دوهفته نامه دارالصفا

انرژي هسته اي

محبوبه كاظم زاده خوئي ـ دبير شيمي ناحيه4 تبريز

از مهمترين منابع استفاده صلح آميز از انرژي اتمي، ساخت راكتورهاي هسته اي جهت توليد برق مي باشد.راكتور هسته اي وسيله اي است كه در آن فرايند شكافت هسته اي به صورت كنترل شده انجام گيرد. در طي اين فرايند انرژي زياد آزاد مي‌گردد به نحوي كه مثلاً در اثر شكافت نيم كيلومتر اورانيوم انرژي معادل بيش از1500 تن زغال سنگ به دست مي آيد. هم اكنون در سراسر جهان، راكتورهاي متعددي در حال كار وجود دارند كه بسياري از انها براي توليد قدرت و به منظور تبديل آن به انرژي الكتريكي، پاره اي براي راندن كشتيها و زيردريايي ها، برخي براي توليد راديو ايزوتوپها و تحقيقات علمي و گونه هايي نيز براي مقاصد آزمايشي و آموزشي مورد استفاده قرار مي گيرند. در راكتورهاي هسته اي كه براي نيروگاههاي اتمي طراحي شده اند (راكتورهاي قدرت)، اتمهاي اورانيوم و پلوتونيوم توسط نوترونها شكافته مي شوند و انرژي آزاد شده گرماي لازم را براي توليد بخار ايجاد كرده و بخار حاصله براي چرخانيدن توربينهاي مولد برق بكار گرفته مي شوند.

راكتور اتمي

راكتورهاي اتمي را معمولاً بر حسب خنك كننده، كند كننده، نوع و درجه غناي سوخت در آن طبقه بندي مي‌كنند.معروفترين‌راكتورهاي ‌اتمي، راكتورهايي هستند كه از آب سبك به عنوان خنك كننده و كند كننده و اورانيوم غني شده(2 تا4 درصد اورانيوم 235) به عنوان سوخت استفاده مي كنند.

در نيروگاههاي اتمي انرژي هسته اي پس از آزاد شدن در راكتور به صورت كنترل شده اي به صورت گرما به يك سيال (معمولاً سديم مايع) انتقال داده مي‌شود و اين سيال گرم نيز در يك‌مبدل‌حرارتي‌خاص‌انرژي خود را به آب منتقل كرده و آن را به بخار تبديل مي كند بخار حاصل نيز همانند يك نيروگاه بخار معمولي باعث توليد برق مي‌گردد.

تاريخچه: به لحاظ تاريخي اولين راكتور اتمي در آمريكا بوسيله شركت »وستينگهاوس« و به منظور استفاده در زيردريايي ها ساخته شد. اين راكتور پايه اصلي و استخوان بندي تكنولوژي فعلي نيروگاههاي اتمي PWR را تشكيل داد. سپس شركت جنرال الكتريك موفق به ساخت راكتورهايي از نوع PWR گرديد. اما اولين راكتورهايي كه اختصاصاً جهت توليد برق طراحي شده، توسط شوروي و در ژوئن1945 در »آبنيسك« نزديك مسكو احداث شد كه بيشتر جنبه نمايشي داشت. توليد الكتريسيته از راكتورهاي اتمي در مقياس صنعتي در سال1956 در انگلستان آغاز گرديد.

سهم برق هسته اي در توليد برق كشورها

كشورهاي مختلف در توليد برق هسته اي روند گوناگوني داشته اند. به عنوان مثال كشور انگلستان كه تا سال1965 پيشرو در ساخت نيروگاه اتمي بود، پس از آن تاريخ، ساخت نيروگاه اتمي بود، پس از آن تاريخ، ساخت نيروگاه اتمي در اين كشور كاهش يافت، اما برعكس در آمريكا به اوج خود رسيد. كشور امريكا كه تا اواخر دهه1960 تنها17 نيروگاه اتمي ديگر ساخت و اين مسئله نشان دهنده افزايش شديد تقاضاي انرژي در آمريكا كاملاً قابل رقابت مي‌باشد.

هم اكنون فرانسه با داشتن سهم75 درصدي برق هسته‌اي از كل توليد برق خود در صدر كشورهاي جهان قرار دارد. پس از آن به ترتيب ليتواني(75 درصد)، بلژيك(75 درصد)، بلغارستان و اسلواكي(47 درصد) و سوئد(48/6 درصد) مي باشند. آمريكا نيز حدود20 درصد از توليد برق هسته اي در جهان از رشد انفجاري اواخر دهه 1960تااواسط1980برخوردار  نيست، اما كشورهاي مختلف همچنان درصدد تامين انرژي مورد نياز خود از طريق انرژي هسته اي مي باشند.

طبق پيش بيني هاي به عمل آمده روند استفاده از برق هسته اي تا دهه هاي آينده همچنان روند صعودي خواهد داشت. در اين زمينه، منطقه آسيا و اروپاي شرقي به ترتيب مناطق اصلي جهان در ساخت نيروگاه هسته اي خواهند بود. در اين راستا، ژاپن با ساخت نيروگاههاي اتمي با ظرفيت بيش از25000 مگا وات در صدر كشورها قرار دارد. پس از آن چين، كره جنوبي، قزاقستان، روماني، هند و روسيه جاي دارند. استفاده از انرژي هسته اي در كشورهاي كانادا، آرژانتين، فرانسه، آلمان، آفريقاي جنوبي، سوئيس و آمريكا تقريباً روند ثابتي را طي دو دهه آينده طي خواهد كرد.

ديدگاه اقتصادي استفاده از برق هسته اي

امروزه كشورهاي بسياري به ويژه كشورهاي اروپايي سهم قابل توجهي از برق مورد نياز خود را از انرژي هسته اي تامين مي نمايند. به طوري كه آمار نشان مي دهد از مجموع نيروگاههاي هسته اي نصب شده جهت تامين برق در جهان35 درصد به اروپاي غربي،33 درصد به آمريكاي شمالي،16/5 درصد به خاور دور،13 درصد به اروپاي شرقي و نهايتاً فقط74% به آسياي ميانه اختصاص دارد. بدون شك در توجيه ضرورت ايجاد تنوع در سيستم عرضه انرژي كشورهاي مذكور، انرژي هسته اي به عنوان يك گزينه مطمئن اقتصادي مطرح است.

در مجموع ارزيابي‌هاي اقتصادي و مطالعات به‌عمل آمده در مورد مقايسه هزينه توليد (قيمت تمام شده) برق در نيروگاههاي رايج فسيلي كشور و نيروگاه اتمي نشان مي دهد كه قيمت اين دو نوع منبع انرژي صرف‌نظر از هزينه‌هاي اجتماعي، تقريباً نزديك به هم و قابل رقابت با يكديگر هستند.

ديدگاه زيست محيطي استفاده از برق هسته اي

به جهت افزايش خطرات و نگرانيهاي تدريجي در مورد اثرات مخرب انتشار گازهاي گلخانه اي ناشي از كاربرد فرايند انرژيهاي فسيلي، واضح است كه از كاربرد انرژي هسته اي بعنوان يكي از رهيافت‌هاي زيست محيطي براي مقابله با افزايش دماي كره زمين و كاهش آلودگي محيط زيست ياد مي شود. همچنانكه آمار نشان مي دهد، در حال حاضر نيروگاههاي هسته اي جهان با ظرفيت نصب شده فعلي توانسته اند سالانه از انتشار8 درصد از گازهاي دي اكسيد كربن در فضا جلوگيري كنند كه در اين راستا تقريباً مشابه نقش نيروگاههاي آبي عمل كرده اند. در حاليكه آلودگيهاي ناشي از نيروگاههاي فسيلي سبب وقوع حوادث و مشكلات بسيار زياد بر محيط زيست و انسانها مي شود، سوخت هسته اي گازهاي سمي و مضر توليد نمي كند و مشكل زباله هاي اتمي نيز تا حد قابل قبولي رفع شده است، چرا كه در مورد مسائل پسمانداري با توجه به كم بودن حجم زباله هاي هسته اي و پيشرفتهاي علوم هسته اي بدست آمده در اين زمينه در دفن نهايي اين زباله ها در صخره هاي عميق و زيرزميني با توجه به حفاظت و استتار ايمني كامل، مشكلات موجود تا حدود زيادي از نظر فني حل شده است.

×××

استفاده از انرژي هسته‌اي به مقياس زياد بين سالهاي1939 تا19045 ميلادي در ايالات متحده آمريكا انجام شد. اين امر زير فشار جنگ جهاني دوم، به صورت نتيجه تلاشهاي مشترك تعداد زيادي از دانشمندان و مهندسان صورت گرفت. دست اندركاراني كه در ايالات متحده به اين كار اشتغال داشتند، آمريكايي، بريتانيايي و پناهندگان اروپايي كشورهايي بودند كه زير سلطه فاشيسم قرار داشتند. تلاش آنان اين بود كه قبل از آلمانيها به سلاح هسته اي دست پيدا كنند، اين سلاح هسته اي همان بمب اتمي بود.

بمب اتمي در اصل يك راكتور هسته اي كنترل نشده است كه در آن يك واكنش هسته اي بسيار وسيع در مدت يك ميليونيم ثانيه در سراسر ماده صورت مي گيرد. در اكتور هسته اي كنترل شده، شرايط به گونه اي سامان يافته اي كه انرژي حاصل از شكافت بسيار كندتر و اساساً با سرعت ثابت رها مي شود. در اين راكتور، ماده شكافت پذير به گونه اي با مواد ديگر آميخته مي شود كه به طور متوسط، فقط يك نوترون گسيل يافته از عمل شكافت موجب شكافت هسته ديگر مي شود، و واكنش زنجيري به اين طريق فقط تداوم خود را حفظ مي كند. اما در يك بمب اتمي، ماده شكافت پذير خالص است، يعني يك متعادل كننده آميخته نيست و طراحي آن به گونه اي است كه تقريباً تمام نوترونهاي گسيل يافته از هر شكافت مي‌تواند در هسته هاي ديگر شكافت ايجاد كند.

عناصر اصلي سازنده

بمب اتمي در طول جنگ جهاني دوم راكتورهاي هسته‌اي براي توليد مواد خام نوعي بمب هاي هسته اي، يعني براي ساختن239pu از235 u استفاده مي شد. هر دو اين عناصر مي توانند يك واكنش زنجيري كنترل نشده سريع ايجاد كنند. بمبهاي هسته اي يا اتمي از هر دو اين مواد ساخته مي شوند. تنها يك بمب اتمي كه از235 u ساخته شده بود، شهر هيروشيما در ژاپن را در6 آگوست سال1945 ميلادي ويران كرد. بمب ديگري كه از239 u در ساختن آن بكار برده شده بود، سه روز بعد شهر ناكازاكي كشور ژاپن را با خاك يكسان ساخت.

عواقب ناشي از بمب اتمي