چرخه سوخت هستهای چیست؟
اورانیوم که ماده خام اصلی مورد نیاز برای تولید انرژی در برنامههای صلح آمیز یا نظامی هستهای است، از طریق استخراج از معادن زیرزمینی یا سرباز بدست میآید. اگر چه این عنصر به طور طبیعی در سرتاسر جهان یافت میشود اما تنها حجم کوچکی از آن به صورت متراکم در معادن موجود است. هنگامی که هسته اتم اورانیوم در یک واکنش زنجیرهای شکافته شود مقداری انرژی آزاد خواهد شد.
برای شکافت هسته اتم اورانیوم یک نوترون به هسته آن شلیک میشود و در نتیجه این فرآیند اتم مذکور به دو اتم کوچکتر تجزیه شده و تعدادی نوترون جدید آزاد میشود که هر کدام به نوبه خود میتوانند هستههای جدیدی را در یک فرآیند زنجیرهای تجزیه کنند.
مجموع جرم اتمهای کوچکتری که از تجزیه اتم اورانیوم بدست میآید از کل جرم اولیه این اتم کمتر است و این بدان معناست که مقداری از جرم اولیه که ظاهرا ناپدید شده در واقع به انرژی تبدیل شده است واین انرژی با استفاده از رابطه E=MC2 یعنی رابطه جرم و انرژی که آلبرت اینشتین نخستین بار آنرا کشف کرد قابل محاسبه است. اورانیوم به صورت دو ایزوتوپ مختلف در طبیعت یافت میشود. یعنی اورانیوم U235 یا U238 که هر دو دارای تعداد پروتون یکسانی بوده و تنها تفاوتشان در سه نوترون اضافهای است که در هسته U238 وجود دارد. اعداد 235 و 238 بیانگر مجموع تعداد پروتونها و نوترونها در هسته هر کدام از این دو ایزوتوپ است. برای بدست آوردن بالاترین بازدهی در فرآیند زنجیرهای شکافت هسته باید از اورانیوم 235 استفاده کرد که هسته آن به سادگی شکافته میشود. هنگامی که این نوع اورانیوم به اتمهای کوچکتر تجزیه میشود علاوه بر آزاد شدن مقداری انرژی حرارتی دو یا سه نوترون جدید نیز رها میشود که در صورت برخورد با اتمهای جدید اورانیوم باز هم انرژی حرارتی بیشتر و نوترونهای جدید آزاد میشود.
اما بدلیل نیمه عمر کوتاه اورانیوم 235 و فروپاشی سریع آن این ایزوتوپ در طبیعت بسیار نادر است به طوری که از هر 1000 اتم اورانیوم موجود در طبیعت تنها هفت اتم از نوع U235 بوده و مابقی از نوع سنگینترU238 است.
فراوری
سنگ معدن اورانیوم بعد از استخراج در آسیابهایی خرد و به گردی نرم تبدیل میشود. گرد بدست آمده سپس در یک فرآیند شیمیایی به ماده جامد زرد رنگی تبدیل میشود که به کیک زرد موسوم است. کیک زرد دارای خاصیت رادیو اکتیویته است و 60 تا 70 درصد آنرا اورانیوم تشکیل میدهد. دانشمندان هستهای برای دستیابی هر چه بیشتر به ایزوتوپ نادر U235 که در تولید انرژی هستهای نقش کلیدی دارد، از روشی موسوم به غنی سازی استفاده میکنند. برای این کار دانشمندان ابتدا کیک زرد را طی فرایندی شیمیایی به جامدی به نام هگزا فلوئورید اورانیوم تبدیل میکنند که بعد از حرارت داده شدن در دمای حدود 64 درجه سانتیگراد به گاز تبدیل میشود.
هگزا فلوئورید اورانیوم که در صنعت با نام ساده هگز شناخته میشود ماده شیمیایی خورندهایست که باید آنرا با احتیاط نگهداری و جابجا کرد. به همین دلیل پمپها و لولههایی که برای انتقال این گاز در تاسیسات فراوری اورانیوم بکار میروند باید از آلومینیم و آلیاژهای نیکل ساخته شوند. همچنین به منظور پیشگیری از هر گونه واکنش شیمیایی برگشت ناپذیر باید این گاز را دور از معرض روغن و مواد چرب کننده دیگر نگهداری کرد.
غنی سازی
هدف از غنی سازی تولید اورانیومی است که دارای درصد بالایی از ایزوتوپ U235 باشد.
اورانیوم مورد استفاده در راکتورهای اتمی باید به حدی غنی شود، که حاوی 2تا3 درصد اورانیوم 235 باشد، در حالی که اورانیومی که در ساخت بمب اتمی بکار میرود حداقل باید حاوی 90 درصد اورانیوم 235 باشد.
یکی از روشهای معممول غنی سازی استفاده از دستگاههای سانتریفیوژ گاز است.
سانتریفیوژ از اتاقکی سیلندری شکل تشکیل شده که با سرعت بسیار زیاد حول محور خود میچرخد. هنگامی که گاز هگزا فلوئورید اورانیوم به داخل این سیلندر دمیده شود نیروی گریز از مرکز ناشی از چرخش آن باعث میشود که مولکولهای سبکتری که حاوی اورانیوم 235 است در مرکز سیلندر متمرکز شوند و مولکولهای سیگینتری که حاوی اورانیوم 238 هستند در پایین سیلندر انباشته شوند. اورانیوم 235 غنی شدهای که از این طریق بدست میآید سپس به داخل سانتریفوژدیگری دمیده میشود تا درجه خلوص آن باز هم بالاتر رود. این عمل بارها و بارها توسط سانتریفوژهای متعددی که بطور سری به یکدیگر متصل میشوند تکرار میشود تا جایی که اورانیوم 235 با درصد خلوص مورد نیاز بدست آید. آنچه که پس از جداسازی اورانیوم 235 باقی میماندبه نام اورانیوم خالی یا فقیر شده شناخته میشود که اساسا از اورانیوم 238 تشکیل یافته است. اورانیوم خالی فلز بسیار سنگینی است که اندکی خاصیت رادیو اکتیویته دارد و از آن برای ساخت گلولههای توپ ضد زره پوش و اجزای برخی جنگ افزارهای دیگر از جمله منعکس کننده نوترونی در بمب اتمی استفاده میشود. یک شیوه دیگر غنی سازی روشی موسوم به دیفوژن یا روش انتشاری است. در این روش گاز هگزا فلوئورید اورانیوم به داخل ستونهایی که جدار آنها از اجسام متخلخل تشکیل شده دمیده میشود.
سوراخهای موجود در جسم متخلخل باید قدری از قطر مولکول هگزافلوئورید اورانیوم بزرگتر باشد. در نتیجه این کار مولکولهای سبکتر حاوی اورانیوم 235 با سرعت بیشتری در این ستونها منتشر شده و تفکیک میشوند. این روش غنی سازی نیز باید مانند روش سانتریفوژ بارها و باره تکرار شود.
راکتور هستهای
راکتور هستهای وسیله ایست که در آن فرایند شکافت هستهای بصورت کنترل شده انجام میگیرد. انرژی حرارتی بدست آمده از این طریق را میتوان برای بخار کردن آب و به گردش درآوردن توربینهای بخار ژنراتورهای الکتریکی مورد استفاده قرار داد. اورانیوم غنی شده معمولا به صورت قرصهایی که سطح مقطعشان به اندازه یک سکه معمولی و صخامتشان در حدود دو و نیم سانتیمتر است در راکتورها به مصرف میِرسند. این قرصها روی هم قرار داده شده و میلههایی را تشکیل میدهند که به میله سوخت موسوم است. میلههای سوخت سپس در بستههای چند تایی دسته بندی شده و تحت فشار و در محیطی عایقبندی شده نگهداری میشوند. در بسیاری از نیروگاهها برای جلوگیری از گرم شدن بستههای سوخت در داخل راکتور این بستهها را داخل آب سرد فرو میبرند. در نیروگاههای دیگر برای خنک نگه داشتن هسته راکتور یعنی جایی که فرایند شکافت هستهای در آن رخ میدهد، از فلز مایع(سدیم) یا گاز دی اکسید کربن استفاده میشود. برای تولید انرژی گرمایی از طریق فرایند شکافت هستهای اورانیومی که در هسته راکتور قرار داده میشود باید از جرم بحرانی بیشتر(فوق بحرانی) باشد. یعنی اورانیوم مورد استفاده باید به حدی غنی شده باشد که امکان آغاز یک واکنش زنجیرهای مداوم وجود داشته باشد. برای تنظیم و کنترل فرایند شکافت هستهای در یک راکتور از میلههای کنترلی که معمولا از جنس کادمیوم است استفاده میشود. این میلهها با جذب نوترونهای آزاد در داخل راکتور از تسریع واکنشهای زنجیرهای جلوگیری میکند. زیرا با کاهش تعداد نوترونها تعداد واکنشهای زنجیرهای نیز کاهش مییابد. حدودا 400 نیروگاه هستهای در سرتاسر جهان فعال هستند که تقریبا 17درصد کل برق مصرفی در جهان را تامین میکنند. از جمله کاربردهای دیگر راکتورهای هستهای تولید نیروی محرکه لازم برای جابجایی ناوها و زیردریاییهای اتمی است.
بازفراوری
برای بازیافت اورانیوم از سوخت هستهای مصرف شده در راکتور از عملیات شیمیایی موسوم به بازفراوری استفاده میشود.
در این عملیات ابتدا پوسته فلزی میلههای سوخت مصرف شده را جدا میسازند و سپس آنها را در داخل اسید نیتریک داغ حل میکنند.
در نتیجه این عملیات 1درصد پلوتونیوم 3درصد مواد زائد به شدت رادیواکتیو و 96درصد اورانیوم بدست میآید که دوباره میتوان آنرا در راکتور به مصرف رساند. راکتورهای نظامی این کار را بطور بسیار موثرتری انجام میدهند. راکتور و تاسیسات بازفراوری مورد نیاز برای تولید پلوتونیوم را میتوان بطور پنهانی در داخل ساختمانهای معمولی جاسازی کرد. به همین دلیل تولید پلوتونیوم به این طریق برای هر کشوری که بخواهد بطور مخفیانه تسلیحات اتمی تولید کند گزینه جذابی خواهد بود.
بمب پلوتونیومی
استفاده از پلوتونیوم به جای اورانیوم در ساخت بمب اتمی مزایای بسیاری دارد. تنها چهار کیلوگرم پلوتونیوم برای ساخت بمب اتمی با قدرت انفجار 20 کیلو تن کافی است.
در عین حال با تاسیسات بازفراوری نسبتا کوچکی میتوان چیزی حدود 12 کیلوگرم پلوتونیوم در سال تولید کرد. کلاهک هستهای شامل گوی پلوتونیومی است که اطراف آنرا پوستهای موسوم به منعکس کننده نوترونی فراگرفته است. این پوسته که معمولا از ترکیب بریلیوم و پلونیوم ساخته میشود، نوترونهای آزادی را که از فرایند شکافت هستهای به بیرون میگریزند به داخل این فرایند باز میتاباند. استفاده از منکس کننده نوترونی عملا جرم بحرانی را کاهش میدهد و باعث میشود که برای ایجاد واکنش زنجیرهای مداوم به پلوتونیوم کمتری نیاز باشد. برای کشور یا گروه تروریستی که بخواهد بمب اتمی بسازد تولید پلوتونیوم با کمک راکتورهای هستهای غیر نظامی از تهیه اورانیوم غنی شده آسانتر خواهد بود. کارشناسان معتقدند که دانش و فناوری لازم برای طراحی و ساخت یک بمب پلوتونیومی ابتدایی از دانش و فناوری که حمله کنندگان با گاز اعصاب به شبکه متروی توکیو در سال 1995 در اختیار داشتند پیشرفتهتر نیست. چنین بمب پلوتونیومی می تواند با قدرتی معادل 100تن تی ان تی منفجر شود یعنی 20 مرتبه قویتر از قدرتمندترین بمبگذاری تروریستی که تا کنون در جهان رخ داده است.
بمب اورانیومی
هدف طراحان بمبهای اتمی ایجاد یک جرم فوق بحرانی(از اورانیوم یا پلوتونیوم) است که بتواند طی واکنش زنجیرهای مداوم و کنترل نشده مقادیر متنابهی انرژی حرارتی آزاد کند.
یکی از سادهترین شیوههای ساخت بمب اتمی استفاده از طرحی موسوم به«تفنگی» است که در آن گلوله کوچیک از اورانیوم که از جرم بحرانی کمتر بوده به سمت جرم بزرگتری از اورانیوم شلیک میشود بگونهای که در اثر برخورد این دو قطعه جرم کلی فوق بحرانی شده و باعث آغاز واکنش زنجیرهای و انفجار هستهای میشود. کل این فرایند در کسر کوچکی از ثانیه رخ میدهد.
جهت تولید سوخت مورد نیاز بمب اتمی هگرافلوئورید اورانیوم غنی شده را ابتدا به اکسید اورانیوم و سپس به شمش فلزی اورانیوم تبدیل میکنند. انجام این کار از طریق فرایندهای شیمیایی و مهندسی نسبتا سادهای امکان پذیر است. قدرت انفجار یک بمب اتمی معمولی حداکثر 50 کیلو تن است اما با کمک روش خاصی که متکی بر مهار خصوصیات جوش یا گداز هستهای است میتوان قدرت بمب را افزایش داد. در فرایند گداز هستهای هستههای ایزوتوپهای هیدروژن به یکدیگر جوش خورده و هسته اتم هلیوم را ایجاد میکنند. این فرایند هنگامی رخ میدهد که هستههای اتمهای هیدروژن در معرض گرما و فشار شدید قرار بگیرند. انفجار بمب اتمی گرما و فشار شدید مورد نیاز برای آغاز این فرایند را فراهم میکند. طی فرایند گداز هستهای نوترونهای بیشتری رها میشوندکه با تغذیه واکنش زنجیرهای انفجار شدیدتری را بدنبال میآورند. اینگونه بمبهای اتمی تقویت شده به بمبهای هیدروژنی یا بمبهای اتمی حرارتی موسومند.
نظرات بینندگان
پربیننده ترین
ارسال خبرنامه
برای عضویت در خبرنامه سایت ایمیل خود را وارد نمایید.
