دانلود مقاله انرژی اتمی

مقدمه

امروزه مردم دنیای بزرگ ما ، بزرگترین دوران رشد و تکامل خود را در تمامی زمینه ها تجربه می کنند . در گذشته سرعت گسترش و پیشرفت در علوم و فنون مختلف چون امروز نبوده است . اکنون انسان باشتاب روز افزون به سوی دنیایی بهتر و زندگی توأم با آسایش بیشتر پیش می رود . صرف نظر از مشکلات و معضلات جانبی ناشی از توسعه بی رویه و نامناسب در برخی جهات ، به طور کلی می توان گفت پیشرفت علوم باعث ارتقاء سطح زندگی ، معیشت و آسایش بشر امروزی شده است بشر پیشرفته کنونی ، به افق های دوردست چشم دوخته و پس از تسخیر ماه می رود تا به کرات دیگر و فضای لایتناهی دست یابد پیشرفت و تعالی بشر امروز ، بی شک مرهون تلاش بی وقفه دانشمندان علوم مختلف بوده است .

بنابراین مادر دنیای امروز نیازمند به جایگزینی انرژی هسته ای با سوخت های فسیلی هستیم و این حق پیشرفت ، از آن ماست . جمهوری اسلامی ایران به عنوان یکی از کشورهای امضا کننده ی معاهده ی منع تکثیر و گسترش سلاح های هسته‌ای، همواره بر حق خود جهت برخورداری از دانش و فناوری مسالمت آمیز هسته ای ، بر اساس موافقت نامه های جهانی تأکید کرده و استفاده از آن را حق مسلم خود می‌داند .

در این تحقیق سعی شده اشاره ای هر چند اندک به مزایای این نیروی عظیم و روش بهره‌برداری و استفاده از آن بشود . بنابر این هدف اینجانب از انجام این تحقیق آشنایی با انرژی اتمی بوده است .

ضمناً از تمامی کسانی که روح تحقیق و پژوهش را در دانش آموزان پرورش می‌دهند، صمیمانه تشکر می کنم . چون یقین دارم حتی این تحقیق های کوچک در آینده، زمینه ساز تحقیق ها و پژوهش های بسیار بزرگ تر شده و گامی جهت پیشرفت مردم عزیز خواهد شد .

چکیده

در حال حاضر ، انرژی اتمی بهترین سوخت جهان به شمار می رود که از دو راه شکافت هسته ای و همجوشی هسته ای می توان آن را تولید و از انرژی آن استفاده کرد . در روش شکافت هسته ای که کاملاً در راکتور اتمی انجام می گیرد ، اورانیوم سوخت اصلی است و از آن برای به کار انداختن راکتور استفاده می شود . در این روش یک نوترون به هسته اورانیوم 235 که مقدار آن در سنگ اورانیوم 07/0 درصد است، برخورد کرده ، باعث تقسیم شدن آن می شود و دو نوترون جدید هم به وجود می آید این دو نوترون جدید خود به دو هسته دیگر برخورد کرده و به همین ترتیب هسته های زیادی شکافته می شوند و انرژی فراوانی را تولید می کنند . در همجوشی هسته ای دقیقاً عکس این عمل رخ می دهد . یعنی دو هسته کوچک به یک هسته بزرگتر تبدیل شده و به همراه نوترون مقدار بسیار عظیمی انرژی تولید می کند . البته این عمل هنوز در روی زمین به طور کامل انجام نگرفته است . زیرا امکان پذیر نمی باشد .

از انرژی بدست آمده در روش های بالا می توان برای تولید برق استفاده کرد همچنین انرژی اتمی در پزشکی ، صنعت و کشاورزی استفاده های فراوانی دارد .

انرژی اتمی حدود 30 سال است که وارد ایران شده و هم اکنون بخش کوچکی از تولید برق کشور را به خود اختصاص داده است .

فصل اول

شناخت انرژی اتمی

تعریف انرژی

هر نوع حرکت و پویایی چه در موجود زنده و چه غیر زنده نیاز به یک عامل اولیه برای شروع و همچنین ادامه کار خود دارد . این عامل حرکت و پویایی را انرژی می نامیم . انرژی عبارت است از توانایی انجام کار به زبان دیگر برای انجام هر کاری نیاز به انرژی است . بنابراین هر نوع حرکت و جنبشی برای آن که انجام شود . نیاز به انرژی دارد. (1)

دسته بندی انرژی ها: نوعی تقسیم بندی انرژی به این شکل است که تمام انرژی‌ها را در دو گروه انرژی های نهفته در ماده (مانند انرژی سوخت های فسیلی و انرژی اتمی) و انرژی مکانیکی تقسیم بندی می کنند .

نوع دیگر تقسیم بندی بر حسب دائمی بودن (تجدید پذیر مانند انرژی باد) و غیر دائمی بودن (تجدید ناپذیر بودن مانند انرژی اتمی ناشی از اورانیوم) بودن انرژی هاست.(2)

انرژی اتمی و اهمیت آن

انرژی اتمی از جمله انرژی های تجدید ناپذیر است و از جمله انرژی های نهفته در ماده می باشد . این انرژی از یک واکنش اتمی ناشی می شود . یعنی فعل و انفعالات درون اتم های سوخت اتمی باعث تولید آن می شود . در فرآیند تولید انرژی اتمی ، اتم های سوخت اتمی ، که غالباً فلز اورانیوم است ، متلاشی می شوند . ماده‌ی اورانیوم که مهم ترین سوخت برای بدست آوردن انرژی اتمی است ، به مقدار نسبتاً زیاد در پوسته زمین وجود دارد . تا سال 1960 نفت و زغال سنگ تنها منابع انرژی جهان به شمار می رفتند . ولی از آن سال به بعد انرژی اتمی نیز قسمتی از انرژی مورد نیاز بشر را تأمین می کند . با کشف منابع جدید اورانیوم در پوسته زمین رفته رفته تعداد نیروگاه هایی که از اورانیوم به عنوان سوخت اتمی استفاده و برق تولید می کنند افزایش یافت.(3)  

از همان ابتدای استخراج نفت برای مصرف بشر ، روز به روز به مقدار مصرف آن افزوده می شد . و متخصصان همواره نگران آن بودند که در آینده نه چندان دور روزی خواهد رسید که منابع زیر زمینی نفت به پایان خواهد رسید . هنوز هم این نگرانی ها وجود دارد . از همان زمان ، این نگرانیها دانشمندان را بر یافتن راه های جدید برای تولید انرژی از منابع انرژی دیگر ترغیب نموده است . استفاده از انرژی اتمی ناشی از این نوع بینش دانشمندان نسبت به آینده سوخت های فسیلی بوده است .

دانشمندان دریافته اند که منشأ تمام انرژی های مورد استفاده بشر حاصل از انرژی تشعشعات نورانی خورشید است . اما نکته بسیار جالب اینکه منشأ خود انرژی خورشیدی ، انرژی اتمی یا انرژی حاصل از همجوشی اتم هاست . بنابر این انرژی اتمی ریشه و منشأ تمام انرژی جهان هستی است . از ابتدای قرن بیستم که دانشمندان به انرژی  عظیمی که در اتم برخی فلزات سنگین مثل اورانیوم و پلوتونیم وجود دارد ، پی بردند . تحقیقات فراوانی به منظور یافتن روش های مناسب به منظور استفاده از این انرژی عظیم توسط دانشمندان کشورهای پیشرفته انجام شده است . این تحقیقات در سال 1956 به ایجاد اولین نیروگاه اتمی دنیا در آمریکا منجر شد و عملاً از سال 1960 میلادی استفاده از انرژی اتمی به جای سوخت های فسیلی به تدریج در حال شکل گیری است.(4)

هم اکنون کشورهای صنعتی که بخش عمده انرژی دنیا را مصرف می کنند استفاده از انرژی اتمی به عنوان سوخت اصلی برای نیروگاه های برق را انتخاب نموده و تلاش زیادی برای افزایش میزان تولید برق از طریق انرژی اتمی انجام می دهند . چیزی که باعث شده انرژی اتمی بیش از دیگر انرژی های نو مورد توجه قرار بگیرد ، آن است که انرژی های نو هر یک به دلیل خاصی قادر به برآوردن نیازهای انرژی بشر امروزی که به طور فزاینده ای در حال رشد است ، نمی باشد . در مقابل ، انرژی اتمی نسبت به دیگر انرژی های نو از مزایای ویژه ای برخوردار است . و از همه مهمتر آن که این انرژی به صرفه اقتصادی است .

بنابر این انرژی اتمی با آن که از نظر بسیاری از مردم ، انرژی خطر ناکی برای محیط زیست به شمار می رود ، اما عملاً توسعه روز افزون و شتابانی داشته است . به طوری که بسیاری از کشورهای جهان سوم نیز در آستانه استفاده از این انرژی برای تولید برق قرار گرفته اند .

از آن جا که ساختن نیروگاه اتمی به دانش و تکنولوژی بسیار پیشرفته نیاز دارد، کشورهای پیشرفته توانسته اند با مراقبت شدید و وضع مقررات سخت ، جلوی ورود تکنولوژی و طرز ساخت نیروگاه های اتمی به کشورهای کمتر توسعه یافته را تا حدودی بگیرند ، اما به طور کامل موفق نبوده اند .

ما باید به گونه ای تدریجی استفاده از انرژی سوخت های فسیلی را با منابع انرژی دیگر جایگزین کنیم ، چرا که با اتمام منابع سوخت های فسیلی باید بلا فاصله قدرت استفاده از انرژی های دیگر را داشته باشیم . و از آن جا که دستیابی به منابع انرژی های دیگر به زمان طولانی بستگی دارد ، به ناچار باید از حالا تلاش گسترده ای را آغاز کنیم تا در دهه های آینده دچار کمبود انرژی در کشور نشویم. با این استدلال برنامه ریزی جهت استفاده از انرژی اتمی را می توان لازم و ضروری دانست.(5)‌

اورانیوم

قبل از آن که به معرفی اورانیوم بپردازیم ، بهتر است کمی خود اتم را توضیح دهیم و آن را بشناسیم . هر عنصری از ذرات بسیار ریزی که ما آن ها را اتم می‌نامیم ، ساخته شده است . اتم ها به حدی کوچک هستند که با هیچ دستگاهی نمی توان آن ها را دید . اورانیوم و پلوتونیم نیز که هر دو فلز هستند ، از ذرات بسیار ریز اتم درست شده اند . دانشمندان کشف کرده اند که یک اتم خود از چند ذره ریز تر تشکیل شده است . ممکن است یک اتم ، 1 ،2، 3، ...،6 یا 7 لایه داشته باشد در مرکز این چند لایه یک ذره دیگر وجود دارد که نسبت به خود اتم بسیار ریزتر است این ذره را هسته ی اتم می گویند .

در لایه های اطراف هسته اتم تعدادی ذرات بسیار ریز به نام الکترون وجود دارند که همواره به دور هسته در حال چرخش هستند . اورانیوم دارای 7 لایه بوده و در لایه های آن جمعاً 92 الکترون وجود دارد . در هسته هر اتم نیز دو نوع ذره وجود دارد . یکی به نام پروتون و دیگری به نام نوترون که در کنار هم در هسته به طور ساکن قرار گرفته‌اند. به طور قرار دادی به تعداد پروتون های اتم های یک عنصر عدد اتمی گفته می‌شود و به حاصل جمع تعداد نوترون ها و پروتون های موجود در هسته اتم یک عنصر عدد جرمی گویند.

تمام اتم های تشکیل دهنده ی یک عنصر در هسته خود تعداد مساوی نوترون ندارند. حال آن که همواره در تمام هسته های اتم های آن تعداد پروتون ها برابر است. مثلاً در تمام اتم های عنصر اورانیوم هسته دارای 92 پروتون می باشد اما در برخی از اتم ها تعداد نوترون 143 عدد و در برخی از اتم های دیگر تعداد نوترون ها 146 عدد است این اختلاف تعداد نوترون در هسته اتم اورانیوم باعث می شود که ما دو نوع اورانیوم داشته باشیم . البته هر دو نوع ، اورانیوم هستند و خواص اورانیوم را دارند . فقط یکی نسبت به دیگری از لحاظ وزنی کمی سنگین تر است . به این دو نوع اورانیوم ایزوتوپ اورانیوم می‌گوییم. ایزوتوپ‌های اورانیوم دو نوع هستند. یکی ایزوتوپ 235 اورانیوم که حاصل جمع تعداد نوترون و پروتون های آن است یعنی عدد جرمی آن 235 است . و دیگری ایزوتوپ 238 که عدد جرمی آن 238 است. (6)

غنی سازی اورانیوم

چنان که گفتیم دو نوع اورانیوم یا به عبارتی دو ایزوتوپ اورانیوم وجود دارد . یکی ایزوتوپ 238 و دیگری ایزوتوپ 235 در اورانیوم طبیعی که از خاک های معدنی استخراج می شود ، از هر 1000 کیلو گرم ، 993 کیلوی آن ایزوتوپ نوع 238 و تنها 7 کیلوی آن ایزوتوپ نوع 235 است برای انجام عمل شکافت هسته اورانیوم ، باید از ایزوتوپ نوع 235 استفاده کرد از آن جا که این ایزوتوپ مقدارش نسبت به ایزوتوپ 238 بسیار کمتر است ، جدا سازی آن کار خیلی مشکلی است و نیاز به وسایل پیچیده و بسیار گران قیمت دارد . به طوری که تاکنون فقط چند کشور پیشرفته قادرند این عمل جدا سازی را انجام دهند ، این کشور ها عبارتند از : روسیه ، فرانسه، آمریکا ، چین ، انگلیس ، آلمان و چند کشور دیگر به همین دلیل کشورهایی که توانسته اند با استفاده از این تکنولوژی سلاح هسته ای که بسیار ویران کننده است ، بسازند ، بسیار کم است به عملی که باعث جداسازی ایزوتوپ 235 از ایزوتوپ 238 اورانیوم می شود ، «غنی سازی اورانیوم » گفته می شود .

برای انجام عمل غنی سازی اورانیوم نیاز به دستگاه های فوق العاده پیچیده و پیشرفته می باشد عمل غنی سازی غالباً در حالت گازی انجام می شود یعنی ابتدا خاک معدنی اورانیوم را طی مراحلی تصفیه نموده و سپس آن را به نمک فلوئورید به فرمول UF6 تبدیل می کنند که حالت گازی دارد . سپس این گاز که در آن ایزوتوپ 238 و 235 همراه هم وجود دارد ، را وارد محفظه ای می کنند که در بالای آن یک سوراخ ریز قرار دارد . از آن جا که اورانیوم 235 سبک تر از اورانیوم 238 است ، گازهای VF6 که اورانیوم آن از نوع 235 است ، در بالای محفظه جمع می شوند و از سوراخ ریز بالای آن خارج می شوند . از آن جا که همراه گاز دارای اورانیوم 235 مقداری از گاز دارای اورانیوم 238 نیز خارج می شود ، لازم است برای خالص سازی بیش تر اورانیوم 235 ، چندین محفظه پشت سر هم عمل خالص سازی را انجام دهند و لازم است عمل خالص سازی در دفعات زیاد تکرار شود تا به گاز دارای اورانیوم 235 نسبتاً خالص تر دست یافت. (7)