کنترل شده، شرایط به گونه‌ای سامان یافته است که انرژی حاصل از شکافت بسیار کندتر و با سرعت ثابت رها می‌شود. در این راکتور ، ماده شکافت پذیر به گونه‌ای با مواد دیگر آمیخته می‌شود که به طور متوسط، فقط یک نوترون گسیل یافته از عمل شکافت موجب شکافت هسته دیگر می‌شود، و واکنش زنجیری به این طریق تداوم خود را حفظ می‌کند. اما در یک بمب اتمی، ماده شکافت‌ پذیر خالص است، یعنی یک متعادل کننده آمیخته نیست و طراحی آن به گونه‌ای است که تقریبا تمام نوترونهای گسیل یافته از هر شکافت می‌تواند در هسته‌های دیگر شکافت ایجاد کند.

 

تاریخچه

پس از کشف نیروی هسته ای، بعضی از قدرتمندان جهان از آن استفاده های نامناسبی کردند. نخستین بمب اتمی در سال 1855. م. در نیومکزیکو آزمایش شد، اکنون بیش از 27 هزار بمب اتمی در جهان وجود دارد که بیشتر آن در اختیار آمریکا، روسیه و اسرائیل است. ایالات متحده آمریکا در دهه 1940 به ساخت سلاح های اتمی پرداخت و در جنگ جهانی دوم، بدون هشدار قبلی شهرهای هیروشیما وناکازاکی ژاپن را بمباران اتمی کرد و در کمتر از یک دقیقه بیش از 100 هزار نفر را قتل عام کرد.آثار این فاجعه تا ده ها سال در منطقه روی نسل ها، باقی مانده است.

بمبهای هسته‌ای به دو شکل ساخته می‌شوند. بمبهای شکافتی (اتمی) و بمبهای همجوشی (هیدروژنی). سوخت در یک بمب شکافتی شامل U235  و <!--[if !vml]--><!--[endif]-->  PU239 تقریبا خالص است که هر دو هسته‌های شکافت پذیری دارند. یک تکه کوچک از چنین ماده‌ای نمی‌تواند منفجر شود، زیرا تعداد بسیار زیادی از نوترونها فرار می‌کنند. ولی در یک جرم به قدر کافی بزرگ (بحرانی) واکنش زنجیره‌ای صورت می‌گیرد. یک نوترون اولیه اتفاقی باعث شروع شکافت خواهد شد.

  همجوشی وقتی رخ می‌دهد که دو هسته سبک را آنقدر به هم نزدیک کنیم که در حوزه عمل جاذبه متقابل نیروی هسته‌ای قوی قرار گیرند. از آن به بعد به شدت همدیگر را جذب می‌کنند و اتمی سنگینتر تولید می‌کنند و مقداری انرژی آزاد می‌کنند.

همجوشی را می‌توان در محیط پلاسمایی بوجود آورد و این کار اخیراً با لیزر هم انجام می شود. در این همجوشی قرصهای کوچکی از دوتریم و تریتیم) ایزوتوپ های هیدروژن (را با فوجهای لیزری پر قدرت گرم می‌کنند. اگر توان لیزرها کم باشد انفجارهای ضعیفی در این قرصهای کوچک رخ می‌دهد. اما اگر قدرت بالا باشد و در زمان کوتاه اثر کند همجوشی رخ می‌دهد. توان این نوع لیزرها بیش از توان نیروی برق آمریکاست، پس تهیه‌اش بسیار سخت است.

 

بمب اورانیومی

 هدف از طراحی  بمبهاى هسته‌اى رسیدن به یک جرم فوق بحرانی(از اورانیوم و پلوتونیوم) است تا  بتواند طی یک سرى واکنشهاى زنجیره‌اى کنترل شده منجر به  تولید حجم بالایى از حرارت ‌شود. در ساده‌ترین نوع طراحى( تفنگی) این بمبها، یک جرم زیر بحرانى کوچکتر به جرم بزرگترى شلیک مى‌شود و در اثر برخورد این دو قطعه، جرم ایجاد شده باعث ایجاد یک جرم فوق بحرانى و به تبع آن یک سرى واکنشهاى زنجیره‌اى و یک انفجار هسته‌اى مى‌شود. کل این فرآیند در کمتر از یک دقیقه رخ مى‌دهد. برای ساخت سوخت یک بمب اورانیومى هگزافلوئورید، اورانیوم فوق غنى شده در ابتدا به اکسید اورانیوم و سپس به شمش فلزى اورانیوم تبدیل مى‌شود. در حال حاضر بمب های اورانیومی کاربرد چندانی در مصارف نظامی ندارد و بیشتر از بمب های پلوتونیومی و هیدروژنی استفاده می کنند.

 

بمب پلوتونیومی

پلوتونیوم برای استفاده در ساخت تسلیحات هسته‌ای، به چند دلیل نسبت به اورانیوم برتری دارد:

 تنها حدود 4 کیلوگرم پلوتونیوم برای ساخت یک بمب اتمی نیاز است. نیروی چنین بمبی در حدود 20 هزار تن ماده‌ی انفجاری است. برای تولید 12 کیلوگرم پلوتونیوم در هر سال، تنها یک تأسیسات کوچک بازفرآوری نیاز است.

PU239  را در نیروگاههای بسیار قوی می‌سازند که تعداد نوترونهای ‏موجود در آنها از صدها هزار میلیارد نوترون در ثانیه در سانتیمتر مربع تجاوز ‏می‌کند. عملاً کلیه بمبهای اتمی موجود در زراد خانه‌های جهان از این عنصر ‏درست می‌شود.‏ روش ساخت این عنصر در داخل نیروگاههای هسته‌ای به این صورت که ‏ایزوتوپهای 238U شکست پذیر نیستند، ولی جاذب نوترون کم انرژی هستند.

تعدادی از نوترونهای حاصل از شکست235U را  با کند کننده هایی از جمله گرافیت ، آب معمولی یا ‏آب سنگین یا مواد دیگر به میزان  (1 تا 10)  الکترون ولت کند می کنند، هسته اورانیوم 238 چنین نوترون ‏های آهسته ای را جذب می کند‏ و تبدیل به U239 می‌شوند. این ایزوتوپ از اورانیوم بسیار ‏ناپایدار است و در کمتر از ده ساعت تمام اتمهای بوجود آمده تخریب ‏می‌شوند. در درون هسته پایدار U239  یکی از نوترونها خود به خود به ‏پروتون و یک الکترون تبدیل می‌شود. بنابراین تعداد پروتونها یکی اضافه شده و عنصر جدید را که 93 پروتون دارد ‏نپتونیوم می‌نامند که این عنصر نیز ناپایدار است و یکی از نوترونهای آن خود به ‏خود به پروتون تبدیل شده و در نتیجه به تعداد پروتونها یکی اضافه شده و عنصر ‏جدید پلوتونیوم را که 94 پروتون دارد و دارای نیمه عمر 4/24 سال است ایجاد می‌کنند. این یک واکنش هسته ای بسیار سریع است که به شکل زنجیره ای صورت می گیرد و انرژی حاصل از آن به صورت کنترل نشده و انفجاری عمل می کند.

کلاهک هسته ای شامل گوی پلوتونیومی است که اطراف آنرا پوسته ای موسوم به منعکس کننده نوترونی فرا گرفته است. این پوسته که معمولا از ترکیب بریلیوم و پلونیوم ساخته میشود، نوترونهای آزادی را که از فرایند شکافت هسته ای به بیرون میگریزند، به داخل این فرایند بازمی تاباند.

استفاده از منعکس کننده نوترونی عملا جرم بحرانی را کاهش می دهد و باعث می شود برای ایجاد واکنش زنجیره ای مداوم به پلوتونیوم کمتری نیاز باشد.

چنین بمب پلوتونیومی می تواند با قدرتی معادل ۱۰۰ تن تی ان تی منفجر شود، یعنی ۲۰ مرتبه قویتر از قدرتمندترین بمب گزاری تروریستی که تاکنون در جهان رخ داده است.

 

بمب هیدروژنی

گداخت هسته ای، بنیاد اصلی بمب هیدروژنی را تشکیل می دهد. همان طور که از شکافته شدن هسته های سنگین مقدار عظیمی انرژی حاصل می شود، از پیوند هسته های سبک نیز انرژی بیشتری به دست می آید. در هر یک از دو حالت هسته هایی با جرم متوسط تشکیل می گردد که جرم آنها کمتر از جرم اولیه ای است که برای تشکیل آنها به کار رفته است. در روش شکافتن ، ماده اولیه منحصر به اورانیوم و توریم است در حالی که در روش پیوند هسته ای از هر اتم سبکی مثل اتم هیدروژن می توان استفاده نمود.

هیدروژن موجود در تمامی آبهای اقیانوس ها یکی از مواد اولیه روش پیوند هسته ها را تشکیل می دهد. هیدروژن سنگین که نسبت به هیدروژن معمولی فوق العاده نایاب است (یعنی  در هر 6400 اتم هیدروژن، فقط یک اتم آن هیدروژن سنگین می باشد) بنابرین مقدار هیدروژن موجود در اقیانوس ها بسیار کافی است.

برای وقوع گداخت هسته ای دو اتم دوتریم و ترتیتم را به شدت به هم شلیک می کنند، تا به هم برخورد کنند و به یکدیگر بپیوندند و اتم هلیوم را تشکیل دهند. این پیوند با آزاد سازی انرژی زیادی همراه است. نکته قابل توجه اینست که دافعه الکترواستاتیکی هسته، مانع بزرگی در پیوند هسته دو اتم است. در فواصل بی نهایت نزدیک این دافعه فوق العاده زیاد است. البته راه حل ساده این است که به هسته ها آنقدر سرعت دهیم که از این مانع رد شوند. می دانیم که سرعت ذرات در هر گازی بستگی به درجه حرارت آن گاز دارد. پس کافی است درجه حرارت را آنقدر بالا ببریم تا سرعت لازم برای عبور از این مانع به دست آید .

درجه حرارت لازم برای این کار چندین میلیون درجه سانتی گراد است و چنین حرارتی در کره زمین وجود ندارد. اما اگر یک بمب اتمی حاصل از عمل فیزیون (شکافت هسته ای ) در وسط توده ای از هسته های سبک منفجر شود، انرژی گرمایی  فوق العاده ای که از انفجار(فیزیون هسته ای ) بمب حاصل می شود، حرارت هسته های سبک را به قدری بالا می برد که پیوند آنها را امکان پذیر سازد. این موضوع اساس ساختمان بمب حرارتی است.

بعد از انفجار یک بمب اتمی معمولی ، عمل سرد شدن به سرعت انجام می گیرد. بنابرین ، باید فعل و انفعالاتی را در نظر گرفت که در آنها عمل پیوند به سرعت انجام گیرد. اگر یک بمب اتمی را در مخلوطی از دوتریوم و تریتیم محصور کرده و مجموعه را در یک محفظه با مقاومت مکانیکی بالا قرار دهیم، پس ازانفجار بمب اتمی محیط مساعدی برای یک فعل و انفعال هسته ای گرمازا به وجود می آید و در اثر آن عمل پیوند هسته ها انجام شده و هلیوم به تولید می شود.

در نتیجه واکنش ، حدود هفده میلیون الکترون ولت ، انرژی آزاد می شود. این میزان انرژِی نسبت به واحد وزن ماده قابل انفجار، در حدود چهار برابر انرژی است که از شکسته شدن اورانیوم حاصل می شود.

 

عواقب ناشی از بمب اتمی

مسئله مهم در رابطه با این بمب ها ریزش مواد رادیواکتیو حاصل از انفجار آنها و پراکنده شدن این مواد در جو است.این مواد به کمک باد از یک نقطه به نقاط دیگر آن منتقل می‌شود و با باران و برف از جو زمین فرو می‌ریزد. بعضی از این مواد رادیواکتیو طول عمر زیادی دارند و از طریق مواد غذایی گیاهی جذب شده و به وسیله مردم و حیوانات خورده می‌شود. معلوم شده است که اینگونه مواد رادیواکتیو آثار ژنتیکی و همچنین آثار جسمانی زیان آوری دارند. یکی از فراوانترین محصولات حاصل از شکافت U235  یا PU239  ، که از لحاظ شیمیایی شبیه 4020Ga است. بنابراین وقتی که 90Sr حاصل از ریزشهای رادیواکتیو وارد بدن می‌شود، به ماده استخوانی بدن راه می‌یابد. این عنصر می‌تواند با گسیل ذرات بتا با انرژی 0.54 میلیون الکترون ولت ( با نیم عمر 28 سال) به سلولها آسیب رسانده و موجب بروز انواع بیماریها از قبیل تومور استخوان ، لوکمیا و ... ، بخصوص در کودکان در حال رشد، ‌شود.

 

 

سایر کاربرد های انرژی هسته ای

 

کاربردهای پزشکی:

رادیو گرافی

گاما اسکن

استرلیزه کردن هسته ای و میکروب زدایی وسایل پزشکی با پرتوهای هسته ای

رادیو بیولوژی

تهیه و تولید کیتهای رادیو دارویی جهت مراکز پزشکی هسته ای

تهیه و تولید رادیو دارویی جهت تشخیص بیماری تیرویید و درمان آنها

تهیه و تولید کیتهای هورمونی

تشخیص و درمان سرطان پروستات

تشخیص سرطان کولون، روده کوچک و برخی سرطانهای سینه

تشخیص تومورهای سرطانی و بررسی تومورهای مغزی، سینه و ناراحتی وریدی

تصویر برداری بیماریهای قلبی، تشخیص عفونتها و التهاب مفصلی، آمبولی و لخته های وریدی

موارد دیگری چون تشخیص کم خونی، کنترل رادیو داروهای خوراکی و تزریقی و ...

کاربرد در دامپزشکی و دامپروری:

تشخیص و درمان بیماریهای دامی.

تولید مثل و اصلاح نژاد دام. 

بهداشت و ایمن سازی محصولات دامی و خوراک دام.

کاربرد در دسترسی به منابع آب:

شناسایی حوزه های آبخیز و دارای منابع آب زیرزمینی

هدایت آب های سطحی و زیرزمینی

کشف و کنترل نشت و ایمنی سدها

شیرین کردن آبهای شور

 کاربرد در کشاورزی:

موتاسیون هسته ای ژن ها در کشاورزی.

کنترل حشرات با تشعشعات هسته ای.

جلوگیری از جوانه زدن سیب زمینی با اشعه گاما.

انبار کردن میوه ها.

 

کاربرد، در صنعت:

نشت یابی با اشعه.

دبی سنجی پرتویی(سنجش شدت تشعشعات، نور و فیزیک امواج).

سنجش پرتویی میزان سائیدگی قطعات در حین کار.

سنجش پرتویی میزان خوردگی قطعات.

چگالی سنج مواد معدنی با اشعه.

کشف عناصر نایاب در معادن.

دیدگاه های مختلف راجع به انرژی هسته ای

 

دیدگاه اقتصادی و اجتماعی

اهمیت تولید برق در جهان و هزینه های بالای تولید آن در سیستمهای مختلف  بیانگر اهمیت استفاده از انرژی هسته ای است. از اینرو در اغلب کشورها، نیروگاههای هسته‌ای با عملکرد مناسب اقتصادی خود از هر لحاظ با نیروگاههای سوخت فسیلی قابل رقابت هستند. طی چند دهه گذشته کاهش قیمت سوختهای فسیلی در بازارهای جهانی، افزایش هزینه‌های ساخت نیروگاههای هسته‌ای، تشدید مقررات و ضوابط ایمنی نیروگاه ها، طولانی تر شدن مدت ساخت و بالاخره مشکلات تأمین مالی طرح های نیروگاهی، موجب بالا رفتن قیمت تمام شده هر واحد الکتریسیته در این نیروگاهها شده است.

از طرف دیگر با توجه به کاهش 40 درصدی هزینه‌های چرخه سوخت هسته‌ای ، پیشرفتهای فنی و تکنولوژی حاصل از طرحهای استاندارد، برنامه ریزیهای دقیق به منظور تأمین سرمایه اولیه مورد نیاز و مطمئن و احداث چند واحد در یک سایت برای صرفه‌ جوییهای مربوط به تأسیسات و تسهیلات مشترک مورد نیاز در هر نیروگاه، نیروگاههای اتمی از دیدگاه اقتصادی نسبت به نیروگاههای با سوخت فسیلی، دارای مزیتهای فراوانی هستند.

 

دیدگاه زیست محیطی

روند روزافزون مصرف سوختهای فسیلی طی دو دهه اخیر و ایجاد انواع آلاینده‌های خطرناک و سمی و انتشار آن در محیط زیست انسان، نگرانیهای جدی و مهمی برای بشر در حال و آینده به دنبال دارد. بدیهی است که این روند به دلیل اثرات مخرب و مرگبار آن در آینده تداوم چندانی نخواهد داشت. از اینرو با افزایش خطرات و نگرانیها، در مورد اثرات مخرب انتشار گازهای گلخانه‌ای ناشی از کاربرد فزاینده انرژیهای فسیلی، واضح است که از کاربرد انرژی هسته‌ای به عنوان یکی از رهیافتهای زیست محیطی برای مقابله با افزایش دمای کره زمین و کاهش آلودگی محیط زیست یاد ‌شود. همچنانکه آمار نشان می‌دهد، در حال حاضر نیروگاههای هسته‌ای جهان با ظرفیت نصب شده فعلی توانسته‌اند سالانه از انتشار 8 درصد از گازهای دی اکسید کربن در فضا جلوگیری کنند که در این راستا تقریباً مشابه نقش نیروگاههای آبی عمل کرده‌اند.

چنانچه ظرفیتهای در دست بهره برداری فعلی تولید برق نیروگاههای هسته‌ای، از طریق نیروگاههای با خوراک زغال سنگ تأمین می‌شد، سالانه بالغ بر 1800 میلیون تن دی اکسیدکربن، چندین میلیون تن گازهای خطرناک دی اکسید گوگرد و نیتروژن ، حدود 70 میلیون تن خاکستر و معادل 90 هزار تن فلزات سنگین در فضا و محیط زیست انسان منتشر می‌شد که مضرات آن غیرقابل انکار است. لذا در صورت رفع موانع و مسایل سیاسی مربوط به گسترش انرژی هسته‌ای در جهان بویژه در کشورهای در حال توسعه و جهان سوم، این انرژی در دهه‌های آینده نقش مهمی در کاهش آلودگی و انتشار گازهای گلخانه‌ای ایفا خواهد نمود.

در حالیکه آلودگیهای ناشی از نیروگاههای فسیلی سبب وقوع حوادث و مشکلات بسیار زیاد بر محیط زیست و انسانها می‌شود، سوخت هسته‌ای گازهای سمی و مضر تولید نمی‌کند و مشکل زباله‌های اتمی نیز تا حد قابل قبولی رفع شده است، چرا که در مورد مسایل پسمانداری با توجه به کم بودن حجم زباله‌های هسته‌ای و پیشرفتهای علوم هسته‌ ای  و دفن نهایی این زباله‌ها در صخره‌های عمیق زیرزمینی با استتار و ایمنی کامل، مشکلات موجود تا حدود زیادی از نظر فنی حل شده است. در مورد کشور ما نیز تا زمان لازم برای دفع نهایی پسماندهای هسته‌ای ، مسائل اجتماعی باقیمانده از نظر تکنولوژیکی کاملاً مرتفع خواهد شد.

 

از سوی دیگر به نظر می‌رسد که بیشترین اعتراضات و مخالفتها در زمینه استفاده از انرژی اتمی به خاطر وقوع حادثه و انفجار در برخی از نیروگاههای هسته‌ای نظیر حادثه اخیر در نیروگاه چرنوبیل است، این در حالی است که براساس مطالعات احتمال وقوع حوادثی که منجر به مرگ عده‌ای زیاد شود نظیر تصادف هوایی، شکسته شدن سدها، زلزله، طوفان، سقوط سنگهای آسمانی و غیره، بسیار بیشتر از وقایعی است که نیروگاههای اتمی می‌توانند ایجادکنند. به هر حال در مورد مزایای نیروگاههای هسته‌ای در مقایسه با نیروگاههای فسیلی صرفنظر از مسایل اقتصادی و اندک بودن زباله‌های آن می‌توان به تمیزتر بودن نیروگاههای هسته‌ای و عدم آلایندگی محیط زیست با آلاینده‌های خطرناکی نظیرSO2 ، NO2 ،CO ، CO2  پیشرفت تکنولوژی، استفاده هرچه بیشتر از این علوم جدید و افزایش کارایی و کاربرد تکنولوژی هسته‌ای در سایر زمینه‌های صلح آمیز در کنار نیروگاههای هسته‌ای اشاره نمود.

به هر حال نیروگاههای فسیلی و هسته‌ای هر کدام دارای مزایا و معایب خاص خود هستند و ایجاد هر یک متناسب با مقتضیات زمانی و مکانی هر کشور خواهد بود و انتخاب نهایی و تصمیم گیری در این زمینه می‌بایست با توجه به فاکتورهایی از قبیل عوامل تکنولوژیکی، ارزشی، سیاسی، اقتصادی و زیست محیطی اتخاذ گردد. قدر مسلم ایجاد تنوع در سیستم عرضه و تأمین انرژی از استراتژیهای بسیار مهم در زمینه توسعه سیستم پایدار انرژی در هر کشور محسوب می شود. در این راستا با توجه به بررسیهای صورت گرفته، شورای انرژی اتمی کشور مصمم به ایجاد نیروگاههای اتمی به ظرفیت کل 6000 مگاوات در سیستم عرضه انرژی کشور تا سال 1400 هجری شمسی است.

 

منابع

دفتر نمایندگی سازمان ملل در تهران، ملل متعهد، عدم تکثیر سلاح های هسته ای – مؤسسه چاپ وانتشارات وزارت امور خارجه 1378، ص 5

سایت سازمان انرژی اتمی ایران

http://www.aeoi.org.ir

http://daneshnameh.roshd.ir

http://www.ngdir.ir  

http://www.knowclub.com

http://www.porsojoo.com

http://www.magiran.com

http://en.wikipedia.org/wiki/Maraging_steel

http://forum.p30world.com/showthread.php?t=59547

 

 منبع: سایت آبخیزداری