كاربردهاي علوم و تكنولوژي هسته اي

اگرچه امروزه نسبت به اينكه كداميك از اين قدرتهاي چهارگانه حرف اول را مي زند بحثهاي مختلفي وجود دارد، اما بدون شك اين چهار قدرت با هم ارتباط تنگاتنگ داشته و هر يك بر ديگري تأثير (مسقتيم يا غير مستقيم) خواهد داشت. علوم و تكنولوژي هسته اي از جمله مواردي است كه در حال حاضر به صورت يك عامل مهم و تعيين كننده در هر يك از چهار مورد مذكور نقش ايفا مي نمايد. امروزه تأثير تكنولوژي هسته اي در گسترش دانش بشري، تسلط بر طبيعت، تأمين رفاه و پيشرفت زندگي بشر غير قابل ترديد است و بدون شك كشورهاي مختلف نيز هر يك برحسب توان خود به اين تكنولوژي روي آورده اند و هر كشوري براساس مقتضيات زماني و مكاني، استراتژي و تاكتيك خاصي را براي خود برمي گزيند.

1- مقدمه
انرژي هسته اي از عمده ترين مباحث علوم و تكنولوژي هسته اي است و هم اكنون نقش عمده اي را در تأمين انرژي كشورهاي مختلف خصوصا كشورهاي پيشرفته دارد. اهميت انرژي و منابع مختلف تهيه آن، در حال حاضر جزء رويكردهاي اصلي دولتها قرار دارد. به عبارت بهتر، از مسائل مهم هر كشور در جهت توسعه اقتصادي و اجتماعي  بررسي ، اصلاح و استفاده بهينه از منابع موجود انرژي در آن كشور است. امروزه بحرانهاي سياسي و اقتصادي و مسائلي نظير محدوديت ذخاير فسيلي، نگرانيهاي زيست محيطي، ازدياد جمعيت، رشد اقتصادي ، همگي مباحث جهان شمولي هستند كه با گستردگي تمام فكر انديشمندان را در يافتن راهكارهاي مناسب در حل معظلات انرژي در جهان به خود مشغول داشته اند.
در حال حاضر اغلب ممالك جهان به نقش و اهميت منابع مختلف انرژي در تأمين نيازهاي حال و آينده پي برده و سرمايه گذاريها و تحقيقات وسيعي را در جهت سياستگذاري، استراتژي و برنامه هاي زيربنايي و اصولي انجام مي دهند. هم اكنون تدوين استراتژي كه مركب از بررسي تمامي پارامترهاي تأثير گذار در انرژي و تعيين راهكارهاي مناسب جهت تميزتر و كارا ترنمودن انرژي و الگوي بهينه مصرف آن مي باشد، در رأس برنامه هاي زيربنايي اكثر كشورهاي جهان قرار دارد. در ميان حاملهاي مختلف انرژي،انرژي هسته اي جايگاه ويژه اي دارد. هم اكنون بيش از 430 نيروگاه هسته اي در جهان فعال مي باشند و انرژي برخي كشورها مانند فرانسه عمدتا از برق هسته اي تأمين مي شود.
جمهوري اسلامي ايران بيش از سه دهه است كه تحقيقات متنوعي را در زمينه هاي مختلف علوم و تكنولوژي هسته اي انجام داده و براساس استراتژي خود، مصمم به ايجاد نيروگاههاي هسته اي به ظرفيت كل 6000 مگاوات تا سال 1400 هجري شمسي مي باشد. در اين زمينه، جمهوري اسلامي ايران در نشست گذشته آژانس بين المللي انرژي اتمي، تمايل خود را نسبت به همكاري تمامي كشورهاي جهان جهت ايجاد اين نيروگاهها و تهيه سوخت مربوطه رسما اعلام نموده است.

 2- انرژي هسته اي
انرژي بدست آمده از فعل و انفعالات هسته اي را انرژي هسته اي مي گويند. اين انرژي از دو منشاء مي تواند سرچشمه بگيرد. يكي شكافت هسته  اتمهاي سنگين و ديگري همجوشي يا گداخت هسته اتمهاي سبك . ذيلا به اختصار به اين دو فعل و انفعال هسته اي كه به توليد انرژي هسته اي منجر مي گردند پرداخته مي شود.

 2-1) شكافت هسته اي
پس از كشف نوترون توسط"چاوديك" در سال 1932، هان و استراسمن، دانشمندان آلماني، در سال 1939 طي مقاله اي نشان دادند كه اين ذره مي تواند عناصر سنگيني از قبيل اورانيوم را شكافته و آنها را به عناصر ديگر با جرم كمتر تبديل نمايد. شكافت اورانيوم كه علاوه بر آزادسازي انرژي يا گسيل چند نوترون نيز همراه مي شود، منشا تحولات بسياري در قرن اخير شده است. در طي تحقيقاتي كه در قبل از جنگ جهاني دوم بويژه در فرانسه و آلمان انجام گرفت، محقق گشت كه نوترونهاي آزاد شده مي توانند تحت شرايط مناسب براي ايجاد شكافت در ديگر هسته هاي اورانيوم مورد استفاده قرار گيرند و بدين ترتيب يك واكنش زنجيره اي را مي توان آغاز نمود كه باعث آزادسازي مقدار قابل ملاحظه اي انرژي گردد.
اين شكافت بيشتر مربوط به 235-U (اورانيوم با جرم اتمي 235) بود و وجود يك حداقل جرمي از اورانيوم براي يك واكنش زنجيره اي لازم به نظر مي رسيد. اين حداقل را جرم بحراني ناميدند. در طول جنگ جهاني دوم، اين تحقيقات در كشورهاي انگلستان، كانادا و عمدتا آمريكا ادامه يافت و نتيجتا به ساخت اولين راكتور اتمي در زيرزمين دانشگاه شيكاگو توسط فرمي و چندي بعد به توليد اولين بمب اتمي منجر گرديد كه بطور موفقيت آميزي فجايع اسف بار هيروشيما و ناكازاكي را بوجود آورد. راكتور اتمي نمونه بارز استفاده صلح آميز از انرژي اتمي بود در حاليكه بمب اتمي بوضوح استفاده غيرصلح آميز آن را آشكار مي ساخت. بهرحال هر دوي اين فرايندها به توليد انرژي هسته اي كه ناشي از شكافت هسته اتمهاي سنگين بود منجر گشتند، البته يكي كنترل شده(راكتور اتمي) و ديگري كنترل نشده (بمب اتمي) به حساب مي آمد.

به هر حال شكافت هسته هاي سنگين به دو هسته سبكتر، همراه با آزاد شدن مقادير زيادي انرژي است و اين فرايند تنها در هسته هاي سنگيني چون اورانيوم و پلوتونيوم اتفاق مي افتد. از بين ايزوتوپهاي اورانيوم و پلوتو نيوم نيز U-235 ، Pu-239 وPu-241 قابليت شكافت را دارند تا ايزوتوپهاي ديگر. براي ايجاد شكافت مناسب، بايد واكنش هسته اي بصورت زنجيره وار و پيوسته انجام گردد وگرنه نتيجه مطلوب حاصل نخواهد گرديد.
در يك واكنش زنجيره اي هسته اي، ابتدا يك نوترون با انرژي مشخص و سرعت مورد نظر به هسته قابل شكافت مثل 235- U برخورد مي كند. نتيجه اين برهم كنش، نفوذ نوترون به داخل هسته بوده و با برهم خوردن توازن نيروهاي جاذبه و دافعه، هسته سنگين به دو هسته شكسته شده و همراه با آن مقادير زيادي انرژي و چندين نوترون سريع آزاد مي گردد. متوسط تعداد نوترونهاي توليد شده در شكافت 235- U حدود 5/2 و در 239-PU حدودا 3 درجه مي باشد. هركدام از اين نوترونها با برخورد با هسته هاي ديگر موجب آزاد شدن انرژي و چندين نوترون ديگر خواهند شد. چنانچه شرايط مهيا باشد، اين واكنش بطور زنجيره وار ادامه مي يابد تا زمانيكه به عللي از جمله كاهش جرم ماده شكافت پذير متوقف گردد. تعداد نوترونهاي ناشي از شكافت را اصطلاحا تحت عنوان فاكتور تكثير مي شناسد و به K نمايش مي دهند چنانچه 1< K باشد در اين صورت سيستم فوق بحراني خواهد بود و تكثير نوترونها و آزاد شدن انرژي با سرعتي بيش از حد تصور ادامه مي يابد و اين همان فرآيندي است كه در سلاحهاي هسته اي روي مي دهد. چنانچه1= K باشد سيستم را بحراني مي نامند. به عبارت بهتر به ازاي هر نوتروني كه به هر دليل در سيستم مصرف و يا از آن خارج مي گردد يك نوترون در نتيجه شكافت توليد مي شود. اگر 1>K باشد سيستم را زير بحراني مي دانند. در اين سيستم توليد نوترونها در مجموع روبه كاهش رفته و نهايتا فعل و انفعالات هسته اي در سيستم متوقف خواهد گرديد. به فرض اينكه 2=K باشد، پس توليد نوترونها در اثر شكافتهاي زنجيره اي بصورت تصاعدي 32،16،8،4،2 و ... خواهد بود. در اين حالت چنانچه جرم 235- U، يك كيلوگرم (Kg ) بوده و اين شكافتها تا 80 بار ادامه يابند، انرژي معادل 20 كيلوتن TNT در زماني كمتر از1us آزاد خواهد گرديد.

2-2) همجوشي يا گداخت هسته اي
هم جوشي يا گداخت هسته اي را مي توان به عنوان فرايند عكس شكافت هسته اي قلمداد كرد، يعني فرايندي كه در آن دست كم يكي از محصولات واكنش هسته اي ازهر يك ازمواد واكنش زاي اوليه پر جرمتر باشد . گداخت هسته اي در مواردي كه جرم كل هسته هاي محصول از جرم كل مواد واكنش زاكمتر باشد منجر به رهايي انرژي خواهد شد. اين شرط براي هسته هاي سبك يا اعداد جرم A1  و A2 كه براي آنها 60> (A2+A1) باشد، هميشه برقرار است. فعل و انفعالاتي كه در ستاره ها رخ مي دهد و منجر به توليد انرژي بسيار زيادي مي گردد، شناخته شده ترين و بارزترين نمونه هاي همجوشي يا گداخت هسته اي است. اين واكنشها كه عموما به زنجيره پروتون - پروتون موسوم مي باشند با واكنشي بين دو پروتون و تشكيل يك دوتريوم آغاز مي شود. سپس با واكنش يك پروتوم و دوتريوم و تشكيل 3He ادامه يافته و نهايتا با واكنش دو اتم  3He و تشكيل 4He خاتمه مي يابد. دراين فرايند حدود 7/24 Mev انرژي آزاد مي گردد. براي شبيه سازي همين واكنش در روي زمين تحقيقات بسياري از اواسط قرن بيستم ميلادي انجام گرفته است و هنوز نيز ادامه دارد. دراين تحقيقات مشخص گرديد كه سطح مقطع واكنش بين دوتريوم (2H) و تريتيوم (3H) و همچنين مقدار انرژي آزاد شده به ازاي هر اتمي كه در آن واكنش شركت دارد خيلي بيشتر از واكنشهاي مذكور مي باشد. در اين واكنش در نتيجه همجوشي بين دو تريوم و تريتيوم يك اتم هليوم همراه با يك نوترون و حدود 6/17 Mev  انرژي آزاد مي گردد.

گداخت هسته اي را سرچشمه انرژي فردا مي دانند و گمان مي رود سوخت يك راكتور گداخت هسته اي همانطور كه بيان گرديد مخلوطي از دو تريوم و تريتيوم باشد. واكنش همجوشي بين اين دو ماده در دماي حدود 10 به توان 7 درجه سانتيگراد صورت مي گيرد و گرماي توليد شده بواسطه همجوشي آنها باعث واكنشهاي گداخت ديگر نيز خواهد گرديدو اين امر يك سري واكنشهاي زنجيره اي را بوجود خواهد آورد كه مي توان با استفاده از انرژي بسيار زياد توليد شده، توربينهاي مولد برق را بكار انداخت. از محسنات راكتورهاي گداخت، درجه بالاي ايمني آنهاست و برخلاف راكتورهاي شكافت هسته اي كه پسمانهاي راديو اكتيو بسياري توليد مي كنند، پسمان راكتورهاي گداخت مقدار كمي هليوم غير راديواكتيو است. البته در واكنش همجوشي هسته اي، طبق آنچه بيان گرديد، نوترون نيز توليدمي شود كه مي تواند به مرور راكتور را راديو اكتيو كند ولي با انتخاب مواد مناسب مي توان به جذب نوترونها اقدام نمود و در نتيجه اين مسئله نيز مرتفع خواهد گرديد. در حال حاضر دستگاهي كه فعل و انفعالات گداخت هسته اي در آن بوقوع مي پيوندد تحت عنوان توكامك شناخته مي شود پيش بيني ها از دهه 2020 ميلادي به عنوان نقطه آغاز به كار راكتورهاي تحاري هم جوشي هسته اي حكايت دارند.

 3- كاربردهاي علوم و تكنولوژي هسته اي

عليرغم پيشرفت همه جانبه علوم و فنون هسته اي در طول نيم قرن گذشته، هنوز اين تكنولوژي در اذهان عمومي ناشناخته مانده است. وقتي صحبت از انرژي اتمي به ميان مي آيد، اغلب مردم ابر قارچ مانند حاصل از انفجارات اتمي و يا راكتورهاي اتمي براي توليد برق را در ذهن خود مجسم مي كنند و كمتر كسي را مي توان يافت كه بداند چگونه جنبه هاي ديگري از علوم هسته اي در طول نيم قرن گذشته زندگي روزمره او را دچار تحول نموده است. اما حقيقت در اين است كه در طول اين مدت در نتيجه تلاش پيگير پژوهشگران و مهندسين هسته اي، اين تكنولوژي نقش مهمي را در ارتقاء سطح زندگي مردم، رشد صنعت و كشاورزي و ارائه خدمات پزشكي ايفاء نموده است. موارد زير از مهمترين استفاده هاي صلح آميز از علوم و تكنولوژي هسته اي مي باشند:
1- استفاده از انرژي حاصل از فرآيند شكافت هسته اورانيوم يا پلوتونيوم در راكتورهاي اتمي جهت توليد برق و يا شيرين كردن آب درياها.
2-استفاده از راديوايزوتوپها در پزشكي، صنعت و كشاورزي
3- استفاده از پرتوهاي ناشي از فرآيندهاي هسته اي در پزشكي، صنعت و كشاورزي
ايزوتوپهاي يك عنصر، هسته هايي شامل تعداد پروتونهاي يكسان و تعداد نوترونهاي متفاوت مي باشند.
يكسان بودن عدد اتمي در ايزوتوپها باعث گشته كه خواص شيميايي و بعضا فيزيكي يكسان داشته باشند اما در عين حال خواص هسته اي متفاوتي دارند. در حاليكه بطور طبيعي اكثر ايزوتوپهاي موجود از پايداري نسبي برخوردار هستند، اما ايزوتوپهاي ساخته دست انسان، عمدتا غيرپايدار مي باشند. پايداري يك ايزوتوپ توسط نيمه عمر آن تعيين مي گردد و نيمه عمر زماني است كه مقدار يك ايزوتوپ از طريق تلاشي به نصف مي رسد.

نيمه عمرها مي توانند از كسري از ثانيه تا صدها ميليون سال تغيير يابند. ايزوتوپهاي راديواكتيو(راديوايزوتوپها) زمانيكه متلاشي مي گردند سه نوع تابش را منتشر مي سازند:
1- ذرات آلفا كه داراي بار مثبت بوده و مركب از دو پروتون و دو نوترون هستند(++4He)
2- ذرات بتا كه الكترونهاي انرژتيك با بار منفي يا پوزيترونها با بار مثبت مي باشند
3- تابشهاي گاما كه بدون بار بوده و بسيار نافذ هستند.
برخي از عناصر راديواكتيو مثل راديوم و يا ايزوتوپهاي راديواكتوي مثل 235-U در طبيعت يافت مي شوند ولي اكثر آنها در راكتورهاي اتمي و يا بوسيله شتابدهنده ها توليد مي گردند. 82-Br و58- Co و131-Iو32-Pو42-Kو111-Agو64-Cuو38-Cl  از مهمترين راديو ايزوتوپهاي توليد شده در راكتورهاي اتمي مي باشند و از آن طرف راديو ايزوتوپهاي 7-Beو206-Biو18-Fو132-I  د ر شتابدهنده ها ساخته مي شوند. امروزه از راديو ايزوتوپها و پرتوهاي ناشي از فرايندهاي هسته اي جهت بهبود محصولات غذايي، نگهداري مواد غذايي، تعيين منابع آبهاي زيرزميني، استرليزه كردن منابع و توليدات پزشكي، آناليز هورمونها، كنترل فرايندهاي صنعتي و بررسي آلودگي محيط زيست استفاده فراواني به عمل مي آيد.

توليد گونه هايي از محصولات غذايي داراي حاصلخيزي بيشتر، توليد گونه هاي مقاوم نسبت به آفات و كم آبي، استفاده موثر تر از منابع آبي و جمع آوري آنها، كنترل نابودي آفات، جلوگيري از فساد محصولات در هنگام نگهداري، از مهمترين موارد استفاده از علوم و تكنولوژي هسته اي در كشاورزي است. كاربرد روشهاي هسته اي در علوم پزشكي نسبت به ساير بخشها معروفتر و عمومي تر است. بيش از 100 سال است كه دانشمندان با خواص اشعه ايكس آشنا شده اند و از آن براي تشخيص پزشكي استفاده مي كنند. تصويربرداري، تشخيص، پيش بيني و درمان برخي بيماريها در نتيجه استفاده از پرتودهي و راديوايزوتوپها حاصل مي گردد. بطور مثال يد 131(131-I) براي تشخيص محل و مكان تومورهاي مغزي مورد استفاده قراز مي گيرد و يا از آن براي تعيين فعاليت غده تيروئيد و كبد استفاده مي شود. كرم -51(51-Cr ) براي تحقيقات خون شناسي، 75-Se براي بررسي لوزالمعده، 57- Co براي تشخيص كم خوني، 14-C براي تحقيقات بيولوژيكي و داروسازي، 137- Cs جهت درمان غدد سرطاني، 67-Cu براي از بين بردن غدد سرطاني از رايج ترين راديوداروها در امر پزشكي مي باشند. استفاده از پرتو گاما توليد شده از كبالت -60(60-Co ) از موثرترين و مقرون به صرفه ترين روشها در زمينه سترون نمودن وسايل، ابزار آلات و توليدات پزشكي است.

طي نيم قرن گذشته، تكنولوژي هسته اي كاربردهاي گسترده اي در صنعت يافته است. تسهيل عمليات اكتشاف و استخراج معادن زيرزميني نفت و گاز، تشخيص محل نشت سيالات در لوله ها و مخازن، تعيين ميزان خوردگي فلزات، اندازه گيري دقيق قطرسنجي، ضخامت سنجي و سطح سنجي، تعيين فرسودگي غشاء داخلي كوره هاي صنعتي، استفاده از اثرات متقابل پرتوها با مواد جهت بهينه سازي عملكرد آنها در صنعت و... تماما از مهمترين استفاده هاي صنعت از علوم و فنون هسته اي است. در اين زمينه بطور مثال 241- Am  جهت تعيين محل حفاري چاههاي نفت، 109- Cd جهت آزمايش عيار فلزات، 14- C براي تحقيقات باستان شناسي، 85- Kr جهت اندازه گيري ضخامت صفحات و الياف بكار مي روند.

4- برق هسته اي

از مهمترين منابع استفاده صلح آميز از انرژي اتمي، ساخت راكتورهاي هسته اي جهت توليد برق مي باشد. راكتورهسته اي وسيله اي است كه در آن فرايند شكافت هسته اي بصورت كنترل شده انجام مي گيرد. در طي اين فرايند انرژي زياد آزاد مي گردد به نحوي كه مثلا در اثر شكافت نيم كيلوگرم اورانيوم انرژي معادل بيش از 1500 تن زغال سنگ بدست مي آيد. هم اكنون در سراسر جهان، راكتورهاي متعددي در حال كار وجود دارند كه بسياري از آنها براي توليد قدرت و به منظور تبديل آن به انرژي الكتريكي، پاره اي براي راندن كشتيها و زيردريائيها، برخي براي توليد راديو ايزوتوپوپها و تحقيقات علمي و گونه هايي نيز براي مقاصد آزمايشي و آموزشي مورد استفاده قرار مي گيرند. در راكتورهاي هسته اي كه براي نيروگاههاي اتمي طراحي شده اند (راكتورهاي قدرت)، اتمهاي اورانيوم و پلوتونيم توسط نوترونها شكافته مي شوند و انرژي آزاد شده گرماي لازم را براي توليد بخار ايجاد كرده و بخار حاصله براي چرخاندن توربينهاي مولد برق بكار گرفته مي شوند.

راكتورهاي اتمي را معمولا برحسب خنك كننده، كند كننده، نوع و درجه غناي سوخت در آن طبقه بندي مي كنند. معروفترين راكتورهاي اتمي، راكتورهايي هستند كه از آب سبك به عنوان خنك كننده و كند كننده و اورانيوم غني شده(2 تا 4 درصد اورانيوم 235) به عنوان سوخت استفاده مي كنند. اين راكتورها عموما تحت عنوان راكتورهاي آب سبك(LWR ) شناخته مي شوند. راكتورهاي WWER,BWR,PWR از اين دسته اند. نوع ديگر، راكتورهايي هستند كه از گاز به عنوان خنك كننده، گرافيت به عنوان كند كننده و اورانيوم طبيعي يا كم غني شده به عنوان سوخت استفاده مي كنند. اين راكتورها به گاز- گرافيت معروفند. راكتورهاي HTGR,AGR,GCR از اين نوع مي باشند. راكتور PHWR راكتوري است كه از آب سنگين به عنوان كندكننده و خنك كننده و از اورانيوم طبيعي به عنوان سوخت استفاده مي كند. نوع كانادايي اين راكتور به CANDU موسوم بوده و از كارايي خوبي برخوردار مي باشد. مابقي راكتورها مثل FBR (راكتوري كه از مخلوط اورانيوم و پلوتونيوم به عنوان سوخت و سديم مايع به عنوان خنك كننده استفاده كرده و فاقد كند كننده مي باشد) LWGR(راكتوري كه از آب سبك به عنوان خنك كننده و از گرافيت به عنوان كند كننده استفاده مي كند) از فراواني كمتري برخوردار مي باشند. در حال حاضر، راكتورهاي PWR و پس از آن به ترتيب PHWR,WWER,BWR فراوانترين راكتورهاي قدرت در حال كار جهان مي باشند.

 به لحاظ تاريخي اولين راكتور اتمي در آمريكا بوسيله شركت "وستينگهاوس" و به منظور استفاده در زير دريائيها ساخته شد. ساخت اين راكتور پايه اصلي و استخوان بندي تكنولوژي فعلي نيروگاههاي اتميPWR را تشكيل داد. سپس شركت جنرال الكتريك موفق به ساخت راكتورهايي از نوع BWR گرديد. اما اولين راكتوري كه اختصاصا جهت توليد برق طراحي شده، توسط شوروي و در ژوئن 1954در "آبنينسك" نزديك مسكو احداث گرديد كه بيشتر جنبه نمايشي داشت، توليد الكتريسيته از راكتورهاي اتمي در مقياس صنعتي در سال 1956 در انگلستان آغاز گرديد. تا سال 1965 روند ساخت نيروگاههاي اتمي از رشد محدودي برخوردار بود اما طي دو دهه 1966 تا 1985 جهش زيادي در ساخت نيروگاههاي اتمي بوجود آمده است. اين جهش طي سالهاي 1972 تا 1976 كه بطور متوسط هر سال 30 نيروگاه شروع به ساخت مي كردند بسيار زياد و قابل توجه است. يك دليل آن شوك نفتي اوايل دهه 1970 مي باشد كه كشورهاي مختلف را برآن داشت تا جهت تأمين انرژي مورد نياز خود بطور زايد الوصفي به انرژي هسته اي روي آورند. پس از دوره جهش فوق يعني از سال 1986 تاكنون روند ساخت نيروگاهها به شدت كاهش يافته بطوريكه بطور متوسط ساليانه 4 راكتور اتمي شروع به ساخت مي شوند.

كشورهاي مختلف در توليد برق هسته اي روند گوناگوني داشته اند. به عنوان مثال كشور انگلستان كه تا سال 1965 پيشرو در ساخت نيروگاه اتمي بود، پس از آن تاريخ، ساخت نيروگاه اتمي در اين كشور كاهش يافت، اما برعكس در آمريكا به اوج خود رسيد. كشور آمريكا كه تا اواخر دهه 1960 تنها 17 نيروگاه اتمي داشت در طول دهه هاي 1970و 1980 بيش از 90 نيروگاه اتمي ديگر ساخت. اين مسئله نشان دهنده افزايش شديد تقاضاي انرژي در آمريكاست. هزينه توليد برق هسته اي در مقايسه با توليد برق از منابع ديگر انرژي در امريكا كاملا قابل رقابت مي باشد. هم اكنون فرانسه با داشتن سهم 75 درصدي برق هسته اي از كل توليد برق خود درصدر كشورهاي جهان قرار دارد. پس از آن به ترتيب ليتواني(73درصد)، بلژيك(57درصد)، بلغارستان و اسلواكي(47درصد) و سوئد (8/46درصد) مي باشند. آمريكا نيز حدود 20 درصد از توليد برق خود را به برق هسته اي اختصاص داده است.

گرچه ساخت نيروگاههاي هسته اي و توليد برق هسته اي در جهان از رشد انفجاري اواخر دهه 1960 تا اواسط 1980 برخوردار نيست اما كشورهاي مختلف همچنان درصدد تأمين انرژي مورد نياز خود از طريق انرژي هسته اي مي باشند. طبق پيش بيني هاي به عمل آمده روند استفاده از برق هسته اي تا دهه هاي آينده همچنان روند صعودي خواهد داشت. در اين زمينه، منطقه آسيا و اروپاي شرقي به ترتيب مناطق اصلي جهان در ساخت نيروگاه هسته اي خواهند بود. در اين راستا، ژاپن با ساخت نيروگاههاي اتمي با ظرفيت بيش از 25000 مگا وات درصدر كشورها قرار دارد. پس از آن چين، كره جنوبي، قزاقستان، روماني، هند و روسيه جاي دارند. استفاده از انرژي هسته اي در كشورهاي كاندا، آرژانتين، فرانسه، آلمان، آفريقاي جنوبي، سوئيس و آمريكا تقريبا روند ثابتي را طي دو دهه آينده طي خواهد كرد.

5- چرخه سوخت هسته اي

اورانيوم متداولترين سوخت براي راكتورهاي هسته اي است. در مقايسه با اورانيوم، كاربرد توريوم و پلوتونيوم خيلي محدودتر است. اورانيوم را مي توان به صورت خالص يعني اورانيوم فلزي يا به صورت تركيب مثل اكسيد اورانيوم(UO2) و يا كربوراورانيوم(CU) بكار برد، اما اكسيد اورانيوم متداولترين ماده براي سوخت راكتورهاي تجاري است. اورانيوم به طور طبيعي به شكل مخلوطي از اكسيدهاي مختلف است كه به طور وسيعي در پوسته زمين به صورتهاي پراكنده يافت مي شود. غلظت اورانيوم در پوسته زمين حدود 2ppm است كه نشاندهنده فراواني آن حتي بيشتر از عناصري مثل جيوه و نقره مي باشد.

براي استفاده از اورانيوم به عنوان سوخت، ابتدا بايد آنرا از سنگهاي معدني استخراج و جداسازي نمود (مرحله فراوري سنگ معدن اورانيوم). سپس با تبديل و غني سازي ، آنرا آماده براي تهيه سوخت كرد(مرحله تبديل و غني سازي اورانيوم). پس از آن با روشهاي شيميايي و فيزيكي مختلف به توليد سوخت هسته اي مناسب مبادرت نمود(مرحله توليد سوخت هسته اي) و نهايتا پس از استفاده سوخت در راكتوراتمي به بازفرآوري سوخت مصرف شده و جداسازي اورانيوم، پلوتونيوم و محصولات شكاف ديگر پرداخت(مرحله بازفرآوري). به مجموعه اين فرايندها، چرخه سوخت هسته اي گفته مي شود. بعبارت بهتر، به مجموعه فرايندها و مراحل توليد سوخت هسته اي تا مصرف و سپس بازفرآوري آن چرخه سوخت هسته اي مي گويند. لفظ چرخه بدان جهت بكار مي رود كه عناصر شكاف پذير پس از مصرف در راكتورهاي هسته اي تحت بازفرآوري قرار گرفته و مجددا براي مصرف آماده مي گردند. مراحل مختلف چرخه سوخت هسته اي عبارتند از:
1- فراوري سنگ معدن اورانيوم
2- تبديل و غني سازي اورانيوم
3- توليد سوخت هسته اي
4- بازفرآوري
شكل زير شمايي از چرخه سوخت هسته اي را نمايش مي دهد.

هم اكنون به لحاظ صنعتي، كشورهاي فرانسه، ژاپن، روسيه، آمريكا و انگلستان داراي تمامي مراحل تكنولوژي فراوري اورانيوم در تمامي مراحل چرخه سوخت هسته اي در اشل صنعتي مي باشند. چنانچه اشل غيرصنعتي منظور گردد، كشورهاي ديگري مثل هند نيز به ليست فوق اضافه خواهند شد. كشورهاي كانادا و فرانسه در مجموع داراي بزرگترين كارخانه هاي تبديل اورانيوم هستند كه محصولات آنها شامل UO3,UO2,UF6 مي باشند، پس از آنها به ترتيب كشورهاي امريكا، روسيه و انگلستان قرار دارند. در زمينه غني سازي، بي ترديد امريكا و روسيه داراي بزرگترين شبكه غني سازي جهان مي باشند. در اشل صنعتي اين دو كشور كار غني سازي را از سال 1945 در امريكا و 1949 در شوروي آغاز نموده اند. پس از آنها، به ترتيب فرانسه، هلند و انگلستان بيشترين غني سازي را انجام مي دهند. درحال حاضر، امريكا بزرگترين توليد كننده سوخت هسته اي در جهان است كه تمامي سوخت آن جهت استفاده در نيروگاههاي BWR,PWR مي باشد. پس از امريكا، كانادا توليد كننده اصلي سوخت هسته اي در جهان(براي راكتورهاي PHWR) مي باشد. به نظر مي رسد كشور كانادا از پرسابقه ترين كشورها جهت توليد سوخت هسته اي است كه فعاليت خود را در اين زمينه از سال 1956 آغاز نموده است. پس از امريكا و كانادا، كشورهاي انگلستان، روسيه ، ژاپن، فرانسه، آلمان، هند، كره جنوبي و سوئد توليد كنندگان اصلي سوخت هسته اي مي باشند. در زمينه بازفرآوري سوخت مصرف شده، امريكا بيشترين سهم بازفراوري سوخت هسته اي را در جهان داراست. پس از آن فرانسه، انگلستان، روسيه، هند و ژاپن قرار دارند. درحال حاضر بين كشورهاي جهان سوم، هندوستان پيشرفته ترين كشور در زمينه دانش فني چرخه سوخت هسته اي مي باشد.

6- ديدگاههاي اقتصادي و زيست محيطي برق هسته اي

جمهوري اسلامي ايران در فرايند توسعه پايدار خود به تكنولوژي هسته اي چه از لحاظ تأمين نيرو و ايجاد جايگزيني مناسب در عرصه انرژي و چه از نظر ديگر بهره برداريهاي صلح آميز آن در زمينه هاي صنعت، كشاورزي، پزشكي و خدمات نياز مبرم دارد كه تحقق اين رسالت مهم به عهده سازمان انرژي اتمي ايران مي باشد، بديهي است در زمينه كاربرد انرژي هسته اي به منظور تأمين قسمتي از برق مورد نياز كشور قيود و فاكتورهاي بسيار مهمي از جمله مسايل اقتصادي و زيست محيطي مطرح مي گردند.

1-6) ديدگاه اقتصادي استفاده از برق هسته اي
امروزه كشورهاي بسياري بويژه كشورهاي اروپايي سهم قابل توجهي از برق مورد نياز خود را از انرژي هسته اي تأمين مي نمايند. بطوريكه آمار نشان مي دهد از مجموع نيروگاههاي هسته اي نصب شده جهت تأمين برق در جهان به ترتيب 35 درصد به اروپاي غربي، 33 درصد به آمريكاي شمالي، 5/16 درصد به خاور دور، 13 درصد به اروپاي شرقي و نهايتا فقط 74/0 درصد به آسياي ميانه اختصاص دارد. بدون شك در توجيه ضرورت ايجاد تنوع در سيستم عرضه انرژي كشورهاي مذكور، انرژي هسته اي به عنوان يك گزينه مطمئن اقتصادي مطرح است. بنابراين ابعاد اقتصادي جايگزيني نيروگاههاي هسته اي با توجه به تحليل هزينه توليد(قيمت تمام شده) برق در سيستمهاي مختلف نيرو قابل تأمل و بررسي است. از اينرو در اغلب كشورها، نيروگاههاي هسته اي با عملكرد مناسب اقتصادي خود از هر لحاظ با نيروگاههاي سوخت فسيلي قابل رقابت مي باشند.

بهرحال طي چند دهه گذشته كاهش قيمت سوختهاي فسيلي در بازارهاي جهاني، سبب افزايش هزينه هاي ساخت نيروگاههاي هسته اي به دليل تشديد مقررات و ضوابط ايمني، طولاني تر شدن مدت ساخت و بالاخره باعث ايجاد مشكلات تأمين مالي لازم و بالا رفتن قيمت تمام شده هر واحد الكتريسيته در اين نيروگاهها شده است. از يك طرف مشاهده ميشود كه طي اين مدت حدود 40 درصد از هزينه هاي چرخه سوخت هسته اي كاهش يافته است و از سويي ديگر با توجه به پيشرفتهاي فني و تكنولوژي حاصل از طرحهاي استاندارد و برنامه ريزيهاي دقيق بمنظور تأمين سرمايه اوليه مورد نياز مطمئن و به هنگام احداث چند واحد در يك سايت براي صرفه جوئيهاي ناشي از مقياس مربوط به تأسيسات و تسهيلات مشترك مورد نياز در هر نيروگاه، همچنان مزيت نيروگاههاي اتمي از ديدگاه اقتصادي نسبت به نيروگاههاي با سوخت فسيلي در اغلب كشورها حفظ شده است.

ساير ديدگاههاي اقتصادي در مورد آينده انرژي هسته اي حاكي از آن است كه براساس تحليل سطح تقاضا و منابع عرضه انرژي در جهان، توجه به توسعه تكنولوژيهاي موجود و حقايقي نظير روند تهي شدن منابع فسيلي در دهه هاي آينده، مزيتهاي زيست محيطي انرژي اتمي و همچنين استناد به آمار و عملكرد اقتصادي و ضريب بالاي ايمني نيروگاههاي هسته اي، مضرات كمتر چرخه سوخت هسته اي نسبت به ساير گزينه هاي سوخت و پيشرفتهاي حاصله در زمينه نيروگاههاي زاينده و مهار انرژي گداخت هسته اي در طول نيم قرن آينده، بدون ترديد انرژي هسته اي يكي از حاملهاي قابل دسترس و مطمئن انرژي جهان در هزاره سوم ميلادي به شمار مي رود. در اين راستا شوراي جهاني انرژي تا سال 2020 ميلادي ميزان افزايش عرضه انرژي هسته اي را نسبت به سطح فعلي حدود 2 برابر پيش بيني مي نمايد. با توجه به شرايط موجود چنانچه از لحاظ اقتصادي هزينه هاي فرصتي فروش نفت و گاز را با قيمتهاي متعارف بين المللي در محاسبات هزينه توليد(قيمت تمام شده) براي هر كيلووات برق توليدي منظور نمائيم و همچنين تورم و افزايش احتمالي قيمتهاي اين حاملها(بويژه طي مدت اخير) را براساس روند تدريجي به اتمام رسيدن منابع ذخاير نفت و گاز جهاني مدنظر قرار دهيم، يقينا در بين گزينه هاي انرژي موجود در جمهوري اسلامي ايران، استفاده از حامل انرژي هسته اي نزديكترين فاصله ممكن را با قيمت تمام شده برق در نيروگاههاي فسيلي خواهد داشت.

2-6) ديدگاه زيست محيطي استفاده از برق هسته اي
افزايش روند روزافزون مصرف سوختهاي فسيلي طي دو دهه اخير و ايجاد انواع آلاينده هاي خطرناك و سمي و انتشار آن در محيط زيست انسان، نگرانيهاي جدي و مهمي براي بشر در حال و آينده به دنبال دارد. بديهي است كه اين روند به دليل اثرات مخرب و مرگبار آن در آينده تداوم چنداني نخواهد داشت. از اينرو به جهت افزايش خطرات و نگرانيها تدريجي در مورد اثرات مخرب انتشار گازهاي گلخانه اي ناشي از كاربرد فرايند انرژيهاي فسيلي، واضح است كه از كاربرد انرژي هسته اي بعنوان يكي از رهيافتهاي زيست  محيطي براي مقابله با افزايش دماي كره زمين و كاهش آلودگي محيط زيست ياد مي شود. همچنانكه آمار نشان مي دهد، در حال حاضر نيروگاههاي هسته اي جهان با ظرفيت نصب شده فعلي توانسته اند سالانه از انتشار 8 درصد از گازهاي دي اكسيد كربن در فضا جلوگيري كنند كه در اين راستا تقريبا مشابه نقش نيروگاههاي آبي عمل كرده اند.

چنانچه ظرفيتهاي در دست بهره برداري فعلي توليد برق نيروگاههاي هسته اي، از طريق نيروگاههاي با خوراك ذغال سنگ تأمين مي شد، سالانه بالغ بر 1800 ميليون تن دي اكسيد كربن، چندين ميليون تن گازهاي خطرناك دي اكسيد گوگرد و نيتروژن، حدود 70 ميليون تن خاكستر و معادل 90 هزار تن فلزات سنگين در فضا و محيط زيست انسان منتشر مي شد كه مضرات آن غيرقابل انكار است. لذا در صورت رفع موانع و مسايل سياسي مربوط به گسترش انرژي هسته اي در جهان بويژه در كشورهاي در حال توسعه و جهان سوم، اين انرژي در دهه هاي آينده نقش مهمي در كاهش آلودگي و انتشار گازهاي گلخانه اي ايفا خواهد نمود.

درحاليكه آلودگيهاي ناشي از نيروگاههاي فسيلي سبب وقوع حوادث و مشكلات بسيار زياد بر محيط زيست و انسانها مي شود، سوخت هسته اي گازهاي سمي و مضر توليد نمي كند و مشكل زباله هاي اتمي نيز تا حد قابل قبولي رفع شده است، چرا كه در مورد مسايل پسمانداري با توجه به كم بودن حجم زباله هاي هسته اي و پيشرفتهاي علوم هسته اي بدست آمده در اين زمينه در دفن نهايي اين زباله ها در صخره هاي عميق زيرزميني با توجه به حفاظت و استتار ايمني كامل، مشكلات موجود تا حدود زيادي از نظر فني حل شده است و طبيعتا در مورد كشور ما نيز تا زمان لازم براي دفع نهايي پسمانهاي هسته اي، مسائل اجتماعي باقيمانده از نظر تكنولوژيكي كاملا مرتفع خواهد شد.

از سوي ديگر بنظر مي رسد كه بيشترين اعتراضات و مخالفتها در زمينه استفاده از انرژي اتمي بخاطر وقوع حوادث و انفجارات در برخي از نيروگاههاي هسته اي نظير حادثه اخير در نيروگاه چرنوبيل مي باشد، اين در حالي است كه براساس مطالعات بعمل آمده احتمال وقوع حوادثي كه منجر به مرگ عده اي زياد بشود نظير تصادف هوايي، شكسته شدن سدها، انفجارات زلزله، طوفان، سقوط سنگهاي آسماني و غيره، بسيار بيشتر از وقايعي است كه نيروگاههاي اتمي مي توانند باعث گردند.

به هر حال در مورد مزاياي نيروگاههاي هسته اي در مقايسه با نيروگاههاي فسيلي صرفنظر از مسايل اقتصادي علاوه بر اندك بودن زباله هاي آن مي توان به تميزتر بودن نيروگاههاي هسته اي و عدم آلايندگي محيط زيست به آلاينده هاي خطرناكي نظير SO2,NO2,CO,CO2 ، پيشرفت تكنولوژي و استفاده هرچه بيشتر از اين علم جديد، افزايش كارايي و كاربرد تكنولوژي هسته اي در ساير زمينه هاي صلح آميز در كنار نيروگاههاي هسته اي اشاره نمود.

در مجموع ارزيابيهاي اقتصادي و مطالعات بعمل آمده در مورد مقايسه هزينه توليد(قيمت تمام شده) برق در نيروگاههاي رايج فسيلي كشور و نيروگاه اتمي نشان مي دهد كه قيمت اين دو نوع منبع انرژي صرفنظر از هزينه هاي اجتماعي، تقريبا نزديك به هم و قابل رقابت با يكديگر هستند. چنانچه قيمت مصرف انرژيهاي فسيلي براي نيروگاههاي كشور برمبناي قيمتهاي متعارف بين المللي منظور شوند و همچنين در شرايطي كه نرخ تسعير هر دلار در كشور 8000 ريال تعيين گردد، هزينه توليد(قيمت تمام شده) هر كيلووات ساعت برق در نيروگاههاي فسيلي و اتمي بشرح زير مي باشد.

 ج - مقايسه هزينه هاي اجتماعي توليد برق در نيروگاههاي فسيلي و اتمي
بر اساس مطالعات به عمل آمده توسط وزارت نيرو در سال 1378 در خصوص تعيين هزينه هاي اجتماعي آلاينده هاي زيست محيطي مصرف سوختهاي فسيلي در چند نيروگاه فسيلي مورد نظر در كشور، نتايج به دست آمده به شرح ذيل مي باشد:

 همچنين در تازه ترين مطالعه اي كه براي تعيين هزينه هاي اجتماعي نيروگاههاي هسته اي در 5 كشور اروپايي بلژيك، آلمان، فرانسه، هلند و انگلستان صورت گرفته است، ميزان هزينه هاي اجتماعي ناشي از نيروگاههاي هسته اي در مقايسه با نيروگاههاي فسيلي بسيار پائين است. در اين مطالعه هزينه هاي خارجي هر كيلووات ساعت برق توليدي در نيروگاههاي هسته اي در حدود
39/0 سنت( معادل 2/31 ريال) برآورده شده است. بنابراين در صورتيكه هزينه هاي اجتماعي توليد برق را در ارزيابيهاي اقتصادي نيروگاههاي فسيلي و هسته اي منظور نمائيم قطعا قيمت تمام شده هر كيلووات ساعت برق در نيروگاه هسته اي نسبت به فسيلي بطور قابل ملاحظه اي كاهش خواهد يافت.

به هر حال نيروگاههاي فسيلي و هسته اي هر كدام داراي مزايا و معايب خاص خود مي باشند و ايجاد هر يك متناسب با مقتضيات زماني و مكاني هر كشور خواهد بود و انتخاب نهايي و تصميم گيري در اين زمينه مي بايست با توجه به فاكتورهايي از قبيل عوامل تكنولوژيكي، ارزشي، سياسي، اقتصادي و زيست محيطي توأما اتخاذ گردد. قدر مسلم ايجاد تنوع در سيستم عرضه و تأمين انرژي از استراتژيهاي بسيار مهم در زمينه توسعه سيستم پايدار انرژي در هر كشور محسوب مي شود. در اين راستا با توجه به بررسيهاي صورت گرفته، شوراي انرژي اتمي كشور مصمم به ايجاد نيروگاههاي اتمي به ظرفيت كل 6000 مگاوات در سيستم عرضه انرژي كشور تا سال 1400 هجري شمسي مي باشد.