انرژی هستهای (به انگلیسی: Nuclear Energy)، انرژی گرمایی آزاد شده حاصل از شکافت اتم اورانیوم است که از آن برای تولید بخار آب و گرداندن توربینهای تولید برق استفاده میشود. اورانیوم معدنی، طی فرآیندی در تأسیسات فرآوری باید به گاز هگزافلوراید یا uf6 تبدیل شود، و سپس با تزریق به شبکهای از سانتریفیوژها غنی شده و سپس قابل استفاده است.البته فقط اورانیم نیست که با آن می توان انرژی هستهای تولید کرد.مثلاَ از پولوتونیم یا دیگر رادیواکتیو ها نیز می توان انرژی هستهای تولید نمود. این انرژی در دسته انرژیهای نیمهپاک و غیرقابل تجدید تقسیم بندی میشود. به این دلیل نیمه پاک که زباله ها و پس ماندهای آن هزاران سال در محیط زیست باقی مانده و برای سلامت موجودات زنده بسیار خطرناک هستند. با وجود این پس از مقایسه آماری بین خطرات همه انواع انرژی، انرژی هستهای جزو بهترین گزینه های موجود بشمار میآید.شما احتمالاً در كتابهاي تاريخ خواندهايد كه بمب هستهاي در جنگ جهاني دوم توسط آمريكا عليه ژاپن بكار رفت و ممكن است فيلمهايي را ديده باشيد كه در آنها بمبهاي هستهاي منفجر ميشوند. درحاليكه در اخبار ميشنويد، برخي كشورها راجع به خلع سلاح اتمي با يكديگر گفتگو ميكنند، كشورهايي مثل هند و پاكستان سلاحهاي اتمي خود را توسعه ميدهند.
ما ديدهايم كه اين وسايل چه نيروي مخرب خارقالعادهاي دارند، ولي آنها واقعاً چگونه كار ميكنند؟ در اين بخش خواهيد آموخت كه بمب هستهاي چگونه توليد ميشود و پس از يك انفجار هستهاي چه اتفاقي ميافتد؟
مبانی
انرژي هستهاي به 2 روش توليد ميشود:
1- شكافت هستهاي: در اين روش هسته يك اتم توسط يك نوترون به دو بخش كوچكتر تقسيم ميشود. در اين روش غالباً از عنصر اورانيوم استفاده ميشود.
2- گداخت هستهاي: در اين روش كه در سطح خورشيد هم اجرا ميشود، معمولاً هيدروژنها با برخورد به يكديگر تبديل به هليوم ميشوند و در اين تبديل، انرژي بسيار زيادي بصورت نور و گرما توليد ميشود.
در شكل زير نمونه اي از شكافت هسته اتم اورانيوم نمايش داده شده است:
و در شكل زير گداخت هستهاي اتمهاي هيدروژن و تبديل آنها به هليوم 3 و الكترون آزاد نمايش داده شده است:
طراحي بمبهاي هستهاي:
براي توليد بمب هستهاي، به يك سوخت شكافتپذير يا گداختپذير، يك وسيله راهانداز و روشي كه اجازه دهد تا قبل از اينكه بمب خاموش شود، كل سوخت شكافته يا گداخته شود نياز است.
بمبهاي اوليه با روش شكافت هستهاي و بمبهاي قويتر بعدي با روش گداخت هستهاي توليد شدند. ما در اين بخش دو نمونه از بمب هاي ساخته شده را بررسي مي كنيم:
بمب شكافت هستهاي :
1- بمب هستهاي (پسر كوچك) كه روي شهر هيروشيما و در سال 1945 منفجر شد.
2- بمب هستهاي (مرد چاق) كه روي شهر ناكازاكي و در سال 1945 منفجر شد.
بمب گداخت هستهاي : 1- بمب گداخت هستهاي كه در ايسلند بصورت آزمايشي در سال 1952 منفجر شد.
بمبهاي شكافت هستهاي:
بمبهاي شكافت هستهاي از يك عنصر شبيه اورانيوم 235 براي انفجار هستهاي استفاده ميكنند. اين عنصر از معدود عناصري است كه جهت ايجاد انرژي بمب هستهاي استفاده ميشود. اين عنصر خاصيت جالبي دارد: هرگاه يك نوترون آزاد با هسته اين عنصر برخورد كند ، هسته به سرعت نوترون را جذب ميكند و اتم به سرعت متلاشي ميشود. نوترونهاي آزاد شده از متلاشي شدن اتم ، هستههاي ديگر را متلاشي ميكنند.
زمان برخورد و متلاشي شدن اين هستهها بسيار كوتاه است (كمتر از ميلياردم ثانيه ! ) هنگامي كه يك هسته متلاشي ميشود، مقدار زيادي گرما و تشعشع گاما آزاد ميكند.
مقدار انرژي موجود در يك پوند اورانيوم معادل يك ميليون گالن بنزين است!
در طراحي بمبهاي شكافت هستهاي، اغلب از دو شيوه استفاده ميشود:
روش رها كردن گلوله:
در اين روش يك گلوله حاوي اورانيوم 235 بالاي يك گوي حاوي اورانيوم (حول دستگاه مولد نوترون) قرار دارد.
هنگامي كه اين بمب به زمين اصابت ميكند، رويدادهاي زير اتفاق ميافتد:
1- مواد منفجره پشت گلوله منفجر ميشوند و گلوله به پائين ميافتد.
2- گلوله به كره برخورد ميكند و واكنش شكافت هستهاي رخ ميدهد.
3- بمب منفجر ميشود.
در بمب هيروشيما از اين روش استفاده شده بود. نحوه انفجار اين بمب در شكل زير نمايش داده شده است:
روش انفجار از داخل:
در اين روش كه انفجار در داخل گوي صورت ميگيرد، پلونيم 239 قابل انفجار توسط يك گوي حاوي اورانيوم 238 احاطه شده است.
هنگامي كه مواد منفجره داخلي آتش گرفت رويدادهاي زير اتفاق ميافتد:
1- مواد منفجره روشن ميشوند و يك موج ضربهاي ايجاد ميكنند.
2- موج ضربهاي، پلوتونيم را به داخل كره ميفرستد.
3- هسته مركزي منفجر ميشود و واكنش شكافت هستهاي رخ ميدهد.
4- بمب منفجر ميشود.
بمبي كه در ناكازاكي منفجر شد، از اين شيوه استفاده كرده بود. نحوه انفجار اين بمب، در شكل زير نمايش داده شده است.
بمب گداخت هستهاي: بمبهاي شكافت هستهاي، چندان قوي نبودند!
بمبهاي گداخت هستهاي ، بمب هاي حرارتي هم ناميده ميشوند و در ضمن بازدهي و قدرت تخريب بيشتري هم دارند. دوتريوم و تريتيوم كه سوخت اين نوع بمب به شمار ميروند، هردو به شكل گاز هستند و بنابراين امكان ذخيرهسازي آنها مشكل است. اين عناصر بايد در دماي بالا، تحت فشار زياد قرار گيرند تا عمل همجوشي هستهاي در آنها صورت بگيرد. در اين شيوه ايجاد يك انفجار شكافت هستهاي در داخل، حرارت و فشار زيادي توليد ميكند و انفجار گداخت هستهاي شكل ميگيرد.در طراحي بمبي كه در ايسلند بصورت آزمايشي منفجر شد، از اين شيوه استفاده شده بود. در شكل زير نحوه انفجار نمايش داده شده است.
اثر بمبهاي هستهاي:
انفجار يك بمب هستهاي روي يك شهر پرجمعيت خسارات وسيعي به بار مي آورد . درجه خسارت به فاصله از مركز انفجار بمب كه كانون انفجار ناميده ميشود بستگي دارد.
زيانهاي ناشي از انفجار بمب هستهاي عبارتند از :
- موج شديد گرما كه همه چيز را ميسوزاند.
- فشار موج ضربهاي كه ساختمانها و تاسيسات را كاملاً تخريب ميكند.
- تشعشعات راديواكتيويته كه باعث سرطان ميشود.
- بارش راديواكتيو (ابري از ذرات راديواكتيو كه بصورت غبار و توده سنگهاي متراكم به زمين برميگردد)
دركانون زلزله، همهچيز تحت دماي 300 ميليون درجه سانتيگراد تبخير ميشود! در خارج از كانون زلزله، اغلب تلفات به خاطر سوزش ايجادشده توسط گرماست و بخاطر فشار حاصل از موج انفجار ساختمانها و تاسيسات خراب ميشوند. در بلندمدت، ابرهاي راديواكتيو توسط باد در مناطق دور ريزش ميكند و باعث آلوده شدن موجودات، آب و محيط زندگي ميشود.
دانشمندان با بررسي اثرات مواد راديواكتيو روي بازماندگان بمباران ناكازاكي و هيروشيما دريافتند كه اين مواد باعث: ايجاد تهوع، آبمرواريد چشم، ريزش مو و كمشدن توليد خون در بدن ميشود. در موارد حادتر، مواد راديواكتيو باعث ايجاد سرطان و نازايي هم ميشوند. سلاحهاي اتمي داراي نيروي مخرب باورنكردني هستند، به همين دليل دولتها سعي دارند تا بر دستيابي صحيح به اين تكنولوژي نظارت داشته باشند تا ديگر اتفاقي بدتر از انفجارهاي ناكازاكي و هيروشيما رخ ندهد.
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.
|
روز بخير كاربر مهمان! 
افراد آنلاين: 