فایلکده برتر( برترین مرجع فایل های تخصصی آموزشی )

تحقیق درباره فرآیند تولید انرژی هسته ای و کاربرد های آن

 

فرمت فایل: word، وورد تایپ شده(قابل ویرایش و آماده پرینت)

تعداد صفحات: 50 صفحه

 

قسمتی از متن تحقیق:

Gaseous Diffusion

در روش Gaseous Diffusion، گاز هگزافلوراید اورانیوم (UF6) را با سرعت از صفحات خاصی که حالت ----- دارند عبور داده می شود و طی آن این صفحات می توانند به دلیل داشتن منافذ و خلل و فرج زیاد تا حدی می توانند اوانیوم 235 را از 238 جدا کنند. (به شکل بالا دقت کنید)

در این روش با تکرار استفاده از این صفحات ----- مانند، بصورت آبشاری (Cascade)، میزان اورانیوم 235 را به مقدار دلخواه بالا می بردند. این روش اولین راهکارهای صنعتی برای غنی سازی اورانیوم بود که کابرد عملی پیدا کرد.

Gaseous Diffusion از جمله تکنولوژی هایی بود که ایالات متحده طی جنگ جهانی دوم در پروژه ای بنام منهتن (Manhattan) برای ساخت بمب هسته ای، با کمک انگلیس و کانادا به آن دست پیدا کرد.

نمونه ای از سانتریفیوژهای گازی آبشاری که برای غنی سازی اورانیوم از آنها استفاده می شود. Hyper-Centrifuge

اما در روش استفاده از سانتریفیوژ برای غنی سازی اورانیوم، تعداد بسیار زیادی از این دستگاهها بصورت سری و موازی بکار می برند تا با کمک آن بتوانند غلظت اورانیوم 235 را افزایش دهند.

گاز هگزافلوراید اورانیوم (UF6) در داخل سیلندرهای سانتریفیوژ تزریق می شود و با سرعت زیاد به گردش در آورده می گردد. گردش سریع سیلندر، نیروی گریز از مرکز بسیار قوی ای تولید می کند و طی آن مولکولهای سنگین تر (آنهایی که شامل ایزوتوپ اورانیوم 238 هستند) از مرکز محور گردش دور تر می گردند و برعکس آنها که مولکول های سبک تری دارند (حاوی ایزوتوپ اورانیوم 235) بیشتر حول محور سانتریفیوژ قرار می گیرند.

در این هنگام با استفاده از روشهای خاص گازی که حول محور جمع شده است جمع آوری شده به مرحله دیگر یعنی دستگاه سانتریفیوژ بعدی هدایت می گردد. میزان گاز هگزافلوراید اورانیوم شامل اورانیوم 235 ای که در این روش از یک واحد جداسازی بدست می آید به مراتب بیشتر از مقداری است که در روش قبلی (Gaseous Diffusion) بدست می آید، به همین علت است که امروزه در بیشتر نقاط جهان برای غنی سازی اورانیوم از این روش استفاده می کنند.

بزرگترین دستگاههای آبشاری سانتریفیوژ در کشورهایی مانند فرانسه، آلمان، انگلستان و چین در حال غنی سازی اورانیوم هستد. این کشورها علاوه بر مصرف داخلی به صادرات اورانیوم غنی شده نیز می پردازند. کشور ژاپن هم دارای دستگاههای بزرگ سانتریفیوژ است اما تنها برای مصرف داخلی اورانیوم غنی شده تولید می کند

 

تکنولوژی هسته ای

مواد راديواكتيو به موادي گفته مي‌شود كه بدون اينكه به وسيله نور يا بمباران الكتروني تحريك شوند از خود نور ساطع مي‌كنند . هسته‌هاي ناپايدار راديواكتيو خود به خود دچار تغييراتي مي‌شوند كه در اثر آن تغييرات ، تركيبات هسته‌اي پايدارتر به‌وجود مي‌آيند .بعضي از هسته‌هاي ناپايدار به طور طبيعي وجود دارند و بعضي ديگر ساخته دست انسانند . مواد راديواكتيو سه نوع پرتو با ذرات پر انرژي از خود ساطع مي‌كنند ، پرتوهاي آلفا ، بتا و گاما. اين سه نوع پرتو از نظر بار ، جرم ، انرژي و قدرت نفوذ در اجسام مختلف با هم فرق دارند. پرتوهاي آلفا داراي ذرات باردار مثبت ، پرتو بتا حامل ذرات باردار منفي و پرتو گاما متشكل از ذرات بدون بار هستند. مواد راديواكتيو به دليل ناپايداري كه دارند با تابش اين پرتوها به هسته‌هاي پايداري تبديل مي‌شوند. در واكنشهاي هسته‌اي ، انرژي فوق‌العاده زيادي ( در مقايسه با واكنشهاي شيميايي ) ردوبدل مي‌شود. از جمله واكنشهاي هسته‌اي ، شكافت هسته‌اي و هم‌جوشي هسته‌اي را مي‌توان نام برد. در شكافت هسته‌اي يك هسته راديواكتيو ناپايدار به دو هسته پايدار و مقدار بسيار زيادي انرژي تبديل مي‌شود. صنعتي شدن و زياد شدن مصرف روزافزون انرژي بخصوص در كشورهاي صنعتي ، آنها را به اين فكر انداخت كه به جاي استفاده از انرژي گران شيميايي ، از انرژي بسيار بيشتر و مقرون به صرفه‌تر هسته‌اي استفاده كنند . متاسفانه اولين استفاده از انرژي هسته‌اي ، ساخت بمب اتم توسط ايالت متحده آمريكا در جنگ جهاني دوم بود . بمب اتمي كه شهر هيروشيما را ويران كرد از اورانيم 235 ساخته شده بود .بمب ديگر كه سه روز بعد شهر ناكازاكي را ويران نمود ، از پولونيم 239 ساخته شده بود. علاوه بر بمباران شهرها و ويراني ، يك مسئله فرعي ، ريزشهاي راديواكتيو از آزمايشهاي بمب هسته‌اي است. در انفجار بمب هسته‌اي ، مقدار قابل توجهي محصولات شكافت راديواكتيو پراكنده مي‌شوند . اين مواد به وسيله وزش باد از يك بخش جهان به نقاط ديگر آن منتقل مي‌شوند و به وسيله برف و باران از جو فرو مي‌ريزند . بعضي از مواد راديواكتيو طول‌عمر زيادي دارند ؛ آنها به وسيله مواد غذايي روينده جذب ، و به وسيله‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌’ انسانها و حيوانات خورده مي‌شوند . معلوم شده است كه اين گونه مواد راديواكتيو آثار ژنتيكي و همچنين آثار جسماني زيان‌آوري دارند . جهت ديگري كه استفاده از توان هسته‌اي به مقياس وسيعي به طرف آن سوق يافته ، توليد انرژي الكتريكي از انرژي رها شده در عمل شكافت است . تقريبا در تمام سيستمهاي توليد توان هسته‌اي موجود ، راكتور منبع گرما براي به كار انداختن توربينهاي بخار است ؛ اين توربينها مولدهاي الكتريكي را درست به همان گونه به حركت در مي‌آورند كه توانگاههاي نفت سوز يا زغال سوخت عمل مي‌كنند . در يك توانگاه هسته‌اي معمولي ماده’ شكافت‌پذير به جاي زغال سنگ يا نفت به كار مي‌رود و بنابراين يك منبع جديد انرژي به صورت الكتريسيته فراهم مي‌گردد. بمبهاي هسته‌اي نمونه‌اي از انجام واكنشهاي شكافت هسته‌اي هستند كه در آن يك نوترون سرگردان به يك عنصر راديواكتيو تابانده شده و آن عنصر با تاباندن نوترونهاي ديگر به عنصر راديواكتيو ديگر و پاره‌هاي شكافت و انرژي بسيار زياد تبديل مي‌شود. هنگامي كه مي‌خواهند از اين انرژي آزاد شده در نيروگاهها استفاده كنند، اين انرژي آزاد شده را كنترل مي‌كنند و مواد متعادل كننده‌اي به عنصر راديواكتيو مي‌افزايند كه نوترونها يكي يكي آزاد شده و انرژي كم‌كم آزاد شود. اما در بمبهاي هسته‌اي تمام نوترونها با هم آزاد مي‌شوند و انرژي بسيار زيادي ناگهان آزاد مي‌شود. و اما بمبهاي ئيدروژني، نمونه‌اي از انجام واكنشهاي همجوشي هستند. در اين فرآيند، از طريق بمباران مواد سبك مناسبي كه به عنوان هدف قرار مي‌گيرند، با مثلاْْ دوترونهايي پرانرژي كه از يك شتابدهنده‌ي ذره‌اي پرتاب مي‌شوند، هسته‌هايي توليد مي‌شوند كه هم از هسته‌هاي پرتابه‌ها و هم از هسته‌هايي كه هدف قرار گرفته‌اند، سنگين‌ترند. البته در اين واكنشها تعدادي ذرات اضافي و مقدار زيادي انرژي نيز آزاد مي‌گردد. همجوشي دو ايزوتوپ هيدروژن، دوتريم و تريتيم، امكان فراهم آمدن منابع بزرگي از انرژي را براي مثلاْْ توانگاههاي الكتريكي به دست مي‌دهد كه البته هنوز دانشمندان موفق به استفاده از آن در اين توانگاهها نشده‌اند. همجوشي چهار پروتون و تبديل آنها به هسته‌ي هليم منبع اصلي انرژي خورشيد است. آزاد شدن انرژي زياد با فرآيند همجوشي بر روي زمين، تاكنون فقط به وسيله‌ي انفجارهاي گرما هسته‌اي، از قبيل بمبهاي هيدروژني ممكن بوده است و هنوز دانشمندان نتوانسته‌اند اين انرژي را به صورت مهار شده درآورده و استفاده نمايند. يك بمب هيدروژني، مركب از مخلوطي از عناصر سبك با يك بمب شكافتي است. ذرات پرانرژي كه به وسيله‌ي واكنش شكافت ايجاد مي‌شود، به عنوان آغازگر واكنش همجوشي به كار مي‌آيد. انفجار يك بمب شكافتي، دمايي در حدود 7^10 * 5 درجه كلوين توليد مي‌كند كه براي ايجاد واكنش همجوشي كافي است. به دنبال آن واكنشهاي همجوشي مقادير عظيمي انرژي آزاد مي‌كنند. انرژي آزاد شده‌ي كل بسيار بيشتر از آن خواهد بود كه از بمب شكافتي، به تنهايي، آزاد مي‌شود. علاوه بر اين، براي اندازه‌ي بمبهاي شكافتي نوعي حد بالا وجود دارد كه در ماوراي آن قدرت تخريبي اين بمبها خيلي بيشتر نمي‌شود ( زيرا ماده‌ي شكافت پذير اضافي آنها پيش از آنكه بتواند دچار شكافت شود، پراكنده مي‌گردد)، اما براي اندازه‌ي سلاحهاي هيدروژني چنين حدي وجود ندارد و بنابراين قدرت تخريب آن محدوديت ندارد.

 

 

 

کاربرد انرژی هسته ای در پزشکی در علوم و صنعت و کشاورزی و...

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.

 

استفاده از انرژي هسته‌اي براي توليد برق روشي پيچيده اما كارامد براي تامين انرژي مورد نياز بشر است. به طور كلي براي بهره‌برداري از انرژي هسته‌اي در نيروگاه‌هاي هسته‌اي، از عنصر اورانيوم غني شده به عنوان سوخت در راكتورهاي هسته‌اي استفاده مي‌شود كه ماحصل عملكرد نيروگاه، انرژي الكتريسته است. عنصر اورانيوم كه از معادن استخراج مي‌شود به صورت طبيعي در راكتورهاي نيروگاه‌ها قابل استفاده نيست و به همين منظور بايد آن را به روشهاي مختلف به شرايط ايده عال براي قرار گرفتن درون راكتور آماده كرد. اورانيوم يكي از عناصر شيميايي جدول تناوبي است كه نماد آن ‪ Uو عدد اتمي آن ‪ ۹۲است. اين عنصر داراي دماي ذوب هزار و ‪ ۴۵۰درجه سانتيگراد بوده و به رنگ سفيد مايل به نقره‌اي، سنگين، فلزي و راديواكتيو است و به رغم تصور عام، فراواني آن در طبيعت حتي از عناصري از قبيل جيوه، طلا و نقره نيز بيشتر است.

عنصر اورانيوم در طبيعت داراي ايزوتوپهاي مختلف از جمله دو ايزوتوپ مهم و پايدار اورانيوم ‪ ۲۳۵و اورانيوم ‪ ۲۳۸است. براي درك مفهوم ايزوتوپهاي مختلف از هر عنصر بايد بدانيم كه اتم تمامي عناصر از سه ذره اصلي پروتون، الكترون و نوترون ساخته مي‌شوند كه در تمامي ايزوتوپهاي مختلف يك عنصر، تعداد پروتونهاي هسته اتمها با هم برابر است و تفاوتي كه سبب بوجود آمدن ايزوتوپهاي مختلف از يك عنصر مي‌شود، اختلاف تعداد نوترونهاي موجود در هسته اتم است. به طور مثال تمامي ايزوتوپهاي عنصر اورانيوم در هسته خود داراي ‪۹۲ پروتون هستند اما ايزوتوپ اورانيوم ‪ ۲۳۸در هسته خود داراي ‪ ۱۴۶نوترون (‪ (۹۲+۱۴۶=۲۳۸و ايزوتوپ اورانيوم ‪ ۲۳۵داراي ‪ ۱۴۳نوترون(‪ (۹۲+۱۴۳=۲۳۵در هسته خود است.

اورانيوم ‪ ۲۳۵مهمترين ماده مورد نياز راكتورهاي هسته‌اي(براي شكافته شدن و توليد انرژي) است اما مشكل كار اينجاست كه اورانيوم استخراج شده از معدن تركيبي از ايزوتوپهاي ‪ ۲۳۸و ‪ ۲۳۵بوده كه در اين ميان سهم ايزوتوپ ‪ ۲۳۵بسيار اندك(حدود ‪ ۰/۷درصد) است و به همين علت بايد براي تهيه سوخت راكتورهاي هسته‌اي به روشهاي مختلف درصد اوانيوم ‪ ۲۳۵را در مقايسه با اورانيوم ‪ ۲۳۸بالا برده و بسته به نوع راكتور هسته‌اي به ‪ ۲تا ‪ ۵درصد رساند و به اصطلاح اورانيوم را غني‌سازي كرد.

درون راكتورهاي هسته‌اي، هسته اورانيوم ‪ ۲۳۵به صورت كنترل شده شكسته شده كه در اين فرايند مقداري جرم به انرژي تبديل مي‌شود. همين انرژي سبب ايجاد حرارت(اغلب از اين حرارت براي تبخير آب استفاده مي‌شود) و در نتيجه چرخيدن توربينها و در نهايت چرخيدن ژنراتورهاي نيروگاه و توليد برق مي‌شود.

در نيروگاه‌هاي غير هسته‌اي، از سوزاندن سوختهاي فسيلي از قبيل نفت و يا زغال سنگ براي گرم كردن آب و توليد بخار استفاده مي‌شود كه يك مقايسه ساده ميان نيروگاه‌هاي هسته‌اي و غير هسته‌اي، صرفه اقتصادي قابل توجه نيروگاه‌هاي هسته‌اي را اثبات مي‌كند.

به طور مثال، براي توليد ‪ ۷۰۰۰مگاوات برق حدود ‪ ۱۹۰ميليون بشكه نفت خام مصرف مي‌شود كه استفاده از سوخت هسته‌اي براي توليد همين ميزان انرژي ساليانه ميلونها دلار صرفه جويي به دنبال دارد و به علاوه ميزان آلايندگي زيست محيطي آن نيز بسيار كمتر است.

كافي است بدانيم كه مصرف اين ‪ ۱۹۰ميليون بشكه نفت خام براي توليد ‪ ۷۰۰۰مگاوات برق، ‪ ۱۵۷هزار تن گاز گلخانه‌اي دي اكسيد كربن، ‪ ۱۵۰تن ذرات معلق در هوا، ‪ ۱۳۰تن گوگرد و ‪ ۵تن اكسيد نيتروژن در محيط زيست پراكنده مي‌كند كه نيروگاههاي هسته‌اي اين آلودگي‌ها را ندارند. پس از آشنايي با مفاهيم كلي انرژي هسته‌اي و مزاياي آن، ابتدا با مراحل مختلف چرخه سوخت هسته‌اي آشنا مي‌شويم و سپس نحوه استفاده از سوخت هسته‌اي درون راكتور را مرور مي‌كنيم.

چرخه سوخت هسته‌اي عبارت است از: ‪ -۱فراوري سنگ معدن اورانيوم ‪-۲ تبديل و غني‌سازي اورانيوم ‪ -۳توليد سوخت هسته‌اي ‪ -۴بازفرآوري سوخت مصرف شده.

در حال حاضر چند كشور صنعتي جهان هر كدام در يك، چند و يا همه چهار مرحله ياد شده از چرخه سوخت هسته‌اي فعاليت مي‌كنند.

هم اكنون به لحاظ صنعتي، كشورهاي فرانسه، ژاپن، روسيه، آمريكا و انگليس داراي تمامي مراحل چرخه سوخت هسته‌اي در مقياس صنعتي هستند و در مقياس غيرصنعتي، كشورهاي ديگري مثل هند نيز به ليست فوق اضافه مي‌شوند.

كشورهاي كانادا و فرانسه در مجموع داراي بزرگترين كارخانه‌هاي تبديل اورانيوم(مرحله پيش از غني‌سازي ) هستند كه محصولات آنها شامل ‪UO3,UO2,UF6 غني نشده مي‌باشد و پس از آنها به ترتيب كشورهاي آمريكا، روسيه و انگلستان قرار دارند. در زمينه غني‌سازي نيز، دو كشور آمريكا و روسيه داراي بزرگترين شبكه غني‌سازي جهان هستند.

آمريكا هم اكنون بزرگترين توليدكننده سوخت هسته‌اي(مرحله بعد از غني سازي) در جهان است و پس از آمريكا، كانادا توليدكننده اصلي سوخت هسته‌اي در جهان محسوب مي‌شود. پس از آمريكا و كانادا، كشورهاي انگليس، روسيه، ژاپن، فرانسه، آلمان، هند، كره جنوبي و سوئد از توليدكنندگان اصلي سوخت هسته‌اي جهان هستند. آمريكا بيشترين سهم بازفراوري سوخت مصرف شده هسته‌اي در جهان را داراست و پس از آن فرانسه، انگليس، روسيه، هند و ژاپن قرار دارند. درحال حاضر بين كشورهاي جهان سوم، هندوستان پيشرفته‌ترين كشور در زمينه دانش فني چرخه سوخت هسته‌اي است.

چرخه سوخت هسته‌اي: …………….

‪-۱استخراج اوانيوم از معدن و تهيه كيك زرد(مرحله فراوري سنگ معدن اورانيوم) عنصر اورانيوم در طبيعت به صورت تركيبات شيميايي مختلف از جمله اكسيد اورانيوم، سيليكات اورانيوم و يا فسفات اورانيوم و به صورت مخلوط با تركيباتي از عناصر ديگر يافت مي‌شود.در ميان كشورهاي مختلف جهان، استراليا داراي بزرگترين معادن اورانيوم است و كشورهاي قزاقستان، كانادا، آفريقاي جنوبي، ناميبيا، برزيل و روسيه نيز از معادن بزرگي برخوردارند.

مواد معدني حاوي اورانيوم با استفاده از روشهاي معدن‌كاوي زيرزميني و يا روزميني استخراج شده و سپس طي فرايندهاي مكانيكي و شيميايي موسوم به “آسياب كردن” و “كوبيدن” از ديگر عناصر جدا مي‌شوند.

اورانيوم پس از استخراج تفكيك، كوبيده، خرد و به شكل پودر درآمده و سپس براي توليد ماده موسوم به “كيك زرد” (‪ (YellowCakeمورد استفاده قرار مي گيرد.

كيك زرد در واقع محصول فراوري سنگ معدن ارونيوم است و به تركيباتي از اورانيوم گفته مي‌شود كه ناخالصي‌هاي معدني آن به ميزان زيادي گرفته شده و حاوي ‪ ۷۰تا ‪ ۹۰درصد اكسيد اورانيوم از نوع ‪ U3O8است.

‪ -۲فراوري كيك زرد و توليد هگزافلوريد اورانيوم و آغاز غني‌سازي (مرحله تبديل و غني‌سازي ) كيك زرد در اين مرحله هنوز داراي ناخالصي‌هايي است كه توسط روشهاي مختلف اين ناخالصي‌ها كاسته شده و پس از طي فرايندهاي شيميايي نسبتا پيچيده، از شكل معدني ‪ U3O8به ‪UO3(تري اكسيد اروانيوم) و سپس ‪ UO2(دي اكسيد اورانيوم) در مي‌آيد كه اين تركيب آخر نيز به دو روش موسوم به روش تر و روش خشك براي توليد ماده مورد نياز در فرايند غني‌سازي، يعني هگزافلوريد اورانيوم(‪ (UF6به كار گرفته مي‌شود. در صنعت به اين دليل عنصر اورانيوم را به صورت تركيب هگزافلوريد اورانيوم(‪ (UF6در مي‌آورند كه ماده مذكور بهترين تركيب اورانيوم براي استفاده در روشهاي مهم غني‌سازي اورانيوم محسوب مي‌شود. در روشهاي مرسوم غني‌سازي اورانيوم، بايد از حالت گازي تركيبات اين عنصر استفاده كرد و هگزافلوريد اورانيوم در دماي ‪ ۵۶درجه سانتيگراد به راحتي تصعيد شده و از حالت جامد به حالت گاز در مي‌آيد كه اين گاز براي دستيابي به درصد بالاتر ايزوتوپ ‪ ۲۳۵اورانيوم، قابل غني‌سازي است.

پس از مراحل استخراج اورانيوم، توليد كيك زرد و در نهايت هگزافلوريد اورانيوم، نوبت به غني‌سازي اين عنصر مي‌رسد.

روش‌هاي مختلف غني‌سازي ………………….

به طور كلي اورانيوم را به چندين روش مختلف مي‌توان غني‌سازي كرد كه اين روشها عبارتند از: “سانتريفوژ گازي”، “پخش گازي”(‪،(Gaseous Diffusion “جداسازي اكلترومغناطيسي”، “تبادل شيميايي”(‪،(Chemical Exchange “فتويونيزاسيون و فتوديساسيون ليزري”، “نازل جداسازي”(‪(Separation Nazzle و “جداسازي ايزوتوپ رزونانس سيكلوتروني”. از بين تمامي اين روشها هم‌اكنون تنها دو روش “سانتريفوژگازي” و “پخش گازي” است كه در مقياس تجاري اهميت داشته و كاربردهاي عملي وسيع پيدا كرده‌اند .

در غني‌سازي اورانيوم به روش مرسوم‌تر “سانتريفوژ گازي”، در عمل هگزافلوريد اورانيوم (‪ (UF6را وارد دستگاه سانتريفوژ با سرعت دوران بسيار بالا مي‌كنند. در سرعت دوراني بسيار زياد، آن دسته از مولكولهاي هگزافلوريد اورانيوم كه اورانيوم موجود در آنها از نوع ايزوتوپ ‪ ۲۳۵است از آنجا كه در مقايسه با مولكولهاي هگزافلوريد اورانيوم با ايزوتوپ اورانيوم ‪ ۲۳۸جرم كمتري دارند، در نزديك محور سانتريفوژ تراكم بيشتري نسبت به ناحيه خارجي دستگاه پيدا كرده و در مقابل مولكولهاي سنگين‌تر هگزا فلوريد اورانيوم ‪ ۲۳۸در ناحيه خارجي تراكم بيشتري نسبت به ناحيه نزديك محور پيدا مي‌كنند .

بدين ترتيب گاز هگزافلوريد اورانيومي كه از نزديك محور دستگاه سانتريفوژ گرفته مي‌شود از نظر درصد اورانيوم ‪ ۲۳۵از غني شدگي بيشتري نسبت به نواحي ديگر سانتريفوژ برخوردار است. در اين روش براي رسيدن به درصد مورد نياز اورانيوم ‪ ۲۳۵بايد مرحله به مرحله از تعداد بسيار زياد سانتريفوژ به صورت زنجيره‌اي استفاده كرد.

روش “سانتريفوژ گازي” براي غني‌سازي اورانيوم به دو علت در مقايسه با روش “پخش گازي” از مزاياي بيشتري برخوردار است. اول آنكه اين روش كارايي بيشتري داشته و دوم آنكه انرژي لازم در اين روش غني‌سازي حدود يك دهم مقدار انرژي لازم در غني‌سازي با “پخش گازي” براي حصول همان ميزان محصول مي‌باشد.

اين عوامل باعث شده كه غني‌سازي اورانيوم به روش سانتريفوژ هزينه كمتري را شامل شده و اقتصادي‌تر باشد.البته بايد به خاطر داشت كه هزينه تعميرات و نگهداري تجهيزات مورد استفاده در غني‌سازي به روش سانتريفوژ اندك نيست.

‪ -۳توليد سوخت هسته‌اي(تبديل ‪ UF6غني شده به ‪ UO2غني شده): برخي انواع راكتورهاي مي‌توانند به طور مستقيم از هگزافلوريد اورانيوم غني شده به عنوان سوخت هسته‌اي استفاده كنند اما براي تهيه سوخت هسته‌اي بسياري انواع ديگر راكتورها لازم است كه هگزافلوريد اورانيوم غني شده را به شكل به اصطلاح “ميله‌هاي سوختي” از دي اكسيد اورانيوم غني شده(‪ (UO2و يا در موارد معدود، به اورانيوم غني شده فلزي(‪ (Uتبديل كرد.

تبديل ‪ UF6غني شده به ‪ UO2غني شده نيز خود به دو روش شيميايي موسوم به خشك و تر انجام مي‌گيرد كه پرداختن بدانها از حوصله اين بحث خارج است.

در پايان اين مرحله سوخت هسته‌اي آماده قرارگرفتن در راكتور و آغاز توليد انرژي است. حال كه سوخت هسته‌اي با درصد مورد نياز اورانيوم ‪۲۳۵(حدود ‪ ۲تا ‪۵ درصد) به منظور استفاده در راكتور هسته‌اي آماده شد، عملكرد يك راكتور هسته‌اي را نيز به صورت خلاصه بررسي مي‌كنيم.

عملكرد راكتور هسته اي …………………

همانطور كه گفتيم، سوخت هسته‌اي شامل اورانيوم ‪ ۲۳۸و اورانيوم ‪۲۳۵ است كه درصد اورانيوم ‪ ۲۳۵با روشهاي غني‌سازي از حدود ‪ ۰/۷درصد در وضعيت طبيعي به حدود ‪ ۲تا ‪ ۵درصد در وضعيت غني شده افزايش يافته‌است. به زبان ساده، درون يك راكتور هسته‌اي اورانيوم ‪ ۲۳۵به صورت كنترل شده توسط نوترونها بمباران مي‌شود. برخورد نوترونها به هسته اتم اورانيوم ‪ ۲۳۵سبب شكست اين هسته شده كه نتيجه شكست مذكور توليد انرژي و توليد نوترونهاي بيشتر است.

كنترل اين نوترونهاي پر انرژي حاصل شده ضروري است زيرا مي‌توانند درون راكتور طي يك فرايند زنجيره‌اي سبب شكست هسته‌هاي بيشتر اورانيوم ‪۲۳۵ و بروز حادثه شوند. براي كاهش انرژي نوترونهاي آزاد شده و جذب آنها از مواد نرم‌كننده (از قبيل آب سبك، آب سنگين، گرافيت) و ميله‌هاي مهار كننده(از قبيل كاديوم و يا بور) درون راكتور استفاده مي‌شود.

البته تعدادي از اين نوترونها نيز پس از شكست هسته اورانيوم ‪ ، ۲۳۵با هسته اورانيوم ‪ ۲۳۸برخورد كرده و سبب پيدايش ايزوتوپ جديد و ناپايداري از اورانيوم به نام اورانيوم ‪ ۲۳۹مي‌شوند كه خود اين ماده نيز در نهايت به يك عنصر راديواكتيو ديگر به نام پلوتونيوم ‪ ۲۳۹بدل مي‌شود. پلوتونيوم ‪۲۳۹ همانند اورانيوم ‪ ۲۳۵خود مي‌تواند به عنوان سوخت هسته‌اي مجددا مورد استفاده قرار بگيرد.

انرژي آزاد شده به صورت گرما در پي شكست هسته اورانيوم ‪ ۲۳۵درون راكتور، توسط مواد خنك‌كننده و به منظور به حركت در آوردن توربينهاي توليد برق، به خارج از راكتور منتقل مي‌شود. اين مواد خنك‌كننده يا انتقال‌دهنده انرژي حرارتي(از قبيل گاز دي اكسيي كربن، آب، آب‌سنگين، گاز هليم و يا سديم مذاب)، پس از انتقال انرژي به بيرون از راكتور و خنك شدن مجددا به داخل راكتور برمي گردند و اين فرايند به صورت مداوم براي توليد برق ادامه مي‌يابد.

سوخت مصرف شده در راكتور در پايان كار حاوي حدود ‪ ۹۵درصد اورانيوم ‪ ،۲۳۸حدود يك درصد اورانيوم ‪ ۲۳۵شكافته نشده، حدود يك درصد پلوتونيوم و حدود سه درصد مواد پرتوزاي حاصل از شكافته شدن اورانيوم ‪ ۲۳۵و همچنين عناصر فوق سنگين بوجود آمده درون راكتور است. اين سوخت مصرف شده معمولا در تجهيزات دوباره‌سازي به سه جزء اصلي اورانيوم، پلوتونيوم و پس ماندهاي پرتوزا تقسيم مي‌شود.

به لحاظ تاريخي اولين راكتور هسته‌اي در آمريكا و به منظور استفاده در زير دريائيها ساخته‌شد. ساخت اين راكتور پايه اصلي و استخوان بندي تكنولوژي فعلي نيروگاههاي هسته‌اي از نوع ‪ PWRرا تشكيل مي‌دهد. پس از آن شركت جنرال الكتريك موفق به ساخت راكتورهايي از نوع ‪ BWRگرديد اما اولين راكتوري كه منحصرا جهت توليد برق مورد استفاده قرار گرفت توسط شوروي سابق و در ژوئن ‪ ۱۹۵۴در “آبنينسك” نزديك مسكو احداث گرديد كه بيشتر جنبه نمايشي داشت.

توليد الكتريسيته از راكتورهاي هسته‌اي در مقياس صنعتي در سال ‪۱۹۵۶ در انگلستان آغاز شد. تا سال ‪ ۱۹۶۵روند ساخت نيروگاههاي هسته‌اي از رشد محدودي برخوردار بود اما طي دو دهه ‪ ۱۹۶۶تا ‪ ۱۹۸۵جهش زيادي در ساخت نيروگاههاي هسته‌اي بوجود آمد. اين جهش طي سالهاي ‪ ۱۹۷۲تا ‪ ۱۹۷۶كه بطور متوسط هر سال ‪ ۳۰نيروگاه شروع به ساخت مي‌كردند، بسيار زياد و قابل توجه است. پس از دوره جهش فوق يعني از سال ‪ ۱۹۸۶تاكنون روند ساخت نيروگاهها كاهش يافته بطوريكه هم اكنون بطور متوسط ساليانه كار ساخت ‪ ۴راكتور هسته اي آغاز مي‌شود.

در سالهاي گذشته گسترش استفاده از انرژي هسته‌اي براي توليد برق در كشورهاي مختلف روندهاي گوناگوني داشته‌است. به عنوان مثال كشور انگليس تا سال ‪ ۱۹۶۵پيشرو در ساخت نيروگاه‌هاي هسته‌اي بود، اما پس از آن تاريخ ساخت نيروگاه هسته‌اي در اين كشور كاهش يافت. برعكس كشور آمريكا كه تا اواخر دهه ‪ ۱۹۶۰تنها ‪ ۱۷نيروگاه هسته‌اي داشت در طول دهه‌هاي ‪۱۹۷۰و ‪ ۱۹۸۰بيش از ‪ ۹۰نيروگاه هسته‌اي ديگر ساخت. هم اكنون كشور فرانسه ‪ ۷۵درصد از برق مورد نياز خود را توسط نيروگاه‌هاي هسته‌اي توليد مي‌كند كه از اين بابت در صدر كشورهاي جهان قرار دارد.

ادامه دارد.........