به بهانه روز ملي فناوري هسته‌اي؛

ميراث ماندگار

انرژي هسته اي امروزه از مباحث مبتلابه جوامع در حال توسعه است؛ جايگزيني سوخت هاي فسيلي که منابع پايان پذير هستند با انرژي منبعث از شکافت هسته اي، ضرورتي انکارناپذير است.

کد خبر: ۶۴۲۲۵

پنجشنبه - ۱۹ فروردين ۱۳۸۹ / April 08, 2010

تاريخچه توليد انرژي هسته اي

انرژي هسته‌اي نخستين بار به وسيله انريکو فرمي در سال 1934 در يکي از آزمايشگاه‌هاي دانشگاه شيکاگو توليد شد. اين اتفاق زماني رخ داد که تيم او مشغول بمباران کردن هسته اورانيوم با نوترون بودند. اين پروژه که با نام Chicago Pile-1 شناخته شد با فوريت تمام در 2 دسامبر 1942 به بهره ‌برداري رسيد و بعدها به بخشي از پروژه منهتن تبديل شد. طي اين پروژه راکتورهاي بزرگي را براي دستيابي به پلوتونيوم و استفاده از آن در سلاح هسته‌اي در هانفورد واشنگتن راه‌اندازي کردند.

پس از جنگ جهاني دوم دولت ايالات متحده که مي‌ترسيد تحقيقات هسته‌اي باعث انتشار دانش هسته‌اي و در نتيجه توليد سلاح هسته‌اي توسط کشورهاي ديگر شود کنترل‌هاي سخت‌گيرانه‌اي در مورد تحقيقات هسته‌اي اعمال کرد و به طور کلي بيشتر تحقيقات هسته‌اي بر روي اهداف نظامي متمرکز شدند.

منشأ انرژي هسته اي

هسته از پروتون با بار مثبت و نوترون بدون بار الکتريکي تشکيل شده است. بنابراين بار الکتريکي آن مثبت است. اگر بتوان هسته را به طريقي به دو تکه تقسيم کرد، تکه‌ها در اثر نيروي دافعه الکتريکي خيلي سريع از هم فاصله گرفته و انرژي جنبشي فوق العاده‌اي پيدا مي‌کنند. هنگامي که يک هسته نسبتاً بزرگ قابل شکافت مورد برخورد نوترون قرار مي‌گيرد به دو يا چند قسمت کوچک‌تر تقسيم مي‌شود و در اين فرآيند که به آن شکافت هسته‌اي مي‌گويند تعدادي نوترون و مقدار نسبتاً زيادي انرژي آزاد مي‌شود. نوترون‌هاي آزاد شده از يک شکافت هسته‌اي در مرحله بعد، خود با برخورد به ديگر هسته‌ها موجب شکافت‌هاي ديگري مي‌شوند و به اين ترتيب يک فرآيند زنجيره‌اي به وجود مي‌آيد. زماني که اين فرآيند زنجيره‌اي کنترل شود مي‌توان از انرژي آزاد شده در هر شکافت- که بيشتر آن به صورت گرماست- براي تبخير آب و چرخاندن توربين‌هاي بخار و در نهايت توليد انرژي الکتريکي استفاده کرد.

در واکنش هسته‌اي که در طي آن 235U به دو تکه تبديل مي‌شود، انرژي کلي معادل با 200MeV آزاد مي شود. اين مقدار انرژي مي‌تواند حدود 20 ميليارد کيلوكالري گرما را در ازاي هر کيلوگرم سوخت توليد کند. اين مقدار گرما 2ميليون و 800هزار بار بزرگتر از حدود 7000 کيلوكالري گرمايي است که از سوختن هر کيلوگرم زغال سنگ حاصل مي‌شود.

ماده‌اي که به عنوان سوخت در راکتورهاي هسته‌اي مورد استفاده قرار مي‌گيرد بايد شکاف پذير باشد يا به طريقي شکاف پذير شود.

شکافت هسته‌اي صورت گرفته در يک راکتور فقط بخشي از يک چرخه هسته‌اي است. اين چرخه از معادن شروع مي‌شود. اورانيوم استخراج شده از معدن معمولاً فرمي پايدار و فشرده مانند کيک زرد دارد. اين اورانيوم معدني به تأسيسات فرآوري فرستاده مي‌شود و در آنجا کيک زرد به هگزافلورايد اورانيوم (که پس از غني سازي به عنوان سوخت راکتورها مورد استفاده قرار مي‌گيرد) تبديل مي‌شود.

کاربردهاي انرژي هسته اي

انرژي هسته اي امروزه بسرعت در حال گسترش در ابعاد مختلف و کسب اعتبار لازم جهت پيشبرد اکثر شاخه هاي علوم است.

کاربرد در پزشکي هسته اي و امور بهداشتي

تهيه و توليد کيت هاي راديو دارويي براي مراکز پزشکي هسته اي
تهيه و توليد راديو دارويي جهت تشخيص بيماري تيروئيد و درمان آنها
تهيه و توليد کيت هاي هورموني
تشخيص و درمان سرطان پروستات
تشخيص سرطان کولون، روده کوچک و برخي سرطان هاي سينه
تشخيص تومورهاي سرطاني و بررسي تومورهاي مغزي، سينه و ناراحتي وريدي
تصويربرداري بيماري هاي قلبي

تشخيص عفونت ها و التهاب مفصلي، آمبولي و لخته هاي وريدي
کنترل کيفي راديوداروهاي خوراکي و تزريقي، براي تشخيص و درمان بيماري ها
بررسي مراکز عفوني در بدن
تشخيص کم خوني ها يا سندرم اختلال در جذب ويتامين12B
توليد دزيمترهاي جيبي و محيطي

در کشورهاي پيشرفته صنعتي، از انرژي هسته اي به صورت گسترده در پزشکي استفاده مي شود. با توجه به شيوع برخي از بيماري ها از جمله سرطان، ضرورت تقويت طب هسته اي در کشورهاي در حال توسعه، هر روز بيشتر احساس مي شود.

کاربردهاي پزشکي

در پزشکي تشعشعات هسته اي کاربردهاي زيادي دارند که اهم آنها عبارتند از

راديوگرافي
گامااسکن

استريليزه کردن هسته اي و ميکروب زدايي وسايل پزشکي با پرتوهاي هسته اي
راديوبيولوژي

کاربردهاي دامپزشکي و دامپروري

تشخيص و درمان بيماري هاي دامي

توليد مثل دام

اصلاح نژاد دام

تغذيه

بهداشت و ايمن سازي محصولات دامي و خوراک دام

کاربرد انرژي هسته اي در دسترسي به منابع آب

شناسايي حوزه هاي آب زير زميني

هدايت آب هاي سطحي و زيرزميني

کشف و کنترل نشت و ايمني سدها

شيرين کردن آب هاي شور

کاربرد انرژي هسته اي در کشاورزي، حفظ و نگهداري مواد غذايي و افزايش توليد

موتاسيون هسته اي ژن ها در کشاورزي
کنترل حشرات با تشعشعات هسته اي
جلوگيري از جوانه زدن سيب زميني با اشعه گاما
انبار کردن ميوه ها

جلوگيري از جوانه زدن دانه ها در انبار
کنترل و از بين بردن حشرات
به تأخير انداختن زمان رسيدن محصولات

افزايش سرعت رسيدن محصولات
به تأخير انداختن رشد انواع قارچ در مواد غذايي
طولاني تر کردن عمر گوشت
جلوگيري از زاد و ولد کردن حشرات در گندم و جو
افزايش زمان نگهداري مواد غذايي
کاهش ميزان آلودگي مواد غذايي
از بين بردن ويروس هاي گياهي و غذايي
طرح باردهي بيشتر گندم، برنج و پنبه
جلوگيري از جوانه زدن پياز و سيب زميني در انبار
اثر پرتوگاما در افزايش توليد جوجه هاي گوشتي

دانشمندان کشاورزي با استفاده از پرتوافکني ايزوتوپ هاي راديواکتيو يک نوع لوبيا پرورش مي دهند که بسيار پر محصول است و گندمي به عمل آورده اند که در مقابل وزش بادها مقاوم هستند.

کاربردهاي انرژي هسته اي در صنعت نفت

با آزمايش 40 نوع نفت كه در نقاط مختلف جهان استخراج مي شوند دانشمندان به اين نتيجه رسيدند كه در تمام مواد نفتي هفت نوع عنصر مشترك وجود دارد. اما مقدار آنها در نفتي كه در يك نقطه استخراج مي شود با نفت نقطه ديگر دنيا متفاوت است، كه با استفاده از انرژي هسته اي به راحتي مي توان اين تفاوت را تشخيص داد.

هنگامي كه مواد نفتي به جا مانده از كشتي حامل سوخت در جايي مشاهده مي شود، مي توان نمونه اي از آن را به آزمايشگاه برد و در معرض تابش نوتروني قرار داد، به اين ترتيب عناصر مختلف و مقدار آنها مشخص مي شود و مي توان به طور دقيق اعلام كرد كه اين آلودگي از كدام كشتي نشات گرفته است.

هنگام انتقال مواد نفتي در فاصله هاي زياد، چون شركت هاي مختلف نفتي از لوله هاي نفت مشترك استفاده مي كنند، رديابي ايزوتوپي مختلف براي علامت گذاري ابتداي انتقال هر محموله نفتي به كار برده مي شود.

در تأسيسات تصفيه و پالايش از رديابي هاي ايزوتوپ هاي راديواكتيو براي دنبال كردن مواد پتروشيمي و آماده سازي آنها در قسمت هاي مختلف استفاده مي شود.

محصولات مواد نفتي تصفيه شده، براي تعيين درجه خالص بودن، با استفاده از ايزوتوپ هاي راديواكتيو آزمايش مي شوند.

رديابي ايزوتوپ راديواكتيو را تقريباً در تمام مراحل تأسيسات صنعتي پتروشيمي مي توان مشاهده كرد.

هنگام كشف و استخراج نفت، دانشمندان ميله هاي راديواكتيو را داخل چاه هاي آزمايشي فرو برده، سپس ميزان انتشار تشعشع راديواكتيو را در طبقات مختلف اندازه مي گيرند.

زمين شناسان ميزان بازتاب اشعه راديواكتيو را ثبت مي كنند و يك تصوير واضح و دقيق از طبقات زيرين جهت حفاري بيشتر براي رسيدن به نفت در آن منطقه يا متوقف كردن كار به دست مي آورند.

کاربردهاي صنعتي

از جمله مهمترين کاربردهاي انرژي هسته اي در صنعت عبارتند از:

دبي سنجي پرتويي (سنجش شدت تشعشعات، نور و فيزيک امواج)
سنجش پرتويي ميزان ساييدگي قطعات در حين کار
سنجش پرتويي ميزان خوردگي قطعات

چگالي سنجي مواد معدني با اشعه
کشف عناصر ناياب در معادن
کشف مين هاي ضد نفر

تهيه و توليد چشمه هاي پرتوزايي کبالت براي مصارف صنعتي
توليد چشمه هاي ايريديم براي کاربردهاي صنعتي و بررسي جوشکاري در لوله هاي نفت و گاز
توليد چشمه هاي پرتوزا براي کاربردهاي مختلف در علوم و صنعت از قبيل طراحي و ساخت انواع سيستم هاي هسته اي براي کاربردهاي صنعتي مانند سيستم هاي سطح سنجي، ضخامت سنجي، دانسيته سنجي و ...
اندازه گيري خاکستر ذغال سنگ
بررسي کوره هاي مذاب شيشه سازي براي تعيين اشکالات آنها
نشت يابي در لوله هاي انتقال نفت

کاربرد انرژي هسته اي در توليد برق

گرماي حاصل از واکنش هسته‌اي در محيط راکتور هسته‌اي پس از خنک سازي کافي بتدريج به خارج منتقل مي‌شود. گرماي حاصله آبي را که در مرحله خنک سازي به عنوان خنک کننده بکار مي‌رود به بخار آب تبديل مي‌کند. بخار آب توليد شده، به سوي توربين فرستاده مي‌شود تا با راه اندازي مولد، توان الکتريکي مورد نياز را توليد کند.

يکي از مهم ترين موارد استفاده صلح آميز از انرژي هسته اي، توليد برق از طريق نيروگاه هاي اتمي است. با توجه به پايان پذير بودن منابع فسيلي و رشد توسعه اجتماعي و اقتصادي، استفاده از انرژي هسته اي براي توليد برق امري ضروري و لازم است و ساخت نيروگاه هاي اتمي به اين منظورضروري است.

پيل برق هسته اي

پيل هسته اي يا اتمي دستگاه تبديل کننده انرژي اتمي به جريان برق مستقيم است. ساده ترين پيل ها شامل دو صفحه است. يک صفحه پخش کننده بتاي خالص مثل استرنيوم 90 و يک صفحه هادي مثل سيلسيوم.

جريان الکترون هاي سريعي که بوسيله استرنيوم منتشر مي شود از ميان نيم هادي عبور کرده و در حين عبور تعداد زيادي الکترون هاي اضافي را از نيم هادي جدا مي‌کند که در هر حال صدها هزار مرتبه زيادتر از جريان الکتريکي حاصل از ايزوتوپ راديواکتيو استرنيوم 90 است.

دلايل ضرورت استفاده از انرژي هسته اي

منابع فسيلي محدود بوده و مدت زيادي دوام نخواهند داشت.

توليد برق از طريق نيروگاه اتمي، آلودگي نيروگاه هاي کنوني را ندارد. توليد 7000 مگاوات برق مورد نياز ايران در سال با مصرف 190 ميليون شبکه نفت خام، 1000 تن دي اکسيد کربن، 150 تن ذرات معلق در هوا، 130 تن گوگرد و 50 تن اکسيد نيتروژن را در محيط زيست پراکنده مي کند، در حالي که نيروگاه اتمي چنين آلودگي را ندارد. استفاده از نفت خام در صنايع تبديل پتروشيمي ارزش بيشتري دارد.

رها شدن مواد پرتوزا در جو از نيروگاه هاي هسته اي ناچيز است. در واقع نيروگاهي که با سوخت زغال سنگ کار مي کند ممکن است بيشتر از يک نيروگاه هسته اي، مواد پرتوزا پراکنده کند.

به علاوه، نيروگاه هاي هسته اي، گازهاي سمي چون سولفور، دي اکسيد و نيتروژن دي اکسيد که در هوا به اسيد تبديل مي شوند، توليد نمي کنند. اين اسيدها در هنگام برگشت به زمين به صورت باران، برف و ذرات معلق مي توانند به محيط زيست آسيب هاي فراواني وارد آورند.

برخلاف سوخت هاي فسيلي كه گازهاي توليد شده را به داخل فضا مي فرستند، زباله هاي جامدي كه از طريق سوخت هسته اي توليد مي شوند در طول جريان توليد سوخت در راكتور حفظ و نگهداري مي شوند و در نهايت هيچ دود يا زباله اي وارد فضا نمي شود.

زباله هاي ناشي از فعاليت نيروگاه هاي هسته اي در نهايت شامل زباله هاي جامد، سوخت استفاده شده، برخي مواد شيميايي، بخار و آب گرمي است كه جهت سرد كردن راكتورها به كار مي رود. چنين زباله هايي با زباله هاي نيروگاه هاي فسيلي در ميزان حجم متفاوت هستند.

در خصوص زباله هاي هسته اي همواره از ابتدا تصميمي در خصوص چگونگي دفع آن گرفته مي شود، در حالي كه زباله هاي ناشي از سوخت هاي فسيلي هيچ گاه مقصد خاصي از همان ابتدا ندارند.

انرژي هسته اي با از بين بردن ضايعات هسته اي كه معمولاً در هوا معلق مي شوند در حقيقت كمك شايسته اي به حفظ محيط زيست مي کند.

حجم زباله هاي ناشي از نيروگاه هاي هسته اي بهتر و قابل كنترل تر از زباله هاي فسيلي است. البته به طور كلي نيروي برقي كه از اين طريق توليد خواهد شد بسيار با ارزش تر از زباله هاي هسته اي است.

انرژي هسته اي نسبت به زغال سنگ به کندن رو باز کمتري نياز دارد؛ زيرا سوخت آن شکل غليظ تر و متمرکزتري از انرژي است، همين امر زمين را کمتر به هم مي زند و بر آب هاي زيرزميني، زيستگاه حيات وحش و مانند آنها اثرات کمتري مي گذارد.

هزينه حمل و نقل سوخت هسته اي کمتر از هزينه‌ ترابري زغال سنگ با بازده همان مقدار انرژي است.

تبعات منفي استفاده از انرژي هسته اي

معضلات دورريزي فضولات

آلودگي محيط زيست با مواد پرتوزاي بادوام ناشي از وقوع پيشامدهايي در نيروگاه و حين ترابري مواد راديواکتيو

گردآوري و تنظيم: طاهره ناطقي

/انتهاي پيام/