X
تبلیغات
جشنامه

زباله و بازیافت

اخبار مربوط به زباله و بازیافت
شنبه 24 اسفند‌ماه سال 1387

آب سنگین

اب سنگین- چگونگی تولید و موارد مصرف

روز شنبه با آغاز بهره برداری از پروژه مجتمع تولید آب سنگین اراک، عملا" کشورمان به عنوان نهمین کشور دارنده مجتمع تولید آب سنگین در جهان مطرح شد.

این پروژه با عنوان یکی از شاخصه های دانش هسته ای در مصارف پزشکی به خصوص کنترل سرطان و کنترل بیماری ایدز نقش تعیین کننده ای دارد و به عنوان خنک کننده و کندکننده راکتورهای آب سنگین هسته ای به شمار می آید. این پروژه یکی از بزرگ ترین پروژه های هسته ای کشور است که آژانس بین المللی انرژی اتمی در جریان ساخت آن قرار دارد. آب سنگین در پزشکی هسته ای، راکتورهای تحقیقاتی و راکتورهای آب سنگین تولید انرژی و کاربرد بسیار زیادی دارد. باتوجه به اهمیت آب سنگین در پیشرفت دانش هسته ای و پزشکی، خبرنگار گروه دانش و فناوری خراسان با دکتر حسین آفریده متخصص فیزیک اتمی و عضو هیئت علمی دانشگاه امیرکبیر، دکتر منیژه رهبر عضو هیئت علمی دانشگاه تهران و انجمن فیزیک هسته ای و دکتر نورانی متخصص پزشکی هسته ای گفتگویی انجام داده است که در قالب یک گزارش از نظر شما می گذرد.
آب سنگین چیست
دکتر رهبر: آب سنگین، آبی است که هیدروژن های آن دتریوم یا ایزوتوپ سنگین هیدروژن است. این آب در مقایسه با آب معمولی نقطه جوش و نقطه انجماد بالاتری دارد و ویسکوزیته یا چسبندگی آن بیشتر است. هیدروژن دارای 2 ایزوتوپ پایدار H و D و یک ایزوتوپ ناپایدار و رادیواکتیو T یا تریتیوم است. هسته ایزوتوپ معمولی هیدروژن دارای یک پروتون و هسته ایزوتوپ سنگین دارای یک پروتون و یک نوترون است. این نوترون اضافی، هم سبب کاهش جذب نوترون توسط دتریوم و آب سنگین می شود و هم افزایش جرم آن را به همراه دارد. جرم ملکولی آب معمولی 18 و آب سنگین 20 است. در نتیجه یک لیتر آب سنگین دارای جرمی بیشتر از یک لیتر آب سبک است.
J آب سخت با آب سنگین چه تفاوتی دارد
آب سخت همان آب سبک یا معمولی است که دارای املاح بسیار زیادی می باشد.
ایزوتوپ چیست
دکتر آفریده: هسته اتم یک عنصر از پروتون و نوترون تشکیل شده است، تغییر در تعداد پروتون های هسته، سبب تغییر ماهیت و پدید آمدن عنصر دیگری می شود، به عنوان مثال: هسته اتم نیتروژن 7 پروتون دارد که با از دست دادن یکی از آنها تبدیل به عنصر کربن می شود، اما تغییر در تعداد نوترون ها، سبب ایجاد گونه جدیدی از یک عنصر به نام ایزوتوپ می شود. اغلب عناصر دارای ایزوتوپ هستند، ازجمله: عنصر اورانیوم دارای 4 ایزوتوپ است که فقط 2 ایزوتوپ آن به علت داشتن نیمه عمر نسبتا" بالا در طبیعت به صورت سنگ معدن یافت می شود. اورانیوم 235 و 238 هرکدام دارای 92 پروتون در هسته خود هستند ولی اورانیوم 235، 143 نوترون و اورانیوم238، 146 نوترون دارد.
نیروگاه های اتمی به چند دسته تقسیم می شود¬ درباره نیروگاه آب سنگین توضیح بیشتری بدهید؟
دکتر رهبر: نیروگاه هایی که از انرژی شکافت اورانیوم استفاده می کنند به 2 بخش نیروگاه آب سبک و آب سنگین تقسیم می شوند. نیروگاه آب سبک دارای راکتور آب سبک و نیروگاه آب سنگین دارای راکتور آب سنگین است. سوخت نیروگاه های هسته ای، اورانیوم 238 و 235 است. اگر از اورانیوم 235 به عنوان سوخت هسته ای استفاده شود باید درجه غنای آن از 7/0 درصد (که در طبیعت وجود دارد) به 3 تا 5 درصد برسد تا جرم بحرانی لازم برای شکافت را داشته باشد. درون یک راکتور هسته ای، اورانیوم توسط نوترون ها، بمباران می شود. برخورد نوترون به هسته اتم اورانیوم، سبب شکست آن می شود و در اثر این شکست، انرژی و نوترون های اضافی به وجود می آید. نوترون های اضافی در یک واکنش زنجیره ای شرکت می کنند و باعث شکست دیگر اتم های اورانیوم می شود. اگر این نوترون های اضافی کنترل نشود، ورود آن ها به واکنش های زنجیره ای، سبب تولید انرژی بسیار زیاد و در نتیجه انفجار در راکتور می شود. از شکست هسته هر اتم اورانیوم معادل 200 میلیون الکترون ولت انرژی آزاد می شود؛ بنابراین باید از موادی که جاذب نوترون های اضافی هستند و یا کندکننده ها، استفاده شود. در راکتورهای آب سبک از اورانیوم 235 به عنوان سوخت و از آب سبک یا معمولی به عنوان کندکننده استفاده می شود. در راکتورهای آب سنگین، از اورانیوم معمولی یا 238 به عنوان سوخت و از آب سنگین برای کند کردن واکنش های زنجیره ای، بهره گرفته می شود. اگر در راکتور آب سنگین، از آب معمولی استفاده کنیم تمامی نوترون های حاصل از شکافت، توسط آب جذب و واکنش زنجیره ای متوقف می شود، درحالی که آب سنگین توانایی کمی در جذب نوترون دارد. پس از شکست هسته اورانیوم 235 یا 238، انرژی به صورت گرمایی آزاد و این انرژی توسط مواد خنک کننده و به منظور به حرکت درآوردن توربین به خارج از راکتور منتقل می شود. این مواد خنک کننده می تواند آب معمولی یا آب سنگین باشد که پس از انتقال حرارت به بیرون از راکتور و خنک شدن، مجددا" به راکتور برمی گردد و این فرآیند به صورت پیوسته، برای تولید برق، ادامه پیدا می کند. بنابراین آب سنگین و آب سبک در راکتورها علاوه بر کندکنندگی، نقش خنک کنندگی هم دارند.
آیا پسماندهای حاصل از شکافت در راکتور آب سنگین متفاوت از راکتور آب سبک است؟
دکتر رهبر: مواد و عناصر حاصل از شکافت در 2 نوع راکتور مشابه هم است ولی میزان آن فرق می کند. نوترون های آزاد شده در هنگام شکافت با هسته اورانیوم 238 برخورد می کنند و ایزوتوپ جدید و ناپایداری از اورانیوم را با عنوان اورانیوم 239 به وجود می آورند. اورانیوم 239 در فرآیندی، تبدیل به یک عنصر رادیواکتیو به نام پلوتونیوم 239 می شود. پلوتونیوم، هم به عنوان سوخت در بعضی راکتورها کاربرد دارد و هم می تواند برای ساخت بمب اتمی استفاده شود. در کشوری مثل آمریکا، نیروگاه هایی وجود داشت که هدف آن ها فقط تولید پلوتونیوم بود و از این پلوتونیوم در تولید بمب های نوترونی استفاده می شد. بمبی که بر سر مردم هیروشیما فرود آمد، از این نوع بود. استفاده از اورانیوم طبیعی در راکتورهای آب سنگین، سبب ایجاد میزان بیشتری از پلوتونیوم می شود که این پلوتونیوم می تواند کاربرد نظامی داشته باشد. بنابراین روی این راکتورها حساسیت بیشتری وجود دارد و واردات آب سنگین از دیگر کشورها تحت کنترل سازمان های بین المللی است و به مجوز نیاز دارد اما پروژه تولید آب سنگین در ایران برای استفاده هایی صلح آمیز از این ماده است و تمام برنامه های آن تحت نظارت آژانس است.
آب سنگین چگونه تولید می شود؟
محققان برای اولین بار به طریق الکترولیز به آب سنگین خالص دست یافتند. چون نقطه جوش آب سنگین بالاتر از آب معمولی است، برای تولید آن، از روش تبخیر و تقطیر هم استفاده می شود. در تأسیسات تولید آب سنگین در اراک، طی مراحلی پیچیده از آب معمولی، آب سنگین به دست می آید که درجه خلوص آن 8/99 درصد است. البته باید یادآور شد که مراحل غنی سازی اورانیوم، از پیچیدگی بیشتری برخوردار است چون اختلاف جرم 2 ایزوتوپ اورانیوم بسیار کم است، بنابراین باید برای بالا بردن درجه غنای اورانیوم 235، از سانتریفوژهای متعدد که به صورت آبشاری، پشت سرهم قرار می گیرند، استفاده کرد. ولی تفاوت جرم آب سنگین و آب سبک قابل ملاحظه است و تفاوت در نقاط جوش این 2 نوع آب، امکان جداسازی آب سنگین و خالص سازی آن را تسهیل می کند. از میان هر 6400 تا 7000 ملکول آب معمولی، یک ملکول آب سنگین وجود دارد که برای دستیابی به آن از طرق فیزیکی و شیمیایی درجه خلوص آن را بالا می برند. J در چه کشورهایی از راکتور آب سنگین استفاده می شود¬
دکتر آفریده: در حال حاضر کشورهای زیادی از این نوع راکتور برای تولید برق استفاده می کنند، مانند کانادا، پاکستان و هند ولی تأسیسات تولید آب سنگین تاکنون فقط در 8 کشور وجود داشته است که ما نهمین کشور هستیم. J موارد استفاده از آب سنگین چیست، و تولید آب سنگین چه اهمیتی برای کشور دارد¬ دکتر آفریده: بیشترین استفاده از آب سنگین در راکتورها است که شامل هر 2 راکتور تحقیقاتی و نیروگاهی می شود از آب سنگین برای تولید رادیوایزوتوپ ها در صنعت، کشاورزی و پزشکی استفاده می شود همچنین در رادیوگرافی، نوترون تراپی و نوترون رادیوگرافی از آن بهره برداری می شود. علاوه براین ها، آب سنگین برای تشخیص نشت آب های زیرزمینی یا نشت آب از سدها، کاربرد زیادی دارد. علاوه بر اینها ، دو تریم در تحقیقات فیوران، یا گداخت سرد نقش محوری ایفا می کند. باتوجه به این که کشور ما دارای منابع بزرگی از اورانیوم طبیعی است، با تولید آب سنگین در اراک، می توانیم راکتورهای آب سنگینی بسازیم که برای سوخت خود نیازی به کار دشوار و پرهزینه غنی سازی اورانیوم ندارند. در تأسیسات اراک سالانه 16 تن آب سنگین تولید می شود که نه تنها در تولید برق از نیروگاه های آب سنگین کاربرد، بلکه مصارف زیادی در پزشکی هسته ای دارد. همان طور که ذکر شد از آب سنگین برای تولید رادیوایزوتوپ ها و رادیوداروها استفاده می شود. رادیوایزوتوپ ها در صنعت و کشاورزی کاربرد زیادی دارند. پروژه تولید آب سنگین در اراک به اندازه دستیابی به فرآیند غنی سازی اورانیوم افتخارآفرین است.
به گفته دکتر نورانی متخصص پزشکی هسته ای اساس کار در دانش پزشکی هسته ای استفاده از رادیوایزوتوپ ها و رادیوداروها است و از آب سنگین می توان به عنوان تارگت نوترون برای تولید این مواد استفاده کرد. از پرتوداروها برای تشخیص و درمان بیماری هایی چون سرطان، تومورهای خوش خیم و بدخیم، نارسایی های قلبی و عروقی استفاده می شود. مثلا" در پت اسکن که پیشرفته ترین تکنیک در پزشکی هسته ای است، گلوکز نشان دار یا FDG یا فلوئودین کاربرد بسیار زیادی دارد برای نشان دار کردن گلوکز یا فلوئور از آب سنگین استفاده می شود که به عنوان مثال از FDG برای بررسی متابولیسم گلوکز و تشخیص تومورها در مغز بهره گیری می شود. باتوجه به این که واردات بعضی رادیوایزوتوپ ها و رادیوداروها از کشورهای دیگر با مشکل مواجه است، تولید آب سنگین در کشور موفقیت بزرگی چه در عرصه تولید برق و چه در عرصه پزشکی و صنعت و کشاورزی محسوب می شود

ابراهیم ندرلو