چرخه سوخت هسته ای

مقدمه
سنگ معدن اورانیوم موجود در طبیعت از دو ایزوتوپ ۲۳۵U به مقدار ۰٫۷ درصد و ۲۳۸U ‏به مقدار ۳٫۹۹ درصد تشکیل شده است. سنگ معدن را ابتدا در اسید حل کرده و ‏بعد از تخلیص فلز ، اورانیوم را بصورت ترکیب با اتم فلوئور (۹F ) و بصورت مولکول ‏اورانیوم هگزا فلوراید تبدیل می‌کنند که به حالت گازی است. سرعت متوسط ‏مولکولهای گازی با جرم مولکولی گاز نسبت عکس دارد.

غنی سازی اورانیوم با دیفوزیون گازی
گراهان در سال ۱۸۶۴ پدیده‌ای را کشف کرد که در آن سرعت متوسط مولکولهای ‏گاز با معکوس جرم مولکولی گاز متناسب بود. از این پدیده که به نام دیفوزیون ‏گازی مشهور است برای غنی سازی اورانیوم استفاده می‌کنند. در عمل اورانیوم ‏هگزا فلوراید طبیعی گازی شکل را از ستونهایی که جدار آنها از اجسام متخلخل ‏‏(خلل و فرج دار) درست شده است عبور می‌دهند. سوراخهای موجود در جسم ‏متخلخل باید قدری بیشتر از شعاع اتمی یعنی در حدود ۲٫۵ آنگسترم (۷-‏۲۵×۱۰ سانتیمتر) باشد

ضریب جداسازی متناسب با اختلاف جرم مولکولها است. روش غنی سازی ‏اورانیوم تقریبا مطابق همین اصولی است که در اینجا گفته شد. با وجود این ‏می‌توان به خوبی حدس زد که پرخرج ترین مرحله تهیه سوخت اتمی همین ‏مرحله غنی سازی ایزوتوپها است، زیرا از هر هزاران کیلو سنگ معدن اورانیوم ‏‏۱۴۰ کیلوگرم اورانیوم طبیعی بدست می‌آید که فقط یک کیلوگرم ۲۳۵U ‏خالص در آن وجود دارد. ‏
غنی سازی اورانیم از طریق میدان مغناطیسی

یکی از روشهای غنی سازی اورانیوم استفاده از میدان مغناطیسی بسیار قوی می‌باشد. در این روش ابتدا اورانیوم هگزا فلوئورید را حرارت می‌دهند تا تبخیر شود. از طریق تبخیر ، اتمهای اورانیوم و فلوئورید از هم تفکیک می‌شوند. در این حالت ، اتمهای اورانیوم را به میدان مغناطیسی بسیار قوی هدایت می‌کنند. میدان مغناطیسی بر هسته‌های باردار اورانیم نیرو وارد می کند ( این نیرو به نیروی لورنتس معروف می باشد) و اتمهای اورانیوم را از مسیر مستقیم خود منحرف می‌کند. اما هسته‌های سنگین اورانیم (۲۳۸U ) نسبت به هسته‌های سبکتر (۲۳۵U ) انحراف کمتری دارند و درنتیجه از این طریق می‌توان ۲۳۵U را از اورانیوم طبیعی تفکیک کرد.
چگونه يك بمب هسته اي بسازيم ؟

بمب هاي اتمي شامل نيروهاي قوي و ضعيفي اند كه اين نيروها هسته يك اتم را به ويژه اتم هايي كه هسته هاي ناپايداري دارند، در جاي خود نگه مي دارند. اساسا دو شيوه بنيادي براي آزادسازي انرژي از يك اتم وجود دارد:

۱- شكافت هسته اي: مي توان هسته يك اتم را با يك نوترون به دو جزء كوچك تر تقسيم كرد. اين همان شيوه اي است كه در مورد ايزوتوپ هاي اورانيوم (يعني اورانيوم ۲۳۵ و اورانيوم ۲۳۳) به كار مي رود.
– همجوشي هسته اي: مي توان با استفاده از دو اتم كوچك تر كه معمولا هيدروژن يا ايزوتوپ هاي هيدروژن (مانند دوتريوم و تريتيوم) هستند، يك اتم بزرگ تر مثل هليوم يا ايزوتوپ هاي آن را تشكيل داد. اين همان شيوه اي است كه در خورشيد براي توليد انرژي به كار مي رود. در هر دو شيوه ياد شده ميزان عظيمي انرژي گرمايي و تشعشع به دست مي آيد.
براي توليد يك بمب اتمي موارد زير نياز است:
– يك منبع سوخت كه قابليت شكافت يا همجوشي را داشته باشد.
– دستگاهي كه همچون ماشه آغازگر حوادث باشد.

– راهي كه به كمك آن بتوان بيشتر سوخت را پيش از آنكه انفجار رخ دهد دچار شكافت يا همجوشي كرد.
در اولين بمب هاي اتمي از روش شكافت استفاده مي شد. اما امروزه بمب هاي همجوشي از فرآيند همجوشي به عنوان ماشه آغازگر استفاده مي كنند.
بمب هاي شكافتي (فيزيوني): يك بمب شكافتي از ماده اي مانند اورانيوم ۲۳۵ براي خلق يك انفجار هسته اي استفاده مي كند. اورانيوم ۲۳۵ ويژگي منحصر به فردي دارد كه آن را براي توليد هم انرژي هسته اي و هم بمب هسته اي مناسب مي كند. اورانيوم ۲۳۵ يكي از نادر موادي است كه مي تواند زير شكافت القايي قرار بگيرد.اگر يك نوترون آزاد به هسته اورانيوم ۲۳۵ برود،هسته بي درنگ نوترون را جذب كرده و بي ثبات شده در يك چشم به هم زدن شكسته مي شود. اين باعث پديد آمدن دو اتم سبك تر و آزادسازي دو يا سه عدد نوترون مي شود كه تعداد اين نوترون ها بستگي به چگونگي شكسته شدن هسته اتم اوليه اورانيوم ۲۳۵ دارد. دو اتم جديد به محض اينكه در وضعيت جديد تثبيت شدند از خود پرتو گاما ساطع مي كنند. درباره اين نحوه شكافت القايي سه نكته وجود دارد كه موضوع را جالب مي كند.

– احتمال اينكه اتم اورانيوم ۲۳۵ نوتروني را كه به سمتش است، جذب كند، بسيار بالا است. در بمبي كه به خوبي كار مي كند، بيش از يك نوترون از هر فرآيند فيزيون به دست مي آيد كه خود اين نوترون ها سبب وقوع فرآيندهاي شكافت بعدي اند. اين وضعيت اصطلاحا «وراي آستانه بحران» ناميده مي شود.
۲ – فرآيند جذب نوترون و شكسته شدن متعاقب آن بسيار سريع و در حد پيكو ثانيه (۱۲-۱۰ ثانيه) رخ مي دهد.

۳ – حجم عظيم و خارق العاده اي از انرژي به صورت گرما و پرتو گاما به هنگام شكسته شدن هسته آزاد مي شود.
انرژي آزاد شده از يك فرآيند شكافت به اين علت است كه محصولات شكافت و نوترون ها وزن كمتري از اتم اورانيوم ۲۳۵ دارند. اين تفاوت وزن نمايان گر تبديل ماده به انرژي است كه به واسطه فرمول معروف E=mc2 محاسبه مي شود. حدود نيم كيلوگرم اورانيوم غني شده به كار رفته در يك بمب هسته اي برابر با چندين ميليون گالن بنزين است. نيم كيلوگرم اورانيوم غني شده انداز ه اي معادل يك توپ تنيس دارد. در حالي كه يك ميليون گالن بنزين در مكعبي كه هر ضلع آن ۱۷ متر (ارتفاع يك ساختمان ۵ طبقه) است، جا مي گيرد. حالا بهتر مي توان انرژي آزاد شده از مقدار كمي اورانيوم ۲۳۵ را متصور شد.براي اينكه اين ويژگي هاي اروانيوم ۲۳۵ به كار آيد بايد اورانيوم را غني كرد. اورانيوم به كار رفته در سلاح هاي هسته اي حداقل بايد شامل نود درصد اورانيوم ۲۳۵ باشد.در يك بمب شكافتي، سوخت به كار رفته را بايد در توده هايي كه وضعيت «زير آستانه بحران» دارند، نگه داشت. اين كار براي جلوگيري از انفجار نارس و زودهنگام ضروري است. تعريف توده اي كه در وضعيت «آستانه بحران» قرار داد چنين است: حداقل توده از يك ماده با قابليت شكافت كه براي رسيدن به واكنش شكافت هسته اي لازم است. اين جداسازي مشكلات زيادي را براي طراحي يك بمب شكافتي با خود به همراه مي آورد كه بايد حل شود.

۱ – دو يا بيشتر از دو توده «زير آستانه بحران» براي تشكيل توده «وراي آستانه بحران» بايد در كنار هم آورده شوند كه در اين صورت موقع انفجار به نوترون بيش از آنچه كه هست براي رسيدن به يك واكنش شكافتي، نياز پيدا خواهد شد.

۲ – نوترون هاي آزاد بايد در يك توده «وراي آستانه بحران» القا شوند تا شكافت آغاز شود.
۳ – براي جلوگيري از ناكامي بمب بايد هر مقدار ماده كه ممكن است پيش از انفجار وارد مرحله شكافت شود براي تبديل توده هاي «زير آستانه بحران» به توده هايي «وراي آستانه بحران» از دو تكنيك «چكاندن ماشه» و «انفجار از درون» استفاده مي شود.تكنيك «چكاندن ماشه» ساده ترين راه براي آوردن توده هاي «زير بحران» به همديگر است. بدين صورت كه يك تفنگ توده اي را به توده ديگر شليك مي كند. يك كره تشكيل شده از اورانيوم ۲۳۵ به دور يك مولد نوترون ساخته مي شود. گلوله اي از اورانيوم ۲۳۵ در يك انتهاي تيوپ درازي كه پشت آن مواد منفجره جاسازي شده، قرار داده مي شود.كره ياد شده در انتهاي ديگر تيوپ قرار مي گيرد. يك حسگر حساس به فشار ارتفاع مناسب را براي انفجار چاشني و بروز حوادث زير تشخيص مي دهد:
۱ – انفجار مواد منفجره و در نتيجه شليك گلوله در تيوپ
۲ – برخورد گلوله به كره و مولد و در نتيجه آغاز واكنش شكافت
۳- انفجار بمب

کاربرد انرژی هسته ای در تولید برق :
یکی از مهم ترین موارد استفاده صلح آمیز از انرژی هسته ای ، تولید برق از طریق نیروگاههای اتمی است. با توم به پایان پذیر بودن منابع فسیلی و روند رو به رشد توسعه اجتماعی و اقتصادی ، استفاده از انرژی هسته ای برای تولید برق را امری ضروری و لازم می دانند و ساخت چند نیروگاه اتمی را دنبال مینماید.
ایران هر ساله حدودا به هفت هزار مگاوات برق در سال نیاز دارد. نیروگاه اتمی بوشهر ۱۰۰۰ مگاوات برق را در صورت راه اندازی تامین می نماید. و احداث نیروگاههای دیگر برای رفع این نیازی ضروری است. برای تولید میزان برق حدود ۱۹۰ میلیون بشکه نفت خام مصرف می شود. که در صورت تامین از طریق انرژی هسته ای سالیانه ۵ میلیارد دلار صرفه جویی خواهد شد.

برتری انرژی هسته ای بر سایر انرژیها:
علاوه بر صرفه اقتصادی دلایل زیر استفاده از انرژی هسته ای را ضروری مینماید. منابع فسیلی محدود بوده و متعلق به نسلهای آتی میباشد. استفاده از نفت خام در صنایع تبدیل پتروشیمی ارزش بیشتری دارد. تولید برق از طریق نیروگاه اتمی ، آلودگی نیروگاههای کنونی را ندارد. تولید هفت هزار مگاوات با مصرف ۱۹۰ میلیون شبکه نفت خام ، هزارتن دیاکسید کربن ، ۱۵۰ تن ذرات معلق در هوا ، ۱۳۰ تن گوگرد و ۵۰ تن اکسید نیتروژن را در محیط زیست پراکنده می کند، در حالی که نیروگاه اتمی چنین آلودگی را ندارد.
کاربرد انرژی هسته ای در بخش دامپزشکی و دامپروری :

تکنیکهای هسته ای در حوزه دامپزشکی موارد مصرفی چون تشخیص و درمان بیماریهای دامی ، تولید مثل دام ، اصلاح نژاد و دام ، تغذیه ، بهداشت و ایمن سازی محصولات دامی و خوراک دام دارد.
آنچه باید بدانیم:

تکنیکهای هسته ای بر کشف مینهای ضد نفر نیز کاربرد دارد. بنابرین ، دانش هسته ای با این قدرت و وسعتی که دارد، هر روز بر دامنه استفاده از فناوری هسته ای و بویژه انرژی هسته ای افزوده می شود. کاربرد انرژی در بخشهای مختلف به گونهای است که اگر کشوری فناوری هسته ای را نهادینه نماید، در بسیاری از حوزه‌های علمی و صنعتی ، ارتقای پیدا می کند و مسیر توسعه را با سرعت طی می نماید.

بمبهاي هسته اي چگونه ساخته ميشوند؟
بمبهاي هسته اي به دو شكل ساخته مي شوند. بمبهاي شكافتي (اتمي) و بمبهاي همجوشي (هيدروژني). در حاليكه جزئيات اين بمبها محرمانه است ولي نكات اساسي آنها قابل دسترس است. سوخت در يك بمب شكافتي مشتمل بر اورانيوم ۲۳۵ و پلوتونيم ۲۳۹ ي تقريبا خالص است كه هر دو هسته هاي شكافت پذيري دارند. يك تكه ي كوچك از چنين ماده اي نمي تواند منفجر شود زيرا تعداد بسيار زيادي از نوترونها فرار مي كنند. ولي در يك جرم به قدر كافي بزرگ (بحراني) واكنش زنجيره اي صورت مي گيرد. يك نوترون اوليه ي اتفاقي باعث شروع شكافت خواهد شد… يك بمب نوعي تقريبا ۱۰ به توان ۲۴نوترون در كمتر از ۱۰به توان ۷- ثانيه آزاد مي كند كه باعث گرماي بسيار شديد مي شود. همجوشي فرق دارد.

همجوشي وقتي رخ مي دهد كه دو هسته ي سبك را آنقدر به هم نزديك كنيم كه در حوزه ي عمل جاذبه ي متقابل نيروي هسته اي قوي قرار گيرند. از آن به بعد به شدت هم را جذب مي كنند و اتمي سنگين تر توليد مي كنند و مقداري انرژي آزاد مي كنند. همجوشي را مي توان در محيط پلاسمايي بوجود آورد و اخيرا با ليزر هم اين كار را مي كنند. در اين همجوشي قرصهاي كوچكي از دوتريم و ترتيم (عناصري سبك كه همخانواده ي هيدروژنند) را بوسيله فوجهاي ليزري پرقدرت گرم مي كنند. اگر توان ليزرها كم باشد انفجارهاي كوچكي در اين قرصهاي كوچك رخ مي دهد. اما اگر قدرت بالا باشد و در زمان كوتاه اثر كنند همجوشي رخ مي دهد. توان اين نوع ليزرها بيش از توان نيروي برق آمريكاست. پس تهيه اش بسيار سخت است .
استفاده مفید از همجوشی هسته‌ای: <:P:>
واکنشهای همجوشی در آزمایشگاه از طریق بمباران مواد سبک مناسبی که به عنوان هدف قرار می‌گیرند با مثلا ، دوترونهایی پر انرژی که از یک شتابدهنده ذرهای پرتاب می‌شوند. تولید می‌گردد. در این واکنشها ، هسته‌هایی تولید می‌شوند که هم از هسته‌ها “پرتابه‌ها” و هم از هسته‌هایی که هدف قرار گرفته، سنگینترند. البته در این واکنشها تعدادی ذرات اضافی و تعدادی انرژی آزاد می‌شود. <:P:>

در واکنش همجوشی معروفی ایزوتوپی از هیدروژن با عدد اتمی A=3 از جوش خوردن هیدروژنهای اتمی که تریتیم نامیده می‌شود، تولید می‌شود. تریتیم که به تعداد ناچیز در طبیعت یافت می‌شود. رادیواکتیو بوده و نیم عمر آن حدود ۱۲ سال است. تریتیم پس از گسیل ذره بتا به ۳۲He که ایزوتوپی از هلیم است تباهی می‌یابد. <:P:>
هرگاه هدفی شامل تریتیم با دوترون بمباران شود، ۴۲He تولید و MeV17.6انرژی آزاد می‌گردد. از این انرژیMeV 14.1 به صورت انرژی جنبشی نوترون و ۳٫۵MeV به صورت انرژی جنبشی هسته تولید شده ظاهر می‌گردد. همجوشی تریتیم و دوتریم امکان فراهم آمدن منابع بزرگی از انرژی را برای ، مثلا ، توانگاه‌های الکتریکی به دست می‌دهد. دوتریم در آب وجود دارد. فراوانی آن حدود یک در هفت هزار اتم هیدروژن است و می‌توان آن را ایزوتوپ سبکتر خود جدا کرد. <:P:>

چهار لیتر آب حدود ۰٫۱۳gr دوتریم دارد، که امروزه می‌توان با هزینه حدود ۸% دلار آن را جدا کرد. اگر این مقدار کم دوتریم بتواند در شرایط مناسب با تریتیم (که احتمالا با واکنش مورد بحث فوق تشکیل شده باشد) ترکیب شود. برونداد انرژی آن معادل انرژی حاصل از حدود ۱۱۴۰ لیتر بنزین خواهد بود. مقدار کل دوتریم موجود در اقیانوسها بالغ بر حدود ۱۰۱۷Kg و محتوای انرژی آن حدود ۱۰۲۰ کیلو وات در سال است. اگر بتوانیم دوتریم و تریتیم را برای تولید انرژی مورد استفاده قرار دهیم، منبع عظیمی از انرژی فراهم می‌شود. <:P:>
چرا سهم بزرگی از انرژی هدر می‌رود؟ <:P:>آزاد شدن انرژی زیاد با فرآیند همجوشی برروی زمین ، تاکنون فقط به وسیله انفجارهای آزمایش‌های مربوط به گرما هسته‌ای از قبیل بمبهای هیدروژنی ممکن بوده‌است. یک بمب هیدروژنی مرکب از مخلوطی از عناصر سبک با یک بمب شکافتی است. ذرات پرانرژی که به وسیله واکنش شکافت ایجاد می‌شود. به

عنوان آغازگر واکنش همجوشی به‌کار می‌آید. <:P:>انفجار یک بمب شکافتی دمایی در حدود ۵×۱۰۷˚K تولید می‌کند. که برای ایجاد واکنش همجوشی کافی است. به دنبال آن واکنشهای همجوشی مقادیر عظیمی انرژی اضافی آزاد می‌کنند. انرژی رها شده کل بسیار بیشتر از آن خواهد بود که از بمب شکافتی ، به تنهایی آزاد می‌شود. علاوه بر این ، برای اندازه بمبهای شکافتی نوعی حد بالا وجود دارد. که در ماورای آن قدرت تخریبی این بمبها خیلی بیشتر می‌شود. (زیرا ماده شکافتپذیر اضافی آنها پیش از آنکه بتواند دچار شکافت شود، پراکنده می‌گردد) اما برای اندازه سلاحهای هیدروژنی چنین حدی وجود ندارد و بنابر این قدرت تخریب آن محدودیت ندارد. <:P:>
پیامدهای انرژی هسته‌ای:

:P:>عناصر طبیعی یا مصنوعی که هسته اتمی آنها تحت تاثیر بمباران نوترون مستعد شکست می‌باشد. در این عمل تعداد بیشتری نوترون (دو یا سه) نسبت به آنچه که در شکست مصرف شده، آزاد می‌گردد و شبیه شکل گرفتن بهمن برفی ، یک واکنش زنجیری شکست در این مواد شروع می‌شود. این مواد شامل اورانیم ۲۳۵ ، پلوتونیم ۲۳۹ ، اورانیم ۲۳۳ و اورانیم ۲۳۸ می‌باشد. در مورد واکنشهای حرارتی ـ هسته‌ای کنترل شده (ترکیب هسته‌های اتمی عناصر سبک و تبدیل آنها به هسته عناصر سنگینتر) ، سوخت هسته‌ای شامل تمام ایزوتوپهای هیدروژن «پروتنیوم ، دوتریم ، تریتیوم) و نیز لیتیوم می‌گردد. <:P:>

استفاده مفید از سوخت شکافت هسته‌ای:
<:P:>شکافت هسته‌ای نمونه‌ای از یک نتیجه غیر منتظره عملی بسیار مهمی است که در جریان یک کار پژوهشی حاصل شد. کار پژوهش مذکور به دلایل متعددی صورت می‌گرفت ولی هیچ یک با امکان مفید بودن کشف مورد نظر ارتباطی نداشت. این کشف همچنین نمونهای بسیار عالی از به کارگیری همزمان روشهای فیزیکی و شیمیایی در تحقیقات هسته‌ای و سودمندی کار جمعی است. پس از آنکه ژولیو کوری و ماری کوری نشان دادند بعضی از محصولات واکنش های هسته‌ای رادیواکتیواند. <:P:>فرمی و همکاران او در ایتالیا عهده دار شدند تا مطالعه‌ای سازمان یافته درباره آن گونه واکنشهای هسته‌ای که با نوترون القا می‌شوند. به عمل آوردند. فرمی در سال ۱۹۳۴ دریافت که بمباران اورانیم با نوترون واقعا عناصر رادیواکتیو جدیدی در هدف تولید می‌کند که با گسیل پرتوها و فعالیت تباهی و نیم عمرهای نسبتا کوتاه که مشخصه جدید بودن آنها بود، معلوم می‌شد. در بدو امر تصور می‌رفت که این عناصر جدید همان عناصر ماورای اورانیم فرضی باشند. انرژی آزاد شده در شکافت هسته در حدود ۲۰۰MeV است. <:P:>این مقدار انرژی را یا از طریق مقایسه جرمهای سکون مواد ترکیب شونده و مواد تولید شده یا از طریق منحنی انرژی اتصال می‌توان حساب کرد. انرژی آزادشده در عمل شکافت ۲۰ برابر بیشتر از واکنش های هسته‌ای معمولی است که معمولا کمتر از ۱۰MeV است و همچنین بیش از یک میلیون مرتبه بزرگتر از واکنش های شیمیایی است. در شرایط مناسب نوترونهای آزاد شده در عمل شکافت می‌تواند به نوبه خود ، موجب شکافت در اتمهای اورانیم مجاور خود شوند، و در این صورت فرآیندی که معروف به واکنش زنجیری است در یک نمونه اورانیم صورت می‌گیرد. ترکیبی از رهایی انرژی بسیار زیاد در عمل شکافت و امکان واکنش زنجیری مبنایی است برای استفاده بزرگ مقیاس از انرژی هسته‌ای. <:P:>

پیامدهای شکافت هسته‌ای: <:P:>استفاده از انرژی هسته‌ای به مقیاس زیاد بین سالهای ۱۹۳۹ ، تا ۱۹۴۵ در ایالات متحده انجام شد. این امر زیر فشار جنگ جهانی دوم به صورت نتیجه تلاشهای مشترک عده کثیری از دانشمندان و مهندسان صورت گرفت. دست اندرکارانی که در ایالات متحده به این کار اشتغال داشتند آمریکایی ، بریتانیایی ، و پناهندگان اروپایی کشورهایی بودند که زیر سلطه فاشیسم بود. تلاش آنان ، این بود که پیش از آلمانیها به یک سلاح هسته‌ای دست یابند. <:P:>در طول جنگ جهانی دوم از راکتورهای هسته‌ای برای تولید مواد خام نوعی بمب هسته‌ای ، یعنی برای ساختن ۲۳۹Pu از ۲۳۸U استفاده می‌شد. طراحی این راکتورها به گونهای بود که بعضی از نوترونهای حاصل از شکافت اتمی ۲۳۵U به قدر کافی کند می‌شدند و موجب بروز شکافت در اتمهای ۲۳۸U نمی‌شدند. (در اورانیم طبیعی ، فقط حدود ۷۵٫ ۰% اتم‌های ۲۳۵U وجود دارد) در عوض ، نوترونهای مذکور از طریق واکنشهایی که در بخش قبل بیان شده به وسیله ۲۳۸U جذب شده و هسته‌های ۲۳۹Pu را تشکیل می‌دادند.