برق. قدرت. کنترل. الکترونیک. مخابرات. تاسیسات.

دایره المعارف تاسیسات برق (اطلاعات عمومی برق)

انرژی هسته ای چیست؟


استخراج اورانیوم از معدن
اورانیوم كه ماده خام اصلی مورد نیاز برای تولید انرژی در برنامه های صلح آمیز یا نظامی هسته ای است، از طریق استخراج از معادن زیرزمینی یا سر باز بدست می آید. اگر چه این عنصر بطور طبیعی در سرتاسر جهان یافت می شود تنها حجم كوچكی از آن بصورت متراكم در معادن موجود است.
اورانیوم چیست؟
یکی از چگالترین فلزات رادیو اکتیو است که در طبیعت یافت می شود. این فلز در بسیاری از قسمتهای دنیا در صخره ها، خاک و حتی اعماق دریا و اقیانوس ها وجود دارد. اگر بخواهید از میزان موجودیت آن ایده ای بدست آورید باید بگوییم که میزان وجود و پراکندگی آن از طلا، نقر یا جیوه بسیار بیشتر است.
اورانیوم در طبیعت بصورت اکسید و یا نمک های مخلوط در مواد معدنی (مانند اورانیت یا کارونیت) یافت می شود. این نوع مواد اغلب از فوران آتشفشانها بوجود می آیند و نسبت وجود آنها در زمین چیزی معادل دو در میلیون نسبت به سایر سنگها و مواد کانی است. این فلز به رنگ سفید نقره ای است و کمی نرم تر از استیل بوده و تقریباً قابل انعطاف است. اورانیوم در سال 1789 توسط مارتین کلاپورت (Martin Klaproth) شیمی دان آلمانی از نوعی اورانیت بنام Pitchblende کشف شد. وجه تسمیه این فلز به کشف سیاره اورانوس بازمی گردد که هشت سال قبل از آن، ستاره شناسان آن را کشف کرده بودند. اورانیوم یکی از اصلی ترین منابع گرمایشی در مرکز زمین است و بیش از 40 سال است که بشر برای تولید انرژی از آن استفاده می کند. دانشمندان معتقد هستند که اورانیوم بیش از 6.6 بیلیون سال پیش در اثر انفجار یک ستاره بزرگ بوجود آمده و در منظومه شمسی پراکنده شده است. برای درک بهتر از توانایی اورانیوم در تولید انرژی لازم است نگاهی به ساختمان اتمی این فلز داشته باشیم.

اورانیوم را بهتر بشناسیم
اورانیوم را درواقع می توان سنگین ترین (به بیان دقیقتر چگالترین) عنصر در طبیعت نامید. شاید بد نباشد بدانید که در این میان هیدروژن سبک ترین عناصر طبیعت است. اورانیوم خالص حدود 18.7 بار از آب چگالتر است و همانند بسیاری از دیگر مواد رادیو اکتیو در طبیعت بصورت ایزوتوپ یافت می شود. بطور ساده ایزوتوپ حالت خاصی از حضور یک عنصر در طبیعت است که در هسته آن به تعداد مساوی - با عنصر اصلی - پروتون وجود دارد اما تعداد نوترون های آن متفاوت است. بنابراین طبق این تعریف ساده می توان دریافت که ایزوتوپ های یک عنصر عدد اتمی مشابه خود عنصر را خواهند داشت اما وزن اتمی متفاوتی دارند. اورانیوم شانزده ایزوتوپ دارد که هریک از آنها دارای وزن اتمی خاصی هستند. حدود 99.3 درصد از اورانیومی که در طبیعت یافت می شود ایزوتوپ 238 (U-238) است و حدود 0.7 درصد ایزوتوپ 235 (U-235)، كه هر دو دارای تعداد پروتون یكسانی بوده و تنها تفاوتشان در سه نوترون اضافه ای است كه در هسته U۲۳۸ وجود دارد. اعداد ۲۳۵ و ۲۳۸ بیانگر مجموع تعداد پروتونها و نوترونها در هسته هر كدام از این دو ایزوتوپ است. سایر ایزوتوپ ها بسیار نادر هستند. در این میان ایزوتوپ 235 برای بدست آوردن انرژی از نوع 238 آن بسیار مهمتر است چرا که U-235 (با فراوانی تنها 0.7 درصد) آمادگی آن را دارد که تحت شرایط خاص شکافته شده و مقادیر زیادی انرژی آزاد کند. به این ایزوتوپ Fissil Uranium، به معنای اروانیوم شکافتنی هم گفته می شود و برای این عملیات از اصطلاح شکافت هسته ای یا Nuclear Fission استفاده می شود. اورانیوم نیز همانند سایر مواد رادیواکتیو دچار پوسیدگی و زوال می شود. مواد رادیو اکتیو دارای این خاصیت هستند که از خود بطور دائم ذرات آلفا و بتا و یا اشعه گاما منتشر می کنند. U-238 با سرعت بسیار کمی فسیل می شود و نیمه عمر آن چیزی در حدود 4,500 میلون سال (تقریبآ معادل عمر زمین) است. این موضوع به این معنی است که با فسیل شدن اورانیوم با همین سرعت کم انرژی معادل 0.1 وات برای هر یک تن اورانیوم تولید می شود و این برای گرم نگاه داشتن هسته زمین کافی است.

نگاهی به شکاف هسته ای اورانیوم
هنگامی كه هسته اتم اورانیوم در یك واكنش زنجیره ای شكافته شود مقداری انرژی آزاد خواهد شد.
گفتیم که U-235قابلیت شکاف هسته ای دارد. این نوع از اتم اورانیوم دارای 92 پروتون و 143 نوترون است (بنابراین جمعآ 235 ذره در هسته خود دارد و به همین دلیل U-235 نامیده می شود)، کافی است یک نوترون دریافت کند تا بتواند به دو اتم دیگر تبدیل شود. برای شكافت هسته اتم اورانیوم، یك نوترون به هسته آن شلیك می شود و در نتیجه این فرایند، اتم مذكور به دو اتم كوچكتر تجزیه شده و تعدادی نوترون جدید نیز آزاد می شود كه هركدام به نوبه خود میتوانند هسته های جدیدی را در یك فرایند زنجیره ای تجزیه كنند. ( شکل 1 )
در این حالت یک اتم U-235 به دو اتم دیگر تقسیم می شود و دو ، سه و یا بیشتر نوترون آزاد می شود. نوترون های آزاد شده خود با اتم های دیگر U-235 ترکیب می شوند و آنها را تقسیم کرده و به همین منوال یک واکنش زنجیره ای از تقسیم اتم های U-235 تشکیل می شود. مجموع جرم اتمهای كوچكتری كه از تجزیه اتم اورانیوم بدست می آید از كل جرم اولیه این اتم كمتر است و این بدان معناست كه مقداری از جرم اولیه كه ظاهرا ناپدید شده در واقع به انرژی تبدیل شده است، و این انرژی با استفاده از رابطه ۲E=MC یعنی رابطه جرم و انرژی كه آلبرت اینشتین نخستین بار آنرا كشف كرد قابل محاسبه است.
برای بدست آوردن بالاترین بازدهی در فرایند زنجیره ای شكافت هسته باید از اورانیوم ۲۳۵ استفاده كرد كه هسته آن به سادگی شكافته میشود. هنگامی كه این نوع اورانیوم به اتمهای كوچكتر تجزیه میشود علاوه بر آزاد شدن مقداری انرژی حرارتی دو یا سه نوترون جدید نیز رها میشود كه در صورت برخورد با اتمهای جدید اورانیوم بازهم انرژی حرارتی بیشتر و نوترونهای جدید آزاد میشود.
اما بدلیل "نیمه عمر" كوتاه اورانیوم ۲۳۵ و فروپاشی سریع آن، این ایزوتوپ در طبیعت بسیار نادر است بطوری كه از هر ۱۰۰۰ اتم اورانیوم موجود در طبیعت تنها هفت اتم از نوع U۲۳۵ بوده و مابقی از نوع سنگینتر U۲۳۸ است.

فراوری
سنگ معدن اورانیوم بعد از استخراج، در آسیابهائی خرد و به گردی نرم تبدیل میشود. گرد بدست آمده سپس در یك فرایند شیمیائی به ماده جامد زرد رنگی تبدیل میشود كه به كیك زرد موسوم است. كیك زرد دارای خاصیت رادیو اكتیویته است و ۶۰ تا ۷۰ درصد آنرا اورانیوم تشكیل میدهد.
دانشمندان هسته ای برای دست یابی هرچه بیشتر به ایزوتوپ نادر U۲۳۵ كه در تولید انرژی هسته ای نقشی كلیدی دارد، از روشی موسوم به غنی سازی استفاده می كنند. برای این كار، دانشمندان ابتدا كیك زرد را طی فرایندی شیمیائی به ماده جامدی به نام هگزافلوئورید اورانیوم تبدیل میكنند كه بعد از حرارت داده شدن در دمای حدود ۶۴ درجه سانتیگراد به گاز تبدیل میشود.
هگزافلوئورید اورانیوم كه در صنعت با نام ساده هگز شناخته میشود ماده شیمیائی خورنده ایست كه باید آنرا با احتیاط نگهداری و جابجا كرد. به همین دلیل پمپها و لوله هائی كه برای انتقال این گاز در تاسیسات فراوری اورانیوم بكار میروند باید از آلومینیوم و آلیاژهای نیكل ساخته شوند. همچنین به منظور پیشگیری از هرگونه واكنش شیمیایی برگشت ناپذیر باید این گاز را دور از معرض روغن و مواد چرب كننده دیگر نگهداری كرد.

غنی سازی
هدف از غنی سازی تولید اورانیومی است كه دارای درصد بالایی از ایزوتوپ ۲۳۵ U باشد. اورانیوم مورد استفاده در راكتورهای اتمی باید به حدی غنی شود كه حاوی ۲ تا ۳ درصد اورانیوم ۲۳۵ باشد، در حالی كه اورانیومی كه در ساخت بمب اتمی بكار میرود حداقل باید حاوی ۹۰ درصد اورانیوم ۲۳۵ باشد. یكی از روشهای معمول غنی سازی استفاده از دستگاههای سانتریفوژ گاز است. سانتریفوژ از اتاقكی سیلندری شكل تشكیل شده كه با سرعت بسیار زیاد حول محور خود می چرخد. هنگامی كه گاز هگزا فلوئورید اورانیوم به داخل این سیلندر دمیده شود نیروی گریز از مركز ناشی از چرخش آن باعث میشود كه مولكولهای سبكتری كه حاوی اورانیوم ۲۳۵ است در مركز سیلندر متمركز شوند و مولكولهای سنگینتری كه حاوی اورانیوم ۲۳۸ هستند در پایین سیلندر انباشته شوند. ( شکل 3 ) اورانیوم ۲۳۵ غنی شده ای كه از این طریق بدست می آید سپس به داخل سانتریفوژ دیگری دمیده میشود تا درجه خلوص آن باز هم بالاتر رود. این عمل بارها و بارها توسط سانتریفوژهای متعددی كه بطور سری به یكدیگر متصل میشوند تكرار میشود تا جایی كه اورانیوم ۲۳۵ با درصد خلوص مورد نیاز بدست آید.
آنچه كه پس از جدا سازی اورانیوم ۲۳۵ باقی میماند به نام اورانیوم خالی یا فقیر شده شناخته میشود كه اساساً از اورانیوم ۲۳۸ تشكیل یافته است. اورانیوم خالی فلز بسیار سنگینی است كه اندكی خاصیت رادیو اكتیویته دارد و از آن برای ساخت گلوله های توپ ضد زره پوش و اجزای برخی جنگ افزار های دیگر از جمله منعكس كننده نوترونی در بمب اتمی استفاده می شود. یك شیوه دیگر غنی سازی روشی موسوم به دیفیوژن یا روش انتشاری است. دراین روش گاز هگزافلوئورید اورانیوم به داخل ستونهایی كه جدار آنها از اجسام متخلخل تشكیل شده دمیده میشود. سوراخهای موجود در جسم متخلخل باید قدری از قطر مولكول هگزافلوئورید اورانیوم بزرگتر باشد. در نتیجه این كار مولكولهای سبكتر حاوی اورانیوم ۲۳۵ با سرعت بیشتری در این ستونها منتشر شده و تفكیك میشوند. این روش غنی سازی نیز باید مانند روش سانتریفوژ بارها و باره تكرار شود. سانتریفیوژ هایی که برای غنی سازی اورانیوم استفاده می شود حالت خاصی دارند که برای گاز تهیه شده اند که به آنها Hyper-Centrifuge گفته می شود. پیش از آنکه دانشمندان از این روش برای غنی سازی اورانیوم استفاده کنند از تکنولوژی خاصی بنام Gaseous Diffusion به معنی پخش و توزیع گازی استفاده می کردند.

راكتور هسته ای
راكتور هسته ای وسیله ایست كه در آن فرایند شكافت هسته ای بصورت كنترل شده انجام می گیرد. انرژی حرارتی بدست آمده از این طریق را می توان برای بخار كردن آب و به گردش درآوردن توربین های بخار ژنراتورهای الكتریكی مورد استفاده قرار داد. اورانیوم غنی شده ، معمولا به صورت قرصهائی كه سطح مقطعشان به اندازه یك سكه معمولی و ضخامتشان در حدود دو و نیم سانتیمتر است در راكتورها به مصرف میرسند. این قرصها روی هم قرار داده شده و میله هایی را تشكیل میدهند كه به میله سوخت موسوم است. میله های سوخت سپس در بسته های چندتائی دسته بندی شده و تحت فشار و در محیطی عایقبندی شده نگهداری می شوند.
در بسیاری از نیروگاهها برای جلوگیری از گرم شدن بسته های سوخت در داخل راكتور، این بسته ها را داخل آب سرد فرو می برند. در نیروگاههای دیگر برای خنك نگه داشتن هسته راكتور ، یعنی جائی كه فرایند شكافت هسته ای در آن رخ میدهد ، از فلز مایع (سدیم) یا گاز دی اكسید كربن استفاده می شود. برای تولید انرژی گرمائی از طریق فرایند شكافت هسته ای ، اورانیومی كه در هسته راكتور قرار داده میشود باید از جرم بحرانی بیشتر (فوق بحرانی) باشد. یعنی اورانیوم مورد استفاده باید به حدی غنی شده باشد كه امكان آغاز یك واكنش زنجیره ای مداوم وجود داشته باشد. برای تنظیم و كنترل فرایند شكافت هسته ای در یك راكتور از میله های كنترلی كه معمولا از جنس كادمیوم است استفاده میشود. این میله ها با جذب نوترونهای آزاد در داخل راكتور از تسریع واكنشهای زنجیره ای جلوگیری میكند. زیرا با كاهش تعداد نوترونها ، تعداد واكنشهای زنجیره ای نیز كاهش می یابد. حدوداً ۴۰۰ نیروگاه هسته ای در سرتاسر جهان فعال هستند كه تقریبا ۱۷ درصد كل برق مصرفی در جهان را تامین می كنند. از جمله كاربردهای دیگر راكتورهای هسته ای، تولید نیروی محركه لازم برای جابجایی ناوها و زیردریایی های اتمی است.

دفن اورانیوم مصرف شده
پس از استفاده از اورانیوم برای تولید انرژی در رآکتور هسته ای، این سوخت دیگر قابل استفاده نیست و باید به روشی بازیافت یا دفن شود، که به دلیل تشعشع زیاد کار ساده ای نیست. روش کار این است که معمولآ سوخت مصرف شده را در حوضچه هایی برای سرد شدن اولیه نگهداری می کنند، به این ترتیب علاوه بر سرد شدن تا حدی از شدت تشعشع آنها کاسته می شود. این حوضچه ها به گونه ای ساخته شده اند که اجازه وارد کردن آسیب به طبیعت را از این مواد می گیرند، درواقع می توان برای مدتهای طولانی این زباله ها را در این حوضچه ها نگهداری کرد اما به دلایل بسیاری از جمله موارد اقتصادی این کار ممکن نیست. لذا باید روی سوخت فرآیندهایی انجام بگیرد تا بتوان آنرا در انبارهایی که از آنها نام بردیم ذخیره کرد. این فرآیندها شامل فعالیت هایی است که توسط آنها اورانیوم و پلوتونیوم (پلوتونیوم به دلیل سادگی عملیات fission بیشتر در ساخت سلاح های اتمی بکار برده می شود) از سایر مواد جدا می شوند. برای اینکار میله های سوختی را خرد کرده و آنها را در ظروف اسید قرار می دهند، اورانیوم و پلوتونیوم بازیافت شده به ابتدای چرخه سوخت باز می گردند تا قابل استفاده شوند و مازاد تفاله های سوختی را برای دفن آماده می کنند.

کاربردهای انرژی هسته ای
انرژی هسته ای در پزشکی : کاربرد انرژی هسته ای در پزشکی به دو بخش تقسیم می شود : تشخیص و درمان. پزشکی هسته ای یکی از شاخه های علم پزشکی است که در آن از مواد رادیواکتیو برای تشخیص و درمان بیماری ها استفاده می شود .به گزارش تارنمای سازمان انرژی اتمی ایران ، در زمینه تشخیص بیماری ها از رادیوداروهای (داروهایی متشکل از مواد رادیواکتیو ) مختلف درتصویر برداری جهت تشخیص و بررسی تومورهای سرطانی ، بررسی بیماری های کبد و کیسه صفرا ، بررسی عفونت و التهاب مفصلی استفاده می شود. هم چنین این مواد در تشخیص گرفتگی عروق خونی ، تشخیص نارسائی های قلب، کلیه و سایر ارگان های بدن کاربرد دارند. در آنالیز خون، پروتئین ها و سرم ها از پرتوهای رادیواکتیو استفاده می شود. هم چنین برخی از رادیوداروها تولید شده اند که برای تشخیص بیماری هایی مثل تیروئید به کار می روند. MRI نیز یکی از روش های تشخیصی در پزشکی هسته ای است . در حوزه درمان بیماری ها، رادیو داروهای مختلفی ساخته شده اند که برای از بین بردن کیست ها وتومورهای سرطانی استفاده می شوند. هم چنین در برخی از بیماری های مغزی می توان بدون نیاز به باز کردن جمجمه از اشعه برای جراحی استفاده کرد . در بیست سال اخیر جراحی پرتوی، اولین راه درمان پس از استفاده از شیمی درمانی ، پرتو درمانی و جراحی بوده است .
دانشمندان پزشکی هسته ای در حال بررسی روش های تشخیصی جدیدی هستند تا بتوانند میزان عناصر اصلی و مهم موجود در بدن جنین را اندازه گیری کرده و با تغییر آنها پیش از تولد، از بروز ناهنجاری ها در نوزادان جلوگیری کنند.

انرژی هسته ای در بهداشت: در سترون سازی وسایل یکبارمصرف پزشکی از پرتوهای رادیواکتیو استفاده می شود. هم چنین در صورتی که مواد اولیه داروها و مواد بهداشتی یا محصولات استریل پزشکی آلودگی داشته باشند، این آلودگی با کمک مواد رادیو اکتیو قابل اندازه گیری است. با این روش آلودگی سبزیجات بسته بندی شده نیز قابل اندازه گیری است .

انرژی هسته ای در کشاورزی: از طریق روش های هسته ای اصلاح بذر، بذرگیاهانی مثل گندم ، برنج ، جو و پنبه به نحوی تغییر داده می شوند که در برابر بیماری های قارچی، سرما، خوابیدگی و مقاوم باشند. هم چنین با استفاده از این روش بذر و نهال گیاهان شورپسند با هدف پرورش و برداشت محصول در شرایط نامناسب وبرای جلوگیری از افزایش بیابانی شدن اراضی تولید می شود .
انرژی هسته ای در دامپزشکی و دامپروری: در تشخیص و درمان بیماریهای دام، تولید مثل دام، اصلاح نژاد دام در جهت بازدهی بیشتر مثل اصلاح نژاد گاوها به صورتی که گوشت قابل استفاده آنها به حداکثر برسد، از روش های هسته ای استفاده می شود.درخصوص بهداشت وایمن سازی¬خوراک¬دام از¬پرتوهای رادیواکتیو،میتوان بهره جست

انرژی هسته ای در صنعت: چشمه های رادیواکتیو در صنعت برای بررسی جوشکاری های صنعتی ، جوش لوله های نفت و گاز و نشت یابی لوله های انتقال به کار می رود. از میکروسکوپ های الکترونی می توان در اندازه گیری لایه های اپتیکی ، کالیبره کردن دستگاه های اندازه گیری ، تعیین خواص مکانیکی مواد ، سطح سنجی و ضخامت سنجی استفاده می شود. در سازمان انرژی اتمی دستگاه هایی وجود دارند که بررسی خوردگی فلزات ، تعیین کیفیت فرآورده های صنعتی ، مواد اولیه و آلیاژها را انجام می دهند .

انرژی هسته ای در امنیت: کشف مین های ضد نفرو حتی بررسی تراکم گلوله ها و خمپاره ها از دستگاه هایی که بر مبنای فیزیک هسته ای کار می کنند ، امکان پذیر است .

انرژی هسته ای در باستان شناسی: کارهایی از قبیل بررسی نمونه های باستان شناسی مانند سکه ، سفال و غیره جهت عمرسنجی و تجزیه و تحلیل آنها از طریق علم هسته ای امکان پذیر است . برای تشخیص نمونه های تقلبی آثار باستانی و فسیل ها و عمرسنجی آنها ، میزان کربن رادیواکتیو موجود در نمونه ها اندازه گیری می شود.

انرژی هسته ای در اکتشافات: با بکار گیری روش های هسته ای می توان محل دقیق معادن مختلف و حوزه های آب زیرزمینی را کشف کرد. برای شیرین کردن آبها نیز می توان از فن آوری هسته ای استفاده کرد .

انرژی هسته ای در تولید برق: اگرچه ایران یکی از کشورهای غنی از لحاظ ذخایر نفت و گاز به شمار می رود اما باید پذیرفت که این منابع دائمی نیستند. بنابراین اگر نسل امروز هم چنان به امید سوخت های فسیلی دست روی دست بگذارد، نسل های آینده با بحران انرژی روبرو خواهند شد. بهترین و مطمئن ترین راه حل ، ساخت نیروگاه های هسته ای و استفاده از سوخت هسته ای است. مقدار انرژی تولید شده توسط نیروگاه های هسته ای قابل مقایسه با نیروگاه های آبی یا گازی نیست. در یک واکنش سوخت هسته ای ، بیست هزار برابر سوخت فسیلی انرژی تولید می شود . علاوه بر این، نیروگاه های هسته ای معضل آلودگی محیط را به همراه ندارد . تنها مشکل این نیروگاه ها ، زباله های هسته ای آنهاست که در صورت رعایت جوانب ایمنی و دفن اصولی آنها در محل های غیر مسکونی و دور از انسان ها خطر خاصی ایجاد نمی کنند .
انرژی هسته ای در صنایع غذایی: کیفیت مواد غذایی ، بهداشتی و آشامیدنی از جمله مواردی است که با فن آوری هسته ای قابل تعیین است . با استفاده از سیستم های جذب اتمی تعیین مقدارعناصر سمی کم مقدار در مواد غذایی ، تشخیص پرتودیدگی مواد غذایی امکان پذیر است . پرتودهی مناسب به مواد غذایی موجب پاستوریزه و استریلیزه شدن و افزایش زمان ماندگاری آنها می شود .
موارد ذکر شده گوشه ای از کاربردهای گسترده انرژی و فن آوری هسته ای در حوزه های گوناگون و برخی فعالیتهای سازمان انرژی اتمی است. این کاربردها هر روز در حال گسترش و افزایش است . با این توصیفات می توان علت ایستادگی ایران بر حق خود مبنی بر دستیابی به انرژی صلح آمیز هسته ای را دریافت . پیشرفت سریع علم و فن آوری در مسیری است که در آینده نه چندان دور کشورهایی که فاقد توان تولید و استفاده از دانش هسته ای باشند ، از لحاظ اقتصادی و علمی عقب مانده و وابسته خواهند بود.
فیزیک هسته ای چیست؟
درون هر اتم می‌ توان سه ذره ریز پیدا کرد: پروتون، نوترون و الکترون.
پروتونها در کنار هم قرار می‌گیرند و هسته اتم را تشکیل می‌دهند، در حالی که الکترونها به دور هسته می‌چرخند. پروتون بار الکتریکی مثبت و الکترون بار الکتریکی منفی دارد و از آنجا که بارهای مخالف ، یکدیگر را جذب می‌کنند، پروتون و الکترون هم یکدیگر را جذب می‌کنند و همین نیرو، سبب پایدار ماندن الکترونها در حرکت به دور هسته می‌گردد. در اغلب حالت‌ها تعداد پروتونها و الکترونهای درون اتم یکسان است، بنابراین اتم درحالت عادی و طبیعی خنثی است.
نوترون، بار خنثی دارد و وظیفه اش در هسته، کنار هم نگاه داشتن پروتونهای هم بار است.می دانیم که ذرات با بار یکسان یکدیگر را دفع می‌کنند .در نتیجه وظیفه نوترونها این است که با فراهم آوردن شرایط بهتر، پروتونها را کنار هم نگاه دارند. ( این کار توسط نیروی هسته ای قوی صورت می‌گیرد )
تعداد پروتونهای هسته نوع اتم را مشخص می‌کند. برای مثال اگر 13 پروتون و 14 نوترون، یک هسته را تشکیل دهند و 13 الکترون هم به دور آن بچرخند، یک اتم آلومینیوم خواهید داشت و اگر یک میلیون میلیارد میلیارد اتم آلومینیوم را در کنار هم قرار دهید، آنگاه نزدیک به پنجاه گرم آلومینیوم خواهید داشت! همه آلومینیوم هایی که در طبیعت یافت می‌شوند، AL27 یا آلومینیوم 27 نامیده می‌شوند. عدد 27 نشان دهنده جرم اتمی است که مجموع تعداد پروتونها و نوترونهای هسته را نشان می‌دهد.
اگر یک اتم آلومینیوم را درون یک بطری قرار دهید و میلیونها سال بعد برگردید، باز هم همان اتم آلومینیوم را خواهید یافت. بنابراین آلومینیوم 27 یک اتم پایدار نامیده می‌شود.
بسیاری از اتمها در شکل های مختلفی وجود دارند. مثلاً مس دو شکل دارد: مس 63 که 70 درصد کل مس موجود در طبیعت است و مس 65 که 30 درصد بقیه را تشکیل می‌دهد. شکل های مختلف اتم، ایزوتوپ نامیده می‌شوند. هر دو اتم مس 63 و مس 65 دارای 29 پروتون هستند، ولی مس 63 دارای 34 نوترون و مس 65 دارای 36 نوترون است. هر دو ایزوتوپ خصوصیات یکسانی دارند و هر دو هم پایدارند.
آشنایی با بعضی از كاربردهای انرژی هسته ای

استفاده از انرژی هسته ای، یكی از اقتصادی ترین شیوه ها در دنیای صنعتی است و گستره عظیمی از كاربردهای مختلف، شامل تولید برق هسته ای، تشخیص و درمان بسیاری از بیماریها، كشاورزی و دامداری، كشف منابع آب و ... را در بر می گیرد.
انرژی هسته ای در مجموع، مانند یكی از انرژی های موجود در جهان مثل انرژی بادی، آبی، گاز و نفت و ... است، اما در مقایسه با آنها جزو انرژی های پایان ناپذیر شمرده می شود، كه از نظر میزان تولید انرژی پاسخگوی نیازهای بشر خواهد بود. یعنی انرژی حاصل از تبدیل ماده به انرژی برابر است با جرم ماده ضرب در سرعت نور به توان 2 كه نشان دهنده انرژی زیاد حاصل از تبدیل مقدار كمی ماده به انرژی است.
انرژی هسته ای كاربردهای متعددی دارد كه در یك تقسیم بندی كلی میتوان آن را به نظامی و غیرنظامی یا صلح جویانه تقسیم كرد. تولید برق، یكی از نیازهای روزمره و فوق العاده تأثیر گذار بر زندگی مردم است كه اگر با صرفه اقتصادی بیشتر و آلودگی هرچه كمتر زیست محیطی همراه باشد به یقین خواهد توانست در اقتصاد كشور نقش بسزایی ایفا كند. انرژی هسته ای كه از این دو شاخصه مهم برخوردار است، می تواند در این زمینه به كمك نیروگاه ها آمده و جهان را از بحران محدودیت منابع فسیلی رهایی بخشد. به همین دلیل، نیروگاه برق اتمی، اقتصادی ترین نیروگاهی است كه امروزه در دنیا احداث می شود.
یكی از روشهای تشخیصی و درمانی ارزشمند در طب، پزشكی هسته ای است كه در آن از ایزوتوپهای رادیو اكتیو (رادیو ایزوتوپ) برای پیشگیری، تشخیص و درمان بیماریها استفاده می شود. گفتنی است از رادیو ایزوتوپ ها 60 سال است كه برای شناسایی و درمان بیماریها استفاده می شود. با كشف شیوه های درمانی بیشتر و پیشرفت این راهها استفاده از رادیو ایزوتوپ هم گسترده تر شده است.
پرتودهی مواد غذایی، عبارت است از قرار دادن ماده غذایی در مقابل مقدار مشخصی پرتو گاما، به منظور جلوگیری از جوانه زنی بعضی محصولات غذایی مانند پیاز و سیب زمینی و همچنین كنترل آفات انباری، كاهش بار میكربی و قارچی بعضی از محصولات مانند زعفران و ادویه و تأخیر در رسیدن بعضی میوه ها به منظور افزایش زمان نگهداری آنها ..... در بخش كودها مطالعات مربوط به تغذیه گیاهی نیز از این روش استفاده می شود مانند نحوه جذب كودها و عناصر و ... .
با استفاده از تكنیك پرتوتابی هسته ای می توان تغییرات ژنتیكی مورد نظر را برای اصلاح محصول در توده های گیاهی به كار برد. برای نمونه كشور پاكستان كه بیابان های وسیع و زمین های بایر فراوانی دارد، از راه كشاورزی هسته ای، ارقام پرمحصولی از گیاهان را در همین مناطق پرورش داده است.
نقش تكنیك های هسته ای در پیشگیری، كنترل و تشخیص بیماریهای دامی، نقش تكنیك های هسته ای در تولید مثل دام، نقش تكنیك های هسته ای در تغذیه دام، نقش تكنیك های هسته ای در اصلاح نژاد دام، نقش تكنیك های هسته ای در بهداشت و ایمنی محصولات دامی و خوراك دام.
كاربرد تكنیك های هسته ای در مدیریت منابع آب همان بهبود دسترسی به منابع آب جهان، یكی از زمینه های بسیار مهم توسعه شناخته شده است. بیش از یك ششم جمعیت جهان در مناطقی زندگی می كنند كه دسترسی مناسب به آب آشامیدنی بهداشتی ندارند. تكنیك های هسته ای برای شناسایی حوزه های آبخیز زیرزمینی، هدایت آبهای سطحی و زیرزمینی، كشف و كنترل آلودگی و كنترل نشت و ایمنی سدها به كار می رود. از این تكنیك ها، برای شیرین كردن آب شور و آب دریا نیز استفاده می شود.
نمونه هایی برای طرح كاربرد انرژی هسته ای در بخش صنعت عبارتند از: تهیه و تولید چشمه های پرتوزایی كبالت برای مصارف صنعتی، تولید چشمه های ایریدیم برای كاربردهای صنعتی و بررسی جوشكاری در لوله های نفت و گاز، تولید چشمه های پرتوزا برای كاربردهای مختلف در علوم و صنعت از قبیل طراحی و ساخت انواع سیستم های هسته ای برای كاربردهای صنعتی مانند سیستم های سطح سنجی، ضخامت سنجی، چگالی سنجی و نظایر آن، اندازه گیری زغال سنگ، بررسی كوره های مذاب شیشه سازی برای تعیین اشكالات آنها، نشت یابی در لوله های انتقال نفت با استفاده از تكنیك هسته ای و ...
در دسترس پذیری زیستی فلزات سنگین

واژه ی در دسترس پذیری زیستی(از دارو شناسی منشا می گیرد) پایه ای برای اندازه گیری نرخ و میزان جذب یک ماده ی فعال است که درمسیر چرخه ی زیستی یک ارگانیسم قرار دارد(به طور خلاصه میزان جذب و چرخه ی سیستمی توسط یک ارگانیسم)، مفهوم میزان در دسترس پذیری زیستی فلزات سنگین در این کتاب بحث خواهد شد.

 جذب (فلزات سنگین) ، واژه ای است که میزان ورود این فلزات، نمک ها یا ترکیباتشان به داخل بدن ارگانیسم ها را از طریق تنفس، بلعیدن یا جذب از طریق پوست را توصیف می کند. جذب یک فرایند پیچیده است که به پتانسیل شیمیایی(نیرویی که یون های فلزی را در طول گرادیان تمرکز در محلول خاک عبور می دهد) بستگی دارد. در طول این گرادیان های شیمیایی مختلف اشکال یونی فلزات از بیرون به درون بدن ارگانیسم ها حرکت می کند. این در اصل فرایند جذب غیر فعال (passive uptake)را توضیح می دهد.  در هر صورت جذب می تواند در یک مسیر فعال روی دهد. وقتی ارگانیسم ها از بخشی از فلزات موجود در خاک استفاده می کنند و در هر شکلی می توانند به صورت غذا در دسترس باشند.

      در ادامه ی جذب ابتدا مواد نفوذ می کنند و سپس دفع ، ذخیره یا در متابولیسم مصرف می شوند. دفع، ذخیره و متابولیسم تمرکز شیمیایی درون ارگانیسم ها را کاهش می دهد و سپس پتانسیل شیمیایی در محیط بیرونی را افزایش می دهد و سرانجام به داخل ارگانیسم ها تغییر مکان می دهد. در صورتی که مقاومت محیطی وجود داشته باشد می تواند به ایجاد یک حالت تعادل دینامیک بین میزان تجمع شیمیایی درون ارگانیسم و خروجی آن کمک کند. بنابراین به مدت طولانی این تعادل پایدار باقی می ماند (محتوای شیمیایی داخل ارگانیسم ها). اما اگر تمرکز شیمیایی بیرون ارگانیسم ها افزایش پیدا کند ، تعادل مختل خواهد شد و تمرکز درون ارگانیسم ها شروع به افزایش می کند تا زمانی که سیستم به یک تعادل پایدار برسد. تکرار این حالت برای مدت طولانی می تواند منجر به افزایش تمرکز شیمیایی درون ارگانیسم و نیز منجر به تخریب سیستم و چندین مشکل سلامتی و حتی مرگ شود.

      افزایش تمرکز مواد از طریق فرایند های بالا می تواند به طور موقت در جسم ارگانیسم ذخیره شود. یک مثال کاملا ساده از این مورد همانند ذخیره است ،مثل ذخیره ی چربی در حیوانات  یا ذخیره ی نشاسته در بذر ها باشد.

     در صورتی که تمرکز درون ارگانیسم ها به طور غیرعادی بیش تر از مقدار آن در هوا یا آب اطراف ارگانیسم ها می شود و به نظر نرسد که موقتی باشد  به نام تجمع زیستی یا تمرکز زیستی گفته می شود. اگرچه فرایند ها برای واکنش های طبیعی و آنچه ساخته ی دست بشر است ، یکسان است واژه ی تمرکز زیستی معمولا به مواد بیگانه ی شیمایی نامناسب برای ارگانیسم ها نسبت داده می شود. تجمع ترکیبات xenobiotic (خارج بافتی )در ماهی ها و سایر ارگانیسم ها ی آبی ، بعد از جذب از طریق شش ها یا گاهی پوست یکی از شناخته شده ترین فرایند های تجمع زیستی را بیان می کند.

     اولویت در تجمع زیستی برای مواد هیدروفوبیک است ، مواد محلول در چربی ها(لیپیدها) این بهترین حالت تجمع را خواهد داشت . در حالی که نوع محلول درآب (هیدروفیلیک) در اغلب موارد در محلول باقی می ماند. به هر حال فلزات سنگین مانند جیوه و سایر فرم های شیمیایی قابل حل در آب یک استثناء هستند زیرا آنها درمکلان های خاص درون بدن محدود(متصل) می شوند. وقتی اتصال روی می دهد حتی ترکیبات شیمیایی بسیار قابل حل در آب هم می توانند تجمع حاصل کنند. یک مثال از این مورد می تواند کبالت در نظر گرفته شود. آن به میزان زیاد و ویژه در مکان هایی در کبد علیرغم اینکه در آب قابل  حل  است تجمع می یابد همانند سایرفرایند های تجمع مثل جیوه ، مس ، کادمیوم و سرب که شناخته شده است.

      نرخ و گسترش جذب یونهای فلزات سنگین و درجه ی شرکت پذیری شان در سیستم چرخش یک ارگانیسم بستگی به فاکتورهای مختلفی دارد. مهم ترین آن حالت اکسیداسیون یون فلزی است. این به عنوان speciation یون شناخته می شود. Speciation اشکال شیمیایی مختلف را توصیف می کند مثل میزان بار عناصر مشابه در محلول (Fe+2,Fe+3,Cr+3,Cr+6,..)  هر کدام از این ها به عنوان یک گونه ی یونی از عنصر مشابه شناخته می شود. Speciation  درسم شناسی زیست محیطی بسیار مهم است از آنجایی که speciation می تواند بر تحرک فلزات و سمیت شان در محیط زیست تاثیر داشته باشد و مثل Cr که فرم Cr+6 سمی تر از Cr+3  است. همچنین As+3 در محیط نسبت به As+5 متحرک تر است .

     تعیین speciation  فلزات در محیط آبی خیلی فرایند سختی است و بستگی دارد به روش های آنالیز غیر مرسوم و فقط می تواند به عنوان نیمه کمی توصیف شود.

      فاکتور دیگر قابلیت تحرک و در دسترس پذیری فلزات سنگین و طبیعت یون های کمپلکس است. به طور معمول کمپلکس های آلی فرم های محلول یک کاهش در دسترس پذیری دارند(به آسانی جذب نمی شود و نمی تواند به مسیر گردش ارگانیسم ها متصل شود).  با وجود این گزارشات در باره ی رفتار های متفاوت نیزگزارش شده است. مثال هایی از این ها جیوه ، آرسنیک است. شکل های آلی فلزات دارای سمیت مختلف اند نسبت به نوع غیر آلی، جیوه آلی خیلی سمی تر از سایر انواع است(به آسانی جذب و در میسر گردش سیستم جانوری قرار می گیرد). ولی در مورد آرسنیک عکس آن صحیح است بنابراین این قاعده به طور کلی مبهم است ونمی تواند عمومیت داده شود.

      به عنوان یک قاعده در هر صورت همه فلزات جزء(مولیبدن)اغلب قابل حل اندودر pH پائین در دسترس زیستی اند بنابراین مشکلات سمیت در محیطهای اسیدی خیلی جدی تراست

 

 

تاثیر بیوژئوشیمیایی فلزات سنگین
 اختلالات مختلف سلامتی که به علت در معرض قرارگیری دربرابر فلزات سنگین بود،  ممکن است یک احساس غیرواقعی حس شود که فلزات سنگین تحت هرشرایطی می تواند برای زندگی ارگانیسم ها مضر ویا حتی کشنده باشد. حقیقت امر این است که فلزات سنگین می تواند تحت شرایط خاص برای گیاهان وجانوران مفید باشد به این علت که بعضی از آنها سازندگان اصلی آنزیمها ودیگر پروتئین های مهم درگیر در متابولیسم هستند.دریک مصداق بیوژئوشیمیایی ـفلزات سنگین ممکن است به دو گروه تقیسم شوند:

1 . گروه فلزات سنگین مورد نیاز زیستی :این گروه به عنوان میکرونوترینت یافلزات نادر اساسی شناخته میشوند.آنها درساخت آنزیم ها وپروتین های مهم وهدایت فرآیندهای اصلی سوخت وساز شرکت میکنند .کمبود این عناصرکمتر از علظت مجاز تحت شرایط نرمال منجر به امراض جدی و بدکاری متابولیسم می شود .

2.گروه فلزات سنگین غیر ضروری زیست محیطی:این گروه همانند گروه اول ضروری نیست تمرکز پائین آن موجب اختلال وبی نظمی نمی شود ولی در عوض می تواند سمی باشند برای ارگانیسم ها اگر تمرکزشان بیشتر از حد مجاز باشد. سمیت توسط این عناصر بدلیل اختلال در متابولیسم توسط جایگزینی فلزات ضروری در آنزیمها یا واکنش باگروه فسفات درATP,ADP روی میدهد .مثال هایی ازاین گروه ها می تواند مثل آرسنیک ،کادمیوم ،جیوه ،سرب،پلوتونیوم ،آنتیموان ،تالیوم و اورانیوم باشد


چرخه سوخت هسته ای: از استخراج اورانیوم تا تولید انرژی(دانستنی های دانشجویی)

نویسنده: ایمان سریری   طبقه بندی: اطلاعات عمومی(علمی ساده و خلاصه)+پزشکی و خواص میوه ها و خوراکی ها(مهارت های زندگی)، 

مقدمه: استخراج اورانیوم از معدن
اورانیوم که ماده خام اصلی مورد نیاز برای تولید انرژی در برنامه های صلح آمیز یا نظامی هسته ای است، از طریق استخراج از معادن زیرزمینی یا سر باز بدست می آید. اگر چه این عنصر بطور طبیعی در سرتاسر جهان یافت میشود اما تنها حجم کوچکی از آن بصورت متراکم در معادن موجود است.

هنگامی که هسته اتم اورانیوم در یک واکنش زنجیره ای شکافته شود مقداری انرژی آزاد خواهد شد.

برای شکافت هسته اتم اورانیوم، یک نوترون به هسته آن شلیک میشود و در نتیجه این فرایند، اتم مذکور به دو اتم کوچکتر تجزیه شده و تعدادی نوترون جدید نیز آزاد میشود که هرکدام به نوبه خود میتوانند هسته های جدیدی را در یک فرایند زنجیره ای تجزیه کنند.

مجموع جرم اتمهای کوچکتری که از تجزیه اتم اورانیوم بدست می آید از کل جرم اولیه این اتم کمتر است و این بدان معناست که مقداری از جرم اولیه که ظاهرا ناپدید شده در واقع به انرژی تبدیل شده است، و این انرژی با استفاده از رابطه E=MC۲ یعنی رابطه جرم و انرژی که آلبرت اینشتین نخستین بار آنرا کشف کرد قابل محاسبه است.

اورانیوم به صورت دو ایزوتوپ مختلف در طبیعت یافت میشود. یعنی اورانیوم U۲۳۵ یا U۲۳۸ که هر دو دارای تعداد پروتون یکسانی بوده و تنها تفاوتشان در سه نوترون اضافه ای است که در هسته U۲۳۸ وجود دارد. اعداد ۲۳۵ و ۲۳۸ بیانگر مجموع تعداد پروتونها و نوترونها در هسته هر کدام از این دو ایزوتوپ است.


کشورهای اصلی تولید کننده اورانیوم
استرالیا
چین
کانادا
قزاقستان
نامیبیا
نیجر
روسیه
ازبکستان

برای بدست آوردن بالاترین بازدهی در فرایند زنجیره ای شکافت هسته باید از اورانیوم ۲۳۵ استفاده کرد که هسته آن به سادگی شکافته میشود. هنگامی که این نوع اورانیوم به اتمهای کوچکتر تجزیه میشود علاوه بر آزاد شدن مقداری انرژی حرارتی دو یا سه نوترون جدید نیز رها میشود که در صورت برخورد با اتمهای جدید اورانیوم بازهم انرژی حرارتی بیشتر و نوترونهای جدید آزاد میشود.

اما بدلیل "نیمه عمر" کوتاه اورانیوم ۲۳۵ و فروپاشی سریع آن، این ایزوتوپ در طبیعت بسیار نادر است بطوری که از هر ۱۰۰۰ اتم اورانیوم موجود در طبیعت تنها هفت اتم از نوع U۲۳۵ بوده و مابقی از نوع سنگینتر U۲۳۸ است.

فراوری:
سنگ معدن اورانیوم بعد از استخراج، در آسیابهائی خرد و به گردی نرم تبدیل میشود. گرد بدست آمده سپس در یک فرایند شیمیائی به ماده جامد زرد رنگی تبدیل میشود که به کیک زرد موسوم است. کیک زرد دارای خاصیت رادیو اکتیویته است و ۶۰ تا ۷۰ درصد آنرا اورانیوم تشکیل میدهد.

دانشمندان هسته ای برای دست یابی هرچه بیشتر به ایزوتوپ نادر U۲۳۵ که در تولید انرژی هسته ای نقشی کلیدی دارد، از روشی موسوم به غنی سازی استفاده می کنند. برای این کار، دانشمندان ابتدا کیک زرد را طی فرایندی شیمیائی به ماده جامدی به نام هگزافلوئورید اورانیوم تبدیل میکنند که بعد از حرارت داده شدن در دمای حدود ۶۴ درجه سانتیگراد به گاز تبدیل میشود. 
کیک زرد دارای خاصیت رادیو اکتیویته است و ۶۰ تا ۷۰ درصد آنرا اورانیوم تشکیل میدهد

هگزافلوئورید اورانیوم که در صنعت با نام ساده هگز شناخته میشود ماده شیمیائی خورنده ایست که باید آنرا با احتیاط نگهداری و جابجا کرد. به همین دلیل پمپها و لوله هائی که برای انتقال این گاز در تاسیسات فراوری اورانیوم بکار میروند باید از آلومینیوم و آلیاژهای نیکل ساخته شوند. همچنین به منظور پیشگیری از هرگونه واکنش شیمیایی برگشت ناپذیر باید این گاز را دور از معرض روغن و مواد چرب کننده دیگر نگهداری کرد.

غنی سازی:
هدف از غنی سازی تولید اورانیومی است که دارای درصد بالایی از ایزوتوپ U۲۳۵ باشد.

اورانیوم مورد استفاده در راکتورهای اتمی باید به حدی غنی شود که حاوی ۲ تا ۳ درصد اورانیوم ۲۳۵ باشد، در حالی که اورانیومی که در ساخت بمب اتمی بکار میرود حداقل باید حاوی ۹۰ درصد اورانیوم ۲۳۵ باشد.

یکی از روشهای معمول غنی سازی استفاده از دستگاههای سانتریفوژ گاز است.

سانتریفوژ از اتاقکی سیلندری شکل تشکیل شده که با سرعت بسیار زیاد حول محور خود می چرخد. هنگامی که گاز هگزا فلوئورید اورانیوم به داخل این سیلندر دمیده شود نیروی گریز از مرکز ناشی از چرخش آن باعث میشود که مولکولهای سبکتری که حاوی اورانیوم ۲۳۵ است در مرکز سیلندر متمرکز شوند و مولکولهای سنگینتری که حاوی اورانیوم ۲۳۸ هستند در پایین سیلندر انباشته شوند.
 
اورانیوم ۲۳۵ غنی شده ای که از این طریق بدست می آید سپس به داخل سانتریفوژ دیگری دمیده میشود تا درجه خلوص آن باز هم بالاتر رود. این عمل بارها و بارها توسط سانتریفوژهای متعددی که بطور سری به یکدیگر متصل میشوند تکرار میشود تا جایی که اورانیوم ۲۳۵ با درصد خلوص مورد نیاز بدست آید.

آنچه که پس از جدا سازی اورانیوم ۲۳۵ باقی میماند به نام اورانیوم خالی یا فقیر شده شناخته میشود که اساسا از اورانیوم ۲۳۸ تشکیل یافته است. اورانیوم خالی فلز بسیار سنگینی است که اندکی خاصیت رادیو اکتیویته دارد و از آن برای ساخت گلوله های توپ ضد زره پوش و اجزای برخی جنگ افزار های دیگر از جمله منعکس کننده نوترونی در بمب اتمی استفاده میشود.

یک شیوه دیگر غنی سازی روشی موسوم به دیفیوژن یا روش انتشاری است.

دراین روش گاز هگزافلوئورید اورانیوم به داخل ستونهایی که جدار آنها از اجسام متخلخل تشکیل شده دمیده میشود. سوراخهای موجود در جسم متخلخل باید قدری از قطر مولکول هگزافلوئورید اورانیوم بزرگتر باشد.

در نتیجه این کار مولکولهای سبکتر حاوی اورانیوم ۲۳۵ با سرعت بیشتری در این ستونها منتشر شده و تفکیک میشوند. این روش غنی سازی نیز باید مانند روش سانتریفوژ بارها و باره تکرار شود.

راکتور هسته ای:
راکتور هسته ای وسیله ایست که در آن فرایند شکافت هسته ای بصورت کنترل شده انجام میگیرد. انرژی حرارتی بدست آمده از این طریق را می توان برای بخار کردن آب و به گردش درآوردن توربین های بخار ژنراتورهای الکتریکی مورد استفاده قرار داد.

اورانیوم غنی شده ، معمولا به صورت قرصهائی که سطح مقطعشان به اندازه یک سکه معمولی و ضخامتشان در حدود دو و نیم سانتیمتر است در راکتورها به مصرف میرسند. این قرصها روی هم قرار داده شده و میله هایی را تشکیل میدهند که به میله سوخت موسوم است. میله های سوخت سپس در بسته های چندتائی دسته بندی شده و تحت فشار و در محیطی عایقبندی شده نگهداری میشوند.

در بسیاری از نیروگاهها برای جلوگیری از گرم شدن بسته های سوخت در داخل راکتور، این بسته ها را داخل آب سرد فرو می برند. در نیروگاههای دیگر برای خنک نگه داشتن هسته راکتور ، یعنی جائی که فرایند شکافت هسته ای در آن رخ میدهد ، از فلز مایع (سدیم) یا گاز دی اکسید کربن استفاده می شود. 

1- هسته راکتور
2-پمپ خنک کننده
3- میله های سوخت
4- مولد بخار
5- هدایت بخار به داخل توربین مولد برق

برای تولید انرژی گرمائی از طریق فرایند شکافت هسته ای ، اورانیومی که در هسته راکتور قرار داده میشود باید از جرم بحرانی بیشتر (فوق بحرانی) باشد. یعنی اورانیوم مورد استفاده باید به حدی غنی شده باشد که امکان آغاز یک واکنش زنجیره ای مداوم وجود داشته باشد.

برای تنظیم و کنترل فرایند شکافت هسته ای در یک راکتور از میله های کنترلی که معمولا از جنس کادمیوم است استفاده میشود. این میله ها با جذب نوترونهای آزاد در داخل راکتور از تسریع واکنشهای زنجیره ای جلوگیری میکند. زیرا با کاهش تعداد نوترونها ، تعداد واکنشهای زنجیره ای نیز کاهش میابد.

حدودا ۴۰۰ نیروگاه هسته ای در سرتاسر جهان فعال هستند که تقریبا ۱۷ درصد کل برق مصرفی در جهان را تامین میکنند. از جمله کاربردهای دیگر راکتورهای هسته ای، تولید نیروی محرکه لازم برای جابجایی ناوها و زیردریایی های اتمی است.

بازفراوری:
برای بازیافت اورانیوم از سوخت هسته ای مصرف شده در راکتور از عملیات شیمیایی موسوم به بازفراوری استفاده میشود. در این عملیات، ابتدا پوسته فلزی میله های سوخت مصرف شده را جدا میسازند و سپس آنها را در داخل اسید نیتریک داغ حل میکنند. 

در نتیجه این عملیات، ۱% پلوتونیوم ، ۳% مواد زائد به شدت رادیو اکتیو و ۹۶% اورانیوم بدست می آید که دوباره میتوان آنرا در راکتور به مصرف رساند.

راکتورهای نظامی این کار را بطور بسیار موثرتری انجام میدهند. راکتور و تاسیسات باز فراوری مورد نیاز برای تولید پلوتونیوم را میتوان بطور پنهانی در داخل ساختمانهای معمولی جاسازی کرد. به همین دلیل، تولید پلوتونیوم به این طریق، برای هر کشوری که بخواهد بطور مخفیانه تسلیحات اتمی تولید کند گزینه جذابی خواهد بود.

بمب پلوتونیومی:
استفاده از پلوتونیوم به جای اورانیوم در ساخت بمب اتمی مزایای بسیاری دارد. تنها چهار کیلوگرم پلوتونیوم برای ساخت بمب اتمی با قدرت انفجار ۲۰ کیلو تن کافی است. در عین حال با تاسیسات بازفراوری نسبتا کوچکی میتوان چیزی حدود ۱۲ کیلوگرم پلوتونیوم در سال تولید کرد.
بمب پلوتونیومی

1- منبع یا مولد نوترونی
2- هسته پلوتونیومی
3- پوسته منعکس کننده (بریلیوم)
4- ماده منفجره پرقدرت
5- چاشنی انفجاری

کلاهک هسته ای شامل گوی پلوتونیومی است که اطراف آنرا پوسته ای موسوم به منعکس کننده نوترونی فرا گرفته است. این پوسته که معمولا از ترکیب بریلیوم و پلونیوم ساخته میشود، نوترونهای آزادی را که از فرایند شکافت هسته ای به بیرون میگریزند، به داخل این فرایند بازمی تاباند.

استفاده از منعکس کننده نوترونی عملا جرم بحرانی را کاهش میدهد و باعث میشود که برای ایجاد واکنش زنجیره ای مداوم به پلوتونیوم کمتری نیاز باشد.

برای کشور یا گروه تروریستی که بخواهد بمب اتمی بسازد، تولید پلوتونیوم با کمک راکتورهای هسته ای غیر نظامی از تهیه اورانیوم غنی شده آسانتر خواهد بود. کارشناسان معتقدند که دانش و فناوری لازم برای طراحی و ساخت یک بمب پلوتونیومی ابتدائی، از دانش و فنآوری که حمله کنندگان با گاز اعصاب به شبکه متروی توکیو در سال ۱۹۹۵ در اختیار داشتند پیشرفته تر نیست.

چنین بمب پلوتونیومی میتواند با قدرتی معادل ۱۰۰ تن تی ان تی منفجر شود، یعنی ۲۰ مرتبه قویتر از قدرتمندترین بمبگزاری تروریستی که تا کنون در جهان رخ داده است.

بمب اورانیومی:
هدف طراحان بمبهای اتمی ایجاد یک جرم فوق بحرانی ( از اورانیوم یا پلوتونیوم) است که بتواند طی یک واکنش زنجیره ای مداوم و کنترل نشده، مقادیر متنابهی انرژی حرارتی آزاد کند.

یکی از ساده ترین شیوه های ساخت بمب اتمی استفاده از طرحی موسوم به "تفنگی" است که در آن گلوله کوچکی از اورانیوم که از جرم بحرانی کمتر بوده به سمت جرم بزرگتری از اورانیوم شلیک میشود بگونه ای که در اثر برخورد این دو قطعه، جرم کلی فوق بحرانی شده و باعث آغاز واکنش زنجیره ای و انفجار هسته ای میشود.

کل این فرایند در کسر کوچکی از ثانیه رخ میدهد.

جهت تولید سوخت مورد نیاز بمب اتمی، هگزا فلوئورید اورانیوم غنی شده را ابتدا به اکسید اورانیوم و سپس به شمش فلزی اورانیوم تبدیل میکنند. انجام این کار از طریق فرایندهای شیمیائی و مهندسی نسبتا ساده ای امکان پذیر است. 

قدرت انفجار یک بمب اتمی معمولی حداکثر ۵۰ کیلو تن است، اما با کمک روش خاصی که متکی بر مهار خصوصیات جوش یا گداز هسته ای است میتوان قدرت بمب را افزایش داد.

در فرایند گداز هسته ای ، هسته های ایزوتوپهای هیدروژن به یکدیگر جوش خورده و هسته اتم هلیوم را ایجاد میکنند. این فرایند هنگامی رخ میدهد که هسته های اتمهای هیدروژن در معرض گرما و فشار شدید قرار بگیرند. انفجار بمب اتمی گرما و فشار شدید مورد نیاز برای آغاز این فرایند را فراهم میکند.

طی فرایند گداز هسته ای نوترونهای بیشتری رها میشوند که با تغذیه واکنش زنجیره ای، انفجار شدیدتری را بدنبال می آورند. اینگونه بمبهای اتمی تقویت شده به بمبهای هیدروژنی یا بمبهای اتمی حرارتی موسومند.


اثر بمب های هسته ای

انفجار اعم از عادی یا هسته ای عبارتست از رهایی مقدار زیادی انرژی   در مدت زمانی بسیار کوتاه در یک فضای محدود. در انفجار هسته ای حرارت و فشار حاصل، به اندازه ای است که جرم بمب و همه مواد موجود در فضای مزبور را در آن واحد بصورت توده ای از گاز داغ، ملتهب و فشرده در آورده و تشکیل گوی آتشین می دهد که در حدود چند میلیون درجه حرارت دارد. این گوی آتشین  بلافاصله انبساط کرده و به لایه های بالای جو صعود می کند و فشار اطراف خود را بالا برده و موج انفجاری (موج ضربه) بسیار شدیدی در زمین یا آب یا در زیر زمین ایجاد می کند که اثر تخریبی انفجار مربوط به آنها ست.  

قطر کره آتشین ناشی از بمب هسته ای یک مگاتنی، در یک هزارم ثانیه به حدود 150 متر رسیده ودر هر ثانیه به حداکثر اندازه خود که حدود 2000 متر است می رسد و یک دقیقه پس از انفجار تا 7 کیلومتر صعود می کند و سپس نسبتا سرد شده و روشنایی خود را از دست می دهد. گوی آتشین همانطور که به سرعت بزرگ شده و صعود می کند تغییر شکل داده و پهن تر می شود و هوا، خاک و عناصر دیگر را از پایین به داخل خود می مکد و دنباله ای از غبار تشکیل می شود که گوی آتشین را به زمین وصل می کند. کره آتشین بتدریج سرد شده و بصورت ابری متلاطم در می آید که ابتدا سرخ رنگ و بعد سفید می شود، و با دنباله خود شکل قارچی به خود می گیرد. (در نزدیکی انفجار سرعت موج از یک کیلومتر درثانیه یعنی هزارها کیلومتر در ساعت بیشتر است).                             

بعد از هر انفجاری گازهای سوزان و فشرده به سرعت منبسط شده و با حرکت به سمت خارج کانون انفجار، فشار جو و دمای محیط اطراف را بالا می برند. و این امر باعث می شود که امواجی که در لحظات بعدی از کانون انفجار به اطراف گسترده می شوند سرعتشان از امواج اولیه زیادتر گردد. این امواج ثانویه در لحظه ای که به امواج اولیه می رسند ترکیب شده وتشکیل یک جبهه می دهند، و به هر جسمی که در برابر این جبهه قرارگیرد، در یک لحظه بسیار کوتاه فشار رویه ای خیلی زیادی وارد می شود. این فشار از همه طرف جسم را احاطه کرده و می فشارد.

در ابتدای هرانفجاری فشار محیط افزایش یافته و از فشار اتمسفر بیشتر می شود و به ماکزیمم مقدار خودش می رسد در این مرحله باد به طرف خارج حرکت می کند، این مرحله ، مرحله مثبت(کمپرس یا تراکم) خوانده می شود. لیکن بعد از طی مسافتی معین فشار داخل آن به سرعت کاهش یافته و عملا از فشار اتمسفر کمتر می شود، در این حال یک فشار منفی ایجاد می شود که هوا را می مکد، در این مرحله سوی باد به داخل است. این مرحله به نام مرحله منفی (مکش) خوانده می شود. طول زمان مرحله منفی سه تا سه ونیم برابر مرحله مثبت است (در ترکش سلاح 20تنی وقتی جبهه ضربه در حدود 400 تا 500 متر را پیمود مرحله منفی آغاز می شود). -فشار ناشی از انفجارهای مانند تی ان تی یا هسته ای شبیه هم هستند اما تفاوت آنها در مقدار و دوام زمانی انفجار است، که در انفجارهای هسته ای چند برابر زیادتر است.  مثلا در یک مسافت معین که فشار حاصل از انفجارات معمولی برابر فشار حاصل از انفجار هسته ای باشد دوام زمان فشار انفجار هسته ای 100 برابر بیشتر از دوام زمانی فشار انفجارات معمولی خواهد بود و همین امر در ایجاد خسارت بیشتر بسیار موثر است.

انفجار یك بمب هسته‌ای روی یك شهر پرجمعیت خسارات وسیعی به بار می آورد. درجه خسارت به فاصله از مركز انفجار (كانون انفجار (بستگی دارد. مجموع انرژی حاصل از یک انفجار (قدرت بمب) تا اندازه ای به نوع سلاح، سوخت وشرایط انفجار بستگی دارد. ولی بطور کلی،50% انرژی را  موج انفجاری (موج ضربه)، 35% انرژی را تشعشع حرارتی و امواج نورانی و 15% انرژی را تشعشعات هسته ای ( 5% از تشعشعات ابتدایی و 10% از تشعشعات بعدی) حمل می کنند. -

زیانهای ناشی از انفجار بمب هسته‌ای عبارتند از:  موج شدید گرما كه همه چیز را می‌سوزاند-  فشار موج ضربه‌ای كه ساختمان‌ها و تاسیسات را تخریب می‌كند- تشعشعات رادیواكتیویته كه سرطان زا است- و بارش ابری از ذرات رادیواكتیو كه بصورت غبار و توده سنگ‌های متراكم به زمین برمی‌گرد.

 از اینرو بطور کلی منطقه انفجار بمب های هسته ای به پنج قسمت منطقه تبخیر(كانون زلزله)، منطقه تخریب كلی، منطقه آسیب شدید گرمایی، منطقه آسیب شدید انفجاری و منطقه آسیب شدید باد وآتش تقسیم میشود.

دركانون زلزله (منطقه تبخیر):  درجه حرارت در مرکز انفجارهای معمولی به حدود 5000 درجه سانتیگراد می رسد، در حالی که درجه حرارت در مرکز انفجار هسته ای تا سیصد میلیون درجه سانتیگراد  بالا می رود و هر چیزی که در این منطقه قرار بگیرد بخار می شود.

منطقه آسیب شدید گرمایی: قسمت عمده ای از انرژی انفجار بصورت حرارت و نور آزاد می شود که در منطقه وسیعی ایجاد آتش سوزی نموده و حتی در فاصله های دورتر سبب سوختگی در پوست بدن موجودات زنده ای که در معرض آنها قرارگرفته باشند می گردد. میزان درخشنده گی کره آتشین به حدی است که از فاصله یکصد کیلومتری از نور خورشید در وسط روز درخشنده تر است، و می تواند موجب کوری موقتی یا سوختگی دائمی شبکیه چشم شود. (درآزمایشات هسته ای سلاح 20 کیلوتنی اشخاصی که به طور تصادفی در مسافت 10 مایلی در معرض قرار گرفته بودند موجب سوختگی شبکیه چشم شده است).

بارش ابری از ذرات رادیواكتیو : چنانچه انفجار در سطح زمین یا نزدیکی آن اتفاق بیفتد مقدار زیادی خاک و شن و مواد مختلف بخار شده و همراه با گوی آتشین بالا می روند. این ذرات با مواد رادیواکتیو  مخلوط شده و ابر قارچی شکلی را شکل می دهند، و در اثر برف و باران به زمین برمی گردند، و منبع تشعشعات بعدی خواهند بود، این عمل ریزش اتمی  نامیده می شود. (یک درصد انرژی  سلاح مگاتنی در ترکش سطحی کافی است که 4000 تن خاک و شن و سنگ را بخار نماید)- اگر انفجار هسته ای در زیر آب رخ دهد مقدار زیادی آب بخار خواهد شد.(یک صدم انرژی سلاح یک مگاتنی کافیست که 20000 تن آب را بخار کند)-اگر انفجار هسته ای در زیر زمین رخ دهد، تکانهایی مانند زمین لرزه  ایجاد می نماید)
تشعشعات رادیواكتیویته: در انفجار بمب اتمی مقدار قابل توجهی محصولات شکافت رادیواکتیو پراکنده می‌شوند. که این مواد بوسیله باد از یک بخش جهان به نقاط دیگر آن منتقل شده و بوسیله باران و برف از جو زمین در مناطق دور ریزش می‌كند که باعث آلوده شدن موجودات، آب و محیط زندگی در منطقه وسیعی می‌‌شود. این مواد بوسیله مواد غذایی گیاهی جذب شده و بوسیله مردم و حیوانات خورده می‌شوند. تشعشعات زیانبار اینگونه مواد رادیواکتیو آثار ژنتیکی و جسمانی زیان آوری دارند. بعضی از این مواد رادیواکتیو طول عمر زیادی دارند و تا سال های طولانی مانع ادامه حیات موجودات زنده در محل های نزدیك به انفجار می شود. دانشمندان با بررسی اثرات مواد رادیواكتیو روی بازماندگان بمباران ناكازاكی و هیروشیما دریافتند كه این مواد باعث: ایجاد تهوع، آب ‌مروارید چشم، ریزش مو و كم‌شدن تولید خون در بدن می‌شود. در موارد حادتر، مواد رادیواكتیو باعث ایجاد سرطان و نازایی هم می‌شوند. تابش های رادیواكتیو از سه پرتو آلفا، بتا و گاما تشكیل شده است كه نوع گامای آن از همه خطرناكتر است. پرتو گاما فركانس، جرم و انرژی بالایی دارد و اگر به بدن انسان راه یابد، از ساختار سلولی آن عبور كرده و باعث تخریب ماده دزوكسی ریبو نوكلوئیك اسید) یا همان DNA) شده و باعث پیدایش انواع سرطان ها، سندرم ها ونقایص غیر قابل درمان دیگر می شود. وحتی این نقایص به نسلهای آینده نیز منتقل خواهد شد. یکی از فراوانترین محصولات رادیواکتیو، استرانسیوم 90Sr است، که وقتی وارد بدن می‌شود، به ماده استخوانی بدن راه یافته و با گسیل ذرات بتا با انرژی  میلیون الکترون ولت ونیم عمر  28 سال، نابود می‌شوند، که می‌تواند به سلولها آسیب رسانده و موجب بروز انواع بیماریها از قبیل تومور استخوان ، لوکمیا و … ، بخصوص در کودکان در حال رشد ، می‌شود.

فشار حاصل از موج انفجار :  فشار حاصل از موج انفجار ساختمانها و تاسیسات را خراب می‌کند،  همچنین موج انفجار حامل انرژی زیادی است و می تواند تجهیزات الكترونیكی پیشرفته نظیر ماهواره ها و یا سیستم های مخابراتی را از كار بیندازد. اثرات زیانبار این انفجار حتی تا شعاع پنجاه كیلومتری وجود دارد. در اینجا اثرات موج انفجاری بر روی یک شهر، هواپیما، تانک و مهمات و انسان را بررسی می کنیم:

1-اثرات موج انفجاری بر روی یک شهر:

مقاومت یک ساختمان در برابر موج انفجاری در درجه اول به قدرت و جنس ساختمان بستگی داشته و در درجه دوم به شکل آن و تعداد دریچه های موجود بستگی دارد. شکل ساختمان در برابر موج انفجاری زیاد موثر نیست زیرا تقریباً تمام ساختمان ها چهار گوش هستند. موضوع شکل فقط در بعضی از قسمت های ساختمان موثر است. مثلا در مورد دود کش ها و پایه پلهاموج انفجاری  بطور سریع همه اطراف آنها را احاطه کرده و دور تا دور را به یک میزان می فشارد، در نتیجهمقاومتشان بسیار زیاد می شود . مقاوم ترین ساختمانها، ساختمان های چهار گوش فولادی و بتنی،- ضعیف ترین آنها ساختمان های چتری شکل کارخانجات است که دارای تیرهای سبک و طویل و سقف های بدون حایل می باشد. - یک ساختمان باریک و طویل اگر از قسمت باریک خود در معرض موج انفجاری قرار گیرد خسارت کمتری خواهد دید تا از قسمت پهن.- شکسته شدن سریع درها و دریچه ها و خراب شدن قسمت های ضعیف یک ساختمان مفید است، زیرا همین امر سبب می شود که فشار درون ساختمان و خارج آن بطور سریع برابر شده و از ویرانی زیادتر جلوگیری شود.-پل ها، جاده ها و زیرسازی آنها، بزرگ راه ها، باند فرودگاه، راه آهن و خطوط آن به خاطر شکل ساختمانی شان در برابر موج انفجاری بسیار مقاوم هستند و نسبتا از موج انفجاری آسیبی دریافت نمی کنند، فقط ممکن است بوسیله خرده سنگ و نخالی مسدود گردند. -در ژاپن پل هایی که دارای پایه فولادی بوده و از بتن تقویت شده ، ساخته بودند. فقط در قسمت سطح و نرده های اطراف کمی آسیب دیدند و در نتیجه تا هنوز قابل استفاده بوده اند. -اما تیرها و ستون های تلفن و برق ، منابع آب و گاز و لوله هایی که روی سطح زمین کار گذاشته شده اند در برابر موج انفجاری آسیب می بینند. -خودروها نیز تحت تاثیر مستقیم موج انفجاری واژگون شده، و خسارت قابل ملاحظه ای دریافت خواهند داشت. همچنین وسایل الکتریکی و ماشین آلات برقی دقیق وحساس مانند رادار، دستگاه های رادیو، تلفن، تابلو های کلید دار و دستگاه های سنجش و بازرسی مواد رادیواکتیو در برابرموج انفجاری بسیار آسیب پذیر ند حتی اگر مستقیما هم آسیبی دریافت نکند خراب خواهند شد. - اگر انفجار بمب 20 کیلو تنی در ارتفاع 2 کیلومتری سطح زمین صورت گیرد، در دایره ای به شعاع یک چهارم مایل از سطح زمین صرف نظر از نوع ساختمان ها انهدام کامل است. از آن به بعد تا مسافت یک مایلی ساختمانهای بتنی شدیداً آسیب می بینند. در صورتیکه بقیه ساختمان ها به کلی ویران می شوند.خانه های مسکونی تا مسافت 1.5 مایلی منهدم شده و تا مسافت 8 مایلی خسارت شدید ، متوسط و سبک خواهند دید.

2- اثر موج انفجاری روی هواپیما: ساختمان هواپیما در برابر فشار زیاد عوامل جوی و ضربه نشستن مقاوم است، اما در برابر فشارا مواج انفجار هسته ای مقاومت شایانی ندارند. - ابزار و آلات درون هواپیما درصورتی خسارت می بیند كه موج به درون هواپیما راه یابد، از اینرو هواپیما های کوچک در مقایسه با هواپیماهای بزرگ، چون روزنه ها و دریچه های کوچک دارند آلات و ابزاردرونیشان آسیب کمتری می بیند. چون روزنه های هواپیما ها در حین پرواز بسته است خسارت درونی معمولاهنگامی ایجاد می شوند که هواپیما در حال پارک باشد. هواپیما های پارک شده علاوه بر خساراتی که مستقیما از موج انفجاری دریافت می دارند این امکان هم هست که کاملا از زمین کنده شده و در موقع اصابت مجدد به زمین از پهلو یا از طریق واژگون شدن خسارت ببینند.  اما هواپیما های در حال پرواز در مسافت 1500 یارد از نقطه انفجار آسیب شدید وتا مسافت 3000 یاردی آسیب جزئی دریافت خواهند داشت . بطور کلی آسیب پذیر ترین قسمت هواپیما عبارتند از ( کابین بدنه، کابین دستگاه های فرمان ، دم هواپیما).

3-اثر موج انفجاری روی تانکها  و مهمات: اگر دریچه تانک ها و خودروهای ذره پوش مسدود و برجک ها به حالت قفل شده باشند، بی سیم ، وسایل بصری ، مسلسل، چراغ ها ، چرخ ها در مقابل امواج انفجاری محفوظ خواهد بود . اما در نزدیکی کانون انفجار، موج انفجاری ممکن است تانک های مزبور را تا مسافتی پرت کرده و آنها را واژگون سازد و آسیب ببیند. - مقاومت  توپ های سنگین در برابر موج انفجاری بسیار زیاد است و تنها در اثر پرت شدن و اصابت مجدد به زمین ممکن است آسیب ببینند. لیکن قطعات ظریف آنها مانند دوربینها خسارت خواهند دید .

 4-اثر موج انفجاری روی انسان : بدن انسان بطور خارق العاده ای در برابر موج انفجاری مقاوم است چون حالت فنری دارد می توانند موجی را که قادر باشد ساختمان های از بتن تقویت شده را کاملا منهدم سازد تحمل نماید بدون اینکه آثار جراحت یا بیماری در آن ظاهر شود و( برای اینکه جراحات شدید یا مرگ ایجاد شود فشاری در حدود 300 پوند بر اینچ مربع لازم است). اکثر ضایعات انسانی موج انفجاری غیر مستقیم ایجاد می شود. یعنی اشخاص در اثر دریافت فشار پرت شده و یا بواسطه قطعات سنگ و شیشه و چوب که با سرعت در هوا حرکت می کنند جراحت می بینند ساختمان ها نیز برروی عده ای خراب شده و آنها را مدفون می کند و آتش سوزی و سایر جنبه های انفجارهسته ای بخش های عمده تلفات انسانهارا دارد. (در ژاپن35% کلیه ضایعات مربوط به اثر غیر مستقیم موج انفجاری بوده است و کسی از اثرات مستقیم موج آسیبی ، به غیر از چند پاره شدگی پرده گوش ندیده بودند)




http://environmentearth.mihanblog.com/post/106

صفحات جانبی

نظرسنجی

    لطفاً نظرات خود را درمورد وبلاگ با اینجانب در میان بگذارید.(iman.sariri@yahoo.com)نتایج تاکنون15000مفید و 125غیرمفید. با سپاس


  • آخرین پستها

آمار وبلاگ

  • کل بازدید :
  • تعداد نویسندگان :
  • تعداد کل پست ها :
  • آخرین بازدید :
  • آخرین بروز رسانی :