کشورهايی که بيشترين استفاده را از انرژی هسته‌ای را می‌برند، کدامند؟ ......

  بمبهاي هسته‌ای                                                                                                                                                    

هيدروژن موجود در تمامی آبهای اقيانوسها يکی از مواد اوليه روش پيوند هسته‌ها را تشکيل می‌دهد. هيدروژن سنگين که نسبت به هيدروژن معمولی فوق العاده ناياب است برای پيوند بسيار نامناسب بوده و با وجودی که در هر 6400 اتم هيدروژن، فقط يک اتم آن هيدروژن سنگين می‌باشد، بنابراين مقدار هيدروژن موجود در اقيانوسها بسيار کافی است.

نحوه آزاد شدن انرژی هسته‌ای

می‌دانيم که هسته از پروتون (با بار مثبت) و نوترون (بدون بار الکتريکی) تشکيل شده است. بنابراين بار الکتريکی آن مثبت است. اگر بتوانيم هسته را به طريقی به دو تکه تقسيم کنيم، تکه‌ها در اثر نيروی دافعه الکتريکی خيلی سريع از هم فاصله گرفته و انرژی جنبشی فوق العاده‌ای پيدا می‌کنند. در کنار اين تکه‌ها ذرات ديگری مثل نوترون و اشعه‌های گاما و بتا نيز توليد می‌شود. انرژی جنبشی تکه‌ها و انرژی ذرات و پرتوهای بوجود آمده ، در اثر برهمکنش ذرات با مواد اطراف ، سرانجام به انرژی گرمايی تبديل می‌شود. مثلا در واکنش هسته‌ای که در طی آن ²³⁵U به دو تکه تبديل می‌شود، انرژی کلی معادل با 200MeV را آزاد می‌کند. اين مقدار انرژی می‌تواند حدود 20 ميليارد کيلوگالری گرما را در ازای هر کيلوگرم سوخت توليد کند. اين مقدار گرما 2800000 بار بزرگتر از حدود 7000 کيلوگالری گرمايي است که از سوختن هر کيلوگرم زغال سنگ حاصل می‌شود.

کاربرد حرارتی انرژی هسته‌ای

گرمای حاصل از واکنش هسته‌ای در محيط راکتور هسته‌ای توليد و پرداخته می‌شود. بعبارتی در طی مراحلی در راکتور اين گرما پس از مهارشدن انرژی آزاد شده واکنش هسته‌ای توليد 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 تبديل می‌کند. بخار آب توليد شده، همانند آنچه در توليد برق از زعال سنگ، نفت يا گاز متداول است، بسوی توربين فرستاده می‌شود تا با راه اندازی مولد، توان الکتريکی مورد نياز را توليد کند. در واقع، راکتور همراه با مولد بخار، جانشين ديگ بخار در نيروگاه‌های معمولی شده است.

راکتورهای هسته‌ای چيست؟

وسيله‌ای که در آن واکنش شکافت زنجيری کنترل شده انجام می‌شود راکتور هسته‌ای نام دارد.

کار راکتورهای هسته‌ای چيست؟

اورانيوم يا پلوتونيوم (عنصر پرتوزای مصنوعی با عدد اتمی 94‎Z =‎) به عنوان ماده شکافت پذير ‏‏(سوخت هسته‌ای) بکار می‌رود. از راکتورها جهت توليد انرژی، برای به دست آوردن ‏‏ايزوتوپ های پرتوزا (از جمله عناصر فوق اورانيوم، يعنی: عناصری با 92 ‎ Z =و يا بيشتر) و چشمه‌های ‏باريکه‌های قوی نوترون استفاده می‌کنند‎.

سوخت راکتورهای هسته‌ای

ماده‌ای که به عنوان سوخت در راکتورهای هسته‌ای مورد استفاده قرار می‌گيرد بايد شکاف پذير باشد يا به طريقی شکاف پذير شود.²³⁵U شکاف پذير است ولی اکثر هسته‌های اورانيوم در سوخت از انواع ²³⁸U است. اين اورانيوم بر اثر واکنشهايي که به ترتيب با توليد پرتوهای گاما و بتا به ²³⁹Pu تبديل می‌شود. پلوتونيوم هم مثل ²³⁵U شکافت پذير است. به علت پلوتونيوم اضافی که در سطح جهان وجود دارد نخستين مخلوطهای مورد استفاده آنهايي هستند که مصرف در آنها منحصر به پلوتونيوم است.

ميزان اورانيومی که از صخره‌ها شسته می‌شود و از طريق رودخانه‌ها به دريا حمل می‌شود، به اندازه‌ای است که می‌تواند 25 برابر کل مصرف برق کنونی جهان را تأمين کند. با استفاده از اين نوع موضوع، راکتورهای زاينده‌ای که بر اساس استخراج اورانيوم از آب درياها راه اندازی شوند قادر خواهند بود تمام انرژی مورد نياز بشر را برای هميشه تأمين کنند، بی آنکه قيمت برق به علت هزينه سوخت خام آن حتی به اندازه يک درصد هم افزايش يابد.

راکتور هسته‌ای به عنوان چشمه توليد انرژی

پاره‌های شکافت در اورانيوم در فاصله کوتاهی (کمتر ازμm 5 )کند می‌شوند. در نتيجه، تقريبا تمامی ‏انرژی آزاد شده در راکتور به صورت گرما در توده اورانيوم ظاهر می‌شود. از اين گرما مثلا می‌توان ‏برای گرم کردن و تبخير مايع جاری از اورانيوم که بعدا به کمک توربين بخار يا بعضی از ماشين‏های گرمايي ديگر به صورت انرژی الکتريکی يا مکانيکی در می‌آيد استفاده کرد.

اولين نيروگاه هسته‌ای بر اين اساس در سال 1945 در روسيه ساخته شد. ساختمان اين راکتور بيانگر ‏اين است که بخش اصلی اين راکتور عناصر سوختی است که شامل اورانيوم می‌باشد. "عناصرسوخت" به ‏صورت دو ديوار نازک از لوله‌های فولادی ضد زنگ ساخته شده‌اند که يکي داخل ديگری قرار دارد.

‎اورانيوم را بدون درز در فضای ميان لوله محکم می‌کنند، در حالی که از کاواک داخلی به عنوان کانال ‏برای عبور آب استفاده می‌شود. که گرمای آزاد شده از اورانيوم را در ضمن کار راکتور به خارج می‌برد. ‏محکم کردن بدون درز از اين نظر لازم است که اورانيوم از لحاظ شيميايي ناپايدار است و ديگر اينکه مانع ‏نشت گاز‌های پرتوزا خطرناکی شود که در نتيجه واکنش تشکيل می‌شوند‏.

‎برای تسهيل گسترش واکنش زنجيری، عناصر "سوخت" را از اورانيومی که با ايزوتوب سريعا ‏شکافت پذير²³⁵U‎ غنی شده‌اند درست می‌کنند، اورانيوم غنی شده که در راکتور مصرف می کنند. ‏دارای 5 درصد ²³⁵U‎در حاليکه اورانيوم طبيعی فقط دارای 7/0 درصد از اين ايزوتوپ است). کار ‏راکتور اورانيوم با پرتوزايي شديد همراه است. جهت حفاظت کارکنان از تابش پرتوزا و نوترونها که مقادير ‏زياد آن نيز زيانبار است، راکتور را در محفظه‌ای با ديوارهای ضخيم که از سيمان و مواد ديگر ساخته ‏شده‌اند قرار می‌دهند.

امتياز بزرگ راکتور هسته‌ای به عنوان چشمه توليد انرژی هزينه کم سوخت آن است. مقدار گرمايي که ‏در ضمن شکافت يک گرم‎ ²³⁵U‎آزاد می شود برابر با مقدار گرمايي است که از سوختن چند تن ذغال ‏سنگ بدست می‌آيد. اين امر امکان می‌دهد که راکتورها را در نواحی دور از‏‎ ‎ذخاير ذغال سنگ و نفت و حتی ‏دور از راههای حمل و نقل (با کشتی، زيردريايي و هواپيما) بر پا سازند.

در روسيه، چندين نيروگاه اتمی در مقياس بزرگ در حال کارند. چندين يخ شکن مجهز به موتورهای اتمی و زير درياييهای اتمی نيز ساخته شده است. در آينده نقش ‏‏مهندسی انرژی هسته‌ای مهمتر از اين خواهد شد.

محاسبه شده است که با آهنگ امروزی مصرف انرژی کمبود ذغال سنگ و نفت حتی در 50 سال آينده حس ‏خواهد شد. استفاده از اورانيوم راهی برای خروج از اين مشکل است. زيرا انرژی ذخيره شده در ذخاير ‏اورانيوم 10 تا 20 برابر انرژی ذخيره شده در سوختهای آلی است. مسئله منابع انرژی پس ‏از مهار شدن واکنشهای گداخت به کلی حل خواهد شد.

غنی سازی اورانيوم

سنگ معدن اورانيوم موجود در طبيعت از دو ايزوتوپ ²³⁵U به مقدار 7/0 درصد و ²³⁸U‏به مقدار 99/3 درصد تشکيل شده است. سنگ معدن را ابتدا در اسيد حل کرده و ‏بعد از تخليص فلز، اورانيوم را بصورت ترکيب با اتم فلوئور(⁹F ) و بصورت مولکول ‏اورانيوم هگزا فلورايد تبديل می‌کنند که به حالت گازی است. سرعت متوسط ‏مولکولهای گازی با جرم مولکولی گاز نسبت عکس دارد.

غنی سازی اورانيوم با ديفوزيون گازی
گراهان در سال 1864 پديده‌ای را کشف کرد که در آن سرعت متوسط مولکولهای ‏گاز با معکوس جرم مولکولی گاز متناسب بود. از اين پديده که به نام ديفوزيون ‏گازی مشهور است برای غنی سازی اورانيوم استفاده می‌کنند. در عمل اورانيوم ‏هگزا فلورايد طبيعی گازی شکل را از ستونهايي که جدار آنها از اجسام متخلخل ‏‏(خلل و فرج دار) درست شده است عبور می‌دهند. سوراخهای موجود در جسم ‏متخلخل بايد قدری بيشتر از شعاع اتمی يعنی در حدود 2.5 آنگسترم (^7-‏25x10سانتيمتر) باشد.

ضريب جداسازی متناسب با اختلاف جرم مولکولها است. روش غنی سازی ‏اورانيوم تقريبا مطابق همين اصولی است که در اينجا گفته شد. با وجود اين ‏می‌توان به خوبی حدس زد که پرخرج ترين مرحله تهيه سوخت اتمی همين ‏مرحله غنی سازی ايزوتوپها است، زيرا از هر هزاران کيلو سنگ معدن اورانيوم ‏‏140 کيلوگرم اورانيوم طبيعی بدست می‌آيد که فقط يک کيلوگرم ²³⁵U ‏خالص در آن وجود دارد.

غنی سازی اورانيم از طريق ميدان مغناطيسی

يکی از روشهای غنی سازی اورانيوم استفاده از ميدان مغناطيسی بسيار قوی می‌باشد. در اين روش ابتدا اورانيوم هگزا فلوئوريد را حرارت می‌دهند تا تبخير شود. از طريق تبخير، اتمهای اورانيوم و فلوئوريد از هم تفکيک می‌شوند. در اين حالت، اتمهای اورانيوم را به ميدان مغناطيسی بسيار قوی هدايت می‌کنند. ميدان مغناطيسی بر هسته‌های باردار اورانيم نيرو وارد می کند (اين نيرو به نيروی لورنت معروف می باشد) و اتمهای اورانيوم را از مسير مستقيم خود منحرف می‌کند. اما هسته‌های سنگين اورانيم(²³⁸U ) نسبت به هسته‌های سبکتر (²³⁵U ) انحراف کمتری دارند و در نتيجه از اين طريق می‌توان²³⁵Uرا از اورانيوم طبيعی تفکيک کرد.

کاربردهای اورانيوم غنی شده

شرايطی ايجاد کرده اند که نسبت ²³⁵U به ²³⁸U را به 5 درصد می‌‏رساند. برای اين کار و تخليص کامل اورانيوم از سانتريفوژهای بسيار قوی استفاده ‏می‌کنند.

برای ساختن نيروگاه اتمی، اورانيوم طبيعی و يا اورانيوم غنی شده بين 1 تا 5 ‏درصد کافی است.

برای تهيه بمب اتمی حداقل 5 تا 6 کيلوگرم ²³⁵U صد درصد خالص نياز ‏است. در صنايع نظامی از اين روش استفاده نمی‌شود و بمبهای اتمی را از ²³⁹Pu که سنتز و تخليص شيميايي آن بسيار ساده‌تر است تهيه ‏می‌کنند.

نحوه توليد سوخت پلوتونيوم راديو اکتيو

اين عنصر ناپايدار را در نيروگاههای بسيار قوی می‌سازند که تعداد نوترونهای ‏موجود در آنها از صدها هزار ميليارد نوترون در ثانيه در سانتيمتر مربع تجاوز ‏می‌کند. عملا کليه بمبهای اتمی موجود در زراد خانه‌های جهان از اين عنصر ‏درست می‌شود. روش ساخت اين عنصر در داخل نيروگاههای هسته‌ای به اين صورت که ‏ايزوتوپهای ²³⁸U شکست پذير نيستند، ولی جاذب نوترون کم انرژی هستند تعدادی از نوترونهای حاصل از شکست ²³⁵U را ‏جذب می‌کنند و تبديل به ²³⁹U می‌شوند. اين ايزوتوپ از اورانيوم بسيار ‏ناپايدار است و در کمتر از ده ساعت تمام اتمهای بوجود آمده تخريب ‏می‌شوند. در درون هسته پايدار ²³⁹U يکی از نوترونها خود به خود به ‏پروتون و يک الکترون تبديل می‌شود. بنابراين تعداد پروتونها يکی اضافه شده و عنصر جديد را که 93 پروتون دارد ‏نپتونيوم می‌نامند که اين عنصر نيز ناپايدار است و يکی از نوترونهای آن خود به ‏خود به پروتون تبديل شده و در نتيجه به تعداد پروتونها يکی اضافه شده و عنصر ‏جديد پلوتونيم‌را که 94 پروتون دارد ايجاد می‌کنند. اين کار حدودا در مدت يک هفته ‏صورت می‌گيرد.

عناصر فوق اورانيوم‎

درنتيجه بمباران اورانيوم با نوترون، ايزوتوپ‎ ²³⁸U‎ ‎به‎ ²³⁹U‎ ‎تبديل می‌شود. اين ايزوتوپ ‏ناپايدار است و در نتيجه واپاشی (ذره بتا) به ايزوتوپ ⁹³Np‎‎ تبديل می‌شود. اين ‏ايزوتوپ به نوبه خود، با تحمل واپاشی بتا، پس از زمان کوتاهي (نيم عمر آن 2.35 روز است) به ‏ايزوتوپ ⁹⁴Pu‎‎ تبديل می‌شود ²³⁹Pu. نيز ناپايدار است، ولی به کندی ‏وا می‌پاشد (نيم عمر آن 24000 سال است). به اين دليل ممکن است به مقدار انبوهی انبار شود.

‎²³⁹\ع مانند ²³⁵U، سوخت هسته‌ای خوبی است که برای راکتورهای هسته‌ای و بمبهای اتمی مناسب است. پلوتونيوم از راکتورهای هسته‌ای مبتنی بر اورانيوم طبيعی و کند کننده بدست می‌‏آيد. در چنين راکتورهايي بيشتر نوترونها را ‎ ²³⁸U‎جذب می‌کند که نتيجه آن تشکيل پلوتونيوم است.

پلوتونيوم انبار شده در اورانيوم را می‌توان با روشهای شيميايي جدا کرد. سوخت هسته‌ای مصنوعی ‏ديگر ايزوتوپ ²³³U با نيم عمر 162000 است که در اورانيوم طبيعی وجود ندارد‏‎ ²³³U. نيز مانند ‏پلوتونيوم، در نتيجه بمباران توريم با نوترون تشکيل می‌شود. به اين طريق مواد با شکافت پذيری کم ( ²³⁸Uو توريم) می‌توانند به سوخت هسته‌ای با ارزش تبديل شوند. اين امکان پذيری بسيار اساسی ‏است، زيرا در پوسته زمين‎ ²³⁸U ‎و توريم خيلی بيشتر از‎ ²³⁶U ‎است.

نپتونيم و پلوتونيوم معرف عناصر فوق اورانيوم هستند و در جدول تناوبی بعد از اورانيوم می‌آيند.

رشته عناصر فوق اورانيوم بعد از پلوتونيوم تا عنصری به عدد اتمی107 ادامه دارد. عناصر فوق اورانيوم ‏در طبيعت کشف نشده‌اند. زيرا همه آنها پرتوزا بوده در مقايسه با‌ سن‌زمين شناسی زمين نيم عمر کوتاهی ‏دارند.‎

بدست آوردن مواد راديواکتيو

در راکتور در حال کار، جريان شديد نوترونها در نتيجه شکافت مشاهده می‌شود. از بمباران مواد ‏با نوترونها می‌توان ايزوتوپهای پرتوزای مصنوعی گوناگون در راکتور‌ بدست آورد. چشمه پرتوزای ديگر در راکتور پاره‌های شکافت اورانيوم هستند که اغلب آنها ناپايدارند.‎

عناصر پرتوزای مصنوعی کاربردگسترده‌اي درعلم و صنعت پيدا کرده‌اند. از موادی که اشعه ‏گاما گسيل می‌کنند بجای راديوم خيلی گران، برای امتحان اجسام فلزی کلفت با نور عبوری، برای ‏‏مداوای سرطان و جز اينها استفاده می‌شود.

از خاصيت کشنده بودن مقادير زياد تابش گاما در موجودات ذره بينی برای نگهداری مواد غذايي استفاده می‌‏شود.اکنون ازتابش پرتوزادرصنايع شيميايي استفاده می‌شود، زيرا انجام بسياری از واکنشهای شيميايي مهم را آسان می‌کند.

يکی از مهمترين استفاده‌ها روش نشانه گذاری اتمهاست. اين روش بر اين اساس استوار است که ‏ايزوتوپ پرتوزا از لحاظ خواص شيميايي و بسياری از ويژگيهای فيزيکي از ايزوتوپ پايدار همان عنصر ‏غير قابل تشخيص است. در‌ عين حال، ايزوتوپ پرتوزا را از روی تابش آن (مثلا با استفاده از شمارشگر تخليه ‏گازي) می‌توان شناخت. با افزودن يک ايزوتوپ پرتوزا به عنصر مورد بررسی و آشکار سازی تابش آن، ‏می‌توان مسير اين عنصر را در اندام، در واکنش شيميايي، در ضمن ذوب فلزات و جز اينها رديابی ‏کرد‎.

مزيتهای انرژی هسته‌ای بر ساير انرژي

بر خلاف آنچه که رسانه‌های گروهی در مورد خطرات مربوط به حوادث راکتورها و دفن پسماندهای پرتوزا مطرح ميکند از نظر آماری مرگ ناشی ازخطرات تکنولوژی هسته‌اي از 1 درصد مرگهای ناشی از سوختن زغال سنگ جهت توليد برق کمتر است. در سرتاسر جهان تعداد نيروگاههای هسته‌اي فعال بيش از 419 می‌باشد که قادر به توليد بيش از 322 هزار مگاوات توان الکتريکی هستند. بالای 70 درصد اين نيروگاه‌ها در کشور فرانسه و بالای 20 درصد آنها در کشور آمريکا قرار دارد.

شرايط لازم برای انجام پيوند هسته‌ای برای اينکه پيوند هسته‌ای انجام گيرد چه شرايطی لازم است؟

برای انجام عمل پيوند با هسته دو اتم را به شدت به هم بزنيم، تا به هم پيوند خورده و در هم ذوب شوند. اما دافعه الکترواستاتيکی هسته، مانع بزرگی در اين راه جلوی پای ما گذاشته است. در فواصل بينهايت نزديک اين دافعه فوق العاده زياد است. البته راه حل ساده‌ای به نظر می‌رسد، بدين معنی که بايستی به هسته‌ها آنقدر سرعت دهيم که از اين مانع رد شوند. می‌دانيم که سرعت ذرات در هر گازی بستگی به درجه حرارت آن گاز دارد. پس کافی است درجه حرارت را آنقدر بالا ببريم تا سرعت لازم براي عبور از اين مانع بدست آيد.

درجه حرارت لازم برای اين کار چندين ميليون درجه سانتيگراد است و چنين حرارتي در کره زمين وجود ندارد. اما اگر يک بمب اتمي در وسط توده‌ای از هسته‌های سبک منفجر شود، حرارت فوق العاده‌ای که از انفجار بمب حاصل می‌شود، حرارت هسته‌های سبک را به قدری بالا می‌برد که پيوند آنها را امکانپذير سازد. اين موضوع اساس ساختمان بمب حرارتی و هسته‌اي (ترمونوکلئور) می‌باشد.