آموزش و تولید محتوای الکترونیکی دروس
دنیای پیرامون ما (فیزیک)آموزش و تولید محتوای الکترونیکی دروس
دنیای پیرامون ما (فیزیک)انرژی هسته ای
چرخه سوخت هسته ای چیست؟
اورانیومی که از زمین استخراج می شود، بلافاصله قابل استفاده در نیروگاههای
تولید انرژی نیست. برای آنکه بتوان بیشترین بازده را از اورانیوم به دست آورد، فرآیندهای
مختلفی روی سنگ معدن اورانیوم صورت می گیرد تا غلظت ایزوتوپ
u-235 که قابل شکافت است، افزایش یابد.
چرخه سوخت اورانیوم نسبت به سوخت های رایج دیگر، از جمله ذغال سنگ، نفت و گاز
طبیعی، به مراتب پیچیده تر و متمایزتر است. چرخه سوخت اورانیوم را چرخه سوخت هسته
ای نیز می گویند. چرخه سوخت هسته ای از دو بخش انتهای جلویی و انتهای عقبی ( front end , Back end ) تشکیل شده است.
انتهای جلویی چرخه، مراحلی است که منجر به آماده سازی اورانیوم به عنوان سوخت
رآکتور هسته ای می شود و شامل استخراج از معدن، آسیاب کردن، تبدیل، غنی سازی و تولید
سوخت است.
هنگامی که اورانیوم به عنوان سوخت مصرف شد و انرژی از آن به دست می آمد، انتهای
عقبی چرخه آغاز می شود تا ضایعات هسته ای به انسان و محیط زیست آسیبی نرسانند. این
بخش عقبی شامل انبار داری موقتی، بازفرآوری کردن انبار نهایی است.
اکتشاف و استخراج
ذخایر طبیعی اورانیوم، سنگ معدن اورانیوم است که براساس مقدار قابل استحصال از
معدن محاسبه می شود. با تکنیک ها و روش های زمین شناسی، معدن اورانیوم شناسایی می
شود و نمونه هایی از سنگ معدن به آزمایشگاه فرستاده می شود. در آنجا، محلولی از
سنگ معدن تهیه می کنند و اورانیوم ته نشین شده را مورد بررسی قرار می دهند تا
بفهمند چه مقدار اورانیوم را می توان از آن معدن استخراج کرد و چقدر هزینه می برد.
اورانیوم موجود در طبیعت معمولاً از دو ایزوتوپ
u-235 و u-238 تشکیل می شود که فراوانی
آنها به ترتیب 71/0 درصد و 28/99 درصد است.
هنگامی که معدن شناسایی شد، به سه روش می توان اورانیوم را استخراج کرد:
استخراج از سطح زمین، استخراج ازمعادن زیرزمینی و تصفیه در معدن. دو روش نخست
همانند دیگر روش های استخراج فلزات هستند، ولی در روش سوم که در ایالات متحده
استفاده می شود، سنگ معدن در خود معدن تصفیه می شود و اورانیوم بدست می آید. سنگ
معدن اورانیوم معمولا از اکسید اورانیوم
(u3o8) تشکیل شده است و غلظت آن در سنگ معدن بین 05/0 تا 3/0 درصد تغییر می کند.
البته این تنها منبع اورانیوم نیست. اورانیوم در برخی معادن فسفات با منشأ دریایی
نیز وجود دارد که البته فراوانی بسیار کمی دارد، به طوری که حداکثر به 200 ذره در
میلیون ذره می رسد. از آنجایی که این معادن فسفات مقادیر انبوهی تولید دارند، می
توان اورانیوم را با قیمت معولی استحصال کرد.
آسیاب کردن
پس از استخراج سنگ معدن، تکه سنگ ها به آسیاب فرستاده می شود تا خوب خرد شده،
خرده سنگ هایی که با ابعاد یکسان تولید شود. اورانیوم توسط اسید سولفوریک از دیگر
اتم ها جدا می شود، محلول غنی شده از اورانیوم تصفیه می شود و خشک می شود. محصول
به دست آمده، کنستانتره جامد اورانیوم است که کیک زرد نامیده می شود.
تبدیل
کیک زرد جامد است، ولی مرحله بعد ( غنی سازی ) از تکنولوژی بخصوصی بهره می برد
که نیازمند حالت گازی است. بنابراین کنستانتره اکسید اورانیوم جامد طی فرآیندی شیمیایی
به هگزافلورایداورانیوم ( UF6 ) تبدیل می
شود. UF6 در دمای اتاق جامد است، ولی
در دمایی نه چندان بالا به گاز تبدیل می شود.
غنی سازی
برای ادامه یک واکنش زنجیره هسته ای در قلب یک رآکتور آب سبک، غلظت طبیعی
اورانیوم 235 بسیار اندک است. برای آنکه
UF6 به دست آمده در مرحله تبدیل، به عنوان سوخت هسته ای مورد استفاده قرار گیرد،
باید ایزوتوپ قابل شکافت آن را غنی کرد. البته سطح غنی سازی بسته به کاربرد سوخت
هسته ای متفاوت است. برای یک رآکتور آب سبک، سوختی با 5 درصد اورانیوم 235 مورد نیاز
است؛ در حالی که در یک بمب اتمی، سوخت هسته ای باید حداقل 90 درصد غنی شده باشد.
غنی سازی با استفاده از یک یا چند روش جداسازی ایزوتوپ های سنگین و سبک صورت می
گیرد. در حال حاضر، دو روش رایج برای غنی سازی اورانیوم وجود دارد که عبارتند از
انتشار گاز و سنتریفوژ گاز.
در روش انتشار گازی ( دیفیوژن )، گاز طبیعی
UF6 با فشار بالا از یک سری سدهای انتشاری عبور می کند. این سدها که غشاهای نیمه
تراوا هستند، اتمهای سبک تر را با سرعت بیشتری عبور می دهند، در نتیجه UF6235 سریع تر از
UF6238 عبور می کند. با تکرار این فرآیند در مراحل مختلف گازی نهایی به دست می آید که
غلظت u235 بیشتری دارد. مهم ترین عیب
این روش این است که جداسازی ایزوتوپ های سبک در هر مرحله نرخ نسبتاً پایینی دارد،
لذا برای رسیدن به سطح غنی سازی مطلوب باید این فرآیند را به دفعات زیادی تکرار
کرد که این، خود نیازمند امکانات زیاد و مصرف بالای انرژی الکتریکی است و به دنبال
آن هزینه عملیات نیز بسیار افزایش خواهد یافت.
در روش سانتریفور گاز، گاز
UF6 طبیعی را به مخزن هایی استوایی تزریق می کنند و گاز را با سرعت بسیار زیادی می
چرخانند. نیروی گریز از مرکز موجب می شود
UF6235 که اندکی از UF6238 سبک تر
است، از مولکول سنگین تر جدا شود.
این فرآیند در مجموعه ای از مخزن ها صورت می گیرد و در نهایت، اورانیوم با سطح
غنی شده مطلوب به دست می آید. هر چند روش سنتریفوژ گازی نیازمند تجهیزات گرانقیمتی
است، هزینه انرژی آن نسبت به روش قبلی کمتر است.
امروز فناوری های غنی سازی جدیدی نیز توسعه یافته است، که همگی بر پایه
استفاده از لیزر پیشرفت کرده اند. این روش ها که روش جداسازی ایزوتوپ با لیزر بخار
اتمی (AVLIS) و جداسازی ایزوتوپ
با لیزر مولکولی (MLIS) نام دارند،
می توانند مواد خام بیشتری رادر هر مرحله غنی کنند و سطح غنی سازی آنها نیز بالاتر
است.
ساخت میله های سوخت
تولید میله سوخت، آخرین مرحله انتهای جلویی در چرخه سوخت هسته ای است. اورانیوم
غنی شده که هنوز به شکل UF6 است، باید
به پودر دی اکسید اورانیوم (UO2) تبدیل شود
تا به عنوان سوخت هسته ای قابل استفاده باشد، پودر
UO2 سپس فشرده می شود و به شکل قرص در می آید. قرص های در معرض حرارت با دمای بالا
قرار می گیرند تا به قرص های سرامیکی تبدیل شوند. پس از طی چند فرآیند فیزیکی، قرص
هایی سرامیکی با ابعاد یکسان حاصل می شود. حال، متناسب با طراحی رآکتور و نوع سوخت
مورد نیاز، این قرص های کوچک را در دسته دسته کرده و در لوله ای بخصوص قرار می
دهند. این لوله از آلیاژ بخصوصی ساخته شده است که در برابر خوردگی بسیار مقاوم است
و در عین حال از رسانایی حرارتی بسیار بالایی برخوردار است. حال میله سوخت آماده
شده است و برای استفاده در رآکتور به نیروگاه فرستاده می شود.
انتهای عقبی چرخه سوخت هسته ای: مدیریت زباله های
هسته ای
در نیروگاه هسته ای هم مثل دیگر فعالیت های بشری، ضایعاتی تولید می شود که به
دلیل حساسیت مضاعف زباله های رادیواکتیو، مدیریت زمان ضایعات باید تحت قوانین و
محدودیت های خاصی صورت بگیرد.
در هر هشت مگاوات ساعت انرژی الکتریکی تولید شده در نیروگاه هسته ای، 30 گرم
زباله رادیواکتیو به وجود می آید. برای تولید همین مقدار برق با استفاده از زغال
سنگ پر کیفیت، هشت هزار کیلوگرم دی اکسید کربن تولید می شود که در دما و فشار جو،
3 استخر المپیک را پر می کند. می بینید حجم زباله های رادیواکتیو بسیار کمتر است،
ولی خطر آنها به مراتب بیشتر است و مراقبت از آنها به مراتب بیشتر است و مراقبت از
آنها ضرورتی تر و دشوارتر. زباله های رادیواکتیو براساس مقدار و نوع ماده رادیواکتیو
به 3 گروه تقسیم می شوند:
الف- سطح پایین: لباس حفاظتی، لوازم، تجهیزات و فیلترهایی که حاوی مواد رادیواکتیو با عمر کوتاه هستند. این ها نیازی به پوشش حفاظتی ندارند و معمولاً فشرده شده یا آتش زده می شوند و در چاله های کم عمق دفن شده و انبار می شوند.
ب- سطح متوسط: رزین ها، پس مانده های شیمیایی، پوشش میله سوخت و مواد نیروگاههای برق هسته ای جزو زباله های سطح متوسط طبقه بندی می شوند. اینها عموما عمر کوتاهی دارند، ولی نیاز به پوشش محافظ دارند. این زباله ها را می توان درون بتون قرار داد و در مخزن زباله ها گذاشت.
ج- سطح بالا: همان سوخت مصرف شده راکتورها است و نیاز به پوشش حفاظتی و سردسازی دارند. مراحل مدیریت این ضایعات عبارتند از:
انبارداری موقتی
سوخت مصرف شده که از رآکتور خارج می شود، بسیار داغ و رادیواکتیو است و تشعشع
و یونهای فراوانی را می تاباند. از این رو باید هم آن را سرد کرد و هم از تابیدن
پرتوهای رادیواکتیو آن به محیط جلوگیری کرد. در کتار هر رآکتور، استخرهایی برای
انبار کردن سوخت مصف شده وجود دارد. این استخرها، مخزن هایی بتونی مسلح به لایه های
فولاد زنگ نزن هستند که 8 متر عمق دارند و پر از آب هستند. آب هم میله های سوخت
مصرف شده را خنک می کند و هم به عنوان پوششی حفاظتی در برابر تابش رادیواکتیو عمل
می کند. به مرور زمان، شدت گرما و تابش رادیواکتیو کاهش می یابد، به طوری که پس از
چهل سال، به یک هزارم مقدار اولیه ( زمانی که از رآکتور خارج شده بود ) می رسد.
بازفرآوری انبارنهایی
3 درصد سوخت مصرف شده در یک رآکتور آب سبک را ضایعات بسیار خطرناک رادیواکتیو
است. این مواد را می توان با روش های شیمیایی از یکدیگر جدا کرد و اگر شرایط
اقتصادی و قوانین حقوقی اجازه دهد، می توان سوخت مصرف شده را برای تهیه سوخت هسته
ای جدید بازیافت کرد.
کارخانه هایی در فرانسه و انگلستان وجود دارند که مرحله بازفرآوری سوخت نیروگاههای
کشورهای اروپای و ژاپن را انجام می دهند. البته این کار در ایالات متحده ممنوع است.
رایج ترین شیوه بازفرآوری، purex نام دارد که مخفف عبارت جداسازی اورانیوم و
پلوتونیوم است. ابتدا میله های سوختی را از یکدیگر جدا می کنند و در اسید نیتریک
حل می کنند؛ سپس با استفاده از مخلوطی از فسفات تری بوتیل و یک حلال هیدرو کربن،
اورانیوم و پلوتونیوم مصرف نشده را جدا می کنند و به عنوان سوخت جدید به مراحل تهیه
سوخت می فرستند. ضایعات هسته ای سطح بالا را پس از جدا سازی، حرارت می دهند تا به
پودر تبدیل شود. پس از فرآیند که آهی کردن خوانده می شود، پودر را به شیشه مخلوط می
کنند تا ضایعات را در محفظه ای محبوس کنند. این فرآیند شیشه سازی نام دارد. شیشه
مایع برای ذخیره سازی درون محفظه هایی از جنس فولاد ضد زنگ قرار می گیرند و این
محفظه ها را در منطقه ای پایدار ( از نظر جغرافیایی ) انبار می کنند. پس از یک
هزار سال، شدت تابش های رادیواکتیو ضایعات هسته ای به مقدار طبیعی کاهش پیدا می
کند. این نقطه تا به امروز، انتهای چرخه سوخت هسته ای است.
استفاده اصلی از انرژی هسته‌ای، تولید انرژی
الکتریسته است. این راهی ساده و کارآمد برای جوشاندن آب و ایجاد بخار برای راه‌اندازی
توربین‌های مولد است. بدون راکتورهای موجود در نیروگاههای هسته‌ای، این نیروگاه‌ها
شبیه دیگر نیروگاه‌ها زغال‌سنگی و سوختی می‌شود. انرژی هسته‌ای بهترین کاربرد برای
تولید مقیاس متوسط یا بزرگی از انرژی الکتریکی به‌طور مداوم است. سوخت اینگونه
ایستگاه‌ها را اوانیوم تشکیل می‌دهد.
چرخه سوخت هسته‌ای تعدادی عملیات صنعتی است که تولید الکتریسته را با اورانیوم
در راکتورهای هسته‌ای ممکن می‌کند.
اورانیوم عنصری نسبتاً معمولی و عادی است که در تمام دنیا یافت می‌شود. این
عنصر به‌صورت معدنی در بعضی از کشورها وجود دارد که حتماً باید قبل از مصرف به
صورت سوخت در راکتورهای هسته‌ای، فرآوری شود.
الکتریسته با استفاده از گرمای تولید شده در راکتورهای هسته‌ای و با ایجاد
بخار برای به‌کار انداختن توربین‌هایی که به مولد متصل‌اند تولید می‌شود.
سوختی که از راکتور خارج شده، بعداز این که به پایان عمر مفید خود رسید می‌تواند
به عنوان سوختی جدید استفاده شود.
فعالیت‌های مختلفی که با تولید الکتریسیته از واکنش‌های هسته‌ای همراهند مرتبط
به چرخه‌سوخت هسته‌ای هستند. چرخه سوختی انرژی هسته‌ای با اورانیوم آغاز می‌شود و
با انهدام پسماندههای هسته‌ای پایان می‌یابد. دوبار عمل‌آوری سوخت‌های خرج شده به
مرحله‌های چرخه سوخت هسته‌ای شکلی صحیح می‌دهد.
اورانیوم
اورانیوم فلزی رادیواکتیو و پرتوزاست که در سراسر پوسته سخت زمین موجود است.
این فلز حدوداً 500 بار از طلا فراوان‌تر و به اندازه قوطی حلبی معمولی و عادی
است. اورانیوم اکنون به اندازه‌ای در صخره‌ها و خاک و زمین وجود دارد که در آب
رودخانه‌ها، دریاها و اقیانوس‌ها موجود است. برای مثال این فلز با غلظتی در حدود 4
قسمت در هر میلیون (ppm4) در گرانیت
وجود دارد که 60 درصد از کره زمین را شامل می‌شود، در کودها با غلظتی بالغ بر ppm400 و در ته‌مانده زغال‌سنگ با غلظتی بیش از ppm100 موجود است. اکثر رادیو اکتیویته مربوط به
اورانیوم در طبیعت در حقیقت ناشی از معدن‌های دیگری است که با عملیات رادیواکتیو
به وجود آمده‌اند و در هنگام استخراج از معدن و آسیاب کردن به جا مانده‌اند.
چند منطقه در سراسر دنیا وجود دارد که غلظت اورانیوم موجود در آنها به قدر
کافی است که استخراج آن برای استفاده از نظر اقتصادی به صرفه و امکان‌پذیر است.
این نوع مواد غلیظ، سنگ معدن یا کانه نامیده می‌شوند.
- چرخه سوخت هسته‌ای (شکل هندسی) (عکس)
استخراج اورانیوم
هر دو نوع حفاری و تکنیک‌های موقعیتی برای کشف کردن اورانیوم به کار می‌روند،
حفاری ممکن است به صورت زیرزمینی یا چال‌های باز و روی زمین انجام شود.
در کل، حفاری‌های روزمینی در جاهایی استفاده می‌شود که ذخیره معدنی نزدیک به
سطح زمین و حفاری‌های زیرزمینی برای ذخیره‌های معدنی عمیق‌تر به کار می‌رود. به‌طور
نمونه برای حفاری روزمینی بیشتر از 120 متر عمق، نیاز به گودال‌های بزرگی بر سطح
زمین است؛ اندازه گودال‌ها باید بزرگتر از اندازه ذخیره معدنی باشد تا زمانی که
دیواره‌های گودال محکم شوند تا مانع ریزش آنها شود. در نتیجه، تعداد موادی که باید
به بیرون از معدن انتقال داده شود تا به کانه دسترسی پیدا کند زیاد است.
حفاری‌های زیرزمینی دارای خرابی و اخلال‌های کمتری در سطح زمین هستند و تعداد
موادی که باید برای دسترسی به سنگ معدن یا کانه به بیرون از معدن انتقال داده شوند
به‌طور قابل ملاحظه‌ای کمتر از حفاری نوع روزمینی است.
مقدار زیادی از اورانیوم جهانی از
(ISL) (In Sitaleding) می‌آید. جایی که آب‌های اکسیژنه زیرزمینی در معدن‌های کانه‌ای
پرمنفذ به گردش می‌افتند تا اورانیوم موجود در معدن را در خود حل کنند و آن را به
سطح زمین آورند. (ISL) شاید با
اسید رقیق یا با محلول‌های قلیایی همراه باشد تا اورانیوم را محلول نگهدارد، سپس
اورانیوم در کارخانه‌های آسیاب‌سازی اورانیوم، از محلول خود جدا می‌شود.
در نتیجه انتخاب روش حفاری برای ته‌نشین کردن اورانیوم بستگی به جنس دیواره
معدن کانه سنگ، امنیت و ملاحظات اقتصادی دارد.
در غالب معدن‌های زیرزمینی اورانیوم، پیشگیری‌های مخصوصی که شامل افزایش تهویه
هوا می‌شود، لازم است تا از پرتوافشانی جلوگیری شود.
آسیاب کردن اورانیوم
محل آسیاب کردن معمولاً به معدن استخراج اورانیوم نزدیک است. بیشتر امکانات
استخراجی شامل یک آسیاب می‌شود. هرچه جایی که معدن‌ها قرار دارند به هم نزدیک‌تر
باشند یک آسیاب می‌تواند عمل آسیاب‌سازی چند معدن را انجام دهد. عمل آسیاب‌سازی
اکسید اورانیوم غلیظی تولید می‌کند که از آسیاب حمل می‌شود. گاهی اوقات به این
اکسیدها کیک زرد می‌گویند که شامل 80 درصد اورانیوم می‌باشد. سنگ معدن اصل شاید
دارای چیزی در حدود 1/0 درصد اورانیوم باشد.
در یک آسیاب، اورانیوم با عمل سنگ‌شویی از سنگ‌های معدنی خرد شده جدا می‌شود
که یا با اسید قوی و یا با محلول قلیایی قوی حل می‌شود و به صورت محلول در می‌آید.
سپس اورانیوم با ته‌نشین کردن از محلول جدا می‌شود و بعداز خشک کردن و معمولاً
حرارت دادن به صورت اشباع شده و غلیظ در استوانه‌های 200 لیتری بسته‌بندی می‌شود.
باقیمانده سنگ معدن که بیشتر شامل مواد پرتوزا و سنگ معدن می‌شود در محلی معین
به دور از محیط معدن در امکانات مهندسی نگهداری می‌شود. (معمولاً در گودال‌هایی روی
زمین).
پسماندههای دارای مواد رادیواکتیو عمری طولانی دارند و غلظت آنها کم خاصیتی
سمی دارند. هرچند مقدار کلی عناصر پرتوزا کمتر از سنگ معدن اصلی است و نیمه عمر
آنها کوتاه خواهد بود اما این مواد باید از محیط زیست دور بمانند.
تبدیل و تغییر
محلول آسیاب شده اورانیوم مستقیماً قابل استفاده به‌عنوان سوخت در راکتورهای
هسته‌ای نیست. پردازش اضافی به غنی‌سازی اورانیوم مربوط است که برای تمام راکتورها
لازم است.
این عمل اورانیوم را به نوع گازی تبدیل می‌کند و راه به‌دست آوردن آن تبدیل
کردن به هگزا فلورید (Hexa Fluoride) است که در
دمای نسبتاً پایین گاز است.
در وسیله‌ای تبدیل‌گر، اورانیوم به اورانیوم دی‌اکسید تبدیل می‌شود که در
راکتورهایی که نیاز به اورانیوم غنی شده ندارند استفاده می‌شود.
بیشتر آنها بعداز آن که به هگزافلورید تبدیل شدند برای غنی‌سازی در کارخانه
آماده هستند و در کانتینرهایی که از جنس فلز مقاوم و محکم است حمل می‌شوند. خطر
اصلی این طبقه از چرخه سوختی اثر هیدروژن فلورید
(Hydrogen Fluoride) است.
مطالبی در مورد ساختار نیروگاه های اتمی جهان و نیز شرح مختصری درباره طرز غنی سازی اورانیوم و یا سنتز عنصر پلوتونیوم :
برحسب نظریه اتمی عنصر عبارت است از یک جسم خالص ساده که با روش های شیمیایی
نمی توان آن را تفکیک کرد. از ترکیب عناصر با یکدیگر اجسام مرکب به وجود می آیند.
تعداد عناصر شناخته شده در طبیعت حدود ۹۲ عنصر است.
هیدروژن اولین و ساده ترین عنصر و پس از آن هلیم، کربن، ازت، اکسیژن و...
فلزات روی، مس، آهن، نیکل و... و بالاخره آخرین عنصر طبیعی به شماره ۹۲، عنصر
اورانیوم است. بشر توانسته است به طور مصنوعی و به کمک واکنش های هسته ای در
راکتورهای اتمی و یا به کمک شتاب دهنده های قوی بیش از ۲۰ عنصر دیگر بسازد که تمام
آن ها ناپایدارند و عمر کوتاه دارند و به سرعت با انتشار پرتوهایی تخریب می شوند.
اتم های یک عنصر از اجتماع ذرات بنیادی به نام پرتون، نوترون و الکترون تشکیل
یافته اند. پروتون بار مثبت و الکترون بار منفی و نوترون فاقد بار است.
تعداد پروتون ها نام و محل قرار گرفتن عنصر را در جدول تناوبی (جدول مندلیف)
مشخص می کند. اتم هیدروژن یک پروتون دارد و در خانه شماره ۱ جدول و اتم هلیم در
خانه شماره ۲، اتم سدیم در خانه شماره ۱۱ و... و اتم اورانیوم در خانه شماره ۹۲
قرار دارد. یعنی دارای ۹۲ پروتون است.
ایزوتوپ های اورانیوم
تعداد نوترون ها در اتم های مختلف یک عنصر همواره یکسان نیست که برای مشخص
کردن آنها از کلمه ایزوتوپ استفاده می شود.
بنابراین اتم های مختلف یک عنصر را ایزوتوپ می گویند. مثلاً عنصر هیدروژن سه
ایزوتوپ دارد: هیدروژن معمولی که فقط یک پروتون دارد و فاقد نوترون است. هیدروژن
سنگین یک پروتون و یک نوترون دارد که به آن دوتریم گویند و نهایتاً تریتیم که از
دو نوترون و یک پروتون تشکیل شده و ناپایدار است و طی زمان تجزیه می شود.
ایزوتوپ سنگین هیدروژن یعنی دوتریم در نیروگاه های اتمی کاربرد دارد و از الکترولیز
آب به دست می آید. در جنگ دوم جهانی آلمانی ها برای ساختن نیروگاه اتمی و تهیه بمب
اتمی در سوئد و نروژ مقادیر بسیار زیادی آب سنگین تهیه کرده بودند که انگلیسی ها
متوجه منظور آلمانی ها شده و مخازن و دستگاه های الکترولیز آنها را نابود کردند.
غالب عناصر ایزوتوپ دارند از آن جمله عنصر اورانیوم، چهار ایزوتوپ دارد که فقط
دو ایزوتوپ آن به علت داشتن نیمه عمر نسبتاً بالا در طبیعت و در سنگ معدن یافت می
شوند. این دو ایزوتوپ عبارتند از اورانیوم ۲۳۵ و اورانیوم ۲۳۸ که در هر دو ۹۲
پروتون وجود دارد ولی اولی ۱۴۳ و دومی ۱۴۶ نوترون دارد. اختلاف این دو فقط وجود ۳
نوترون اضافی در ایزوتوپ سنگین است ولی از نظر خواص شیمیایی این دو ایزوتوپ کاملاً
یکسان هستند و برای جداسازی آنها از یکدیگر حتماً باید از خواص فیزیکی آنها یعنی
اختلاف جرم ایزوتوپ ها استفاده کرد. ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۵ شکست پذیر است و در
نیروگاه های اتمی از این خاصیت استفاده می شود و حرارت ایجاد شده در اثر این شکست
را تبدیل به انرژی الکتریکی می نمایند. در واقع ورود یک نوترون به درون هسته این
اتم سبب شکست آن شده و به ازای هر اتم شکسته شده ۲۰۰ میلیون الکترون ولت انرژی و
دو تکه شکست و تعدادی نوترون حاصل می شود که می توانند اتم های دیگر را بشکنند.
بنابراین در برخی از نیروگاه ها ترجیح می دهند تا حدی این ایزوتوپ را در مخلوط
طبیعی دو ایزوتوپ غنی کنند و بدین ترتیب مسئله غنی سازی اورانیوم مطرح می شود.
ساختار نیروگاه اتمی
به طور خلاصه چگونگی کارکرد نیروگاه های اتمی را بیان کرده و ساختمان درونی
آنها را مورد بررسی قرار می دهیم.
طی سال های گذشته اغلب کشورها به استفاده از این نوع انرژی هسته ای تمایل
داشتند و حتی دولت ایران ۱۵ نیروگاه اتمی به کشورهای آمریکا، فرانسه و آلمان سفارش
داده بود. ولی خوشبختانه بعد از وقوع دو حادثه مهم تری میل آیلند (Three Mile Island) در ۲۸ مارس ۱۹۷۹ و فاجعه
چرنوبیل (Tchernobyl) در روسیه در ۲۶
آوریل ۱۹۸۶، نظر افکار عمومی نسبت به کاربرد اتم برای تولید انرژی تغییر کرد و ترس
و وحشت از جنگ اتمی و به خصوص امکان تهیه بمب اتمی در جهان سوم، کشورهای غربی را
موقتاً مجبور به تجدیدنظر در برنامه های اتمی خود کرد.
نیروگاه اتمی در واقع یک بمب اتمی است که به کمک میله های مهارکننده و خروج
دمای درونی به وسیله مواد خنک کننده مثل آب و گاز، تحت کنترل درآمده است. اگر روزی
این میله ها و یا پمپ های انتقال دهنده مواد خنک کننده وظیفه خود را درست انجام
ندهند، سوانح متعددی به وجود می آید و حتی ممکن است نیروگاه نیز منفجر شود، مانند
فاجعه نیروگاه چرنوبیل شوروی. یک نیروگاه اتمی متشکل از مواد مختلفی است که همه
آنها نقش اساسی و مهم در تعادل و ادامه حیات آن را دارند. این مواد عبارت اند از:
۱
_ ماده سوخت متشکل از اورانیوم طبیعی، اورانیوم غنی شده، اورانیوم و پلوتونیم
است.
عمل سوختن اورانیوم در داخل نیروگاه اتمی متفاوت از سوختن زغال یا هر نوع سوخت
فسیلی دیگر است. در این پدیده با ورود یک نوترون کم انرژی به داخل هسته ایزوتوپ
اورانیوم ۲۳۵ عمل شکست انجام می گیرد و انرژی فراوانی تولید می کند. بعد از ورود
نوترون به درون هسته اتم، ناپایداری در هسته به وجود آمده و بعد از لحظه بسیار
کوتاهی هسته اتم شکسته شده و تبدیل به دوتکه شکست و تعدادی نوترون می شود. تعداد
متوسط نوترون ها به ازای هر ۱۰۰ اتم شکسته شده ۲۴۷ عدد است و این نوترون ها اتم
های دیگر را می شکنند و اگر کنترلی در مهار کردن تعداد آنها نباشد واکنش شکست در
داخل توده اورانیوم به صورت زنجیره ای انجام می شود که در زمانی بسیار کوتاه منجر
به انفجار شدیدی خواهد شد.
در واقع ورود نوترون به درون هسته اتم اورانیوم و شکسته شدن آن توام با انتشار
انرژی معادل با ۲۰۰ میلیون الکترون ولت است این مقدار انرژی در سطح اتمی بسیار
ناچیز ولی در مورد یک گرم از اورانیوم در حدود صدها هزار مگاوات است. که اگر به
صورت زنجیره ای انجام شود، در کمتر از هزارم ثانیه مشابه بمب اتمی عمل خواهد کرد.
اما اگر تعداد شکست ها را در توده اورانیوم و طی زمان محدود کرده به نحوی که
به ازای هر شکست، اتم بعدی شکست حاصل کند شرایط یک نیروگاه اتمی به وجود می آید.
به عنوان مثال نیروگاهی که دارای ۱۰ تن اورانیوم طبیعی است قدرتی معادل با ۱۰۰
مگاوات خواهد داشت و به طور متوسط ۱۰۵ گرم اورانیوم ۲۳۵ در روز در این نیروگاه
شکسته می شود و همان طور که قبلاً گفته شد در اثر جذب نوترون به وسیله ایزوتوپ
اورانیوم ۲۳۸ اورانیوم ۲۳۹ به وجود می آمد که بعد از دو بار انتشار پرتوهای بتا
(یا الکترون) به پلوتونیم ۲۳۹ تبدیل می شود که خود مانند اورانیوم ۲۳۵ شکست پذیر
است. در این عمل ۷۰ گرم پلوتونیم حاصل می شود. ولی اگر نیروگاه سورژنراتور باشد و
تعداد نوترون های موجود در نیروگاه زیاد باشند مقدار جذب به مراتب بیشتر از این
خواهد بودو مقدار پلوتونیم های به وجود آمده از مقدار آنهایی که شکسته می شوند
بیشتر خواهند بود. در چنین حالتی بعد از پیاده کردن میله های سوخت می توان
پلوتونیم به وجود آمده را از اورانیوم و فرآورده های شکست را به کمک واکنش های
شیمیایی بسیار ساده جدا و به منظور تهیه بمب اتمی ذخیره کرد.
۲
_ نرم کننده ها موادی هستند که برخورد نوترون های حاصل از شکست با آنها الزامی
است و برای کم کردن انرژی این نوترون ها به کار می روند. زیرا احتمال واکنش شکست
پی در پی به ازای نوترون های کم انرژی بیشتر می شود. آب سنگین (D2O) یا زغال سنگ (گرافیت) به عنوان نرم کننده
نوترون به کار برده می شوند.
۳
_ میله های مهارکننده: این میله ها از مواد جاذب نوترون درست شده اند و وجود
آنها در داخل رآکتور اتمی الزامی است و مانع افزایش ناگهانی تعداد نوترون ها در
قلب رآکتور می شوند. اگر این میله ها کار اصلی خود را انجام ندهند، در زمانی کمتر
از چند هزارم ثانیه قدرت رآکتور چند برابر شده و حالت انفجاری یا دیورژانس رآکتور
پیش می آید. این میله ها می توانند از جنس عنصر کادمیم و یا بور باشند.
۴
_ مواد خنک کننده یا انتقال دهنده انرژی حرارتی: این مواد انرژی حاصل از شکست
اورانیوم را به خارج از رآکتور انتقال داده و توربین های مولد برق را به حرکت در
می آورند و پس از خنک شدن مجدداً به داخل رآکتور برمی گردند. البته مواد در مدار
بسته و محدودی عمل می کنند و با خارج از محیط رآکتور تماسی ندارند. این مواد می
توانند گاز CO2 ، آب، آب سنگین، هلیم گازی و یا سدیم مذاب باشند.
غنی سازی اورانیم
سنگ معدن اورانیوم موجود در طبیعت از دو ایزوتوپ ۲۳۵ به مقدار ۷/۰ درصد و
اورانیوم ۲۳۸ به مقدار ۳/۹۹ درصد تشکیل شده است. سنگ معدن را ابتدا در اسید حل
کرده و بعد از تخلیص فلز، اورانیوم را به صورت ترکیب با اتم فلئور (F) و به صورت مولکول اورانیوم هکزا فلوراید UF6 تبدیل می کنند که به حالت گازی است. سرعت متوسط
مولکول های گازی با جرم مولکولی گاز نسبت عکس دارد این پدیده را گراهان در سال ۱۸۶۴
کشف کرد. از این پدیده که به نام دیفوزیون گازی مشهور است برای غنی سازی اورانیوم
استفاده می کنند.در عمل اورانیوم هکزا فلوراید طبیعی گازی شکل را از ستون هایی که
جدار آنها از اجسام متخلخل (خلل و فرج دار) درست شده است عبور می دهند. منافذ
موجود در جسم متخلخل باید قدری بیشتر از شعاع اتمی یعنی در حدود ۵/۲ انگشترم (۰۰۰۰۰۰۰۲۵/۰
سانتیمتر) باشد. ضریب جداسازی متناسب با اختلاف جرم مولکول ها است.روش غنی سازی
اورانیوم تقریباً مطابق همین اصولی است که در اینجا گفته شد. با وجود این می توان
به خوبی حدس زد که پرخرج ترین مرحله تهیه سوخت اتمی همین مرحله غنی سازی ایزوتوپ
ها است زیرا از هر هزاران کیلو سنگ معدن اورانیوم ۱۴۰ کیلوگرم اورانیوم طبیعی به
دست می آید که فقط یک کیلوگرم اورانیوم ۲۳۵ خالص در آن وجود دارد. برای تهیه و
تغلیظ اورانیوم تا حد ۵ درصد حداقل ۲۰۰۰ برج از اجسام خلل و فرج دار با ابعاد
نسبتاً بزرگ و پی درپی لازم است تا نسبت ایزوتوپ ها تا از برخی به برج دیگر به
مقدار ۰۱/۰ درصد تغییر پیدا کند. در نهایت موقعی که نسبت اورانیوم ۲۳۵ به اورانیوم
۲۳۸ به ۵ درصد رسید باید برای تخلیص کامل از سانتریفوژهای بسیار قوی استفاده نمود.
برای ساختن نیروگاه اتمی، اورانیوم طبیعی و یا اورانیوم غنی شده بین ۱ تا ۵ درصد
کافی است. ولی برای تهیه بمب اتمی حداقل ۵ تا ۶ کیلوگرم اورانیوم ۲۳۵ صددرصد خالص
نیاز است. عملا در صنایع نظامی از این روش استفاده نمی شود و بمب های اتمی را از
پلوتونیوم ۲۳۹ که سنتز و تخلیص شیمیایی آن بسیار ساده تر است تهیه می کنند. عنصر
اخیر را در نیروگاه های بسیار قوی می سازند که تعداد نوترون های موجود در آنها از
صدها هزار میلیارد نوترون در ثانیه در سانتیمتر مربع تجاوز می کند. عملاً کلیه بمب
های اتمی موجود در زراد خانه های جهان از این عنصر درست می شود.روش ساخت این عنصر
در داخل نیروگاه های اتمی به صورت زیر است: ایزوتوپ های اورانیوم ۲۳۸ شکست پذیر
نیستند ولی جاذب نوترون کم انرژی (نوترون حرارتی هستند. تعدادی از نوترون های حاصل
از شکست اورانیوم ۲۳۵ را جذب می کنند و تبدیل به اورانیوم ۲۳۹ می شوند. این
ایزوتوپ از اورانیوم بسیار ناپایدار است و در کمتر از ده ساعت تمام اتم های به
وجود آمده تخریب می شوند. در درون هسته پایدار اورانیوم ۲۳۹ یکی از نوترون ها
خودبه خود به پروتون و یک الکترون تبدیل می شود.بنابراین تعداد پروتون ها یکی
اضافه شده و عنصر جدید را که ۹۳ پروتون دارد نپتونیم می نامند که این عنصر نیز
ناپایدار است و یکی از نوترون های آن خود به خود به پروتون تبدیل می شود و در
نتیجه به تعداد پروتون ها یکی اضافه شده و عنصر جدید که ۹۴ پروتون دارد را
پلوتونیم می نامند. این تجربه طی چندین روز انجام می گیرد.
__________________________________________________ _____
تاریخچه بمب اتم
هانری بکرل نخستین کسی بود که متوجه پرتودهی عجیب سنگ معدن اورانیم گردیدبس
ازان در سال 1909 میلادی ارنست رادرفوردهسته اتم را کشف کردوی همچنین نشان دادکه
پرتوهای رادیواکتیودر میدان مغناطیسی به سه دسته تقیسیم می شود( پرتوهای الفا وبتا
وگاما)بعدها دانشمندان دریافتند که منشاء این پرتوها درون هسته اتم اورانیم می
باشد.
در سال 1938 با انجام ازمایشاتی توسط دو دانشمند ا لمانی بنامهای ا توها ن و
فریتس شتراسمن فیزیک هسته ای پای به مرحله تازه ای نهاد این فیزیکدانان با بمباران
هسته اتم اورانیم بوسیله نوترونها به عناصر رادیواکتیوی دست یافتندکه جرم اتمی کوچکتری
نسبت به اورانیم داشت او برای توصیف علت ایجاد این عناصرلیزه میتنرو اتو فریش
پدیده شکافت هسته رادر اورانیم تو ضیح دادندودر اینجا بود که نا قوس شوم اختراع
بمب اتمی به صدا در امد.
U235 + n -> fission + 2 or 3 n + 200 MeV
زیرا همانطور که در شکل فوق می بینید هر فروپاشی هسته اورانیم0 میتوانست تا
200 مگاولت انرژی ازاد کند وبدیهی بود اگر هسته های بیشتری فرو پاشیده می شد انرژی
فراوانی حاصل می گردید.
بعدها فیزیکدانان دیگری نیز در این محدوده به تحقیق می پرداختند یکی ازانان
انریکو فرمی بود( 1954 - 1901) که بخاطر تحقیقاتش در سال 1938 موفق به دریافت
جایزه نوبل گردید.
در سال 1939 یعنی قبل از شروع جنگ جهانی دوم در بین فیزیکدانان این بیم وجود
داشت که المانیهابه کمک فیزیکدانان نابغه ای مانند هایزنبرگ ودستیارانش بتوانند با
استفاده از دانش شکافت هسته ای بمب اتمی بسازندبه همین دلیل از البرت انیشتین
خواستند که نامه ای به فرانکلین روزولت رئیس جمهوروقت امریکا بنویسددر ان نامه
تاریخی از امکان ساخت بمبی صحبت شد که هر گز هایزنبرگ ان را نساخت.
چنین شدکه دولتمردان امریکا برای پیشدستی برالمان پروژه مانهتن را براه
انداختندو از انریکو فرمی دعوت به عمل اوردند تا مقدمات ساخت بمب اتمی را فراهم
سازد سه سال بعددر دوم دسامبر 1942 در ساعت 3 بعد از ظهر نخستین راکتور اتمی دنیا
در دانشگاه شیکاگو امریکا ساخته شد.
سپس در 16 ژوئیه 1945 نخستین ازمایش بمب اتمی در صحرای الامو گرودو نیو مکزیکو
انجام شد.
سه هفته بعد هیروشیمادرساعت 8:15 صبح در تاریخ 6 اگوست 1945 بوسیله بمب
اورانیمی بمباران گردیید و ناکازاکی در 9 اگوست سال 1945 در ساعت حدود 11:15
بوسیله بمب پلوتونیمی بمباران شدند که طی ان بمبارانها صدها هزار نفر فورا جان
باختند.
انریکو فرمی (صف جلو نفر اول سمت چپ) و همکارانش در شیکاگو پس از ساخت نخستین
راکتور هسته ای جهان به امید انکه از راکتور هسته ای تنها در اهداف صلح امیز
استفاده شود و دنیا عاری از سلاحهای اتمی گردد
لیزه میتنر ( مادر انرژی اتمی)
لیزه در سال 1878 در یک خانواده هشت نفری بدنیا امد وی سومین فرزند خانواده
بود باو جود تمامی مشکلاتی که بر سر راه وی بخاطر زن بودنش بود در سال 1901 وارد
دانشگاه وین شد و تحت نظارت بولتزمن که یکی از فیزیکدانان بنام دنیا بود فیزیک را
اموخت . لیزه توانست در سال 1907 به درجه دکتر نایل گردد و سپس راهی برلین گردید
تا در دانشگاهی که ماکس پلا نک ریاست بخش فیزیک ان را بر عهده داشت به مطالعه و
تحقیق بپردازد بیشتر کارهای تحقیقاتی وی در همین دانشگاه بود وی هیچگونه علاقه ای
به سیاست نداشت و لی به علت دخالتهای روزن افزون ارتش نازی مجبور به ترک برلین
گردید ودر سال 1938 به یک انستیتو در استکهلم رفت . لیزه میتنر به همراه همکارش
اتو فریش اولین کسانی بودند که شکافت هسته را توضیح دادند انان در سال 1939 در
مجله طبیعت مقاله معروف خود را در مورد شکافت هسته ای دادند وبدین ترتیب راه را
برای استفاده از انرژی گشودند به همین دلیل پس از جنگ جهانی دوم به میتنر لقب مادر
بمب اتمی داده شد ولی چون وی نمی خواست از کشفش بعنوان بمبی هولناک استفاده گردد
بهتر است به لیزه لقب مادر انرژی اتمی داده شود
