بررسی انرژی هسته ای و فواید آن

افشین طاهری

دانشجوی کارشناسی مهندسی عمران

انرژی هسته ای کاربرداری زیاد در پزشکی در علوم و صنعت و کشاورزی و... دارد. لازم به ذکر است انرژی هسته ای به تمامی انرژی های دیگر قابل تبدیل است ولی هیچ انرژی به انرژی هسته ای تبدیل نمی شود...!

معرفی اورانیوم:

اورانیوم در معادن بصورت سنگ بوده و پس از تصفیه بنام "کیک زرد" نامیده می شود. در معدن ساغند که بزرگترین معدن ایران می باشد, بیش از 1.5 میلیون تن سنگ اورانیوم یافته شده که خلوص آن 553 گرم در یک تن است, یعنی در مجموع حدود 825 تن کیک زرد.

هزینه تولید اورانیوم (کیک زرد) برای هر معدنی متفاوت می باشد. قیمت فروش کنونی (2006) در حدود 40 دلار برای هر کیلوگرم است (گفته میشود کیک زرد 7% هزینه سوخت نیروگاه را تشکیل میدهد). معادن اورانیوم را به دو دسته بنابر هزینه تولید تقسیم کرده اند, تا 80 دلار و یا تا 130 دلار.

ادعا می شود که ذخایر ایران تا 15 هزار تن می باشند, یعنی در حدود 10 برابر مقدار یافته شده. اگر هم چنین باشد, این مقدار, حداکثر سوخت 75 سال یک نیروگاه می شود.

ذخایر نفت ایران در مقام سوم و گاز دوم در دنیا بوده با توجه به استخراج کنونی, ایران بیش از 87 سال نفت و 319 سال گاز خواهد داشت (ذخایر زیر دریای خزر بدرستی مشخص نشده اند). انرژی کل ذخایر اورانیوم ایران (یافته شده و احتمالی) معادل 11% تا 120% استخراج گاز در یک سال است. بعبارتی دیگر ذخایر گازی از لحاظ میزان انرژی بین 265 تا 2900 برابر ذخایر اورانیومی هستند.

شکافت و گداخت :

انرژی هسته ای، شکل اصلی دیگری از انرژی است که در داخل اتم قرار دارد . یکی از قوانین جهانی این است که انرژی نه تولید پذیر است و نه از بین رفتنی ، اما به شکلهای دیگر قابل تبدیل است.

ماده را می توان به انرژی تبدیل نمود. آلبرت انیشتن ، مشهورترین دانشمند جهان ، فرمول ریاضی خاصی را برای شرح این نظریه ارائه نموده است : E = MC²

برطبق فرمول فوق انرژی (E) برابر است با جرم (m) ضربدر سرعت نور به توان دو .لطفاً توجه داشته باشید که بعضی از نرم افزارهای وب قادر به نمایش توان روی شبکه نیستند. معمولاً مجذور C توسط قرار دادن عدد 2 کوچک در بالا و سمت راست C نشان داده می شود. دانشمندان از معادله انیشتن برای آزاد سازی انرژی نهفته در اتم و نیز جهت ساخت بمب اتمی استفاده نمودند.

یونانیان قدیم براین باور بودند که کوچکترین جزء طبیعت ، اتم است. اما در 2000 سال قبل ، آنها نمی دانستند که ذرات کوچکتر از اتم نیز در طبیعت یافت می شود.

اتمها از ذرات کوچکتری به نام هسته ، که خود متشکل از پروتون و نوترون هستند ، تشکیل شده اند. این اتمها توسط الکترونهایی احاط شده که بدور آنها می چرخند، درست مثل گردش زمین به دور خورشید.

شکاف هسته ای:

هسته اتم می تواند شکافته شود. زمانیکه این مسئله رخ میدهد، مقدار زیادی انرژی آزاد می شود. این انرژی به دو صورت گرما و نور است. انیشتن معتقد بود که مقدار کوچکی از ماده حاوی مقدار زیادی انرژی است. زمانیکه این انرژی ، آهسته از اتم خارج می شود ، می توان آنرا مهار نمود و تولید برق نمود. اما زمانیکه انرژی موجود در هسته اتم بطور ناگهانی آزاد می شود ، انفجار عظیمی مانند بمب اتم رخ میدهد.

اورانیوم عنصری است که در اکثر مناطق جهان از زیرزمین استخراج می شود. اورانیوم بعداز مرحله کانه آرایی بصورت قرصهای بسیار کوچکی در داخل میله های بلند قرار گرفته و داخل رآکتور نیروگاه نصب می شوند. کلمه «Fission» به معنی شکافت است. در داخل رآکتور یک نیروگاه اتمی ، اتمهای اورانیوم تحت یک واکنش زنجیره ای کنترل شده ، شکافته می شوند. در یک واکنش زنجیره ای ، ذرات حاصل از شکافت اتم به سایر اتمهای اورانیوم برخورد کرده و باعث شکافت آنها می گردند. هریک از ذرات آزاد شده مجدداً باعث شکافت سایر اتمها در یک واکنش زنجیره ای می شود. درنیروگاههای هسته ای ، معمولاً از یک سریمیله های کنترل جهت تنظیم سرعت واکنش زنجیره ای استفاده می گردد. عدم کنترل این واکنشها می تواند منجربه تولید بمب اتم شود. اما در بمب اتم ، تقریباً ذرات خالص اورانیوم 235 یا پلوتونیوم (باشکل و جرم معینی) باید با نیروی زیادی در کنارهم قرار گیرند. چنین شرایطی در یک رآکتور هسته ای وجود ندارد.

واکنشهای زنجیره ای همچنین باعث تولید یک سری مواد رادیواکتیو می شوند. این مواد در صورت رهایی می توانند به مردم آسیب برسانند. بنابراین آنها را به شکل جامد نگهداری می کنند. این مواد در گنبدهای بتنی بسیار قوی نگهداری می شوند تا در صورت بروز حوادث مختلف ، خطری بوجود نیاید.

واکنشهای زنجیره ای باعث تولید انرژی گرمایی می شوند. این انرژی گرمایی برای جوشاندن آب در قلب رآکتور مورد استفاده قرار می گیرد. بنابراین، به جای سوزاندن سوخت ، در نیروگاههای هسته ای ، اتمها از طریق واکنش زنجیره ای شکافته شده و انرژی گرمایی تولید می کنند. این آب از اطراف رآکتور به قسمت دیگری از نیروگاه فرستاده می شود. در این قسمت که مبدل گرمایی نامیده می شود، لوله های پر از آب حرارت داده شده و بخار تولید می کنند. سپس بخار حاصله باعث گردش توربین و درنتیجه تولید برق میشود.

گداخت هسته‌اي،  انرژي هسته‌ايِ ”پاك:“

گداخت هسته‌اي كه (همجوشي يا جوش ‌هسته‌اي نيز ناميده مي‌شود) در واقع توليد انرژي است به شيوه‌اي كه در كرة خورشيد انجام مي‌گيرد. اين انديشه ممكن است جنون‌آميز به نظر آيد، اما عملي و امكان‌پذير است؛ يا تقريباً امكان‌پذير است.براي فهم بهتر مسئله بياييد به قلب يك ستاره نگاه كنيم در آنجا چه مي‌بينيم؟ مي‌بينيم كه هسته‌هاي اتم ها در قلب ستاره، درهم ادغام مي‌شوند و هسته‌هاي بزرگتري را تشكيل مي‌دهند. اين واكنشي كه ”گداخت“ يا همجوشي هسته‌اي ناميده مي‌شود، همواره با انتشار مقدار عظيمي از گرما و نور همراه است. اگر بتوانيم اين واكنش را كه در خورشيد و ستارگان ديگر به طور عادي انجام‌ مي‌گيرد در كرة ‌زمين ايجاد و كنترل كنيم، خواهيم توانست به مقدار عظيمي از انرژي دست يابيم. مشكل اينجاست كه نيرويي به نام ”الكترومغناطيس“ وجود دارد كه اتمها را از هم دور مي‌كند، مانند دو آهنربا كه بخواهند قطب شمال يا قطب جنوب‌شان را به هم بچسبانند.

تا سال 2050 بايد منتظر بمانيم:

براي آن كه اتم ها را وادار كنيم كه بر نيروي الكترومغناطيس غلبه كنند و درهم ادغام شوند، بايد دو شرط لازم را، كه در ستارگان به طور طبيعي وجود دارند،در كرة‌زمين پديد آوريم: تجمع حداكثر اتمها در كوچكترين حجمِ ممكن و ايجاد دمايي به ميزان 50 ميليون درجة سانتي‌گراد! چرا چنين دمايي لازم است؟ چون هر چه دماي يك گاز بالاتر باشد، سرعت عناصر متشكلة آن بيشتر خواهد شد، و بنابراين امكان برخورد اين عناصر نيز بيشتر و در نتيجه امكان همجوشي و ادغام نيز افزايش خواهد يافت.

نخستين شرط لازم ، با به دام انداختن اتم ها در يك آهن رباي عظيم ، به شكل سيب توخالي، تحقق مي‌يابد. (البته از اين اتمها يك الكترون برداشته شده است تا باردار شوند.) براي تحقق شرط لازم دوم، بايد هم چيز رادر يك ”اجاق داراي ميكروموج“ بپزيم. دانشمندان به همجوشي دوتريوم و تريتيوم (دو گونة هيدروژن) در تأسيساتي كه توكاماك (Tokamak) نام دارند، موفق شده‌اند، اما اين همجوشي مدت بسيار كوتاهي دوام داشته، و انرژي‌اي كه براي انجام واكنش مصرف‌‌شده، بيش از انرژي به دست آمده بوده است.

بنابراين توليد انرژي از راه همجوشي هسته‌اي فعلاً نه سودآور است، و نه چندان جاافتاده و عملي است. در واقع پيش از سال 2050 در توليد الكتريسيته از اين طريق توفيق نخواهيم يافت.

اما با وجود همة مشكلات، عده‌اي از دانشمندان به امكان‌پذير بودن توليد انرژي از طريق همجوشي هسته‌اي باور دارند. اگر آنان روزي موفق به مهار اين انرژي شوند، مي‌توان گفت كه بشر راه‌حلي پايدار، مطمئن و نسبتاً پاك براي توليد انرژي پايان‌ناپذير يافته است. مي‌گوييم: پايان‌ناپذير، چون دو اتم دتريوم و تريتيوم به سادگي و با استفاده از آب توليد مي‌شوند؛ مطمئن، چون همجوشي هسته‌اي، برخلاف شكافت هسته‌اي، واكنشي است كه مي‌توان آن را به سهولت‌ متوقف و مهار كرد: كافي است كه شير لوله‌هاي دتريوم و تريتيوم را ببنديم؛ و مي‌گوييم: و انرژي نسبتاً پاك، چون هليوي كه در اين واكنش توليد مي‌شود راديواكتيو نيست و راديواكتيويتة نوترون آزاد شده نيز ظرف پنجاه سال كاهش مي‌يابد: پس با گرفتاري خاص شكافت هسته‌اي و نيروگاه‌هاي هسته‌اي مرسوم و معمول مواجه نخواهيم شد كه نمي‌دانيم با پسماندهاي راديواكتيو آنها تا ميليونها سال بعد، چه بايد بكنيم.

در قلب ”توكاماك“ :

همجوشي دتريوم و تريتيوم با آزاد شدن مقدار عظيمي گرما همراه است. اين گرما از طريق مدار اوليه بازيابي مي‌شود و به مدار ثانويه انتقال مي‌يابد. سرانجام بخار توليد‌شده در مدار ثانويه است كه توربين را به كار مي‌اندازد.

دتريوم و تريتيوم در دماي بسيار بالا با هم برخورد مي‌كنند. هسته‌هاي دو اتم در هم مي‌جوشند يا ادغام مي‌شوند، تا يك هستة هليوم پديد آورند. يك نوترون و نيز مقدار بسيار زيادي انرژي هم آزاد مي‌شود.

فرايند غني سازي اورانيوم :

کاربرد و شيوه هاي مختلف جداسازي يا غني سازي اورانيوم 235

در طبيعت اورانيوم شامل کمتر از يک درصد ايزوتوپ اورانيوم 235 است. مواد انفجاري هسته اي به اورانيومي که حداقل داراي 20 درصد اورانيوم 235 غني شده است نياز دارند. بطور ايده آل اورانيوم 235 نود درصدي بکار مي رود. براي افزايش درصد اورانيوم 235 به اورانيوم 238، اورانيوم بايد "غني سازي" شود. چرخه سوخت اورانيوم با استخراج و آسياب کانسنگ اورانيوم جهت توليد "کيک زرد" شروع شده و سپس به هگزافلورايد اورانيوم (UF6) تبديل مي شود. ماده اخير پس از آن غني سازي مي شود تا به سوخت هسته اي مبدل گردد.  

فرايندهاي جداسازي و غني سازي ايزوتوپ اورانيوم:  

اين روشها عبارتند از: 1) جداسازي ايزوتوپي الکترومغناطيسي 2) ديفوزيون گرمايي 3) پخش ديفوزيون گازي 4) سانتريفوژ گازي) 5)فرايندهاي آئروديناميکي 6) جداسازي ايزوتوپي ليزري – که شامل دو روش زير است:

الف) جداسازي ايزوتوپي ليزري با بخار گازي (AVLIS) (atomic vapor laser isotope separation) 

ب) جداسازي ايزوتوپي ليزري مولکولي (MLIS) (molecular laser isotope separation) 7) تبادل يوني و شيميايي 8) فرايند جداسازي پلاسمايي (PSP)           در تمام صنعت هسته اي دنيا، اورانيوم بوسيله يکي از دو روش: پخش گازي و سانتريفوژ گازي غني مي شود. 

کاربردهای انرژی هسته ای، دید کلی:

انرژی هسته ای کاربرداری زیاد در پزشکی در علوم و صنعت و کشاورزی و... دارد. لازم به ذکر است انرژی هسته ای به تمامی انرژی های دیگر قابل تبدیل است ولی هیچ انرژی به انرژی هسته ای تبدیل نمی شود .موارد زیادی از کاربردهای انرژی هسته ای در زیر آورده می شود .

نیروگاه هسته ای:

نیروگاه هسته ای (Nuclear Power Station) یک نیروگاه الکتریکی که از انرژی تولیدی شکست هسته اتم اورانیوم یا پلوتونیم استفاده می کند. اولین جایگاه از این نوع در 27 ژوئن سال 1958 در شوروی سابق ساخته شد. که قدرت آن 5000 کیلو وات است. چون شکست سوخت هسته ای اساساً گرما تولید می کند از گرمای تولید شده رآکتور های هسته ای برای تولید بخار استفاده می شود از بخار تولید شده برای به حرکت در آوردن توربین ها و ژنراتور ها که نهایتاً برای تولید برق استفاده می شود .

بمب های هسته ای:

این نوع بمب ها تا حالا قویترین بمبهای و مخربترین های جهان محسوب می شود. دارندگان این نوع بمبها جزو قدرت های هسته ای جهان محسوب می شود.

ادامه این مقاله را در شماره دو آن بخوانید...