انرژی هسته‌ای

با توجه به ویژگیهای حیرت انگیزش در آزاد سازی حجم بالایی از انرژی در قبال از میان رفتن مقادیر ناچیزی از جرم ، به عنوان جایگزین سوختهای پیر فسیلی که ناجوانمردانه در حال بلعیده شدن هستند، مطرح شده است.
ایران نیز با وجود منابع گسترده نفت و گاز به دلیل کاربردهای بهتری که سوختهای فسیلی نسبت به سوزانده شدن در کوره‌ها و برای تولید حرارت دارند، برای دستیابی به این نوع از انرژی تلاشهایی را از سالهای دور داشته است و در سالهای پس از انقلاب همواره مورد اتهام واقع شده که هدف اصلیش نه فناوری صلح آمیز که رسیدن به فناوری تسلیحات هسته‌ای است.
چرخه سوخت هسته‌ای شامل مراحل استخراج ، آسیاب ، تبدیل ، غنی سازی ، ساخت سوخت باز تولید و راکتور هسته‌ای است و به یک معنا کشوری که در چرخه بالا به حد کاملی از خودکفایی و توسعه رسیده باشد با فناوری تولید سلاحهای هسته‌ای فاصله چندانی ندارد. استخراج در فناوری هسته‌ای ، خواه صلح آمیز باشد یا نظامی ، ماده بنیادی مورد نیاز، اورانیوم است.
اورانیوم از معادن زیر زمینی و همچنین حفاریهای روباز قابل استحصال است. این ماده به رغم آنکه در تمام جهان قابل دستیابی است، اما سنگ معدن تغلیظ شده آن به مقدار بسیار کمی قابل دستیابی است. زمانی که اتمهای مشخصی از اورانیوم در یک واکنش زنجیره‌ای دنباله دار که به دفعات متعدد تکرار شده ، شکافته می‌شود، مقادیر متنابهی انرژی آزاد می‌شود، به این فرآیند شکافت هسته‌ای می‌گویند. فرآیند شکاف در یک نیروگاه هسته‌ای به آهستگی و در یک سلاح هسته‌ای با سرعت بسیار روی می‌دهد، اما در هر دو حالت باید به دقت کنترل شوند. مناسبترین حالت اورانیوم برای شکافت هسته‌ای ایزوتوپهای خاصی از ۲۳۵U (یا ۲۳۹Pu) است. ایزوتوپها ، اتمهای یکسان با تعداد نوترونهای متفاوت هستند.
به هرحال ۲۳۵U به دلیل تمایل باطنی به شکافت در واکنشهای زنجیری و تولید انرژی حرارتی به عنوان «ایزوتوپ شکافت» شناخته شده است. هنگامی که اتم ۲۳۵U شکافته می‌شود دو یا سه نوترون آزاد می‌کند. این نوترونها با سایر اتمهای ۲۳۵U برخورد کرده و باعث شکاف آنها و تولید نوترونهای جدید می‌شود. برای روی دادن یک واکنش هسته‌ای به تعداد کافی از اتمهای ۲۳۵U برای امکان ادامه یافتن این واکنشها بصورت زنجیری و البته خودکار نیاز است. این جرم مورد نیاز به عنوان «جرم بحرانی» شناخته می‌شود.
باید توجه داشت که هر ۱۰۰۰ اتم طبیعی اورانیوم شامل تنها حدود هفت اتم ۲۳۵U ، یعنی (۰.۷ درصد) بوده و ۹۹۳ اتم دیگر از نوع ۲۳۸U هستند که اصولا کاربردی در فرآیندهای هسته‌ای ندارند. تبدیل اورانیوم سنگ معدن اورانیوم استخراج شده در آسیاب خرد و ریز شده و به پودر بسیار ریزی تبدیل می‌شود. پس از آن طی فرآیند شیمیایی خاصی خالص سازی شده و بصورت یک حالت جامد به هم پیوسته که از آن به عنوان «کیک زرد» (yellow cake) یاد می‌شود، درمی‌آید. کیک زرد شامل ۷۰ درصد اورانیوم بوده و دارای خواص پرتوزایی (radioactive) است. هدف پایه‌ای دانشمندان هسته‌ای از فرآیند غنی سازی افزایش میزان اتمهای ۲۳۵U است که برای این هدف اورانیوم باید اول به گاز تبدیل شود.
با گرم کردن اورانیوم تا دمای ۶۴ درجه سانتیگراد حالت جامد به گاز هگزا فلوئورید اورانیوم (UFG) تبدیل می‌شود. هگزافلوئورید اورانیوم خورنده و پرتوزا است و باید با دقت جابجا شود، لوله‌ها و پمپها در کارخانه‌های تبدیل کننده بصورت ویژه‌ای از آلیاژ آلومینیوم و نیکل ساخته می‌شوند. گاز تولیدی همچنین باید از نفت و روغنهای گریس به جهت جلوگیری از واکنشهای ناخواسته شیمیایی دور نگه داشته شود. غنی سازی اورانیوم هدف غنی سازی مشخصا افزایش میزان ۲۳۵U _ ایزوتوپ شکافت _ است.
اورانیوم مورد نیاز در مصارف صلح آمیز نظیر راکتورهای هسته‌ای نیروگاهها باید شامل دو تا سه درصد ۲۳۵U باشد، اما اورانیوم مورد نیاز در تسلیحات اتمی باید شامل بیش از نود درصد ۲۳۵U باشد. شیوه متداول غنی سازی اورانیوم سانتریفوژ کردن گاز است. در این روش هگزافلوئورید اورانیوم در یک محفظه استوانه‌ای با سرعت بالا در شرایط گریز از مرکز قرار می‌گیرد. این کار باعث جدا شدن ایزوتوپهای با جرم حجمی بالاتر از ۲۳۵U می‌شود (۲۳۸U). ۲۳۸U در طی فرآیند گریز از مرکز به سمت پائین محفظه کشیده شده و خارج می‌شود، اتمهای سبکتر ۲۳۵U از بخش میانی محفظه جمع آوری و جدا می شود. ۲۳۵U تجمع یافته پس از آن به محفظه‌های گریز از مرکز بعدی هدایت می‌شود.
این فرآیند بارها در میان زنجیری از دستگاههای گریز از مرکز در کنار هم چیده شده تکرار می‌شود تا خالصترین میزان اورانیوم بسته به کاربرد آن به دست آید. از اورانیوم غنی شده در دو نوع سلاح هسته‌ای استفاده می‌شود، یا بصورت مستقیم در بمبهای اورانیومی و یا طی چند مرحله در بمبهای پلوتونیومی مورد استفاده قرار می گیرد. بمب اورانیومی هدف نهایی طراحان بمبهای هسته‌ای رسیدن به یک جرم «فوق بحرانی» است که باعث ایجاد یک سری واکنشهای زنجیره‌ای به همراه تولید حجم بالایی از حرارت می‌شود.
در یکی از ساده‌ترین نوع طراحی این بمبها یک جرم زیر بحرانی کوچکتر به جرم بزرگتری شلیک می‌شود و جرم ایجاد شده باعث ایجاد یک جرم فوق بحرانی و به تبع آن یک سری واکنشهای زنجیره‌ای و یک انفجار هسته‌ای می‌شود. کل این فرآیند در کمتر از یک دقیقه رخ می‌دهد. برای ساخت سوخت برای یک بمب اورانیومی هگزافلوئورید اورانیوم فوق غنی شده در ابتدا به اکسید اورانیوم و سپس به شمش فلزی اورانیوم تبدیل می‌شود. میزان انرژی آزاد شده ناشی از شکافت هسته‌ای را به کمک یک فناوری تقویتی افزایش می‌دهند. این فناوری شامل کنترل و بکار گیری خواص همجوشی یا گداخت هسته‌ای است.
در همجوشی هسته‌ای شاهد بهم پیوستن ایزوتوپهایی از هیدروژن و پس از آن تشکیل یک اتم هلیوم هستیم. به دنبال این واکنش مقادیر قابل توجهی گرما و فشار آزاد می شود. از سوی دیگر همجوشی هسته ای سبب تولید نوترونهای بیشتر و تغذیه واکنش شکافت شده و انفجار بزرگتری را ترتیب می‌دهد. برخی تجهیزات این فناوری تقویتی به عنوان بمب هیدروژنی و سلاحهای هسته‌ای _ حرارتی (Thermonuclear) شناخته می‌شوند. راکتورهای هسته‌ای راکتورها دارای کاربردهای کاملا دوگانه هستند.
در مصارف صلح آمیز با بهره گیری از حرارت تولیدی در شکافت هسته‌ای کار می‌کنند. این حرارت جهت گرم کردن آب ، تبدیل آن به بخار و استفاده از بخار برای حرکت توربینها بهره گرفته می‌شود. همچنین اگر قصد ساخت بمبهای پلوتونیومی در کار باشد نیز اورانیوم غنی شده را به راکتورهای هسته‌ای منتقل می‌کنند.
در نوع خاصی از راکتورهای هسته‌ای از اورانیوم غنی شده به شکل قرصهایی به اندازه یک سکه و ارتفاع یک اینچ بهره می‌گیرند. این قرصها بصورت کپسولهای میله‌ای شکل صورت بندی شده و درون یک محفظه عایق ، تحت فشار قرار داده می‌شوند. در بسیاری از نیروگاههای هسته‌ای این میله‌ها جهت خنک شدن درون آب غوطه‌ور هستند. روشهای دیگر خنک کننده نیز نظیر استفاده از دی اکسیدکربن یا فلز مایع هستند.
برای کارکرد مناسب یک راکتور (مثلا تولید حرارت با کمک واکنش شکافت) هسته اورانیومی باید دارای جرم فوق بحرانی باشد، این بدین معناست که مقدار کافی و مناسبی از اورانیوم غنی شده جهت شکل گیری یک واکنش زنجیری خود به خود پیش رونده موردنیاز است. برای تنظیم و کنترل فرآیند شکافت میله‌های کنترل کننده از جنس موادی نظیر گرافیت با قابلیت جذب نوترونهای درون راکتور وارد محفظه می شوند. این میله‌ها با جذب نوترونها باعث کاهش شدت فرآیند شکافت می‌شوند. در حال حاضر بیش از چهارصد نیروگاه هسته‌ای در جهان وجود دارند و ۱۷ درصد الکتریسیته جهان را تولید می کنند.
راکتورها همچنین در کشتیها و زیردریاییها کاربرد دارند. باز پردازش باز پردازش یک عملیات شیمیایی است که سوخت کارکردی را از زباله‌های اتمی جدا می‌کند. در این عملیات میله سوخت مصرف شده ، غلاف بیرونی فلزی خود را در قبال حل شدن در اسید نیتریک داغ از دست می‌دهد. محصولات این عملیات که در راکتور مورد استفاده دوباره قرار می‌گیرد، شامل ۹۶ درصد اورانیوم ، سه درصد زباله اتمی به شدت پرتوزا و یک درصد پلوتونیوم است. همه راکتورهای هسته‌ای پلوتونیوم تولید می‌کنند، اما انواع نظامی آنها بصورت کاملا بهینه‌تری نسبت به سایر انواع راکتور این کار را انجام می‌دهند.
یک واحد باز پردازش و یک راکتور جهت تولید مقدار کافی پلوتونیوم می‌توانند به صورت نامحسوسی در یک ساختمان عادی جاسازی شوند.این مسئله باعث می شود استخراج پلوتونیوم با کمک باز پردازش به گزینه‌ای جذاب برای هر کشوری که به دنبال برنامه‌های غیرقانونی سلاحهای اتمی است، تبدیل شود. بمب پلوتونیومی پلوتونیوم مزیتهای متعددی نسبت به اورانیوم به عنوان جزیی از سلاحهای اتمی دارد. تنها حدود چهار کیلوگرم پلوتونیوم برای ساخت یک بمب موردنیاز است، همچنین برای تولید ۱۲ کیلوگرم پلوتونیوم در هر سال تنها به یک واحد کوچک باز پردازش نیاز است.
یک کلاهک هسته‌ای شامل یک کره پلوتونیوم ، احاطه شده توسط پوسته‌ای از فلز، مثلا بریلیوم ، است که نوترونها را به فرآیند شکاف باز می‌گرداند. این مسئله باعث می‌شود مقدار کمتری پلوتونیوم برای رسیدن به جرم بحرانی و ایجاد یک واکنش شکافت زنجیره‌ای مورد نیاز باشد. به هرحال یک گروه تروریستی برای دسترسی به پلوتونیوم از راکتورهای هسته‌ای غیرنظامی دارای مشکلات کمتری نسبت به دسترسی به اورانیوم غنی شده جهت ایجاد یک انفجار هسته‌ای هستند.
کارشناسان معتقدند که بمبهای عمل آوری شده پلوتونیوم می‌تواند با تخصصی کمتر از آنچه که توسط فرقه «آئوم» در حمله با گاز اعصاب به مترو توکیو (۱۹۹۵) بکار گرفته شد، طراحی و جمع آوری شود. یک انفجار هسته‌ای از این نوع می‌تواند با نیروی معادل یکصد تنی TNT منفجر شود؛ بیست بار قویتر از بزرگترین حمله تروریستی تاریخ می‌باشد.

منبع : سازمان آموزش و پرورش استان خراسان