انرژی هسته ای، یک منبع انرژی بسیار قدرتمند و پرکاربرد است که از واکنش‌های هسته ای برای تولید برق و انرژی حرارتی بهره می‌برد. این تکنولوژی نه تنها به تولید انرژی پایدار و پاک کمک می‌کند، بلکه از دیدگاه محیط زیست نیز مزایای زیادی دارد. بهره‌گیری از انرژی هسته ای منجر به کاهش گازهای گلخانه‌ای و انتشارات مضر می‌شود و انرژی مؤثری برای تأمین نیازهای انسانی فراهم می‌کند. با ادامه تحقیقات در این حوزه، توسعه فناوری‌های ایمن‌تر و کارآمدتر امکان پذیر می‌شود و انرژی هسته ای به عنوان یک جزء مهم از مستقبل انرژی جهانی تصور می‌شود.
شکافت هسته ای
شکافت هسته ای یک فرآیند بسیار دشوار قابل کنترل است که در دهه 1930 و اوایل دهه 1940 میلادی به شکل نخستین توسط دانشمندان به اجرا درآمد. این فرآیند منجر به تولید انرژی هسته‌ای شد و در نهایت منجر به استفاده از بمب اتمی در جنگ جهانی دوم شد. به طور کلی، در تجزیه هسته‌ای یک اتم، یک نوترون می‌تواند هسته یک اتم را به دو قسمت کوچکتر تقسیم کند. این روش برای تجزیه ایزوتوپ اورانیوم-235 نیز به کار می‌رود.
گداخت هسته ای
فرآیند گداخت هسته‌ای، یک عملیات است که در آن دو ایزوتوپ هیدروژن، یعنی دوتریوم و تریتیوم، با هم ترکیب شده و به هلیوم یا ایزوتوپ‌های آن تبدیل می‌شوند. این فرآیند به کمک ادغام دو هسته‌ی کوچکتر به یک هسته‌ی بزرگ‌تر، مانند هلیوم یا ایزوتوپ‌های آن، انجام می‌شود. از این تکنیک در خورشید و ستارگان برای تولید انرژی بهره‌برداری می‌شود. ادوارد تلر نیز به عنوان یکی از بنیان‌گذاران این حوزه فناوری شناخته می‌شود.
غنی سازی اورانیوم
فرآیند غنی‌سازی اورانیوم عملی است که باعث افزایش مقدار ایزوتوپ اورانیوم-235 و کاهش مقدار ایزوتوپ اورانیوم-238 در یک توده اورانیوم طبیعی می‌شود. این فرآیند یکی از مراحل اساسی در چرخه سوخت هسته‌ای است. اورانیوم طبیعی که به صورت اکسید اورانیوم وجود دارد، 99 درصد از آن ایزوتوپ اورانیوم-238 و 0.7 درصد از اورانیوم-235 را شامل می‌شود. اورانیوم-235 قابلیت شکافت هسته‌ای را دارا بوده و برای استفاده در بمب‌ها و نیروگاه‌های هسته‌ای مناسب است. اورانیوم-238 که به نام اورانیوم ضعیف شده هم شناخته می‌شود و به عنوان نوعی زباله اتمی تلقی می‌شود. به دلیل ویژگی‌هایی مانند سختی آتش‌گیری، از آن در تولید گلوله‌های ضدزره نیز استفاده می‌شود. اورانیوم ضعیف شده همچنان پرتوزاست.
راکتور هسته ای
راکتور هسته‌ای وسیله‌ای است که در آن فرآیند شکافت هسته‌ای به صورت کنترل شده اجرا می‌شود. از انرژی حرارتی حاصل از این فرآیند می‌توان برای تبدیل آب به بخار و سپس به ژنراتورهای الکتریکی استفاده کرد. اورانیوم غنی‌شده به صورت قرص‌هایی با سطح مقطع مشابه سکه معمولی و ضخامت حدود 2/5 سانتی‌متر در راکتورها به کار می‌رود. این قرص‌ها به‌صورت میله‌های سوخت باهم قرار داده می‌شوند. سپس میله‌های سوخت به بسته‌های چندتایی تقسیم و تحت فشار و در محیط عایق نگهداری می‌شوند. در برخی نیروگاه‌های هسته‌ای، برای جلوگیری از گرم شدن بسته‌های سوخت در داخل راکتور، آنها را در داخل آب سرد فرو می‌برند.
در نیروگاه‌های دیگر، برای خنک‌نگه‌داشتن هسته راکتور، جایی که فرآیند شکافت هسته‌ای انجام می‌شود، از فلز مایع سدیم یا گاز کربن دی‌اکسید استفاده می‌شود. برای تنظیم و کنترل فرآیند شکافت هسته‌ای در یک راکتور، از میله‌های کنترلی بهره می‌برند که معمولاً از جنس کادمیم ساخته شده‌اند. این میله‌ها با جذب نوترون‌های آزاد در داخل راکتور باعث کاهش تعداد واکنش‌های زنجیره‌ای می‌شوند. با وجود تنوع در راکتورها، تقریباً همه آنها از اجزای مشابهی تشکیل شده‌اند که شامل سوخت، پوشش سوخت، کندکننده نوترون‌های حاصل از شکافت، خنک‌کننده برای حمل انرژی حرارتی و ماده کنترل‌کننده برای کنترل میزان شکافت هستند.
سوخت هسته ای
سوخت مورد استفاده در راکتورهای هسته‌ای باید به نحوی طراحی شود که توانایی مقاومت در برابر شکافت نوترونی را داشته باشد. پنج نوع نوکلئید شکافت‌پذیر در این راکتورها به‌کار می‌روند: توریم-232، اورانیوم-235، اورانیوم-233، اورانیوم-238 و پلوتونیم-239. علاوه بر قابلیت شکافت، سوخت باید قادر به تأمین نیازهای دیگر راکتور باشد. سوخت باید از نظر مکانیکی قوی، شیمیایی پایدار، و مقاوم در برابر تخریب تشعشعی باشد تا در معرض تغییرات فیزیکی و شیمیایی در راکتور مطمئن باقی بماند. همچنین، انتقال حرارت ماده باید به خوبی انجام شود تا بتواند حرارت را به طور موثر منتقل کند. ساخت سوخت باید ساده باشد، هزینه نسبتاً کم داشته باشد و از نظر شیمیایی خطری نداشته باشد.
غلاف سوخت راکتور
سوخت‌های هسته‌ای همواره به صورت پوشیده در داخل راکتور قرار می‌گیرند و مستقیماً در داخل راکتور قرار نمی‌گیرند. پوشش یا غلاف سوخت، وظیفه جداسازی سوخت از خنک‌کننده را برعهده دارد. این عمل از خوردگی سوخت جلوگیری می‌کند و از تبعید مواد پرتودیده به محیط اطراف جلوگیری می‌کند. همچنین، غلاف می‌تواند به عنوان پشتیبان ساختاری سوخت عمل کرده و در انتقال حرارت به سوخت کمک کند. جنس غلاف باید مشابه خواص حرارتی و مکانیکی سوخت باشد و از نظر شیمیایی در مقابل تعامل با سوخت و مواد محیطی پایدار باشد. همچنین، غلاف باید مقاومت نسبت به تشعشع را نیز داشته باشد.
مواد کند کننده ی نوترون ها
کند کننده یک ماده است که به منظور کاهش سرعت نوترون‌های سریع استفاده می‌شود. هسته‌هایی که دارای جرمی نزدیک به جرم نوترون هستند، بهترین کندکننده‌ها محسوب می‌شوند. چند ماده وجود دارند که می‌توان از آنها به عنوان کندکننده استفاده کرد، از جمله هیدروژن، دوتریوم، بریلیوم و کربن. اگرچه بریلیوم به دلیل سمیت خود، به ندرت به عنوان کندکننده در راکتورها استفاده می‌شود. آب سنگین نیز در برخی از انواع راکتورهای هسته‌ای به عنوان کندکننده نوترون مورد استفاده قرار می‌گیرد. نوترون‌های کند بهتر می‌توانند با اورانیوم واکنش دهند. از آب سبک یا آب معمولی هم می‌توان به عنوان کندکننده استفاده کرد، اما به دلیل اینکه آب سبک نوترون‌های بیشتری را جذب می‌کند، راکتورهای آب سبک باید از اورانیوم با غنی‌سازی بالاتری استفاده کنند، در حالی که آب سنگین می‌تواند از اورانیوم معمولی یا غنی‌نشده استفاده کند.
خنک کننده ها
حرارت تولید شده از شکافت هسته‌ای در داخل راکتور باید یا توسط خنک‌کننده از سوخت زدوده شود یا در نهایت به قدری افزایش یابد که موجب ذوب شدن میله‌های سوخت گردد. ویژگی مهم ماده خنک‌کننده، توانایی هدایت حرارتی بالا به منظور انجام انتقال حرارت به طریقی کارآمد است. علاوه بر این، ماده خنک‌کننده نباید به عنوان نتیجه واکنش‌های گاما دهنده رادیواکتیو شود. مایعات و گازها به عنوان مواد خنک‌کننده استفاده شده‌اند، از جمله گازهای کربن دی‌اکسید و هلیوم. اما باید توجه داشت که هلیوم هزینه بالایی دارد و تولید مقادیر زیادی از آن دشوار است. ماده‌های خنک‌کننده مایع شامل آب، آب سنگین و فلزات مایع نیز مورد استفاده قرار گرفته‌اند.
فهرست مطالب
تاریخچه
شکافت هسته ای
گداخت هسته ای
غنی سازی اورانیوم
راکتور هسته ای
سوخت هسته ای
غلاف سوخت راکتور
مواد کند کننده ی نوترون ها
خنک کننده ها
مواد کنترل کننده ی شکافت
نیروگاه اتمی بوشهر
کاربردهای پزشکی
صنایع غذایی،دامپزشکی و دامپروری
امنیت نیروگاه هسته ای
حوادث هسته ای
حادثه ی تری مایل آیلند
حادثه ی چرنوبیل
حادثه ی فوکوشیما
برنامه ی هسته ای در ایران