انرژي هسته اي چگونه به برق تبديل مي شود-رام كردن اتم هاي سركش

[EN-EZEL 13039]

امروزه حدود 17 درصد از برق دنيا را نيروگاه هاي هسته اي تامين مي كنند. بعضي از كشورها حتي خيلي بيشتر به اين منبع انرژي وابسته اند. به عنوان مثال ،بر اساس آمار رسمي آژانس بين المللي انرژي اتمي، كشور فرانسه 75 درصد از برق خود را از طريق نيروي هسته اي تامين مي كند. همچنين در ايالات متحده آمريكا حدود 15 درصد از برق كشور از انرژي هسته اي تامين مي شود كه اين عدد در بعضي ايالات بيشتر است. در مجموع، حدود 400 نيروگاه هسته اي در دنيا وجود دارد كه از ميان آن ها، بيش از 100 نيروگاه در ايالات متحده آمريكا واقع هستند. در اين مقاله به بررسي چگونگي كاركرد يك نيروگاه هسته اي و قلب آن كه در واقع رآكتور هسته اي است، مي پردازيم و در مورد شكافت هسته اي صحبت مي كنيم.

 

اورانيوم يكي از عناصر كمياب در كره زمين است كه در زمان شكل گيري اين سياره با ديگر عناصر تشكيل دهنده آن تركيب شده است. درواقع ، اورانيوم از عناصر تشكيل دهنده ستارگان است. با انفجار ستارگان كهن سال و تجمع دوباره ذرات منهدم شده آن ها سياراتي مانند كره زمين شكل گرفته است و به همين دليل در اين سيارات نيز اورانيوم وجود دارد. اورانيوم-238 (238-U) به علت دارا بودن نيمه عمر بسيار طولاني (5/4 ميليارد سال) ، هنوز به شكل توده هاي بزرگي در اين سياره يافت مي شود. 238-U كه يكي از ايزوتوپ هاي اورانيوم است، بيشترين فراواني را در بين انواع ديگر اورانيوم دارد (حدود 99درصد). 235-U حدود 7 درصد از اورانيوم جهان را شامل مي شود و 234 -U كه از واپاشي 238-U به دست مي آيد، حتي از بقيه هم ناياب تر است.(با واپاشي اورانيوم-238 در طي مراحل فراوان كه به آن واپاشي آلفا و بتا مي گويند، ايزوتوپ پايدار سرب به دست مي آيد و 234-U* نيز يكي از حلقه هاي اين واكنش زنجيره اي است.)

اورانيوم-235 با داشتن برخي ويژگي هاي جالب هم در صنايع انرژي هسته اي و هم در ساخت بمب اتمي كاربرد دارد. 235-U به طور طبيعي وا مي پاشد و 238-U تحت تابش پرتو آلفا دچار واپاشي مي شود. 235-U يكي از معدود موادي است كه مي توان از آن در شكافت هسته اي استفاده كرد.اگر يك نوترون آزاد (ذره بدون بار الكتريكي) وارد هسته 235-U شود، 235-U داوطلبانه اين نوترون را جذب كرده و به ناپايداري شيميايي رسيده و بلافاصله دچار شكافت هسته اي مي شود.

 

شكافت هسته اي

همانطور كه توضيح داده شد، با نزديك شدن يك نوترون به هسته اورانيوم-235 ، اين نوترون جذب هسته شده و بلافاصله هسته به دو اتم كوچك تر شكسته مي شود و دو يا سه نوترون آزاد رها مي كند. (تعداد اين نوترون ها بستگي به نوع شكسته شدن اورانيوم دارد.) جدا شدن اين دو اتم جديد موجب ساطع شدن پرتو گاما مي شود. در اين فرايند سه نكته قابل توجه وجود دارد:

1-احتمال جذب نوترون آزاد توسط 235-U بسيار بالا است. به همين دليل در رآكتورها، نوترون هاي آزاد شده در هر واكنش خود عامل ايجاد واكنش هاي بعدي مي شوند.

2- عمليات جذب نوترون آزاد و شكست هسته، بسيار سريع و در كسر كوچكي از ثانيه اتفاق مي افتد (12-10×1 ثانيه).

3- در فرايند شكست اتم، مقا دير بسيار زيادي انرژي به صورت حرارت و پرتو گاما آزاد مي شود. اتم هاي جديد توليد شده، خود پرتو بتا و گاما وتوليد مي كنند. دليل توليد اين مقدار انرژي بسيار ساده است. وزن اتم ها و نوترون هاي جديد توليد شده، كمتر از اتم اوليه 235-U است ، و اين اختلاف جرم اوليه با محصول، تبديل به انرژي شده است. مقدار اين انرژي بر اساس رابطه مشهور انرژي كه به آن رابطه تناسب اينشتين نيز گفته مي شود به دست مي آيد: 2 E=mc .

 

با شكست يك هسته اتم 235-U ، حدود 200 ميليون الكترون ولت انرژي آزاد مي شود. (اگر به تبديل واحدها علاقه مند هستيد بايد به شما بگويم هر يك الكترون ولت معادل 12-10×602/1 ارگ و هر 107×1 ارگ معادل يك ژول و هر يك ژول معادل يك وات-ثانيه است.)

اگر تبديل واحدها را انجام دهيد متوجه مي شويد با شكست يك اتم مقدار زيادي انرژي آزاد نمي شود، ولي در چند گرم اورانيوم تعداد زيادي اتم وجود دارد. تقريباً در نيم كيلو گرم اورانيوم كم غني شده ، كه براي سوخت زيردريايي ها يا هواپيما هاي اتمي استفاده مي شود، تقريباًمعادل 4 ميليون ليتر گازوئيل انرژي وجود دارد.

براي اين كه تصور بهتري از اين مقدار انرژي داشته باشيد، بايد بگوييم كه نيم كيلو گرم اورانيوم تقريباً اندازه يك توپ تنيس است و 4 ميليون ليتر گازوئيل مخزني مكعبي شكل به ابعاد تقريباً 15 متر را پر مي كند. ( تقريباً ارتفاع يك ساختمان 5 طبقه ).

پس به راحتي مي توان ديد در نيم كيلو گرم اورانيوم-235، انرژي فراواني نهفته است.

براي دستيابي به نتيجه بهتر، اورانيوم را غني سازي مي كنند. به اين ترتيب مقدار اتم هاي 235-U در واحد حجم، 2 تا 3 درصد بيشتر مي شود غني سازي. غني سازي 3 درصدي براي استفاده در رآكتور هاي مخصوص شهري توليد برق، بسيار مناسب است. براي مصارف نظامي، 235-U را تا 90 درصد يا حتي بيشتر غني سازي مي كنند.

 

دريك نيروگاه اتمي چه مي گذرد؟

براي ساخت يك نيروگاه اتمي به كمي اورانيوم غني شده نياز داريم. اورانيوم معمولاً به صورت توپ هاي كوچكي با ابعاد حدود 2 تا 3 سانتي متري شكل داده مي شود. توپ ها در دسته هايي به صورت ميله اي قرار مي گيرند و ميله هاي اورانيوم به صورت دسته اي نگهداري مي شود. سپس اين دسته ها داخل مخازن تحت فشار و درون آب نگهداري مي شوند. آب به عنوان يك خنك كننده عمل مي كند.براي استفاده از اين اورانيوم، بايد آن را به حالت فوق بحراني رساند. فارغ از ابزار لازم براي اين كار، حالت فوق بحراني حالت بسيار داغ يا ذوب شده اورانيوم است.براي محافظت از دسته هاي اورانيوم كه به حالت فوق بحراني نرسند در هر دسته، موادي كه جاذب نوترون هاي آزاد باشد قرار مي دهند كه به آن ها ميله هاي كنترلي مي گويند. با كاهش يا افزايش ميله هاي كنترلي ، امكان كنترل واكنش هاي هسته اي فراهم مي شود. وقتي بخواهيم دماي هسته اورانيوم را افزايش دهيم، ميله هاي كنترلي را خارج كرده و برعكس براي كاهش دما، ميله هاي بيشتري اضافه مي كنيم. افزايش اين ميله هاي كنترلي حتي مي تواند واكنش را به صفر رسانده و متوقف كند.

 

اين دسته هاي اورانيوم به عنوان منابع پر قدرت انرژي استفاده مي شوند. با افزايش دماي آن ها آب بخار مي شود. بخار حاصل، توربين بخار را راه انداخته و توربين نيز پره هاي ژنراتور را راه مي اندازد و به اين ترتيب برق توليد مي شود. البته در بعضي از سيكل ها، مبدل هاي حرارتي خاصي نيز اضافه مي شود. همچنين در بعضي از رآكتور ها ، به جاي آب از خنك كننده هاي ديگري مثل گاز(دي اكسيد كرين) يا حتي فلزات مايع (مثل سديم يا پتاسيم) استفاده مي شود. اين نوع رآكتور ها امكان كاركردن در دماي بالاتر را فراهم مي كنند.

 

خارج از رآكتور چه خبر است؟

از فرآيند هاي داخلي رآكتور كه بگذريم، بعد از آن تفاوت زيادي بين يك نيروگاه اتمي با نيروگاه عادي (نيروگاه نفتي يا ذغالي) وجود ندارد.

مخزن تحت فشار يك رآكتور ، يك مخزن سيماني است كه به عنوان محافظ يا سپري در برابر پرتوهت عمل مي كند. اين مخزن، خود داخل يك مخزن بزرگتر فولادي قرار مي گيرد. مخزن فولادي، از انتشار هر نوع گاز راديواكتيو جلوگيري مي كند.

لايه سيماني بيرون يك رآكتور بسيار محكم ساخته مي شود. اين لايه آن قدر محكم است كه حتي با سقوط يك هواپيماي معمولي نيز تخريب نمي شود. اين لايه دوم سيمان، از انتشار بخارات و تشعشعات راديواكتيو در حوادث احتمالي نيز جلوگيري مي كند. فقدان همين لايه بود كه فاجعه چرنوبيل را رقم زد.

اما اورانيوم-235 تنها سوخت يك نيروگاه هسته اي نيست. يك سوخت هسته اي مناسب ديگر، پلوتونيوم-239 است.اين ايزوتوپ پلوتونيوم به راحتي از بمباران 235-U توسط نوترون ها به دست مي آيد.

 

بحراني، غيربحراني و فوق بحراني

وقتي يك اتم 235-U شكافته مي شود، دو يا سه نوترون آزاد مي شود. اگر هيچ اتم 235-U در نزديكي آنها نباشد، اين نوترون هاي آزاد در فضا رها مي شوند. اگر اتم 235-U بخشي از يك توده اورانيوم باشد، يعني اتم هاي 235-U ديگري در جوار آن باشند، سه اتفاق ممكن است بيفتد:

1- اگر از هر دو نوترون آزاد شده، يكي (تعداد ميانگين آنها) به اتم هاي 235-U همجوار برخورد كند، به اين توده يك *«توده بحراني» گفته مي شود. اين توده تقريباً در يك دماي ثابت مي ماند. رآكتور بايد در اين وضعيت كار كند.

2- اگر از نوترون هاي آزاد شده ، مقداري كمتر از تعداد ميانگين به ديگر اتم ها برخورد كند، به آن توده«غير بحراني» گفته مي شود.

3- اگر بيشتر از يك نوترون آزاد با اتم ها برخورد كند جرم «فوق بحراني» داريم كه با افزايش حرارت مواجه است.

 

در بمب اتم، طراحان سعي مي كنند به توده «بسيار فوق بحراني» برسند. در چنين و ضعيتي، اتم هاي 235-U به سرعت شكسته شده و انرژي فراواني آزاد مي شود. در يك رآكتور هسته اي، هسته رآكتور بايد كمي فوق بحراني باشد و البته با كمك ميله هاي كنترل مي توان توده را در حد بحراني كنترل كرد.

مقدار اتم هاي 235-U در واحد حجم و البته شكل توده نيز در نوع بحراني بودن آن تاثير مستقيم دارد. به عنوان مثال، اگر اورانيوم به صورت يك ورق نازك تهيه شود، بيشتر نوترون هاي آزاد شده به جاي برخورد با هم، از سطوح جانبي به فضاي آزاد رها مي شوند. اما شكل كروي ايده آل ترين شكل است. جرم لازم براي ايجاد واكنش هاي بحراني حدود يك كيلوگرم (1000 گرم) 235-U است. به اين جرم «جرم بحراني» نيز گفته مي شود. البته براي پلوتونيوم-239 اين مقدار كمتر و در حدود 283 گرم است.

 

معايب نيروگاه هاي هسته اي

يك نيروگاه هسته اي كه خوب طراحي و ساخته شده باشد، در مقايسه با نيروگاه هاي ديگر بسيار تميز بوده و در حالت عادي براي طبيعت نيز كم خطر تر است. در واقع يك نيروگاه ذغالي بيش از يك نيروگاه هسته سالم پرتو هاي راديواكتيو را وارد جو مي كند. نيروگاه ذغالي همچنين مقادير زيادي كربن، سولفر و ديگر مواد مضر براي جو متصاعد مي كند.

اما يك نيروگاه هسته اي معايب بزرگي نيز دارد كه برخي از آن ها از اين قرارند:

1- اكتشاف و استخراج اورانيوم بسيار سخت و مشكل است.

2- اختلال در كار يك نيروگاه هسته اي مي تواند منجر به فاجعه شود. فاجعه چرنوبيل مثال خوبي است. نيروگاه هسته اي چرنوبيل بد طراحي شده بود و همچنين كاربران نيز نتوانستند اختلالات را به خوبي كنترل كنند. در نتيجه با انفجار در آن نيروگاه ، مواد راديو اكتيو در طبيعت پراكنده شد كه صدمات جبران ناپذير به بار آورد.

3-ضايعات و زباله هاي يك نيروگاه هسته اي تا قرن ها سمي و خطرناك است و هنوز هيچ روش مطمئني براي نگهداري يا دفع اين زباله ها كشف نشده است.

4- جابه جايي مواد اتمي نيز بسيار خطرناك و حساس است. البته با رعايت نكات ايمني مي توان از بروز حوادث جلوگيري كرد، به نحوي كه تا به حال مورد خاصي در ايالات متحده آمريكا رخ نداده است.

 

اما در مجموع وجود اين معايب، موجب توقف ساخت و رشد نيروگاه هاي هسته اي در ايالات متحده آمريكا شده است و برخي كشوره ها هم ترجيح مي دهند از فوايد اين فناوري صرف نظر كنند. اما در مقابل كشور هاي كه از لحاظ سوخت در تنگنا هستند به ويژه پس از افزايش مستمر قيمت سوخت هاي فسيلي در جهان، برنامه هاي وسيعي را براي تامين انرژي از منابع سوخت هسته اي تدارك ديده اند.