از استخراج سنگ اورانیوم تا تولید اترژی پاک/ مروری بر ادبیات فناوری هسته‌ای

 به گزارش خبرنگار گروه علمی «خبرگزاری دانشجو» فناوری هسته‌ای فناوری است که بر اساس واکنش‌های هسته‌ای به وجود آمده است. مبداء پیدایش این فناوری ایالات متحده امریکا است. حدود 3 قرن قبل از میلاد مسیح، دموکریت با مطالعه بر روی اشیای پیرامون خود به این نتیجه رسید که اشیا به رغم شکل ظاهری متفاوتی که دارند از ذرات بسیار ریز و غیر قابل تجزیه‌ای تشکیل شده‌اند. وی نام این ذرات را اتم گذاشت که در زبان یونانی به معنی نشکن است.

 

2 هزار سال بعد جان دالتون به این نتیجه رسید که اتم هم قابل تجزیه و شکستن است. این مسأله به صورت نظریه باقی ماند تا در سال 1927 میلادی، آلبرت انشتن فرمول E=MC به توان 2 را مطرح کرد و اذعان داشت که با شکافته شدن اتم انرژی عظیمی ایجاد می‌شود.

با کشف عنصر رادیوم توسط پیر کوری و ماری کوری گام‌های بیشتری در جهت توسعه فناوری هسته‌ای برداشته شد.

 

در ایران نیز با تاسیس نیروگاه هسته‌ای بوشهر تلاش‌هایی برای کسب این فناوری شد و با توسعه این فناوری اصطلاحات جدیدی وارد ادبیات علمی کشور شده که از آن جمله می‌توان به شکافت اتم‌ها،‌سوخت هسته‌ای، گداخت هسته‌ای، ایزوتوپ،‌ اتاق کنترل رآکتور اشاره کرد. هر کدام از این اصطلاحات معانی و کاربردهای ویژه‌ای دارند که برای آشنایی با این اصطلاحات این گزارش ارائه می‌شود.

 

 

دستگاهی برای انجام واکنش‌های هسته‌ای به صورت تنظیم شده و تحت کنترل است. این دستگاه در اندازه‌های آزمایشگاهی برای تولید ایزوتوپ‌های ویژه مواد پرتوزا  چون رادیواکتیو و همچنین  پرتو داروها برای مصارف پزشکی و آزمایشگاهی و در اندازه‌های صنعتی برای تولید برق ساخته می‌شوند.

 

 

همه مواد از ذرات بسیار ریز و غیر قابل رویتی به نام اتم تشکیل شده‌اند.در مرکز هر اتم هسته‌ای وجود دارد که الکترون‌ها در مدارهای مختلف به دور آن در حال چرخش هستند. هر هسته هم از پروتون و نوترون تشکیل شده است. تعداد پروتون‌های موجود در هسته تمامی اتم‌های یک عنصر یکسان است ولی تعداد نوترون‌های هسته می‌تواند بدون ایجاد تغیییر شیمیایی در عنصر متفاوت باشد.

 

 

به تعداد پروتون‌ها در اتم «عدد اتمی» می گویند و اتم‌های یک عنصر که عدد اتمی یکسان و عدد جرمی متفاوت دارند یعنی در تعداد نوترون ها اختلاف دارند ایزوتوپ های آن عنصر می‌نامند.

 

 

اتاق کنترل راکتور سیستمی برای کنترل راکتور است که با استفاده از این سیستم قادر است با استفاده از استاندارها راکتور مورد نظر را کنترل و نظارت کرد.

 

 شکافت و گداخت هسته‌ای

 

واکنش‌هایی که در یک راکتور انجام می‌گیرد به دو دسته گداخت هسته‌ای و شکافت هسته‌ای تقسیم می‌شود. شکافت هسته‌ای فرآیندی است که می‌توان هسته یک اتم را با یک نوترون به دو جز کوچکتر تقسیم کردبه این معنا که هسته یک اتم توسط یک نوترون به دو بخش کوچکتر تقسیم می‌شود.

 

در گداخت هسته‌ای نیز دوتریوم و ترتیوم ترکیب شده و تبدیل به هلیوم می‌شوند و با استفاده از دو اتم کوچکتر که معمولا هیدورژن با ایزوتوپ‌های هیدورژن (مانند دوتریوم و تریتیوم) هستند، یک اتم بزرگ مثل هلیوم یا ایزوتوپ‌های آن را تشکیل داد. این همان شیوه‌ای است که در خورشید و ستارگان برای تولید انرژی به کار می‌رود.

 

کیک زرد یا Yellowcake خاک معدنی اورانیوم است که پس از گذراندن مراحل تصفیه و پردازش‌های لازم از سنگ معدنی آن تهیه می‌شود. به عبارت دیگر عنوانی است که به اکسید اورانیوم تغلیظ شده داده می‌شود. از این مواد برای تهیه اورانیوم غنی‌شده استفاده می‌شود که عموما برای تهیه سوخت رآکتور هسته‌ای کاربرد دارد.

 

 

سوخت رآکتورهای هسته‌ای باید تحمل کافی در برابر شکافت حاصله از نوترون باشد. در حال حاضر 5 نوکلئید شکافت پذیر در رآکتورها به کار می‌روند که شامل 232Th، 233U، 235U، 238U، 239Pu است که برخی از این نوکلئیدها برای شکافت حاصله از نوترون‌های حرارتی و برخی نیز برای شکافت حاصل از نوترون‌های سریع هستند.

 

در کنار قابلیت شکافت، سوخت به کار رفته در رآکتور هسته‌ای باید بتواند نیازهای دیگری را نیز تأمین کند. سوخت باید از نظر مکانیکی قوی، از نظر شیمیایی پایدار و در مقابل تخریب تشعشعی مقاوم باشد تا تحت تغییرات فیزیکی و شیمیایی محیط رآکتور قرار نگیرد.  علاوه بر آن هدایت حرارتی آن نیز باید بالا باشد به طوری که بتواند حرارت را به آسانی جابه جا کند.

 

امکان به دست آوردن، ساخت راحت، هزینه نسبتا پایین و خطرناک نبودن از نظر شیمیایی از دیگر ویژگی‌های سوخت است.

 

از سوی دیگر سوخت‌های هسته‌ای مستقیما در داخل رآکتور قرار نمی‌گیرند، بلکه همواره به صورت پوشیده شده مورد استفاده قرار می‌گیرند. این امر از خوردگی سوخت محافظت کرده و از گسترش محصولات شکافت حاصل از سوخت پرتو دیده به محیط اطراف جلوگیری می‌کند.

 

همچنین این غلاف می‌تواند پشتیبان ساختاری سوخت بوده و در انتقال حرارت به آن کمک کند. ماده غلاف همانند خود سوخت باید دارای خواص خوب حرارتی و مکانیکی بوده و از نظر شیمیایی نسبت به برهمکنش با سوخت و مواد محیط پایدار باشد ضمن آنکه این غلاف در برابر تشعشع مقاوم است.

 

 

سانتریفوژ دستگاهی است که از آن برای چرخاندن مواد با سرعت بالا استفاده می‌شود. دانشمندان معمولا دستگاه سانتریفوژ را برای جدا کردن ذرات جامد از یک مایع یا تقسیم مخلوط مایعات به اجزای مختلف آن به کار می‌گیرند. در فناوری هسته‌ای از این دستگاه برای غنی سازی اورانیوم استفاده می‌شود.

 

 

غنی‌سازی اورانیوم یکی از مراحل چرخه سوخت هسته‌ای است. ایزوتوپ اورانیوم 235 قابل استفاده در نیروگاه‌های هسته‌ای است ولی اورانیوم استخراج شده از معدن مخلوط سهم ایزوتوپ 235 حدود 7 دهم درصد است و برای کاربردی شدن آن در صنعت هسته‌ای باید غلظت آن بین 2 تا 5 درصد باشد و در واقع باید غنی سازی صورت گیرد.