انرژی هسته ای
اگر هسته‌ی بعضی از اتم های سنگین به وسیله‌ی ذرات کوچکتر از اتم (مانند نوترون) بمباران شوند، بر اثر این برخورد اتم سنگین به دو هسته‌ی سبکتر تجزیه میشود و گذشته از آن، چند نوترون جدید به وجود می آیند. اتم هایی که بر اثر این واکنش به وجود می آیند، با انرژی زیادی حرکت مینمایند، و هنگامی که به اتم های اطراف خود برخورد کنند، انرژی جنبشی آنها تبدیل به انرژی حرارتی میشود.
نوترون های آزاد شده از واکنش اول، به نوبت خود، به اتم های دیگر بر میخورند و آن را میشکنند و در نتیجه باز هم نوترون جدید به وجود می آیند. این عمل به طور تصاعدی شدت می یابد و در کسری از ثانیه ملیون ها اتم به این طریق شکسته میشود و انرژی شگرفی به وجود می آید که انرژی هسته ای نام دارد. این عمل را شکاف اتم (Fission) مینامند، و چنین واکنشی را واکنش زنجیره ای میخوانند. موادی که دارای چنین خاصیتی هستند، مواد شکافته شدنی نام دارند. موادی را که دارای چنین خاصیتی هستند، مواد شکافته شدنی نام دارند.
استفاده‌ی صلح جویانه از انرژی هسته ای از دیر باز مورد توجه بوده است. کاهش روز افزون مواد نفتی، گرانی آن و بحران انرژی، انرژی هسته ای را زودتر از آنچه انتظار میرفت به صورت تجارتی و ثمربخشی در آورد، به طوری که در عصر حاضر صدها نیروگاه هسته ای در حال بهره برداری و یا در دست ساخت است.
نیروگاه هسته ای فقط از نظر داشتن رآکتور از نیروگاه هایی حرارتی عادی متمایز هستند، ولی دستگاه های توربین ژنراتور و خطوط انتقال آن با نیروگاه های عادی تفاوتی ندارند.
رآکتور هسته ای چیست؟
دستگاهی که در آن واکنش زنجیره ای شروع و کنترل میشود رآکتور هسته ای نام دارد. یک رآکتور هسته ای به منظورهای زیر کار می افتد:
۱) برای عرضه کردن میدان ها یا اشعه فوق نوترونی ولی جهت تجربیات علمی
۲) ایجاد عناصر جدید به وسیله‌ی گذاشتن برخی عناصر در معرض اشعه‌ی نوترونی.
۳) ایجاد انرژی حرارتی جهت تولید برق و سایر مصارف صنعتی.
اجزای اصلی رآکتور نیروگاه های هسته ای به شرح زیر است:
۱) میله سوختی قسمتی از رآکتور است، که در آن سوخت اتمی (ماده شکافته شدنی) جای داده میشود. در حال حاضر، اغلب سوخت های اتمی را ایزوتوپ ارانیوم ۲۳۵ تشکیل میدهد. این تنها ماده‌ی شکافته شدنی است که در طبیعت وجود دارد. در اغلب میله های سوختی لازم است که غلظت اورانیوم ۲۳۵ مقدار طبیعی خود که ۷ درصد است، به ۳ درصد افزایش یابد. این نوع اورانیوم را اورانیوم غنی شده نامیده اند.
۲) کند کننده، نوترون هایی هستند که از واکنش زنجیره ای حاصل میشوند، و دارای سرعت فوق العاده زیادی هستند، ولی بر اثر برخورد با مواد اطراف، سرعت خود را از دست میدهند. این کاهش سرعت مورد نیاز است، زیرا نوترون هایی که آهسته حرکت میکنند، برای برخورد با هسته و شکستن آن از نوترون های سریع مؤثرند. ولی اگر تعداد برخورد ها زیاد باشد، احتمال دارد که نوترون جذب شود بی آنکه بتواند اتم را بشکافد. بنابراین، ماده ای که به عنوان کنده کننده مورد استفاده قرار میگیرد، باید در عین حال خاصیت کند کردن نوترون ها را داشته باشد، خاصیت جذب آنها را نداشته باشد. نظر به اینکه جرم نوترون برابر با جرم هیدروژن است، موادی که دارای هیدروژن زیاد یا سایر اتم های سبک هستند، این خاصیت را دارند، و کند کننده های خوبی به شمار می آیند. رایج ترین کند کننده ها عبارتند از آب، آب سنگین، گرافیت، بریلیوم و برخی ترکیبات آلی.
۳) دستگاه مهار کردن واکنش: میزان انرژی ایجاد شده در رآکتورهای هسته ای به وسیله‌ی تنظیم نوترون ها مهار میشود. بدین معنی اگر شدت عمل شکافتن مهار نشود، تعداد نوترون ها به طول تصاعدی بالا میرود، و سببب انفجار کامل رآکتور (مانند بمب های هسته) میشود. برای مهار کردن میزان انرژی تولید شده در رآکتور لازم است تعدادی از نوترون های مازاد بر احتیاج، پیش از آنکه سبب عمل شکافتن شود، جذب گردد. برای این منظور از موادی که ضریب جذب نوترونی آنها زیاد است، مانند «بورن» و «کادیوم» استفاده میشود. این مواد به وسیله‌ی میله هایی که میله‌ی کنترل نامیده میشوند، در داخل رآکتور گذاشته میشوند و بر حسب اینکه چه مقدار از طول این میله در داخل رآکتور فرو برده میشود، عمل شکافتن کند میگردد.
۴) دستگاه انتقال حرارت: حرارتی که در رآکتور تولید میشود باید به وسیله ای به خارج از رآکتور انتقال یابد، تا هم از ذوب و تخریب رآکتور جلوگیری شود، و هم برای مصارفی از قبیل تولید نیروی برق و سایر مصارف صنعتی مورد استفاده قرار گیرد. انتقال حرارت به وسیله‌ی موادی که واسطه‌ی انتقال حرارتی نام دارند، صورت میگیرد. این موراد به وسیله‌ی عمل کونو کسیون عادی و طبیعی خود، یا تند کردن انتقال را از راه های مصنوعی، انرژی حرارتی را به خارج از رآکتور انتقال میدهد. واسطه‌ی انتقال حرارت ممکن است گازهایی از قبیل هوا، هلیوم، اکسید دو کربن، یا مایعاتی از قبیل آب معمولی، آب سنگین، برخی از ترکیبات آلی یا فلزات مایع، مانند سدیم باشد. در برخی از رآکتورها کند کننده و خشک کننده هر دو از یک ماده هستند، و در برخی دیگر موارد مختلف این دو کار را انجام میدهند.
۵) پوشش تشعشی: قسمتی از انرژی حاصل از واکنش شکافتی (که فورا به صورت حرارت ظاهر نمیشود) به شکل پرتو های نافذ نمایان میگردد. بدین سبب رآکتور باید دارای پوشش سنگینی باشد، تا از نفوذ تشعشع به خارج و آلوده کردن محیط زیست جلوگیری کند، باید میان پوشش داخلی یا حرارتی، که برای حفاظت بدنه‌ی راکتور از آسیب های ناشی از تشعشع ها به کار میرود، با پوشش خارجی یا زیستی، که در اینجا مورد نظر ماست، فرق گذاشته شود.
انواع رآکتورها
نیرو گاه ها بر حسب نوع خنک کننده و سایر ویژگی های نشان به چند دسته تقسیم میشوند. در رآکتورهای آب جوشان، آب در رآکتورها به جوش می آید و بخار تولید شده مستقیما به درون توربین هدایت میشود. در صورتی که در نیرو گاه های رآکتور آب فشرده، با فشار زیاد از جوش آمدن آب جلوگیری میشود، و این آب (یا واسطه‌ی حرارتی دیگر) در کنار میل های سوختی در داخل رآکتور به جوش می آید. و هنگامی که حرارت و فشار آن به مقدار کافی برای راه انداختن توربین رسید، به داخل توربین هدایت میشود و توربین نیز به نوبت خود مولد برق را به کار می اندازد. و انرژی الکتریکی تولید میکند. در قرن ما و قرن های بعدی انرژی هسته ای جانشین حاصل از زغال سنگ و نفت میشود.