انرژی هسته ای

 

 

نیروگاههای هسته ای وبمب های هسته ای چگونه كار میكنند؟


این روزها در مجلات,روزنامه ها,تلویزیون وغیره از همه چیز میشنویم ولی بیشتر از همه فعالیت های صلح آمیزوغیر صلح آمیز هسته ای است كه ذهنمان را مشغول میسازد.در اینجا سعی بر آن است كه مطالب حتی الامكان به صورت عامه فهم وبه گونه ای كه حق مطلب ادا شود,برای شما توضیحاتی پیرامون بمب های هسته ای ,تشعشعات هسته ای ونیروگاههای هسته ای عنوان شود.قبل از اینكه به اصل موضوع بپردازیم خدمت دوستان خوبم باید عرض كنم كه این مطالب ممكن است برای عده ای از دوستان بسیار پیش پا افتاده وساده باشه به هر حال شما به بزرگی خودتون ببخشید و اینو هم در نظر بگیرید كه مخاطب های این وبلاگ ممكنه از هر قشری باشند پس ما هم مجبوریم كه ملاحظه حال اونا رو هم بكنیم....

میدانیم كه دنیای اطرافمان از 92 عنصر موجود در طبیعت ساخته شده است. به این شكل كه عناصر از اتم ها ساخته شده اند وتشكیل مولكول آن عنصر را میدهند و اگر این مولكولها در كنار یكدیگرقرار گیرند ماده بوجود می آید. بسیاری از مواد از عناصر مختلف تشكیل شده اند بنابراین اتم های مختلفی در آنها وجود دارد. لازم به ذكر است قطر اتم 10 به توان منفی ده متر میباشد واندازه هسته در مركز اتم0001/0 بزرگی اتم كوچكتر است و یا به عبارتی دقیقتر قطر كامل هسته به طور میانگین 10به توان منفی 15 متر میباشد.ابتدا به تشریح ساختمان اتم میپردازیم:

در داخل هر اتم سه ذره وجود دارد:الكترون با بار منفی , پروتون با بار مثبت و نوترون خنثی. بارهای همنام یكدیگر را دفع و بارهای غیر همنام یكدیگر را جذب میكنند بجز نوترون كه هیچ عكس العملی ندارد.هسته اتم هر عنصر از پروتون و نوترون تشكیل شده است كه مجموع تعداد آنها را عدد اتمی آن عنصر ,وبه آنها نوكلئون میگویند. لازم به ذكر است جرم نوترون 675/1ضربدر 10 به توان منفی 27 كیلوگرم ,وجرم پروتون 673/1ضربدر 10 به توان منفی 27 میباشد.پروتون های تشكیل دهنده هسته اتم چون دارای بار مثبت هستند پس طبیعی است كه یكدیگر را دفع كنند برای جلوگیری از این اتفاق نوترون ها مانند چسبی از متلاشی شدن هسته جلوگیری میكنند.الكترون ها نیز در مدارات بیضی شكل و نامنظم در اطراف هسته با سرعت بسیار زیاد در حال گردشند وهر چه این الكترون ها به لایه والانس نزدیكتر میشوند تعلق آنها به هسته كاهش میابد(بر اساس مدل اتمی بور).

اما اگر بخواهیم علمی تر بحث كنیم باید بگوئیم تقریبا سه نیرو در هسته هر اتم وجود داردكه یكی از آنها سعی در انهدام هسته و دو تای دیگر سعی در پایداری هسته دارند. اولی نیروی كولنی یا همان دافعه پروتونی میباشد , دومی نیروی گرانش ناشی از جاذبه بین ذرات جرم دار است وسومی كه مهمترین دلیل جلوگیری از متلاشی شدن هسته میباشد همان نیروی هسته ای است. دقت كنید نیروی كولنی بسیار ناچیز است و نمیتواند به تنهایی هسته را متلاشی كند و نیروی گرانش ذرات نیز بسیار كم میباشد و توانایی در تعادل نگه داشتن هسته را ندارد,در واقع این نیروی هسته ای است كه اتم را در تعادل نگه داشته و از واپاشیده شدن نوكلئون ها جلوگیری میكند. برای توضیح این نیرو باید گفت اگر فاصله بین پروتون و نوترون از 5 ضربدر 10 به توان منفی 15 متر(5فمتو متر) بیشتر شود نیروی هسته ای وجود ندارد , بر عكس اگر این فاصله از مقدار یاد شده كمتر شود نیروی هسته ای بیشترمیشود بدین طریق هسته از متلاشی شدن نجات میابد.سال 1905 در یك آپارتمان كوچك در شماره 49 خیابان كرامر گاسه در برلین (منزل مسكونی اینشتین)اتفاق بزرگی افتاد ; كسی چه میدانست با كشف فرمول معروف نسبیت خاص E=mc2 میتوان جان هزاران نفر را در هیروشیما و ناكازاكی گرفت و یا اینكه برای میلیون ها نفر در سرار جهان برق و انرژی تولید كرد ؟!

فرمول E=mc2 به ما میگوید كه اندازه انرژی آزاد شده برابر است با تغییرات جرم جسم تبدیل شده در مجذور سرعت نور. به این معنی كه اگر ما جسمی به جرم مثلا یك كیلوگرم را با سرعتی نزدیك به سرعت نور به حركت درآوریم انرژی معادل 9ضربدر10به توان 16 ژول خواهیم داشت كه رقم بسیار وحشتناكی است ولی واقعیت این است كه چنین چیزی غیر ممكن است !!! چرا ؟

چون بر اساس همان فرمول نسبیت حركت با سرعت نور برای اجسام غیر ممكن است. برای درك بهتر موضوع فرمول را به شكل دیگری مینویسیم : m=E/C2 اگر C2 ثابت فرض شود به روشنی پیداست كه انرژی و جرم نسبت مستقیم با یكدیگر دارند ,حال اگر ما بخواهیم جسمی به جرم m را با سرعت نور © به حركت درآوریم طبیعتا باید به آن انرژی بدهیم و از آنجا كه m و E با یكدیگر نسبت مستقیم دارند پس هر چه انرژی بیشتر شود m نیز بزرگتر میشود ودر واقع قسمت اعظم انرژی صرف ازدیاد جرم میشود تا سرعت دادن به جسم . پس تقریبا به بی نهایت انرژی نیاز داریم واین همان چیزی است كه حركت با سرعت نور را برای اجسام غیر ممكن میكند.

قبل از اینكه توضیحات بیشتری داده شود لازم است كمی هم در مورد راههای آزاد كردن انرژی هسته ای بگوئیم.

به طور كلی انرژی موجود در هسته به دو روش آزاد میشود :

1 - روش شكافت هسته ای كه در آن یك اتم سنگین مانند اورانیوم تبدیل به دو اتم سبكتر میشود . ویا به عبارتی دیگر وقتی كه هسته ای سنگین به دو یا چند هسته با جرم متوسط تجزیه میشود میگویند شكافت هسته ای رخ داده است و وقتی هسته ای با عدد اتمی زیاد شكافته شود , مقداری از جرم آن ناپدید وبه انرژی تبدیل میشود(طبق قانون نسبیت).

2 - روش همجوشی (گداخت هسته ای) ; كه در آن دو اتم سبك مانند هید روژن تبدیل به یك اتم سنگین مانند هلیم میشود. درست همانند اتفاقی كه در حال حاضر در خورشید می افتد, كه در هر دو حالت انرژی قابل توجهی آزاد می شود.

در حال حاضر اكثر بمب های هسته ای ونیروگاههای هسته ای بروش شكافت هسته عمل میكنند .حال دوباره به توضیحات مربوط اتم بر میگردیم . در اینجا لازم است نكاتی را در مورد پایداری و ناپایداری توضیخ دهیم...

اگرما 13 پروتون را با 14 نوترون تركیب كنیم هسته ای خواهیم داشت كه اگر 13 الكترون در اطراف آن گردش كنند یك اتم آلومینیوم را میسازند .حال اگر میلیاردها عدد از این اتم ها را در كنار هم قرار دهیم آلومینیوم را می سازیم(AL27) كه با آن انواع وسایل نظیر قوطی ها و درب وپنجره ها و غیره... را میتوان ساخت.

حال اگر همین آلومینیوم را در شیشه ای قرار دهیم ! وچند میلیون سال به عقب برگردیم این آلومینیوم هیچ تغییری نخواهد كرد ,پس آلومینیوم عنصری پایدار است . تا حدود یك قرن پیش تصور بر این بودكه تمام عناصر پایدار هستند. مساله مهم دیگر اینكه بسیاری از اتم ها در اشكال متفاوتی دیده می شوند . برای مثال : مس دو شكل پایدار دارد , مس 63 ومس 65 كه به این دو نوع ایزوتوپ گفته می شود .هر دوی آنها 29 پروتون دارند اما چون در عدد اتمی 2 واحد فرق دارند به سادگی می توان فهمید كه تعداد نوترون های اولی 34 ودیگری 36 است وهر دوی آنها پایدار هستند.در حدود یك قرن پیش دانشمندان متوجه شدند گه همه عناصر ایزوتوپ هایی دارند كه رادیواكتیو هستند.مثلا : هیدروژن را در نظر بگیرید , در مورد این عنصر سه ایزوتوپ شناخته شده است.

1 - هیدروژن معمولی یا نرمال (H1) در هسته اتم حود یك پروتون دارد وبدون هیچ نوترونی. البته واضح است چون نیازی نیست تا خاصیت چسبانندگی خود را نشان دهد چرا كه پروتون دیگری وجود ندارد.

2 - هیدروژن دوتریم كه یك پروتون ویك نوترون دارد و در طبیعت بسیار نادر است. اگرچه عمل آن بسیار شبیه هیدروژن نوع اول است برای مثال میتوان از آن آب ساخت اما میزان بالای آن سمی است.

هر دو ایزوتوپ یاد شده پایدار هستند اما ایزوتوپ دیگری از هیدروژن وجود دارد كه ناپایدار است !

3 - ایزوتوپ سوم هیدروژن (تریتیوم) كه شامل دو نوترون و یك پروتون است. همان طور كه قبلا گفته شد این نوع هیدروژن ناپایدار است . یعنی اگر مجددا ظرفی برداریم واین بار درون آن را با این نوع از هیدروژن پر كنیم و یك میلیون سال به عقب برگردیم متوجه میشویم كه دیگر هیدروژنی نداریم و همه آن به هلیم 3 تبدیل شده است (2 پروتون و یك نوترون) واین ها همه توضیحاتی ساده در مورد پایداری و ناپایداری بود.

در یك پاراگراف ساده میتوان گفت كه هر چه هسته اتم سنگین تر شود تعداد ایزوتوپ ها بیشتر میشود و هر چه تعداد ایزوتوپ ها بیشتر شود امكان بوجود آمدن هسته های ناپایدار نیز بیشتر خواهد شد و در نتیجه احتمال وجود نوع رادیواكتیو نیز بیشتر میشود.

در طبیعت عناصر خاصی را میتوان یافت كه همه ایزوتوپ هایشان رادیو اكتیو باشند.برای مثال دو عنصر سنگین طبیعت كه در بمب ها ونیروگاههای هسته ای از آنها استفاده می شود را نام میبریم : اورانیوم و پلوتونیوم.

اورانیوم به طور طبیعی فلزی است سخت,سنگین,نقره ای و رادیواكتیو,با عدد اتمی 92.سالهای زیادی از آن به عنوان رنگ دهنده لعاب سفال یا تهیه رنگهای اولیه در عكاسی استفاده میشد و خاصیت رادیواكتیو آن تا سال 1866 ناشناخته ماند و قابلیت آن برای استفاده به عنوان منبع انرژی تا اواسط قرن بیستم مخفی بود.

 

خصوصیات فیزیكی اورانیوم

اورانیوم طبیعی (كه بشكل اكسید اورانیوم است) شامل3/99% از ایزوتوپ اورانیوم 238 و7/0% اورانیوم 235است. كه نوع 235 آن قابل شكافت است و مناسب برای بمب ها ونیروگاههای هسته ای است. این عنصر از نظر فراوانی در میان عناصر طبیعی پوسته در رده 48 قراردارد. از نظر تراكم و چگالی باید گفت 6/1 مرتبه متراكم تر از سرب است.وهمین تراكم باعث سنگین تر شدن آن می شود.برای مثال اگر یك گالن شیر وزنی حدود 4 كیلوگرم داشته باشد ,یك گالن اورانیوم 75 كیلوگرم وزن دارد!!!

انواع اورانیوم

اورانیوم با غنای پایین كه میزان اورانیوم 235 آن كمتر از 25% ولی بیشتر از7/0% است كه سوخت بیشتر راكتورهای تجاری بین 3 تا 5 درصد اورانیوم 235 است.

اورانیوم با غنای بالا كه در اینجا بیشتر از 25% وحتی در مواردی آن را تا98% نیز غنی میكنند و مناسب برای كاربردهای نظامی وساخت بمب های هسته ای است.

و اما منظور از غنی سازی اورانیوم چیست؟

بطوربسیار خلاصه غنی سازی عبارت است از انجام عملی كه بواسطه آن مقدار اورانیوم 235 بیشتر شود و مقدار اورانیوم 238 كمتر. كه پس از جمع آوری اورانیوم 238 ,آن را زباله اتمی می نامند.

غنی سازی اورانیوم به روشهای مختلفی انجام می شود كه چند مورد از آن را خدمت شما یادآور می شویم: 1-استفاده از اصل انتشار گازها 2-استفاده از روش فیلترینگ 3-استفاده از میدانهای مغناطیسی 4- استفاده از دستگاه سانتریفوژ كه در حال حاضر روش چهارم متداولترین,باصرفه ترین و مطمئن ترین روش به شمار میآید.

در اواخر سال 1938 هان,مایتنر و اشتراسمن به اكتشافی دست یافتند كه دنیا را تحت تاثیر قرار داد ,آنها متوجه شدند كه میتوان كاری كرد كه هسته های اورانیوم 235 شكسته شوند.

فرض كنید كه نوترونی در اطراف یك هسته اورانیوم 235 آزادانه در حال حركت است,این هسته تمایل زیادی دارد كه نوترون كند را به درون خود بكشاند وآن راجذب كند.هسته اورانیوم پس از گیر اندازی این نوترون,دیگر هسته ای پایدار نیست وناگهان از هم شكافته می شود این هسته در طی فرآیند شكافت به دو یا چند هسته با جرم كوچكتر ,یعنی به صورت هسته های عناصر نزدیك به مركز جدول تناوبی تجزیه می شود.به طور كلی در فرآیند شكافت اگر یك نوترون به هسته اصابت كند به طور میانگین 5/?نوترون در اثر شكافت آزاد می شود حال اگر ما تعداد نوترون های آزاد شده را 3 عدد فرض كنیم و مدت زمان لازم برای تحقق هر شكافت 01/0 ثانیه باشدمقدار اورانیوم مصرف شده در طی زمان یك ثانیه در حدود 10به توان 23 كیلوگرم خواهد بود !!! واضح است كه واكنش زنجیره ای شكافت میتواند مقادیر قابل توجهی از اورانیوم را در مدت زمان ناچیزی به انرزی تبدیل كند.با توجه به توضیحات داده شده به وضوح مشخص است كه ما نیازی به تولید مستمر نوترون نداریم بلكه با اصابت اولین نوترون به هسته وآزاد شدن نوترون های ناشی از فرآیند شكافت ما میتوانیم نوترون مورد نیاز خود را بدست آوریم كه مسلما این تعداد نوترون بسیار بیشتر از نیاز ما خواهد بود. لازم به ذكر است كه به حداقل مقدار اورانیومی كه برای فرآیند شكافت لازم است جرم بحرانی یا مقدار بحرانی می گویند واز به هم پیوستن دو یا چند جرم بحرانی یك ابر جرم بحرانی حاصل می شود.

حال اگر بخواهیم واكنش زنجیره ای ادامه پیدا كند,حفظ یك اندازه بحرانی برای ماده اولیه اورانیوم ضرورت دارد .در صورتی كه مقدار اورانیوم را خیلی كمتر از جرم بحرانی بگیریم ,بیشتر نوترون های تولیدی فرار خواهند كرد زیرا این فرار به عواملی چون : شكل فیزیكی اورانیوم و جرم آن وابسته است و در نتیجه واكنش متوقف می شود. از سوی دیگر اگر مقدار اورانیوم را فوق العاده زیاد بگیریم مثلا به اندازه یك ابر جرم بحرانی,تمام نوترون های تولیدی در واكنش های بعدی شركت خواهند كرد وانرژی آزاد شده در یك فاصله زمانی كوتاه آنچنان زیاد خواهد شد كه نتیجه ای جز انفجار نخواهد داشت!! بین این دو حالت یك خط فاصل وجود دارد:اگر بزرگی كره اورانیومی شكل را درست برابر اندازه بحرانی بگیریم آنگاه از هر شكافت فقط یك نوترون برای شركت در شكافت بعدی باقی می ماند در این صورت واكنش با آهنگ ثابتی ادامه می یابد. از خاصیت حالت سوم برای توجیح عملكرد نیروگاههای هسته ای استفاده می كنند. حال اگر به اندازه كافی اورانیوم 235 در اختیار داشته باشیم به آسانی می توانیم یك بمب ساده بسازیم !!!!! به این شكل كه دو نیم كره از اورانیوم 235 را كه هر كدام به اندازه جرم بحرانی است در دو انتهای یك استوانه قرار میدهیم و این دو قطعه را بوسیله ساز وكاری كه خود طراحی كرده ایم ناگهان به یكدیگر متصل می كنیم كه در این حالت ابر جرم بحرانی تشكیل می شود,حال اگر توسط دستگاه نوترون ساز نوترونی به هسته نزدیك كنیم وقوع انفجار حتمی است!!

در عمل برای آنكه انفجاری بزرگ و موثر حاصل شود ریزه كاری های زیادی را باید رعایت كرد.

در هر حال برای توضیح عملكرد نیروگاههای هسته ای لازم به ذكر است راكتورهای هسته ای را چنان طراحی میكنند كه در آنها واكنش شكافت در شرایطی نزدیك به حالت بحرانی تحقق یابد. قلب راكتور اساسا متشكل است از سوخت(در این مورد اورانیوم 235) كه در استوانه های مخصوص در بسته ای جا سازی شده اند. این استوانه ها در ماده ای كه كند كننده نامیده می شوند غوطه ورشده اند.كند كننده به منظور كند سازی و باز تاباندن نوترونهایی كه در واكنش شكافت تولید میشوند مورد استفاده قرار میگیرد كه متداول ترین آنها عبارتند از:آب,آب سنگین وكربن. كه در اینجااگر در آب معمولی (H2O) به جای ایزوتوپ هیدروژن معمولی از ایزوتوپ هیدروژن دوتریم استفاده شود آب سنگین بدست می آید.

سرعت واكنش را نیز می توان به كمك چند میله كنترل كرد كه این میله ها در قلب راكتور قرار می گیرند. این میله ها معمولا از ماده ای مانند كادمیوم كه نوترون ها را بخوبی جذب میكند ساخته می شوند. برای آنكه آهنگ واكنش افزایش یابد میله ها را تا حدودی از قلب راكتور بیرون می آورند ,برای كاستن از سرعت واكنش و یا متوقف ساختن آن,میله ها را بیشتر در قلب راكتور فرو میبرند.در نهایت واكنش صورت گرفته در راكتور به صورت گرمای بسیار زیادی ظاهر می شود بنابراین طبیعی است كه راكتور ها همانند یك كوره عمل كنند وسوختش به جای گاز,نفت ویا ذغال سنگ ,اورانیوم 235 باشد. گرمای تولید شده را به كمك جریان سیالی كه از قلب راكتور میگذرد به محفظه مبادله كننده گرما كه در آن آب وجود دارد منتقل میكنند و درآنجا آب داخل مبادله كننده را تبخیر میكنند ;بخار متراكم شده پس از به گردش درآوردن توربین ژنراتورهای مولد برق,مجددا به داخل محفظه مبادله كننده باز میگردد.البته سیال گرم شده چون از قلب راكتور می گذرد و درآنجا در معرض تابش پرتوهای رادیواكتیو قرار میگیرد مستلزم مراقبت های ویژه است.

و اما نكاتی جالب در مورد بمب های هسته ای

منطقه انفجار بمب های هسته ای به پنج قسمت تقسیم میشود:1- منطقه تبخیر 2- منطقه تخریب كلی 3- منطقه آسیب شدید گرمایی 4- منطقه آسیب شدید انفجاری 5- منطقه آسیب شدید باد وآتش . كه در منطقه تبخیر درجه حرارتی معادل سیصد میلیون درجه سانتیگراد !!! بوجود می آید و اگر هر چیزی از فلز گرفته تا انسان وحیوان در این درجه حرارت قرار بگیر آتش نمیگیرد بلكه بخار می شود!!!!

اثرات زیانبار این انفجار حتی تا شعاع پنجاه كیلومتری وجود دارد و موج انفجار آن كه حامل انرژی زیادی است می تواند میلیون ها دلار از تجهیزات الكترونیكی پیشرفته نظیر: ماهواره ها و یا سیستم های مخابراتی را به مشتی آهن پاره تبدیل كند و همه آنها را از كار بیندازد.

اینها همه اثرات ظاهری بمب های هسته ای بود پس از انفجار تا سال های طولانی تشعشعات زیانبار رادیواكتیو مانع ادامه حیات موجودات زنده در محل های نزدیك به انفجار می شود.

رادیو اكتیو از سه پرتو آلفا,بتا و گاما تشكیل شده است كه نوع گامای آن از همه خطرناك تر است و با توجه به فركانس بسیار بالا ,جرم و انرژی بالایی كه دارد اگر به بدن انسان برخورد كند از ساختار سلولی آن عبور كرده و در مسیر حركت خود باعث تخریب ماده دزوكسی ریبو نوكلوئیك اسید یا همان DNA و سرانجام زمینه را برای پیدایش انواع سرطان ها,سندرم ها ونقایص غیر قابل درمان دیگر فراهم می كند وحتی این نقایص به نسلهای آینده نیز منتقل خواهد شد.

 

و اما كاربرد تشعشعات رادیواكتیو چیست؟

بسیاری از محصولات تولیدی واكنش شكافت هسته ای شدیدا ناپایدارند و در نتیجه ,قلب راكتور محتوی مقادیر زیادی نوترون پر انرژی ,پرتوهای گاما,ذرات بتا وهمچنین ذرات دیگر است. هر جسمی كه در راكتور گذاشته شود ,تحت بمباران این همه تابشهای متنوع قرار میگیرد. یكی از موارد استعمال تابش راكتور تولید پلوتونیوم 239 است .این ایزوتوپ كه نیمه عمری در حدود24000سال دارد به مقدار كمی در زمین یافت می شود . پلوتونیوم 239 از لحاظ قابلیت شكافت خاصیتی مشابه اورانیوم دارد.برای تولید پلوتونیوم239,ابتدا اورانیوم 238 را در قلب راكتور قرار می دهند كه در نتیجه واكنش هایی كه صورت می گیرد ,اورانیوم239 بوجود می آید.اورانیوم 239 ایزوتوپی ناپایدار است كه با نیمه عمری در حدود 24 دقیقه,از طریق گسیل ذره بتا ,به نپتونیوم 239 تبدیل می شود . نپتونیوم 239 نیز با نیمه عمر 2/4 روز و گسیل ذره بتا واپاشیده و به محصول نهایی یعنی پلوتونیوم 239 تبدیل می شود.در این حالت پلوتونیوم239 همچنان با مقادیری اورانیوم 238 آمیخته است اما این آمیزه چون از دو عنصر مختلف تشكیل شده است ,بروش شیمیایی قابل جدا سازی است.امروزه با استفاده از تابش راكتور صدها ایزوتوپ مفید میتوان تولید كردكه بسیاری از این ایزوتوپ های مصنوعی را در پزشكی بكار میبریم. در پایان باید بگوئیم اثرات زیانبار انفجار های اتمی و تشعشعات ناشی از آن باعث آلودگی آبهای زیر زمینی ,زمین های كشاورزی و حتی محصولات كشاورزی می شود ولی با همه این مضرات اورانیوم عنصری است ارزشمند;زیرا در كنار همه سواستفاده ها می توان از آن به نحوی احسن و مطابق با معیارهای بشر دوستانه استفاده نمود. فراموش نكنید از اورانیوم و پلوتونیوم می توان استفاده های صلح آمیز نیز داشت چرا كه از انرژی یك كیلوگرم اورانیوم 235 می توان چهل هزار كیلو وات ساعت ! الكتریسیته تولید كرد كه معادل مصرف ده تن ذغال سنگ یا 50000گالن نفت است!!!!!!!!