انرژی هسته ای
دید کلی
وقتی که صحبت از مفهوم به میان میآید، نمونههای آشنای انرژی مثلانرژی گرمایی ، نور و یا انرژی و در شهودمان مرور میشود. اگر ما انرژی هستهای و امکاناتی که این انرژی در اختیارش قرار میدهد، آشنا شویم، شیفته آن خواهیم شد.

آیا میدانید که
-
انرژی گرمایی تولید شده از واکنشهای هستهای در مقایسه با گرمای حاصل از سوختن در چه مرتبه بزرگی قرار دارد؟
-
منابع تولید انرژی هستهای که بر اثر سیلابها و رودخانه از صخره شسته شده و به بستر میرود، چقدر میتواند تولید کند؟
-
کشورهایی که بیشترین استفاده را از انرژی هستهای را میبرند، کدامند؟ و ... .
نحوه آزاد شدن انرژی هستهای
میدانیم که از (با بار مثبت) و (بدون بار الکتریکی) تشکیل شده است. بنابراین آن مثبت است. اگر بتوانیم هسته را به طریقی به دو تکه تقسیم کنیم، تکهها در اثر خیلی سریع از هم فاصله گرفته و فوق العادهای پیدا میکنند. در کنار این تکهها ذرات دیگری مثل نوترون و و نیز تولید میشود. انرژی جنبشی تکهها و انرژی ذرات و پرتوهای بوجود آمده ، در اثر برهمکنش ذرات با مواد اطراف ، سرانجام به انرژی گرمایی تبدیل میشود. مثلا در واکنش هستهای که در طی آن 235U به دو تکه تبدیل میشود، انرژی کلی معادل با 200MeV را آزاد میکند. این مقدار انرژی میتواند حدود 20 میلیارد کیلوگالری گرما را در ازای هر کیلوگرم سوختتولید کند. این مقدار گرما 2800000 بار برگتر از حدود 7000 کیلوگالری گرمایی است که از سوختن هر کیلوگرم زغال سنگ حاصل میشود.
 |
گرمای حاصل از واکنش هستهای در محیط تولید و پرداخته میشود. بعبارتی در طی مراحلی در راکتور این گرما پس از مهارشدن انرژی آزاد شده واکنش هستهای تولید و پس از خنک سازی کافی با آهنگ مناسبی به خارج منتقل میشود. گرمای حاصله آبی را که در مرحله خنک سازی بعنوان خنک کننده بکار میرود را به بخار آب تبدیل میکند. بخار آب تولید شده ، همانند آنچه در تولید برق از زعال سنگ ، نفت یا متداول است، بسوی 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.
سوخت راکتورهای هستهای
مادهای که به عنوان سوخت در راکتورهای هستهای مورد استفاده قرار میگیرد باید شکاف پذیر باشد یا به طریقی شکاف پذیر شود.235U شکاف پذیر است ولی اکثر هستههای در سوخت از انواع 238U است. این اورانیوم بر اثر واکنشهایی که به ترتیب با تولید و بتا به 239Pu تبدیل میشود. پلوتونیوم هم مثل 235U شکافت پذیر است. به علت پلوتونیوم اضافی که در سطح جهان وجود دارد نخستین مخلوطهای مورد استفاده آنهایی هستند که مصرف در آنها منحصر به پلوتونیوم است.
میزان اورانیومی که از صخرهها شسته میشود و از طریق رودخانهها به دریا حمل میشود، به اندازهای است که میتواند 25 برابر کل مصرف برق کنونی جهان را تأمین کند. با استفاده از این نوع موضوع ،راکتورهای زایندهای که بر اساس استخراج اورانیوم از آب دریاها راه اندازی شوند قادر خواهند بود تمام انرژی مورد نیاز بشر را برای همیشه تأمین کنند، بی آنکه قیمت برق به علت هزینه سوخت خام آن حتی به اندازه یک درصد هم افزایش یابد.
مزیتهای انرژی هستهای بر سایر انرژیها

بر خلاف آنچه که رسانههای گروهی در مورد خطرات مربوط به حوادث راکتورها و دفن پسماندهای پرتوزا مطرح میکند از نظر آماری مرگ ناشی ازخطرات تکنولوژی هستهای از 1 درصد مرگهای ناشی از سوختن زغال سنگ جهت تولید برق کمتر است. در سرتاسر جهان تعداد فعال بیش از 419 میباشد که قادر به تولید بیش از 322 هزار مگاوات توان الکتریکی هستند. بالای 70 درصد این نیروگاهها در کشور فرانسه و بالای 20 درصد آنها در کشور آمریکا قرار دارد.
برای اینکه بتوانیم در یک محیط ، میدان مغناطیسی برقرار کنیم، باید مقداری انرژی صرف کنیم. این انرژی در میدان ذخیره شده و تحت عنوان انرژی مغناطیسی از آن تعبیر میشود. این مطلب از قانون القای فاراده به صورت مستقیم نتیجه میشود. |
مقدمه
هرگاه یک منبع ولتاژی را که قادر به ایجاد ولتاژی به اندازه V است، به مداری متصل کنیم، در این مدار جریان الکتریکی برقرار میشود، اما هر ماده دارای یکمیباشد، بنابراین مجموع ولتاژ چشمه و نیروی محرکه القایی در مدار با حاصلضرب مقاومت مدار در جریانی که از آن میگذرد، برابر خواهد بود و چون جریان را به صورت مشتق زمانی تعریف میکنند، بنابراین میتوان گفت که چشمه ولتاژ یا باتری مقداری کار انجام میدهد تا مقداری بار الکتریکی را در مدار انتقال دهد.
مقداری از این کار انجام شده توسط منبع ولتاژ یا انرژی تزریق شده به مدار و مقداری هم به صورت گرما تلف میشود. این انرژی برگشت ناپذیر است. مقدار دیگری از انرژی نیز صرف تغییر شار در مدار میشود، یعنی این جمله دوم کاری است که علیه نیروی محرکه القا شده در مدار انجام میشود. بنابراین اگر در یک مدار صلب و ساکن که بجز اتلاف گرمای ژول هیچ انرژی دیگری از دست نمیدهد، کار انجام شده توسط باتری با تغییر انرژی مغناطیسی مدار برابر خواهد بود.
انرژی مغناطیسی مدارهای جفت شده
در بحث الکتریسیته به مجموع چند مقاومت و خازن یا قطعات دیگر الکترونیکی که به یک منبع ولتاژ وصل شده باشد، مدار الکتریکی میگویند. در بحث مغناطیس به مجموعه سیم پیچی که بر اطراف حلقهای از یک ماده مغناطیسی پیچیده شده باشد،مدار مغناطیسی میگویند.
حال فرض کنید که دستگاهی متشکل از تعدادی مدار که با یکدیگر برهمکنش دارند، داشته باشیم. برای اینکه بتوانیم انرژی مغناطیسی این دستگاه را بیان کنیم، فرض میکنیم در حالت اول کلیه این مدارها بدون جریان هستند و ما تمام جریانها را بطور هماهنگ به مقدار نهاییشان میرسانیم، یعنی در هر لحظه از زمان تمام جریانها کسر یکسانی از مقدار نهایی خود را دارند. البته این امر تنها زمانی درست است که مدارها صلب بوده و محیطهای موجود خطی باشند، تا انرژی نهایی به ترتیب تغییر جریانها بستگی نداشته باشد.
بنابراین اگر جریان هر مدار را با I_i و شار مغناطیسی القا شده در آن را با Ф_i نشان دهیم، به رابطه زیر خواهیم رسید:
که n تعداد مدارها میباشد. البته این رابطه را میتوان برحسب القا متقابل مدارها نوشت.
چگالی انرژی در میدان مغناطیسی
رابطهای که در قسمت قبلی برای انرژی مغناطیسی مدار محاسبه شد، رابطه مفید است، چون پارامترهای موجود در آن را میتوان با اندازه گیری مستقیم بدست آورد. از طرف دیگر ، میتوان انرژی را برحسب میدانهای برداری مغناطیسی و بردارشدت میدان مغناطیسی بیان کرد. در این صورت چون رابطه گویاتر است و تصویری را عرضه میکند که در آن انرژی در خود میدان مغناطیسی ذخیره شده است، لذا این بیان مفیدتر است.
این رابطه نسبت به رابطه قبلی کلیتر میباشد و اگر محیط مورد نظر ما یک محیط خطی باشد، یعنی بتوانیم با داشتن یکی از مقادیر شدت میدان مغناطیسی (H) یا القا مغناطیسی (B) یکی را برحسب دیگری محاسبه کنیم، به راحتی میتوانیم مقدار انرژی ذخیره شده در آن مدار را با استفاده از حل یکساده از رابطه زیر محاسبه کنیم:
که در آن ضرب موجود از نوع ضرب عددی یا اسکالر است و انتگرال روی حجم مدار انجام میگیرد.
چگالی انرژی مغناطیسی
تابع انتگرال (یا سیگما) که در رابطه مربوط به انرژی مغناطیسی ظاهر میگردد، یک است که روی تمام نقاط فضا گرفته میشود و لذا بدیهی است که میتوانیم انرژی واحد حجم را به عنوان چگالی انرژی مغناطیسی تعریف کنیم، یعنی اگر چگالی انرژی را با μ نشان دهیم، در این صورت
خواهد بود.
در مورد خاص اجسام مغناطیسی همسانگر و خطی که بین H و B یک رابطه خطی وجود دارد، یعنی
است که در آن μ تراوایی مغناطیسی ماده میباشد، لذا رابطه چگالی انرژی به فرم ساده زیر در میآید: