دانلود تحقیق آشنایی با انرژی هسته ای و استفاده های صلح جویانه از آن در صنعت و اقتصاد

مقدمه

انرژی هسته ای از عمده ترین مباحث علوم و تکنولوژی هسته ای است و هم اکنون نقش عمده ای 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، بررسی، اصلاح و استفاده بهینه از منابع موجود انرژی، از مسائل مهم هر کشور در جهت توسعه اقتصادی و اجتماعی است. امروزه بحران­های سیاسی و اقتصادی و مسائلی نظیر محدودیت ذخایر فسیلی، نگرانی­های زیست محیطی، ازدیاد جمعیت، همگی مباحث جهان شمولی هستند که با گستردگی تمام فکر اندیشمندان را در یافتن راه کارهای مناسب برای حل معظلات انرژی در جهان به خود مشغول داشته اند.

در حال حاضر اغلب کشورهای جهان به نقش و اهمیت منابع مختلف انرژی در تأمین نیازهای حال و آینده پی برده و سرمایه گذاری ها و تحقیقات وسیعی را در جهت سیاست گذاری، استراتژی و برنامه های زیربنایی و اصولی انجام می دهند. در میان حامل­های مختلف انرژی، انرژی هسته ای جایگاه ویژه ای دارد. هم اکنون بیش از 430 نیروگاه هسته ای در جهان فعال می باشند و انرژی برخی کشورها مانند فرانسه عمدتا از برق هسته­ای تأمین می شود.

جمهوری اسلامی ایران بیش از سه دهه است که تحقیقات متنوعی را در زمینه های مختلف علوم و تکنولوژی هسته ای انجام داده و براساس استراتژی خود، مصمم به ایجاد نیروگاه­های هسته ای به ظرفیت کل 6000 مگاوات تا سال 1400 هجری شمسی می باشد. در این زمینه، جمهوری اسلامی ایران در نشست گذشته آژانس بین المللی انرژی اتمی، تمایل خود را نسبت به همکاری تمامی کشورهای جهان جهت ایجاد این نیروگاه­ها و تهیه سوخت مربوطه رسما" اعلام نموده است.

2- سوخت هسته ای

استفاده از سوخت هسته­ای برای تولید انرژی، با به کارگیری اولین راکتورهای قدرت در دهه 60 میلادی شروع شد و تولید و مصرف آن به طور پیوسته رو به افزایش بوده است.

پایه صنعت انرژی هسته­ای مبتنی بر استفاده از انرژی درونی اورانیوم می­باشد. بر حسب نوع راکتور نیروگاه اتمی، قسمت اصلی این انرژی و یا بخش کوچکی از آن مورد استفاده قرار می­گیرد.

یکی از تفاوت های اساسی سوخت هسته­ای با سوخت فسیلی، پدیده شکافت هسته­ای در سوخت است. با تولید انرژی به وسیله شکافت، ساختار سوخت به صورت آرام ولی پیوسته تغییر کرده و پاره های شکافت رادیو اکتیو را به وجود می­آورد. از این حهت رعایت مسایل ایمنی و پیش بینی جداره های بازدارنده متوالی در راکتور برای جلوگیری از پخش مواد رادیواکتیو ضروری است.

یکی دیگر از ویژگی های سوخت هسته­ای، امکان استفاده از آن در یک مدار بسته یا چرخه سوخت است. با بازفرایابی سوخت مصرف شده که در حال حاضر در کشورهای صنعتی انجام می­گردد، اورانیوم مصرف نشده و پلوتونیوم تولید شده در راکتور برای مصرف دوباره، برگشت داده می­شود.

در راکتورهای هسته­ای از شکافت هسته­ای برای تولید انرژی گرمایی استفاده می­شود. این انرژی حرارتی به وسیله توربین به انرژی مکانیکی و توسط ژنراتور به انرژی الکتریکی تبدیل می­شود. بنابراین، راکتورهای هسته­ای همان نقشی را در نیروگاه هسته­ای ایفاد می­کنند که دیگهای بخار در نیروگاه­ های حرارتی با سوخت فسیلی به عهده دارند. تفاوت نیروگاه­های هسته­ای با حرارتی در نوع سوخت مصرفی آنهاست که در اولی از سوفت هسته­ای و در دومی از مواد نفتی، گاز یا زغال سنگ استفاده می­شود.

ماده اصلی که برای سوخت راکتورها به کارمی­رود، اورانیوم یا ترکیباتی از این فلز است که به علت خاصیتی که در جذب نوترون و شکافت هسته­ای دارد، مورد استفاده قرار می­گیرد. اورانیوم یک ماده رادیواکتیو است که در طبیعت یافت می­شود. پلوتونیوم فلز دیگری است که برای سوخت در راکتورهای قدرت به کار می­رود ولی این فلزکه آن هم رادیواکتیو است، در طبیعت یافت نمی­شود و از واکنش های هسته­ای اورانیوم به وجود می­آید.

3- انرژی هسته ای

انرژی به دست آمده از فعل و انفعالات هسته ای را انرژی هسته ای می گویند. این انرژی از دو منشا می تواند سرچشمه بگیرد. یکی شکافت هسته  اتمهای سنگین و دیگر همجوشی یا گداخت هسته اتمهای سبک، که به اختصار به این دو فعل و انفعال هسته ای که به تولید انرژی هسته ای منجر می گردند پرداخته می شود.

3-1 شکافت هسته ای

پس از کشف نوترون توسط"چاودیک" در سال 1932، هان و استراسمن، دانشمندان آلمانی، در سال 1939 طی مقاله ای نشان دادند که این ذره می تواند عناصر سنگینی از قبیل اورانیوم را شکافته و آنها را به عناصر دیگر با جرم کمتر تبدیل نماید. شکافت اورانیوم که علاوه بر آزادسازی انرژی یا گسیل چند نوترون نیز همراه می شود، منشا تحولات بسیاری در قرن اخیر شده است.  در طی تحقیقاتی که قبل از جنگ جهانی دوم به ویژه در فرانسه و آلمان انجام گرفت، محقق گشت که نوترونهای آزاد شده می توانند تحت شرایط مناسب برای ایجاد شکافت در دیگر هسته های اورانیوم مورد استفاده قرار گیرند و بدین ترتیب یک واکنش زنجیره ای را می توان آغاز نمود که باعث آزادسازی مقدار قابل ملاحظه ای انرژی گردد.

این شکافت بیشتر مربوط به 235-U (اورانیوم با جرم اتمی 235) بود و وجود یک حداقل جرمی از اورانیوم برای یک واکنش زنجیره ای لازم به نظر می رسید. این حداقل را جرم بحرانی نامیدند. در طول جنگ جهانی دوم، این تحقیقات در کشورهای انگلستان، کانادا و عمدتا آمریکا ادامه یافت و نتیجتا به ساخت اولین راکتور اتمی در زیرزمین دانشگاه شیکاگو توسط فرمی و چندی بعد به تولید اولین بمب اتمی منجر گردید که بطور موفقیت آمیزی فجایع اسف بار هیروشیما و ناکازاکی را بوجود آورد. راکتور اتمی نمونه بارز استفاده صلح آمیز از انرژی اتمی بود در حالیکه بمب اتمی به وضوح استفاده غیرصلح آمیز آن را آشکار می ساخت. به هرحال هر دوی این فرآیندها به تولید انرژی هسته ای که ناشی از شکافت هسته اتم­های سنگین بود منجر گشتند، البته یکی کنترل شده (راکتور اتمی) و دیگری کنترل نشده (بمب اتمی) به حساب می آمد.

fission + 2 or 3 n + 200 MW MeV  U235 + n

نحوه شکافت اورانیوم 235 توسط نوترون کند

3-2 همجوشی یا گداخت هسته ای

همجوشی یا گداخت هسته ای را می توان به عنوان فرآیند عکس شکافت هسته ای قلمداد کرد، یعنی فرآیندی که در آن دست کم یکی از محصولات واکنش هسته ای ازهر یک از مواد واکنش زای اولیه پر جرمتر باشد. گداخت هسته ای در مواردی که جرم کل هسته های محصول از جرم کل مواد واکنش زا کمتر باشد منجر به رهایی انرژی خواهد شد. فعل و انفعالاتی که در ستاره ها رخ می دهد و منجر به تولید انرژی بسیار زیادی می گردد، شناخته شده ترین و بارزترین نمونه های همجوشی یا گداخت هسته ای است.

گداخت هسته ای را سرچشمه انرژی فردا می دانند. از محسنات راکتورهای گداخت، درجه بالای ایمنی آنهاست و برخلاف راکتورهای شکافت هسته ای که پسمان­های رادیو اکتیو بسیاری تولید می کنند، پسمان راکتورهای گداخت مقدار کمی هلیوم غیر رادیواکتیو است.

4- نیروگاه اتمی  برق

از مهمترین منابع استفاده صلح آمیز از انرژی اتمی، ساخت راکتورهای هسته ای جهت تولید برق می باشد. امروزه نیروگاه های قدرت بیشتر برای تولید نیروی برق به کار می­روند و همانند نیروگاه های بخاری، در نیروگاه اتمی نیز بخار برای راه اندازی توربین مصرف می­شود و انرژی چرخشی آن در یک ژنراتور به انرژی الکتریکی تبدیل می­گردد. برخلاف یک نیروگاه معمولی فسیلی، در نیروگاه هسته­ای انرژی حرارتی برای تولید بخار توسط سوختن شیمیایی موادی مانند ذغال سنگ، نفت و گاز ایجاد نشده، بلکه توسط شکافته شدن هسته­های عناصر سنگین مانند اورانیوم، حاصل و توسط سیال خنک کننده برداشت می­شود.

بنابراین تفاوت اصلی نیروگاه اتمی با نبروگاه­های حرارتی عادی در روش تولید انرژی حرارتی آن می­باشد. در نیروگاه­های حرارتی از سوخت های فسیلی همچون نفت، گاز یا ذغال سنگ استفاده می­شود ولی در نیروگاه اتمی حرارت به وسیله واکنش­های زنجیره­ای کنترل شده ایجاد می­گردد و طی آنها هسته­های لازم برای تولید جریان الکتریکی شکافته می­شوند.

راکتور یک ساختار فلزی است در آن سوخت هسته­ای، ماده کند کننده نوترون­ها و ماده خنک کننده در کنار یکدیگر قرار گرفته اند. محدوده سوخت هسته ای یک راکتور را که در آنجا واکنش هسته­ای رخ داده وانرژی گرمایی تولید می­شود، قلب راکتور می­گویند.

انرژی گرمایی تولید شده در راکتور توسط ماده خنک کننده ( آب، آب سنگین، گاز و ...) به یک مبدل گرمایی منتقل و در آنجا توسط بخار آب به توربین منتقل می­شود. بخار آب بخشی از انرژی گرمایی خود را به پره­های توربین منتقل کرده و محور توربین را به گردش در می­آورد. راکتور هسته­ای و مبدل گرمایی را یک ساختار بتنی به نام پوشش ایمنی احاطه می­کند تا در صورت بروز حادثه، از پخش مواد رادیواکتیو به محیط اطراف جلوگیری شود.

راکتورهسته ای وسیله ای است که در آن فرآیند شکافت هسته ای بصورت کنترل شده انجام می گیرد. در طی این فرآیند انرژی زیادی آزاد می گردد. به نحوی که مثلا در اثر شکافت نیم کیلوگرم اورانیوم انرژی معادل بیش از 1500 تن زغال سنگ به دست می آید. هم اکنون در سراسر جهان، راکتورهای متعددی در حال کار وجود دارند که بسیاری از آنها برای تولید قدرت و به منظور تبدیل آن به انرژی الکتریکی، پاره ای برای راندن کشتیها و زیردریائیها، برخی برای تولید رادیو ایزوتوپوپها و تحقیقات علمی و گونه هایی نیز برای مقاصد آزمایشی و آموزشی مورد استفاده قرار می گیرند. در راکتور های هسته ای که برای نیروگاه ­های اتمی طراحی شده اند (راکتورهای قدرت)، اتمهای اورانیوم و پلوتونیم توسط نوترونها شکافته می شوند و انرژی آزاد شده گرمای لازم را برای تولید بخار ایجاد کرده و بخار حاصله برای چرخاندن توربین­های مولد برق به کار گرفته می شوند.