عضویت در سایت

مطالب جالب و خواندنی از همه جا

  • خواندنی و جالب
  • عکس های دیدنی
  • عکس های خنده دار
  • مطالب خنده دار
  • اس ام اس خنده دار
مجموعه : دانستنی ها

سوخت هسته ای چیست؟

سوخت هسته ای چیست؟
 
ماده‌ای كه به عنوان سوخت در راكتورهای هسته‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد باید شكاف پذیر باشد یا به طریقی شكاف پذیر شود.235U شكاف پذیر است ولی اكثر هسته‌های اورانیوم در سوخت از انواع 238U است.

نحوه آزاد شدن انرژی هسته‌ای

می‌دانیم كه هسته از پروتون (با بار مثبت) و نوترون (بدون بار الكتریكی) تشكیل شده است. بنابراین بار الكتریكی آن مثبت است. اگر بتوانیم هسته را به طریقی به دو تكه تقسیم كنیم، تكه‌ها در اثر نیروی دافعه الكتریكی خیلی سریع از هم فاصله گرفته و انرژی جنبشی فوق العاده‌ای پیدا می‌كنند. در كنار این تكه‌ها ذرات دیگری مثل نوترون و اشعه‌های گاما و بتا نیز تولید می‌شود. انرژی جنبشی تكه‌ها و انرژی ذرات و پرتوهای بوجود آمده ، در اثر برهمكنش ذرات با مواد اطراف ، سرانجام به انرژی گرمایی تبدیل می‌شود. مثلا در واكنش هسته‌ای كه در طی آن 235U به دو تكه تبدیل می‌شود، انرژی كلی معادل با 200MeV را آزاد می‌كند. این مقدار انرژی می‌تواند حدود 20 میلیارد كیلوگالری گرما را در ازای هر كیلوگرم سوخت تولید كند. این مقدار گرما 2800000 بار برگتر از حدود 7000 كیلوگالری گرمایی است كه از سوختن هر كیلوگرم زغال سنگ حاصل می‌شود.

كاربرد حرارتی انرژی هسته‌ای

گرمای حاصل از واكنش هسته‌ای در محیط راكتور هسته‌ای تولید و پرداخته می‌شود. بعبارتی در طی مراحلی در راكتور این گرما پس از مهارشدن انرژی آزاد شده واكنش هسته‌ای تولید و پس از خنك سازی كافی با آهنگ مناسبی به خارج منتقل می‌شود. گرمای حاصله آبی را كه در مرحله خنك سازی بعنوان خنك كننده بكار می‌رود را به بخار آب تبدیل می‌كند. بخار آب تولید شده ، همانند آنچه در تولید برق از زعال سنگ ، نفت یا گاز متداول است، بسوی توربین فرستاده می‌شود تا با راه اندازی مولد ، توان الكتریكی مورد نیاز را تولید كند. در واقع ، راكتور همراه با مولد بخار ، جانشین دیگ بخار در نیروگاه‌های معمولی شده است.

سوخت راكتورهای هسته‌ای

ماده‌ای كه به عنوان سوخت در راكتورهای هسته‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد باید شكاف پذیر باشد یا به طریقی شكاف پذیر شود.235U شكاف پذیر است ولی اكثر هسته‌های اورانیوم در سوخت از انواع 238U است. این اورانیوم بر اثر واكنشهایی كه به ترتیب با تولید پرتوهای گاما و بتا به 239Pu تبدیل می‌شود. پلوتونیوم هم مثل 235U شكافت پذیر است. به علت پلوتونیوم اضافی كه در سطح جهان وجود دارد نخستین مخلوطهای مورد استفاده آنهایی هستند كه مصرف در آنها منحصر به پلوتونیوم است.
میزان اورانیومی كه از صخره‌ها شسته می‌شود و از طریق رودخانه‌ها به دریا حمل می‌شود، به اندازه‌ای است كه می‌تواند 25 برابر كل مصرف برق كنونی جهان را تأمین كند. با استفاده از این نوع موضوع ، راكتورهای زاینده‌ای كه بر اساس استخراج اورانیوم از آب دریاها راه اندازی شوند قادر خواهند بود تمام انرژی مورد نیاز بشر را برای همیشه تأمین كنند، بی آنكه قیمت برق به علت هزینه سوخت خام آن حتی به اندازه یك درصد هم افزایش یابد.

مزیتهای انرژی هسته‌ای بر سایر انرژیها

بر خلاف آنچه كه رسانه‌های گروهی در مورد خطرات مربوط به حوادث راكتورها و دفن پسماندهای پرتوزا مطرح می‌كند از نظر آماری مرگ ناشی ازخطرات تكنولوژی هسته‌ای از 1 درصد مرگهای ناشی از سوختن زغال سنگ جهت تولید برق كمتر است. در سرتاسر جهان تعداد نیروگاههای هسته‌ای فعال بیش از 419 می‌باشد كه قادر به تولید بیش از 322 هزار مگاوات توان الكتریكی هستند. بالای 70 درصد این نیروگاه‌ها در كشور فرانسه و بالای 20 درصد آنها در كشور آمریكا قرار دارد.

همجوشی خورشید و ستارگان

سالهاست كه دانشمندان واكنشی را كه در خورشید و ستارگان رخ داده و در آن انرژی تولید می كند كشف كرده اند. این واكنش عبارت است از تركیب (برخورد) هسته های چهار اتم هیدروژن معمولی و تولید یك هسته اتم هلیوم.اما مشكلی سر راه این نظریه است.
بالا ترین دمایی كه در خورشید وجود دارد مربوط به مركز آن است كه برابر 15ضرب در 10 به توان 6 می باشد.در حالی كه در ستارگان بزرگتر این دما به 20 ضرب در ده به توان 6 می رسد. به همین خاطر تصور بر این است كه آن واكنش معروف تركیب چهار اتم هیدروژن معمولی و تولید یك اتم هلیم در سایر ستارگان بزرگ نیست كه باعث تولید انرژی می شود. بلكه احتمالا چرخه كربن در آنها به كمك آمده و كوره آنها را روشن نگه می دارد.منظور از چرخه كربن آن چرخه ای نیست كه روی زمین اتفاق می افتد. بلكه به این صورت است كه ابتدا یك اتم هیدروژن معمولی با یك اتم كربن C12 تركیب می شود (همجوشی) و یك اتم N13 به علاوه یك واحد گاما را آزاد می كند. بعد این اتم با یك واپاشی به یك اتمC13به علاوه یك پوزیترون و یك نوترینو تبدیل می شود.بعد اینC13دوباره با یك اتم هیدروژن تركیب می شود وN14و یك واحد گاما حاصل می شود.دوباره در اثر تركیب این نیتروژن با یك هیدروژن معمولی اتمO15و یك واحد گاما تولید می شود.O15واپاشی كرده و N15به علاوه یك پوزیترون ویك نوترینو را بوجود میاورد.و دست آخر با تركیب N15با یك هیدروژن معمولیC12به علاوه یك اتم هلیوم بدست می آید.

محصور سازی

مشكلی اساسی سر راه همجوشی هسته‌ای است ; می دانیدهسته ازذرات ریزی تشكیل شده است كه پروتون ونوترون جزءلاینفك آن هستند.نوترون بدون بار وپروتون با بار مثبت كه سایربارهای مثبت رابه شدت از خود میراند.مشكل مشخص شد؟ بله…اگرپروتونها (هسته های هیدروژن) یكدیگررادفع میكنند چگونه میتوان آنهارا در همجوشی شركت داد؟
همانطوركه حدس زدید راه حل اساسی آن است كه به این پروتونها آنقدر انرژی بدهیم كه انرژی جنبشی آنها بیشتر از نیروی رانش كولنی آنها شود و پروتونها بتوانند به اندازه كافی به هم نزدیك شوند. حال چگونه این انرژی جنبشی را تولید كنیم؟ گرما راه حل خوبیست. در اثر افزایش دما جنب و جوش وبه عبارت دیگرانرژی جنبشی ذرات بیشتر و بیشتر میشود به طوری كه تعداد برخوردها و شدت آنها بیشتر و بیشتر میشود.به نظر شما آیا دیگر مشكلی وجود ندارد؟ خیر,مسئله اساسیتری سر راه است.
یك سماور پر از آب را تصور كنید.وقتی سماور را روشن می كنید با این كار به آب درون سماور گرما میدهید(انرژی منتقل می كنید).در اثر این انتقال انرژی دمای آب رفته رفته بالاتر می رود و به عبارتی جنب و جوش مولكولهای آب زیاد می شود.در این حالت بین مولكولهای آب برخوردهایی پدید می آید.هر مولكول كه از شعله(یا المنت یا هر چیز دیگری)مقداری انرژی دریافت كرده است آنقدر جنب و جوش می كند تا بالاخره (به علت محدود بودن محیط سماور و آب)انرژی خود رابه دیگری بدهد.مولكول بعدی نیز به نوبه خود همین عمل را انجام میدهد.بدین ترتیب رفته رفته انرژی منبع گرما در تمام آب پخش می شود و دمای آب بالا میرود.خوب یك سوال:آیا وقتی بدنه سماور را لمس می كنیم هیچ گرمایی حس نمی كنیم؟…بله حس میكنیم.دلیلش هم كه روشن است.برخورد مولكولهای پر انرژی آب با بدنه سماور و انتقال انرژی خود به آن.هدف ما از روشن كردن سماور گرم كردن آب بود نه سماور.امیدوارم تا اینجا پاسخ اولین مشكل اساسی بر سر راه همجوشی را دریافت كرده باشید.بله اگر اگر با صرف هزینه و زحمت بالا سوخت را به دمایی معادل میلیونها درجه كلوین برسانیم آیا این اتمها آنقدر صبر خواهند كرد تا با دیگر اتمها وارد واكنش شوند یا در اولین فرصت انرژی بالای خود را به دیواره داده وآن را نا بود میكند؟(…شما بودید چه می كردید؟؟؟…).بنابر این نیاز به ((محصور سازی)) داریم; یعنی باید به طریقی اجازه ندهیم كه این گرما به دیواره منتقل شود.

رسیدن به دمای بالا

شروع واكنش همجوشی به دمای بسیار بالایی نیازمند است.درست است كه دمای پانزده میلیون درجه دمای بسیار بالایست و تصور بوجود آوردنش روی زمین مشكل و كمی هم وحشتناك می باشد ولی معمولا در زندگی روزمره دور و برمان دماهای خیلی بالایی وجود دارند و ما از آنها غافلیم.مثلا وقتی در اثر اتصالی سیمهای برق داخل جعبه تقسیم میسوزد وشما صدای جرقه آنرا میشنوید و پس از بررسی متوجه می شوید كه كاملا ذوب شده فقط به خاطر دمای وحشتناكی بوده كه آن تو به وجود آمده.شاید باور نكنید ولی این دما به حدود سی-چهل هزار درجه كلوین میرسد.البته این دما برای همجوشی حكم طفل نی سواری را دارد.یا اینكه می توانیم با استفاده از ولتاژهای بسیار بالا قوسهای الكتریكی را از درون لوله های مویین عبور بدهیم.به این ترتیب دمای هوای داخل لوله كه اكنون به پلاسما تبدیل شده به نزدیك چند میلیون درجه می رسد.(كه باز هم برای همجوشی كم است).یكی از بهترین راهها استفاده از لیزر است.می دانید كه لیزرهایی با توانهای بسیار بالا ساخته شده اند.مثلا نوعی از لیزر به نام لیزر نوا(NOVA)می تواند در مدت كوتاهی انرژی ای معادل ده به توان پنج ژول تولید كند.اما بازهم در كنار هر مزیت معایبی هست.مثلا این لیزر تبعا انرژی زیادی مصرف میكند كه حتی با صرف نظر از آن مشكل دیگری هست كه میگوید اگر انرژی تولیدی لیزر در آن مدت كوتاه باید تحویل داده بشود پس برای برقرار ماندن معیار لاوسن (حالا كه مدت زمان محصور سازی پایین آمده)باید چگالی بالا تر برود.كه در این مورد از تراكم و چگالی جامد هم بالا تر میرود.

انواع واكنشها

برای بهینه سازی كار رآكتورهای همجوشی و افزایش توان خروجی آنها راههای متعددی وجود دارد.یكی از این راهها انتخاب نوع واكنشیست كه قرار است در رآكتور انجام بشود.
ظبق تصویر زیر نوعی از واكنش همجوشی بصورتیست كه در آن دو هسته سبك با یكدیگر واكنش داده و یك هسته سنگین تر را بوجود میاورند.یعنی حاصل تركیب دو هسته دوتریم و تولید یك هسته ترتیم به علاوه یك هسته هیدروژن معمولیست. این واكنش انرژی ده می باشد.چون تفاوت انرژی بستگی هسته سنگین تر وهسته های سبكتر مقداری منفیست.
در این واكنش مقدار انرژی ای تولیدی برابر4MeVمی باشد.
قبلا گفته شد كه باید برای انجام همجوشی هسته ها به اندازه كافی به هم نزدیك بشوند.این مقدار كافی حدودا معادل3fmمی باشد.چون در این فاصله ها انرژی پتانسیل الكترواسناتیكی دو دوترون در حدود 0.5MeVهست پس می توانیم با این مقدار انرژی دادن به یكی از دوترونها دافعه كولنی بین دوترونها ر شكسته و واكنش را شروع كنیم كه بعد از انجام مقدار4.5MeVتولید می شود.(0.5MeVانرژی جنبشی به علاوه 4MeVانرژی آزاد شده)
می توانیم رآكتور خود را طوری طراحی كنیم كه دور دیواره بیرونی آن لیتیم مایع تحت فشار جریان داشته باشد.این لیتیم مایع گرمای تولیدی اضافی را از واكنش گرفته و به آب منتقل می كند و با تبدیل آن به بخار باعث می شود كه توربین و ژنراتور به حركت درآیند و برق تولید بشود.

اما چرا لیتیم؟

قبلا دیدید كه مقرون به صرفه ترین واكنش در رآكتور همجوشی واكنش دوتریم . ترتیم است.در این واكنش دیدید كه یك نوترون پر انرژی تولید می شد.این مساله یعنی نوترون زایی می تواند سبب تضعیف بخشهایی از رآكتور شود.از طرفی برای محیط زیست و مخصوصا سلامتی كسانی كه در اطراف رآكتور فعالیت می كنند بسیار مضر است.اما اگر لیتیم را به عنوان خنك كننده داشته باشیم این جریان لیتیم همچنین نقش مهم كند كنندگی را بازی خواهد كرد.به این صورت كه با نوترون اضافی تولید شده در واكنش تركیب شده و سوخت گران قیمت و بسیار كمیاب رآكتور رو كه همان ترتیم است تولید می كند.واكنش دقیق آن به شكل زیر است.البته در این مورد باید ضخامت لیتیم مایع در جریان حداقل یك متر باشد.

انواع رآكتور

توكامك یكی از انواع رآكتورهای همجوشی هسته ایست كه عمل محصورسازی را به خوبی انجام میدهد.طرح توكامك در دهه پنجاه میلادی توسط روسها پیشنهاد شد. واژه توكامك از واژه های "toroidalnaya ", "kamera ", and "magnitnaya " به معنی " اتاقك مغناطیسی چنبره ای " گرفته شده است.
یكی از دلایل و توجیحاتی كه برای چنبره ای بودن محفظه های محصور سازی می شود بیان كرد این است كه : توپ پر مویی را تصور كنید كه شما قصد دارید موهای این توپ را شانه بزنید. شما هر طور و از هر طرف كه بخواهید این كار بكنید همیشه دو طرف از موهای توپ شانه نشده و نامنظم باقی می ماند.حال به جای توپ فرض كنید كه یك كره مغناطیسی داریم .میخواهیم كه بردارهای میدان در سراسر اطراف این كره یكنواخت و منظم باشند(در واقع همه در یك جهت باشند).بنا به مثال این كار غیر ممكن بوده ونا منظمی در دو طرف كره باعث عدم پایداری محصور ساز می شود.ولی در یك محصور ساز چنبره ای چنین مشكلی وجود ندارد و یكنواختی میدان سراسر محصور ساز(توكامك)باعث پایداری آن می شود.مهم ترین و حیاتی ترین وظیفه یك ابزار همجوشی پایدار نگه داشتن پلاسما است.

اسفرومك

اسفرومك نوع دیگری از رآكتورهای همجوشیست كه بر خلاف توكامك كه چنبره ایست شكلی كروی دارد.البته تفاوت اسفرومك با توكامك در این است كه در مركز اسفرومك هیچ جسم مادی ای وجود ندارد.
اسفرومك متاسفانه با بی مهری مواجه شد و به اندازه توكامك مورد توجه واقع نشد.در حالی كه اسفرومك مدت زیادی بعد از توكامك اختراع شد.
در دهه گذشته اغلب تحقیقات در بخش انرژی همجوشی مغناطیسی روی توكامك چنبره ای شكل برای رسیدن به واكنشهای همجوشی در سطح بالا متمركز شده است.
كار توكامك در ایالات متحده وخارج آن ادامه دارد ولی سازمان دانشمندان انرژی همجوشی در حال بازدید از اسفرومك هستند.
قسمت زیادی از علاقه تجدید شده به پروژه اسفرومك روی تحقیقات فعالی در لاورنس لیورمور در گروهی به نام SSPX (Sustained Spheromak Physics Experiment) متمركز شده است.SSPX در 14ژوئن 1999 در مراسمی با حضور نماینده ای از DOE و با همكاری دانشمندانی از Sandia و آزمایشگاه ملی لس آلاموس آغاز به كار كرد.SSPX یك سری از از آزمایشات است كه برای این طراحی شده كه توانایی اسفرومك را در این مورد كه اسفرومك چقدر این كیفیت را داراست كه پلاسما های داغ سوخت همجوشی را درون خود داشته باشد مشخص كند .
به عقیده رهبر پروژه SSPX آقای David Hill توكامك با دمای بالایی كه در آن قابل دسترسیست (بیشتر از 100میلیون درجه سلسیوس كه بارها بیشتر از دمای مركز خورشید است)فعلا برنده جریان رهبری پروژه های همجوشی به حساب می آید.با این حال میدانهای مغناطیسی توكامك بوسیله كویل (سیم پیچ) های بیرونی بسیار بزرگ كه چنبره رآكتور را كاملا احاطه می كنند تولید می شوند.این كویل های بسیار بزرگ هزینه بسیار زیاد و بی نظمی و اختلالاتی در كار رآكتور خواهند داشت.
در حالی كه اسفرومك ها پلاسمای بسیار داغ را در یك سیستم میدان مغناطیسی ساده و فشرده كه فقط از یك سری ساده از كویل های كوچك پایدار كننده استفاده میكند بوجود می آورد.میدانهای مغناطیسی قوی لازم درون پلاسما با چیزی كه دینام مغناطیسی نامیده می شود تولید می شوند.

انرژی‌ده كردن

می دانید درنوعی از رآكتورهای شكافت هسته ای بوجود آوردن زنجیره واكنشها بوسیله برخورد دادن یك نوترون پر انرژی با هسته یك اتم اورانیم235 انجام می شود.به این صورت كه وقتی كه این نوترون وارد هسته اتم اورانیوم235 می شود آن را به یك هسته اورانیم236 تبدیل میكند.از آنجا كه این هسته ناپایدار است به سرعت واپاشی می كرده و اتمهای سبكتری به همراه سه نوترون پر انرژی دیگر را تولید می كند.
توضیح كاملتر اینكه در هسته های سنگین پایدار مثل اورانیوم بین نیروهای الكترواستاتیكی كه مایل هستند ذرات تشكیل دهنده اتم را از هم دور كنند و نیروی هسته ای كه آنها را كنار هم نگه میدارد تعادل بسیار حساسی وجود دارد كه این تعادل رو می توانیم براحتی و به روشی كه گفته شد به هم زده و واكنش شكافت هسته ای را شروع كنیم.واكنش حاصل از یك اتم با تولید كردن سه نوترون پر انرژی دیگر باعث میشود سه اتم اورانیم دیگر وارد واپاشی بشوند.به همین ترتیب واكنش اصطلاحا زنجیره ای میشود.
قدر مسلم یك رآكتور همجوشی ایده آل رآكتوریست كه در آن واكنشهای زنجیره ای داریم. در واقع هدف اساسی در راه ساخت رآكتور همجوشی هسته ای زنجیره ای كردن آن است.اگر قرار باشد كه ما در این راه انرژی صرف كنیم تا یك مقدار كمتر از آن را بدست بیاوریم مطمئنا این واكنش نه زنجیره ایست نه مفید.دانشمندان این رشته مفهومی به نام گیرانش را تعریف كرده اند كه به معنی این است كه مقداری انرژی صرف شروع واكنش كنیم و انرژی بیشتر از سلسله واكنشها بگیریم.در واقع در شرایط گیرانش واكنش زنجیره ای میشود.یعنی نه تنها انرژی تولیدی یك واكنش برای انجام واكنش بعد كافیست بلكه مقدار زیادی از آن هم اضافه است ومیتواند در اختیار ما برای تولید برق قرار بگیرد.
اگر بخواهیم توكامك یا هر وسیله دیگر كه همجوشی در آن انجام می شود توان مفید داشته باشد یعنی به ما انرژی بدهد باید شرایط خاصی داشته باشد. برای آنكه احتمال برخورد ذرات(یونهای) نامزد همجوشی بالا برود اولا باید دمای خیلی بالایی درون آن تولید بشود و رآكتور هم بتواند بخوبی دمای بالا را تحمل كند.(این دما در محدوده ده به توان هشت درجه كلوین می باشد!)دوما رآكتور باید این توانایی را داشته باشد كه درونش چگالی زیاد از یونها را وارد كرد و سوم اینكه زمان محصور سازی در آن طولانی باشد.
دمای بالا برای آن است كه بتوانیم تقریبا مطمئن باشیم كه می توانیم از سد محكم پتانسیل كولنی هسته ها بگذریم.چگالی زیاد هم برای این است كه هر چه بیشتر احتمال برخورد های كارا بالا برود.
در این مسیر قانونی وجود دارد كه نام آن معیار لاوسون است.به كمك این معیار می شود محاسبه كرد كه آیا شرایط طوری هست كه واكنش به گیرانش برسد یا نه.
معیار لاوسن = باید: مقدار چگالی*مدت زمان محصور سازی > ده به توان20ذره در متر مكعب باشد تا این واكنش به گیرانش برسد(البته بستگی مستقیم با دمای پلاسما دارد)
اما به طور دقیق تر:
برای رسیدن به شرایط مطلوب درواكنشهای گرما هسته ای كه در آنها از سوخت دوتریم – ترتیم استفاده می شود دمای پلاسما (T) باید در محدوده یك الی سه ضرب در ده به توان هشت درجه كلوین و زمان محصورسازی(تی ای)(تی اندیس E) باید در حدود یك الی سه ثانیه و چگالی (n) باید حوالی یك الی سه ضرب در ده به توان بیست ذره بر متر مكعب باشد.برای آغاز به كار رآكتور یعنی برای رسیدن به كمینه دمای حدود ده به توان هشت كلوین باید از وسیله گرما ساز كمكی استفاده كرد. بعد از محترق شدن سوخت مخلوط پلاسما با ذرات آلفایی كه در اثر احتراق اولیه بوجود اومده اند گرم شده و می توانیم دستگاه كمكی را از مدار خارج كنیم.از آن به بعد سرعت فعالیتهای همجوشی با افزایش دادن چگالی پلاسما افزایش پیدا می كند.با این وجود افزایش چگالی به بالای مرزهای تعیین شده و مطمئن به معنی به هم خوردن پایداری پلاسما و یا اینكه خاموش شدن رآكتور را در پی خواهد داشت یا فاجعه.به عبارت دیگه (در صورت افزایش چگالی پلاسما) برای پایدار كردن پلاسما زمان محصور سازی و دمای احتراق و صد البته حجم پلاسما و نقطه پایداری پلاسما با افزایش چگالی بالا تر رفته و شرایط را برای كار سخت تر می كند. به حالت تعادل در آوردن این ملزمات با شكل بندی رآكتور در كوچكترین اسپكت ریتو كه به شكل بندی مغناطیسی آن بستگی دارد مقدور میشود.
نسبت R به a را اسپكت ریتو می گویند

 

جدید ترین مطالب
پربازدید هفته
پربازدید ماه