همه چیز درباره ی انرِِِِِِژی هسته ای
ما به طور کلی دو نوع واکنش داریم، یکی واکنش هسته ای، که تنها هسته ی اتم در این واکنش شرکت دارد و دیگری واکنش های معمول شیمیایی که در این واکنشها، الکترون های اطراف هسته با یکدیگر درگیر می شوند.
انرژی هسته ای, انرژی ذخیره شده در هسته ی اتم است. این انرژی را می توان به دو صورت آزاد نمود. 1- شکافت هسته ای 2- هم جوشی
در فرایند شکافت هسته ای, بعضی از هسته های سنگین تر به دو جزء سبک تر و مقدار بسیار زیادی گرما و انرژی تبدیل می شود. نیروگاههای هسته ای از این گرما و انرژی برای جوشاندن آب و چرخاندن توربین با بخار آب استفاده می کنند. این توربین, مولد برق را می چرخاند و برق تولید می کند.
فرآیند همجوشی:
همجوشی هسته ای فرایندی است که در آن هسته های بسیار سبک به هم جوش می خورند و یک هسته سنگین تر به وجود می آورند. برای اینکار انرژی فعالسازی فوق العاده زیادی لازم است, اما در عوض انرژی که در نهایت از آن بدست می آید, بیش از فرایند شکافت می باشد. نمونه این فرایند در بمبهای هیدروژنی صورت می گیرد. انرژی خورشید نیز در اثر انجام واکنش های همجوشی فراوانی است که در هر لحظه صورت می گیرد. انرژی خورشیدی از تبدیل هسته های هیدروژن به هلیم حاصل می شود. حسنی که تامین انرژی از طریق همجوشی دارد این است که زباله های اتمی که معزل بزرگی است تولید نمی شود. اما دستگاههای مورد نیاز برای اینکار نیاز به تکنولوژی پیچیده ای دارد و به همین دلیل هنوز در نیروگاهها, استفاده از این انرژی عملی نشده است.
هر دو فرآیند شکافت و هم جوشی ، می توانند هم به صورت کنترل شده و هم به صورت مهار نشده انجام گیرند. اما کنترل و مهار فرآیند هم جوشی بسیار دشوارتر از کنترل و مهار فرآیند شکافت می باشد.
شکافت هسته ای به صورت مهار شده در راکتورهای نیروگاههای برق انجام می شود و به صورت کنترل نشده در بمبهای اتمی مورد استفاده قرار می گیرد.
فرآیند همجوشی نیز به صورت کنترل نشده در بمبهای هیدروزنی و به صورت کنترل شده می تواند در نیروگاهها مورد استفاده قرار گیرد. اما صورت کنترل شده ی آن همانطور که گفته شد، نیاز به تکنولوژی پیچیده ای دارد و به همین دلیل هنوز در نیروگاهها, استفاده از این انرژی عملی نشده است.
به مطلب زیر در مورد شکافت هسته ای توجه بفرمایید:
بخش بیشتر برق مصرفی در حال حاضر از طریق سوختن زغال سنگ, نفت و گاز تامین می شود. اما این منابع رو به کاهش هستند و در صد سال آینده تمام می شوند. انرژی هسته ای منبع فراوانی است که می تواند نیاز انسان را برای صدها و هزارها سال آینده تامین نماید. اما آیا استفاده از آن بی خطر است؟ بسیاری از دانشمندان آن را بی خطر می دانند, اما ممکن است حوادثی هم رخ دهد.
شکافت: سوخت اغلب رآکتورها در نیروگاههای هسته ای نوعی اورانیم مشهور به اورانیم 235 است ( که مجموعا" 235 پروتون و نوترون در هسته ی خود دارد). می‌دانید اورانیم ماده‌ای است که در فرآیندهای شکافت هسته‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این فرآیند، اتم اورانیم 235 با گیراندازی و جذب یک نوترون آزاد، دچار شکافت می‌شود. حاصل این واکنش شکافت، تولید چند اتم کوچکتر باضافه‌ی مقدار بسیار زیادی انرژی می‌باشد. از این انرژی به صورت کنترل شده در نیروگاههای تولید برق و به صورت کنترل نشده در بمبهای اتمی استفاده می‌شود. اما همانطور که بیان شد، تنها ایزوتوپ 235 اورانیم دچار این فرآیند می‌شود. اما سنگ معدن اورانیم که از معدن استخراج می‌شود، بیشتر شامل ایزوتوپهای دیگر اورانیم است و ایزوتوپ 235 فقط حدود 7/0 درصد از ایزوتوپ طبیعی را تشکیل می‌دهد. پس اولین قدم برای استفاده از انرژی هسته‌ای، جدا کردن اورانیم 235 از اورانیم طبیعی و یا بالا بردن درصد این ایزوتوپ در اورانیم طبیعی می‌باشد. به این کار غنی‌سازی اورانیم گفته می‌شود. در گذشته غنی‌سازی اورانیم ( از جمله برای استفاده در بمب اتمی که در هیروشیما و ناکازاکی مورد استفاده قرار گرفت) از طرق دیگری انجام می‌شد. اما اکنون این کار با استفاده از سانتریفوژهای متوالی صورت می‌گیرد. برای اینکار سانتریفوژهای استوانه‌ای بسیار بلندی وجود دارند. اورانیم در این دستگاهها با سرعت بسیار زیاد چرخیده و اورانیم‌های سبک‌تر همچنان می‌چرخند ولی اورانیم‌های سنگین‌تر به دیواره سانتریفژ اصابت می‌کنند. سپس محصول این سانتریفوژ را وارد سانتریفوژ دیگر می‌کنند و از حدود هزار سانتریفوژ به صورت پشت سر هم می گذرد. نتیجه اینکه درصد اورانیم 235 از 7/0% به حدود 7-8 % می‌رسد به اینکار غنی‌سازی اورانیم گفته می‌شود.
هر گاه یک نوترون به اتم اورانیم 235 برخورد کند, آن را می شکافد و به دو هسته ی سبک تر به اضافه یک, دو یا سه نوترون جدید تبدیل می کند و همزمان مقدار زیادی پرتو گاما (پرتوهای پرانرژی) گسیل می شود. نوترون های جدید می توانند اتم های اورانیم 235 دیگری را بشکافند و درنتیجه نوترونهای بیشتر و انرژی بیشتری تولید کنند و این فرآیند که واکنش زنجیری نامیده می شود, ادامه می یابد. فرآیند شکافت هسته ای بسیار خطرناک است, زیرا انرژی حاصل از آن آنقدر زیاد است که انفجار ایجاد می کند و این چیزی است که در بمب اتمی اتفاق می افتد. اما از این انرژی به صورت مهار شده در رآکتورها استفاده می شود.
رآکتور: در نیروگاه هسته ای, فرآیند شکافت بصورت مهار شده و بدون خطرِ بروز انفجار انجام می گیرد. سوخت اورانیم قلب رآکتور است. میله های مهار کننده ی مخصوص را میتوان در لابه لای اورانیم فرو برد یا از لابه لای آن بیرون کشید. این میله ها از کادمیم و بور ساخته شده اند و نوترون ها را جذب می کنند. هر چه تعداد نوترون ها در هسته رآکتور کم تر باشد, شکافت کمتری صورت می گیرد و انرژی کمتر و مهار شده ای آزاد می شود, بالعکس, هر چه تعدا نوترون بیشتری آزاد شود, اورانیم بیشتر و بیشتری شکافت می یابد و انرژی فراوان به صورت انفجاری آزاد می شود.
رآکتورهای هسته ای داغ می شوند و از راههای مختلفی گرما از آنها خارج و صرف تولید بخار برای چرخاندن توربین می کنند. در رآکتور آبی پرفشار, آب با فشار زیاد به کار می رود. در رآکتور پیشرفته با خنک کننده ی گازی, گاز دی اکسید کربن از روی هسته ی داغ رآکتور عبور داده می شود. بعضی رآکتورهای هسته ای نیز وجود دارند که می توانند اورانیم معمولی را به نوع دیگری از سوخت تبدیل کنند. این رآکتورها را زاینده نامیده اند. اما همه ی رآکتورها مواد پرتوزایی (رادیواکتیو) زیادی تولید می کنند و خلاص شدن از ضرر و زیانهای پس مانده های سوخت هسته ای یا زباله های اتمی از مشکلات بسیار جدی است. رآکتور هسته ای به صورت بمب منفجر نمی شود, اما اگر اتفاقا" حادثه ای در نیروگاه رخ دهد, پیامدهای فاجعه آمیز آن در منطقه ی وسیعی موثر خواهد بود. در 1986 میلادی ( 1365 ه. ش.) در نیروگاه چرنوبیل اوکراین, که در آن زمان جزئی از اتحاد شوروی بود, انفجاری رخ داد که به انتشار مواد پرتوزا در جو انجامید. باد این مواد را در اروپا پخش کرد و باران آنها را شست و با خود به سطح زمین آورد. در بخشی از شمال غربی انگلستان علف ها پرتوزا شدند و چرای گوسفندان در آنها ایمن نبود. خطر حاصل از این فاجعه برای سلامتی بخصوص برای مردمی که در اطراف نیروگاه زندگی می کردند, بسیار جدی بود. آیا باز هم باید نیروگاههای هسته ای ساخت و احتمال بروز فاجعه را افزایش داد؟ مشکل این است که بدون نیروگاه هسته ای تامین نیروی برق مورد نیاز آینده ممکن نخواهد بود. بعضی اعتقاد دارند که باید احتمال بروز خطر را قبول کرد و بعضی عقیده دارند که خطر بسیار جدی است و باید به دنبال راههای دیگری برای تولید برق بود, یا نحوه زندگی را چنان تغییر داد که به برق کمتری نیاز باشد.
زباله ای اتمی:
مسئله‌ای که امروزه مهندسان بدان توجه زیادی دارند، دفع فضولات یا خاکسترهای رادیواکتیوی حاصل از شکافت هسته‌ای است. تعداد عظیمی از هسته‌های اتمی که در یک راکتور باید شکافته شوند تا توان الکتریکی مطلوب حاصل گردد، به تعداد عظیمی از محصولات شکافت رادیواکتیوی مبدل می‌شوند. بعضی از این محصولات رادیواکتیوی نیم‌عمرهای بسیار دراز، بالغ بر دهها هزار سال و حتی بیشتر دارند. برای جداسازی این محصولات از ماده‌ی شکافت‌پذیری که هنوز مفید و قابل استفاده است، تکنولوژی فوق‌العاده پیچیده‌ای ایجاد شده است. بعضی از محصولات حاصل از شکافت عمر کوتاه‌تری دارند و بنابراین محصولات مذکور پس از مدتی مقداری از خاصیت رادیواکتیوی خود را از دست می‌دهند. در چنین وضعیتی حمل و نقل محصولات باید به راههای خاص انجام پذیرد. فضولات رادیواکتیوی، سرانجام باید در جایی انبار شود که زیانی نداشته باشد. طرحهای فعلی برای دفع نهایی این فضولات، دفن آنها در عمق زمین است. لیکن این عمل با مشکلات بسیاری همراه است. مثلاْْ، این کار مستلزم تهیه ظرفهای بادوامی است که امکان نشت از آنها وجود ندارد، یا مستلزم آن است که این فضولات به صورتهای جامد غیر قابل انحلال تبدیل شوند. مکانهایی را باید یافت که از لحاظ زمینشناسی مناسب باشند، جاهایی که این فضولات در صورت نشت کردن، آب و نفت زیرزمینی را آلوده نکند. پیچیدگی این مشکلات به سبب این واقعیت است که فضولات مذکور تا 10000 سال دیگر هنوز فعالیت رادیواکتیوی قابل‌ملاحظه‌ای دارند. ماندگاری این فضولات ممکن است از ظروفی که حاوی این مواد است، هم بیشتر باشد.
پس مانده های سوخت رآکتور هسته ای شدیدا" پرتوزا است و تابش هایی ایجاد می کند که برای همه موجودات زنده خطرناک است. خطر بعضی از مواد پرتوزا که در رآکتورهای هسته ای تولید می شوند, تا هزاران سال باقی می ماند. وقتی پس مانده های سوخت از رآکتور خارج می شوند, به صورت مکایع در ظرفهایی از فولاد زنگ نزن نگهداری می شوند. اطراف این ظرفها با دیوارهای ضخیم سیمانی پوشانده شده است تا پرتوها در این دیوارها جذب شوند. این ظرفها را با آب خنک می کنند. اما ظرفهای فولادی به تدریج شروع به نشت کردن می کنند. در نظر است که مایع پس مانده را به قطعه های شیشه ای تبدیل و آن را در شکافهای عمیق اقیانوسها دفن کنند.
فرآیند همجوشی:
همجوشی هسته ای فرایندی است که در آن هسته های بسیار سبک به هم جوش می خورند و یک هسته سنگین تر به وجود می آورند. برای اینکار انرژی فعالسازی فوق العاده زیادی لازم است, اما در عوض انرژی که در نهایت از آن بدست می آید, بیش از فرایند شکافت می باشد. نمونه این فرایند در بمبهای هیدروژنی صورت می گیرد. انرژی خورشید نیز در اثر انجام واکنش های همجوشی فراوانی است که در هر لحظه صورت می گیرد. انرژی خورشیدی از تبدیل هسته های هیدروژن به هلیم حاصل می شود. حسنی که تامین انرژی از طریق همجوشی دارد این است که زباله های اتمی که معزل بزرگی است تولید نمی شود. اما دستگاههای مورد نیاز برای اینکار نیاز به تکنولوژی پیچیده ای دارد و به همین دلیل هنوز در نیروگاهها, استفاده از این انرژی عملی نشده است.
هر دو فرآیند شکافت و هم جوشی ، می توانند هم به صورت کنترل شده و هم به صورت مهار نشده انجام گیرند. اما کنترل و مهار فرآیند هم جوشی بسیار دشوارتر از کنترل و مهار فرآیند شکافت می باشد.
شکافت هسته ای به صورت مهار شده در راکتورهای نیروگاههای برق انجام می شود و به صورت کنترل نشده در بمبهای اتمی مورد استفاده قرار می گیرد.
فرآیند همجوشی نیز به صورت کنترل نشده در بمبهای هیدروزنی و به صورت کنترل شده می تواند در نیروگاهها مورد استفاده قرار گیرد. اما صورت کنترل شده ی آن همانطور که گفته شد، نیاز به تکنولوژی پیچیده ای دارد و به همین دلیل هنوز در نیروگاهها, استفاده از این انرژی عملی نشده است.
به مطلب زیر در مورد شکافت هسته ای توجه بفرمایید:
بخش بیشتر برق مصرفی در حال حاضر از طریق سوختن زغال سنگ, نفت و گاز تامین می شود. اما این منابع رو به کاهش هستند و در صد سال آینده تمام می شوند. انرژی هسته ای منبع فراوانی است که می تواند نیاز انسان را برای صدها و هزارها سال آینده تامین نماید. اما آیا استفاده از آن بی خطر است؟ بسیاری از دانشمندان آن را بی خطر می دانند, اما ممکن است حوادثی هم رخ دهد.
شکافت: سوخت اغلب رآکتورها در نیروگاههای هسته ای نوعی اورانیم مشهور به اورانیم 235 است ( که مجموعا" 235 پروتون و نوترون در هسته ی خود دارد). می‌دانید اورانیم ماده‌ای است که در فرآیندهای شکافت هسته‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این فرآیند، اتم اورانیم 235 با گیراندازی و جذب یک نوترون آزاد، دچار شکافت می‌شود. حاصل این واکنش شکافت، تولید چند اتم کوچکتر باضافه‌ی مقدار بسیار زیادی انرژی می‌باشد. از این انرژی به صورت کنترل شده در نیروگاههای تولید برق و به صورت کنترل نشده در بمبهای اتمی استفاده می‌شود. اما همانطور که بیان شد، تنها ایزوتوپ 235 اورانیم دچار این فرآیند می‌شود. اما سنگ معدن اورانیم که از معدن استخراج می‌شود، بیشتر شامل ایزوتوپهای دیگر اورانیم است و ایزوتوپ 235 فقط حدود 7/0 درصد از ایزوتوپ طبیعی را تشکیل می‌دهد. پس اولین قدم برای استفاده از انرژی هسته‌ای، جدا کردن اورانیم 235 از اورانیم طبیعی و یا بالا بردن درصد این ایزوتوپ در اورانیم طبیعی می‌باشد. به این کار غنی‌سازی اورانیم گفته می‌شود. در گذشته غنی‌سازی اورانیم ( از جمله برای استفاده در بمب اتمی که در هیروشیما و ناکازاکی مورد استفاده قرار گرفت) از طرق دیگری انجام می‌شد. اما اکنون این کار با استفاده از سانتریفوژهای متوالی صورت می‌گیرد. برای اینکار سانتریفوژهای استوانه‌ای بسیار بلندی وجود دارند. اورانیم در این دستگاهها با سرعت بسیار زیاد چرخیده و اورانیم‌های سبک‌تر همچنان می‌چرخند ولی اورانیم‌های سنگین‌تر به دیواره سانتریفژ اصابت می‌کنند. سپس محصول این سانتریفوژ را وارد سانتریفوژ دیگر می‌کنند و از حدود هزار سانتریفوژ به صورت پشت سر هم می گذرد. نتیجه اینکه درصد اورانیم 235 از 7/0% به حدود 7-8 % می‌رسد به اینکار غنی‌سازی اورانیم گفته می‌شود.
هر گاه یک نوترون به اتم اورانیم 235 برخورد کند, آن را می شکافد و به دو هسته ی سبک تر به اضافه یک, دو یا سه نوترون جدید تبدیل می کند و همزمان مقدار زیادی پرتو گاما (پرتوهای پرانرژی) گسیل می شود. نوترون های جدید می توانند اتم های اورانیم 235 دیگری را بشکافند و درنتیجه نوترونهای بیشتر و انرژی بیشتری تولید کنند و این فرآیند که واکنش زنجیری نامیده می شود, ادامه می یابد. فرآیند شکافت هسته ای بسیار
خطرناک است, زیرا انرژی حاصل از آن آنقدر زیاد است که انفجار ایجاد می کند و این چیزی است که در بمب اتمی اتفاق می افتد. اما از این انرژی به صورت مهار شده در رآکتورها استفاده می شود.
رآکتور: در نیروگاه هسته ای, فرآیند شکافت بصورت مهار شده و بدون خطرِ بروز انفجار انجام می گیرد. سوخت اورانیم قلب رآکتور است. میله های مهار کننده ی مخصوص را میتوان در لابه لای اورانیم فرو برد یا از لابه لای آن بیرون کشید. این میله ها از کادمیم و بور ساخته شده اند و نوترون ها را جذب می کنند. هر چه تعداد نوترون ها در هسته رآکتور کم تر باشد, شکافت کمتری صورت می گیرد و انرژی کمتر و مهار شده ای آزاد می شود, بالعکس, هر چه تعدا نوترون بیشتری آزاد شود, اورانیم بیشتر و بیشتری شکافت می یابد و انرژی فراوان به صورت انفجاری آزاد می شود.
رآکتورهای هسته ای داغ می شوند و از راههای مختلفی گرما از آنها خارج و صرف تولید بخار برای چرخاندن توربین می کنند. در رآکتور آبی پرفشار, آب با فشار زیاد به کار می رود. در رآکتور پیشرفته با خنک کننده ی گازی, گاز دی اکسید کربن از روی هسته ی داغ رآکتور عبور داده می شود. بعضی رآکتورهای هسته ای نیز وجود دارند که می توانند اورانیم معمولی را به نوع دیگری از سوخت تبدیل کنند. این رآکتورها را زاینده نامیده اند. اما همه ی رآکتورها مواد پرتوزایی (رادیواکتیو) زیادی تولید می کنند و خلاص شدن از ضرر و زیانهای پس مانده های سوخت هسته ای یا زباله های اتمی از مشکلات بسیار جدی است. رآکتور هسته ای به صورت بمب منفجر نمی شود, اما اگر اتفاقا" حادثه ای در نیروگاه رخ دهد, پیامدهای فاجعه آمیز آن در منطقه ی وسیعی موثر خواهد بود. در 1986 میلادی ( 1365 ه. ش.) در نیروگاه چرنوبیل اوکراین, که در آن زمان جزئی از اتحاد شوروی بود, انفجاری رخ داد که به انتشار مواد پرتوزا در جو انجامید. باد این مواد را در اروپا پخش کرد و باران آنها را شست و با خود به سطح زمین آورد. در بخشی از شمال غربی انگلستان علف ها پرتوزا شدند و چرای گوسفندان در آنها ایمن نبود. خطر حاصل از این فاجعه برای سلامتی بخصوص برای مردمی که در اطراف نیروگاه زندگی می کردند, بسیار جدی بود. آیا باز هم باید نیروگاههای هسته ای ساخت و احتمال بروز فاجعه را افزایش داد؟ مشکل این است که بدون نیروگاه هسته ای تامین نیروی برق مورد نیاز آینده ممکن نخواهد بود. بعضی اعتقاد دارند که باید احتمال بروز خطر را قبول کرد و بعضی عقیده دارند که خطر بسیار جدی است و باید به دنبال راههای دیگری برای تولید برق بود, یا نحوه زندگی را چنان تغییر داد که به برق کمتری نیاز باشد.
زباله ای اتمی:
مسئله‌ای که امروزه مهندسان بدان توجه زیادی دارند، دفع فضولات یا خاکسترهای رادیواکتیوی حاصل از شکافت هسته‌ای است. تعداد عظیمی از هسته‌های اتمی که در یک راکتور باید شکافته شوند تا توان الکتریکی مطلوب حاصل گردد، به تعداد عظیمی از محصولات شکافت رادیواکتیوی مبدل می‌شوند. بعضی از این محصولات رادیواکتیوی نیم‌عمرهای بسیار دراز، بالغ بر دهها هزار سال و حتی بیشتر دارند. برای جداسازی این محصولات از ماده‌ی شکافت‌پذیری که هنوز مفید و قابل استفاده است، تکنولوژی فوق‌العاده پیچیده‌ای ایجاد شده است. بعضی از محصولات حاصل از شکافت عمر کوتاه‌تری دارند و بنابراین محصولات مذکور پس از مدتی مقداری از خاصیت رادیواکتیوی خود را از دست می‌دهند. در چنین وضعیتی حمل و نقل محصولات باید به راههای خاص انجام پذیرد. فضولات رادیواکتیوی، سرانجام باید در جایی انبار شود که زیانی نداشته باشد. طرحهای فعلی برای دفع نهایی این فضولات، دفن آنها در عمق زمین است. لیکن این عمل با مشکلات بسیاری همراه است. مثلاْْ، این کار مستلزم تهیه ظرفهای بادوامی است که امکان نشت از آنها وجود ندارد، یا مستلزم آن است که این فضولات به صورتهای جامد غیر قابل انحلال تبدیل شوند. مکانهایی را باید یافت که از لحاظ زمینشناسی مناسب باشند، جاهایی که این فضولات در صورت نشت کردن، آب و نفت زیرزمینی را آلوده نکند. پیچیدگی این مشکلات به سبب این واقعیت است که فضولات مذکور تا 10000 سال دیگر هنوز فعالیت رادیواکتیوی قابل‌ملاحظه‌ای دارند. ماندگاری این فضولات ممکن است از ظروفی که حاوی این مواد است، هم بیشتر باشد.
پس مانده های سوخت رآکتور هسته ای شدیدا" پرتوزا است و تابش هایی ایجاد می کند که برای همه موجودات زنده خطرناک است. خطر بعضی از مواد پرتوزا که در رآکتورهای هسته ای تولید می شوند, تا هزاران سال باقی می ماند. وقتی پس مانده های سوخت از رآکتور خارج می شوند, به صورت مکایع در ظرفهایی از فولاد زنگ نزن نگهداری می شوند. اطراف این ظرفها با دیوارهای ضخیم سیمانی پوشانده شده است تا پرتوها در این دیوارها جذب شوند. این ظرفها را با آب خنک می کنند. اما ظرفهای فولادی به تدریج شروع به نشت کردن می کنند. در نظر است که مایع پس مانده را به قطعه های شیشه ای تبدیل و آن را در شکافهای عمیق اقیانوسها دفن کنند.
سید علی محمدی نیاکی