جوش هسته‌ای

جوش هسته‌ای

مقدمه:

انرژی یکی از مهترین ارکان پیشرفت جامعه بشری است. و کشف آتش به عنوان نقطه ی عطف و شروع تمدن بشری عنوان شده است. در طول سالیان بسیار، انرژی جزیی جدانشدنی در زندگی انسان بود تا اختراع موتور بخار و شروع انقلاب صنعتی،انرژی و توانایی تصرف و کنترل آن به عاملی اساسی در پیشرفت جوامع بشری تبدیل شد به گونه ای که زغال سنگ در قرن ۱۹ و نفت گاز در قرن بیستم نقشی اساسی در تامین انرژی ایفا کرده است. سوال اساسی اینجاست که در قرن بیست و یکم کدام گونه از انرژی نقشی اساسی در تامین نیاز بشر را ایفا خواهد کرد.

استفاده بی رویه از زغال سنگ، نفت و گاز در دوقرن اخیر سبب افزایش چشمگیر میزان دی اکسید موجود در جو و به طبع آن افزایش میانگین دمای جهانی،آب شدن یخ های قطبی،افزایش سطح آب اقیانوس ها،و افزایش طوفان ها گردیده است.

تمام موارد بالا و همچنین روبه اتمام بودن سوخت های فسیلی سبب شده تا بشر به دنبال منابعی جایگزین برای آن ها باشد.

بی پایان بودن ،عدم آلودگی محیط زیست و اشتغال زایی از مزیت های انرژی های تجدید پذیر نسبت به سوخت های فسیلی می باشد.

 

جوش هسته ای

یافتن انرژی های نوین جایگزین برای نفت و گاز بسیار دشوار است زیرا علاوه برمناسب بودن باید به صرفه نیز باشد انرژی هسته ای مناسب به نظر می رسد زیرا انرژی زیاد و قابل اعتماد تولید کرده و دی اکسید کربن منتشر نمی کند در کل دو نوع واکنش هسته ای وجود دارد: ۱-جوش هسته ای ۲-شکافت هسته ای

در شکافت هسته ای یک اتم بزرگ به دو اتم شکافته میشود این همان کاری است که راکتورهای هسته ای انجام می دهند ولی در جوش هسته ای دو اتم کوچک ترکیب گردیده و یک اتم هلیم ایجاد می شود که انرژی زیادی تولید می کند.

راه حل طبیعت برای تولید انرژی،روش جوش هسته ای است به طوری که تمام ستارگان از این شیوه برای تولید انرژی استفاده بهره می برند یک راکتور جوش هسته ای بسیار ایمن و مقرون به صرفه است و ضایعات آن تا مدت کوتاهی خاصیت رادیواکتیوی دارد. سوخت این گونه راکتورها به راحتی ازاقیانوس قابل استحصال بوده و هزینه آن ۱سنت به ازای یک کیلووات ساعت است. منبع این سوخت اقیانوس بوده و برای میلیاردها سال توانایی تامین انرژی کره زمین را داراست.

از دلایل عدم گسترش این گونه انرژی دشواربودن فرآیند هم جوشی است زیرا دواتم هیدروژن بار مثبت داشته و تمایلی برای هم جوشی ندارند و برای انجام هم جوشی باید دوذره با سرعت بسیار زیاد با یکدیگر پرتاب شده و بر دافعه الکترواستاتیکی غلبه کرده و با یکدیگر بخورد نمایند.

سرعت ذرات بیان کننده دمای ماده است ،دمای لازم برای گداخت هسته ای ۱۵۰ میلیارد درجه سانتی گراد است که برای رسیدن به این دما انرژی جنبشی بسیار زیادی نیاز است که دلیل دشواری هم جوشی همین امر می باشد.

یکی دیگراز مشکلات روش گداخت لیزری و مغناطیسی بزرگ و پیچیده بودن آن هاست وقتی فرآیند جوش هسته ای صورت گیرد عمده انرژی آن به صورت نوترون با انرژی بالا آزاد میشود که با برخورد به دیواره راکتور به آن خسارت وارد می کند درهر صورت باید از انرژی نوترون ها استفاده نمود و برای گرمایش آب ،ایجاد بخار و به حرکت درآورد توربین و درنهایت تولید انرژی استفاده کرد.

آزمایشگاه های بزرگ ثابت کردند که جوش هسته ای قابل انجام است و درحال حاضر شرکت های کوچک تکنولوژی در امریکا مشغول سرمایه گذاری روی آن هستند.

 

انواع روش های هم جوشی:

۱-روشtokamak :

 طرح توکامک در دهه پنجاه میلادی توسط روسها پیشنهاد شد.کلمه توکامک از کلمات “toroidalnaya”, “kamera”, and “magnitnaya” به معنی ” اتاقک مغناطیسی چنبره ای” گرفته شده است.
این راکتور به شکل دونات است که با سیم پیچ مغناطیسی احاطه شده است و جنس سیم آن ابررسانا است که میدان مغناطیسی را حول چنین حلقه ای و عمود برآن ایجاد می کند. در داخل این راکتور گازی داغ که پلاسما نامیده می شود و باردار بوده  وجود دارد که در اثر میدان مغناطیسی سیم پیچ، به ذرات باردار نیروی الکترواستاتیکی وارد شده  و درنهایت این ذرات شروع به چرخش با سرعت زیاد در حلقه می کنند. که این ذرات پرانرژی بایکدیگر برخورد نموده و واکنش جوش هسته ای صورت می گیرد.

۲-لیزر:

در این روش پرتوهای لیزر در یک ناحیه بسیار کوچک متمرکز شده در اثر گرمای زیاد دواتم هیدروژن با هم تشکیل هلیم می دهند

MTF(magnetized  target fusion)-3:

یک محفظه با لیتیم مایع پرشده و به گردش در می آید تا جریان گردابی به وجود آید این جریان به وسیله پیستون هایی فشرده گردیده که سبب فشرده شدن پلاسمای موجود در مرکز مایع می گردد که سبب افزایش ناگهانی دما درفرآیند همجوشی می گردد این روش سبب جذب نوترون ها به وسیله لیتیم مایع شده و مانع از آسیب رسیدن به دیواره  راکتور می شود همچنین لیتیم مایع با نوترون واکنش داده و تریتیم که همان سوخت اولیه برای راکتور است را تولید می نماید.                                                         .

لیتیم مایع گرم گردیده که آن را به یک مبدل حرارتی پمپ می کنیم و بخار تولید گردیده که درنهایت سبب چرخش توربین و تولید برق می شود.

همچنین انرژی لازم برای ادامه فرآیند گداخت از پیستون های بخار تامین می شود که نسبت به لیزر و یا تولید میدان مغناطیسی راه حل بسیار ارزان تر و کم مصرف تری است. نمونه اولیه این ژنراتور با سرمایه۵۰  میلیون دلار و همکاری ۶۵ نفر با قطر ۳متر ساخته شد که لیتیم مایع درآن به چرخش درآمده و گردابه بزرگی تولید می کند که پیستون ها با ضربه زدن آن را فشرده می کند که سبب همجوشی شده و نوترون های آزاد شده جذب فلز مایع شده و آن را گرم می کند و فلز وارد مبدل حرارتی گردیده و بخار تولید می کند. پیستون ها در هرثانیه یک ضربه وارد می کنند و ۱۰۰ مگاوات الکتریسیته تولید می کند.

یکی از مشکلات اصلی هم جوشی هسته ای،تامین پلاسما است. برای تولید آن به یک انژکتور که در دمای ۳میلیون درجه کار می کند نیاز است همچنین پلاسما در اثر فشار ،منحرف می گردد که برای حل این مشکل زمان بندی پیستون ها بسیار دقیق باشد و نیاز به یک ابزار کنترلی بسیار کارآمد است تا مانع انحراف پلاسما گردد که این امر بادانش الکترونیک بسیار آسان گردیده است.

 

نیروگاه های معروف به شرح زیر است:

JET(joint European tours)  این راکتور هم جوشی ۱۶MW انرژی با مصرف ۱۷MW انرژی تولید  می کند که در سال ۱۹۹۷ به بهره برداری رسید و به عنوان نقطه عطفی در تولید انرژی به روش هم جوشی محسوب می شود.

NIF(national ignition facility): که یک راکتور به روش لیزر در امریکا ا است که موفق شده تا انرژی بیشتری نسبت به انرژی مصرفی تولید کند.

ITER: یکی از بزرگترین ژنراتورهای احداث شده تا زمان حاضر است این پروژه با همکاری چندین کشور در جنوب فرانسه احداث شده است و ۵۰۰MW انرژی با مصرف تنها۵۰MW انرژی تولید خواهد کرد.

 

سخن آخر:

در چندین دهه اخیر فناوری تولید انرژی به روش جوش هسته ای در دسترس بشر بوده است ولی متاسفانه تحقیقات و سرمایه گذاری چندانی روی آن صورت گرفته که از دلایل اصلی آن سیاست های دولت ها در این زمینه است برای نمونه ITER می توانست در سال ۲۰۰۰ یا ۲۰۰۵ ساخته شود ولی وجود مسائل سیاسی و دشواری همکاری بین المللی سبب این تاخیر شده است برای نمونه ۳سال طول کشید تا مکان ساخت این نیروگاه انتخاب شود.

این پیشرفت ها با هزینه ۱ میلیارد دلاری در سال محقق شده است که می توان با هزینه صورت گرفته با صنعت تلفن های همراه مقایسه کرد.مجموع هزینه صورت گرفته در این صنعت ۱۰۰۰ میلیارد دلار بوده است!که در مقایسه با صنعت جوش هسته ای بسیار زیاد است .

مطابق نمودار تولید انرژی به وسیله جوش هسته ای با قانون مور منطبق است:

نکته قابل توجه این است که این فناوری از قانون مور پیروی می کند در حالی که هزینه های صورت گرفته در این صنعت با صنعت نیمه رسانا قابل مقایسه نیست چنانچه این سرمایه گذاری به جای صنعت موبایل در جوش هسته ای صورت می گرفت ،جهان از سوخت بی نهایت،پاک و ارزان بهره می برد.

همچنین  هزینه یارانه در گردش صنعت نفت ،گاز و انرژی های تجدید پذیر ۶۵۰ میلیارد دلار در سال است که سهم گداخت هسته ای ۰٫۵درصد است.

 

فناوری رآکتور هسته‌ای

فناوری رآکتور هسته‌ای

Nuclear power stations.png

تمامی نیروگاه‌های گرمایی متداول از نوعی سوخت برای تولید گرما استفاده می‌کنند برای مثال گاز طبیعی، زغال سنگ یا نفت. در یک نیروگاه هسته‌ای این گرما از شکافت هسته‌ای که در داخل رآکتور صورت می‌گیرد تأمین می‌شود. هنگامی که یک هسته نسبتاً بزرگ قابل شکافت مورد برخورد نوترون قرار می‌گیرد به دو یا چند قسمت کوچک‌تر تقسیم می‌شود و در این فرایند که به آن شکافت هسته‌ای می‌گویند تعدادی نوترون و مقدار نسبتاً زیادی انرژی آزاد می‌شود.

نوترون‌های آزاد شده از یک شکافت هسته‌ای در مرحله بعد خود با برخورد به دیگر هسته‌ها موجب شکافت‌های دیگری می‌شوند و به این ترتیب یک فرایند زنجیره‌ای به وجود می‌آید.

زمانی که این فرایند زنجیره‌ای کنترل شود می‌توان از انرژی آزاد شده در هر شکافت (که بیشتر آن به صورت گرماست) برای تبخیر آب و چرخاندن توربین‌های بخار و در نهایت تولید انرژی الکتریکی استفاده کرد.

در صورتی که در یک رآکتور از سوختی یکنواخت اورانیوم-۲۳۵ یا پلوتونیوم-۲۳۹ استفاده شود بر اثر افزایش غیرقابل کنترل تعداد شکافت‌های هسته‌ای بر اثر فرایند زنجیره‌ای، انفجار هسته‌ای ایجاد می‌شود.

اما فرایند زنجیره‌ای موجب ایجاد انفجار هسته‌ای در یک رآکتور نخواهد شد چرا که تعداد شکافت‌های رآکتور به اندازه‌ای زیاد نخواهد بود که موجب انفجار شوند و این به دلیل درجه غنی‌سازی پایین سوخت رآکتورهای هسته‌ای است. اورانیوم طبیعی دارای درصد اندکی (کمتر از ۱٪) از اورانیوم-۲۳۵ است و بقیه آن اورانیوم-۲۳۸ است (زیرا اورانیوم-۲۳۸ توانایی شکافت‌پذیری ندارد).

اکثر رآکتورها نیروگاه‌های هسته‌ای از اورانیوم با درصد غنی‌سازی بین ۳٪ تا ۴٪ استفاده می‌کنند اما برخی از آن‌ها طوری طراحی شده‌اند که با اورانیوم طبیعی کار کنند و برخی از آن‌ها نیز به سوخت‌های با درصد غنی‌سازی بالاتر نیاز دارند.

رآکتورهای موجود در زیردریایی‌های هسته‌ای و کشتی‌های بزرگ مانند ناوهای هواپیمابر معمولاً از اورانیوم با درصد غنی‌سازی بالا استفاده می‌کنند.

با اینکه قیمت اورانیوم با غنی‌سازی بالاتر بیشتر است اما استفاده از این نوع سوخت‌ها دفعات سوختگیری را کاهش می‌دهد و این قابلیت برای کشتی‌های نظامی بسیار پراهمیت است.

راکتورهای CANDU قابلیت دارند تا از اورانیوم غنی‌نشده استفاده کنند و دلیل این قابلیت استفاده آب سنگین به جای آب سبک برای تعدیل‌سازی و خنک‌کنندگی است چراکه آب سنگین مانند آب سبک نوترون‌ها را جذب نمی‌کند.

کنترل فرایند شکافت زنجیره‌ای با استفاده از موادی که می‌توانند نوترون‌ها را جذب کنند (در اکثر موارد کادمیوم) ممکن می‌شود. سرعت نوترون‌ها در رآکتور باید کاهش یابد چراکه احتمال اینکه یک نوترون با سرعت کمتر در لحظه تصادم با هسته اورانیوم-۲۳۵ موجب شکافت هسته‌ای گردد بیشتر است.

در رآکتورهای آب سبک از آب معمولی برای کم کردن سرعت نوترون‌ها و همچنین خنک کردن رآکتور استفاده می‌شود. ‍ اما زمانی که دمای آب افزایش می‌یابد چگالی آب کاهش می‌یابد و سرعت تعداد کمتری نوترون به اندازه کافی کم می‌شود و به این ترتیب تعداد شکافت‌های کاهش می‌یابند بنابراین یک بازخور منفی همیشه ثبات سیستم را تثبیت می‌کند.

در این حالت برای آنکه بتوان دوباره تعداد شکافت‌های صورت گرفته را افزایش داد باید دمای آب را کاهش داد که به این کار ایجاد چرخه شکافت می‌گویند.