به بهانه روز ملی فناوری هسته‌ای/ میراث ماندگار

 

انرژی هسته ای امروزه از مباحث مبتلابه جوامع در حال توسعه است؛ جایگزینی سوخت های فسیلی که منابع پایان پذیر هستند با انرژی منبعث از شکافت هسته ای، ضرورتی انکارناپذیر است.


تاریخچه تولید انرژی هسته ای

انرژی هسته‌ای نخستین بار به وسیله انریکو فرمی در سال 1934 در یکی از آزمایشگاه‌های دانشگاه شیکاگو تولید شد. این اتفاق زمانی رخ داد که تیم او مشغول بمباران کردن هسته اورانیوم با نوترون بودند. این پروژه که با نام Chicago Pile-1 شناخته شد با فوریت تمام در 2 دسامبر 1942 به بهره ‌برداری رسید و بعدها به بخشی از پروژه منهتن تبدیل شد. طی این پروژه راکتورهای بزرگی را برای دستیابی به پلوتونیوم و استفاده از آن در سلاح هسته‌ای در هانفورد واشنگتن راه‌اندازی کردند.

پس از جنگ جهانی دوم دولت ایالات متحده که می‌ترسید تحقیقات هسته‌ای باعث انتشار دانش هسته‌ای و در نتیجه تولید سلاح هسته‌ای توسط کشورهای دیگر شود کنترل‌های سخت‌گیرانه‌ای در مورد تحقیقات هسته‌ای اعمال کرد و به طور کلی بیشتر تحقیقات هسته‌ای بر روی اهداف نظامی متمرکز شدند.

منشأ انرژی هسته ای

هسته از پروتون با بار مثبت و نوترون بدون بار الکتریکی تشکیل شده است. بنابراین بار الکتریکی آن مثبت است. اگر بتوان هسته را به طریقی به دو تکه تقسیم کرد، تکه‌ها در اثر نیروی دافعه الکتریکی خیلی سریع از هم فاصله گرفته و انرژی جنبشی فوق العاده‌ای پیدا می‌کنند. هنگامی که یک هسته نسبتاً بزرگ قابل شکافت مورد برخورد نوترون قرار می‌گیرد به دو یا چند قسمت کوچک‌تر تقسیم می‌شود و در این فرآیند که به آن شکافت هسته‌ای می‌گویند تعدادی نوترون و مقدار نسبتاً زیادی انرژی آزاد می‌شود. نوترون‌های آزاد شده از یک شکافت هسته‌ای در مرحله بعد، خود با برخورد به دیگر هسته‌ها موجب شکافت‌های دیگری می‌شوند و به این ترتیب یک فرآیند زنجیره‌ای به وجود می‌آید. زمانی که این فرآیند زنجیره‌ای کنترل شود می‌توان از انرژی آزاد شده در هر شکافت- که بیشتر آن به صورت گرماست- برای تبخیر آب و چرخاندن توربین‌های بخار و در نهایت تولید انرژی الکتریکی استفاده کرد.

در واکنش هسته‌ای که در طی آن 235U به دو تکه تبدیل می‌شود، انرژی کلی معادل با 200MeV آزاد می شود. این مقدار انرژی می‌تواند حدود 20 میلیارد کیلوکالری گرما را در ازای هر کیلوگرم سوخت تولید کند. این مقدار گرما 2میلیون و 800هزار بار بزرگتر از حدود 7000 کیلوکالری گرمایی است که از سوختن هر کیلوگرم زغال سنگ حاصل می‌شود.

ماده‌ای که به عنوان سوخت در راکتورهای هسته‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد باید شکاف پذیر باشد یا به طریقی شکاف پذیر شود.

شکافت هسته‌ای صورت گرفته در یک راکتور فقط بخشی از یک چرخه هسته‌ای است. این چرخه از معادن شروع می‌شود. اورانیوم استخراج شده از معدن معمولاً فرمی پایدار و فشرده مانند کیک زرد دارد. این اورانیوم معدنی به تأسیسات فرآوری فرستاده می‌شود و در آنجا کیک زرد به هگزافلوراید اورانیوم (که پس از غنی سازی به عنوان سوخت راکتورها مورد استفاده قرار می‌گیرد) تبدیل می‌شود.

کاربردهای انرژی هسته ای

انرژی هسته ای امروزه بسرعت در حال گسترش در ابعاد مختلف و کسب اعتبار لازم جهت پیشبرد اکثر شاخه های علوم است. 

کاربرد در پزشکی هسته ای و امور بهداشتی

تهیه و تولید کیت های رادیو دارویی برای مراکز پزشکی هسته ای
تهیه و تولید رادیو دارویی جهت تشخیص بیماری تیروئید و درمان آنها
تهیه و تولید کیت های هورمونی
تشخیص و درمان سرطان پروستات
تشخیص سرطان کولون، روده کوچک و برخی سرطان های سینه
تشخیص تومورهای سرطانی و بررسی تومورهای مغزی، سینه و ناراحتی وریدی
تصویربرداری بیماری های قلبی

تشخیص عفونت ها و التهاب مفصلی، آمبولی و لخته های وریدی
کنترل کیفی رادیوداروهای خوراکی و تزریقی، برای تشخیص و درمان بیماری ها
بررسی مراکز عفونی در بدن
تشخیص کم خونی ها یا سندرم اختلال در جذب ویتامین12B
تولید دزیمترهای جیبی و محیطی
 

در کشورهای پیشرفته صنعتی، از انرژی هسته ای به صورت گسترده در پزشکی استفاده می شود. با توجه به شیوع برخی از بیماری ها از جمله سرطان، ضرورت تقویت طب هسته ای در کشورهای در حال توسعه، هر روز بیشتر احساس می شود.

کاربردهای پزشکی

در پزشکی تشعشعات هسته ای کاربردهای زیادی دارند که اهم آنها عبارتند از

رادیوگرافی
گامااسکن

استریلیزه کردن هسته ای و میکروب زدایی وسایل پزشکی با پرتوهای هسته ای
رادیوبیولوژی

کاربردهای دامپزشکی و دامپروری

تشخیص و درمان بیماری های دامی

تولید مثل دام

اصلاح نژاد دام

تغذیه

بهداشت و ایمن سازی محصولات دامی و خوراک دام

کاربرد انرژی هسته ای در دسترسی به منابع آب

شناسایی حوزه های آب زیر زمینی

هدایت آب های سطحی و زیرزمینی

کشف و کنترل نشت و ایمنی سدها

شیرین کردن آب های شور 

کاربرد انرژی هسته ای در کشاورزی، حفظ و نگهداری مواد غذایی و افزایش تولید

موتاسیون هسته ای ژن ها در کشاورزی
کنترل حشرات با تشعشعات هسته ای
جلوگیری از جوانه زدن سیب زمینی با اشعه گاما
انبار کردن میوه ها

جلوگیری از جوانه زدن دانه ها در انبار
کنترل و از بین بردن حشرات
به تأخیر انداختن زمان رسیدن محصولات

افزایش سرعت رسیدن محصولات
به تأخیر انداختن رشد انواع قارچ در مواد غذایی
طولانی تر کردن عمر گوشت
جلوگیری از زاد و ولد کردن حشرات در گندم و جو
افزایش زمان نگهداری مواد غذایی
کاهش میزان آلودگی مواد غذایی
از بین بردن ویروس های گیاهی و غذایی
طرح باردهی بیشتر گندم، برنج و پنبه
جلوگیری از جوانه زدن پیاز و سیب زمینی در انبار
اثر پرتوگاما در افزایش تولید جوجه های گوشتی

دانشمندان کشاورزی با استفاده از پرتوافکنی ایزوتوپ های رادیواکتیو یک نوع لوبیا پرورش می دهند که بسیار پر محصول است و گندمی به عمل آورده اند که در مقابل وزش بادها مقاوم هستند. 

کاربردهای انرژی هسته ای در صنعت نفت

با آزمایش 40 نوع نفت که در نقاط مختلف جهان استخراج می شوند دانشمندان به این نتیجه رسیدند که در تمام مواد نفتی هفت نوع عنصر مشترک وجود دارد. اما مقدار آنها در نفتی که در یک نقطه استخراج می شود با نفت نقطه دیگر دنیا متفاوت است، که با استفاده از انرژی هسته ای به راحتی می توان این تفاوت را تشخیص داد.

هنگامی که مواد نفتی به جا مانده از کشتی حامل سوخت در جایی مشاهده می شود، می توان نمونه ای از آن را به آزمایشگاه برد و در معرض تابش نوترونی قرار داد، به این ترتیب عناصر مختلف و مقدار آنها مشخص می شود و می توان به طور دقیق اعلام کرد که این آلودگی از کدام کشتی نشات گرفته است.

هنگام انتقال مواد نفتی در فاصله های زیاد، چون شرکت های مختلف نفتی از لوله های نفت مشترک استفاده می کنند، ردیابی ایزوتوپی مختلف برای علامت گذاری ابتدای انتقال هر محموله نفتی به کار برده می شود.

در تأسیسات تصفیه و پالایش از ردیابی های ایزوتوپ های رادیواکتیو برای دنبال کردن مواد پتروشیمی و آماده سازی آنها در قسمت های مختلف استفاده می شود.

محصولات مواد نفتی تصفیه شده، برای تعیین درجه خالص بودن، با استفاده از ایزوتوپ های رادیواکتیو آزمایش می شوند. 

ردیابی ایزوتوپ رادیواکتیو را تقریباً در تمام مراحل تأسیسات صنعتی پتروشیمی می توان مشاهده کرد.

هنگام کشف و استخراج نفت، دانشمندان میله های رادیواکتیو را داخل چاه های آزمایشی فرو برده، سپس میزان انتشار تشعشع رادیواکتیو را در طبقات مختلف اندازه می گیرند.

زمین شناسان میزان بازتاب اشعه رادیواکتیو را ثبت می کنند و یک تصویر واضح و دقیق از طبقات زیرین جهت حفاری بیشتر برای رسیدن به نفت در آن منطقه یا متوقف کردن کار به دست می آورند.

کاربردهای صنعتی

از جمله مهمترین کاربردهای انرژی هسته ای در صنعت عبارتند از: 

دبی سنجی پرتویی (سنجش شدت تشعشعات، نور و فیزیک امواج)
سنجش پرتویی میزان ساییدگی قطعات در حین کار
سنجش پرتویی میزان خوردگی قطعات

چگالی سنجی مواد معدنی با اشعه
کشف عناصر نایاب در معادن
کشف مین های ضد نفر

تهیه و تولید چشمه های پرتوزایی کبالت برای مصارف صنعتی
تولید چشمه های ایریدیم برای کاربردهای صنعتی و بررسی جوشکاری در لوله های نفت و گاز
تولید چشمه های پرتوزا برای کاربردهای مختلف در علوم و صنعت از قبیل طراحی و ساخت انواع سیستم های هسته ای برای کاربردهای صنعتی مانند سیستم های سطح سنجی، ضخامت سنجی، دانسیته سنجی و ...
اندازه گیری خاکستر ذغال سنگ
بررسی کوره های مذاب شیشه سازی برای تعیین اشکالات آنها
نشت یابی در لوله های انتقال نفت
 

کاربرد انرژی هسته ای در تولید برق

گرمای حاصل از واکنش هسته‌ای در محیط راکتور هسته‌ای پس از خنک سازی کافی بتدریج به خارج منتقل می‌شود. گرمای حاصله آبی را که در مرحله خنک سازی به عنوان خنک کننده بکار می‌رود به بخار آب تبدیل می‌کند. بخار آب تولید شده، به سوی توربین فرستاده می‌شود تا با راه اندازی مولد، توان الکتریکی مورد نیاز را تولید کند.

یکی از مهم ترین موارد استفاده صلح آمیز از انرژی هسته ای، تولید برق از طریق نیروگاه های اتمی است. با توجه به پایان پذیر بودن منابع فسیلی و رشد توسعه اجتماعی و اقتصادی، استفاده از انرژی هسته ای برای تولید برق امری ضروری و لازم است و ساخت نیروگاه های اتمی به این منظورضروری است.

پیل برق هسته ای

پیل هسته ای یا اتمی دستگاه تبدیل کننده انرژی اتمی به جریان برق مستقیم است. ساده ترین پیل ها شامل دو صفحه است. یک صفحه پخش کننده بتای خالص مثل استرنیوم 90 و یک صفحه هادی مثل سیلسیوم.

جریان الکترون های سریعی که بوسیله استرنیوم منتشر می شود از میان نیم هادی عبور کرده و در حین عبور تعداد زیادی الکترون های اضافی را از نیم هادی جدا می‌کند که در هر حال صدها هزار مرتبه زیادتر از جریان الکتریکی حاصل از ایزوتوپ رادیواکتیو استرنیوم 90 است.

دلایل ضرورت استفاده از انرژی هسته ای 

منابع فسیلی محدود بوده و مدت زیادی دوام نخواهند داشت.

تولید برق از طریق نیروگاه اتمی، آلودگی نیروگاه های کنونی را ندارد. تولید 7000 مگاوات برق مورد نیاز ایران در سال با مصرف 190 میلیون شبکه نفت خام، 1000 تن دی اکسید کربن، 150 تن ذرات معلق در هوا، 130 تن گوگرد و 50 تن اکسید نیتروژن را در محیط زیست پراکنده می کند، در حالی که نیروگاه اتمی چنین آلودگی را ندارد. استفاده از نفت خام در صنایع تبدیل پتروشیمی ارزش بیشتری دارد. 

رها شدن مواد پرتوزا در جو از نیروگاه های هسته ای ناچیز است. در واقع نیروگاهی که با سوخت زغال سنگ کار می کند ممکن است بیشتر از یک نیروگاه هسته ای، مواد پرتوزا پراکنده کند.

به علاوه، نیروگاه های هسته ای، گازهای سمی چون سولفور، دی اکسید و نیتروژن دی اکسید که در هوا به اسید تبدیل می شوند، تولید نمی کنند. این اسیدها در هنگام برگشت به زمین به صورت باران، برف و ذرات معلق می توانند به محیط زیست آسیب های فراوانی وارد آورند.

برخلاف سوخت های فسیلی که گازهای تولید شده را به داخل فضا می فرستند، زباله های جامدی که از طریق سوخت هسته ای تولید می شوند در طول جریان تولید سوخت در راکتور حفظ و نگهداری می شوند و در نهایت هیچ دود یا زباله ای وارد فضا نمی شود.

زباله های ناشی از فعالیت نیروگاه های هسته ای در نهایت شامل زباله های جامد، سوخت استفاده شده، برخی مواد شیمیایی، بخار و آب گرمی است که جهت سرد کردن راکتورها به کار می رود. چنین زباله هایی با زباله های نیروگاه های فسیلی در میزان حجم متفاوت هستند.

در خصوص زباله های هسته ای همواره از ابتدا تصمیمی در خصوص چگونگی دفع آن گرفته می شود، در حالی که زباله های ناشی از سوخت های فسیلی هیچ گاه مقصد خاصی از همان ابتدا ندارند.

انرژی هسته ای با از بین بردن ضایعات هسته ای که معمولاً در هوا معلق می شوند در حقیقت کمک شایسته ای به حفظ محیط زیست می کند.

حجم زباله های ناشی از نیروگاه های هسته ای بهتر و قابل کنترل تر از زباله های فسیلی است. البته به طور کلی نیروی برقی که از این طریق تولید خواهد شد بسیار با ارزش تر از زباله های هسته ای است.

انرژی هسته ای نسبت به زغال سنگ به کندن رو باز کمتری نیاز دارد؛ زیرا سوخت آن شکل غلیظ تر و متمرکزتری از انرژی است، همین امر زمین را کمتر به هم می زند و بر آب های زیرزمینی، زیستگاه حیات وحش و مانند آنها اثرات کمتری می گذارد.

هزینه حمل و نقل سوخت هسته ای کمتر از هزینه‌ ترابری زغال سنگ با بازده همان مقدار انرژی است.

تبعات منفی استفاده از انرژی هسته ای

معضلات دورریزی فضولات

آلودگی محیط زیست با مواد پرتوزای بادوام ناشی از وقوع پیشامدهایی در نیروگاه و حین ترابری مواد رادیواکتیو