انرژی هسته ای شکافت و گداخت

  انرژی هسته ای، شکل دیگری از انرژی است که در داخل هسته اتم قرار دارد . یکی از قوانین جهانی این است که انرژی کل نه تولید پذیر است و نه از بین رفتنی ، اما به شکلهای دیگر قابل تبدیل است.

     ماده را می توان به انرژی تبدیل نمود. آلبرت انیشتن ، مشهورترین دانشمند جهان ، فرمول ریاضی خاصی را برای شرح این نظریه ارائه نموده است :

E = MC2

برطبق فرمول فوق انرژی (E) برابر است با جرم (m) ضربدر سرعت نور به توان دو.دانشمندان از معادله انیشتن برای آزاد سازی انرژی نهفته در اتم و نیز جهت ساخت بمب اتمی استفاده نمودند.

یونانیان قدیم براین باور بودند که کوچکترین جزء طبیعت ، اتم است. اما در ۲۰۰۰ سال قبل ، آنها نمی دانستند که ذرات کوچکتر از اتم نیز در طبیعت یافت می شود.امروزه میدانیم که، اتم از ذره کوچکتری به نام هسته ، که خود متشکل از پروتون و نوترون هست ، تشکیل شده است.هسته نیزتوسط الکترونهایی احاط شده که بدور آن می چرخند.پروتونهاونوترونها(نوکلئون)نیزازذراتی بنیادی به اسم کوارک تشکیل شده اند.

  شکافت هسته ای(fission)

     هسته اتم می تواند شکافته شود. زمانیکه این اتفاق رخ میدهد، مقدار زیادی انرژی آزاد می شود. این انرژی به دو صورت گرما و نور است. انیشتن معتقد بود که مقدار کوچکی از ماده حاوی مقدار زیادی انرژی است. زمانیکه این انرژی ، آهسته از اتم خارج می شود ، می توان آنرا مهار نمود و تولید برق نمود. اما زمانیکه انرژی موجود در هسته اتم بطور ناگهانی آزاد شود ، انفجار عظیمی مانند بمب هسته ای رخ میدهد.

      سوخت یک نیروگاه شکافت هسته ای اورانیوم است. اورانیوم عنصری است که در اکثر مناطق جهان از زیرزمین استخراج میشود. اورانیوم بعداز مرحله کانه آرایی بصورت قرصهای بسیار کوچکی در داخل میله های بلند قرار گرفته و داخل رآکتور نیروگاه نصب می شوند. کلمه «Fission» به معنی شکافت است.

     در داخل رآکتور یک نیروگاه هسته ای ، اتمهای اورانیوم تحت یک واکنش زنجیره ای کنترل شده ، شکافته می شوند. در یک واکنش زنجیره ای ، ذرات حاصل از شکافت اتم به سایر اتمهای اورانیوم برخورد کرده و باعث شکافت آنها می گردند. هریک از ذرات آزاد شده مجدداً باعث شکافت سایر اتمها در یک واکنش زنجیره ای می شود. درنیروگاههای هسته ای ، معمولاً از یک سری میله های کنترل جهت تنظیم سرعت واکنش زنجیره ای استفاده می گردد.عدم کنترل این واکنشهامی تواندمنجربه تولیدبمب هسته ای شود.اما در بمب هسته ای، تقریباً ذرات خالص اورانیوم ۲۳۵ یا پلوتونیوم (باشکل و جرم معینی) باید با نیروی زیادی در کنارهم قرار گیرند. چنین شرایطی در یک رآکتور هسته ای وجود ندارد.

     واکنشهای زنجیره ای همچنین باعث تولید یک سری مواد رادیواکتیو می شوند. این مواد در صورت رهایی می توانند به مردم آسیب برسانند. بنابراین آنها را به شکل جامد نگهداری می کنند. این مواد در گنبدهای بتنی بسیار قوی نگهداری می شوند تا در صورت بروز حوادث مختلف ، خطری بوجود نیاید .

    واکنشهای زنجیره ای باعث تولید انرژی گرمایی می شوند. این انرژی گرمایی برای جوشاندن آب در قلب رآکتور مورد استفاده قرار می گیرد. بنابراین ، به جای سوزاندن سوخت ، در نیروگاههای هسته ای ، اتمها از طریق واکنش زنجیره ای شکافته شده و انرژی گرمایی تولید می کنند. این آب از اطراف رآکتور به قسمت دیگری از نیروگاه فرستاده می شود. در این قسمت که مبدل گرمایی نامیده می شود، لوله های پر از آب حرارت داده شده و بخار تولید می کنند. سپس بخار حاصله باعث گردش توربین و درنتیجه تولید برق میشود.  

 گداخت یاهمجوشی هسته ای

گداخت(fusion) شکل دیگری از انرژی هسته ای است. گداخت ، به معنی الحاق هسته های کوچکتر و ساختن یک هسته بزرگتر است. در داخل خورشید ، گداخت هسته ای اتمهای هیدروژن باعث تولید اتمهای هلیوم می شود. در اثر این گداخت، گرما ، نور و پرتوهای دیگری تولید می شود.با ترکیب دو نوع اتم هیدروژن (دوتریم و ترتیم) ، یک اتم هلیوم و یک ذره اضافی بنام نوترون تشکیل می شود. در واکنش فوق مقداری انرژی نیز تولید می گردد. دانشمندان مدتها که برروی کنترل گداخت هسته ای کار می کنند تا بتوانند یک رآکتور گداخت برای تولید برق بسازند. اما مشکل این است که نمی دانند چگونه واکنش در یک محیط بسته را کنترل کنند.

براي انجام گداخت هسته اي بايد شرايط ويژه اي به وجودآيد تا بر اين خواسته غالب شويم. در ذيل شرايطي که گداخت هسته را ممکن مي سازد ارائه شده است.

دماي بالا

دماي بالا به اتم هاي هيدروژن انرژي کافي براي غلبه بر رانش الکتريکي بين پروتون ها را فراهم مي کند.

1)گداخت هسته اي به دماي حدود 100 ميليون کلوين نياز دارد (حدود 6 برابر داغ تر از هسته خورشيد)

2) در اين دما هيدروژن ديگر به صورت گاز نيست بلکه به صورت پلاسما مي باشد.پلاسما يک وضعيت با انرژي بالا از ماده ميباشد که در آن الکترون ها از اتم جدا شده و به صورت آزاد به هر طرف حرکت مي کند.

3)خورشيد اين دما را از طريق توده عظيم خود و نيروي جاذبه اي که اين توده را در هسته به هم مي فشارد بدست مي آورد.   ما بايد با استفاده از انرژي ماکروويو،ليزر،ذرات يوني به اين دما دست پيدا کنيم.

فشار بالا

1)تحت فشاربالا اتمهاي هيدروژن به هم فشرده ميشوند.آنها بايد در ۱۵-۱۰ متراز همديگر قرار گيرند تا به هم جوش بخورند.

2) خورشيد با استفاده از توده خود و نيروي گرانش، اتم هاي هيدروژن را در هسته به هم مي فشرد.

3) ما بايد با استفاده از ميدانهاي وسيع مغناطيسي،ليزر هاي قوي ويا اشعه يوني،اتم هاي هيدروژن را به هم بفشاريم.

     با تکنولوژي موجود ما تنها دما و فشار لازم براي گداخت هسته اي از نوع دوتريم- تريتيم را ميتوانيم حاصل کنيم. گداخت هسته اي ازنوع دوتريم- دوتريم به دماي بالا تري نياز دارد که شايد در آينده به آن برسيم. اساساً گداخت هسته اي از نوع دوتريم- دوتريم بهتر است. چراکه استخراج دوتريم از آب دريا ساده تر از بدست آوردن تريتيم از ليتيم مي باشد. همچنين دوتريم راديو اکتيو نبوده و واکنش هاي دوتريم- دوتريم انرژي بيشتري را آزاد مي کند.

     مزیّت گداخت هسته ای نسبت به شکافت هسته ای دراین است که ماده رادیواکتیو کمتری تولید کرده و سوخت آن پایدارتر از عمر خورشید است.دو راه براي رسيدن به فشار و دماي لازم براي همجوشي يا گداخت هسته اي هيدروژن وجود دارد: 

1) محصور سازي مغناطيسMagnetic confinement fusion-MCF : استفاده از ميدان هاي مغناطيسي و الکتريکي براي گرما دادن و فشردن پلاسماي هيدروژن. پروژه ITER در فرانسه از اين متد استفاده مي کند.

2) محصور سازي لختInertial confinement fusion-ICF: از اشعه ليزر و يا اشعه يوني براي گرما دادن پلاسماي هيدروژن استفاده مي کند.دانشمندان اين دستيابي آزمايشگاهي را در مرکز ملي گداخت (NIF)در آزمايشگاه "لارنس ليور مور" در ايالات متحده آمريکا مطالعه مي کنند.

 محصور سازي مغناطيسي

     ميکروويوها، پرتوهاي الکتريکي و ذرات خنثاي شتاب دهنده ها،جريان گاز هيدروژن را گرم مي کنند. اين گرما گاز را به پلاسما تبديل مي کند؛ پلاسما توسط يک ميدان مغناطيسي قوي و با هدايت پذيري بالا محصورو فشرده مي شود. و به اين وسيله باعث گداخت هسته اي مي شود.

     کار آمد ترين ميدان مغناطيسي برای اين پلاسما به صورت حلقه اي است. ميدان چنبره اي که يون ها در مسير مارپيچي حرکت مي کنند. راکتوري که به اين صورت است " توکامک"  ناميده مي شود.

    راکتور توکامک درپروژه ITER يک راکتور جامع مي باشد که درجنوب فرانسه واقع است . توکامک به کاست هاي گوناگوني تقسيم شده است. اين کاست ها به آساني ميتوانند اضافه يا کم شوند، بدون اينکه پاره پاره و يا متلاشي شوند. توکامک داراي پلاسماي مارپيچي با شعاع داخلي 2 متر و شعاع خارجي 2/6 متر است.

 قسمتهاي اصلي راکتور توکامک ITER:

1) لوله  خلأ: پلاسما را نگه مي دارد و از محفظه فعل و انفعال محافظت مي کند.

2) انژکتور پرتو خنثي(سيکلوترون يون): ذرات پرتو را از شتاب دهنده به پلاسما تزريق مي کند تابه پلاسما براي رسيدن به دماي بحراني کمک نمايد.

3) ميدان مغناطيسي مارپيچ: رفتار مغناطيسي بسيار قوي که شکل و محتواي پلاسماي استفاده شده در ميدان مغناطيسي را محدود مي کند.

4) ترانسفورماتور- سولنوئيد مرکزي: الکتريسيته را براي ميدان مغناطيسي مار پيچ تأمين مي کند.

5) سيستم خنک کننده: آهن ربا را خنک مي کند.

6) سيستم عايق: ساخته شده از ليتيم است؛گرما و انرژي بالاي نوترون را از راکتور گداخت هسته اي جذب مي کند.

7) دايورتور: خروج محصولات هليم از راکتور گداخت.

 

 نحوه انجام فرايند:

1) راکتور گداخت هسته اي جريان دوتريم و تريتيم سوخت را به شکل دماي بالاي پلاسما گرم خواهد کرد. پلاسما فشرده مي شود و گداخت اتفاق مي افتد.تواني که نياز است تا واکنش گداخت شروع شود حدود 70 مگا وات است.اما توان خروجی اين واکنش حدود 500 مگا وات است.واکنش گداخت حدود 300 تا 500 ثانيه طول خواهد کشيد.                              

2) روکش ليتيم بيرون محفظه فعل و انفعال پلاسما،براي ساختن سوخت تريتيم بيشتر،انرژِي بالاي نوترون را از واکنش گداخت جذب خواهد کرد.همچنين روکش ليتيم به وسيله نوترون گرم مي شود.

3) گرما با حلقه خنک کننده آب تبادلگر گرمايي انتقال مي يابد و به بخار تبديل مي شود.

4) بخار،توربين الکتريکي را براي توليد الکتريسيته حرکت مي دهد.

5) بخار متراکم مي شود و براي جذب بيشتر گرما در تبادلگر گرمايي،به آب تبديل مي شود.

     در ابتدا توکامک ITER مناسب بودن راکتور گداخت هسته اي مورداستفاده را آزمايش  مي کند و در نهايت به نيروگاه برق گداخت هسته اي آزمايشي تبديل مي شود.

محصور سازي لختي

     NIF یامرکز ملي گداخت ( National Ignition Facility  )درآزمايشگاه لارنس ليورموردرامریکا،استفاده از اشعه ليزر را براي القا کردن گداخت آزمايش مي کند.در دستگاه اين مرکز، 192 اشعه ليزر در يک نقطه، در محفظه هدف که جسم سياه ناميده ميشود و با قطر  10 ميلي متر، متمرکز مي شود.جسم سياه،محفظه اي است که ديوارها در وضع ثابت و پايدار تابشي با انرژي تابشي درون محفظه هستند.

     در نقطه کانوني درون محفظه هدف،گلوله اي به اندازه نخود،از جنس دوتريم-تريتيم،روکش شده در لوله کوچک پلاستيکي، وجود دارد. قدرت ليزر(8.1 ميليون ژول) لوله را گرم ميکند و اشعه X توليد مي کند.گرما و تابش گلوله را به پلاسما تبديل ميکند و پلاسما را فشرده مي کند تا زماني که گداخت رخ دهد.واکنش گداخت عمر کوتاهي دارد در حدود يک ميليونم ثانيه؛اما بازده آن 50 تا 100 بار بزرگتر ازانرژيی است که در ابتدا براي واکنش گداخت وارد کرديم.يک راکتور از اين نوع ممکن است چند هدف داشته باشد که براي توليد گرما اين اهداف مشتعل خواهند شد.دانشمندان تخمين مي زنند که ميتوان براي بالا بردن کارايي نيروگاه برق گداخت هزينه اهداف را تا حد قابل توجهي پايين آورد.

 مزاياي  گداخت:

     اصلي ترين کاربرد گداخت هسته اي توليد الکتريسيته است.گداخت هسته اي مي تواند يک منبع انرژي سالم و تميز را براي نسلهاي آينده و با چندين مزيت نسبت به راکتور هاي شکافت کنوني داشته باشد.

منابع سوخت زياد:دوتريم ميتواند از آب دريا استخراج شود و تريتيم لازم ميتواند در راکتور گداخت هسته اي از ليتيم که در پوسته زمين يافت مي شود، ساخته شود.اورانيم براي شکافت کمياب است و بايد استخراج شود و سپس براي استفاده در راکتور غني سازي شود.

ايمنی:مقادير سوخت که در راکتور گداخت استفاده مي شود،در مقايسه با مقدار سوخت در راکتور هاي شکافت ناچيز است.به همين دليل آزاد شدن غير قابل کنترل انرژي اتفاق نخواهد افتاد.اکثر راکتور هاي گداخت تابش اشعه کمتري از تابش محيط زندگي روزمره ما دارد.

پاک بودن:در نيروگاه اتمي (چه شکافت و چه گداخت)  عمل احتراق صورت نمي گيرد و بنابراين هيچگونه آلودگي هوا به وجود نخواهد آمد.

کمتر بودن زباله هاي هسته اي: راکتور هاي گداخت، زباله هاي هسته اي قوي،مانند آنچه در راکتور هاي شکافت وجود دارد توليد نمي کند. بنابر اين مسأله دفع زباله هاي هسته اي در اين نوع راکتور ها کمتر خواهد بود.

+ نوشته شده توسط رضوی پور در شنبه 22 خرداد1389 و ساعت 23:13 |