انرژی هسته ای چیست؟

هسته اتم از اجتماع پروتون ها و نوترون ها به وجود آمده که در کنار یکدیگر با نیروی جاذبه قوی قرار گرفته اند. پروتون ها بار مثبت دارند و نوترون ها بار خنثی. بنابراین با توجه به فاصله خیلی کم بین پروتون ها، آن ها نیروی دافعه بسیار شدیدی به هم اعمال می کنند. پس نیروی جاذبه ای که بین شان وجود دارد، باید آن قدر قوی باشد که این دافعه را خنثی کند. به این نیرو، نیروی هسته ای می گویند.
هرچه در جدول تناوبی عناصر (جدول مندلیف) به جلوتر حرکت کنیم، اتم ها سنگین تر می شوند. این امر به خاطر زیاد شدن تعداد پروتون ها و نوترون های آن هاست. وقتی تعداد پروتون های هسته از یک حدی بیشتر شد، نیروی دافعه الکتریکی از نیروی جاذبه هسته ای بیشتر می شود و هسته ناپدیدار می شود. به اتم های سنگین تر از این حد، اتم های ناپایدار می گویند. روی این مرز، اورانیوم قرار دارد.اورانیوم (238، 92)تا پروتون دارد و (146)تا نوترون، اورانیوم (235، 92)تا پروتون دارد و (143)تا نوترون. به دلیل داشتن تعداد مساوی پروتون، این دو هسته اتم، خواص شیمیایی کاملا یکسانی دارند، اما چون اورانیوم (235)، نوترون کمتری دارد، انرژی هسته ای جاذبه آن، کمتر از انرژی دافعه الکتریکی است و ناپایدار است. به هسته هایی که خواص شیمیایی یکسان ولی جرم متفاوت دارند، ایزوتوپ می گویند. اورانویم (235)ناپایدار است و طی فرایندی به عناصر سبک تر تبدیل می شود. اگر جرم این عناصر را جمع کنیم از جرم اورانیوم (235)کم کنیم، باید نتیجه حاصل، صفر شود. اما برخلاف انتظار، مقدار بسیار ناچیزی باقی می ماند که طبق معادله معروف هم ارزی جرم و انرژی اینشتین (E=mc2)، این مقدار جرم، به انرژی گرمایی تبدیل می شود. این انرژی آزاد شده در رآکتورهای هسته ای، صرف تولید برق می شود. اما میزان اورانیوم (235)موجود در طبیعت، کمتر از یک درصد اورانیوم طبیعی (238) است. برای افزایش غلظت اورانیوم (235)آن را طی فرایندی که چرخه سوخت هسته ای می گویند، غنی می کنند.

واکنش زنجیره ای

کلید اصلی تولید انرژی، نه شکافت هسته ای بلکه واکنش زنجیره ای است. عناصر زیادی در طبیعت هستند که ناپایدارند و شکافته می شوند، اما همه آن ها نمی توانند به عنوان سوخت هسته ای به کار روند. یکی از محصولات شکافت هسته ای، نوترون است. نوترونی که در فرایند شکاف هسته ای بزرگ تولید می شود، باید آن قدر انرژی داشته باشد که بتواند پس از برخورد به یک هسته ناپایدار دیگر، آن را بشکافد. به چنین فرآیندی «واکنش زنجیره ای» می گویند. در واپاشی هسته اورانیوم (235، 3)تا نوترون آزاد می شود. بنابراین هر هسته که شکافته می شود، می تواند (3)هسته دیگر را نیز بشکافد. اگر این فرایند (واکنش زنجیره ای) از کنترل خارج شود ما با یک انفجار هسته ای (مثل چرنوبیل یا آن چه در بمب های اورانیومی اتفاق می افتد) مواجه خواهیم بود. برای کنترل واکنش زنجیره ای در رآکتورهای تولید انرژی، از میله هایی به نام میله کنترل استفاده می شود. میله های کنترل در میان میله های سوخت قرار می گیرند و سرعت نوترون ها را با توجه به دمای رآکتور کنترل می کنند. اگر دما از یک حدی بیشتر شود، میله های کنترل، درون قلب راکتور فرو می روند و نوترون ها را کند می کنند تا سرعت واکنش زنجیره ای کم می شود. قلب راکتور درون مخزنی از آب است که معمولا از نوع آب سنگین (یک اکسیژن و دو هیدروژن 2 که یک پروتون و یک نوترون دارد) است.

چرخه سوخت هسته ای

اورانیومی که را که از معدن به دست می آید، نمی توان مستقیما خالص کرد و به نیروگاه فرستاد. برای این که قسمت اعظم اورانیوم، ایزوتوپ (238)است که قابل شکافت نیست. و اورانیوم (235)که شکافت پذیر است، کمتر از یک درصد حجمی اورانیوم استخراج شده است. برای همین، طی فرایندی که به آن غنی سازی می گویند، سوخت هسته ای در چرخ ای صنعتی، برای استفاده آماده می شود. به این عملیات، چرخه سوخت هسته ای می گویند.
چرخه سوخت از دو قسمت تشکیل شده است. قسمت جلویی که عملیات آماده سازی اورانیوم در آن صورت می گیرد و قسمت عقبی که درآن، ضایعات هسته ای را برای جلوگیری از آسیب رسانی به طبیعت و محیط زیست، در محل امنی قرار می دهند.

غنی سازی

برای افزایش غلظت اورانیوم شکافت پذیر(235) طی فرایندی که به آن غنی سازی می گویند. درصد جرمی آن را در نمونه اورانیوم بالا می برند.برای یک راکتور آب سبک، (5)درصد غنی سازی کافی است. اما برای ساختن بمب اتمی باید اورانیوم را حداقل تا (90) درصد غنی کرد.
دو روش مهم غنی سازی، انتشار گاز و سانتریفیوژ است. در روش انتشار، گاز هگزا فلوراید اورانیوم (UF6) را تحت فشار گاز طبیعی، از غشاهای نیمه تراوا عبور می دهند. چون اورانیوم (235)سبک تر از اورانیوم (238)است. سریع تر عبور می کند. به این ترتیب، طی فرآیند طولانی و با تکرار چندین باره این عمل (عبور از غشای نیمه تراوا)اورانیوم غنی می شود. عیب این روش، این است که با این که آهنگ نسبتا پایینی دارد، هزینه اش بالاست.
در روش سانتریفیوژ، UF6 را درون استوانه های بزرگی می ریزند و با سرعت بالایی می چرخانند. نیروی گریز از مرکز باعث می شود که اورانیوم (235)از اورانیوم (238)جدا شود. هرچند سانتریفیوژ، نیازمند دستگاه ها و فن آوری های بسیار پیشرفته تری نسبت به انتشار است. اما مصرف انرژی آن، نسبت به روش قبلی بسیار کمتر است.
امروز روش دیگری کشف شده که با استفاده از لیزر گازی اورانیوم را غنی می کند. این روش، MLIS، نام دارد. آهنگ غنی سازی و سطح غنی سازی، در این روش بیشتر از دو روش قبلی است، اما تکنولوژی بسیار پیشرفته ای می خواهد.

تبدیل

برای غنی سازی، سوخت باید در حالت گازی باشد. طی فرایندی شیمیایی، اورانیوم را که به صورت کیک زرد است. به گاز هگزافلوراید اورانیوم (UF6) تبدیل می کنند. البته UF6 در دمای اتاق جامد استف اما با کمی گرم کردن به گاز تبدیل می شود.

آسیاب

پس از استخراج اورانیوم اکسید، تکه سنگ ها به آسیاب فرستاده می شود تا در ابعاد ریز و تقریبا مساوی، در آسیاب خرد شود. اورانیوم را با اسید سولفوریک از بقیه اتم ها جدا می کنند. محلول به دست آمده را تصفیه کرده و سپس خشک می کنند. به کنستانتره جامدی که به دست می آید، کیک زرد می گویند.

اکتشاف و استخراج

با استفاده از روش های معمول زمین شناسی، مناطق دارای اورانیوم را شناسایی می کنند و نمونه هایی از مواد خاکی این نقاط را به آزمایشگاه می فرستند. در آزمایشگاه مشخص می شود که چه مقدار از منابع اورانیوم از ایزوتوپ شکافت پذیر(235)است و استخراج از این معدن چه هزینه ای در بر دارد. به طور متوسط در معادن دنیا (99/28)درصد اورانیوم (238 و 71%)درصد اورانیوم (235)موجود است. اورانیوم مجود در معادن، خالص نیست و به صورت اکسید (U3O8) موجود است.

تولید سوخت

اورانیوم غنی شده که به شکل گاز، UF6 است، (2)باید برای سوختن (شکافت) در راکتور آماده شود. برای این کار UF6 را طی فرایندی شیمیایی به دی اکسید اورانیوم (UO2) تبدیل می کنند. پودر UO2 فشرده شده و به شکل قرص درمی آید. قرص ها در معرض حرارات بالا قرار می گیرند تا تبدیل به سرامیک شود. این قرص های سرامیکی را در لوله های مخصوص قرار می دهند. این لوله از آلیاژ خاصی است که در برابر خوردگی بسیار مقاوم است و رسانایی حرارتی بالایی دارد.

عملیات سوخت

میله های سوخت را در قلب رآکتورقرار می دهند و طی واکنش زنجیره ای، حرارت تولید می شود. این حرارت، آب را بخار می کند و نیروی بخار، توربین های تولید انرژی را به حرکت درمی آورند.
راکتورها دو دسته اند:
1-راکتورهای گرمایی که سرعت کمی دارند و فرایند شکافت در آن ها به آرامی انجام می شود. این رآکتورها استفاده صلح آمیز برای تولید انرژی دارند.
2-رآکتورهای سریع که هدف آن ها تولید سوخت لازم برای بمب های هسته ای است.

قسمت عقبی چرخه

سوخت هسته ای پس از مصرف، بسیار تشعشع زا است. این مواد رادیواکتیو باید طوری نابود شوند که مشکلی برای محیط زیست به وجود نیاید.با این وجود، جالب است بدانید که برای تولید (8)مگاوات ساعت انرژی برق، تنها (30)گرم زباله رادیواکتیوتولید می شود.این در حالی است که برای تولید همین مقدار برق از زغال سنگ، (8)تن دی اکسید کربن تولید می شود که در دما و فشار جو، حجمی معادل (3)استخر شنای المپیک را دارد.
(3)نوع زباله هسته ای وجود دارد:
1-سطح پایین: لباس ها و تجهیزات و فیلترها که ممولا فشرده هستند و سپس آتش زده می شود و در چاله های کم عمق نگهداری می شود.
2-سطح متوسط: پس مانده های نیروگاه مثل حفاظ های میله های سوخت و مواد رادیواکتیو دیواره ها که پس از قرار گرفتن در پوشش حفاظتی، دفن می شوند. این پوشش حفاظتی، از جنس بتن است.
3-سطح بالا: همان سوخت های مصرفی است که برای نابودی آن ها باید هزینه بیشتری متحمل شد.این هزینه ها عبارتند از:
الف)انبارداری موقت: سوخت مصرف شده در رآکتور، بسیار داغ و رادیواکتیو است و تشعشع فراوانی دارد. برای همین، آن را برای مدت طولانی، درون استخرهای آب با عمق بیش از (8)متر که از جنس بتن مسلح به فولاد ضد زنگ است، قرار می دهند.
ب)انبار نهایی: پس از خنک شدن سوخت، با استفاده از روش های شیمیایی، بعضی از مواد قابل بازیافت مثل اورانیوم یا پلوتونیم را از ضایعات هسته ای جدا می کنند تا در پزشکی هسته ای، تولید سوخت و کارهای دیگر از آن استفاده کنند. بقیه مواد را با حرارت دادن، به پودر تبدیل می کنند و پس از آهکی کردن، آن را با شیشه مخلوط می کنند. سپس آن ها را درون محفظه هایی از جنس «فولاد ضد زنگ» قرار می دهند و در منطقه ای امن (از لحاظ جغرافیایی) دفن می کنند. هزار سال طول می کشد که تشعشع این مواد به میزان طبیعی کاهش یابد.

چرخه سوخت هسته ای

یکی از مواردی که در معاهده منع گسترش سلاح های هسته ای وجود دارد، این است که دولت های دارای تکنولوژی هسته ای نباید دیگر کشورها را از حق بهره برداری صلح آمیز از انرژی هسته ای محروم کنند. اما خیلی از کشورهای دنیا می توانند (چه از لحاظ مالی و چه از لحاظ علمی) که تجهیزات هسته ای را اداره می کنند. برای همین، عملا تکنولوژی هسته ای فقط در دست تعدادی از قدرت های صاحب سلاح های هسته ای است.
با این وجود، دانشمندان کشور ما توانستند به تکنولوژی تولید سوخت هسته ای دست یابند. نکته مهم تر در این بین، این است که کشور ما توانایی این را دارد که تمام مراحل استخراج، غنی سازی و مصرف سوخت را انجام دهد. منابع طبیعی اورانیوم در ساغند، تجهیزات غنی سازی در نطنز و اصفهان و بالاخره در نیروگاه های هسته ای که اولین شان در بوشهر به زودی آماده می شود، باعث شده که تمام مراحل چرخه سوخت را بتوانیم در داخل انجام دهیم. به این ترتیب متخصصان ایرانی به امکاناتی (از لحاظ علمی) دست پیدا کرده اند که در دنیا تنها در دست چند قدرت بزرگ هسته ای قرار دارد.
حتی خیلی از همین قدرت های هسته ای هم توان انجام تمام مراحل چرخه سوخت را در داخل سرزمین شان ندارند. آمریکا منابع خیلی کمی از اورانیوم دارد. اروپا هم جای مناسب برای نابودی زباله های هسته ای ندارد.
این چیزی است که می خواهند کشورمان را از داشتن آن محدود کنند: «توان غنی سازی اورانیوم.» البته تعدادی از کشورهای اروپایی به ایران پیشنهاد دادند که غنی سازی در چین یا روسیه انجام شود. اما در حالی که این مراحل در داخل کشور و با هزینه ای کمتر قابل انجام است، نیازی به این کار (از لحاظ اقتصادی) دیده نمی شود.
منبع: همشهری جوان شماره 59