کاربرد های انرژی هسته ای وغنی سازی اورانیوم وشکاف هسته ای و
دید کلی
 |
استفاده از
نیروی هسته‌ای از 40
سال پیش آغاز شد و اینک این نیرو همان اندازه از برق جهان را تأمین می‌کند که 40
سال پیش بوسیله تمام منابع انرژی تأمین می‌شد. حدود دو سوم از جمعیت جهان در
کشورهایی زندگی می‌کنند که
نیروگاههای هسته‌ای آنها در زمینه تولید برق و زیر ساختهای صنعتی نقش مکمل را
ایفا می‌کنند. نیمی از مردم جهان در کشورهایی زندگی می‌کنند که نیروگاههای هسته‌ای
در آنها در حال برنامه‌ریزی و یا در دست ساخت هستند.
به این ترتیب ، توسعه سریع نیروی هسته‌ای جهان مستلزم بروز هیچ تغییر بنیادینی نیست
و تنها نیازمند تسریع راهبردهای موجود است.
امروزه حدود 440
نیروگاه هسته‌ای در 31 کشور جهان برق تولید می‌کنند. بیش از 15 کشور از مجموع این
تعداد در زمینه تأمین برق خود تا 25
درصد یا بیشتر ، متکی به نیروی هسته‌ای هستند. در اروپا و ژاپن سهم نیروی هسته‌ای
در تأمین برق بیش از 30 درصد است، در آمریکا نیروی هسته‌ای 20 درصد از برق را تأمین
می‌کند. در سرتاسر جهان ، دانشمندان بیش از 50 کشور از حدود 300
راکتور تحقیقاتی استفاده می‌کنند تا: درباره فناوریهای هسته‌ای تحقیق کرده و برای
تشخیص بیماری و درمان سرطان ، رادیوایزوتوپ تولید کنند.
همچنین در اقیانوسهای جهان راکتورهای هسته‌ای نیروی محرکه بیش از 400 کشتی را بدون
اینکه به خدمه آن و یا محیط زیست آسیبی برسانند، تأمین می‌کنند. دوره پس از جنگ سرد
، فعالیت جدیدی برای حذف مواد هسته‌ای از تسلیحات و تبدیل آن به سوخت هسته‌ای غیر
نظامی آغاز شد. انرژی هسته‌ای کاربردهای زیاد در پزشکی در علوم و صنعت و کشاورزی و
... دارد. لازم به ذکر است انرژی هسته‌ای به تمامی انرژیهای دیگر قابل تبدیل است،
ولی هیچ انرژی به انرژی هسته‌ای تبدیل نمی‌شود. موارد زیادی از کاربردهای انرژی
هسته‌ای در زیر آورده می‌شود.
نیروگاه هسته‌ای
نیروگاه هسته‌ای (Nuclear Power Stotion)
یک نیروگاه الکتریکی که از انرژی تولیدی شکست هسته اتم اورانیوم یا پلوتونیم
استفاده می‌کند. اولین جایگاه از این نوع در 27
ژوئن سال 1958 در شوروی سابق ساخته شد. که قدرت آن 5000 کیلو وات است. چون شکست
سوخت هسته‌ای اساسا گرما تولید می‌کند، از گرمای تولید شده راکتورهای هسته‌ای
برای تولید بخار استفاده می‌شود. از بخار تولید شده برای به حرکت در آوردن
توربینها و
ژنراتورها که نهایتا برای تولید برق استفاده می‌شود.
بمبهای هسته‌ای
این نوع بمبها تا حالا قویترین بمبهای و مخربترینهای جهان محسوب می‌شود. دارندگان این نوع بمبها جزو قدرتهای هسته‌ای جهان محسوب می‌شود.
پیل برق هسته‌ای Nuelear Electric battery
پیل هسته‌ای یا اتمی دستگاه تبدیل
کننده
انرژی اتمی به جریان برق مستقیم است، ساده‌ترین پیلها) شامل دو صفحه است. یک
پخش کننده بتای خالص مثل استرنیوم 90 و یک هادی مثل
سیلسیوم.
جریان الکترونهای سریعی که بوسیله استرنیوم منتشر می‌شود ازمیان
نیم هادی عبور کرده و در حین عبور تعداد زیادی الکترون اضافی را از نیم هادی
جدا می‌کند که در هر حال صدها هزار مرتبه زیادتر از جریان الکتریکی حاصل از ایزوتوپ
رادیواکتیو استرنیوم 90 می‌باشد.
کاربردهای پزشکی
در پزشکی
تشعشعات هسته‌ای کاربردهای زیادی دارند که اهم آنها عبارتند از:
استرلیزه کردن هسته‌ای و میکروب زدایی وسایل پزشکی با پرتو‌های هسته‌ای
رادیو بیولوژی
کاربردهای کشاورزی
تشعشعات هسته‌ای کاربردهای زیادی
در کشاورزی دارد که مهمترین آنها عبارتست از:
موتاسیون هسته‌ای ژنها در کشاورزی
کنترل حشرات با تشعشعات هسته‌ای
جلوگیری از جوانه زدن سیب زمینی با اشعه گاما
انبار کردن میوه‌ها
دیرینه شناسی (باستان شناسی) و صخره شناسی (زمین شناسی) که عمر یابی صخره‌ها با C14 در باستان شناسی خیلی مشهور است.
کاربردهای صنعتی
در صنعت کاربردهای زیادی دارد،
از جمله مهمترین آنها عبارتند از:
نشت یابی با اشعه
دبی سنجی پرتویی(سنجش شدت تشعشعات ، نور و فیزیک امواج)
سنجش پرتویی میزان سائیدگی قطعات در حین کار
سنجش پرتویی میزان خوردگی قطعات
چگالی سنج موادمعدنی با اشعه
کشف عناصر نایاب در معادن
مقدمه
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 اورانیوم با دیفوزیون گازی
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. روش غنی سازی اورانیوم تقریبا
مطابق همین اصولی است که در اینجا گفته شد. 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.
غنی سازی اورانیم از طریق میدان مغناطیسی
یکی از روشهای غنی سازی 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 می کند ( این نیرو به نیروی لورنتس معروف می باشد) 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 پلوتونیوم را که 94 پروتون دارد ایجاد می‌کنند. این کار حدودا در مدت یک هفته صورت می‌گیرد
روشهای غنی‌سازی اورانیوم
روش انتشار (پخش) حرارتی
روش انتشار (پخش) گازها
روش الکترومغناطیسی
روش مرکزگریز گازی
روش مرکزگریز گازی زیپه
روشهای لیزری
روش شیمیایی
|
|
مقدمهدر 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 می‌شکند. چهار هسته شکسته شده تولید هشت 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 هستهایکشف انرژی هسته‌ای در جریان
جنگ جهانی دوم صورت گرفت و اکنون برای شبکه برق بسیاری از کشورها هزاران کیلو
وات تهیه می کند (نیرو
گاه هسته ای).
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 می‌داند. که می‌تواند در اکثر موارد جایگزین نفت شود.
استفاده از انرژی شکافت هسته‌ای که بر 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 هستهایمیتوان 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
|
مواد شکافتنی
