دانلود تحقیق آشنایی با انرژی هسته‌ای و استفادههای صلح جویانه از آن در صنعت و اقتصاد

آشنایی با انرژی هسته¬ای و استفاده¬های صلح جویانه از آن در صنعت و اقتصاد












1- مقدمه
انرژی هسته ای از عمده ترین مباحث علوم و تکنولوژی هسته ای است و هم اکنون نقش عمده ای را در تأمین انرژی کشورهای مختلف خصوصا کشورهای پیشرفته دارد.

اهمیت انرژی و منابع مختلف تهیه آن، در حال حاضر جزء رویکردهای اصلی دولت¬ها قرار دارد.

به عبارت بهتر، بررسی، اصلاح و استفاده بهینه از منابع موجود انرژی، از مسائل مهم هر کشور در جهت توسعه اقتصادی و اجتماعی است.

امروزه بحران¬های سیاسی و اقتصادی و مسائلی نظیر محدودیت ذخایر فسیلی، نگرانی¬های زیست محیطی، ازدیاد جمعیت، همگی مباحث جهان شمولی هستند که با گستردگی تمام فکر اندیشمندان را در یافتن راه کارهای مناسب برای حل معظلات انرژی در جهان به خود مشغول داشته اند.

در حال حاضر اغلب کشورهای جهان به نقش و اهمیت منابع مختلف انرژی در تأمین نیازهای حال و آینده پی برده و سرمایه گذاری ها و تحقیقات وسیعی را در جهت سیاست گذاری، استراتژی و برنامه های زیربنایی و اصولی انجام می دهند.

در میان حامل¬های مختلف انرژی، انرژی هسته ای جایگاه ویژه ای دارد.

هم اکنون بیش از 430 نیروگاه هسته ای در جهان فعال می باشند و انرژی برخی کشورها مانند فرانسه عمدتا از برق هسته¬ای تأمین می شود.

جمهوری اسلامی ایران بیش از سه دهه است که تحقیقات متنوعی را در زمینه های مختلف علوم و تکنولوژی هسته ای انجام داده و براساس استراتژی خود، مصمم به ایجاد نیروگاه¬های هسته ای به ظرفیت کل 6000 مگاوات تا سال 1400 هجری شمسی می باشد.

در این زمینه، جمهوری اسلامی ایران در نشست گذشته آژانس بین المللی انرژی اتمی، تمایل خود را نسبت به همکاری تمامی کشورهای جهان جهت ایجاد این نیروگاه¬ها و تهیه سوخت مربوطه رسما" اعلام نموده است.

2- سوخت هسته ای
استفاده از سوخت هسته¬ای برای تولید انرژی، با به کارگیری اولین راکتورهای قدرت در دهه 60 میلادی شروع شد و تولید و مصرف آن به طور پیوسته رو به افزایش بوده است.

پایه صنعت انرژی هسته¬ای مبتنی بر استفاده از انرژی درونی اورانیوم می¬باشد.

بر حسب نوع راکتور نیروگاه اتمی، قسمت اصلی این انرژی و یا بخش کوچکی از آن مورد استفاده قرار می¬گیرد.

یکی از تفاوت های اساسی سوخت هسته¬ای با سوخت فسیلی، پدیده شکافت هسته¬ای در سوخت است.

با تولید انرژی به وسیله شکافت، ساختار سوخت به صورت آرام ولی پیوسته تغییر کرده و پاره های شکافت رادیو اکتیو را به وجود می¬آورد.

از این حهت رعایت مسایل ایمنی و پیش بینی جداره های بازدارنده متوالی در راکتور برای جلوگیری از پخش مواد رادیواکتیو ضروری است.

یکی دیگر از ویژگی های سوخت هسته¬ای، امکان استفاده از آن در یک مدار بسته یا چرخه سوخت است.

با بازفرایابی سوخت مصرف شده که در حال حاضر در کشورهای صنعتی انجام می-گردد، اورانیوم مصرف نشده و پلوتونیوم تولید شده در راکتور برای مصرف دوباره، برگشت داده می¬شود.

در راکتورهای هسته¬ای از شکافت هسته¬ای برای تولید انرژی گرمایی استفاده می¬شود.

این انرژی حرارتی به وسیله توربین به انرژی مکانیکی و توسط ژنراتور به انرژی الکتریکی تبدیل می¬شود.

بنابراین، راکتورهای هسته¬ای همان نقشی را در نیروگاه هسته¬ای ایفاد می¬کنند که دیگهای بخار در نیروگاه¬ های حرارتی با سوخت فسیلی به عهده دارند.

تفاوت نیروگاه¬های هسته¬ای با حرارتی در نوع سوخت مصرفی آنهاست که در اولی از سوفت هسته¬ای و در دومی از مواد نفتی، گاز یا زغال سنگ استفاده می¬شود.

ماده اصلی که برای سوخت راکتورها به کارمی¬رود، اورانیوم یا ترکیباتی از این فلز است که به علت خاصیتی که در جذب نوترون و شکافت هسته¬ای دارد، مورد استفاده قرار می¬گیرد.

اورانیوم یک ماده رادیواکتیو است که در طبیعت یافت می¬شود.

پلوتونیوم فلز دیگری است که برای سوخت در راکتورهای قدرت به کار می¬رود ولی این فلزکه آن هم رادیواکتیو است، در طبیعت یافت نمی¬شود و از واکنش های هسته¬ای اورانیوم به وجود می¬آید.

3- انرژی هسته ای
انرژی به دست آمده از فعل و انفعالات هسته ای را انرژی هسته ای می گویند.

این انرژی از دو منشا می تواند سرچشمه بگیرد.

یکی شکافت هسته اتمهای سنگین و دیگر همجوشی یا گداخت هسته اتمهای سبک، که به اختصار به این دو فعل و انفعال هسته ای که به تولید انرژی هسته ای منجر می گردند پرداخته می شود.

3-1 شکافت هسته ای پس از کشف نوترون توسط"چاودیک" در سال 1932، هان و استراسمن، دانشمندان آلمانی، در سال 1939 طی مقاله ای نشان دادند که این ذره می تواند عناصر سنگینی از قبیل اورانیوم را شکافته و آنها را به عناصر دیگر با جرم کمتر تبدیل نماید.

شکافت اورانیوم که علاوه بر آزادسازی انرژی یا گسیل چند نوترون نیز همراه می شود، منشا تحولات بسیاری در قرن اخیر شده است.

در طی تحقیقاتی که قبل از جنگ جهانی دوم به ویژه در فرانسه و آلمان انجام گرفت، محقق گشت که نوترونهای آزاد شده می توانند تحت شرایط مناسب برای ایجاد شکافت در دیگر هسته های اورانیوم مورد استفاده قرار گیرند و بدین ترتیب یک واکنش زنجیره ای را می توان آغاز نمود که باعث آزادسازی مقدار قابل ملاحظه ای انرژی گردد.

این شکافت بیشتر مربوط به 235-U (اورانیوم با جرم اتمی 235) بود و وجود یک حداقل جرمی از اورانیوم برای یک واکنش زنجیره ای لازم به نظر می رسید.

این حداقل را جرم بحرانی نامیدند.

در طول جنگ جهانی دوم، این تحقیقات در کشورهای انگلستان، کانادا و عمدتا آمریکا ادامه یافت و نتیجتا به ساخت اولین راکتور اتمی در زیرزمین دانشگاه شیکاگو توسط فرمی و چندی بعد به تولید اولین بمب اتمی منجر گردید که بطور موفقیت آمیزی فجایع اسف بار هیروشیما و ناکازاکی را بوجود آورد.

راکتور اتمی نمونه بارز استفاده صلح آمیز از انرژی اتمی بود در حالیکه بمب اتمی به وضوح استفاده غیرصلح آمیز آن را آشکار می ساخت.

به هرحال هر دوی این فرآیندها به تولید انرژی هسته ای که ناشی از شکافت هسته اتمهای سنگین بود منجر گشتند، البته یکی کنترل شده (راکتور اتمی) و دیگری کنترل نشده (بمب اتمی) به حساب می آمد.

شکافت هسته های سنگین به دو هسته سبکتر، همراه با آزاد شدن مقادیر زیادی انرژی است و این فرآیند تنها در هسته های سنگینی چون اورانیوم و پلوتونیوم اتفاق می افتد.

برای ایجاد شکافت مناسب، باید واکنش هستهای بصورت زنجیره وار و پیوسته انجام گردد وگرنه نتیجه مطلوب حاصل نخواهد گردید.

fission + 2 or 3 n + 200 MW MeV U235 + n نحوه شکافت اورانیوم 235 توسط نوترون کند 3-2 همجوشی یا گداخت هسته ای همجوشی یا گداخت هسته ای را می توان به عنوان فرآیند عکس شکافت هسته ای قلمداد کرد، یعنی فرآیندی که در آن دست کم یکی از محصولات واکنش هسته ای ازهر یک از مواد واکنش زای اولیه پر جرمتر باشد.

گداخت هسته ای در مواردی که جرم کل هسته های محصول از جرم کل مواد واکنش زا کمتر باشد منجر به رهایی انرژی خواهد شد.

فعل و انفعالاتی که در ستاره ها رخ می دهد و منجر به تولید انرژی بسیار زیادی می گردد، شناخته شده ترین و بارزترین نمونه های همجوشی یا گداخت هسته ای است.

گداخت هسته ای را سرچشمه انرژی فردا می دانند.

از محسنات راکتورهای گداخت، درجه بالای ایمنی آنهاست و برخلاف راکتورهای شکافت هسته ای که پسمانهای رادیو اکتیو بسیاری تولید می کنند، پسمان راکتورهای گداخت مقدار کمی هلیوم غیر رادیواکتیو است.

4- نیروگاه اتمی برق از مهمترین منابع استفاده صلح آمیز از انرژی اتمی، ساخت راکتورهای هسته ای جهت تولید برق می باشد.

امروزه نیروگاه های قدرت بیشتر برای تولید نیروی برق به کار میروند و همانند نیروگاه های بخاری، در نیروگاه اتمی نیز بخار برای راه اندازی توربین مصرف میشود و انرژی چرخشی آن در یک ژنراتور به انرژی الکتریکی تبدیل میگردد.

برخلاف یک نیروگاه معمولی فسیلی، در نیروگاه هستهای انرژی حرارتی برای تولید بخار توسط سوختن شیمیایی موادی مانند ذغال سنگ، نفت و گاز ایجاد نشده، بلکه توسط شکافته شدن هستههای عناصر سنگین مانند اورانیوم، حاصل و توسط سیال خنک کننده برداشت میشود.

بنابراین تفاوت اصلی نیروگاه اتمی با نبروگاههای حرارتی عادی در روش تولید انرژی حرارتی آن میباشد.

در نیروگاههای حرارتی از سوخت های فسیلی همچون نفت، گاز یا ذغال سنگ استفاده میشود ولی در نیروگاه اتمی حرارت به وسیله واکنشهای زنجیرهای کنترل شده ایجاد میگردد و طی آنها هستههای لازم برای تولید جریان الکتریکی شکافته میشوند.

راکتور یک ساختار فلزی است در آن سوخت هستهای، ماده کند کننده نوترونها و ماده خنک کننده در کنار یکدیگر قرار گرفته اند.

محدوده سوخت هسته ای یک راکتور را که در آنجا واکنش هستهای رخ داده وانرژی گرمایی تولید میشود، قلب راکتور میگویند.

انرژی گرمایی تولید شده در راکتور توسط ماده خنک کننده ( آب، آب سنگین، گاز و ...) به یک مبدل گرمایی منتقل و در آنجا توسط بخار آب به توربین منتقل میشود.

بخار آب بخشی از انرژی گرمایی خود را به پرههای توربین منتقل کرده و محور توربین را به گردش در میآورد.

راکتور هستهای و مبدل گرمایی را یک ساختار بتنی به نام پوشش ایمنی احاطه میکند تا در صورت بروز حادثه، از پخش مواد رادیواکتیو به محیط اطراف جلوگیری شود.

راکتورهسته ای وسیله ای است که در آن فرآیند شکافت هسته ای بصورت کنترل شده انجام می گیرد.

در طی این فرآیند انرژی زیادی آزاد می گردد.

به نحوی که مثلا در اثر شکافت نیم کیلوگرم اورانیوم انرژی معادل بیش از 1500 تن زغال سنگ به دست می آید.

هم اکنون در سراسر جهان، راکتورهای متعددی در حال کار وجود دارند که بسیاری از آنها برای تولید قدرت و به منظور تبدیل آن به انرژی الکتریکی، پاره ای برای راندن کشتیها و زیردریائیها، برخی برای تولید رادیو ایزوتوپوپها و تحقیقات علمی و گونه هایی نیز برای مقاصد آزمایشی و آموزشی مورد استفاده قرار می گیرند.

در راکتورهای هسته ای که برای نیروگاههای اتمی طراحی شده اند (راکتورهای قدرت)، اتمهای اورانیوم و پلوتونیم توسط نوترونها شکافته می شوند و انرژی آزاد شده گرمای لازم را برای تولید بخار ایجاد کرده و بخار حاصله برای چرخاندن توربینهای مولد برق به کار گرفته می شوند.

به لحاظ تاریخی اولین راکتور اتمی در آمریکا بوسیله شرکت "وستینگهاوس" و به منظور استفاده در زیر دریائیها ساخته شد.

ساخت این راکتور پایه اصلی و استخوان بندی تکنولوژی فعلی نیروگاههای اتمیPWR را تشکیل داد.

سپس شرکت جنرال الکتریک موفق به ساخت راکتورهایی از نوع BWR گردید.

اما اولین راکتوری که اختصاصا جهت تولید برق طراحی شده، در ژوئن 1954در شهر"آبنینسک" در نزدیکی مسکو درکشور شوروی سابق احداث گردید که بیشتر جنبه نمایشی داشت، تولید الکتریسیته از راکتورهای اتمی در مقیاس صنعتی در سال 1956 در انگلستان آغاز گردید.

تا سال 1965 روند ساخت نیروگاههای اتمی از رشد محدودی برخوردار بود اما طی دو دهه 1966 تا 1985 جهش زیادی در ساخت نیروگاههای اتمی به وجود آمده است.

این جهش طی سالهای 1972 تا 1976 که به طور متوسط هر سال 30 نیروگاه شروع به ساخت می کردند بسیار زیاد و قابل توجه است.

یک دلیل آن شوک نفتی اوایل دهه 1970 می باشد که کشورهای مختلف را برآن داشت تا جهت تأمین انرژی مورد نیاز خود بطور زاید الوصفی به انرژی هسته ای روی آورند.

پس از دوره جهش فوق یعنی از سال 1986 تاکنون روند ساخت نیروگاهها به شدت کاهش یافته است.

به طوریکه در حال حاضر به طور متوسط سالیانه ساخت 4 راکتور اتمی شروع می شود.

کشورهای مختلف در تولید برق هسته ای روند گوناگونی داشته اند.

به عنوان مثال کشور انگلستان که تا سال 1965 پیشرو در ساخت نیروگاه اتمی بود، پس از آن تاریخ، ساخت نیروگاه اتمی در این کشور کاهش یافت.

اما برعکس در آمریکا به اوج خود رسید.

کشور آمریکا که تا اواخر دهه 1960 تنها 17 نیروگاه اتمی داشت در طول دهه های 1970و 1980 بیش از 90 نیروگاه اتمی دیگر ساخت.

این مسئله نشان دهنده افزایش شدید تقاضای انرژی در آمریکاست.

هزینه تولید برق هسته ای در مقایسه با تولید برق از منابع دیگر انرژی در امریکا کاملا قابل رقابت می باشد.

هم اکنون فرانسه با داشتن سهم 75 درصدی برق هسته ای از کل تولید برق خود درصدر کشورهای جهان قرار دارد.

پس از آن به ترتیب لیتوانی(73درصد)، بلژیک(57درصد)، بلغارستان و اسلواکی(47درصد) و سوئد (8/46درصد) می باشند.

آمریکا نیز حدود 20 درصد از تولید برق خود را به برق هسته ای اختصاص داده است.

گرچه ساخت نیروگاههای هسته ای و تولید برق هسته ای در جهان از رشد انفجاری اواخر دهه 1960 تا اواسط 1980 برخوردار نیست اما کشورهای مختلف همچنان درصدد تأمین انرژی مورد نیاز خود از طریق انرژی هسته ای می باشند.

طبق پیش بینی های به عمل آمده روند استفاده از برق هسته ای تا دهه های آینده همچنان روند صعودی