انرژی هسته ای

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 می شود.

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 چرخه‌ سوخت 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 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.

الکتریسیته با استفاده از گرمای تولید شده در راکتورهای هسته‌ای و با ایجاد بخار برای به‌کار انداختن توربین‌هایی که به مولد متصل‌اند تولید می شود.

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 چرخه‌ سوخت 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 فراوان تر 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)

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.

حفاری های 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 گودال هایی 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.

ساختار نیروگاه های اتمی جهان و نیز شرح مختصری درباره طرز غنی سازی اورانیوم

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:

1- 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 گازCO2، آب، آب سنگین، هلیم گازی و یا سدیم مذاب باشند.

پی نوشت:

* محقق مرکز اتمی فرانسه _ دکترای دولتی فرانسه در شیمی فیزیک اتمی

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.

چه کسی بمب اتمی را اختراع کرد؟

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 و بتا و گاما) بعدها دانشمندان دریافتند که منشاء این پرتوها درون هسته اتم اورانیم می باشد.

در سال 1938 با انجام ازمایشاتی توسط دو دانشمند آلمانی بنامهای اتوهان 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 یافتند که 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 آمد.

U235 + n -> fission + 2 or 3 n + 200 MeV

زیرا همانطور که در شکل فوق می بینید هر فروپاشی هسته اورانیم. میتوانست تا 200 مگاولت انرژی آزاد 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 آلمانیهابه 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 آن نامه تاریخی از امکان ساخت بمبی صحبت شد که هر گز هایزنبرگ ان را نساخت.

چنین شدکه دولتمردان آمریکا برای پیشدستی بر آلمان پروژه مانهتن را براه انداختند و از انریکو فرمی دعوت به عمل آوردند 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 آزمایش 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 آمیز استفاده شود و دنیا عاری از سلاحهای اتمی گردد.

لیزه میتنر (مادر انرژی اتمی)

لیزه در سال 1878 در یک خانواده هشت نفری بدنیا آمد وی سومین فرزند خانواده بود با وجود 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.

دید کلی

وقتی که صحبت از مفهوم انرژی به میان می‌آید، نمونه‌های آشنای انرژی مثل انرژی گرمایی، نور و یا انرژی مکانیکی و الکتریکی در شهودمان مرور می‌شود. اگر ما انرژی هسته‌ای و امکاناتی که این انرژی در اختیارش قرار می‌دهد، آشنا ‌شویم، شیفته آن خواهیم شد.

آیا می‌دانید که

انرژی گرمایی تولید شده از واکنشهای هسته‌ای در مقایسه با گرمای حاصل از سوختن زغال سنگ در چه مرتبه بزرگی قرار دارد؟

منابع تولید انرژی هسته‌ای که بر اثر سیلابها و رودخانه از صخره شسته شده و به بستر دریا می‌رود، چقدر برق می‌تواند تولید کند؟

کشورهایی که بیشترین استفاده را از انرژی هسته‌ای را می‌برند، کدامند؟ و... .

نحوه آزاد شدن انرژی هسته‌ای

می دانیم که هسته از پروتون (با بار مثبت) و نوترون (بدون بار الکتریکی) تشکیل شده است. بنابراین بار الکتریکی آن مثبت است. اگر بتوانیم هسته را به طریقی به دو تکه تقسیم کنیم، تکه‌ها در اثر نیروی دافعه الکتریکی خیلی سریع از هم فاصله گرفته و انرژی جنبشی فوق العاده‌ای پیدا می‌کنند. در کنار این تکه ها ذرات دیگری مثل نوترون و اشعه‌های گاما و بتا نیز تولید می‌شود. انرژی جنبشی تکه ها و انرژی ذرات و پرتوهای بوجود آمده، در اثر برهمکنش ذرات با مواد اطراف، سرانجام به انرژی گرمایی تبدیل می‌شود. مثلا در واکنش هسته‌ای که در طی آن ²³⁵U به دو تکه تبدیل می‌شود، انرژی کلی معادل با 200MeV  را آزاد می‌کند. این مقدار انرژی می‌تواند حدود 20 میلیارد کیلوگالری گرما را در ازای هر کیلوگرم سوخت تولید کند. این مقدار گرما 2800000 بار بزرگتر از حدود 7000 کیلوگالری گرمایی است که از سوختن هر کیلوگرم زغال سنگ حاصل می‌شود.

کاربرد حرارتی انرژی هسته‌ای

گرمای حاصل از واکنش هسته‌ای در محیط راکتور هسته‌ای تولید و پرداخته می شود. بعبارتی در طی مراحلی در راکتور این گرما پس از مهار شدن انرژی آزاد شده واکنش هسته‌ای تولید و پس از خنک سازی کافی با آهنگ مناسبی به خارج منتقل می شود. گرمای حاصله آبی را که در مرحله خنک سازی بعنوان خنک کننده بکار می‌رود را به بخار آب تبدیل می‌کند. بخار آب تولید شده، همانند آنچه در تولید برق از زعال سنگ، نفت یا گاز متداول است، بسوی توربین فرستاده می‌شود تا با راه اندازی مولد، توان الکتریکی مورد نیاز را تولید کند. در واقع، راکتور همراه با مولد بخار، جانشین دیگ بخار در نیروگاه‌های معمولی شده است.

سوخت راکتورهای هسته‌ای

ماده‌ای که به عنوان سوخت در راکتورهای هسته‌ای مورد استفاده قرار می گیرد باید شکاف پذیر باشد یا به طریقی شکاف پذیر شود.²³⁵U  شکاف پذیر است ولی اکثر هسته های اورانیوم در سوخت از انواع ²³⁸U است. این اورانیوم بر اثر واکنشهایی که به ترتیب با تولید پرتوهای گاما و بتا به ²³⁹Pu تبدیل می‌شود. پلوتونیوم هم مثل ²³⁵U شکافت پذیر است. به علت پلوتونیوم اضافی که در سطح جهان وجود دارد نخستین مخلوطهای مورد استفاده آنهایی هستند که مصرف در آنها منحصر به پلوتونیوم است.

میزان اورانیومی که از صخره‌ها شسته می‌شود و از طریق رودخانه ها به دریا حمل می‌شود، به اندازه‌ای است که می‌تواند 25 برابر کل مصرف برق کنونی جهان را تأمین کند. با استفاده از این نوع موضوع، راکتورهای زاینده‌ای که بر اساس استخراج اورانیوم از آب دریاها راه اندازی شوند قادر خواهند بود تمام انرژی مورد نیاز بشر را برای همیشه تأمین کنند، بی آنکه قیمت برق به علت هزینه سوخت خام آن حتی به اندازه یک درصد هم افزایش یابد.

مزیتهای انرژی هسته‌ای بر سایر انرژیها

برخلاف آنچه که رسانه‌های گروهی در مورد خطرات مربوط به حوادث راکتورها و دفن پسماندهای پرتوزا مطرح می‌کند از نظر آماری مرگ ناشی ازخطرات تکنولوژی هسته‌ای از 1 درصد مرگهای ناشی از سوختن زغال سنگ جهت تولید برق کمتر است. در سرتاسر جهان تعداد نیروگاههای هسته‌ای فعال بیش از 419 می باشد که قادر به تولید بیش از 322 هزار مگاوات توان الکتریکی هستند. بالای 70 درصد این نیروگاه‌ها در کشور فرانسه و بالای 20 درصد آنها در کشور آمریکا قرار دارد.

تحولات مساله هسته‌ای ایران و کره‌شمالی در سال از نگاه شین هوا۲۰۰۷ 

خبرگزاری چین "شین هوا" در گزارشی پیرامون تحولات در دومساله هسته‌ای ایران و کره‌شمالی درطول سال، ۲۰۰۷ از پیشرفت دراین مسایل که‌بازتاب نسبتا زیادی در یکسال گذشته در رسانه‌های چینی داشته است، خبر داد. به گزارش روز چهارشنبه ایرنا، "شین هوا" در گزارش خود در ارتباط با مساله هسته‌ای ایران در سال  ۲۰۰۷ میلادی می‌نویسد: در مساله هسته‌ای ایران ، پیشرفت‌هایی درسال جاری میلادی حاصل شد و به خصوص در پایان سال جاری میلادی با توجه به گزارش نهادهای اطلاعاتی آمریکا مبنی بر ماهیت صلح آمیز برنامه هسته‌ای ایران ، تنش‌ها میان تهران و واشنگتن نسبتا کاهش یافت.

مقام‌های چین بدفعات اعلام کردند از حل صلح آمیز مساله هسته‌ای ایران و ادامه همکاری تهران باآژانس بین‌المللی‌انرژی اتمی برای حل مسایل باقیمانده حمایت می کنند.

ایران در مقابل درخواست های آمریکا برای توقف غنی‌سازی اورانیوم پایداری نشان داده است و همچنان با اتحادیه اروپا و آژانس بین المللی انرژی اتمی همکاری و مذاکره می‌کند تا از صدور قطعنامه سوم درارتباط با پرونده هسته‌ای جلوگیری کند.

رسانه‌های گروهی چین نیز در گزارش‌های متعددی اعلام کردند ایران تاکنون چندین دور مذاکره با اعضای آژانس بین‌المللی انرژی اتمی داشته‌وبه توافقاتی نیز با آنها دست یافته و واقعا پیشرفت هایی در مساله هسته‌ای ایران حاصل شده است.

بنا به این گزارش‌ها ، ایران در زمینه بازرسی کارشناسان آژانس تسهیلات بیشتری در اختیار آنها قرار داده و با بازدید آنها از نیروگاه " آب سنگین اراک " نیز موافقت کرده است.

خبرگزاری چین در گزارش خود می‌نویسد : " محمد البرادعی" مدیر کل آژانس بین‌المللی انرژی اتمی در گزارشی که درباره مساله هسته‌ای ایران ارایه کرد، همکاری‌های تهران را رضایتبخش خواند وافزود:ایران دیدگاه بازی برای همکاری و مذاکره دارد.

شین هوا تاکید دارد روسیه و حتی اتحادیه اروپا در مقابل خواسته آمریکا برای فشاربیشتراقتصادی برایران مقاومت کرده و در زمینه صدور قطعنامه جدید دیدگاه متفاوتی با واشنگتن دارند.

خبرگزاری چین درگزارش خود آورده است که تحولات نشان می‌دهد مساله هسته‌ای ایران روند بهتری پیدا کرده است.

** مساله هسته‌ای کره‌شمالی

شین هوا همچنین درخصوص مساله هسته‌ای کره شمالی در طول سال ‪ ۲۰۰۷نوشت:

دراین سال در مساله هسته‌ای کره‌شمالی تغییرات بارزی رخ داد.

از ابتدای سال ‪ ۲۰۰۷میلادی اسناد مشترکی درباره مساله هسته‌ای شبه جزیره کره در نشست شش جانبه پکن و با حضور چین، دو کره، روسیه، آمریکا و ژاپن منتشر شد.

در چارچوب موافقت دوطرف، کره‌شمالی اعلام کرد فهرستی از برنامه هسته‌ای خود منتشر خواهد کرد و تاسیسات هسته‌ای حساس خود را متوقف خواهد کرد تا یک میلیون تن سوخت سنگین و کمک‌های اقتصادی دریافت کند.

کره شمالی اواسط امسال اعلام کرد کار توقف مرکز هسته‌ای " یانگ بیون" را که گفته می‌شود این کشور در آن پلوتونیم تولید می‌کند، آغاز کرده‌است و به دنبال آن سپرده ‪ ۲۵میلیون دلاری کره‌شمالی که از سوی آمریکا در بانکی در ماکائو مسدود شده بود، آزاد شد.

حل این مساله موجب شد پیشرفت‌های زیادی در فرایند پایان دادن به بحران هسته ‌ای کره‌شمالی بدست آید.

در اکتبر همین سال در پکن ، کره شمالی موافقت کرد تمامی مراکز هسته‌ای موجود خود را متوقف کرده و فهرستی از برنامه‌های هسته‌ای خود را نیز تا پایان سال تهیه کند.

بر اساس سند مشترک دوطرف ذیربط، آمریکا اعلام کرد بر این روند نظارت کافی خواهد داشت.

اوایل ماه نوامبر، یک گروه کاری از کارشناسان آمریکایی از نیروگاه هسته‌ای یانگ بیون بازدید کردند و اکنون کره‌شمالی در حال آماده کردن فهرست مذکور است.

شین هوا در گزارش خود همچنین پیشنهاد کرده است در سال ‪ ۲۰۰۸میلادی طرف های ذیربط باید تلاش‌های خود را بر حل مساله هسته‌ای ایران و همچنین مساله هسته‌ای شبه جزیره کره متمرکز کنند و همچنان از روش های مسالمت‌آمیز و دیپلماسی برای پایان دادن به این مسایل استفاده نمایند.

منابع:

http://www.pishtazan.com/azari/index.htm

http://www1.irna.ir/fa/frontpage/menu-143/

http://forum.p30world.com/forumdisplay.php?f=137