جذابيت مرگبار

انرژي هسته اي چيست؟
 

هسته اتم از اجتماع پروتون ها و نوترون ها به وجود آمده که در کنار يکديگر با نيروي جاذبه قوي قرار گرفته اند. پروتون ها بار مثبت دارند و نوترون ها بار خنثي. بنابراين با توجه به فاصله خيلي کم بين پروتون ها، آن ها نيروي دافعه بسيار شديدي به هم اعمال مي کنند. پس نيروي جاذبه اي که بين شان وجود دارد، بايد آن قدر قوي باشد که اين دافعه را خنثي کند. به اين نيرو، نيروي هسته اي مي گويند.
هرچه در جدول تناوبي عناصر (جدول مندليف) به جلوتر حرکت کنيم، اتم ها سنگين تر مي شوند. اين امر به خاطر زياد شدن تعداد پروتون ها و نوترون هاي آن هاست. وقتي تعداد پروتون هاي هسته از يک حدي بيشتر شد، نيروي دافعه الکتريکي از نيروي جاذبه هسته اي بيشتر مي شود و هسته ناپديدار مي شود. به اتم هاي سنگين تر از اين حد، اتم هاي ناپايدار مي گويند. روي اين مرز، اورانيوم قرار دارد.اورانيوم (238، 92)تا پروتون دارد و (146)تا نوترون، اورانيوم (235، 92)تا پروتون دارد و (143)تا نوترون. به دليل داشتن تعداد مساوي پروتون، اين دو هسته اتم، خواص شيميايي کاملا يکساني دارند، اما چون اورانيوم (235)، نوترون کمتري دارد، انرژي هسته اي جاذبه آن، کمتر از انرژي دافعه الکتريکي است و ناپايدار است. به هسته هايي که خواص شيميايي يکسان ولي جرم متفاوت دارند، ايزوتوپ مي گويند. اورانويم (235)ناپايدار است و طي فرايندي به عناصر سبک تر تبديل مي شود. اگر جرم اين عناصر را جمع کنيم از جرم اورانيوم (235)کم کنيم، بايد نتيجه حاصل، صفر شود. اما برخلاف انتظار، مقدار بسيار ناچيزي باقي مي ماند که طبق معادله معروف هم ارزي جرم و انرژي اينشتين (E=mc2)، اين مقدار جرم، به انرژي گرمايي تبديل مي شود. اين انرژي آزاد شده در رآکتورهاي هسته اي، صرف توليد برق مي شود. اما ميزان اورانيوم (235)موجود در طبيعت، کمتر از يک درصد اورانيوم طبيعي (238) است. براي افزايش غلظت اورانيوم (235)آن را طي فرايندي که چرخه سوخت هسته اي مي گويند، غني مي کنند.

واکنش زنجيره اي
 

کليد اصلي توليد انرژي، نه شکافت هسته اي بلکه واکنش زنجيره اي است. عناصر زيادي در طبيعت هستند که ناپايدارند و شکافته مي شوند، اما همه آن ها نمي توانند به عنوان سوخت هسته اي به کار روند. يکي از محصولات شکافت هسته اي، نوترون است. نوتروني که در فرايند شکاف هسته اي بزرگ توليد مي شود، بايد آن قدر انرژي داشته باشد که بتواند پس از برخورد به يک هسته ناپايدار ديگر، آن را بشکافد. به چنين فرآيندي «واکنش زنجيره اي» مي گويند. در واپاشي هسته اورانيوم (235، 3)تا نوترون آزاد مي شود. بنابراين هر هسته که شکافته مي شود، مي تواند (3)هسته ديگر را نيز بشکافد. اگر اين فرايند (واکنش زنجيره اي) از کنترل خارج شود ما با يک انفجار هسته اي (مثل چرنوبيل يا آن چه در بمب هاي اورانيومي اتفاق مي افتد) مواجه خواهيم بود. براي کنترل واکنش زنجيره اي در رآکتورهاي توليد انرژي، از ميله هايي به نام ميله کنترل استفاده مي شود. ميله هاي کنترل در ميان ميله هاي سوخت قرار مي گيرند و سرعت نوترون ها را با توجه به دماي رآکتور کنترل مي کنند. اگر دما از يک حدي بيشتر شود، ميله هاي کنترل، درون قلب راکتور فرو مي روند و نوترون ها را کند مي کنند تا سرعت واکنش زنجيره اي کم مي شود. قلب راکتور درون مخزني از آب است که معمولا از نوع آب سنگين (يک اکسيژن و دو هيدروژن 2 که يک پروتون و يک نوترون دارد) است.

چرخه سوخت هسته اي
 

اورانيومي که را که از معدن به دست مي آيد، نمي توان مستقيما خالص کرد و به نيروگاه فرستاد. براي اين که قسمت اعظم اورانيوم، ايزوتوپ (238)است که قابل شکافت نيست. و اورانيوم (235)که شکافت پذير است، کمتر از يک درصد حجمي اورانيوم استخراج شده است. براي همين، طي فرايندي که به آن غني سازي مي گويند، سوخت هسته اي در چرخ اي صنعتي، براي استفاده آماده مي شود. به اين عمليات، چرخه سوخت هسته اي مي گويند.
چرخه سوخت از دو قسمت تشکيل شده است. قسمت جلويي که عمليات آماده سازي اورانيوم در آن صورت مي گيرد و قسمت عقبي که درآن، ضايعات هسته اي را براي جلوگيري از آسيب رساني به طبيعت و محيط زيست، در محل امني قرار مي دهند.

غني سازي
 

براي افزايش غلظت اورانيوم شکافت پذير(235) طي فرايندي که به آن غني سازي مي گويند. درصد جرمي آن را در نمونه اورانيوم بالا مي برند.براي يک راکتور آب سبک، (5)درصد غني سازي کافي است. اما براي ساختن بمب اتمي بايد اورانيوم را حداقل تا (90) درصد غني کرد.
دو روش مهم غني سازي، انتشار گاز و سانتريفيوژ است. در روش انتشار، گاز هگزا فلورايد اورانيوم (UF6) را تحت فشار گاز طبيعي، از غشاهاي نيمه تراوا عبور مي دهند. چون اورانيوم (235)سبک تر از اورانيوم (238)است. سريع تر عبور مي کند. به اين ترتيب، طي فرآيند طولاني و با تکرار چندين باره اين عمل (عبور از غشاي نيمه تراوا)اورانيوم غني مي شود. عيب اين روش، اين است که با اين که آهنگ نسبتا پاييني دارد، هزينه اش بالاست.
در روش سانتريفيوژ، UF6 را درون استوانه هاي بزرگي مي ريزند و با سرعت بالايي مي چرخانند. نيروي گريز از مرکز باعث مي شود که اورانيوم (235)از اورانيوم (238)جدا شود. هرچند سانتريفيوژ، نيازمند دستگاه ها و فن آوري هاي بسيار پيشرفته تري نسبت به انتشار است. اما مصرف انرژي آن، نسبت به روش قبلي بسيار کمتر است.
امروز روش ديگري کشف شده که با استفاده از ليزر گازي اورانيوم را غني مي کند. اين روش، MLIS، نام دارد. آهنگ غني سازي و سطح غني سازي، در اين روش بيشتر از دو روش قبلي است، اما تکنولوژي بسيار پيشرفته اي مي خواهد.

تبديل
 

براي غني سازي، سوخت بايد در حالت گازي باشد. طي فرايندي شيميايي، اورانيوم را که به صورت کيک زرد است. به گاز هگزافلورايد اورانيوم (UF6) تبديل مي کنند. البته UF6 در دماي اتاق جامد استف اما با کمي گرم کردن به گاز تبديل مي شود.

آسياب
 

پس از استخراج اورانيوم اکسيد، تکه سنگ ها به آسياب فرستاده مي شود تا در ابعاد ريز و تقريبا مساوي، در آسياب خرد شود. اورانيوم را با اسيد سولفوريک از بقيه اتم ها جدا مي کنند. محلول به دست آمده را تصفيه کرده و سپس خشک مي کنند. به کنستانتره جامدي که به دست مي آيد، کيک زرد مي گويند.

اکتشاف و استخراج
 

با استفاده از روش هاي معمول زمين شناسي، مناطق داراي اورانيوم را شناسايي مي کنند و نمونه هايي از مواد خاکي اين نقاط را به آزمايشگاه مي فرستند. در آزمايشگاه مشخص مي شود که چه مقدار از منابع اورانيوم از ايزوتوپ شکافت پذير(235)است و استخراج از اين معدن چه هزينه اي در بر دارد. به طور متوسط در معادن دنيا (99/28)درصد اورانيوم (238 و 71%)درصد اورانيوم (235)موجود است. اورانيوم مجود در معادن، خالص نيست و به صورت اکسيد (U3O8) موجود است.

توليد سوخت
 

اورانيوم غني شده که به شکل گاز، UF6 است، (2)بايد براي سوختن (شکافت) در راکتور آماده شود. براي اين کار UF6 را طي فرايندي شيميايي به دي اکسيد اورانيوم (UO2) تبديل مي کنند. پودر UO2 فشرده شده و به شکل قرص درمي آيد. قرص ها در معرض حرارات بالا قرار مي گيرند تا تبديل به سراميک شود. اين قرص هاي سراميکي را در لوله هاي مخصوص قرار مي دهند. اين لوله از آلياژ خاصي است که در برابر خوردگي بسيار مقاوم است و رسانايي حرارتي بالايي دارد.

عمليات سوخت
 

ميله هاي سوخت را در قلب رآکتورقرار مي دهند و طي واکنش زنجيره اي، حرارت توليد مي شود. اين حرارت، آب را بخار مي کند و نيروي بخار، توربين هاي توليد انرژي را به حرکت درمي آورند.
راکتورها دو دسته اند:
1-راکتورهاي گرمايي که سرعت کمي دارند و فرايند شکافت در آن ها به آرامي انجام مي شود. اين رآکتورها استفاده صلح آميز براي توليد انرژي دارند.
2-رآکتورهاي سريع که هدف آن ها توليد سوخت لازم براي بمب هاي هسته اي است.

قسمت عقبي چرخه
 

سوخت هسته اي پس از مصرف، بسيار تشعشع زا است. اين مواد راديواکتيو بايد طوري نابود شوند که مشکلي براي محيط زيست به وجود نيايد.با اين وجود، جالب است بدانيد که براي توليد (8)مگاوات ساعت انرژي برق، تنها (30)گرم زباله راديواکتيوتوليد مي شود.اين در حالي است که براي توليد همين مقدار برق از زغال سنگ، (8)تن دي اکسيد کربن توليد مي شود که در دما و فشار جو، حجمي معادل (3)استخر شناي المپيک را دارد.
(3)نوع زباله هسته اي وجود دارد:
1-سطح پايين: لباس ها و تجهيزات و فيلترها که ممولا فشرده هستند و سپس آتش زده مي شود و در چاله هاي کم عمق نگهداري مي شود.
2-سطح متوسط: پس مانده هاي نيروگاه مثل حفاظ هاي ميله هاي سوخت و مواد راديواکتيو ديواره ها که پس از قرار گرفتن در پوشش حفاظتي، دفن مي شوند. اين پوشش حفاظتي، از جنس بتن است.
3-سطح بالا: همان سوخت هاي مصرفي است که براي نابودي آن ها بايد هزينه بيشتري متحمل شد.اين هزينه ها عبارتند از:
الف)انبارداري موقت: سوخت مصرف شده در رآکتور، بسيار داغ و راديواکتيو است و تشعشع فراواني دارد. براي همين، آن را براي مدت طولاني، درون استخرهاي آب با عمق بيش از (8)متر که از جنس بتن مسلح به فولاد ضد زنگ است، قرار مي دهند.
ب)انبار نهايي: پس از خنک شدن سوخت، با استفاده از روش هاي شيميايي، بعضي از مواد قابل بازيافت مثل اورانيوم يا پلوتونيم را از ضايعات هسته اي جدا مي کنند تا در پزشکي هسته اي، توليد سوخت و کارهاي ديگر از آن استفاده کنند. بقيه مواد را با حرارت دادن، به پودر تبديل مي کنند و پس از آهکي کردن، آن را با شيشه مخلوط مي کنند. سپس آن ها را درون محفظه هايي از جنس «فولاد ضد زنگ» قرار مي دهند و در منطقه اي امن (از لحاظ جغرافيايي) دفن مي کنند. هزار سال طول مي کشد که تشعشع اين مواد به ميزان طبيعي کاهش يابد.

چرخه سوخت هسته اي
 

يکي از مواردي که در معاهده منع گسترش سلاح هاي هسته اي وجود دارد، اين است که دولت هاي داراي تکنولوژي هسته اي نبايد ديگر کشورها را از حق بهره برداري صلح آميز از انرژي هسته اي محروم کنند. اما خيلي از کشورهاي دنيا مي توانند (چه از لحاظ مالي و چه از لحاظ علمي) که تجهيزات هسته اي را اداره مي کنند. براي همين، عملا تکنولوژي هسته اي فقط در دست تعدادي از قدرت هاي صاحب سلاح هاي هسته اي است.
با اين وجود، دانشمندان کشور ما توانستند به تکنولوژي توليد سوخت هسته اي دست يابند. نکته مهم تر در اين بين، اين است که کشور ما توانايي اين را دارد که تمام مراحل استخراج، غني سازي و مصرف سوخت را انجام دهد. منابع طبيعي اورانيوم در ساغند، تجهيزات غني سازي در نطنز و اصفهان و بالاخره در نيروگاه هاي هسته اي که اولين شان در بوشهر به زودي آماده مي شود، باعث شده که تمام مراحل چرخه سوخت را بتوانيم در داخل انجام دهيم. به اين ترتيب متخصصان ايراني به امکاناتي (از لحاظ علمي) دست پيدا کرده اند که در دنيا تنها در دست چند قدرت بزرگ هسته اي قرار دارد.
حتي خيلي از همين قدرت هاي هسته اي هم توان انجام تمام مراحل چرخه سوخت را در داخل سرزمين شان ندارند. آمريکا منابع خيلي کمي از اورانيوم دارد. اروپا هم جاي مناسب براي نابودي زباله هاي هسته اي ندارد.
اين چيزي است که مي خواهند کشورمان را از داشتن آن محدود کنند: «توان غني سازي اورانيوم.» البته تعدادي از کشورهاي اروپايي به ايران پيشنهاد دادند که غني سازي در چين يا روسيه انجام شود. اما در حالي که اين مراحل در داخل کشور و با هزينه اي کمتر قابل انجام است، نيازي به اين کار (از لحاظ اقتصادي) ديده نمي شود.
منبع: همشهري جوان شماره 59