انرژي هسته‌اي چيست؟

[uraniburg]

انرژي هسته‌اي چيست؟
​

اگر در گذشته بحران غذا و يا بحران آب آشاميدني حيات بشر را به خطر مي‌انداخت، امروزه كارشناسان بر اين اعتقادند كه بحران‌آينده كه حيات بشريت را تهديد مي‌كند، بحران انرژي است.

حيات بشر امروزي به طور مستقيم و غيرمستقيم به‌منابع مختلف انرژي مانند نفت و گاز و زغال سنگ و ... وابسته است و تصور زندگي بدون دسترسي به اين منابع، دشوار و حتي غيرممكن است.

از طرفي، گذشت سريع زمان، اين زنگ خطر را بلندتر و واضح تر به گوش مي‌رساند كه منابع انرژي تجديدناپذير در حال پايان است، بنابر اين ضرورت كشف و استفاده از منابع انرژي نو بيش از پيش اهميت مي‌يابد.

انرژي هسته‌اي از جمله مطمئن‌ترين و پاك‌ترين انرژي‌هايي است كه مي‌تواند كمبود و حتي خلاء انرژي‌هاي فسيلي را جبران كند.
جمهوري اسلامي ايران نيز با درك ضرورت استفاده از اين انرژي مدرن، در جهت دستيابي به آن براي توليد برق كوششي بي‌وقفه و خستگي ناپذير را آغاز كرده است.
براي توليدبرق، روش‌هاي مختلفي وجود دارد كه ازآن جمله مي‌توان نيروگاه‌هاي آبي، بادي، خورشيدي، جزر و مد، ژئوترمال ( زمين گرمايي ) حرارتي و هسته‌اي را نام برد.
در نيروگاه حرارتي از سوزاندن منابع اوليه انرژي مانند زغال سنگ،نفت يا گاز، حرارت توليد مي‌شود و حرارت توليد شده در ديگ بخار، آب را تبخير مي‌كند. بخارحاصله بعد از به چرخش در آوردن توربين در چكالنده، به آب تبديل مي‌شود و دوباره به ديگ بخار بر مي‌گردد. چرخش توربين منجر به‌چرخش محور مولد برق شده و نيروي برق توليد مي‌شود.

چگونگي توليد برق در نيروگاه هسته‌اي


در نيروگاه‌هاي هسته‌اي پس از شكاف هسته، انرژي هسته‌اي به صورت حرارت آزاد مي‌شود. از حرارت حاصله همانند نيروگاه‌هاي حرارتي مي‌توان براي توليد برق استفاده كرد.

يك نيروگاه هسته‌اي در اصل مانند يك نيروگاه فسيلي (حرارتي) كارمي‌كند، با اين تفاوت كه در نيروگاه اتمي، حرارت از سوزاندن زغال سنگ، نفت و يا گاز ايجاد نمي‌شود، بلكه از راه شكاف هسته اتم توليد مي‌شود.

جريان آب، اين حرارت را به مولد بخار كه درآن آب به‌بخار تبديل مي‌شود، از مدار اول منتقل مي‌كند و بخار حاصله، توربين و در نتيجه مولد برق را به گردش در مي‌آورد و سپس در چگالنده به آب تبديل مي‌شود. اين آب در مدار دوم دوباره به مولد بخار برگردانده مي‌شود و حرارت پس داده شده ، هنگام تبديل بخار به آب در چگالنده، به وسيله آب خنك‌كننده در مدار سوم جذب و خارج مي‌شود.

نيروگاه‌هاي اتمي انواع مختلفي دارند. يكي از پيشرفته‌ترين آنها نيروگاه اتمي با راكتور آب تحت فشار است.

برق توليدشده در نيروگاه اتمي پس ازافزايش ولتاژ، درترانس‌هاي افزاينده، توسط خطوط انتقال فشار قوي به محل‌هاي مصرف منتقل مي‌شود، در آنجا به وسيله ترانس‌هاي كاهنده، ولتاژ تا حد لازم كاهش مي‌يابد و در اختيار مصرف‌كننده قرار مي‌گيرد.اين افزايش و كاهش ولتاژ به علت كم كردن تلفات در خطوط انتقال برق است.


نيروگاه هسته‌اي و شيرين‌سازي آب شور


نيروگاه اتمي علاوه بر توليد برق ، فوايد و كاربردهاي ديگري نيز دارد كه از جمله شيرين‌سازي آب شور دريا است. مي توان به هر واحد نيروگاه اتمي هزار مگاواتي، يك واحد شيرين‌سازي آب شور به ظرفيت ‪ ۱۰۰‬هزار متر مكعب در روز متصل كرد و آب شور از دريا به وسيله پمپ به واحد شيرين-سازي آب شور هدايت كرد.

در اين واحد، از حرارت توليد شده به وسيله راكتور براي تقطير كردن آب استفاده مي‌شود. آب تقطيرشده پس از طي مراحلي به‌آب آشاميدني تبديل مي‌شود.
مايعات زايد دوباره به دريا برگردانده شده، آب آشاميدني وارد شبكه توزيع مي‌شود. آب شيرين حاصله براي مصارف كشاورزي، شهري و صنعتي قابل استفاده است.

اورانيوم و نقش آن در نيروگاه هسته‌اي


هسته اتم از ذراتي به نام "پروتون" و "نوترون" تشكيل شده است. پروتون بارالكتريكي مثبت دارد و مقدار آن برابر با بار منفي الكترون است در حالي كه نوترون داراي بار الكترويكي نيست و به عبارت ديگر خنثي است.

​

پروتون‌ها و نوترون‌ها به وسيله نوعي انرژي اتصالي دركنار هم قرار گرفته، انرژي آزادشده به صورت حرارت مورد استفاده قرار مي‌گيرد.


اورانيوم نيز ازعناصر سنگين به‌شمار مي‌رود و داراي انرژي اتصالي بسيار زيادي است. مقدار انرژي آزاد شده هنگام شكافت هسته اورانيوم بسيار زياد است و به اين منظور، از اورانيوم براي سوخت راكتور اتمي استفاده مي‌شود.


براي مقايسه، مقدار انرژي اورانيوم موجود درراكتور نيروگاه اتمي بوشهر (‪ ۸۰‬تن) برابر است با مقدار انرژي موجود در ‪ ۱۷‬ميليون بشكه نفت خام.


در مقياس كوچك، انرژي حاصل از سوزاندن يك قرص سوخت ‪ ۱۲‬گرمي اورانيوم معادل انرژي حاصل از سوختن يك تن زغال سنگ، دو ونيم تن چوب و ‪ ۱۷‬هزار فوت مكعب گاز طبيعي است.

در نيروگاه اتمي بوشهر، تعداد ‪ ۱۶۳‬مجتمع سوخت داخل محفظه تحت فشار راكتور قرار داده مي‌شود كه هسته مركزي راكتور را تشكيل مي‌دهد و حرارت ايجاد شده در نتيجه شكافت هسته، آب را به بخار تبديل مي‌كند و بخار حاصله توربين را به حركت در مي‌آورد و توربين مولد را مي‌چرخاند و نيروي برق توليد مي‌شود.

در اورانيوم كه سوخت نيروگاه اتمي است، انرژي به صورت مهار شده وجود دارد. اين انرژي پس از شكافت هسته آزاد شده، به شكل انرژي حرارتي مورد استفاده قرار مي‌گيرد.

اين سووال براي برخي مطرح مي‌شود كه چگونه مي‌توان يك هسته اتم را كه بسيار كوچك تر از يك دانه شن است، شكافت؟

نوترون قادر به برخورد مستقيم با هسته اتم است و پس از جذب شدن به وسيله هسته اتم، آن را به دو قسمت تقسيم مي‌كند. پاره‌هاي حاصل ازشكافت، با انرژي زياد جدا شده،در نتيجه انرژي حرارتي آزاد مي‌شود.


همچنين با شكافت هسته، حدود سه نوترون آزاد مي‌شود كه هر كدام مي‌تواند هسته ديگري را بشكافند.

با ازدياد نوترون، هسته‌هاي بيشتري شكافته شده، نوترون‌هاي بيشتري آزاد مي‌شوند و در نتيجه، واكنش زنجيره‌اي آغاز مي‌شود. هرچه‌تعداد هسته‌اي شكافته شده بيشتر باشد، به همان نسبت حرارت بيشتري آزاد مي‌شود.

از حرارت توليد شده مي‌توان براي توليد بخار و درنتيجه گردش توربين‌ها استفاده كرد.هنگام بهره برداري از يك نيروگاه اتمي، پسمان‌هاي پرتوزا به صورت گاز مايع و جامد به وجود مي‌آيند.


مهار پرتوهاي هسته‌اي

براي حفاظت محيط زيست بايستي مقدار مواد پرتوزايي كه وارد محيط مي‌شود، كمتر از مقدار تعيين شده باشد.


در نيروگاه اتمي، ساختمان راكتور و تاسيسات جانبي آن تحت كنترل هستند و مواد پرتوزا فقط در قسمت‌هاي كنترل شده توليد مي‌شوند.

به منظور كاهش مقدار پرتوزايي، مواد گازي شكل مانند گازهايي كه از آب خنك‌كننده مدار اول متصاعد مي‌شوند ، آن را از *****هاي زغالي گذرانده، يا اين كه براي مدت طولاني در ظروف مخصوص نگهداري مي‌كنند. علت آن اين است كه گذشت زمان، اثر پرتوزايي را كاهش مي‌دهد.
وقتي مقدارپرتوزايي اين گازها از مقدار معيني كمتر باشد، آن‌ها را رقيق كرده،از طريق دودكش به فضا مي‌فرستند و هواي آلوده به مواد پرتوزا در اتاق‌هاي قسمت تحت كنترل، بعد از اين كه توسط *****هاي مخصوص تصفيه شد، به وسيله دودكش به فضا فرستاده مي‌شود.
مايعات زايد پرتوزا ، جمع آوري شده و به‌طور موقت نگه داري مي‌شوند و در مرحله‌بعد، اين مايعات تبخيرشده و مواد جامد پرتوزا به‌جاي مي‌ماند.آب تصفيه شده به دريا برگردانده مي‌شود و با مواد به جاي مانده، طبق قوانين وضع شده عمل مي‌شود.

​

مواد پرتوزاي جامد مانند، مجتمع‌هاي سوخت كاركرده را در داخل محفظه‌هاي ضد ضربه و ضد حريق از نيروگاه خارج مي‌كنند. مواد جامد پرتوزاي ديگر مانند *****ها، پوشاك و وسايل نظافت در داخل بشكه‌هايي بسته بندي شده و طبق قوانين موجود با آن‌ها عمل مي‌شود.


براي اطمينان يافتن از اين كه مقدار پرتوزايي تمام مواد خارج شده از قسمت تحت كنترل براي محيط زيست بي‌ضرر است، به طور دايم مقدار پرتوزايي مايعات، گازها و جامدات زايد اندازه‌گيري مي‌شود.

در زمان بهره برداري از نيروگاه، محيط اطراف آن از نظر پرتوزايي، پيوسته كنترل مي‌شود.
در برنامه ريزي، طراحي، احداث و بهره برداري نيروگاه‌هاي اتمي، به مسايل ايمني توجه ويژه‌اي مي‌شود.حصارها و سيستم‌هاي ايمني خودكار حتي در زماني كه بزرگترين حادثه قابل پيش بيني اتفاق بيافتد، از بروز هر گونه اثر نامطلوب به روي كاركنان و محيط جلوگيري مي‌كند.

از آغاز عمليات برنامه ريزي و طراحي، دانشمندان و متخصصان اطمينان حاصل مي‌كنند كه مي‌توانند حتي نادرترين حادثه و عواقب مربوط به آن را كنترل كنند، مانند زمين لرزه و ...

اجزاي هر سيستم به طور منظم آزمايش مي‌شوند تا از عملكرد صحيح آن اطمينان حاصل شود.نيروگاه اتمي در حال حاضر از ايمن‌ترين تاسيسات صنعتي است.

حصار ايمني در نيروگاه اتمي


-درصد بسياري از مواد پرتوزاي توليد شده در اثر شكافت هسته در داخل شبكه كريستالي سوخت هسته‌اي باقي مي‌ماند و حصار يك، درون حصار دو قرار دارد.

- لوله‌هاي ضد فشار و ضد نشت كه از نوعي آلياژ زير كونيوم ساخته شده، قرص‌هاي سوخت را در برگرفته و از خروج مواد پرتوزاي حاصله، ازشكافت هسته‌اي جلوگيري مي‌كند.
- محفظه تحت فشار راكتور كه از قطعات فولادي تهيه شده، حصاري تشكيل مي‌دهد كه در مقابل فشار حرارت و پرتو كاملا مقاوم است.
- حفاظ بيولوژيكي كه بيشتر از يك متر ضخامت دارد و از بتن مسلح ساخته شده، حفاظي در مقابل پرتوهاي خارج شده از محفظه تحت فشار راكتور مي‌باشد.
- كره ايمني فولادي تمام سيستم‌هاي هسته‌اي راكه حاوي مواد راديو اكتيو است در بر مي‌گيرد و اين حفاظ حتي در زمان وقوع خطرناك‌ترين حوادث، از خروج مواد پرتوزا جلوگيري مي‌كند.
- ساختمان راكتور كه از بتن مسلح با ضخامت حدود دو متر ساخته شده است، حفاظي در مقابل عوامل خارجي محسوب مي‌شود.

ميزان مجاز پرتو هسته‌اي


بر اساس قوانين وضع شده، مقدار پرتوي مجاز در مجاورت نيروگاه‌هاي اتمي حداكثر برابر با ‪ ۱/۵‬ميلي زيورت نام دارد.


انسان، حيوانات و گياهان همواره به طور طبيعي مقداري پرتو دريافت مي‌كنند و اين مقدار در ايران به طور متوسط در حدود ‪ ۱/۵‬ميلي زيورت در سال است.

مقدار پرتو دريافتي از يك نيروگاه در مدت زمان يك سال بهره برداري، كمتر از يك درصد مقدار پرتو دريافت شده از طبيعت است.

در يك ساعت پرواز با هواپيما، مقدار پرتو دريافت شده، تقريبا برابر با مقدار پرتو دريافتي طي يك سال سكونت در نزديكي نيروگاه اتمي است.

در پزشكي و به خصوص راديوگرافي، از منابع پرتوزا استفاده مي‌شود. همچنين تلويزيون و رنگ‌هاي شب نما مقداري پرتو ايجاد مي‌كنند.

شيوه جديد پيش روي بشر براي توليد برق و همجوشي هسته‌اي

واكنش شكافت هسته اتم باعث توليد گرما شده، از اين گرما براي توليد بخار استفاده مي‌شود.بخار توليد شده با چرخاندن پره‌هاي توربين، برق توليد مي‌كند.


مدتي است كه متخصصان اين رشته به فكر ساخت راكتورهايي افتاده‌اند كه در آن به جاي شكافت هسته‌اي اتم (فيسيون)، از روش تركيب اتم‌ها (فوزين يا همجوشي) استفاده مي‌شود.اين واكنش همان اتفاقي است كه در خورشيد و ستارگان مي‌افتد و انرژي آن‌ها را تامين مي‌كند.


تاكنون از اين روش در بمب‌هاي هيدروژني استفاده شده و با وجود پيشرفت‌هاي فني، هنوز نيروگاه همجوشي ساخته نشده است. كشورهاي آمريكا، فرانسه، روسيه، ژاپن و آلمان طراحي و ساخت يك نيروگاه همجوشي در خاك فرانسه را به نام "پروژه ايتر" (اينترنشنال ترمويا) آغاز كرده‌اند و اميدوارند كه در دهه‌هاي بعد اين نيروگاه‌ها جايگزين نيروگاه‌هاي فعلي شوند.


انرژي همجوشي به عنوان يك منبع انرژي، با توجه به سوخت مورد مصرف در اين فرآيند كه تقريبا در دنيا بي‌پايان است، راهي براي فرار از بحران انرژي در سال‌هاي آينده محسوب مي‌شود.

به علاوه، اين انرژي از لحاظ زيست محيطي، كمترين آسيب را به طبيعت وارد مي‌كند و همچون شكافت هسته‌اي، زباله‌هايي با عمر طولاني از خود به جاي نمي‌گذارد.

در روش همجوشي، اتم‌هاي دوتريو و تريتيوم (دو ايزوتوپ هيدروژن) در شرايط مناسب با يكديگر تركيب شده، اتم سنگين‌تري به نام هليوم توليد مي‌كند.


در اين فرآيند همچنين ذره نوترون و مقدار زيادي حرارت توليد مي‌شود و از اين حرارت براي گرم كردن آب و تبديل آن به بخار استفاده مي‌شود.


بخار توليد شده، پره‌هاي توربين را مي‌چرخاند و در نهايت باعث توليد برق مي‌شود.








اورانيوم چيست؟

​

اورانیوم یکی از عناصر شیمیایی جدول تناوبی است که نماد آن (U) و عدد اتمی آن 92 می‌باشد
اورانیوم یک عنصر سنگین، سمی، فلزی، رادیواکتیو و براق به رنگ سفید مایل به نقره‌ای می‌باشد و به گروه آکتیندها تعلق داشته و ایزوتوپ 235 آن برای سوخت راکتورهای هسته‌ای و سلاح‌های هسته‌ای استفاده می‌شود.

معمولا اورانیوم در مقادیر بسیار ناچیز در صخره‌ها، خاک، آب، گیاهان و جانوران از جمله انسان یافت می‌شود.


خصوصیت‌های قابل توجه:


اورانیوم هنگام عمل پالایش به رنگ سفید مایل به نقره‌ای فلزی با خاصیت رادیواکتیوی ضعیف می‌باشد که کمی از فولاد نرم‌تر است.


این فلز چکش‌خار، رسانای جریان الکتریسیته و کمی Paramagnetic می‌باشد. چگالی اورانیوم 65% بیشتر از چگالیسرب می‌باشد.


اگر اورانیوم به‌خوبی جدا شود، بشدت از آب سرد متاثر شده و در برابر هوا اکسید می‌شود. اورانیوم استخراج شده از معادن، می‌تواند به‌صورت شیمیایی به دی‌اکسید اورانیوم و دیگر گونه‌های قابل استفاده در صنعت تبدیل شود.


گونه‌هاي مختلف اورانیوم در صنعت:

• آلفا (Orthohombic) که تا دمای 667.7 درجه پایدار است
  
  
• بتا (Tetragonal) که از دمای 667.7 تا 774.8 درجه پایدار است
  
  
  
• گاما (Body-centered cubic) که از دمای 774.8 درجه تا نقطه ذوب پایدار است. (این رساناترین و چکش‌خوارترین گونه اورانیوم می‌باشد)
  
  

دو ایزوتوپ مهم آن U235 و U238> می‌باشند که U235 مهمترین برای راکتورهای و سلاح‌های هسته‌ای است.

​

چون این ایزوتوپ تنها ایزوتوپی است که در طبیعت وجود دارد و در هر مقدار ممکن توسط نوترون‌های حرارتی شکافته می‌شود.


ایزوتوپ U238 نیز از این جهت مهم است که نوترون‌ها را برای تولید ایزوتوپ رادیواکتیو جذب کرده و آن را به ایزوتوپ Pu239 پلوتونیوم تجزیه می‌کند.

ایزوتوپ مصنوعی U233 نیز شکافته شده و توسط بمباران نوترونی Thorium232 بوجود می‌آید.

اورانیوم اولین عنصر یافته شده بود که می‌توانست شکافته شود. برای نمونه با بمباران آرام نوترونی ایزوتوپ آن به ایزوتوپ کوتاه عمر تبدیل شده و بلافاصله به دو هسته کوچکتر تقسیم می‌شود که این عمل انرژی آزاد کرده و نوترونهای بیشتری تولید می‌کند.

اگر این نوترونها توسط هسته U235 دیگری جذب شوند، عملکرد حلقه هسته‌ای دوباره اتفاق می‌افتد و اگر چیزی برای جذب نوترونها وجود نداشته باشد، به حالت انفجاری در می‌آیند. اولین بمب اتمی با این اصل جواب داد (شکاف هسته‌ای). نام دقیقتر برای این بمبها و بمبهای هیدروژنی(آمیزش هسته‌ای)، سلاح‌های هسته‌ای می‌باشد.


کاربردها:

• فلز اورانیوم بسیار سنگین و پرچگالی می‌باشد
  
• اورانیوم خالی توسط بعضی از ارتش‌ها برای ساخت محافظ برای تانکها و ساخت قسمتهایی از موشک‌ها و ادوات جنگی استفاده می‌شود. ارتش‌ها همچنین از اورانیوم غنی‌شده برای سوخت ناوگان خود و زیردریایی‌ها و همچنین سلاح‌های هسته‌ای استفاده می‌کنند.
  
• سوخت استفاده شده در راکتورهای ناوگان ایالات متحده معمولا اورانیوم U235 غنی شده می‌باشد.
  
• اورانیوم موجود در سلاح‌های هسته‌ای بشدت غنی می‌شوند که این مقدار بصورت تقریبی 90% می‌باشد.
  
• مهمترین کاربرد اورانیوم در بخش غیر نظامی تامین سوخت دستگاه‌های تولید نیروی هسته‌ای است.
  
• اورانیوم تخلیه شده در هلیکوپترها و هواپیماها به‌عنوان وزن متقابل بر هر بار استفاده می‌شود.
  
• لعاب ظروف سفالی از مقدار کمی اورانیوم طبیعی تشکیل شده است (که داخل فرایند غنی سازی نمی‌شود) که این عنصر برای اضافه کردن رنگ با آن اضافه می‌شود.
  
• نیمه عمر طولانی ایزوتوپ اورانیوم 238 آن را برای تخمین سن سنگهای آتشفشانی مناسب می‌سازد.
  
• U235 در راکتورهای هسته‌ای به پلوتونیوم Breeder تبدیل می‌شود و پلوتونیوم نیز در ساخت بمبهای هیدروژنی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
  
• استات اورانیوم در شیمی تحلیلی کاربرد دارد.
  
• برخی از لوازم نوردهنده از اورانیوم و برخی در مواد شیمیایی عکاسی مانند نیترات اورانیوم استفاده می‌کنند.
  
• معمولا کودهای فسفاتی حاوی مقدار زیادی اورانیوم طبیعی می‌باشند، چرا که مواد کانی که آنها از آنجا گرفته شده‌اند، حاوی مقدار زیادی اورانیوم می‌باشند.
  
• فلز اورانیوم برای اهداف اشعه ایکس در ساخت این اشعه با انرژی بالا استفاده می‌شود.

تاریخچه:


استفاده از اورانیوم به شکل اکسید طبیعی آن به سال 79 میلادی بر می‌گردد، یعنی زمانی که این عنصر برای اضافه کردن رنگ زرد به سفال لعابدار استفاده شد. (شیشه زرد با یک درصد اورانیوم در نزدیکی ناپل ایتالیا کشف شده است).


کشف این عنصر به شیمیدان آلمانی به نام مارتین هنریچ کلاپرس اختصاص داده شد که در سال 1789 اورانیوم را به صورت قسمتی از کانی که آن را pitchblende نامید، کشف شد.

نام این عنصر بر اساس سیاره اورانوس که 8 سال قبل از آن کشف شده بود برگزیده شد.

این عنصر در سال 1841 به صورت فلز جداگانه توسط "eugne melchior peligot" استفاده شد.

در سال 1896 هانري بكرل فیزیکدان فرانسوی برای اولین بار به خاصیت رادیواکتیویته آن پی برد.

در آغاز قرن بیستم تفحص و جستجو برای یافتن معادن رادیو اکتیو در ایالات متحده آغاز شد. منابع رادیوم که حاوی کانی‌های اورانیوم نیز می‌بودند، برای استفاده آنها در رنگ ساعت‌های شب‌نما و دیگر ابزار جستجو شدند. در طی جنگ جهانی دوم اورانیوم از نظر اهداف دفاعی اهمیت پیدا کرد.

​

اورانیوم عنصر طبیعی است که تقریبا در تمام سنگها آب و خاک به میزان کم یافت می‌شود و به نظر می‌رسد که مقدار آن از Antimony ، برلیوم، کادیوم، جیوه، طلا، نقره و تنگستن بیشتر باشد و این فراوانی در حد آرسنیک و مولیبدنیوم است. این عنصر در بیشتر کانی‌های اورانیومی یافت می‌شود.

بنظر می‌رسد که فروپاشی اورانیوم و واکنش‌های هسته‌ای آن با توریوم همان منبع گرمایی عظیمی است که در هسته زمین ، باعث ذوب شدن قسمت خارجی هسته زمین گردیده و باعث ایجاد حرکت پوسته‌ای زمین می‌شود.

معدن اورانیوم صخره‌ای است که محل تمرکز اورانیومی می‌باشد که مقدار اقتصادی آن ، یک تا چهار پوند اکسید اورانیوم در هر تن است که تقریبا 0.05 تا 0.20 درصد اکسید اورانیوم دارد.

معمولا کشورهای بزرگتر اورانیوم بیشتری در مقایسه با کشورهای کوچکتر تولید می‌کنند، چرا که گسترش و توزیع اورانیوم در جهان یک شکل و یکنواخت است.
کشور استرالیا ذخایر بسیار زیادی از این عنصر دارد که تقریبا 30% ذخایر دنیا را شامل می‌شود.

هشدارها:


تمام ترکیبات اورانیوم سمی و رادیو اکتیو هستند. سمی بودن این عنصر می‌تواند کشنده باشد. در مقادیر بسیار کم خاصیت سمی بودن این عنصر به کلیه آسیب می‌رساند.

خواص رادیواکتیوی این عنصر نیز سیستماتیک و نظام بند است. در کل ترکیبات اورانیوم به‌سختی جذب روده و ریه می‌شوند و خطرات رادیولوژیکی آن باقی می‌ماند. فلز خالص اورانیوم نیز خطر آتش‌سوزی به همراه دارد.

فرد ممکن است با تنفس غبار اورانیوم در هوا یا خوردن و آشامیدن آب و غذا در معرض این عنصر قرار بگیرد. البته بیشتر این عمل از طریق خوردن آب و غذا صورت می‌گیرد.


جذب روزانه اورانیوم در غذا 0.07 تا 1.1 میکروگرم می‌باشد. مقدار اورانیوم در هوا معمولا بسیار ناچیز است. افرادی که در کنار تاسیسات هسته‌ای دولت و یا معادن استخراج اورانیوم زندگی می‌کنند، بیشتر در معرض این عنصر قرار می‌گیرند.


اورانیوم ممکن است که درطریق تنفس یا بلع و یا در موارد استثنایی از طریق شکافی روی پوست وارد بدن شود. اورانیوم توسط پوست جذب نمی‌شود و ذرات آلفای ساتع شده از این عنصر نمی‌تواند به پوست نفوذ کند.


بنابراین اورانیومی که خارج از بدن باشد، نمی‌تواند به اندازه اورانیوم داخل بدن مضر و خطرناک باشد. اگر اورانیوم به بدن وارد شود، ممکن است موجب سرطان شده یا به کلیه‌ها آسیب برساند.







راكتور هسته‌ای چيست؟

راكتور هسته‌ای وسیله ایست كه در آن فرایند شكافت هسته‌ای بصورت كنترل شده انجام می‌گیرد
انرژی حرارتی بدست آمده از این طریق را می‌توان برای بخار كردن آب و به گردش درآوردن توربین‌های بخار ژنراتورهای الكتریكی مورد استفاده قرار داد.

اورانیوم غنی شده، معمولا به صورت قرص‌هائی كه سطح مقطعشان به اندازه یك سكه معمولی و ضخامتشان در حدود دو و نیم سانتیمتر است در راكتورها به مصرف می‌رسند.


این قرص‌ها روی هم قرار داده شده و میله‌هایی را تشكیل می‌دهند كه به میله سوخت موسوم است.

میله‌های سوخت سپس در بسته‌های چندتائی دسته بندی شده و تحت فشار و در محیطی عایقبندی شده نگهداری می‌شوند.

در بسیاری از نیروگاه‌هاي هسته‌اي برای جلوگیری از گرم شدن بسته‌های سوخت در داخل راكتور، این بسته‌ها را داخل آب سرد فرو می‌برند.


در نیروگاه‌های دیگر برای خنك نگه داشتن هسته راكتور، یعنی جائی كه فرایند شكافت هسته‌ای در آن رخ می‌دهد، از فلز مایع (سدیم) یا گاز دی اكسید كربن استفاده می‌شود.

برای تولید انرژی گرمائی از طریق فرایند شكافت هسته‌ای، اورانیومی كه در هسته راكتور قرار داده می‌شود باید از جرم بحرانی بیشتر (فوق بحرانی) باشد.

یعنی اورانیوم مورد استفاده باید به حدی غنی شده باشد كه امكان آغاز یك واكنش زنجیره‌ای مداوم وجود داشته باشد.


برای تنظیم و كنترل فرایند شكافت هسته‌ای در یك راكتور از میله‌های كنترلی كه معمولا از جنس كادمیوم است استفاده می‌شود.


این میله‌ها با جذب نوترون‌های آزاد در داخل راكتور از تسریع واكنش‌های زنجیره‌ای جلوگیری می‌كند.

زیرا با كاهش تعداد نوترون‌ها، تعداد واكنش‌های زنجیره‌ای نیز كاهش می‌یابد. حدوداً ۴۰۰ نیروگاه هسته‌ای در سرتاسر جهان فعال هستند كه تقریبا ۱۷ درصد كل برق مصرفی در جهان را تامین می‌كنند.
از جمله كاربردهای دیگر راكتورهای هسته‌ای، تولید نیروی محركه لازم برای جابجایی ناوها و زیردریایی های اتمی است.

​

​

آشنايي با نيروگاه هسته‌اي

​

​

نیروگاه اتمی در واقع یک بمب اتمی است که به کمک میله‌های مهارکننده و خروج دمای درونی بوسیله مواد ‏خنک کننده مثل آب و گاز ، تحت کنترل در آمده است

اگر روزی این میله‌ها و یا پمپ‌های انتقال دهنده مواد ‏خنک کننده وظیفه خود را درست انجام ندهند، سوانح متعددی بوجود می‌آید و حتی ممکن است نیروگاه نیز ‏منفجر شود، مانند فاجعه نیروگاه چرنوبیل شوروی سابق.


طی سال‌های گذشته اغلب کشورها به استفاده از این نوع انرژی هسته‌ای تمایل داشتند و حتی دولت ایران 15 ‏نیروگاه اتمی به کشورهای آمریکا، فرانسه و آلمان سفارش داده بود. [آشنايي با ايران هسته‌اي]


ولی خوشبختانه بعد از وقوع دو حادثه؛ میل آیلند (Three Mile Island) در 28 مارس 1979 و فاجعه چرنوبیل (Tchernobyl) در روسیه ‏در 26 آوریل 1986، 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 موقتا مجبور به تجدید نظر در ‏برنامه‌های اتمی خود کرد.


ساختار نیروگاه اتمی:


نیروگاه اتمی از مواد مختلفی شکل گرفته است که همه آنها نقش اساسی و مهم در تعادل و ادامه حیات آن را دارند. ‏این مواد عبارتند از:


•ماده سوخت:

ماده سوخت متشکل از اورانیوم طبیعی، اورانیوم غنی شده، اورانیوم و پلوتونیم است که سوختن اورانیوم بر ‏اساس واکنش شکافت هسته‌ای صورت می‌گیرد.


•نرم کننده‌ها:
‎‏
نرم کننده‌ها موادی هستند که برخورد نوترون‌های حاصل از شکست با آنها الزامی است و ‏برای کم کردن انرژی این نوترون‌ها به کار می‌روند. زیرا احتمال واکنش شکست پی در پی به ازای ‏نوترون های کم انرژی بیشتر می‌شود.


•میله‌های مهارکننده:

این میله‌ها از مواد جاذب نوترون درست شده‌اند و وجود آنها در داخل راکتور اتمی ‏الزامی است و مانع افزایش ناگهانی تعداد نوترونها در قلب راکتور می‌شوند.

اگر این میله‌ها کار اصلی خود را ‏انجام ندهند، در زمانی کمتر از چند هزارم ثانیه قدرت راکتور چند برابر شده و حالت انفجاری یا دیورژانس ‏راکتور پیش می‌آید. این میله‌ها می‌توانند از جنس عنصر کادمیم و یا بور باشند.

•مواد خنک کننده یا انتقال دهنده انرژی حرارتی:

این مواد انرژی حاصل از شکست اورانیوم را به خارج ‏از راکتور انتقال داده و توربینهای مولد برق را به حرکت در می آورند و پس از خنک شدن مجدداً به داخل ‏راکتور برمی گردند.

البته مواد در مدار بسته و محدودی عمل می کنند و با خارج از محیط رآکتور تماسی ندارند. ‏این مواد می توانند گاز CO2 ، آب ، آب سنگین ، هلیوم گازی و یا سدیم مذاب باشند.‏

​

•طرز کار نیروگاه اتمی:

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 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 دو تکه شکست و تعدادی نوترون می‌شود.


بطور متوسط تعداد نوترونها به ازای هر 100 اتم شکسته شده 247 عدد است و این نوترونها اتمهای ‏دیگر را می‌شکنند و اگر کنترلی در مهار کردن تعداد آنها نباشد واکنش شکست در داخل توده اورانیوم به ‏صورت زنجیره‌ای انجام می‌شود 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 ‏‎ Mev‎‏200 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 زنجیره‌ای انجام شود، در کمتر از هزارم ثانیه مشابه بمب اتمی عمل خواهد کرد.


اما ‏اگر تعداد شکست‌ها 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 بوجود می‌آید.

•نمونه عملی:

نیروگاهی که دارای 10 تن اورانیوم طبیعی است قدرتی معادل با 100 مگاوات خواهد داشت و بطور متوسط ‏‏105 گرم 235U در روز در این نیروگاه شکسته می‌شود، در اثر جذب ‏نوترون بوسیله ایزوتوپ 239U ، 238U بوجود می‌آيد که بعد از دو بار انتشار ذرات بتا (‏الکترون) به 239Pu تبدیل می‌شود که خود مانند 235U شکست پذیر است. در این عمل 70 گرم ‏پلتونیوم حاصل می‌شود.


ولی اگر نیروگاه سورژنراتور باشد و تعداد نوترونهای موجود در نیروگاه زیاد باشند مقدار جذب به مراتب ‏بیشتر از این خواهد بود و مقدار پلتونیومهای بوجود آمده از مقدار آنهایی که شکسته می‌شوند بیشتر خواهند ‏بود.


در چنین حالتی بعد از پیاده کردن میله‌های سوخت می‌توان پلتونیوم بوجود آمده را از اورانیوم و ‏فرآورده‌های شکست را به کمک واکنش‌های شیمیایی بسیار ساده جدا و به منظور تهیه بمب اتمی ذخیره کرد.

​

آشنايي با غنی‌سازی اورانیوم

​

سنگ معدن اورانیوم موجود در طبیعت از دو ایزوتوپ 235U به مقدار 0.7 درصد و 238U ‏به مقدار 3.99 درصد تشکیل شده است

سنگ معدن را ابتدا در اسید حل کرده و ‏بعد از تخلیص فلز، اورانیوم را بصورت ترکیب با اتم فلوئور (9F ) و بصورت مولکول ‏اورانیوم هگزا فلوراید تبدیل می‌کنند که به حالت گازی است.

سرعت متوسط ‏مولکول‌های گازی با جرم مولکولی گاز نسبت عکس دارد.

غنی سازی با دستگاه سانتریفیوژ


سانتریفیوژ دستگاهی است که برای جدا سازی مواد از یکدیگر بر اساس وزن آنها استفاده می‌شود.

این دستگاه مواد را با سرعت زیاد حول یک محور به گردش در می‌آورد و مواد متناسب با وزنی که دارند از محور فاصله می‌گیرند.

در واقع در این روش برای جدا سازی مواد از یکدیگر از شتاب ناشی از نیروی گریز از مرکز استفاده می‌گردد، کاربرد عمومی این دستگاه برای جداسازی مایع از مایع و یا مایع از جامد است.


سانتریفیوژهایی که برای غنی سازی اورانیوم استفاده می‌شود حالت خاصی دارند که برای گاز تهیه شده‌اند که به آنها Hyper-Centrifuge گفته می‌شود.


پیش از آنکه دانشمندان از این روش برای غنی سازی اورانیوم استفاده کنند از تکنولوژی خاصی به نام Gaseous Diffusion به معنی پخش و توزیع گازی استفاده می‌کردند.

​

غنی سازی با دیفوزیون گازی Gaseous Diffusion


گراهان در سال 1864 پدیده‌ای را کشف کرد که در آن سرعت متوسط مولکول‌های ‏گاز با معکوس جرم مولکولی گاز متناسب بود.


از این پدیده که به نام دیفوزیون ‏گازی مشهور است برای غنی سازی اورانیوم استفاده می‌کنند.

در عمل اورانیوم ‏هگزا فلوراید طبیعی گازی شکل را از ستون‌هایی که جدار آنها از اجسام متخلخل ‏‏(خلل و فرج دار) درست شده است عبور می‌دهند.


سوراخ‌های موجود در جسم ‏متخلخل باید قدری بیشتر از شعاع اتمی یعنی در حدود 2.5 آنگسترم (7-‏25x10 سانتیمتر) باشد.


ضریب جداسازی متناسب با اختلاف جرم مولکول‌ها است. با وجود این ‏می‌توان به خوبی حدس زد که پرخرج ترین مرحله تهیه سوخت اتمی همین ‏مرحله غنی سازی ایزوتوپ‌ها است.


زیرا از هر هزاران کیلو سنگ معدن اورانیوم ‏‏140 کیلوگرم اورانیوم طبیعی بدست می‌آید که فقط یک کیلوگرم 235U ‏خالص در آن وجود دارد.


ديفوزيون گازي از جمله تکنولوژي‌هایی بود که ایالات متحده طی جنگ جهانی دوم در پروژه‌ای به نام منهتن برای ساخت بمب هسته‌ای، با کمک انگلیس و کانادا به آن دست پیدا کرد.


در این روش با تکرار استفاده از این صفحات ***** مانند، بصورت آبشاری (Cascade)، میزان 235U را به مقدار دلخواه بالا می‌بردند.


این روش اولین راهکارهای صنعتی برای غنی سازی اورانیوم بود که کابرد عملی پیدا کرد.

نمونه‌ای از سانتریفیوژهای گازی آبشاری که برای غنی سازی اورانیوم از آنها استفاده می‌شود.


اما در روش استفاده از سانتریفیوژ برای غنی سازی اورانیوم ، تعداد بسیار زیادی از این دستگاه‌ها بصورت سری و موازی بکار می‌برند تا با کمک آن بتوانند غلظت 235U را افزایش دهند.


گاز هگزافلوراید اورانیوم (UF6) در داخل سیلندرهای سانتریفیوژ تزریق می‌شود و با سرعت زیاد به گردش در آورده می‌گردد.


گردش سریع سیلندر، نیروی گریز از مرکز بسیار قوی تولید می‌کند و طی آن مولکول‌های سنگینتر (آنهایی که شامل ایزوتوپ 238U هستند) از مرکز محور گردش دورتر می‌گردند و برعکس آنها که مولکول‌های سبکتری دارند (حاوی ایزوتوپ 235U ) بیشتر حول محور سانتریفیوژ قرار می‌گیرند.


در این هنگام با استفاده از روشهای خاص گازی که حول محور جمع شده است جمع آوری شده به مرحله دیگر یعنی دستگاه سانتریفیوژ بعدی هدایت می‌گردد.


میزان گاز هگزافلوراید اورانیوم شامل 235U که در این روش از یک واحد جداسازی بدست می‌آید به مراتب بیشتر از مقداری است که در روش قبلی (Gaseous Diffusion) بدست می‌آید، به همین علت است که امروزه در بیشتر نقاط جهان برای غنی سازی اورانیوم از این روش استفاده می‌کنند.

​

بزرگترین دستگاه‌های آبشاری سانتریفیوژ در کشورهایی مانند فرانسه، آلمان، انگلستان و چین در حال غنی سازی اورانیوم هستد.


این کشورها علاوه بر مصرف داخلی به صادرات اورانیوم غنی شده نیز می‌پردازند. کشور ژاپن هم دارای دستگاه‌های بزرگ سانتریفیوژ است، اما تنها برای مصرف داخلی اورانیوم غنی شده تولید می‌کند.


غنی سازی اورانیم از طریق میدان مغناطیسی


یکی از روش‌های غنی‌سازی اورانیوم استفاده از میدان مغناطیسی بسیار قوی می‌باشد. در این روش ابتدا اورانیوم هگزا فلوئورید را حرارت می‌دهند تا تبخیر شود.


از طریق تبخیر، اتم‌های اورانیوم و فلوئورید از هم تفکیک می‌شوند. در این حالت ، اتم‌های اورانیوم را به میدان مغناطیسی بسیار قوی هدایت می‌کنند.


میدان مغناطیسی بر هسته‌های باردار اورانیم نیرو وارد می‌کند (این نیرو به نیروی لورنتس معروف می‌باشد) و اتمهای اورانیوم را از مسیر مستقیم خود منحرف می‌کند.


اما هسته‌های سنگین اورانیم (238U ) نسبت به هسته‌های سبکتر (235U ) انحراف کمتری دارند و درنتیجه از این طریق می‌توان 235U را از اورانیوم طبیعی تفکیک کرد.


کاربردهای اورانیوم غنی شده:


•شرایطی ایجاد کرده اند که نسبت
• 235U به 238U را به 5 درصد می‌‏رساند
•برای این کار و تخلیص کامل اورانیوم از سانتریفوژهای بسیار قوی استفاده ‏می‌کنند
•برای ساختن نیروگاه اتمی، اورانیوم طبیعی و یا اورانیوم غنی شده بین 1 تا 5 ‏درصد کافی است
•برای تهیه بمب اتمی حداقل 5 تا 6 کیلوگرم 235U صد درصد خالص نیاز ‏است. در صنایع نظامی از این روش استفاده نمی‌شود و بمبهای اتمی را از 239Pu که سنتز و تخلیص شیمیایی آن بسیار ساده‌تر است تهیه ‏می‌کنند


نحوه تولید سوخت پلوتونیوم رادیو اکتیو

این عنصر ناپایدار را در نیروگاه‌های بسیار قوی می‌سازند که تعداد نوترونهای ‏موجود در آنها از صدها هزار میلیارد نوترون در ثانیه در سانتیمتر مربع تجاوز ‏می‌کند. عملا کلیه بمب‌های اتمی موجود در زراد خانه‌های جهان از این عنصر ‏درست می‌شود.‏


روش ساخت این عنصر در داخل نیروگاههای هسته‌ای به این صورت که ‏ایزوتوپ‌های 238U شکست پذیر نیستند، ولی جاذب نوترون کم انرژی هستند.


تعدادی از نوترونهای حاصل از شکست 235U را ‏جذب می‌کنند و تبدیل به 239U می‌شوند. این ایزوتوپ از اورانیوم بسیار ‏ناپایدار است و در کمتر از ده ساعت تمام اتمهای بوجود آمده تخریب ‏می‌شوند.


در درون هسته پایدار 239U یکی از نوترونها خود به خود به ‏پروتون و یک الکترون تبدیل می‌شود.

بنابراین تعداد پروتون‌ها یکی اضافه شده و عنصر جدید را که 93 پروتون دارد ‏نپتونیوم می‌نامند که این عنصر نیز ناپایدار است و یکی از نوترونهای آن خود به ‏خود به پروتون تبدیل شده و در نتیجه به تعداد پروتونها یکی اضافه شده و عنصر ‏جدید پلوتونیم را که 94 پروتون دارد ایجاد می‌کنند. این کار حدودا در مدت یک هفته ‏صورت می‌گیرد.

​

شکافت هسته‌ای چيست؟​

​

شکافت هسته‌ای فرآیندی است که در آن یک اتم سنگین مانند اورانیوم به دو اتم سبکتر تبدیل می‌شود
اگر نوترون منفردی به یک قطعه ایزوتوپ 235U نفوذ کند، در اثر برخورد به هسته اتم 235U ، اورانیوم به دو قسمت شکسته می‌شود که اصطلاحا شکافت هسته‌ای نامیده می‌شود.


در واکنش‌های شکافت هسته‌ای مقادیر زیادی نیز انرژی آزاد می‌گردد (در حدود 200Mev)، اما مسئله مهمتر اینکه نتیجه شکستن هسته 235U ، آزادی دو نوترون است که می‌تواند دو هسته دیگر را شکسته و چهار نوترون را بوجود آورد.


این چهار نوترون نیز چهار هسته 235U را می‌شکنند. 4 هسته شکسته شده تولید 8 نوترون می‌کنند که قادر به شکستن همین تعداد هسته اورانیوم می‌باشند.


سپس شکست هسته‌ای و آزاد شدن نوترونها بصورت زنجیروار به سرعت تکثیر و توسعه می‌یابد. در هر دوره تعداد نوترون‌ها دو برابر می‌شود، در یک لحظه واکنش زنجیری خود بخودی شکست هسته‌ای شروع می‌گردد.


در واکنش‌های کنترل شده هسته‌ای تعداد شکست در واحد زمان و نیز مقدار انرژی بتدریج افزایش یافته و پس از رسیدن به مقداری دلخواه ثابت نگهداشته می‌شود.


انرژی شکافت هسته‌ای


کشف انرژی هسته‌ای در جریان جنگ جهانی دوم صورت گرفت و اکنون برای شبکه برق بسیاری از کشورها هزاران کیلو وات تهیه می کند (نیروگاه هسته‌ای).
بحران انرژی بر اثر بالارفتن قیمت نفت در سال 1973 استفاده از انرژی شکافت هسته‌ای بیشتر وارد صحنه کرد. در حال حاضر ممالک اروپایی انرژی هسته‌ای را تنها انرژی می‌دانند که می‌تواند در اکثر موارد جایگزین نفت شود.

​

استفاده از انرژی شکافت هسته‌ای که روی یک ماده قابل احتراق کانی که بصورت محدود پایه گذاری می‌شود.


برای سایر کشورها خطرات بسیار دارد در حال حاضر تولید الکتریسته با استفاده از شکافت هسته‌ای کنترل شده به میزان زیادی توسعه یافته و مورد قبول واقع شده است.

تولید انرژی هسته‌ای در کشورهای توسعه یافته بخش مهمی از طرح انرژی ملی را تشکیل می‌دهد.


انرژی بستگی هسته‌ای


می‌توان تصور کرد که جرم هسته، M ، با جمع کردن Z (تعداد پروتون‌ها) ضربدر جرم پروتون و N تعداد نوترون‌ها ضربدر جرم نوترون بدست می‌آید.

(M = Z×Mp + N×Mn)
از طرف دیگر M همیشه کمتر از مجموع جرمهای تشکیل دهنده‌های منزوی هسته است.
این اختلاف به توسط فرمول اينشتین توضیح داده می‌شود که رابطه بین جرم و انرژی هم ارزی جرم و انرژی را برقرار می‌سازد.


اگر یک دستگاه مادی دارای جرم باشد در این صورت دارای انرژی کلی E است. E = M C2 که در آن C سرعت نور در خلا و M جرم کل هسته مرکب از نوکلئونها و E مقدار انرژیی است که در اثر فروپاشی جرم M تولید می‌شود.


بنابر این اصول انرژی هسته‌ای بر آزاد سازی انرژی پیوندی هسته استوار است. هر سیستمی که دارای انرژی پیوندی بیشتر باشد پایدار می‌باشد.


در واقع جرم مفقود شده در واکنش‌های هسته‌ای طبق فرمول E = M C2 به انرژی تبدیل می‌شود.

پس انرژی بستگی اختلاف جرم هسته و جرم نوکلئونهای تشکیل دهنده آن است، که معرف کاری است که باید انجام شود تا نوکلئونها از هم جدا شوند.

مواد شکافتنی


مواد ناپایدار برای اینکه به پایداری برسند، انرژی گسیل می‌کنند تا به حالت پایدار برسد.

معمولا عناصری شکافت پذیر هستند که جرم اتمی آنها بالای 150 باشد ،235U و 238U در معادن یافت می‌شود.
99.3
درصد اورانیوم معادن 238U می‌باشد.و تنها 7% آن 235U می‌باشد. از طرفی 235U با نوترونهای کند پیشرو واکنش نشان می‌دهد. 238Uتنها با نوترونهای تند کار می‌کند، البته خوب جواب نمی‌دهد.

بنابر این در صنعت در نیروگاههای هسته‌ای 235U به عنوان سوخت محسوب می‌شود.

​

ولی به دلایل اینکه در طبیعت کم یافت می‌شود. بایستی غنی سازی اورانیوم شود، یعنی اینکه از 7 درصد به 1 الی 3 درصد برسانند.


شکافت 235U


در این واکنش هسته‌ای وقتی نوترون کند روی 235U برخورد می کند به 236U تحریک شده تبدیل می‌شود. نهایتا تبدیل به باریوم و کریپتون و 3 تا نوترون تند و 177 Mev انرژی آزاد می‌شود.

پس در واکنش اخیر به ازای هر نوکلئون حدود 1 Mev انرژی آزاد می‌شود. در واکنشهای شیمیایی مثل انفجار به ازای هر مولکول حدود 30 Mev انرژی ایجاد می‌شود.
لازم به ذکر است در راکتورهای هسته‌ای که با نوترون کار می‌کند، طبق واکنشهای به عمل آمده 2 الی3 نوترون سریع تولید می‌شود. حتما این نوترونهای سریع باید کند شوند.

​

آب سنگين چيست؟

​

آب سنگين نوع خاصي از مولکول‌هاي آب است که در آن ايزوتوپ‌هاي هيدروژن وجود دارد. اين نوع از آب کليد اصلي تهيه پلوتونيوم از اورانيوم طبيعي‌است و به همين علت توليد و تجارت آن با نظر قوانين بين‌المللي انجام و به شدت کنترل مي‌شود.

با کمک اين نوع آب مي‌توان پلوتونيوم لازم را براي سلاح‌هاي اتمي بدون نياز به غني‌سازي بالاي اورانيوم تهيه کرد.


از کاربردهاي ديگر اين آب مي‌توان به استفاده از آن در رآکتورهاي هسته‌اي با سوخت اورانيوم، به عنوان متعادل‌کننده (Moderator) به جاي گرافيت و نيز عامل انتقال گرماي رآکتور نام برد.

آب سنگين واژه‌اي‌است که معمولاً به اکسيد هيدروژن سنگين D2O يا 2H2O اطلاق مي‌شود. هيدروژن سنگين يا دوتريوم (Deuterium) ايزوتوپي پايدار از هيدروژن است که به نسبت يک به 6400 از اتم‌هاي هيدروژن در طبيعت وجود دارد و خواص فيزيکي و شيميايي آن به نوعي مشابه آب سبک H2O است.

اتم‌هاي دوتريوم ايزوتوپ‌هاي سنگيني هستند که برخلاف هيدروژن معمولي، هسته آنها شامل نوترون نيز هست. جانشيني هيدروژن با دوتريوم در مولکول‌هاي آب، سطح انرژي پيوندهاي مولکولي را تغيير مي‌دهد و به‌طور طبيعي خواص متفاوت فيزيکي، شيميايي و بيولوژيکي را موجب مي‌شود، به‌طوري که اين خواص را در کمتر اکسيد ايزوتوپي مي‌توان مشاهده کرد.

براي مثال، ويسکوزيته (Viscosity) يا به زبان ساده‌تر چسبندگي آب سنگين به مراتب بيش از آب معمولي است.

آب نيمه سنگين چنانچه در اکسيد هيدروژن تنها يکي از اتم‌هاي هيدروژن به ايزوتوپ دوتريوم تبديل شود نتيجه (HDO) را آب نيمه سنگين مي‌گويند.

در مواردي که ترکيب مساوي از هيدروژن و دوتريوم در تشکيل مولکول‌هاي آب وجود داشته باشند، آب نيمه سنگين تهيه مي‌شود، علت اين کار تبديل سريع اتم‌هاي هيدروژن و دوتريوم بين مولکول‌هاي آب است.

مولکول آبي که از 50 درصد هيدروژن معمولي (H) و 50 درصد هيدروژن سنگين(D) تشکيل شده‌است، در موازنه شيميايي حدود 50 درصد HDO و 25 درصد آب (H2O) و 25 درصد D2O خواهد داشت.


نکته مهم آن است که آب سنگين را نبايد با با آب سخت که اغلب شامل املاح زياد است و يا يا آب تريتيوم (T2O or 3H2O) که از ايزوتوپ ديگر هيدروژن تشکيل شده‌است، اشتباه گرفت.

تريتيوم، ايزوتوپ ديگري از هيدروژن است که خاصيت راديواکتيو دارد و بيشتر براي ساخت موادي به کار برده مي‌شود که از خود نور منتشر مي‌کنند.

آب با اکسيژن سنگين


آب با اکسيژن سنگين، در حالت معمول H218O است که به صورت تجارتي در دسترس است و بيشتر براي رديابي به کار برده مي‌شود. براي مثال، با جانشين کردن اين آب (با نوشيدن يا تزريق) در يکي از عضوهاي بدن مي‌توان در طول زمان ميزان تغيير در مقدار آب اين عضو را بررسي کرد.

اين نوع از آب به ندرت حاوي دوتريوم است و به همين علت خواص شيميايي و بيولوژيکي خاصي ندارد براي همين، به آن آب سنگين گفته نمي‌شود. ممکن است اکسيژن در آنها به صورت ايزوتوپ‌هاي O17 نيز موجود باشد، در هر صورت تفاوت فيزيکي اين آب با آب معمولي، فقط چگالي بيشتر آن است.

تاريخچه


هارولد يوري (Harold Urey , 1893-1981) شيميدان و از پيشتازان فعاليت روي ايزوتوپ‌ها که در سال 1934 جايزه نوبل در شيمي گرفت، در سال 1931 ايزوتوپ هيدروژن سنگين را که بعدها به منظور افزايش غلظت آب استفاده مي‌شد، کشف کرد.

همچنين سال 1933 گيلبرت نيوتن لوييس (Gilbert Newton Lewis شيميدان و فيزيکدان مشهور آمريکايي) استاد هارولد يوري، توانست نخستين بار نمونه آب سنگين خالص را با عمل الکتروليز بوجود آورد.

نخستين کاربرد علمي از آب سنگين را دو بيولوژيست به نام‌هاي هوسي (Hevesy) و هافر(Hoffer) در سال 1934 انجام دادند.

آنها از آب سنگين براي آزمايش رديابي بيولوژيکي، به منظور تخمين ميزان بازدهي آب در بدن انسان، استفاده کردند.


رآکتورهای آب سنگین


رآكتورهاي آب سنگين نيازي به اورانيوم غني شده ندارند و از اكسيد اورانيوم طبيعي به عنوان سوخت استفاده مي‌كنند.


اين فرايند، نياز به اورانيوم غني شده را مرتفع مي‌كند اما طراحي اين رآكتورها پيچيده و توليد آب سنگين نيز هزينه‌بر است.


آب سنگين از جداسازي نوعي از مولكول‌هاي آب با غلظت 1 در هر 7000 مولكول به دست مي‌آيد كه هيدروژن آن يك نوترون بيشتر از هيدروژن عادي دارد.


اين نوترون اضافه موجب مي‌شود تا عمل كندكنندگي نوترون‌هاي پر سرعت به اندازه‌اي برسد كه واكنش‌هاي زنجيره‌اي توليد انرژي از ميله‌هاي سوخت آغاز شود در حالي كه در رآكتورهاي قدرت آب سبك، اورانيوم غني شده درحد 3.5 درصد و بيش از آن براي انجام واكنش مورد نياز است.


در رآكتورهاي آب سنگين، اين ماده وظيفه خنك كردن ميله‌هاي سوخت، همزمان با كند كردن نوترون‌هاي پر انرژي را به عهده دارد.


رآکتور تحقیقاتی آب سنگین اراک


با نزديك شدن رآكتور تحقيقاتي تهران (كه حدود چهل سال پيش و با قدرت 5 مگاوات راه‌اندازي شده‌است) به پايان عمر كاري خودو نياز روز افزون كشور به انواع راديو ايزوتوپ‌هاي صنعتي و همچنين راديو داروها، رآكتور تحقيقاتي آب سنگين اراك با قدرت 40 مگاوات طراحي و مكان آن در نزديكي شهر خنداب در شمال غربي شهرستان اراك تعيين شد.


از آنجا كه اين رآكتور در زمان راه‌اندازي به مقدار زيادي آب سنگين نيازدارد مجتمع آب سنگين اراك همزمان با پي‌گيري ساخت ساختمان و رآكتور آماده شد و به بهره‌برداري رسيد تا بتواند نياز رآكتور را در زمان راه‌اندازي فراهم كند.


ساخت اين تأسيسات همچنين موجب آموزش متخصصان و آشنايي شركت‌هاي داخلي با استاندارهاي هسته‌اي مي‌شود و مي‌تواند راه را براي ساخت نيروگاه‌هاي قدرت آب سنگين در آينده فراهم كند.

​

کیک زرد چیست؟

کيک زرد يا Yellowcake که به نام اورانيا (Urania) هم شناخته مي‌شود در واقع خاک معدني اورانيوم است که پس از گذراندن مراحل تصفيه و پردازش‌هاي لازم از سنگ معدني آن تهيه مي‌شود.
تهيه اين ماده به منزله رسيدن به بخش مياني مراحل مختلف تصفيه سنگ معدن اورانيوم است و بايد توجه داشت که فاصله بسيار زيادي براي استفاده در بمب اتمي دارد.

روش تهيه کيک زرد کاملاً به نوع سنگ معدن به دست آمده بستگي دارد، اما به‌طور معمول با آسياب کردن و پردازش‌هاي شيميايي بر روي سنگ معدن اورانيوم، پودر زبر و زردرنگي به دست مي‌آيد که قابليت حل شدن در آب را ندارد و حدود 80 درصد غلظت اکسيد اورانيوم آن خواهد بود. اين پودر در دمايي معادل 2878 درجه سانتيگراد ذوب مي‌شود.


روش تهيه کیک زرد


ابتدا سنگ معدن با دستگاه هاي مخصوصي خرد و آسياب مي شود، پس از آن براي جداسازي اورانيم و بالابردن خلوص خاک سنگ، آن را در حمامي از اسيد سولفوريک، آلکالاين و يا پراکسيد مي‌خوابانند؛ اين عمل براي به دست آوردن اورانيوم خالص تر صورت مي‌شود.

سپس اين محصول به دست آمده را خشک و ***** مي‌کنند و نتيجه آن چيزي خواهد شد که به «کيک زرد» معروف است.

امروزه روش‌هاي جديدي براي تهيه اين پودر اورانيوم وجود دارد که محصول آنها بيش از آن که زرد باشد به قهوه‌اي و سياه نزديک است، در واقع رنگ ماده به دست آمده به ميزان وجود ناخالصي‌ها در اين پودر بستگي دارد.


نهادن اين نام بر روي اين محصول به گذشته بر مي‌گردد که کيفيت روش‌هاي خالص‌سازي سنگ معدن مناسب نبود و ماده به دست آمده، زرد رنگ بود.


مواد تشکيل‌دهنده کيک زرد


بخش اصلی کيک زرد (معادل 70-90 درصد وزني) شامل اکسيدهاي اورانيوم با فرمول شيميايي U3O8 و يا ساير اکسيدهاست و بقيه آن از ديگر موادي تشکيل شده‌است که مهم‌ترين آنها عبارتند از:


•هيدراکسيد اورانيوم با فرمول شيمايي UO2(OH)2 يا UO2)2(OH)2) که در صنايع ساخت شيشه و سراميک استفاده مي‌شود. اين ماده تشعشع راديواکتيو دارد و بايد با شرايط خاصي نگهداري و حمل شود.

•سولفات اورانيوم با فرمول شيميايي (U02S04) که ماده‌اي بي‌بو با رنگ زرد ليمويي‌است.

•اکسيد اورانيوم زرد (يا اورانيت سديم) با فرمول شيميايي Na2O (UO3)2.6H2O که ماده‌اي با رنگ زرد - نارنجي است.

•پراکسيد اورانيوم با فرمول شيميايي UO4·nH2O با رنگ زرد کم‌رنگ.
يکي از کاربردهاي کيک زرد، تهيه هگزا فلورايد اورانيوم است. اين گاز در وضع عادي حدود هفت صدم درصد شامل ايزوتوپ 235 و بقيه آن ايزوتوپ 238 است. در مرحله غني‌سازي درصد U-235 به حدود 5.3 يا حتي بيشتر افزايش داده مي‌شود.

​

کاربردهای کیک زرد


کيک زرد عموماً براي تهيه سوخت رآکتورهاي هسته‌اي به کار برده مي‌شود، در واقع اين ماده است که پس از پردازش‌هايي به UO2 تبديل و براي استفاده در ميله‌هاي سوختي به کار برده مي‌شود.

اين ماده همچنين مي‌تواند براي غني‌سازي به گاز هگزا فلورايد اورانيوم يا UF6 تبديل شود، چون در اين صورت مي‌توان چگالي ايزوتوپ‌هاي اورانيوم 235 را در آن افزايش داد.
در هر صورت کيک زرد در اغلب کشورهايي که معادن طبيعي اورانيوم دارند تهيه مي‌شود و توليد اين ماده مشکل خاصي ندارد و به‌طور متوسط ساليانه 64 هزار تن از اين ماده در جهان توليد مي‌شود.
کانادا، يکي از توليدکنندگان اين ماده است، اين کشور معادني دارد که خلوص سنگ اورانيوم آنها به 20 درصد هم مي‌رسد.

در آسيا نيز کشوري مانند قزاقستان صنايع بزرگ توليد اين پودر را دارد. قيمت اين پودر در بازارهاي بين المللي، هر کيلوگرم حدود 25 دلار است.

​

چرا سقف نیروگاه‌های اتمی گنبدی شکل است؟
​

شبکه‌ای كه در دو جهت دارای انحنا باشد آن را گنبد مي‌نامند
شاید رویه یک گنبد بخشی از یک کره یا یک مخروط یا اتصال چندین لايه باشد. گنبد‌ها سازه‌هایی با صلبیت بالا می‌باشند و برای دهانه‌های بسیار بزرگ تا حدود 250 متر مورد استفاده قرار می‌گیرند.

ارتفاع گنبد باید بزرگتر از 15% قطر پایه گنبد باشد. گنبدها دارای مرکز هستند.
سوخت یک نیروگاه هسته‌ای، اورانیوم است. اورانیوم عنصری است که در اکثر مناطق جهان از زیرزمین استخراج می‌شود.

اورانیوم بعد از مرحله کانه آرایی بصورت قرص‌های بسیار کوچکی در داخل میله‌های بلند قرار گرفته و داخل رآکتور نیروگاه نصب می‌شوند.

در داخل رآکتور یک نیروگاه اتمی، اتم‌های اورانیوم تحت یک واکنش زنجیره‌ای کنترل شده، شکافته می‌شوند.

در نیروگاه‌های هسته‌ای، معمولاً از یک سری میله‌های کنترل جهت تنظیم سرعت واکنش زنجیره‌ای استفاده می‌گردد.


عدم کنترل این واکنش‌ها می‌تواند منجربه تولید بمب اتم شود. اما در بمب اتم، تقریباً ذرات خالص اورانیوم 235 یا پلوتونیوم (باشکل و جرم معینی) باید با نیروی زیادی در کنارهم قرار گیرند.

واکنش‌های زنجیره‌ای همچنین باعث تولید یک سری مواد رادیواکتیو می‌شوند. این مواد در صورت رهایی می‌توانند به مردم آسیب برسانند.

بنابراین آنها را به شکل جامد نگهداری می‌کنند. این مواد در گنبدهای بتنی بسیار قوی نگهداری می‌شوند تا در صورت بروز حوادث مختلف ، خطری بوجود نیاید.

گنبد شکلa یک نوع گنبد از نوع دنده‌ای است. در صورتیکه تعداد دنده‌ها زیاد باشد باید به مسئله شلوغی اعضا در راس گنبد توجه شود که برای اجتناب از این مسئله بهتر است که برخی از دنده‌های نزدیک راس حذف شود. (شکل b)

​

​

گنبد دیگری به نام اشفدلر (مهندس آلمانی) در شکل (c) نشان داده شده است که تعداد زیادی از این نوع گنبدها بعد از قرن 19 توسط اشفدلر و دیگران ساخته شده است.
​

از ایرادات این گنبد می‌توان به مسئله شلوغی اعضا در راس اشاره کرد، که برای حل این مشکل همان راه حل بالا ارائه می شود. (شکل d)
​

نمونه دیگری از گنبدها گنبد "لملا " است .این گنبد را می توان به نوع ترکیبی از یک یا چند حلقه که با یکدیگر متقاطع هستند ،دانست (شکل های e-f)
​

شکل‌های (g و h) نوع دیگری از خانواده گنبدها را به نام گنبدهای دیامتیک نشان می‌دهد.
در شکل‌های (i و j) نمونه دیگری از گنبد های حبابی ملاحظه می‌کنید.
​

در شکل‌های (k و l) نمونه دیگری از گنبد ها به نا م گنبدهای ژئودزدیک ملاحظه می‌شود
اتصالات در گنبد‌های دنده‌ای و اشفلدر حتما صلب هستند. از لحاظ پخش منظم نیرو، گنبد هاس ژئودزدیک، دیامتیک و حبابی بسیار مناسب هستند.​

از امتیازات سقف‌های گنبدی ذخیره مقاومتی بیشتر، به دلیل داشتن درجات نامعینی بالا، در مقایسه با سایر سازه‌های متداول است. همچنین سختی و صلبیت زیاد قابلیت استثنایی برای حمل بارهای بزرگ متمرکز و غیر متقارن می‌باشد.
​

سقف گنبدها بسیار محکم‌تر از سقف‌های معمولیست
​

براي درک ساده تر موضوع، تصور کنيد وقتي يک خودکار را روي کاغذ قرار مي‌دهيد و کاغذ را بلند مي‌کنيد، کاغذ نمي‌تواند نيروي وزن خودکار را تحمل کند، اما اگر همان کاغذ را کمي انحنا دهيد خواهيد ديد کاغذ انحنا داده شده تحمل وزن چند خودکار ديگر را هم دارد.




منبع غیر مستقیم
​