انرژی هسته ای
چکیده
وقتی که صحبت از مفهوم انرژی به میان می‌آید، نمونه‌های آشنای انرژی مثل انرژی گرمایی ، نور و یا انرژی مکانیکی و الکتریکی 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 زغال سنگ در چه مرتبه بزرگی قرار دارد؟
منابع تولید انرژی هسته‌ای که بر اثر سیلابها و رودخانه از صخره شسته شده و به بستر دریا می‌رود، چقدر برق میتواند تولید کند؟
کشورهایی که بیشترین استفاده را از انرژی هسته‌ای را می‌برند، کدامند؟ و ... .
نحوه آزاد شدن انرژی هسته‌ای
می‌دانیم که هسته از پروتون(با بار مثبت) و نوترون (بدون بار الکتریکی) تشکیل شده است. بنابراین بار الکتریکی آن مثبت است. اگر بتوانیم هسته را به طریقی به دو تکه تقسیم کنیم، تکه‌ها در اثر نیروی دافعه الکتریکی خیلی سریع از هم فاصله گرفته و انرژی جنبشی فوق العاده‌ای پیدا می‌کنند. در کنار این تکه‌ها ذرات دیگری مثل نوترون و اشعه‌های گاما و بتا 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 سوخت تولید کند. این مقدار گرما 2800000 بار برگتر از حدود 7000 کیلوگالری گرمایی است که از سوختن هر کیلوگرم زغال سنگ حاصل میشود.
کاربرد حرارتی انرژی هسته‌ای
گرمای حاصل از واکنش هسته‌ای در محیط راکتور هسته‌ای 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 گاز 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 اورانیوم در سوخت از انواع 238U است. این اورانیوم بر اثر واکنشهایی که به ترتیب با تولید پرتوهای گاما 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 نیروگاههای هسته‌ای 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.
اگر نوترون منفردی به یک قطعه ایزوتوپ 235U نفوذ کند،
در اثربرخورد به هسته اتم 235U ، اورانیوم به دو قسمت شکسته میشود که
اصطلاحا شکافت هسته‌ای نامیده میشود.
در واکنشهای شکافت هسته‌ای مقادیر زیادی نیز انرژی آزاد می‌گردد (در حدود 200Mev)، اما مسئله مهمتر اینکه نتیجه شکستن هسته 235U ، آزادی دو نوترون است که میتواند دو هسته دیگر را شکسته و چهار نوترون را بوجود آورد. این چهار نوترون نیز چهار هسته 235U را می‌شکند. چهار هسته شکسته شده تولید هشت نوترون می‌کنند که قادر به شکستن همین تعداد هسته اورانیوم می‌باشند. سپس شکست هسته‌ای و آزاد شدن نوترونها بصورت زنجیروار به سرعت تکثیر و توسعه می‌یابد. در هر دوره تعداد نوترونها دو برابر میشود، در یک لحظه واکنش زنجیری خود بخودی شکست هسته‌ای شروع می‌گردد. در واکنشهای کنترل شده هسته‌ای تعداد شکست در واحد زمان و نیز مقدار انرژی بتدریج افزایش یافته و پس از رسیدن به مقداری دلخواه ثابت نگهداشته میشود.
انرژی شکافت هسته‌ای
کشف انرژی هسته‌ای در جریان جنگ جهانی دوم صورت گرفت و اکنون برای شبکه برق بسیاری از کشورها هزاران کیلو وات تهیه می کند (نیرو گاه هسته ای).
بحران انرژی بر اثر بالارفتن قیمت نفت در سال 1973 استفاده از انرژی شکافت هسته‌ای بیشتر وارد صحنه کرد. در حال حاضر ممالک اروپایی انرژی هسته‌ای را تنها انرژی می‌داند. که میتواند در اکثر موارد جایگزین نفت شود. استفاده از انرژی شکافت هسته‌ای که بر روی یک ماده قابل احتراق کانی که بصورت محدود پایه گذاری میشود. برای سایر کشورها خطرات بسیار دارد در حال حاضر تولید الکتریسته با استفاده از شکافت هسته‌ای کنترل شده به میزان زیادی توسعه یافته و مورد قبول واقع شده است. تولید انرژی هسته‌ای در کشورهای توسعه یافته بخش مهمی از طرح انرژی ملی را تشکیل می‌دهد.
انرژی بستگی هسته‌ای
می‌توان تصور کرد که جرم هسته ، M ، با جمع کردن Z (تعداد پروتونها) ضربدر جرم پروتون و N تعداد نوترونها ضربدر جرم نوترون بدست می‌آید.
M = Z×Mp + N×Mn
از طرف دیگر M همیشه کمتر از مجموع جرمهای تشکیل دهنده‌های منزوی هسته است. این اختلاف به توسط فرمول انیشتین توضیح داده میشود که رابطه بین جرم و انرژی هم ارزی جرم و انرژی را برقرار می‌سازد. اگر یک دستگاه مادی دارای جرم باشد در این صورت دارای انرژی کلی E است. E = M C2 که در آن C سرعت نور در خلا و M جرم کل هسته مرکب از نوکلئونها و E مقدار انرژیی است که در اثر فروپاشی جرم M تولید میشود. بنابر این اصول انرژی هسته ای بر آزاد سازی انرژی پیوندی هسته استوار است. هر سیستمی که دارای انرژی پیوندی بیشتر باشد پایدار میباشد. در واقع جرم مفقود شده در واکنشهای هسته‌ای طبق فرمول E = M C2 به انرژی تبدیل میشود. پس انرژی بستگی اختلاف جرم هسته و جرم نوکلئونهای تشکیل دهنده آن است، که معرف کاری است که باید انجام شود تا نوکلئونها از هم جدا شوند.
مواد شکافتنی
مواد ناپایدار برای اینکه به پایداری برسند، انرژی گسیل می‌کنند تا به حالت پایدار برسد. معمولا عناصری شکافت پذیر هستند که جرم اتمی آنها بالای 150 باشد ،235U و 238U در معادن یافت میشود. 99.3 درصد اورانیوم معادن 238U میباشد.و تنها 7% آن 235U میباشد. از طرفی 235U با نوترونهای کند پیشرو واکنش نشان می‌دهد. 238Uتنها با نوترونهای تند کار می‌کند، البته خوب جواب نمی‌دهد. بنابر این در صنعت در نیروگاههای هسته‌ای 235U به عنوان سوخت محسوب میشود. ولی به دلایل اینکه در طبیعت کم یافت میشود. بایستی غنی سازی اورانیوم شود، یعنی اینکه از 7 درصد به 1 الی 3 درصد برسانند.
شکافت 235U
در این واکنش هسته‌ای وقتی نوترون کند بر روی 235U برخورد می کند به 236U تحریک شده تبدیل میشود. نهایتا تبدیل به باریوم و کریپتون و 3 تا نوترون تند و 177 Mev انرژی آزاد میشود. پس در واکنش اخیر به ازای هر نوکلئون حدود 1 Mev انرژی آزاد میشود. در واکنشهای شیمیایی مثل انفجار به ازای هر مولکول حدود 30 Mev انرژی ایجاد میشود. لازم به ذکر است در راکتورهای هسته‌ای که با نوترون کار می‌کند، طبق واکنشهای به عمل آمده 2 الی3 نوترون سریع تولید میشود. .
ویژگی های اورانیوم و کاربردهای آن
اورانیوم یکی از عناصر شیمیایی جدول تناوبی است که نماد آن U وعدد اتمِی آن 92 می باشد. اورانیوم که یک عنصر سنگین، سمی، فلزی، رادیواکتیو و براق به رنگ سفید مایل به نقره ای می باشد به گروه آستیندها تعلق داشته و ایزوتوپ 235 آن برای سوخت راکتورهای هسته ای وسلاحهای هسته ای استفاده میشود. معمولا اورانیوم در مقادیر بسیار ناچیز درسخره ها خاک آب گیاهانو جانوران از جمله انسان یافت می شود.
خصوصیتهای 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. اگر اورانیوم به خوبی جدا شود بشدت از آب سرد متاثر شده و در برابر هوا اکسید میشود. اورانیوم استخراج شده از معادن میتواند به صورت شیمیایی به دی اکسید اورانیوم و دیگر گونه های قابل استفاده در صنعت تبدیل شود.