انرژي هسته اي و كاربردهاي آن
تهيه و تنظيم : ش – عطايي
هر چند كه انرژي هسته اي با انفجار بمب هاي هسته اي در هيروشيما و ناكازاكي به گونه اي مخرب و شوم معرفي شد ، اما با مهار شدن انرژي در راكتورهاي هسته اي موجود در نيروگاههاي هسته اي ، اين انرژي بطور مثبت و مفيد مي تواند در اختيار و خدمت بشر قرار گيرد . نيروگاههاي هسته اي نوعي از تجهيزات راكتوري هسته اي را در بر مي گيرند كه براي توليد برق طراحي و ساخته مي شوند .
به دليل توليد انرژي فوق العاده زياد در واحد جرم سوخت هسته اي ( يعني اورانيوم و پلوتونيوم ) و با توجه به ذخاير عظيم معادن اورانيوم و بازيافت سوختهاي مصرف شده بعنوان سوخت جديد ، انرژي هسته اي نياز انرژي امروز و فرداي جامعه صنعتي را بطور قابل ملاحظه اي مرتفع مي كند
بعنوان نمونه ، فرانسه بيش از 70 درصد برق مصرفي خود را از انرژي هسته اي تامين مي كند.
كاربرد هاي پرتو و پروازاها ( مواد راديو اكتيو )
- تعيين ضخامت ، چگالي مواد و ورقه هاي فلزي و كاغذي
- پرتودهي سيب زميني ، پياز و محصولات ديگر به منظور انبار كردن و نگهداري
- مقاوم سازي محصولات كشاورزي در برابر آفات مختلف
- افزايش برداشت محصول زمينهاي زير كشت
- تحقيقات در دامداري
- نشت يابي در لوله ها و مخازن گوناگون
- بررسي و كنترل خوردگي مواد و فلزات
- بررسي وضعيت مواد مختلف بويژه معادن نفت و ذغال سنگ
- استفاده در صنايع شيميايي ( كه خود طيف وسيعي دارد. )
- تخمين سن ، بويژه تعيين سن صخره ها ، درختها و آثار باستاني
- بررسي وضعيت آبهاي زير زميني
- نابود سازي باكتريهاي فاسد كننده مواد غذايي
- از بين بردن و انهدام آفات مختلف گياهي
- مطالعه گردش خون ، تعيين حجم خون ، حجم پلاسما ، عمر سلولهاي قرمز و…
- نابود سازي و انهدام انواع سلولهاي تومورهاي سرطاني به روش پرتو درماني
- پرتو نگاري از قالب ريزيها و جوشكاريها و تشخيص تركها و محلهاي سست در جوشكاري و قالب ريزي
( بدنه هواپيماها و زير دريائيها )
- تخميين عمر بعضي از توليدات صنعتي پيش از استفاده از آنها
- كنترل و بررسي دائم حركت شن و ماسه و ميزان رسوب آنها در پشت سدها
- تعيين و تشخيص نوع و كميت عناصر كمياب موجود در يك نمونه ( مثلا هورمونهاي بدن در خون )
- سطح سنجي و رطوبت سنجي
- بررسي توزيع و نحوه حركت آبهاي سطحي و عمقي
- بررسي ميزان آلودگي هاي هوا
- تشخيص و درمان برخي بيماريها ( اساس علم پزشكي هسته اي )
- و… متجاوز از ده ها موارد استفاده مهم و حياتي ديگر
چرخه سوخت هسته اي چيست؟
چگونه اورانيوم استخراج و آسياب ميشود؟كيك زرد چيست؟
چرخه سوخت مجموعه اقداماتي است كه در طي آنها سوخت راكتور هاي هسته اي فراهم مي شود و آنچه را كه هنگام خارج شدن آن از راكتور هسته اي واكنش زنجيره اي شكافت هسته اي كنترل شده سوخت هاي هسته ايست ( u-235 ، pu-239 ) كه منجر به توليد انرژي مي گردد. مجموعه مراحل فراهم و آماده سازي سوخت ، به كار گيري آن و مديريت سوخت مصرف شده ، بر روي هم آنچه را كه به چرخه سوخت معروف است ، تشكيل مي دهد .
سنگهاي معدن ( كانه هاي اورانيوم استخراج شده ، خرد و آسياب مي شوند . براي جدا كردن اورانيوم (و بعضي از فلزات ديگر ) ، معمولا با اسيد سولفوريك بعنوان ماده جدا كننده اورانيوم از سنگ معدن ، در بيشتر معادن مورد استفاده قرار مي گيرد . پس از جدا سازي اورانيوم مواد جامد باقي مي ماند كه به صورت آبكي درآمده و به محل مخصوص پس مانده ها پمپ مي شود . اين مايع از يك فرايند استخراج حلال يا تبادل يون عبور كرده و در ادامه رسوب مي كند ، و اورانيوم به صورت يك رسوب زرد روشن موسوم به >> كيك زرد<< از محلول جدا مي شود . پس از خشك كردن كيك زرد در دماي بالا ، اكسيد اورانيوم (u3o8) كه در اين حالت خاكي رنگ است در شبكه هاي مخصوص ( 200 ليتري ) براي حمل و نقل ، بسته بندي مي شود.
پالايش ، تبديل و غني سازي چگونه انجام مي شود؟
كانه اورانيوم بر عكس زغال سنگ نمي تواند بطور مستقيم به عنوان سوخت به يك راكتور خوانيده شود . اورانيوم بايد ابتدا پالايش و تغليظ ايزو توپي گردد و به صورت ميله هاي سوخت مخصوص ساخته شود . در شكل 1 ، چرخه سوخت باز توان هسته اي نشان داده شده است . اين سيستمي است كه امروزه در بيشتر كشورها داراي معمولي ترين نوع راكتور ها برقرار و استفاده مي شود.
غني سازي فرآيندي فيزيكي است با فناوري پيشرفته كه اورانيوم لازم براي آن بايد به شكل گازي باشد . ساده ترين روش براي رسيدن به اين منظور تبديل اكسيد اورانيوم به ماده اي به نام هگزا فلورايد اورانيوم (uf 6) يا >> هگز << است كه در دماي اندكي بيشتر از دماي اتاق بصورت گاز در مي آيد بنابر اين اكسيد اورانيوم در اولين مرحله پس از استخراج به يك كارخانه تبديل مي شود ، تا پس از پالايش به uf 6 تبديل شود.
سپس UF 6 به كارخانه غني سازي برده شده تا در آنجا نسبت به ايزوتپ شكاف پذير U-235 (سوخت راكتور ) به آن افزوده شود تا به ميزان مطلوب كه حدود 5/3 درصد از u-235 است رسيده ومورد استفاده قرار گيرد.
نقش سانتريفوژها ((دستگاههاي گريز از مركز)) در
غني سازي اورانيوم چگونه است ؟
روشهاي غني سازي كه در حال حاضر استفاده مي شوند ، بر پايه اختلاف جزئي بين جرم اتمي u-235 و u-238 استوار است . بر اساس فرآيند پخش گازي ، گاز uf6 از ميان يك سري طولاني از موانع غشايي عبور داده شده ، بطوريكه اين موانع اجازه مي دهند كه ملوكولهاي سبك تر u-235 سريعتر از ملوكولهاي u-238 عبور كرده و جدا شوند . در تجهيزات جديدتر ، دستگاههاي گريز از مركز بسيار سريعتر براي جدا كردن ملوكولهاي اين دو ايزوتوپ اورانيوم بكار مي روند .
كارخانه توليد يا ساخت سوخت چيست ؟
كارخانه توليد سوخت محلي است كه اجزاء سوخت راكتور در آن ساخته مي شوند . در مرحله بعدي اورانيوم غني شده وارد اين كارخانه مي گردد . uf6 تبديل به دي اكسيد اورانيوم (uo2) كه يك ماده سراميكي است شده و به شكل قرصهاي استوانه اي كوچك با طول تقريبي 2 سانتيمتر و قطري حدود 5/1 سانتيمتر در مي آيد . اين قرصها در داخل لوله هليي از آلياژ زير كونيم (zr) يا فولاد ضد زنگ با طول حدود 4 متر قرار گرفته و ميله هاي سوخت را تشكيل مي دهند
اين ميله به شكل دسته هايي با مقطع 30 سانتيمتر مربع درآمده و مجموعه هاي سوخت راكتور را تشكيل مي دهند . يك راكتور mw 1000 حدود 75 تن سوخت را در خود جاي مي دهد.
در همه انواع راكتورهاي فعال ‚ يك زنجيره از واكنش شكافت در داخل ميله هلي سوخت رخ مي دهد و نوتورونهاي سريع توليد شده در اين واكنش ها با آب سبك ‚ آب سنكين يا كند كننده گرافيتي كند و مهار مي شوند و انرژي آنها در حدي پايين مي آيد كه حود مي تواند باعث واكنش شكافت هسته هاي اورانيوم شوند .
قلب راكتور با اكسيد اورانيومي كه به صورت uo2 درآمده و در لوله هايي از آلياژ زير كونيوم يا فولاد زد زنگ قرار داده مي شود . اين لوله ها توسط خنك كننده و كند كننده محصور مي شود.
توليد توان هسته اي مستلزم مهار و كنترل فرآيند شكافت است . بصورتي كه گرماي حاصل بتواند براي توليد بخار آبي كه عملا توليد برق مي كند مورد استفاده قرار گيرد . به عبارت ديگر ‚ گرماي حاصل از واكنش كنترل شده شكافت هسته اي بتواند از قلب راكتور منتقل شده و براي توليد بخار و در نهايت توليد برق مورد استفاده قرار گيرد .
انرژي هسته اي و كاربردهاي پزشكي
خوشبختانه راديو ايزوتوپهاي مورد استفاده در
پزشكي ‚ در كشور ما تا حد زيادي توسط دانشمندان
ايراني در سازمان انرژي اتمي ايران توليد ميشود.
در بخشهاي پزشكي هسته اي ايزوتوپها به منظور
تشخيص سريعتر و درمان راحتتر و مؤثرتر به صورت
راديو دارو به كار مي روند.
در بيماريهاي قلب و عروق ‚ كليه ‚ استخوان و مفصل
امكانات دقيق و كم عارضه توسط راديو داروها فراهم
شده است.
خوشبختانه از مدتي قبل در شهر ما امكانات
تخصصي پزشكي هسته اي در اختيار عموم قرار
گرفته است و بخش پزشكي هسته اي بيمارستان
امام رضا (ع) مجهز به امكانات پيشرفته و پرسنل
كار آمد براي ارائه خدمات به بيماران مي باشد.
چهار طريق درمان سرطانها با استفاده از انرژي هسته اي :
انرژي هسته اي همچنين در درمان سرطانها به چند طريق كاربرد فراواني دارد.
الف – كاشت مواد راديواكتيو ‚ در تومورهاي بدخيم پرستات ‚ زبان و پستان مؤثراست.
ب – درمان داخل حفره اي در سرطانهاي حلق ‚ مري ‚ دستگاه تناسلي زنان و راست روده.
ج – درمان سطحي در تومورهاي بدخيم پوست و لب كاربرد دارد.
د – تجويز مواد راديو اكتيو بصورت خوراكي ويا تزريقي در درمان تومورهاي بدخيم غده تيروئيد و گرفتاري استخوان در سرطانهاي مختلف به كار برده مي شود.
این وبلاگ به همت گروه شیمی ناحیه سه آموزش و پرورش شهرستان کرمانشاه جهت ارتباط بیشتر با همکاران و دانش آموزان علاقمند به شیمی تهیه و ارائه شده است. امید است با ارسال نظرات و پیشنهادات و مطالب علمی ما را در این مهم یاری نمایید.