دید کلی
وقتی که صحبت از مفهوم انرژی به میان می‌آید، نمونه‌های آشنای انرژی مثل انرژی گرمایی ، نور و یا انرژی مکانیکی و الکتریکی در شهودمان مرور می‌شود. اگر ما انرژی هستهای و امکاناتی که این انرژی در اختیارش قرار می‌دهد، آشنا شویم، شیفته آن خواهیم شد.
آیا می‌دانید که
انرژی گرمایی تولید شده از واکنش های هسته ای در مقایسه با گرمای حاصل از سوختن زغال سنگ در چه مرتبه بزرگی قرار دارد؟
منابع تولید انرژی هستهای که بر اثر سیلابها و رودخانه از صخره شسته شده و به بستر دریا می‌رود، چقدر برق می‌تواند تولید کند؟
کشورهایی که بیشترین استفاده را از انرژی هستهای را می‌برند، کدامند؟ و ... .
نحوه آزاد شدن انرژی هسته ای
می‌دانیم که هسته از پروتون (با بار مثبت) و نوترون (بدون بار الکتریکی) تشکیل شده است. بنابراین بار الکتریکی آن مثبت است. اگر بتوانیم هسته را به طریقی به دو تکه تقسیم کنیم، تکه‌ها در اثر نیروی دافعه الکتریکی خیلی سریع از هم فاصله گرفته و انرژی جنبشی فوق العاده‌ای پیدا می‌کنند. در کنار این تکه‌ها ذرات دیگری مثل نوترون و اشعه‌های گاما و بتا نیز تولید می‌شود. انرژی جنبشی تکه‌ها و انرژی ذرات و پرتوهای بوجود آمده ، در اثر برهمکنش ذرات با مواد اطراف ، سرانجام به انرژی گرمایی تبدیل می‌شود. مثلا در واکنش هستهای که در طی آن 235U به دو تکه تبدیل می‌شود، انرژی کلی معادل با 200MeV را آزاد می‌کند. این مقدار انرژی می‌تواند حدود 20 میلیارد کیلوگالری گرما را در ازای هر کیلوگرم سوخت تولید کند. این مقدار گرما 2800000 بار برگتر از حدود 7000 کیلوگالری گرمایی است که از سوختن هر کیلوگرم زغال سنگ حاصل می‌شود.
کاربرد حرارتی انرژی هستهای
گرمای حاصل از واکنش هستهای در محیط راکتور هستهای تولید و پرداخته می‌شود. بعبارتی در طی مراحلی در راکتور این گرما پس از مهارشدن انرژی آزاد شده واکنش هستهای تولید و پس از خنک سازی کافی با آهنگ مناسبی به خارج منتقل می‌شود. گرمای حاصله آبی را که در مرحله خنک سازی بعنوان خنک کننده بکار می‌رود را به بخار آب تبدیل می‌کند. بخار آب تولید شده ، همانند آنچه در تولید برق از زعال سنگ ، نفت یا گاز متداول است، بسوی توربین فرستاده می‌شود تا با راه اندازی مولد ، توان الکتریکی مورد نیاز را تولید کند. در واقع ، راکتور همراه با مولد بخار ، جانشین دیگ بخار در نیروگاههای معمولی شده است.
سوخت راکتورهای هستهای
ماده‌ای که به عنوان سوخت در راکتورهای هستهای مورد استفاده قرار میگیرد باید شکاف پذیر باشد یا به طریقی شکاف پذیر شود.235U شکاف پذیر است ولی اکثر هسته‌های اورانیوم در سوخت از انواع 238U است. این اورانیوم بر اثر واکنشهایی که به ترتیب با تولید پرتوهای گاما و بتا به 239Pu تبدیل می‌شود. پلوتونیوم هم مثل 235U شکافت پذیر است. به علت پلوتونیوم اضافی که در سطح جهان وجود دارد نخستین مخلوطهای مورد استفاده آنهایی هستند که مصرف در آنها منحصر به پلوتونیوم است.
میزان اورانیومی که از صخره‌ها شسته می‌شود و از طریق رودخانه‌ها به دریا حمل می‌شود، به اندازه‌ای است که می‌تواند 25 برابر کل مصرف برق کنونی جهان را تأمین کند. با استفاده از این نوع موضوع ، راکتورهای زاینده‌ای که بر اساس استخراج اورانیوم از آب دریاها راه اندازی شوند قادر خواهند بود تمام انرژی مورد نیاز بشر را برای همیشه تأمین کنند، بی آنکه قیمت برق به علت هزینه سوخت خام آن حتی به اندازه یک درصد هم افزایش یابد.
مزیتهای انرژی هستهای بر سایر انرژیها
بر خلاف آنچه که رسانه‌های گروهی در مورد خطرات مربوط به حوادث راکتورها و دفن پسماندهای پرتوزا مطرح می‌کند از نظر آماری مرگ ناشی ازخطرات تکنولوژی هستهای از 1 درصد مرگهای ناشی از سوختن زغال سنگ جهت تولید برق کمتر است. در سرتاسر جهان تعداد نیروگاههای هستهای فعال بیش از 419 میباشد که قادر به تولید بیش از 322 هزار مگاوات توان الکتریکی هستند. بالای 70 درصد این نیروگاهها در کشور فرانسه و بالای 20 درصد آنها در کشور آمریکا قرار دارد.
کاربردهای انرژی هسته ای
دید کلی:
انرژی هسته ای کاربرداری زیاد در پزشکی در علوم و صنعت و کشاورزی و... دارد. لازم به ذکر است انرژی هسته ای به تمامی انرژی های دیگر قابل تبدیل است ولی هیچ انرژی به انرژی هسته ای تبدیل نمی شود .موارد زیادی از کاربردهای انرژی هسته ای در زیر آورده می شود .
نیروگاه هسته ای:
نیروگاه هسته ای (Nuclear Power Station) یک نیروگاه الکتریکی که از انرژی تولیدی شکست هسته اتم اورانیوم یا پلوتونیم استفاده می کند. اولین جایگاه از این نوع در 27 ژوئن سال 1958 در شوروی سابق ساخته شد. که قدرت آن 5000 کیلو وات است. چون شکست سوخت هسته ای اساساً گرما تولید می کند از گرمای تولید شده رآکتور های هسته ای برای تولید بخار استفاده می شود از بخار تولید شده برای به حرکت در آوردن توربین ها و ژنراتور ها که نهایتاً برای تولید برق استفاده می شود .
بمب های هسته ای:
این نوع بمب ها تا حالا قویترین بمبهای و مخربترین های جهان محسوب می شود. دارندگان این نوع بمبهاجزو قدرت های هسته ای جهان محسوب می شود .
پیل برق هسته ای Nuelear Electric battery:
پیل هسته ای یا اتمی دستگاه تبدیل کننده انرژی اتمی به جریان برق مستقیم است ساده ترین پیل ها شامل دو صفحه است. یک پخش کننده بتای خالص مثل استرنیوم 90 و یک هادی مثل سیلسیوم.
جریان الکترون های سریعی که بوسیله استرنیوم منتشر می شود ازمیان نیم هادی عبور کرده و در حین عبور تعداد زیادی الکترون ها اضافی را از نیم هادی جدامی کند که در هر حال صدها هزار مرتبه زیادتر از جریان الکتریکی حاصل از ایزوتوپ رادیواکتیو استرنیوم 90 می باشد .
کاربردهای پزشکی:
در پزشکی تشعشعات هسته ای کاربردهای زیادی دارند که اهم آنها عبارتند از:
• رادیو گرافی
• گامااسکن
• استرلیزه کردن هسته ای و میکروب زدایی وسایل پزشکی با پرتو های هسته ای
• رادیو بیولوژی
کاربرد انرژی هسته ای در بخش دامپزشکی و دامپروری :
تکنیکهای هسته ای در حوزه دامپزشکی موارد مصرفی چون تشخیص و درمان بیماریهای دامی ، تولید مثل دام ، اصلاح نژاد و دام ، تغذیه ، بهداشت و ایمن سازی محصولات دامی و خوراک دام دارد.
کاربرد انرژی هسته ای در دسترسی به منابع آب :
تکنیکهای هسته ای برای شناسایی حوزه های آب زیر زمینی هدایت آبهای سطحی و زیر زمینی ، کشف و کنترل نشت و ایمنی سدها مورد استفاده قرار میگیرد. در شیرین کردن آبهای شور نیز انرژی هستهای کاربرد دارد.
کاربردهای کشاورزی:
تشعشعات هسته ای کاربرد های زیادی در کشاورزی دارد که مهم ترین آنها عبارتست از:
• 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
• دیرینه شناسی )باستان شناسی) و صخره شناسی )زمین شناسی) که عمر یابی صخره ها با C14 در باستان شناسی خیلی مشهور است.
کاربردهای صنعتی:
در صنعت کاربردها ی زیادی دارد از جمله مهمترین آنها عبارتند از:
• نشت یابی با اشعه
• دبی سنجی پرتویی(سنجش شدت تشعشعات ، نور و فیزیک امواج)
• سنجش پرتویی میزان سائیدگی قطعات در حین کار
• سنجش پرتویی میزان خوردگی قطعات
• چگالی سنج موادمعدنی با اشعه
• کشف عناصر نایاب در معادن
آنچه باید بدانیم:
تکنیکهای هسته ای بر کشف مینهای ضد نفر نیز کاربرد دارد. بنابرین ، دانش هسته ای با این قدرت و وسعتی که دارد، هر روز بر دامنه استفاده از فناوری هسته ای و بویژه انرژی هسته ای افزوده می شود. کاربرد انرژی در بخشهای مختلف به گونهای است که اگر کشوری فناوری هسته ای را نهادینه نماید، در بسیاری از حوزه‌های علمی و صنعتی ، ارتقای پیدا می کند و مسیر توسعه را با سرعت طی می نماید.
انرژی هسته ای در پزشکی هسته ای و امور بهداشتی:
در کشورهای پیشرفته صنعتی ، از انرژی هسته ای به صورت گسترده در پزشکی استفاده می گردد. با توجه به شیوع برخی از بیماریها از جمله سرطان ، ضرورت تقویت طب هسته ای در کشورهای در حال توسعه ، هر روز بیشتر می شود. موارد زیر از مصادیق تکنیکهای هسته ای در علم پزشکی است:
تهیه و تولید کیتهای رادیو دارویی جهت مراکز پزشکی هسته ای
تهیه و تولید رادیو دارویی جهت تشخیص بیماری تیرویید و درمان آنها
تهیه و تولید کیتهای هورمونی
تشخیص و درمان سرطان پروستات
تشخیص سرطان کولون ، روده کوچک و برخی سرطانهای سینه
تشخیص تومورهای سرطانی و بررسی تومورهای مغزی ، سینه و ناراحتی وریدی
تصویر برداری بیماریهای قلبی ، تشخیص عفونتها و التهاب مفصلی ، آمبولی و لختههای وریدی
موارد دیگری چون تشخیص کم خونی ، کنترل رادیو داروهای خوراکی و تزریقی و ...
کاربرد انرژی هسته ای در تولید برق :
یکی از مهم ترین موارد استفاده صلح آمیز از انرژی هسته ای ، تولید برق از طریق نیروگاههای اتمی است. با توم به پایان پذیر بودن منابع فسیلی و روند رو به رشد توسعه اجتماعی و اقتصادی ، استفاده از انرژی هسته ای برای تولید برق را امری ضروری و لازم می دانند و ساخت چند نیروگاه اتمی را دنبال مینماید.
ایران هر ساله حدودا به هفت هزار مگاوات برق در سال نیاز دارد. نیروگاه اتمی بوشهر 1000 مگاوات برق را در صورت راه اندازی تامین می نماید. و احداث نیروگاههای دیگر برای رفع این نیازی ضروری است. برای تولید میزان برق حدود 190 میلیون بشکه نفت خام مصرف می شود. که در صورت تامین از طریق انرژی هسته ای سالیانه 5 میلیارد دلار صرفه جویی خواهد شد.
برتری انرژی هسته ای بر سایر انرژیها:
علاوه بر صرفه اقتصادی دلایل زیر استفاده از انرژی هسته ای را ضروری مینماید. منابع فسیلی محدود بوده و متعلق به نسلهای آتی میباشد. استفاده از نفت خام در صنایع تبدیل پتروشیمی ارزش بیشتری دارد. تولید برق از طریق نیروگاه اتمی ، آلودگی نیروگاههای کنونی را ندارد. تولید هفت هزار مگاوات با مصرف 190 میلیون شبکه نفت خام ، هزارتن دیاکسید 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.
سطح انرژی هستهای [فیزیک هسته ای}
سطح انرژی هستهای
دید کلی
واکنشهای هستهای ، چه خود بخودی و چه القایی ، منجر به تغییر انرژی می‌شوند. مقدار Q یا انرژی در یک واکنش هستهای به مقدار انرژی آزاد شده یا جذب شده در طول واکنش مربوط است. انرژی پیوندی فرم ساده مقدار Q در واکنشهای خاصی است که با تشکیل یک هسته از نوکلئونهای تشکیل دهنده آن سر و کار دارد. این دو کمیت مشابه کمیتهای ترمودینامیکی آنتالپی یک واکنش (H∆) و تشکیل (Hf∆) میباشد.
رابطه جرم - انرژی
در اوایل قرن بیستم ، "انیشتین" معادله جرم و انرژی را بیان نمود: E = mC²
می‌دانیم که در هر فرآیند ، مقدار کل ماده و انرژی ثابت است و ماده و انرژی ، قابل تبدیل به یکدیگر هستند. در فرآیندهای معمولی شیمیایی ، تبدیل ماده به انرژی به اندازه‌ای کوچک است که قابل اندازه گیری نیست. با وجود این ، این امر برای فرآیندهای هستهای که با تغییرات بزرگتر انرژی در مقایسه با واکنشهای شیمیایی سر و کار دارند، صادق نیست.
در این قسمت ، رابطه‌های جرم - انرژی برای هسته‌ها و برای واکنشهای هستهای مورد بحث قرار می‌گیرند.
تغییرات انرژی در واکنشهای هستهای
مقدار Q برای یک واکنش هستهای ، از طریق تفریق جرمهای کلیه محصولات واکنش از جرمهای کلیه واکنش دهنده‌ها و تبدیل ∆ )جرم) بدست آمده به واحدهای انرژی محاسبه می‌شود. همچنین ممکن است مقادیر اضافه جرم را به جای جرمهای حقیقی بکار برد.
)=Q مجموع جرمهای واکنش دهنده‌ها - مجموع جرمهای محصولات (931.5Mev/dalton)
که در آن ، جرم بر حسب دالتن است.
فروپاشی مدار بسته برای محاسبات جرم - انرژی
جرمهای نوکلیدی تهیه شده تجربی در مورد بسیاری از نوکلیدها ، مخصوصا گونه‌های رادیواکتیو با عمر کوتاه قابل دسترسی نیستند. بنابراین ، از نظریه‌های غیر مستقیم یا تجربی برای محاسبه جرمهای نوکلیدی یا مقادیر انرژی مورد نیاز استفاده می‌گردد. یکی از روشهای غیر مستقیم بکار رفته برای این منظور ، دیاگرام فروپاشی مدار بسته است. چهار نوکلید مختلف در چهار گوشه یک مربع قرار داده می‌شوند. یکی از این نوکلیدها ، مادر سه نوکلید دیگر است.
معادله نیمه تجربی انرژی پیوندی
یک معادله نیمه تجربی برای محاسبه انرژیهای پیوندی برای نوکلیدهایی که جرم نوکلیدی آنها معلوم نبود، در سال 1935 بوسیله C.F.Von Weisacker پیشنهاد گردید. این معادله براساس مدل قطره مایع هسته میباشد و انرژی بستگی را به صورت مجموع پنج عبارت که تنها توابعی از Z و A هستند، بیان می‌کند.
ثابتهای معادله از طریق انطباق معادله تجربی با انرژیهای پیوندی بستگی معلوم تعیین شدند. برای هسته‌های با A>40 ، توافق بین مقادیر حقیقی حاصل از بکار بردن جرمهای نوکلیدی تجربی در معادله عادی BE و مقادیر پیش بینی شده غالبا بهتر از %1 است.
دیاگرامهای سطح انرژی هستهای
معادله نیمه تجربی همچنین می‌تواند به صورت تابعی درجه دوم از Z مجددا نوشته شود. چنانچه نموداری از این معادله به نحوی ترسیم گردد که انرژی پیوندی روی محور عمودی و Z روی محور افقی قرار گیرد، هذلولی تنهایی برای مقادیر ثابت A فرد و دو هذلولی برای مقادیر ثابت A زوج بدست می‌آیند. در این نمودار ، مقدار انرژی پیوندی در جهت پایین افزایش می‌باید. این هذلولیها ، هذلولیهای انرژی پیوندی ایزوبار یا دیاگرامهای سطح انرژی هستهای نامیده می‌شوند.
واژه دیاگرام سطح به این دلیل اتلاق می‌گردد که این هذلولیها برشهایی در میان یک نمودار سه بعدی انرژی پیوندی ، عدد اتمی و تعداد نوترون هستند که دارای یک سطح موجی می‌باشند. چنین نمودارهای سه بعدی "سطح انرژی پیوندی" ، توضیح می‌دهند که هسته‌های پایدار در دره پایداری که از خط پایداری بتا تبعیت می‌کند، قرار می‌گیرند.
کاربردهای دانش هسته ای
دانش و تکنولوژی هسته ای علاوه بر آنکه می تواند در یک کشور بعنوان جایگزین سوختهای فسیلی برای تولید انرژی محسوب شود، می تواند در بسیاری از بخشهای صنایع تولیدی و خدماتی نیز کاربردهای مفید داشته باشد. در این نوشته قصد داریم تا به معرفی برخی از کاربردهای غیر نیروگاهی انرژی هسته ای بپردازیم.
سالهای سال است که استفاده از ایزوتوپهای مواد رادیواکتیو در بدست آوردن اطلاعات از گذشته، اندازه گیری های صنعتی، کنترل کیفی محصولات، تغییر ویژگیهای محصولات و ... کاربرد دارد. خصیصه اصلی که باعث استفاده از این نوع مواد در صنعت می شود ویژگی پرتو افکنی مواد رادیو اکتیو است که در اینجا به برخی از این کاربردها اشاره می کنیم. لازم به ذکر است که مواد رادیو اکتیوی که در این گونه از موارد استفاده می شود، بسیار ضعیف و با طول عمر بسیار کم است، بگونه ای که هیچگونه خطری را متوجه انسان نمی کند.