تعریف انرژی اتمی

تعریف انرژی اتمی:
انرژی هسته ای در نیمه قرن گذشته و از زمان آغاز به کار اولین نیروگاه هسته ای تجاری جهان در «کالدر هال» (Calder Hall) با نام کنونی سلافیلد (Sellafield) در «کامبریا»ی (Cumbria) انگلیس در سال 1956، تاریخچه ای پر از فراز و نشیب داشته است.

از میان جنجال های فراوان، برخی معتقدند که انرژی هسته ای راهی حیاتی برای مقابله با تغییرات آب و هوایی است. د

ر مقابل، عده ای اصرار دارند که این انرژی مولد آلودگی، خطرناک، غیراقتصادی و غیرضروری است.

در هر صورت، فارغ از سیاست و از دیدگاه علمی، بد نیست اگر بدانیم که انرژی هسته ای چیست و یک نیروگاه هسته ای چگونه کار می کند. در این مطلب با «نیروگاه هسته ای» (Nuclear Power Plant) آشنا می شویم.

تصویر زیر تقابل انرژی هسته ای و انرژی خوشیدی را به خوبی نشان می دهد. صفحات خورشیدی پیشرفته و درخشان در همسایگی نیروگاه هسته ای «رانچو سیکو» (Rancho Seco) دیده می شوند که اکنون از مدار خارج شده است.

آیا تا زمانی که بتوانیم انرژی کل دنیا را از انرژی تجدیدپذیر تأمین کنیم، انرژی هسته ای همچنان برقرار خواهد بود یا استفاده از آن یک دیوانگی پرهزینه است؟

انرژی اتمی چیست؟
تصویر زیر راکتور هسته ای علمی ناسا در ایستگاه «پلام بروک» (Plum Brook) سندوسکی اوهایو را نشان می دهد که قبل از تعطیلی در دهه 1970، برای تولید مواد برنامه فضایی مورد استفاده قرار می گرفت.

اکنون در این ایستگاه تحقیقات فضایی پیشرفته دیگری انجام می شود.

گرچه به وضوح مشخص نیست و شاید کمی عجیب به نظر برسد، اما ساختمان های بلند، انرژی (پتانسیل) را ذخیره می کنند.

باید سخت کار کنید تا آجرها و سایر مصالح ساختمانی را از زمین به موقعیت مناسب در ارتفاع برسانید. تا زمانی که این مصالح در جایی که قرار داده اید باقی بمانند، می توانند این انرژی را تا ابد ذخیره کنند.

اما یک ساختمان بلند و ناپایدار دیر یا زود تخریب می شود و سقوط می کند و وقتی این اتفاق رخ دهد، مواد و مصالحی که ساختمان را تشکیل داده اند، به زمین سقوط می کنند و انرژی ذخیره شده خود را به صورت گرما، صدا و انرژی جنبشی آزاد می کند (حواستان باشد آجرها روی سرتان نیفتند!).

اتم ها (عناصر سازنده ماده) نیز وضعیت تقریباً مشابهی دارند. برخی از اتم های بزرگ بسیار پایدار هستند و تقریباً برای همیشه در این وضعیت باقی می مانند. اما اتم های دیگر به اشکال ناپایدار به نام «ایزوتوپ پرتوزا» (Radioactive Isotopes) یا رادیواکتیو وجود دارند.

این ها معادل اتمی ساختمان های قدیمی و در شرف ریزش هستند و دیر یا زود، متلاشی خواهند شد؛ مانند یک ساختمان بزرگ که به زمین می افتد و انرژی آزاد می کند. وقتی اتم های بزرگ به یک یا چند اتم کوچک تقسیم می شوند، در این فرایند ذرات دیگر و انرژی آزاد می کنند به آن «شکافت هسته ای» یا فیژن (Nuclear Fission) می گویند.

دلیل این امر آن است که قسمت مرکزی اتم یا هسته همان چیزی است که از هم می پاشد و شکافت، کلمه ای برای بیان جدا شدن است.

شکافت هسته ای می تواند خود به خود اتفاق بیفتد که در این صورت آن را «واپاشی پرتوزا» (Radioactive Decay) می نامیم (تبدیل ایزوتوپ های ناپایدار و پرتوزا به اتم های پایدار که پرتوزا نیستند).

شکافت همچنین می تواند به صورت خودخواسته اتفاق بیفتد که همانی است که ما در نیروگاه های هسته ای انجام می دهیم و از اتم انرژی می گیریم. به این نوع شکافت، «واکنش هسته ای» (Nuclear Reaction) می گویند.

اتم چقدر انرژی تولید می کند؟
پاسخ این است: به طرز شگفت آوری زیاد! همان چیزی که آلبرت انیشتین هنگام نوشتن این معادله ساده و مشهور نوشت:

E=mC2

که در آن، Eانرژی، mجرم (اصطلاح علمی اجسام معمولی اطرافمان) وc سرعت نور است. معادله اینشتین بیان می کند که می توان مقدار کمی جرم را به مقدار زیادی انرژی تبدیل کرد.

اما چگونه؟ با نگاهی به ریاضیات فرمول، می بینیم که c مقدار عددی بسیار بزرگ است (300,000,000)، بنابراین c 2 بسیار بزرگ تر است (90,000,000,000,000,000).

این مقدار انرژی برحسب ژول (واحد استاندارد انرژی) به ازای یک کیلوگرم جرم است. از نظر تئوری، اگر بتوانید حدود هفت میلیارد اتم هیدروژن را کاملاً به انرژی تبدیل کنید، تقریباً یک ژول دریافت خواهید کرد (تقریباً به اندازه انرژی مصرفی یک لامپ 10 واتی در یک دهم ثانیه).

البته دقت کنید که این اعداد و ارقام تقریبی هستند. نکته مهمی که باید به آن توجه کنیم این است: از آنجا که میلیاردها اتم در حتی یک ذره کوچک از ماده وجود دارد، باید بتوان انرژی زیادی تولید کرد. این ایده اصلی در مورد انرژی هسته ای است.

در عمل، نیروگاه هسته ای بر مبنای از بین بردن کامل اتم ها کار نمی کند، بلکه، اتم های بسیار بزرگ را به اتم های کوچک تر، محکم تر و پایدارتر تقسیم می کنند.

این امر باعث آزاد شدن انرژی (قابل مهار) در فرایند می شود. طبق قانون پایستگی انرژی، انرژی آزاد شده در واکنش شکافت هسته ای برابر است با جرم کل اتم اصلی (و کل انرژی که آن را نگه می دارد) منهای کل جرم اتم هایی که اتم اصلی به آن ها تقسیم می شود (و تمام انرژی که آن ها را به هم نزدیک نگه می دارد).

شکل زیر تقسیم اتم های بزرگ ناپایدار به اتم های کوچک تر و پایدارتر را نشان می دهد که می توان مقداری از این «انرژی بستگی» (Binding Energy) را آزاد کرد.

انرژی نیروگاه هسته ای از همین جا تأمین می شود. در این شکل، اتم ها از پروتون (قرمز)، نوترون (آبی)، الکترون (سبز) و انرژی پیوند آن ها به هم (زرد) ساخته شده اند.