انرژي اتمي

فهرست مطالب

عنوان صفحه
مقدمه ۱
چکيده ۳
فصل اول : شناخت انرژي اتمي ۴
تعريف انرژي ۵

دسته بندي انرژي ها ۵
انرژي اتمي و اهميت آن ۶
غني سازي اورانيوم ۱۰
فصل دوم : توليد انرژي اتمي ۱۲
شکافت هسته به وسيله نوترون ۱۳
همجوشي هسته اتم ۱۷
رابطه انيشتين ۱۹
فصل سوم : راکتورهاي اتمي ۲۰
ساختمان راکتور ۲۱
سوخت راکتور ۲۱
مواد کند کننده نوترون ۲۳
خنک کننده ها ۲۴
انواع راکتور ۲۶
آب سنگين در راکتور ۲۷

فصل چهارم : موارد استفاده انرژي اتمي ۳۰
توليد برق ۳۱
انرژي اتمي در پزشکي ۳۲
انرژي اتمي در صنعت ۳۶
انرژي اتمي در کشاورزي ۳۹
فصل پنجم : مزايا و مضرات انرژي اتمي ۴۰
بمب اتمي ۴۲

فصل ششم : سازمان هاي اتمي ۴۸
انرژي اتمي در ايران ۴۹
آژانس بين المللي اتمي ۵۱
ارجاعات ۵۲
فهرست منابع ۵۴

امروزه مردم دنياي بزرگ ما ، بزرگترين دوران رشد و تکامل خود را در تمامي زمينه ها تجربه مي کنند . در گذشته سرعت گسترش و پيشرفت در علوم و فنون مختلف چون امروز نبوده است . اکنون انسان باشتاب روز افزون به سوي دنيايي بهتر و زندگي توأم با آسايش بيشتر پيش مي رود . صرف نظر از مشکلات و معضلات جانبي ناشي از توسعه بي رويه و نامناسب در برخي جهات ، به طور کلي مي توان گفت پيشرفت علوم باعث ارتقاء سطح زندگي ، معيشت و آسايش بشر امروزي شده است بشر پيشرفته کنوني ، به افق هاي دوردست چشم دوخته و پس از تسخير ماه مي رود تا به کرات ديگر و فضاي لايتناهي دست يابد پيشرفت و تعالي بشر امروز ، بي شک مرهون تلاش بي وقفه دانشمندان علوم مختلف بوده است .

بنابراين مادر دنياي امروز نيازمند به جايگزيني انرژي هسته اي با سوخت هاي فسيلي هستيم و اين حق پيشرفت ، از آن ماست . جمهوري اسلامي ايران به عنوان يکي از کشورهاي امضا کننده ي معاهده ي منع تکثير و گسترش سلاح هاي هسته‌اي، همواره بر حق خود جهت برخورداري از دانش و فناوري مسالمت آميز هسته اي ، بر اساس موافقت نامه هاي جهاني تأکيد کرده و استفاده از آن را حق مسلم خود مي‌داند .

در اين تحقيق سعي شده اشاره اي هر چند اندک به مزاياي اين نيروي عظيم و روش بهره‌برداري و استفاده از آن بشود . بنابر اين هدف اينجانب از انجام اين تحقيق آشنايي با انرژي اتمي بوده است .
ضمناً از تمامي کساني که روح تحقيق و پژوهش را در دانش آموزان پرورش مي‌دهند، صميمانه تشکر مي کنم . چون يقين دارم حتي اين تحقيق هاي کوچک در آينده، زمينه ساز تحقيق ها و پژوهش هاي بسيار بزرگ تر شده و گامي جهت پيشرفت مردم عزيز خواهد شد .

چکيده
در حال حاضر ، انرژي اتمي بهترين سوخت جهان به شمار مي رود که از دو راه شکافت هسته اي و همجوشي هسته اي مي توان آن را توليد و از انرژي آن استفاده کرد . در روش شکافت هسته اي که کاملاً در راکتور اتمي انجام مي گيرد ، اورانيوم سوخت اصلي است و از آن براي به کار انداختن راکتور استفاده مي شود . در اين روش يک نوترون به هسته اورانيوم ۲۳۵ که مقدار آن در سنگ اورانيوم ۰۷/۰ درصد است، برخورد کرده ، باعث تقسيم شدن آن مي شود و دو نوترون جديد هم به وجود مي آيد اين دو نوترون جديد خود به دو هسته ديگر برخورد کرده و به همين ترتيب هسته هاي زيادي شکافته مي شوند و انرژي فراواني را توليد مي کنند . در همجوشي هسته اي دقيقاً عکس اين عمل رخ مي دهد . يعني دو هسته کوچک به يک هسته بزرگتر تبديل شده و به همراه نوترون مقدار بسيار عظيمي انرژي توليد مي کند . البته اين عمل هنوز در روي زمين به طور کامل انجام نگرفته است . زيرا امکان پذير نمي باشد .
از انرژي بدست آمده در روش هاي بالا مي توان براي

توليد ب

رق استفاده کرد همچنين انرژي اتمي در پزشکي ، صنعت و کشاورزي استفاده هاي فراواني دارد .
انرژي اتمي حدود ۳۰ سال است که وارد ايران شده و هم اکنون بخش کوچکي از توليد برق کشور را به خود اختصاص داده است .

فصل اول
شناخت انرژي اتمي

تعريف انرژي
هر نوع حرکت و پويايي چه در موجود زنده و چه غير زنده نياز به يک عامل اوليه براي شروع و همچنين ادامه کار خود دارد . اين عامل حرکت و پويايي را انرژي مي ناميم . انرژي عبارت است از توانايي انجام کار به زبان ديگر براي انجام هر کاري نياز به انرژي است . بنابراين هر نوع حرکت و جنبشي براي آن که انجام شود . نياز به انرژي دارد. (۱)
دسته بندي انرژي ها: نوعي تقسيم بندي انرژي به اين شکل است که تمام انرژي‌ها را در دو گروه انرژي هاي نهفته در ماده (مانند انرژي سوخت هاي فسيلي و انرژي اتمي) و انرژي مکانيکي تقسيم بندي مي کنند .
نوع ديگر تقسيم بندي بر حسب دائمي بودن (تجديد پذير مانند انرژي باد) و غير دائمي بودن (تجديد ناپذير بودن مانند انرژي اتمي ناشي از اورانيوم) بودن انرژي هاست.(۲)

انرژي اتمي و اهميت آن
انرژي اتمي از جمله انرژي هاي تجديد ناپذير است و از جمله انرژي هاي نهفته در ماده مي باشد . اين انرژي از يک واکنش اتمي ناشي مي شود . يعني فعل و انفعالات درون اتم هاي سوخت اتمي باعث توليد آن مي شود . در فرآيند توليد انرژي اتمي ، اتم هاي سوخت اتمي ، که غالباً فلز اورانيوم است ، متلاشي مي شوند . ماده‌ي اورانيوم که مهم ترين سوخت براي بدست آوردن انرژي اتمي است ، به مقدار نسبتاً زياد در پوسته زمين وجود دارد . تا سال ۱۹۶۰ نفت و زغال سنگ تنها منابع انرژي جهان به شمار مي رفتند . ولي از آن سال به بعد انرژي اتمي نيز قسمتي از انرژي مورد نياز بشر را تأمين مي کند . با کشف منابع جديد اورانيوم در پوسته زمين رفته رفته تعداد نيروگاه هايي که از اورانيوم به عنوان سوخت اتمي استفاده و برق توليد مي کنند افزايش يافت.(۳)
از همان ابتداي استخراج نفت براي مصرف بشر ، روز به روز به مقدار مصرف آن افزوده مي شد . و متخصصان همواره نگران آن بودند که در آينده نه چندان دور روزي خواهد رسيد که منابع زير زميني نفت به پايان خواهد رسيد . هنوز هم اين نگراني ها وجود دارد . از همان زمان ، اين نگرانيها دانشمندان را بر يافتن راه هاي جديد براي توليد انرژي از منابع انرژي ديگر ترغيب نموده است . استفاده از انرژي اتمي ناشي از اين نوع بينش دانشمندان نسبت به آينده سوخت هاي فسيلي بوده است .
دانشمندان دريافته اند که منشأ تمام انرژي هاي مورد استفاده بشر حاصل از انرژي تشعشعات نوراني خورشيد است . اما نکته بسيار جالب اينکه منشأ خود انرژي خورشيدي ، انرژي اتمي يا انرژي حاصل از همجوشي اتم هاست . بنابر اين انرژي اتمي ريشه و منشأ تمام انرژي جهان هستي است . از ابتداي قرن بيستم که دانشمندان به انرژي عظيمي که در اتم برخي فلزات

سنگين مثل اورانيوم و پلوتونيم وجود دارد ، پي بردند . تحقيقات فراواني به منظور يافتن روش هاي مناسب به منظور استفاده از اين انرژي عظيم توسط دانشمندان کشورهاي پيشرفته انجام شده است . اين تحقيقات در سال ۱۹۵۶ به ايجاد اولين نيروگاه اتمي دنيا در آمريکا منجر شد و عملاً از سال ۱۹۶۰ ميلادي استفاده از انرژي اتمي به جاي سوخت هاي فسيلي به تدريج در حال شکل گيري است.(۴)
هم اکنون کشورهاي صنعتي که بخش عمده انرژي دنيا را مصرف مي کنند استفاده از انرژ

ي اتمي به عنوان سوخت اصلي براي نيروگاه هاي برق را انتخاب نموده و تلاش زيادي براي افزايش ميزان توليد برق از طريق انرژي اتمي انجام مي دهند . چيزي که باعث شده انرژي اتمي بيش از ديگر انرژي هاي نو مورد توجه قرار بگيرد ، آن است که انرژي هاي نو هر يک به دليل خاصي قادر به برآوردن نيازهاي انرژي بشر امروزي که به طور فزاينده اي در حال رشد است ، نمي باشد . در مقابل ، انرژي اتمي نسبت به ديگر انرژي هاي نو از مزاياي ويژه اي برخوردار است . و از همه مهمتر آن که اين انرژي به صرفه اقتصادي است .
بنابر اين انرژي اتمي با آن که از نظر بسياري از مردم ، انرژي خطر ناکي براي محيط زيست به شمار مي رود ، اما عملاً توسعه روز افزون و شتاباني داشته است . به طوري که بسياري از کشورهاي جهان سوم نيز در آستانه استفاده از اين انرژي براي توليد برق قرار گرفته اند .
از آن جا که ساختن نيروگاه اتمي به دانش و تکنولوژي بسيار پيشرفته نياز دارد، کشورهاي پيشرفته توانسته اند با مراقبت شديد و وضع مقررات سخت ، جلوي ورود تکنولوژي و طرز ساخت نيروگاه هاي اتمي به کشورهاي کمتر توسعه يافته را تا حدودي بگيرند ، اما به طور کامل موفق نبوده اند .
ما بايد به گونه اي تدريجي استفاده از انرژي سوخت هاي فسيلي را با منابع انرژي ديگر جايگزين کنيم ، چرا که با اتمام منابع سوخت هاي فسيلي بايد بلا فاصله قدرت استفاده از انرژي هاي ديگر را داشته باشيم . و از آن جا که دستيابي به منابع انرژي هاي ديگر به زمان طولاني بستگي دارد ، به ناچار بايد از حالا تلاش گسترده اي را آغاز کنيم تا در دهه هاي آينده دچار کمبود انرژي در کشور نشويم. با اين استدلال برنامه ريزي جهت استفاده از انرژي اتمي را مي توان لازم و ضروري دانست.(۵)‌
اورانيوم
قبل از آن که به معرفي اورانيوم بپردازيم ، بهتر است کمي خود اتم را توضيح دهيم و آن را بشناسيم . هر عنصري از ذرات بسيار ريزي که ما آن ها را اتم مي‌ناميم ، ساخته شده است . اتم ها به حدي کوچک هستند که با هيچ دستگاهي نمي توان آن ها را ديد . اورانيوم و پلوتونيم نيز که هر دو فلز هستند ، از ذرات بسيار ريز اتم درست شده اند . دانشمندان کشف کرده اند که يک اتم خود از چند ذره ريز تر تشکيل شده است . ممکن است يک اتم ، ۱ ،۲، ۳، …،۶ يا ۷ لايه داشته باشد در مرکز اين چند لايه يک ذره ديگر وجود دارد که نسبت به خود اتم بسيار ريزتر است اين ذره را هسته ي اتم مي گويند .

در لايه هاي اطراف هسته اتم تعدادي ذرات بسيار ريز به نام الکترون وجود دارند که همواره به دور هسته در حال چرخش هستند . اورانيوم داراي ۷ لايه بوده و در لايه هاي آن جمعاً ۹۲ الکترون وجود دارد . در هسته هر اتم نيز دو نوع ذره وجود دارد . يکي به نام پروتون و ديگري به نام نوترون که در کنار هم در هسته به طور ساکن قرار گرفته‌اند. به طور قرار دادي به تعداد پروتون هاي اتم هاي يک عنصر عدد اتمي گفته مي‌شود و به حاصل جمع تعداد نوترون ها و پروتون هاي موجود در هسته اتم يک عنصر عدد جرمي گويند.
تمام اتم هاي تشکيل دهنده ي يک عنصر در هسته خود

تعداد مساوي نوترون ندارند. حال آن که همواره در تمام هسته هاي اتم هاي آن تعداد پروتون ها برابر است. مثلاً در تمام اتم هاي عنصر اورانيوم هسته داراي ۹۲ پروتون مي باشد اما در برخي از اتم ها تعداد نوترون ۱۴۳ عدد و در برخي از اتم هاي ديگر تعداد نوترون ها ۱۴۶ عدد است اين اختلاف تعداد نوترون در هسته اتم اورانيوم باعث مي شود که ما دو نوع اورانيوم داشته باشيم . البته هر دو نوع ، اورانيوم هستند و خواص اورانيوم را دارند . فقط يکي نسبت به ديگري از لحاظ وزني کمي سنگين تر است . به اين دو نوع اورانيوم ايزوتوپ اورانيوم مي‌گوييم. ايزوتوپ‌هاي اورانيوم دو نوع هستند. يکي ايزوتوپ ۲۳۵ اورانيوم که حاصل جمع تعداد نوترون و پروتون هاي آن است يعني عدد جرمي آن ۲۳۵ است . و ديگري ايزوتوپ ۲۳۸ که عدد جرمي آن ۲۳۸ است. (۶)
غني سازي اورانيوم
چنان که گفتيم دو نوع اورانيوم يا به عبارتي دو ايزوتوپ اورانيوم وجود دارد . يکي ايزوتوپ ۲۳۸ و ديگري ايزوتوپ ۲۳۵ در اورانيوم طبيعي که از خاک هاي معدني استخراج مي شود ، از هر ۱۰۰۰ کيلو گرم ، ۹۹۳ کيلوي آن ايزوتوپ نوع ۲۳۸ و تنها ۷ کيلوي آن ايزوتوپ نوع ۲۳۵ است براي انجام عمل شکافت هسته اورانيوم ، بايد از ايزوتوپ نوع ۲۳۵ استفاده کرد از آن جا که اين ايزوتوپ مقدارش نسبت به ايزوتوپ ۲۳۸ بسيار کمتر است ، جدا سازي آن کار خيلي مشکلي است و نياز به وسايل پيچيده و بسيار گران قيمت دارد . به طوري که تا

کنون فقط چند کشور پيشرفته قادرند اين عمل جدا سازي را انجام دهند ، اين کشور ها عبارتند از : روسيه ، فرانسه، آمريکا ، چين ، انگليس ، آلمان و چند کشور ديگر به همين دليل کشورهايي که توانسته اند با استفاده از اين تکنولوژي سلاح هسته اي که بسيار ويران کننده است ، بسازند ، بسيار کم است به عملي که باعث جداسازي ايزوتوپ ۲۳۵ از ايزوتوپ ۲۳۸ اورانيوم مي شود ، «غني سازي اورانيوم » گفته مي شود .
براي انجام عمل غني سازي اورانيوم نياز به دستگاه هاي

فوق العاده پيچيده و پيشرفته مي باشد عمل غني سازي غالباً در حالت گازي انجام مي شود يعني ابتدا خاک معدني اورانيوم را طي مراحلي تصفيه نموده و سپس آن را به نمک فلوئوريد به فرمول UF6 تبديل مي کنند که حالت گازي دارد . سپس اين گاز که در آن ايزوتوپ ۲۳۸ و ۲۳۵ همراه هم وجود دارد ، را وارد محفظه اي مي کنند که در بالاي آن يک سوراخ ريز قرار دارد . از آن جا که اورانيوم ۲۳۵ سبک تر از اورانيوم ۲۳۸ است ، گازهاي VF6 که اورانيوم آن از نوع ۲۳۵ است ، در بالاي محفظه جمع مي شوند و از سوراخ ريز بالاي آن خارج مي ش

وند . از آن جا که همراه گاز داراي اورانيوم ۲۳۵ مقداري از گاز داراي اورانيوم ۲۳۸ نيز خارج مي شود ، لازم است براي خالص سازي بيش تر اورانيوم ۲۳۵ ، چندين محفظه پشت سر هم عمل خالص سازي را انجام دهند و لازم است عمل خالص سازي در دفعات زياد تکرار شود تا به گاز داراي اورانيوم ۲۳۵ نسبتاً خالص تر دست يافت. (۷)

فصل دوم :
توليد انرژي اتمي

براي توليد انرژي اتمي بايد به طور مصنوعي هسته اتم هاي يک عنصر راديو اکتيو را تحريک کنيم . به طور کلي دو روش براي تحريک هسته هاي اتم و توليد انرژي وجود دارد : ۱- شکاف هسته اتم ۲- همجوشي هسته اتم .
شکافت هسته به وسيله نوترون (fission):
کشف انرژي هسته اي در خلال جنگ جهاني دوم صورت گرفت و اکنون براي بسياري از کشور ها هزاران کيلو وات برق توليد مي‌کند. بحران انرژي بر اثر بالا رفتن قيمت نفت در سال ۱۹۷۳ استفاده از انرژي شکافت هسته اي را بيشتر وارد صحنه کرد در حال حاضر ممالک اروپايي انرژي هسته اي را تنها انرژي مي دانند که مي تواند در اکثر موارد جايگزين نفت شود . استفاده از انرژي شکافت هسته اي که بر روي يک ماده قابل احتراق کاني که به صورت محدود پايه گذاري مي شود ، براي ساير کشورها خطرات بسياري دارد . در حال حاضر توليد الکتريسيته با استفاده از شکافت هسته اي کنترل شده به ميزان زيادي توسعه يافته و مورد قبول

واقع شده است.(۸)
اکنون به بررسي روند شکافت هسته مي پردازيم :
مي توان به وسيله انجام فعل و انفعالات پيچيده اتمي ، برخي اتم ها را تحريک کرد تا نوترون هايي توليد کنند . اين نوترون ها داراي انرژي و سرعت زيادي هستند و مي توان آن ها را براي شکافت هسته مورد استفاده قرار داد نوترون ها هنگام برخورد به

هسته اتم ، باعث ناپايداري هسته مي شوند . و آن را به دو يا چند هسته کوچکتر ، تبديل مي کنند . البته به همراه اين دو هسته کوچکتر دو نوترون نيز توليد مي شود . به اين عمل شکافت هسته ي اتم مي گويند به عبارت ديگر هنگامي که يک نوترون پر از انرژي به يک هسته اتم برخورد مي کند آن هسته متلاشي مي شود و از متلاشي شد

ن آن دو هسته که مربوط به دو نوع عنصر ديگر است ، و همچنين دو نوترون ديگر توليد مي شود . جالب آن که دو نوترون توليد شده خودشان به دو هسته ديگر برخورد مي کنند و از تلاشي آن دو هسته نيز جمعاً ۴ نوترون تشکيل مي شود . که از برخورد اين ۴ نوترون به ۴ هسته ديگر ۸ نوترون توليد مي شود . به همين ترتيب تعداد بي شماري نوترون توليد مي شود و تعداد بي شماري از هسته هاي اتم متلاشي مي شوند .

هسته اتم هاي فلزات راديو اکتيو از جمله اورانيوم طبق روش بالا مي توانند دچار شکافت گردند از شکافت يک هسته اتم اورانيوم هسته هاي دو عنصر کريپتون و باريم به همراه دو نوترون ايجاد مي شود ، که در اين ميان مقداري از جرم هسته اوليه نابود مي شود همچنين براي آن که اورانيوم طبق واکنش اتمي بالا دچار شکافت شود لازم است که مقدار جرم اورانيوم از يک مقدار خاصي بيشتر باشد . اين مقدار را جرم بحراني مي گويند.(۹)‌
البته طي اين فرآيند نوترون‌هاي اضافه اي هم به وجود مي آيند . براي دستيابي به فرآيند شکافت کنترل شده و يا متوقف کردن يک سيستم شکافت پس از شروع ، لازم است موادي قابل دسترس باشند که بتوانند نوترون هاي اضافي را جذب کنند . مواد جاذب نوترون بايد سطح مقطع جذب بالايي نسبت به نوترون داشته باشند . مواد زيادي وجود دارند که سطح مقطع جذب آن ها نسبت به نوترون بالاست ، ولي ماده مورد نظر استفاده ، بايد داراي چند خاصيت مکانيکي و شيميايي باشد که براي اين کار مفيد واقع شود.(۱۰)‌ همچنين در قسمت هاي بعد اين موضوع را کاملاً شرح خواهيم داد .
حال مسأله اصلي آن است که از اين شکافت هسته ي اتم چه سودي عايد ما مي‌شود و اصلاً چرا ما علاقه مند به بحث راجع به شکافت هسته هستيم . نکته مهم در عمل شکافت هسته ، آن است که در هنگام عمل شکافت هسته عناصر راديو اکتيو ، به جز دو هسته ، دو عنصر مختلف و دو نوترون ، مقدار ناچيزي از جرم عناصر راديو اکتيو نابود شده و تبديل به مقدار عظيمي انرژي گرمايي مي شود . که مي‌توان از آن استفاده کرد . به طور کلي عمل شکافت هسته اورانيوم را مي توان به صورت زير خلاصه کرد :(۱۱)
انرژي + دو نوترون + کريپتون + باريم يک نوترون + اورانيوم

همجوشي هسته اتم
در عمل شکافت هسته اي ، هسته سنگين يک فلز راديو اکتيو شکافته مي شود و به دو هسته سبک تر تبديل مي شود اما در عمل همجوشي هسته اي دقيقاً عمل عکس رخ مي دهد يعني در عمل همجوشي هسته اي دو هسته سبک غير راديو اکتيو با هم برخورد کرده و تبديل به يک هسته سنگين تر مي شوند . نکته

بسيار مهم در عمل همجوشي هسته اي آن است که براي انجام اين عمل بايد دو هسته در فشار و گرمايي بسيار بالا با هم برخورد کنند آن چه که باعث جذاب شدن مبحث همجوشي هسته اي مي شود ، آن است که هنگام عمل همجوشي هسته اي مقدار بسيار زيادي انرژي به وجود مي آيد که به مراتب بيش تر از انرژي آزاد

شده از عمل شکافت هسته اي است .

هنوز دانشمندان موفق به انجام عمل کامل همجوشي هسته اي در روي زمين نشده اند . چرا که اين عمل به هزاران درجه سانتيگراد دما و بيش از هزار اتمسفر فشار نياز دارد . که فعلاً انجام آن در مقياس بزرگ عملي نيست . دانشمندان معتقداند که در خورشيد عمل همجوشي هسته اي انجام مي‌شود و نور و حرارت بسيار زياد خورشيد ناشي از همين عمل همجوشي است . چرا که در خورشيد دما به ۱۵ ميليون درجه بالاي صفر مي‌رسد و فشار در آن جا حدود ۱۱۲۲ اتمسفر است و تمام شرايط لازم براي انجام عمل همجوشي هسته اي فراهم است . (۱۲)
عملي که در خورشيد اتفاق مي افتد ، عبارت است از برخورد شديد دو اتم هيدروژن ( دوتريم و تريتيم ) و تبديل آن ها به يک اتم هليم که به عمل همجوشي اتمهاي هيدروژن معروف است . در حين اين عمل تبديل ، مقداري جرم نابود مي شود و در ازاي آن مقدار بسيار زيادي انرژي آزاد مي گردد . کل عمل انجام شده در همجوشي هسته اتم را مي توان به صورت زير خلاصه کرد :(۱۳)
انرژي + (نوترون)n+ (هليم) He4 H3 (تريتيم) +H2 (دو ترميم)

رابطه اينشتين
آلبرت انيشتين نابغه رياضي و فيزيک مقدار انرژي ناشي از عمل شکافت هسته اي يا همجوشي هسته اي را به وسيله ي معادله اي بيان نمود که بسيار مشهور است . اين معادله بيان مي دارد که انرژي ناشي از شکافت هسته اي يا همجوشي هسته اي برابر است با مقدار جرمي که حين اين عمل تبديل از بين مي رود و تبديل به انرژي مي شود ضربدر سرعت نور به توان ۲ اين فرمول به صورت زير است :
E=mc2
از آن جا که سرعت نور ۳۰۰۰۰۰ کيلومتر بر ثانيه است ، مي توان تخمين زد که از ناپديد شدن مقدار ناچيزي از جرم يک فلز راديو اکتيو مقدار عظيمي انرژي حاصل مي شود .مثلاً اگر فقط يک گرم ، از يک عنصر راديو اکتيو حين واکنش هسته اي ناپديد شود، مقدار ۱۰۱۳×۹ ژول انرژي آزاد مي شود که مقدار عظيمي انرژي گرمايي است .(۱۴)

فصل سوم :
راکتور اتمي

راکتور به زبان لاتين به جايي گفته مي شود که در آن جا واکنش رخ مي دهد و راکتور اتمي نيز به جايي گفته مي شود که در آن جا واکنش اتمي (شکافت هسته اي کنترل شده) رخ مي‌دهد.(۱۵)‌
ساختمان راکتور:
با وجود تنوع در راکتورها ، تقريباً همه ي آن ها از اجزاي يکساني تشکيل شده اند . اين اجزا شامل سوخت ، پوشش براي سوخت، کند کننده ي نوترون هاي حاصله از شکافت ، خنک کننده اي براي حمل انرژي حرارتي حاصله از فرايند شکافت و ماده کنترل کننده براي کنترل نمودن ميزان شکافت مي‌باشد.(۱۶) خواص فيزيکي مواد ، اه

ميت ويژه اي در کاربرد آن ها در راکتورهاي هسته اي دارد . خواصي چون استحکام ، سختي ، قابليت کشش ، نقطه ذوب ، نقطه ي جوش، چگالي و رسانندگي گرمايي همه مواردي هستند که در انتخاب ماده براي اجزاي مختلف راکتور ، داراي اهميت مي‌باشد.(۱۷)
سوخت راکتور :

سوخت راکتورهاي اتمي بايد به گونه اي باشد که متحمل شکافت حاصله از نوترون بشود در حال حاضر اورانيوم ، پلوتونيم و توريم سه سوخت رايج در راکتورها هستند . برخي از اين سوخت ها براي شکافت حاصله از نوترون هاي حرارتي و برخي نيز براي شکافت حاصل از نوترون هاي سريع مي باشند . حتي تفاوت بين سوخت ، يک خاصيت در دسته بندي راکتورهاست .
در کنار قابليت شکافت ، سوخت به کار رفته در راکتور اتمي ، بايد بتواند نيازهاي ديگري را نيز تأمين کند . سوخت بايد از لحاظ مکانيکي قوي، از نظر شيميايي پايدار و در مقابل تخريب تشعشعي مقاوم باشد ، تا تحت تغييرات فيزيکي و شيميايي محيط راکتور قرار نگيرد . هدايت حرارتي ماده بايد بالا با شد به طوري که بتواند حرارت را خيلي راحت جابجا کند . همچنين امکان بدست آوردن ، ساخت راحت ، هزينه نسبتاً پايين و خطر ناک نبودن از نظر شيميايي از ديگر ويژگي هايي است که سوخت بايد داراي آن ها باشد.(۱۸)‌
حال به صورت مختصر به معرفي سوخت هاي راکتور مي پردازيم :
اورانيوم :
متداول ترين ماده سوخت براي راکتورهاي اتمي اورانيوم است ، که مي تواند به صورت خالص ، يعني اورانيوم فلزي و يا به صورت ترکيب مثل اکسيد اورانيوم و يا کربور اورانيوم بکار رود . اورانيوم ، فلز نسبتاً نرم و قابل کششي است که در دماي بالا به آساني در هوا و آب اکسيد مي شود نقطه ذوب آن ۱۱۳۳ درجه سانتيگراد است .
پلوتونيوم :
چون فلز پلوتونيم تا رسيدن به نقطه ذوب ۶۴۰ درجه سانتيگراد داراي تعداد زيادي فاز بلور است ، سوخت مناسبي براي راکتور نمي باشد . به عنوان سوخت راکتور ، پلوتونيم را به صورت اکسيد پلوتونيم (puo2) بکار مي برند نقطه ذوب اين ترکيب ۲۴۰۰ درجه سانتيگراد است .
توريم :
جلو در چند راکتور با خنک کننده گازي دما – بالا ، توريم تاکنون به عنوان سوخت راکتور کاربرد زيادي نداشته است . نقطه ذوب فلزات توريم خالص حدود ۱۷۰۰ درجه سانتيگراد است . به علت پايداري بهتر ، اين عنصر برتر از اورانيوم است . اما به صورت

خالص به عنوان سوخت به کار نمي رود . بلکه آن را به صورت اکسيد توريم (Tho2) و کربوتوريم (Thc2) به کار مي برند.(۱۹)
مواد کند کننده نوترون :
در راکتورهاي اتمي چند نوترون سريع توليد مي شود که حتماً بايد کند شوند و از واکنش خارج شوند . در غير اين صورت احتمال آزاد شدن تمام انرژي سوخت هسته اي در يک لحظه ، وجود دارد که اين امر باعث انفجار شديد در نيروگاه خواهد شد که به هيچ وجه مطلوب نيست و ممکن است باعث خسارات مالي و جاني بزرگي شود . (۲۰)
يک کند کننده ماده اي است که براي کند کردن نوترون هاي سريع به کار مي‌رود هسته هايي که داراي جرمي نزديک به جرم نوترون هستند ، بهترين کند کننده مي باشند. کند کننده براي آن که بتواند در راکتور مورد استفاده قرار بگيرد لازم است داراي ويژگي هايي چون عدد جرمي پايين و سطح مقطع خيلي بالاي جذب نوترون باشد . با توجه به ويژگي هاي اخير چند ماده هستند که مي توان از آن ها استفاده کرد : آب (معمولي) ، آب سنگين کربن و بريليوم . از آن جا که بريليوم سمي است ، خيلي کم به عنوان کند کننده در راکتور مورد استفاده قرار مي‌گيرد.(۲۱) ضمناً در قمست هاي بعد به طور کامل راجع به آب سنگين توضيح داده خواهد شد .
خنک کننده ها :
گرماي حاصله از شکافت در محيط راکتور يا بايد از سوخت زدوده شود و يا در نهايت اين گرما بقدري زياد شود که ميله هاي سوخت را ذوب کند . حرارتي که از سوخت گرفته مي شود ممکن است در راکتور قدرت ، براي توليد برق به کار رود . از ويژگي هايي که يک ماده خنک کننده بايد داشته باشد : خواص ترموديناميکي خوب يعني رسانندگي گرمايي ، گرماي ويژه بالا و چسبندگي پايين ، عدم پر همکنش شيميايي با قسمت هاي ديگر راکتور ، سطح مقطع جذب نوتروني خيلي پايين و راديو اکتيو نشدن در اثر واکنش هاي گاما دهنده که ممکن است هنگام عبور خنک کننده از قلب راکتور رخ دهد . (۲۲)‌
از مايعات و گازها به عنوان خنک کننده استفاده شده است . گازهايي چون دي اکسيد کربن و هليم و مايعاتي چون آب ، آب سنگين و فلزات مايع هليوم گازي است بي اثر ، داراي خواص ترموديناميکي خوب و خطر تابش هم ايجاد نمي کند بنابر اين مي توان آن را به عنوان خنک کننده ايده آل راکتورهاي گازي تلقي کرد. اما متأسفانه پرهزينه بوده و به سادگي مقدار زياد آن قابل دسترسي نيست . در حال حاضر کاربرد اين گاز به عنوان خنک کننده محدود به چند راکتور در آمريکا و آلمان است .
از آن جا که براي جلوگيري از جوشيدن آب فشار زياد

ي لازم است خنک کننده ي ايده آلي نيست .
فلزات مايع ، به دليل خواص ترموديناميکي خوبشان بخصوص رسانندگي گرمايي بالاي آن ها ، خنک کننده هاي بالقوه خيلي خوبي براي راکتور ها هستند . سديم ، ليتيم ، جيوه و آلياژهاي سديم پتاسيم همه مناسب اند ولي از ميان آن ها سديم به مقدار قابل ملاحظه اي منحصراً در راکتورهاي سريع زاينده ، مورد استفاده قرار گرفته است.(۲۳)

 

انواع راکتور :
در حال حاضر پنج نوع مختلف راکتور اتمي وجود دارد که عبارتند از :
۱- راکتورهاي آب سبک (LWR): در اين نوع راکتورها که متداولترين نوع راکتور در سطح جهان هستند ، از آب معمولي هم به عنوان مدراتور (تعديل گر) و هم خنک کننده استفاده مي شود .
۲- راکتورهاي آب سنگين (HWR): در اين راکتورها از آب سنگين هم به عنوان مدار توروهم خنک کننده استفاده مي شود و آمريکا از اين دسته راکتور ها به طور عمده براي تهيه پلوتونيم که در ساخت بمب هاي هسته اي کاربرد دارد ، استفاده مي کند .
۳- راکتورهايي که با گاز خنک مي شوند (GCR):مدراتور اين راکتورها گرافيت ، خنک کننده آن ها گاز کربن دي اکسيد و سوخت مصرفي آن ها اورانيوم طبيعي است که در درون پوششي به نام مگناکس (اکسيد منيزيم) قرار دارد .
۴- راکتورهايي که دماي بسيار زياد توليد مي کنند (HTGR) : مدراتور اين راکتورها گرافيت ، خنک کننده آن ها گاز هليم و سوخت مصرفي آنها اورانيوم ۲۳۵ ، ۹۳% غني شده است .
۵- راکتورهاي زاياي سريع (FBR) : سوخت اين راکتور ها اورانيوم ۹۳% غني شده است .
اين دسته از راکتورها به ميزاني بيشتر از سوخت مصرفيشان ماده شکافت پذير توليد مي کنند .( به همين دليل به راکتور هاي زايا معروفند.)آن ها مدارتور ندارند و ماده خنک کننده آنها بيش تر يک فلز مايع مانند سديم مايع مي باشد.(۲۴)

آب سنگين در راکتور
آب سنگين ، از طريق روندي پيچيده و پرهزينه از آب عادي بدست مي آيد . اين ماده همراه آب سبک ، گرافيت و بريليوم از تعديل گرهايي است که در بعضي راکتورها يافت مي شود . چنان که گفتيم وظيفه تعديل گر ، کند کردن نوترون هاي پرشتابي است که از شکافت هسته رها مي شوند آب سنگين بدون جذب تعدادي از اين نوترون ها به آن ها امکان عبور مي دهد . اين ويژگي براي واکنش نشان دادن با اورانيوم طبيعي (غني نشده ) مهم است . زيرا تنها ۷/۰% از ايزوتوپ ۲۳۵-U را دارا مي باشد . از آب سبک نيز مي توان براي واکنش زنجيره اي بهره برد ولي خاصيت آن در جذب بسياري از نوترون ها ، غني بودن اورانيوم (حداقل سه درصد) را الزامي مي کند .

آب سنگين از نظر شيميايي مشابه همان آب شرب است . تنها تفاوتشان اين است که آب سنگين يک ايزوتوپ هيدروژن به نام دو تريم دارد که در هسته خود يک نوترون و يک پروتون دارد . اين ايزوتوپ به طور طبيعي به ميزان هيدروژن عادي يا پروتيوم موجود است . ايزوتوپ عادي هيدروژن در هسته خود يک پروتون دارد ، ولي نوترون ندارد . دو تريم راديو اکتيو نيست ، با وجود آن که آب سنگين و سبک از نظر شيميايي مشابه اند ، ولي اولي از دومي ، قدري سمي تر است ، زيرا سرعت واکنش هاي شيميايي مربوط به آن بدليل قدرت پيوندهايي که برقرار مي کند ، اندکي تغيير مي کند . آزمايش روي موش نشان داده که نوشيدن تنها آب سنگين در نهايت به از بين رفتن بافت هايي که بايد مرتباً آب دريافت کند ، مي انجامد .
يک تحقيق، تأثير نوشيدن آب سنگين را مانند اثرات بر جا مانده از شيمي درماني مي داند . خاصيت سمي اين نوع آب زماني مشخص مي شود که نيمي از آب بدن جاي خود را ه آب سنگين داده باشد . مصرف طولاني آب سنگين مي تواند منجر به مرگ شود . تفاوت هاي فيزيکي نيز ميان آب سنگين و سبک است . چگالي آب سنگين ۱۰% بيشتر بوده و در واقع يخ بدست آمده از آن در آب سبک فرو مي رود . نقطه ذوب و جوش آن نيز قدري بالاتر است ، به طوري که در فشار

استاندارد ، آب سنگين در دماي نزديک به چهار درجه سانتيگراد منجمد شده و در ، صدويک درجه به جوش مي آيد .