مقدمه :
در حال حاضر انرژی اتمی یکی از مهمترین منابع انرژی بسیاری از کشورهای جهان است . با وجود این ، تا سالهای اخیر اکثر مردم درباره‌ی آن بی اطلاع بودند .
در اواخر جنگ جهانی دوم ، زمانی که دو بمب اتمی بر روی شهرهای ناکازاکی و هیروشیما در ژاپن انداخته شد ، برای اولین بار مردم پی به قدرت انرژی اتمی بردند . از آن زمان تا به امروز از انرژی اتمی فقط به منظور تولید نیرو استفاده شده است ، هر چند که سلاحهای اتمی متعددی در جهان وجود دارند .
جمعیت جهان با سرعت رو به افزایش است و مردم نیز مایلند سطح زندگیشان بهتر شود و توقعشان بیشتر شده است . این دو عامل دلیل نیاز روز افزون انرژی است .
قدرت اتم
هرگاه هسته ی متراکم اتمی شکافته شود ، انرژی هسته ای تولید
می شود .این فرآیند شکافت اتم نامیده می شود .
هسته اتم از دونوع ذره به نام های پروتون و نوترون تشکیل شده است ؛ این ذرات خیلی محکم به یکدیگر چسبیده اند. شکستن هسته ی اتم بسیار مشکل است ، هرچند هسته های بزرگتر راحت تر شکافته می شوند . وقتی هسته ی یک اتم شکسته می شود سه پدیده به وقوع می پیوندد :
هسته های عناصر مختلفی با هسته های کوچکتر تشکیل می شوند ؛ ذرات اتمی آزاد می شوند ، و انرژی تولید می شود .
فرآیند دیگری هم وجود دارد که به آن همجوشی هسته ای می گویند که در این فرآیند هسته‌ی دو اتم به یکدیگر پیوند می خورند . در عمل همجوشی هسته ای نیز انرژی آزاد می شود . اما دانشمندان هنوز از آن در نیروگاههای برق استفاده نمی کنند ، تا اینکه روش مناسبی برای مهار کردن این انرژی پیدا کنند .
واکنش های کنترل شده و کنترل نشده
هسته هنگامی شکافته می شود که : یک نوترون آزاد از ماده ی رادیواکتیو جذب آن شود . هسته ای که توسط یک نوترون شکافته شده است، نوترون های فراوانی تولید می کند . هر یک از این نوترونها توسط هسته های بیشتری جذب شده و به این ترتیب تعداد نوترون های بیشتری آزاد می شود . این فرایندبه صورت یک واکنش زنجیره ای همچنان ادامه پیدا می کند . در یک واکنش کنترل نشده اکثر نوترون های جدید با هسته های دیکر برخورد
می کنند واتم های بیشتری شکافته می شوند و مقدار بسیار زیادی انرژی آزاد می شود و این فرآیند همان چیزی است که در انفجار یک بمب اتمی روی می دهد .
بمب اتم
بمب اتم یک واکنش هسته ای کنترل نشده است ، برای اینکه نوترونها سریع حرکت می کنند و هسته ها خیلی سریع می شکنند و مقدار زیادی انرژی در کمتر از یک ثانیه آزاد می شود .
سوخت های هسته ای
تنها ، اتم های عناصر خاصی دارای هسته هایی هستند که وقتی شکافته می شوند قابلیت پخش نوترون را دارند . بنابراین فقط می توان این عناصر را برای ایجاد واکنش هسته ای به کار برد ، این عناصر به مواد قابل شکافت موسومند .
تنها عنصر قابل شکافت طبیعی ، یک نوع خاص از اورانیوم است ، که ایزوتوپ آن اورانیوم 23500 است . ایزوتوپها اشکال مختلف یک عنصرند که تفاوت آنها در تعداد نوترونهای موجود در هسته شان می باشد . اورانیوم یک فلز براق سنگین است که در میان عناصر طبیعی ، سنگین ترین وزن اتمی را داراست . فقط اورانیوم استخراج شده حاوی اورانیوم 23500 و باقی ایزوتوپ اورانیوم 23800 است .
یک کیلوگرم اورانیوم 235 به اندازه ی سه میلیون زغال سنگ انرژی تولید می کند . سایر سوخت های هسته ای در اثر فعل و انفعالاتی که بر روی اورانیوم انجام می گیرد قابل تهیه می باشد .
استخراج :
دو میلیونوم از سطح پوسته ی زمین را اورانیوم تشکیل می دهد . اورانیوم به صورت سنگ معدن یافت می شود که کانیهای قابل استخراج
می باشند و در اغلب مناطق درصد اورانیوم بسیار کم است و تنها مناطق محدودی هستند که دارای معادن اورانیوم هستند که عبارتند از : زئیر ، آفریقای شمالی ، فرانسه ، جمهوریهای چک و اسلواک ، آمریکای شمالی ، استرالیا ، چین و جمهوری فدرال روسیه . سنگ معدن اورانیوم نزدیک به پوسته ی زمین یا در اعماق زمین قرار داشته باشد ، شیوه ی استخراج ، همانند استخراج سایر سنگ های معدنی است .
جداسازی و میله های سوخت
پیش از آن که اورانیوم 235 مورد استفاده قرار بگیرد باید از اورانیوم 2380 تفکیک شود . برای این کار ، اورانیوم را تبدیل به گاز می کنند و سپس توسط دستگاه سانتریفوژ یا گریز از مرکز عمل جداساطی صورت گیرد . اورنیوم 238 که سنگین تر است در لبه ها اورانیوم 235 در مرکز دستگاه گریز از مرکز انباشته می شود .
اورانیوم 235 سپس به پودر سیاه رنگی که اکسید اورانیوم نامیده
می شود ، تولید می گردد . این پودر به صورت قرص هایی درون یک لوله که به آن میله سوخت می گویند قرار داده میشود . این میله ها نیز در لوله هایی قرار گرفته و آماده استفاده در راکتور می شود .
نیروگاه
در نیروگاه حرارتی عادی حرارتی ، برای تبدیل به بخار آب از سوخت نفت یا زغال سنگ استفاده می شود . بخار حاصل موجب چرخش توربین ها شده و برق تولید می شود . اما در نیروگاههای اتمی ، حرارت لازم برای تولید بخار از یک واکنش هسته ای کنترل شده تامین می شود . عمل واکنش ، درون راکتور ودر ساختمانی که مجهز به تمامی سیستم های ایمنی است ، انجام
می گیرد . این ساختمان محافظت شده عمده ترین تفاوت بین نیروگاههای حرارتی و اتمی است .
برای جلوگیری از نشست مواد رادیواکتیو ، چه هنگامی که نیروگاه در حال کارکرد است و چه هنگامی که حادثه ای روی می هد . این ساختمان از بتن و فولاد ساخته می شود . تفاوت دیگر این دو نوع نیروگاه در این است که از بعضی نیروگاه های اتمی قدیمی برای تهیه ی پلوتونیوم که برای ساختن بمب های اتمی مورد نیاز است استفاده می شود .
بخشهای مختلف در نیروگاه اتمی
یک نیروگاه اتمی شامل یک راکتور هسته ای است که در هسته ی آن
میله های سوخت حاصل اورانیوم و میله های کنترل کننده برای کنترل تعداد نوترون های حاصل از شکافت اتم ، وارد راکتور و یا از آن خارج می شوند . میله های کنترل کننده نوترون ها را جذب می کنند ودر صورت لزوم قادر به توقف کلی واکنش زنجیره ای نیز می باشند .
واکنش هسته ای تولید گرما می کند که توسط جریان سرد کننده ای که از رآکتور عبور می کند این گرما را جذب می کند و به مبدل حرارتی انتقالمس یابد . مبدل حرارتی با استفاده از این گرما تولید بخار می کند . از این مرحله به بعد نیروگاه اتمی مانند نیروگاه حرارتی عمل می کند و بخار های مصرف شده در برجهای خنک کننده به آب تبدیل می شوند که دوباره قابل مصرفند .
کف راکتور
محفظه بالای راکتور که محل کنترل نیروگاه است دسترسی به ملیه‌های سوخت و هسته ی راکتور را فراهم می کند . دستگاههای مخصوصی میله های سوخت مصرف شده را با میله های جدید ، بدون آنکه نیاز به خاموش کردن رآکتور و یا متوقف کردن تولید الکتریسیته باشد جایگزین کنند .
کنترل کننده های نوترون
شکافت هسته ای هنگامی روی می دهد که یک نوترون با اتم اورانیوم برخوردکند و آن را می شکافند . در این لحظه سایر نوترون ها نیز به سرعت آزاد می شوند ، برای ایجاد واکنش زنجیره ای نوترون های پرجنب و جوش باید سرعت خود را از دست بدهند و کند شوند .
این عمل توسط کنترل کننده - ماده ای مانند گرافیت یا آب که در حین عبور نوترون ها از میان آنها از میزان سرعتشان کاسته می شود انجام
می گیرد . برای کنترل مطلوب نوترون ها ، هسته ی مرکزی رآکتور به
میله های کادمیمی نیز که جذب کننده ی نوترون ها هستند مجهز می باشد .