*پژوهش درباره نیروگاه ها و راکتورهای هسته ای*

فهرست مطالب

عنوان صفحه

مقدمه .............................................................................................................. 1

فصل اول: مبانی راکتورهای هسته ای

بخش اول: فیزیک اتمی و هسته ای:

اتم و هسته:....................................................................................... 5

ایزوتوپ ها:........................................................................................ 5

واکنشهای هسته ای ............................................................................ 6

واکنش زنجیره ای................................................................................ 8

دسته بندی انواع راکتورها:..................................................................... 9

چرخة نوترون در راکتورهای حرارتی:..................................................... 10

بخش دوم: اصول فیزیکی ساختمان راکتورهای هسته ای:

تولید برق:............................................................................................ 13

راکتورهای برق هسته ای:...................................................................... 16

راکتورهای آب سبک:............................................................................ 17

راکتورهای آب تحت فشار...................................................................... 21

راکتورهای آب جوشان:.......................................................................... 24

راکتورهای آب سنگین:.......................................................................... 25

راکتور کاندور:....................................................................................... 25

راکتور آب سنگین مولد بخار:................................................................. 26

راکتور کند شونده با گرافیت:...................................................................... 26

راکتورهای ماگنوس:................................................................................. 27

راکتور پیشرفت خنک شونده با گاز ............................................................ 30

راکتورهای سریع زاینده:............................................................................ 30

عنوان صفحه

فصل دوم: مبانی نیروگاههای هسته ای:

نیروگاه هسته ای:...................................................................................... 33

راکتور هسته ای:....................................................................................... 35

انرژی هسته ای:........................................................................................ 38

فصل سوم: کنترل راکتور

بخش اول: اثرهای سیستم کنترل راکتور

شکل زهر کنترل:...................................................................................... 42

سیستم های کنترل در راکتور..................................................................... 47

بحرانی کردن راکتور................................................................................... 49

بخش دوم: کارگردانی راکتورها

زهرهای حاصل از شکافت:......................................................................... 51

تشکیل محصولات شکافت: ....................................................................... 53

فصل چهارم: ایمنی هسته ای و حفاظت در برابر تابش:

ایمنی هسته ای: ........................................................................................ 55

حفاظت در برابر تابش.................................................................................. 56

فصل پنجم: مواد مورد نیاز در راکتورهای هسته ای:

بخش اول: سوخت:

اورانیوم:..................................................................................................... 60

پلوتونیوم:..................................................................................................... 60

بخش دوم:

سوخت هسته ای:.......................................................................................... 62

غنی سازی اورانیوم:....................................................................................... 62

عنوان صفحه

آبشار .......................................................................................................... 63

فاکتور جداسازی:........................................................................................... 63

قدرت جداسازی:............................................................................................ 64

بخش سوم :

روش های غنی‌سازی : ................................................................................. 65

روش الکترومغناطیسی: ................................................................................. 65

روش پخش گازی:....................................................................................... 66

روش سانتریفوژ:............................................................................................ 69

فرایند جت:................................................................................................... 70

روش غنی سازی با لیزر:................................................................................ 71

هزینة غنی سازی:......................................................................................... 72

ذخایر جهانی اورانیوم: ................................................................................... 75

فصل آخر: نتیجه گیری

منابع و مأخذ

اصطلاحات انگلیسی

مقدمه:

برنامه استفاده از انرژی هسته‌ برای تولید برق در ایران در سال 1353 آغاز شد و پس از مشکلات ناشی از جنگ تحمیلی، لزوم بازنگری برنامه های قبلی و مسائل اقتصادی که کشور ما با آن روبرو است دوباره در صدر برنامه های دولت قرار گرفته است. از طرف دیگر استفاده از انرژی هسته ای در جهان و ساخت نیروگاههای هسته ای در 40 سال گذشته بطور پیوسته ادامه داشته و در حال حاضر 17% از انرژی برق در جهان از انرژی هسته ای تأمین می شود. کشورهای در حال توسعه، چه آنهایی که منبع انرژی دیگری در اختیار ندارند و چه کشورهایی که همراه با منابع دیگر می خواهند از این تکنولوژی جدید نیز برای تولید انرژی برق استفاده کنند، با مسائل خاصی مواجه هستند. کمبود سرمایه، فقدان نیروی انسانی کاردان، ضعف ارگان های تشکیلاتی و مقرراتی، عدم آمادگی صنایع محلی برای مشارکت و بالاخره موضوعات سیاسی در رابطه با انتقال دانش فنی و نظام منع گسترش سلاح هسته ای مهمترین موضوعات در رابطه با ساخت و بهره برداری از نیروگاههای هسته ای است.

پیش بینی مصرف برق، لزوم توسعة وسیع ظرفیت تولید موجود را نشان می دهد با توجه به اهمیت ذخیرة انرژی و بهبود بازدهی استفاده از آن، انرژی هسته ای به عنوان گزینه ای اجتناب ناپذیر با نقشی مهم در برآوردن نیاز آیندة انرژی برق در جهان تجلی می کند.

نیازهای فزایندة جهان به انرژی همراه با مسایل محیطی ناشی از گسترش روزافزون باکارگیری منابع سوخت فسیلی و نیز کاهش سریع این منابع، عواملی هستند که احتمالاً خط مشی های آتی انرژی در کشورهای عضو آژانس را تحت تأثیر قرار خواهند داد.

در منابع انگلیسی زبان بخصوص آمریکایی عبارت nuclear power یا قدرت هسته‌ای بجای انرژی هسته ای بکار می رود. چون معنای واقعی این عبارت انرژی هسته ای است و در ایران نیز رایج تر است، در این جا عبارت nuclear power به عبارت انرژی هسته ای بکار می رود.

فصل اول :

مبانی رآکتورهای هسته ای

بخش اول : فیزیک اتمی و هسته ای

- واکنشهای هسته ای، پرتوزایی و ...

این نوشته ها و اطلاعات پیرامون نظریه و نحوة کار رآکتورهای هسته می باشند.

ساختمان اتم

اتم و هسته:

اتمهای تمام عناصر که زمانی که تصور می شد ذرات بنیادی طبیعت باشند، متشکل از سه ذره بنیادی ترپروتون، نوترون، و الکترون اند. آرایش این ذرات در درون اتم، به ویژه تعداد پروتون ها و الکترون ها، ماهیت شیمیایی عنصر را تعیین می کند. اتم از هسته ای تشکیل شده است، که تمام پروتون های با بار مثبت و نوترون های بدون بار در آن گرد هم آمده اند، و تعدادی الکترون با بار منفی، در مدارهایی حول آن می‌چرخند.

ایزوتوپ ها:

اتمهایی که دارای عدد اتمی، Z، یکسان ولی عدد نوترونی متفاوت N می باشند، ایزوتوپ های عنصر با عدد اتمی z، نامیده می شوند، تمام عناصر دارای تعدادی ایزوتوپ هستند، و در مواردی این تعداد به 20، یا بیشتر می رسد. عناصر طبیعی هر کدام دارای یک یا چند ایزوتوپ پایدار هستند که به طور طبیعی یافت می شوند و سایر ایزوتوپ ها که پرتوزا یا ناپایدار هستند را می توان به روشهای مصنوعی تولید کرد.

خواص شیمیایی ایزوتوپ های مختلف یک عنصر شبه هم است، که عجیب هم نیست زیرا پیوندهای شیمیایی بین الکترون ها برقرار اند.

به عنوان مثال علامت ایزوتوپی از اکسیژن را نشان می دهد که هستة آن دارای 8 پروتون و 8 نوترون است. هستةآن دارای 8 پروتون و 8 نوترون است. هستة ایزوتوپ دارای 8 پروتون و 9 نوترون است.

هیدروژن عنصر مهمی در مهندسی هسته ای است. هیدروژن طبیعی متشکل از دو ایزوتوپ، 985 و 99 درصد و 015/0 درصد ، موسوم به هیدروژن سنگین یا دو تریم، است. ایزوتوپ سومی از هیدروژن به نام تریتیم هم وجود دارد که پرتوزاست.

واکنشهای هسته ای:

تعداد واکنشهای هسته ای ممکن بسیار زیاد است، اما فقط تعداد کمی از آنها مورد توجه ما هستند. این واکنشها توسط بر هم کنش ذرات سبک از قبیل نوترون ها، پروتون ها یا دوترون ها (هسته های دوتریم)، یا تابش گاما با هسته های اتمی پدید می آیند به عنون مثال، می توان واکنشی را در نظر گرفت که در مهندسی هسته از اهمیت زیادی برخوردار است و از بر هم کنش بین نوترون های انرژی- پایین و بور 10 نتیجه می شود:

چهار قانون بنیادی بر کلیة واکنشهای هسته ای حاکم است:

*آشنایی با انرژی هسته‌ای و استفاده های صلح جویانه از آن در صنعت و اقتصاد*

1- مقدمه

انرژی هسته ای از عمده ترین مباحث علوم و تکنولوژی هسته ای است و هم اکنون نقش عمده ای را در تأمین انرژی کشورهای مختلف خصوصا کشورهای پیشرفته دارد. اهمیت انرژی و منابع مختلف تهیه آن، در حال حاضر جزء رویکردهای اصلی دولت­ها قرار دارد. به عبارت بهتر، بررسی، اصلاح و استفاده بهینه از منابع موجود انرژی، از مسائل مهم هر کشور در جهت توسعه اقتصادی و اجتماعی است. امروزه بحران­های سیاسی و اقتصادی و مسائلی نظیر محدودیت ذخایر فسیلی، نگرانی­های زیست محیطی، ازدیاد جمعیت، همگی مباحث جهان شمولی هستند که با گستردگی تمام فکر اندیشمندان را در یافتن راه کارهای مناسب برای حل معظلات انرژی در جهان به خود مشغول داشته اند.

در حال حاضر اغلب کشورهای جهان به نقش و اهمیت منابع مختلف انرژی در تأمین نیازهای حال و آینده پی برده و سرمایه گذاری ها و تحقیقات وسیعی را در جهت سیاست گذاری، استراتژی و برنامه های زیربنایی و اصولی انجام می دهند. در میان حامل­های مختلف انرژی، انرژی هسته ای جایگاه ویژه ای دارد. هم اکنون بیش از 430 نیروگاه هسته ای در جهان فعال می باشند و انرژی برخی کشورها مانند فرانسه عمدتا از برق هسته­ای تأمین می شود.

جمهوری اسلامی ایران بیش از سه دهه است که تحقیقات متنوعی را در زمینه های مختلف علوم و تکنولوژی هسته ای انجام داده و براساس استراتژی خود، مصمم به ایجاد نیروگاه­های هسته ای به ظرفیت کل 6000 مگاوات تا سال 1400 هجری شمسی می باشد. در این زمینه، جمهوری اسلامی ایران در نشست گذشته آژانس بین المللی انرژی اتمی، تمایل خود را نسبت به همکاری تمامی کشورهای جهان جهت ایجاد این نیروگاه­ها و تهیه سوخت مربوطه رسما" اعلام نموده است.

2- سوخت هسته ای

استفاده از سوخت هسته­ای برای تولید انرژی، با به کارگیری اولین راکتورهای قدرت در دهه 60 میلادی شروع شد و تولید و مصرف آن به طور پیوسته رو به افزایش بوده است.

پایه صنعت انرژی هسته­ای مبتنی بر استفاده از انرژی درونی اورانیوم می­باشد. بر حسب نوع راکتور نیروگاه اتمی، قسمت اصلی این انرژی و یا بخش کوچکی از آن مورد استفاده قرار می­گیرد.

یکی از تفاوت های اساسی سوخت هسته­ای با سوخت فسیلی، پدیده شکافت هسته­ای در سوخت است. با تولید انرژی به وسیله شکافت، ساختار سوخت به صورت آرام ولی پیوسته تغییر کرده و پاره های شکافت رادیو اکتیو را به وجود می­آورد. از این حهت رعایت مسایل ایمنی و پیش بینی جداره های بازدارنده متوالی در راکتور برای جلوگیری از پخش مواد رادیواکتیو ضروری است.

یکی دیگر از ویژگی های سوخت هسته­ای، امکان استفاده از آن در یک مدار بسته یا چرخه سوخت است. با بازفرایابی سوخت مصرف شده که در حال حاضر در کشورهای صنعتی انجام می­گردد، اورانیوم مصرف نشده و پلوتونیوم تولید شده در راکتور برای مصرف دوباره، برگشت داده می­شود.

در راکتورهای هسته­ای از شکافت هسته­ای برای تولید انرژی گرمایی استفاده می­شود. این انرژی حرارتی به وسیله توربین به انرژی مکانیکی و توسط ژنراتور به انرژی الکتریکی تبدیل می­شود. بنابراین، راکتورهای هسته­ای همان نقشی را در نیروگاه هسته­ای ایفاد می­کنند که دیگهای بخار در نیروگاه­ های حرارتی با سوخت فسیلی به عهده دارند. تفاوت نیروگاه­های هسته­ای با حرارتی در نوع سوخت مصرفی آنهاست که در اولی از سوفت هسته­ای و در دومی از مواد نفتی، گاز یا زغال سنگ استفاده می­شود.

ماده اصلی که برای سوخت راکتورها به کارمی­رود، اورانیوم یا ترکیباتی از این فلز است که به علت خاصیتی که در جذب نوترون و شکافت هسته­ای دارد، مورد استفاده قرار می­گیرد. اورانیوم یک ماده رادیواکتیو است که در طبیعت یافت می­شود. پلوتونیوم فلز دیگری است که برای سوخت در راکتورهای قدرت به کار می­رود ولی این فلزکه آن هم رادیواکتیو است، در طبیعت یافت نمی­شود و از واکنش های هسته­ای اورانیوم به وجود می­آید.

واژه اتم از کلمه یونانی اتموس به معنای ناشکستنی گرفته شده است که بعدها در زبان علمی، به «اتم»‌تبدیل شد.

اتم کوچکرین ذره هر چیز است. تصور اتم از دو هزار و پانصد سال پیش در ذهن اندیشمندان یوناین پیدا شد. لیوسیپوس Leucippus فیلسوف یونانی قرن پنجم پیش از میلاد نخستین کسی بود که عقیده داشت هر چیزی را می توان به تکه های کوچکتر از خود تقسیم کرد. او نخستین کسی بود که تئوری اتمی را بنیاد نهاد.

شاگرد او دموکریتوس Democritus که در زبان فارسی به دموکریت یا ذیمقراطیس نامیده می شود در اواخر قرن پنجم و اوایل قرن چهارم پیش از میلاد می زیست او همیشه شاد و خوشبین بود، و به فیلسوف خندان شهرت یافت وی نئوری اتم لیپوسیوس را پذیرفت. وی معتقد بود که همه جهان، از انواع گوناگون اتم تشکیل شده است و در فاصلة میان اتمها چیزی نیست، اتمهای جدا از هم به قدری کوچکند که دیده نمی شود، اما وقتی بهم بپیوندند چیزی را بوجود می آورند که ممکن است قابل دیدن باشد. چگونگی قرار گرفتن آنها در کنار یکدیگر در اجسام گوناگون فرق می کند.

دموکریتوس می اندیشید که اتمها، اگرچه می توانند آرایش یا شیوة قرار گرفتن خود را کنار یکدیگر تغییر دهند، نه به وجود می آیند و نه از میان می روند. با تغییر آرایش اتمها فقط چیزی به چیز دیگر تبدیل می شود.

وی حدود 70 سال زندگی کرد و نزدیک به 72 جلد کتاب نوشت که با گذشت زمان حتی یک نسخه از کتابهای او در دست نیست و اگر تئوری دموکریتوس بنام اوست به همین سبب است که کتابهای قدیمی دیگری که باقی مانده اند به دموکریتوس و تئوری او در بارة اتم اشاره کرده اند.

بعد از دموکریتوس فیلسوفان دیگری چون اپیکوئر Epicurur و لوکریتوس Lucretius نظرات او را پذیرفتند و به هواداران اتمیسم پیوستند. لوکریتوس منظومه ای فلسفی و آموزنده در بارة فیزیک که در بارة ماهیت اشیا است سروده است. اما با این همه مردم تصور اتم را نپذیرفتند و با از میان رفتن نوشته های آن دو، اتم به فراموشی سپرده شد.

در سال 1417 نسخه آسیب دیده از شعر لوکریتوس پیدا شد و مردم اروپا علاقه زیادی به نوشته های قدیمی پیدا کردند. در نتیجه نسخه های بسیاری از شعر لوکرتیوس رونویسی شد.

در سال 1454 یوهان گوتنبرگ Johann Gutenberg حروف چاپی را برای استفاده در ماشین چاپ در اروپا اختراع کرد، که سبب گردید با سرعت از هر کناب، نسخه های بسیاری تهیه شود و احتمال از بین رفتن کتابها کمتر شود. از جمله کتابهایی که به چاپ رسید شعرهای لوکریتوس بود. در نتیجه عده ای به موضوع اتم علاقمند شدند. که یکی از این علاقمندان پیرگاسندی Pierre Gassendi فیلسوف و ریاضی دان فرانسوی در نیمة قرن 17 میلادی بود. وی با نوشتن چندین کتاب مؤثر اندیشه اتمیسم را دوباره زنده گردانید و به تئوری اتمی اپیکور و لوکرتیوس جانی دوباره بخشید.