چرخه سوخت هسته ای: از استخراج اورانیوم تا تولید انرژی

نویسنده: ایمان سریری

مقدمه: استخراج اورانیوم از معدن
اورانیوم که ماده خام اصلی مورد نیاز برای تولید انرژی در برنامه های صلح آمیز یا نظامی هسته ای است، از طریق استخراج از معادن زیرزمینی یا سر باز بدست می آید. اگر چه این عنصر بطور طبیعی در سرتاسر جهان یافت میشود اما تنها حجم کوچکی از آن بصورت متراکم در معادن موجود است.

هنگامی که هسته اتم اورانیوم در یک واکنش زنجیره ای شکافته شود مقداری انرژی آزاد خواهد شد.

برای شکافت هسته اتم اورانیوم، یک نوترون به هسته آن شلیک میشود و در نتیجه این فرایند، اتم مذکور به دو اتم کوچکتر تجزیه شده و تعدادی نوترون جدید نیز آزاد میشود که هرکدام به نوبه خود میتوانند هسته های جدیدی را در یک فرایند زنجیره ای تجزیه کنند.

مجموع جرم اتمهای کوچکتری که از تجزیه اتم اورانیوم بدست می آید از کل جرم اولیه این اتم کمتر است و این بدان معناست که مقداری از جرم اولیه که ظاهرا ناپدید شده در واقع به انرژی تبدیل شده است، و این انرژی با استفاده از رابطه E=MC۲ یعنی رابطه جرم و انرژی که آلبرت اینشتین نخستین بار آنرا کشف کرد قابل محاسبه است.

اورانیوم به صورت دو ایزوتوپ مختلف در طبیعت یافت میشود. یعنی اورانیوم U۲۳۵ یا U۲۳۸ که هر دو دارای تعداد پروتون یکسانی بوده و تنها تفاوتشان در سه نوترون اضافه ای است که در هسته U۲۳۸ وجود دارد. اعداد ۲۳۵ و ۲۳۸ بیانگر مجموع تعداد پروتونها و نوترونها در هسته هر کدام از این دو ایزوتوپ است. 


کشورهای اصلی تولید کننده اورانیوم
استرالیا
چین
کانادا
قزاقستان
نامیبیا
نیجر
روسیه
ازبکستان 

برای بدست آوردن بالاترین بازدهی در فرایند زنجیره ای شکافت هسته باید از اورانیوم ۲۳۵ استفاده کرد که هسته آن به سادگی شکافته میشود. هنگامی که این نوع اورانیوم به اتمهای کوچکتر تجزیه میشود علاوه بر آزاد شدن مقداری انرژی حرارتی دو یا سه نوترون جدید نیز رها میشود که در صورت برخورد با اتمهای جدید اورانیوم بازهم انرژی حرارتی بیشتر و نوترونهای جدید آزاد میشود.

اما بدلیل "نیمه عمر" کوتاه اورانیوم ۲۳۵ 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 U۲۳۵ بوده و مابقی از نوع سنگینتر U۲۳۸ است.

فراوری:
سنگ معدن اورانیوم بعد از استخراج، در آسیابهائی خرد و به گردی نرم تبدیل میشود. گرد بدست آمده سپس در یک فرایند شیمیائی به ماده جامد زرد رنگی تبدیل میشود که به کیک زرد موسوم است. کیک زرد دارای خاصیت رادیو اکتیویته است و ۶۰ تا ۷۰ درصد آنرا اورانیوم تشکیل میدهد. 

دانشمندان هسته ای برای دست یابی هرچه بیشتر به ایزوتوپ نادر U۲۳۵ که در تولید انرژی هسته ای نقشی کلیدی دارد، از روشی موسوم به غنی سازی استفاده می کنند. برای این کار، دانشمندان ابتدا کیک زرد را طی فرایندی شیمیائی به ماده جامدی به نام هگزافلوئورید اورانیوم تبدیل میکنند که بعد از حرارت داده شدن در دمای حدود ۶۴ درجه سانتیگراد به گاز تبدیل میشود.  
کیک زرد دارای خاصیت رادیو اکتیویته است و ۶۰ تا ۷۰ درصد آنرا اورانیوم تشکیل میدهد 

هگزافلوئورید اورانیوم که در صنعت با نام ساده هگز شناخته میشود ماده شیمیائی خورنده ایست که باید آنرا با احتیاط نگهداری و جابجا کرد. به همین دلیل پمپها و لوله هائی که برای انتقال این گاز در تاسیسات فراوری اورانیوم بکار میروند باید از آلومینیوم و آلیاژهای نیکل ساخته شوند. همچنین به منظور پیشگیری از هرگونه واکنش شیمیایی برگشت ناپذیر باید این گاز را دور از معرض روغن و مواد چرب کننده دیگر نگهداری کرد.

غنی سازی:
هدف از غنی سازی تولید اورانیومی است که دارای درصد بالایی از ایزوتوپ U۲۳۵ باشد. 

اورانیوم مورد استفاده در راکتورهای اتمی باید به حدی غنی شود که حاوی ۲ تا ۳ درصد اورانیوم ۲۳۵ باشد، در حالی که اورانیومی که در ساخت بمب اتمی بکار میرود حداقل باید حاوی ۹۰ درصد اورانیوم ۲۳۵ باشد. 

یکی از روشهای معمول غنی سازی استفاده از دستگاههای سانتریفوژ گاز است.

سانتریفوژ از اتاقکی سیلندری شکل تشکیل شده که با سرعت بسیار زیاد حول محور خود می چرخد. هنگامی که گاز هگزا فلوئورید اورانیوم به داخل این سیلندر دمیده شود نیروی گریز از مرکز ناشی از چرخش آن باعث میشود که مولکولهای سبکتری که حاوی اورانیوم ۲۳۵ است در مرکز سیلندر متمرکز شوند و مولکولهای سنگینتری که حاوی اورانیوم ۲۳۸ هستند در پایین سیلندر انباشته شوند.
 
اورانیوم ۲۳۵ غنی شده ای که از این طریق بدست می آید سپس به داخل سانتریفوژ دیگری دمیده میشود تا درجه خلوص آن باز هم بالاتر رود. این عمل بارها و بارها توسط سانتریفوژهای متعددی که بطور سری به یکدیگر متصل میشوند تکرار میشود تا جایی که اورانیوم ۲۳۵ با درصد خلوص مورد نیاز بدست آید. 

آنچه که پس از جدا سازی اورانیوم ۲۳۵ باقی میماند به نام اورانیوم خالی یا فقیر شده شناخته میشود که اساسا از اورانیوم ۲۳۸ تشکیل یافته 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 جنگ افزار های دیگر از جمله منعکس کننده نوترونی در بمب اتمی استفاده میشود. 

یک شیوه دیگر غنی سازی روشی موسوم به دیفیوژن یا روش انتشاری است. 

دراین روش گاز هگزافلوئورید اورانیوم به داخل ستونهایی که جدار آنها از اجسام متخلخل تشکیل شده دمیده میشود. سوراخهای موجود در جسم متخلخل باید قدری از قطر مولکول هگزافلوئورید اورانیوم بزرگتر باشد.

در نتیجه این کار مولکولهای سبکتر حاوی اورانیوم ۲۳۵ با سرعت بیشتری در این ستونها منتشر شده و تفکیک میشوند. این روش غنی سازی نیز باید مانند روش سانتریفوژ بارها و باره تکرار شود.

راکتور هسته ای:
راکتور هسته ای وسیله ایست که در آن فرایند شکافت هسته ای بصورت کنترل شده انجام میگیرد. انرژی حرارتی بدست آمده از این طریق را می توان برای بخار کردن آب و به گردش درآوردن توربین های بخار ژنراتورهای الکتریکی مورد استفاده قرار داد.

اورانیوم غنی شده ، معمولا به صورت قرصهائی که سطح مقطعشان به اندازه یک سکه معمولی و ضخامتشان در حدود دو و نیم سانتیمتر است در راکتورها به مصرف میرسند. این قرصها روی هم قرار داده شده و میله هایی را تشکیل میدهند که به میله سوخت موسوم است. میله های سوخت سپس در بسته های چندتائی دسته بندی شده و تحت فشار و در محیطی عایقبندی شده نگهداری میشوند.

در بسیاری از نیروگاهها برای جلوگیری از گرم شدن بسته های سوخت در داخل راکتور، این بسته ها را داخل آب سرد فرو می برند. در نیروگاههای دیگر برای خنک نگه داشتن هسته راکتور ، یعنی جائی که فرایند شکافت هسته ای در آن رخ میدهد ، از فلز مایع (سدیم) یا گاز دی اکسید کربن استفاده می شود.  

1- هسته راکتور
2-پمپ خنک کننده
3- میله های سوخت
4- مولد بخار
5- هدایت بخار به داخل توربین مولد برق 

برای تولید انرژی گرمائی از طریق فرایند شکافت هسته ای ، اورانیومی که در هسته راکتور قرار داده میشود باید از جرم بحرانی بیشتر (فوق بحرانی) باشد. یعنی اورانیوم مورد استفاده باید به حدی غنی شده باشد که امکان آغاز یک واکنش زنجیره ای مداوم وجود داشته باشد. 

برای تنظیم و کنترل فرایند شکافت هسته ای در یک راکتور از میله های کنترلی که معمولا از جنس کادمیوم است استفاده میشود. این میله ها با جذب نوترونهای آزاد در داخل راکتور از تسریع واکنشهای زنجیره ای جلوگیری میکند. زیرا با کاهش تعداد نوترونها ، تعداد واکنشهای زنجیره ای نیز کاهش میابد. 

حدودا ۴۰۰ نیروگاه هسته ای در سرتاسر جهان فعال هستند که تقریبا ۱۷ درصد کل برق مصرفی در جهان را تامین میکنند. از جمله کاربردهای دیگر راکتورهای هسته ای، تولید نیروی محرکه لازم برای جابجایی ناوها و زیردریایی های اتمی است.

بازفراوری:
برای بازیافت اورانیوم از سوخت هسته ای مصرف شده در راکتور از عملیات شیمیایی موسوم به بازفراوری استفاده میشود. در این عملیات، ابتدا پوسته فلزی میله های سوخت مصرف شده را جدا میسازند و سپس آنها را در داخل اسید نیتریک داغ حل میکنند.  

در نتیجه این عملیات، ۱% پلوتونیوم ، ۳% مواد زائد به شدت رادیو اکتیو و ۹۶% اورانیوم بدست می آید که دوباره میتوان آنرا در راکتور به مصرف رساند. 

راکتورهای نظامی این کار را بطور بسیار موثرتری انجام میدهند. راکتور و تاسیسات باز فراوری مورد نیاز برای تولید پلوتونیوم را میتوان بطور پنهانی در داخل ساختمانهای معمولی جاسازی کرد. به همین دلیل، تولید پلوتونیوم به این طریق، برای هر کشوری که بخواهد بطور مخفیانه تسلیحات اتمی تولید کند گزینه جذابی خواهد بود.

بمب پلوتونیومی:
استفاده از پلوتونیوم به جای اورانیوم در ساخت بمب اتمی مزایای بسیاری دارد. تنها چهار کیلوگرم پلوتونیوم برای ساخت بمب اتمی با قدرت انفجار ۲۰ کیلو تن کافی است. در عین حال با تاسیسات بازفراوری نسبتا کوچکی میتوان چیزی حدود ۱۲ کیلوگرم پلوتونیوم در سال تولید کرد. 
بمب پلوتونیومی

1- منبع یا مولد نوترونی
2- هسته پلوتونیومی
3- پوسته منعکس کننده (بریلیوم)
4- ماده منفجره پرقدرت
5- چاشنی انفجاری 

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 میدهد و باعث میشود که برای ایجاد واکنش زنجیره ای مداوم به پلوتونیوم کمتری نیاز باشد. 

برای کشور یا گروه تروریستی که بخواهد بمب اتمی بسازد، تولید پلوتونیوم با کمک راکتورهای هسته ای غیر نظامی از تهیه اورانیوم غنی شده آسانتر خواهد بود. کارشناسان معتقدند که دانش و فناوری لازم برای طراحی و ساخت یک بمب پلوتونیومی ابتدائی، از دانش و فنآوری که حمله کنندگان با گاز اعصاب به شبکه متروی توکیو در سال ۱۹۹۵ در اختیار داشتند پیشرفته تر نیست. 

چنین بمب پلوتونیومی میتواند با قدرتی معادل ۱۰۰ تن تی ان تی منفجر شود، یعنی ۲۰ مرتبه قویتر از قدرتمندترین بمبگزاری تروریستی که تا کنون در جهان رخ داده است.

بمب اورانیومی:
هدف طراحان بمبهای اتمی ایجاد یک جرم فوق بحرانی ( از اورانیوم یا پلوتونیوم) است که بتواند طی یک واکنش زنجیره ای مداوم و کنترل نشده، مقادیر متنابهی انرژی حرارتی آزاد کند. 

یکی از ساده ترین شیوه های ساخت بمب اتمی استفاده از طرحی موسوم به "تفنگی" است که در آن گلوله کوچکی از اورانیوم که از جرم بحرانی کمتر بوده به سمت جرم بزرگتری از اورانیوم شلیک میشود بگونه ای که در اثر برخورد این دو قطعه، جرم کلی فوق بحرانی شده و باعث آغاز واکنش زنجیره ای و انفجار هسته ای میشود. 

کل این فرایند در کسر کوچکی از ثانیه رخ میدهد. 

جهت تولید سوخت مورد نیاز بمب اتمی، هگزا فلوئورید اورانیوم غنی شده را ابتدا به اکسید اورانیوم و سپس به شمش فلزی اورانیوم تبدیل میکنند. انجام این کار از طریق فرایندهای شیمیائی و مهندسی نسبتا ساده ای امکان پذیر است.  

قدرت انفجار یک بمب اتمی معمولی حداکثر ۵۰ کیلو تن است، اما با کمک روش خاصی که متکی بر مهار خصوصیات جوش یا گداز هسته ای است میتوان قدرت بمب را افزایش داد. 

در فرایند گداز هسته ای ، هسته های ایزوتوپهای هیدروژن به یکدیگر جوش خورده و هسته اتم هلیوم را ایجاد میکنند. این فرایند هنگامی رخ میدهد که هسته های اتمهای هیدروژن در معرض گرما و فشار شدید قرار بگیرند. انفجار بمب اتمی گرما و فشار شدید مورد نیاز برای آغاز این فرایند را فراهم میکند. 

طی فرایند گداز هسته ای نوترونهای بیشتری رها میشوند که با تغذیه واکنش زنجیره ای، انفجار شدیدتری را بدنبال می آورند. اینگونه بمبهای اتمی تقویت شده به بمبهای هیدروژنی یا بمبهای اتمی حرارتی موسومند.

نیروگاه های اتمی: در دهه اول و دوم قرن بیستم نظریه های نسبیت اینشتین امكان تبدیل جرم به انرژی را به بشر آموخت (فرمول مشهور اینشتین mc2=E). متاسفانه اولین كاربرد این نظریه منجر به تولید بمب های اتمی در سال 1945 توسط آمریكا شد كه شهرهای هیروشیما و ناكازاكی در ژاپن را به تلی از خاك تبدیل كردند و چند صد هزار نفر افراد عادی را كشتند و تا سال های متمادی افراد باقی مانده كه آلوده به مواد رادیواكتیو شده بودند به تدریج درپی سرطان های مختلف با درد و رنج فراوان از دنیا رفتند. بعد از این مرحله غیر انسانی از كاربرد فرمول اینشتین، دانشمندان راه مهار كردن بمب های اتمی را یافته و از آن پس نیروگاه های اتمی متكی بر پدیده شكست اتم های اورانیم- تبدیل بخشی از جرم آنها به انرژی- برای تولید الكتریسیته ساخته شد.

اتم های سنگین نظیر ایزوتوپ اورانیم 235 و یا ایزوتوپ پلوتونیم 239 در اثر ورود یك نوترون شكسته می شود و در اثر این شكست، 200 میلیون الكترون ولت انرژی آزاد شده و دو تكه حاصل از شكست كه اتم های سبك تر از اورانیم هستند تولید می شود. اتم های به وجود آمده درپی این شكست غالباً رادیواكتیو بوده و با نشر پرتوهای پر انرژی و خطرناك و با نیمه عمر نسبتاً طولانی در طی زمان تجزیه می شوند. این پدیده را شكست اتم ها (Fision) گویند كه بر روی اتم های بسیار سنگین اتفاق می افتد. در این فرایند همراه با شكست اتم، تعدادی نوترون به وجود می آید كه می تواند اتم های دیگر را بشكند، لذا باید نوترون های اضافی را از درون راكتور خارج كرد و این كار به كمك میله های كنترل كننده در داخل راكتور انجام می گیرد و این عمل را مهار كردن راكتور گویند كه مانع از انفجار زنجیره ای اتم های اورانیم می گردد.

از آغاز نیمه دوم قرن بیستم ساخت نیروگاه های اتمی یا برای تولید الكتریسیته و یا برای تولید رادیو عنصر پلوتونیم كه در بمب اتم و هیدروژنی كاربرد دارد، شروع شد و ساخت این نیروگاه ها تا قبل از حوادث مهمی نظیر تری میل آیلند در آمریكا در سال 1979 میلادی و چرنوبیل در اتحاد جماهیر شوروی سابق در سال 1986 همچنان ادامه داشت وتعداد نیروگاه های اتمی تا سال 1990 میلادی از رقم 437 تجاوز می كرد. بعد از این دو حادثه مهم تا مدتی ساخت نیروگاه ها متوقف شد. در سال 1990 مقدار انرژی تولید شده در نیروگاه های صنعتی جهان از مرز 300 هزار مگاوات تجاوز می كرد.

ولی متاسفانه در سال های اخیر گویا حوادث فوق فراموش شده و گفت وگو درباره تاسیس نیروگاه های اتمی جدید بین دولت ها و صنعتگران از یكسو و دانشمندان و مدافعان محیط زیست آغاز شده است. بدیهی است اغلب دانشمندان و مدافعان محیط زیست مخالف با این روش تولید انرژی هستند و محاسبات آنها نشان می دهد كه اگر قرار باشد تمام جهانیان از نیروگاه اتمی استفاده كنند، از یكسو احتمالاً تولید پلوتونیم از كنترل آژانس جهانی كنترل انرژی هسته ای خارج خواهد شد و امكان دارد هر دیكتاتور غیرمعقول و ناآشنا با مفاهیم علمی تعادل محیط زیست، دارای این سلاح خطرناك شود. از سوی دیگر افزایش مواد زاید این نیروگاه ها كه غالباً رادیوایزوتوپ های سزیم 137 و استرانسیم 90 و پلوتونیم 239 است، سیاره زمین را مبدل به جهنمی غیر قابل سكونت خواهد كرد.

با وجود این، اخیراً ایالات متحده آمریكا مسائل فوق را فراموش كرده و برنامه ساخت نیروگاه های اتمی را مورد مطالعه قرار داده است. در كشورهای اروپایی نیز صنایع مربوطه و به ویژه شركت های تولیدكننده برق دولت های متبوع خود را برای تاسیس نیروگاه های اتمی تحت فشار قرار داده اند. ولی خوشبختانه در این كشورها با مقاومت شدید مدافعان محیط زیست روبه رو شده اند. اما در كشورهای آسیایی، در حال حاضر 22 نیروگاه اتمی در دست ساخت است (تایوان 2- چین 4- هندوستان 8- كره جنوبی 2- ژاپن 3- كره شمالی 1- ایران 2) و در كشورهای كمونیستی سابق ده نیروگاه در حال ساخت است (اوكـراین 4- روسیه 3- اسلواكی 2- رومانی 1)

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:
 

 

مطالبی در مورد ساختار نیروگاه های اتمی جهان و نیز شرح مختصری درباره طرز غنی سازی اورانیوم و یا سنتز عنصر پلوتونیوم :

برحسب نظریه اتمی عنصر عبارت است از یك جسم خالص ساده كه با روش های شیمیایی نمی توان آن را تفكیك كرد. از تركیب عناصر با یكدیگر اجسام مركب به وجود می آیند. تعداد عناصر شناخته شده در طبیعت حدود ۹۲ عنصر است.

هیدروژن اولین و ساده ترین عنصر و پس از آن هلیم، كربن، ازت، اكسیژن و... فلزات روی، مس، آهن، نیكل و... و بالاخره آخرین عنصر طبیعی به شماره ۹۲، عنصر اورانیوم است. بشر توانسته است به طور مصنوعی و به كمك واكنش های هسته ای در راكتورهای اتمی و یا به كمك شتاب دهنده های قوی بیش از ۲۰ عنصر دیگر بسازد كه تمام آن ها ناپایدارند و عمر كوتاه دارند و به سرعت با انتشار پرتوهایی تخریب می شوند. اتم های یك عنصر از اجتماع ذرات بنیادی به نام پرتون، نوترون و الكترون تشكیل یافته اند. پروتون بار مثبت و الكترون بار منفی و نوترون فاقد بار است.

تعداد پروتون ها نام و محل قرار گرفتن عنصر را در جدول تناوبی (جدول مندلیف) مشخص می كند. اتم هیدروژن یك پروتون دارد و در خانه شماره ۱ جدول و اتم هلیم در خانه شماره ۲، اتم سدیم در خانه شماره ۱۱ و... و اتم اورانیوم در خانه شماره ۹۲ قرار دارد. یعنی دارای ۹۲ پروتون است.

ایزوتوپ های اورانیوم

تعداد نوترون ها در اتم های مختلف یك عنصر همواره یكسان نیست كه برای مشخص كردن آنها از كلمه ایزوتوپ استفاده می شود.

بنابراین اتم های مختلف یك عنصر را ایزوتوپ می گویند. مثلاً عنصر هیدروژن سه ایزوتوپ دارد: هیدروژن معمولی كه فقط یك پروتون دارد و فاقد نوترون است. هیدروژن سنگین یك پروتون و یك نوترون دارد كه به آن دوتریم گویند و نهایتاً تریتیم كه از دو نوترون و یك پروتون تشكیل شده و ناپایدار است و طی زمان تجزیه می شود.

ایزوتوپ سنگین هیدروژن یعنی دوتریم در نیروگاه های اتمی كاربرد دارد و از الكترولیز آب به دست می آید. در جنگ دوم جهانی آلمانی ها برای ساختن نیروگاه اتمی و تهیه بمب اتمی در سوئد و نروژ مقادیر بسیار زیادی آب سنگین تهیه كرده بودند كه انگلیسی ها متوجه منظور آلمانی ها شده و مخازن و دستگاه های الكترولیز آنها را نابود كردند.

غالب عناصر ایزوتوپ دارند از آن جمله عنصر اورانیوم، چهار ایزوتوپ دارد كه فقط دو ایزوتوپ آن به علت داشتن نیمه عمر نسبتاً بالا در طبیعت و در سنگ معدن یافت می شوند. این دو ایزوتوپ عبارتند از اورانیوم ۲۳۵ و اورانیوم ۲۳۸ كه در هر دو ۹۲ پروتون وجود دارد ولی اولی ۱۴۳ و دومی ۱۴۶ نوترون دارد. اختلاف این دو فقط وجود ۳ نوترون اضافی در ایزوتوپ سنگین است ولی از نظر خواص شیمیایی این دو ایزوتوپ كاملاً یكسان هستند و برای جداسازی آنها از یكدیگر حتماً باید از خواص فیزیكی آنها یعنی اختلاف جرم ایزوتوپ ها استفاده كرد. ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۵ شكست پذیر است و در نیروگاه های اتمی از این خاصیت استفاده می شود و حرارت ایجاد شده در اثر این شكست را تبدیل به انرژی الكتریكی می نمایند. در واقع ورود یك نوترون به درون هسته این اتم سبب شكست آن شده و به ازای هر اتم شكسته شده ۲۰۰ میلیون الكترون ولت انرژی و دو تكه شكست و تعدادی نوترون حاصل می شود كه می توانند اتم های دیگر را بشكنند. بنابراین در برخی از نیروگاه ها ترجیح می دهند تا حدی این ایزوتوپ را در مخلوط طبیعی دو ایزوتوپ غنی كنند و بدین ترتیب مسئله غنی سازی اورانیوم مطرح می شود.

ساختار نیروگاه اتمی

به طور خلاصه چگونگی كاركرد نیروگاه های اتمی را بیان كرده و ساختمان درونی آنها را مورد بررسی قرار می دهیم.

طی سال های گذشته اغلب كشورها به استفاده از این نوع انرژی هسته ای تمایل داشتند و حتی دولت ایران ۱۵ نیروگاه اتمی به كشورهای آمریكا، فرانسه و آلمان سفارش داده بود. ولی خوشبختانه بعد از وقوع دو حادثه مهم تری میل آیلند (Three Mile Island) در ۲۸ مارس ۱۹۷۹ و فاجعه چرنوبیل (Tchernobyl) در روسیه در ۲۶ آوریل ۱۹۸۶، نظر افكار عمومی نسبت به كاربرد اتم برای تولید انرژی تغییر كرد و ترس و وحشت از جنگ اتمی و به خصوص امكان تهیه بمب اتمی در جهان سوم، كشورهای غربی را موقتاً مجبور به تجدیدنظر در برنامه های اتمی خود كرد.

نیروگاه اتمی در واقع یك بمب اتمی است كه به كمك میله های مهاركننده و خروج دمای درونی به وسیله مواد خنك كننده مثل آب و گاز، تحت كنترل درآمده است. اگر روزی این میله ها و یا پمپ های انتقال دهنده مواد خنك كننده وظیفه خود را درست انجام ندهند، سوانح متعددی به وجود می آید و حتی ممكن است نیروگاه نیز منفجر شود، مانند فاجعه نیروگاه چرنوبیل شوروی. یك نیروگاه اتمی متشكل از مواد مختلفی است كه همه آنها نقش اساسی و مهم در تعادل و ادامه حیات آن را دارند. این مواد عبارت اند از:

۱ _ ماده سوخت متشكل از اورانیوم طبیعی، اورانیوم غنی شده، اورانیوم و پلوتونیم است.

عمل سوختن اورانیوم در داخل نیروگاه اتمی متفاوت از سوختن زغال یا هر نوع سوخت فسیلی دیگر است. در این پدیده با ورود یك نوترون كم انرژی به داخل هسته ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۵ عمل شكست انجام می گیرد و انرژی فراوانی تولید می كند. بعد از ورود نوترون به درون هسته اتم، ناپایداری در هسته به وجود آمده و بعد از لحظه بسیار كوتاهی هسته اتم شكسته شده و تبدیل به دوتكه شكست و تعدادی نوترون می شود. تعداد متوسط نوترون ها به ازای هر ۱۰۰ اتم شكسته شده ۲۴۷ عدد است و این نوترون ها اتم های دیگر را می شكنند و اگر كنترلی در مهار كردن تعداد آنها نباشد واكنش شكست در داخل توده اورانیوم به صورت زنجیره ای انجام می شود كه در زمانی بسیار كوتاه منجر به انفجار شدیدی خواهد شد.

در واقع ورود نوترون به درون هسته اتم اورانیوم و شكسته شدن آن توام با انتشار انرژی معادل با ۲۰۰ میلیون الكترون ولت است این مقدار انرژی در سطح اتمی بسیار ناچیز ولی در مورد یك گرم از اورانیوم در حدود صدها هزار مگاوات است. كه اگر به صورت زنجیره ای انجام شود، در كمتر از هزارم ثانیه مشابه بمب اتمی عمل خواهد كرد.

اما اگر تعداد شكست ها را در توده اورانیوم و طی زمان محدود كرده به نحوی كه به ازای هر شكست، اتم بعدی شكست حاصل كند شرایط یك نیروگاه اتمی به وجود می آید. به عنوان مثال نیروگاهی كه دارای ۱۰ تن اورانیوم طبیعی است قدرتی معادل با ۱۰۰ مگاوات خواهد داشت و به طور متوسط ۱۰۵ گرم اورانیوم ۲۳۵ در روز در این نیروگاه شكسته می شود و همان طور كه قبلاً گفته شد در اثر جذب نوترون به وسیله ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۸ اورانیوم ۲۳۹ به وجود می آمد كه بعد از دو بار انتشار پرتوهای بتا (یا الكترون) به پلوتونیم ۲۳۹ تبدیل می شود كه خود مانند اورانیوم ۲۳۵ شكست پذیر است. در این عمل ۷۰ گرم پلوتونیم حاصل می شود. ولی اگر نیروگاه سورژنراتور باشد و تعداد نوترون های موجود در نیروگاه زیاد باشند مقدار جذب به مراتب بیشتر از این خواهد بودو مقدار پلوتونیم های به وجود آمده از مقدار آنهایی كه شكسته می شوند بیشتر خواهند بود. در چنین حالتی بعد از پیاده كردن میله های سوخت می توان پلوتونیم به وجود آمده را از اورانیوم و فرآورده های شكست را به كمك واكنش های شیمیایی بسیار ساده جدا و به منظور تهیه بمب اتمی ذخیره كرد.

۲ _ نرم كننده ها موادی هستند كه برخورد نوترون های حاصل از شكست با آنها الزامی است و برای كم كردن انرژی این نوترون ها به كار می روند. زیرا احتمال واكنش شكست پی در پی به ازای نوترون های كم انرژی بیشتر می شود. آب سنگین (D2O) یا زغال سنگ (گرافیت) به عنوان نرم كننده نوترون به كار برده می شوند. 

۳ _ میله های مهاركننده: این میله ها از مواد جاذب نوترون درست شده اند و وجود آنها در داخل رآكتور اتمی الزامی است و مانع افزایش ناگهانی تعداد نوترون ها در قلب رآكتور می شوند. اگر این میله ها كار اصلی خود را انجام ندهند، در زمانی كمتر از چند هزارم ثانیه قدرت رآكتور چند برابر شده و حالت انفجاری یا دیورژانس رآكتور پیش می آید. این میله ها می توانند از جنس عنصر كادمیم و یا بور باشند.

۴ _ مواد خنك كننده یا انتقال دهنده انرژی حرارتی: این مواد انرژی حاصل از شكست اورانیوم را به خارج از رآكتور انتقال داده و توربین های مولد برق را به حركت در می آورند و پس از خنك شدن مجدداً به داخل رآكتور برمی گردند. البته مواد در مدار بسته و محدودی عمل می كنند و با خارج از محیط رآكتور تماسی ندارند. این مواد می توانند گاز CO2 ، آب، آب سنگین، هلیم گازی و یا سدیم مذاب باشند.

پی نوشت:
* محقق مركز اتمی فرانسه _ دكترای دولتی فرانسه در شیمی فیزیك اتمی



غنی سازی اورانیم
سنگ معدن اورانیوم موجود در طبیعت از دو ایزوتوپ ۲۳۵ به مقدار ۷/۰ درصد و اورانیوم ۲۳۸ به مقدار ۳/۹۹ درصد تشكیل شده است. سنگ معدن را ابتدا در اسید حل كرده و بعد از تخلیص فلز، اورانیوم را به صورت تركیب با اتم فلئور (F) و به صورت مولكول اورانیوم هكزا فلوراید UF6 تبدیل می كنند كه به حالت گازی است. سرعت متوسط مولكول های گازی با جرم مولكولی گاز نسبت عكس دارد این پدیده را گراهان در سال ۱۸۶۴ كشف كرد. از این پدیده كه به نام دیفوزیون گازی مشهور است برای غنی سازی اورانیوم استفاده می كنند.در عمل اورانیوم هكزا فلوراید طبیعی گازی شكل را از ستون هایی كه جدار آنها از اجسام متخلخل (خلل و فرج دار) درست شده است عبور می دهند. منافذ موجود در جسم متخلخل باید قدری بیشتر از شعاع اتمی یعنی در حدود ۵/۲ انگشترم (۰۰۰۰۰۰۰۲۵/۰ سانتیمتر) باشد. ضریب جداسازی متناسب با اختلاف جرم مولكول ها است.روش غنی سازی اورانیوم تقریباً مطابق همین اصولی است كه در اینجا گفته شد. با وجود این می توان به خوبی حدس زد كه پرخرج ترین مرحله تهیه سوخت اتمی همین مرحله غنی سازی ایزوتوپ ها است زیرا از هر هزاران كیلو سنگ معدن اورانیوم ۱۴۰ كیلوگرم اورانیوم طبیعی به دست می آید كه فقط یك كیلوگرم اورانیوم ۲۳۵ خالص در آن وجود دارد. برای تهیه و تغلیظ اورانیوم تا حد ۵ درصد حداقل ۲۰۰۰ برج از اجسام خلل و فرج دار با ابعاد نسبتاً بزرگ و پی درپی لازم است تا نسبت ایزوتوپ ها تا از برخی به برج دیگر به مقدار ۰۱/۰ درصد تغییر پیدا كند. در نهایت موقعی كه نسبت اورانیوم ۲۳۵ به اورانیوم ۲۳۸ به ۵ درصد رسید باید برای تخلیص كامل از سانتریفوژهای بسیار قوی استفاده نمود. برای ساختن نیروگاه اتمی، اورانیوم طبیعی و یا اورانیوم غنی شده بین ۱ تا ۵ درصد كافی است. ولی برای تهیه بمب اتمی حداقل ۵ تا ۶ كیلوگرم اورانیوم ۲۳۵ صددرصد خالص نیاز است. عملا در صنایع نظامی از این روش استفاده نمی شود و بمب های اتمی را از پلوتونیوم ۲۳۹ كه سنتز و تخلیص شیمیایی آن بسیار ساده تر است تهیه می كنند. عنصر اخیر را در نیروگاه های بسیار قوی می سازند كه تعداد نوترون های موجود در آنها از صدها هزار میلیارد نوترون در ثانیه در سانتیمتر مربع تجاوز می كند. عملاً كلیه بمب های اتمی موجود در زراد خانه های جهان از این عنصر درست می شود.روش ساخت این عنصر در داخل نیروگاه های اتمی به صورت زیر است: ایزوتوپ های اورانیوم ۲۳۸ شكست پذیر نیستند ولی جاذب نوترون كم انرژی (نوترون حرارتی هستند. تعدادی از نوترون های حاصل از شكست اورانیوم ۲۳۵ را جذب می كنند و تبدیل به اورانیوم ۲۳۹ می شوند. این ایزوتوپ از اورانیوم بسیار ناپایدار است و در كمتر از ده ساعت تمام اتم های به وجود آمده تخریب می شوند. در درون هسته پایدار اورانیوم ۲۳۹ یكی از نوترون ها خودبه خود به پروتون و یك الكترون تبدیل می شود.بنابراین تعداد پروتون ها یكی اضافه شده و عنصر جدید را كه ۹۳ پروتون دارد نپتونیم می نامند كه این عنصر نیز ناپایدار است و یكی از نوترون های آن خود به خود به پروتون تبدیل می شود و در نتیجه به تعداد پروتون ها یكی اضافه شده و عنصر جدید كه ۹۴ پروتون دارد را پلوتونیم می نامند. این تجربه طی چندین روز انجام می گیرد
 http://eletm-uni.blogfa.com/8701.aspx