*alien*
22nd March 2011, 03:55 PM
انرژی هسته ای از معدن تا نیروگاه
استفاده از انرژی هسته‌ای برای تولید برق روشی پیچیده اما كارامد برای تامین انرژی مورد نیاز بشر است. به طور كلی برای بهره‌برداری از انرژی هسته‌ای در نیروگاههای هسته‌ای، از عنصر اورانیوم غنی شده به عنوان سوخت در راكتورهای هسته‌ای استفاده می‌شود كه ماحصل عملكرد نیروگاه، انرژی الكتریسته است. عنصر اورانیوم كه از معادن استخراج می‌شود به صورت طبیعی در راكتورهای نیروگاه‌ها قابل استفاده نیست و به همین منظور باید آن را به روشهای مختلف به شرایط ایده عال برای قرار گرفتن درون راكتور آماده كرد. اورانیوم یكی از عناصر شیمیایی جدول تناوبی است كه نماد آن uو عدد اتمی آن ۹۲است. این عنصر دارای دمای ذوب هزار و ۴۵۰درجه سانتیگراد بوده و به رنگ سفید مایل به نقره‌ای، سنگین، فلزی و رادیواكتیو است و به رغم تصور عام، فراوانی آن در طبیعت حتی از عناصری از قبیل جیوه، طلا و نقره نیز بیشتر است.
عنصر اورانیوم در طبیعت دارای ایزوتوپهای مختلف از جمله دو ایزوتوپ مهم و پایدار اورانیوم ۲۳۵و اورانیوم ۲۳۸است. برای درك مفهوم ایزوتوپهای مختلف از هر عنصر باید بدانیم كه اتم تمامی عناصر از سه ذره اصلی پروتون، الكترون و نوترون ساخته می‌شوند كه در تمامی ایزوتوپهای مختلف یك عنصر، تعداد پروتونهای هسته اتمها با هم برابر است و تفاوتی كه سبب بوجود آمدن ایزوتوپهای مختلف از یك عنصر می‌شود، اختلاف تعداد نوترونهای موجود در هسته اتم است. به طور مثال تمامی ایزوتوپهای عنصر اورانیوم در هسته خود دارای ۹۲ پروتون هستند اما ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۸در هسته خود دارای ۱۴۶نوترون ( (۹۲+۱۴۶=۲۳۸و ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۵دارای ۱۴۳نوترون( (۹۲+۱۴۳=۲۳۵در هسته خود است.
اورانیوم ۲۳۵مهمترین ماده مورد نیاز راكتورهای هسته‌ای(برای شكافته شدن و تولید انرژی) است اما مشكل كار اینجاست كه اورانیوم استخراج شده از معدن تركیبی از ایزوتوپهای ۲۳۸و ۲۳۵بوده كه در این میان سهم ایزوتوپ ۲۳۵بسیار اندك(حدود ۰/۷درصد) است و به همین علت باید برای تهیه سوخت راكتورهای هسته‌ای به روشهای مختلف درصد اوانیوم ۲۳۵را در مقایسه با اورانیوم ۲۳۸بالا برده و بسته به نوع راكتور هسته‌ای به ۲تا ۵درصد رساند و به اصطلاح اورانیوم را غنی‌سازی كرد.
درون راكتورهای هسته‌ای، هسته اورانیوم ۲۳۵به صورت كنترل شده شكسته شده كه در این فرایند مقداری جرم به انرژی تبدیل می‌شود. همین انرژی سبب ایجاد حرارت(اغلب از این حرارت برای تبخیر آب استفاده می‌شود) و در نتیجه چرخیدن توربینها و در نهایت چرخیدن ژنراتورهای نیروگاه و تولید برق می‌شود.
در نیروگاههای غیر هسته‌ای، از سوزاندن سوختهای فسیلی از قبیل نفت و یا زغال سنگ برای گرم كردن آب و تولید بخار استفاده می‌شود كه یك مقایسه ساده میان نیروگاههای هسته‌ای و غیر هسته‌ای، صرفه اقتصادی قابل توجه نیروگاههای هسته‌ای را اثبات می‌كند.
به طور مثال، برای تولید ۷۰۰۰مگاوات برق حدود ۱۹۰میلیون بشكه نفت خام مصرف می‌شود كه استفاده از سوخت هسته‌ای برای تولید همین میزان انرژی سالیانه میلونها دلار صرفه جویی به دنبال دارد و به علاوه میزان آلایندگی زیست محیطی آن نیز بسیار كمتر است.
كافی است بدانیم كه مصرف این ۱۹۰میلیون بشكه نفت خام برای تولید ۷۰۰۰مگاوات برق، ۱۵۷هزار تن گاز گلخانه‌ای دی اكسید كربن، ۱۵۰تن ذرات معلق در هوا، ۱۳۰تن گوگرد و ۵تن اكسید نیتروژن در محیط زیست پراكنده می‌كند كه نیروگاههای هسته‌ای این آلودگی‌ها را ندارند. پس از آشنایی با مفاهیم كلی انرژی هسته‌ای و مزایای آن، ابتدا با مراحل مختلف چرخه سوخت هسته‌ای آشنا می‌شویم و سپس نحوه استفاده از سوخت هسته‌ای درون راكتور را مرور می‌كنیم.
چرخه سوخت هسته‌ای عبارت است از: -۱فراوری سنگ معدن اورانیوم -۲ تبدیل و غنی‌سازی اورانیوم -۳تولید سوخت هسته‌ای -۴بازفرآوری سوخت مصرف شده.
در حال حاضر چند كشور صنعتی جهان هر كدام در یك، چند و یا همه چهار مرحله یاد شده از چرخه سوخت هسته‌ای فعالیت می‌كنند.
هم اكنون به لحاظ صنعتی، كشورهای فرانسه، ژاپن، روسیه، آمریكا و انگلیس دارای تمامی مراحل چرخه سوخت هسته‌ای در مقیاس صنعتی هستند و در مقیاس غیرصنعتی، كشورهای دیگری مثل هند نیز به لیست فوق اضافه می‌شوند.
كشورهای كانادا و فرانسه در مجموع دارای بزرگترین كارخانه‌های تبدیل اورانیوم(مرحله پیش از غنی‌سازی ) هستند كه محصولات آنها شامل uo3,uo2,uf6 غنی نشده میباشد و پس از آنها به ترتیب كشورهای آمریكا، روسیه و انگلستان قرار دارند. در زمینه غنی‌سازی نیز، دو كشور آمریكا و روسیه دارای بزرگترین شبكه غنی‌سازی جهان هستند.
آمریكا هم اكنون بزرگترین تولیدكننده سوخت هسته‌ای(مرحله بعد از غنی سازی) در جهان است و پس از آمریكا، كانادا تولیدكننده اصلی سوخت هسته‌ای در جهان محسوب می‌شود. پس از آمریكا و كانادا، كشورهای انگلیس، روسیه، ژاپن، فرانسه، آلمان، هند، كره جنوبی و سوئد از تولیدكنندگان اصلی سوخت هسته‌ای جهان هستند. آمریكا بیشترین سهم بازفراوری سوخت مصرف شده هسته‌ای در جهان را داراست و پس از آن فرانسه، انگلیس، روسیه، هند و ژاپن قرار دارند. درحال حاضر بین كشورهای جهان سوم، هندوستان پیشرفته‌ترین كشور در زمینه دانش فنی چرخه سوخت هسته‌ای است
استفاده از انرژی هسته‌ای برای تولید برق روشی پیچیده اما كارامد برای تامین انرژی مورد نیاز بشر است. به طور كلی برای بهره‌برداری از انرژی هسته‌ای در نیروگاههای هسته‌ای، از عنصر اورانیوم غنی شده به عنوان سوخت در راكتورهای هسته‌ای استفاده می‌شود كه ماحصل عملكرد نیروگاه، انرژی الكتریسته است. عنصر اورانیوم كه از معادن استخراج می‌شود به صورت طبیعی در راكتورهای نیروگاه‌ها قابل استفاده نیست و به همین منظور باید آن را به روشهای مختلف به شرایط ایده عال برای قرار گرفتن درون راكتور آماده كرد. اورانیوم یكی از عناصر شیمیایی جدول تناوبی است كه نماد آن uو عدد اتمی آن ۹۲است. این عنصر دارای دمای ذوب هزار و ۴۵۰درجه سانتیگراد بوده و به رنگ سفید مایل به نقره‌ای، سنگین، فلزی و رادیواكتیو است و به رغم تصور عام، فراوانی آن در طبیعت حتی از عناصری از قبیل جیوه، طلا و نقره نیز بیشتر است.
عنصر اورانیوم در طبیعت دارای ایزوتوپهای مختلف از جمله دو ایزوتوپ مهم و پایدار اورانیوم ۲۳۵و اورانیوم ۲۳۸است. برای درك مفهوم ایزوتوپهای مختلف از هر عنصر باید بدانیم كه اتم تمامی عناصر از سه ذره اصلی پروتون، الكترون و نوترون ساخته می‌شوند كه در تمامی ایزوتوپهای مختلف یك عنصر، تعداد پروتونهای هسته اتمها با هم برابر است و تفاوتی كه سبب بوجود آمدن ایزوتوپهای مختلف از یك عنصر می‌شود، اختلاف تعداد نوترونهای موجود در هسته اتم است. به طور مثال تمامی ایزوتوپهای عنصر اورانیوم در هسته خود دارای ۹۲ پروتون هستند اما ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۸در هسته خود دارای ۱۴۶نوترون ( (۹۲+۱۴۶=۲۳۸و ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۵دارای ۱۴۳نوترون( (۹۲+۱۴۳=۲۳۵در هسته خود است.
اورانیوم ۲۳۵مهمترین ماده مورد نیاز راكتورهای هسته‌ای(برای شكافته شدن و تولید انرژی) است اما مشكل كار اینجاست كه اورانیوم استخراج شده از معدن تركیبی از ایزوتوپهای ۲۳۸و ۲۳۵بوده كه در این میان سهم ایزوتوپ ۲۳۵بسیار اندك(حدود ۰/۷درصد) است و به همین علت باید برای تهیه سوخت راكتورهای هسته‌ای به روشهای مختلف درصد اوانیوم ۲۳۵را در مقایسه با اورانیوم ۲۳۸بالا برده و بسته به نوع راكتور هسته‌ای به ۲تا ۵درصد رساند و به اصطلاح اورانیوم را غنی‌سازی كرد.
درون راكتورهای هسته‌ای، هسته اورانیوم ۲۳۵به صورت كنترل شده شكسته شده كه در این فرایند مقداری جرم به انرژی تبدیل می‌شود. همین انرژی سبب ایجاد حرارت(اغلب از این حرارت برای تبخیر آب استفاده می‌شود) و در نتیجه چرخیدن توربینها و در نهایت چرخیدن ژنراتورهای نیروگاه و تولید برق می‌شود.
در نیروگاههای غیر هسته‌ای، از سوزاندن سوختهای فسیلی از قبیل نفت و یا زغال سنگ برای گرم كردن آب و تولید بخار استفاده می‌شود كه یك مقایسه ساده میان نیروگاههای هسته‌ای و غیر هسته‌ای، صرفه اقتصادی قابل توجه نیروگاههای هسته‌ای را اثبات می‌كند.
به طور مثال، برای تولید ۷۰۰۰مگاوات برق حدود ۱۹۰میلیون بشكه نفت خام مصرف می‌شود كه استفاده از سوخت هسته‌ای برای تولید همین میزان انرژی سالیانه میلونها دلار صرفه جویی به دنبال دارد و به علاوه میزان آلایندگی زیست محیطی آن نیز بسیار كمتر است.
كافی است بدانیم كه مصرف این ۱۹۰میلیون بشكه نفت خام برای تولید ۷۰۰۰مگاوات برق، ۱۵۷هزار تن گاز گلخانه‌ای دی اكسید كربن، ۱۵۰تن ذرات معلق در هوا، ۱۳۰تن گوگرد و ۵تن اكسید نیتروژن در محیط زیست پراكنده می‌كند كه نیروگاههای هسته‌ای این آلودگی‌ها را ندارند. پس از آشنایی با مفاهیم كلی انرژی هسته‌ای و مزایای آن، ابتدا با مراحل مختلف چرخه سوخت هسته‌ای آشنا می‌شویم و سپس نحوه استفاده از سوخت هسته‌ای درون راكتور را مرور می‌كنیم.
چرخه سوخت هسته‌ای عبارت است از: -۱فراوری سنگ معدن اورانیوم -۲ تبدیل و غنی‌سازی اورانیوم -۳تولید سوخت هسته‌ای -۴بازفرآوری سوخت مصرف شده.
در حال حاضر چند كشور صنعتی جهان هر كدام در یك، چند و یا همه چهار مرحله یاد شده از چرخه سوخت هسته‌ای فعالیت می‌كنند.
هم اكنون به لحاظ صنعتی، كشورهای فرانسه، ژاپن، روسیه، آمریكا و انگلیس دارای تمامی مراحل چرخه سوخت هسته‌ای در مقیاس صنعتی هستند و در مقیاس غیرصنعتی، كشورهای دیگری مثل هند نیز به لیست فوق اضافه می‌شوند.
كشورهای كانادا و فرانسه در مجموع دارای بزرگترین كارخانه‌های تبدیل اورانیوم(مرحله پیش از غنی‌سازی ) هستند كه محصولات آنها شامل uo3,uo2,uf6 غنی نشده میباشد و پس از آنها به ترتیب كشورهای آمریكا، روسیه و انگلستان قرار دارند. در زمینه غنی‌سازی نیز، دو كشور آمریكا و روسیه دارای بزرگترین شبكه غنی‌سازی جهان هستند.
آمریكا هم اكنون بزرگترین تولیدكننده سوخت هسته‌ای(مرحله بعد از غنی سازی) در جهان است و پس از آمریكا، كانادا تولیدكننده اصلی سوخت هسته‌ای در جهان محسوب می‌شود. پس از آمریكا و كانادا، كشورهای انگلیس، روسیه، ژاپن، فرانسه، آلمان، هند، كره جنوبی و سوئد از تولیدكنندگان اصلی سوخت هسته‌ای جهان هستند. آمریكا بیشترین سهم بازفراوری سوخت مصرف شده هسته‌ای در جهان را داراست و پس از آن فرانسه، انگلیس، روسیه، هند و ژاپن قرار دارند. درحال حاضر بین كشورهای جهان سوم، هندوستان پیشرفته‌ترین كشور در زمینه دانش فنی چرخه سوخت هسته‌ای است