انرژی هسته ای چیست؟ – تولید انرژی در نیروگاه های هسته ای

با استفاده از فرآیندهای هسته ای گرمازا، انرژی گرمایی و الکتریکی تولید می شود، به انرژی تولید شده به این روش انرژی هسته ای می گویند. این انرژی حاصل فرآیندهایی چون واپاشی هسته ای، شکافت هسته ای و یا گداخت هسته ای است. این مقاله نشریه جهان شیمی فیزیک به معرفی این انرژی و بررسی تاریخچه استفاده و کاربرد آن می پردازد.

فهرست مطالب :

۱- تاریخچه تولید انرژی هسته ای

۲- تعریف انرژی هسته ای

۳- نحوه آزاد شدن انرژی های گرمایی هسته ای

۴- چگونگی شکافت هسته ها به شکل زنجیره ای

۵- نیروگاه های هسته ای

۶- چرخه سوخت هسته ای

۷- سوخت رآکتورهای هسته ای

۸- مزیت های انرژی هسته ای

۹- همجوشی هسته ای

۱۰- کاربردها

۱۱- پسماند هسته ای نیروگاه ها و مسایل زیست محیطی آن

 

۱- تاریخچه تولید انرژی هسته ای :

آغاز تقلای بشر برای استفاده از این انرژی برای تولید انرژی الکتریکی و برق از قرن بیستم میلادی آغاز شد. در این زمان عناصر رادیواکتیوی مثل رادیوم کشف شدند که می توانستند بر اساس معادل بودن جرم و انرژی، مقدار زیادی انرژی تولید کنند. در سال ۱۹۳۲ با کشف نوترون توسط چادویک که خنثی و بدون بار الکتریکی بود گامی بزرگ در جهت آزمایش های هسته ای برداشته شد. فردریک ژولیو کوری و ایرن ژولیو-کوری در سال ۱۹۳۴ توانستند با بمباران مواد با نوترون مواد رادیواکتیو مصنوعی مثل رادیوم را بسازند که با هزینه پایین تر از رادیوم طبیعی قابل دسترس شد. با بمباران اورانیوم با نوترون پلوتونیوم تولید شد.

در ادامه :

در سال ۱۹۳۸ اتوهان و فریتس اشتراسمان نشان دادند با بمباران اورانیوم با نوترون، هسته های سنگین این عنصر به دو قسمت مساوی تقسیم می شود. در این فرآیند یک شکافتگی کامل اتفاق می افتاد. در سال ۱۹۴۲ اولین رآکتور هسته ای در آمریکا ساخته شد. در این پروژه غنی سازی اورانیوم و تولید پلوتونیوم انجام شد و در جنگ در شهرهای هیروشیما و ناگازاکی استفاده شد و فاجعه ای بزرگ به وجود آورد.

۲- تعریف انرژی هسته ای :

زندگی انسان به منابع مختلف انرژی چون نفت، زغال سنگ و… وابسته است اما این منابع تجدید ناپذیر در حال تمام شدن است. پس باید منابع جدید انرژ ی جایگزین شود که یکی از بهترین این منابع نو، انرژی هسته ای است. این صورت انرژی ذخیره شده در هسته اتم است که به صورت نیروهایی ذرات هسته را کنار هم قرار داده است و هسته اتم را به منبعی از انرژی تبدیل کرده است. پس این انرژی حاصل فرآیندهای هسته ای گرمازا است. فرمول معروف آلبرت انیشتین E = mc^۲ نشان می دهد با تبدیل ماده به انرژی، از مقدار کم ماده مقدار زیادی انرژی به دست می آید. در هسته اتم با فرآیند شکافت هسته ای، تقسیم یک اتم با انرژی زیاد حاصل می شود.

۳- نحوه آزاد شدن انرژی های گرمایی هسته ای :

وقتی هسته به دو جز تقسیم می شود، چون متشکل از دو ذره پروتون مثبت و نوترون خنثی بوده و دارای بارالکتریکی کلی مثبت است، بین جزهای تولید شده نیروی دافعه قوی برقرار شده و آن ها را از هم دور کرده و دو تکه دارای انرژی جنبشی قوی می شوند. همچنین از این واپاشی ذرات و پرتوهای دیگری مثل نوترون، آلفا، بتا و گاما تولید می شود. با واکنش و برخورد این ذرات واشعه ها و تکه های تقسیمی با مواد موجود در اطراف آن ها انرژی گرمایی بزرگی ایجاد می شود. مثلا در واپاشی اورانیوم ۲۳۵ در حدود MeV 200 انرژی آزاد می شود.

۴- چگونگی شکافت هسته ها به شکل زنجیره ای :

بعد از برخورد نوترون به هسته و جذب شدن آن توسط هسته اتم، آن را به دوقسمت تقسیم می کند. تکه های ایجاد شده انرژی گرمایی زیادی آزاد می کنند. با شکافت هر هسته سه ذره نوترون آزاد می شود که این نوترون ها نیز می توانند هسته های بیشتری را بشکافند و همین طور نوترون آزاد شده از هسته های جدید باز هم نوترون بیشتر آزاد شده و این زنجیره ادامه پیدا می کند. با ادامه این زنجیرها مقدار حرارت و انرژی بیشتری تولید می شود.

۵- نیروگاه های هسته ای :

در نیروگاه های حرارتی سوخت های فسلیلی مانند نفت و زغال سنگ سوزانده شده، گرما تولید می کند که این گرما در دیگ های بخار، آب را تبخیر می کند. بخار حاصل بعد از چرخش توربین سرد شده دوباره به دیگ بخار برگشت می خورد. محور تولید کننده برق حرکت کرده و برق تولید می شود. در نیروگاه های هسته ای بعد از این که شکافت هسته ای در هسته اتم ها در رآکتورهای هسته ای اتفاق می افتد، انرژی گرمایی آزاد می شود. گرمای تولید شده مانند نیروگاه های حرارتی با چرخش توربین بخار و به حرکت درآوردن محور مولد برق منجر به تولید الکتریسیته می شود. الکتریسیته تولید شده در ترانس های افزاینده ولتاژ آن ها زیاد شده و با خطوط فشار قوی انتقال می یابد.

نکته :

اگر در یک رآکتور هسته ای از یک سوخت به طور مداوم استفاده شود، تعداد شکافت های هسته ای زیاد شده و باعث انفجار هسته ای می شود. ولی در یک فرآیند زنجیره ای چون تعداد شکافت ها به دلیل درجه غنی سازی پایین سوخت مصرفی، غیر قابل کنترل نخواهد بود، انفجار هسته ای رخ نمی دهد.

۶- چرخه سوخت هسته ای :

قبل از شکافت هسته ای چرخه آماده سازی اورانیوم برای استفاده در رآکتورها به این ترتیب است که : ابتدا اورانیومی که از معادن استخراج می شود و به کیک زرد معروف است، به هگزافلوراید تبدیل می شود. سپس با توجه به نوع سوختی که در نیروگاه مورد استفاده است، اورانیوم فرآوری شده غنی سازی می شود. بعد از غنی سازی به شکل میل های مورد استفاده نیروگاه ها در می آید. بعد از گذشت عمر اورانیوم که سه سال است، در حوضچه سوخت مصرف شده، تا ۵ سال می ماند تا ایزوتوپ های آن بر اثر شکافت جدا شود.

۷- سوخت رآکتورهای هسته ای :

سوختی که در رآکتورهای هسته ای استفاده می شود باید خاصیت رادیواکتیوی داشته و قابل شکافت باشد (مانند اورانیوم). ایزوتوپ اورانیومی که به عنوان سوخت در این رآکتورها استفاده می شود U_۲۳۸ است که با تابش پرتوهای گاما و بتا به Pu_۲۳۹ تبدیل می شود. اکثر نیروگاه ها با اورانیوم غنی شده با درصد ۳ تا ۴ استفاده می شود اما برخی دیگر به اورانیوم با درصد بالایی از غنی سازی احتیاج دارند و برخی دیگر حتی با اورانیوم طبیعی نیز کار می کنند. با استخراج اورانیومی که از صخره ها به داخل آب دریاها ریخته شده، توسط رآکتورهای زاینده ای، می توان برق مصرفی کل جهان را برای همیشه و بدون افزایش قیمت آن تامین می شود.

۸- مزیت های انرژی هسته ای :

با این که حوادث هسته ای زیادی تاکنون همچون حادثه چرنوبیل و حادثه اتمی فوکوشیما اتفاق افتاده، ولی میزان مرگ و میر ناشی از انرژی هسته ای برای تولید برق به اندازه کمتر از حتی یک درصد مرگ های ناشی از استفاده از سوخت های فسیلی است. به ازای هر واحد انرژی که از سوخت های فسیلی تولید می شود، به جهت حوادث در این روش و تولید آلودگی های زیاد میزان مرگ و میر بیشتر از نیروگاه های هسته ای خواهد بود.

۹- همجوشی هسته ای :

همجوشی هسته ای شکل دیگری از این انرژی است که از ادغام دو یا چند اتم، اتم های بزرگتر به وجود می آیند. در وجود ستاره ها اتم های هیدروژن با اتصال و هم جوشی به هم به اتم های هلیم تبدیل شده و انرژی خود را به دست می آورند. در این فرآیند انرژی گرمایی و نورانی تولید می شود ولی هنوز این انرژی قابل کنترل و استفاده نیست. همجوشی هسته ای منبع نامحدودی برای تولید انرژی است که مواد رادیواکتیو کمی تولید می کند. پس اگر انرژی حاصل از همجوشی کنترل شود دستاوردی بسیار عظیم در زمینه تولید و مهار انرژی خواهد بود.

۱۰- کاربردها :

یکی از کاربرد های این انرژی به غیر از استفاده در نیروگاه ها این است که به عنوان نیروی حرکت دهنده در زیردریایی ها و کشتی هاست. کشتی ها و زیردریایی هایی که با سوخت هسته ای کار می کنند، مدت ها می توانند در آب بدون سوخت گیری باشند. کشتی های یخ شکن و کشتی های فضایی از این نوع سوخت ها استفاده می کنند. آمریکا ۲۰٪ از انرژی مورد نیاز خود را از نیروگاه های هسته ای تامین می کند. فرانسه ۸۰٪ از انرژی الکتریکی خود را از رآکتور هسته ای فراهم می کند و از این لحاظ در رتبه اول قرار دارد.

۱۱- پسماند هسته ای نیروگاه ها و مسایل زیست محیطی آن :

به ازای تولید هشت مگا بایت انرژی الکتریکی از طریق رآکتورهای هسته ای ۳۰ گرم پسماند هسته ای ایجاد می شود. ضایعات حاصل از نیروگاه ها حتی تا ۱۰۰۰۰سال بعد نیز اشعه های خطرناک از خود گسیل می کنند. به همین جهت دوستداران محیط زیست درباره دفن این زباله ها بسیار جدی و مخالف این انرژی هستند. چون اشتباهات در این زمینه می تواند حوادثی چون فاجعه چرنوبیل را تکرار کند.