دانستنیهایی در مورد انرژی هسته ای

اصطلاح «هسته ای» یا «اتمی» به نسبت عمر چندانی ندارد «دموکریت» دانشمند یونانی سه قرن قبل از میلاد به این نتیجه رسید که همه اشیای پیرامونش از ذرات بنیادی و بسیار ریزی تشکیل شده اند که او آنها را «اتم-نشکن» نام نهاد.
از نحوه نامگذاری او بر می آید که «دمکریت» این ذرات را تجزیه ناپذیری پنداشت ، در حالی که دو هزار سال بعد «جان دالتون» انگلیسی به این نتیجه رسید که اتم آنقدر هم که از اسمش پیداست نشکن نیست.
این نظریه را در سال ۱۹۲۷ آلبرت انیشتن به صورت یک فرمول ثابت کرد. او گفت می توان با شکاف اتم انرژی بسیار زیادی آزاد کرد و بالاخره یکی از شاگردانش برای اولین بار و به صورت کاملا سری اولین انفجار هسته ای را در صحرای نوادا در آمریکا را آزمایش کرد.
اتمها خود از ۳ ذره کوچکتر به نامهای نوترون ، پروتون و الکترون تشکیل شده اند.
نوترون خنثی ، پروتون مثبت و الکترون بار منفی دارد . هسته اتمها که بسیار سخت و به هم پیچیده اند را نوترونها و پروتونها تشکیل داده اند . الکترون ها هم در لایه های اطراف هسته قرار دارند .
کم و زیاد شدن الکترون ها باعث تغییر بار الکتریکی اتم می شود و تقریبا به راحتی امکان پذیر است.
مثلا وقتی شما شانه ای را به موهایتان می زنید با یک عمل مکانیکی ساده باعث تغییر در تعداد الکترونها شده اید. اما در مورد نوترون ها و پروتون ها قضیه به راحتی امکان پذیر نیست.
اتمهای یک عنصر همگی دارای تعداد مشخصی پرتون هستند (مثلا هیدروژن ۱ و اورانیوم ۹۲ پرتون دارد) اتمهایی که دارای پروتن های یکسان و نوترونهای متفاوت باشند را «ایزوتوب» های یک عنصری می نامند. مثلا اورانیم ۹۲ پرتون دارد که اگر تعداد پرتونها کم و زیاد شد تبدیل به عنصر دیگری می شود.
اورانیوم سنگین ۱۴۶ نوترون (۲۳۸=۱۴۶+۹۲) ، نیمه سنگین ۱۴۳ نوترون (۲۳۵=۱۴۳+۹۲ ) و سبک آن ۱۴۲ نوترون دارد ، (۲۳۴=۱۴۲+۹۲ ) و به ترتیب اورانیوم ۲۳۸ اورانیوم ۲۳۵ و اورانیوم ۲۳۴ نامیده می شود.
انفجار هسته ای کی رخ می دهد؟
۱- وقتی که یک اتم مانند اورانیوم در اثر برخورد یک نوترون با هسته آن به اجزاء کوچکتر تبدیل شود .
۲- وقتی ۲ اتم (مانند ایزوتوپ های هیدروژن) در اثر همجوشی به یک اتم بزرگتر (مانند هلیم) تبدیل شوند. (این واکنش که از نوع واکنشهای هسته ای خورشید است انرژی بسیار عظیمی تولید می کند.)
پس از یک انفجار هسته ای چه اتفاقی می افتد ؟
همانطور که گفتیم پس از شکافت هسته ، انرژی زیادی آزاد می شود . این انرژی اگر در راکتور آزاد شود به انرژی های دیگر مانند انرژی الکتریکی (برق) تبدیل می شود ، اما اگر کنترل نشده باشد مانند یک بمب بسیار قوی عمل می کند . این بمب ۴ اثر مرگ آفرین دارد :
۱-حرارت : حرارت بسیار شدیدی که ایجاد می کند طوفانی از آتش در منطقه انفجار بوجود می آورد .
۲-فشار : فشار بسیار زیاد ناشی از انفجار ، تغییراتی در فشار اتمسفر ایجاد می کند که موجب به وجود آمدن بادهای سهمگین در اطراف منطقه انفجار می شود .
۳-تشعشعات هسته ای : ذراتی مانند اشعه های نوترون و اشعه گاما در اثر تجزیه اورانیوم در فضا پراکنده می شوند که موجب ناتوانی و حتی مرگ موجودات زنده هنگام انفجار می شود .
۴-گرد و غبار هسته ای : ذرات بزرگتری هم در اثر تجزیه اتمی به وجود می آیند که دارای رادیو اکتیویته بالا بوده و تا مدتها باقی می مانند و برای سلامتی زیانبارند .
* اثرات فوق پس از هر انفجار ایجاد می شود و به صورت کوتاه مدت و بلند مدت تأثیرات مرگباری بر منطقه وقوع انفجار می گذارد . بدین ترتیب همه کسانی که در این منطقه بوده اند یا در اثر موارد ۱ و ۲ نابود می شوند و یا در معرض موارد ۳ و ۴ به تدریج ناتوان شده و از بین می روند . (به هر حال هر کس بنحوی با اثرات مرگبار انفجار هسته ای دست به گریبان خواهد بود ) .
راکتور چیست ؟
راکتور محل انجام انفجار کنترل شده است بر اساس قانون تبدیل انرژی ها ، با کنترل و تبدیل انرژی هسته ای می توان از آن استفاده صلح آمیز نمود . راکتورها در اندازه های مختلف در سراسر جهان وجود دارد . برخی از آنها مانند راکتور مرکز تحقیقات هسته ای تهران کوچک بوده و جنبه آموزشی – تحقیقاتی دارند . راکتور های بزرگ امروزه بخش قابل توجهی از انرژی الکتریکی کشورهای توسعه یافته و حتی در حال توسعه را تأمین می کنند .
راکتور از نظر ساختاری مانند دیگ بخار عمل می کند یعنی با تبدیل انرژی هسته ای به مکانیکی و سپس توسط ژنراتور ، تبدیل انرژی مکانیکی به الکتریکی ، برق تولید می کند . (پس از انفجار کنترل شده هسته ای در قلب راکتور ، آب اطراف آن تبخیر شده و از مجاری خروجی همراه با فشار بسیار زیاد به بیرون هدایت می شود . فشار بخار باعث به چرخش در آمدن توربین ها و تولید برق می شود ) .
سوخت راکتور چیست ؟
اورانیوم و پلوتونیوم از لحاظ علمی می توانند به عنوان سوخت راکتور مورد استفاده قرار گیرند ولی به دلایل زیر از پلوتونیوم به عنوان سوخت در راکتورها استفاده نمی شود :
۱- میزان رادیو اکتیویته پلوتونیوم و تشعشعات موسوم به آن بالا بوده و برای کارکنان و کسانی که در معرض آن هستند و نیز محیط زیست خطرناک بوده و هزینه های جانبی آن توجیه اقتصادی ندارد .
۲- پلوتونیوم در ساخت سلاحهای هسته ای به کار می رود و ماده ای استراتژیک است . وجود آن در هر جا معمولاً نشانگر استفاده نظامی از آن می باشد . در حالی که اورانیوم با غنای کم (زیر۵ درصد) مصرف نظامی ندارد .
غنی سازی یعنی چه ؟
اورانیوم نیمه سنگین (۲۳۵) همانگونه که گفته شد مناسبترین سوخت راکتورهاست . ولی درصد آن از میان اورانیوم استخراج شده حدود ۷ دهم درصد است . این مقدار برای سوخت راکتور کافی نیست . در عمل غنی سازی درصد اورانیوم از ۷ دهم درصد به ۵ درصد افزایش می یابد . برای غنی سازی از دستگاه سانتریفوژ استفاده می شود .
- چرخه سوخت هسته ای :
سوختی که در رآکتور مورد استفاده قرار می گیرد . از مرحله اکتشاف تا استفاده ، مراحل مختلفی را طی می کند ، که به آن چرخه سوخت می گویند .
- اولین مرحله چرخه سوخت اکتشاف است . اورانیوم در اعماق زمین وجود دارد و میزان آن نسبت به سایر فلزات بسیار کمتر است . سنگ معدن اورانیوم به صورت اکسید اورانیوم (یک مولکول اورانیوم و دو مولکول اکسیژن) استخراج می شود . این ماده سیاه متمایل به قهوه ای است .
در کشور ما فعلاً یک معدن فعال در « ساغند » یزد « کویر مرکزی ایران » وجود دارد دو چاه ۳۵۷ متری به قطر ۴ متر و فاصله ۵۰ متر که از زیر، به هم متصلند . یکی از این ۲ چاه را پیمانکار چینی و دیگری را متخصصان داخلی (پس از لغو یکطرفه چینی ها) ساخته اند . معدن « خشومی » هم که در ایران مرکزی ، وجود دارد از معادن کشف شده آماده استخراج است .
- دومین مرحله پس از اکتشاف و استخراج ، فرآوری است ، همانطور که گفته شد اورانیومی که در معدن یافت می شود هیچگاه خالص نیست مادة مات و کدری است به نام اکسید اورانیوم (۲uo) .
* کیک زرد چیست ؟ این کیک با آن کیکهایی که ما در جشن تولد یا توی مدرسه می خوریم زمین تا آسمان فرق دارد . کیک زرد کنستانتره سنگ اورانیوم است ، بدین ترتیب که سنگ اورانیوم خام را آسیاب کرده ، پودر می کنند .
* با اضافه کردن «اسید سولفوریک» ، «سولفات اورانیل» بدست می آید که پس از اضافه کردن برخی حلالها «کیک زرد» «u3o8» بدست می آید که از ۳ مولکول اورانیوم و ۸ مولکول اکسیژن تشکیل شده است .
* کیک زرد سپس تبدیل به «تترا فلوراید اورانیوم» «uf4» و آن هم تبدیل به گاز «هگزا فلوراید اورانیوم» «uf6» می شود .
* «uf6» یا گاز هگزا فلوراید اورانیوم همان چیزی است که برای غنی سازی به سانتریفوژ می رود .
* سانتریفوژ چیست ؟ دستگاهی که می چرخد ، هی می چرخد ، هی می چرخد . . .
* غنی سازی : هگزا فلوراید اورانیوم را در اولین طبل چرخان سانتریفوژ وارد می کنند این طبل در هر دقیقه حدود ۶ هزار بار دور خود می چرخد که با ایجاد نیروی گریز از مرکز ، اتمهای سنگین تر از اورانیوم در کناره ها و اتمهای سبک و نیمه سنگین در مرکز طبل جمع می شوند . گازی که در مرکز جمع شده و حاوی اتمهای اورانیوم ۲۳۵ (سوخت رآکتور) بیشتری است به طبل بعدی هدایت می شود و باز همان عمل تکرار می شود تا طبل سوم ، چهارم ، پنجم و . . . این عمل آنقدر تکرار می شود که غلظت اورانیوم ۲۳۵ (۲۳۵u ) در طبل به ۵% برسد . در صورتی که این عمل به همین ترتیب تکرار شود غلظت اورانیوم به بالای ۹۰% هم خواهد رسید .
پس از غنی سازی اورانیوم، سوخت تقریباً آماده مصرف می شود و تنها باید آن را به صورت قرص اورانیوم در بیاورند که چیزی شبیه آسپرین خودمان است. این قرصها برای اینکه در راکتور قرار بگیرند احتیاج به یک محفظه یا غلاف دارند. غلافی که قرصها در آن قرار می گیرند باید بسیار مقاوم بوده و از طرفی از خارج شدن نوترونهایی که باعث ایجاد زنجیره واکنشهای هسته ای می شوند جلوگیری کند. غلاف سوخت از فنری به نام زیرکونیوم درست می شود؛ درحال حاضر تولید غلاف در مرکز تکنولوژی هسته ای اصفهان انجام می شود.
تا اینجا ۳ مرحله از چرخه سوخت هسته ای تکمیل گردید تمام این مراحل در داخل کشور و توسط متخصصان داخلی صورت می پذیرد و اما مرحله چهارم که باز فرآوری سوخت است عبارتست از جداسازی زباله های هسته ای از اورانیوم مصرف شده، نگهداری پسماند و استفاده مجدد از سوخت باقیمانده که طبق گفته کارشناسان از ۲۵ تن سوخت اولیه در یک دوره حدود ۵ تن مصرف شده و ۲۰ تن باقی می ماند. از این میزان مقداری به عنوان پسماند جدا سازی می شود که عناصری دارای رادیو اکتیویته بالا می باشند. پلوتونیوم که ماده ای استراتژیک به حساب می آید نیز از محصولات این باز فرآوری است و به طور طبیعی یافت نمی شود.
در پایان، سوخت مفید مجدداً در راکتور استفاده می شود و پسماندها پس از اینکه مدتی به صورت مایع نگهداری شدند تبدیل به بتن، شیشه یا بسته بندی های خاص شده و در قعر کویر یا زیر گنبدهای نمکی یا . . . دفن می شوند.
لازم به ذکر است طبق توافق ایران و روسیه پس از راه اندازی نیروگاه بوشهر طی مدت زمانی معین همه سوخت مصرف شده در نیروگاه، به کشور روسیه تحویل داده می شود و پس از آن باز فرآوری سوخت به عهده معاونت سوخت سازمان انرژی اتمی ایران خواهد بود.
Ucf چیست؟
این کلمه مخفف The Uranlum Conversion Facility به معنای تأسیسات تبدیل اورانیوم می باشد در این کارخانه مواد اولیه برای غنی سازی مانند اکسید اورانیوم تترا فلوراید اورانیوم و هگزا فلوراید اورانیوم تولید می شود. در ایران پس از عدم همکاری چینی ها برای تکمیل کارخانه بر اثر فشار امریکا، توسط مهندسان ایرانی ظرف مدت ۴ سال این کارخانه در اصفهان راه اندازی شد.
پیمان NPT چیست؟
ایران به عنوان کشوری فاقد فناوری هسته ای این پیمان را که به جهت منع گسترش سلاحهای هسته ای تنظیم شده بود در سال ۱۳۵۰ امضاء کرد و چون مدت تعهد آن ۲۵ ساله بود در سال ۱۳۷۴ مجدداً ادامه عضویت در این پیمان را پذیرفت.
پروتکل الحاقی چیست؟
موافقتنامه ای است که جهت تقویت سیستم نظارت معاهده NPT مورد تصویب آژانس انرژی هسته ای قرار گرفته و به NPT الحاق شد این پروتکل دارای یک مقدمه و ۱۸ ماده و ۲ ضمیمه است.
شورای حکام چه کسانی هستند؟
شورای حکام یکی از ارکان سازمان انرژی هسته ای است که ۳۵ عضو دارد ۱۳ عضو دائم و ۲۲ کشور که به صورت دوره ای از میان کشورها انتخاب می شوند. این شورا چون اختیار «حکمیت» و صدور «حکم» درباره فعالیت های هسته ای کشورها را دارد و از طرفی هر کدام از نماینده ها در حقیقت «حاکم» آن کشور شناخته می شود به شورای حکام معروف شده است.
طبق گفته کارشناسان اگر یک انسان ۷۰ سال عمر کند و در این مدت همه انرژی مورد نیاز خود را از حمل و نقل گرفته تا گرمایش و سرمایش را از طریق انرژی هسته ای بدست بیاورد پسماند سوخت هسته ای او در اندازه یک نعلبکی خواهد بود در حالی که همین انرژی اگر از سوخت فسیلی بدست آید چندین تن خواهد شد به همین دلیل است که کشوری مانند فرانسه ۸۰% و کره ۳۰% برق خود را از انرژی هسته ای بدست می آورند.
آیا انرژی هسته ای برای ما خطرناک است؟
بله – خیر، حقیقت این است که هر دو صحیح است طی سی- چهل سالی که از عمر آن می گذرد گاه نشان داده که می تواند بسیار خطرناک باشد به عنوان مثال در سال ۱۹۸۶ در نیروگاه چرنوبیل واقع در بخش شر قی روسیه سفید و اوکراین شدیدترین حادثه تاریخ فنآوری هسته ای اتفاق افتاد. این نیروگاه هزار مگاواتی در منطقه ای جنگی قرار داشت و ۳ سال در حال کار بود. علت اصلی این حادثه عدم رعایت دستورالعمل های ایمنی و نیز استفاده غیر صحیح و نا به جا از سیستم ها ی ایمنی توسط پرسنل عنوان شد. این حادثه مواد پرتوزای بسیاری به محیط اطراف منتقل کرد که باعث شد سکنه اطراف نیروگاه تا شعاع ۳۰ کیلومتری تخلیه شوند وسرانجام پس از ۱۱ روز مهار آتش و تقلیل مواد پرتوزا در محیط، این نیروگاه زیر توده ای به وزن تقریبی ۵۰۰۰ تن مدفون گردید این حادثه نشان داد عدم رعایت موارد ایمنی درفنآوری هسته ای چه اندازه می تواند خطرناک باشد ولی در عین حال نمی توان عملکرد صدها راکتور را که در سر تا سر جهان فعالیت می کنند و تاکنون مشکلی ایجاد نکرده اند را نادیده گرفت از سویی خطر افزایش گازهای گلخانه ای، گرم شدن کره زمین، سوراخ شدن لایه ازن، بالا آمدن سطح آبها در جهان، ذوب شدن یخ های قطبی و هزار عامل دیگر که همه معلول استفاده از سوختهای فسیلی است انسان را به استفاده هر چه بیشتر از منابع دیگر انرژی از جمله انرژی هسته ای که خطراتی به مراتب کمتر از سوختهای فسیلی دارند ترغیب می کند.
به امید روزی که بتوانیم به خودکفایی در همه زمینه ها برسیم.