زباله ها ی اتمی

سرنوشت زباله های اتمی چیست؟

تاسیسات اتمی٬شامل موسسه های پژوهشی٬نیروگاه هلی هسته ای و تاسیسات دوباره غنی سازی است.میزان خطر زباله های ایجاد شده در هر یک از این تاسیسات متفاوت است.
ان دسته از زباله های اتمی که درجه ی پرتوزایی انها ضعیف است و به صورت جامد یا مایعند٬نخست از طریق تبخیر٬فشردن یا سوزاندن به حداقل حجم ممکن میرسند.ان گاه در بشکه هایی گذاشته میشوند و با بشکه به صورت قالب های بتونی دز می ایند.زباله های اتمی نیمه فعال مثل پوشش های فلزی قطعه قطعه شده ی میله های سوختی را نیز همراه بشکه هایشان به صورت قالب های بتونی در می اورند.در مورد زباله های اتمی بسیار فعال باید نهایت دقت و احتیاط را به عمل اورد.این زباله ها به ویژه شامل تولیدات شکافتی محلول در اسید نیتریک هستند.۹۹درصد از پرتوزایی تمام زباله های اتمی به این دسته اختصاص دارد.برای این مواد خطرناک٬روش شیشه ای کردن ابداع شده است.محلول های رادیواکتیو بسیار فعال نخست تغلیظ میشوند و طی واکنش های شیمیایی به مواد دیگری تبدیل میگردند.انگاه این زباله ها در حرارت ۱۱۵۰ درجه ی سانتی گراد همراه با پودر شیشه ذوب میشوند و به این ترتیب به صورت جزء جدا نشدنی شیشه در می ایند.شیشه ی مذاب٬در محفظه هایی فولادی با درجه مقاومت بالا ریخته میشود.این محفظه ها٬دیواره های ضخیمی دارند.
در تاسیسات دوباره غنی سازی از هر تن اورانیم٬حدود ۱۳۰لیتر زباله ی رادیو اکتیو بسیار فعال به صورت یک بلوک شیشه ای٬ ۵ بشکه(هر بشکه ۴۰۰لیتر ظرفیت دارد)زباله ی نیمه فعال و ۱۵ بشکه زباله ی اتمی ضعیف حاصل میشود.این مواد باید برای همیشه با ایمنی کامل انبار شوند٬زیرا حتی برجای نسل های اینده نیز خطر بزرگی محسوب میشود. 

اورانیم غنی شده

غنی سازی اورانیم.

اورانیم خالص طبیعی برای استفاده در نیروگاه های اتمی مناسب نیست٬زیرا فقط۷/۰درصد ان از نوع شکافت پذیر ۲۳۵ و ۳/۹۹ درصد ان ازنوع سنگینتر و شکافت ناپذیر ۲۳۸ است.
سوخت بیشتر نیروگاه های اتمی٬باید حدود ۳ درصد اورانیم ۲۳۵ داشته باشد.بنابراین اورانیم باید تا این غلظت غنی شود.چون دو ایزوتوپ اورانیم از نظر شیمیایی از یک دیگر قابل تشخیص نیستند٬برای غنی سازی از تفاوت وزنی انها استفاده میشود.نخست اورانیم با کمک فلوئر به گاز هگزا فلوئورید اورانیم(UF₆)٬(به عبارتی دیگر به ترکیبی از اورانیم و فلوئور)تبدیل میشود.در این مرحله برای جداسازی دو ایزوتوپ از یک دیگر روش های متفاوتی وجود دارد.
در روش لوله های جدا کننده گازUF₆  در لوله های کوچکی که انحنایی نیم دایره ای دارند با شتاب وارد میشوند.نیروی گریز از مرکز ایجاد شده٬گاز دارای اورانیم ۲۳۸ را با شدت بیشتر به خارج میراند٬به نحوی که این گازمیتواند ازگاز سبکتر ۲۳۵ جدا شود.بدیهی است که با این روش٬جدا سازی دو ایزوتوپ ممکن نیست٬ولی اگر تعداد بیشتری از این واحد های جدا کننده را به صورت زنجیره ای به هم مربوط کنند٫بلاخره گازی به دست میاید که در ان اتمهای ۲۳۵ به حد کافی وجود دارد.
در روش گاز افشانی گازUF₆ بافشار از غشایی(دیافراگم)عبور داده میشود.در این عمل گاز سبکتر۲۳۵ سریعتر از گاز سنگینتر ۲۳۸ از منفذ های دیافراگم عبور میکند.این روش نیز تا حدودی موجب جداسازی ایزوتوپها از یکدیگر میشود.
در روش سانتریفیوژ(روش استفاده از دستگاه گریز از مرکز)گاز به داخل یک سانتریفیوژ بسیار سریع وارد میشود.نیروی گریز از مرکز٬اورانیم سنگینتر را به سمت دیواره های دستگاه میراند٬به نحوی که تمرکز ۲۳۵ در مرکز دستگاه افزایش می یابد.به این ترتیب جداسازی اورانیم ۲۳۵ و ۲۳۸ انجام میشود.در این روش نیز برای غنی سازی مناسب٬واحد های سانتریفیوژ متعدد و مرتبط با هم لازم است. در حال حاضر٬روش های دیگری که بتوان در انها غنی سازی لازم را در یک مرحله انجام داد٬در دست پژوهش و توسعه است.

راکتور های هسته ا ی

راکتور حرارت زیاد چگونه کار میکند؟

نوع دیگر راکتور٬که احتمالا اینده ی درخشانی خواهد داشت٬راکتور حرارت زیاد است.در این نوع راکتور علاوه بر اورانیم٬توریم۲۳۲ نیز به عنوان ماده ی خام انرژی زا به کار می رود.این ماده از طریق جذب نوترون به اورانیم ۲۳۳(که قابل شکافت است)تبدیل میشود.مواد سوختی در این نوع راکتور یه صورت قطعات پوشش دار کوچکی است و درون گلوله های گرافیتی قرار گرفته است.این گلوله ها به اندازه ی توپ تنیس هستند.از گرافیت به عنوان مدراتور استفاده میشود.انرژی تولید شده در راکتور به گازی مثل هلیم منتقل میشود و این گاز را تا حدود ۹۰۰ درجه ی سانتی گراد داغ میکند.این گاز اب را به بخار تبدیل میکند و بخار توربین ها را به حرکت در می آورد.راکتور حرارت زیاد مزایای فراوانی دارد.بازده این راکتور بالا است و حرارت بسیار زیاد ان میتواند در صنایع شیمیایی(مثلا در تبدیل کربن به گاز)به کار گرفته شود.

راکتور های هسته ا ی

راکتور خود سوخت زا چیست؟

قبلا مشاهده کردیم٬که هسته ی اتم های اورانیم ۲۳۸ میتوانند به وسیله ی گرفتار ساختن نوترون ها٬خود را به پلوتونیم تبدیل کنند.هسته ای پلوتونیم نیز به راحتی شکافته میشوند و انرژی ازاد میکنند.در راکتور خود سوخت زا از این خاصیت استفاده میشود.در این راکتور پلوتونیم ۲۳۹ به عنوان ماده ی قابل شکافت به کار می رود.در هر شکافت ۲تا۳ نوترون ازاد میشوند.یکی از این نوترونها برای حفظ و نگهداری واکنش زنجیره ای لازم است.تعداد دیگری از نوترونها جذب هسته های اورانیم ۲۳۸ میشوند٬و این هسته را به پلوتونیم ۲۳۹(یا به عبارت دیگر به سوخت تازه)تبدیل میکنند.راکتور به این ترتیب سوخت تازه ای تولید میکند.در شرایط مناسب این سوخت حتی بیشتر از سوخت مصرفی راکتور است.
این جریان سوخت زایی٬در سطح محدود در سایر انواع راکتورها نیز یافت میشود.از انجا که منابع عظیمی از اورانیم ۲۳۸ در دسترس است٬با وجود مشکلات تکنیکی عمده ای که در حال حاضر در به کار گیری راکتور های خود سوخت زا وجود دارد٬میتوان به نقش مهم این نوع راکتورها در سده های اینده امیدوار بود.البته این در صورتی است که بشر تا ان زمان موفق به کشف روشهای کم خطرتری برای به دست اوردن انرژی نشده باشد.انسان با کاربرد تکنیک سوخت زایی میتواند بخش عمده ای از هسته های ۲۳۸ را(که در غیر این صورت بی ارزشند)به مواد قابل شکافت تبدیل کند.
و به این ترتیب از اورانیم ۶۰ بار بهتر از روشهای متداول امروزی بهره برداری کند.تبدیل اورانیم ۲۳۸ به پلوتونیم به وسیله ی نوترون های پرشتاب بهتر از نوترون های آرام انجام میشود.در راکتور های خود سوخت زای سریع٬در جریان سوخت زایی از نوترون های پرشتاب برای شکافت استفاده میشود.البته اگر میزان پلوتونیم کم باشد٬این عمل به خوبی صورت نمیگیرد. به همین دلیل عناصر سوختی راکتورهای خود سوخت زای سریع ۲۰ تا۳۰ درصد پلوتونیم و ۷۰ تا۸۰ درصد اورانیم ۲۳۸دارند.به عبارت دیگر این نوع راکتورها ده برابر راکتورهایی که تا کنون ساخته شده اند٬مواد قابل شکافت احتیاج دارند و بدیهی است که این امر مشکلات و خطرات زیادی همراه دارد. با کمک توضیحات بالا٬اکنون به سادگی میتوان راکتور خود سوخت زای سریع را شرح داد٬راکتور اصلی از عناصر سوختی(که از انها انرژی تولید میشود)و عناصر سوخت زایی (که از انها مواد سوختی جدید تولید میشود)تشکیل شده است.گرما زایی عناصر سوختی٬به خاطر درصد بالای مواد قابل شکافت٬بسیار زیاد است.به این دلیل این راکتور را توسط سدیم مایع(که از ظرفیت گرمایی بالایی برخوردار است و بر خلاف اب از شتاب نوترونها نمی کاهد)خنک میکنند و به این ترتیب٬نوترونها نیز همان گونه که مورد نظر است پر شتاب باقی میمانند.مدار سدیم اولیه٬مدار سدیم ثانویه را داغ میکند.مدار ثانویه به نوبه ی خود اب را بخار میکند و این بخار توربین ها را برای تولید برق به حرکت در می آورد.    

راکتور های هسته ا ی

راکتور اب تحت فشار چیست؟

در راکتور اب جوش٬بخاری که توربین ها را به کار می اندازد٬مستقیما در راکتور تولید میشود.در راکتور اب تحت فشار ابی که با راکتور در تماس است٬ جوش نمی اید.فشار این اب به حدی زیاد است (۱۵۰بار)٬که با وجود حرارت بالا همواره به صورت مایع باقی می ماند.این اب که اب اولیه نامیده میشود٬ به وسیله ی شبکه اس از لوله ها و به طور غیر مستقیم٬اب موجود در دستگاه تولید بخار را که اب ثانویه نام دارد٬داغ می کند.ضمن این جریان حرارت اب اولیه از ۳۳۰درجه ی سانتی گراد به۲۹۰ درجه ی سانتی گراد کاهش می یابد.
به این ترتیب اب ثانویه به جوش می اید و با بخار خود توربین و ژنراتور را به حرکت در می اورد.اب اولیه که همواره به صورت مایع است٬دوباره به وسیله ی پمپ هایی به داخل راکتور رانده میشود و مجددا از طریق شکافت های هسته ای تا حدود ۳۳۰ درجه ی سانتی گراد داغ می گردد.یک دیگ تنظیم فشار٬همیشه فشار اب اولیه را در سطحی یک نواخت نگاه می دارد.
در یک راکتور اب تحت فشار٬که ظرفیتی معادل ۱۳۰۰مگاوات دارد٬هسته ی راکتور دارای ۲۰۰عنصر سوختی استو هر عنصر ۳۰۰ میله ی سوختی دارد. کنترل راکتور ٬هم از طریق غنی سازی کم شدت یا پر شدت اب اولیه با محلول بور(که بلعنده ی نوترون ها است)و هم به وسیله ی میله های فرمان کادمیم دار(که از بالای راکتور می توانند وارد یا خارج شوند)صورت می پذیرد. اب داخل این راکتور نیز مانند راکتور اب جوش٬به عنوان مدراتور به کار می رود.ضمنا این اب مسولیت تنظیم حرارت را نیز بر عهده دارد.اگر راکتور بیش از حد گرم شود٬غلظت اب اولیه کاهش می یابد.به این ترتیب سرعت نوترون های شتابدار به اندازه ی کافی کم میشود ودر نتیجه شمار شکافت های انرژی زا کاهش می یابد٬ و تمام سیستم دوباره خنک میشود.
راکتور اب جوش و راکتور اب تحت فشار را در مجموع راکتور های اب سبک نیز می نامند٬زیرا در انها از اب سبک(H₂O)٬نه اب سنگین(D₂O)برای خنک کردن استفاده میشود.

راکتور های هسته ا ی

راکتور اب جوش چگونه کار میکند؟

در راکتور اب جوش٬در یک دیگ فشار که جایگزین دیگ جوش نیروگاه زغال سنگی شده است٬با استفاده از انرژی اتمی٬اب تبخیر میشود.این بخار٬فشاری حدود ۷۰ بار(معادل یک اتمسفر)دارد و توربینی را به حرکت در می اورد.این توربین به نوبه ی خود انرژی لازم را به یک ژنراتور منتقل می کند.و در ژنراتور برق تولید می شود.در دیگ فشار راکتور٬که ضخامت دیواره ی ان ۱۶ سانتی متر است٬هسته ی راکتور قرار دارد.ابی که باید تبخیر شود٬در میان این دیگ جریان دارد.هسته ی راکتور تقریبا از ۸۰۰ عنصر سوختی تشکیل شده است.هر یک از این عناصر سوختی٬در محفظه ای فلزی محصورندو در زیر هر محفظه روزنه ای برای ورود اب وجود دارد اب به سمت بالا حرکت پیدا می کند و ۶۴ میله ی سوختی را در بر می گیرد میله های سوختی لوله هایی فلزی اندکه با قرص های مواد سوختی پر شده اند.ترکیب این قرص ها اکثرا از اورانیم غنی شده و به صورت دی اکسید اورانیم (uo₂ )است.با شکافت هسته های اورانیم انرژی تولید می شود و به صورت گرما یه ای خنک انتقال می یابد و به این ترتیب ای میتواند تبخیر شود.از این اب به عنوان شتابگر هم استفاده می شود٬بنابراین در هر شکافت هسته ای٬اب٬نوترون های پر شتاب را تا حدی ارام می کند که انها بتوانند هسته های دیگری را بشکافند.همان طور که مشاهده کردید در هر شکافت هسته ای ۲تا۳ نوترون جدیدبه وجود می اید.اگر تمام این نوترون ها باعث شکافت دیگری شوند٬راکتور از کنترل خارج می شود و انرژی بیش از حدی تولید می کند.برای پیشگیری از این امر٬هر راکتور دارای موادی از قبیل بور(عنصر شیمیایی با علامت اختصاری B )و کادمیم (عنصر شیمیایی با علامت اختصاری CA )است٬که نوترون ها را جذب می کنند٬البته جذب نوترون تا حدی صورت می گیرد که تولید انرژی ثابت بماند.
این مواد در قسمتی که میله های فرمان نامیده می شود قرار دارند و میتوانند به مقذار دلخواه به داخل راکتور رانده شوند.هرچه این میله ها بیشتر به خارج کشیده شوند٬به همان نسبت تعداد نوترون کمتری را می بلعند و در نتیجه تعداد بیشتری شکافت هسته ای رخ می دهد.بالعکس٬بیشتر داخل راندن میله های فرمان به معنای جذب تعداد بیشتری نوترون و ازاد شدن انرژی کمتر است. بنابراین با داخل و خارج کردن میله های فرمان میتوان تولید انرژی را به خوبی تحت کنترل در اورد و حتی به دلخواه ان را کاملا متوقف کرد.
وقتی راکتوری تازه به کار می افتد٬نخستین نوترون های مورد نیاز را باید به کمک منابع ویژه ی نوترونی ایجاد کرد.ولی پس از خاموش کردن موقت راکتور این عمل لازم نیست.در این هنگام عناصر سوختی به اندازه ی کافی نوترون منتشر میکنند و میتوان واکنش زنجیره ای را دوباره با خارج کردن میله های فرمان انجام پذیر ساخت.

                                     

نیروگاه های هسته ای

نیروگاه اتمی چیست؟

در یک نیروگاه اتمی٬انرژی مورد نیاز برای تولید بخار نه با سوزاندن سوخت فسیلی٬بلکه با انجام شکافت به دست می اید.در این نیروگاه٬راکتور هسته ای یعنی تاسیساتی که در ان انرژی هسته ای ایجاد میشود-جایگزین دیگ میشود.در راکتور واکنش های زنجیره ای کنترل شده ای روی میدهد و طی انها تعداد هسته هایی که برای تولید جریان الکتریکی لازم است٬شکافته میشود.

 

نیروگاه های هسته ای

نیرو گاه چیست؟

نیروگاه ها٬ وظیفه ی تولید جریان الکتریکی را بر عهده دارند.در اغلب موارد نخست گرما ایجاد می شود٬که بخشی از این گرما میتواند به انرژی الکتریکی تبدیل گردد.در یک نیروگاه سوخت فسیلی نفت٬زغال سنگ یا گاز در یک دیگ بسیار بزرگ که حدود ۱۰۰ متر ارتفاع دارد میسوزد.گرمای حاصل از ان٬اب را داغ و بخار میکند.بخاری که به این طریق ایجاد میشود٬فشاری حدود ۱۷۰ اتمسفر و حرارتی حدود ۳۵۰ درجه ی سانتی گراد دارد.این بخار به سمت یک توربین هدایت میشود.توربین ماشین بزرگی است که بر روی محور آن زبانه های بیل مانندی(پره)ساخته شده است.بخار حاصله با نیروی زیاد بر این زبانه ها فشار وارد می اورد٬این محور٬مانند یک اسیاب بادی-که باد پره های ان را به حرکت در می اورد-شروع به چرخش میکند و یک دینام بزرگ٬یعنی ژنراتور را به حرکت در می اورد.این ماشین٬مانند دینام دوچرخه جریان الکتریکی تولید میکند.البته ظرفیت ان به مراتب بیشتر و حدود ۱۰۰۰ مگاوات است و برای تامین نیروی برق یک شهر بزرگ کاملا کافی است.سپس انرژی الکتریکی از طریق ترانسفور ماتورها(تقویت کننده ی برق)و دستگاه های قطع و وصل جریان الکتریکی وارد شبکه ی سراسری میشود. هنگامی که بخار انرژی خود را به توربین منتقل می کند٬خنک می شود و فشار خود را از دست میدهد.برای به کار گیری مجدد بخار٬باید دوباره ان را به اب تبدیل کرد.این عمل در کندنساتور(چگالنده-تغلیظ یا تراکم٬دستگاهی که در ان بخار اب دوباره به اب تبدیل میشود)انجام میشودبخار در انجا با لوله هایی که اب سرد در انها جریان دارد تماس می یابد و به صورت قطره های اب روی این لوله ها متراکم میشود.سپس این اب دوباره به داخل دیگ بر می گردد. البته بدیهی است که اب خنک داخل لوله هاحدود ۲۵الی۳۵درجه ی سانتی گراد گرم می شود.این اب برای سرد شدن مجدد به داخل برج های خنک کننده هدایت میشود و در انجا به صورت قطره های بسیار ریزی از لوله ها خارج میشود.این قطره های کوچک٬ پایین می ریزند و هنگام ریزش خنک میشوند و هوای داخل برج خنک کننده را گرم می کنند .به این ترتیب جریان هوای شدیدی به وجود می اید که به جریان هوای داخل دود کش شباهت دارد.اب خنک٬جمع اوری و دوباره به داخل کندنساتور پمپ میشود.به هر حال بخشی از این آب در اثر تبخیر از دست می رود و همراه جریان هوای بالا رونده از برج خارج میشود ومی تواند بر فراز برج خنک کننده تکه ابرهای کوچکی به وجود اورد. مقدار ابی که در یک نیروگاه ۱۳۰۰ مگاواتی از دست می رود٬ تقریبا یک متر مکعب در هر ثانیه است.اب مورد نیاز اغلب از یک رود خانه تامین میشود.در شرایط کاملا مناسب میتوان از تمام یا بخشی از برجهای خنک کننده چشم پوشی کرد٬به این ترتیب که مستقیما از اب رودخانه یا دریا برای خنک کردن اب استفاده کرد.

همجوشی یا ذوب هسته ای

همجوشی یا ذوب هسته ای یعنی چه؟

برای بدست اوردن انرژی اتمی٬روش دیگری نیز وجود دارد.مثلا اگر هسته های دوتریم و تریتیم تحت فشار و حرارت فوق العاده زیاد در هم بجوشند٬ هر بار یک هسته ی هلیم و یک نوترون ایجاد می شود.این دو ذرهی جدی د در مجموع جرم کمتری نسبت به هسته های اولیه دارند.جرم از دست رفته٬مانند انچه هنگام بحث دزباره ی شکافت هستها ای فرا گرفتیم به مقدار عظیمی انرژسی تبدیل می شود.این روش را همجو شی ٬ذوب هسته ای و گداخت هسته ای نیز می نامند.تمامی ستارگان٬خورشید و بمب هیدروژنی٬انرژی خود را از این راه به دست می اورند.
در خورشید روند زیر اتفاق میافتد:
در حرارت ۱۵میلیون درجه ی سانتی گراد و تحت فشار غیر قابل تصوری که بیش از ۲۰۰میلیارد اتمسفر است از هر ۴هسته ی هیدروژنیک هسته ی هلیم ساخته می شود.این هسته از چهار هسته ی سازنده ی خود کمی سبکتر است. جرم از دست رفته به مقدار بسیار زیادی انرژی تبدیل می شود.خورشیددر هر ثانیه ۵۶۴میلیون تن هیدروژنمصرف میکند و از ان ۵۶۰میلیون تن هلیم به دست می اورد.۴ میلیون تن جرم از دست رفته(۷/۰٪ از مواد اولیه)به انرزی خورشیدی تبدیل میشود.ظرفیت پرتوزایی کل خورشید حدود۳۸۳٫۰۰۰٫۰۰۰٫۰۰۰٫۰۰۰٫۰۰۰٫۰۰۰٫۰۰۰ یا۱۰^۲۳×۳۸/۳ کیلو وات است.هر متر مربع از سطح خورشید ۶۲۹۰۰ کیلو وات پرتو تولید میکند.این مقدار تقریبا برابر ظرفیت ۶۲۰۰۰ بخاری برقی یا یک میلیون لامپ روشنایی است.

مد راتور یا شتابگیر

مدراتور یا شتابگیرچیست؟

اگر مواد سوختی تا 3% غنی شده باشند٬به تنهایی برای ما ارزش چندانی ندارند٬زیرا نوترون های ایجاد شده در جریان شکافت٬بیش از حد شتاب دارند وباز هم توسط هسته های اورانیم 238-که به وفور وجود دارند -گرفتار میشوند و نمی توانند این هسته ها را بشکافند و از کنار هسته های اورانیم 235 نیز با شتاب می گذرند.برای شکافت این هسته ها ما نیاز به نوترون های ارام داریم.خوشبختانه موادی وجود دارند که میتوانند شتاب نوترون ها را کاهش دهد.این مواد را مدراتور یا شتابگیرمی نامند.کربن برای این منظور عنصر مناسبی است.اگر کربن به شکل گرافیت٬بین قطعات یا بلوکهای اورانیم قرار گیرد٬حرکت نوترون های نفوذ کرده در ان را کند می کند٬به نحوی که ان ها در صورت تماس مجدد با اورانیم 235توانایی شکافت هسته را پیدا می کنند.اب و بریلیم نیز شتاب گرهای مناسبی هستند