انرژی هسته ای چگونه به دست می آید؟

استفاده اصلی از انرژی هسته ای، تولید انرژی الکتریسیته است. این راهی ساده و کارآمد برای جوشاندن آب و ایجاد بخار برای راه اندازی توربین های مولد است. بدون راکتورهای موجود در نیروگاه های هسته ای، این نیروگاه ها شبیه دیگر نیروگاه ها زغال سنگی و سوختی میشود. انرژی هسته ای بهترین کاربرد برای تولید مقیاس متوسط یا بزرگی از انرژی الکتریکی به طور مداوم است. سوخت اینگونه ایستگاه ها را اورانیوم تشکیل میدهد.چرخه سوخت هسته ای تعدادی عملیات صنعتی است که تولید الکتریسیته را با اورانیوم در راکتورهای هسته ای ممکن میکند.

اورانیوم عنصری نسبتاً معمولی و عادی است که در تمام دنیا یافت میشود، این عنصر به صورت معدنی در بعضی از کشورها وجود دارد که حتماً باید قبل از مصرف به صورت سوخت در راکتورهای هسته ای، فرآوری شود.الکتریسته با استفاده از گرمای تولیدشده در راکتورهای هسته ای و با ایجاد بخار برای به کار انداختن توربین هایی که به مولد متصل اند تولید میشود. سوختی که از راکتور خارج شده، بعدازاینکه به پایان عمر مفید خود رسید میتواند به عنوان سوختی جدید استفاده شود.فعالیت های مختلفی که با تولید الکتریسیته از واکنش های هسته ای همراهند مرتبط به چرخه سوخت هسته ای هستند. چرخه سوخت انرژی هسته ای با اورانیوم آغاز میشود و با انهدام پسماندهای هسته ای پایان مییابد.

دو بار عمل آوری سوخت های خرج شده به مرحله های چرخه سوخت هسته ای شکلی صحیح میدهد.نیروگاه هسته ای یک نیروگاه الکتریکی که از انرژی تولیدی شکست هسته اتم اورانیوم یا پلوتونیم استفاده میکند، چون شکست سوخت هسته ای اساساً گرما تولید میکند از گرمای تولیدشده رآکتورهای هسته ای برای تولید بخار استفاده میشود و از بخار تولیدشده برای به حرکت درآوردن توربین ها و ژنراتورها که نهایتاً برای تولید برق استفاده میشود .پیل هسته ای یا اتمی دستگاه تبدیل کننده انرژی اتمی به جریان برق مستقیم است. ساده ترین پیل ها شامل دو صفحه است؛ یک پخش کننده بتای خالص مثل استرنیوم 90 و یک هادی مثل سیلسیوم.

ساختار نیروگاه اتمیبه طور خلاصه چگونگی کارکرد نیروگاه های اتمی را بیان کرده و ساختمان درونی آنها را مورد بررسی قرار میدهیم: طی سال های گذشته اغلب کشورها به استفاده از این نوع انرژی هسته ای تمایل داشتند کارکرد نیروگاه اتمی درواقع با انفجارهای اتمی است که به کمک میله های مهارکننده و خروج دمای درونی به وسیله مواد خنک کننده مثل آب و گاز، تحت کنترل درآمده است. یک نیروگاه اتمی متشکل از مواد مختلفی است که همه آنها نقش اساسی و مهم در تعادل و ادامه حیات آن را دارند. این مواد عبارت اند از:

1-ماده سوخت:

متشکل از اورانیوم طبیعی، اورانیوم غنیشده، اورانیوم و پلوتونیم است. عمل سوختن اورانیوم در داخل نیروگاه اتمی متفاوت از سوختن زغال یا هر نوع سوخت فسیلی دیگر است. در این پدیده با ورود یک نوترون کم انرژی به داخل هسته ایزوتوپ اورانیوم 235 عمل شکست انجام میگیرد و انرژی فراوانی تولید میکند. بعد از ورود نوترون به درون هسته اتم، ناپایداری در هسته به وجود آمده و بعد از لحظه بسیار کوتاهی هسته اتم شکسته شده و تبدیل به دوتکه شکست و تعدادی نوترون میشود. تعداد متوسط نوترون ها به ازای هر 100 اتم شکسته شده 247 عدد است و این نوترون ها اتم های دیگر را میشکنند.در واقع ورود نوترون به درون هسته اتم اورانیوم و شکسته شدن آن توأم با انتشار انرژی معادل با 200 میلیون الکترون ولت است این مقدار انرژی در سطح اتمی بسیار ناچیز ولی در مورد یک گرم از اورانیوم در حدود صدها هزار مگاوات است که اگر تعداد شکست ها را در توده اورانیوم و طی زمان محدود کرده به نحویکه به ازای هر شکست، اتم بعدی شکست حاصل کند شرایط یک نیروگاه اتمی به وجود میآید. به عنوان مثال نیروگاهی که دارای 10 تن اورانیوم طبیعی است قدرتی معادل با 100 مگاوات خواهد داشت و به طور متوسط 105 گرم اورانیوم 235 در روز در این نیروگاه شکسته میشود و همان طور که قبلاً گفته شد در اثر جذب نوترون به وسیله ایزوتوپ اورانیوم 238 اورانیوم 239 به وجود میآمد که بعد از دو بار انتشار پرتوهای بتا (یا الکترون) به پلوتونیم 239 تبدیل میشود که خود مانند اورانیوم 235 شکست پذیر است، در این عمل 70 گرم پلوتونیم حاصل میشود. ولی اگر نیروگاه سورژنراتور باشد و تعداد نوترون های موجود در نیروگاه زیاد باشند مقدار جذب به مراتب بیشتر از این خواهد بود و مقدار پلوتونیم های به وجود آمده از مقدار آنهایی که شکسته میشوند بیشتر خواهند بود. در چنین حالتی بعد از پیاده کردن میله های سوخت میتوان پلوتونیم به وجود آمده را از اورانیوم و فرآورده های شکست را به کمک واکنش های شیمیایی بسیار ساده جدا و به منظور تهیه بمب اتمی ذخیره کرد.

2- نرم کننده ها:

موادی هستند که برخورد نوترون های حاصل از شکست با آنها الزامی است و برای کم کردن انرژی این نوترون ها به کار میروند. زیرا احتمال واکنش شکست پیدرپی به ازای نوترون های کم انرژی بیشتر میشود. آب سنگین (D2O) یا زغال سنگ (گرافیت) به عنوان نرم کننده نوترون به کاربرده میشوند

3 - میله های مهارکننده:

این میله ها از مواد جاذب نوترون درست شده اند و وجود آنها در داخل رآکتور اتمی الزامی است و مانع افزایش ناگهانی تعداد نوترون ها در قلب رآکتور میشوند.این میله ها میتوانند از جنس عنصر کادمیم و یا بور باشند

4- مواد خنک کننده یا انتقال دهنده انرژی حرارتی:

این مواد انرژی حاصل از شکست اورانیوم را به خارج از رآکتور انتقال داده و توربین های مولد برق را به حرکت در میآورند و پس از خنک شدن مجدداً به داخل رآکتور برمی گردند. البته مواد در مدار بسته و محدودی عمل میکنند و با خارج از محیط رآکتور تماسی ندارند. این مواد میتوانند گاز CO2 ، آب، آب سنگین، هلیم گازی و یا سدیم مذاب باشند.