آشنایی با مفاهیم و اصطلاحات تخصصی و فنی در زمینه انرژی هسته ای ( قسمت اول)

*انرژی هسته ای چیست و این انرژی نتیجه چه فرآیندی است ؟

آشنایی با مفاهیم و اصطلاحات تخصصی و فنی در زمینه انرژی هسته ای ( قسمت اول) این مقاله تولیدی ، براساس پروژه تحقیقاتی واحد " پژوهشهای کاربردی " معاونت برون مرزی و توسط اداره کل خبر و تفسیر این معاونت تهیه شده است.

مقدمه:

با توجه به موضوعات فنی مرتبط با تأسیسات و مراکز هسته ای ایران و به منظور انتقال جــــــــــــامع مفاهیم تخصصی، در موضوع هسته ای ؛ منتخبی از اصطلاحات رایج مرتبط با موضوعات فنی که دارای جنبه های کاربردی است ، درمجموعه پیوست که در سه بخش تهیه شده است در اختیار همکاران و علاقمندان برای بهره برداری ارائه می شود.

*انرژی هسته ای چیست و این انرژی نتیجه چه فرآیندی است ؟ انرژی هسته‌ای در درون هسته‌ اتم متمرکز شده و به دو صورت ترکیب هسته ای و شکافت اتمی آزاد می شود: الف: شکافت هسته ای انرژی هسته‌ای به صورت تصادفی در سال 1896 توسط فیزیکدان فرانسوی "هنری بکرل Henri Becquerel "، هنگامی که مشاهده کرد صفحات عکاسی نزدیک اورانیوم در تاریکی همانند "صفحات اشعه‌ ایکس" سیاه شده اند ، کشف شد هسته‌ اتم از "پروتون" و "نوترون" تشکیل شده که الکترون‌ها نیز به دور آن می‌چرخند. در سال 1938 ، «پروفسور اوتو هان" Professor Otto Hahn (برنده‌ جایزه‌ نوبل در شیمی به سال 1944) ثابت کرد اگر نوترون با بار خنثی به هسته‌ اتم اورانیوم 235 برخورد کند آن را شکاف داده که پیامد آن ایجاد دو اتم سبک‌تر ، دو نوترون ، انرژی گرمایی و اشعه‌های رادیواکتیو (آلفا، گاما و بتا) در مدت یک ‌صد میلیونیم ثانیه است . او از این پدیده به عنوان "شکافت هسته ای" نام برد. از میان عناصر رادیواکتیو ، اورانیوم 235، پلوتونیوم 241 و پلوتونیوم 239 قابلیت شکافت را دارند. بار هسته‌ اتم مثبت است زیرا بار نوترون خنثی و پروتون مثبت است ؛ در نتیجه در اثر شکافت هسته‌ای ، دو قسمت که از بار الکتریکی یکسانی برخوردارند به وجود می‌آیند که یکدیگر را دفع نموده و به تولید انرژی جنبشی منجر می‌شود. دو نوترون آزاد شده به صورت زنجیره‌ای به هسته‌ دو اتم اورانیوم 235 دیگر برخورد می کنند که پیامد آن ایجاد چهار نوترون ، چهار اتم سبک‌تر و میزان بالاتری از انرژی گرمایی و اشعه‌های رادیواکتیو است تفاوت بهره‌ برداری صلح‌آمیز و نظامی از انرژی هسته ای نیز در این نکته نهفته است که اگر نتوان این "واکنش زنجیره‌ای" را به صورت کنترل شده درآورد ، منجر به "انفجار هسته‌ای" می‌شود که پیامد آن تخریب بالای محیط پیرامونی ، صدور فوق‌العاده انرژی گرمایی‌ و پرتوهای کشنده است ولی اگر واکنش زنجیره‌ای به صورت کنترل شده مدیریت شود می‌تواند جهت اهداف صلح‌آمیز و تولید برق به کار رود.

ب: ترکیب هسته‌ای (گداخت یا هم‌جوشی هسته‌ای) "ترکیب هسته ای " در فیزیک اتمی به زنجیره‌ پروتون- پروتون و در شیمی هسته‌ای به زنجیره‌ دوتریوم - تریتیوم معروف است. هنگامی که هسته‌ دو اتم کوچک‌تر به یکدیگر جوش خورده و هسته‌ اتم بزرگ‌تری را شکل می‌دهند ، انرژی گرمایی فراوانی تولید می‌شود که معروف به «گداخت هسته‌ای» است دانشمندان فیزیک اتمی جهان هنوز موفق نشده‌اند رآکتور مناسبی را بسازند که بتواند انرژی الکتریسیته را از طریق فرایند گداخت هسته‌ای تولید کند که در صورت تحقق می‌توان از میزان مواد رادیواکتیو کمتر، انرژی بیشتر و پایدارتری را نسبت به فرایند «شکافت هسته‌ای» تولید کرد.

* اورانیوم اورانیوم عنصری سنگین ، سمی ، فلزی ، رادیواکتیو ، غیرقابل تجدید ، تقریباً کمیاب و براق به رنگ سفید مایل به نقره‌ای است که در طبیعت به صورت ترکیب شیمیایی اکسید یافت می‌شود و در سال 1789 توسط "مارتین کلاپروت" ، شیمیدان آلمانی کشف شد . عمل جداسازی اورانیوم در سال 1842 توسط "پلیگوت" صورت گرفت . اورانیوم دارای سه ایزوتوپ 234، 235 و 238 است . این عنصر در 1130 درجه ذوب ودر3800 درجه به جوش می‌آید . برای دستیابی به عنصر اورانیوم ابتدا «دی‌اکسید ‌اورانیوم» (UO2) را به «فلوئور اورانیوم» (UF) تبدیل و سپس اورانیوم طبیعی را که در طبیعت میزان آن برابر 7/0درصد است برای تأمین سوخت نیروگاه‌های برق هسته‌ای به کار می‌برند ؛ به عبارتی میزان اورانیوم 235 در طبیعت 7/0درصد و بقیه‌ آن یعنی معادل 3/99 درصد اورانیوم 238 است . "عدد اتمی" و"جرم اتمی" (عدد جرمی یا وزن اتمی) اورانیوم در «جدول مندلیف» به ترتیب برابر 92 و 238 است و در "گروه استیندها" قرار دارد که اورانیوم 235 آن برای تهیه‌ سوخت هسته‌ای به کار می‌رود. هرگاه به هسته‌‌ اتم تعدادی نوترون اضافه و یا کم شود ، به "ایزوتوپ" تبدیل می‌گردد . برای مثال در اورانیوم 238 ، تعداد نوترون‌ها نسبت به اورانیوم 235 ، سه عدد بیشتر است. در نتیجه مهم‌ترین دلیلی که در سوخت‌های هسته‌ای از اورانیوم 235 به جای 238 استفاده می‌ کنند این است که هسته‌ اتم اورانیوم 235 به علت توانایی جذب سه نوترون ، ناپایدار است و هنگام اضافه شدن نوترون‌ها به راحتی انرژی حرارتی و پرتوهای آلفا (بار مثبت)، بتا (بار منفی) و گاما (بار خنثی) تولید می کند و چون 3/99 درصد اورانیوم موجود در طبیعت اورانیوم 238 است، به منظور استفاده از انرژی هسته‌ای ضرورت دارد اورانیوم 235 که میزان آن در طبیعت 7/0درصد است از اورانیوم 238 جدا شود.

* غنی سازی چیست ؟ غنی سازی عبارت است از بالا بردن غلظت ایزوتوپ اورانیوم 235 در اورانیوم طبیعی، نسبت به اورانیوم 238 . اورانیوم دارای سه ایزوتوپ است. ایزوتوپ های 233 LEU و 235 و 238 که در طبیعت موجودند . ازآنجا که برای تامین سوخت راکتورهای هسته ای فقط ایزوتوپ اورانیوم 235 قابل استفاده است. باید از اورانیوم طبیعی (که به ‌شکل اکسید اورانیوم است) ایزوتوپ اورانیوم 235 به مقدار کافی تهیه شود. اما مشکل کار اینجاست که اورانیوم استخراج شده از معدن، ترکیبی از ایزوتوپهای مخلوط ایزوتوپ های اورانیوم ۲۳۵ وایزوتوپ های اورانیوم 238 می‌باشد. بطوری که از این مخلوط 99.3‎٪ سهم ایزوتوپ اورانیوم 238 است و تنها هفت دهم درصدآن از ایزوتوپ اورانیوم 23 ‎ تشکیل میشود . بنابراین باید در یک فرایند هسته ای مقدار ایزوتوپ 235 موجود در اکسید اورانیوم تقویت شود . به عبارت دیگر لازم است درصد ایزوتوپ اورانیوم ۲۳ از هفت صدم درصد، به 3 تا 5 درصد افزایش یابد. در این صورت مناسب مصرف درنیروگاه‌های تولید برق اتمی می شود. همچنین برای تولید رادیوایزوتوپ های درمانی لازم است اورانیوم تا حدود 20 درصد غنی شود. این فرایند را بطور خلاصه غنی سازی می نامند. برای غنی سازی اورانیوم از روش های گوناگونی از جمله روش پخش حرارتی، روش میدان الکترومغناطیسی ، روش دیفیوژن یا پخش گازی، روش‌ لیزری، روش شیمیایی و روش پلاسمایی استفاده می شود . در بین روش های معمول ، روش استفاده ازسانتریفیوژ، مقرون به صرفه تر و بهتر است، در این روش، گازهگزافلوراید اورانیوم پس ازعبور ازحدود 164 سانتریفیوژ (که دراصطلاح به آن یک آبشار هسته‌ای) می گویند به غنای حدود سه ونیم درصد که برای سوخت نیروگاه هسته ای موردنیاز است، می‌رسد.

*سانتریفیوژ یا ماشینهای گریز از مرکز چه نقشی در چرخه سوخت هسته ای دارند ؟ "سانتریفیوژ "دستگاهی است که بر اثر سرعت زیاد و ایجاد نیروی گریز از مرکز ، میزان غلظت ایزوتوپ اورانیوم ناپایدار 235 را از 7/0 درصد (هفت دهم درصد) به 5/3 الی 5 درصد که حد استاندارد تولید سوخت هسته‌ای است ، افزایش می‌دهد. در دستگاه سانتریفیوژ ، گاز "هگزافلوراید اورانیوم" وارد سیلندر شده و با سرعت بسیار بالا می‌چرخد که بر اثر سرعت زیاد ، یک نیروی گریز از مرکز ایجاد می‌شود به طوری که مولکول‌های گازی سنگین‌تر اورانیوم 238 به سمت خارج سیلندر و مولکول‌های گازی سبک‌تر اورانیوم 235 به سمت مرکز سانتریفیوژ کانالیزه می‌شوند . دستگاه سانتریفیوژ مدل پی - یک در هر ثانیه بین هزار تا هزار و دویست دور گردش می‌کند. "گرداننده سانتریفیوژهای پی - یک " از جنس آلومینیوم و سانتریفیوژهای پی - دو از جنس فولاد است که علاوه بر قوی‌تر بودن از سرعت بالاتری نیز برخوردارند ، بنابراین ظرفیت غنی‌سازی آن‌ها بالاتر است . سانتریفیوژهای P-2 یک متر طول و 145 میلی‌متر قطر دارند و با الگوگیری از دستگاه سانتریفیوژ آلمانی G-2 که توسط کنسرسیوم سانتریفیوژ اروپایی «یورنکو» در دهه‌ 1970 تولید گردیده ساخته شده‌اند ، در حالی که سانتریفیوژهای مدل P-1 حدود 8/1 متر ارتفاع و 100‌میلیمتر قطر دارند . یک دستگاه سانتریفیوژ آزمایشی بر خلاف یک دستگاه سانتریفیوژ تجاری معمولاً پیاپی و با تمام ظرفیت کار نمی‌کند.

* آبشار سانتریفیوژ چیست ؟ به تعدادی از سانتریفیوژها که به یکدیگر مرتبط شده اند تا فرایند غنی سازی بهتر و بیشتر انجام شود، یک آبشار ساننتریفیوژ گفته می شود. هر آبشار از 164 سانتریفیوژ تشکیل شده است که با سرعت 64هزار دور در دقیقه می‌چرخد . در فرآیند غنی‌سازی اورانیوم با سانتریفیوژهای گازی ، از تعداد زیادی"سیلندرهای چرخشی" به شکل سری و موازی استفاده می‌شود که به صورت زنجیره‌ای یا "آبشار" ساماندهی شده‌اند . غنی‌سازی اورانیوم در سطح آزمایشگاهی با یک آبشار 164تایی ، در سطح نیمه‌صنعتی با 3000 سانتریفیوژ و در سطح صنعتی با بیش از 3000 سانتریفیوژ سازماندهی می‌شود.

منابع و مأخذ

منابع فارسی

1.اسدي، احسان (1385). مسايل هسته‌اي ايران، تهران: انتشارات فكرسازان

2.افتخاري، علي اصغر (1385). کالبدشکافي تهديد، تهران: مرکز مطالعات دفاعي و امنيت ملي.

3. خبرگزاری مهر، (17خرداد1393)، شرط ایران برای ارائه دسترسی آژانس به پارچین، شناسه خبر:2070612

4. خليل‌پور، اسماعیل (معاون نظام ايمني هسته‌اي سازمان انرژي اتمي)، مصاحبه با خبرگزاري فارس، 9/7/85

5. دلاورپوراقدم ، مصطفي (1387) . "ايران هسته اي ، نماد اراده ملي در برابر نظام هژمونيك " ، تهران: مركز پژوهش هاي مجلس شوراي اسلامي

6. سحابی ، فريدون (اولين رئيس سازمان انرژي اتمي پس از انقلاب اسلامي) ، مصاحبه با سايت تحليلي - خبري «عصر ايران»، 13 آذر 1386

7. صدري، محسن (1385) . شكوه ملي در فن‌آوري هسته‌اي، اصفهان: انتشارات حديث راه عشق،

8. ضيايي بيگدلي، محمدرضا (1381). حقوق بين‌الملل عمومي، تهران:گنج دانش

9. غریب آبادی ، کاظم (1387) . برنامه هسته ای ایران: واقعیت های هسته ای، تهران: موسسه چاپ و انتشارات وزارت امور خارجه

10. غريب آبادي، کاظم (1381). «آشنايي با معاهدات خلع سلاح و کنترل تسليحات»، تهران: سازمان جغرافيايي نيروهاي مسلح

11. فقيهيان ، حسین ؛ كاوند ، محمد (1385). معرفي چرخه‌ سوخت هسته‌اي ايران، تهران: سازمان انرژي اتمي ايران

12. فياض بخش، احمد (معاون سازمان انرژي اتمي و مدير شركت توليد و توسعه نيروگاه‌هاي كشور) ، مصاحبه با خبرگزاري مهر، دهم بهمن 1386

13. مقتدر، هوشنگ (1377). حقوق بين‌الملل عمومي، تهران: وزارت امور خارجه

14. ایران و فناوری هسته ای (1393).کاربردهای صلح آمیز انرژی هسته ای

http//www.irannuclear.net/?page_id=550:

منابع انگلیسی

1.http://books.google.co.uk/books?id=PvL7twdmK9sC&pg=PA25&redir_esc=y#v=onepage&q&f=false1.

2.https://www.iaea.org/about/history.htm

3. http:// www.iaea.org. Communication dated 3 October 2008 received from the Resident Representative of the Islamic Republic of Iran to the Agency concerning the Safeguard Implementation Report for 2007, INFCIRC/739,

4. http://www.iaea.org. Implementation of the NPT Safeguards Agreement and relevant provisions of Security Council Resolutions 1737 (2006), 1747 (2007), 1803 (2008) & 1835 (2008), Republic of Iran, Gov/2009/58, 28 August 2009

5.http://academic.brooklyn.cuny.edu/physics/sobel/Nucphys/bomb.html

6.http://academic.brooklyn.cuny.edu/physics/sobel/Nucphys/bomb.html

7.http://centrifugesystems.com

8.http://dictionary.reference.com/browse/fuel+rod

9.http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/nucene/fasbre.html

10.http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/nucene/fission.html

11.http://isis-online.org/uploads/isis reports/documents/IAEA_Report_Iran_19November2008.pdf

12.Gareth Peter, Documents linking Iran to Nuclear Weapons Push may have been fabricatedNov 10, 2008

13.http://www.atomicarchive.com/Fusion/Fusion1.shtml

14.http://www.australiagroup.net/en/introduction.html

15.http://www.britannica.com/EBchecked/topic/917314/weapon-of-mass-destruction-WMD

16.http://www.ctbto.org/the-treaty/treaty-text/