انرژی هسته ای چیست و چه کاربردهایی دارد؟

انرژی هسته ای
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.
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.

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.
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.

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.

کاربردهای انرزی هسته ای:
کاربردهای پزشکی
در پزشکی تشعشعات هسته‌ای کاربردهای زیادی دارند که اهم آنها عبارتند از:
رادیو گرافی
گاما اسکن
استرلیزه کردن هسته‌ای و میکروب زدایی وسایل پزشکی با پرتو‌های هسته‌ای
رادیو بیولوژی

کاربردهای کشاورزی
تشعشعات هسته‌ای کاربردهای زیادی در کشاورزی دارد که مهمترین آنها عبارتست از:
موتاسیون هسته‌ای ژنها در کشاورزی
کنترل حشرات با تشعشعات هسته‌ای
جلوگیری از جوانه زدن سیب زمینی با اشعه گاما
انبار کردن میوه‌ها
دیرینه شناسی (باستان شناسی) و صخره شناسی (زمین شناسی) که عمر یابی صخره‌ها با C14 در باستان شناسی خیلی مشهور است.

کاربردهای صنعتی
در صنعت کاربردهای زیادی دارد، از جمله مهمترین آنها عبارتند از:
نشت یابی با اشعه
دبی سنجی پرتویی(سنجش شدت تشعشعات ، نور و فیزیک امواج)
سنجش پرتویی میزان سائیدگی قطعات در حین کار
سنجش پرتویی میزان خوردگی قطعات
چگالی سنج موادمعدنی با اشعه
کشف عناصر نایاب در معادن