سوخت هسته ای
انرژى هسته‌اى با توجه به ویژگىهاى حیرت انگیزش در آزاد سازى حجم بالایى از انرژى در قبال از میان رفتن مقادیر ناچیزى از جرم ، به عنوان جایگزین سوختهاى پیر فسیلى که ناجوانمردانه در حال بلعیده شدن هستند، مطرح شده است. ایران نیز با وجود منابع گسترده نفت و گاز به دلیل کاربردهاى بهترى که سوختهاى فسیلى نسبت به سوزانده شدن در کوره‌ها و براى تولید حرارت دارند، براى دستیابى به این نوع از انرژى تلاشهایى را از سالهاى دور داشته است و در سالهاى پس از انقلاب همواره مورد اتهام واقع شده که هدف اصلیش نه فناورى صلح آمیز که رسیدن به فناورى تسلیحات هسته‌اى است.
چرخه سوخت هسته‌اى شامل مراحل استخراج ، آسیاب ، تبدیل ، غنى سازى ، ساخت سوخت باز تولید و راکتور هسته‌اى است و به یک معنا کشورى که در چرخه بالا به حد کاملى از خودکفایى و توسعه رسیده باشد با فناورى تولید سلاحهاى هسته‌اى فاصله چندانى ندارد.
استخراج
در فناورى هسته‌اى ، خواه صلح آمیز باشد یا نظامى ، ماده بنیادى مورد نیاز، اورانیوم است. اورانیوم از معادن زیر زمینى و همچنین حفاریهاى روباز قابل استحصال است. این ماده به رغم آنکه در تمام جهان قابل دستیابى است، اما سنگ معدن تغلیظ شده آن به مقدار بسیار کمى قابل دستیابى است. زمانى که اتمهاى مشخصى از اورانیوم در یک واکنش زنجیره‌اى دنباله دار که به دفعات متعدد تکرار شده ، شکافته مى‌شود، مقادیر متنابهى انرژى آزاد مى‌شود، به این فرآیند شکافت هسته‌اى مى‌گویند.
فرآیند شکاف در یک نیروگاه هسته‌اى به آهستگى و در یک سلاح هسته‌اى با سرعت بسیار روى مى‌دهد، اما در هر دو حالت باید به دقت کنترل شوند. مناسبترین حالت اورانیوم براى شکافت هسته‌اى ایزوتوپهاى خاصى از 235U (یا 239Pu) است. ایزوتوپ ها ، اتمهاى یکسان با تعداد نوترونهاى متفاوت هستند. به هرحال 235U به دلیل تمایل باطنى به شکافت در واکنشهاى زنجیرى و تولید انرژى حرارتى به عنوان «ایزوتوپ شکافت» شناخته شده است.
هنگامى که اتم 235U شکافته مى‌شود دو یا سه نوترون آزاد مى‌کند. این نوترونها با سایر اتمهاى 235U برخورد کرده و باعث شکاف آنها و تولید نوترونهاى جدید مى‌شود. براى روى دادن یک واکنش هسته‌اى به تعداد کافى از اتمهاى 235U براى امکان ادامه یافتن این واکنشها بصورت زنجیرى و البته خودکار نیاز است. این جرم مورد نیاز به عنوان «جرم بحرانى» شناخته مى‌شود. باید توجه داشت که هر 1000 اتم طبیعى اورانیوم شامل تنها حدود هفت اتم 235U ، یعنی (0.7 درصد) بوده و 993 اتم دیگر از نوع 238U هستند که اصولا کاربردى در فرآیندهاى هسته‌اى ندارند.
تبدیل اورانیوم
سنگ معدن اورانیوم استخراج شده در آسیاب خرد و ریز شده و به پودر بسیار ریزى تبدیل مى‌شود. پس از آن طى فرآیند شیمیایى خاصى خالص سازى شده و بصورت یک حالت جامد به هم پیوسته که از آن به عنوان «کیک زرد» (yellow cake) یاد مى‌شود، درمى‌آید. کیک زرد شامل 70 درصد اورانیوم بوده و داراى خواص پرتوزایى (radioactive) است. هدف پایه‌اى دانشمندان هسته‌اى از فرآیند غنى سازى افزایش میزان اتمهاى 235U است که براى این هدف اورانیوم باید اول به گاز تبدیل شود.
با گرم کردن اورانیوم تا دماى 64 درجه سانتیگراد حالت جامد به گاز هگزا فلوئورید اورانیوم (UFG) تبدیل مى‌شود. هگزافلوئورید اورانیوم خورنده و پرتوزا است و باید با دقت جابجا شود، لوله‌ها و پمپها در کارخانه‌هاى تبدیل کننده بصورت ویژه‌اى از آلیاژ آلومینیوم و نیکل ساخته مى‌شوند. گاز تولیدى همچنین باید از نفت و روغنهاى گریس به جهت جلوگیرى از واکنشهاى ناخواسته شیمیایى دور نگه داشته شود.
غنى سازى اورانیوم
هدف غنى سازى مشخصا افزایش میزان 235U _ ایزوتوپ شکافت _ است. اورانیوم مورد نیاز در مصارف صلح آمیز نظیر راکتورهاى هسته‌اى نیروگاهها باید شامل دو تا سه درصد 235U باشد، اما اورانیوم مورد نیاز در تسلیحات اتمى باید شامل بیش از نود درصد 235U باشد. شیوه متداول غنى سازى اورانیوم سانتریفوژ کردن گاز است. در این روش هگزافلوئورید اورانیوم در یک محفظه استوانه‌اى با سرعت بالا در شرایط گریز از مرکز قرار مى‌گیرد. این کار باعث جدا شدن ایزوتوپهاى با جرم حجمى بالاتر از 235U مى‌شود (238U). 238U در طى فرآیند گریز از مرکز به سمت پائین محفظه کشیده شده و خارج مى‌شود، اتمهاى سبکتر 235U از بخش میانى محفظه جمع آورى و جدا مى شود.
235U تجمع یافته پس از آن به محفظه‌هاى گریز از مرکز بعدى هدایت مى‌شود. این فرآیند بارها در میان زنجیرى از دستگاههاى گریز از مرکز در کنار هم چیده شده تکرار مى‌شود تا خالصترین میزان اورانیوم بسته به کاربرد آن به دست آید. از اورانیوم غنى شده در دو نوع سلاح هسته‌اى استفاده مى‌شود، یا بصورت مستقیم در بمبهاى اورانیومى و یا طى چند مرحله در بمبهاى پلوتونیومى مورد استفاده قرار مى گیرد.
بمب اورانیومى
هدف نهایى طراحان بمبهاى هسته‌اى رسیدن به یک جرم «فوق بحرانى» است که باعث ایجاد یک سرى واکنشهاى زنجیره‌اى به همراه تولید حجم بالایى از حرارت مى‌شود. در یکى از ساده‌ترین نوع طراحى این بمبها یک جرم زیر بحرانى کوچکتر به جرم بزرگترى شلیک مى‌شود و جرم ایجاد شده باعث ایجاد یک جرم فوق بحرانى و به تبع آن یک سرى واکنشهاى زنجیره‌اى و یک انفجار هسته‌اى مى‌شود. کل این فرآیند در کمتر از یک دقیقه رخ مى‌دهد. براى ساخت سوخت براى یک بمب اورانیومى هگزافلوئورید اورانیوم فوق غنى شده در ابتدا به اکسید اورانیوم و سپس به شمش فلزى اورانیوم تبدیل مى‌شود.
میزان انرژى آزاد شده ناشى از شکافت هسته‌اى را به کمک یک فناورى تقویتى افزایش مى‌دهند. این فناورى شامل کنترل و بکار گیرى خواص همجوشى یا گداخت هسته‌اى است. در همجوشى هسته‌اى شاهد بهم پیوستن ایزوتوپهایى از هیدروژن و پس از آن تشکیل یک اتم هلیوم هستیم. به دنبال این واکنش مقادیر قابل توجهى گرما و فشار آزاد مى شود. از سوى دیگر همجوشى هسته اى سبب تولید نوترونهاى بیشتر و تغذیه واکنش شکافت شده و انفجار بزرگترى را ترتیب مى‌دهد. برخى تجهیزات این فناورى تقویتى به عنوان بمب هیدروژنى و سلاحهاى هسته‌اى _ حرارتى (Thermonuclear) شناخته مى‌شوند.
راکتورهاى هسته‌اى
راکتورها داراى کاربردهاى کاملا دوگانه هستند. در مصارف صلح آمیز با بهره گیرى از حرارت تولیدى در شکافت هسته‌اى کار مى‌کنند. این حرارت جهت گرم کردن آب ، تبدیل آن به بخار و استفاده از بخار براى حرکت توربینها بهره گرفته مى‌شود. همچنین اگر قصد ساخت بمبهاى پلوتونیومى در کار باشد نیز اورانیوم غنى شده را به راکتورهاى هسته‌اى منتقل مى‌کنند. در نوع خاصى از راکتورهاى هسته‌اى از اورانیوم غنى شده به شکل قرصهایى به اندازه یک سکه و ارتفاع یک اینچ بهره مى‌گیرند. این قرصها بصورت کپسولهاى میله‌اى شکل صورت بندى شده و درون یک محفظه عایق ، تحت فشار قرار داده مى‌شوند.
در بسیارى از نیروگاههاى هسته‌اى این میله‌ها جهت خنک شدن درون آب غوطه‌ور هستند. روشهاى دیگر خنک کننده نیز نظیر استفاده از دى اکسیدکربن یا فلز مایع هستند. براى کارکرد مناسب یک راکتور (مثلا تولید حرارت با کمک واکنش شکافت) هسته اورانیومى باید داراى جرم فوق بحرانى باشد، این بدین معناست که مقدار کافى و مناسبى از اورانیوم غنى شده جهت شکل گیرى یک واکنش زنجیرى خود به خود پیش رونده موردنیاز است.
براى تنظیم و کنترل فرآیند شکافت میله‌هاى کنترل کننده از جنس موادى نظیر گرافیت با قابلیت جذب نوترونهاى درون راکتور وارد محفظه مى شوند. این میله‌ها با جذب نوترونها باعث کاهش شدت فرآیند شکافت مى‌شوند. در حال حاضر بیش از چهارصد نیروگاه هسته‌اى در جهان وجود دارند و 17 درصد الکتریسیته جهان را تولید مى کنند. راکتورها همچنین در کشتیها و زیردریاییها کاربرد دارند.
باز پردازش
باز پردازش یک عملیات شیمیایى است که سوخت کارکردى را از زباله‌هاى اتمى جدا مى‌کند. در این عملیات میله سوخت مصرف شده ، غلاف بیرونى فلزى خود را در قبال حل شدن در اسید نیتریک داغ از دست مى‌دهد. محصولات این عملیات که در راکتور مورد استفاده دوباره قرار مى‌گیرد، شامل 96 درصد اورانیوم ، سه درصد زباله اتمى به شدت پرتوزا و یک درصد پلوتونیوم است.
همه راکتورهاى هسته‌اى پلوتونیوم تولید مى‌کنند، اما انواع نظامى آنها بصورت کاملا بهینه‌ترى نسبت به سایر انواع راکتور این کار را انجام مى‌دهند. یک واحد باز پردازش و یک راکتور جهت تولید مقدار کافى پلوتونیوم مى‌توانند به صورت نامحسوسى در یک ساختمان عادى جاسازى شوند.این مسئله باعث مى شود استخراج پلوتونیوم با کمک باز پردازش به گزینه‌اى جذاب براى هر کشورى که به دنبال برنامه‌هاى غیرقانونى سلاحهاى اتمى است، تبدیل شود.
بمب پلوتونیومی
پلوتونیوم مزیتهاى متعددى نسبت به اورانیوم به عنوان جزیى از سلاحهاى اتمى دارد. تنها حدود چهار کیلوگرم پلوتونیوم براى ساخت یک بمب موردنیاز است، همچنین براى تولید 12 کیلوگرم پلوتونیوم در هر سال تنها به یک واحد کوچک باز پردازش نیاز است. یک کلاهک هسته‌اى شامل یک کره پلوتونیوم ، احاطه شده توسط پوسته‌اى از فلز، مثلا بریلیوم ، است که نوترونها را به فرآیند شکاف باز مى‌گرداند. این مسئله باعث مى‌شود مقدار کمترى پلوتونیوم براى رسیدن به جرم بحرانى و ایجاد یک واکنش شکافت زنجیره‌اى مورد نیاز باشد.
به هرحال یک گروه تروریستى براى دسترسى به پلوتونیوم از راکتورهاى هسته‌اى غیرنظامى داراى مشکلات کمترى نسبت به دسترسى به اورانیوم غنى شده جهت ایجاد یک انفجار هسته‌اى هستند. کارشناسان معتقدند که بمبهاى عمل آورى شده پلوتونیوم مى‌تواند با تخصصى کمتر از آنچه که توسط فرقه «آئوم» در حمله با گاز اعصاب به مترو توکیو (1995) بکار گرفته شد، طراحى و جمع آورى شود. یک انفجار هسته‌اى از این نوع مى‌تواند با نیروى معادل یکصد تنی TNT منفجر شود؛ بیست بار قویتر از بزرگترین حمله تروریستى تاریخ میباشد.
مممممممممممممممممممممم
سوخت هسته ای
نحوه آزاد شدن انرژی هسته‌ای
می‌دانیم که هسته از پروتون (با بار مثبت) و نوترون (بدون بار الکتریکی) تشکیل شده است. بنابراین بار الکتریکی آن مثبت است. اگر بتوانیم هسته را به طریقی به دو تکه تقسیم کنیم، تکه‌ها در اثر نیروی دافعه الکتریکی خیلی سریع از هم فاصله گرفته و انرژی جنبشی فوق العاده‌ای پیدا میکنند. در کنار این تکه‌ها ذرات دیگری مثل نوترون و اشعه‌های گاما و بتا نیز تولید میشود. انرژی جنبشی تکه‌ها و انرژی ذرات و پرتوهای بوجود آمده ، در اثر برهمکنش ذرات با مواد اطراف ، سرانجام به انرژی گرمایی تبدیل میشود. مثلا در واکنش هسته‌ای که در طی آن 235U به دو تکه تبدیل میشود، انرژی کلی معادل با 200MeV را آزاد میکند. این مقدار انرژی می‌تواند حدود 20 میلیارد کیلوگالری گرما را در ازای هر کیلوگرم سوخت تولید کند. این مقدار گرما 2800000 بار برگتر از حدود 7000 کیلوگالری گرمایی است که از سوختن هر کیلوگرم زغال سنگ حاصل میشود.
کاربرد حرارتی انرژی هسته‌ای
گرمای حاصل از واکنش هسته‌ای در محیط راکتور هسته‌ای تولید و پرداخته میشود. بعبارتی در طی مراحلی در راکتور این گرما پس از مهارشدن انرژی آزاد شده واکنش هسته‌ای تولید و پس از خنک سازی کافی با آهنگ مناسبی به خارج منتقل میشود. گرمای حاصله آبی را که در مرحله خنک سازی بعنوان خنک کننده بکار میرود را به بخار آب تبدیل میکند. بخار آب تولید شده ، همانند آنچه در تولید برق از زعال سنگ ، نفت یا گاز متداول است، بسوی توربین فرستاده میشود تا با راه اندازی مولد ، توان الکتریکی مورد نیاز را تولید کند. در واقع ، راکتور همراه با مولد بخار ، جانشین دیگ بخار در نیروگاههای معمولی شده است.
سوخت راکتورهای هسته‌ای
ماده‌ای که به عنوان سوخت در راکتورهای هسته‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد باید شکاف پذیر باشد یا به طریقی شکاف پذیر شود.235U شکاف پذیر است ولی اکثر هسته‌های اورانیوم در سوخت از انواع 238U است. این اورانیوم بر اثر واکنشهایی که به ترتیب با تولید پرتوهای گاما و بتا به 239Pu تبدیل میشود. پلوتونیوم هم مثل 235U شکافت پذیر است. به علت پلوتونیوم اضافی که در سطح جهان وجود دارد نخستین مخلوطهای مورد استفاده آنهایی هستند که مصرف در آنها منحصر به پلوتونیوم است.
میزان اورانیومی که از صخره‌ها شسته میشود و از طریق رودخانه‌ها به دریا حمل میشود، به اندازه‌ای است که می‌تواند 25 برابر کل مصرف برق کنونی جهان را تأمین کند. با استفاده از این نوع موضوع ، راکتورهای زاینده‌ای که بر اساس استخراج اورانیوم از آب دریاها راه اندازی شوند قادر خواهند بود تمام انرژی مورد نیاز بشر را برای همیشه تأمین کنند، بی آنکه قیمت برق به علت هزینه سوخت خام آن حتی به اندازه یک درصد هم افزایش یابد.
مزیتهای انرژی هسته‌ای بر سایر انرژیها
بر خلاف آنچه که رسانه‌های گروهی در مورد خطرات مربوط به حوادث راکتورها و دفن پسماندهای پرتوزا مطرح میکند از نظر آماری مرگ ناشی ازخطرات تکنولوژی هسته‌ای از 1 درصد مرگهای ناشی از سوختن زغال سنگ جهت تولید برق کمتر است. در سرتاسر جهان تعداد نیروگاههای هسته‌ای فعال بیش از 419 میباشد که قادر به تولید بیش از 322 هزار مگاوات توان الکتریکی هستند. بالای 70 درصد این نیروگاهها در کشور فرانسه و بالای 20 درصد آنها در کشور آمریکا قرار دارد.
همجوشی خورشید و ستارگان
سالهاست که دانشمندان واکنشی را که در خورشید و ستارگان رخ داده و در آن انرژی تولید می کند کشف کرده اند. این واکنش عبارت است از ترکیب (برخورد) هسته های چهار اتم هیدروژن معمولی و تولید یک هسته اتم هلیوم.اما مشکلی سر راه این نظریه است.
بالا ترین دمایی که در خورشید وجود دارد مربوط به مرکز آن است که برابر 15ضرب در 10 به توان 6 می باشد.در حالی که در ستارگان بزرگتر این دما به 20 ضرب در ده به توان 6 می رسد. به همین خاطر تصور بر این است که آن واکنش معروف ترکیب چهار اتم هیدروژن معمولی و تولید یک اتم هلیم در سایر ستارگان بزرگ نیست که باعث تولید انرژی می شود. بلکه احتمالا چرخه کربن در آنها به کمک آمده و کوره آنها را روشن نگه می دارد.منظور از چرخه کربن آن چرخه ای نیست که روی زمین اتفاق می افتد. بلکه به این صورت است که ابتدا یک اتم هیدروژن معمولی با یک اتم کربن C12 ترکیب می شود (همجوشی) و یک اتم N13 به علاوه یک واحد گاما را آزاد می کند. بعد این اتم با یک واپاشی به یک اتمC13به علاوه یک پوزیترون و یک نوترینو تبدیل می شود.بعد اینC13دوباره با یک اتم هیدروژن ترکیب می شود وN14و یک واحد گاما حاصل می شود.دوباره در اثر ترکیب این نیتروژن با یک هیدروژن معمولی اتمO15و یک واحد گاما تولید می شود.O15واپاشی کرده و N15به علاوه یک پوزیترون ویک نوترینو را بوجود میاورد.و دست آخر با ترکیب N15با یک هیدروژن معمولیC12به علاوه یک اتم هلیوم بدست می آید.
محصور سازی
مشکلی اساسی سر راه همجوشی هسته‌ای است ; می دانیدهسته ازذرات ریزی تشکیل شده است که پروتون ونوترون جزءلاینفک آن هستند.نوترون بدون بار وپروتون با بار مثبت که سایربارهای مثبت رابه شدت از خود میراند.مشکل مشخص شد؟ بله…اگرپروتونها (هسته های هیدروژن) یکدیگررادفع میکنند چگونه میتوان آنهارا در همجوشی شرکت داد؟
همانطورکه حدس زدید راه حل اساسی آن است که به این پروتونها آنقدر انرژی بدهیم که انرژی جنبشی آنها بیشتر از نیروی رانش کولنی آنها شود و پروتونها بتوانند به اندازه کافی به هم نزدیک شوند. حال چگونه این انرژی جنبشی را تولید کنیم؟ گرما راه حل خوبیست. در اثر افزایش دما جنب و جوش وبه عبارت دیگرانرژی جنبشی ذرات بیشتر و بیشتر میشود به طوری که تعداد برخوردها و شدت آنها بیشتر و بیشتر میشود.به نظر شما آیا دیگر مشکلی وجود ندارد؟ خیر,مسئله اساسیتری سر راه است.
یک سماور پر از آب را تصور کنید.وقتی سماور را روشن می کنید با این کار به آب درون سماور گرما میدهید(انرژی منتقل می کنید).در اثر این انتقال انرژی دمای آب رفته رفته بالاتر می رود و به عبارتی جنب و جوش مولکولهای آب زیاد می شود.در این حالت بین مولکولهای آب برخوردهایی پدید می آید.هر مولکول که از شعله(یا المنت یا هر چیز دیگری)مقداری انرژی دریافت کرده است آنقدر جنب و جوش می کند تا بالاخره (به علت محدود بودن محیط سماور و آب)انرژی خود رابه دیگری بدهد.مولکول بعدی نیز به نوبه خود همین عمل را انجام میدهد.بدین ترتیب رفته رفته انرژی منبع گرما در تمام آب پخش می شود و دمای آب بالا میرود.خوب یک سوال:آیا وقتی بدنه سماور را لمس می کنیم هیچ گرمایی حس نمی کنیم؟…بله حس میکنیم.دلیلش هم که روشن است.برخورد مولکولهای پر انرژی آب با بدنه سماور و انتقال انرژی خود به آن.هدف ما از روشن کردن سماور گرم کردن آب بود نه سماور.امیدوارم تا اینجا پاسخ اولین مشکل اساسی بر سر راه همجوشی را دریافت کرده باشید.بله اگر اگر با صرف هزینه و زحمت بالا سوخت را به دمایی معادل میلیونها درجه کلوین برسانیم آیا این اتمها آنقدر صبر خواهند کرد تا با دیگر اتمها وارد واکنش شوند یا در اولین فرصت انرژی بالای خود را به دیواره داده وآن را نا بود میکند؟(...شما بودید چه می کردید؟؟؟...).بنابر این نیاز به ((محصور سازی)) داریم; یعنی باید به طریقی اجازه ندهیم که این گرما به دیواره منتقل شود.
رسیدن به دمای بالا
شروع واکنش همجوشی به دمای بسیار بالایی نیازمند است.درست است که دمای پانزده میلیون درجه دمای بسیار بالایست و تصور بوجود آوردنش روی زمین مشکل و کمی هم وحشتناک می باشد ولی معمولا در زندگی روزمره دور و برمان دماهای خیلی بالایی وجود دارند و ما از آنها غافلیم.مثلا وقتی در اثر اتصالی سیمهای برق داخل جعبه تقسیم میسوزد وشما صدای جرقه آنرا میشنوید و پس از بررسی متوجه می شوید که کاملا ذوب شده فقط به خاطر دمای وحشتناکی بوده که آن تو به وجود آمده.شاید باور نکنید ولی این دما به حدود سی-چهل هزار درجه کلوین میرسد.البته این دما برای همجوشی حکم طفل نی سواری را دارد.یا اینکه می توانیم با استفاده از ولتاژهای بسیار بالا قوسهای الکتریکی را از درون لوله های مویین عبور بدهیم.به این ترتیب دمای هوای داخل لوله که اکنون به پلاسما تبدیل شده به نزدیک چند میلیون درجه می رسد.(که باز هم برای همجوشی کم است).یکی از بهترین راهها استفاده از لیزر است.می دانید که لیزرهایی با توانهای بسیار بالا ساخته شده اند.مثلا نوعی از لیزر به نام لیزر نوا(NOVA)می تواند در مدت کوتاهی انرژی ای معادل ده به توان پنج ژول تولید کند.اما بازهم در کنار هر مزیت معایبی هست.مثلا این لیزر تبعا انرژی زیادی مصرف میکند که حتی با صرف نظر از آن مشکل دیگری هست که میگوید اگر انرژی تولیدی لیزر در آن مدت کوتاه باید تحویل داده بشود پس برای برقرار ماندن معیار لاوسن (حالا که مدت زمان محصور سازی پایین آمده)باید چگالی بالا تر برود.که در این مورد از تراکم و چگالی جامد هم بالا تر میرود.
انواع واکنشها
برای بهینه سازی کار رآکتورهای همجوشی و افزایش توان خروجی آنها راههای متعددی وجود دارد.یکی از این راهها انتخاب نوع واکنشیست که قرار است در رآکتور انجام بشود.
ظبق تصویر زیر نوعی از واکنش همجوشی بصورتیست که در آن دو هسته سبک با یکدیگر واکنش داده و یک هسته سنگین تر را بوجود میاورند.یعنی حاصل ترکیب دو هسته دوتریم و تولید یک هسته ترتیم به علاوه یک هسته هیدروژن معمولیست. این واکنش انرژی ده می باشد.چون تفاوت انرژی بستگی هسته سنگین تر وهسته های سبکتر مقداری منفیست.
در این واکنش مقدار انرژی ای تولیدی برابر4MeVمی باشد.
قبلا گفته شد که باید برای انجام همجوشی هسته ها به اندازه کافی به هم نزدیک بشوند.این مقدار کافی حدودا معادل3fmمی باشد.چون در این فاصله ها انرژی پتانسیل الکترواسناتیکی دو دوترون در حدود 0.5MeVهست پس می توانیم با این مقدار انرژی دادن به یکی از دوترونها دافعه کولنی بین دوترونها ر شکسته و واکنش را شروع کنیم که بعد از انجام مقدار4.5MeVتولید می شود.(0.5MeVانرژی جنبشی به علاوه 4MeVانرژی آزاد شده)
می توانیم رآکتور خود را طوری طراحی کنیم که دور دیواره بیرونی آن لیتیم مایع تحت فشار جریان داشته باشد.این لیتیم مایع گرمای تولیدی اضافی را از واکنش گرفته و به آب منتقل می کند و با تبدیل آن به بخار باعث می شود که توربین و ژنراتور به حرکت درآیند و برق تولید بشود.
اما چرا لیتیم؟
قبلا دیدید که مقرون به صرفه ترین واکنش در رآکتور همجوشی واکنش دوتریم . ترتیم است.در این واکنش دیدید که یک نوترون پر انرژی تولید می شد.این مساله یعنی نوترون زایی می تواند سبب تضعیف بخشهایی از رآکتور شود.از طرفی برای محیط زیست و مخصوصا سلامتی کسانی که در اطراف رآکتور فعالیت می کنند بسیار مضر است.اما اگر لیتیم را به عنوان خنک کننده داشته باشیم این جریان لیتیم همچنین نقش مهم کند کنندگی را بازی خواهد کرد.به این صورت که با نوترون اضافی تولید شده در واکنش ترکیب شده و سوخت گران قیمت و بسیار کمیاب رآکتور رو که همان ترتیم است تولید می کند.واکنش دقیق آن به شکل زیر است.البته در این مورد باید ضخامت لیتیم مایع در جریان حداقل یک متر باشد.
انواع رآکتور
توکامک یکی از انواع رآکتورهای همجوشی هسته ایست که عمل محصورسازی را به خوبی انجام میدهد.طرح توکامک در دهه پنجاه میلادی توسط روسها پیشنهاد شد. واژه توکامک از واژه های "toroidalnaya", "kamera", and "magnitnaya" به معنی " اتاقک مغناطیسی چنبره ای" گرفته شده است.
یکی از دلایل و توجیحاتی که برای چنبره ای بودن محفظه های محصور سازی می شود بیان کرد این است که : توپ پر مویی را تصور کنید که شما قصد دارید موهای این توپ را شانه بزنید. شما هر طور و از هر طرف که بخواهید این کار بکنید همیشه دو طرف از موهای توپ شانه نشده و نامنظم باقی می ماند.حال به جای توپ فرض کنید که یک کره مغناطیسی داریم .میخواهیم که بردارهای میدان در سراسر اطراف این کره یکنواخت و منظم باشند(در واقع همه در یک جهت باشند).بنا به مثال این کار غیر ممکن بوده ونا منظمی در دو طرف کره باعث عدم پایداری محصور ساز می شود.ولی در یک محصور ساز چنبره ای چنین مشکلی وجود ندارد و یکنواختی میدان سراسر محصور ساز(توکامک)باعث پایداری آن می شود.مهم ترین و حیاتی ترین وظیفه یک ابزار همجوشی پایدار نگه داشتن پلاسما است.
اسفرومک
اسفرومک نوع دیگری از رآکتورهای همجوشیست که بر خلاف توکامک که چنبره ایست شکلی کروی دارد.البته تفاوت اسفرومک با توکامک در این است که در مرکز اسفرومک هیچ جسم مادی ای وجود ندارد.
اسفرومک متاسفانه با بی مهری مواجه شد و به اندازه توکامک مورد توجه واقع نشد.در حالی که اسفرومک مدت زیادی بعد از توکامک اختراع شد.
در دهه گذشته اغلب تحقیقات در بخش انرژی همجوشی مغناطیسی روی توکامک چنبره ای شکل برای رسیدن به واکنشهای همجوشی در سطح بالا متمرکز شده است.
کار توکامک در ایالات متحده وخارج آن ادامه دارد ولی سازمان دانشمندان انرژی همجوشی در حال بازدید از اسفرومک هستند.
قسمت زیادی از علاقه تجدید شده به پروژه اسفرومک روی تحقیقات فعالی در لاورنس لیورمور در گروهی به نام SSPX (Sustained Spheromak Physics Experiment) متمرکز شده است.SSPX در 14ژوئن 1999 در مراسمی با حضور نماینده ای از DOE و با همکاری دانشمندانی از Sandia و آزمایشگاه ملی لس آلاموس آغاز به کار کرد.SSPX یک سری از از آزمایشات است که برای این طراحی شده که توانایی اسفرومک را در این مورد که اسفرومک چقدر این کیفیت را داراست که پلاسما های داغ سوخت همجوشی را درون خود داشته باشد مشخص کند .
به عقیده رهبر پروژه SSPX آقای David Hill توکامک با دمای بالایی که در آن قابل دسترسیست (بیشتر از 100میلیون درجه سلسیوس که بارها بیشتر از دمای مرکز خورشید است)فعلا برنده جریان رهبری پروژه های همجوشی به حساب می آید.با این حال میدانهای مغناطیسی توکامک بوسیله کویل (سیم پیچ) های بیرونی بسیار بزرگ که چنبره رآکتور را کاملا احاطه می کنند تولید می شوند.این کویل های بسیار بزرگ هزینه بسیار زیاد و بی نظمی و اختلالاتی در کار رآکتور خواهند داشت.
در حالی که اسفرومک ها پلاسمای بسیار داغ را در یک سیستم میدان مغناطیسی ساده و فشرده که فقط از یک سری ساده از کویل های کوچک پایدار کننده استفاده میکند بوجود می آورد.میدانهای مغناطیسی قوی لازم درون پلاسما با چیزی که دینام مغناطیسی نامیده می شود تولید می شوند.
انرژی‌ده کردن
می دانید درنوعی از رآکتورهای شکافت هسته ای بوجود آوردن زنجیره واکنشها بوسیله برخورد دادن یک نوترون پر انرژی با هسته یک اتم اورانیم235 انجام می شود.به این صورت که وقتی که این نوترون وارد هسته اتم اورانیوم235 می شود آن را به یک هسته اورانیم236 تبدیل میکند.از آنجا که این هسته ناپایدار است به سرعت واپاشی می کرده و اتمهای سبکتری به همراه سه نوترون پر انرژی دیگر را تولید می کند.
توضیح کاملتر اینکه در هسته های سنگین پایدار مثل اورانیوم بین نیروهای الکترواستاتیکی که مایل هستند ذرات تشکیل دهنده اتم را از هم دور کنند و نیروی هسته ای که آنها را کنار هم نگه میدارد تعادل بسیار حساسی وجود دارد که این تعادل رو می توانیم براحتی و به روشی که گفته شد به هم زده و واکنش شکافت هسته ای را شروع کنیم.واکنش حاصل از یک اتم با تولید کردن سه نوترون پر انرژی دیگر باعث میشود سه اتم اورانیم دیگر وارد واپاشی بشوند.به همین ترتیب واکنش اصطلاحا زنجیره ای میشود.
قدر مسلم یک رآکتور همجوشی ایده آل رآکتوریست که در آن واکنشهای زنجیره ای داریم. در واقع هدف اساسی در راه ساخت رآکتور همجوشی هسته ای زنجیره ای کردن آن است.اگر قرار باشد که ما در این راه انرژی صرف کنیم تا یک مقدار کمتر از آن را بدست بیاوریم مطمئنا این واکنش نه زنجیره ایست نه مفید.دانشمندان این رشته مفهومی به نام گیرانش را تعریف کرده اند که به معنی این است که مقداری انرژی صرف شروع واکنش کنیم و انرژی بیشتر از سلسله واکنشها بگیریم.در واقع در شرایط گیرانش واکنش زنجیره ای میشود.یعنی نه تنها انرژی تولیدی یک واکنش برای انجام واکنش بعد کافیست بلکه مقدار زیادی از آن هم اضافه است ومیتواند در اختیار ما برای تولید برق قرار بگیرد.
اگر بخواهیم توکامک یا هر وسیله دیگر که همجوشی در آن انجام می شود توان مفید داشته باشد یعنی به ما انرژی بدهد باید شرایط خاصی داشته باشد. برای آنکه احتمال برخورد ذرات(یونهای) نامزد همجوشی بالا برود اولا باید دمای خیلی بالایی درون آن تولید بشود و رآکتور هم بتواند بخوبی دمای بالا را تحمل کند.(این دما در محدوده ده به توان هشت درجه کلوین می باشد!)دوما رآکتور باید این توانایی را داشته باشد که درونش چگالی زیاد از یونها را وارد کرد و سوم اینکه زمان محصور سازی در آن طولانی باشد.
دمای بالا برای آن است که بتوانیم تقریبا مطمئن باشیم که می توانیم از سد محکم پتانسیل کولنی هسته ها بگذریم.چگالی زیاد هم برای این است که هر چه بیشتر احتمال برخورد های کارا بالا برود.
در این مسیر قانونی وجود دارد که نام آن معیار لاوسون است.به کمک این معیار می شود محاسبه کرد که آیا شرایط طوری هست که واکنش به گیرانش برسد یا نه.
معیار لاوسن = باید: مقدار چگالی*مدت زمان محصور سازی > ده به توان20ذره در متر مکعب باشد تا این واکنش به گیرانش برسد(البته بستگی مستقیم با دمای پلاسما دارد)
اما به طور دقیق تر:
برای رسیدن به شرایط مطلوب درواکنشهای گرما هسته ای که در آنها از سوخت دوتریم - ترتیم استفاده می شود دمای پلاسما (T) باید در محدوده یک الی سه ضرب در ده به توان هشت درجه کلوین و زمان محصورسازی(تی ای)(تی اندیس E) باید در حدود یک الی سه ثانیه و چگالی (n) باید حوالی یک الی سه ضرب در ده به توان بیست ذره بر متر مکعب باشد.برای آغاز به کار رآکتور یعنی برای رسیدن به کمینه دمای حدود ده به توان هشت کلوین باید از وسیله گرما ساز کمکی استفاده کرد. بعد از محترق شدن سوخت مخلوط پلاسما با ذرات آلفایی که در اثر احتراق اولیه بوجود اومده اند گرم شده و می توانیم دستگاه کمکی را از مدار خارج کنیم.از آن به بعد سرعت فعالیتهای همجوشی با افزایش دادن چگالی پلاسما افزایش پیدا می کند.با این وجود افزایش چگالی به بالای مرزهای تعیین شده و مطمئن به معنی به هم خوردن پایداری پلاسما و یا اینکه خاموش شدن رآکتور را در پی خواهد داشت یا فاجعه.به عبارت دیگه (در صورت افزایش چگالی پلاسما) برای پایدار کردن پلاسما زمان محصور سازی و دمای احتراق و صد البته حجم پلاسما و نقطه پایداری پلاسما با افزایش چگالی بالا تر رفته و شرایط را برای کار سخت تر می کند. به حالت تعادل در آوردن این ملزمات با شکل بندی رآکتور در کوچکترین اسپکت ریتو که به شکل بندی مغناطیسی آن بستگی دارد مقدور میشود.
نسبت R به a را اسپکت ریتو می گویند.
خروج پسماندها
طبق شکل زیر که تصویری از سطح مقطع رآکتور می باشد نحوه کنترل و خارج کردن پسماندهای واکنش که همان هلیوم باشند را مشاهده می کنید.
واقعیت
ITER نام مجموعه ایست که اولین رآکتور همجوشی جهان را که از نوع توکامک خواهد بود در فرانسه خواهند ساخت.این مجموعه متشکل است از کشورهای: روسیه اروپا ژاپن کانادا چین ایالات متحده و جمهوری کره. آنها در این راه از ابررساناها برای قسمت های مغناطیسی رآکتور استفاده می کنند. توان خروجی این توکامک 410 مگاوات خواهد بود. یکی از کاربردهای مهم همجوشی هسته ای تبدیل ماده به ماده میباشد.
فرمول:2H+3H→1n+4He
نیروگاه اتمی
طی سال های گذشته اغلب کشورها به استفاده از این نوع انرژی هسته ای تمایل داشتند و حتی دولت ایران 15 نیروگاه اتمی به کشورهای آمریکا ، فرانسه و آلمان سفارش داده بود. ولی خوشبختانه بعد از وقوع دو حادثه مهم تری میل آیلند (Three Mile Island) در 28 مارس 1979 و فاجعه چرنوبیل (Tchernobyl) در روسیه در 26 آوریل 1986، نظر افکار عمومی نسبت به کاربرد اتم برای تولید انرژی تغییر کرد و ترس و وحشت از جنگ اتمی و به خصوص امکان تهیه بمب اتمی در جهان سوم، کشورهای غربی را موقتا مجبور به تجدید نظر در برنامه های اتمی خود کرد.
نیروگاه اتمی چیست؟
نیروگاه اتمی در واقع یک بمب اتمی است که به کمک میله های مهارکننده و خروج دمای درونی به وسیله مواد خنک کننده مثل آب و گاز ، تحت کنترل درآمده است. اگر روزی این میله ها و یا پمپ های انتقال دهنده مواد خنک کننده وظیفه خود را درست انجام ندهند، سوانح متعددی به وجود می آید و حتی ممکن است نیروگاه نیز منفجر شود، مانند فاجعه نیروگاه چرنوبیل شوروی سابق.
ساختار نیروگاه اتمی:
نیروگاه اتمی از مواد مختلفی شکل گرفته است که همه آنها نقش اساسی و مهم در تعادل و ادامه حیات آن را دارند. این مواد عبارت اند از:
· ماده سوخت:
ماده سوخت متشکل از اورانیوم طبیعی ، اورانیوم غنی شده ، اورانیوم و پلوتونیم است. که سوختن اورانیوم بر اساس واکنش شکافت هسته‌ای صورت می گیرد.
· نرم کننده ها:
نرم کننده ها موادی هستند که برخورد نوترون های حاصل از شکست با آنها الزامی است و برای کم کردن انرژی این نوترون ها به کار می روند. زیرا احتمال واکنش شکست پی در پی به ازای نوترون های کم انرژی بیشتر می شود. آب سنگین (D2O) یا زغال سنگ «گرافیت) به عنوان نرم کننده نوترون به کار برده می شوند.
· میله های مهارکننده:
این میله ها از مواد جاذب نوترون درست شده اند و وجود آنها در داخل راکتور اتمی الزامی است و مانع افزایش ناگهانی تعداد نوترون ها در قلب رآکتور می شوند. اگر این میله ها کار اصلی خود را انجام ندهند، در زمانی کمتر از چند هزارم ثانیه قدرت راکتور چند برابر شده و حالت انفجاری یا دیورژانس راکتور پیش می آید. این میله ها می توانند از جنس عنصر کادمیم و یا بور باشند.
· مواد خنک کننده یا انتقال دهنده انرژی حرارتی:br> این مواد انرژی حاصل از شکست اورانیوم را به خارج از راکتور انتقال داده و توربین های مولد برق را به حرکت در می آورند و پس از خنک شدن مجدداً به داخل راکتور برمی گردند. البته مواد در مدار بسته و محدودی عمل می کنند و با خارج از محیط رآکتور تماسی ندارند. این مواد می توانند گاز CO2 ، آب ، آب سنگین، هلیم گازی و یا سدیم مذاب باشند.
طرز کار نیروگاه اتمی:
· عمل سوختن اورانیوم در داخل نیروگاه اتمی متفاوت از سوختن زغال یا هر نوع سوخت فسیلی دیگر است. در این پدیده با ورود یک نوترون کم انرژی به داخل هسته ایزوتوپ اورانیوم 235 عمل شکست انجام می گیرد و انرژی فراوانی تولید می کند. بعد از ورود نوترون به درون هسته اتم ، ناپایداری در هسته به وجود آمده و بعد از لحظه بسیار کوتاهی هسته اتم شکسته شده و تبدیل به دو تکه شکست و تعدادی نوترون می شود.
· به طور متوسط تعداد نوترون ها به ازای هر 100 اتم شکسته شده 247 عدد است و این نوترون ها اتم های دیگر را می شکنند و اگر کنترلی در مهار کردن تعداد آنها نباشد واکنش شکست در داخل توده اورانیوم به صورت زنجیره ای انجام می شود که در زمانی بسیار کوتاه منجر به انفجار شدیدی خواهد شد. در واقع ورود نوترون به درون هسته اتم اورانیوم و شکسته شدن آن توام با انتشار انرژی معادل با Mev200 میلیون الکترون ولت است.
· این مقدار انرژی در سطح اتمی بسیار ناچیز ولی در مورد یک گرم از اورانیوم در حدود صدها هزار مگاوات است. که اگر به صورت زنجیره ای انجام شود، در کمتر از هزارم ثانیه مشابه بمب اتمی عمل خواهد کرد. اما اگر تعداد شکست ها را در توده اورانیوم و طی زمان محدود کرده به نحوی که به ازای هر شکست، اتم بعدی شکست حاصل کند شرایط یک نیروگاه اتمی به وجود می آید.
نمونه عملی:
نیروگاهی که دارای 10 تن اورانیوم طبیعی است قدرتی معادل با 100 مگاوات خواهد داشت و به طور متوسط 105 گرم اورانیوم 235 در روز در این نیروگاه شکسته می شود و همان طور که قبلاً گفته شد در اثر جذب نوترون به وسیله ایزوتوپ اورانیوم 238 اورانیوم 239 به وجود می آمد که بعد از دو بار انتشار ذرات بتا (یا الکترون) به پلتونیوم 239 تبدیل می شود که خود مانند اورانیوم 235 شکست پذیر است. در این عمل 70 گرم پلتونیوم حاصل می شود.
ولی اگر نیروگاه سورژنراتور باشد و تعداد نوترون های موجود در نیروگاه زیاد باشند مقدار جذب به مراتب بیشتر از این خواهد بود و مقدار پلتونیوم های به وجود آمده از مقدار آنهایی که شکسته می شوند بیشتر خواهند بود. در چنین حالتی بعد از پیاده کردن میله های سوخت می توان پلتونیوم به وجود آمده را از اورانیوم و فرآورده های شکست را به کمک واکنش های شیمیایی بسیار ساده جدا و به منظور تهیه بمب اتمی ذخیره کرد.
ایزوتوپهای قابل دسترس اورانیوم
سنگ معدن اورانیوم موجود در طبیعت از دو ایزوتوپ اورانیوم 234 به مقدار 0.7 درصد و اورانیوم 238 به مقدار 3.99 درصد تشکیل شده است. سنگ معدن را ابتدا در اسید حل کرده و بعد از تخلیص فلز، اورانیوم را به صورت ترکیب با اتم فلئور (F9) و به صورت مولکول اورانیوم هکزا فلوراید تبدیل می کنند که به حالت گازی است. سرعت متوسط مولکول های گازی با جرم مولکولی گاز نسبت عکس دارد.
غنی سازی اورانیوم با دیفوزیون گازی
گراهان در سال 1864 پدیده ای 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 می کنند. در عمل اورانیوم هکزا فلوراید طبیعی گازی شکل را از ستون هایی که جدار آنها از اجسام متخلخل (خلل و فرج دار) درست شده است عبور می دهند.
غنی سازی اورتنیوم از طریق میدان مغناطیسی
ضریب جداسازی متناسب با اختلاف جرم مولکول ها است. روش غنی سازی اورانیوم تقریباً مطابق همین اصولی است که در اینجا گفته شد. با وجود این می توان به خوبی حدس زد که پرخرج ترین مرحله تهیه سوخت اتمی همین مرحله غنی سازی ایزوتوپ ها است زیرا از هر هزاران کیلو سنگ معدن اورانیوم 140 کیلوگرم اورانیوم طبیعی به دست می آید که فقط یک کیلوگرم اورانیوم 235 خالص در آن وجود دارد.
یکی از روش های غنی سازی اورانیم استفاده از میدان مغناطیسی بسیار قوی می باشد. در این روش ابتدا اورانیم هگزا فلوئورید را حرارت می دهند تا تبخیر شود. از طریق تبخیر، اتم های اورانیم و فلوئورید از هم تفکیک می شوند. در این حالت، اتم های اورانیم را به میدان مغناطیسی بسیار قوی هدایت می کنند. میدان مغناطیسی بر هسته های باردار اورانیم نیرو وارد می کند ( این نیرو به نیروی لورنتس معروف می باشد)، و اتم های اورانیم را از مسیر مستقیم خود منحرف می کند. اما هسته های سنگین اورانیم (اورانیم238) نسبت به هسته های سبک تر(اورانیم 235) انحراف کمتری دارند، و درنتیجه از این طریق می توان اورانیم 235 را از اورانیم طبیعی تفکیک کرد.
کاربردهای اورانیوم غنی شده
· شرایطی ایجاد کرده اند که نسبت اورانیوم 235 به اورانیوم 238 را به 5 درصد می رساند. برای این کار و تخلیص کامل اورانیوم از سانتریفوژهای بسیار قوی استفاده می کنند.
· 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 اورانیوم 235 صددرصد خالص نیاز است. در صنایع نظامی از این روش استفاده نمی شود و بمب های اتمی را از پلوتونیوم 239 که سنتز و تخلیص شیمیایی آن بسیار ساده تر است تهیه می کنند.
نحوه تولید سوخت پلوتونیوم رادیواکتیو
این عنصر ناپایدار را در نیروگاه های بسیار قوی می سازند که تعداد نوترون های موجود در آنها از صدها هزار میلیارد نوترون در ثانیه در سانتیمتر مربع تجاوز می کند. عملاً کلیه بمب های اتمی موجود در زراد خانه های جهان از این عنصر درست می شود.
روش ساخت این عنصر در داخل نیروگاه های هسته ای به این صورت که ایزوتوپ های اورانیوم 238 شکست پذیر نیستند ولی جاذب نوترون کم انرژی (نوترون حرارتی) هستند.
تعدادی از نوترون های حاصل از شکست اورانیوم 235 را جذب می کنند و تبدیل به اورانیوم 239 می شوند. این ایزوتوپ از اورانیوم بسیار ناپایدار است و در کمتر از ده ساعت تمام اتم های به وجود آمده تخریب می شوند. در درون هسته پایدار اورانیوم 239 یکی از نوترون ها خودبه خود به پروتون و یک الکترون تبدیل می شود.
بنابراین تعداد پروتون ها یکی اضافه شده و عنصر جدید را که 93 پروتون دارد نپتونیم می نامند که این عنصر نیز ناپایدار است که یکی از نوترون های آن خود به خود به پروتون تبدیل شده و در نتیجه به تعداد پروتون ها یکی اضافه شده و عنصر جدید پلوتونیم را که 94 پروتون دارد ایجاد می کنند. این کار حدودا در مدت یک هفته صورت می گیرد.
گرمای حاصل از واکنش هسته‌ای در محیط راکتور هسته‌ای تولید و پرداخته میشود. بعبارتی در طی مراحلی در راکتور این گرما پس از مهارشدن انرژی آزاد شده واکنش هسته‌ای تولید و پس از خنک سازی کافی با آهنگ مناسبی به خارج منتقل میشود. گرمای حاصله آبی را که در مرحله خنک سازی بعنوان خنک کننده بکار میرود را به بخار آب تبدیل میکند. بخار آب تولید شده ، همانند آنچه در تولید برق از زعال سنگ ، نفت یا گاز متداول است، بسوی توربین فرستاده میشود تا با راه اندازی مولد ، توان الکتریکی مورد نیاز را تولید کند. در واقع ، راکتور همراه با مولد بخار ، جانشین دیگ بخار در نیروگاههای معمولی شده است.
سوخت راکتورهای هسته‌ای
ماده‌ای که به عنوان سوخت در راکتورهای هسته‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد باید شکاف پذیر باشد یا به طریقی شکاف پذیر شود.235U شکاف پذیر است ولی اکثر هسته‌های اورانیوم در سوخت از انواع 238U است. این اورانیوم بر اثر واکنشهایی که به ترتیب با تولید پرتوهای گاما و بتا به 239Pu تبدیل میشود. پلوتونیوم هم مثل 235U شکافت پذیر است. به علت پلوتونیوم اضافی که در سطح جهان وجود دارد نخستین مخلوطهای مورد استفاده آنهایی هستند که مصرف در آنها منحصر به پلوتونیوم است.
میزان اورانیومی که از صخره‌ها شسته میشود و از طریق رودخانه‌ها به دریا حمل میشود، به اندازه‌ای است که می‌تواند 25 برابر کل مصرف برق کنونی جهان را تأمین کند. با استفاده از این نوع موضوع ، راکتورهای زاینده‌ای که بر اساس استخراج اورانیوم از آب دریاها راه اندازی شوند قادر خواهند بود تمام انرژی مورد نیاز بشر را برای همیشه تأمین کنند، بی آنکه قیمت برق به علت هزینه سوخت خام آن حتی به اندازه یک درصد هم افزایش یابد.
مزیتهای انرژی هسته‌ای بر سایر انرژیها
بر خلاف آنچه که رسانه‌های گروهی در مورد خطرات مربوط به حوادث راکتورها و دفن پسماندهای پرتوزا مطرح میکند از نظر آماری مرگ ناشی ازخطرات تکنولوژی هسته‌ای از 1 درصد مرگهای ناشی از سوختن زغال سنگ جهت تولید برق کمتر است. در سرتاسر جهان تعداد نیروگاههای هسته‌ای فعال بیش از 419 میباشد که قادر به تولید بیش از 322 هزار مگاوات توان الکتریکی هستند. بالای 70 درصد این نیروگاهها در کشور فرانسه و بالای 20 درصد آنها در کشور آمریکا قرار دارد.
همجوشی خورشید و ستارگان
سالهاست که دانشمندان واکنشی را که در خورشید و ستارگان رخ داده و در آن انرژی تولید می کند کشف کرده اند. این واکنش عبارت است از ترکیب (برخورد) هسته های چهار اتم هیدروژن معمولی و تولید یک هسته اتم هلیوم.اما مشکلی سر راه این نظریه است.
بالا ترین دمایی که در خورشید وجود دارد مربوط به مرکز آن است که برابر 15ضرب در 10 به توان 6 می باشد.در حالی که در ستارگان بزرگتر این دما به 20 ضرب در ده به توان 6 می رسد. به همین خاطر تصور بر این است که آن واکنش معروف ترکیب چهار اتم هیدروژن معمولی و تولید یک اتم هلیم در سایر ستارگان بزرگ نیست که باعث تولید انرژی می شود. بلکه احتمالا چرخه کربن در آنها به کمک آمده و کوره آنها را روشن نگه می دارد.منظور از چرخه کربن آن چرخه ای نیست که روی زمین اتفاق می افتد. بلکه به این صورت است که ابتدا یک اتم هیدروژن معمولی با یک اتم کربن C12 ترکیب می شود (همجوشی) و یک اتم N13 به علاوه یک واحد گاما را آزاد می کند. بعد این اتم با یک واپاشی به یک اتمC13به علاوه یک پوزیترون و یک نوترینو تبدیل می شود.بعد اینC13دوباره با یک اتم هیدروژن ترکیب می شود وN14و یک واحد گاما حاصل می شود.دوباره در اثر ترکیب این نیتروژن با یک هیدروژن معمولی اتمO15و یک واحد گاما تولید می شود.O15واپاشی کرده و N15به علاوه یک پوزیترون ویک نوترینو را بوجود میاورد.و دست آخر با ترکیب N15با یک هیدروژن معمولیC12به علاوه یک اتم هلیوم بدست می آید.
محصور سازی
مشکلی اساسی سر راه همجوشی هسته‌ای است ; می دانیدهسته ازذرات ریزی تشکیل شده است که پروتون ونوترون جزءلاینفک آن هستند.نوترون بدون بار وپروتون با بار مثبت که سایربارهای مثبت رابه شدت از خود میراند.مشکل مشخص شد؟ بله…اگرپروتونها (هسته های هیدروژن) یکدیگررادفع میکنند چگونه میتوان آنهارا در همجوشی شرکت داد؟
همانطورکه حدس زدید راه حل اساسی آن است که به این پروتونها آنقدر انرژی بدهیم که انرژی جنبشی آنها بیشتر از نیروی رانش کولنی آنها شود و پروتونها بتوانند به اندازه کافی به هم نزدیک شوند. حال چگونه این انرژی جنبشی را تولید کنیم؟ گرما راه حل خوبیست. در اثر افزایش دما جنب و جوش وبه عبارت دیگرانرژی جنبشی ذرات بیشتر و بیشتر میشود به طوری که تعداد برخوردها و شدت آنها بیشتر و بیشتر میشود.به نظر شما آیا دیگر مشکلی وجود ندارد؟ خیر,مسئله اساسیتری سر راه است.
یک سماور پر از آب را تصور کنید.وقتی سماور را روشن می کنید با این کار به آب درون سماور گرما میدهید(انرژی منتقل می کنید).در اثر این انتقال انرژی دمای آب رفته رفته بالاتر می رود و به عبارتی جنب و جوش مولکولهای آب زیاد می شود.در این حالت بین مولکولهای آب برخوردهایی پدید می آید.هر مولکول که از شعله(یا المنت یا هر چیز دیگری)مقداری انرژی دریافت کرده است آنقدر جنب و جوش می کند تا بالاخره (به علت محدود بودن محیط سماور و آب)انرژی خود رابه دیگری بدهد.مولکول بعدی نیز به نوبه خود همین عمل را انجام میدهد.بدین ترتیب رفته رفته انرژی منبع گرما در تمام آب پخش می شود و دمای آب بالا میرود.خوب یک سوال:آیا وقتی بدنه سماور را لمس می کنیم هیچ گرمایی حس نمی کنیم؟…بله حس میکنیم.دلیلش هم که روشن است.برخورد مولکولهای پر انرژی آب با بدنه سماور و انتقال انرژی خود به آن.هدف ما از روشن کردن سماور گرم کردن آب بود نه سماور.امیدوارم تا اینجا پاسخ اولین مشکل اساسی بر سر راه همجوشی را دریافت کرده باشید.بله اگر اگر با صرف هزینه و زحمت بالا سوخت را به دمایی معادل میلیونها درجه کلوین برسانیم آیا این اتمها آنقدر صبر خواهند کرد تا با دیگر اتمها وارد واکنش شوند یا در اولین فرصت انرژی بالای خود را به دیواره داده وآن را نا بود میکند؟(...شما بودید چه می کردید؟؟؟...).بنابر این نیاز به ((محصور سازی)) داریم; یعنی باید به طریقی اجازه ندهیم که این گرما به دیواره منتقل شود.
رسیدن به دمای بالا
شروع واکنش همجوشی به دمای بسیار بالایی نیازمند است.درست است که دمای پانزده میلیون درجه دمای بسیار بالایست و تصور بوجود آوردنش روی زمین مشکل و کمی هم وحشتناک می باشد ولی معمولا در زندگی روزمره دور و برمان دماهای خیلی بالایی وجود دارند و ما از آنها غافلیم.مثلا وقتی در اثر اتصالی سیمهای برق داخل جعبه تقسیم میسوزد وشما صدای جرقه آنرا میشنوید و پس از بررسی متوجه می شوید که کاملا ذوب شده فقط به خاطر دمای وحشتناکی بوده که آن تو به وجود آمده.شاید باور نکنید ولی این دما به حدود سی-چهل هزار درجه کلوین میرسد.البته این دما برای همجوشی حکم طفل نی سواری را دارد.یا اینکه می توانیم با استفاده از ولتاژهای بسیار بالا قوسهای الکتریکی را از درون لوله های مویین عبور بدهیم.به این ترتیب دمای هوای داخل لوله که اکنون به پلاسما تبدیل شده به نزدیک چند میلیون درجه می رسد.(که باز هم برای همجوشی کم است).یکی از بهترین راهها استفاده از لیزر است.می دانید که لیزرهایی با توانهای بسیار بالا ساخته شده اند.مثلا نوعی از لیزر به نام لیزر نوا(NOVA)می تواند در مدت کوتاهی انرژی ای معادل ده به توان پنج ژول تولید کند.اما بازهم در کنار هر مزیت معایبی هست.مثلا این لیزر تبعا انرژی زیادی مصرف میکند که حتی با صرف نظر از آن مشکل دیگری هست که میگوید اگر انرژی تولیدی لیزر در آن مدت کوتاه باید تحویل داده بشود پس برای برقرار ماندن معیار لاوسن (حالا که مدت زمان محصور سازی پایین آمده)باید چگالی بالا تر برود.که در این مورد از تراکم و چگالی جامد هم بالا تر میرود.
انواع واکنشها
برای بهینه سازی کار رآکتورهای همجوشی و افزایش توان خروجی آنها راههای متعددی وجود دارد.یکی از این راهها انتخاب نوع واکنشیست که قرار است در رآکتور انجام بشود.
ظبق تصویر زیر نوعی از واکنش همجوشی بصورتیست که در آن دو هسته سبک با یکدیگر واکنش داده و یک هسته سنگین تر را بوجود میاورند.یعنی حاصل ترکیب دو هسته دوتریم و تولید یک هسته ترتیم به علاوه یک هسته هیدروژن معمولیست. این واکنش انرژی ده می باشد.چون تفاوت انرژی بستگی هسته سنگین تر وهسته های سبکتر مقداری منفیست.
در این واکنش مقدار انرژی ای تولیدی برابر4MeVمی باشد.
قبلا گفته شد که باید برای انجام همجوشی هسته ها به اندازه کافی به هم نزدیک بشوند.این مقدار کافی حدودا معادل3fmمی باشد.چون در این فاصله ها انرژی پتانسیل الکترواسناتیکی دو دوترون در حدود 0.5MeVهست پس می توانیم با این مقدار انرژی دادن به یکی از دوترونها دافعه کولنی بین دوترونها ر شکسته و واکنش را شروع کنیم که بعد از انجام مقدار4.5MeVتولید می شود.(0.5MeVانرژی جنبشی به علاوه 4MeVانرژی آزاد شده)
می توانیم رآکتور خود را طوری طراحی کنیم که دور دیواره بیرونی آن لیتیم مایع تحت فشار جریان داشته باشد.این لیتیم مایع گرمای تولیدی اضافی را از واکنش گرفته و به آب منتقل می کند و با تبدیل آن به بخار باعث می شود که توربین و ژنراتور به حرکت درآیند و برق تولید بشود.
اما چرا لیتیم؟
قبلا دیدید که مقرون به صرفه ترین واکنش در رآکتور همجوشی واکنش دوتریم . ترتیم است.در این واکنش دیدید که یک نوترون پر انرژی تولید می شد.این مساله یعنی نوترون زایی می تواند سبب تضعیف بخشهایی از رآکتور شود.از طرفی برای محیط زیست و مخصوصا سلامتی کسانی که در اطراف رآکتور فعالیت می کنند بسیار مضر است.اما اگر لیتیم را به عنوان خنک کننده داشته باشیم این جریان لیتیم همچنین نقش مهم کند کنندگی را بازی خواهد کرد.به این صورت که با نوترون اضافی تولید شده در واکنش ترکیب شده و سوخت گران قیمت و بسیار کمیاب رآکتور رو که همان ترتیم است تولید می کند.واکنش دقیق آن به شکل زیر است.البته در این مورد باید ضخامت لیتیم مایع در جریان حداقل یک متر باشد.
انواع رآکتور
توکامک یکی از انواع رآکتورهای همجوشی هسته ایست که عمل محصورسازی را به خوبی انجام میدهد.طرح توکامک در دهه پنجاه میلادی توسط روسها پیشنهاد شد. واژه توکامک از واژه های "toroidalnaya", "kamera", and "magnitnaya" به معنی " اتاقک مغناطیسی چنبره ای" گرفته شده است.
یکی از دلایل و توجیحاتی که برای چنبره ای بودن محفظه های محصور سازی می شود بیان کرد این است که : توپ پر مویی را تصور کنید که شما قصد دارید موهای این توپ را شانه بزنید. شما هر طور و از هر طرف که بخواهید این کار بکنید همیشه دو طرف از موهای توپ شانه نشده و نامنظم باقی می ماند.حال به جای توپ فرض کنید که یک کره مغناطیسی داریم .میخواهیم که بردارهای میدان در سراسر اطراف این کره یکنواخت و منظم باشند(در واقع همه در یک جهت باشند).بنا به مثال این کار غیر ممکن بوده ونا منظمی در دو طرف کره باعث عدم پایداری محصور ساز می شود.ولی در یک محصور ساز چنبره ای چنین مشکلی وجود ندارد و یکنواختی میدان سراسر محصور ساز(توکامک)باعث پایداری آن می شود.مهم ترین و حیاتی ترین وظیفه یک ابزار همجوشی پایدار نگه داشتن پلاسما است.
اسفرومک
اسفرومک نوع دیگری از رآکتورهای همجوشیست که بر خلاف توکامک که چنبره ایست شکلی کروی دارد.البته تفاوت اسفرومک با توکامک در این است که در مرکز اسفرومک هیچ جسم مادی ای وجود ندارد.
اسفرومک متاسفانه با بی مهری مواجه شد و به اندازه توکامک مورد توجه واقع نشد.در حالی که اسفرومک مدت زیادی بعد از توکامک اختراع شد.
در دهه گذشته اغلب تحقیقات در بخش انرژی همجوشی مغناطیسی روی توکامک چنبره ای شکل برای رسیدن به واکنشهای همجوشی در سطح بالا متمرکز شده است.
کار توکامک در ایالات متحده وخارج آن ادامه دارد ولی سازمان دانشمندان انرژی همجوشی در حال بازدید از اسفرومک هستند.
قسمت زیادی از علاقه تجدید شده به پروژه اسفرومک روی تحقیقات فعالی در لاورنس لیورمور در گروهی به نام SSPX (Sustained Spheromak Physics Experiment) متمرکز شده است.SSPX در 14ژوئن 1999 در مراسمی با حضور نماینده ای از DOE و با همکاری دانشمندانی از Sandia و آزمایشگاه ملی لس آلاموس آغاز به کار کرد.SSPX یک سری از از آزمایشات است که برای این طراحی شده که توانایی اسفرومک را در این مورد که اسفرومک چقدر این کیفیت را داراست که پلاسما های داغ سوخت همجوشی را درون خود داشته باشد مشخص کند .
به عقیده رهبر پروژه SSPX آقای David Hill توکامک با دمای بالایی که در آن قابل دسترسیست (بیشتر از 100میلیون درجه سلسیوس که بارها بیشتر از دمای مرکز خورشید است)فعلا برنده جریان رهبری پروژه های همجوشی به حساب می آید.با این حال میدانهای مغناطیسی توکامک بوسیله کویل (سیم پیچ) های بیرونی بسیار بزرگ که چنبره رآکتور را کاملا احاطه می کنند تولید می شوند.این کویل های بسیار بزرگ هزینه بسیار زیاد و بی نظمی و اختلالاتی در کار رآکتور خواهند داشت.
در حالی که اسفرومک ها پلاسمای بسیار داغ را در یک سیستم میدان مغناطیسی ساده و فشرده که فقط از یک سری ساده از کویل های کوچک پایدار کننده استفاده میکند بوجود می آورد.میدانهای مغناطیسی قوی لازم درون پلاسما با چیزی که دینام مغناطیسی نامیده می شود تولید می شوند.
انرژی‌ده کردن
می دانید درنوعی از رآکتورهای شکافت هسته ای بوجود آوردن زنجیره واکنشها بوسیله برخورد دادن یک نوترون پر انرژی با هسته یک اتم اورانیم235 انجام می شود.به این صورت که وقتی که این نوترون وارد هسته اتم اورانیوم235 می شود آن را به یک هسته اورانیم236 تبدیل میکند.از آنجا که این هسته ناپایدار است به سرعت واپاشی می کرده و اتمهای سبکتری به همراه سه نوترون پر انرژی دیگر را تولید می کند.
توضیح کاملتر اینکه در هسته های سنگین پایدار مثل اورانیوم بین نیروهای الکترواستاتیکی که مایل هستند ذرات تشکیل دهنده اتم را از هم دور کنند و نیروی هسته ای که آنها را کنار هم نگه میدارد تعادل بسیار حساسی وجود دارد که این تعادل رو می توانیم براحتی و به روشی که گفته شد به هم زده و واکنش شکافت هسته ای را شروع کنیم.واکنش حاصل از یک اتم با تولید کردن سه نوترون پر انرژی دیگر باعث میشود سه اتم اورانیم دیگر وارد واپاشی بشوند.به همین ترتیب واکنش اصطلاحا زنجیره ای میشود.
قدر مسلم یک رآکتور همجوشی ایده آل رآکتوریست که در آن واکنشهای زنجیره ای داریم. در واقع هدف اساسی در راه ساخت رآکتور همجوشی هسته ای زنجیره ای کردن آن است.اگر قرار باشد که ما در این راه انرژی صرف کنیم تا یک مقدار کمتر از آن را بدست بیاوریم مطمئنا این واکنش نه زنجیره ایست نه مفید.دانشمندان این رشته مفهومی به نام گیرانش را تعریف کرده اند که به معنی این است که مقداری انرژی صرف شروع واکنش کنیم و انرژی بیشتر از سلسله واکنشها بگیریم.در واقع در شرایط گیرانش واکنش زنجیره ای میشود.یعنی نه تنها انرژی تولیدی یک واکنش برای انجام واکنش بعد کافیست بلکه مقدار زیادی از آن هم اضافه است ومیتواند در اختیار ما برای تولید برق قرار بگیرد.
اگر بخواهیم توکامک یا هر وسیله دیگر که همجوشی در آن انجام می شود توان مفید داشته باشد یعنی به ما انرژی بدهد باید شرایط خاصی داشته باشد. برای آنکه احتمال برخورد ذرات(یونهای) نامزد همجوشی بالا برود اولا باید دمای خیلی بالایی درون آن تولید بشود و رآکتور هم بتواند بخوبی دمای بالا را تحمل کند.(این دما در محدوده ده به توان هشت درجه کلوین می باشد!)دوما رآکتور باید این توانایی را داشته باشد که درونش چگالی زیاد از یونها را وارد کرد و سوم اینکه زمان محصور سازی در آن طولانی باشد.
دمای بالا برای آن است که بتوانیم تقریبا مطمئن باشیم که می توانیم از سد محکم پتانسیل کولنی هسته ها بگذریم.چگالی زیاد هم برای این است که هر چه بیشتر احتمال برخورد های کارا بالا برود.
در این مسیر قانونی وجود دارد که نام آن معیار لاوسون است.به کمک این معیار می شود محاسبه کرد که آیا شرایط طوری هست که واکنش به گیرانش برسد یا نه.
معیار لاوسن = باید: مقدار چگالی*مدت زمان محصور سازی > ده به توان20ذره در متر مکعب باشد تا این واکنش به گیرانش برسد(البته بستگی مستقیم با دمای پلاسما دارد)
اما به طور دقیق تر:
برای رسیدن به شرایط مطلوب درواکنشهای گرما هسته ای که در آنها از سوخت دوتریم - ترتیم استفاده می شود دمای پلاسما (T) باید در محدوده یک الی سه ضرب در ده به توان هشت درجه کلوین و زمان محصورسازی(تی ای)(تی اندیس E) باید در حدود یک الی سه ثانیه و چگالی (n) باید حوالی یک الی سه ضرب در ده به توان بیست ذره بر متر مکعب باشد.برای آغاز به کار رآکتور یعنی برای رسیدن به کمینه دمای حدود ده به توان هشت کلوین باید از وسیله گرما ساز کمکی استفاده کرد. بعد از محترق شدن سوخت مخلوط پلاسما با ذرات آلفایی که در اثر احتراق اولیه بوجود اومده اند گرم شده و می توانیم دستگاه کمکی را از مدار خارج کنیم.از آن به بعد سرعت فعالیتهای همجوشی با افزایش دادن چگالی پلاسما افزایش پیدا می کند.با این وجود افزایش چگالی به بالای مرزهای تعیین شده و مطمئن به معنی به هم خوردن پایداری پلاسما و یا اینکه خاموش شدن رآکتور را در پی خواهد داشت یا فاجعه.به عبارت دیگه (در صورت افزایش چگالی پلاسما) برای پایدار کردن پلاسما زمان محصور سازی و دمای احتراق و صد البته حجم پلاسما و نقطه پایداری پلاسما با افزایش چگالی بالا تر رفته و شرایط را برای کار سخت تر می کند. به حالت تعادل در آوردن این ملزمات با شکل بندی رآکتور در کوچکترین اسپکت ریتو که به شکل بندی مغناطیسی آن بستگی دارد مقدور میشود.
نسبت R به a را اسپکت ریتو می گویند.
خروج پسماندها
طبق شکل زیر که تصویری از سطح مقطع رآکتور می باشد نحوه کنترل و خارج کردن پسماندهای واکنش که همان هلیوم باشند را مشاهده می کنید.
واقعیت
ITER نام مجموعه ایست که اولین رآکتور همجوشی جهان را که از نوع توکامک خواهد بود در فرانسه خواهند ساخت.این مجموعه متشکل است از کشورهای: روسیه اروپا ژاپن کانادا چین ایالات متحده و جمهوری کره. آنها در این راه از ابررساناها برای قسمت های مغناطیسی رآکتور استفاده می کنند. توان خروجی این توکامک 410 مگاوات خواهد بود. یکی از کاربردهای مهم همجوشی هسته ای تبدیل ماده به ماده میباشد.
فرمول:2H+3H→1n+4He
نیروگاه اتمی
طی سال های گذشته اغلب کشورها به استفاده از این نوع انرژی هسته ای تمایل داشتند و حتی دولت ایران 15 نیروگاه اتمی به کشورهای آمریکا ، فرانسه و آلمان سفارش داده بود. ولی خوشبختانه بعد از وقوع دو حادثه مهم تری میل آیلند (Three Mile Island) در 28 مارس 1979 و فاجعه چرنوبیل (Tchernobyl) در روسیه در 26 آوریل 1986، نظر افکار عمومی نسبت به کاربرد اتم برای تولید انرژی تغییر کرد و ترس و وحشت از جنگ اتمی و به خصوص امکان تهیه بمب اتمی در جهان سوم، کشورهای غربی را موقتا مجبور به تجدید نظر در برنامه های اتمی خود کرد.
نیروگاه اتمی چیست؟
نیروگاه اتمی در واقع یک بمب اتمی است که به کمک میله های مهارکننده و خروج دمای درونی به وسیله مواد خنک کننده مثل آب و گاز ، تحت کنترل درآمده است. اگر روزی این میله ها و یا پمپ های انتقال دهنده مواد خنک کننده وظیفه خود را درست انجام ندهند، سوانح متعددی به وجود می آید و حتی ممکن است نیروگاه نیز منفجر شود، مانند فاجعه نیروگاه چرنوبیل شوروی سابق.
ساختار نیروگاه اتمی:
نیروگاه اتمی از مواد مختلفی شکل گرفته است که همه آنها نقش اساسی و مهم در تعادل و ادامه حیات آن را دارند. این مواد عبارت اند از:
· ماده سوخت:
ماده سوخت متشکل از اورانیوم طبیعی ، اورانیوم غنی شده ، اورانیوم و پلوتونیم است. که سوختن اورانیوم بر اساس واکنش شکافت هسته‌ای صورت می گیرد.
· نرم کننده ها:
نرم کننده ها موادی هستند که برخورد نوترون های حاصل از شکست با آنها الزامی است و برای کم کردن انرژی این نوترون ها به کار می روند. زیرا احتمال واکنش شکست پی در پی به ازای نوترون های کم انرژی بیشتر می شود. آب سنگین (D2O) یا زغال سنگ «گرافیت) به عنوان نرم کننده نوترون به کار برده می شوند.
· میله های مهارکننده:
این میله ها از مواد جاذب نوترون درست شده اند و وجود آنها در داخل راکتور اتمی الزامی است و مانع افزایش ناگهانی تعداد نوترون ها در قلب رآکتور می شوند. اگر این میله ها کار اصلی خود را انجام ندهند، در زمانی کمتر از چند هزارم ثانیه قدرت راکتور چند برابر شده و حالت انفجاری یا دیورژانس راکتور پیش می آید. این میله ها می توانند از جنس عنصر کادمیم و یا بور باشند.
· مواد خنک کننده یا انتقال دهنده انرژی حرارتی:br> این مواد انرژی حاصل از شکست اورانیوم را به خارج از راکتور انتقال داده و توربین های مولد برق را به حرکت در می آورند و پس از خنک شدن مجدداً به داخل راکتور برمی گردند. البته مواد در مدار بسته و محدودی عمل می کنند و با خارج از محیط رآکتور تماسی ندارند. این مواد می توانند گاز CO2 ، آب ، آب سنگین، هلیم گازی و یا سدیم مذاب باشند.
طرز کار نیروگاه اتمی:
· عمل سوختن اورانیوم در داخل نیروگاه اتمی متفاوت از سوختن زغال یا هر نوع سوخت فسیلی دیگر است. در این پدیده با ورود یک نوترون کم انرژی به داخل هسته ایزوتوپ اورانیوم 235 عمل شکست انجام می گیرد و انرژی فراوانی تولید می کند. بعد از ورود نوترون به درون هسته اتم ، ناپایداری در هسته به وجود آمده و بعد از لحظه بسیار کوتاهی هسته اتم شکسته شده و تبدیل به دو تکه شکست و تعدادی نوترون می شود.
· به طور متوسط تعداد نوترون ها به ازای هر 100 اتم شکسته شده 247 عدد است و این نوترون ها اتم های دیگر را می شکنند و اگر کنترلی در مهار کردن تعداد آنها نباشد واکنش شکست در داخل توده اورانیوم به صورت زنجیره ای انجام می شود که در زمانی بسیار کوتاه منجر به انفجار شدیدی خواهد شد. در واقع ورود نوترون به درون هسته اتم اورانیوم و شکسته شدن آن توام با انتشار انرژی معادل با Mev200 میلیون الکترون ولت است.
· این مقدار انرژی در سطح اتمی بسیار ناچیز ولی در مورد یک گرم از اورانیوم در حدود صدها هزار مگاوات است. که اگر به صورت زنجیره ای انجام شود، در کمتر از هزارم ثانیه مشابه بمب اتمی عمل خواهد کرد. اما اگر تعداد شکست ها را در توده اورانیوم و طی زمان محدود کرده به نحوی که به ازای هر شکست، اتم بعدی شکست حاصل کند شرایط یک نیروگاه اتمی به وجود می آید.
نمونه عملی:
نیروگاهی که دارای 10 تن اورانیوم طبیعی است قدرتی معادل با 100 مگاوات خواهد داشت و به طور متوسط 105 گرم اورانیوم 235 در روز در این نیروگاه شکسته می شود و همان طور که قبلاً گفته شد در اثر جذب نوترون به وسیله ایزوتوپ اورانیوم 238 اورانیوم 239 به وجود می آمد که بعد از دو بار انتشار ذرات بتا (یا الکترون) به پلتونیوم 239 تبدیل می شود که خود مانند اورانیوم 235 شکست پذیر است. در این عمل 70 گرم پلتونیوم حاصل می شود.
ولی اگر نیروگاه سورژنراتور باشد و تعداد نوترون های موجود در نیروگاه زیاد باشند مقدار جذب به مراتب بیشتر از این خواهد بود و مقدار پلتونیوم های به وجود آمده از مقدار آنهایی که شکسته می شوند بیشتر خواهند بود. در چنین حالتی بعد از پیاده کردن میله های سوخت می توان پلتونیوم به وجود آمده را از اورانیوم و فرآورده های شکست را به کمک واکنش های شیمیایی بسیار ساده جدا و به منظور تهیه بمب اتمی ذخیره کرد.
ایزوتوپهای قابل دسترس اورانیوم
سنگ معدن اورانیوم موجود در طبیعت از دو ایزوتوپ اورانیوم 234 به مقدار 0.7 درصد و اورانیوم 238 به مقدار 3.99 درصد تشکیل شده است. سنگ معدن را ابتدا در اسید حل کرده و بعد از تخلیص فلز، اورانیوم را به صورت ترکیب با اتم فلئور (F9) و به صورت مولکول اورانیوم هکزا فلوراید تبدیل می کنند که به حالت گازی است. سرعت متوسط مولکول های گازی با جرم مولکولی گاز نسبت عکس دارد.
غنی سازی اورانیوم با دیفوزیون گازی
گراهان در سال 1864 پدیده ای 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 می کنند. در عمل اورانیوم هکزا فلوراید طبیعی گازی شکل را از ستون هایی که جدار آنها از اجسام متخلخل (خلل و فرج دار) درست شده است عبور می دهند.
غنی سازی اورتنیوم از طریق میدان مغناطیسی
ضریب جداسازی متناسب با اختلاف جرم مولکول ها است. روش غنی سازی اورانیوم تقریباً مطابق همین اصولی است که در اینجا گفته شد. با وجود این می توان به خوبی حدس زد که پرخرج ترین مرحله تهیه سوخت اتمی همین مرحله غنی سازی ایزوتوپ ها است زیرا از هر هزاران کیلو سنگ معدن اورانیوم 140 کیلوگرم اورانیوم طبیعی به دست می آید که فقط یک کیلوگرم اورانیوم 235 خالص در آن وجود دارد.
یکی از روش های غنی سازی اورانیم استفاده از میدان مغناطیسی بسیار قوی می باشد. در این روش ابتدا اورانیم هگزا فلوئورید را حرارت می دهند تا تبخیر شود. از طریق تبخیر، اتم های اورانیم و فلوئورید از هم تفکیک می شوند. در این حالت، اتم های اورانیم را به میدان مغناطیسی بسیار قوی هدایت می کنند. میدان مغناطیسی بر هسته های باردار اورانیم نیرو وارد می کند ( این نیرو به نیروی لورنتس معروف می باشد)، و اتم های اورانیم را از مسیر مستقیم خود منحرف می کند. اما هسته های سنگین اورانیم (اورانیم238) نسبت به هسته های سبک تر(اورانیم 235) انحراف کمتری دارند، و درنتیجه از این طریق می توان اورانیم 235 را از اورانیم طبیعی تفکیک کرد.
کاربردهای اورانیوم غنی شده
· شرایطی ایجاد کرده اند که نسبت اورانیوم 235 به اورانیوم 238 را به 5 درصد می رساند. برای این کار و تخلیص کامل اورانیوم از سانتریفوژهای بسیار قوی استفاده می کنند.
· 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 اورانیوم 235 صددرصد خالص نیاز است. در صنایع نظامی از این روش استفاده نمی شود و بمب های اتمی را از پلوتونیوم 239 که سنتز و تخلیص شیمیایی آن بسیار ساده تر است تهیه می کنند.
نحوه تولید سوخت پلوتونیوم رادیواکتیو
این عنصر ناپایدار را در نیروگاه های بسیار قوی می سازند که تعداد نوترون های موجود در آنها از صدها هزار میلیارد نوترون در ثانیه در سانتیمتر مربع تجاوز می کند. عملاً کلیه بمب های اتمی موجود در زراد خانه های جهان از این عنصر درست می شود.
روش ساخت این عنصر در داخل نیروگاه های هسته ای به این صورت که ایزوتوپ های اورانیوم 238 شکست پذیر نیستند ولی جاذب نوترون کم انرژی (نوترون حرارتی) هستند.
تعدادی از نوترون های حاصل از شکست اورانیوم 235 را جذب می کنند و تبدیل به اورانیوم 239 می شوند. این ایزوتوپ از اورانیوم بسیار ناپایدار است و در کمتر از ده ساعت تمام اتم های به وجود آمده تخریب می شوند. در درون هسته پایدار اورانیوم 239 یکی از نوترون ها خودبه خود به پروتون و یک الکترون تبدیل می شود.
بنابراین تعداد پروتون ها یکی اضافه شده و عنصر جدید را که 93 پروتون دارد نپتونیم می نامند که این عنصر نیز ناپایدار است که یکی از نوترون های آن خود به خود به پروتون تبدیل شده و در نتیجه به تعداد پروتون ها یکی اضافه شده و عنصر جدید پلوتونیم را که 94 پروتون دارد ایجاد می کنند. این کار حدودا در مدت یک هفته صورت می گیرد.
میزان اورانیومی که از صخره‌ها شسته میشود و از طریق رودخانه‌ها به دریا حمل میشود، به اندازه‌ای است که می‌تواند 25 برابر کل مصرف برق کنونی جهان را تأمین کند. با استفاده از این نوع موضوع ، راکتورهای زاینده‌ای که بر اساس استخراج اورانیوم از آب دریاها راه اندازی شوند قادر خواهند بود تمام انرژی مورد نیاز بشر را برای همیشه تأمین کنند، بی آنکه قیمت برق به علت هزینه سوخت خام آن حتی به اندازه یک درصد هم افزایش یابد.
بر خلاف آنچه که رسانه‌های گروهی در مورد خطرات مربوط به حوادث راکتورها و دفن پسماندهای پرتوزا مطرح میکند از نظر آماری مرگ ناشی ازخطرات تکنولوژی هسته‌ای از 1 درصد مرگهای ناشی از سوختن زغال سنگ جهت تولید برق کمتر است. در سرتاسر جهان تعداد نیروگاههای هسته‌ای فعال بیش از 419 میباشد که قادر به تولید بیش از 322 هزار مگاوات توان الکتریکی هستند. بالای 70 درصد این نیروگاهها در کشور فرانسه و بالای 20 درصد آنها در کشور آمریکا قرار دارد.
همجوشی خورشید و ستارگان
سالهاست که دانشمندان واکنشی را که در خورشید و ستارگان رخ داده و در آن انرژی تولید می کند کشف کرده اند. این واکنش عبارت است از ترکیب (برخورد) هسته های چهار اتم هیدروژن معمولی و تولید یک هسته اتم هلیوم.اما مشکلی سر راه این نظریه است.
بالا ترین دمایی که در خورشید وجود دارد مربوط به مرکز آن است که برابر 15ضرب در 10 به توان 6 می باشد.در حالی که در ستارگان بزرگتر این دما به 20 ضرب در ده به توان 6 می رسد. به همین خاطر تصور بر این است که آن واکنش معروف ترکیب چهار اتم هیدروژن معمولی و تولید یک اتم هلیم در سایر ستارگان بزرگ نیست که باعث تولید انرژی می شود. بلکه احتمالا چرخه کربن در آنها به کمک آمده و کوره آنها را روشن نگه می دارد.منظور از چرخه کربن آن چرخه ای نیست که روی زمین اتفاق می افتد. بلکه به این صورت است که ابتدا یک اتم هیدروژن معمولی با یک اتم کربن C12 ترکیب می شود (همجوشی) و یک اتم N13 به علاوه یک واحد گاما را آزاد می کند. بعد این اتم با یک واپاشی به یک اتمC13به علاوه یک پوزیترون و یک نوترینو تبدیل می شود.بعد اینC13دوباره با یک اتم هیدروژن ترکیب می شود وN14و یک واحد گاما حاصل می شود.دوباره در اثر ترکیب این نیتروژن با یک هیدروژن معمولی اتمO15و یک واحد گاما تولید می شود.O15واپاشی کرده و N15به علاوه یک پوزیترون ویک نوترینو را بوجود میاورد.و دست آخر با ترکیب N15با یک هیدروژن معمولیC12به علاوه یک اتم هلیوم بدست می آید.
محصور سازی
مشکلی اساسی سر راه همجوشی هسته‌ای است ; می دانیدهسته ازذرات ریزی تشکیل شده است که پروتون ونوترون جزءلاینفک آن هستند.نوترون بدون بار وپروتون با بار مثبت که سایربارهای مثبت رابه شدت از خود میراند.مشکل مشخص شد؟ بله…اگرپروتونها (هسته های هیدروژن) یکدیگررادفع میکنند چگونه میتوان آنهارا در همجوشی شرکت داد؟
همانطورکه حدس زدید راه حل اساسی آن است که به این پروتونها آنقدر انرژی بدهیم که انرژی جنبشی آنها بیشتر از نیروی رانش کولنی آنها شود و پروتونها بتوانند به اندازه کافی به هم نزدیک شوند. حال چگونه این انرژی جنبشی را تولید کنیم؟ گرما راه حل خوبیست. در اثر افزایش دما جنب و جوش وبه عبارت دیگرانرژی جنبشی ذرات بیشتر و بیشتر میشود به طوری که تعداد برخوردها و شدت آنها بیشتر و بیشتر میشود.به نظر شما آیا دیگر مشکلی وجود ندارد؟ خیر,مسئله اساسیتری سر راه است.
یک سماور پر از آب را تصور کنید.وقتی سماور را روشن می کنید با این کار به آب درون سماور گرما میدهید(انرژی منتقل می کنید).در اثر این انتقال انرژی دمای آب رفته رفته بالاتر می رود و به عبارتی جنب و جوش مولکولهای آب زیاد می شود.در این حالت بین مولکولهای آب برخوردهایی پدید می آید.هر مولکول که از شعله(یا المنت یا هر چیز دیگری)مقداری انرژی دریافت کرده است آنقدر جنب و جوش می کند تا بالاخره (به علت محدود بودن محیط سماور و آب)انرژی خود رابه دیگری بدهد.مولکول بعدی نیز به نوبه خود همین عمل را انجام میدهد.بدین ترتیب رفته رفته انرژی منبع گرما در تمام آب پخش می شود و دمای آب بالا میرود.خوب یک سوال:آیا وقتی بدنه سماور را لمس می کنیم هیچ گرمایی حس نمی کنیم؟…بله حس میکنیم.دلیلش هم که روشن است.برخورد مولکولهای پر انرژی آب با بدنه سماور و انتقال انرژی خود به آن.هدف ما از روشن کردن سماور گرم کردن آب بود نه سماور.امیدوارم تا اینجا پاسخ اولین مشکل اساسی بر سر راه همجوشی را دریافت کرده باشید.بله اگر اگر با صرف هزینه و زحمت بالا سوخت را به دمایی معادل میلیونها درجه کلوین برسانیم آیا این اتمها آنقدر صبر خواهند کرد تا با دیگر اتمها وارد واکنش شوند یا در اولین فرصت انرژی بالای خود را به دیواره داده وآن را نا بود میکند؟(...شما بودید چه می کردید؟؟؟...).بنابر این نیاز به ((محصور سازی)) داریم; یعنی باید به طریقی اجازه ندهیم که این گرما به دیواره منتقل شود.
رسیدن به دمای بالا
شروع واکنش همجوشی به دمای بسیار بالایی نیازمند است.درست است که دمای پانزده میلیون درجه دمای بسیار بالایست و تصور بوجود آوردنش روی زمین مشکل و کمی هم وحشتناک می باشد ولی معمولا در زندگی روزمره دور و برمان دماهای خیلی بالایی وجود دارند و ما از آنها غافلیم.مثلا وقتی در اثر اتصالی سیمهای برق داخل جعبه تقسیم میسوزد وشما صدای جرقه آنرا میشنوید و پس از بررسی متوجه می شوید که کاملا ذوب شده فقط به خاطر دمای وحشتناکی بوده که آن تو به وجود آمده.شاید باور نکنید ولی این دما به حدود سی-چهل هزار درجه کلوین میرسد.البته این دما برای همجوشی حکم طفل نی سواری را دارد.یا اینکه می توانیم با استفاده از ولتاژهای بسیار بالا قوسهای الکتریکی را از درون لوله های مویین عبور بدهیم.به این ترتیب دمای هوای داخل لوله که اکنون به پلاسما تبدیل شده به نزدیک چند میلیون درجه می رسد.(که باز هم برای همجوشی کم است).یکی از بهترین راهها استفاده از لیزر است.می دانید که لیزرهایی با توانهای بسیار بالا ساخته شده اند.مثلا نوعی از لیزر به نام لیزر نوا(NOVA)می تواند در مدت کوتاهی انرژی ای معادل ده به توان پنج ژول تولید کند.اما بازهم در کنار هر مزیت معایبی هست.مثلا این لیزر تبعا انرژی زیادی مصرف میکند که حتی با صرف نظر از آن مشکل دیگری هست که میگوید اگر انرژی تولیدی لیزر در آن مدت کوتاه باید تحویل داده بشود پس برای برقرار ماندن معیار لاوسن (حالا که مدت زمان محصور سازی پایین آمده)باید چگالی بالا تر برود.که در این مورد از تراکم و چگالی جامد هم بالا تر میرود.
انواع واکنشها
برای بهینه سازی کار رآکتورهای همجوشی و افزایش توان خروجی آنها راههای متعددی وجود دارد.یکی از این راهها انتخاب نوع واکنشیست که قرار است در رآکتور انجام بشود.
ظبق تصویر زیر نوعی از واکنش همجوشی بصورتیست که در آن دو هسته سبک با یکدیگر واکنش داده و یک هسته سنگین تر را بوجود میاورند.یعنی حاصل ترکیب دو هسته دوتریم و تولید یک هسته ترتیم به علاوه یک هسته هیدروژن معمولیست. این واکنش انرژی ده می باشد.چون تفاوت انرژی بستگی هسته سنگین تر وهسته های سبکتر مقداری منفیست.
در این واکنش مقدار انرژی ای تولیدی برابر4MeVمی باشد.
قبلا گفته شد که باید برای انجام همجوشی هسته ها به اندازه کافی به هم نزدیک بشوند.این مقدار کافی حدودا معادل3fmمی باشد.چون در این فاصله ها انرژی پتانسیل الکترواسناتیکی دو دوترون در حدود 0.5MeVهست پس می توانیم با این مقدار انرژی دادن به یکی از دوترونها دافعه کولنی بین دوترونها ر شکسته و واکنش را شروع کنیم که بعد از انجام مقدار4.5MeVتولید می شود.(0.5MeVانرژی جنبشی به علاوه 4MeVانرژی آزاد شده)
می توانیم رآکتور خود را طوری طراحی کنیم که دور دیواره بیرونی آن لیتیم مایع تحت فشار جریان داشته باشد.این لیتیم مایع گرمای تولیدی اضافی را از واکنش گرفته و به آب منتقل می کند و با تبدیل آن به بخار باعث می شود که توربین و ژنراتور به حرکت درآیند و برق تولید بشود.
اما چرا لیتیم؟
قبلا دیدید که مقرون به صرفه ترین واکنش در رآکتور همجوشی واکنش دوتریم . ترتیم است.در این واکنش دیدید که یک نوترون پر انرژی تولید می شد.این مساله یعنی نوترون زایی می تواند سبب تضعیف بخشهایی از رآکتور شود.از طرفی برای محیط زیست و مخصوصا سلامتی کسانی که در اطراف رآکتور فعالیت می کنند بسیار مضر است.اما اگر لیتیم را به عنوان خنک کننده داشته باشیم این جریان لیتیم همچنین نقش مهم کند کنندگی را بازی خواهد کرد.به این صورت که با نوترون اضافی تولید شده در واکنش ترکیب شده و سوخت گران قیمت و بسیار کمیاب رآکتور رو که همان ترتیم است تولید می کند.واکنش دقیق آن به شکل زیر است.البته در این مورد باید ضخامت لیتیم مایع در جریان حداقل یک متر باشد.
انواع رآکتور
توکامک یکی از انواع رآکتورهای همجوشی هسته ایست که عمل محصورسازی را به خوبی انجام میدهد.طرح توکامک در دهه پنجاه میلادی توسط روسها پیشنهاد شد. واژه توکامک از واژه های "toroidalnaya", "kamera", and "magnitnaya" به معنی " اتاقک مغناطیسی چنبره ای" گرفته شده است.
یکی از دلایل و توجیحاتی که برای چنبره ای بودن محفظه های محصور سازی می شود بیان کرد این است که : توپ پر مویی را تصور کنید که شما قصد دارید موهای این توپ را شانه بزنید. شما هر طور و از هر طرف که بخواهید این کار بکنید همیشه دو طرف از موهای توپ شانه نشده و نامنظم باقی می ماند.حال به جای توپ فرض کنید که یک کره مغناطیسی داریم .میخواهیم که بردارهای میدان در سراسر اطراف این کره یکنواخت و منظم باشند(در واقع همه در یک جهت باشند).بنا به مثال این کار غیر ممکن بوده ونا منظمی در دو طرف کره باعث عدم پایداری محصور ساز می شود.ولی در یک محصور ساز چنبره ای چنین مشکلی وجود ندارد و یکنواختی میدان سراسر محصور ساز(توکامک)باعث پایداری آن می شود.مهم ترین و حیاتی ترین وظیفه یک ابزار همجوشی پایدار نگه داشتن پلاسما است.
اسفرومک
اسفرومک نوع دیگری از رآکتورهای همجوشیست که بر خلاف توکامک که چنبره ایست شکلی کروی دارد.البته تفاوت اسفرومک با توکامک در این است که در مرکز اسفرومک هیچ جسم مادی ای وجود ندارد.
اسفرومک متاسفانه با بی مهری مواجه شد و به اندازه توکامک مورد توجه واقع نشد.در حالی که اسفرومک مدت زیادی بعد از توکامک اختراع شد.
در دهه گذشته اغلب تحقیقات در بخش انرژی همجوشی مغناطیسی روی توکامک چنبره ای شکل برای رسیدن به واکنشهای همجوشی در سطح بالا متمرکز شده است.
کار توکامک در ایالات متحده وخارج آن ادامه دارد ولی سازمان دانشمندان انرژی همجوشی در حال بازدید از اسفرومک هستند.
قسمت زیادی از علاقه تجدید شده به پروژه اسفرومک روی تحقیقات فعالی در لاورنس لیورمور در گروهی به نام SSPX (Sustained Spheromak Physics Experiment) متمرکز شده است.SSPX در 14ژوئن 1999 در مراسمی با حضور نماینده ای از DOE و با همکاری دانشمندانی از Sandia و آزمایشگاه ملی لس آلاموس آغاز به کار کرد.SSPX یک سری از از آزمایشات است که برای این طراحی شده که توانایی اسفرومک را در این مورد که اسفرومک چقدر این کیفیت را داراست که پلاسما های داغ سوخت همجوشی را درون خود داشته باشد مشخص کند .
به عقیده رهبر پروژه SSPX آقای David Hill توکامک با دمای بالایی که در آن قابل دسترسیست (بیشتر از 100میلیون درجه سلسیوس که بارها بیشتر از دمای مرکز خورشید است)فعلا برنده جریان رهبری پروژه های همجوشی به حساب می آید.با این حال میدانهای مغناطیسی توکامک بوسیله کویل (سیم پیچ) های بیرونی بسیار بزرگ که چنبره رآکتور را کاملا احاطه می کنند تولید می شوند.این کویل های بسیار بزرگ هزینه بسیار زیاد و بی نظمی و اختلالاتی در کار رآکتور خواهند داشت.
در حالی که اسفرومک ها پلاسمای بسیار داغ را در یک سیستم میدان مغناطیسی ساده و فشرده که فقط از یک سری ساده از کویل های کوچک پایدار کننده استفاده میکند بوجود می آورد.میدانهای مغناطیسی قوی لازم درون پلاسما با چیزی که دینام مغناطیسی نامیده می شود تولید می شوند.
انرژی‌ده کردن
می دانید درنوعی از رآکتورهای شکافت هسته ای بوجود آوردن زنجیره واکنشها بوسیله برخورد دادن یک نوترون پر انرژی با هسته یک اتم اورانیم235 انجام می شود.به این صورت که وقتی که این نوترون وارد هسته اتم اورانیوم235 می شود آن را به یک هسته اورانیم236 تبدیل میکند.از آنجا که این هسته ناپایدار است به سرعت واپاشی می کرده و اتمهای سبکتری به همراه سه نوترون پر انرژی دیگر را تولید می کند.
توضیح کاملتر اینکه در هسته های سنگین پایدار مثل اورانیوم بین نیروهای الکترواستاتیکی که مایل هستند ذرات تشکیل دهنده اتم را از هم دور کنند و نیروی هسته ای که آنها را کنار هم نگه میدارد تعادل بسیار حساسی وجود دارد که این تعادل رو می توانیم براحتی و به روشی که گفته شد به هم زده و واکنش شکافت هسته ای را شروع کنیم.واکنش حاصل از یک اتم با تولید کردن سه نوترون پر انرژی دیگر باعث میشود سه اتم اورانیم دیگر وارد واپاشی بشوند.به همین ترتیب واکنش اصطلاحا زنجیره ای میشود.
قدر مسلم یک رآکتور همجوشی ایده آل رآکتوریست که در آن واکنشهای زنجیره ای داریم. در واقع هدف اساسی در راه ساخت رآکتور همجوشی هسته ای زنجیره ای کردن آن است.اگر قرار باشد که ما در این راه انرژی صرف کنیم تا یک مقدار کمتر از آن را بدست بیاوریم مطمئنا این واکنش نه زنجیره ایست نه مفید.دانشمندان این رشته مفهومی به نام گیرانش را تعریف کرده اند که به معنی این است که مقداری انرژی صرف شروع واکنش کنیم و انرژی بیشتر از سلسله واکنشها بگیریم.در واقع در شرایط گیرانش واکنش زنجیره ای میشود.یعنی نه تنها انرژی تولیدی یک واکنش برای انجام واکنش بعد کافیست بلکه مقدار زیادی از آن هم اضافه است ومیتواند در اختیار ما برای تولید برق قرار بگیرد.
اگر بخواهیم توکامک یا هر وسیله دیگر که همجوشی در آن انجام می شود توان مفید داشته باشد یعنی به ما انرژی بدهد باید شرایط خاصی داشته باشد. برای آنکه احتمال برخورد ذرات(یونهای) نامزد همجوشی بالا برود اولا باید دمای خیلی بالایی درون آن تولید بشود و رآکتور هم بتواند بخوبی دمای بالا را تحمل کند.(این دما در محدوده ده به توان هشت درجه کلوین می باشد!)دوما رآکتور باید این توانایی را داشته باشد که درونش چگالی زیاد از یونها را وارد کرد و سوم اینکه زمان محصور سازی در آن طولانی باشد.
دمای بالا برای آن است که بتوانیم تقریبا مطمئن باشیم که می توانیم از سد محکم پتانسیل کولنی هسته ها بگذریم.چگالی زیاد هم برای این است که هر چه بیشتر احتمال برخورد های کارا بالا برود.
در این مسیر قانونی وجود دارد که نام آن معیار لاوسون است.به کمک این معیار می شود محاسبه کرد که آیا شرایط طوری هست که واکنش به گیرانش برسد یا نه.
معیار لاوسن = باید: مقدار چگالی*مدت زمان محصور سازی > ده به توان20ذره در متر مکعب باشد تا این واکنش به گیرانش برسد(البته بستگی مستقیم با دمای پلاسما دارد)
اما به طور دقیق تر:
برای رسیدن به شرایط مطلوب درواکنشهای گرما هسته ای که در آنها از سوخت دوتریم - ترتیم استفاده می شود دمای پلاسما (T) باید در محدوده یک الی سه ضرب در ده به توان هشت درجه کلوین و زمان محصورسازی(تی ای)(تی اندیس E) باید در حدود یک الی سه ثانیه و چگالی (n) باید حوالی یک الی سه ضرب در ده به توان بیست ذره بر متر مکعب باشد.برای آغاز به کار رآکتور یعنی برای رسیدن به کمینه دمای حدود ده به توان هشت کلوین باید از وسیله گرما ساز کمکی استفاده کرد. بعد از محترق شدن سوخت مخلوط پلاسما با ذرات آلفایی که در اثر احتراق اولیه بوجود اومده اند گرم شده و می توانیم دستگاه کمکی را از مدار خارج کنیم.از آن به بعد سرعت فعالیتهای همجوشی با افزایش دادن چگالی پلاسما افزایش پیدا می کند.با این وجود افزایش چگالی به بالای مرزهای تعیین شده و مطمئن به معنی به هم خوردن پایداری پلاسما و یا اینکه خاموش شدن رآکتور را در پی خواهد داشت یا فاجعه.به عبارت دیگه (در صورت افزایش چگالی پلاسما) برای پایدار کردن پلاسما زمان محصور سازی و دمای احتراق و صد البته حجم پلاسما و نقطه پایداری پلاسما با افزایش چگالی بالا تر رفته و شرایط را برای کار سخت تر می کند. به حالت تعادل در آوردن این ملزمات با شکل بندی رآکتور در کوچکترین اسپکت ریتو که به شکل بندی مغناطیسی آن بستگی دارد مقدور میشود.
نسبت R به a را اسپکت ریتو می گویند.
خروج پسماندها
طبق شکل زیر که تصویری از سطح مقطع رآکتور می باشد نحوه کنترل و خارج کردن پسماندهای واکنش که همان هلیوم باشند را مشاهده می کنید.
واقعیت
ITER نام مجموعه ایست که اولین رآکتور همجوشی جهان را که از نوع توکامک خواهد بود در فرانسه خواهند ساخت.این مجموعه متشکل است از کشورهای: روسیه اروپا ژاپن کانادا چین ایالات متحده و جمهوری کره. آنها در این راه از ابررساناها برای قسمت های مغناطیسی رآکتور استفاده می کنند. توان خروجی این توکامک 410 مگاوات خواهد بود. یکی از کاربردهای مهم همجوشی هسته ای تبدیل ماده به ماده میباشد.
فرمول:2H+3H→1n+4He
نیروگاه اتمی
طی سال های گذشته اغلب کشورها به استفاده از این نوع انرژی هسته ای تمایل داشتند و حتی دولت ایران 15 نیروگاه اتمی به کشورهای آمریکا ، فرانسه و آلمان سفارش داده بود. ولی خوشبختانه بعد از وقوع دو حادثه مهم تری میل آیلند (Three Mile Island) در 28 مارس 1979 و فاجعه چرنوبیل (Tchernobyl) در روسیه در 26 آوریل 1986، نظر افکار عمومی نسبت به کاربرد اتم برای تولید انرژی تغییر کرد و ترس و وحشت از جنگ اتمی و به خصوص امکان تهیه بمب اتمی در جهان سوم، کشورهای غربی را موقتا مجبور به تجدید نظر در برنامه های اتمی خود کرد.
نیروگاه اتمی چیست؟
نیروگاه اتمی در واقع یک بمب اتمی است که به کمک میله های مهارکننده و خروج دمای درونی به وسیله مواد خنک کننده مثل آب و گاز ، تحت کنترل درآمده است. اگر روزی این میله ها و یا پمپ های انتقال دهنده مواد خنک کننده وظیفه خود را درست انجام ندهند، سوانح متعددی به وجود می آید و حتی ممکن است نیروگاه نیز منفجر شود، مانند فاجعه نیروگاه چرنوبیل شوروی سابق.
ساختار نیروگاه اتمی:
نیروگاه اتمی از مواد مختلفی شکل گرفته است که همه آنها نقش اساسی و مهم در تعادل و ادامه حیات آن را دارند. این مواد عبارت اند از:
· ماده سوخت:
ماده سوخت متشکل از اورانیوم طبیعی ، اورانیوم غنی شده ، اورانیوم و پلوتونیم است. که سوختن اورانیوم بر اساس واکنش شکافت هسته‌ای صورت می گیرد.
· نرم کننده ها:
نرم کننده ها موادی هستند که برخورد نوترون های حاصل از شکست با آنها الزامی است و برای کم کردن انرژی این نوترون ها به کار می روند. زیرا احتمال واکنش شکست پی در پی به ازای نوترون های کم انرژی بیشتر می شود. آب سنگین (D2O) یا زغال سنگ «گرافیت) به عنوان نرم کننده نوترون به کار برده می شوند.
· میله های مهارکننده:
این میله ها از مواد جاذب نوترون درست شده اند و وجود آنها در داخل راکتور اتمی الزامی است و مانع افزایش ناگهانی تعداد نوترون ها در قلب رآکتور می شوند. اگر این میله ها کار اصلی خود را انجام ندهند، در زمانی کمتر از چند هزارم ثانیه قدرت راکتور چند برابر شده و حالت انفجاری یا دیورژانس راکتور پیش می آید. این میله ها می توانند از جنس عنصر کادمیم و یا بور باشند.
· مواد خنک کننده یا انتقال دهنده انرژی حرارتی:br> این مواد انرژی حاصل از شکست اورانیوم را به خارج از راکتور انتقال داده و توربین های مولد برق را به حرکت در می آورند و پس از خنک شدن مجدداً به داخل راکتور برمی گردند. البته مواد در مدار بسته و محدودی عمل می کنند و با خارج از محیط رآکتور تماسی ندارند. این مواد می توانند گاز CO2 ، آب ، آب سنگین، هلیم گازی و یا سدیم مذاب باشند.
طرز کار نیروگاه اتمی:
· عمل سوختن اورانیوم در داخل نیروگاه اتمی متفاوت از سوختن زغال یا هر نوع سوخت فسیلی دیگر است. در این پدیده با ورود یک نوترون کم انرژی به داخل هسته ایزوتوپ اورانیوم 235 عمل شکست انجام می گیرد و انرژی فراوانی تولید می کند. بعد از ورود نوترون به درون هسته اتم ، ناپایداری در هسته به وجود آمده و بعد از لحظه بسیار کوتاهی هسته اتم شکسته شده و تبدیل به دو تکه شکست و تعدادی نوترون می شود.
· به طور متوسط تعداد نوترون ها به ازای هر 100 اتم شکسته شده 247 عدد است و این نوترون ها اتم های دیگر را می شکنند و اگر کنترلی در مهار کردن تعداد آنها نباشد واکنش شکست در داخل توده اورانیوم به صورت زنجیره ای انجام می شود که در زمانی بسیار کوتاه منجر به انفجار شدیدی خواهد شد. در واقع ورود نوترون به درون هسته اتم اورانیوم و شکسته شدن آن توام با انتشار انرژی معادل با Mev200 میلیون الکترون ولت است.
· این مقدار انرژی در سطح اتمی بسیار ناچیز ولی در مورد یک گرم از اورانیوم در حدود صدها هزار مگاوات است. که اگر به صورت زنجیره ای انجام شود، در کمتر از هزارم ثانیه مشابه بمب اتمی عمل خواهد کرد. اما اگر تعداد شکست ها را در توده اورانیوم و طی زمان محدود کرده به نحوی که به ازای هر شکست، اتم بعدی شکست حاصل کند شرایط یک نیروگاه اتمی به وجود می آید.
نمونه عملی:
نیروگاهی که دارای 10 تن اورانیوم طبیعی است قدرتی معادل با 100 مگاوات خواهد داشت و به طور متوسط 105 گرم اورانیوم 235 در روز در این نیروگاه شکسته می شود و همان طور که قبلاً گفته شد در اثر جذب نوترون به وسیله ایزوتوپ اورانیوم 238 اورانیوم 239 به وجود می آمد که بعد از دو بار انتشار ذرات بتا (یا الکترون) به پلتونیوم 239 تبدیل می شود که خود مانند اورانیوم 235 شکست پذیر است. در این عمل 70 گرم پلتونیوم حاصل می شود.
ولی اگر نیروگاه سورژنراتور باشد و تعداد نوترون های موجود در نیروگاه زیاد باشند مقدار جذب به مراتب بیشتر از این خواهد بود و مقدار پلتونیوم های به وجود آمده از مقدار آنهایی که شکسته می شوند بیشتر خواهند بود. در چنین حالتی بعد از پیاده کردن میله های سوخت می توان پلتونیوم به وجود آمده را از اورانیوم و فرآورده های شکست را به کمک واکنش های شیمیایی بسیار ساده جدا و به منظور تهیه بمب اتمی ذخیره کرد.
ایزوتوپهای قابل دسترس اورانیوم
سنگ معدن اورانیوم موجود در طبیعت از دو ایزوتوپ اورانیوم 234 به مقدار 0.7 درصد و اورانیوم 238 به مقدار 3.99 درصد تشکیل شده است. سنگ معدن را ابتدا در اسید حل کرده و بعد از تخلیص فلز، اورانیوم را به صورت ترکیب با اتم فلئور (F9) و به صورت مولکول اورانیوم هکزا فلوراید تبدیل می کنند که به حالت گازی است. سرعت متوسط مولکول های گازی با جرم مولکولی گاز نسبت عکس دارد.
غنی سازی اورانیوم با دیفوزیون گازی
گراهان در سال 1864 پدیده ای 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 می کنند. در عمل اورانیوم هکزا فلوراید طبیعی گازی شکل را از ستون هایی که جدار آنها از اجسام متخلخل (خلل و فرج دار) درست شده است عبور می دهند.
غنی سازی اورتنیوم از طریق میدان مغناطیسی
ضریب جداسازی متناسب با اختلاف جرم مولکول ها است. روش غنی سازی اورانیوم تقریباً مطابق همین اصولی است که در اینجا گفته شد. با وجود این می توان به خوبی حدس زد که پرخرج ترین مرحله تهیه سوخت اتمی همین مرحله غنی سازی ایزوتوپ ها است زیرا از هر هزاران کیلو سنگ معدن اورانیوم 140 کیلوگرم اورانیوم طبیعی به دست می آید که فقط یک کیلوگرم اورانیوم 235 خالص در آن وجود دارد.
یکی از روش های غنی سازی اورانیم استفاده از میدان مغناطیسی بسیار قوی می باشد. در این روش ابتدا اورانیم هگزا فلوئورید را حرارت می دهند تا تبخیر شود. از طریق تبخیر، اتم های اورانیم و فلوئورید از هم تفکیک می شوند. در این حالت، اتم های اورانیم را به میدان مغناطیسی بسیار قوی هدایت می کنند. میدان مغناطیسی بر هسته های باردار اورانیم نیرو وارد می کند ( این نیرو به نیروی لورنتس معروف می باشد)، و اتم های اورانیم را از مسیر مستقیم خود منحرف می کند. اما هسته های سنگین اورانیم (اورانیم238) نسبت به هسته های سبک تر(اورانیم 235) انحراف کمتری دارند، و درنتیجه از این طریق می توان اورانیم 235 را از اورانیم طبیعی تفکیک کرد.
کاربردهای اورانیوم غنی شده
· شرایطی ایجاد کرده اند که نسبت اورانیوم 235 به اورانیوم 238 را به 5 درصد می رساند. برای این کار و تخلیص کامل اورانیوم از سانتریفوژهای بسیار قوی استفاده می کنند.
· 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 اورانیوم 235 صددرصد خالص نیاز است. در صنایع نظامی از این روش استفاده نمی شود و بمب های اتمی را از پلوتونیوم 239 که سنتز و تخلیص شیمیایی آن بسیار ساده تر است تهیه می کنند.
نحوه تولید سوخت پلوتونیوم رادیواکتیو
این عنصر ناپایدار را در نیروگاه های بسیار قوی می سازند که تعداد نوترون های موجود در آنها از صدها هزار میلیارد نوترون در ثانیه در سانتیمتر مربع تجاوز می کند. عملاً کلیه بمب های اتمی موجود در زراد خانه های جهان از این عنصر درست می شود.
روش ساخت این عنصر در داخل نیروگاه های هسته ای به این صورت که ایزوتوپ های اورانیوم 238 شکست پذیر نیستند ولی جاذب نوترون کم انرژی (نوترون حرارتی) هستند.
تعدادی از نوترون های حاصل از شکست اورانیوم 235 را جذب می کنند و تبدیل به اورانیوم 239 می شوند. این ایزوتوپ از اورانیوم بسیار ناپایدار است و در کمتر از ده ساعت تمام اتم های به وجود آمده تخریب می شوند. در درون هسته پایدار اورانیوم 239 یکی از نوترون ها خودبه خود به پروتون و یک الکترون تبدیل می شود.
بنابراین تعداد پروتون ها یکی اضافه شده و عنصر جدید را که 93 پروتون دارد نپتونیم می نامند که این عنصر نیز ناپایدار است که یکی از نوترون های آن خود به خود به پروتون تبدیل شده و در نتیجه به تعداد پروتون ها یکی اضافه شده و عنصر جدید پلوتونیم را که 94 پروتون دارد ایجاد می کنند. این کار حدودا در مدت یک هفته صورت می گیرد.
برای بهینه سازی کار رآکتورهای همجوشی و افزایش توان خروجی آنها راههای متعددی وجود دارد.یکی از این راهها انتخاب نوع واکنشیست که قرار است در رآکتور انجام بشود.
ظبق تصویر زیر نوعی از واکنش همجوشی بصورتیست که در آن دو هسته سبک با یکدیگر واکنش داده و یک هسته سنگین تر را بوجود میاورند.یعنی حاصل ترکیب دو هسته دوتریم و تولید یک هسته ترتیم به علاوه یک هسته هیدروژن معمولیست. این واکنش انرژی ده می باشد.چون تفاوت انرژی بستگی هسته سنگین تر وهسته های سبکتر مقداری منفیست.
در این واکنش مقدار انرژی ای تولیدی برابر4MeVمی باشد.
قبلا گفته شد که باید برای انجام همجوشی هسته ها به اندازه کافی به هم نزدیک بشوند.این مقدار کافی حدودا معادل3fmمی باشد.چون در این فاصله ها انرژی پتانسیل الکترواسناتیکی دو دوترون در حدود 0.5MeVهست پس می توانیم با این مقدار انرژی دادن به یکی از دوترونها دافعه کولنی بین دوترونها ر شکسته و واکنش را شروع کنیم که بعد از انجام مقدار4.5MeVتولید می شود.(0.5MeVانرژی جنبشی به علاوه 4MeVانرژی آزاد شده)
می توانیم رآکتور خود را طوری طراحی کنیم که دور دیواره بیرونی آن لیتیم مایع تحت فشار جریان داشته باشد.این لیتیم مایع گرمای تولیدی اضافی را از واکنش گرفته و به آب منتقل می کند و با تبدیل آن به بخار باعث می شود که توربین و ژنراتور به حرکت درآیند و برق تولید بشود.
اما چرا لیتیم؟
قبلا دیدید که مقرون به صرفه ترین واکنش در رآکتور همجوشی واکنش دوتریم . ترتیم است.در این واکنش دیدید که یک نوترون پر انرژی تولید می شد.این مساله یعنی نوترون زایی می تواند سبب تضعیف بخشهایی از رآکتور شود.از طرفی برای محیط زیست و مخصوصا سلامتی کسانی که در اطراف رآکتور فعالیت می کنند بسیار مضر است.اما اگر لیتیم را به عنوان خنک کننده داشته باشیم این جریان لیتیم همچنین نقش مهم کند کنندگی را بازی خواهد کرد.به این صورت که با نوترون اضافی تولید شده در واکنش ترکیب شده و سوخت گران قیمت و بسیار کمیاب رآکتور رو که همان ترتیم است تولید می کند.واکنش دقیق آن به شکل زیر است.البته در این مورد باید ضخامت لیتیم مایع در جریان حداقل یک متر باشد.
انواع رآکتور
توکامک یکی از انواع رآکتورهای همجوشی هسته ایست که عمل محصورسازی را به خوبی انجام میدهد.طرح توکامک در دهه پنجاه میلادی توسط روسها پیشنهاد شد. واژه توکامک از واژه های "toroidalnaya", "kamera", and "magnitnaya" به معنی " اتاقک مغناطیسی چنبره ای" گرفته شده است.
یکی از دلایل و توجیحاتی که برای چنبره ای بودن محفظه های محصور سازی می شود بیان کرد این است که : توپ پر مویی را تصور کنید که شما قصد دارید موهای این توپ را شانه بزنید. شما هر طور و از هر طرف که بخواهید این کار بکنید همیشه دو طرف از موهای توپ شانه نشده و نامنظم باقی می ماند.حال به جای توپ فرض کنید که یک کره مغناطیسی داریم .میخواهیم که بردارهای میدان در سراسر اطراف این کره یکنواخت و منظم باشند(در واقع همه در یک جهت باشند).بنا به مثال این کار غیر ممکن بوده ونا منظمی در دو طرف کره باعث عدم پایداری محصور ساز می شود.ولی در یک محصور ساز چنبره ای چنین مشکلی وجود ندارد و یکنواختی میدان سراسر محصور ساز(توکامک)باعث پایداری آن می شود.مهم ترین و حیاتی ترین وظیفه یک ابزار همجوشی پایدار نگه داشتن پلاسما است.
اسفرومک
اسفرومک نوع دیگری از رآکتورهای همجوشیست که بر خلاف توکامک که چنبره ایست شکلی کروی دارد.البته تفاوت اسفرومک با توکامک در این است که در مرکز اسفرومک هیچ جسم مادی ای وجود ندارد.
اسفرومک متاسفانه با بی مهری مواجه شد و به اندازه توکامک مورد توجه واقع نشد.در حالی که اسفرومک مدت زیادی بعد از توکامک اختراع شد.
در دهه گذشته اغلب تحقیقات در بخش انرژی همجوشی مغناطیسی روی توکامک چنبره ای شکل برای رسیدن به واکنشهای همجوشی در سطح بالا متمرکز شده است.
کار توکامک در ایالات متحده وخارج آن ادامه دارد ولی سازمان دانشمندان انرژی همجوشی در حال بازدید از اسفرومک هستند.
قسمت زیادی از علاقه تجدید شده به پروژه اسفرومک روی تحقیقات فعالی در لاورنس لیورمور در گروهی به نام SSPX (Sustained Spheromak Physics Experiment) متمرکز شده است.SSPX در 14ژوئن 1999 در مراسمی با حضور نماینده ای از DOE و با همکاری دانشمندانی از Sandia و آزمایشگاه ملی لس آلاموس آغاز به کار کرد.SSPX یک سری از از آزمایشات است که برای این طراحی شده که توانایی اسفرومک را در این مورد که اسفرومک چقدر این کیفیت را داراست که پلاسما های داغ سوخت همجوشی را درون خود داشته باشد مشخص کند .
به عقیده رهبر پروژه SSPX آقای David Hill توکامک با دمای بالایی که در آن قابل دسترسیست (بیشتر از 100میلیون درجه سلسیوس که بارها بیشتر از دمای مرکز خورشید است)فعلا برنده جریان رهبری پروژه های همجوشی به حساب می آید.با این حال میدانهای مغناطیسی توکامک بوسیله کویل (سیم پیچ) های بیرونی بسیار بزرگ که چنبره رآکتور را کاملا احاطه می کنند تولید می شوند.این کویل های بسیار بزرگ هزینه بسیار زیاد و بی نظمی و اختلالاتی در کار رآکتور خواهند داشت.
در حالی که اسفرومک ها پلاسمای بسیار داغ را در یک سیستم میدان مغناطیسی ساده و فشرده که فقط از یک سری ساده از کویل های کوچک پایدار کننده استفاده میکند بوجود می آورد.میدانهای مغناطیسی قوی لازم درون پلاسما با چیزی که دینام مغناطیسی نامیده می شود تولید می شوند.
انرژی‌ده کردن
می دانید درنوعی از رآکتورهای شکافت هسته ای بوجود آوردن زنجیره واکنشها بوسیله برخورد دادن یک نوترون پر انرژی با هسته یک اتم اورانیم235 انجام می شود.به این صورت که وقتی که این نوترون وارد هسته اتم اورانیوم235 می شود آن را به یک هسته اورانیم236 تبدیل میکند.از آنجا که این هسته ناپایدار است به سرعت واپاشی می کرده و اتمهای سبکتری به همراه سه نوترون پر انرژی دیگر را تولید می کند.
توضیح کاملتر اینکه در هسته های سنگین پایدار مثل اورانیوم بین نیروهای الکترواستاتیکی که مایل هستند ذرات تشکیل دهنده اتم را از هم دور کنند و نیروی هسته ای که آنها را کنار هم نگه میدارد تعادل بسیار حساسی وجود دارد که این تعادل رو می توانیم براحتی و به روشی که گفته شد به هم زده و واکنش شکافت هسته ای را شروع کنیم.واکنش حاصل از یک اتم با تولید کردن سه نوترون پر انرژی دیگر باعث میشود سه اتم اورانیم دیگر وارد واپاشی بشوند.به همین ترتیب واکنش اصطلاحا زنجیره ای میشود.
قدر مسلم یک رآکتور همجوشی ایده آل رآکتوریست که در آن واکنشهای زنجیره ای داریم. در واقع هدف اساسی در راه ساخت رآکتور همجوشی هسته ای زنجیره ای کردن آن است.اگر قرار باشد که ما در این راه انرژی صرف کنیم تا یک مقدار کمتر از آن را بدست بیاوریم مطمئنا این واکنش نه زنجیره ایست نه مفید.دانشمندان این رشته مفهومی به نام گیرانش را تعریف کرده اند که به معنی این است که مقداری انرژی صرف شروع واکنش کنیم و انرژی بیشتر از سلسله واکنشها بگیریم.در واقع در شرایط گیرانش واکنش زنجیره ای میشود.یعنی نه تنها انرژی تولیدی یک واکنش برای انجام واکنش بعد کافیست بلکه مقدار زیادی از آن هم اضافه است ومیتواند در اختیار ما برای تولید برق قرار بگیرد.
اگر بخواهیم توکامک یا هر وسیله دیگر که همجوشی در آن انجام می شود توان مفید داشته باشد یعنی به ما انرژی بدهد باید شرایط خاصی داشته باشد. برای آنکه احتمال برخورد ذرات(یونهای) نامزد همجوشی بالا برود اولا باید دمای خیلی بالایی درون آن تولید بشود و رآکتور هم بتواند بخوبی دمای بالا را تحمل کند.(این دما در محدوده ده به توان هشت درجه کلوین می باشد!)دوما رآکتور باید این توانایی را داشته باشد که درونش چگالی زیاد از یونها را وارد کرد و سوم اینکه زمان محصور سازی در آن طولانی باشد.
دمای بالا برای آن است که بتوانیم تقریبا مطمئن باشیم که می توانیم از سد محکم پتانسیل کولنی هسته ها بگذریم.چگالی زیاد هم برای این است که هر چه بیشتر احتمال برخورد های کارا بالا برود.
در این مسیر قانونی وجود دارد که نام آن معیار لاوسون است.به کمک این معیار می شود محاسبه کرد که آیا شرایط طوری هست که واکنش به گیرانش برسد یا نه.
معیار لاوسن = باید: مقدار چگالی*مدت زمان محصور سازی > ده به توان20ذره در متر مکعب باشد تا این واکنش به گیرانش برسد(البته بستگی مستقیم با دمای پلاسما دارد)
اما به طور دقیق تر:
برای رسیدن به شرایط مطلوب درواکنشهای گرما هسته ای که در آنها از سوخت دوتریم - ترتیم استفاده می شود دمای پلاسما (T) باید در محدوده یک الی سه ضرب در ده به توان هشت درجه کلوین و زمان محصورسازی(تی ای)(تی اندیس E) باید در حدود یک الی سه ثانیه و چگالی (n) باید حوالی یک الی سه ضرب در ده به توان بیست ذره بر متر مکعب باشد.برای آغاز به کار رآکتور یعنی برای رسیدن به کمینه دمای حدود ده به توان هشت کلوین باید از وسیله گرما ساز کمکی استفاده کرد. بعد از محترق شدن سوخت مخلوط پلاسما با ذرات آلفایی که در اثر احتراق اولیه بوجود اومده اند گرم شده و می توانیم دستگاه کمکی را از مدار خارج کنیم.از آن به بعد سرعت فعالیتهای همجوشی با افزایش دادن چگالی پلاسما افزایش پیدا می کند.با این وجود افزایش چگالی به بالای مرزهای تعیین شده و مطمئن به معنی به هم خوردن پایداری پلاسما و یا اینکه خاموش شدن رآکتور را در پی خواهد داشت یا فاجعه.به عبارت دیگه (در صورت افزایش چگالی پلاسما) برای پایدار کردن پلاسما زمان محصور سازی و دمای احتراق و صد البته حجم پلاسما و نقطه پایداری پلاسما با افزایش چگالی بالا تر رفته و شرایط را برای کار سخت تر می کند. به حالت تعادل در آوردن این ملزمات با شکل بندی رآکتور در کوچکترین اسپکت ریتو که به شکل بندی مغناطیسی آن بستگی دارد مقدور میشود.
نسبت R به a را اسپکت ریتو می گویند.
خروج پسماندها
طبق شکل زیر که تصویری از سطح مقطع رآکتور می باشد نحوه کنترل و خارج کردن پسماندهای واکنش که همان هلیوم باشند را مشاهده می کنید.
واقعیت
ITER نام مجموعه ایست که اولین رآکتور همجوشی جهان را که از نوع توکامک خواهد بود در فرانسه خواهند ساخت.این مجموعه متشکل است از کشورهای: روسیه اروپا ژاپن کانادا چین ایالات متحده و جمهوری کره. آنها در این راه از ابررساناها برای قسمت های مغناطیسی رآکتور استفاده می کنند. توان خروجی این توکامک 410 مگاوات خواهد بود. یکی از کاربردهای مهم همجوشی هسته ای تبدیل ماده به ماده میباشد.
فرمول:2H+3H→1n+4He
نیروگاه اتمی
طی سال های گذشته اغلب کشورها به استفاده از این نوع انرژی هسته ای تمایل داشتند و حتی دولت ایران 15 نیروگاه اتمی به کشورهای آمریکا ، فرانسه و آلمان سفارش داده بود. ولی خوشبختانه بعد از وقوع دو حادثه مهم تری میل آیلند (Three Mile Island) در 28 مارس 1979 و فاجعه چرنوبیل (Tchernobyl) در روسیه در 26 آوریل 1986، نظر افکار عمومی نسبت به کاربرد اتم برای تولید انرژی تغییر کرد و ترس و وحشت از جنگ اتمی و به خصوص امکان تهیه بمب اتمی در جهان سوم، کشورهای غربی را موقتا مجبور به تجدید نظر در برنامه های اتمی خود کرد.
نیروگاه اتمی چیست؟
نیروگاه اتمی در واقع یک بمب اتمی است که به کمک میله های مهارکننده و خروج دمای درونی به وسیله مواد خنک کننده مثل آب و گاز ، تحت کنترل درآمده است. اگر روزی این میله ها و یا پمپ های انتقال دهنده مواد خنک کننده وظیفه خود را درست انجام ندهند، سوانح متعددی به وجود می آید و حتی ممکن است نیروگاه نیز منفجر شود، مانند فاجعه نیروگاه چرنوبیل شوروی سابق.
ساختار نیروگاه اتمی:
نیروگاه اتمی از مواد مختلفی شکل گرفته است که همه آنها نقش اساسی و مهم در تعادل و ادامه حیات آن را دارند. این مواد عبارت اند از:
· ماده سوخت:
ماده سوخت متشکل از اورانیوم طبیعی ، اورانیوم غنی شده ، اورانیوم و پلوتونیم است. که سوختن اورانیوم بر اساس واکنش شکافت هسته‌ای صورت می گیرد.
· نرم کننده ها:
نرم کننده ها موادی هستند که برخورد نوترون های حاصل از شکست با آنها الزامی است و برای کم کردن انرژی این نوترون ها به کار می روند. زیرا احتمال واکنش شکست پی در پی به ازای نوترون های کم انرژی بیشتر می شود. آب سنگین (D2O) یا زغال سنگ «گرافیت) به عنوان نرم کننده نوترون به کار برده می شوند.
· میله های مهارکننده:
این میله ها از مواد جاذب نوترون درست شده اند و وجود آنها در داخل راکتور اتمی الزامی است و مانع افزایش ناگهانی تعداد نوترون ها در قلب رآکتور می شوند. اگر این میله ها کار اصلی خود را انجام ندهند، در زمانی کمتر از چند هزارم ثانیه قدرت راکتور چند برابر شده و حالت انفجاری یا دیورژانس راکتور پیش می آید. این میله ها می توانند از جنس عنصر کادمیم و یا بور باشند.
· مواد خنک کننده یا انتقال دهنده انرژی حرارتی:br> این مواد انرژی حاصل از شکست اورانیوم را به خارج از راکتور انتقال داده و توربین های مولد برق را به حرکت در می آورند و پس از خنک شدن مجدداً به داخل راکتور برمی گردند. البته مواد در مدار بسته و محدودی عمل می کنند و با خارج از محیط رآکتور تماسی ندارند. این مواد می توانند گاز CO2 ، آب ، آب سنگین، هلیم گازی و یا سدیم مذاب باشند.
طرز کار نیروگاه اتمی:
· عمل سوختن اورانیوم در داخل نیروگاه اتمی متفاوت از سوختن زغال یا هر نوع سوخت فسیلی دیگر است. در این پدیده با ورود یک نوترون کم انرژی به داخل هسته ایزوتوپ اورانیوم 235 عمل شکست انجام می گیرد و انرژی فراوانی تولید می کند. بعد از ورود نوترون به درون هسته اتم ، ناپایداری در هسته به وجود آمده و بعد از لحظه بسیار کوتاهی هسته اتم شکسته شده و تبدیل به دو تکه شکست و تعدادی نوترون می شود.
· به طور متوسط تعداد نوترون ها به ازای هر 100 اتم شکسته شده 247 عدد است و این نوترون ها اتم های دیگر را می شکنند و اگر کنترلی در مهار کردن تعداد آنها نباشد واکنش شکست در داخل توده اورانیوم به صورت زنجیره ای انجام می شود که در زمانی بسیار کوتاه منجر به انفجار شدیدی خواهد شد. در واقع ورود نوترون به درون هسته اتم اورانیوم و شکسته شدن آن توام با انتشار انرژی معادل با Mev200 میلیون الکترون ولت است.
· این مقدار انرژی در سطح اتمی بسیار ناچیز ولی در مورد یک گرم از اورانیوم در حدود صدها هزار مگاوات است. که اگر به صورت زنجیره ای انجام شود، در کمتر از هزارم ثانیه مشابه بمب اتمی عمل خواهد کرد. اما اگر تعداد شکست ها را در توده اورانیوم و طی زمان محدود کرده به نحوی که به ازای هر شکست، اتم بعدی شکست حاصل کند شرایط یک نیروگاه اتمی به وجود می آید.
نمونه عملی:
نیروگاهی که دارای 10 تن اورانیوم طبیعی است قدرتی معادل با 100 مگاوات خواهد داشت و به طور متوسط 105 گرم اورانیوم 235 در روز در این نیروگاه شکسته می شود و همان طور که قبلاً گفته شد در اثر جذب نوترون به وسیله ایزوتوپ اورانیوم 238 اورانیوم 239 به وجود می آمد که بعد از دو بار انتشار ذرات بتا (یا الکترون) به پلتونیوم 239 تبدیل می شود که خود مانند اورانیوم 235 شکست پذیر است. در این عمل 70 گرم پلتونیوم حاصل می شود.
ولی اگر نیروگاه سورژنراتور باشد و تعداد نوترون های موجود در نیروگاه زیاد باشند مقدار جذب به مراتب بیشتر از این خواهد بود و مقدار پلتونیوم های به وجود آمده از مقدار آنهایی که شکسته می شوند بیشتر خواهند بود. در چنین حالتی بعد از پیاده کردن میله های سوخت می توان پلتونیوم به وجود آمده را از اورانیوم و فرآورده های شکست را به کمک واکنش های شیمیایی بسیار ساده جدا و به منظور تهیه بمب اتمی ذخیره کرد.
ایزوتوپهای قابل دسترس اورانیوم
سنگ معدن اورانیوم موجود در طبیعت از دو ایزوتوپ اورانیوم 234 به مقدار 0.7 درصد و اورانیوم 238 به مقدار 3.99 درصد تشکیل شده است. سنگ معدن را ابتدا در اسید حل کرده و بعد از تخلیص فلز، اورانیوم را به صورت ترکیب با اتم فلئور (F9) و به صورت مولکول اورانیوم هکزا فلوراید تبدیل می کنند که به حالت گازی است. سرعت متوسط مولکول های گازی با جرم مولکولی گاز نسبت عکس دارد.
غنی سازی اورانیوم با دیفوزیون گازی
گراهان در سال 1864 پدیده ای 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 می کنند. در عمل اورانیوم هکزا فلوراید طبیعی گازی شکل را از ستون هایی که جدار آنها از اجسام متخلخل (خلل و فرج دار) درست شده است عبور می دهند.
غنی سازی اورتنیوم از طریق میدان مغناطیسی
ضریب جداسازی متناسب با اختلاف جرم مولکول ها است. روش غنی سازی اورانیوم تقریباً مطابق همین اصولی است که در اینجا گفته شد. با وجود این می توان به خوبی حدس زد که پرخرج ترین مرحله تهیه سوخت اتمی همین مرحله غنی سازی ایزوتوپ ها است زیرا از هر هزاران کیلو سنگ معدن اورانیوم 140 کیلوگرم اورانیوم طبیعی به دست می آید که فقط یک کیلوگرم اورانیوم 235 خالص در آن وجود دارد.
یکی از روش های غنی سازی اورانیم استفاده از میدان مغناطیسی بسیار قوی می باشد. در این روش ابتدا اورانیم هگزا فلوئورید را حرارت می دهند تا تبخیر شود. از طریق تبخیر، اتم های اورانیم و فلوئورید از هم تفکیک می شوند. در این حالت، اتم های اورانیم را به میدان مغناطیسی بسیار قوی هدایت می کنند. میدان مغناطیسی بر هسته های باردار اورانیم نیرو وارد می کند ( این نیرو به نیروی لورنتس معروف می باشد)، و اتم های اورانیم را از مسیر مستقیم خود منحرف می کند. اما هسته های سنگین اورانیم (اورانیم238) نسبت به هسته های سبک تر(اورانیم 235) انحراف کمتری دارند، و درنتیجه از این طریق می توان اورانیم 235 را از اورانیم طبیعی تفکیک کرد.
کاربردهای اورانیوم غنی شده
· شرایطی ایجاد کرده اند که نسبت اورانیوم 235 به اورانیوم 238 را به 5 درصد می رساند. برای این کار و تخلیص کامل اورانیوم از سانتریفوژهای بسیار قوی استفاده می کنند.
· 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 اورانیوم 235 صددرصد خالص نیاز است. در صنایع نظامی از این روش استفاده نمی شود و بمب های اتمی را از پلوتونیوم 239 که سنتز و تخلیص شیمیایی آن بسیار ساده تر است تهیه می کنند.
نحوه تولید سوخت پلوتونیوم رادیواکتیو
این عنصر ناپایدار را در نیروگاه های بسیار قوی می سازند که تعداد نوترون های موجود در آنها از صدها هزار میلیارد نوترون در ثانیه در سانتیمتر مربع تجاوز می کند. عملاً کلیه بمب های اتمی موجود در زراد خانه های جهان از این عنصر درست می شود.
روش ساخت این عنصر در داخل نیروگاه های هسته ای به این صورت که ایزوتوپ های اورانیوم 238 شکست پذیر نیستند ولی جاذب نوترون کم انرژی (نوترون حرارتی) هستند.
تعدادی از نوترون های حاصل از شکست اورانیوم 235 را جذب می کنند و تبدیل به اورانیوم 239 می شوند. این ایزوتوپ از اورانیوم بسیار ناپایدار است و در کمتر از ده ساعت تمام اتم های به وجود آمده تخریب می شوند. در درون هسته پایدار اورانیوم 239 یکی از نوترون ها خودبه خود به پروتون و یک الکترون تبدیل می شود.
بنابراین تعداد پروتون ها یکی اضافه شده و عنصر جدید را که 93 پروتون دارد نپتونیم می نامند که این عنصر نیز ناپایدار است که یکی از نوترون های آن خود به خود به پروتون تبدیل شده و در نتیجه به تعداد پروتون ها یکی اضافه شده و عنصر جدید پلوتونیم را که 94 پروتون دارد ایجاد می کنند. این کار حدودا در مدت یک هفته صورت می گیرد.
توکامک یکی از انواع رآکتورهای همجوشی هسته ایست که عمل محصورسازی را به خوبی انجام میدهد.طرح توکامک در دهه پنجاه میلادی توسط روسها پیشنهاد شد. واژه توکامک از واژه های "toroidalnaya", "kamera", and "magnitnaya" به معنی " اتاقک مغناطیسی چنبره ای" گرفته شده است.
یکی از دلایل و توجیحاتی که برای چنبره ای بودن محفظه های محصور سازی می شود بیان کرد این است که : توپ پر مویی را تصور کنید که شما قصد دارید موهای این توپ را شانه بزنید. شما هر طور و از هر طرف که بخواهید این کار بکنید همیشه دو طرف از موهای توپ شانه نشده و نامنظم باقی می ماند.حال به جای توپ فرض کنید که یک کره مغناطیسی داریم .میخواهیم که بردارهای میدان در سراسر اطراف این کره یکنواخت و منظم باشند(در واقع همه در یک جهت باشند).بنا به مثال این کار غیر ممکن بوده ونا منظمی در دو طرف کره باعث عدم پایداری محصور ساز می شود.ولی در یک محصور ساز چنبره ای چنین مشکلی وجود ندارد و یکنواختی میدان سراسر محصور ساز(توکامک)باعث پایداری آن می شود.مهم ترین و حیاتی ترین وظیفه یک ابزار همجوشی پایدار نگه داشتن پلاسما است.
اسفرومک
اسفرومک نوع دیگری از رآکتورهای همجوشیست که بر خلاف توکامک که چنبره ایست شکلی کروی دارد.البته تفاوت اسفرومک با توکامک در این است که در مرکز اسفرومک هیچ جسم مادی ای وجود ندارد.
اسفرومک متاسفانه با بی مهری مواجه شد و به اندازه توکامک مورد توجه واقع نشد.در حالی که اسفرومک مدت زیادی بعد از توکامک اختراع شد.
در دهه گذشته اغلب تحقیقات در بخش انرژی همجوشی مغناطیسی روی توکامک چنبره ای شکل برای رسیدن به واکنشهای همجوشی در سطح بالا متمرکز شده است.
کار توکامک در ایالات متحده وخارج آن ادامه دارد ولی سازمان دانشمندان انرژی همجوشی در حال بازدید از اسفرومک هستند.
قسمت زیادی از علاقه تجدید شده به پروژه اسفرومک روی تحقیقات فعالی در لاورنس لیورمور در گروهی به نام SSPX (Sustained Spheromak Physics Experiment) متمرکز شده است.SSPX در 14ژوئن 1999 در مراسمی با حضور نماینده ای از DOE و با همکاری دانشمندانی از Sandia و آزمایشگاه ملی لس آلاموس آغاز به کار کرد.SSPX یک سری از از آزمایشات است که برای این طراحی شده که توانایی اسفرومک را در این مورد که اسفرومک چقدر این کیفیت را داراست که پلاسما های داغ سوخت همجوشی را درون خود داشته باشد مشخص کند .
به عقیده رهبر پروژه SSPX آقای David Hill توکامک با دمای بالایی که در آن قابل دسترسیست (بیشتر از 100میلیون درجه سلسیوس که بارها بیشتر از دمای مرکز خورشید است)فعلا برنده جریان رهبری پروژه های همجوشی به حساب می آید.با این حال میدانهای مغناطیسی توکامک بوسیله کویل (سیم پیچ) های بیرونی بسیار بزرگ که چنبره رآکتور را کاملا احاطه می کنند تولید می شوند.این کویل های بسیار بزرگ هزینه بسیار زیاد و بی نظمی و اختلالاتی در کار رآکتور خواهند داشت.
در حالی که اسفرومک ها پلاسمای بسیار داغ را در یک سیستم میدان مغناطیسی ساده و فشرده که فقط از یک سری ساده از کویل های کوچک پایدار کننده استفاده میکند بوجود می آورد.میدانهای مغناطیسی قوی لازم درون پلاسما با چیزی که دینام مغناطیسی نامیده می شود تولید می شوند.
انرژی‌ده کردن
می دانید درنوعی از رآکتورهای شکافت هسته ای بوجود آوردن زنجیره واکنشها بوسیله برخورد دادن یک نوترون پر انرژی با هسته یک اتم اورانیم235 انجام می شود.به این صورت که وقتی که این نوترون وارد هسته اتم اورانیوم235 می شود آن را به یک هسته اورانیم236 تبدیل میکند.از آنجا که این هسته ناپایدار است به سرعت واپاشی می کرده و اتمهای سبکتری به همراه سه نوترون پر انرژی دیگر را تولید می کند.
توضیح کاملتر اینکه در هسته های سنگین پایدار مثل اورانیوم بین نیروهای الکترواستاتیکی که مایل هستند ذرات تشکیل دهنده اتم را از هم دور کنند و نیروی هسته ای که آنها را کنار هم نگه میدارد تعادل بسیار حساسی وجود دارد که این تعادل رو می توانیم براحتی و به روشی که گفته شد به هم زده و واکنش شکافت هسته ای را شروع کنیم.واکنش حاصل از یک اتم با تولید کردن سه نوترون پر انرژی دیگر باعث میشود سه اتم اورانیم دیگر وارد واپاشی بشوند.به همین ترتیب واکنش اصطلاحا زنجیره ای میشود.
قدر مسلم یک رآکتور همجوشی ایده آل رآکتوریست که در آن واکنشهای زنجیره ای داریم. در واقع هدف اساسی در راه ساخت رآکتور همجوشی هسته ای زنجیره ای کردن آن است.اگر قرار باشد که ما در این راه انرژی صرف کنیم تا یک مقدار کمتر از آن را بدست بیاوریم مطمئنا این واکنش نه زنجیره ایست نه مفید.دانشمندان این رشته مفهومی به نام گیرانش را تعریف کرده اند که به معنی این است که مقداری انرژی صرف شروع واکنش کنیم و انرژی بیشتر از سلسله واکنشها بگیریم.در واقع در شرایط گیرانش واکنش زنجیره ای میشود.یعنی نه تنها انرژی تولیدی یک واکنش برای انجام واکنش بعد کافیست بلکه مقدار زیادی از آن هم اضافه است ومیتواند در اختیار ما برای تولید برق قرار بگیرد.
اگر بخواهیم توکامک یا هر وسیله دیگر که همجوشی در آن انجام می شود توان مفید داشته باشد یعنی به ما انرژی بدهد باید شرایط خاصی داشته باشد. برای آنکه احتمال برخورد ذرات(یونهای) نامزد همجوشی بالا برود اولا باید دمای خیلی بالایی درون آن تولید بشود و رآکتور هم بتواند بخوبی دمای بالا را تحمل کند.(این دما در محدوده ده به توان هشت درجه کلوین می باشد!)دوما رآکتور باید این توانایی را داشته باشد که درونش چگالی زیاد از یونها را وارد کرد و سوم اینکه زمان محصور سازی در آن طولانی باشد.
دمای بالا برای آن است که بتوانیم تقریبا مطمئن باشیم که می توانیم از سد محکم پتانسیل کولنی هسته ها بگذریم.چگالی زیاد هم برای این است که هر چه بیشتر احتمال برخورد های کارا بالا برود.
در این مسیر قانونی وجود دارد که نام آن معیار لاوسون است.به کمک این معیار می شود محاسبه کرد که آیا شرایط طوری هست که واکنش به گیرانش برسد یا نه.
معیار لاوسن = باید: مقدار چگالی*مدت زمان محصور سازی > ده به توان20ذره در متر مکعب باشد تا این واکنش به گیرانش برسد(البته بستگی مستقیم با دمای پلاسما دارد)
اما به طور دقیق تر:
برای رسیدن به شرایط مطلوب درواکنشهای گرما هسته ای که در آنها از سوخت دوتریم - ترتیم استفاده می شود دمای پلاسما (T) باید در محدوده یک الی سه ضرب در ده به توان هشت درجه کلوین و زمان محصورسازی(تی ای)(تی اندیس E) باید در حدود یک الی سه ثانیه و چگالی (n) باید حوالی یک الی سه ضرب در ده به توان بیست ذره بر متر مکعب باشد.برای آغاز به کار رآکتور یعنی برای رسیدن به کمینه دمای حدود ده به توان هشت کلوین باید از وسیله گرما ساز کمکی استفاده کرد. بعد از محترق شدن سوخت مخلوط پلاسما با ذرات آلفایی که در اثر احتراق اولیه بوجود اومده اند گرم شده و می توانیم دستگاه کمکی را از مدار خارج کنیم.از آن به بعد سرعت فعالیتهای همجوشی با افزایش دادن چگالی پلاسما افزایش پیدا می کند.با این وجود افزایش چگالی به بالای مرزهای تعیین شده و مطمئن به معنی به هم خوردن پایداری پلاسما و یا اینکه خاموش شدن رآکتور را در پی خواهد داشت یا فاجعه.به عبارت دیگه (در صورت افزایش چگالی پلاسما) برای پایدار کردن پلاسما زمان محصور سازی و دمای احتراق و صد البته حجم پلاسما و نقطه پایداری پلاسما با افزایش چگالی بالا تر رفته و شرایط را برای کار سخت تر می کند. به حالت تعادل در آوردن این ملزمات با شکل بندی رآکتور در کوچکترین اسپکت ریتو که به شکل بندی مغناطیسی آن بستگی دارد مقدور میشود.
نسبت R به a را اسپکت ریتو می گویند.
خروج پسماندها
طبق شکل زیر که تصویری از سطح مقطع رآکتور می باشد نحوه کنترل و خارج کردن پسماندهای واکنش که همان هلیوم باشند را مشاهده می کنید.
واقعیت
ITER نام مجموعه ایست که اولین رآکتور همجوشی جهان را که از نوع توکامک خواهد بود در فرانسه خواهند ساخت.این مجموعه متشکل است از کشورهای: روسیه اروپا ژاپن کانادا چین ایالات متحده و جمهوری کره. آنها در این راه از ابررساناها برای قسمت های مغناطیسی رآکتور استفاده می کنند. توان خروجی این توکامک 410 مگاوات خواهد بود. یکی از کاربردهای مهم همجوشی هسته ای تبدیل ماده به ماده میباشد.
فرمول:2H+3H→1n+4He
نیروگاه اتمی
طی سال های گذشته اغلب کشورها به استفاده از این نوع انرژی هسته ای تمایل داشتند و حتی دولت ایران 15 نیروگاه اتمی به کشورهای آمریکا ، فرانسه و آلمان سفارش داده بود. ولی خوشبختانه بعد از وقوع دو حادثه مهم تری میل آیلند (Three Mile Island) در 28 مارس 1979 و فاجعه چرنوبیل (Tchernobyl) در روسیه در 26 آوریل 1986، نظر افکار عمومی نسبت به کاربرد اتم برای تولید انرژی تغییر کرد و ترس و وحشت از جنگ اتمی و به خصوص امکان تهیه بمب اتمی در جهان سوم، کشورهای غربی را موقتا مجبور به تجدید نظر در برنامه های اتمی خود کرد.
نیروگاه اتمی چیست؟
نیروگاه اتمی در واقع یک بمب اتمی است که به کمک میله های مهارکننده و خروج دمای درونی به وسیله مواد خنک کننده مثل آب و گاز ، تحت کنترل درآمده است. اگر روزی این میله ها و یا پمپ های انتقال دهنده مواد خنک کننده وظیفه خود را درست انجام ندهند، سوانح متعددی به وجود می آید و حتی ممکن است نیروگاه نیز منفجر شود، مانند فاجعه نیروگاه چرنوبیل شوروی سابق.
ساختار نیروگاه اتمی:
نیروگاه اتمی از مواد مختلفی شکل گرفته است که همه آنها نقش اساسی و مهم در تعادل و ادامه حیات آن را دارند. این مواد عبارت اند از:
· ماده سوخت:
ماده سوخت متشکل از اورانیوم طبیعی ، اورانیوم غنی شده ، اورانیوم و پلوتونیم است. که سوختن اورانیوم بر اساس واکنش شکافت هسته‌ای صورت می گیرد.
· نرم کننده ها:
نرم کننده ها موادی هستند که برخورد نوترون های حاصل از شکست با آنها الزامی است و برای کم کردن انرژی این نوترون ها به کار می روند. زیرا احتمال واکنش شکست پی در پی به ازای نوترون های کم انرژی بیشتر می شود. آب سنگین (D2O) یا زغال سنگ «گرافیت) به عنوان نرم کننده نوترون به کار برده می شوند.
· میله های مهارکننده:
این میله ها از مواد جاذب نوترون درست شده اند و وجود آنها در داخل راکتور اتمی الزامی است و مانع افزایش ناگهانی تعداد نوترون ها در قلب رآکتور می شوند. اگر این میله ها کار اصلی خود را انجام ندهند، در زمانی کمتر از چند هزارم ثانیه قدرت راکتور چند برابر شده و حالت انفجاری یا دیورژانس راکتور پیش می آید. این میله ها می توانند از جنس عنصر کادمیم و یا بور باشند.
· مواد خنک کننده یا انتقال دهنده انرژی حرارتی:br> این مواد انرژی حاصل از شکست اورانیوم را به خارج از راکتور انتقال داده و توربین های مولد برق را به حرکت در می آورند و پس از خنک شدن مجدداً به داخل راکتور برمی گردند. البته مواد در مدار بسته و محدودی عمل می کنند و با خارج از محیط رآکتور تماسی ندارند. این مواد می توانند گاز CO2 ، آب ، آب سنگین، هلیم گازی و یا سدیم مذاب باشند.
طرز کار نیروگاه اتمی:
· عمل سوختن اورانیوم در داخل نیروگاه اتمی متفاوت از سوختن زغال یا هر نوع سوخت فسیلی دیگر است. در این پدیده با ورود یک نوترون کم انرژی به داخل هسته ایزوتوپ اورانیوم 235 عمل شکست انجام می گیرد و انرژی فراوانی تولید می کند. بعد از ورود نوترون به درون هسته اتم ، ناپایداری در هسته به وجود آمده و بعد از لحظه بسیار کوتاهی هسته اتم شکسته شده و تبدیل به دو تکه شکست و تعدادی نوترون می شود.
· به طور متوسط تعداد نوترون ها به ازای هر 100 اتم شکسته شده 247 عدد است و این نوترون ها اتم های دیگر را می شکنند و اگر کنترلی در مهار کردن تعداد آنها نباشد واکنش شکست در داخل توده اورانیوم به صورت زنجیره ای انجام می شود که در زمانی بسیار کوتاه منجر به انفجار شدیدی خواهد شد. در واقع ورود نوترون به درون هسته اتم اورانیوم و شکسته شدن آن توام با انتشار انرژی معادل با Mev200 میلیون الکترون ولت است.
· این مقدار انرژی در سطح اتمی بسیار ناچیز ولی در مورد یک گرم از اورانیوم در حدود صدها هزار مگاوات است. که اگر به صورت زنجیره ای انجام شود، در کمتر از هزارم ثانیه مشابه بمب اتمی عمل خواهد کرد. اما اگر تعداد شکست ها را در توده اورانیوم و طی زمان محدود کرده به نحوی که به ازای هر شکست، اتم بعدی شکست حاصل کند شرایط یک نیروگاه اتمی به وجود می آید.
نمونه عملی:
نیروگاهی که دارای 10 تن اورانیوم طبیعی است قدرتی معادل با 100 مگاوات خواهد داشت و به طور متوسط 105 گرم اورانیوم 235 در روز در این نیروگاه شکسته می شود و همان طور که قبلاً گفته شد در اثر جذب نوترون به وسیله ایزوتوپ اورانیوم 238 اورانیوم 239 به وجود می آمد که بعد از دو بار انتشار ذرات بتا (یا الکترون) به پلتونیوم 239 تبدیل می شود که خود مانند اورانیوم 235 شکست پذیر است. در این عمل 70 گرم پلتونیوم حاصل می شود.
ولی اگر نیروگاه سورژنراتور باشد و تعداد نوترون های موجود در نیروگاه زیاد باشند مقدار جذب به مراتب بیشتر از این خواهد بود و مقدار پلتونیوم های به وجود آمده از مقدار آنهایی که شکسته می شوند بیشتر خواهند بود. در چنین حالتی بعد از پیاده کردن میله های سوخت می توان پلتونیوم به وجود آمده را از اورانیوم و فرآورده های شکست را به کمک واکنش های شیمیایی بسیار ساده جدا و به منظور تهیه بمب اتمی ذخیره کرد.
ایزوتوپهای قابل دسترس اورانیوم
سنگ معدن اورانیوم موجود در طبیعت از دو ایزوتوپ اورانیوم 234 به مقدار 0.7 درصد و اورانیوم 238 به مقدار 3.99 درصد تشکیل شده است. سنگ معدن را ابتدا در اسید حل کرده و بعد از تخلیص فلز، اورانیوم را به صورت ترکیب با اتم فلئور (F9) و به صورت مولکول اورانیوم هکزا فلوراید تبدیل می کنند که به حالت گازی است. سرعت متوسط مولکول های گازی با جرم مولکولی گاز نسبت عکس دارد.
غنی سازی اورانیوم با دیفوزیون گازی
گراهان در سال 1864 پدیده ای 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 می کنند. در عمل اورانیوم هکزا فلوراید طبیعی گازی شکل را از ستون هایی که جدار آنها از اجسام متخلخل (خلل و فرج دار) درست شده است عبور می دهند.
غنی سازی اورتنیوم از طریق میدان مغناطیسی
ضریب جداسازی متناسب با اختلاف جرم مولکول ها است. روش غنی سازی اورانیوم تقریباً مطابق همین اصولی است که در اینجا گفته شد. با وجود این می توان به خوبی حدس زد که پرخرج ترین مرحله تهیه سوخت اتمی همین مرحله غنی سازی ایزوتوپ ها است زیرا از هر هزاران کیلو سنگ معدن اورانیوم 140 کیلوگرم اورانیوم طبیعی به دست می آید که فقط یک کیلوگرم اورانیوم 235 خالص در آن وجود دارد.
یکی از روش های غنی سازی اورانیم استفاده از میدان مغناطیسی بسیار قوی می باشد. در این روش ابتدا اورانیم هگزا فلوئورید را حرارت می دهند تا تبخیر شود. از طریق تبخیر، اتم های اورانیم و فلوئورید از هم تفکیک می شوند. در این حالت، اتم های اورانیم را به میدان مغناطیسی بسیار قوی هدایت می کنند. میدان مغناطیسی بر هسته های باردار اورانیم نیرو وارد می کند ( این نیرو به نیروی لورنتس معروف می باشد)، و اتم های اورانیم را از مسیر مستقیم خود منحرف می کند. اما هسته های سنگین اورانیم (اورانیم238) نسبت به هسته های سبک تر(اورانیم 235) انحراف کمتری دارند، و درنتیجه از این طریق می توان اورانیم 235 را از اورانیم طبیعی تفکیک کرد.
کاربردهای اورانیوم غنی شده
· شرایطی ایجاد کرده اند که نسبت اورانیوم 235 به اورانیوم 238 را به 5 درصد می رساند. برای این کار و تخلیص کامل اورانیوم از سانتریفوژهای بسیار قوی استفاده می کنند.
· 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 اورانیوم 235 صددرصد خالص نیاز است. در صنایع نظامی از این روش استفاده نمی شود و بمب های اتمی را از پلوتونیوم 239 که سنتز و تخلیص شیمیایی آن بسیار ساده تر است تهیه می کنند.
نحوه تولید سوخت پلوتونیوم رادیواکتیو
این عنصر ناپایدار را در نیروگاه های بسیار قوی می سازند که تعداد نوترون های موجود در آنها از صدها هزار میلیارد نوترون در ثانیه در سانتیمتر مربع تجاوز می کند. عملاً کلیه بمب های اتمی موجود در زراد خانه های جهان از این عنصر درست می شود.
روش ساخت این عنصر در داخل نیروگاه های هسته ای به این صورت که ایزوتوپ های اورانیوم 238 شکست پذیر نیستند ولی جاذب نوترون کم انرژی (نوترون حرارتی) هستند.
تعدادی از نوترون های حاصل از شکست اورانیوم 235 را جذب می کنند و تبدیل به اورانیوم 239 می شوند. این ایزوتوپ از اورانیوم بسیار ناپایدار است و در کمتر از ده ساعت تمام اتم های به وجود آمده تخریب می شوند. در درون هسته پایدار اورانیوم 239 یکی از نوترون ها خودبه خود به پروتون و یک الکترون تبدیل می شود.
بنابراین تعداد پروتون ها یکی اضافه شده و عنصر جدید را که 93 پروتون دارد نپتونیم می نامند که این عنصر نیز ناپایدار است که یکی از نوترون های آن خود به خود به پروتون تبدیل شده و در نتیجه به تعداد پروتون ها یکی اضافه شده و عنصر جدید پلوتونیم را که 94 پروتون دارد ایجاد می کنند. این کار حدودا در مدت یک هفته صورت می گیرد.
می دانید درنوعی از رآکتورهای شکافت هسته ای بوجود آوردن زنجیره واکنشها بوسیله برخورد دادن یک نوترون پر انرژی با هسته یک اتم اورانیم235 انجام می شود.به این صورت که وقتی که این نوترون وارد هسته اتم اورانیوم235 می شود آن را به یک هسته اورانیم236 تبدیل میکند.از آنجا که این هسته ناپایدار است به سرعت واپاشی می کرده و اتمهای سبکتری به همراه سه نوترون پر انرژی دیگر را تولید می کند.
توضیح کاملتر اینکه در هسته های سنگین پایدار مثل اورانیوم بین نیروهای الکترواستاتیکی که مایل هستند ذرات تشکیل دهنده اتم را از هم دور کنند و نیروی هسته ای که آنها را کنار هم نگه میدارد تعادل بسیار حساسی وجود دارد که این تعادل رو می توانیم براحتی و به روشی که گفته شد به هم زده و واکنش شکافت هسته ای را شروع کنیم.واکنش حاصل از یک اتم با تولید کردن سه نوترون پر انرژی دیگر باعث میشود سه اتم اورانیم دیگر وارد واپاشی بشوند.به همین ترتیب واکنش اصطلاحا زنجیره ای میشود.
قدر مسلم یک رآکتور همجوشی ایده آل رآکتوریست که در آن واکنشهای زنجیره ای داریم. در واقع هدف اساسی در راه ساخت رآکتور همجوشی هسته ای زنجیره ای کردن آن است.اگر قرار باشد که ما در این راه انرژی صرف کنیم تا یک مقدار کمتر از آن را بدست بیاوریم مطمئنا این واکنش نه زنجیره ایست نه مفید.دانشمندان این رشته مفهومی به نام گیرانش را تعریف کرده اند که به معنی این است که مقداری انرژی صرف شروع واکنش کنیم و انرژی بیشتر از سلسله واکنشها بگیریم.در واقع در شرایط گیرانش واکنش زنجیره ای میشود.یعنی نه تنها انرژی تولیدی یک واکنش برای انجام واکنش بعد کافیست بلکه مقدار زیادی از آن هم اضافه است ومیتواند در اختیار ما برای تولید برق قرار بگیرد.
اگر بخواهیم توکامک یا هر وسیله دیگر که همجوشی در آن انجام می شود توان مفید داشته باشد یعنی به ما انرژی بدهد باید شرایط خاصی داشته باشد. برای آنکه احتمال برخورد ذرات(یونهای) نامزد همجوشی بالا برود اولا باید دمای خیلی بالایی درون آن تولید بشود و رآکتور هم بتواند بخوبی دمای بالا را تحمل کند.(این دما در محدوده ده به توان هشت درجه کلوین می باشد!)دوما رآکتور باید این توانایی را داشته باشد که درونش چگالی زیاد از یونها را وارد کرد و سوم اینکه زمان محصور سازی در آن طولانی باشد.
دمای بالا برای آن است که بتوانیم تقریبا مطمئن باشیم که می توانیم از سد محکم پتانسیل کولنی هسته ها بگذریم.چگالی زیاد هم برای این است که هر چه بیشتر احتمال برخورد های کارا بالا برود.
در این مسیر قانونی وجود دارد که نام آن معیار لاوسون است.به کمک این معیار می شود محاسبه کرد که آیا شرایط طوری هست که واکنش به گیرانش برسد یا نه.
معیار لاوسن = باید: مقدار چگالی*مدت زمان محصور سازی > ده به توان20ذره در متر مکعب باشد تا این واکنش به گیرانش برسد(البته بستگی مستقیم با دمای پلاسما دارد)
اما به طور دقیق تر:
برای رسیدن به شرایط مطلوب درواکنشهای گرما هسته ای که در آنها از سوخت دوتریم - ترتیم استفاده می شود دمای پلاسما (T) باید در محدوده یک الی سه ضرب در ده به توان هشت درجه کلوین و زمان محصورسازی(تی ای)(تی اندیس E) باید در حدود یک الی سه ثانیه و چگالی (n) باید حوالی یک الی سه ضرب در ده به توان بیست ذره بر متر مکعب باشد.برای آغاز به کار رآکتور یعنی برای رسیدن به کمینه دمای حدود ده به توان هشت کلوین باید از وسیله گرما ساز کمکی استفاده کرد. بعد از محترق شدن سوخت مخلوط پلاسما با ذرات آلفایی که در اثر احتراق اولیه بوجود اومده اند گرم شده و می توانیم دستگاه کمکی را از مدار خارج کنیم.از آن به بعد سرعت فعالیتهای همجوشی با افزایش دادن چگالی پلاسما افزایش پیدا می کند.با این وجود افزایش چگالی به بالای مرزهای تعیین شده و مطمئن به معنی به هم خوردن پایداری پلاسما و یا اینکه خاموش شدن رآکتور را در پی خواهد داشت یا فاجعه.به عبارت دیگه (در صورت افزایش چگالی پلاسما) برای پایدار کردن پلاسما زمان محصور سازی و دمای احتراق و صد البته حجم پلاسما و نقطه پایداری پلاسما با افزایش چگالی بالا تر رفته و شرایط را برای کار سخت تر می کند. به حالت تعادل در آوردن این ملزمات با شکل بندی رآکتور در کوچکترین اسپکت ریتو که به شکل بندی مغناطیسی آن بستگی دارد مقدور میشود.
نسبت R به a را اسپکت ریتو می گویند.
خروج پسماندها
طبق شکل زیر که تصویری از سطح مقطع رآکتور می باشد نحوه کنترل و خارج کردن پسماندهای واکنش که همان هلیوم باشند را مشاهده می کنید.
واقعیت
ITER نام مجموعه ایست که اولین رآکتور همجوشی جهان را که از نوع توکامک خواهد بود در فرانسه خواهند ساخت.این مجموعه متشکل است از کشورهای: روسیه اروپا ژاپن کانادا چین ایالات متحده و جمهوری کره. آنها در این راه از ابررساناها برای قسمت های مغناطیسی رآکتور استفاده می کنند. توان خروجی این توکامک 410 مگاوات خواهد بود. یکی از کاربردهای مهم همجوشی هسته ای تبدیل ماده به ماده میباشد.
فرمول:2H+3H→1n+4He
نیروگاه اتمی
طی سال های گذشته اغلب کشورها به استفاده از این نوع انرژی هسته ای تمایل داشتند و حتی دولت ایران 15 نیروگاه اتمی به کشورهای آمریکا ، فرانسه و آلمان سفارش داده بود. ولی خوشبختانه بعد از وقوع دو حادثه مهم تری میل آیلند (Three Mile Island) در 28 مارس 1979 و فاجعه چرنوبیل (Tchernobyl) در روسیه در 26 آوریل 1986، نظر افکار عمومی نسبت به کاربرد اتم برای تولید انرژی تغییر کرد و ترس و وحشت از جنگ اتمی و به خصوص امکان تهیه بمب اتمی در جهان سوم، کشورهای غربی را موقتا مجبور به تجدید نظر در برنامه های اتمی خود کرد.
نیروگاه اتمی چیست؟
نیروگاه اتمی در واقع یک بمب اتمی است که به کمک میله های مهارکننده و خروج دمای درونی به وسیله مواد خنک کننده مثل آب و گاز ، تحت کنترل درآمده است. اگر روزی این میله ها و یا پمپ های انتقال دهنده مواد خنک کننده وظیفه خود را درست انجام ندهند، سوانح متعددی به وجود می آید و حتی ممکن است نیروگاه نیز منفجر شود، مانند فاجعه نیروگاه چرنوبیل شوروی سابق.
ساختار نیروگاه اتمی:
نیروگاه اتمی از مواد مختلفی شکل گرفته است که همه آنها نقش اساسی و مهم در تعادل و ادامه حیات آن را دارند. این مواد عبارت اند از:
· ماده سوخت:
ماده سوخت متشکل از اورانیوم طبیعی ، اورانیوم غنی شده ، اورانیوم و پلوتونیم است. که سوختن اورانیوم بر اساس واکنش شکافت هسته‌ای صورت می گیرد.
· نرم کننده ها:
نرم کننده ها موادی هستند که برخورد نوترون های حاصل از شکست با آنها الزامی است و برای کم کردن انرژی این نوترون ها به کار می روند. زیرا احتمال واکنش شکست پی در پی به ازای نوترون های کم انرژی بیشتر می شود. آب سنگین (D2O) یا زغال سنگ «گرافیت) به عنوان نرم کننده نوترون به کار برده می شوند.
· میله های مهارکننده:
این میله ها از مواد جاذب نوترون درست شده اند و وجود آنها در داخل راکتور اتمی الزامی است و مانع افزایش ناگهانی تعداد نوترون ها در قلب رآکتور می شوند. اگر این میله ها کار اصلی خود را انجام ندهند، در زمانی کمتر از چند هزارم ثانیه قدرت راکتور چند برابر شده و حالت انفجاری یا دیورژانس راکتور پیش می آید. این میله ها می توانند از جنس عنصر کادمیم و یا بور باشند.
· مواد خنک کننده یا انتقال دهنده انرژی حرارتی:br> این مواد انرژی حاصل از شکست اورانیوم را به خارج از راکتور انتقال داده و توربین های مولد برق را به حرکت در می آورند و پس از خنک شدن مجدداً به داخل راکتور برمی گردند. البته مواد در مدار بسته و محدودی عمل می کنند و با خارج از محیط رآکتور تماسی ندارند. این مواد می توانند گاز CO2 ، آب ، آب سنگین، هلیم گازی و یا سدیم مذاب باشند.
طرز کار نیروگاه اتمی:
· عمل سوختن اورانیوم در داخل نیروگاه اتمی متفاوت از سوختن زغال یا هر نوع سوخت فسیلی دیگر است. در این پدیده با ورود یک نوترون کم انرژی به داخل هسته ایزوتوپ اورانیوم 235 عمل شکست انجام می گیرد و انرژی فراوانی تولید می کند. بعد از ورود نوترون به درون هسته اتم ، ناپایداری در هسته به وجود آمده و بعد از لحظه بسیار کوتاهی هسته اتم شکسته شده و تبدیل به دو تکه شکست و تعدادی نوترون می شود.
· به طور متوسط تعداد نوترون ها به ازای هر 100 اتم شکسته شده 247 عدد است و این نوترون ها اتم های دیگر را می شکنند و اگر کنترلی در مهار کردن تعداد آنها نباشد واکنش شکست در داخل توده اورانیوم به صورت زنجیره ای انجام می شود که در زمانی بسیار کوتاه منجر به انفجار شدیدی خواهد شد. در واقع ورود نوترون به درون هسته اتم اورانیوم و شکسته شدن آن توام با انتشار انرژی معادل با Mev200 میلیون الکترون ولت است.
· این مقدار انرژی در سطح اتمی بسیار ناچیز ولی در مورد یک گرم از اورانیوم در حدود صدها هزار مگاوات است. که اگر به صورت زنجیره ای انجام شود، در کمتر از هزارم ثانیه مشابه بمب اتمی عمل خواهد کرد. اما اگر تعداد شکست ها را در توده اورانیوم و طی زمان محدود کرده به نحوی که به ازای هر شکست، اتم بعدی شکست حاصل کند شرایط یک نیروگاه اتمی به وجود می آید.
نمونه عملی:
نیروگاهی که دارای 10 تن اورانیوم طبیعی است قدرتی معادل با 100 مگاوات خواهد داشت و به طور متوسط 105 گرم اورانیوم 235 در روز در این نیروگاه شکسته می شود و همان طور که قبلاً گفته شد در اثر جذب نوترون به وسیله ایزوتوپ اورانیوم 238 اورانیوم 239 به وجود می آمد که بعد از دو بار انتشار ذرات بتا (یا الکترون) به پلتونیوم 239 تبدیل می شود که خود مانند اورانیوم 235 شکست پذیر است. در این عمل 70 گرم پلتونیوم حاصل می شود.
ولی اگر نیروگاه سورژنراتور باشد و تعداد نوترون های موجود در نیروگاه زیاد باشند مقدار جذب به مراتب بیشتر از این خواهد بود و مقدار پلتونیوم های به وجود آمده از مقدار آنهایی که شکسته می شوند بیشتر خواهند بود. در چنین حالتی بعد از پیاده کردن میله های سوخت می توان پلتونیوم به وجود آمده را از اورانیوم و فرآورده های شکست را به کمک واکنش های شیمیایی بسیار ساده جدا و به منظور تهیه بمب اتمی ذخیره کرد.
ایزوتوپهای قابل دسترس اورانیوم
سنگ معدن اورانیوم موجود در طبیعت از دو ایزوتوپ اورانیوم 234 به مقدار 0.7 درصد و اورانیوم 238 به مقدار 3.99 درصد تشکیل شده است. سنگ معدن را ابتدا در اسید حل کرده و بعد از تخلیص فلز، اورانیوم را به صورت ترکیب با اتم فلئور (F9) و به صورت مولکول اورانیوم هکزا فلوراید تبدیل می کنند که به حالت گازی است. سرعت متوسط مولکول های گازی با جرم مولکولی گاز نسبت عکس دارد.
غنی سازی اورانیوم با دیفوزیون گازی
گراهان در سال 1864 پدیده ای 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 می کنند. در عمل اورانیوم هکزا فلوراید طبیعی گازی شکل را از ستون هایی که جدار آنها از اجسام متخلخل (خلل و فرج دار) درست شده است عبور می دهند.
غنی سازی اورتنیوم از طریق میدان مغناطیسی
ضریب جداسازی متناسب با اختلاف جرم مولکول ها است. روش غنی سازی اورانیوم تقریباً مطابق همین اصولی است که در اینجا گفته شد. با وجود این می توان به خوبی حدس زد که پرخرج ترین مرحله تهیه سوخت اتمی همین مرحله غنی سازی ایزوتوپ ها است زیرا از هر هزاران کیلو سنگ معدن اورانیوم 140 کیلوگرم اورانیوم طبیعی به دست می آید که فقط یک کیلوگرم اورانیوم 235 خالص در آن وجود دارد.
یکی از روش های غنی سازی اورانیم استفاده از میدان مغناطیسی بسیار قوی می باشد. در این روش ابتدا اورانیم هگزا فلوئورید را حرارت می دهند تا تبخیر شود. از طریق تبخیر، اتم های اورانیم و فلوئورید از هم تفکیک می شوند. در این حالت، اتم های اورانیم را به میدان مغناطیسی بسیار قوی هدایت می کنند. میدان مغناطیسی بر هسته های باردار اورانیم نیرو وارد می کند ( این نیرو به نیروی لورنتس معروف می باشد)، و اتم های اورانیم را از مسیر مستقیم خود منحرف می کند. اما هسته های سنگین اورانیم (اورانیم238) نسبت به هسته های سبک تر(اورانیم 235) انحراف کمتری دارند، و درنتیجه از این طریق می توان اورانیم 235 را از اورانیم طبیعی تفکیک کرد.
کاربردهای اورانیوم غنی شده
· شرایطی ایجاد کرده اند که نسبت اورانیوم 235 به اورانیوم 238 را به 5 درصد می رساند. برای این کار و تخلیص کامل اورانیوم از سانتریفوژهای بسیار قوی استفاده می کنند.
· 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 اورانیوم 235 صددرصد خالص نیاز است. در صنایع نظامی از این روش استفاده نمی شود و بمب های اتمی را از پلوتونیوم 239 که سنتز و تخلیص شیمیایی آن بسیار ساده تر است تهیه می کنند.
نحوه تولید سوخت پلوتونیوم رادیواکتیو
این عنصر ناپایدار را در نیروگاه های بسیار قوی می سازند که تعداد نوترون های موجود در آنها از صدها هزار میلیارد نوترون در ثانیه در سانتیمتر مربع تجاوز می کند. عملاً کلیه بمب های اتمی موجود در زراد خانه های جهان از این عنصر درست می شود.
روش ساخت این عنصر در داخل نیروگاه های هسته ای به این صورت که ایزوتوپ های اورانیوم 238 شکست پذیر نیستند ولی جاذب نوترون کم انرژی (نوترون حرارتی) هستند.
تعدادی از نوترون های حاصل از شکست اورانیوم 235 را جذب می کنند و تبدیل به اورانیوم 239 می شوند. این ایزوتوپ از اورانیوم بسیار ناپایدار است و در کمتر از ده ساعت تمام اتم های به وجود آمده تخریب می شوند. در درون هسته پایدار اورانیوم 239 یکی از نوترون ها خودبه خود به پروتون و یک الکترون تبدیل می شود.
بنابراین تعداد پروتون ها یکی اضافه شده و عنصر جدید را که 93 پروتون دارد نپتونیم می نامند که این عنصر نیز ناپایدار است که یکی از نوترون های آن خود به خود به پروتون تبدیل شده و در نتیجه به تعداد پروتون ها یکی اضافه شده و عنصر جدید پلوتونیم را که 94 پروتون دارد ایجاد می کنند. این کار حدودا در مدت یک هفته صورت می گیرد.
ITER نام مجموعه ایست که اولین رآکتور همجوشی جهان را که از نوع توکامک خواهد بود در فرانسه خواهند ساخت.این مجموعه متشکل است از کشورهای: روسیه اروپا ژاپن کانادا چین ایالات متحده و جمهوری کره. آنها در این راه از ابررساناها برای قسمت های مغناطیسی رآکتور استفاده می کنند. توان خروجی این توکامک 410 مگاوات خواهد بود. یکی از کاربردهای مهم همجوشی هسته ای تبدیل ماده به ماده میباشد.
فرمول:2H+3H→1n+4He
نیروگاه اتمی
طی سال های گذشته اغلب کشورها به استفاده از این نوع انرژی هسته ای تمایل داشتند و حتی دولت ایران 15 نیروگاه اتمی به کشورهای آمریکا ، فرانسه و آلمان سفارش داده بود. ولی خوشبختانه بعد از وقوع دو حادثه مهم تری میل آیلند (Three Mile Island) در 28 مارس 1979 و فاجعه چرنوبیل (Tchernobyl) در روسیه در 26 آوریل 1986، نظر افکار عمومی نسبت به کاربرد اتم برای تولید انرژی تغییر کرد و ترس و وحشت از جنگ اتمی و به خصوص امکان تهیه بمب اتمی در جهان سوم، کشورهای غربی را موقتا مجبور به تجدید نظر در برنامه های اتمی خود کرد.
نیروگاه اتمی چیست؟
نیروگاه اتمی در واقع یک بمب اتمی است که به کمک میله های مهارکننده و خروج دمای درونی به وسیله مواد خنک کننده مثل آب و گاز ، تحت کنترل درآمده است. اگر روزی این میله ها و یا پمپ های انتقال دهنده مواد خنک کننده وظیفه خود را درست انجام ندهند، سوانح متعددی به وجود می آید و حتی ممکن است نیروگاه نیز منفجر شود، مانند فاجعه نیروگاه چرنوبیل شوروی سابق.
ساختار نیروگاه اتمی:
نیروگاه اتمی از مواد مختلفی شکل گرفته است که همه آنها نقش اساسی و مهم در تعادل و ادامه حیات آن را دارند. این مواد عبارت اند از:
· ماده سوخت:
ماده سوخت متشکل از اورانیوم طبیعی ، اورانیوم غنی شده ، اورانیوم و پلوتونیم است. که سوختن اورانیوم بر اساس واکنش شکافت هسته‌ای صورت می گیرد.
· نرم کننده ها:
نرم کننده ها موادی هستند که برخورد نوترون های حاصل از شکست با آنها الزامی است و برای کم کردن انرژی این نوترون ها به کار می روند. زیرا احتمال واکنش شکست پی در پی به ازای نوترون های کم انرژی بیشتر می شود. آب سنگین (D2O) یا زغال سنگ «گرافیت) به عنوان نرم کننده نوترون به کار برده می شوند.
· میله های مهارکننده:
این میله ها از مواد جاذب نوترون درست شده اند و وجود آنها در داخل راکتور اتمی الزامی است و مانع افزایش ناگهانی تعداد نوترون ها در قلب رآکتور می شوند. اگر این میله ها کار اصلی خود را انجام ندهند، در زمانی کمتر از چند هزارم ثانیه قدرت راکتور چند برابر شده و حالت انفجاری یا دیورژانس راکتور پیش می آید. این میله ها می توانند از جنس عنصر کادمیم و یا بور باشند.
· مواد خنک کننده یا انتقال دهنده انرژی حرارتی:br> این مواد انرژی حاصل از شکست اورانیوم را به خارج از راکتور انتقال داده و توربین های مولد برق را به حرکت در می آورند و پس از خنک شدن مجدداً به داخل راکتور برمی گردند. البته مواد در مدار بسته و محدودی عمل می کنند و با خارج از محیط رآکتور تماسی ندارند. این مواد می توانند گاز CO2 ، آب ، آب سنگین، هلیم گازی و یا سدیم مذاب باشند.
طرز کار نیروگاه اتمی:
· عمل سوختن اورانیوم در داخل نیروگاه اتمی متفاوت از سوختن زغال یا هر نوع سوخت فسیلی دیگر است. در این پدیده با ورود یک نوترون کم انرژی به داخل هسته ایزوتوپ اورانیوم 235 عمل شکست انجام می گیرد و انرژی فراوانی تولید می کند. بعد از ورود نوترون به درون هسته اتم ، ناپایداری در هسته به وجود آمده و بعد از لحظه بسیار کوتاهی هسته اتم شکسته شده و تبدیل به دو تکه شکست و تعدادی نوترون می شود.
· به طور متوسط تعداد نوترون ها به ازای هر 100 اتم شکسته شده 247 عدد است و این نوترون ها اتم های دیگر را می شکنند و اگر کنترلی در مهار کردن تعداد آنها نباشد واکنش شکست در داخل توده اورانیوم به صورت زنجیره ای انجام می شود که در زمانی بسیار کوتاه منجر به انفجار شدیدی خواهد شد. در واقع ورود نوترون به درون هسته اتم اورانیوم و شکسته شدن آن توام با انتشار انرژی معادل با Mev200 میلیون الکترون ولت است.
· این مقدار انرژی در سطح اتمی بسیار ناچیز ولی در مورد یک گرم از اورانیوم در حدود صدها هزار مگاوات است. که اگر به صورت زنجیره ای انجام شود، در کمتر از هزارم ثانیه مشابه بمب اتمی عمل خواهد کرد. اما اگر تعداد شکست ها را در توده اورانیوم و طی زمان محدود کرده به نحوی که به ازای هر شکست، اتم بعدی شکست حاصل کند شرایط یک نیروگاه اتمی به وجود می آید.
نمونه عملی:
نیروگاهی که دارای 10 تن اورانیوم طبیعی است قدرتی معادل با 100 مگاوات خواهد داشت و به طور متوسط 105 گرم اورانیوم 235 در روز در این نیروگاه شکسته می شود و همان طور که قبلاً گفته شد در اثر جذب نوترون به وسیله ایزوتوپ اورانیوم 238 اورانیوم 239 به وجود می آمد که بعد از دو بار انتشار ذرات بتا (یا الکترون) به پلتونیوم 239 تبدیل می شود که خود مانند اورانیوم 235 شکست پذیر است. در این عمل 70 گرم پلتونیوم حاصل می شود.
ولی اگر نیروگاه سورژنراتور باشد و تعداد نوترون های موجود در نیروگاه زیاد باشند مقدار جذب به مراتب بیشتر از این خواهد بود و مقدار پلتونیوم های به وجود آمده از مقدار آنهایی که شکسته می شوند بیشتر خواهند بود. در چنین حالتی بعد از پیاده کردن میله های سوخت می توان پلتونیوم به وجود آمده را از اورانیوم و فرآورده های شکست را به کمک واکنش های شیمیایی بسیار ساده جدا و به منظور تهیه بمب اتمی ذخیره کرد.
ایزوتوپهای قابل دسترس اورانیوم
سنگ معدن اورانیوم موجود در طبیعت از دو ایزوتوپ اورانیوم 234 به مقدار 0.7 درصد و اورانیوم 238 به مقدار 3.99 درصد تشکیل شده است. سنگ معدن را ابتدا در اسید حل کرده و بعد از تخلیص فلز، اورانیوم را به صورت ترکیب با اتم فلئور (F9) و به صورت مولکول اورانیوم هکزا فلوراید تبدیل می کنند که به حالت گازی است. سرعت متوسط مولکول های گازی با جرم مولکولی گاز نسبت عکس دارد.
غنی سازی اورانیوم با دیفوزیون گازی
گراهان در سال 1864 پدیده ای 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 می کنند. در عمل اورانیوم هکزا فلوراید طبیعی گازی شکل را از ستون هایی که جدار آنها از اجسام متخلخل (خلل و فرج دار) درست شده است عبور می دهند.
غنی سازی اورتنیوم از طریق میدان مغناطیسی
ضریب جداسازی متناسب با اختلاف جرم مولکول ها است. روش غنی سازی اورانیوم تقریباً مطابق همین اصولی است که در اینجا گفته شد. با وجود این می توان به خوبی حدس زد که پرخرج ترین مرحله تهیه سوخت اتمی همین مرحله غنی سازی ایزوتوپ ها است زیرا از هر هزاران کیلو سنگ معدن اورانیوم 140 کیلوگرم اورانیوم طبیعی به دست می آید که فقط یک کیلوگرم اورانیوم 235 خالص در آن وجود دارد.
یکی از روش های غنی سازی اورانیم استفاده از میدان مغناطیسی بسیار قوی می باشد. در این روش ابتدا اورانیم هگزا فلوئورید را حرارت می دهند تا تبخیر شود. از طریق تبخیر، اتم های اورانیم و فلوئورید از هم تفکیک می شوند. در این حالت، اتم های اورانیم را به میدان مغناطیسی بسیار قوی هدایت می کنند. میدان مغناطیسی بر هسته های باردار اورانیم نیرو وارد می کند ( این نیرو به نیروی لورنتس معروف می باشد)، و اتم های اورانیم را از مسیر مستقیم خود منحرف می کند. اما هسته های سنگین اورانیم (اورانیم238) نسبت به هسته های سبک تر(اورانیم 235) انحراف کمتری دارند، و درنتیجه از این طریق می توان اورانیم 235 را از اورانیم طبیعی تفکیک کرد.
کاربردهای اورانیوم غنی شده
· شرایطی ایجاد کرده اند که نسبت اورانیوم 235 به اورانیوم 238 را به 5 درصد می رساند. برای این کار و تخلیص کامل اورانیوم از سانتریفوژهای بسیار قوی استفاده می کنند.
· 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 اورانیوم 235 صددرصد خالص نیاز است. در صنایع نظامی از این روش استفاده نمی شود و بمب های اتمی را از پلوتونیوم 239 که سنتز و تخلیص شیمیایی آن بسیار ساده تر است تهیه می کنند.
نحوه تولید سوخت پلوتونیوم رادیواکتیو
این عنصر ناپایدار را در نیروگاه های بسیار قوی می سازند که تعداد نوترون های موجود در آنها از صدها هزار میلیارد نوترون در ثانیه در سانتیمتر مربع تجاوز می کند. عملاً کلیه بمب های اتمی موجود در زراد خانه های جهان از این عنصر درست می شود.
روش ساخت این عنصر در داخل نیروگاه های هسته ای به این صورت که ایزوتوپ های اورانیوم 238 شکست پذیر نیستند ولی جاذب نوترون کم انرژی (نوترون حرارتی) هستند.
تعدادی از نوترون های حاصل از شکست اورانیوم 235 را جذب می کنند و تبدیل به اورانیوم 239 می شوند. این ایزوتوپ از اورانیوم بسیار ناپایدار است و در کمتر از ده ساعت تمام اتم های به وجود آمده تخریب می شوند. در درون هسته پایدار اورانیوم 239 یکی از نوترون ها خودبه خود به پروتون و یک الکترون تبدیل می شود.
بنابراین تعداد پروتون ها یکی اضافه شده و عنصر جدید را که 93 پروتون دارد نپتونیم می نامند که این عنصر نیز ناپایدار است که یکی از نوترون های آن خود به خود به پروتون تبدیل شده و در نتیجه به تعداد پروتون ها یکی اضافه شده و عنصر جدید پلوتونیم را که 94 پروتون دارد ایجاد می کنند. این کار حدودا در مدت یک هفته صورت می گیرد.
نیروگاه اتمی از مواد مختلفی شکل گرفته است که همه آنها نقش اساسی و مهم در تعادل و ادامه حیات آن را دارند. این مواد عبارت اند از:
· ماده سوخت:
ماده سوخت متشکل از اورانیوم طبیعی ، اورانیوم غنی شده ، اورانیوم و پلوتونیم است. که سوختن اورانیوم بر اساس واکنش شکافت هسته‌ای صورت می گیرد.
· نرم کننده ها:
نرم کننده ها موادی هستند که برخورد نوترون های حاصل از شکست با آنها الزامی است و برای کم کردن انرژی این نوترون ها به کار می روند. زیرا احتمال واکنش شکست پی در پی به ازای نوترون های کم انرژی بیشتر می شود. آب سنگین (D2O) یا زغال سنگ «گرافیت) به عنوان نرم کننده نوترون به کار برده می شوند.
· میله های مهارکننده:
این میله ها از مواد جاذب نوترون درست شده اند و وجود آنها در داخل راکتور اتمی الزامی است و مانع افزایش ناگهانی تعداد نوترون ها در قلب رآکتور می شوند. اگر این میله ها کار اصلی خود را انجام ندهند، در زمانی کمتر از چند هزارم ثانیه قدرت راکتور چند برابر شده و حالت انفجاری یا دیورژانس راکتور پیش می آید. این میله ها می توانند از جنس عنصر کادمیم و یا بور باشند.
· مواد خنک کننده یا انتقال دهنده انرژی حرارتی:br> این مواد انرژی حاصل از شکست اورانیوم را به خارج از راکتور انتقال داده و توربین های مولد برق را به حرکت در می آورند و پس از خنک شدن مجدداً به داخل راکتور برمی گردند. البته مواد در مدار بسته و محدودی عمل می کنند و با خارج از محیط رآکتور تماسی ندارند. این مواد می توانند گاز CO2 ، آب ، آب سنگین، هلیم گازی و یا سدیم مذاب باشند.
طرز کار نیروگاه اتمی:
· عمل سوختن اورانیوم در داخل نیروگاه اتمی متفاوت از سوختن زغال یا هر نوع سوخت فسیلی دیگر است. در این پدیده با ورود یک نوترون کم انرژی به داخل هسته ایزوتوپ اورانیوم 235 عمل شکست انجام می گیرد و انرژی فراوانی تولید می کند. بعد از ورود نوترون به درون هسته اتم ، ناپایداری در هسته به وجود آمده و بعد از لحظه بسیار کوتاهی هسته اتم شکسته شده و تبدیل به دو تکه شکست و تعدادی نوترون می شود.
· به طور متوسط تعداد نوترون ها به ازای هر 100 اتم شکسته شده 247 عدد است و این نوترون ها اتم های دیگر را می شکنند و اگر کنترلی در مهار کردن تعداد آنها نباشد واکنش شکست در داخل توده اورانیوم به صورت زنجیره ای انجام می شود که در زمانی بسیار کوتاه منجر به انفجار شدیدی خواهد شد. در واقع ورود نوترون به درون هسته اتم اورانیوم و شکسته شدن آن توام با انتشار انرژی معادل با Mev200 میلیون الکترون ولت است.
· این مقدار انرژی در سطح اتمی بسیار ناچیز ولی در مورد یک گرم از اورانیوم در حدود صدها هزار مگاوات است. که اگر به صورت زنجیره ای انجام شود، در کمتر از هزارم ثانیه مشابه بمب اتمی عمل خواهد کرد. اما اگر تعداد شکست ها را در توده اورانیوم و طی زمان محدود کرده به نحوی که به ازای هر شکست، اتم بعدی شکست حاصل کند شرایط یک نیروگاه اتمی به وجود می آید.
نمونه عملی:
نیروگاهی که دارای 10 تن اورانیوم طبیعی است قدرتی معادل با 100 مگاوات خواهد داشت و به طور متوسط 105 گرم اورانیوم 235 در روز در این نیروگاه شکسته می شود و همان طور که قبلاً گفته شد در اثر جذب نوترون به وسیله ایزوتوپ اورانیوم 238 اورانیوم 239 به وجود می آمد که بعد از دو بار انتشار ذرات بتا (یا الکترون) به پلتونیوم 239 تبدیل می شود که خود مانند اورانیوم 235 شکست پذیر است. در این عمل 70 گرم پلتونیوم حاصل می شود.
ولی اگر نیروگاه سورژنراتور باشد و تعداد نوترون های موجود در نیروگاه زیاد باشند مقدار جذب به مراتب بیشتر از این خواهد بود و مقدار پلتونیوم های به وجود آمده از مقدار آنهایی که شکسته می شوند بیشتر خواهند بود. در چنین حالتی بعد از پیاده کردن میله های سوخت می توان پلتونیوم به وجود آمده را از اورانیوم و فرآورده های شکست را به کمک واکنش های شیمیایی بسیار ساده جدا و به منظور تهیه بمب اتمی ذخیره کرد.
ایزوتوپهای قابل دسترس اورانیوم
سنگ معدن اورانیوم موجود در طبیعت از دو ایزوتوپ اورانیوم 234 به مقدار 0.7 درصد و اورانیوم 238 به مقدار 3.99 درصد تشکیل شده است. سنگ معدن را ابتدا در اسید حل کرده و بعد از تخلیص فلز، اورانیوم را به صورت ترکیب با اتم فلئور (F9) و به صورت مولکول اورانیوم هکزا فلوراید تبدیل می کنند که به حالت گازی است. سرعت متوسط مولکول های گازی با جرم مولکولی گاز نسبت عکس دارد.
غنی سازی اورانیوم با دیفوزیون گازی
گراهان در سال 1864 پدیده ای 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 می کنند. در عمل اورانیوم هکزا فلوراید طبیعی گازی شکل را از ستون هایی که جدار آنها از اجسام متخلخل (خلل و فرج دار) درست شده است عبور می دهند.
غنی سازی اورتنیوم از طریق میدان مغناطیسی
ضریب جداسازی متناسب با اختلاف جرم مولکول ها است. روش غنی سازی اورانیوم تقریباً مطابق همین اصولی است که در اینجا گفته شد. با وجود این می توان به خوبی حدس زد که پرخرج ترین مرحله تهیه سوخت اتمی همین مرحله غنی سازی ایزوتوپ ها است زیرا از هر هزاران کیلو سنگ معدن اورانیوم 140 کیلوگرم اورانیوم طبیعی به دست می آید که فقط یک کیلوگرم اورانیوم 235 خالص در آن وجود دارد.
یکی از روش های غنی سازی اورانیم استفاده از میدان مغناطیسی بسیار قوی می باشد. در این روش ابتدا اورانیم هگزا فلوئورید را حرارت می دهند تا تبخیر شود. از طریق تبخیر، اتم های اورانیم و فلوئورید از هم تفکیک می شوند. در این حالت، اتم های اورانیم را به میدان مغناطیسی بسیار قوی هدایت می کنند. میدان مغناطیسی بر هسته های باردار اورانیم نیرو وارد می کند ( این نیرو به نیروی لورنتس معروف می باشد)، و اتم های اورانیم را از مسیر مستقیم خود منحرف می کند. اما هسته های سنگین اورانیم (اورانیم238) نسبت به هسته های سبک تر(اورانیم 235) انحراف کمتری دارند، و درنتیجه از این طریق می توان اورانیم 235 را از اورانیم طبیعی تفکیک کرد.
کاربردهای اورانیوم غنی شده
· شرایطی ایجاد کرده اند که نسبت اورانیوم 235 به اورانیوم 238 را به 5 درصد می رساند. برای این کار و تخلیص کامل اورانیوم از سانتریفوژهای بسیار قوی استفاده می کنند.
· 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 اورانیوم 235 صددرصد خالص نیاز است. در صنایع نظامی از این روش استفاده نمی شود و بمب های اتمی را از پلوتونیوم 239 که سنتز و تخلیص شیمیایی آن بسیار ساده تر است تهیه می کنند.
نحوه تولید سوخت پلوتونیوم رادیواکتیو
این عنصر ناپایدار را در نیروگاه های بسیار قوی می سازند که تعداد نوترون های موجود در آنها از صدها هزار میلیارد نوترون در ثانیه در سانتیمتر مربع تجاوز می کند. عملاً کلیه بمب های اتمی موجود در زراد خانه های جهان از این عنصر درست می شود.
روش ساخت این عنصر در داخل نیروگاه های هسته ای به این صورت که ایزوتوپ های اورانیوم 238 شکست پذیر نیستند ولی جاذب نوترون کم انرژی (نوترون حرارتی) هستند.
تعدادی از نوترون های حاصل از شکست اورانیوم 235 را جذب می کنند و تبدیل به اورانیوم 239 می شوند. این ایزوتوپ از اورانیوم بسیار ناپایدار است و در کمتر از ده ساعت تمام اتم های به وجود آمده تخریب می شوند. در درون هسته پایدار اورانیوم 239 یکی از نوترون ها خودبه خود به پروتون و یک الکترون تبدیل می شود.
بنابراین تعداد پروتون ها یکی اضافه شده و عنصر جدید را که 93 پروتون دارد نپتونیم می نامند که این عنصر نیز ناپایدار است که یکی از نوترون های آن خود به خود به پروتون تبدیل شده و در نتیجه به تعداد پروتون ها یکی اضافه شده و عنصر جدید پلوتونیم را که 94 پروتون دارد ایجاد می کنند. این کار حدودا در مدت یک هفته صورت می گیرد.
گراهان در سال 1864 پدیده ای 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 می کنند. در عمل اورانیوم هکزا فلوراید طبیعی گازی شکل را از ستون هایی که جدار آنها از اجسام متخلخل (خلل و فرج دار) درست شده است عبور می دهند.
ضریب جداسازی متناسب با اختلاف جرم مولکول ها است. روش غنی سازی اورانیوم تقریباً مطابق همین اصولی است که در اینجا گفته شد. با وجود این می توان به خوبی حدس زد که پرخرج ترین مرحله تهیه سوخت اتمی همین مرحله غنی سازی ایزوتوپ ها است زیرا از هر هزاران کیلو سنگ معدن اورانیوم 140 کیلوگرم اورانیوم طبیعی به دست می آید که فقط یک کیلوگرم اورانیوم 235 خالص در آن وجود دارد.
· شرایطی ایجاد کرده اند که نسبت اورانیوم 235 به اورانیوم 238 را به 5 درصد می رساند. برای این کار و تخلیص کامل اورانیوم از سانتریفوژهای بسیار قوی استفاده می کنند.
· 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 اورانیوم 235 صددرصد خالص نیاز است. در صنایع نظامی از این روش استفاده نمی شود و بمب های اتمی را از پلوتونیوم 239 که سنتز و تخلیص شیمیایی آن بسیار ساده تر است تهیه می کنند.
نحوه تولید سوخت پلوتونیوم رادیواکتیو
این عنصر ناپایدار را در نیروگاه های بسیار قوی می سازند که تعداد نوترون های موجود در آنها از صدها هزار میلیارد نوترون در ثانیه در سانتیمتر مربع تجاوز می کند. عملاً کلیه بمب های اتمی موجود در زراد خانه های جهان از این عنصر درست می شود.
روش ساخت این عنصر در داخل نیروگاه های هسته ای به این صورت که ایزوتوپ های اورانیوم 238 شکست پذیر نیستند ولی جاذب نوترون کم انرژی (نوترون حرارتی) هستند.
تعدادی از نوترون های حاصل از شکست اورانیوم 235 را جذب می کنند و تبدیل به اورانیوم 239 می شوند. این ایزوتوپ از اورانیوم بسیار ناپایدار است و در کمتر از ده ساعت تمام اتم های به وجود آمده تخریب می شوند. در درون هسته پایدار اورانیوم 239 یکی از نوترون ها خودبه خود به پروتون و یک الکترون تبدیل می شود.
بنابراین تعداد پروتون ها یکی اضافه شده و عنصر جدید را که 93 پروتون دارد نپتونیم می نامند که این عنصر نیز ناپایدار است که یکی از نوترون های آن خود به خود به پروتون تبدیل شده و در نتیجه به تعداد پروتون ها یکی اضافه شده و عنصر جدید پلوتونیم را که 94 پروتون دارد ایجاد می کنند. این کار حدودا در مدت یک هفته صورت می گیرد.
روش ساخت این عنصر در داخل نیروگاه های هسته ای به این صورت که ایزوتوپ های اورانیوم 238 شکست پذیر نیستند ولی جاذب نوترون کم انرژی (نوترون حرارتی) هستند.
تعدادی از نوترون های حاصل از شکست اورانیوم 235 را جذب می کنند و تبدیل به اورانیوم 239 می شوند. این ایزوتوپ از اورانیوم بسیار ناپایدار است و در کمتر از ده ساعت تمام اتم های به وجود آمده تخریب می شوند. در درون هسته پایدار اورانیوم 239 یکی از نوترون ها خودبه خود به پروتون و یک الکترون تبدیل می شود.
بنابراین تعداد پروتون ها یکی اضافه شده و عنصر جدید را که 93 پروتون دارد نپتونیم می نامند که این عنصر نیز ناپایدار است که یکی از نوترون های آن خود به خود به پروتون تبدیل شده و در نتیجه به تعداد پروتون ها یکی اضافه شده و عنصر جدید پلوتونیم را که 94 پروتون دارد ایجاد می کنند. این کار حدودا در مدت یک هفته صورت می گیرد.
ممممممممممممممممممممممممممممم
- اگر ایزوتوب اورانیوم 235 ( موجود در اورانیوم طبیعی ) قابل شکست نمی بود حتی با داشتن کوهی از اورانیوم طبیعی کسی نمی توانست از انرژی نهانی آن استفاده نماید. این ایزوتوپ به وسیله نوترون هایی با هر مقدار انرژی به خوبی شکسته می شود.
- فلز طبیعی اورانیوم محتوی مقادیر بسیار کمی از آن است. فقط 0.7 درصد باقیمانده درصد اورانیوم طبیعی شامل 99.3 درصد اورانیوم 238 می باشد که فقط به وسیله نوترون های سریع شکسته می شود.
- اورانیوم 238 به طور بسیار موثری نوترون های کند با انرژی یک تا ده الکترون ولت را جذب می کند.
سوخت هسته ای پلتونیوم:
- اگر نوترون های پر انرزی حاصل از شکست اورانیوم 235 را به کمک کند کننده هایی از جمله گرافیت ، آب معمولی یا آب سنگین یا مواد دیگر به این مقدار انرژی (1 تاev 10) کند کنیم، معجزه شروع می شود. هسته اورانیوم 238 چنین نوترون های آهسته ای را جذب می کند. سپس تحریک و تجزیه شده و بالاخره به پلتیونیوم با نیم عمر 24.4 سال تبدیل می شود.
- نکته قابل توجه این که اورانیوم 235 هم به وسیله نوترون های سریع و هم آهسته شکسته می شود. بدین ترتیب در حین مصرف اورانیوم 235 در راکتور ، مقدار معینی اورانیوم 238 (غیر قابل شکست در عمل ) به پلتونیوم 239 ( قابل شکست ) تبد یل می شود.
- در روش فوق در طی مصرف تدریجی اورانیوم 235 (0.7 درصد) و پلتونیوم 239 که به طور غیر راکتور هسته ای ، تبدیل مقدار قابل ملاحظه ای از اورانیوم 238 طبیعی به سوخت هسته ای مناسب ممکن می گردد.
- پلتونیوم 238 خالص یک سم قوی است و به سادگی در هوا آتش می گیرد و در حین تجزیه ذرات آلفایی با انرژی حدود Mev 5 آزاد می کند.
- ورود پلتونیوم بویژه در ارگانیسوم انسان یا حیوان خطرناک می باشد. زیرا نمی تواند به وسیله اعمال طبیعی از بدن خارج شود. پلتونیوم در بدن ، به طور شدیدی اشعه گاما ساطع کرده و باعث بیماری های تشعشعی حاد و یا حتی مرگ می شود.
کاربردهای سوخت هسته ای:
- در راکتور هسته ای از این مواد جهت تامین انرژی گداخت هسته ای وشکافت هسته های سنگین استفاده می شود.
- در نیروگاه هسته ای جهت تولید انرژی هسته ای و راه اندازی ژنراتورها ، موتورها و دیناموها به کار برده می شود.
- در صنایع نظامی کاربرد وسیعی داشته و در ساخت مهمات و سلاحهای پرقدرت از جمله انواع چاشنی ها ، راکت ها ، نارنجک ها ، زیر دریایی های هسته ای ، سفینه های فضایی ، موشکهای دور برد و بمب های هسته ای استفاده فراوان می شود.