سوخت هسته ای چیست؟

واضح آرشیو وب فارسی:سایت رسیک: ماده‌ای كه به عنوان سوخت در راكتورهای هسته‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد باید شكاف پذیر باشد یا به طریقی شكاف پذیر شود.235U شكاف پذیر است ولی اكثر هسته‌های اورانیوم در سوخت از انواع 238U است.

نحوه آزاد شدن انرژی هسته‌ای

می‌دانیم كه هسته از پروتون (با بار مثبت) و نوترون (بدون بار الكتریكی) تشكیل شده است. بنابراین بار الكتریكی آن مثبت است. اگر بتوانیم هسته را به طریقی به دو تكه تقسیم كنیم، تكه‌ها در اثر نیروی دافعه الكتریكی خیلی سریع از هم فاصله گرفته و انرژی جنبشی فوق العاده‌ای پیدا می‌كنند. در كنار این تكه‌ها ذرات دیگری مثل نوترون و اشعه‌های گاما و بتا نیز تولید می‌شود. انرژی جنبشی تكه‌ها و انرژی ذرات و پرتوهای بوجود آمده ، در اثر برهمكنش ذرات با مواد اطراف ، سرانجام به انرژی گرمایی تبدیل می‌شود. مثلا در واكنش هسته‌ای كه در طی آن 235U به دو تكه تبدیل می‌شود، انرژی كلی معادل با 200MeV را آزاد می‌كند. این مقدار انرژی می‌تواند حدود 20 میلیارد كیلوگالری گرما را در ازای هر كیلوگرم سوخت تولید كند. این مقدار گرما 2800000 بار برگتر از حدود 7000 كیلوگالری گرمایی است كه از سوختن هر كیلوگرم زغال سنگ حاصل می‌شود.

كاربرد حرارتی انرژی هسته‌ای

گرمای حاصل از واكنش هسته‌ای در محیط راكتور هسته‌ای تولید و پرداخته می‌شود. بعبارتی در طی مراحلی در راكتور این گرما پس از مهارشدن انرژی آزاد شده واكنش هسته‌ای تولید و پس از خنك سازی كافی با آهنگ مناسبی به خارج منتقل می‌شود. گرمای حاصله آبی را كه در مرحله خنك سازی بعنوان خنك كننده بكار می‌رود را به بخار آب تبدیل می‌كند. 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 الكتریكی مورد نیاز را تولید كند. در واقع ، راكتور همراه با مولد بخار ، جانشین دیگ بخار در نیروگاه‌های معمولی شده است.

سوخت راكتورهای هسته‌ای

ماده‌ای كه به عنوان سوخت در راكتورهای هسته‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد باید شكاف پذیر باشد یا به طریقی شكاف پذیر شود.235U شكاف پذیر است ولی اكثر هسته‌های اورانیوم در سوخت از انواع 238U است. این اورانیوم بر اثر واكنشهایی كه به ترتیب با تولید پرتوهای گاما و بتا به 239Pu تبدیل می‌شود. پلوتونیوم هم مثل 235U شكافت پذیر است. به علت پلوتونیوم اضافی كه در سطح جهان وجود دارد نخستین مخلوطهای مورد استفاده آنهایی هستند كه مصرف در آنها منحصر به پلوتونیوم است.
میزان اورانیومی كه از صخره‌ها شسته می‌شود و از طریق رودخانه‌ها به دریا حمل می‌شود، به اندازه‌ای است كه می‌تواند 25 برابر كل مصرف برق كنونی جهان را تأمین كند. با استفاده از این نوع موضوع ، راكتورهای زاینده‌ای كه بر اساس استخراج اورانیوم از آب دریاها راه اندازی شوند قادر خواهند بود تمام انرژی مورد نیاز بشر را برای همیشه تأمین كنند، بی آنكه قیمت برق به علت هزینه سوخت خام آن حتی به اندازه یك درصد هم افزایش یابد.

مزیتهای انرژی هسته‌ای بر سایر انرژیها

بر خلاف آنچه كه رسانه‌های گروهی در مورد خطرات مربوط به حوادث راكتورها و دفن پسماندهای پرتوزا مطرح می‌كند از نظر آماری مرگ ناشی ازخطرات تكنولوژی هسته‌ای از 1 درصد مرگهای ناشی از سوختن زغال سنگ جهت تولید برق كمتر است. در سرتاسر جهان تعداد نیروگاههای هسته‌ای فعال بیش از 419 می‌باشد كه قادر به تولید بیش از 322 هزار مگاوات توان الكتریكی هستند. بالای 70 درصد این نیروگاه‌ها در كشور فرانسه و بالای 20 درصد آنها در كشور آمریكا قرار دارد.

همجوشی خورشید و ستارگان

سالهاست كه دانشمندان واكنشی را كه در خورشید و ستارگان رخ داده و در آن انرژی تولید می كند كشف كرده اند. این واكنش عبارت است از تركیب (برخورد) هسته های چهار اتم هیدروژن معمولی و تولید یك هسته اتم هلیوم.اما مشكلی سر راه این نظریه است.
بالا ترین دمایی كه در خورشید وجود دارد مربوط به مركز آن است كه برابر 15ضرب در 10 به توان 6 می باشد.در حالی كه در ستارگان بزرگتر این دما به 20 ضرب در ده به توان 6 می رسد. به همین خاطر تصور بر این است كه آن واكنش معروف تركیب چهار اتم هیدروژن معمولی و تولید یك اتم هلیم در سایر ستارگان بزرگ نیست كه باعث تولید انرژی می شود. بلكه احتمالا چرخه كربن در آنها به كمك آمده و كوره آنها را روشن نگه می دارد.منظور از چرخه كربن آن چرخه ای نیست كه روی زمین اتفاق می افتد. بلكه به این صورت است كه ابتدا یك اتم هیدروژن معمولی با یك اتم كربن C12 تركیب می شود (همجوشی) و یك اتم N13 به علاوه یك واحد گاما را آزاد می كند. بعد این اتم با یك واپاشی به یك اتمC13به علاوه یك پوزیترون و یك نوترینو تبدیل می شود.بعد اینC13دوباره با یك اتم هیدروژن تركیب می شود وN14و یك واحد گاما حاصل می شود.دوباره در اثر تركیب این نیتروژن با یك هیدروژن معمولی اتمO15و یك واحد گاما تولید می شود.O15واپاشی كرده و N15به علاوه یك پوزیترون ویك نوترینو را بوجود میاورد.و دست آخر با تركیب N15با یك هیدروژن معمولیC12به علاوه یك اتم هلیوم بدست می آید.

محصور سازی

مشكلی اساسی سر راه همجوشی هسته‌ای است ; می دانیدهسته ازذرات ریزی تشكیل شده است كه پروتون ونوترون جزءلاینفك آن هستند.نوترون بدون بار وپروتون با بار مثبت كه سایربارهای مثبت رابه شدت از خود میراند.مشكل مشخص شد؟ بله…اگرپروتونها (هسته های هیدروژن) یكدیگررادفع میكنند چگونه میتوان آنهارا در همجوشی شركت داد؟
همانطوركه حدس زدید راه حل اساسی آن است كه به این پروتونها آنقدر انرژی بدهیم كه انرژی جنبشی آنها بیشتر از نیروی رانش كولنی آنها شود و پروتونها بتوانند به اندازه كافی به هم نزدیك شوند. حال چگونه این انرژی جنبشی را تولید كنیم؟ گرما راه حل خوبیست. در اثر افزایش دما جنب و جوش وبه عبارت دیگرانرژی جنبشی ذرات بیشتر و بیشتر میشود به طوری كه تعداد برخوردها و شدت آنها بیشتر و بیشتر میشود.به نظر شما آیا دیگر مشكلی وجود ندارد؟ خیر,مسئله اساسیتری سر راه است.
یك سماور پر از آب را تصور كنید.وقتی سماور را روشن می كنید با این كار به آب درون سماور گرما میدهید(انرژی منتقل می كنید).در اثر این انتقال انرژی دمای آب رفته رفته بالاتر می رود و به عبارتی جنب و جوش مولكولهای آب زیاد می شود.در این حالت بین مولكولهای آب برخوردهایی پدید می آید.هر مولكول كه از شعله(یا المنت یا هر چیز دیگری)مقداری انرژی دریافت كرده است آنقدر جنب و جوش می كند تا بالاخره (به علت محدود بودن محیط سماور و آب)انرژی خود رابه دیگری بدهد.مولكول بعدی نیز به نوبه خود همین عمل را انجام میدهد.بدین ترتیب رفته رفته انرژی منبع گرما در تمام آب پخش می شود و دمای آب بالا میرود.خوب یك سوال:آیا وقتی بدنه سماور را لمس می كنیم هیچ گرمایی حس نمی كنیم؟…بله حس میكنیم.دلیلش هم كه روشن است.برخورد مولكولهای پر انرژی آب با بدنه سماور و انتقال انرژی خود به آن.هدف ما از روشن كردن سماور گرم كردن آب بود نه سماور.امیدوارم تا اینجا پاسخ اولین مشكل اساسی بر سر راه همجوشی را دریافت كرده باشید.بله اگر اگر با صرف هزینه و زحمت بالا سوخت را به دمایی معادل میلیونها درجه كلوین برسانیم آیا این اتمها آنقدر صبر خواهند كرد تا با دیگر اتمها وارد واكنش شوند یا در اولین فرصت انرژی بالای خود را به دیواره داده وآن را نا بود میكند؟(...شما بودید چه می كردید؟؟؟...).بنابر این نیاز به ((محصور سازی)) داریم; یعنی باید به طریقی اجازه ندهیم كه این گرما به دیواره منتقل شود.

رسیدن به دمای بالا

شروع واكنش همجوشی به دمای بسیار بالایی نیازمند است.درست است كه دمای پانزده میلیون درجه دمای بسیار بالایست و تصور بوجود آوردنش روی زمین مشكل و كمی هم وحشتناك می باشد ولی معمولا در زندگی روزمره دور و برمان دماهای خیلی بالایی وجود دارند و ما از آنها غافلیم.مثلا وقتی در اثر اتصالی سیمهای برق داخل جعبه تقسیم میسوزد وشما صدای جرقه آنرا میشنوید و پس از بررسی متوجه می شوید كه كاملا ذوب شده فقط به خاطر دمای وحشتناكی بوده كه آن تو به وجود آمده.شاید باور نكنید ولی این دما به حدود سی-چهل هزار درجه كلوین میرسد.البته این دما برای همجوشی حكم طفل نی سواری را دارد.یا اینكه می توانیم با استفاده از ولتاژهای بسیار بالا قوسهای الكتریكی را از درون لوله های مویین عبور بدهیم.به این ترتیب دمای هوای داخل لوله كه اكنون به پلاسما تبدیل شده به نزدیك چند میلیون درجه می رسد.(كه باز هم برای همجوشی كم است).یكی از بهترین راهها استفاده از لیزر است.می دانید كه لیزرهایی با توانهای بسیار بالا ساخته شده اند.مثلا نوعی از لیزر به نام لیزر نوا(NOVA)می تواند در مدت كوتاهی انرژی ای معادل ده به توان پنج ژول تولید كند.اما بازهم در كنار هر مزیت معایبی هست.مثلا این لیزر تبعا انرژی زیادی مصرف میكند كه حتی با صرف نظر از آن مشكل دیگری هست كه میگوید اگر انرژی تولیدی لیزر در آن مدت كوتاه باید تحویل داده بشود پس برای برقرار ماندن معیار لاوسن (حالا كه مدت زمان محصور سازی پایین آمده)باید چگالی بالا تر برود.كه در این مورد از تراكم و چگالی جامد هم بالا تر میرود.

انواع واكنشها

برای بهینه سازی كار رآكتورهای همجوشی و افزایش توان خروجی آنها راههای متعددی وجود دارد.یكی از این راهها انتخاب نوع واكنشیست كه قرار است در رآكتور انجام بشود.
ظبق تصویر زیر نوعی از واكنش همجوشی بصورتیست كه در آن دو هسته سبك با یكدیگر واكنش داده و یك هسته سنگین تر را بوجود میاورند.یعنی حاصل تركیب دو هسته دوتریم و تولید یك هسته ترتیم به علاوه یك هسته هیدروژن معمولیست. این واكنش انرژی ده می باشد.چون تفاوت انرژی بستگی هسته سنگین تر وهسته های سبكتر مقداری منفیست.
در این واكنش مقدار انرژی ای تولیدی برابر4MeVمی باشد.
قبلا گفته شد كه باید برای انجام همجوشی هسته ها به اندازه كافی به هم نزدیك بشوند.این مقدار كافی حدودا معادل3fmمی باشد.چون در این فاصله ها انرژی پتانسیل الكترواسناتیكی دو دوترون در حدود 0.5MeVهست پس می توانیم با این مقدار انرژی دادن به یكی از دوترونها دافعه كولنی بین دوترونها ر شكسته و واكنش را شروع كنیم كه بعد از انجام مقدار4.5MeVتولید می شود.(0.5MeVانرژی جنبشی به علاوه 4MeVانرژی آزاد شده)
می توانیم رآكتور خود را طوری طراحی كنیم كه دور دیواره بیرونی آن لیتیم مایع تحت فشار جریان داشته باشد.این لیتیم مایع گرمای تولیدی اضافی را از واكنش گرفته و به آب منتقل می كند و با تبدیل آن به بخار باعث می شود كه توربین و ژنراتور به حركت درآیند و برق تولید بشود.

این صفحه را در گوگل محبوب کنید

[ارسال شده از: سایت رسیک]

[مشاهده در: www.ri3k.eu]

[تعداد بازديد از اين مطلب: 595]