دانلود تحقیق برق هسته ای

راکتور های با نوترون سریع ، راکتورهای زاینده

مقدمه

یک راکتور هسته‌ ای گرمایی تولید می‌کند که منشأ آن در شکافت دو هسته قابل شکافت 235U یا 239Pu قرار دارد.

تنها ماده موجود قابل کشافت در طبیعت ، 235U است که 1.140 اورانیوم طبیعی را تشیل می‌دهد و بقیه اساسا 238U غیر شکافتی است.

هر شکافت اتم اورانیوم در اثر یک نوترون ، 2 تا 3 نوترون با انرژی بالا (بطور متوسط 2Mev) یعنی نوترونهای سریع (20000Km/s) را تولید می‌کند.


این نوترون ها به نوبه خود می‌توانند با سایر هسته‌ های اورانیوم شکافت انجام دهند که نوترونهای گسیل شده شکافتهای دیگری را تولید می‌کنند و به این ترتیب واکنش زنجیره‌ای ایجاد می‌شود.

اگر قطعه ماده قابل شکافت به حد کافی بزرگ باشد، تولید نوترونها تقویت شده و سبب انفجار می‌شود: این اساس بمب اتمی است.

در یک راکتور هسته‌ای یک عده پدیده‌های دیگر را برای انجام واکنش مورد نظر قرار می‌دهند: تعدادی از نوترونها در اورانیوم بویژه در 238U بدون تولید شکافت ، تعدادی دیگر توسط مواد ساختاری جذب می‌شوند و بالاخره عده دیگری به بیرون مغز راکتور فرار می‌کنند و ناپدید می‌شوند.

شرایط ایجاد شکافت زنجیری

یک راکتور فقط با یک حجم معین که کمترین ماده قابل شکافت را داشته باشد، می‌تواند کار کند: کمترین مقدار ماده قابل شکافت را جرم بحرانی می‌نامند.

در یک قطعه اورانیوم طبیعی ، هر چه قدر بزرگ هم باشد، واکنش زنجیره‌ای غیر ممکن است: مقدار ماده قابل شکافت (235U) بسیار کم است و اکثریت نوترونهای جذب شده با 238U تلف می‌شوند.

بنابراین باید بطور مصنوعی شکافتها را در مقابل جذبهای بدون شکافت در شرایط مساعدی قرار داد.

دو راه امکان پذیر است:

یا بطور قابل ملاحظه‌ای مقدار ماده قابل شکافت را افزایش می‌دهند (اورانیوم را با 235U غنی کرد یا به آن 239Pu افزود)، یا انرژی نوترونها را توسط کند کننده کاهش می‌دهند و آن نقش 235U را (مقطع شکافت 235U) در مقابل 2358U (مقطع جذب 238U) تقویت می‌کند.

به این ترتیب دو دسته راکتور شکل می‌گیرند.

انواع راکتور شکافتی

از یک طرف راکتورهایی که بطور مستقیم نوترونهایی با انرژی زیاد ناشی از شکافت را مورد استفاده قرار می‌دهد و این راکتورها به راکتورهای با نوترونهای سریع معروفند که ماده قابل احتراق آنها شامل یک نسبت زیادی از ماده شکافتی (در راکتورهای بزرگ 15%) است، از طرف دیگر راکتورهایی که کند کننده‌ها را مورد استفاده قرار می‌دهند (راکتورهای با نوترونهای حرارتی) و ماده قابل احتراق آن می‌تواند اورانیوم طبیعی باشد.
لازم به یادآوری است که در راکتورهای با نوترونهای حرارتی نمی‌توان اورانیوم طبیعی را مورد استفاده قرار داد، مگر آنکه مواد ساختاری و سیال خنک کننده که گرمای تولیدی را برای راه اندازی توربین آلترناتور انتقال می‌دهد، جذبهای اتلافی بسیار زیادی را سبب نشوند.

در بسیاری از راکتورهای حرارتی نوع ماده ساختاری و سیال خنک کننده ، یک غنای سبک (در حدود 3 درصد) از ماده قابل احتراق را الزام می‌دارد.

ساختمان راکتور

از مجموعه‌ای از یاخته‌های بنیادی که از مدادهای دراز یا سوزنهای ماده قابل احتراق تشکیل می‌شوند که سطح آنها توسط یک سیال خنک کننده پوشیده می‌شود.

اگر راکتور با نوترون حرارتی باشد، این یاخته‌ها در داخل کند کننده بطور منظم توزیع می‌شوند و در راکتور با نوترون سریع کند کننده وجود ندارد.

این مجموعه ، مغز راکتور را تشکیل می‌دهد و توسط بازتاب کننده‌ای احاطه می‌شود که فرار نوترونها را محدود می‌کند و یک محافظ بیولوژیکی (بتن) در مقابل تشعشعات دارد.

در مورد راکتورهای با نوترونهای سریع منطقه‌ای به نام غلاف و بطور مستقیم واقع در اطراف مغز ، تولید تازه را امکان پذیر می‌سازد.

قسمت اساسی یک راکتور با نوترون حرارتی (مغز) از عناصر قابل احتراق تشکیل می‌شود که توسط یک سیال مخصوصی که بطور منظم در کند کننده قرار دارد، سرد می‌شود.

ماده قابل احتراق شامل ماده شکافتی (معمولا اکسید اورانیوم کم و بیش غنی شده در ایزوتوپ 235) اغلب به صورت مدادهایی (بخ قطر حدود 10 تا 12 میلی متار و به 3.5 متر در یک راکتور بزرگ) در یک غلاف فلزی قرار داده می‌شود.

سیال خنک کننده ممکن است آب معمولی ، آب سنگین یا یک گاز باشد.

کند کننده آب معمولی ، آب سنگین یا گرافیت است.

مغز راکتور با یک بازتاب کننده احاطه می‌شود که از همان ماده کند کننده تشکل می‌شود و فرار نوترونها را به حداقل می‌رساند، مجموعه در یک پوشش ضخیم بتونی قرار می‌گیرد تا در مقابل تشعشعات ، یک حفاظ بیولوژیکی باشد.
در یک راکتور با نوترونهای سریع همان تشکیل دهنده‌های اساسی به استثنای کند کننده وجود دارد.

ماده قابل احتراق از پلوتونیم که به صورت اکسید مخلوط PUO2 - UO2 است.

سوزنهای ظریف ماده قابل احتراق (به قطر 6 تا 8 میلیمتر و به طول 0.5 تا یک متر) با فولاد زنگ نزن پوشانده شده و توسط سدیم مذاب سرد می‌شوند.

سایر سوزنها به نام غلاف ، شامل اکسید UO2 ، مغز را احاطه می‌کنند.

آنها تولید تازه را بر اثر تبدیل 238U به 238Pu سبب می‌شوند.

بازتاب کننده معمولا از قطعات فولادی تشکیل می شود.
 

مورد خاص راکتورهای زاینده

نوعی از این راکتور ها با مقدار زیادی از سدیم مایع خنک می‌شوند (مانند راکتور سوپرفنیکس که در مدار اولیه آن 1500 تن و در مدار ثانویه 3500 تن سدیم در نظر گرفته شده است).

ظرفیت گرمای سدیم زیاد است و در صورت نبودن مصرف ، دمای مغز راکتور بیش از چند درجه در ساعت افزایش نمی‌یابد و آن خطر گرمی فزونی کلی را از بین می‌برد و به راکتور زمان توقف بیشتری می‌دهد.

به هنگام کار راکتور ، دمای سدیم در حدود C 400˚ است و از دمای جوش آن (c 880˚) خیلی دور است.

بنابراین ، سدیم در ذخیره گرما برای کوتاه مدت نقش بسیار مؤثری دارد.

زیرا در ذخیره گرما با وجود این سدیم دارای خطراتی است و احتیاطهای ویژه‌ای را الزام می‌دارد و در تأسیسات کلاسیکی از آن استفاده نمی‌شود.

موسسه کارآموز با قدمت 45 ساله در تاسیس هنرستان فنی و حرفه ای در تهران با هدف تربیت تکنسین متخصص و مومن به ارزشهای اعتقادی، هنرستان غیرانتفاعی کارآموز را در سال 79 با سه رشته کامپیوتر و الکترونیک و الکتروتکنیک تاسیس نمود و در سال 83 رشته مکانیک خودرو نیز به رشته های موجود اضافه شد و خوشبختانه فارغ التحصیلی رشته های مختلف این هنرستان در مراکز علمی و تخصصی مشغول فعالیت می باشند و تعداد قابل ملاحظه ای از فارغ التحصیلان این هنرستان در موسسات آموزش عالی پذیرفته شده و مشغول به تحصیل می باشند.

مجتمع کارآموز از بدو تاسیس سعی بر تجهیز هر چه بهتر کارگاهها و آزمایشگاهها و سایت کامپیوتری و بکارگیری کارکنان و کادر علمی با تجربه و متخصص در آموزشهای فنی و حرفه ای و ایجاد محیط سالم و آرام نموده و از نظر کیفیت و کمیت تجهیزات در بین کلیه هنرستانها کم نظیر میباشد و این روند همواره رو به افزایش بوده و ادامه دارد.
هنرستان کارآموز در فضایی به وسعت 1300 مترمربع و 2800 مترمربع زیربنا در پنج طبقه دارای امکانات ویژه ای چون کارگاههای سیم کشی - سیم پیچی برق صنعتی – تعمیر لوازم خانگی – مکانیک عمومی – الکترونیک مقدماتی – آزمایشگاه اندازه گیری الکتریکی – کارگاه الکترونیک عمومی – آزمایشگاه مبانی مخابرات و رادیو _ سایت کامپیوتر شامل مبانی کامپیوتر، مبانی برنامه سازی و سیستم عامل 1 و کارگاه بسته های نرم افزاری 1و 2، برنامه سازی پاسکال 1 و 2 و تجزیه و تحلیل و طراحی سیستم های کامپیوتری تکنولوژی و کارگاه سخت افزار و برنامه سازی تجاری و ویژوال بیسیک کارگاه مولد قدرت (1) خودرو و کارگاه مولد قدرت (2) خودرو و تعمیرات موتورسواری و سیکلت و شناخت قطعات اتومبیل و برق اتومبیل و سیستم تون آپ (سیستم تنظیم موتور) و کارگاه تنظیم جلوبندی اتومبیل و تعمیرات و تنظیم سیستم سوخت رسانی موتور دیزل و تعمیرات شاسی و بدنه اتومبیل سواری و تعمیرات سیستم انتقال قدرت اتومبیل سواری مطابق با استانداردهای تائید شده وزارت آموزش و پرورش و همچنین فضای آموزشی شامل: کتابخانه و سالن آمفی تئاتر و سالن ناهارخوری و آزمایشگاه فیزیک و شیمی و فضاهای ورزشی و نمازخانه، اطاق های مشاوره و فضای اداری میباشد.

کادر علمی این مرکز از برجسته ترین و زبده ترین افراد در زمینه تدریس دروس علمی و عملی میباشند که تعدادی از آنان در تالیفات زیادی در خصوص کتب درسی هنرستان و آموزشکده و دانشگاه دارند و از کارشناسان برجسته برنامه ریزی آموزشهای فنی و حرفه ای می باشند

دید کلی

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 هسته‌ ای 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.

دید کلی راکتورهای هسته‌ای دستگاه‌هایی هستند که در آنها شکافت هسته‌ای کنترل شده رخ می‌دهد.

راکتورها برای تولید انرژی الکتریکی و نیز تولید نوترون‌ها بکار می‌روند.

اندازه و طرح راکتور بر حسب کار آن متغیر است.

فرآیند شکافت که یک نوترون بوسیله یک هسته سنگین (با جرم زیاد) جذب شده و به دنبال آن به دو هسته کوچکتر همراه با آزاد سازی انرژی و چند نوترون دیگر شکافته می‌شود.

تاریخچه اولین انرژی کنترل شده ناشی از شکافت هسته در دسامبر 1942 بدست آمد.

با رهبری فرمی ساخت و راه اندازی یک پیل از آجرهای گرافیتی ، اورانیوم و سوخت اکسید اورانیوم با موفقیت به نتیجه رسید.

این پیل هسته‌ای ، در زیر میدان فوتبال دانشگاه شیکاگو ساخته شد و اولین راکتور هسته‌ای فعال بود.

ساختمان راکتور با وجود تنوع در راکتور‌ها ، تقریبا همه آنها از اجزای یکسانی تشکیل شده‌اند.

این اجزا شامل سوخت ، پوشش برای سوخت ، کند کننده نوترونهای حاصله از شکافت ، خنک کننده‌ای برای حمل انرژی حرارتی حاصله از فرآیند شکافت ماده کنترل کننده برای کنترل نمودن میزان شکافت می‌باشد.

سوخت هسته‌ای سوخت راکتورهای هسته‌ای باید به گونه‌ای باشد که متحمل شکافت حاصله از نوترون بشود.

پنج نوکلئید شکافت پذیر وجود دارند که در حال حاضر در راکتورها بکار می‌روند.

232Th ، 233U ، 235U ، 238U ، 239Pu .

برخی از این نوکلئیدها برای شکافت حاصله از نوترونهای حرارتی و برخی نیز برای شکافت حاصل از نوترونهای سریع می‌باشند.

تفاوت بین سوخت یک خاصیت در دسته‌بندی راکتورها است.

در کنار قابلیت شکافت ، سوخت بکار رفته در راکتور هسته‌ای باید بتواند نیازهای دیگری را نیز تأمین کند.

سوخت باید از نظر مکانیکی قوی ، از نظر شیمیایی پایدار و در مقابل تخریب تشعشعی مقاوم باشد، تا تحت تغییرات فیزیکی و شیمیایی محیط راکتور قرار نگیرد.

هدایت حرارتی ماده باید بالا باشد بطوری که بتواند حرارت را خیلی راحت جابجا کند.

همچنین امکان بدست آوردن ، ساخت راحت ، هزینه نسبتا پایین و خطرناک نبودن از نظر شیمیایی از دیگر فایده‌های سوخت است.

غلاف سوخت راکتور سوختهای هسته‌ای مستقیما در داخل راکتور قرار داده نمی‌شوند، بلکه همواره بصورت پوشیده شده مورد استفاده قرار می‌گیرند.

پوشش یا غلاف سوخت ، کند کننده و یا خنک کننده از آن جدا می‌سازد.

این امر از خوردگی سوخت محافظت کرده و از گسترش محصولات شکافت حاصل از سوخت پرتو دیده به محیط اطراف جلوگیری می‌کند.

همچنین این غلاف می‌تواند پشتیبان ساختاری سوخت بوده و در انتقال حرارت به آن کمک کند.

ماده غلاف همانند خود سوخت باید دارای خواص خوب حرارتی و مکانیکی بوده و از نظر شیمیایی نسبت به برهمکنش با سوخت و مواد محیط پایدار باشد.

همچنین لازم است غلاف دارای سطح مقطع پایینی نسبت به بر همکنشهای هسته‌ای حاصل از نوترون بوده و در مقابل تشعشع مقاوم باشد.

مواد کند کننده نوترون یک کند کننده ماده‌ای است که برای کند یا حرارتی کردن نوترونهای سریع بکار می‌رود.

هسته‌هایی که دارای جرمی نزدیک به جرم نوترون هستند بهترین کند کننده می‌باشند.

کند کننده برای آنکه بتواند در راکتور مورد استفاده قرار گیرد بایستی سطح مقطع جذبی پایینی نسبت به نوترون باشد.

با توجه به خواص اشاره شده برای کند کننده ، چند ماده هستند که می‌توان از آنها استفاده کرد.

هیدروژن ، دوتریم ، بریلیوم و کربن چند نمونه از کند کننده‌ها می‌باشند.

از آنجا که بریلیوم سمی است، این ماده خیلی کم به عنوان کند کننده در راکتور مورد استفاده قرار می‌گیرد.

همچنین ایزوتوپهای هیدروژن ، به شکل آب و آب سنگین و کربن ، به شکل گرافیت به عنوان مواد کند کننده استفاده می‌شوند.

خنک کننده‌ها گرمای حاصله از شکافت در محیط راکتور یا باید از سوخت زدوده شود و یا در نهایت این گرما بقدری زیاد شود که میله‌های سوخت را ذوب کند.

حرارتی که از سوخت گرفته می‌شود ممکن است در راکتور قدرت برای تولید برق بکار رود.

از ویژگیهایی که ماده خنک کننده باید داشته باشد، هدایت حرارتی آن است تا اینکه بتواند در انتقال حرارت مؤثر باشد.

همچنین پایداری شیمیایی و سطح مقطع جذب پایین‌تر از نوترون دو خاصیت عمده ماده خنک کننده است.

نکته دیگری که باید به آن اشاره شود این است که این ماده نباید در اثر واکنشهای گاما دهنده رادیواکتیو شوند.

از مایعات و گازها به عنوان خنک کننده استفاده شده‌ است، مانند گازهای دی اکسید کربن و هلیوم.

هلیوم ایده‌آل است ولی پر هزینه بوده و تهیه مقادیر زیاد آن مشکل است.

خنک کننده‌های مایع شامل آب ، آب سنگین و فلزات مایع هستند.

از آنجا که برای جلوگیری از جوشیدن آب فشار زیادی لازم است خنک کننده ایده‌آلی نیست.

مواد کنترل کننده شکافت برای دستیابی به فرآیند شکافت کنترل شده و یا متوقف کردن یک سیستم شکافت پس از شروع ، لازم است که موادی قابل دسترس باشند که بتوانند نوترونهای اضافی را جذب کنند.

مواد جاذب نوترون بر خلاف مواد دیگر مورد استفاده در محیط راکتور باید سطح مقطع جذب بالایی نسبت به نوترون داشته باشند.

مواد زیادی وجود دارند که سطح مقطع جذب آنها نسبت به نوترون بالاست، ولی ماده مورد استفاده باید دارای چند خاصیت مکانیکی و شیمیایی باشد که برای این کار مفید واقع شود.

انواع راکتورها راکتورها بر حسب نوع فرآیند شکافت به راکتورهای حرارتی ، ریع و میانی (واسطه) ، بر حسب مصرف سوخت به راکتورهای سوزاننده ، مبدل و زاینده ، بر حسب نوع سوخت به راکتورهای اورانیوم طبیعی ، راکتورهای اورانیوم غنی شده با 235U (راکتور مخلوطی Be) ، بر حسب خنک کننده به راکتورهای گاز (CO2مایع (آب ، فلز) ، بر حسب فاز سوخت کند کننده‌ها به راکتورهای همگن ، ناهمگن و بالاخره بر حسب کاربرد به راکتورهای قدرت ، تولید نوکلید و تحقیقاتی تقسیم می‌شوند.

کاربردهای راکتورهای هسته‌ای راکتورها انواع مختلف دارند برخی از آنها در تحقیقات ، بعضی از آنها برای تولید رادیو ایزتوپهای پر انرژی برخی برای راندن کشتیها و برخی برای تولید برق بکار می‌روند.

دوگروه اصلی راکتورهای هسته‌ای بر اساس تقسیم بندی کاربرد آنها.

راکتورهای قدرت و راکتورهای تحقیقاتی هستند.

راکتورهای قدرت مولد برق بوده و راکتورهای تحقیقاتی برای تحقیقات هسته‌ای پایه ، مطالعات کاربردی تجزیه‌ای و تولید ایزوتوپها مورد استفاده قرار می گیرند مقدمه 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 (نیروگاه 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 هسته‌ای 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.

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.

حتما این نوترونهای سریع باید کند 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.

انرژی هسته‌ای از عمده‌ترین مباحث علوم و تکنولوژی هسته‌ای است و هم اکنون نقش عمده‌ای را در تأمین انرژی کشورهای مختلف خصوصا کشورهای پیشرفته دارد.

اهمیت انرژی و منابع مختلف تهیه آن ، در حال حاضر جزء رویکردهای اصلی دولتها قرار دارد.

به عبارت بهتر ، از مسائل مهم هر کشور در جهت توسعه اقتصادی و اجتماعی بررسی ، اصلاح و استفاده بهینه از منابع موجود انرژی در آن کشور است.

امروزه بحرانهای سیاسی و اقتصادی و مسائلی نظیر محدودیت ذخایر فسیلی ، نگرانیهای زیست محیطی ، ازدیاد جمعیت ، رشد اقتصادی ، همگی مباحث جهان شمولی هستند که با گستردگی تمام فکر اندیشمندان را در یافتن راهکارهای مناسب در حل معظلات انرژی در جهان به خود مشغول داشته اند.

در حال حاضر اغلب ممالک جهان به نقش و اهمیت منابع مختلف انرژی در تأمین نیازهای حال و آینده پی برده و سرمایه گذاریها و تحقیقات وسیعی را در جهت سیاستگذاری ، استراتژی و برنامه‌های زیربنایی و اصولی انجام می‌دهند.

هم اکنون تدوین استراتژی که مرکب از بررسی تمامی پارامترهای تأثیر گذار در انرژی و تعیین راهکارهای مناسب جهت تمیزتر و کاراتر نمودن انرژی و الگوی بهینه مصرف آن می‌باشد، در رأس برنامه‌های زیربنایی اکثر کشورهای جهان قرار دارد.

در میان حاملهای مختلف انرژی ، انرژی هسته‌ای جایگاه ویژه‌ای دارد.

هم اکنون بیش از 430 نیروگاه هسته‌ای در جهان فعال می‌باشند و انرژی برخی کشورها مانند فرانسه عمدتا از برق هسته‌ای تأمین می‌شود.

ذخایر و سرمایه گذاری جهانی انرژی براساس گزارش وزارت صنایع فرانسه ، هزینه یک نیروگاه هسته‌ای 1400 مگا واتی معادل 15.4 میلیارد فرانک ، یک نیروگاه گاز سوز با همین ظرفیت 4.3 میلیارد فرانک و یک نیروگاه زغال سنگ یوز با ظرفیت مشابه 9 میلیارد فرانک ارزش دارد.

در مقابل ، این امتیاز برای گاز ارمغانی به همراه ندارد.

زیرا هزینه تولید هر کیلو وات ساعت برق تا 70 درصد به قیمت سوخت بستگی دارد.

بر اساس مطالعات انجام گرفته ، 43 سال دیگر نفت ، 66 سال دیگر گاز طبیعی و 233 سال دیگر زغال سنگ تمام خواهد شد، اما هنوز می‌توان ذخایر تازه کشف کرد.

اورانیوم مورد نیاز تا 60 سال دیگر وجود دارد.

رآکتورهایی که از نوترونهای سریع استفاده می‌کنند (سوپر _ فیکس در فرانسه) قادرند از یک واحد حجم اورانیوم ، هفتاد بار بیشتر از رآکتورهای کنونی انرژی بگیرند.

نفت 34 درصد ، زغال سنگ 31 درصد ، گاز 22 درصد ، انرژی هسته‌ای 6 درصد ، سایر انرژیها 7 درصد.

تکثیر هسته‌ای به منظور کاهش هزینه‌ها در مورد تولید انرژی باید به این نکته توجه کنیم که این انرژی چه خدماتی را ارائه می‌کند و با کدام هزینه ، که اکثرا مردم به دنبال خدمات بیشتر با دستیابی آسان و ایمنی بالا با هزینه کمتر هستند.

در حال حاضر تولید برق گازی ارزانتر از دیگر سوختها می‌باشد و با سوخت زغال سنگ بیشترین هزینه را دارد.

البته اگر موضوع عوارض آلودگی گاز کربنیک را فراموش نکنیم.

در صورت وضع این مالیات ، بهای تولید گازی برق افزایش می‌یابد.

در این میان انرژی هسته‌ای ، تقریبا از هرگونه بحران این چنینی به دور است.

برای ساخت یک بمب هسته‌ای با کمترین هزینه ، علاوه بر داشتن تأسیسات مربوطه ، لازم است پلوتونیومی در اختیار داشت که میزان ایزوتوپ 240 آن بیشتر باشد.

این پلوتونیوم را می‌توان در یک رآکتور هسته‌ای غیر نظامی نیز تولید کرد.

به همین دلیل است که آژانس بین‌المللی انرژی اتمی در وین ، پیوسته رآکتورهای جهان را کنترل می‌کند.

کاربردهای علوم و تکنولوژی هسته‌ای علیرغم پیشرفت همه جانبه علوم و فنون هسته‌ای در طول نیم قرن گذشته ، هنوز این تکنولوژی در اذهان عمومی ناشناخته مانده است.

وقتی صحبت از انرژی اتمی به میان می‌آید، اغلب مردم ابر قارچ مانند حاصل از انفجارات اتمی و یا راکتورهای اتمی برای تولید برق را در ذهن خود مجسم می‌کنند و کمتر کسی را می‌توان یافت که بداند چگونه جنبه‌های دیگری از علوم هسته‌ای در طول نیم قرن گذشته زندگی روزمره او را دچار تحول نموده است.

اما حقیقت در این است که در طول این مدت در نتیجه تلاش پیگیر پژوهشگران و مهندسین هسته‌ای، این تکنولوژی نقش مهمی را در ارتقاء سطح زندگی مردم ، رشد صنعت و کشاورزی و ارائه خدمات پزشکی ایفاء نموده است.

استفاده صلح آمیز از انرژی هسته‌ای موارد زیر از مهمترین استفاده‌های صلح آمیز از علوم و تکنولوژی هسته‌ای می‌باشند: استفاده از انرژی حاصل از فرآیند شکافت هسته اورانیوم یا پلوتونیوم در راکتورهای اتمی جهت تولید برق و یا شیرین کردن آب دریاها.

استفاده از رادیوایزوتوپها در پزشکی ، صنعت و کشاورزی استفاده از پرتوهای ناشی از فرآیندهای هسته‌ای در پزشکی ، صنعت و کشاورزی مزایا و معایب انرژیهای فسیلی و هسته‌ای نیروی هسته‌ای با وجود خطرها و محدودیتها ، به دلیل تولید نکردن گاز گلخانه‌ای ، بر انرژیهای فسیلی برتری دارد.

سوختهای فسیلی با تولید گازهای گلخانه‌ای در افزایش تعداد طوفانها و تغییرات آب و هوایی شدید خیلی موثر می‌باشد.

گازهای گلخانه‌ای امتیاز و برتری انرژی هسته‌ای در این است که حتی یک مولکول گاز کربنیک از راکتور هسته‌ای به هوا نمی‌رود.

در عوض اورانیوم مورد نیاز این راکتور باید با کامیونهایی که سوخت فسیلی (نفت) می سوزانند، حمل و نقل گردد.

همچنین مراحلی که برای کار با اورانیوم انجام می‌شود، به سوخت نفتی نیازمند است.

در مجموع هر کیلو وات ساعت برق هسته‌ای حدود 25 گرم گاز گلخانه‌ای تولید می‌کند.

هر کیلو وات ساعت برف زغال سنگ سوز ، 650 تا 1250 گرم گاز کربینیک تولید می‌کند.

همچنین برای تولید هر کیلو وات ساعت برق از نیروگاههای گاز سوز، 450 تا 650 گرم گاز کربنیک انتشار می‌یابد.

زباله‌ها یک نیروگاه هسته‌ای صد مگاواتی سالانه پانصد تن زباله با درجه رادیو اکتیو ضعیف ، دویست تن زباله با درجه رادیواکتیو متوسط و 25 تن زباله با درجه رادیواکتیو شدید تولید می‌کند.

در مقایسه ، یک نیروگاه برق زغال سنگ سوز 350 هزار تن زباله سخت (زباله‌های معدنی ، خاکستر و تفاله آهن) که صدها کیلو فلز سنگین نیز در میان آنها وجود دارد ، تولید می‌کند.

البته پیشرفتهای فنی باید اجازه دهد که از این میزان زباله کاسته شود.

با وجود این سوخت فسیلی از نظر تولید زباله پر بار هستند.

اما گاز ، بجز گاز کربنیک ، تقریبا زباله یا تولید جانبی خطرناکی ندارد.

رادیو اکتیویته نامرئی است، اما حتی ضعیفترین درجه رادیو اکنیویته که ممکن است برای محیط زیست مضر باشد، قابل ردیابی است.

در نتیجه نیروگاههای هسته‌ای را می‌توان به خوبی کنترل کرد و در واقع کشف خطر آنها راحتتر از نیروگاههای گرمایی کلاسیک است.

بهداشت و سلامتی انرژی هسته‌ای با مصارف غیر نظامی تا به حال کمتر از انرژیهای فسیلی قربانی گرفته است.

یک نیروگاه هسته‌ای در شرایط فعالیت معمول و سالم مواد رادیواکتیو ساطع می‌کند.

ولی میزان آسیب پذیری به مراتب کمتر از آزمایشهای رادیولوژیک و رادیواکتیویته طبیعی (رادون) است.

سوختهای فسیلی نیز مقادیر زیادی از آلوده کننده‌های خطرناک را در هوا می‌پراکند که مضرات زیادی داشته و در اکثر موارد کشنده نیز می‌باشد.

آسیبهای وارد شده به زمین طی مطالعات انجام گرفتته آسیبهای ناشی از سوختهای فسیلی با در نظر گرفتن آسیبهای مربوط به گازهای گلخانه‌ای تقریبا تا دو برابر آسیبهای انرژی هسته‌ای می‌باشد.

عمده کاربردهای انرژی هسته‌ای انرژی هسته‌ای دارای کاربرد متعددی است که در یک تقسیم بندی کلی می‌توان کاربردهای نظامی و غیر نظامی یا صلح جویانه را برای آن نام برد.

از آنجا که سیاست ج.ا.ایران استفاده صلح آمیز از مواد و انرژی هسته‌ای است، بحث این نوشتار پیرامون کاربردهای صلح آمیز انرژی هسته‌ای با تکیه بر فعالیتهای هسته‌ای صلح آمیز ج.ا.ایران می‌باشد.

انرژی هسته‌ای بصورت صلح جویانه موارد مصرف گوناگونی دارد که به شرح آنها می‌پردازیم.

(شایان ذکر است که آژانس بین المللی انرژی اتمی در این حوزه تحقیقات متعددی را انجام داده است که به مراحل کاربردی نیز رسیده‌اند.) انرژی اتمی کاربردهای وسیعی در علوم و صنایع مختلف (پزشکی ، داروسازی ، صنایع غذایی ،‌ شاخه‌های مختلف صنعت ، کشاورزی ، رد یابی و ...) داشته و از این نظر خیلی حائز اهمیت است.

به عنوان مثال برای رد یابی محل نشت در لوله‌های انتقال نفت و یا گاز که در زیر زمین بوده ، خیلی راحت با آشکار سازی نوترونهایی که به داخل لوله‌ها تزریق شده و از محل نشت خارج می‌شوند، پی برده و ...

.

کاربرد انرژی اتمی در بخش بهداشتی بر طبق آمارهای سازمان بهداشت جهانی ، میزان افراد سرطانی در کشورهای در حال توسعه تا سال 2015 هر ساله 10 میلیون نفر افزایش می‌یابد.

این در حالی است که شیوه‌های زندگی در حال تغییر است.

اکثر کشورهای در حال توسعه دارای متخصصین کافی در این زمینه یا دستگاههای رادیو تراپی نمی‌باشند تا بتوانند بطور موثر و ایمن با بیماران سرطانی خود تعامل کنند.

در حدود 15 کشور آفریقایی و جند کشور آسیایی ، حتی یک رادیو تراپی نیز وجود ندارد.

آژانس بین المللی انرژی اتمی در این زمینه برای کمک به کشورها برنامه‌هایی را تدارک دیده است.

همجنین از تکنیکهای هسته‌ای در داروهای هسته‌ای نیز استفاده می‌شود و در طول سال اخیر آزانس 5 دوره آزمایش فقط در آسیای غربی در این خصوص برگذار نموده است.