مقاله انرژي هسته‌اي

مقدمه :
در حال حاضر انرژي اتمي يكي از مهمترين منابع انرژي بسياري از كشورهاي جهان است . با وجود اين ، تا سالهاي اخير اكثر مردم درباره‌ي آن بي اطلاع بودند .
در اواخر جنگ جهاني دوم ، زماني كه دو بمب اتمي بر روي شهرهاي ناكازاكي و هيروشيما در ژاپن انداخته شد ، براي اولين بار مردم پي به قدرت انرژي اتمي بردند . از آن زمان تا به امروز از انرژي اتمي فقط به منظور توليد نيرو استفاده شده است ، هر چند كه سلاحهاي اتمي متعددي در جهان وجود دارند .
جمعيت جهان با سرعت رو به افزايش است و مردم نيز مايلند سطح زندگيشان بهتر شود و توقعشان بيشتر شده است . اين دو عامل دليل نياز روز افزون انرژي است .
قدرت اتم
هرگاه هسته ي متراكم اتمي شكافته شود ، انرژي هسته اي توليد مي شود .اين فرآيند شكافت اتم ناميده مي شود .
هسته اتم از دونوع ذره به نام هاي پروتون و نوترون تشكيل شده است ؛ اين ذرات خيلي محكم به يكديگر چسبيده اند. شكستن هسته ي اتم بسيار مشكل است ، هرچند هسته هاي بزرگتر راحت تر شكافته مي شوند . وقتي هسته ي يك اتم شكسته مي شود سه پديده به وقوع مي پيوندد : هسته هاي عناصر مختلفي با هسته هاي كوچكتر تشكيل مي شوند ؛ ذرات اتمي آزاد مي شوند ، و انرژي توليد مي شود .
فرآيند ديگري هم وجود دارد كه به آن همجوشي هسته اي مي گويند كه در اين فرآيند هسته‌ي دو اتم به يكديگر پيوند مي خورند . در عمل همجوشي هسته اي نيز انرژي آزاد مي شود . اما دانشمندان هنوز از آن در نيروگاههاي برق استفاده نمي كنند ، تا اينكه روش مناسبي براي مهار كردن اين انرژي پيدا كنند .
واكنش هاي كنترل شده و كنترل نشده
هسته هنگامي شكافته مي شود كه : يك نوترون آزاد از ماده ي راديواكتيو جذب آن شود . هسته اي كه توسط يك نوترون شكافته شده است، نوترون هاي فراواني توليد مي كند . هر يك از اين نوترونها توسط هسته هاي بيشتري جذب شده و به اين ترتيب تعداد نوترون هاي بيشتري آزاد مي شود . اين فرايندبه صورت يك واكنش زنجيره
اي همچنان ادامه پيدا مي كند . در يك واكنش كنترل نشده اكثر نوترون هاي جديد با هسته هاي ديكر برخورد مي كنند واتم هاي بيشتري شكافته مي شوند و مقدار بسيار زيادي انرژي آزاد مي شود و اين فرآيند همان چيزي است كه در انفجار يك بمب اتمي روي مي دهد .
بمب اتم
بمب اتم يك واكنش هسته اي كنترل نشده است ، براي اينكه نوترونها سريع حركت مي كنند و هسته ها خيلي سريع مي شكنند و مقدار زيادي انرژي در كمتر از يك ثانيه آزاد مي شود .
سوختهاي هسته اي
تنها ، اتم هاي عناصر خاصي داراي هسته هايي هستند كه وقتي شكافته مي شوند قابليت پخش نوترون را دارند . بنابراين فقط مي توان اين عناصر را براي ايجاد واكنش هسته اي به كار برد ، اين عناصر به مواد قابل شكافت موسومند .
تنها عنصر قابل شكافت طبيعي ، يك نوع خاص از اورانيوم است ، كه ايزوتوپ آن اورانيوم 23500 است . ايزوتوپها اشكال مختلف يك عنصرند كه تفاوت آنها در تعداد نوترونهاي موجود در هسته شان مي باشد . اورانيوم يك فلز براق سنگين است كه در ميان عناصر طبيعي ، سنگين ترين وزن اتمي را داراست . فقط اورانيوم استخراج شده حاوي اورانيوم 23500 و باقي ايزوتوپ اورانيوم 23800 است .
يك كيلوگرم اورانيوم 235 به اندازه ي سه ميليون زغال سنگ انرژي توليد مي كند . ساير سوخت هاي هسته اي در اثر فعل و انفعالاتي كه بر روي اورانيوم انجام مي گيرد قابل تهيه مي باشد .
استخراج :
دو ميليونوم از سطح پوسته ي زمين را اورانيوم تشكيل مي دهد . اورانيوم به صورت سنگ معدن يافت مي شود كه كانيهاي قابل استخراج مي باشند و در اغلب مناطق درصد اورانيوم بسيار كم است و تنها مناطق محدودي هستند كه داراي معادن اورانيوم هستند كه عبارتند از : زئير ، آفريقاي شمالي ، فرانسه ، جمهوريهاي چك و اسلواك ، آمريكاي شمالي ، استراليا ،
چين و جمهوري فدرال روسيه . سنگ معدن اورانيوم نزديك به پوسته ي زمين يا در اعماق زمين قرار داشته باشد ، شيوه ي استخراج ، همانند استخراج ساير سنگ هاي معدني است .
جداسازي و ميله هاي سوخت
پيش از آن كه اورانيوم 235 مورد استفاده قرار بگيرد بايد از اورانيوم 2380 تفكيك شود . براي اين كار ، اورانيوم را تبديل به گاز مي كنند و سپس توسط دستگاه سانتريفوژ يا گريز از مركز عمل جداساطي صورت گيرد . اورنيوم 238 كه سنگين تر است در لبه ها اورانيوم 235 در مركز دستگاه گريز از مركز انباشته مي شود .
اورانيوم 235 سپس به پودر سياه رنگي كه اكسيد اورانيوم ناميده مي شود ، توليد مي گردد . اين پودر به صورت
قرص هايي درون يك لوله كه به آن ميله سوخت مي گويند قرار داده ميشود . اين ميله ها نيز در لوله هايي قرار گرفته و آماده استفاده در راكتور مي شود .
نيروگاه
در نيروگاه حرارتي عادي حرارتي ، براي تبديل به بخار آب از سوخت نفت يا زغال سنگ استفاده مي شود . بخار حاصل موجب چرخش توربين ها شده و برق توليد مي شود . اما در نيروگاههاي اتمي ، حرارت لازم براي توليد بخار از يك واكنش هسته اي كنترل شده تامين مي شود . عمل واكنش ، درون راكتور ودر ساختماني كه مجهز به تمامي سيستم هاي ايمني است ، انجام مي گيرد . اين ساختمان محافظت شده عمده ترين تفاوت بين نيروگاههاي حرارتي و اتمي است .
براي جلوگيري از نشست مواد راديواكتيو ، چه هنگامي كه نيروگاه در حال كاركرد است و چه هنگامي كه حادثه اي روي مي هد . اين ساختمان از بتن و فولاد ساخته مي شود . تفاوت ديگر اين دو نوع نيروگاه در اين است كه از بعضي نيروگاه هاي اتمي قديمي براي تهيه ي پلوتونيوم كه براي ساختن بمب هاي اتمي مورد نياز است استفاده مي شود .
بخشهاي مختلف در نيروگاه اتمي
يك نيروگاه اتمي شامل يك راكتور هسته اي است كه در هسته ي آن
ميله هاي سوخت حاصل اورانيوم و ميله هاي كنترل كننده براي كنترل تعداد نوترون هاي حاصل از شكافت اتم ، وارد راكتور و يا از آن خارج مي شوند . ميله هاي كنترل كننده نوترون
ها را جذب مي كنند ودر صورت لزوم قادر به توقف كلي واكنش زنجيره اي نيز مي باشند .
واكنش هسته اي توليد گرما مي كند كه توسط جريان سرد كننده اي كه از رآكتور عبور مي كند اين گرما را جذب مي كند و به مبدل حرارتي انتقالمس يابد . مبدل حرارتي با استفاده از اين گرما توليد بخار مي كند . از اين مرحله به بعد نيروگاه اتمي مانند نيروگاه حرارتي عمل مي كند و بخار هاي مصرف شده در برجهاي خنك كننده به آب تبديل مي شوند كه دوباره قابل مصرفند .
كف راكتور
محفظه بالاي راكتور كه محل كنترل نيروگاه است دسترسي به مليه‌هاي سوخت و هسته ي راكتور را فراهم مي كند . دستگاههاي مخصوصي ميله هاي
سوخت مصرف شده را با ميله هاي جديد ، بدون آنكه نياز به خاموش كردن رآكتور و يا متوقف كردن توليد الكتريسيته باشد جايگزين كنند .
كنترل كننده هاي نوترون
شكافت هسته اي هنگامي روي مي دهد كه يك نوترون با اتم اورانيوم برخوردكند و آن را مي شكافند . در اين لحظه ساير نوترون ها نيز به سرعت آزاد مي شوند ، براي ايجاد واكنش زنجيره اي نوترون هاي پرجنب و جوش بايد سرعت خود را از دست بدهند و كند شوند .
اين عمل توسط كنترل كننده – ماده اي مانند گرافيت يا آب كه در حين عبور نوترون ها از ميان آنها از ميزان سرعتشان كاسته مي شود انجام مي گيرد . براي كنترل مطلوب نوترون ها ، هسته
ي مركزي رآكتور به ميله هاي كادميمي نيز كه جذب كننده ي نوترون ها هستند مجهز مي باشد .
موتورهاي هسته اي
از نظر تئوري دليلي وجود ندارد كه براي به حركت درآوردن انواع موتورها ، از رآكتورهاي هسته اي در اندازه هاي مختلف استفاده نشود . امروزه راكتورهاي هسته اي با موفقيت در كشتي ها و زيردريايي ها به كار گرفته مي شوند . بزرگترين امتياز استفاده از اين نوع موتورها كه براي توليد نيرو به كار مي رود ، در اين است كه كشتي يا زيردريايي مي تواند براي مدت طولاني و بدون آنكه نياز به سوخت گيري مجدد داشته باشد ، در دريا بماند .
زيردريايي هاي اتمي
تحقيقات در مورد استفاده از رآكتورهاي اتمي در زيردريايي ها از سال 1949 آغاز گرديد . مطالعات بسيار موفقيت آميز بود و منجر به سفر دريايي زير دريايي ناتيلوس از زر پخ ها به قطب شمالي در سال 1985 گرديد . زيردريايي هاي اتمي مزاياي زيادي دارند و مهمترين آنها ماندن در زير دريا براي مدت طولاني است و مهمتر اين كه در زير آب ماندن زير دريايي و به سطح آب نيامدنش آن را از ديد پنهان نگاه مي دارد .
تشعشعات هسته اي
هنگامي كه هسته يك اتم ، تجزيه يا شكافته مي شود ، از خود اشعه پخش مي كند . اتم هاي مشخصي مانند راديوم به طور طبيعي
تجزيه شده و اشعه توليد مي كنند . اين پديده را تجزيه راديواكتيو مي گويند . در شكافت هسته اي ، اتم به طور مصنوعي در راديواكتيو تجزيه مي كنند . تشعشعات اتمي به سه دسته تقسيم مي شوند : آلفا ، بتا و گاما . تابشهاي آلفا«نسبتاً بزرگ» بوده و از مواد به راحتي عبور نمي كنند . جلوي آنها را مي توان توسط يك ورق كاغذ سد كرد . تابش هاي بتا كوچكتر هستند و توسط يك ورق نازك فلزي (مثلاً آلومينيم) مي توان جلوي آنها را سد كرد . تابشهاي گاما مانند اشعه X پر از انرژي هستند و فقط توسط ورقه هاي ضخيم فلزات سنگين (مانند سرب) مي توان آنها را متوقف كرد .
كنترل تشعشعات
تشعشعات قابل ديدن ، بوئيدن و احساس كردن نيستند . براي آشنا كردن آنها ابزار خاصي مورد نياز است . يكي از اين ابزارها دستگاه شمارگر گايگر است . براي بررسي اينكه آيا ماده اي راديواكتيو است يا نه از دستگاه شمارشگر گايگر استفاده مي شود .
بازيافت
براي بازيافت سوخت ، آنرا درون ظرف هاي بخصوصي كه فلاكس نام دارد حمل مي كنند كه موقتاً در انبار نگهداري مي شوند . در كارخانه ي بازيافت ، سوخت قابل مصرف به شيوه ي استخراج توسط حلال بازيابي مي شود . با اين وجود هنوز مقدار زيادي
ضايعات راديواكتيو باقي مي ماند كه بايد آنها را از بين برد .
دفن ضايعات هسته اي
از يك نيروگاه هسته اي سه نوع ماده زايد با درجه هاي مختلف حاصل مي شود : 1-ضايعات با سطح آلودگي كم 2-ضايعات با سطح آلودگي متوسط 3-ضايعات با سطح آلودگي بالا . مطمئن ترين روش براي ايمني از ضايعات با سطح آلودگي متوسط وبالا ، قرار دادن آنها در محفظه هاي كاملاً مسدود و دفن كردن آنهاست . ضايعات براي هزاران سال مي توانند باقي بمانند . به همين علت دفن ضايعات در لابه‌لاي صخره ها سخت مانند گرانيت كه امكان جابجايي ندارد شيوه ي تقريباً مطمئن است . اگر صخره‌ي سنگ ها جابجا شده و ياترك بردارند و مخازن حاوي ضايعات اتمي