دانلود مقاله انرژی هسته ای

مقدمه :

   شناخت اورانیوم به عنوان یک منبع برای تولید الکتریسیته  بیش از سه دهه است که مورد توجه فیزیک دان ها قرار گرفته است.شناسایی این ماده وکلا انرژی هسته ای تحولی عظیم در زندگی بشر به وجود آورد.

  انرژی هسته ای نسبت به سوخت های فسیلی برتری هایی دارد، که سبب ارزشمندی آن می شود.از مهم ترین این مزایا می توان نداشتن آلودگی هوایی ناشی از مصرف آن را نام برد.

  دراین  پروژه سعی شده در حداقل زمان ،حداکثر اطلاعات را در اختیار  مخاطب قرار  دهیم.

 انرژی هسته ای

نحوه آزاد شدن انرژی:

اگر بتوانیم هسته را به طریقی به دو تکه تقسیم کنیم، تکه ها در اثر نیروی دافعه الکتریکی خیلی سریع از هم فاصله گرفته و انرژی جنبشی فوق العاده ای پیدا می‌کنند. در کنار این تکه ها ذرات دیگری مثل نوترون و اشعه‌های گاما و بتا نیز تولیدمی‌شود. که تمامی آنهادر اثربرهم کنش ذراتبا مواد اطراف سرانجام به انرژی گرمایی تبدیل می شوند.

سوخت راکتورهای هسته ای :

 ماده‌ای که به عنوان سوخت در راکتورهای هسته‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد باید شکاف پذیر باشد یا به طریقی شکاف پذیر شود. اورانیوم 235 شکاف پذیر است ولی اکثر هسته‌های اورانیوم در سوخت از انواع اورانیوم 238 است. این اورانیوم بر اثر واکنشهایی که به ترتیب با تولید پرتوهای گاما و بتا به پلوتنیوم 239 تبدیل می شود پلوتونیوم هم مثل اورانیوم 235 شکافت پذیر است.میزان اورانیومی که از صخره‌ها شسته می‌شود و از طریق رودخانه‌ها به دریا حمل می‌شود، به اندازه‌ای است که می تواند 25 برابر کل مصرف برق کنونی جهان را تامین کند. با استفاده از این نوع موضوع ، بر اساس استخراج اورانیوم از آب دریاها قادر خواهند بود تمام انرژی مورد نیاز بشررا برای همیشه تامین کنند، بی آنکه قیمت برق به علت هزینه سوخت خام آن حتی به اندازه یک درصد هم افزایش یابد .

و اکنون در پایان جایی است برای تقدیر و تشکر از محضر استادان ارجمند و نیز مسئولین و مربیان دلسوز و همچنین عوامل وابسته به این پروژه.

امید است که توانسته باشیم پاسخی شایسته به زحمات گرانبهای آن بزرگواران داده باشیم. 

                                                   اورانیوم

خصوصیت های قابل توجه:

اورانیوم هنگام عمل پالایش به رنگ سفید مایل به نقره ای فلزی با خاصیت رادیو اکتیوی ضعیف یباشد که کمی از فولادنرم تر است. این فلز چکش خاررسانای جریان الکتریسیته و کمی Paramagnetic میباشد. چگالی اورانیوم 65% بیشتر از چگالی سرب میباشد. . اورانیوم استخراج شده از معادن میتواند به صورت شیمیایی به دی اکسید اورانیوم و دیگر گونه های قابل استفاده در صنعت تبدیل شود.

اورانیوم طبیعی

ازایزوتوپ U-238, U-235, U-234 تشکیل شده است که U-238 فراوان ترین آنها

(99.3%) میباشد.

اورانیوم در طبیعت سه گونه دارد:

آلفا (Orthohombic) که تا دمای 667.7 درجه پایدار است.

بتا (Tetragonal) که از دمای 667.7 تا 774.8 درجه پایدار است.

گاما (Body-centered cubic) که از دمای 774.8 درجه تا نقطه ذوب پایدار است. ( این رساناترین و چکش خوارترین گونه اورانیوم میباشد.)    

ترکیبات :

تترا فلوروئید اورانیوم UF4که به نمک سبز معروف است یک محصول میانی هگزافلورید اورانیوم میباشد. هگزا فلورید اورانیوم UF6 جامد است که در دمای بالای 56 درجه سانتیگراد بخار میشود. UF6 ترکیب اورانیوم است که برای دو فرایند غنی سازی Gaseous Diffusion و Centrifuge استفاده میشود. و در صنعت با نام ساده Hex خوانده میشود. Yellowcake اورانیوم غلیظ شده است. نام این عنصر بدلیل رنگ و شکل آن در هنگام تولید میباشد اگرچه تولید امروزه Yellowcake بیشتر به رنگ سبز مایل به سیاه میگراید تا زرد. Yellowcake تقریبا 70 تا 90 درصد اکسید اورانیوم دارد.

غنی سازی اورانیوم

1.غنی سازی اورانیوم با دیفوزیون گازی :

 گراهان در سال 1864 پدیده ای را کشف کرد که در آن سرعت متوسط مولکولهای ‏گاز با معکوس جرم مولکولی گاز متناسب بود. از این پدیده که به نام دیفوزیون ‏گازی مشهور است برای غنی سازی اورانیوم استفاده می کنند. در عمل اورانیوم ‏هکزا فلوراید طبیعی گازی شکل را از ستون هایی که جدار آنها از اجسام متخلخل ‏‏(خلل و فرج دار) درست شده است عبور می دهند. سوراخهای موجود در جسم ‏متخلخل باید قدری بیشتر از شعاع اتمی یعنی در حدود 2.5 آنگسترم (-7‏25x10 سانتیمتر) باشد. ضریب جداسازی متناسب با اختلاف جرم مولکول ها است. روش غنی سازی ‏اورانیوم تقریباً مطابق همین اصولی است که در اینجا گفته شد. با وجود این ‏می توان به خوبی حدس زد که پرخرج ترین مرحله تهیه سوخت اتمی همین ‏مرحله غنی سازی ایزوتوپ ها است زیرا از هر هزاران کیلو سنگ معدن اورانیوم ‏‏140 کیلوگرم اورانیوم طبیعی به دست می آید که فقط یک کیلوگرم اورانیوم 235 ‏خالص در آن وجود دارد. ‏

2.غنی سازی اورانیوم از طریق میدان مغناطیسی :

یکی از روش های غنی سازی اورانیم استفاده از میدان مغناطیسی بسیار قوی می باشد. در این روش ابتدا اورانیم هگزا فلوئورید را حرارت می دهند تا تبخیر شود. از طریق  تبخیر، اتم های اورانیم و فلوئورید از هم تفکیک می شوند.  در این حالت، اتم های اورانیم را به میدان مغناطیسی بسیار قوی هدایت می کنند. میدان مغناطیسی بر هسته های باردار اورانیم نیرو وارد می کند ( این نیرو به نیروی لورنتس معروف می باشد)، و اتم های اورانیم را از مسیر مستقیم خود منحرف می کند. اما هسته های سنگین اورانیم (اورانیم238) نسبت به هسته های سبک تر(اورانیم 235) انحراف کمتری دارند، و درنتیجه از این طریق می توان اورانیم 235 را از اورانیم طبیعی تفکیک کرد.

کاربرد های اورانیوم غنی شده :

شرایطی ایجاد کرده اند که نسبت اورانیوم 235 به اورانیوم 238 را به 5 درصد می ‏رساند. برای این کار و تخلیص کامل اورانیوم از سانتریفوژهای بسیار قوی استفاده ‏می کنند.برای ساختن نیروگاه اتمی، اورانیوم طبیعی و یا اورانیوم غنی شده بین 1 تا 5 ‏درصد کافی است. برای تهیه بمب اتمی حداقل 5 تا 6 کیلوگرم اورانیوم 235 صددرصد خالص نیاز ‏است. در صنایع نظامی از این روش استفاده نمی شود و بمب های اتمی را از ‏پلوتونیوم 239 که سنتز و تخلیص شیمیایی آن بسیار ساده تر است تهیه ‏می کنند.

نحوه تولید سوخت پلوتونیوم رادیواکتیو:

این عنصر ناپایدار را در نیروگاه های بسیار قوی می سازند که تعداد نوترون های ‏موجود در آنها از صدها هزار میلیارد نوترون در ثانیه در سانتی متر مربع تجاوز ‏می کند. عملاً کلیه بمب های اتمی موجود در زراد خانه های جهان از این عنصر ‏درست می شود.‏ روش ساخت این عنصر در داخل نیروگاه های هسته ای به این صورت که ‏ایزوتوپ های اورانیوم 238 شکست پذیر نیستند ولی جاذب نوترون کم انرژی ‏‏(نوترون حرارتی) هستند. تعدادی از نوترون های حاصل از شکست اورانیوم 235 را ‏جذب می کنند و تبدیل به اورانیوم 239 می شوند. این ایزوتوپ از اورانیوم بسیار ‏ناپایدار است و در کمتر از ده ساعت تمام اتم های به وجود آمده تخریب ‏می شوند. در درون هسته پایدار اورانیوم 239 یکی از نوترون ها خودبه خود به ‏پروتون و یک الکترون تبدیل می شود. بنابراین تعداد پروتون ها یکی اضافه شده و عنصر جدید را که 93 پروتون دارد ‏نپتونیم می نامند که این عنصر نیز ناپایدار است که یکی از نوترون های آن خود به ‏خود به پروتون تبدیل شده و در نتیجه به تعداد پروتون ها یکی اضافه شده و عنصر ‏جدید پلوتونیم را که 94 پروتون دارد ایجاد می کنند. این کار حدودا در مدت یک هفته ‏صورت می گیرد.

                ایزوتوپهای اورانیوم

ایزوتوپ های عناصر:

اتم های یک عنصر از اجتماع ذرات بنیادی به نام پرتون ، نوترون و الکترون تشکیل یافته اند . ‏تعداد نوترون ها در اتم های مختلف یک عنصر همواره یکسان نیستند بنابراین اتم های مختلف یک عنصر را ایزوتوپ می گویند.   

ایزوتوپ های اورانیوم:‏

عنصر اورانیوم، چهار ایزوتوپ دارد که 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 235 و 238 که در هر دو 92 پروتون ‏وجود دارد ولی اولی 143 و دومی 146 نوترون دارد. ‏