انرژی هسته ای

قبل از اینكه وارد تاریخچه و شرح ماوقع و اصل موضوع «انرژی هسته ای» شویم تذكر چند نكته را لازم می دانم:
۱) اولا: كلیه مطالبی كه می آورم از روی موضوعات آزاد یا باصطلاح Open literature یا «ادبیات» باز است كه نوعا به مطالبی گفته می شود كه كاربر با اندكی جستجو در سایت ها و یا كتابخانه ها و یا مراكز مشابه می تواند به آن عكس ها یا مطالب دسترسی پیدا كند. البته این موضوع به هیچوجه از ارزش مطالب نمی كاهد زیرا سعی كرده ام با مقایسه مطالب این منابع معتبرترین و صحیح ترین آنها را انتخاب كنم.
۲) ثانیا: محاسباتی كه به صورت بحث فنی بعضاً مطرح می شود تا حد امكان و استطاعت علمی اینجانب كه بسیار اندك هم هست، صحیح نوشته شده است با این وجود بنده هیچگونه مسوولیتی در قبال صحت آنها ندارم چراكه هدفم بیشتر آشناسازی خوانندگان با موضوع انرژی هسته ای است.
۳) ثالثا: شما مسلماً با خواندن این سلسله نوشتارها لیسانس مهندسی علوم و فنون هسته ای دریافت نمی كنید اما امید هست كه حداقل آشنایی مختصری پیدا كنید و از این طریق این رشته را به عنوان رشته تحصیلی خود در سطح لیسانس یا فوق لیسانس انتخاب كنید كه در این صورت كار بسیار شایسته ای بوده و ما نیازمند آنیم و باعث اجر معنوی برای نویسنده خواهد بود.
● تاریخچه انرژی هسته ای
نقطه آغازین فكر استفاده از انرژی هسته ای آنهم بصورت ویرانگر آن از كشف شكافت هسته اورانیوم ۲۳۵ بوسیله نوترون و انجام واكنش زنجیره ای بود. به همین سادگی، یك نوترون به هسته اورانیوم شكافت پذیر برخورد می كند، به درون آن می رود تعادل و راحتی آنرا بهم می زند، هسته به سرعت به ۲ یا چندپاره تقسیم می شود و ۲ تا ۳ نوترون پرسرعت تولید می كند و بالاخره ۱۸۰ تا ۲۰۰ میلیون الكترون ولت انرژی می دهد. از نوترون های آزاد شده یكی یا بیشتر در كار ادامه شكافت شركت می كنند و به این صورت واكنش زنجیره ای تحقق می یابد.
● بحث فنی
اگر ۲۳۵گرم اورانیوم ۲۳۵ در اثر جذب نوترون شكافته شوند در آن صورت انرژی كه آزاد می شود چه مقدار است؟
پاسخ به این صورت است كه ۲۳۵ گرمU۲۳۵ به تعداد عدد آوگادرو اتم دارد (۱۰۲۳*۰۲/۶)
پس انرژی ناشی از شكافت ۱۰۶*۲۰۰*۱۹-۱۰*۶/۱*۱۰۲۳*۰۲/۶ ژول یعنی ۱۰۱۲*۲۶/۱۹تقریباً برابر ۱۰۱۳*۲ژول است و اگر فرض كنیم یك گرم TNT به میزان ۴۲۰۰ ژول انرژی می دهد این مقدار اورانیوم معادل ۱۰۹*۵ گرم تی ان تی یا kt ۱۵ كیلو تن تی ان تی می باشد.
بمبی كه در هیروشیما منجر شد به نام «پسرك كوچك» دارای قدرت حدود kt ۱۵كیلو تن بوده است بنابراین میزان ماده شكافان مصرف شده در این بمب تنها حدود ۷۰۰ گرم بوده است كه باتوجه به جرم موجود ماده شكافان در بمب كه همان اورانیوم ۲۳۵ یعنی حدود احتمالاً ۵۰ كیلوگرم اورانیوم ۲۳۵ است راندمان این بمب چیزی در حدود ۵/۱ درصد بوده است!!
پس از كشف واكنش زنجیره ای سوال مهم دیگری كه مطرح شد این بود كه آیا استفاده از این كشف برای ایجاد انرژی عظیم به منظور تاثیرگذاری برروند جنگ جهانی دوم تا چه حد عملی است.
از همان ابتدا رقابت جدی و مخفیانه بین آمریكا و آلمان به وجود آمد هر طرف سعی می كرد زودتر از دیگری به مقدار مورد نیاز از اورانیوم غنی شده جهت ساخت بمب دست یابد. اما راستی این مقدار مورد نیاز برای یك بمب چقدر است؛۱۰ كیلوگرم۱۰۰، كیلوگرم و یا مثلا ۱۰۰ تن ؟ پاسخ جرم بحرانی است.
● جرم بحرانی چیست؟
هرگاه اورانیوم ۲۳۵ شكافته شود بسته به نوع شكافت دو یا سه نوترون می دهد اگر غیر از این اتم ۲۳۵ اتم دیگری نباشد واضح است كه نوترون ها، به صورت اشعه نوترونی در فضا پرواز می كند اما اگر نزدیك این اتم، اتم های دیگر اورانیوم وجود داشته باشد ـ اتم مزبور جزئی از یك قطعه اورانیوم باشد یكی از حالات سه گانه زیر اتفاق می افتد:
۱) اگر در مجموع از هر شكافت تنها یك نوترون باعث شكافت یك اتم دیگر شود به این جرم اورانیوم «بحرانی» می گویند.
۲) اگر در مجموع كمتر از یك نوترون از نوترون های آزاد به اتم اورانیوم دیگر برخورد كند، موجب شكافت شود این جرم اورانیوم را «زیربحرانی» می نامند در اینجا تعدادی شكافت انجام می شود ولی به زودی قطع می شود.
۳) اگر در مجموع بیشتر از یك نوترون آزاد با اتم دیگر ۲۳۵ برخوردكنددر اینصورت مجموعه را «فوق بحرانی» گفته و این موجب افزایش گرما و انرژی سیستم می شود. در مورد طراحی بمب اتمی، طراح به دنبال آنست كه جرم اورانیوم بسیار فوق بحرانی باشد تا در زمان كوتاه یك میلیونیوم ثانیه حتی الامكان تمامی اتم های اورانیوم ۲۳۵ شكافته شوند.
اما برعكس در یك رآكتور اتمی برای اینكه شخص اپراتور نیروگاه بتواند به راحتی دمای رآكتور را كم یا زیاد كند لازم است میزان «فوق بحرانی» بودن اندك باشد و الا مشكل است كه یك سیستم داغ را در یك زمان كوتاه سرد نمود و بالعكس.در مورد رآكتور اپراتور با وارد كردن یا خارج كردن «میله های كنترل» به درون رآكتور سبب كنترل نوترونهای آزاد و جذب آنها شده و به این وسیله رآكتور همواره در حالت بحرانی باقی می ماند. (در آینده به محاسبه جرم بحرانی برمی گردیم)
وضعیت تاریخی تلاش دانشمندان در سراسر جهان برای دستیابی به این انرژی نوظهور تا اندازه ای در نامه های انیشتین منعكس است.
● نامه های انیشتین
▪ انیشتین ۴ نامه به فرانكلین روزولت رییس جمهور وقت آمریكا نوشت. اولین نامه وی در تاریخ دوم اوت ۱۹۳۹ به شرح ذیل است:
جناب (رییس جمهور)
متن گزارش برخی از كارهای انریكوفرمی و زیلارد به دست من رسیده است این كارها منجر به این عقیده در من گشته كه عنصر اورانیوم در آینده نزدیك تبدیل به منبع عظیمی از انرژی نوین می گردد برخی از خصوصیات وضعیت جدید اقتضاء می كند جنابعالی بذل توجه خاص نموده و در صورت امكان دولت را در این امر درگیر نمایید.
معتقدم كه این وظیفه من است نظر شما را به مطالب و سفارشات زیر جلب كنم:در طول چهار ماه گذشته با كارهایی كه «ژولیو» در فرانسه و همینطور آقای «فرمی» و آقای «زیلارد» در آمریكا انجام داده اند امكان ایجاد واكنش زنجیره ای هسته ای در مقدار زیادی اورانیوم وجود دارد كه انجام این واكنش منجر به تولید مقدار زیادی انرژی و همچنین مقدار معتنابهی عنصر جدید شبیه رادیوم (احتمالاً این عنصر جدید همان پلوتونیوم است) می گردد.
این امر اكنون تقریباً مسلم شده است كه این كار را در آینده نزدیك می توان سامان داد. این پدیده جدید می تواند منجر به ساخت بمب اتمی شود. این نكته قابل درك است اگرچه اطمینان كمتری وجود داردكه از این طریق ساخت بمبهای جدید فوق العاده قوی امكان پذیر است. اگر یكی از این بمب ها با قایق حمل شود و در یك بندر منفجر شود به خوبی می تواند آن بندر با مقداری از اراضی اطراف آن را منهدم سازد.با وجود این باید در نظر داشت كه حمل هوایی این بمب ها به لحاظ وزن سنگین آنها فوق العاده مشكل است.
در دنباله نامه انیشتین عنوان می كند كه چون ایالات متحده از نظر معادن اورانیوم غنی نیست بهتر است به كانادا - چكسلواكی - كشور غنا كه مستعمره بلژیك است توجه كند.مخصوصاً این آخری مهمترین معادن اورانیوم در آن قرار دارد: و سپس در خواست می كند كه دولت با گروه فیزیكدانان كه روی پروژه «واكنش زنجیره ای» كار می كنند تماس بیشتری داشته باشند.رابط امینی را معرفی كند كه وظایف او شامل موارد ذیل گردد.
۱) پیشنهادهای فیزیكدانان را دریافت كند واورانیوم لازم را برای اجرای طرح تامین نماید.
۲) كارهای تحقیقاتی و آزمایشگاهی را كه در حال حاضر در محدوده بودجه دانشگاه انجام می شود سرعت بخشد.
انیشتین در نامه اش چنین ادامه می دهد:من می دانم كه آلمان فروش اورانیوم معادن چكسلواكی كه استحصال شده است را متوقف كرده است.
اینكه آلمان نیز دست به كار ساخت بمب شده است را در عمل می توان مشاهده كرد زیرا (فون - وای تسكر) معاون رییس جمهوری آلمان اخیراً به مؤسسه قیصر ویلهم برلین پیوسته است. و در آنجا برخی از كارهایی كه ما اینجا انجام می دهیم آنها آنجا انجام می دهند.»
همانگونه كه از نامه انیشتین به عنوان ریش سفید فیزیكدانان و عالمان آن روزگار كه عمدتاً در آمریكا جمع شده بودند برمی آید انگیزه اصلی و اولیه آنان ساخت بمب بوده است و توجهی به استفاده صلح جویانه از این انرژی عظیم تازه كشف شده نمی نمودند. از این روی می توان گفت كه صبح فردای پایان جنگ جهانی دوم بود كه سرآغاز بكارگیری این دانش و تجربه عظیم در جهت استفاده صلح آمیز انرژی هسته ای گردید. اكنون برای چرخه سوخت استفاده ای دوگانه بوجود آمده بود.
● بحث فنی
چرخه سوخت بطور خلاصه كدام است؟
چرخه سوخت عمدتاً عبارت است از:
۱) اكتشاف و استخراج سنگ معدن اورانیوم
۲) تولید كیك زرد یا U۳O۸
۳) كارخانه تبدیل اورانیوم كه آن را به گاز هگزا فلوئور اورانیوم تبدیل می كند
۴) كارخانه غنی سازی كه یا از طریق سانتریفیوژ و یا از طریق دیفیوژن میزان U۲۳۵ را در مقایسه با U۲۳۸ افزایش می دهد.
۵) برگشت گاز غنی شده به كارخانه ۳ و تبدیل آن به اكسید اورانیوم (Uo۲)
۶) كارخانه ساخت سوخت رآكتور كه خروجی نهایی آن موجود بدیع و دقیقی به نام مجتمع سوخت (fuel assembly) می باشد.
۷) رآكتور قدرت یا تحقیقاتی
۸) بازفرآوری سوخت مصرف شده و جداسازی عنصر باارزش پلوتونیوم آن
۹) شیشه سازی یا بتونیزه كردن پسماند رادیو اكتیو و دفن آن در اعماق زمین!
▪ استفاده غیرصلح جویانه
▪ (آبی) بمب اورانیومی
▪ از نوع تفنگی (هیروشیما)
▪ (زرد) بمب پلوتونیومی (ناگازاكی)
▪ استفاده صلح جویانه
▪ مجتمع سوخت
▪ محل كاربرد: رآكتور قدرت
▪ حاوی قرص های اكسید اورانیوم
▪ با غنای كمتر از ۵ درصد

مهندس غلامحسین نیك رفتار

منبع : روزنامه ابرار اقتصادی