انرژی هسته ای مدت‌ها است که در اخبار به موضوعی همیشگی بدل شده است. در این مطلب قصد داریم در مورد این انرژی، کاربردهای آن و مزایا و معایب آن صحبت کنیم. اگر تیتر خبری انرژی هسته ای همواره برای شما نیز جالب بوده و سوالاتی در مورد آن ذهن شما را درگیر کرده است، خواندن این مطلب به شما توصیه می‌شود.

فهرست مطالب این نوشته پنهان کردن

انرژی هسته ای چیست؟

انرژی هسته ای انرژی موجود در هسته یا هسته اتم است. اتم‌ها واحدهای کوچکی هستند که تمام مواد موجود در جهان را تشکیل می‌دهند و انرژی چیزی است که اجزای هسته را به هم می‌چسباند. مقدار زیادی انرژی در هسته متراکم یک اتم وجود دارد. در حقیقت نیرویی که اجزای هسته را در کنار هم نگه می‌دارد رسماً نیروی قوی یا نیروی هسته‌ای قوی نامیده می‌شود.

از انرژی هسته‌ای می‌توان برای ایجاد الکتریسیته استفاده کرد اما در ابتدا باید این انرژی از اتم آزاد شود. در روند شکافت هسته ای، اتم‌ها تقسیم می‌شوند تا این انرژی را آزاد کنند.

راکتور هسته ای یا نیروگاه مجموعه‌ای از ماشین آلات هستند که می‌توانند شکافت هسته ای را برای تولید برق کنترل کنند. سوختی که راکتورهای هسته ای برای تولید شکافت هسته ای استفاده می‌کنند، گلوله‌های عنصر اورانیوم است. در یک راکتور هسته ای، اتم‌های اورانیوم مجبور به تجزیه می‌شوند. با تقسیم شدن، اتم‌ها ذرات ریزی به نام محصولات شکافت را آزاد می‌کنند. محصولات شکافت باعث تقسیم شدن سایر اتم‌های اورانیوم می‌شوند و واکنش زنجیره‌ای را شروع می‌کنند. انرژی آزاد شده از این واکنش زنجیره‌ای گرما ایجاد می‌کند.

گرمای ایجاد شده توسط شکافت هسته‌ای عامل خنک کننده راکتور را گرم می‌کند. این عامل خنک کننده معمولاً آب است، اما برخی از راکتورهای هسته ای از فلز مایع یا نمک مذاب استفاده می‌کنند. عامل خنک کننده که با شکافت هسته ای گرم می‌شود بخار تولید می‌کند. این بخار باعث چرخش توربین‌ها یا چرخ‌هایی می‌شود که توسط جریان شاره چرخانده می‌شوند. توربین‌ها ژنراتورها یا موتورهایی را ایجاد می‌کنند که برق تولید می‌کنند.

میله‌هایی از موادی به نام «شرنگ هسته ای» (nuclear poison) می‌توانند میزان تولید برق را تنظیم کنند. شرنگ هسته ای حاوی موادی مانند زنون است که برخی از محصولات حاصل از شکافت هسته ای را جذب می‌کنند. هرچه میله‌های شرنگ هسته ای بیشتری در طول واکنش زنجیره ای وجود داشته باشد واکنش کندتر و کنترل شده‌تری به وجود می‌آید. حذف میله‌ها باعث ایجاد واکنش زنجیره‌ای قوی‌تر و ایجاد برق بیشتر می‌شود.

از سال 2011 حدود 15 درصد از برق جهان توسط نیروگاه‌های هسته ای تولید می‌شود. ایالات متحده بیش از 100 راکتور دارد اگر چه بیشتر برق خود را از طریق سوخت‌های فسیلی و انرژی برق آبی ایجاد می‌کند. کشورهایی مانند لیتوانی، فرانسه و اسلواکی تقریباً تمام برق خود را از نیروگاه‌های هسته ای تولید می‌کنند.

اورانیوم غذای انرژی هسته ای

اورانیوم سوختی است که بیشترین تولید انرژی هسته ای را دارد. دلیل این موضوع را می‌توان در این حقیقت یافت که اتم‌های اورانیوم به راحتی از هم جدا می‌شوند. اورانیوم نیز یک عنصر بسیار رایج است که در سنگ‌های سراسر جهان یافت می‌شود. با این حال نوع خاصی از اورانیوم مورد استفاده برای تولید انرژی هسته‌ ای که U-235 نامیده می‌شود نادر است. در حقیقت U-235 کمتر از یک درصد اورانیوم در جهان را تشکیل می‌دهد.

اگرچه مقداری از اورانیوم مورد استفاده ایالات متحده در این کشور استخراج می‌شود اما بیشتر آن وارداتی است. ایالات متحده اورانیوم را از استرالیا، کانادا، قزاقستان، روسیه و ازبکستان وارد می‌کند. پس از استخراج اورانیوم باید آن را از سایر مواد معدنی جدا کرد و قبل از استفاده نیز باید پردازش شود.

از آنجا که از سوخت هسته ای می‌توان برای ایجاد سلاح هسته ای و همچنین راکتورهای هسته ای استفاده کرد، فقط کشورهایی که بخشی از «پیمان منع گسترش سلاح‌های هسته ای» (Nuclear Non-Proliferation Treaty) یا NPT هستند مجاز به واردات اورانیوم یا پلوتونیوم که یک سوخت هسته ای دیگر است، هستند. این پیمان استفاده صلح آمیز از سوخت هسته ای و همچنین عدم گسترش سلاح‌های هسته ای را تقویت می‌کند.

یک راکتور هسته ای معمولی سالانه حدود 200 تن اورانیوم استفاده می‌کند. فرآیندهای پیچیده باعث می‌شود مقداری اورانیوم و پلوتونیوم، دوباره غنی شده یا بازیافت شود. این میزان استخراج، استخراج و فناوری را که باید انجام شود را کاهش می‌دهد.

چگونه از اورانیوم سوخت هسته‌ ای به دست می‌آید؟

اورانیوم سوخت اصلی راکتورهای هسته ای است و می‌توان آن را در بسیاری از نقاط جهان یافت. برای تولید سوخت، اورانیوم استخراج می‌شود و قبل از اینکه در راکتور هسته ای بارگیری شود، از مراحل تصفیه و غنی سازی عبور می‌کند.

سوخت هسته ای
تصویر ۱: گلوله‌های سوخت هسته ای، هر گلوله که خیلی بزرگتر از یک مکعب قند نیست، حاوی انرژی به اندازه یک تن زغال سنگ است.

استخراج اورانیوم

اورانیوم در اکثر سنگ‌ها و حتی در آب دریا به مقدار کم یافت می‌شود. معادن اورانیوم در بسیاری از کشورها فعالیت می‌کنند اما بیش از $$85\%$$ اورانیوم در شش کشور قزاقستان، کانادا، استرالیا، نامیبیا، نیجریه و روسیه تولید می‌شود. از نظر تاریخی معادن معمولی (یعنی معادن روباز یا زیرزمینی) منبع اصلی اورانیوم بوده‌اند.

پس از استخراج، سنگ معدن در آسیاب خرد می‌شود و آب برای تولید دوغاب ذرات ریز سنگ و سایر مواد اضافه می‌شود. دوغاب با اسید سولفوریک یا یک محلول قلیایی برای حل شدن اورانیوم شسته می‌شود و سنگ باقیمانده و سایر مواد معدنی را حل نمی‌کند.

با این حال بیش از نیمی از معادن اورانیوم جهان اکنون از روشی به نام شستشوی درجا استفاده می‌کنند، به این معنی که استخراج بدون ناخالصی انجام می‌شود. در این روش آب با اکسیژن (یا یک محلول قلیایی، اسیدی یا اکسید کننده دیگر) در سنگ معدن اورانیوم می‌چرخد و اورانیوم را استخراج می‌کند. محلول اورانیوم سپس به سطح پمپ می‌شود.

محلول اورانیوم استخراج شده از معادن، فیلتر شده و خشک می‌شود تا کنسانتره اکسید اورانیوم تولید شود که اغلب به آن کیک زرد گفته می‌شود.

کیک زرد
تصویر ۲: کیک زرد، یکی از اولین مراحل ساخت سوخت هسته ای

غنی سازی

اکثر راکتورهای انرژی هسته ای از ایزوتوپ اورانیوم 235 به عنوان سوخت استفاده می‌کنند. با این حال این ایزوتوپ فقط $$0.7\%$$ اورانیوم طبیعی استخراج شده را تشکیل می‌دهد و بنابراین این مقدار باید از طریق فرآیندی به نام غنی سازی افزایش یابد.

این فرآیند باعث افزایش غلظت اورانیوم 235 از $$0.7\%$$ به $$3\%$$ تا $$5\%$$ می‌شود که این میزان در اکثر راکتورها مورد استفاده قرار می‌گیرد. تعداد کمی از راکتورها، به ویژه راکتورهای «کندو» (CANDU) در کانادا با اورانیوم طبیعی تغذیه می‌شوند که نیازی به غنی سازی ندارند.

فرایند غنی سازی نیاز دارد که اورانیوم به شکل گازی باشد. این امر از طریق فرایندی به نام تبدیل حاصل می‌شود که در آن اکسید اورانیوم به یک ترکیب متفاوت (هگزا فلوراید اورانیوم) تبدیل می‌شود که در دمای نسبتاً پایین یک گاز است.

هگزا فلوراید اورانیوم به سانتریفیوژها فرستاده می‌شود که با هزاران لوله عمودی که به سرعت در حال چرخش هستند ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۵ را از ایزوتوپ اورانیوم 238 که کمی سنگین‌تر است جدا می‌کند. سانتریفیوژها اورانیوم را به دو جریان جدا می‌کنند، یک جریان که غنی از اورانیوم 235 است و دیگری که اصطلاحاً به آن دم می‌گویند و حاوی غلظت کمتری از اورانیوم 235 است و به عنوان اورانیوم ضعیف شده (DU) شناخته می‌شود.

ساتنرفیوژ
تصویر ۳: یک بانک سانتریفیوژ در یک کارخانه غنی سازی اورانیوم

تولید سوخت هسته ای

اورانیوم غنی شده به یک کارخانه تولید سوخت منتقل شده و در آنجا به پودر دی اکسید اورانیوم تبدیل می‌شود. در مرحله بعد این پودر فشرده می‌شود تا گلوله‌های سوخت کوچک ایجاد شود و برای تولید ماده سرامیکی سخت گرم می‌شود.

گلوله‌ها متعاقباً درون لوله‌های نازکی قرار می‌گیرند که به میله‌های سوخت معروف هستند و سپس با هم دسته بندی می‌شوند و مجموعه‌های سوخت را تشکیل می‌دهند. تعداد میله‌های سوختی که برای ساخت هر مجموعه سوخت استفاده می‌شود بسته به نوع راکتور از 90 تا بیش از 200 میله است. پس از بارگیری، سوخت به طور معمول برای چندین سال در هسته راکتور می‌ماند.

پودر و گلوله‌های سوخت هسته‌ ای
تصویر ۴: سوخت هسته ای به صورت پودر و گلوله

در حدود 27 تن اورانیوم یعنی حدود 18 میلیون گلوله سوختی که در بیش از 50 هزار میله سوخت قرار دارند برای هر سال برای یک راکتور آب تحت فشار 1000 مگاوات مورد نیاز است. در مقابل یک نیروگاه زغال سنگ با اندازه معادل آن برای تولید برق به بیش از دو و نیم میلیون تن زغال سنگ نیاز دارد.

مجموعه سوخت
تصویر ۵: یک مجموعه سوخت، معمولاً به طول چندین متر می‌تواند سال‌ها در یک راکتور باقی بماند و مقادیر زیادی برق کم کربن تولید کند.

برای آشنایی بیشتر با مفهوم انرژی هسته ای، می‌توانید فیلم آموزش فیزیک پایه دوازدهم را مشاهده کنید که توسط فرادرس ارائه شده، لینک این آموزش در ادامه آورده شده است.

انرژی هسته ای و مردم

انرژی هسته ای برق تولید می‌کند که می‌تواند برای تأمین انرژی خانه‌ها، مدارس، مشاغل و بیمارستان‌ها مورد استفاده قرار گیرد. اولین راکتور هسته ای برای تولید برق در نزدیکی آرکو، آیداهو واقع شد. راکتور آزمایشی تولیدکننده نیروگاه خود را در سال 1951 آغاز کرد و اولین نیروگاه هسته ای طراحی شده برای تأمین انرژی یک شهر در اوبنینسک روسیه در سال 1954 تأسیس شد.

ساخت راکتورهای هسته ای به سطح بالایی از فناوری نیاز دارد و فقط کشورهایی که پیمان منع گسترش سلاح‌های هسته ای را امضا کرده‌اند می‌توانند اورانیوم یا پلوتونیوم مورد نیاز را دریافت کنند. به همین دلایل بیشتر نیروگاه‌های هسته ای در کشورهای پیشرفته واقع شده‌اند.

نیروگاه‌های هسته ای انرژی تجدید پذیر و تمیز تولید می‌کنند. آن‌ها هوا را آلوده نمی‌کنند و گازهای گلخانه ای آزاد نمی‌کنند. این نیروگاه‌ها می‌توانند در مناطق شهری یا روستایی ساخته شوند و محیط پیرامون خود را کاملاً تغییر نمی‌دهند.

بخار موجود در توربین‌ها و ژنراتورها در نهایت بازیافت می‌شوند و در ساختاری جداگانه به نام برج خنک کننده، خنک می‌شوند. در این فرآیند بخار دوباره به آب تبدیل می‌شود و می‌تواند برای تولید برق بیشتر مورد استفاده قرار گیرد. بخار اضافی به راحتی در اتمسفر بازیافت می‌شود و به عنوان بخار آب تمیز آسیب کمی به طبیعت می‌رساند.

با این حال محصول جانبی انرژی هسته ای ماده رادیواکتیو است. ماده رادیواکتیو مجموعه ای از هسته‌های اتمی ناپایدار است. این هسته‌ها انرژی خود را از دست می‌دهند و می‌توانند بسیاری از مواد اطراف خود از جمله ارگان‌ها و محیط را تحت تأثیر قرار دهند. مواد رادیواکتیو می‌توانند بسیار سمی باشند باعث سوختگی شده و خطر سرطان‌ها، بیماری‌های خونی و تحلیل رفتن استخوان‌ها را افزایش دهند.

زباله‌های رادیواکتیو همان چیزی است که از عملکرد راکتور هسته ای باقی مانده است. زباله‌های رادیواکتیو بیشتر لباس محافظی است که توسط کارگران پوشیده می‌شود یا ابزارها و هر ماده دیگری که با گرد و غبار رادیواکتیو در تماس بوده‌اند. زباله‌های رادیواکتیو پایداری بسیار زیادی دارند و موادی مانند لباس و ابزار می‌توانند هزاران سال حاوی رادیواکتیو باقی بمانند. دولت‌ها نحوه دفع این مواد را تنظیم و کنترل می‌کنند تا مواد دیگری آلوده نشود.

سوخت استفاده شده و میله‌های شرنگ هسته ای نیز بسیار حاوی رادیواکتیو هستند. گلوله‌های اورانیوم استفاده شده باید در ظروف مخصوصی که شبیه استخرهای شنای بزرگ هستند، نگهداری شوند. آب سوخت را خنک می‌کند و فضای خارج را از تماس با رادیواکتیویته عایق می‌کند. برخی از نیروگاه‌های هسته ای سوخت مصرف شده خود را در مخازن ذخیره خشک روی زمین ذخیره می‌کنند.

محل‌های نگهداری زباله‌های رادیواکتیو در ایالات متحده بسیار بحث برانگیز شده است. به عنوان مثال برای سال‌ها دولت قصد داشت یک مرکز عظیم زباله هسته ای در نزدیکی کوه یوکا، نوادا احداث کند. گروه‌های محیط زیست و شهروندان محلی به این طرح اعتراض کردند. آن‌ها نگران نشت مواد زائد رادیواکتیو به منبع آب و محیط کوه یوکا در حدود 130 کیلومتری منطقه بزرگ شهری لاس وگاس، نوادا بودند. اگرچه دولت در سال 1978 تحقیقات در این زمینه را آغاز کرد اما برنامه ریزی برای تأسیسات پسماند هسته ای در کوه یوکا را در سال 2009 متوقف کرد.

حادثه چرنوبیل

منتقدان انرژی هسته ای نگرانند که محل ذخیره سازی پسماند رادیواکتیو نشت کند، ترک بخورد یا از بین برود. در این صورت مواد رادیواکتیو می‌توانند خاک و آب‌های زیرزمینی نزدیک تاسیسات را آلوده کنند. این موضوع می‌تواند منجر به مشکلات جدی بهداشتی برای مردم و ارگان‌های منطقه شود و تمام شهر باید تخلیه شوند.

این همان اتفاقی است که در چرنوبیل، اوکراین در سال 1986 رخ داد. در این حادثه انفجار بخار در یکی از چهار راکتور هسته ای نیروگاه باعث آتش سوزی شد که اصطلاحاً آن را ستون می‌نامند. نشت ناشی از آتش سوزی در تاسیسات چرنوبیل و همچنین مناطق اطراف آن گسترش یافت و توسط باد به اطراف پراکنده شد و ذرات به صورت باران وارد چرخه آب شدند. رادیواکتیویته ردیابی شده در چرنوبیل هنگام باران بر فراز اسکاتلند و ایرلند بارید و بیشترین تأثیر این مواد رادیواکتیو در بلاروس رخ داد.

چرنوبیل
تصویر ۶: حادثه چرنوبیل

تأثیرات زیست محیطی فاجعه چرنوبیل خیلی سریع بروز و ظهور کرد. برای کیلومترها در اطراف تاسیسات جنگل‌های کاج خشک شدند و از بین رفتند. رنگ قرمز کاج‌های مرده این منطقه باعث شد به این جنگل لقب جنگل سرخ را بدهند. ماهی‌های رودخانه پریپیات در مجاورت این نیروگاه آنقدر رادیواکتیویته بودند که مردم دیگر نمی‌توانستند آن‌ها را بخورند و گاو و اسب‌های این منطقه مردند.

بیش از 100٬000 نفر پس از این فاجعه از این منطقه نقل مکان کردند اما تعیین تعداد قربانیان انسانی چرنوبیل دشوار است. اثرات مسمومیت با تشعشعات تنها پس از سال‌ها ظاهر می‌شود و همچنین ردیابی انواع سرطان‌ها و امراض دیگر مربوط به این تشعشعات بسیار سخت است.

سلاح‌های هسته ای

بمب اتمی و بمب‌های هسته ای سلاح‌های قدرتمندی هستند که از واکنش‌های هسته ای به عنوان منبع انرژی انفجاری استفاده می‌کنند. دانشمندان برای اولین بار در جنگ جهانی دوم فناوری سلاح‌های هسته ای را توسعه دادند. بمب‌های اتمی فقط دو بار در جنگ استفاده شده است و هر دو بار توسط ایالات متحده علیه ژاپن در پایان جنگ جهانی دوم در هیروشیما و ناگازاکی مورد استفاده قرار گرفته است.

پس از آن جنگ یک دوره گسترش سلاح‌های هسته ای به وجود آمد و در طول جنگ سرد ایالات متحده و اتحاد جماهیر شوروی برای برتری در یک رقابت جهانی تسلیحات هسته‌ای رقابت کردند.

سلاح هسته ای
تصویر ۷: هیروشیما بعد از انداختن بمب هسته ای در تاریخ شش آگوست ۱۹۴۵. دایره در شکل نمایش دهنده هدف بمب است. این بمب به طور مستقیم ۸۰ هزار نفر را کشت. در انتهای همان سال مصدومیت و مرگ ناشی از تشعشع به ترتیب به ۹۰ و ۱۶۶ هزار نفر رسید.

پروژه منهتن

پروژه منهتن نام رمز تلاش دولت آمریکا برای تولید بمب اتمی کارآمد در طول جنگ جهانی دوم بود. پروژه منهتن در حقیقت در پاسخ به ترس از اینکه دانشمندان آلمانی از دهه 1930 با استفاده از فناوری هسته ای روی سلاح کار می‌کردند آغاز شد.

در 28 دسامبر سال 1942 رئیس جمهور فرانکلین روزولت اجازه تشکیل پروژه منهتن را داد تا دانشمندان و مقامات نظامی مختلفی را که روی تحقیقات هسته ای کار می‌کنند جمع کند.

چه کسی برای اولین بار بمب هسته ای را اختراع کرد؟

بیشتر کارهای پروژه منهتن در لوس آلاموس، نیومکزیکو و تحت مدیریت فیزیکدان نظری «جی رابرت اوپنهایمر» (J. Robert Oppenheimer)، پدر بمب اتمی انجام شد. در 16 جولای 1945 در یک مکان کویری دور افتاده در نزدیکی آلاموگوردو، نیومکزیکو اولین بمب اتمی با موفقیت منفجر شد این انفجار تحت عنوان آزمایش ترینیتی شناخته می‌شود. این انفجار یک ابر انفجار قارچ مانند با ارتفاع حدود ۱۲ کیلومتر ایجاد کرد و عصر اتمی آغاز شد.

پیمان منع گسترش سلاح‌های هسته ای (NPT)

ایالات متحده و اتحاد جماهیر شوروی در مذاکره در مورد توافق بین المللی برای متوقف کردن گسترش بیشتر سلاح‌های هسته ای در سال 1968 پیشقدم شدند.

پیمان منع گسترش سلاح‌های هسته ای یا NPT در سال 1970 به اجرا درآمد. این توافقنامه کشورهای جهان را به دو گروه کشورهای دارای سلاح هسته ای و کشورهای بدون سلاح هسته ای تقسیم‌بندی کرد.

کشورهای دارای سلاح هسته ای در آن زمان پنج کشور ایالات متحده، جماهیر شوروی، انگلیس، فرانسه و چین بودند.

طبق این پیمان کشورهای دارای سلاح هسته ای توافق کردند که از سلاح هسته ای استفاده نکنند یا به کشورهای دیگر در دستیابی به سلاح هسته ای کمک نکنند. آن‌ها همچنین توافق کردند که به تدریج ذخیره سلاح‌های هسته ای خود را با هدف نهایی خلع سلاح کامل کاهش دهند. همچنین کشورهای بدون سلاح هسته ای توافق کردند که سلاح هسته ای را به دست نیاورند و تولید نکنند.

هنگامی که اتحاد جماهیر شوروی در اوایل دهه 1990 فروپاشید، هنوز هزاران سلاح هسته ای در اروپای شرقی و آسیای میانه پراکنده بود. بسیاری از این سلاح‌ها در بلاروس، قزاقستان و اوکراین قرار داشت که به تدریج این سلاح‌ها غیرفعال شده و به روسیه برگردانده شدند.

کشورهایی با سلاح اتمی غیرقانونی

برخی از کشورها گزینه توسعه زرادخانه سلاح‌های هسته ای خود را می‌خواستند و هرگز معاهده NPT را امضا نکردند. هند اولین کشور خارج از معاهده NPT بود که در سال 1974 سلاح هسته ای آزمایش کرد.

کشورهای دیگر که NPT را امضا نکردند شامل پاکستان، رژیم اشغالگر قدس و سودان جنوبی بودند. بدین ترتیب است که پاکستان یک برنامه سلاح هسته ای شناخته شده دارد. همچنین به طور گسترده‌ای تصور می‌شود که رژیم اشغالگر قدس نیز دارای سلاح هسته ای است با این حال دولت آن هرگز وجود یک برنامه سلاح هسته ای را رسما تأیید یا انکار نکرده است. در مورد سودان جنوبی مشخص نیست که آیا این کشور سلاح هسته ای دارد یا خیر.

کره شمالی

کره شمالی در ابتدا پیمان NPT را امضا کرد اما در سال 2003 خروج خود از این توافق نامه را اعلام کرد. از سال 2006 کره شمالی به طور آشکار سلاح‌های هسته ای خود را آزمایش کرده و از سوی ملل مختلف و نهادهای بین المللی تحریم شده است.

کره شمالی در سال 2017 دو موشک بالستیک بین قاره‌ای دور برد را آزمایش کرد که گفته می‌شود یکی از آن‌ها قادر به رسیدن به سرزمین اصلی ایالات متحده است. در سپتامبر 2017 کره شمالی ادعا کرد که یک بمب هیدروژنی را آزمایش کرده است که می‌تواند در بالای یک موشک بالستیک قاره‌ای قرار گیرد.

تفاوت بین بمب هسته ای و بمب هیدروژنی

کشف فیزیکدانان هسته ای در آزمایشگاهی در برلین، آلمان در سال 1938 ساخت اولین بمب اتمی را ممکن ساخت. در حقیقت این امکان پس از کشف شکافت هسته ای توسط سه فیزیکدان آن زمان «اتو هان» (Otto Hahn)، «لیزه میتنر» (Lise Meitner) و «فریتس استراسمن» (Fritz Strassman) رخ داد.

در این فرآیند هنگامی که اتمی از ماده رادیواکتیو به اتم‌های سبک‌تر تقسیم می‌شود مقدار زیادی انرژی به صورت ناگهانی تولید و منتشر می‌شود. کشف شکافت هسته ای امکان فناوری‌های هسته ای از جمله سلاح هسته ای را فراهم کرد.

بمب هسته ای و بمب هیدروژنی
تصویر ۸: بمب هسته ای و بمب هیدروژنی

بمب‌های اتمی سلاح هایی هستند که انرژی خود را از واکنش‌های شکافت به دست می‌آورند. این در حالی است که سلاح‌های هسته ای یا بمب‌های هیدروژنی به ترکیبی از شکافت هسته ای و همجوشی هسته ای متکی هستند. همجوشی هسته ای نوع دیگری از واکنش است که در آن دو اتم سبک ترکیب شده و انرژی زیادی را آزاد می‌کنند.

برای مطالعه بیشتر درباره تفاوت‌های شکافت و همجوشی هسته ای مطلب تفاوت بین شکافت و هم‌جوشی هسته‌ای چیست؟ را مطالعه کنید.

آینده انرژی هسته ای

در راکتورهای هسته ای از شکافت یا تقسیم اتم‌ها برای تولید انرژی استفاده می‌کنند. انرژی هسته ای همچنین می‌تواند از طریق همجوشی یا اتصال اتم‌ها به یکدیگر تولید شود. به عنوان مثال، خورشید به دلیل آمیختن اتم‌های هیدروژن و تشکیل هلیوم دائماً در حال همجوشی هسته ای است. از آنجا که تمام زندگی در سیاره ما به خورشید بستگی دارد می‌توان گفت که همجوشی هسته ای زندگی در زمین را امکان پذیر می‌کند.

نیروگاه‌های هسته ای توانایی تولید ایمن و مطمئن انرژی از همجوشی هسته ای را ندارند و مشخص نیست که آیا این فرآیند گزینه‌ای برای تولید برق خواهد بود یا خیر. در حال حاضر مهندسان هسته ای در حال تحقیق در مورد همجوشی هسته ای هستند زیرا این فرآیند احتمالاً ایمن و مقرون به صرفه‌تر خواهد بود.

مزایای انرژی هسته ای

جوانب مثبت و منفی بسیاری برای انرژی هسته ای وجود دارد و شناخت هر دو جنبه برای درک این موضوع که این منبع انرژی چه توانایی‌هایی دارد مهم است. دانستن جوانب مثبت و منفی انرژی هسته ای به شما کمک می‌کند تا خود تصمیم بگیرید که آیا این منبع انرژی تصمیم خوبی برای برآورده کردن نیازهای آینده انرژی ما و کره زمین است یا خیر. در ادامه برخی از جنبه‌های مثبت این انرژی را بررسی می‌کنیم.

مزایای انرژی هسته ای
تصویر ۹: مزایای انرژی هسته ای

هزینه پایین

بعد از هزینه اولیه ساخت، انرژی هسته ای این مزیت را دارد که یکی از مقرون به صرفه‌ترین انرژی‌های موجود است. هزینه تولید برق از انرژی هسته ای بسیار کمتر از هزینه تولید انرژی از گاز، ذغال سنگ یا نفت است مگر اینکه این منابع در نزدیکی نیروگاه تأمین برق با سوخت فسیلی واقع باشند. همچنین مزیت دیگر انرژی هسته ای این است که در مواجهه با تورم ریسک کمتری در افزایش قیمت دارد و این برخلاف سوخت‌های فسیلی است که با نوسان قیمت‌ها و تورم تغییر قیمت پیدا می‌کنند.

منبع قابل اطمینان انرژی

در حالی که برخی از منابع انرژی مانند انرژی خورشیدی و بادی به شرایط آب و هوایی وابسته هستند، انرژی هسته ای چنین محدودیتی ندارد. مهم نیست که باد می وزد یا هوا ابری است. نیروگاه‌های هسته ای اساساً تحت تأثیر عوامل اقلیمی خارجی قرار نمی‌گیرند و باعث تولید قابل پیش بینی و پایدار انرژی می‌شوند. یک نیروگاه هسته ای در حال کار کامل می‌تواند به مدت یک سال بدون وقفه انرژی تولید کند که بازگشت خوب سرمایه را امکان پذیر می‌کند زیرا تأخیری در تولید انرژی وجود ندارد.

از لحاظ منابع نیز نیروگاه‌های هسته ای قابل اعتماد هستند زیرا ما در این سیاره به اندازه کافی اورانیوم داریم که می تواند برای 70 تا 80 سال آینده انرژی تولید کند. اگرچه ممکن است این زمان کافی به نظر نیاید اما این بازه از عمر باقیمانده بسیاری از سوخت‌های فسیلی طولانی‌تر است و در حال حاضر منابع انرژی هسته ای دیگری نیز برای تأمین سوخت نیروگاه‌های هسته ای مورد بررسی قرار دارند.

مقدار انرژی پایه ثابت

حدود $$20\%$$ از کل برق تولید شده در ایالات متحده از انرژی هسته ای تولید می‌شود. این انرژی حاصل از ۹۸ راکتور انرژی هسته ای است که در حدود 30 ایالت مختلف که در ایالات متحده قرار دارند تولید می‌شود. تولید پایدار انرژی ایجاد شده توسط نیروگاه‌های هسته ای به این معنی است که می‌تواند به طور ایده آل در کنار سایر اشکال انرژی‌های تجدید پذیر استفاده شود.

به عنوان مثال توربین‌های بادی در هنگام وزش باد مقدار قابل توجهی انرژی تولید می‌کنند. به این صورت هنگامی که باد می‌وزد، نیروگاه‌های هسته ای می‌توانند میزان انرژی تولیدی را به میزان کمتری تنظیم کنند. برعکس هنگامی که باد نمی‌وزد و انرژی بیشتری لازم است می‌توان انرژی هسته ای را به گونه‌ای تنظیم کرد تا کمبود انرژی تولید شده توسط باد (یا خورشید) جبران شود.

انرژی هسته ای آلودگی کم ایجاد می‌کند

وقتی صحبت از آلودگی می‌شود مشخص است که موارد مثبت و منفی انرژی هسته ای وجود دارد و در ادامه موضوع زباله‌های هسته ای را بررسی خواهیم کرد. با این حال خروجی کلی آلودگی از نیروگاه هسته ای در مقایسه با تولید انرژی از سوخت‌های فسیلی بسیار کم است. مصرف فعلی انرژی هسته ای در حال حاضر سالانه بیش از 555 میلیون تن از میزان انتشار را کاهش داده است. کاهش گازهای گلخانه‌ای نشانگر خوبی برای چگونگی تغییر آلودگی در استفاده از انرژی هسته ای است که می‌تواند در طولانی مدت به کاهش تأثیر ما بر تغییرات آب و هوایی جهانی کمک کند.

در دسترس بودن سوخت کافی

مانند سوخت های فسیلی، اورانیوم مورد استفاده برای تأمین نیروگاه‌های هسته ای محدود است. با این حال تخمین زده می‌شود که ذخایر اورانیوم ما برای 80 سال دیگر کافی است. از زمان انقلاب صنعتی به طور مداوم و دائمی ذخایر سوخت فسیلی در حال استفاده و رو به اتمام است. در حقیقت اگر مصرف سوخت‌های فسیلی را به همین شکل ادامه دهیم و افزایش جمعیت جهان را نیز در نظر بگیریم، تخمین زده می‌شود که تا سال 2052 نفت، در سال 2060 گاز و تا سال 2088 زغال تمام شود.

البته اکتشافات بیشتری در زمینه سوخت‌های فسیلی وجود دارد که هنوز نتوانسته‌ایم به آن‌ها دست یابیم اما تعداد آن‌ها از هر زمان دیگری کمتر و دورتر است و در نهایت تمام خواهد شد.

استفاده از اورانیوم می‌تواند یک زمان اضافی را برای یافتن منابع انرژی تجدیدپذیر بهتر و تمیز به ما بدهد. به علاوه برخی از کشورها مانند هند، چین و روسیه در حال تلاش برای استفاده از توریم قابل بازیافت و فراوان برای تأمین انرژی راکتورهای هسته ای هستند. با استفاده از توریم بیش از 80 سال سوخت در دسترس داریم. با این حال اگر دانشمندان بتوانند همجوشی هسته ای را به واقعیت تبدیل کنند، از نظر تئوری دیگر هرگز برق ما تمام نمی‌شود. تبدیل انرژی هسته ای به انرژی پایدار نیاز به استفاده از راکتورهای تولیدکننده و همجوشی هسته ای دارد تا ما را برای آینده قابل پیش بینی حفظ کند.

چگالی انرژی بالا در انرژی هسته ای

در لیست جوانب مثبت و منفی انرژی هسته ای این ویژگی کاملاً عجیب است. شکافت هسته ای (فرآیندی که برای تولید انرژی هسته ای استفاده می‌شود) نسبت به سوزاندن سوخت‌های فسیلی مانند گاز، نفت یا زغال سنگ مقدار بیشتری انرژی آزاد می‌کند. سوال این است که این انرژی چه قدر کارآمدتر است؟ شکافت هسته ای در تولید انرژی تقریباً 8000 برابر کارآمدتر از سوخت‌های فسیلی سنتی است. این مقدار بسیار قابل توجه است. از آنجا که انرژی هسته ای بسیار کارآمدتر است برای تأمین انرژی نیروگاه به سوخت کمتری نیاز دارد و بنابراین ضایعات کمتری نیز ایجاد می‌کند.

معایب انرژی هسته ای

در لیست مزایای انرژی هسته ای موردی را که انرژی هسته ای را به گزینه‌ای مناسب برای تامین آینده نیازهای برق تبدیل می‌کند عنوان کردیم. با این حال هنگام بررسی اینکه آیا این منبع انرژی بهترین شکل انرژی سازگار با محیط زیست برای آینده ما است، به معایبی از آن اشاره کردیم. در اینجا برخی از اصلی‌ترین معایب انرژی هسته ای آورده شده است.

معایب انرژی هسته ای
تصویر ۱۰: معایب انرژی هسته ای

ساخت گران

علیرغم ارزان بودن نیروگاه‌های هسته ای در بهره برداری و اجرا، ساخت آن فوق العاده گران است و این هزینه همچنان افزایش می‌یابد. از سال 2002 تا 2008 هزینه برآورد شده برای ساخت نیروگاه هسته ای از 2 تا 4 میلیارد دلار به 9 میلیارد دلار رسیده است و نیروگاه‌ها اغلب در هنگام ساخت از هزینه‌های که تخمین زده‌اند پیشی می‌گیرند. علاوه بر هزینه ساخت نیروگاه، نیروگاه‌های هسته ای باید بودجه‌ای را برای محافظت از زباله‌های تولید شده و نگهداری آن‌ها در سازه های خنک شده با روش‌های امنیتی اختصاص دهند. همه این هزینه‌ها انرژی هسته ای را بسیار گران می‌کند.

تصادفات

یکی از اولین چیزهایی که بیشتر مردم با شنیدن نیروگاه هسته ای به آن فکر می‌کنند فاجعه در چرنوبیل است. اگرچه ما دقیقاً نمی‌دانیم که چه تعداد انسان در اثر حادثه چرنوبیل جان خود را از دست داده‌اند اما تخمین زده شده که تاکنون 10 هزار مورد مرگ ناشی از اثرات طولانی مدت تابش در منطقه بوده است. بحران نیروگاه‌های برق فوکوشیما در سال 2011 نشان داد که هر چه نیروگاه‌های هسته ای ایمن طراحی شده باشند تصادفات می‌توانند اتفاق بیفتند و اتفاق می‌افتند و فاجعه می‌آفرینند.

زباله‌های رادیواکتیو

اگرچه تولید انرژی هسته ای هیچ گونه تشعشعاتی ایجاد نمی‌کند اما زباله‌های رادیواکتیو تولید می‌کند که باید به صورت ایمن ذخیره شوند تا محیط را آلوده نکند. گرچه ممکن است این تشعشعات ترسناک به نظر برسد اما ما دائماً در معرض رادیواکتیویته مقدار کمی از پرتوهای کیهانی یا رادون در هوای تنفسی خود هستیم. در مقادیر کم تابش مضر نیست اما زباله‌های رادیواکتیو حاصل از تولید انرژی هسته ای بسیار خطرناک است.

دفع زباله‌های رادیواکتیو یک چالش اساسی است که نیروگاه‌های هسته ای با آن روبرو هستند. از آنجا که راهی برای از بین بردن ضایعات هسته ای وجود ندارد راه حل فعلی این است که آن‌ها را به طور ایمن در ظروف مهر و موم کرده و در عمق زیر زمین نگهداری کنند، زیرا در این حالت نمی‌تواند محیط را آلوده کند. با پیشرفت فناوری امیدواریم که در آینده روش‌های بهتری برای ذخیره سازی زباله‌های رادیواکتیو پیدا کنیم.

تأثیر بر محیط زیست

نیروگاه‌های هسته ای بیش از پسماندهایی که تولید می‌کنند بر محیط زیست تاثیر دارند. استخراج و غنی سازی اورانیوم فرآیندهای سازگار با محیط زیست نیستند. استخراج روزانه اورانیوم برای معدنچیان بی خطر است اما ذرات رادیواکتیو را از خود به جای می‌گذارد که باعث فرسایش می‌شود و حتی منابع آب مجاور را آلوده می‌کند. استخراج از زیرزمین نیز بدون خطر نیست و در هنگام استخراج و پردازش ضایعات رادیواکتیو معدن کاران را در معرض تابش زیاد قرار می‌دهد.

تهدید امنیتی

انرژی هسته ای می‌تواند برای کشورهایی که دارای نیروگاه‌های انرژی هسته ای هستند یک تهدید ملی و امنیتی محسوب شود. زیرا در این حالت تروریست‌ها ممکن است نیروگاه‌های هسته ای را به قصد ایجاد یک فاجعه هدف قرار دهند و اورانیوم مورد استفاده برای تولید نیرو در صورت قرار گرفتن در دستان نیروهای اشتباه می‌تواند به سلاح هسته ای تبدیل شود. به همین دلایل امنیت در اطراف مواد هسته ای و نیروگاه‌های هسته ای بسیار مهم است.

تأمین سوخت محدود

ممکن است موارد مثبت و منفی مهمی در مورد انرژی هسته ای وجود داشته باشد اما یکی از مهمترین ملاحظاتی که باید بخاطر بسپاریم این است که انرژی هسته ای برای تولید انرژی به اورانیوم و توریم وابسته است. تا زمانی که نتوانیم راهی برای ایجاد همجوشی هسته ای یا ساخت راکتورهای تولیدکننده همجوشی هسته ای قبل از تمام شدن منابع خود پیدا کنیم قادر به ایجاد انرژی با نیروگاه‌های هسته ای که برای آینده ساخته‌ایم نیستیم. در نهایت باید گفت که انرژی هسته ای فقط یک راه حل موقت با برچسب قیمت بسیار بالا است.

کاربرد انرژی هسته ای چیست؟

اولین نیروگاه تولید برق با استفاده از گرمای حاصل از تقسیم اتم‌های اورانیوم در دهه 1950 شروع به کار کرد. امروزه اکثر مردم از سهم مهمی که انرژی هسته ای در تأمین بخش قابل توجهی از برق کم کربن جهان دارد آگاه هستند.

کاربردهای انرژی هسته ای غیر از تولید برق شهری در نیروگاه‌ها کمتر شناخته شده است. ایزوتوپ‌های رادیویی، راکتورهای هسته ای گرمایی و راکتورهای نیروگاهی غیر ثابت در چندین بخش از جمله محصولات مصرفی، مواد غذایی و کشاورزی، صنعت، پزشکی و تحقیقات علمی، حمل و نقل و منابع آب و محیط زیست کاربرد دارند.

رادیوایزوتوپ ‌ها

ایزوتوپ‌ها انواع عناصر شیمیایی معینی هستند که دارای هسته‌هایی با تعداد پروتون‌های یکسان اما تعداد نوترون‌های مختلف هستند. به بعضی از ایزوتوپ‌ها پایدار گفته می‌شود زیرا در طول زمان تغییر نمی‌کنند. برخی دیگر ناپایدار یا رادیواکتیو هستند زیرا هسته آن‌ها با گذشت زمان و از دست دادن ذرات آلفا و بتا تغییر می‌کند.

ویژگی‌های اتم‌هایی که در حال فروپاشی به صورت طبیعی بوده و معروف به رادیوایزوتوپ هستند، در بسیاری از جنبه‌های زندگی مدرن کاربردهای مختلفی به این اتم‌ها می‌دهد. اولین کاربرد عملی رادیوایزوتوپ توسط یک مجارستانی به نام جورج دو هویسی در سال 1911 شناخته شد.

یکی از ایزوتوپ‌های متداول در تشخیص پزشکی ایزوتوپ تکنسیوم (Tc-99m)، ایزوتوپ دختر مولیبدن-99 (Mo-99) است. عموماً Mo-99 با شکافت U-235 در راکتور تحقیقات هسته ای تولید می‌شود.

رادیوایزوتوپ Tc-99m حداکثر در $$80\%$$ موارد برای کاربردهای تشخیصی در داخل بدن استفاده می‌شود. در حقیقت از این ایزوتوپ برای بیش از 30 میلیون تست در سال در سراسر جهان استفاده می‌شود. این رادیوایزوتوپ عمدتاً برای بررسی عملکرد تیروئید و همچنین برای تشخیص بیماری‌های اعضای دیگر بدن مانند ریه‌ها، قلب، کبد، مثانه و استخوان استفاده می‌شود.

کاربرد انرژی هسته ای در داروسازی

بسیاری از مردم از کاربرد گسترده پرتودرمانی و رادیوایزوتوپ ها در داروسازی به ویژه برای تشخیص (شناسایی) و درمان بیماری‌های مختلف آگاه هستند. در کشورهای پیشرفته سالانه حدود یک نفر از هر 50 نفر از پزشکی هسته ای تشخیصی استفاده می‌کند و فراوانی درمان با رادیوایزوتوپ ها حدود یک دهم این موارد است.

کاربرد انرژی هسته ای در کشاورزی

سازمان غذا و کشاورزی (FAO) سازمان ملل متحد (UN) تخمین می‌زند که حدود 795 میلیون نفر (از هر 9 نفر یک نفر) در بین سال‌های ۲۰۱۴ تا ۲۰۱۶ از سوء تغذیه مزمن رنج می‌برند. رادیو ایزوتوپ ها و تشعشعات مورد استفاده در غذا و کشاورزی به کاهش این ارقام کمک می‌کنند.

کاربرد انرژی هسته ای در محصولات مصرفی

عملکرد بسیاری از محصولات معمول مصرفی به استفاده از مقدار کمی ماده رادیواکتیو بستگی دارد. ردیاب‌های دود سیگار، ساعت‌های مچی و دیواری و غیره همه از ویژگی‌های طبیعی رادیوایزوتوپ ها در طراحی خود استفاده می‌کنند.

کاربرد انرژی هسته ای در غذا

حدود $$25-30\%$$ از مواد غذایی برداشت شده در نتیجه فساد ماده غذایی قبل از مصرف از بین می‌روند. این مشکل به ویژه در کشورهای گرم و مرطوب شیوع دارد. تابش مواد غذایی، فرآیند قرار گرفتن مواد غذایی در معرض اشعه گاما برای از بین بردن باکتری‌هایی است که می‌توانند باعث ایجاد بیماری‌های از طریق غذا شوند و همچنین باعث افزایش ماندگاری مواد غذایی شوند.

کاربرد انرژی هسته ای در صنعت

رادیوایزوتوپ ها توسط صنعتگران به عنوان ردیاب برای کنترل جریان و فیلتراسیون مایعات، تشخیص نشتی، سایش موتور و خوردگی تجهیزات فرآیند مورد استفاده قرار می‌گیرند. با افزودن مقدار کمی مواد رادیواکتیو به مواد مورد استفاده در فرآیندهای مختلف می‌توان نرخ اختلاط و جریان طیف وسیعی از مواد از جمله مایعات، پودرها و گازها را مطالعه کرد و نشت را تعیین کرد.

کاربرد انرژی هسته ای در حمل و نقل

انرژی هسته ای برای شناورهایی که باید بدون سوخت گیری برای مدت طولانی در دریا باشند یا برای پیشرانه قدرتمند زیردریایی‌ها مناسب است. همچنین ژنراتورهای حرارتی رادیوایزوتوپ (RTG) در ماموریت‌های فضایی استفاده می‌شوند.

گرمای تولید شده توسط فروپاشی یک منبع رادیواکتیو که اغلب پلوتونیم-۲۳۸ است برای تولید برق استفاده می‌شود.

در آینده می‌توان از برق یا گرمای حاصل از نیروگاه‌های هسته ای برای تولید هیدروژن استفاده کرد. از هیدروژن می‌توان در پیل‌های سوختی برای تأمین انرژی اتومبیل‌ها استفاده کرد و یا می‌توان آن را سوزاند تا بدون اینکه تولید گازهای گلخانه‌ای کند که باعث تغییر آب و هوا شود به جای گاز گرما ایجاد کند.

کاربرد انرژی هسته ای در منابع آب و محیط زیست

رادیوایزوتوپ ها نقش مهمی در شناسایی و تجزیه و تحلیل آلاینده‌ها دارند. تکنیک‌های هسته ای برای طیف وسیعی از مشکلات آلودگی از جمله تشکیل دود، آلودگی دی اکسید گوگرد در جو، پراکندگی فاضلاب از طغیان اقیانوس‌ها و نشت سوخت استفاده شده است.

تکنیک‌های هیدرولوژی ایزوتوپ امکان ردیابی و اندازه‌گیری دقیق میزان منابع آب زیرزمینی را فراهم می‌کند. چنین تکنیک‌هایی ابزارهای تحلیلی مهمی در مدیریت و حفاظت از منابع موجود آب و شناسایی منابع جدید را فراهم می‌کنند.

فیلم آموزش فیزیک پایه دوازدهم

آموزش فیزیک پایه دوزادهم

مجموعه فرادرس در تولید و تهیه محتوای آموزشی خود اقدام به تهیه فیلم آموزش فیزیک دوازدهم کرده است. این مجموعه آموزشی مباحث فیزیک دوازدهم را پوشش می‌دهد. در این مجموعه ابتدا به آموزش حرکت بر خط راست و شناخت حرکت پرداخته می‌شود.

در درس دوم این مجموعه دینامیک و حرکت دایره‌ای و قوانین حرکت نیوتون آموزش داده می‌شود. درس سوم این مجموعه به مبحث نوسان و موج و در حقیقت نوسان دوره‌ای اختصاص دارد.

درس چهارم و آخر این مجموعه آموزشی به آشنایی با فیزیک اتمی و هسته‌ ای و اثر فوتوالکتریک و فوتون اختصاص داده شده است.

این آموزش مناسب دانش آموزان پایه دوازدهم و افرادی است که در مباحث فیزیک پایه با مشکل روبه‌رو هستند. پیش نیاز این مجموعه آموزشی فیزیک دهم و آموزش فیزیک پایه یازدهم است. لینک این آموزش در ادامه آورده شده است.

جمع بندی

در این مطلب در مورد انرژی هسته ای صحبت کردیم. بدین منظور در ابتدا در مورد اورانیوم که سوخت نیروگاه‌های هسته ای است و در واقع منبع اصلی انرژی هسته ای است مطالبی بیان شد، سپس روش تولید سوخت هسته ای از اورانیوم را توضیح دادیم. در ادامه در مورد سلاح هسته ای و معاهده NPT مطالبی بیان کردیم و در انتها مزایا و معایب انرژی هسته ای را مورد بحث و بررسی قرار دادیم.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

«سارا داستان»، دکتری فیزیک نظری از دانشگاه گیلان دارد. او به فیزیک بسیار علاقه‌مند است و در زمینه‌ متون فیزیک در مجله فرادرس می‌نویسد.

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

یک نظر ثبت شده در “انرژی هسته ای چیست ؟ | تعریف، کاربردها، مزایا و معایب — به زبان ساده

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *