بحبوحه جنگ جهاني دوم بود: زماني كه ديگر سرنوشت جنگ در گرو ارتش بزرگتر ، تجهيزات بيشتر ، مهمات پيشرفته تر و نه حتي ،بمباران ها و كشتارهاي بيشتر ،نبود. آنچه اهميت فوق العاده اي يافته بود ، به ثمر رسيدن تلاش دانشمندان وكشف انرژي هسته اي بود. فيزيكدانان اتمي به رهبري «هايزنبرگ» در آلمان و فيزيكدانان امريكايي به رهبري ((فرمي)) در امريكا براي ايجاد واكنش زنجيره اي اورانيم و كنترل آن بدون وقفه تلاش مي كردند.هدف آنها به كارگيري انرژي حاصل در توليد برق بود.
سرانجام در دوم دسامبر 1942 گروه امريكايي توانست واكنش زنجيره اي اورانيم را در رآكتوري در شيكاگو ، انجام دهد. تلاش آنان مبنا و اساس كار رآكتورها در سراسر جهان شد، ولي جنگ افروزان با سوء استفاده از اين انرژي نوين ،فاجعه هيروشيما و ناكازاكي را در تاريخ جهان ثبت كردند.پيدا كردن يك ماده كند كننده خوب،مهمترين مشكل در ابتداي پروژه ساخت رآكتور بود.ماده اي كه نوترون هاي حاصل از شكافت اورانيم را كند مي كند ولي جذب نكند . در رقابت بين امريكايي ها و آلماني ها ،اين فيزيكدانان امريكايي بودند كه پيروز شدند، آن هم يك دليل ساده داشت : فيزيكدانان امريكايي با يك شيميدان مشورت كردند، ولي آلماني ها حاضر به قبول چنين ننگي نبودند!؟
آن زمان دو ماده مناسب شناخته شده بود:گرافيت و آب سنگين.
ولي هر كدام يك مشكل داشت ، گرافيت به دليل ناخالصي نوترون ها را جذب مي كرد و آب سنگين هم به ميزان خيلي كم با نسبت يك به 10 هزار در آب معمولي وجود داشت.
نتيجه مشورت امريكايي ها با يك شيميدان به تهيه گرافيت خالص منجر شد.ولي هايزنبرگ در يك كارخانه كه توسط نازي ها در نروژ اشغال شده بود ، به سختي و با كندي آب سنگين جدا مي كرد:چون انگليسي ها به نروژي ها گفته بودندكه تهيه آب سنگين به نفع نازي هاست و آنها تا مي توانستند به بهترين نحو در توليد آب سنگين خرابكاري كردند! پس از جنگ جهاني دوم مشخص شد كه بر خلاف تبليغات نازي ها آنها حتي به انجام اين واكنش نزديك هم نشده بودند.
امريكايي ها براي نخستين بار به طور كاملا سري در صحراي « نوادا » انفجار هسته اي را آزمايش كردند. در جنگ جهاني دوم هم هواپيماي ده تني «دبيلوW» به خلباني سرگرد « كنراد » بمبي را كه نام آن « Litlle boy » بود در هيروشيماي ژاپن منفجر كردند كه اين بمب در 8 متري زمين منفجر شد و 120 هزار نفر را جزغاله كرد.
در جنگ جهاني دوم ، رايش سوم به فرماندهي هيتلر به شرق و غرب تاخت و كشورهايي مثل لهستان ، مجارستان ، بلغارستان و … را تسخير كرد و حتي بخشهايي از روسيه را به تصرف خود در آورد. بعد از مدتي امريكا وارد جنگ شد اما كماكان ژاپني ها در شرق آسيا فعال بودند. خلبان ژاپني ناوگان امريكا را در « پرل هاربر هوايي » مورد هجوم قرار مي دادند و خود را به ناوهاي امريكايي مي كوبيدند. در اين زمان امريكايي ها و روس ها باهم دائماَ درتماس بودند وكنفرانسي هم با شركت « روز ولت » و « چرچيل » و « استالين » در ايران برگزار كردند. « روز ولت » در آن كنفرانس مطرح كرد: ما سلاحي داريم كه اگر از آن استفاده كنيم مي توانيم شهري را منهدم كنيم.
وقتي « روز ولت » به واشنگتن باز گشت و گزارش سفر را به واشنگتن ارائه داد كارشناسان « سيا » اعلام كردند كه به طور يقين روس ها هم به بمب اتمي دست پيدا كرده اند: چون وقتي « روز ولت » قضيه سلاح را مطرح كرد « استالين » هيچ عكس العملي نشان نداد و معلوم بود برايش تازگي ندارد. او حتي هيچ سوالي درباره اين سلاح نكرد.
در سال 1968 يعني 23 سال پس از جنگ جهاني دوم ، در حالي كه كشورهايي مثل چين و فرانسه و انگليس هم به اين سلاح دست پيدا كرده بودند و بيم آن بود كه كشورهاي ديگر هم به اين سلاح دست پيدا كنند- به عبارت ديگر چند كشوري كه صاحب اين سلاح بودند و در شوراي امنيت نقش اصلي را داشتند در هراس بودند كه قدرت انحصاري آنها از بين برود - در اين سال جلسه اي تشكيل دادند و پيماني در مجمع عمومي سازمان ملل به تصويب رسانند به اين مضمون : غيراز 5 كشور صاحب صلاح اتمي ( امريكا ، روسيه ، چين ، فرانسه و انگليس ) هيچ كشور ديگري حق ندارد از انرژي اتمي استفاده كند. اين پيمان ، « منع گسترش سلاح هسته اي
» Nuclear Non-proliferation Treaaty) NPT )نام گرفت. اين پيمان 25 سال اعتبار داشت و بعد از آن بايد تصميم جديدي گرفته مي شد. در سال 1993 اين دوره 25 ساله به اتمام رسيد . بعد از اين 25 سال اين پيمان را به مدت نامحدودي تمديد كردند. يعني براي ابد كشورهاي ديگر از دسترسي به سلاح اتمي محروم شدند . در بند دوم و ماده چهارم اين پيمان آمده است « هيچ يك از مفاد اين پيمان نبايد به گونه اي تفسير شود كه به حقوق هر يك از اعضاي اين پيمان براي توسعه تحقيقات ، توليد و بهره برداري صلح آميز از انرژي هسته اي خلل وارد كند.»
تعداد نيروگاه هاي هسته اي در جهان:
امروزه 430 نيروگاه اتمي جهت توليد برق در جهان كار مي كند كه 100نيروگاه جديد نيز در دست اقدام است. از اين تعداد 105 نيروگاه در ايالات متحده امريكا، 60 نيروگاه در فرانسه ، 54 نيروگاه در ژاپن ، 30 نيروگاه در روسيه ، 20 نيروگاه در آلمان و در مغولستان تنها با 7 ميليون جمعيت 7 نيروگاه 1000 مگاواتي در حال فعاليت مي باشد.
در حال حاضر حدود 42 درصد برق اروپا و 32 درصد برق امريكا و در مجموع 16 درصد برق جهان از طريق انرژي هسته اي تامين مي گردد.
غني سازي اورانيم:
بر حسب نظريه اتمي عنصر عبارت است از : يك جسم خالص ساده كه با روشهاي شيميايي نمي توان آن را تفكيك كرد . از تركيب عناصر با يكديگر ماده مركب بوجود مي آيد.تعداد عناصر شناخته شده در طبيعت 92 عنصر است.
هيدروژن اولين و ساده ترين عنصر و پس از آن هليم كربن ، ازت ، اكسيژن و 000 فلزات روي ،مس ، آهن ، نيكل و 000 و بالاخره آخرين عنصر طبيعي به شماره 92 ، عنصر اورانيم است.بشر توانسته است به طور مصنويي و به كمك واكنش هاي هسته اي در رآكتورهاي اتمي و يا به كمك شتاب دهنده هاي قوي بيش از 20 عنصر ديگر بسازدكه تمام آنها نا پايدارند و عمر كوتاه دارند و به سرعت با انتشار پرتوهايي تخريب مي شوند. اتم هاي يك عنصر از اجتماع ذرات بنيادي به نام پروتون ، نوترون و الكترون تشكيل يافته اند. پروتون بار مثبت و الكترون بار منفي و نوترون فاقد بار است.
تعداد پروتون ها نام و محل قرارگرفتن عنصر را جدول تناوبي (جدول مندليف) مشخص مي كند. اتم هيدروژن يك پروتون دارد و در خانه شماره 1 جدول و اتم هليم در خانه شماره 2 ،اتم در خانه شماره 11 و 000 و اتم اورانيم در خانه شماره 92 قرار دارد. يعني داراي 92 پروتون است.
ايزوتوپ هاي اورانيم :
تعداد نوترون ها در اتم هاي مختلف يك عنصر همواره يكسان نيست كه براي مشخص كردن آنها از كلمه ايزوتوپ استفاده مي شود.بنابراين اتم هاي مختلف يك عنصر را ايزوتوپ مي گويند. مثلا عنصر هيدروژن سه ايزوتوپ دارد هيدروژن معمولي كه فقط يك پروتون دارد و فاقد نوترون است. هيدروژن سنگين يك پروتون و يك نوترون داردكه به آن دوتريم مي گويند و نهايتا تريتيم كه از دو نوترون و يك پروتون تشكيل شده و ناپايدار است و طي زمان تجزيه مي شود.
ايزوتوپ سنگين هيدروژن يعني دوتريم در نيروگاه هاي اتمي كاربرد دارد و از الكتروليز آب بدست مي آيد. در جنگ دوم جهاني آلماني ها براي ساختن نيروگاه اتمي و تهيه بمب اتمي در سوئد و نروژ مقادير بسيار زيادي آب سنگين تهيه كرده بودند كه انگليسي ها متوجه منظور آلماني ها شده و مخازن و دستگاه هاي الكتروليز آنها را نابود كردند .
غالب عناصر ايزوتوپ دارنداز آن جمله عنصر اورانيوم ، چهار ايزوتوپ دارد كه فقط دو ايزوتوپ آن به علت داشتن نيمه عمر نسبتا بالا در طبيعت و در سنگ معدن يافت مي شود. اين دو ايزوتوپ عبارتند از اورانيم 235 و اورانيوم 238 كه در هر دو 92 پروتون وجود دارد ولي اولي 143 و دومي 146 نوترون دارد. اختلاف اين دو فقط وجود 3 نوترون اضافي در ايزوتوپ سنگين است ولي از نظر خواص شيميايي اين دو ايزوتوپ كاملا يكسان هستند و براي جدا سازي آنها از يكديگر حتما بايد از خواص فيزيكي آنها يعني اختلاف چگالي ايزوتوپ ها استفاده كرد. ايزوتوپ اورانيم 235 شكست پذير است و در نيروگاه هاي اتمي از اين خاصيت استفاده مي شود و حرارت ايجاد شده در اثر اين شكست را تبديل به انرژي الكتريكي مي نمايند. در واقع ورود يك نوترون به درون هسته اين اتم سبك سبب شكسته آن شده و به ازاي هر اتم شكسته شده 200 ميليون الكترون ولت انرژي و دو تكه شكست و تعدادي نوترون حاصل مي شود كه مي توانند اتم هاي ديگر را بشكنند. بنابرين در بعضي از نيروگاه ها ترجيح مي دهند تا حدي اين ايزوتوپ را در مخلوط طبيعي دو ازوتوپ غني كنند و بدين ترتيب مسئله غني سازي اورانيوم مطرح مي شود.
سنگ معدن اورانيم موجود در طبيعت از دو ايزوتوپ 235 به مقدار 7/0 درصد و اورانيم 238 به مقدار 3/99 درصد تشكيل شده است. سنگ معدن را ابتدا در اسيد حل كرده و بعد از تخليص فلز، اورانيوم را با اتم فلئور ( F) و به صورت مولكول هگزا فلئوريد اورانيم UF6 تبديل مي كنند كه به حالت گازي است.سرعت متوسط مولكول هاي گازي با جرم مولكولي گاز نسبت عكس دارد اين پديده را « گراهان » در كشف كرد. از اين پديده كه به نام «ديفوزيون» گازي مشهور است براي غني سازي اورانيوم استفاده مي كنند. در عمل اورانيوم هگزا فلورايد طبيعي گازي شكل را از ستون هايي كه جدار آنها تو در تو درست شده است عبور مي دهند. منافذ موجود در جسم تو در تو بايد قدري بيشتر از شعاع اتمي يعني در حدود 5/2 انگسترم (000000025/0 سانتيمتر ) باشد. ضريب جدا سازي متناسب با اختلاف جرم مولكول ها است. روش غني سازي اورانيوم تقريبا مطابق همين اصولي است كه در اينجا گفته شد. با وجود اين مي توان به خوبي حدس زد كه پرخرج ترين مرحله تهيه سوخت اتمي همين مرحله غني سازي ايزوتوپ هاست زيرا از هر هزاران كيلو سنگ معدن 14 كيلو گرم اورانيم طبيعي بدست مي آيدكه فقط يك كيلو گرم اورانيم 235 خالص در آن وجود دارد. براي تهيه و تغليظ اورانيم تا حد درصد حداقل برج از اجسام تو در تو با ابعاد نسبتا بزرگ و پي در پي لازم است تا نسبت ايزوتوپ ها تا از برجي به برج ديگر به مقدار 01/0درصد تغيير پيدا كند. در نهايت موقعي كه نسبت اورانيم 235 به اورانيم 238 به 5 درصد رسيد بايد براي تخليص كامل از سانتريفيوژهاي بسيار قوي استفاده نمود. براي ساختن نيروگاه اتمي، اورانيم طبيعي و يا اورانيم غني شده بين 1تا 5 درصد كافي است. ولي براي تهيه بمب اتمي حداقل 5 تا 6 كيلوگرم اورانيم صد درصد خالص نياز است. عملا در صنايع نظامي از اين روش استفاده نمي شود و بمب هاي اتمي را از پلوتونيم 239 كه سنتز و تخليص شيميايي آن بسيار ساده تر است تهيه مي كنند. عنصر اخير را در نيروگاه هاي بسيار قوي مي سازندكه تعداد نوترون هاي موجود در آنها از صدها هزار ميليارد نوترون در ثانيه در سانتيمتر مربع تجاوز مي كند. عملا كليه بمب هاي اتمي موجود در زراد خانه هاي جهان از اين عنصر درست مي شود. روش ساخت اين عنصر در داخل نيروگاه هاي اتمي به صورت زير است: ايزوتوپ هاي اورانيم 238 شكست پذير نيستند ولي جاذب نوترون كم انرژي ( نوترون هاي حرارتي) هستند. تعدادي از نوترون هاي حاصل از شكست اورانيم 235 را جذب مي كنند و تبديل به اورانيم 235 مي شوند. اين ايزوتوپ از اورانيم 239 بسيار ناپايدار است و در كمتر از ده ساعت تمام اتم هاي بوجود آمده تخريب مي شوند.در درون هسته پايدار اورانيم يكي از نوترون ها خود به خود به پروتون و يك الكترون تبديل مي شود. بنابراين تعداد پروتون ها يكي اضافه شده و عنصر جديد جديد را كه 93 پروتون دارد نپتونيم مي نامند كه اين عنصر نيز ناپايدار است و يكي از نوترون هاي آن خود به خود به پروتون تبديل مي شود و در نتيجه به تعداد پروتون ها يكي اضافه مي شده و عنصر جديد كه 94 پروتون دارد را پلوتونيم مي نامند. اين تجزيه طي چندين روز انجام مي گيرد.
مقايسه انرژي سوخت هاي هسته اي و سوخت هاي فسيلي:
چنانچه يك كيلوگرم اورانيم 235 بطور كامل در فرآيند شكاف هسته اي شركت كند معادل 1000 مگاوات برق در روز انرژي آزاد مي گردد كه معادل انرژي حاصل از انفجار 20000 تن TNT است. اگر بهره تبديل گرماي آزاد شده به الكتريسيته 30% باشد در آن صورت مقدار هر يك از سوخت هاي فسيلي گاز، نفت و ذغال سنگ مورد نياز جهت توليد روزانه 1000 مگاوات برق در ساعت حدود 5 ميليون متر مكعب گاز ، 6000 تن نفت و 8000 هزار تن ذغال سنگ خواهد بود كه براي حمل نفت روزانه 300 كاميون و ذغال سنگ 400 كاميون 20 تني مورد احتياج است. اين اعداد در مقايسه با انرژي حاصل از سوخت هاي فسيلي بسيار عظيم مي باشد به اين ترتييب ملاحظه مي گردد كه استفاده از انرژي هسته اي از هر لحاظ چه از نظر اقتصادي و چه از نظر آلايندگي محيطي كاملا به صرفه بوده و با سوخت هاي فسيلي به هيچ وجه قابل مقايسه نمي باشد و بر همين اساس است كه امروزه توجه به انرژي هسته اي در راس برنامه تمام كشور ها قرار گرفته و كشور ما نيز درصدد استفاده از اين انرژي عظيم هسته اي مي باشد.كاربرد هاي صلح آميز انرژي هسته اي:
انرژي هسته اي داراي كاربرد هاي متعددي مي باشد كه در يك تقسيم بندي كلي مي توان كاربردهاي نظامي و غير نظامي يا صلح جويانه را براي آن نام برد.از آنجا كه سياست جمهوري اسلامي ايران استفاده صلح جويانه از مواد و انرژي هسته اي است ،بحث اين نوشتار پيرامون كاربرد هاي صلح آميز انرژي هسته اي با تكيه بر فعاليت هاي هسته اي كشور عزيزمان ايران مي باشد.
انرژي هسته اي بصورت صلح جويانه موارد مصرف گوناگوني دارد كه به شرح آن مي پردازيم.
1.كاربرد انرژي هسته اي در بخش پزشكي و بهداشتي:
بر طبق آمار هاي سازمان بهداشت جهاني ميزان افراد سرطاني در كشور هاي در حال توسعه تا سال 2015هر ساله ده ميليون نفر افزايش مي يابد.اين در حالي است كه شيوه هاي زندگي در حال تغيير است.اكثر كشور هاي در حال توسعه داراي متخصصين كافي در اين زمينه يا دستگاه هاي راديوتراپي نمي باشند.تا بتوانند بطور موثر و ايمن با بيماران سرطاني خود تعامل كنند.در حدود 15 كشور آفريقايي و چند كشور آسيايي حتي يك دستگاه راديو تراپي نيز وجود ندارد.آژانس بين المللي انرژي اتمي در اين زمينه براي كمك به كشور ها برنامه هايي را تدارك ديده است.
همچنين از تكنيك هاي هسته اي در ساخت داروهاي هسته اي نيز استفاده مي شود و در طول سال گذشته آژانس پنج دوره آزمايش كامل در آسياي غربي در اين خصوص برگزار نموده است.بطور كلي مي توان موارد زير را به عنوان مصاديق كاربرد تكنيك هاي هسته اي در پزشكي نام برد:
تهيه و توليد راديو داروي يد-131،جهت تشخيص بيماري هاي تيروئيد و درمان آنها
تهيه و توزيع كيت راديو دارويي جهت مراكز انرژي هسته اي
كنترل كيفي راديو داروهاي خوراكي و تزريقي براي تخيص و كنترل بيماري ها
تهيه و توزيع كيت هاي هرموني
تشخيص و پيشگيري سرطان پروستات
تشخيص سرطان هاي كولن،پانكراس و روده كوچك
شناخت محل تومور هاي سرطاني و بررسي تومور هاي مغزي و ناراحتي هاي ريوي
تصوير گيري بيماري هاي قلبي،تشخيص التهاب ها و عفونت هاي مفصلي،آمبولي و لخته هاي وريدي
تشخيص كم خوني يا سندرم اختلال در جذب ويتامينB12
توليد دزيمتر هاي جيبي و محيطي
استرليزاسيون لوازم پزشكي و يك بار مصرف
2.كاربرد هاي انرژي هسته اي در بخش دامپزشكي و دامپروري:
در اين حوزه مي توان مصاديق زير را نام برد:
نقش تكنيك هاي هسته اي در پيشگيري ،كنترل و تشخيص بيماري هاي دامي
نقش تكنيك هاي هسته اي در توليد مثل دام
نقش تكنيك هاي هسته اي در تغذيه دام
نقش تكنيك هاي هسته اي در اصلاح نژاد دام
نقش تكنيك هاي هسته اي در بهداشت و ايمني محصولات دامي و خوراك دام
3.كاربرد تكنيك هاي هسته اي در مديريت آب:
بهبود دسترسي به منابع آب جهان ،به عنوان يكي از زمينه هاي بسيار مهم در توسعه شناخته شده است.بيش از يك ششم جمعيت جهان در مناطقي زندگي مي كنند كه دسترسي به آب آشاميدني مناسب و بهداشتي ندارند تكنيك هاي هسته اي براي شناسائي حوزه هاي آب خيز زير زميني هدايت آب هاي سطحي و زير زميني،كشف و كنترل آلودگي هاي نشت و ايمني سد ها به كار مي روند.همچنين از اين تكنيك ها در شيرين كردن آب شور و آب دريا نيز استفاده مي شود.
4.كاربرد انرژي هسته اي در بخش صنايع غذايي و كشاورزي:
در اين حوزه نيز مي توان مصاديق زير را نام برد:
جلوگيري از جوانه زدن محصولات غذايي
كنترل و از بين بردن حشرات و آفات
به تاخير انداختن زمان رسيدگي محصولات غذايي
افزايش زمان نگهداري مواد غذايي
كاهش ميزان آلودگي ميكروبي
از بين بردن ويروس ها
طرح هاي باردهي و جهش گياهاني چون گندم،برنج و پنبه
5.كاربرد انرژي هسته اي در بخش صنايع:
در حوزه صنعت هم مي توان از مصاديق زير نام برد:
تهيه و توزيع چشمه هاي پرتوزائي كبالت براي مصارف صنعتي
توليد چشمه هاي ايريديم براي كاربرد هاي صنعتي و بررسي جوشكاري در لوله هاي نفت و گاز
توليد چشمه هاي پرتوزا براي كاربرد هاي مختلف د رعلوم و صنعت از قبيل:
طراحي و ساخت انواع سيستم هاي هسته اي جهت كاربرد هاي صنعتي مانند سيستم هاي سطح سنجي،ضخامت سنجي،دانسيته سنجي و …
اندازه گيري خاكستر زغال سنگ
بررسي كوره هاي ذوب و شيشه سازي جهت تعيين اشكالات آنها
نشت يابي در لوله هاي انتقال نفت با استفاده از تكنيك هاي هسته اي
6.كاربرد تكنيك هسته اي در شناسائي مين هاي ضد نفر:
در سال گذشته آژانس بين المللي انرژي اتمي از تكنيك هاي هسته اي در كرواسي بصورت آزمايشي براي شناسائي مين هاي ضد نفر استفاده نمود و نتيجه اين بود كه اندازه هاي خاصي از اين مين ها با اعمال مختلف و در شرايط خشكي خاك زمين شناسائي شدند اما كار بيشتري نياز است تا منجر به كشف مين هاي ضد نفر كوچكتر و در شرايط رطوبت خاك زمين مي گردد.
7.كاربرد انرژي هسته اي در توليد برق
