چیستی انرژی هسته ای
تعریف فناوری هسته ای
چگونگی کشف انرژی هسته ای
دو هزار سال بعد از «دموکریت»، دانشمندی انگلیسی به نام «جان دالتون» به این نتیجه رسید که «اتم» هم قابل تجزیه و شکستن است. این مسأله به صورت نظریه باقی ماند تا در سال 1927 میلادی، دانشمند آمریکایی – آلمانی الأصل – به نام «آلبرت انیشتین» فرمول E = mc2 را مطرح کرد و ثابت نمود که «اگر اتم شکافته شود، انرژی عظیمی ایجاد می شود».
کشف انرژی هسته ای، یکی از مهم ترین و اثر گذارترین کشفیات بشر در طول تاریخ بود. اما نکته ای که تقریباً از همان آغاز نگرانی عمیقی را در سطح جهان پدید آورد، قدرت تخریب فوق العاده ی انرژی هسته ای بود که خیلی زود توسط «ابن هایمر» شاگرد «انیشتین» به اجرا درآمد و آمریکایی ها برای نخستین بار به طور کاملاً سرّی در صحرای «نوادا» انفجار هسته ای را آزمایش کردند.
چگونگی انفجار هسته ای(1)
اساساً دو شیوه ی بنیادی برای آزاد سازی انرژی یک «اتم» وجود دارد:
1. شکافت هسته ای: می توان هسته ی یک «اتم» را با یک «نوترون» به دو جزی کوچک تر تقسیم کرد. این همان شیوه ای است که در مورد ایزوتوپ های اورانیوم (یعنی اورانیوم 235 و 233) به کار می رود.
2. هم جوشی هسته ای: می توان با استفاده از دو اتم کوچک تر که معمولاً هیدورژن با ایزوتوپ های هیدورژن (مانند دوتریوم و تریتیوم) هستند، یک اتم بزرگ مثل هلیوم یا ایزوتوپ های آن را تشکیل داد. این همان شیوه ای است که در خورشید برای تولید انرژی به کار می رود.
فرآیند هر دو شیوه، دست یافتن به میزان عظیمی از انرژی گرمایی و تشعشع است.
کاربردهای انرژی هسته ای
الف- کاربردهای صلح آمیز
استفاده از علوم و فنون هسته ای در تولید برق از طریق نیروگاه اتمی، از درجه ی اهمیت بالایی برخوردار است. جمهوری اسلامی ایران نیز با توجه به پایان پذیر بودن منابع فسیلی و روند رو به رشد توسعه ی اجتماعی و اقتصادی کشور، استفاده از انرژی هسته ای برای تولید برق را امری ضروری و لازم می داند و ساخت چند نیروگاه اتمی را از جمله سیاست های اصلی خود قرار داده است.
دغدغه ی اصلی جهانِ عادت کرده به مصرف انرژی، در دو دهه ی آینده، تولید انرژی است و ساخت نیروگاه برق، تنها راه خروج از بحران انرژی در دهه های آینده است. نیروگاه اتمی، اقتصادی ترین نیروگاهی است که امروز در دنیا احداث می شود.
با یک نگاه به روند رو به رشد کشورمان، ایران در بیست سال آینده به هفت هزار مگاوات برق در سال نیاز دارد که نیروگاه اتمی بوشهر، هزار مگاوات برق را در صورت راه اندازی تأمین می کند و احداث نیروگاه های دیگر برای رفع این نیاز ضروری است. گفتنی است، برای تولید این میزان برق، حدود صد و نود میلیون بشکه ی نفت خام مصرف می شود که در صورت تأمین از طریق انرژی هسته ای، سالانه پنج میلیارد دلار صرفه جویی خواهد شد. علاوه بر صرفه ی اقتصادی، دلایل زیر استفاده از انرژی هسته ای را ضروری می نماید:
الف – منابع فسیلی محدود بوده و متعلق به نسل های آینده است.
ب – استفاده از نفت خام در صنایع تبدیلی پتروشیمی، ارزش بیشتری دارد.
ج – تولید برق از طریق نیروگاه های اتمی، آلودگی نیروگاه های کنونی را ندارد. تولید هفت هزار مگاوات با مصرف صد و نود میلیون بشکه ی نفت خام، صد و پنجاه و هفت هزار تن دی اکسید کربن، صد و پنجاه تن ذرات معلق در هوا، صد و سی تن گوگرد و پنجاه تن اکسید نیتروژن را در محیط زیست پراکنده می کند. در حالی که نیروگاه اتمی، چنین آلودگی را ندارد.
دلایل دیگری هم برای استفاده از نیروگاه های اتمی برای تولید برق وجود دارد که از مهم ترین آن ها می توان به پاکیزه بودن این روش، تولید فاقد گاز گل خانه ای و دیگر آلاینده های زیست محیطی اشاره کرد. اهمیت این موضوع زمانی دو چندان می شود که بدانیم سوخت های فسیلی، هم چون زغال سنگ، مقدار قابل توجهی را انواع آلاینده ها همانند ترکیبات کربن و گوگرد را وارد محیط زیست می سازند که برای سلامت انسان زیانبار است.
به همین دلایل است که کشورهای پیشرفته ی صنعتی، تأسیس نیروگاه برق اتمی را در اولویت برنامه- های خود قرار داده اند. امروزه، نیروگاه های برق هسته ای، حدود هفده درصد از کل الکتریسته ی جهان را تولید می کنند؛ اما برخی از کشورها بیشتر از این مقدار به نیروی برق تولید شده در نیروگاه- های هسته ای متکی هستند. برای مثال، فرانسه حدود هفتاد و پنج درصد از کل ا لکتریسته ی مورد نیاز خود را از طریق نیروگاه برق هسته ای تأمین می کند.
در حال حاضر، چهارصد نیروگاه برق هسته ای در دنیا فعال است که بیش از یکصد مورد آن به آمریکا تعلق دارد. جالب این که شرکت های خصوصی این کشور که در چند سال گذشته از نیروگاه - های هسته ای، برق تولید می کردند، بیش از هشتاد میلیارد دلار سود کرده اند.
استفاده از انرژی هسته ای، مقدمه ای برای استفاده از دیگر منابع تولید انرژی در دست مطالعه، مانند «جوش هسته ای» است.
2. کاربرد انرژی اتمی در پزشکی و امور بهداشتی
دانش هسته ای با دانش پزشکی پیوستگی ناگسستنی دارد، به گونه ای که علم پزشکی بدون دانش هسته ای، تعریف نشده است. در کشورهای پیشرفته ی صنعتی از این فناوری در علوم پزشکی استفاده می گردد.
در حال حاضر، علاوه بر استفاده از انرژی اتمی در اشعه ی ایکس و کاربرد آن در دستگاه های رادیو گرافی و عکس برداری در کشورمان، درمان بیماری های سرطانی با رادیو داروها انجام می شود.
به طور کلی، در پزشکی هسته ای از مواد رادیوایزوتوپ برای شناسایی و تشخیص و درمان بیماری ها در سطح سلولی و مولکولی استفاده می شود.
پزشکی هسته ای با شناسایی یُد 131 در غده ی تیرویید، متولد شد و به تدریج مواد رادیوایزوتوپ جدیدی به این شاخه ی مهم دانش پزشکی راه یافت. رادیوایزوتوپ به تنهایی و در ترکیب با مولکول - های آلی و معدنی دیگر وارد سلول های بدن می شود که می توان آن را ردیابی کرد. در پزشکی هسته ای از زباله های هسته ای راکتورهای هسته ای، مواد رادیواکتیوی استخراج می شود که در تشخیص و درمان بیماری های مختلف به کار می رود.
سرطان شناسی و درمان سرطان، فقط یکی از کاربردهای انرژی هسته ای در پزشکی هسته ای است. تشخیص سریع مراکز عفونی در بدن، تصویرگری بیماری های قلبی، تشخیص عفونت ها و ا لتهاب مفصلی، آمبولی و لخته های وریدی، کاربردهای فراوانی در صنایع خونی، تشخیص کم خونی یا سندرم، اختلال در جذب ویتامین B12 و جداسازی فلزات سنگین از گیاهان دریایی، از جمله مواردی است که می توان به آن اشاره کرد.
به طور خلاصه، موارد زیر از مصادیق تکنیک های هسته ای در علم پزشکی است:
الف - مراکز پزشکی هسته ای.
ب – تهیه و تولید رادیو دارو، جهت تشخیص بیماری تیرویید و درمان آن ها.
ج – تهیه و تولید کیت های هرمونی.
د – تشخیص و درمان سرطان پروستات.
ه – تشخیص سرطان های کولون، روده ی کوچک و برخی سرطان های سینه.
و – تشخیص محل تومورهای سرطانی و بررسی تومورهای مغزی، سینه و ناراحتی های وریدی.
ح – موارد دیگری چون تشخیص کم خونی، کنترل رادیوداروهای خوراکی و تزریقی و... .
3. کاربرد انرژی اتمی در بخش دامپزشکی و دامپروری
تکنیک های هسته ای در حوزه ی دامپزشکی موارد مصرفی چون تشخیص و درمان بیماری های دامی، تولید مثل دام، تغذیه ی دام، اصلاح نژاد، بهداشت و ایمن سازی محصولات دامی و خوراک دام دارد.
4. کاربرد انرژی هسته ای در دسترسی به منابع آب
تکنیک های هسته ای برای شناسایی حوزه های آب زیرزمینی، هدایت آب های سطحی و زیرزمینی، کشف و کنترل نشست و ایمنی سدها مورد استفاده قرار می گیرد. برای شیرین کردن آب های شور نیز انرژی هسته ای کاربرد دارد.
5. کاربرد انرژی هسته ای در بخش صنایع غذایی و کشاورزی
از انرژی هسته ای در حوزه ی کشاورزی و صنایع غذایی استفاده های بسیار فراوانی صورت می گیرد. موارد عمده ی استفاده در این بخش، عبارت است از:
الف – جلوگیری از جوانه زدن محصولات غذایی.
ب – کنترل و از بین بردن حشرات.
ج – به تأخیر انداختن زمان رسیدن محصولات.
د – افزایش زمان نگهداری محصولات کشاورزی.
ه – کاهش میزان آلودگی میکروبی.
و – از بین بردن ویروس های گیاهی و غذایی.
ز – طرح باردهی و جهش گیاهانی چون گندم، برنج و پنبه.
6. کار برد انرژی هسته ای در بخش صنعت
برای تولید چشمه های پرتوزایی جهت مصارف صنعتی، تولید چشمه های ایریدیم برای کاربردهای صنعتی و بررسی جوشکاری در لوله های نفت و گاز، از انرژی هسته ای استفاده می گردد. از انرژی هسته ای در بخش صنعت، هم چنین برای ساخت انواع سیستم های هسته ای جهت کاربردهای صنعتی مانند سیستم سطح سنجی، ضخامت سنجی، دانسیته سنجی و اندازه گیری خاکستر زغال سنگ و بررسی کوره های مذاب شیشه سازی و نشت یابی و بررسی کوره های مذاب شیشه سازی و نشت یابی در لوله های انتقال استفاده می شود.
7. کاربرد تکنیک هسته ای در شناسایی مین های ضد نفر
تکنیک های هسته ای برای کشف مین های ضد نفر نیز کاربرد دارد.
هر روز بر دامنه ی استفاده از انرژی هسته ای افزوده می گردد. کار برد انرژی در بخش های مختلف به گونه ای است که اگر کشوری فناوری هسته ای را بومی و نهادینه نماید، در بسیاری از حوزه های علمی و صنعتی ارتقای جایگاه پیدا می کند و مسیر توسعه را با سرعت طی می کند.
ب – کاربرد نظامی (تولید بمب اتمی)
برای آشنایی بیشتر با این فرآیند، لازم است بدانید که تولید یک بمب اتمی به این مراحل نیازمند است:
1. یک منبع سوخت که قابلیت شکاف یا هم جوشی را داشته باشد؛
2. دستگاهی که هم چون ماشه، آغازگر حوادث باشد؛
3. راهی که به کمک آن، بتوان بیشتر سوخت را پیش از آن که انفجار رخ دهد، دچار شکاف یا هم جوشی کرد.
در اولین بمب های اتمی، از روش شکافت استفاده می شد. اما امروزه بمب های هم جوشی از فرآیند هم جوشی به عنوان ماشه ی آغازگر استفاده می کنند.
یک بمب شکافتی، از ماده ای مانند، اورانیوم 235 برای خلق یک انفجار هسته ای استفاده می کند. این اورانیوم، ویژگی منحصر به فردی دارد که آن را برای تولید انرژی هسته ای و نیز بمب هسته ای مناسب می کند. اورانیوم 235 یکی از مواد نادری است که می تواند زیر شکافت القایی قرار گیرد.
اگر یک «نوترون» آزاد به هسته ی اورانیوم 235 برود، هسته، بی درنگ نوترون را جذب کرده، بی ثبات و در یک چشم به هم زدن شکسته می شود. این عملیات باعث پدید آمدن دو اتم سبک تر و آزاد سازی دو یا سه عدد نوترون می شود که تعداد نوترون ها بستگی به چگونگی شکسته دن هسته ی اتم اولیه اورانیوم 235 دارد.
دو اتم جدید، به محض این که در وضعیت جدید تثبیت شدند، از خود پرتو «گاما» ساطع می کنند. درباره ی این نحوه ی شکافت القایی، سه نکته وجود دارد:
1. احتمال این که اتم اورانیوم 235، نوترونی را که به سمتش است، جذب کند، بسیار بالا است. در بمبی که به خوبی کار می کند، بیش از یک نوترون از هر فرآیند، فیزیون به دست می آید که این نوترون ها خود سبب وقوع فرآیندهای شکافت بعدی اند. این وضعیت اصطلاحاً «ورای آستانه ی بحران» نامیده می شود.
2. فرآیند جذب نوترون و شکسته شدن متعاقب آن، بسیار سریع و در حد پیکو ثانیه - 12 -10 ثانیه – رخ می دهد.
3. حجم عظیم و خارق العاده ای از انرژی به صورت گرما و پرتو «گاما» به هنگام شکسته شدن هسته، آزاد می شود. انرژی آزاد شده، از یک فرآیند شکافت، به این علت است که محصولات شکافت و نوترون ها وزن کمتری از اتم اورانیوم 235 دارند. این تفاوت وزن، نمایان گر تبدیل ماده به انرژی است که به واسطه ی فرمول معروف E=mc2 محاسبه می شود.
حدود نیم کیلوگرم اورانیوم غنی شده ی به کار رفته در یک بمب هسته ای، برابر با چندین میلیون گالن بنزین است. نیم کیلوگرم اورانیوم غنی شده، اندازه ای معادل یک توپ تنیس دارد. در حالی که یک میلیون گالن بنزین در مکعبی که هر ضلع آن 17 متر (ارتفاع یک ساختمان پنج طبقه) است، جای می گیرد.
حال بهتر می توان انرژی آزاد شده از مقدار کمی اورانیوم 235 را متصور شد. برای این که ویژگی -های اورانیوم 235 به کار آید، باید اورانیوم را غنی کرد. اورانیوم به کار رفته در سلاح های هسته ای، حداقل باید شامل نود درصد اورانیوم 235 باشد.
در یک بمب شکافتی، سوخت به کار رفته را باید در توده هایی که وضعیت «زیر آستانه ی بحران» قرار دارند، نگه داشت. این کار برای جلوگیری از انفجار نارس و زود هنگام، ضروری است. تعریف توده ای که در وضعیت «آستانه ی بحران» قرار دارد، چنین است: حداقل توده از یک ماده با قابلیت شکافت، که برای رسیدن به واکنش شکافت هسته ای لازم است.
در «پسر بچه» (2) تکنیک «چکاندن ماشه» به کار رفته بود. بازده ی این بمب معادل 14500 تن TNT، و کارایی آن 5/1 درصد بود؛ یعنی پیش از انفجار، تنها 5/1 درصد از ماده ی مورد نظر شکافت پیدا کرد.
در همان ابتدای اجرای «پروژه ی منهتن»
- برنامه ی سری آمریکا در تولید بمب اتمی – دانشمندان فهمیدند که فشردن توده ها به هم دیگر به یک کره با استفاده از انفجار درونی، می تواند راه مناسبی برای رسیدن به توده «ورای آستانه ی بحران» باشد.
این تفکر، مشکلات زیادی را به همراه داشت؛ به خصوص این مسأله مطرح شد که چگونه می توان یک موج شوک را به طور یک نواخت، مستقیماً طی کره ی مورد نظر، هدایت و کنترل کرد؟
افراد تیم پروژه ی «منهتن» این مشکلات را حل کردند. بدین صورت، تکنیک «انفجار از دورن» خلق شد. دستگاه انفجار دورنی، شامل یک کره از جنس اورانیوم 235 و یک بخش به عنوان هسته است که از پولوتونیوم 239 تشکیل شده و با مواد منفجره احاطه شده است.
وقتی چاشنی بمب به کار بیفتد، حوادث زیر رخ می دهد:
1. انفجار مواد منجره، موج شوک ایجاد می کند؛
2. موج شوک، بخش هسته را فشرده می کند؛
3. فرآیند شکافت شروع می شود؛
4. بمب منفجر می شود.
در بمب «مرد گنده» (3) تکنیک «انفجار از دورن» به کار رفته بود. بازده این بمب، 23000 تن و کارایی آن 17 درصد بود. شکافت معمولاً در 560 میلیاردیم ثانیه رخ می دهد.
بمب های هم جوشی کار می کردند ولی کارآیی بالایی نداشتند بمب های هم جوشی که بمب- های «ترمونوکلئار» هم نامیده می شوند، بازده و کارآیی به مراتب بالاتری دارند.
در کی بمب هم جوشی، حوادث زیر رخ می دهد:
1. بمب شکافتی با انفجار دورنی، اشعه ی X ایجاد می کند؛
2. اشعه ی X، دورن بمب و در نتیجه سپر جلوگیری کننده از انفجار نارس را گرم می کند؛
3. گرما باعث منبسط شدن سپر و سوختن آن می شود. این کار باعث ورود فشار به درون لیتیوم – دوتریوم می شود؛
4. لیتیوم – دوتریوم، سی برابر بیشتر از قبل، تحت فشار قرار می گیرند؛
5. امواج شوک فشاری، واکنش شکافتی را در میله ی پولوتونیومی آغاز می کند؛
6. میله ی در حال شکافت، از خود پرتو، گرما و نوترون می دهد؛
7. نوترون ها به سوی لیتیوم – دوتریوم رفته و با چسبیدن به لیتیوم، تریتیوم ایجاد می کند؛
8. ترکیبی از دما و فشار برای وقوع واکنشی هم جوشی ترتییوم – دوتریوم و دوتریوم – دوتریوم و ایجاد پرتو، گرما و نوترون بیشتر، بسیار مناسب است؛
9. نوترون های آزاد شده از واکنش های هم جوشی، باعث القای شکافت در قطaعات اورانیوم 238 که در سپر مورد نظر به کار رفته بود، می شود؛
10. شکافت قطعات اورانیومی، گرما و پرتو بیشتر ایجاد می کند؛
11. بمب منفجر می شود.
می دانیم، بمبی که در هیروشیما و ناکازاکی منفجر شد، جان بسیاری را در دم گرفت و تعداد زیادی را به دلیل پیامدهای ناشی از آن در سال های بعد بی جان کرد، اما باید دانست: این دو بمب در مقابل بمب هایی که در حال تولید است، تلنگری بیش نیست؛ چرا که بمب های امروزی، هزاران برابر بمب هیروشیما و ناکازاکی قدرت تخریب دارند!
انفجار یک بمب هسته ای، خسارت های مختلفی به بار می آورد که از جمله ی آن ها تولید ابری از ذرات و غبارهای رادیواکتیو و قطعات بمب که به مرور مجدداً فرو می ریزند، است.
ضرورت دست یابی ایران به فناوری صلح آمیز هسته ای
کوتاه سخن این که اگر کشوری به انرژی هسته ای دست نیابد. پس از چند دهه که انرژی های دیگر دورانِ خود را سپری کنند، نخواهد توانست در بازار فناوری هسته ای و استفاده از انرژی «جوش هسته ای» وارد شود و در آن صورت، در آینده با بحران انرژی روبرو خواهد شد؛ چرا که دانش بشری هم اکنون به جز روش های هسته ای، به هیچ طریقی دیگر نمی تواند پاسخ گوی بحران انرژی جهان باشد.
از این رو، کشور ما که در جهت استفاده ی صلح آمیز به پیشرفت های قابل ملاحظه ای در مباحث هسته ای نایل شده است، باید هم چنان این مسیر را پر قدرت ادامه دهد. سران استکبار و غرب استعمارگر، در صدد بر آمدند تا به بهانه های واهی، روند پر شتاب رشد علمی و فنی ملت ایران و جوانان پر تلاش آن را سد کنند که با درایت مسؤولان و در پرتو راهنمایی های مقام معظم رهبری، به نظر می رسد توانسته ایم با مدیریتی، صحیح، بدون آن که خود را از دست یابی به انرژی هسته- ای و افزایش توانمندسازی علمی در این خصوص محروم سازیم، این عقبه را نیز بگذرانیم.
ناگفته نماند که اوج گرفتن توسط توطئه استکبار در بطن خود، پیام و بشارتی نیز دارد و آن، واقعی بودن پیشرفت ایران در زمینه ی دانش هسته ای است و همین امر، جهان استکبار و غرب را به وحشت انداخته است. فرهنگ اعتماد به نفس و توانستن، همان چیزی است که حضرت امام خمینی (رحمت الله علیه) به عنوان یک فرهنگ، آن را در شریان های حیاتی جامعه تزریق کرد و جانشین خلفش، مقام معظم رهبری با تأکیدات خود، آن را حفظ کرده است.
پی نوشت :
*. گرفته شده از کتاب ایران اتمی، سید عبدا لمجید اشکوری، ص 36 – 17 با اندکی تلخیص.
1. انفجار هسته ای، اصطلاحی علمی است و منظور فقط انفجار به معنای رایج آن نیست. بدین معنا برای استفاده از انرژی هسته ای در نیروگاه های برق نیز ناچار از انفجار هسته ای هستیم.
2. نام بمبی است که آمریکایی ها در جنگ جهانی دوم بر شهر هیروشیما انداختند.
3. نام بمبی است که در سال های پایانی جنگ جهانی دوم، توسط آمریکایی ها بر شهر ناکازاکی انداخته شد.
