این روزها در مجلات,روزنامه ها,تلویزیون وغیره از همه چیز میشنویم ولی بیشتر از همه فعالیت های صلح آمیزوغیر صلح آمیز هسته ای است كه ذهنمان را مشغول میسازد.در اینجا سعی بر آن است كه مطالب حتی الامكان به صورت عامه فهم وبه گونه ای كه حق مطلب ادا شود,برای شما توضیحاتی پیرامون بمب های هسته ای ,تشعشعات هسته ای ونیروگاههای هسته ای عنوان شود.قبل از اینكه به اصل موضوع بپردازیم خدمت دوستان خوبم باید عرض كنم كه این مطالب ممكن است برای عده ای از دوستان بسیار پیش پا افتاده وساده باشه به هر حال شما به بزرگی خودتون ببخشید و اینو هم در نظر بگیرید كه مخاطب های این وبلاگ ممكنه از هر قشری باشند پس ما هم مجبوریم كه ملاحظه حال اونا رو هم بكنیم....

میدانیم كه دنیای اطرافمان از 92 عنصر موجود در طبیعت ساخته شده است. به این شكل كه عناصر از اتم ها ساخته شده اند وتشكیل مولكول آن عنصر را میدهند و اگر این مولكولها در كنار یكدیگرقرار گیرند ماده بوجود می آید. بسیاری از مواد از عناصر مختلف تشكیل شده اند بنابراین اتم های مختلفی در آنها وجود دارد. لازم به ذكر است قطر اتم 10 به توان منفی ده متر میباشد واندازه هسته در مركز اتم0001/0 بزرگی اتم كوچكتر است و یا به عبارتی دقیقتر قطر كامل هسته به طور میانگین 10به توان منفی 15 متر میباشد.ابتدا به تشریح ساختمان اتم میپردازیم:

در داخل هر اتم سه ذره وجود دارد:الكترون با بار منفی , پروتون با بار مثبت و نوترون خنثی. بارهای همنام یكدیگر را دفع و بارهای غیر همنام یكدیگر را جذب میكنند بجز نوترون كه هیچ عكس العملی ندارد.هسته اتم هر عنصر از پروتون و نوترون تشكیل شده است كه مجموع تعداد آنها را عدد اتمی آن عنصر ,وبه آنها نوكلئون میگویند. لازم به ذكر است جرم نوترون 675/1ضربدر 10 به توان منفی 27 كیلوگرم ,وجرم پروتون 673/1ضربدر 10 به توان منفی 27 میباشد.پروتون های تشكیل دهنده هسته اتم چون دارای بار مثبت هستند پس طبیعی است كه یكدیگر را دفع كنند برای جلوگیری از این اتفاق نوترون ها مانند چسبی از متلاشی شدن هسته جلوگیری میكنند.الكترون ها نیز در مدارات بیضی شكل و نامنظم در اطراف هسته با سرعت بسیار زیاد در حال گردشند وهر چه این الكترون ها به لایه والانس نزدیكتر میشوند تعلق آنها به هسته كاهش میابد(بر اساس مدل اتمی بور).

 

اما اگر بخواهیم علمی تر بحث كنیم باید بگوئیم تقریبا سه نیرو در هسته هر اتم وجود داردكه یكی از آنها سعی در انهدام هسته و دو تای دیگر سعی در پایداری هسته دارند. اولی نیروی كولنی یا همان دافعه پروتونی میباشد , دومی نیروی گرانش ناشی از جاذبه بین ذرات جرم دار است وسومی كه مهمترین دلیل جلوگیری از متلاشی شدن هسته میباشد همان نیروی هسته ای است. دقت كنید نیروی كولنی بسیار ناچیز است و نمیتواند به تنهایی هسته را متلاشی كند و نیروی گرانش ذرات نیز بسیار كم میباشد و توانایی در تعادل نگه داشتن هسته را ندارد,در واقع این نیروی هسته ای است كه اتم را در تعادل نگه داشته و از واپاشیده شدن نوكلئون ها جلوگیری میكند. برای توضیح این نیرو باید گفت اگر فاصله بین پروتون و نوترون از 5 ضربدر 10 به توان منفی 15 متر(5فمتو متر) بیشتر شود نیروی هسته ای وجود ندارد , بر عكس اگر این فاصله از مقدار یاد شده كمتر شود نیروی هسته ای بیشترمیشود بدین طریق هسته از متلاشی شدن نجات میابد.سال 1905 در یك آپارتمان كوچك در شماره 49 خیابان كرامر گاسه در برلین (منزل مسكونی اینشتین)اتفاق بزرگی افتاد ; كسی چه میدانست با كشف فرمول معروف نسبیت خاص E=mc2 میتوان جان هزاران نفر را در هیروشیما و ناكازاكی گرفت و یا اینكه برای میلیون ها نفر در سرار جهان برق و انرژی تولید كرد ؟!

فرمول E=mc2 به ما میگوید كه اندازه انرژی آزاد شده برابر است با تغییرات جرم جسم تبدیل شده در مجذور سرعت نور. به این معنی كه اگر ما جسمی به جرم مثلا یك كیلوگرم را با سرعتی نزدیك به سرعت نور به حركت درآوریم انرژی معادل 9ضربدر10به توان 16 ژول خواهیم داشت كه رقم بسیار وحشتناكی است ولی واقعیت این است كه چنین چیزی غیر ممكن است !!! چرا ؟

چون بر اساس همان فرمول نسبیت حركت با سرعت نور برای اجسام غیر ممكن است. برای درك بهتر موضوع فرمول را به شكل دیگری مینویسیم : m=E/C2 اگر C2 ثابت فرض شود به روشنی پیداست كه انرژی و جرم نسبت مستقیم با یكدیگر دارند ,حال اگر ما بخواهیم جسمی به جرم m را با سرعت نور © به حركت درآوریم طبیعتا باید به آن انرژی بدهیم و از آنجا كه m و E با یكدیگر نسبت مستقیم دارند پس هر چه انرژی بیشتر شود m نیز بزرگتر میشود ودر واقع قسمت اعظم انرژی صرف ازدیاد جرم میشود تا سرعت دادن به جسم . پس تقریبا به بی نهایت انرژی نیاز داریم واین همان چیزی است كه حركت با سرعت نور را برای اجسام غیر ممكن میكند.

قبل از اینكه توضیحات بیشتری داده شود لازم است كمی هم در مورد راههای آزاد كردن انرژی هسته ای بگوئیم.

به طور كلی انرژی موجود در هسته به دو روش آزاد میشود :

1 - روش شكافت هسته ای كه در آن یك اتم سنگین مانند اورانیوم تبدیل به دو اتم سبكتر میشود . ویا به عبارتی دیگر وقتی كه هسته ای سنگین به دو یا چند هسته با جرم متوسط تجزیه میشود میگویند شكافت هسته ای رخ داده است و وقتی هسته ای با عدد اتمی زیاد شكافته شود , مقداری از جرم آن ناپدید وبه انرژی تبدیل میشود(طبق قانون نسبیت).

2 - روش همجوشی (گداخت هسته ای) ; كه در آن دو اتم سبك مانند هید روژن تبدیل به یك اتم سنگین مانند هلیم میشود. درست همانند اتفاقی كه در حال حاضر در خورشید می افتد, كه در هر دو حالت انرژی قابل توجهی آزاد می شود.

در حال حاضر اكثر بمب های هسته ای ونیروگاههای هسته ای بروش شكافت هسته عمل میكنند .حال دوباره به توضیحات مربوط اتم بر میگردیم . در اینجا لازم است نكاتی را در مورد پایداری و ناپایداری توضیخ دهیم...

اگرما 13 پروتون را با 14 نوترون تركیب كنیم هسته ای خواهیم داشت كه اگر 13 الكترون در اطراف آن گردش كنند یك اتم آلومینیوم را میسازند .حال اگر میلیاردها عدد از این اتم ها را در كنار هم قرار دهیم آلومینیوم را می سازیم(AL27) كه با آن انواع وسایل نظیر قوطی ها و درب وپنجره ها و غیره... را میتوان ساخت.

حال اگر همین آلومینیوم را در شیشه ای قرار دهیم ! وچند میلیون سال به عقب برگردیم این آلومینیوم هیچ تغییری نخواهد كرد ,پس آلومینیوم عنصری پایدار است . تا حدود یك قرن پیش تصور بر این بودكه تمام عناصر پایدار هستند. مساله مهم دیگر اینكه بسیاری از اتم ها در اشكال متفاوتی دیده می شوند . برای مثال : مس دو شكل پایدار دارد , مس 63 ومس 65 كه به این دو نوع ایزوتوپ گفته می شود .هر دوی آنها 29 پروتون دارند اما چون در عدد اتمی 2 واحد فرق دارند به سادگی می توان فهمید كه تعداد نوترون های اولی 34 ودیگری 36 است وهر دوی آنها پایدار هستند.در حدود یك قرن پیش دانشمندان متوجه شدند گه همه عناصر ایزوتوپ هایی دارند كه رادیواكتیو هستند.مثلا : هیدروژن را در نظر بگیرید , در مورد این عنصر سه ایزوتوپ شناخته شده است.

1 - هیدروژن معمولی یا نرمال (H1) در هسته اتم حود یك پروتون دارد وبدون هیچ نوترونی. البته واضح است چون نیازی نیست تا خاصیت چسبانندگی خود را نشان دهد چرا كه پروتون دیگری وجود ندارد.

2 - هیدروژن دوتریم كه یك پروتون ویك نوترون دارد و در طبیعت بسیار نادر است. اگرچه عمل آن بسیار شبیه هیدروژن نوع اول است برای مثال میتوان از آن آب ساخت اما میزان بالای آن سمی است.

هر دو ایزوتوپ یاد شده پایدار هستند اما ایزوتوپ دیگری از هیدروژن وجود دارد كه ناپایدار است !

3 - ایزوتوپ سوم هیدروژن (تریتیوم) كه شامل دو نوترون و یك پروتون است. همان طور كه قبلا گفته شد این نوع هیدروژن ناپایدار است . یعنی اگر مجددا ظرفی برداریم واین بار درون آن را با این نوع از هیدروژن پر كنیم و یك میلیون سال به عقب برگردیم متوجه میشویم كه دیگر هیدروژنی نداریم و همه آن به هلیم 3 تبدیل شده است (2 پروتون و یك نوترون) واین ها همه توضیحاتی ساده در مورد پایداری و ناپایداری بود.

در یك پاراگراف ساده میتوان گفت كه هر چه هسته اتم سنگین تر شود تعداد ایزوتوپ ها بیشتر میشود و هر چه تعداد ایزوتوپ ها بیشتر شود امكان بوجود آمدن هسته های ناپایدار نیز بیشتر خواهد شد و در نتیجه احتمال وجود نوع رادیواكتیو نیز بیشتر میشود.

در طبیعت عناصر خاصی را میتوان یافت كه همه ایزوتوپ هایشان رادیو اكتیو باشند.برای مثال دو عنصر سنگین طبیعت كه در بمب ها ونیروگاههای هسته ای از آنها استفاده می شود را نام میبریم : اورانیوم و پلوتونیوم.

اورانیوم به طور طبیعی فلزی است سخت,سنگین,نقره ای و رادیواكتیو,با عدد اتمی 92.سالهای زیادی از آن به عنوان رنگ دهنده لعاب سفال یا تهیه رنگهای اولیه در عكاسی استفاده میشد و خاصیت رادیواكتیو آن تا سال 1866 ناشناخته ماند و قابلیت آن برای استفاده به عنوان منبع انرژی تا اواسط قرن بیستم مخفی بود.

خصوصیات فیزیكی اورانیوم

اورانیوم طبیعی (كه بشكل اكسید اورانیوم است) شامل3/99% از ایزوتوپ اورانیوم 238 و7/0% اورانیوم 235است. كه نوع 235 آن قابل شكافت است و مناسب برای بمب ها ونیروگاههای هسته ای است. این عنصر از نظر فراوانی در میان عناصر طبیعی پوسته در رده 48 قراردارد. از نظر تراكم و چگالی باید گفت 6/1 مرتبه متراكم تر از سرب است.وهمین تراكم باعث سنگین تر شدن آن می شود.برای مثال اگر یك گالن شیر وزنی حدود 4 كیلوگرم داشته باشد ,یك گالن اورانیوم 75 كیلوگرم وزن دارد!!!

انواع اورانیوم

اورانیوم با غنای پایین كه میزان اورانیوم 235 آن كمتر از 25% ولی بیشتر از7/0% است كه سوخت بیشتر راكتورهای تجاری بین 3 تا 5 درصد اورانیوم 235 است.

اورانیوم با غنای بالا كه در اینجا بیشتر از 25% وحتی در مواردی آن را تا98% نیز غنی میكنند و مناسب برای كاربردهای نظامی وساخت بمب های هسته ای است.

و اما منظور از غنی سازی اورانیوم چیست؟

بطوربسیار خلاصه غنی سازی عبارت است از انجام عملی كه بواسطه آن مقدار اورانیوم 235 بیشتر شود و مقدار اورانیوم 238 كمتر. كه پس از جمع آوری اورانیوم 238 ,آن را زباله اتمی می نامند.

غنی سازی اورانیوم به روشهای مختلفی انجام می شود كه چند مورد از آن را خدمت شما یادآور می شویم: 1-استفاده از اصل انتشار گازها 2-استفاده از روش فیلترینگ 3-استفاده از میدانهای مغناطیسی 4- استفاده از دستگاه سانتریفوژ كه در حال حاضر روش چهارم متداولترین,باصرفه ترین و مطمئن ترین روش به شمار میآید.

در اواخر سال 1938 هان,مایتنر و اشتراسمن به اكتشافی دست یافتند كه دنیا را تحت تاثیر قرار داد ,آنها متوجه شدند كه میتوان كاری كرد كه هسته های اورانیوم 235 شكسته شوند.

فرض كنید كه نوترونی در اطراف یك هسته اورانیوم 235 آزادانه در حال حركت است,این هسته تمایل زیادی دارد كه نوترون كند را به درون خود بكشاند وآن راجذب كند.هسته اورانیوم پس از گیر اندازی این نوترون,دیگر هسته ای پایدار نیست وناگهان از هم شكافته می شود این هسته در طی فرآیند شكافت به دو یا چند هسته با جرم كوچكتر ,یعنی به صورت هسته های عناصر نزدیك به مركز جدول تناوبی تجزیه می شود.به طور كلی در فرآیند شكافت اگر یك نوترون به هسته اصابت كند به طور میانگین 5/?نوترون در اثر شكافت آزاد می شود حال اگر ما تعداد نوترون های آزاد شده را 3 عدد فرض كنیم و مدت زمان لازم برای تحقق هر شكافت 01/0 ثانیه باشدمقدار اورانیوم مصرف شده در طی زمان یك ثانیه در حدود 10به توان 23 كیلوگرم خواهد بود !!! واضح است كه واكنش زنجیره ای شكافت میتواند مقادیر قابل توجهی از اورانیوم را در مدت زمان ناچیزی به انرزی تبدیل كند.با توجه به توضیحات داده شده به وضوح مشخص است كه ما نیازی به تولید مستمر نوترون نداریم بلكه با اصابت اولین نوترون به هسته وآزاد شدن نوترون های ناشی از فرآیند شكافت ما میتوانیم نوترون مورد نیاز خود را بدست آوریم كه مسلما این تعداد نوترون بسیار بیشتر از نیاز ما خواهد بود. لازم به ذكر است كه به حداقل مقدار اورانیومی كه برای فرآیند شكافت لازم است جرم بحرانی یا مقدار بحرانی می گویند واز به هم پیوستن دو یا چند جرم بحرانی یك ابر جرم بحرانی حاصل می شود.

حال اگر بخواهیم واكنش زنجیره ای ادامه پیدا كند,حفظ یك اندازه بحرانی برای ماده اولیه اورانیوم ضرورت دارد .در صورتی كه مقدار اورانیوم را خیلی كمتر از جرم بحرانی بگیریم ,بیشتر نوترون های تولیدی فرار خواهند كرد زیرا این فرار به عواملی چون : شكل فیزیكی اورانیوم و جرم آن وابسته است و در نتیجه واكنش متوقف می شود. از سوی دیگر اگر مقدار اورانیوم را فوق العاده زیاد بگیریم مثلا به اندازه یك ابر جرم بحرانی,تمام نوترون های تولیدی در واكنش های بعدی شركت خواهند كرد وانرژی آزاد شده در یك فاصله زمانی كوتاه آنچنان زیاد خواهد شد كه نتیجه ای جز انفجار نخواهد داشت!! بین این دو حالت یك خط فاصل وجود دارد:اگر بزرگی كره اورانیومی شكل را درست برابر اندازه بحرانی بگیریم آنگاه از هر شكافت فقط یك نوترون برای شركت در شكافت بعدی باقی می ماند در این صورت واكنش با آهنگ ثابتی ادامه می یابد. از خاصیت حالت سوم برای توجیح عملكرد نیروگاههای هسته ای استفاده می كنند. حال اگر به اندازه كافی اورانیوم 235 در اختیار داشته باشیم به آسانی می توانیم یك بمب ساده بسازیم !!!!! به این شكل كه دو نیم كره از اورانیوم 235 را كه هر كدام به اندازه جرم بحرانی است در دو انتهای یك استوانه قرار میدهیم و این دو قطعه را بوسیله ساز وكاری كه خود طراحی كرده ایم ناگهان به یكدیگر متصل می كنیم كه در این حالت ابر جرم بحرانی تشكیل می شود,حال اگر توسط دستگاه نوترون ساز نوترونی به هسته نزدیك كنیم وقوع انفجار حتمی است!!

در عمل برای آنكه انفجاری بزرگ و موثر حاصل شود ریزه كاری های زیادی را باید رعایت كرد.

در هر حال برای توضیح عملكرد نیروگاههای هسته ای لازم به ذكر است راكتورهای هسته ای را چنان طراحی میكنند كه در آنها واكنش شكافت در شرایطی نزدیك به حالت بحرانی تحقق یابد. قلب راكتور اساسا متشكل است از سوخت(در این مورد اورانیوم 235) كه در استوانه های مخصوص در بسته ای جا سازی شده اند. این استوانه ها در ماده ای كه كند كننده نامیده می شوند غوطه ورشده اند.كند كننده به منظور كند سازی و باز تاباندن نوترونهایی كه در واكنش شكافت تولید میشوند مورد استفاده قرار میگیرد كه متداول ترین آنها عبارتند از:آب,آب سنگین وكربن. كه در اینجااگر در آب معمولی (H2O) به جای ایزوتوپ هیدروژن معمولی از ایزوتوپ هیدروژن دوتریم استفاده شود آب سنگین بدست می آید.

سرعت واكنش را نیز می توان به كمك چند میله كنترل كرد كه این میله ها در قلب راكتور قرار می گیرند. این میله ها معمولا از ماده ای مانند كادمیوم كه نوترون ها را بخوبی جذب میكند ساخته می شوند. برای آنكه آهنگ واكنش افزایش یابد میله ها را تا حدودی از قلب راكتور بیرون می آورند ,برای كاستن از سرعت واكنش و یا متوقف ساختن آن,میله ها را بیشتر در قلب راكتور فرو میبرند.در نهایت واكنش صورت گرفته در راكتور به صورت گرمای بسیار زیادی ظاهر می شود بنابراین طبیعی است كه راكتور ها همانند یك كوره عمل كنند وسوختش به جای گاز,نفت ویا ذغال سنگ ,اورانیوم 235 باشد. گرمای تولید شده را به كمك جریان سیالی كه از قلب راكتور میگذرد به محفظه مبادله كننده گرما كه در آن آب وجود دارد منتقل میكنند و درآنجا آب داخل مبادله كننده را تبخیر میكنند ;بخار متراكم شده پس از به گردش درآوردن توربین ژنراتورهای مولد برق,مجددا به داخل محفظه مبادله كننده باز میگردد.البته سیال گرم شده چون از قلب راكتور می گذرد و درآنجا در معرض تابش پرتوهای رادیواكتیو قرار میگیرد مستلزم مراقبت های ویژه است.

و اما نكاتی جالب در مورد بمب های هسته ای

منطقه انفجار بمب های هسته ای به پنج قسمت تقسیم میشود:1- منطقه تبخیر 2- منطقه تخریب كلی 3- منطقه آسیب شدید گرمایی 4- منطقه آسیب شدید انفجاری 5- منطقه آسیب شدید باد وآتش . كه در منطقه تبخیر درجه حرارتی معادل سیصد میلیون درجه سانتیگراد !!! بوجود می آید و اگر هر چیزی از فلز گرفته تا انسان وحیوان در این درجه حرارت قرار بگیر آتش نمیگیرد بلكه بخار می شود!!!!

اثرات زیانبار این انفجار حتی تا شعاع پنجاه كیلومتری وجود دارد و موج انفجار آن كه حامل انرژی زیادی است می تواند میلیون ها دلار از تجهیزات الكترونیكی پیشرفته نظیر: ماهواره ها و یا سیستم های مخابراتی را به مشتی آهن پاره تبدیل كند و همه آنها را از كار بیندازد.

اینها همه اثرات ظاهری بمب های هسته ای بود پس از انفجار تا سال های طولانی تشعشعات زیانبار رادیواكتیو مانع ادامه حیات موجودات زنده در محل های نزدیك به انفجار می شود.

رادیو اكتیو از سه پرتو آلفا,بتا و گاما تشكیل شده است كه نوع گامای آن از همه خطرناك تر است و با توجه به فركانس بسیار بالا ,جرم و انرژی بالایی كه دارد اگر به بدن انسان برخورد كند از ساختار سلولی آن عبور كرده و در مسیر حركت خود باعث تخریب ماده دزوكسی ریبو نوكلوئیك اسید یا همان DNA و سرانجام زمینه را برای پیدایش انواع سرطان ها,سندرم ها ونقایص غیر قابل درمان دیگر فراهم می كند وحتی این نقایص به نسلهای آینده نیز منتقل خواهد شد.

و اما كاربرد تشعشعات رادیواكتیو چیست؟

بسیاری از محصولات تولیدی واكنش شكافت هسته ای شدیدا ناپایدارند و در نتیجه ,قلب راكتور محتوی مقادیر زیادی نوترون پر انرژی ,پرتوهای گاما,ذرات بتا وهمچنین ذرات دیگر است. هر جسمی كه در راكتور گذاشته شود ,تحت بمباران این همه تابشهای متنوع قرار میگیرد. یكی از موارد استعمال تابش راكتور تولید پلوتونیوم 239 است .این ایزوتوپ كه نیمه عمری در حدود24000سال دارد به مقدار كمی در زمین یافت می شود . پلوتونیوم 239 از لحاظ قابلیت شكافت خاصیتی مشابه اورانیوم دارد.برای تولید پلوتونیوم239,ابتدا اورانیوم 238 را در قلب راكتور قرار می دهند كه در نتیجه واكنش هایی كه صورت می گیرد ,اورانیوم239 بوجود می آید.اورانیوم 239 ایزوتوپی ناپایدار است كه با نیمه عمری در حدود 24 دقیقه,از طریق گسیل ذره بتا ,به نپتونیوم 239 تبدیل می شود . نپتونیوم 239 نیز با نیمه عمر 2/4 روز و گسیل ذره بتا واپاشیده و به محصول نهایی یعنی پلوتونیوم 239 تبدیل می شود.در این حالت پلوتونیوم239 همچنان با مقادیری اورانیوم 238 آمیخته است اما این آمیزه چون از دو عنصر مختلف تشكیل شده است ,بروش شیمیایی قابل جدا سازی است.امروزه با استفاده از تابش راكتور صدها ایزوتوپ مفید میتوان تولید كردكه بسیاری از این ایزوتوپ های مصنوعی را در پزشكی بكار میبریم. در پایان باید بگوئیم اثرات زیانبار انفجار های اتمی و تشعشعات ناشی از آن باعث آلودگی آبهای زیر زمینی ,زمین های كشاورزی و حتی محصولات كشاورزی می شود ولی با همه این مضرات اورانیوم عنصری است ارزشمند;زیرا در كنار همه سواستفاده ها می توان از آن به نحوی احسن و مطابق با معیارهای بشر دوستانه استفاده نمود. فراموش نكنید از اورانیوم و پلوتونیوم می توان استفاده های صلح آمیز نیز داشت چرا كه از انرژی یك كیلوگرم اورانیوم 235 می توان چهل هزار كیلو وات ساعت ! الكتریسیته تولید كرد كه معادل مصرف ده تن ذغال سنگ یا 50000گالن نفت است!!!!!!!!.

بررسی دیگر انرژی هسته ای

 

انرژي هسته اي

انرژی هسته ای از عمده ترین مباحث علوم و تکنولوژی هسته ای است و هم اکنون نقش عمده ای را در تأمین انرژی کشورهای مختلف خصوصا کشورهای پیشرفته دارد. اهمیت انرژی و منابع مختلف تهیه آن، در حال حاضر جزء رویکردهای اصلی دولتها قرار دارد. به عبارت بهتر، از مسائل مهم هر کشور در جهت توسعه اقتصادی و اجتماعی  بررسی ، اصلاح و استفاده بهینه از منابع موجود انرژی در آن کشور است. امروزه بحرانهای سیاسی و اقتصادی و مسائلی نظیر محدودیت ذخایر فسیلی، نگرانیهای زیست محیطی، ازدیاد جمعیت، رشد اقتصادی ، همگی مباحث جهان شمولی هستند که با گستردگی تمام فکر اندیشمندان را در یافتن راهکارهای مناسب در حل معظلات انرژی در جهان به خود مشغول داشته اند. در حال حاضر اغلب ممالک جهان به نقش و اهمیت منابع مختلف انرژی در تأمین نیازهای حال و آینده پی برده و سرمایه گذاریها و تحقیقات وسیعی را در جهت سیاستگذاری، استراتژی و برنامه های زیربنایی و اصولی انجام می دهند. هم اکنون تدوین استراتژی که مرکب از بررسی تمامی پارامترهای تأثیر گذار در انرژی و تعیین راهکارهای مناسب جهت تمیزتر و کاراترنمودن انرژی و الگوی بهینه مصرف آن می باشد، در رأس برنامه های زیربنایی اکثر کشورهای جهان قرار دارد. در میان حاملهای مختلف انرژی،انرژی هسته ای جایگاه ویژه ای دارد. هم اکنون بیش از 430 نیروگاه هسته ای در جهان فعال می باشند و انرژی برخی کشورها مانند فرانسه عمدتا از برق هسته ای تأمین می شود. جمهوری اسلامی ایران بیش از سه دهه است که تحقیقات متنوعی را در زمینه های مختلف علوم و تکنولوژی هسته ای انجام داده و براساس استراتژی خود، مصمم به ایجاد نیروگاههای هسته ای به ظرفیت کل 6000 مگاوات تا سال 1400 هجری شمسی می باشد. در این زمینه، جمهوری اسلامی ایران در نشست گذشته آژانس بین المللی انرژی اتمی، تمایل خود را نسبت به همکاری تمامی کشورهای جهان جهت ایجاد این نیروگاهها و تهیه سوخت مربوطه رسما اعلام نموده است.

کاربردهای علوم و تکنولوژی هسته ای

 وقتی صحبت از انرژی اتمی به میان می آید، اغلب مردم ابر قارچ مانند حاصل از انفجارات اتمی و یا راکتورهای اتمی برای تولید برق را در ذهن خود مجسم می کنند و کمتر کسی را می توان یافت که بداند چگونه جنبه های دیگری از علوم هسته ای در طول نیم قرن گذشته زندگی روزمره او را دچار تحول نموده است. اما حقیقت در این است که در طول این مدت در نتیجه تلاش پیگیر پژوهشگران و مهندسین هسته ای، این تکنولوژی نقش مهمی را در ارتقاء سطح زندگی مردم، رشد صنعت و کشاورزی و ارائه خدمات پزشکی ایفاء نموده است. موارد زیر از مهمترین استفاده های صلح آمیز از علوم و تکنولوژی هسته ای می باشند:استفاده از انرژی حاصل از فرآیند شکافت هسته اورانیوم یا پلوتونیوم در راکتورهای اتمی جهت تولید برق و یا شیرین کردن آب دریاها.استفاده از رادیوایزوتوپها در پزشکی، صنعت و کشاورزی و غیره .

برق هسته ای

از مهمترین منابع استفاده صلح آمیز از انرژی اتمی، ساخت راکتورهای هسته ای جهت تولید برق می باشد. راکتور هسته ای وسیله ای است که در آن فرایند شکافت هسته ای بصورت کنترل شده انجام می گیرد. در طی این فرایند انرژی زیاد آزاد می گردد به نحوی که مثلا در اثر شکافت نیم کیلوگرم اورانیوم انرژی معادل بیش از 1500 تن زغال سنگ بدست می آید. هم اکنون در سراسر جهان، راکتورهای متعددی در حال کار وجود دارند که بسیاری از آنها برای تولید قدرت و به منظور تبدیل آن به انرژی الکتریکی، پاره ای برای راندن کشتیها و زیردریائیها، برخی برای تولید رادیو ایزوتوپوپها و تحقیقات علمی و گونه هایی نیز برای مقاصد آزمایشی و آموزشی مورد استفاده قرار می گیرند. در راکتورهای هسته ای که برای نیروگاههای اتمی طراحی شده اند (راکتورهای قدرت)، اتمهای اورانیوم و پلوتونیم توسط نوترونها شکافته می شوند و انرژی آزاد شده گرمای لازم را برای تولید بخار ایجاد کرده و بخار حاصله برای چرخاندن توربینهای مولد برق بکار گرفته می شوند. راکتورهای اتمی را معمولا برحسب خنک کننده، کند کننده، نوع و درجه غنای سوخت در آن طبقه بندی می کنند. معروفترین راکتورهای اتمی، راکتورهایی هستند که از آب سبک به عنوان خنک کننده و کند کننده و اورانیوم غنی شده2 تا 4 درصد اورانیوم 235 ) ) به عنوان سوخت استفاده می کنند. این راکتورها عموما تحت عنوان راکتورهای آب سبک(LWR ) شناخته می شوند. راکتورهای WWER,BWR,PWR از این دسته اند. نوع دیگر، راکتورهایی هستند که از گاز به عنوان خنک کننده، گرافیت به عنوان کند کننده و اورانیوم طبیعی یا کم غنی شده به عنوان سوخت استفاده می کنند. این راکتورها به گاز- گرافیت معروفند. راکتورهای HTGR,AGR,GCR از این نوع می باشند. راکتور PHWR راکتوری است که از آب سنگین به عنوان کندکننده و خنک کننده و از اورانیوم طبیعی به عنوان سوخت استفاده می کند. نوع کانادایی این راکتور به CANDU موسوم بوده و از کارایی خوبی برخوردار می باشد. مابقی راکتورها مثل FBR (راکتوری که از مخلوط اورانیوم و پلوتونیوم به عنوان سوخت و سدیم مایع به عنوان خنک کننده استفاده کرده و فاقد کند کننده می باشد( LWGR)راکتوری که از آب سبک به عنوان خنک کننده و از گرافیت به عنوان کند کننده استفاده می کند) از فراوانی کمتری برخوردار می باشند. در حال حاضر، راکتورهای PWR و پس از آن به ترتیب PHWR,WWER, BWR فراوان ترین راکتورهای قدرت در حال کار جهان می باشند.به لحاظ تاریخی اولین راکتور اتمی در آمریکا بوسیله شرکت "وستینگهاوس" و به منظور استفاده در زیر دریائیها ساخته شد. ساخت این راکتور پایه اصلی و استخوان بندی تکنولوژی فعلی نیروگاههای اتمیPWR را تشکیل داد. سپس شرکت جنرال الکتریک موفق به ساخت راکتورهایی از نوع BWR گردید. اما اولین راکتوری که اختصاصا جهت تولید برق طراحی شده، توسط شوروی و در ژوئن 1954در "آبنینسک" نزدیک مسکو احداث گردید که بیشتر جنبه نمایشی داشت، تولید الکتریسیته از راکتورهای اتمی در مقیاس صنعتی در سال 1956 در انگلستان آغاز گردید. تا سال 1965 روند ساخت نیروگاههای اتمی از رشد محدودی برخوردار بود اما طی دو دهه 1966 تا 1985 جهش زیادی در ساخت نیروگاههای اتمی بوجود آمده است. این جهش طی سالهای 1972 تا 1976 که بطور متوسط هر سال 30 نیروگاه شروع به ساخت می کردند بسیار زیاد و قابل توجه است. یک دلیل آن شوک نفتی اوایل دهه 1970 می باشد که کشورهای مختلف را برآن داشت تا جهت تأمین انرژی مورد نیاز خود بطور زاید الوصفی به انرژی هسته ای روی آورند. پس از دوره جهش فوق یعنی از سال 1986 تاکنون روند ساخت نیروگاهها به شدت کاهش یافته بطوریکه بطور متوسط سالیانه 4 راکتور اتمی شروع به ساخت می شوند. کشورهای مختلف در تولید برق هسته ای روند گوناگونی داشته اند. به عنوان مثال کشور انگلستان که تا سال 1965 پیشرو در ساخت نیروگاه اتمی بود، پس از آن تاریخ، ساخت نیروگاه اتمی در این کشور کاهش یافت، اما برعکس در آمریکا به اوج خود رسید. کشور آمریکا که تا اواخر دهه 1960 تنها 17 نیروگاه اتمی داشت در طول دهه های1970 و 1980 بیش از 90 نیروگاه اتمی دیگر ساخت. این مسئله نشان دهنده افزایش شدید تقاضای انرژی در آمریکاست. هزینه تولید برق هسته ای در مقایسه با تولید برق از منابع دیگر انرژی در امریکا کاملا قابل رقابت می باشد. هم اکنون فرانسه با داشتن سهم 75 درصدی برق هسته ای از کل تولید برق خود درصدر کشورهای جهان قرار دارد. پس از آن به ترتیب لیتوانی73درصد، بلژیک57درصد، بلغارستان و اسلواکی47درصد و سوئد 8/46درصدمی باشند. آمریکا نیز حدود 20 درصد از تولید برق خود را به برق هسته ای اختصاص داده است.

گرچه ساخت نیروگاههای هسته ای و تولید برق هسته ای در جهان از رشد انفجاری اواخر دهه 1960 تا اواسط 1980 برخوردار نیست اما کشورهای مختلف همچنان درصدد تأمین انرژی مورد نیاز خود از طریق انرژی هسته ای می باشند. طبق پیش بینی های به عمل آمده روند استفاده از برق هسته ای تا دهه های آینده همچنان روند صعودی خواهد داشت. در این زمینه، منطقه آسیا و اروپای شرقی به ترتیب مناطق اصلی جهان در ساخت نیروگاه هسته ای خواهند بود. در این راستا، ژاپن با ساخت نیروگاههای اتمی با ظرفیت بیش از 25000 مگا وات درصدر کشورها قرار دارد. پس از آن چین، کره جنوبی، قزاقستان، رومانی، هند و روسیه جای دارند. استفاده از انرژی هسته ای در کشورهای کانادا، آرژانتین، فرانسه، آلمان، آفریقای جنوبی، سوئیس و آمریکا تقریبا روند ثابتی را طی دو دهه آینده طی خواهد کرد.

دیدگاه اقتصادی استفاده از برق هسته ای

بطوریکه آمار نشان می دهد از مجموع نیروگاههای هسته ای نصب شده جهت تأمین برق در جهان به ترتیب 35 درصد به اروپای غربی، 33 درصد به آمریکای شمالی، 5/16 درصد به خاور دور، 13 درصد به اروپای شرقی و نهایتا فقط 74 /0 درصد به آسیای میانه اختصاص دارد. بدون شک در توجیه ضرورت ایجاد تنوع در سیستم عرضه انرژی کشورهای مذکور، انرژی هسته ای به عنوان یک گزینه مطمئن اقتصادی مطرح است. بنابراین ابعاد اقتصادی جایگزینی نیروگاههای هسته ای با توجه به تحلیل هزینه تولیدقیمت تمام شده برق در سیستمهای مختلف نیرو قابل تأمل و بررسی است. از اینرو در اغلب کشورها، نیروگاههای هسته ای با عملکرد مناسب اقتصادی خود از هر لحاظ با نیروگاههای سوخت فسیلی قابل رقابت می باشند.

بهرحال طی چند دهه گذشته کاهش قیمت سوختهای فسیلی در بازارهای جهانی، سبب افزایش هزینه های ساخت نیروگاههای هسته ای به دلیل تشدید مقررات و ضوابط ایمنی، طولانی تر شدن مدت ساخت و بالاخره باعث ایجاد مشکلات تأمین مالی لازم و بالا رفتن قیمت تمام شده هر واحد الکتریسیته در این نیروگاهها شده است. از یک طرف مشاهده میشود که طی این مدت حدود 40 درصد از هزینه های چرخه سوخت هسته ای کاهش یافته است و از سویی دیگر با توجه به پیشرفتهای فنی و تکنولوژی حاصل از طرحهای استاندارد و برنامه ریزیهای دقیق بمنظور تأمین سرمایه اولیه مورد نیاز مطمئن و به هنگام احداث چند واحد در یک سایت برای صرفه جوئیهای ناشی از مقیاس مربوط به تأسیسات و تسهیلات مشترک مورد نیاز در هر نیروگاه، همچنان مزیت نیروگاههای اتمی از دیدگاه اقتصادی نسبت به نیروگاههای با سوخت فسیلی در اغلب کشورها حفظ شده است. سایر دیدگاههای اقتصادی در مورد آینده انرژی هسته ای حاکی از آن است که براساس تحلیل سطح تقاضا و منابع عرضه انرژی در جهان، توجه به توسعه تکنولوژیهای موجود و حقایقی نظیر روند تهی شدن منابع فسیلی در دهه های آینده، مزیتهای زیست محیطی انرژی اتمی و همچنین استناد به آمار و عملکرد اقتصادی و ضریب بالای ایمنی نیروگاههای هسته ای، مضرات کمتر چرخه سوخت هسته ای نسبت به سایر گزینه های سوخت و پیشرفتهای حاصله در زمینه نیروگاههای زاینده و مهار انرژی گداخت هسته ای در طول نیم قرن آینده، بدون تردید انرژی هسته ای یکی از حاملهای قابل دسترس و مطمئن انرژی جهان در هزاره سوم میلادی به شمار می رود. در این راستا شورای جهانی انرژی تا سال 2020 میلادی میزان افزایش عرضه انرژی هسته ای را نسبت به سطح فعلی حدود 2 برابر پیش بینی می نماید. با توجه به شرایط موجود چنانچه از لحاظ اقتصادی هزینه های فرصتی فروش نفت و گاز را با قیمتهای متعارف بین المللی در محاسبات هزینه تولید،قیمت تمام شده برای هر کیلووات برق تولیدی منظور نمائیم و همچنین تورم و افزایش احتمالی قیمتهای این حاملها، بویژه طی مدت اخیر را براساس روند تدریجی به اتمام رسیدن منابع ذخایر نفت و گاز جهانی مدنظر قرار دهیم، یقینا در بین گزینه های انرژی موجود در جمهوری اسلامی ایران، استفاده از حامل انرژی هسته ای نزدیکترین فاصله ممکن را با قیمت تمام شده برق در نیروگاههای فسیلی خواهد داشت.

دیدگاه زیست محیطی استفاده از برق هسته ای

 بدیهی است که این روند به دلیل اثرات مخرب و مرگبار آن در آینده تداوم چندانی نخواهد داشت. از اینرو به جهت افزایش خطرات و نگرانیها تدریجی در مورد اثرات مخرب انتشار گازهای گلخانه ای ناشی از کاربرد فرایند انرژیهای فسیلی، واضح است که از کاربرد انرژی هسته ای بعنوان یکی از رهیافتهای زیست  محیطی برای مقابله با افزایش دمای کره زمین و کاهش آلودگی محیط زیست یاد می شود. همچنانکه آمار نشان می دهد، در حال حاضر نیروگاههای هسته ای جهان با ظرفیت نصب شده فعلی توانسته اند سالانه از انتشار 8 درصد از گازهای دی اکسید کربن در فضا جلوگیری کنند که در این راستا تقریبا مشابه نقش نیروگاههای آبی عمل کرده اند. چنانچه ظرفیتهای در دست بهره برداری فعلی تولید برق نیروگاههای هسته ای، از طریق نیروگاههای با خوراک ذغال سنگ تأمین می شد، سالانه بالغ بر 1800 میلیون تن دی اکسید کربن، چندین میلیون تن گازهای خطرناک دی اکسید گوگرد و نیتروژن، حدود 70 میلیون تن خاکستر و معادل 90 هزار تن فلزات سنگین در فضا و محیط زیست انسان منتشر می شد که مضرات آن غیرقابل انکار است. لذا در صورت رفع موانع و مسایل سیاسی مربوط به گسترش انرژی هسته ای در جهان بویژه در کشورهای در حال توسعه و جهان سوم، این انرژی در دهه های آینده نقش مهمی در کاهش آلودگی و انتشار گازهای گلخانه ای ایفا خواهد نمود.

درحالیکه آلودگیهای ناشی از نیروگاههای فسیلی سبب وقوع حوادث و مشکلات بسیار زیاد بر محیط زیست و انسانها می شود، سوخت هسته ای گازهای سمی و مضر تولید نمی کند و مشکل زباله های اتمی نیز تا حد قابل قبولی رفع شده است، چرا که در مورد مسایل پسمانداری با توجه به کم بودن حجم زباله های هسته ای و پیشرفتهای علوم هسته ای بدست آمده در این زمینه در دفن نهایی این زباله ها در صخره های عمیق زیرزمینی با توجه به حفاظت و استتار ایمنی کامل، مشکلات موجود تا حدود زیادی از نظر فنی حل شده است و طبیعتا در مورد کشور ما نیز تا زمان لازم برای دفع نهایی پسماندهای هسته ای، مسائل اجتماعی باقیمانده از نظر تکنولوژیکی کاملا مرتفع خواهد شد.از سوی دیگر بنظر می رسد که بیشترین اعتراضات و مخالفتها در زمینه استفاده از انرژی اتمی بخاطر وقوع حوادث و انفجارات در برخی از نیروگاههای هسته ای نظیر حادثه اخیر در نیروگاه چرنوبیل می باشد، این در حالی است که براساس مطالعات بعمل آمده احتمال وقوع حوادثی که منجر به مرگ عده ای زیاد بشود نظیر تصادف هوایی، شکسته شدن سدها، انفجارات زلزله، طوفان، سقوط سنگهای آسمانی و غیره، بسیار بیشتر از وقایعی است که نیروگاههای اتمی می توانند باعث گردند. به هر حال در مورد مزایای نیروگاههای هسته ای در مقایسه با نیروگاههای فسیلی صرفنظر از مسایل اقتصادی علاوه بر اندک بودن زباله های آن می توان به تمیزتر بودن نیروگاههای هسته ای و عدم آلایندگی محیط زیست به آلاینده های خطرناکی نظیر SO2 , NO2 , CO ,  CO2  ،  پیشرفت تکنولوژی و استفاده هرچه بیشتر از این علم جدید، افزایش کارایی و کاربرد تکنولوژی هسته ای در سایر زمینه های صلح آمیز در کنار نیروگاههای هسته ای اشاره نمود.

ارزیابیهای اقتصادی و مطالعات بعمل آمده در مورد مقایسه هزینه تولید

در تازه ترین مطالعه ای که برای تعیین هزینه های اجتماعی نیروگاههای هسته ای در 5 کشور اروپایی بلژیک، آلمان، فرانسه، هلند و انگلستان صورت گرفته است، میزان هزینه های اجتماعی ناشی از نیروگاههای هسته ای در مقایسه با نیروگاههای فسیلی بسیار پائین است. در این مطالعه هزینه های خارجی هر کیلووات ساعت برق تولیدی در نیروگاههای هسته ای در حدود39 سنت( معادل 2/31 ریال) برآورده شده است. بنابراین در صورتیکه هزینه های اجتماعی تولید برق را در ارزیابیهای اقتصادی نیروگاههای فسیلی و هسته ای منظور نمائیم قطعا قیمت تمام شده هر کیلووات ساعت برق در نیروگاه هسته ای نسبت به فسیلی بطور قابل ملاحظه ای کاهش خواهد یافت. به هر حال نیروگاههای فسیلی و هسته ای هر کدام دارای مزایا و معایب خاص خود می باشند و ایجاد هر یک متناسب با مقتضیات زمانی و مکانی هر کشور خواهد بود و انتخاب نهایی و تصمیم گیری در این زمینه می بایست با توجه به فاکتورهایی از قبیل عوامل تکنولوژیکی، ارزشی، سیاسی، اقتصادی و زیست محیطی توأما اتخاذ گردد. قدر مسلم ایجاد تنوع در سیستم عرضه و تأمین انرژی از استراتژیهای بسیار مهم در زمینه توسعه سیستم پایدار انرژی در هر کشور محسوب می شود. در این راستا با توجه به بررسیهای صورت گرفته، شورای انرژی اتمی کشور مصمم به ایجاد نیروگاههای اتمی به ظرفیت کل 6000 مگاوات در سیستم عرضه انرژی کشور تا سال 1400 هجری شمسی می باشد. افزایش روند روزافزون مصرف سوختهای فسیلی طی دو دهه اخیر و ایجاد انواع آلاینده های خطرناک و سمی و انتشار آن در محیط زیست انسان، نگرانیهای جدی و مهمی برای بشر در حال و آینده به دنبال دارد.

جمهوری اسلامی ایران در فرایند توسعه پایدار خود به تکنولوژی هسته ای چه از لحاظ تأمین نیرو و ایجاد جایگزینی مناسب در عرصه انرژی و چه از نظر دیگر بهره برداری های صلح آمیز آن در زمینه های صنعت، کشاورزی، پزشکی و خدمات نیاز مبرم دارد که تحقق این رسالت مهم به عهده سازمان انرژی اتمی ایران می باشد، بدیهی است در زمینه کاربرد انرژی هسته ای به منظور تأمین قسمتی از برق مورد نیاز کشور قیود و فاکتورهای بسیار مهمی از جمله مسایل اقتصادی و زیست محیطی مطرح می گردندعلیرغم پیشرفت همه جانبه علوم و فنون هسته ای در طول نیم قرن گذشته، هنوز این تکنولوژی در اذهان عمومی ناشناخته مانده است.

 

ادامه مطلب...