تحقیق مقاله تبدیل انرژی هسته ای به برق

تبدیل انرژی هسته ای به برق

امروزه حدود 17 درصد از برق دنیا را نیروگاه های هسته ای تامین می کنند. بعضی از کشورها حتی خیلی بیشتر به این منبع انرژی وابسته اند. به عنوان مثال ،بر اساس آمار رسمی آژانس بین المللی انرژی اتمی، کشور فرانسه 75 درصد از برق خود را از طریق نیروی هسته ای تامین می کند. همچنین در ایالات متحده آمریکا حدود 15 درصد از برق کشور از انرژی هسته ای تامین می شود که این عدد در بعضی ایالات بیشتر است. در مجموع، حدود 400 نیروگاه هسته ای در دنیا وجود دارد که از میان آن ها، بیش از 100 نیروگاه در ایالات متحده آمریکا واقع هستند. در این مقاله به بررسی چگونگی کارکرد یک نیروگاه هسته ای و قلب آن که در واقع رآکتور هسته ای است، می پردازیم و در مورد شکافت هسته ای صحبت می کنیم.

اورانیوم یکی از عناصر کمیاب در کره زمین است که در زمان شکل گیری این سیاره با دیگر عناصر تشکیل دهنده آن ترکیب شده است. درواقع ، اورانیوم از عناصر تشکیل دهنده ستارگان است. با انفجار ستارگان کهن سال و تجمع دوباره ذرات منهدم شده آن ها سیاراتی مانند کره زمین شکل گرفته است و به همین دلیل در این سیارات نیز اورانیوم وجود دارد. اورانیوم-238 (238-U) به علت دارا بودن نیمه عمر بسیار طولانی (5/4 میلیارد سال) ، هنوز به شکل توده های بزرگی در این سیاره یافت می شود. 238-U که یکی از ایزوتوپ های اورانیوم است، بیشترین فراوانی را در بین انواع دیگر اورانیوم دارد (حدود 99درصد). 235-U حدود 7 درصد از اورانیوم جهان را شامل می شود و 234 -U که از واپاشی 238-U به دست می آید، حتی از بقیه هم نایاب تر است.(با واپاشی اورانیوم-238 در طی مراحل فراوان که به آن واپاشی آلفا و بتا می گویند، ایزوتوپ پایدار سرب به دست می آید و 234-U‌ نیز یکی از حلقه های این واکنش زنجیره ای است.)
اورانیوم-235 با داشتن برخی ویژگی های جالب هم در صنایع انرژی هسته ای و هم در ساخت بمب اتمی کاربرد دارد. 235-U به طور طبیعی وا می پاشد و 238-U تحت تابش پرتو آلفا دچار واپاشی می شود. 235-U یکی از معدود موادی است که می توان از آن در شکافت هسته ای استفاده کرد.اگر یک نوترون آزاد (ذره بدون بار الکتریکی) وارد هسته 235-U شود، 235-U داوطلبانه این نوترون را جذب کرده و به ناپایداری شیمیایی رسیده و بلافاصله دچار شکافت هسته ای می شود.

شکافت هسته ای
همانطور که توضیح داده شد، با نزدیک شدن یک نوترون به هسته اورانیوم-235 ، این نوترون جذب هسته شده و بلافاصله هسته به دو اتم کوچک تر شکسته می شود و دو یا سه نوترون آزاد رها می کند. (تعداد این نوترون ها بستگی به نوع شکسته شدن اورانیوم دارد.) جدا شدن این دو اتم جدید موجب ساطع شدن پرتو گاما می شود. در این فرایند سه نکته قابل توجه وجود دارد:
1-احتمال جذب نوترون آزاد توسط 235-U بسیار بالا است. به همین دلیل در رآکتورها، نوترون های آزاد شده در هر واکنش خود عامل ایجاد واکنش های بعدی می شوند.
2- عملیات جذب نوترون آزاد و شکست هسته، بسیار سریع و در کسر کوچکی از ثانیه اتفاق می افتد (12-10×1 ثانیه).
3- در فرایند شکست اتم، مقا دیر بسیار زیادی انرژی به صورت حرارت و پرتو گاما آزاد می شود. اتم های جدید تولید شده، خود پرتو بتا و گاما وتولید می کنند. دلیل تولید این مقدار انرژی بسیار ساده است. وزن اتم ها و نوترون های جدید تولید شده، کمتر از اتم اولیه 235-U است ، و این اختلاف جرم اولیه با محصول، تبدیل به انرژی شده است. مقدار این انرژی بر اساس رابطه مشهور انرژی که به آن رابطه تناسب اینشتین نیز گفته می شود به دست می آید: 2 E=mc .

با شکست یک هسته اتم 235-U ، حدود 200 میلیون الکترون ولت انرژی آزاد می شود. (اگر به تبدیل واحدها علاقه مند هستید باید به شما بگویم هر یک الکترون ولت معادل 12-10×602/1 ارگ و هر 107×1 ارگ معادل یک ژول و هر یک ژول معادل یک وات-ثانیه است.)
اگر تبدیل واحدها را انجام دهید متوجه می شوید با شکست یک اتم مقدار زیادی انرژی آزاد نمی شود، ولی در چند گرم اورانیوم تعداد زیادی اتم وجود دارد. تقریباً در نیم کیلو گرم اورانیوم کم غنی شده ، که برای سوخت زیردریایی ها یا هواپیما های اتمی استفاده می شود، تقریباًمعادل 4 میلیون لیتر گازوئیل انرژی وجود دارد.
برای این که تصور بهتری از این مقدار انرژی داشته باشید، باید بگوییم که نیم کیلو گرم اورانیوم تقریباً اندازه یک توپ تنیس است و 4 میلیون لیتر گازوئیل مخزنی مکعبی شکل به ابعاد تقریباً 15 متر را پر می کند. ( تقریباً ارتفاع یک ساختمان 5 طبقه ).
پس به راحتی می توان دید در نیم کیلو گرم اورانیوم-235، انرژی فراوانی نهفته است.
برای دستیابی به نتیجه بهتر، اورانیوم را غنی سازی می کنند. به این ترتیب مقدار اتم های 235-U در واحد حجم، 2 تا 3 درصد بیشتر می شود غنی سازی. غنی سازی 3 درصدی برای استفاده در رآکتور های مخصوص شهری تولید برق، بسیار مناسب است. برای مصارف نظامی، 235-U را تا 90 درصد یا حتی بیشتر غنی سازی می کنند.

دریک نیروگاه اتمی چه می گذرد؟
برای ساخت یک نیروگاه اتمی به کمی اورانیوم غنی شده نیاز داریم. اورانیوم معمولاً به صورت توپ های کوچکی با ابعاد حدود 2 تا 3 سانتی متری شکل داده می شود. توپ ها در دسته هایی به صورت میله ای قرار می گیرند و میله های اورانیوم به صورت دسته ای نگهداری می شود. سپس این دسته ها داخل مخازن تحت فشار و درون آب نگهداری می شوند. آب به عنوان یک خنک کننده عمل می کند.برای استفاده از این اورانیوم، باید آن را به حالت فوق بحرانی رساند. فارغ از ابزار لازم برای این کار، حالت فوق بحرانی حالت بسیار داغ یا ذوب شده اورانیوم است.برای محافظت از دسته های اورانیوم که به حالت فوق بحرانی نرسند در هر دسته، موادی که جاذب نوترون های آزاد باشد قرار می دهند که به آن ها میله های کنترلی می گویند. با کاهش یا افزایش میله های کنترلی ، امکان کنترل واکنش های هسته ای فراهم می شود. وقتی بخواهیم دمای هسته اورانیوم را افزایش دهیم، میله های کنترلی را خارج کرده و برعکس برای کاهش دما، میله های بیشتری اضافه می کنیم. افزایش این میله های کنترلی حتی می تواند واکنش را به صفر رسانده و متوقف کند.

این دسته های اورانیوم به عنوان منابع پر قدرت انرژی استفاده می شوند. با افزایش دمای آن ها آب بخار می شود. بخار حاصل، توربین بخار را راه انداخته و توربین نیز پره های ژنراتور را راه می اندازد و به این ترتیب برق تولید می شود. البته در بعضی از سیکل ها، مبدل های حرارتی خاصی نیز اضافه می شود. همچنین در بعضی از رآکتور ها ، به جای آب از خنک کننده های دیگری مثل گاز(دی اکسید کرین) یا حتی فلزات مایع (مثل سدیم یا پتاسیم) استفاده می شود. این نوع رآکتور ها امکان کارکردن در دمای بالاتر را فراهم می کنند.

خارج از رآکتور چه خبر است؟
از فرآیند های داخلی رآکتور که بگذریم، بعد از آن تفاوت زیادی بین یک نیروگاه اتمی با نیروگاه عادی (نیروگاه نفتی یا ذغالی) وجود ندارد.
مخزن تحت فشار یک رآکتور ، یک مخزن سیمانی است که به عنوان محافظ یا سپری در برابر پرتوهت عمل می کند. این مخزن، خود داخل یک مخزن بزرگتر فولادی قرار می گیرد. مخزن فولادی، از انتشار هر نوع گاز رادیواکتیو جلوگیری می کند.
لایه سیمانی بیرون یک رآکتور بسیار محکم ساخته می شود. این لایه آن قدر محکم است که حتی با سقوط یک هواپیمای معمولی نیز تخریب نمی شود. این لایه دوم سیمان، از انتشار بخارات و تشعشعات رادیواکتیو در حوادث احتمالی نیز جلوگیری می کند. فقدان همین لایه بود که فاجعه چرنوبیل را رقم زد.
اما اورانیوم-235 تنها سوخت یک نیروگاه هسته ای نیست. یک سوخت هسته ای مناسب دیگر، پلوتونیوم-239 است.این ایزوتوپ پلوتونیوم به راحتی از بمباران 235-U توسط نوترون ها به دست می آید.

بحرانی، غیربحرانی و فوق بحرانی
وقتی یک اتم 235-U شکافته می شود، دو یا سه نوترون آزاد می شود. اگر هیچ اتم 235-U در نزدیکی آنها نباشد، این نوترون های آزاد در فضا رها می شوند. اگر اتم 235-U بخشی از یک توده اورانیوم باشد، یعنی اتم های 235-U دیگری در جوار آن باشند، سه اتفاق ممکن است بیفتد:
1- اگر از هر دو نوترون آزاد شده، یکی (تعداد میانگین آنها) به اتم های 235-U همجوار برخورد کند، به این توده یک ‌«توده بحرانی» گفته می شود. این توده تقریباً در یک دمای ثابت می ماند. رآکتور باید در این وضعیت کار کند.
2- اگر از نوترون های آزاد شده ، مقداری کمتر از تعداد میانگین به دیگر اتم ها برخورد کند، به آن توده«غیر بحرانی» گفته می شود.
3- اگر بیشتر از یک نوترون آزاد با اتم ها برخورد کند جرم «فوق بحرانی» داریم که با افزایش حرارت مواجه است.

در بمب اتم، طراحان سعی می کنند به توده «بسیار فوق بحرانی» برسند. در چنین و ضعیتی، اتم های 235-U به سرعت شکسته شده و انرژی فراوانی آزاد می شود. در یک رآکتور هسته ای، هسته رآکتور باید کمی فوق بحرانی باشد و البته با کمک میله های کنترل می توان توده را در حد بحرانی کنترل کرد.
مقدار اتم های 235-U در واحد حجم و البته شکل توده نیز در نوع بحرانی بودن آن تاثیر مستقیم دارد. به عنوان مثال، اگر اورانیوم به صورت یک ورق نازک تهیه شود، بیشتر نوترون های آزاد شده به جای برخورد با هم، از سطوح جانبی به فضای آزاد رها می شوند. اما شکل کروی ایده آل ترین شکل است. جرم لازم برای ایجاد واکنش های بحرانی حدود یک کیلوگرم (1000 گرم) 235-U است. به این جرم «جرم بحرانی» نیز گفته می شود. البته برای پلوتونیوم-239 این مقدار کمتر و در حدود 283 گرم است.