تحقيقو توليد- همشهريآنلاين:
تعريف انرژي هستهاي بسيار ساده است؛ انرژي هستهاي، نتيجه يك واكنش درون هسته اتم است
ميدانيم كه نوترونها و پروتونها هسته اتم را درست ميكنند. نوترونها بار الكتريكي ندارند و پروتونها هم بار مثبت دارند و بين آنها نيروي دافعه شديد الكتريكي برقرار است كه آنها را از هم دور ميكند. اما با اينحال هسته اتمها، بدون اين كه دراثر دافعه الكتريكي متلاشي شوند، درحالت پايداري باقي ميمانند (اتمهاي طبيعي).
نيرويي كه اين اجزاي هسته را در كنار هم قرار داده، نيروي هستهاي نام دارد. نيرويي كه محدوده عملش بسيار كوچك است (هسته اتم) اما انرژي بسياري درخود نهفته دارد و بشر كه روزبهروز بهدنبال منابع بهتر و بيدردسرتر براي تامين انرژي موردنياز و روزافزونش است، اين انرژي را از درون هسته اتم بيرون ميكشد تا آن را براي نيازهاي روزمرهاش استفاده كند.[مفاهيم: انرژي هستهاي چيست؟]
غير از تامين انرژي، مواد هستهاي كاربردهاي ديگري هم دارند؛ كاربردهايي در پزشكي و پرتودرماني، كاربردهاي كشاورزي و همينطور تحقيقاتي. [اقتصاد انرژي هستهاي]
براي استخراج انرژي اتمي از درون هسته، يكي از راحتترين هستههاي اتمي، هسته اتم اورانيوم است. اورانيوم هم در طبيعت وجود دارد. اما براي اينكه انرژي از درون هسته اتم اورانيوم استخراج شود، يعني از مرحله درآوردن سنگ اورانيوم از معدن تا تبديل آن بهسوخت هستهاي، نياز به مجموعه عملياتي روي اين اورانيوم است كه به آن چرخه سوخت هستهاي ميگويند.
دانشمندان ما توانستهاند امكاناتي را فراهم كنند كه كشورمان بتواند تمام اين مراحل را؛ يعني اين چرخه را بهطور كامل درون مرزهاي كشورمان و بدون نياز به ديگران، انجام دهد. با وجود منابع طبيعي اورانيوم در كشور (ميبينيد اين مملكت چقدر ثروت خدادادي دارد) اين چرخه كامل ميشود و حالا ما ميتوانيم از اين چيزي كه از آن به عنوان حق مسلممان ياد ميكنيم، بهراحتي استفاده كنيم.
اهميت كاري كه دانشمندان كشورمان توانستهاند در 15-10 سال گذشته انجام بدهند، زماني بيشتر ميشود كه ما بدانيم كه كشور ما در اين قضيه به شدت از سوي دوست و دشمن در تحريم بودهاست.
پس اين كه اين دستاورد عظيم يعني بوميشدن انرژي هستهاي كه هيچ كم از مليشدن صنعت نفت براي ما ندارد را وارد جناحبنديهاي سياسي كنيم ، يك اشتباه بزرگ است. فراموش نكنيم كه اين امكانات و فعاليتهاي عظيم، تنها حاصل 2يا 3سال تلاش نبوده و يك دختر نوجوان در آشپزخانه منزلش با ابزارهايي كه از بازار خريده نميتواند آن را درست كند، بلكه سالها تلاش چند نسل و چند مديريت گوناگون و فعاليتهاي زيرساختي قديميها بوده كه اكنون نتيجه دادهاست.
بگذاريم كه انرژي هستهاي حلقه وحدتبخش ملي ملت ايران باشد و آن را براي خود يا مجموعه خودمان مصادره نكنيم تا همه ايرانيها از ته دل بگويند كه انرژي هستهاي حق مسلم ماست و بهداشتن آن افتخار كنند.
در اين پرونده سعي كردهايم كه گوشهاي از فعاليتهاي عظيمي را كه دانشمندان كشورمان انجام دادهاند نشان دهيم. چون اين مبحث بسيار گسترده است، قطعا نكات زيادي وجود دارد كه به آن اشاره نشده است؛ اما اميدواريم كه اين مطالب بتواند گوشهاي از دين ما را به دانشمندان كشورمان كه توانستند ايران را به عنوان يك كشور صاحب اين تكنولوژي پيشرفته در دنيا مطرح كنند، ادا كند.
چرا ايران به انرژي هستهاي احتياج دارد؟
ايران يك كشور رو به رشد است.
[آشنايي با ايران] [آشنايي با نامهای سرزمین ایران] [آشنايي با باغهاي ايراني] [آشنایی با قلعههاي ايران] [ویژگیهای طبیعت ایران]
همانطور كه در جدول ميبينيد مصرف نفت آن رو به افزايش است در حالي كه توليد نفت در چند سال اخير تقريبا ثابت بوده است.
بنابراين به منابع انرژي جديد احتياج دارد.
(خط زرد مصرف نفت، خط قرمز توليد نفت)
گذشته و آينده استفاده از منابع انرژي در دنيا
چرخه سوخت هستهاي در ايران
سوخت نيروگاههاي هستهاي و ماده اصلي در فعاليتهاي هستهاي، اورانيوم است. اورانيوم عنصري طبيعي است كه آن را از سنگ معدني به نام اوراسيل استخراج ميكنند. اورانيومي را كه از معدن درميآورند، نميتوان مستقيما خالص كرد و به نيروگاه فرستاد.
براي اين كه قسمت اعظم اورانيوم، يعني چيزي حدود 7/99درصد آن ايزوتوپ 238 است كه قابل شكافت نيست؛يعني عنصري پايدار است. اما اورانيوم يك ايزوتوپ كمي سبكتر دارد كه اورانيوم 235 است. اين ايزوتوپ فقط 3تا نوترون كمتر از اورانيوم طبيعي دارد. اما اثر همين3تا نوتورن است كه باعث ميشود اين ايزوتوپ شكافتپذير باشد.
ولي مشكل آنجاست كه اين ايزوتوپ، كمتر از يك درصد حجمي اورانيوم استخراج شدهاست. براي همين، در فرايند غنيسازي سوخت هستهاي در چرخهاي صنعتي براي استفاده آماده ميشود و غلظت اورانيوم 235 را در آن بالا ميبرند.
به اين عمليات، چرخه سوخت هستهاي مي گويند. چون اورانيوم 235 و 238 خواص شيميايي يكساني دارند، (تعداد پروتونهاي آنها ثابت است) نميتوان اورانيوم را به روشهاي شيميايي غني كرد، بلكه بايد بهروشهاي فيزيكي مثل سانتريفيوژ كردن (چرخاندن با سرعت زياد)، اين 2 ايزوتوپ را كه تنها ازنظر وزن با هم تفاوت دارند، در چرخه سوخت هستهاي از هم جداكرد.
چرخه سوخت 2 قسمت دارد؛ قسمت جلويي كه عمليات آمادهسازي اورانيوم در آن صورت ميگيرد و قسمت عقبي كه در آن، ضايعات هستهاي را براي جلوگيري از آسيبرساني به طبيعت و محيطزيست، در محل امني قرار ميدهند. تمام اين مراحل در كشور ما قابل انجام است.
مراحل چرخه توليد سوخت در ايران
مرحله اول: اكتشاف و استخراج
با تكنيك ها و روشهاي زمين شناسي، نقاط مستعد براي معدن اورانيوم را شناسايي ميكنند و نمونه خاك آنجا را به آزمايشگاه ميفرستند.
در آن جا، محلولي از سنگ معدن تهيه ميكنند و اورانيوم تهنشين شده را بررسي ميكنند تا بفهمند چهمقدار اورانيوم را ميتوان از آن معدن استخراج كرد و اين عمليات چقدر هزينه ميبرد و آيا بهصرفه هست يا نه؟ بهترين معادن اورانيوم ايران در ساغند در نزديكي يزد است.
هنگامي كه معدن شناسايي شد، به 3 روش مي توان اورانيوم را استخراج كرد؛ استخراج از سطح زمين، استخراج از معادن زيرزميني و تصفيه در معدن. سنگ معدن اورانيوم معمولا از اكسيد اورانيوم (U3O8) تشكيل شده است و غلظت آن در سنگ معدن بين 05/0 تا 3/0 درصد تغيير ميكند.
مرحله دوم: آسياب كردن
پس از استخراج سنگ معدن، تكه سنگها به آسياب فرستاده ميشود تا خوب خردشده و خردهسنگهايي با ابعاد يكسان توليد شود. اين بخش از عمليات در كشور ما در تأسيساتي در اردكان يزد انجام ميشود.
مرحله سوم: توليد كيك زرد
اورانيوم را با اسيد سولفوريك از ديگر مواد سنگ معدن جدا ميكنند. محلول غنيشده از اورانيوم تصفيه و خشك ميشود.
محصول به دست آمده، كنسانتره جامد اورانيوم است كه كيك زرد ناميده ميشود. اين عمليات در نطنز انجام ميشود.
مرحله چهارم: تبديل به گاز (UCF)
كيك زرد جامد است، ولي براي غنيسازي در سانتريفيوژ، بايد اورانيوم به صورت گاز در بيايد. بنابراين كنسانتره اكسيد اورانيوم جامد، در فرآيندي شيميايي معروف به UCF به هگزافلورايد اورانيوم (UF6) تبديل ميشود. UF6 در دماي اتاق جامد است.
ولي در دمايي نه چندان بالا، به گاز تبديل ميشود. تا اينجا، عملياتي كه روي اورانيوم انجامشده شيميايي است و هنوز غلظت ايزوتوپ 235 در آن تغييري نكردهاست. اين عمليات در ايران در تأسيسات اصفهان انجام ميشود.
مرحله پنجم: توليد ميله سوخت
توليد ميله سوخت، آخرين مرحله انتهاي جلويي در چرخه سوختهستهاي است. اورانيوم غنيشده كه هنوز به شكل UF6 است، بايد به پودر دياكسيد اورانيوم (UO2) تبديل شود تا به عنوان سوخت هستهاي قابل استفاده باشد. پودر UO2 سپس فشرده ميشود و بهشكل قرص درميآيد. قرصها را حرارت ميدهند تا به سراميكي سخت تبديل شوند.
متناسب با طراحي رآكتور و نوع سوخت مورد نياز، اين قرصهاي كوچك را دستهدسته كرده و در لولهاي قرار ميدهند. اين لوله از آلياژي خاص ساختهشده است كه در برابر خوردگي بسيار مقاوم است و رسانايي حرارتي بسيار بالايي دارد. ميله سوخت آماده شدهاست و براي استفاده در رآكتور به نيروگاه فرستاده ميشود. اين عمليات در ايران در تأسيسات اصفهان انجام ميشود.
مرحله ششم: توليد سوخت هستهاي (سانتريفيوژ)
سطح غنيسازي بسته به كاربرد سوخت هستهاي متفاوت است؛ براي يك رآكتور آب سبك، سوختي با 5 درصد اورانيوم 235 مورد نياز است، درحالي كه در يك رآكتور آب سنگين، 9/0 درصد اورانيوم 235 كافي است و براي يك بمب اورانيومي، سوخت هستهاي بايد حداقل 90 درصد غني شدهباشد. براي تحقيقات هستهاي و پزشكي، ميزان غنيسازي بستگي به كاربرد آن دارد.
در غني سازي با استفاده از يك يا چند روش، ايزوتوپهاي سنگين و سبك را از هم جدا ميكنند. درحال حاضر، 2 روش رايج صنعتي براي غنيسازي اورانيوم وجود دارد كه عبارتند از: انتشار گاز و سانتريفيوژ گاز.
در روش انتشار گازي (ديفيوژن)، گاز طبيعي UF6 با فشار بالا از يكسري غشاهاي نيمهتَراوا عبور ميكند. اتمهاي سبكتر با سرعت بيشتري عبور ميكنند. در نتيجه UF6 235 سريع تر از UF6 238عبور ميكند. با تكرار اين فرآيند در مراحل مختلف، گازي نهايي بهدست مي آيد كه غلظت اورانيوم 235 در آن بالاست.
مهمترين عيب اين روش اين است كه جدا سازي ايزوتوپها نرخ نسبتا پاييني دارد و براي رسيدن به سطح غنيسازي مطلوب، بايد اين فرآيند را خيلي تكرار كرد، درنتيجه انرژي زيادي را مصرف ميكند.
در روش سانتريفيوژ گاز، گاز UF6 را در مخزنهايي استوانهاي ميريزند و گاز را با سرعت بسيار زيادي ميچرخانند. نيروي گريز از مركز موجب مي شود UF6 235 كه اندكي از UF6 238 سبكتر است، از مولكول سنگينتر جدا شود و اورانيوم با سطح غنيشده مطلوب بهدست بيايد. اين عمليات در ايران در تاسيسات نطنز (تصوير پايين)صورت ميگيرد.
مرحله هفتم: عمليات سوخت
در اثر شكافت هسته اورانيوم و تبديل آن به هستههاي سبكتر و اشعه آلفا، بتا و نوترون و همينطور مقداري انرژي جنبشي هم آزاد مي شود. اگر جرم محصولات شكافت را از جرم ماده اوليه كم كنيم، مقدار ناچيزي باقي ميماند. اين مقدار ناچيز طبق معادله معروف اينشتين E=mc2 تبديل به انرژي جنبشي ميشود. گرماي توليدشده توسط شكافت، در قلب رآكتور توسط ميلههايي كنترل ميشود. نوترونها تحريككننده شكافت هستند و اين ميلهها آهنگ برخورد نوترون به هسته اورانيوم را كنترل ميكنند.رآكتورها از لحاظ سرعت عملشان به 2دسته تقسيم ميشوند:
۱ - رآكتورهاي آب سبك: سرعت كمي دارند و فرآيند شكافت و توليد گرما در آنها بهآرامي انجام ميشود. اكثر اين رآكتورها استفاده صلح آميز دارند. رآكتور بوشهر از اين نوع است.
۲ - رآكتورهاي آب سنگين: هدف اصلي اين رآكتورها، علاوه بر انرژي، توليد سوخت لازم براي استفادههاي تحقيقاتي،كشاورزي و پزشكي است. پلوتونيوم و اورانيوم 235 از محصولات اين رآكتورها هستند. رآكتور اراك از اين نوع است.
مرحله هشتم: مراكز تحقيقاتي
مواد هستهاي علاوه بر توليد انرژي، كاربردهاي ديگري هم دارند؛ پزشكي هستهاي و
پرتو درماني، كاربردهاي كشاورزي و همينطور تحقيقاتي. رآكتور تحقيقاتي دانشگاه تهران (تصوير زير)، مركز تحقيقات هستهاي بناب، مركز تحقيقات كشاورزي و پزشكي هستهاي در هشتگرد كرج از مهمترين اين مراكز هستند.
مرحله نهم: دفن زبالههاي هستهاي
در نيروگاه هستهاي هم مثل ديگر فعاليتهاي بشري، ضايعاتي توليد ميشود كه به دليل حساسيت مواد راديواكتيو، دفع آنها بايد طبق قوانين و محدوديتهاي خاصي باشد. در هر 8مگاوات ساعت انرژي الكتريكي توليدشده در نيروگاههستهاي، تنها 30 گرم زباله راديواكتيو بهوجود ميآيد.
اما براي توليد همين مقدار برق با استفاده از زغال سنگ پركيفيت، 8هزار كيلوگرم دياكسيد كربن توليد ميشود كه در دما و فشار جو، 3 استخر المپيك را پر ميكند! حجم زبالههاي راديواكتيو بسيار كمتر است، ولي خطر آنها بهمراتب بيشتر است و مراقبت از آنها ضروريتر و دشوارتر.
1. سطح پايين: لباسهاي حفاظتي، لوازم، تجهيزات و فيلترهايي كه مواد راديواكتيو با عمر كوتاه دارند. اينها نيازي به پوشش حفاظتي ندارند و معمولا فشردهشده و آتشزده ميشوند، سپس در چالههاي كمعمق دفن ميشوند.
2. سطح متوسط: پسماندههاي شيميايي، پوشش ميله سوخت و مواد نيروگاههاي برق هستهاي. اينها عمر كوتاهي دارند، ولي نياز به پوشش محافظ دارند.
3. سطح بالا: همان سوخت مصرفشده رآكتورهاست و نياز به پوشش حفاظتي و سردسازي دارد. سوخت مصرفشده كه از رآكتور خارج مي شود، بسيار داغ و راديواكتيو است و تشعشع و يونهاي فراواني دارد. هم بايد آن را سرد كرد و هم از تابيدن پرتوهاي آن جلوگيري كرد. در كنار هر رآكتور، استخرهايي براي انباركردن سوخت مصرفشده وجود دارد.
اين استخرها، مخزنهايي بتني، مسلح به لايههاي فولاد زنگنزن هستند كه 8متر عمق دارند و پر از آب هستند. آب، هم ميلههاي سوخت مصرفنشده را خنك ميكند، هم به عنوان پوشش حفاظتي در برابر تابش راديواكتيو عمل ميكند.
به مرور زمان، شدت گرما و تابش راديواكتيو كم ميشود. 3 درصد سوخت مصرفشده در يك رآكتور آب سبك را ضايعات بسيار خطرناك راديواكتيو تشكيل ميدهد، ولي بقيه آن حاوي مقادير قابل توجهي اورانيوم 235، اورانيوم 238 و پلوتونيوم 239 و ديگر مواد راديواكتيو است.
اين مواد را ميتوان با روشهاي شيميايي از يكديگر جدا كرد و اگر شرايط اقتصادي و قوانين حقوقي اجازه دهد، ميتوان سوخت مصرفشده را براي تهيه سوخت هستهاي جديد بازيافت كرد. ضايعات هستهاي سطح بالا را پس از جداسازي، حرارت ميدهند تا به پودر تبديل شود. پودر را با شيشه مخلوط ميكنند و آن را در محفظهاي محبوس ميكنند.
محفظهها را در منطقهاي پايدار (از نظر جغرافيايي) انبار ميكنند. مناطقي از انارك در نزديكي يزد براي اين كار انتخاب شدهاند.
عمليات داخلي يك رآكتور هستهاي آب سبك
1. قلب رآكتور هستهاي
2. ميلههاي كنترل سرعت سوخت
3. ديگ بخار
4. توربين بخار
5. موتور برق
6. لولههاي انتقال و پمپ آب براي رادياتور داخلي رآكتور
7. پمپ و مسير انتقال آب براي توليد بخار
8. سيستم خنك كننده نهايي
9. برج خنك كننده
10. آبهاي آزاد
