امروزه حدود 17 درصد از برق دنیا را نیروگاه های هسته ای تامین می کنند. بعضی از کشورها حتی خیلی بیشتر به این منبع انرژی وابسته اند. به عنوان مثال ،بر اساس آمار رسمی آژانس بین المللی انرژی اتمی، کشور فرانسه 75 درصد از برق خود را از طریق نیروی هسته ای تامین می کند. همچنین در ایالات متحده آمریکا حدود 15 درصد از برق کشور از انرژی هسته ای تامین می شود که این عدد در بعضی ایالات بیشتر است. در مجموع، حدود 400 نیروگاه هسته ای در دنیا وجود دارد که از میان آن ها، بیش از 100 نیروگاه در ایالات متحده آمریکا واقع هستند. در این مقاله به بررسی چگونگی کارکرد یک نیروگاه هسته ای و قلب آن که در واقع رآکتور هسته ای است، می پردازیم و در مورد شکافت هسته ای صحبت می کنیم.
اورانیوم یکی از عناصر کمیاب در کره زمین است که در زمان شکل گیری این سیاره با دیگر عناصر تشکیل دهنده آن ترکیب شده است. درواقع ، اورانیوم از عناصر تشکیل دهنده ستارگان است. با انفجار ستارگان کهن سال و تجمع دوباره ذرات منهدم شده آن ها سیاراتی مانند کره زمین شکل گرفته است و به همین دلیل در این سیارات نیز اورانیوم وجود دارد. اورانیوم-238 (238-U) به علت دارا بودن نیمه عمر بسیار طولانی (5/4 میلیارد سال) ، هنوز به شکل توده های بزرگی در این سیاره یافت می شود. 238-U که یکی از ایزوتوپ های اورانیوم است، بیشترین فراوانی را در بین انواع دیگر اورانیوم دارد (حدود 99درصد). 235-U حدود 7 درصد از اورانیوم جهان را شامل می شود و 234 -U که از واپاشی 238-U به دست می آید، حتی از بقیه هم نایاب تر است.(با واپاشی اورانیوم-238 در طی مراحل فراوان که به آن واپاشی آلفا و بتا می گویند، ایزوتوپ پایدار سرب به دست می آید و 234-U نیز یکی از حلقه های این واکنش زنجیره ای است.)
اورانیوم-235 با داشتن برخی ویژگی های جالب هم در صنایع انرژی هسته ای و هم در ساخت بمب اتمی کاربرد دارد. 235-U به طور طبیعی وا می پاشد و 238-U تحت تابش پرتو آلفا دچار واپاشی می شود. 235-U یکی از معدود موادی است که می توان از آن در شکافت هسته ای استفاده کرد.اگر یک نوترون آزاد (ذره بدون بار الکتریکی) وارد هسته 235-U شود، 235-U داوطلبانه این نوترون را جذب کرده و به ناپایداری شیمیایی رسیده و بلافاصله دچار شکافت هسته ای می شود.
شکافت هسته ای
همانطور که توضیح داده شد، با نزدیک شدن یک نوترون به هسته اورانیوم-235 ، این نوترون جذب هسته شده و بلافاصله هسته به دو اتم کوچک تر شکسته می شود و دو یا سه نوترون آزاد رها می کند. (تعداد این نوترون ها بستگی به نوع شکسته شدن اورانیوم دارد.) جدا شدن این دو اتم جدید موجب ساطع شدن پرتو گاما می شود. در این فرایند سه نکته قابل توجه وجود دارد:
1-احتمال جذب نوترون آزاد توسط 235-U بسیار بالا است. به همین دلیل در رآکتورها، نوترون های آزاد شده در هر واکنش خود عامل ایجاد واکنش های بعدی می شوند.
2- عملیات جذب نوترون آزاد و شکست هسته، بسیار سریع و در کسر کوچکی از ثانیه اتفاق می افتد (12-10×1 ثانیه).
3- در فرایند شکست اتم، مقا دیر بسیار زیادی انرژی به صورت حرارت و پرتو گاما آزاد می شود. اتم های جدید تولید شده، خود پرتو بتا و گاما وتولید می کنند. دلیل تولید این مقدار انرژی بسیار ساده است. وزن اتم ها و نوترون های جدید تولید شده، کمتر از اتم اولیه 235-U است ، و این اختلاف جرم اولیه با محصول، تبدیل به انرژی شده است. مقدار این انرژی بر اساس رابطه مشهور انرژی که به آن رابطه تناسب اینشتین نیز گفته می شود به دست می آید: 2 E=mc .
با شکست یک هسته اتم 235-U ، حدود 200 میلیون الکترون ولت انرژی آزاد می شود. (اگر به تبدیل واحدها علاقه مند هستید باید به شما بگویم هر یک الکترون ولت معادل 12-10×602/1 ارگ و هر 107×1 ارگ معادل یک ژول و هر یک ژول معادل یک وات-ثانیه است.)
اگر تبدیل واحدها را انجام دهید متوجه می شوید با شکست یک اتم مقدار زیادی انرژی آزاد نمی شود، ولی در چند گرم اورانیوم تعداد زیادی اتم وجود دارد. تقریباً در نیم کیلو گرم اورانیوم کم غنی شده ، که برای سوخت زیردریایی ها یا هواپیما های اتمی استفاده می شود، تقریباًمعادل 4 میلیون لیتر گازوئیل انرژی وجود دارد.
برای این که تصور بهتری از این مقدار انرژی داشته باشید، باید بگوییم که نیم کیلو گرم اورانیوم تقریباً اندازه یک توپ تنیس است و 4 میلیون لیتر گازوئیل مخزنی مکعبی شکل به ابعاد تقریباً 15 متر را پر می کند. ( تقریباً ارتفاع یک ساختمان 5 طبقه ).
پس به راحتی می توان دید در نیم کیلو گرم اورانیوم-235، انرژی فراوانی نهفته است.
برای دستیابی به نتیجه بهتر، اورانیوم را غنی سازی می کنند. به این ترتیب مقدار اتم های 235-U در واحد حجم، 2 تا 3 درصد بیشتر می شود غنی سازی. غنی سازی 3 درصدی برای استفاده در رآکتور های مخصوص شهری تولید برق، بسیار مناسب است. برای مصارف نظامی، 235-U را تا 90 درصد یا حتی بیشتر غنی سازی می کنند.
دریک نیروگاه اتمی چه می گذرد؟
برای ساخت یک نیروگاه اتمی به کمی اورانیوم غنی شده نیاز داریم. اورانیوم معمولاً به صورت توپ های کوچکی با ابعاد حدود 2 تا 3 سانتی متری شکل داده می شود. توپ ها در دسته هایی به صورت میله ای قرار می گیرند و میله های اورانیوم به صورت دسته ای نگهداری می شود. سپس این دسته ها داخل مخازن تحت فشار و درون آب نگهداری می شوند. آب به عنوان یک خنک کننده عمل می کند.برای استفاده از این اورانیوم، باید آن را به حالت فوق بحرانی رساند. فارغ از ابزار لازم برای این کار، حالت فوق بحرانی حالت بسیار داغ یا ذوب شده اورانیوم است.برای محافظت از دسته های اورانیوم که به حالت فوق بحرانی نرسند در هر دسته، موادی که جاذب نوترون های آزاد باشد قرار می دهند که به آن ها میله های کنترلی می گویند. با کاهش یا افزایش میله های کنترلی ، امکان کنترل واکنش های هسته ای فراهم می شود. وقتی بخواهیم دمای هسته اورانیوم را افزایش دهیم، میله های کنترلی را خارج کرده و برعکس برای کاهش دما، میله های بیشتری اضافه می کنیم. افزایش این میله های کنترلی حتی می تواند واکنش را به صفر رسانده و متوقف کند.
این دسته های اورانیوم به عنوان منابع پر قدرت انرژی استفاده می شوند. با افزایش دمای آن ها آب بخار می شود. بخار حاصل، توربین بخار را راه انداخته و توربین نیز پره های ژنراتور را راه می اندازد و به این ترتیب برق تولید می شود. البته در بعضی از سیکل ها، مبدل های حرارتی خاصی نیز اضافه می شود. همچنین در بعضی از رآکتور ها ، به جای آب از خنک کننده های دیگری مثل گاز(دی اکسید کرین) یا حتی فلزات مایع (مثل سدیم یا پتاسیم) استفاده می شود. این نوع رآکتور ها امکان کارکردن در دمای بالاتر را فراهم می کنند.