درآمدی بر علوم و فنون هسته‌ای

اکبر صادقی هشترودی
استفاده از انرژی حاصل از شکاف هسته به منظور تولید الکتریسته و همچنین کاربرد رادیو ایزوتوپها و پرتوهای ناشی از فرآیندهای هسته‌ای در صنعت، پزشکی و کشاورزی محورهای اصلی استفاده‌های صلح‌آمیز از علوم و فنون هسته‌ای را تشکیل می‌دهند.
امروزه از رادیو ایزوتوپها و پرتوهای ناشی از فرآیندهای هسته‌ای به منظور تشخیص، پیش‌بینی و درمان برخی از بیماریها، استرلیزه نمودن تولیدات پزشکی، تحقیقات بیولوژیکی و داروسازی استفاده فراوانی به عمل می‌آید.
همچنین از مهمترین کاربردهای علوم و فنون هسته‌ای در صنعت می‌توان به تسهیل عملیات اکتشاف و استخراج معادن زیرزمینی نفت و گاز، تشخیص محل نشت سیالات در لوله‌ها و مخازن، تعیین میزان خوردگی فلزات و اثرات متقابل پرتوها با مواد جهت بهینه‌سازی عملکرد آنها در صنعت اشاره نمود.
تولید گونه‌هایی از محصولات غذایی با مقاومت بیشتر در مقابل آفات و کمبود آب، ممانعت از فساد مواد غذایی در هنگام نگهداری و نابودی آفات و کنترل آنها از مهمترین موارد استفاده از علوم و فنون هسته‌ای در کشاورزی است. انرژی هسته‌ای نیز به عنوان مهمترین محور استفاده صلح‌آمیز از علوم و فنون هسته‌ای نقش عمده‌ای را در تامین انرژی موردنیاز کشورهای مختلف ایفا نموده و نیروگاه‌های هسته‌ای به عنوان اصلی‌ترین منبع تولید این نوع انرژی به شمار می‌روند. در حال حاضر 16 درصد تولید الکتریسته جهان از 437 راکتور هسته‌ای تامین می‌گردد به نحوی که لیتوانی با داشتن سهم 80 درصدی برق هسته‌ای از کل تولید برق خود، در صدر کشورهای جهان قرار دارد. پس از آن به ترتیب فرانسه 78 درصد، اسلواکی 57 درصد، بلژیک 55 درصد، سوئد 50 درصد، اوکراین 46 درصد، سوئیس، اسلوونی و کره جنوبی هریک با 40 درصد می‌باشند.
انگلستان و ایالات متحده آمریکا نیز به ترتیب 24 و 9/19 درصد از تولید برق خود را به برق هسته‌ای اختصاص داده‌اند.
در نیروگاهای هسته‌ای خود موجب شکافت هسته‌های دیگری می‌شود. در مجموع انرژی عظیمی که از شکافت هسته‌های اورانیوم 235 آزاد می‌شود به صورت گرمابه آب انتقال یافته و آن را تبخیر می‌نماید. بخار آب حاصله که دما و فشار بالایی را داراست توربین و ژنراتور موجود در نیروگاه را به حرکت درآورده و نهایتا سبب تولید الکتریسته می‌گردد. از راکتورهایی که به منظور تولید الکتریسته به کار می‌روند می‌توان به راکتورهای PWR,VVER,BWR اشاره نمود که از آب سبک (h2o) به عنوان خنک‌کننده و کندکننده و از اورانیوم کمی غنی شده به عنوان سوخت استفاده می‌نمایند. راکتورهای GCR,AGR,HTGR یا راکتورهای معروف به گاز گرافیک نیز راکتورهایی هستند که از گاز به عنوان خنک‌کننده گرافیک به عنوان کندکننده، و از اورانیوم طبیعی یا کمی غنی شده به عنوان سوخت استفاده می‌کنند. در راکتورهای CANDU و یا به طور عام PHWR از آب سنگین (d2o) به عنوان خنک‌کننده و کندکننده و از اورانیوم طبیعی به عنوان سوخت استفاده می‌شود.
همچنین می‌توان به راکتور FBR اشاره نمود که سوخت آن مخلوطی از اورانیوم و پلوتونیوم است. اینگونه راکتورها فاقد کندکننده بوده و از سدیم مایع به عنوان خنک‌کننده استفاده می‌شود. ضروری بودن کاربرد مواد خاص در ساخت نیروگاه‌های هسته‌ای، پیچیده بودن مسائل فنی در تاسیس اینگونه نیروگاه‌ها، ایمنی کامل و نیاز به دستگاه‌های کنترل یدکی، سبب می‌شوند که هزینه ساخت این نیروگاه‌ها به طور قابل ملاحظه‌ای از هزینه ساخت نیروگاه‌های فسیلی بیشتر شده و سهم آن در هزینه کلی تولید برق افزایش یابد؛ اما بعد از ساخت نیروگاه هسته‌ای هزینه تامین سوخت آن به مراتب کمتر از هزینه‌های مشابه در نیروگاه‌های با سوخت فسیلی خواهد بود. لذا با توجه به این که سهم سوخت هسته‌ای در قیمت کلی برق تولید شده چندان زیاد نیست، افزایش تدریجی قیمت اورانیوم طبیعی اثر کمی بر روی بهای تولید برق خواهد گذاشت. آنچنانکه حتی با دو برابر شدن قیمت (8o3u) قیمت سوخت برای یک راکتور آب سبک 25 – 30 درصد افزایش یافته که نهایتا منجر به افزایش حدود 7 درصد از بهای برق تولید شده می‌گردد. اما دو برابر شدن قیمت گاز موجب افزایش 70 درصدی در بهای برق تولید شده از یک نیروگاه گازی می‌شود.