اگرچه امروزه نسبت به اینکه کدامیک از این قدرتهای چهارگانه حرف اول را می زند بحثهای مختلفی وجود دارد، اما بدون شک این چهار قدرت با هم ارتباط تنگاتنگ داشته و هر یک بر دیگری تأثیر (مسقتیم یا غیر مستقیم) خواهد داشت. علوم و تکنولوژی هسته ای از جمله مواردی است که در حال حاضر به صورت یک عامل مهم و تعیین کننده در هر یک از چهار مورد مذکور نقش ایفا می نماید. امروزه تأثیر تکنولوژی هسته ای در گسترش دانش بشری، تسلط بر طبیعت، تأمین رفاه و پیشرفت زندگی بشر غیر قابل تردید است و بدون شک کشورهای مختلف نیز هر یک برحسب توان خود به این تکنولوژی روی آورده اند و هر کشوری براساس مقتضیات زمانی و مکانی، استراتژی و تاکتیک خاصی را برای خود برمی گزیند.
1- مقدمه
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 کارا ترنمودن 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.
2- انرژی هسته ای
انرژی بدست آمده از فعل و انفعالات هسته ای را انرژی هسته ای می گویند. این انرژی از دو منشاء می تواند سرچشمه بگیرد. یکی شکافت هسته اتمهای سنگین و دیگری همجوشی یا گداخت هسته اتمهای سبک . ذیلا به اختصار به این دو فعل و انفعال هسته ای که به تولید انرژی هسته ای منجر می گردند پرداخته می شود.
2-1) شکافت هسته ای
پس از کشف نوترون توسط"چاودیک" در سال 1932، هان و استراسمن، دانشمندان آلمانی، در سال 1939 طی مقاله ای نشان دادند که این ذره می تواند عناصر سنگینی از قبیل اورانیوم را شکافته و آنها را به عناصر دیگر با جرم کمتر تبدیل نماید. شکافت اورانیوم که علاوه بر آزادسازی انرژی یا گسیل چند نوترون نیز همراه می شود، منشا تحولات بسیاری در قرن اخیر شده است. در طی تحقیقاتی که در قبل از جنگ جهانی دوم بویژه در فرانسه و آلمان انجام گرفت، محقق گشت که نوترونهای آزاد شده می توانند تحت شرایط مناسب برای ایجاد شکافت در دیگر هسته های اورانیوم مورد استفاده قرار گیرند و بدین ترتیب یک واکنش زنجیره ای را می توان آغاز نمود که باعث آزادسازی مقدار قابل ملاحظه ای انرژی گردد.
این شکافت بیشتر مربوط به 235-U (اورانیوم با جرم اتمی 235) بود و وجود یک حداقل جرمی از اورانیوم برای یک واکنش زنجیره ای لازم به نظر می رسید. این حداقل را جرم بحرانی نامیدند. در طول جنگ جهانی دوم، این تحقیقات در کشورهای انگلستان، کانادا و عمدتا آمریکا ادامه یافت و نتیجتا به ساخت اولین راکتور اتمی در زیرزمین دانشگاه شیکاگو توسط فرمی و چندی بعد به تولید اولین بمب اتمی منجر گردید که بطور موفقیت آمیزی فجایع اسف بار هیروشیما و ناکازاکی را بوجود آورد. راکتور اتمی نمونه بارز استفاده صلح آمیز از انرژی اتمی بود در حالیکه بمب اتمی بوضوح استفاده غیرصلح آمیز آن را آشکار می ساخت. بهرحال هر دوی این فرایندها به تولید انرژی هسته ای که ناشی از شکافت هسته اتمهای سنگین بود منجر گشتند، البته یکی کنترل شده(راکتور اتمی) و دیگری کنترل نشده (بمب اتمی) به حساب می آمد.
به هر حال شکافت هسته های سنگین به دو هسته سبکتر، همراه با آزاد شدن مقادیر زیادی انرژی است و این فرایند تنها در هسته های سنگینی چون اورانیوم و پلوتونیوم اتفاق می افتد. از بین ایزوتوپهای اورانیوم و پلوتو نیوم نیز U-235 ، Pu-239 وPu-241 قابلیت شکافت را دارند تا ایزوتوپهای دیگر. برای ایجاد شکافت مناسب، باید واکنش هسته ای بصورت زنجیره وار و پیوسته انجام گردد وگرنه نتیجه مطلوب حاصل نخواهد گردید.
در یک واکنش زنجیره ای هسته ای، ابتدا یک نوترون با انرژی مشخص و سرعت مورد نظر به هسته قابل شکافت مثل 235- U برخورد می کند. نتیجه این برهم کنش، نفوذ نوترون به داخل هسته بوده و با برهم خوردن توازن نیروهای جاذبه و دافعه، هسته سنگین به دو هسته شکسته شده و همراه با آن مقادیر زیادی انرژی و چندین نوترون سریع آزاد می گردد. متوسط تعداد نوترونهای تولید شده در شکافت 235- U حدود 5/2 و در 239-PU حدودا 3 درجه می باشد. هرکدام از این نوترونها با برخورد با هسته های دیگر موجب آزاد شدن انرژی و چندین نوترون دیگر خواهند شد. چنانچه شرایط مهیا باشد، این واکنش بطور زنجیره وار ادامه می یابد تا زمانیکه به عللی از جمله کاهش جرم ماده شکافت پذیر متوقف گردد. تعداد نوترونهای ناشی از شکافت را اصطلاحا تحت عنوان فاکتور تکثیر می شناسد و به K نمایش می دهند چنانچه 1< K باشد در این صورت سیستم فوق بحرانی خواهد بود و تکثیر نوترونها و آزاد شدن انرژی با سرعتی بیش از حد تصور ادامه می یابد و این همان فرآیندی است که در سلاحهای هسته ای روی می دهد. چنانچه1= K باشد سیستم را بحرانی می نامند. به عبارت بهتر به ازای هر نوترونی که به هر دلیل در سیستم مصرف و یا از آن خارج می گردد یک نوترون در نتیجه شکافت تولید می شود. اگر 1>K باشد سیستم را زیر بحرانی می دانند. در این سیستم تولید نوترونها در مجموع روبه کاهش رفته و نهایتا فعل و انفعالات هسته ای در سیستم متوقف خواهد گردید. به فرض اینکه 2=K باشد، پس تولید نوترونها در اثر شکافتهای زنجیره ای بصورت تصاعدی 32،16،8،4،2 و ... خواهد بود. در این حالت چنانچه جرم 235- U، یک کیلوگرم (Kg ) بوده و این شکافتها تا 80 بار ادامه یابند، انرژی معادل 20 کیلوتن TNT در زمانی کمتر از1us آزاد خواهد گردید.
2-2) همجوشی یا گداخت هسته ای
هم جوشی یا گداخت هسته ای را می توان به عنوان فرایند عکس شکافت هسته ای قلمداد کرد، یعنی فرایندی که در آن دست کم یکی از محصولات واکنش هسته ای ازهر یک ازمواد واکنش زای اولیه پر جرمتر باشد . گداخت هسته ای در مواردی که جرم کل هسته های محصول از جرم کل مواد واکنش زاکمتر باشد منجر به رهایی انرژی خواهد شد. این شرط برای هسته های سبک یا اعداد جرم A1 و A2 که برای آنها 60> (A2+A1) باشد، همیشه برقرار است. فعل و انفعالاتی که در ستاره ها رخ می دهد و منجر به تولید انرژی بسیار زیادی می گردد، شناخته شده ترین و بارزترین نمونه های همجوشی یا گداخت هسته ای است. این واکنشها که عموما به زنجیره پروتون - پروتون موسوم می باشند با واکنشی بین دو پروتون و تشکیل یک دوتریوم آغاز می شود. سپس با واکنش یک پروتوم و دوتریوم و تشکیل 3He ادامه یافته و نهایتا با واکنش دو اتم 3He و تشکیل 4He خاتمه می یابد. دراین فرایند حدود 7/24 Mev انرژی آزاد می گردد. برای شبیه سازی همین واکنش در روی زمین تحقیقات بسیاری از اواسط قرن بیستم میلادی انجام گرفته است و هنوز نیز ادامه دارد. دراین تحقیقات مشخص گردید که سطح مقطع واکنش بین دوتریوم (2H) و تریتیوم (3H) و همچنین مقدار انرژی آزاد شده به ازای هر اتمی که در آن واکنش شرکت دارد خیلی بیشتر از واکنشهای مذکور می باشد. در این واکنش در نتیجه همجوشی بین دو تریوم و تریتیوم یک اتم هلیوم همراه با یک نوترون و حدود 6/17 Mev انرژی آزاد می گردد.
گداخت هسته ای را سرچشمه انرژی فردا می دانند و گمان می رود سوخت یک راکتور گداخت هسته ای همانطور که بیان گردید مخلوطی از دو تریوم و تریتیوم باشد. واکنش همجوشی بین این دو ماده در دمای حدود 10 به توان 7 درجه سانتیگراد صورت می گیرد و گرمای تولید شده بواسطه همجوشی آنها باعث واکنشهای گداخت دیگر نیز خواهد گردیدو این امر یک سری واکنشهای زنجیره ای را بوجود خواهد آورد که می توان با استفاده از انرژی بسیار زیاد تولید شده، توربینهای مولد برق را بکار انداخت. از محسنات راکتورهای گداخت، درجه بالای ایمنی آنهاست و برخلاف راکتورهای شکافت هسته ای که پسمانهای رادیو اکتیو بسیاری تولید می کنند، پسمان راکتورهای گداخت مقدار کمی هلیوم غیر رادیواکتیو است. البته در واکنش همجوشی هسته ای، طبق آنچه بیان گردید، نوترون نیز تولیدمی شود که می تواند به مرور راکتور را رادیو اکتیو کند ولی با انتخاب مواد مناسب می توان به جذب نوترونها اقدام نمود و در نتیجه این مسئله نیز مرتفع خواهد گردید. در حال حاضر دستگاهی که فعل و انفعالات گداخت هسته ای در آن بوقوع می پیوندد تحت عنوان توکامک شناخته می شود پیش بینی ها از دهه 2020 میلادی به عنوان نقطه آغاز به کار راکتورهای تحاری هم جوشی هسته ای حکایت دارند.
3- کاربردهای علوم و تکنولوژی هسته ای
علیرغم پیشرفت همه جانبه علوم و فنون هسته ای در طول نیم قرن گذشته، هنوز این تکنولوژی در اذهان عمومی ناشناخته مانده است. 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:
1- استفاده از انرژی حاصل از فرآیند شکافت هسته اورانیوم یا پلوتونیوم در راکتورهای اتمی جهت تولید برق و یا شیرین کردن آب دریاها.
2-استفاده از رادیوایزوتوپ ها در پزشکی، صنعت و کشاورزی
3- استفاده از پرتو های ناشی از فرآیندهای هسته ای در پزشکی، صنعت و کشاورزی
ایزوتوپهای یک عنصر، هسته هایی شامل تعداد پروتونهای یکسان و تعداد نوترونهای متفاوت می باشند.
یکسان بودن عدد اتمی در ایزوتوپها باعث گشته که خواص شیمیایی و بعضا فیزیکی یکسان داشته باشند اما در عین حال خواص هسته ای متفاوتی دارند. در حالیکه بطور طبیعی اکثر ایزوتوپهای موجود از پایداری نسبی برخوردار هستند، اما ایزوتوپهای ساخته دست انسان، عمدتا غیرپایدار می باشند. پایداری یک ایزوتوپ توسط نیمه عمر آن تعیین می گردد و نیمه عمر زمانی است که مقدار یک ایزوتوپ از طریق تلاشی به نصف می رسد.
نیمه عمرها می توانند از کسری از ثانیه تا صدها میلیون سال تغییر یابند. ایزوتوپهای رادیواکتیو(رادیوایزوتوپها) زمانیکه متلاشی می گردند سه نوع تابش را منتشر می سازند:
1- ذرات آلفا که دارای بار مثبت بوده و مرکب از دو پروتون و دو نوترون هستند(++4He)
2- ذرات بتا که الکترونهای انرژتیک با بار منفی یا پوزیترونها با بار مثبت می باشند
3- تابشهای گاما که بدون بار بوده و بسیار نافذ هستند.
برخی از عناصر رادیواکتیو مثل رادیوم و یا ایزوتوپهای رادیواکتوی مثل 235-U در طبیعت یافت می شوند ولی اکثر آنها در راکتورهای اتمی و یا بوسیله شتابدهنده ها تولید می گردند. 82-Br و58- Co و131-Iو32-Pو42-Kو111-Agو64-Cuو38-Cl از مهمترین رادیو ایزوتوپهای تولید شده در راکتورهای اتمی می باشند و از آن طرف رادیو ایزوتوپهای 7-Beو206-Biو18-Fو132-I د ر شتابدهنده ها ساخته می شوند. امروزه از رادیو ایزوتوپها و پرتوهای ناشی از فرایندهای هسته ای جهت بهبود محصولات غذایی، نگهداری مواد غذایی، تعیین منابع آبهای زیرزمینی، استرلیزه کردن منابع و تولیدات پزشکی، آنالیز هورمونها، کنترل فرایندهای صنعتی و بررسی آلودگی محیط زیست استفاده فراوانی به عمل می آید