مقاله در مورد انرژی اتمی

word قابل ویرایش
60 صفحه
12700 تومان
127,000 ریال – خرید و دانلود

انرژی اتمی

فهرست مطالب

عنوان صفحه
مقدمه ۱
چکیده ۳
فصل اول : شناخت انرژی اتمی ۴
تعریف انرژی ۵

دسته بندی انرژی ها ۵
انرژی اتمی و اهمیت آن ۶
غنی سازی اورانیوم ۱۰
فصل دوم : تولید انرژی اتمی ۱۲
شکافت هسته به وسیله نوترون ۱۳
همجوشی هسته اتم ۱۷
رابطه انیشتین ۱۹
فصل سوم : راکتورهای اتمی ۲۰
ساختمان راکتور ۲۱
سوخت راکتور ۲۱
مواد کند کننده نوترون ۲۳
خنک کننده ها ۲۴
انواع راکتور ۲۶
آب سنگین در راکتور ۲۷

فصل چهارم : موارد استفاده انرژی اتمی ۳۰
تولید برق ۳۱
انرژی اتمی در پزشکی ۳۲
انرژی اتمی در صنعت ۳۶
انرژی اتمی در کشاورزی ۳۹
فصل پنجم : مزایا و مضرات انرژی اتمی ۴۰
بمب اتمی ۴۲

فصل ششم : سازمان های اتمی ۴۸
انرژی اتمی در ایران ۴۹
آژانس بین المللی اتمی ۵۱
ارجاعات ۵۲
فهرست منابع ۵۴

امروزه مردم دنیای بزرگ ما ، بزرگترین دوران رشد و تکامل خود را در تمامی زمینه ها تجربه می کنند . در گذشته سرعت گسترش و پیشرفت در علوم و فنون مختلف چون امروز نبوده است . اکنون انسان باشتاب روز افزون به سوی دنیایی بهتر و زندگی توأم با آسایش بیشتر پیش می رود . صرف نظر از مشکلات و معضلات جانبی ناشی از توسعه بی رویه و نامناسب در برخی جهات ، به طور کلی می توان گفت پیشرفت علوم باعث ارتقاء سطح زندگی ، معیشت و آسایش بشر امروزی شده است بشر پیشرفته کنونی ، به افق های دوردست چشم دوخته و پس از تسخیر ماه می رود تا به کرات دیگر و فضای لایتناهی دست یابد پیشرفت و تعالی بشر امروز ، بی شک مرهون تلاش بی وقفه دانشمندان علوم مختلف بوده است .

بنابراین مادر دنیای امروز نیازمند به جایگزینی انرژی هسته ای با سوخت های فسیلی هستیم و این حق پیشرفت ، از آن ماست . جمهوری اسلامی ایران به عنوان یکی از کشورهای امضا کننده ی معاهده ی منع تکثیر و گسترش سلاح های هسته‌ای، همواره بر حق خود جهت برخورداری از دانش و فناوری مسالمت آمیز هسته ای ، بر اساس موافقت نامه های جهانی تأکید کرده و استفاده از آن را حق مسلم خود می‌داند .

در این تحقیق سعی شده اشاره ای هر چند اندک به مزایای این نیروی عظیم و روش بهره‌برداری و استفاده از آن بشود . بنابر این هدف اینجانب از انجام این تحقیق آشنایی با انرژی اتمی بوده است .
ضمناً از تمامی کسانی که روح تحقیق و پژوهش را در دانش آموزان پرورش می‌دهند، صمیمانه تشکر می کنم . چون یقین دارم حتی این تحقیق های کوچک در آینده، زمینه ساز تحقیق ها و پژوهش های بسیار بزرگ تر شده و گامی جهت پیشرفت مردم عزیز خواهد شد .

چکیده
در حال حاضر ، انرژی اتمی بهترین سوخت جهان به شمار می رود که از دو راه شکافت هسته ای و همجوشی هسته ای می توان آن را تولید و از انرژی آن استفاده کرد . در روش شکافت هسته ای که کاملاً در راکتور اتمی انجام می گیرد ، اورانیوم سوخت اصلی است و از آن برای به کار انداختن راکتور استفاده می شود . در این روش یک نوترون به هسته اورانیوم ۲۳۵ که مقدار آن در سنگ اورانیوم ۰۷/۰ درصد است، برخورد کرده ، باعث تقسیم شدن آن می شود و دو نوترون جدید هم به وجود می آید این دو نوترون جدید خود به دو هسته دیگر برخورد کرده و به همین ترتیب هسته های زیادی شکافته می شوند و انرژی فراوانی را تولید می کنند . در همجوشی هسته ای دقیقاً عکس این عمل رخ می دهد . یعنی دو هسته کوچک به یک هسته بزرگتر تبدیل شده و به همراه نوترون مقدار بسیار عظیمی انرژی تولید می کند . البته این عمل هنوز در روی زمین به طور کامل انجام نگرفته است . زیرا امکان پذیر نمی باشد .
از انرژی بدست آمده در روش های بالا می توان برای

تولید ب

رق استفاده کرد همچنین انرژی اتمی در پزشکی ، صنعت و کشاورزی استفاده های فراوانی دارد .
انرژی اتمی حدود ۳۰ سال است که وارد ایران شده و هم اکنون بخش کوچکی از تولید برق کشور را به خود اختصاص داده است .

فصل اول
شناخت انرژی اتمی

تعریف انرژی
هر نوع حرکت و پویایی چه در موجود زنده و چه غیر زنده نیاز به یک عامل اولیه برای شروع و همچنین ادامه کار خود دارد . این عامل حرکت و پویایی را انرژی می نامیم . انرژی عبارت است از توانایی انجام کار به زبان دیگر برای انجام هر کاری نیاز به انرژی است . بنابراین هر نوع حرکت و جنبشی برای آن که انجام شود . نیاز به انرژی دارد. (۱)
دسته بندی انرژی ها: نوعی تقسیم بندی انرژی به این شکل است که تمام انرژی‌ها را در دو گروه انرژی های نهفته در ماده (مانند انرژی سوخت های فسیلی و انرژی اتمی) و انرژی مکانیکی تقسیم بندی می کنند .
نوع دیگر تقسیم بندی بر حسب دائمی بودن (تجدید پذیر مانند انرژی باد) و غیر دائمی بودن (تجدید ناپذیر بودن مانند انرژی اتمی ناشی از اورانیوم) بودن انرژی هاست.(۲)

انرژی اتمی و اهمیت آن
انرژی اتمی از جمله انرژی های تجدید ناپذیر است و از جمله انرژی های نهفته در ماده می باشد . این انرژی از یک واکنش اتمی ناشی می شود . یعنی فعل و انفعالات درون اتم های سوخت اتمی باعث تولید آن می شود . در فرآیند تولید انرژی اتمی ، اتم های سوخت اتمی ، که غالباً فلز اورانیوم است ، متلاشی می شوند . ماده‌ی اورانیوم که مهم ترین سوخت برای بدست آوردن انرژی اتمی است ، به مقدار نسبتاً زیاد در پوسته زمین وجود دارد . تا سال ۱۹۶۰ نفت و زغال سنگ تنها منابع انرژی جهان به شمار می رفتند . ولی از آن سال به بعد انرژی اتمی نیز قسمتی از انرژی مورد نیاز بشر را تأمین می کند . با کشف منابع جدید اورانیوم در پوسته زمین رفته رفته تعداد نیروگاه هایی که از اورانیوم به عنوان سوخت اتمی استفاده و برق تولید می کنند افزایش یافت.(۳)
از همان ابتدای استخراج نفت برای مصرف بشر ، روز به روز به مقدار مصرف آن افزوده می شد . و متخصصان همواره نگران آن بودند که در آینده نه چندان دور روزی خواهد رسید که منابع زیر زمینی نفت به پایان خواهد رسید . هنوز هم این نگرانی ها وجود دارد . از همان زمان ، این نگرانیها دانشمندان را بر یافتن راه های جدید برای تولید انرژی از منابع انرژی دیگر ترغیب نموده است . استفاده از انرژی اتمی ناشی از این نوع بینش دانشمندان نسبت به آینده سوخت های فسیلی بوده است .
دانشمندان دریافته اند که منشأ تمام انرژی های مورد استفاده بشر حاصل از انرژی تشعشعات نورانی خورشید است . اما نکته بسیار جالب اینکه منشأ خود انرژی خورشیدی ، انرژی اتمی یا انرژی حاصل از همجوشی اتم هاست . بنابر این انرژی اتمی ریشه و منشأ تمام انرژی جهان هستی است . از ابتدای قرن بیستم که دانشمندان به انرژی عظیمی که در اتم برخی فلزات

سنگین مثل اورانیوم و پلوتونیم وجود دارد ، پی بردند . تحقیقات فراوانی به منظور یافتن روش های مناسب به منظور استفاده از این انرژی عظیم توسط دانشمندان کشورهای پیشرفته انجام شده است . این تحقیقات در سال ۱۹۵۶ به ایجاد اولین نیروگاه اتمی دنیا در آمریکا منجر شد و عملاً از سال ۱۹۶۰ میلادی استفاده از انرژی اتمی به جای سوخت های فسیلی به تدریج در حال شکل گیری است.(۴)
هم اکنون کشورهای صنعتی که بخش عمده انرژی دنیا را مصرف می کنند استفاده از انرژ

ی اتمی به عنوان سوخت اصلی برای نیروگاه های برق را انتخاب نموده و تلاش زیادی برای افزایش میزان تولید برق از طریق انرژی اتمی انجام می دهند . چیزی که باعث شده انرژی اتمی بیش از دیگر انرژی های نو مورد توجه قرار بگیرد ، آن است که انرژی های نو هر یک به دلیل خاصی قادر به برآوردن نیازهای انرژی بشر امروزی که به طور فزاینده ای در حال رشد است ، نمی باشد . در مقابل ، انرژی اتمی نسبت به دیگر انرژی های نو از مزایای ویژه ای برخوردار است . و از همه مهمتر آن که این انرژی به صرفه اقتصادی است .
بنابر این انرژی اتمی با آن که از نظر بسیاری از مردم ، انرژی خطر ناکی برای محیط زیست به شمار می رود ، اما عملاً توسعه روز افزون و شتابانی داشته است . به طوری که بسیاری از کشورهای جهان سوم نیز در آستانه استفاده از این انرژی برای تولید برق قرار گرفته اند .
از آن جا که ساختن نیروگاه اتمی به دانش و تکنولوژی بسیار پیشرفته نیاز دارد، کشورهای پیشرفته توانسته اند با مراقبت شدید و وضع مقررات سخت ، جلوی ورود تکنولوژی و طرز ساخت نیروگاه های اتمی به کشورهای کمتر توسعه یافته را تا حدودی بگیرند ، اما به طور کامل موفق نبوده اند .
ما باید به گونه ای تدریجی استفاده از انرژی سوخت های فسیلی را با منابع انرژی دیگر جایگزین کنیم ، چرا که با اتمام منابع سوخت های فسیلی باید بلا فاصله قدرت استفاده از انرژی های دیگر را داشته باشیم . و از آن جا که دستیابی به منابع انرژی های دیگر به زمان طولانی بستگی دارد ، به ناچار باید از حالا تلاش گسترده ای را آغاز کنیم تا در دهه های آینده دچار کمبود انرژی در کشور نشویم. با این استدلال برنامه ریزی جهت استفاده از انرژی اتمی را می توان لازم و ضروری دانست.(۵)‌
اورانیوم
قبل از آن که به معرفی اورانیوم بپردازیم ، بهتر است کمی خود اتم را توضیح دهیم و آن را بشناسیم . هر عنصری از ذرات بسیار ریزی که ما آن ها را اتم می‌نامیم ، ساخته شده است . اتم ها به حدی کوچک هستند که با هیچ دستگاهی نمی توان آن ها را دید . اورانیوم و پلوتونیم نیز که هر دو فلز هستند ، از ذرات بسیار ریز اتم درست شده اند . دانشمندان کشف کرده اند که یک اتم خود از چند ذره ریز تر تشکیل شده است . ممکن است یک اتم ، ۱ ،۲، ۳، …،۶ یا ۷ لایه داشته باشد در مرکز این چند لایه یک ذره دیگر وجود دارد که نسبت به خود اتم بسیار ریزتر است این ذره را هسته ی اتم می گویند .

در لایه های اطراف هسته اتم تعدادی ذرات بسیار ریز به نام الکترون وجود دارند که همواره به دور هسته در حال چرخش هستند . اورانیوم دارای ۷ لایه بوده و در لایه های آن جمعاً ۹۲ الکترون وجود دارد . در هسته هر اتم نیز دو نوع ذره وجود دارد . یکی به نام پروتون و دیگری به نام نوترون که در کنار هم در هسته به طور ساکن قرار گرفته‌اند. به طور قرار دادی به تعداد پروتون های اتم های یک عنصر عدد اتمی گفته می‌شود و به حاصل جمع تعداد نوترون ها و پروتون های موجود در هسته اتم یک عنصر عدد جرمی گویند.
تمام اتم های تشکیل دهنده ی یک عنصر در هسته خود

تعداد مساوی نوترون ندارند. حال آن که همواره در تمام هسته های اتم های آن تعداد پروتون ها برابر است. مثلاً در تمام اتم های عنصر اورانیوم هسته دارای ۹۲ پروتون می باشد اما در برخی از اتم ها تعداد نوترون ۱۴۳ عدد و در برخی از اتم های دیگر تعداد نوترون ها ۱۴۶ عدد است این اختلاف تعداد نوترون در هسته اتم اورانیوم باعث می شود که ما دو نوع اورانیوم داشته باشیم . البته هر دو نوع ، اورانیوم هستند و خواص اورانیوم را دارند . فقط یکی نسبت به دیگری از لحاظ وزنی کمی سنگین تر است . به این دو نوع اورانیوم ایزوتوپ اورانیوم می‌گوییم. ایزوتوپ‌های اورانیوم دو نوع هستند. یکی ایزوتوپ ۲۳۵ اورانیوم که حاصل جمع تعداد نوترون و پروتون های آن است یعنی عدد جرمی آن ۲۳۵ است . و دیگری ایزوتوپ ۲۳۸ که عدد جرمی آن ۲۳۸ است. (۶)
غنی سازی اورانیوم
چنان که گفتیم دو نوع اورانیوم یا به عبارتی دو ایزوتوپ اورانیوم وجود دارد . یکی ایزوتوپ ۲۳۸ و دیگری ایزوتوپ ۲۳۵ در اورانیوم طبیعی که از خاک های معدنی استخراج می شود ، از هر ۱۰۰۰ کیلو گرم ، ۹۹۳ کیلوی آن ایزوتوپ نوع ۲۳۸ و تنها ۷ کیلوی آن ایزوتوپ نوع ۲۳۵ است برای انجام عمل شکافت هسته اورانیوم ، باید از ایزوتوپ نوع ۲۳۵ استفاده کرد از آن جا که این ایزوتوپ مقدارش نسبت به ایزوتوپ ۲۳۸ بسیار کمتر است ، جدا سازی آن کار خیلی مشکلی است و نیاز به وسایل پیچیده و بسیار گران قیمت دارد . به طوری که تا

کنون فقط چند کشور پیشرفته قادرند این عمل جدا سازی را انجام دهند ، این کشور ها عبارتند از : روسیه ، فرانسه، آمریکا ، چین ، انگلیس ، آلمان و چند کشور دیگر به همین دلیل کشورهایی که توانسته اند با استفاده از این تکنولوژی سلاح هسته ای که بسیار ویران کننده است ، بسازند ، بسیار کم است به عملی که باعث جداسازی ایزوتوپ ۲۳۵ از ایزوتوپ ۲۳۸ اورانیوم می شود ، «غنی سازی اورانیوم » گفته می شود .
برای انجام عمل غنی سازی اورانیوم نیاز به دستگاه های

فوق العاده پیچیده و پیشرفته می باشد عمل غنی سازی غالباً در حالت گازی انجام می شود یعنی ابتدا خاک معدنی اورانیوم را طی مراحلی تصفیه نموده و سپس آن را به نمک فلوئورید به فرمول UF6 تبدیل می کنند که حالت گازی دارد . سپس این گاز که در آن ایزوتوپ ۲۳۸ و ۲۳۵ همراه هم وجود دارد ، را وارد محفظه ای می کنند که در بالای آن یک سوراخ ریز قرار دارد . از آن جا که اورانیوم ۲۳۵ سبک تر از اورانیوم ۲۳۸ است ، گازهای VF6 که اورانیوم آن از نوع ۲۳۵ است ، در بالای محفظه جمع می شوند و از سوراخ ریز بالای آن خارج می ش

وند . از آن جا که همراه گاز دارای اورانیوم ۲۳۵ مقداری از گاز دارای اورانیوم ۲۳۸ نیز خارج می شود ، لازم است برای خالص سازی بیش تر اورانیوم ۲۳۵ ، چندین محفظه پشت سر هم عمل خالص سازی را انجام دهند و لازم است عمل خالص سازی در دفعات زیاد تکرار شود تا به گاز دارای اورانیوم ۲۳۵ نسبتاً خالص تر دست یافت. (۷)

فصل دوم :
تولید انرژی اتمی

برای تولید انرژی اتمی باید به طور مصنوعی هسته اتم های یک عنصر رادیو اکتیو را تحریک کنیم . به طور کلی دو روش برای تحریک هسته های اتم و تولید انرژی وجود دارد : ۱- شکاف هسته اتم ۲- همجوشی هسته اتم .
شکافت هسته به وسیله نوترون (fission):
کشف انرژی هسته ای در خلال جنگ جهانی دوم صورت گرفت و اکنون برای بسیاری از کشور ها هزاران کیلو وات برق تولید می‌کند. بحران انرژی بر اثر بالا رفتن قیمت نفت در سال ۱۹۷۳ استفاده از انرژی شکافت هسته ای را بیشتر وارد صحنه کرد در حال حاضر ممالک اروپایی انرژی هسته ای را تنها انرژی می دانند که می تواند در اکثر موارد جایگزین نفت شود . استفاده از انرژی شکافت هسته ای که بر روی یک ماده قابل احتراق کانی که به صورت محدود پایه گذاری می شود ، برای سایر کشورها خطرات بسیاری دارد . در حال حاضر تولید الکتریسیته با استفاده از شکافت هسته ای کنترل شده به میزان زیادی توسعه یافته و مورد قبول

واقع شده است.(۸)
اکنون به بررسی روند شکافت هسته می پردازیم :
می توان به وسیله انجام فعل و انفعالات پیچیده اتمی ، برخی اتم ها را تحریک کرد تا نوترون هایی تولید کنند . این نوترون ها دارای انرژی و سرعت زیادی هستند و می توان آن ها را برای شکافت هسته مورد استفاده قرار داد نوترون ها هنگام برخورد به

هسته اتم ، باعث ناپایداری هسته می شوند . و آن را به دو یا چند هسته کوچکتر ، تبدیل می کنند . البته به همراه این دو هسته کوچکتر دو نوترون نیز تولید می شود . به این عمل شکافت هسته ی اتم می گویند به عبارت دیگر هنگامی که یک نوترون پر از انرژی به یک هسته اتم برخورد می کند آن هسته متلاشی می شود و از متلاشی شد

ن آن دو هسته که مربوط به دو نوع عنصر دیگر است ، و همچنین دو نوترون دیگر تولید می شود . جالب آن که دو نوترون تولید شده خودشان به دو هسته دیگر برخورد می کنند و از تلاشی آن دو هسته نیز جمعاً ۴ نوترون تشکیل می شود . که از برخورد این ۴ نوترون به ۴ هسته دیگر ۸ نوترون تولید می شود . به همین ترتیب تعداد بی شماری نوترون تولید می شود و تعداد بی شماری از هسته های اتم متلاشی می شوند .

هسته اتم های فلزات رادیو اکتیو از جمله اورانیوم طبق روش بالا می توانند دچار شکافت گردند از شکافت یک هسته اتم اورانیوم هسته های دو عنصر کریپتون و باریم به همراه دو نوترون ایجاد می شود ، که در این میان مقداری از جرم هسته اولیه نابود می شود همچنین برای آن که اورانیوم طبق واکنش اتمی بالا دچار شکافت شود لازم است که مقدار جرم اورانیوم از یک مقدار خاصی بیشتر باشد . این مقدار را جرم بحرانی می گویند.(۹)‌
البته طی این فرآیند نوترون‌های اضافه ای هم به وجود می آیند . برای دستیابی به فرآیند شکافت کنترل شده و یا متوقف کردن یک سیستم شکافت پس از شروع ، لازم است موادی قابل دسترس باشند که بتوانند نوترون های اضافی را جذب کنند . مواد جاذب نوترون باید سطح مقطع جذب بالایی نسبت به نوترون داشته باشند . مواد زیادی وجود دارند که سطح مقطع جذب آن ها نسبت به نوترون بالاست ، ولی ماده مورد نظر استفاده ، باید دارای چند خاصیت مکانیکی و شیمیایی باشد که برای این کار مفید واقع شود.(۱۰)‌ همچنین در قسمت های بعد این موضوع را کاملاً شرح خواهیم داد .
حال مسأله اصلی آن است که از این شکافت هسته ی اتم چه سودی عاید ما می‌شود و اصلاً چرا ما علاقه مند به بحث راجع به شکافت هسته هستیم . نکته مهم در عمل شکافت هسته ، آن است که در هنگام عمل شکافت هسته عناصر رادیو اکتیو ، به جز دو هسته ، دو عنصر مختلف و دو نوترون ، مقدار ناچیزی از جرم عناصر رادیو اکتیو نابود شده و تبدیل به مقدار عظیمی انرژی گرمایی می شود . که می‌توان از آن استفاده کرد . به طور کلی عمل شکافت هسته اورانیوم را می توان به صورت زیر خلاصه کرد :(۱۱)
انرژی + دو نوترون + کریپتون + باریم یک نوترون + اورانیوم

همجوشی هسته اتم
در عمل شکافت هسته ای ، هسته سنگین یک فلز رادیو اکتیو شکافته می شود و به دو هسته سبک تر تبدیل می شود اما در عمل همجوشی هسته ای دقیقاً عمل عکس رخ می دهد یعنی در عمل همجوشی هسته ای دو هسته سبک غیر رادیو اکتیو با هم برخورد کرده و تبدیل به یک هسته سنگین تر می شوند . نکته

بسیار مهم در عمل همجوشی هسته ای آن است که برای انجام این عمل باید دو هسته در فشار و گرمایی بسیار بالا با هم برخورد کنند آن چه که باعث جذاب شدن مبحث همجوشی هسته ای می شود ، آن است که هنگام عمل همجوشی هسته ای مقدار بسیار زیادی انرژی به وجود می آید که به مراتب بیش تر از انرژی آزاد

شده از عمل شکافت هسته ای است .

هنوز دانشمندان موفق به انجام عمل کامل همجوشی هسته ای در روی زمین نشده اند . چرا که این عمل به هزاران درجه سانتیگراد دما و بیش از هزار اتمسفر فشار نیاز دارد . که فعلاً انجام آن در مقیاس بزرگ عملی نیست . دانشمندان معتقداند که در خورشید عمل همجوشی هسته ای انجام می‌شود و نور و حرارت بسیار زیاد خورشید ناشی از همین عمل همجوشی است . چرا که در خورشید دما به ۱۵ میلیون درجه بالای صفر می‌رسد و فشار در آن جا حدود ۱۱۲۲ اتمسفر است و تمام شرایط لازم برای انجام عمل همجوشی هسته ای فراهم است . (۱۲)
عملی که در خورشید اتفاق می افتد ، عبارت است از برخورد شدید دو اتم هیدروژن ( دوتریم و تریتیم ) و تبدیل آن ها به یک اتم هلیم که به عمل همجوشی اتمهای هیدروژن معروف است . در حین این عمل تبدیل ، مقداری جرم نابود می شود و در ازای آن مقدار بسیار زیادی انرژی آزاد می گردد . کل عمل انجام شده در همجوشی هسته اتم را می توان به صورت زیر خلاصه کرد :(۱۳)
انرژی + (نوترون)n+ (هلیم) He4 H3 (تریتیم) +H2 (دو ترمیم)

رابطه اینشتین
آلبرت انیشتین نابغه ریاضی و فیزیک مقدار انرژی ناشی از عمل شکافت هسته ای یا همجوشی هسته ای را به وسیله ی معادله ای بیان نمود که بسیار مشهور است . این معادله بیان می دارد که انرژی ناشی از شکافت هسته ای یا همجوشی هسته ای برابر است با مقدار جرمی که حین این عمل تبدیل از بین می رود و تبدیل به انرژی می شود ضربدر سرعت نور به توان ۲ این فرمول به صورت زیر است :
E=mc2
از آن جا که سرعت نور ۳۰۰۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه است ، می توان تخمین زد که از ناپدید شدن مقدار ناچیزی از جرم یک فلز رادیو اکتیو مقدار عظیمی انرژی حاصل می شود .مثلاً اگر فقط یک گرم ، از یک عنصر رادیو اکتیو حین واکنش هسته ای ناپدید شود، مقدار ۱۰۱۳×۹ ژول انرژی آزاد می شود که مقدار عظیمی انرژی گرمایی است .(۱۴)

فصل سوم :
راکتور اتمی

راکتور به زبان لاتین به جایی گفته می شود که در آن جا واکنش رخ می دهد و راکتور اتمی نیز به جایی گفته می شود که در آن جا واکنش اتمی (شکافت هسته ای کنترل شده) رخ می‌دهد.(۱۵)‌
ساختمان راکتور:
با وجود تنوع در راکتورها ، تقریباً همه ی آن ها از اجزای یکسانی تشکیل شده اند . این اجزا شامل سوخت ، پوشش برای سوخت، کند کننده ی نوترون های حاصله از شکافت ، خنک کننده ای برای حمل انرژی حرارتی حاصله از فرایند شکافت و ماده کنترل کننده برای کنترل نمودن میزان شکافت می‌باشد.(۱۶) خواص فیزیکی مواد ، اه

میت ویژه ای در کاربرد آن ها در راکتورهای هسته ای دارد . خواصی چون استحکام ، سختی ، قابلیت کشش ، نقطه ذوب ، نقطه ی جوش، چگالی و رسانندگی گرمایی همه مواردی هستند که در انتخاب ماده برای اجزای مختلف راکتور ، دارای اهمیت می‌باشد.(۱۷)
سوخت راکتور :

سوخت راکتورهای اتمی باید به گونه ای باشد که متحمل شکافت حاصله از نوترون بشود در حال حاضر اورانیوم ، پلوتونیم و توریم سه سوخت رایج در راکتورها هستند . برخی از این سوخت ها برای شکافت حاصله از نوترون های حرارتی و برخی نیز برای شکافت حاصل از نوترون های سریع می باشند . حتی تفاوت بین سوخت ، یک خاصیت در دسته بندی راکتورهاست .
در کنار قابلیت شکافت ، سوخت به کار رفته در راکتور اتمی ، باید بتواند نیازهای دیگری را نیز تأمین کند . سوخت باید از لحاظ مکانیکی قوی، از نظر شیمیایی پایدار و در مقابل تخریب تشعشعی مقاوم باشد ، تا تحت تغییرات فیزیکی و شیمیایی محیط راکتور قرار نگیرد . هدایت حرارتی ماده باید بالا با شد به طوری که بتواند حرارت را خیلی راحت جابجا کند . همچنین امکان بدست آوردن ، ساخت راحت ، هزینه نسبتاً پایین و خطر ناک نبودن از نظر شیمیایی از دیگر ویژگی هایی است که سوخت باید دارای آن ها باشد.(۱۸)‌
حال به صورت مختصر به معرفی سوخت های راکتور می پردازیم :
اورانیوم :
متداول ترین ماده سوخت برای راکتورهای اتمی اورانیوم است ، که می تواند به صورت خالص ، یعنی اورانیوم فلزی و یا به صورت ترکیب مثل اکسید اورانیوم و یا کربور اورانیوم بکار رود . اورانیوم ، فلز نسبتاً نرم و قابل کششی است که در دمای بالا به آسانی در هوا و آب اکسید می شود نقطه ذوب آن ۱۱۳۳ درجه سانتیگراد است .
پلوتونیوم :
چون فلز پلوتونیم تا رسیدن به نقطه ذوب ۶۴۰ درجه سانتیگراد دارای تعداد زیادی فاز بلور است ، سوخت مناسبی برای راکتور نمی باشد . به عنوان سوخت راکتور ، پلوتونیم را به صورت اکسید پلوتونیم (puo2) بکار می برند نقطه ذوب این ترکیب ۲۴۰۰ درجه سانتیگراد است .
توریم :
جلو در چند راکتور با خنک کننده گازی دما – بالا ، توریم تاکنون به عنوان سوخت راکتور کاربرد زیادی نداشته است . نقطه ذوب فلزات توریم خالص حدود ۱۷۰۰ درجه سانتیگراد است . به علت پایداری بهتر ، این عنصر برتر از اورانیوم است . اما به صورت

خالص به عنوان سوخت به کار نمی رود . بلکه آن را به صورت اکسید توریم (Tho2) و کربوتوریم (Thc2) به کار می برند.(۱۹)
مواد کند کننده نوترون :
در راکتورهای اتمی چند نوترون سریع تولید می شود که حتماً باید کند شوند و از واکنش خارج شوند . در غیر این صورت احتمال آزاد شدن تمام انرژی سوخت هسته ای در یک لحظه ، وجود دارد که این امر باعث انفجار شدید در نیروگاه خواهد شد که به هیچ وجه مطلوب نیست و ممکن است باعث خسارات مالی و جانی بزرگی شود . (۲۰)
یک کند کننده ماده ای است که برای کند کردن نوترون های سریع به کار می‌رود هسته هایی که دارای جرمی نزدیک به جرم نوترون هستند ، بهترین کند کننده می باشند. کند کننده برای آن که بتواند در راکتور مورد استفاده قرار بگیرد لازم است دارای ویژگی هایی چون عدد جرمی پایین و سطح مقطع خیلی بالای جذب نوترون باشد . با توجه به ویژگی های اخیر چند ماده هستند که می توان از آن ها استفاده کرد : آب (معمولی) ، آب سنگین کربن و بریلیوم . از آن جا که بریلیوم سمی است ، خیلی کم به عنوان کند کننده در راکتور مورد استفاده قرار می‌گیرد.(۲۱) ضمناً در قمست های بعد به طور کامل راجع به آب سنگین توضیح داده خواهد شد .
خنک کننده ها :
گرمای حاصله از شکافت در محیط راکتور یا باید از سوخت زدوده شود و یا در نهایت این گرما بقدری زیاد شود که میله های سوخت را ذوب کند . حرارتی که از سوخت گرفته می شود ممکن است در راکتور قدرت ، برای تولید برق به کار رود . از ویژگی هایی که یک ماده خنک کننده باید داشته باشد : خواص ترمودینامیکی خوب یعنی رسانندگی گرمایی ، گرمای ویژه بالا و چسبندگی پایین ، عدم پر همکنش شیمیایی با قسمت های دیگر راکتور ، سطح مقطع جذب نوترونی خیلی پایین و رادیو اکتیو نشدن در اثر واکنش های گاما دهنده که ممکن است هنگام عبور خنک کننده از قلب راکتور رخ دهد . (۲۲)‌
از مایعات و گازها به عنوان خنک کننده استفاده شده است . گازهایی چون دی اکسید کربن و هلیم و مایعاتی چون آب ، آب سنگین و فلزات مایع هلیوم گازی است بی اثر ، دارای خواص ترمودینامیکی خوب و خطر تابش هم ایجاد نمی کند بنابر این می توان آن را به عنوان خنک کننده ایده آل راکتورهای گازی تلقی کرد. اما متأسفانه پرهزینه بوده و به سادگی مقدار زیاد آن قابل دسترسی نیست . در حال حاضر کاربرد این گاز به عنوان خنک کننده محدود به چند راکتور در آمریکا و آلمان است .
از آن جا که برای جلوگیری از جوشیدن آب فشار زیاد

ی لازم است خنک کننده ی ایده آلی نیست .
فلزات مایع ، به دلیل خواص ترمودینامیکی خوبشان بخصوص رسانندگی گرمایی بالای آن ها ، خنک کننده های بالقوه خیلی خوبی برای راکتور ها هستند . سدیم ، لیتیم ، جیوه و آلیاژهای سدیم پتاسیم همه مناسب اند ولی از میان آن ها سدیم به مقدار قابل ملاحظه ای منحصراً در راکتورهای سریع زاینده ، مورد استفاده قرار گرفته است.(۲۳)

 

انواع راکتور :
در حال حاضر پنج نوع مختلف راکتور اتمی وجود دارد که عبارتند از :
۱- راکتورهای آب سبک (LWR): در این نوع راکتورها که متداولترین نوع راکتور در سطح جهان هستند ، از آب معمولی هم به عنوان مدراتور (تعدیل گر) و هم خنک کننده استفاده می شود .
۲- راکتورهای آب سنگین (HWR): در این راکتورها از آب سنگین هم به عنوان مدار توروهم خنک کننده استفاده می شود و آمریکا از این دسته راکتور ها به طور عمده برای تهیه پلوتونیم که در ساخت بمب های هسته ای کاربرد دارد ، استفاده می کند .
۳- راکتورهایی که با گاز خنک می شوند (GCR):مدراتور این راکتورها گرافیت ، خنک کننده آن ها گاز کربن دی اکسید و سوخت مصرفی آن ها اورانیوم طبیعی است که در درون پوششی به نام مگناکس (اکسید منیزیم) قرار دارد .
۴- راکتورهایی که دمای بسیار زیاد تولید می کنند (HTGR) : مدراتور این راکتورها گرافیت ، خنک کننده آن ها گاز هلیم و سوخت مصرفی آنها اورانیوم ۲۳۵ ، ۹۳% غنی شده است .
۵- راکتورهای زایای سریع (FBR) : سوخت این راکتور ها اورانیوم ۹۳% غنی شده است .
این دسته از راکتورها به میزانی بیشتر از سوخت مصرفیشان ماده شکافت پذیر تولید می کنند .( به همین دلیل به راکتور های زایا معروفند.)آن ها مدارتور ندارند و ماده خنک کننده آنها بیش تر یک فلز مایع مانند سدیم مایع می باشد.(۲۴)

آب سنگین در راکتور
آب سنگین ، از طریق روندی پیچیده و پرهزینه از آب عادی بدست می آید . این ماده همراه آب سبک ، گرافیت و بریلیوم از تعدیل گرهایی است که در بعضی راکتورها یافت می شود . چنان که گفتیم وظیفه تعدیل گر ، کند کردن نوترون های پرشتابی است که از شکافت هسته رها می شوند آب سنگین بدون جذب تعدادی از این نوترون ها به آن ها امکان عبور می دهد . این ویژگی برای واکنش نشان دادن با اورانیوم طبیعی (غنی نشده ) مهم است . زیرا تنها ۷/۰% از ایزوتوپ ۲۳۵-U را دارا می باشد . از آب سبک نیز می توان برای واکنش زنجیره ای بهره برد ولی خاصیت آن در جذب بسیاری از نوترون ها ، غنی بودن اورانیوم (حداقل سه درصد) را الزامی می کند .

آب سنگین از نظر شیمیایی مشابه همان آب شرب است . تنها تفاوتشان این است که آب سنگین یک ایزوتوپ هیدروژن به نام دو تریم دارد که در هسته خود یک نوترون و یک پروتون دارد . این ایزوتوپ به طور طبیعی به میزان هیدروژن عادی یا پروتیوم موجود است . ایزوتوپ عادی هیدروژن در هسته خود یک پروتون دارد ، ولی نوترون ندارد . دو تریم رادیو اکتیو نیست ، با وجود آن که آب سنگین و سبک از نظر شیمیایی مشابه اند ، ولی اولی از دومی ، قدری سمی تر است ، زیرا سرعت واکنش های شیمیایی مربوط به آن بدلیل قدرت پیوندهایی که برقرار می کند ، اندکی تغییر می کند . آزمایش روی موش نشان داده که نوشیدن تنها آب سنگین در نهایت به از بین رفتن بافت هایی که باید مرتباً آب دریافت کند ، می انجامد .
یک تحقیق، تأثیر نوشیدن آب سنگین را مانند اثرات بر جا مانده از شیمی درمانی می داند . خاصیت سمی این نوع آب زمانی مشخص می شود که نیمی از آب بدن جای خود را ه آب سنگین داده باشد . مصرف طولانی آب سنگین می تواند منجر به مرگ شود . تفاوت های فیزیکی نیز میان آب سنگین و سبک است . چگالی آب سنگین ۱۰% بیشتر بوده و در واقع یخ بدست آمده از آن در آب سبک فرو می رود . نقطه ذوب و جوش آن نیز قدری بالاتر است ، به طوری که در فشار

استاندارد ، آب سنگین در دمای نزدیک به چهار درجه سانتیگراد منجمد شده و در ، صدویک درجه به جوش می آید .

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
word قابل ویرایش - قیمت 12700 تومان در 60 صفحه
127,000 ریال – خرید و دانلود
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد