تبلیغات
انرژی هسته ای - مراحل تولید انرژی هسته ای















انرژی هسته ای

دانش اگر در ثریا هم باشد، مردانی از سرزمین پارس به آن دست خواهند یافت. حضرت محمد ص

مقدمه: استخراج اورانیوم از معدن

اورانیوم که ماده خام اصلی مورد نیاز برای تولید انرژی در برنامه های صلح آمیز یا نظامی هسته ای است، از طریق استخراج از معـــــادن زیرزمینی یا سر باز بدست می آید. اگر چه این عنصـــر بطور طبیعی در ســـرتاسر جهان یافت میشود اما تنها حجم کوچکـــــی از آن بصورت متراکــم در معادن موجود است.
هنگامی که هسته اتم اورانیوم در یک واکنش زنجیره ای شکافته شود مقداری انرژی آزاد خواهد شد.
برای شکافت هسته اتم اورانیوم، یک نوترون به هسته آن شلیک میشود و در نتــــیجه این فرایند، اتم مذکور به دو اتم کوچکتر تجزیــــه شده و تعدادی نوترون جدید نیز آزاد میشود که هرکدام به نوبـــه خود میتوانند هسته های جدیدی را در یک فرایند زنجیره ای تجزیه کنند.
مجموع جرم اتمهای کوچکتری که از تجزیه اتم اورانیوم بدست می آید از کل جرم اولیه این اتم کمــتر است و این بدان معناست که مـــــقداری از جرم اولیه که ظاهرا ناپدید شده در واقع به انرژی تبدیــل شده است، و این انرژی با استفاده از رابطه E=MC۲ یعنی رابطه جرم و انرژی کــه آلبرت انیشتین نخستین بار آنرا کشف کرد قابل محاسبه است.
اورانیوم به صورت دو ایزوتوپ مختلف در طبیعت یافت میشود. یعنی اورانیوم U۲۳۵ یا U۲۳۸ که هر دو دارای تعداد پروتون یکسانی بوده و تنها تفاوتشان در سه نوترون اضافه ای است کـــه در هسته U۲۳۸ وجود دارد. اعداد ۲۳۵ و ۲۳۸ بیانگر مجموع تعداد پروتونها و نوترون ها در هسته هر کدام از این دو ایزوتوپ است.

کشورهای اصلی تولید کننده اورانیوم:

استرالیا
چین
کانادا
قزاقستان
نامیبیا
نیجر
روسیه
ازبکستان
برای بدست آوردن بالاترین بازدهی در فرایند زنجیره ای شکافت هسته باید از اورانیوم ۲۳۵ استفاده کرد که هسته آن به سادگی شکـــــــافته میشود. هنگامی که این نوع اورانیوم به اتمهای کوچکتر تجزیه میشود علاوه بر آزاد شدن مقداری انرژی حرارتی دو یا سه نوترون جدید نیز رها میشود که در صورت برخورد با اتمهای جدید اورانیوم بازهم انرژی حرارتی بیشتر و نوترونهای جدید آزاد میشود.
اما بدلیل "نیمه عمر" کوتاه اورانیوم ۲۳۵ و فروپاشــــــی سریع آن، این ایزوتوپ در طبیعت بسیار نادر است بطوری کــــه از هر ۱۰۰۰ اتم اورانیوم موجود در طبیعت تنها هفت اتم از نوع U۲۳۵ بوده و مابقی از نوع سنگینتر U۲۳۸ است

بقیه را در ادامه مطلب بخوانید.

فراوری:

سنگ معدن اورانیوم بعد از استخراج، در آسیابهائی خرد و به گردی نرم تبدیل میشود. گرد بدست آمده سپس در یک فرایند شیمیائی به ماده جامد زرد رنگی تبدیل میشود که به کیک زرد موسوم است. کیک زرد دارای خاصیت رادیو اکتیویته است و ۶۰ تا ۷۰ درصد آنرا اورانیوم تشکیل میدهد.
دانشمندان هسته ای برای دست یابی هرچه بیشتر به ایزوتوپ نادر U۲۳۵ که در تولید انرژی هسته ای نقشی کلیدی دارد، از روشی موسوم به غنی سازی استفاده می کنند. برای این کار، دانشمندان ابتدا کیک زرد را طی فرایندی شیمیائی به ماده جامدی به نام هگزافلوئورید اورانیوم تبدیل میکنند که بعد از حرارت داده شدن در دمای حدود ۶۴ درجه سانتیگراد به گاز تبدیل میشود.
کیک زرد دارای خاصیت رادیو اکتیویته است و ۶۰ تا ۷۰ درصد آنرا اورانیوم تشکیل میدهد
هگزافلوئورید اورانیوم که در صنعت با نام ساده هگز شناخته میشود ماده شیمیائی خورنده ایست که باید آنرا با احتیاط نگهداری و جابجا کرد. به همین دلیل پمپها و لوله هائی که برای انتقال این گاز در تاسیسات فراوری اورانیوم بکار میروند باید از آلومینیوم و آلیاژهای نیکل ساخته شوند. همچنین به منظور پیشگیری از هرگونه واکنش شیمیایی برگشت ناپذیر باید این گاز را دور از معرض روغن و مواد چرب کننده دیگر نگهداری کرد

غنی سازی:

هدف از غنی سازی تولید اورانیومی است که دارای درصد بالایی از ایزوتوپ U۲۳۵ باشد.
اورانیوم مورد استفاده در راکتورهای اتمی باید به حدی غنی شود که حاوی ۲ تا ۳ درصد اورانیوم ۲۳۵ باشد، در حالی که اورانیومی کــه در ساخت بمب اتمی بکار میرود حداقل باید حاوی ۹۰ درصد اورانیوم ۲۳۵ باشد.
یکی از روشهای معمول غنی سازی استفاده از دستگاههای سانتریفوژ گاز است.
سانتریفوژ از اتاقکی سیلندری شکل تشکیل شده که با سرعت بسیار زیاد حول محور خود می چرخد. هنگامی که گاز هگزا فلوئورید اورانیوم به داخل این سیلندر دمیده شود نیروی گریز از مرکز ناشی از چرخش آن باعث میشود که مولکولهای سبکتری که حاوی اورانیوم ۲۳۵ اســت در مرکز سیلندر متمرکز شوند و مولکولهای سنگینتری که حاوی اورانیوم ۲۳۸ هستند در پایین سیلندر انباشته شوند.
اورانیوم ۲۳۵ غنی شده ای که از این طریق بدست می آید سپس به داخل سانـــتریفوژ دیگری دمیده میشود تا درجه خلوص آن باز هم بالاتــــر رود. این عمل بارها و بارها توسط سانتریفوژهای متعددی که بطور سری به یکدیگر متصل میشوند تکرار میشود تا جایی که اورانیــوم ۲۳۵ با درصد خلوص مورد نیاز بدست آید.
آنچه که پس از جدا سازی اورانیوم ۲۳۵ باقی میماند به نام اورانیوم خالی یا فقیر شده شناخته میشود که اساسا از اورانیوم ۲۳۸ تشکیل یافتـــه است. اورانیوم خالی فلز بسیار سنگینی است که اندکی خاصیت رادیو اکتیویتـــه دارد و از آن برای ساخت گــــلوله های توپ ضد زره پوش و اجزای برخی جنگ افزار های دیگر از جمله منعکس کننده نوترونی در بمب اتمی استفاده میشود.
یک شیوه دیگر غنی سازی روشی موسوم به دیفیوژن یا روش انتشاری است.
دراین روش گاز هگزافلوئورید اورانیوم به داخل ستونهایی که جدار آنها از اجسام متخلخل تشکیل شده دمیده میشود. سوراخ هــــای موجود در جسم متخلخل باید قدری از قطر مولکول هگزافلوئورید اورانیوم بزرگتر باشد.
در نتیجه این کار مولکولهای سبکتر حاوی اورانیوم ۲۳۵ با سرعت بیشـــــتری در این ستونها منتشر شده و تفکیک میشوند. این روش غنـــی سازی نیز باید مانند روش سانتریفوژ بارها و باره تکرار شود.

راکتور هسته ای:

راکتور هسته ای وسیله ایست که در آن فرایند شکافت هسته ای بصورت کنترل شده انجام میگیرد. انرژی حرارتی بدست آمده از این طریــــق را می توان برای بخار کردن آب و به گردش درآوردن توربین های بخار ژنراتورهای الکتریکی مورد استفاده قرار داد.
اورانیوم غنی شده ، معمولا به صورت قرص هائی که سطح مقطعشان به اندازه یک ســـکه معمولی و ضخامتشان در حدود دو و نیم سانتیمتر است در راکتورها به مصرف میرسند. این قرصها روی هم قرار داده شده و میله هایی را تشکیل میدهند که به میله سوخت موسوم است. مـیله های سوخت سپس در بسته های چندتائی دسته بندی شده و تحت فشار و در محیطی عایقبندی شده نگهداری میشوند.
در بسیاری از نیروگاهها برای جلوگیری از گرم شدن بسته های سوخت در داخل راکتور، این بسته ها را داخــل آب سرد فرو می بـــــرند. در نیروگاههای دیگر برای خنک نگه داشتن هسته راکتور ، یعنی جائی که فرایند شکافت هسته ای در آن رخ میدهد ، از فلز مایع (سدیم) یا گـــاز دی اکسید کربن استفاده می شود.
1-
هسته راکتور
2-
پمپ خنک کننده
3-
میله های سوخت
4-
مولد بخار
5-
هدایت بخار به داخل توربین مولد برق
برای تولید انرژی گرمائی از طریق فرایند شکافت هسته ای ، اورانیومی که در هسته راکتور قرار داده می شود باید از جرم بحرانی بیشتــــر (فوق بحرانی) باشد. یعنی اورانیوم مورد استفاده باید به حدی غنی شده باشد که امکان آغاز یک واکنش زنجیره ای مداوم وجود داشته باشد.
برای تنظیم و کنترل فرایند شکافت هسته ای در یک راکتور از میله های کنترلی که معمولا از جنس کادمیوم است استفاده میشود. این میله هــا با جذب نوترونهای آزاد در داخل راکتور از تسریع واکنشهای زنجیره ای جلوگیری می کـند. زیرا با کاهش تعداد نوترونها ، تعداد واکنش های زنجیره ای نیز کاهش میابد.
حدودا ۴۰۰ نیروگاه هسته ای در سرتاسر جهان فعال هـــستند که تقــــریبا ۱۷ درصد کل برق مصرفی در جهان را تامین می کننــــد. از جمله کاربردهای دیگر راکتورهای هسته ای، تولید نیروی محرکه لازم برای جابجایی ناوها و زیردریایی های اتمی است.

بازفراوری:

برای بازیـــافت اورانیوم از ســــوخت هسته ای مصرف شده در راکتور از عملیـــات شیمیایی موسوم به بازفراوری استفاده می شود. در این عملیات، ابتدا پوسته فلزی میله های سوخت مصرف شده را جدا میسازند و سپس آنها را در داخل اسید نیتریک داغ حل میکنند.
در نتیجه این عملیات، ۱% پلوتونیوم ، ۳% مواد زائد به شدت رادیو اکتیو و ۹۶% اورانیوم بدست می آید که دوباره میتوان آنرا در راکتور به مصرف رساند.
راکتورهای نظامی این کار را بطور بسیار موثرتری انجام میدهند. راکتور و تاسیسات باز فراوری مورد نیاز برای تولید پلوتونیوم را میتوان بطور پــــنهانی در داخل ساختمانهای معمولی جاسازی کرد. به همین دلیل، تـــولید پلوتونیوم به این طریق، برای هر کشوری که بخواهد بطور مخفیانه تسلیحات اتمی تولید کند گزینه جذابی خواهد بود.

.


[ یکشنبه 13 مرداد 1392 ] [ 02:58 ب.ظ ] [ شکیبا _ ] نظرات



      قالب ساز آنلاین