حقایقی که به عنوان یک ایرانی باید در مورد انرژی هسته ای بدانید!

درچند روز گذشته، موضوع هسته ای ایران، نقل اخبار و محافل سیاسی بود و همانطور که میدانید توافق ژنو برای مدت 7 ماه، یعنی تا تیرماه 94 تمدید شد. با توجه به اهمیت این مسئله برای هر ایرانی، تصمیم گرفتم مقاله ای جامع در مورد انرژی هسته ای، هم از دیدگاه علمی و هم از نظر تاریخی بنویسم، چرا که بسیاری از ایرانیان در این باره اطلاعات درست و دقیقی ندارند. در این مقاله، به صورت مستقیم و غیر مستقیم و در مجموع از بیش از 20 منبع داخلی و خارجی، استفاده شده است.

برای یک مطالعه ی مفید و اینکه دید بهتری نسبت به روند مطالعه پیدا کنید، بهتر است بدانید که این مقاله از بخش های زیر تشکیل شده است:

• تاریخچه ی پیدایش انرژی اتمی و بررسی علمی فرآیندهای هسته ای

• مزایا و معایب انرژی هسته ای

• کاربردهای انرژی هسته ای

• برنامه های هسته ای ایران از دیروز تا امروز

احتمالا شما هم مثل من، خواندن مقاله های طولانی و خشک را زیاد دوست ندارید، به همین منظور در این مقاله تا حد ممکن سعی کرده ام ، موضوعات را به صورت تیتروار یا  داستانی بیان کنم، بنابراین امیدوارم کل مقاله را دقیق بخوانید. با گجت نیوز همراه باشید…

 تاریخچه

همه چیز از اتم شروع شد، شاید باور نکنید کوچکترین ذره ی هستی، چنین نقش مهم و بزرگی در دنیای آدم ها بازی کند. برای شروع کار باید به 23 قرن پیش(!!!!) برگردیم و ببینیم سروکله اتم از کجا پیدا شد. زمانی که برای اولین باردموکریت یونانی گفت تمام هستی از ذرات تجزیه ناپذیری به نام اتم ساخته شده اند (خب لابد اینو که همتون از کتابای شیمی مدرسه میدونستین!). اما چنین گفته ی ساده ای چطور به مدل اتمی امروز تبدیل شد؟ این تغییر و تکامل را مدیون انسان های کنجکاو و شجاعی هستیم که بر باورهای غلط زمان خود غلبه کرده و ما را به دنیای تکنولوژی و مدرن قرن 21 رساندند. بعد از دموکریت، نوبت به دالتون انگلیسی رسید که برای نظریه ی تازه متولد شده ی اتم، قواعد و شرایطی را بیان کرد و جان تازه ای به آن بخشید. پس از این الکترون و پروتون کشف شدند و رادرفورد پیشنهاد کرد که اتم باید مثل سیستم منظومه ی شمسی کار کند. یعنی الکترون ها(سیاره ها) به دور هسته(خورشید) می چرخند، در واقع رادرفورد نخستین کسی بود که هسته ی اتم را کشف کرد، اما این نظریه باز هم تناقض هایی داشت، اینبار نیلز بور دانمارکی بود که نظریه ی رادرفورد را به چالش کشیده و مدل اتمی را اصلاح کرد. مدل بور خوب بود ولی فقط برای هیدورژن، و برای اتمهای سنگین تر شکستن خورد!

حالا نوبت تولد جنجالی ترین نظریه ی تاریخ علم، یعنی مکانیک کوانتومی بود. این نظریه چنان عظیم و سنگین بود که تقریباً تمام غول های فیزیک و شیمی قرن 19 از پایه گذاران آن به شمار می آیند. نظریه ی جنجالی دیگری که تنها توسط یک نفر، یعنی اینشتین (که خودش اندازه چند نفر بود!) کشف شد، نسبیت بود. این دو نظریه، واقعیتی بسیار عجیب را آشکار کردند: ماده و انرژی دو روی یک سکه اند! و مشهورترین معادله ی فیزیکی یعنی E=mc² این رابطه را به صورت ریاضی نشان می داد. در این معادله، E انرژی ، m  جرم و c سرعت نوراست که مقدار آن برابر با 300.000.000متر بر ثانیه است (البته مقدار دقیقش 299?792?458).

تا اینجا ما فقط سیر تحول تاریخی مدل اتمی را بررسی کرده ایم، اما طی سال هایی که مدل اتمی در حال کامل شدن بود، سه بار اثرات پرتوزایی(رادیو اکتیویته) مشاهده شد: 1- هانری بکرل که به طور اتفاقی متوجه پرتوزایی سنگ اورانیوم شد 2- ماری کوری که رادیم و پرتوزایی آن کشف کرد 3- رادرفورد که پرتوهای آلفا را مشاهده کرد. بنابراین با قرار دادن این مشاهدات در کنار مدل کوانتومی اتم، مشخص شد این پرتوها مربوط به اتفاقاتی در داخل اتم هستند.

حالا بهتر است با معادله ی نسبیت اینشتین(معادله ی بالا) کمی بازی کرده و یک حساب سرانگشتی با آن انجام دهیم، مثلاً این سوال را مطرح می کنیم: یک جسم 1کیلوگرمی چقدر انرژی دارد؟

ژول  E=1 kg * (300000000)² m/s=90000000000000000

90000000000000000 ژول ؛ فوق العاده است! برای اینکه به اصطلاح حساب کار دستتان بیاید، بهتر است بدانید انرژی حاصل از سوختن یک تن (1000 کیلوگرم) ذغالسنگ، تنها 32000000000 ژول بوده، یا انرژی لازم برای برای فرستادن 1 کیلوگرم جرم به مدار پایینی زمین،32900000ژول است.

اتم ها اگر چه بسیار کوچک اند، اما انرژی عظیمی در آن ها نهفته است. در واقع با شکافت هسته، چنین انرژی عظیمی به دست می آید، چرا که تقریبا تمام جرم یک اتم مربوط به هسته ی آن است(الکترون ها حدود 1837 بار سبک تر از پروتون ها هستند). از اینجا بود که انرژی هسته ای متولد شد و بشر به فکر استفاده از این منبع عظیم انرژی افتاد و به دنبال راهی بود تا این انرژی ر آزاد کند،  تا زمانی که دو دانشمند آلمانی، هسته ی اتم اورانیوم را با نوترون بمباران کردند. حاصل این بمباران دو عنصر رادیواکتیو با جرم اتمی کمتر از اورانیوم بود. با این فروپاشی، انرژی بسیار زیادی، طبق معادله ای اینشتین آزاد میشد و اینجا بود که برای اولین بار مسئله ی بمب اتمی مطرح شد.

قبل از آغاز جنگ جهانی دوم، افکار به این سمت رفت که احتمالا آلمان با وجود نابغه ای مثل ورنر هایزنبرگ (خالق کوانتوم ماتریسی و البته اصل بسیار مهم عدم قطعیت هایزنبرگ) اقدام به ساخت بمب اتمی کند، بنابراین اینشتین به فرانکلین رزولت، رییس جمهور وقت آمریکا، نامه ای نوشت و در آن از امکان ساخت بمب اتم توسط آلمان سخن گفت و از آمریکا خواست برای ساخت بمب اتم پیشی گیرد. بنابراین دولت آمریکا برای پیشدستی بر دولت آلمان، پروژه ی ساخت بمب اتمی،  یعنی پروژه ی منهتن را به کمک انریکو فرمی راه انداخت. وی نخستین کسی بود که توانست برای اولین بار یک واکنش هسته ای را در راکتور خود واقع در دانشگاه شیکاگو، کنترل کند. سرپرست علمی این پروژه، رابرت اوپنهایمر بود که به وی لقب پدر بمب اتمی را داده اند. سه سال پس آغاز پروژه ی منهتن، نخستین بمب اتمی در مکزیکو تست شد و سه هفته بعد در هیروشیما و ناکازاکی، جان هزاران نفر را گرفت.(جالب اینجاست که ساختن بمب اتمی توسط آلمان توهمی بیش نبود و آلمان هیچگاه بمب اتمی نساخت و البته اینشتین بعدها از حامیان حقوق بشر و مخالفان بمب اتمی شد)

نگاهی مختصر به فرآیندهای هسته ای

قبل از بررسی، باید چند مسئله یادآوری شود. اورانیوم دارای دو ایزوتوپ 235 و 238 است. خب حالا ایزوتوپ چیست؟ جواب خیلی ساده ی آن می شود دو عنصری که فقط از نظر جرم باهم تفاوت دارند. (به طور ظریف تر تنها اختلاف آنها در تعداد نوترون های هسته است). مثلاً همین آب سنگین که در بحث هسته ای مطرح است، به این معناست که ملکول آب به جای هیدورژن معمولی، از همتای سنگین ترش به نام دوتریم تشکیل شده است. عناصری که ایزوتوپ یکدیگر هستند(مثل همین هیدروژن و دوتریم یا اورانیوم 235 و 238) خواص شیمیایی یکسانی دارند، اما خواص فیزیکی یکسانی نخواهند داشت! چرا که خواص شیمیایی در واقع بستگی به ماهیت درونی ماده بستگی دارد، اما خواص فیزیکی به ویژگی های فیزیکی مثل جرم، وابسته اند.

در فرآیند شکافت هسته ای اورانیوم 235 به اورانیوم 238 ترجیح داده می شود، به دلایل زیر:

• هسته ی آن راحت تر شکافته می شود

• پس از شکافت هسته، دو یا سه نوترون هم آزاد می شوند که می توانند با اتم های جدید اورانیوم برخورد کرده و این فرآیند را تکرار کنند، پس با یک پروسه ی زنجیره ای و بنابراین بسیار پربازده تر روبرو هستیم.

اما در این میان مشکلی وجود دارد و آن ناپایداری (نیمه عمر کوتاه) اورانیوم 235 است که باعث می شود این ایزوتوپ، به سرعت فروپاشیده شود و به همین خاطر در طبیعت به مقدار کمی موجود است، یعنی تنها 0.7 % اورانیوم های موجود در طبیعت، 235 هستند و بقیه از نوع سنگین 238 هستند. پس باید آن را خالص و غنی کنیم.

راکتور هسته ای در واقع، دستگاهی است که فرآیند شکافت هسته ای در آن، به صورت کنترل شده انجام می گیرد. سوخت راکتورهای هسته ای، اورانیوم است. اما این اورانیوم به صورت خام قابل استفاده نبوده و باید تغییراتی در آن انجام شود. مراحل این تغییر عبارتند از:

فرآوری: پس از اینکه اورانیوم استخراج شد، آن را آسیاب می کنند تا پودر نرمی به دست آید. این پودر طی یک پروسه ی شیمیایی (شستشو با سولفوریک اسید) و خشک کردن، به ماده جامد زرد رنگی به نام کیک زرد (بافرمولU₃O₈ ) تبدیل می شود. پس از آن، کیک زرد به اورانیوم هگزافلورید (UF₆) تبدیل می شود که برای مرحله ی غنی سازی استفاده می شود.

 غنی سازی: همانطور که از نام این فرآیند برمی آید، هدف، خالص سازی اورانیوم 235 است. اورانیوم 235 راکتورهای هسته ای باید از درصد خلوص 0.7 به 2تا3 درصد برسد(درصد خلوص اورانیوم بمب اتمی باید بیش از 90 درصد باشد!). حالا چه طور این دو نوع اورانیوم را از هم جدا کنیم؟ اگر یادتان باشد گفتیم خواص شیمیایی دو ایزوتوپ یکسان است، پس باید به سراغ خواص فیزیکی برویم، راه حل، استفاده از سانتریفیوژ است، بچه هایی که مثل من رشته ی شیمی هستند، حتما در آزمایشگاه با سانتریفیوژ کارکرده اند. کلمه ی لاتین سانتریفیوژ به معنای تفکیک کردن است و طرز کار کلی آن این است که یک محفظه با سرعت زیادی حول محور خور می چرخد، بنابراین زمانیکه هگزافلورید به داخل این محفظه تزریق می شود، نیروی گریز از مرکز باعث تمرکز ملکول های حاوی اورانیوم سبکتر 235 در مرکز محفظه و ملکول های حاوی اورنیوم سنگین تر 238، در قسمت دورتر از مرکز محفظه می شود. اورانیوم 235 جدا شده، دوباره در سانتریفیوژ دیگری تفکیک می شود و این عمل آنقدر تکرار می شود تا اورانیوم 235 به خلوص لازم برسد.

 موارد کاربرد

• نیروگاه هسته ای: استفاده از انرژی حاصل از واکنش های راکتور برای تولید برق

• سلاح هسته ای: بمب اتمی، هیدروژنی، نوترونی

• کاربردهای پزشکی: توسعه ی روش های تصویربرداری، ساخت رادیو داروها و پرتودرمانی

• کاربردهای صنعتی و تجاری و کشاورزی

مزایا و معایب انرژی هسته ای

مزایا

• تولید گازهای گلخانه ای کمتر

• قدرتمند و کارآمد

• قابل اعتماد

• الکتریسیته ی ارزان

• هزینه ی پایین سوخت

• حمل ونقل آسان

معایب

• تولید زباله های رادیواکتیو

• تابش های هسته ای

• هزینه ی بالای راه اندازی نیروگاه ها

• تاثیر مخرب بر زندگی آبزیان

تاریخ نگار برنامه های هسته ای ایران

برای مرور راحت تر و به دور از هرگونه پیچیدگی، این تاریخچه را به صورت تیتروار بیان کرده ام.

 

سال 1329- آغاز برنامه ی هسته ای ایران

سال 1337- عضویت در آژانس بین المللی انرژی اتمی

سال 1346- خرید اولین راکتور تحقیقاتی از آمریکا و نصب در دانشگاه تهران

سال 1347- امضای پیمان عدم تکثیر سلاح هسته ای (N.P.T)

سال 1353- تاسیس سازمان انرژی اتمی ایران به ریاست دکتر اکبر اعتماد و امضای قرارداد اتمی بوشهر با آلمان

سال 1357- فرار شاه و لغو قرارداد ساخت نیروگاه بوشهر توسط بخیتار(نخست وزیر وقت)- پیروزی انقلاب

سال 1377- قرارداد تکمیل و راه اندازی واحد یک نیروگاه اتمی بوشهر به صورت مشارکتی بین ایران و روسیه

سال 1382- تهیه ی سوخت هسته ای توسط متخصصین ایرانی

سال 1382- تعلیق برنامه ی هسته ای

سال 1383- توافق نامه پاریس

دی ماه سال 1385- فک پلمپ تجهیزات هسته ای وغنی سازی اورانیوم به میزان 5/3 درصد

فروردین ماه سال 1386- تولید چرخه ی کامل سوخت هسته ای در مقیاس آزمایشگاهی و عضویت ایران در باشگاه اتمی

تیرماه سال 1386- قطعنامه 1696

دی ماه سال 1386- قطعنامه 1737

فروردین ماه سال 1386- قطعنامه 1747

فروردین ماه سال 1387- قطعنامه 1803

مهرماه سال 1388- قطعنامه 1835

تیرماه سال 1389- قطعنامه 1929

تیرماه سال 1387- مذاکرات ژنو1

مهرماه سال 1388- مذاکرات ژنو2

آذرماه سال 1389- مذاکرات ژنو3

بهمن ماه سال 1389- مذاکرات استانبول 1

فروردین ماه سال 1391- مذاکرات استانبول 2

خرداد ماه سال 1391- مذاکرات بغداد

خرداد ماه سال 1391- مذاکرات مسکو

اسفند ماه سال 1391- مذاکرات آلماآتی 1

فروردین ماه سال 1392- مذاکرات آلماآتی 2

شهریور ماه سال 1392- مذارکرات نیویورک(نخستین مذاکرات پس رییس جمهوری حسن روحانی)

مهر ماه سال 1392- مذاکرات ژنو 4

آبان ماه سال 1392- مذاکرات ژنو 5 (نقطه ی عطف مذاکرات هسته ای ایران در 10 سال اخیر)

آذر ماه سال 1392- مذاکرات ژنو 6 ( توافق ایران با 5+1 موسوم به توافق ژنو)

مردادماه سال 1393- افزایش مهلت مذاکرات

آذرماه سال 1393- مذاکرات وین- تمدید توافق ژنو تا تیرماه سال 94

مذاکرات هسته ای ایران، در دوره ی ریاست جمهوری سه رییس جمهور انجام شده است.

دوره ریاست جمهوری سید محمد خاتمی- سرپرست تیم مذاکره کننده: علی لاریجانی- کمال خرازی- حسن روحانی

دوره ریاست جمهوری محمود احمدی نژاد- سرپرست تیم مذاکره کننده: سعید جلیلی

دوره ریاست جمهوری حسن روحانی- سرپرست تیم مذاکره کننده: محمدجواد ظریف