مفاهیم دزیمتری

مفاهیم دزیمتری

میدان تابش
1- مقدمه :
کمیتهای مورد استفاده برای اندازه گیری تابشهای یونیزان اغلب بر مبنای آثار بیولوژیکی ، فیزیکی و یا شیمیایی پرتو قرار دارند . این آثار تنها در اثر انتقال انرژی از پرتو به محیط تحت تابش و چگونگی توزیع آن در ماده بستگی دارد . به عبارت دیگر آثار حاصل از انتقال مقدار معینی انرژی در یک جرم کوچک و یا توزیع همگن آن در یک جرم بزرگ ، یکسان نمی باشد . بنابراین یک کمیت دوزیمتری برای کاربردهای مختلف می بایستی به صورت انرژی منتقل شده در واحد جرم ، از ماده تعریف شود . البته چنین کمیتی به صورت دقیقتر و با نام « دوز جذب »  معرفی می شود .
کمیت های دوزیمتری از تاثیر برخی ویژگیهای میدان تابش بر محیط مادی به دست می آیند ، بنابراین قبل از مطالعه این کمیت ها می بایستی ویژگی های میدان تابش و ضرائب برخورد آنها با محیطهای مادی بررسی گردد .
2- کمیتهای میدان تابش
هر منبع پرتو یونیزان مانند لامپ پرتو x ، شتاب دهنده الکترون و یا مواد پرتوزا در اطراف خود یک میدان تابش ایجاد می نمایند . اطلاع بیشتر از چگونگی توزیع ذرات یونیزان از نظر انرژی ، امتداد و نیز تغییرات آن نسبت به زمان ، تعریف دقیقتری از این میدان تابش را در اختیار می گذارد .
کمیته بین المللی واحدهای پرتو و اندازه گیری International Commision on Radiological Units and measurements ( ICRU 1980 ) در داخل میدان تابش ، کمیت شار ذرات را با رابطه زیر تعریف نموده است :
 
dN تعداد ذرات تابشی برروی کره ای با سطح مقطع dA می باشد. با استفاده از کره ای با سطح مقطع dA به جای سطح مقطع به تنهایی ، نیازی به تعیین جهت برای سطح مقطع نبوده و این تعریف شار می تواند برای ذرات تابشی در یک و یا چند امتداد به کار رود . باید دقت شود که تعریف شار بر حسب جزء کره به صورت فوق ، با مقادیر نظیری که بر حسب جزء سطح با جهت مشخصی تعریف شده و شار صفحه ای ( Plannar fluence ) نامیده می شود ، اشتباه نشود . در تعریف اخیر ذرات تابشی به یک صفحه مثبت و برای طرف دیگر آن منفی خواهد بود . به عبارت دیگر شار صفحه ای برای تابشهای ازهمه سو یکسان ( isotropic) صفر است) 1979Carlsson  (.
واحد SI برای شار ذرات-2 m می باشد . آهنگ شار φ کمیت دیگری است که با رابطه زیر تعریف می شود :
 
Φd تغییرات شار در فاصله زمانی dt است . واحد SI برای آهنگ شارs-1 m -2 می باشد . معمولاً از علامت یک کمیت برای نشان دادن آهنگ تغیرات آن استفاده نمی شود ، ولی اغلب ، آهنگ شار را ویژگی اصلی تر میدان تابش نسبت به شار ذرات می دانند . این موضوع برای آهنگ شار انرژی نیز صدق می کند .
چنانچه انرژی حمل شده توسط ذرات ، به جای خود آنها مورد توجه قرار گیرد ، در این صورت شار انرژی با رابطه زیر تعریف میشود :
 
dE انرژی تابشی برروی کره ای با سطح مقطع dA بوده و برای یک تابش تک انرژی برابر با حاصلضرب تعداد ذرات تابشی dN ، در انرژی حمل شده توسط هر یک می باشد . واحد ، SI برای شار انرژی Jm-2  است . در واقع انرژی تابشی E، انرژی ذرات بودن در نظر گرفتن انرژی در حال سکون آنهاست . آهنگ شار انرژی نیز با رابطه زیر تعریف می شود :
 
ψd تغییرات شار انرژی در فاصله زمانی dt است . واحد SI برای آهنگ شار انرژی Wm-2  است . در ICRU 1980 چندین کمیت دیگر میدان تابش تعریف شده است ، ولی با استفاده از کمیت های فوق الذکر می توان کمیتهای دوزیمتری را به دست آورد .
توزیع کمیتهای میدان
ویژگیهای یک میدان تابش با مشخص شدن توزیع شار ، یا شار انرژی ، بر حسب امتداد و انرژی کاملتر بیان می شود . با معلوم بودن موقعیت منبع اولیه تابش و مشخص نمودن امتداد تابشهای ثانویه ناشی از برخورد پرتو اولیه با ماده که با توجه به جزئیات نظری فرآیند برخورد به دست می آید ، می توان اطلاعات کافی از توزیع این کمیت ها در امتدادهای مختلف را به دست آورد .
با استفاده از یک آشکار ساز موازی شده ( collimated detector ) که قادر است صرفاً پرتو را از زاویه فضایی محدودی دریافت کند ، می توان چگونگی توزیع پرتو در فضا ( توزیع ذرات در امتدادهای مختلف ) را نیز اندازه گیری نمود. برای نشان دادن توزیع این کمیت ها در امتدادهای مختلف اغلب از سیستم مختصات کروی استفاده می شود .
توزیع شار یا شار انرژی بر حسب انرژی بسیار با اهمیت تر است . پاسخ آشکارساز به شار ذرات معین ، اغلب تابعی از توزیع انرژی آنها می باشد . بنابراین برای تعیین توزیع شار بر حسب انرژی می بایستی تلاش زیادی از طریق اندازه گیری و یا محاسبه انجام گیرد . معمولاً از توزیع دیفرانسیلی شار بر حسب انرژی به نام EФ ، به طوری که EdEФ شار ذرات با انرژی های بین E و E+dE است ، استفاده می شود . در این صورت شار کل از رابطه زیر به دست می آید :
 
این مقدار به سطح زیر منحنی مربوط می شود .
انرژی متوسط یا موثر
انرژی متوسط E ذرات می تواند با استفاده از توزیع دیفراسیلی شار ذرات توسط رابطه زیر محاسبه شود :
 
اگرهر ذره مشارکت کننده در شار کل ، در انرژی خود ضرب شود ، توزیع دیفرانسیلی شار انرژی بر حسب انرژی Eψ به دست می آید .
همچنین انرژی متوسط ذرات با استفاده از توزیع دیفرانسیلی شار انرژی می تواند از رابطه زیر به دست می آید :
 
از آنجا که معمولاً   روابط فوق منجر به مقادیر متفاوتی برای E می شوند . به هنگام اظهار نظر درباره انرژی متوسط هر تابشی باید تصریح شود که از توزیع دیفرانسیلی کدام کمیت برای محاسبه آن استفاده شده است .
موضوع می تواند از این هم مشکل تر باشد . مثلاً برای فوتونها کمیتهای دیگری مانند دوز جذب در مواد مختلف ، یا اکسپوژر معرفی می شود که می تواند اندازه گیری شود . این کمیت ها از حاصلضرب شار انرژی در برخی ضرائب برخورد ، که خود تابع انرژی می باشند به دست می آید . با استفاده از این کمیت ها در صورت به کارگیری معادلات فوق برای انرژی متوسط مقادیر متفاوتی به دست می آید . بنابراین هنگام اطلاق انرژی متوسط و یا موثر به یک پرتو می بایستی دقت نمود و منشأ مقدار متوسط و یا دلایلی که سبب موثر بودن می گردد ، بیان می شود.
در شکل 1-2 توزیع دیفرانسیلی شار ، شار انرژی و اکسپوژر بر حسب انرژی را برای یک باریکه فوتونی معینی نظیر باریکه معمول پرتو تشخیصی که در KV70 با mm2 صافی آلومینیوم تولید شده ، نشان داده شده است . ملاحظه می شود که توزیعهای بیناب گونه این سه کمیت تفاوت قابل توجهی دارند و منجر به مقادیر متوسط متفاوتی برای انرژی فوتونها می شود . به علاوه ضخامت یک جاذب که باریکه فوتون را به نصف مقدار اولیه کاهش دهد ، ضخامت نیمه جذب ( HVT ) یا لایه نیمه جذب ( HVL ) ، نیز به کمیتی بستگی دارد که آشکارساز اندازه گیری می نماید .
شکل 3-6 مثال دیگری است که در آن تفاوت قابل توجهی در توزیع دیفرانسیلی شار و شار انرژی ذرات نوترون Cf 252   را بر حسب انرژی نشان می دهد .
اگر پاسخ آشکارساز در بازه انرژی های مورد اندازه گیری برای کمیت خاصی تغییر نکرده و یا تغییرات ناچیزی داشته باشد ، مشکلات اندازه گیری پرتو به صورت قابل توجهی ساده می شود و اطلاع از جزئیات مربوط به توزیع طیف پرتو ضروری نمی باشد .
از آنجا که در بحث دوزیمتری اصولاً موضوع اندازه گیری مقدار انرژی منتقل شده از پرتو به محیط بررسی می گردد ، آشنایی کامل با آثار متقابل پرتو با ماده ، ضروری است .

 

تاریخچه MRI

تاریخچه MRI

سقراط برای نخستین بار در 3000 سال پیش از میلاد مسیح مفهوم اتم به معنی  « برش نیافته » را به کار برد.

یونانی ها اولین کسانی بودند که از جذب یا دفع اجسام به وسیله نیروهایی نامرئی که ما امروزه آنها را الکتریسیته ساکن می نامیم به شگفت می آمدند. آنها ابتدا متوجه شدند که اگر یک تکه کهربا به پوست خزه مالیده شود می تواند ذرات یا اشیاء بخصوصی را جذب نماید. واژه کهربا ( Amber ) نیز ترجمه الکترون می باشد.
در شهر ماگنزیا در آسیای صغیر ( ترکیه )،‌ نیز مردم متوجه شدند که اگر برخی از سنگها بر روی محور خود قرار بگیرند بالافاصله به حالت اولیه خود تغییر جهت می دهند.  آنها از این ساختمانهای مغناطیسی که امروزه به نام لوداستون (Lodestones) معروف است در امر دریانوردی، مراسم مذهبی و اهداف جادویی استفاده می کردند. واژه مغناطیس نیز از نام همین شهر ماگنزیا گرفته شده است.
اصول ریاضی MRA که امروزه برای ترجمه سیگنالهای MR به موقعیتهای فضایی ( location spatial ) بکار می رود اولین بار توسط فوریه در 200 سال قبل مطرح گردید. فوریه که فرد بسیار باهوشی بود زمانی این روند ریاضی بسیار پیچیده را معرفی کرد که در خدمت امپراطوری ناپلئون بود. نیاکان ما در قبل از میلاد مسیح اولین افرادی بودند که ارتباط بین الکتریسیته ( جریان الکترونیکی ) و مغناطیس را به صورت تئوری بیان نمودند. البته این ارتباط تا 2000 سال بعد به صورت نهفته باقی ماند تا اینکه در سال 1819، هانس کریستین اورستد به طور تصادفی متوجه شد که عقربه قطب نما در کنار یک بارالکتریکی منحرف می شود و نتیجه گرفت که الکتریسیته می تواند میدان مغناطیسی به وجود آورد.
دوازده سال بعد مایکل فاراده ثابت نمود که عکس این قضیه هم صادق است،‌ یعنی مغناطیس هم می تواند الکتریسیته الکتریسیته را به وجود آورد. این مسئله باعث تبیین قانون القای مغناطیسی فاراده شد. این قانون نه تنها اساس سیگنالهای MR را تشکیل می دهد بلکه به عنوان پیش زمینه ای برای رشته نوین الکترومغناطیس نیز طرح گشت.
فاراده متوجه شد که اگر میدان مغناطیسی را از میان یک سیم پیچ الکتریکی و با زاویه 90 درجه عبوردهیم می توان ولتاژ و شدت جریانی را در سیم پیچ القاء کرد . او همچنین اظهار داشت که در صورتی می توان القای مغناطیسی را به طور پیوسته ایجاد کرد که میدان مغناطیسی ( یا شدت جریان ) قطع و وصل شده یا به صورت پالسی درآید. به همین دلیل بسیاری از افراد، مایکل فاراده را به عنوان پدر علم الکتریسیته می شناسند.
در دهه 1860 جیمز کلرک ماکسول (Jamesclark Maxwel ) اسکاتلندی متوجه این نکته شد که خطوط نیروهای مغناطیسی را می توان به صورت ریاضی بیان نمود. برخی از معادلات ماکسول ثابت می کند که میدانهای مغناطیسی و الکتریکی با یکدیگر زاویه 90 درجه می سازند. او همچنین نشان داد که میدان مغناطیسی القا شده به صورت فنری (Spiral) و عمود در خلاف جهت جریان الکترونی که آنرا می سازد حرکت می کند و سرعت آن در خلا نیز برابر سعرت نور یعنی m/s 8 10 * 3 می باشد.
ماکسول همچنین سرعت و جهت امواج الکترومغناطیس را محاسبه و علاوه بر امواج ماوراء بنفش و مادون قرمز وجود سایر امواج را نیز پیشگویی کرد. هشت سال بعد هانریش هرتز ( Hanrish Hertz) آلمانی به وجود امواج نامرئی الکترومغناطیسی پی برد و اذعان نمود که تمام امواج مذکور را می توان بر اساس مقدار فرکانسشان مشخص نمود. از آن پس، طیف امواج الکترومغناطیس و طبقه بندی انرژی امواج بر اساس خصوصیتشان مورد توجه قرار گرفت.
تمام این حوادث وضعیت را برای آقای ویلهم کنراد رونتگن                                     ( Wilhelmkonrad Rontgen ) فراهم آورده بودند تا او اشعه ایکس را کشف کند. این اشعه جزو امواج الکترومغناطیس و با فرکانس بالا می باشد. بعد از او در سال 1986 نیز فردریک ژولیه ( Fredric Joliot ) و ماری کوری (Mari Curic) اشعه گاما را کشف کردند. با کشف آنها این مسئله روشن شد که انرژی امواج با فرکانس بالا را می توان تشخیص و اندازه گیری نمود. همچنین آسیبهای بیولوژیکی این تشعشعات نیز به اثبات رسید.
با شروع قرن بیستم، عصر اتم نیز آغاز شد. فیزیکدانها و دانشمندان زیادی، قسمتی از روشهای NMR و MRI را پی ریزی کردند که از مهمترین آنها می توان به شخصیتهای زیر اشاره نمود:
1905 آلبرت انیشتین : اصل بقای انرژی E=mc2  که مبین یکسان بودن جرم و انرژی است.
1911 ارنست راترفورد: هسته اتم را مشخص نمود.
1911 جی.جی تامپسون : وجود الکترون را اثبات نمود.
1913 نیلز بور : خواص و شکلهای هندسی الکترون را تعریف کرد و پنجره ای را بر روی فیزیک کوانتوم گشود. او اتم را به منظومه شمسی تشبیه نمود.
اتواسترن: روشی را برای اندازه گیری دو قطبی های مغناطیسی ابداع کرد.
ولفانگ پاولی: اصطلاح تشدید مغناطیسی هسته ای را متداول نمود.
ایرودور اسحاق رابی: اولین آزمایش تشدید مغناطیسی هسته ای را انجام داد.

جنگ جهانی دوم
آلبرت انیشتین که در آن زمان فیزیکدان مشهوری نبود، معادل بودن انرژی و ماده را مطرح و ثابت می کند که این دو، تظاهرات مختلفی از یک چیز می باشند. » تئوری نسبیت » مشهور او یکسان بودن جرم و انرژی را معرفی نمود. البته تئوری نسبیت انشتین برای سالها مسکوت باقی ماند. زیرا اولاً دستگاه ها و وسایل مجهزی برای اثبات آن وجود نداشت و ثانیاً دیدگاه های تئوریک و علوم آن زمان برای اثبات یا نفی آن کافی نبود. یکی از دستاوردهای فرمول انشتین ( E=mc2) که باعث شد تا عصر انرژی تمام ابعاد تأسف باری به خود بگیرد. هنگامی بود که انشتین در سال 1932 نامه ای را به رئیس جمهور وقت           « رزولت» نوشت و او را از قدرت خارق العاده اتم آگاه کرد. به این ترتیب روزولت نیز متقاعد می شود که مقدار اورانیومی به اندازه یک توپ گلف می تواند مقدار انرژی معادل چند میلیون پوند ذغال سنگ داشته باشد و به همین دلیل، کمیته پروژه منهاتن (Manhatan) را برای انجام تحقیقاتی جهت ساخت بمب اتم پایه گذاری می کند. پنج سال بعد یعنی در ششم آگوست 1945 بمب اتم که حاصل آن تحقیقات بود بر روی شهر هیروشیمای ژاپن فرود آمد.
پس از جنگ جهانی دوم
برخی از پیشرفتهای تکنولوژی که در جنگ جهانی دوم اتفاق افتاد به عنوان پیش زمینه هایی برای تصویربرداری از انسان مورد استفاده قرار گرفت. به عنوان مثال از امواج صوتی که برای پیدا کردن زیر دریایی های غرق شده استفاده می شد در سونوگرافی و از انرژی اتمی در تصویربرداری پزشکی هسته ای استفاده گردید.
در سال 1946 دو فیزیکدان آمریکایی به نام فلیکس بلوچ (Flexi Bloch) و ادوارد پارسل (Adward Purcell) که به طور جداگانه بر روی اتمها کار می کردند متوجه شدند که اگر لوله آزمایشی را که محتوی ماده ای خالص می باشد با امواج مغناطیسی انرژی دار کرده و مورد بمباران امواج RF   قرار دهند، اتمها تهییج شده و سپس با طیفی که متناسب با اتمها مورد آزمایش است شروع به پاسخ دادن می کنند.
آنها این سیگنالها را آشکار کرده و بر اساس مقدار فرکانسشان که به صورت تصاویر اسپکتروسکپی ثبت نمودند به این ترتیب بنیان تشدید مغناطیسی هسته ای که مقدمه ای بر MRI بود گذاشته شد.
این کشف در ابتدا کاربردهای صنعتی داشت. امروزه می توان فرکانس اجزای مولکولی یک ماده ساده را مورد تجزیه و تحلیل قرار داد. ( سرانجام بلوچ و پارسل موفق به اخذ جایزه نوبل سال 1952 شدند).
در مدت 25 سال پس از این کشف ، بیش از هزار دستگاه NMR ساخته و هزاران متخصص اسپکتروسکپی روانه عرصه بین المللی شدند و بدین ترتیب اسپکتروسکپی پیشرفت کرد. محققین ، انواع و اقسام آزمایشها و تجزیه و تحلیلهای NMR را به صورت In vitro انجام دادند. اما بکارگیری آن برای تصویربرداری از بدن انسان از لحاظ آنها نه تنها غیر ممکن بلکه امری بسیار احمقانه بود.

دکتر ریموند دامادین (Raymond Damadian)
در سال 1970 پزشک و فیزیک دان آمریکایی به نام دکتر ریموند نامادین که فردی بسیار فهیم و آینده نگر بود تصمیم گرفت اسکنری را برای تصویربرداری از بدن انسان بسازد. و همین مسئله ، نقطه عطفی را در دنیای تصویربرداری به وجود آورد. او در آزمایشهای خود،‌ سلولهای بدخیم را از طریق جراحی وارد بدن موشها نمود و سپس آنها را مورد آزمون NMR قرار داد. دامادین متوجه شد که بافت توموری موشها به تحریک مغناطیسی پاسخ می دهد و اگر موشها را با یک پالس تشدید کننده بمباران کند هنگامی که گشتاور دو قطبی های مغناطیسی به حالت تعادل و آرامش می رسند هر یک از بافتهای سالم و توموری یک نوع سیگنال خاص خود را منتشر می کنند.
این سیگنالها بر حسب اینکه مربوط به بافتهای سالم یا ناسالم باشند می توانند کنتراست خاصی را بر روی تصویر ایجاد کنند. همین مسئله باعث شد تا فکر ساخت دستگاه تصویربرداری به مغز وی خطور کند. البته سالها قبل از دامادین،‌ فلیکس بلوچ، اصطلاحات T1، 2 T را برای نشان دادن مقدار زمانهای استراحت بکار برده بود.
دکتر دامادین در اوایل دهه 1970 متوجه شد که ساختمان آب در تصویربرداری MRI عنصری بسیار حیاتی است. زیرا هر مولکول آب در واقع یک دو قطبی بسیار قوی است ( قطب شمال و جنوب ) علت آن است که الکترونهای مدار هیدروژن زمان بیشتری را در مدارهای اطراف اتم اکسیژن می گذارنند این وضعیت باعث ایجاد یک منبع قوی برای تولید سیگنالهای MR می شود. دامادین ثابت کرد سیگنالهای فوق را می توان به صورت تصویری مخصوص، آشکار کرد و ثبت نمود.
دامادین به ارزش تشخیصی این اشعه مغناطیسی القا شده پی برد. او و همکارانش جهت تصویربرداری کل بدن انسان ( Whole body ) مدت 7 سال را برای طراحی و ساخت اولین اسکنر MRI صرف کردند. پس از فراز و نشیبهای فراوان بالاخره درروز سوم ژولای 1977 اولین تصویر دانسیته پروتون (Poroton density) از بدن انسان تهیه شد.
تصویربرداری فوق که به صورت اگزیال بود به مدت 4 ساعت و 45 دقیقه طول کشید. در این آزمون بیمار بایستی در هنگام تصویربرداری از لحاظ فیزیکی 106 مرتبه بر روی یک تخت حرکت داده می شد تا تهییج فضایی (Spatital excitation ) صورت می گرفت. طبقه گفته خود دکتر دامادین، چیزی که او را در این مدت 7 سال یاری می داد تنها قدرت و ایمان مذهبی درونیش بود.
دکتر دامادین نام اولین اسکنر خود را سرکش ( Indomitable ) گذاشت که در واقع نشان دهنده عزم، بی باکی و خستگی ناپذیری او در ساخت دستگاه مذکور بود. این دستگاه اکنون در مرکز تکنولوژی اسمیتسون واشنگتن (Smithson institute of technology ) قرار دارد.
دکتر پل لاتربور

انرژی هسته ای از معدن تا نیروگاه

انرژی هسته ای از معدن تا نیروگاه

استفاده از انرژی هسته‌ای برای تولید برق روشی پیچیده اما كارامد برای تامین انرژی مورد نیاز بشر است. به طور كلی برای بهره‌برداری از انرژی هسته‌ای در نیروگاه‌های هسته‌ای، از عنصر اورانیوم غنی شده به عنوان سوخت در راكتورهای هسته‌ای استفاده می‌شود كه ماحصل عملكرد نیروگاه، انرژی الكتریسته است. عنصر اورانیوم كه از معادن استخراج می‌شود به صورت طبیعی در راكتورهای نیروگاه‌ها قابل استفاده نیست و به همین منظور باید آن را به روشهای مختلف به شرایط ایده عال برای قرار گرفتن درون راكتور آماده كرد. اورانیوم یكی از عناصر شیمیایی جدول تناوبی است كه نماد آن ‪ Uو عدد اتمی آن ‪ ۹۲است. این عنصر دارای دمای ذوب هزار و ‪ ۴۵۰درجه سانتیگراد بوده و به رنگ سفید مایل به نقره‌ای، سنگین، فلزی و رادیواكتیو است و به رغم تصور عام، فراوانی آن در طبیعت حتی از عناصری از قبیل جیوه، طلا و نقره نیز بیشتر است.

عنصر اورانیوم در طبیعت دارای ایزوتوپهای مختلف از جمله دو ایزوتوپ مهم و پایدار اورانیوم ‪ ۲۳۵و اورانیوم ‪ ۲۳۸است. برای درك مفهوم ایزوتوپهای مختلف از هر عنصر باید بدانیم كه اتم تمامی عناصر از سه ذره اصلی پروتون، الكترون و نوترون ساخته می‌شوند كه در تمامی ایزوتوپهای مختلف یك عنصر، تعداد پروتونهای هسته اتمها با هم برابر است و تفاوتی كه سبب بوجود آمدن ایزوتوپهای مختلف از یك عنصر می‌شود، اختلاف تعداد نوترونهای موجود در هسته اتم است.  به طور مثال تمامی ایزوتوپهای عنصر اورانیوم در هسته خود دارای ‪۹۲ پروتون هستند اما ایزوتوپ اورانیوم ‪ ۲۳۸در هسته خود دارای ‪ ۱۴۶نوترون (‪ (۹۲+۱۴۶=۲۳۸و ایزوتوپ اورانیوم ‪ ۲۳۵دارای ‪ ۱۴۳نوترون(‪ (۹۲+۱۴۳=۲۳۵در هسته خود است.

اورانیوم ‪ ۲۳۵مهمترین ماده مورد نیاز راكتورهای هسته‌ای(برای شكافته شدن و تولید انرژی) است اما مشكل كار اینجاست كه اورانیوم استخراج شده از معدن تركیبی از ایزوتوپهای ‪ ۲۳۸و ‪ ۲۳۵بوده كه در این میان سهم ایزوتوپ ‪ ۲۳۵بسیار اندك(حدود ‪ ۰/۷درصد) است و به همین علت باید برای تهیه سوخت راكتورهای هسته‌ای به روشهای مختلف درصد اوانیوم ‪ ۲۳۵را در مقایسه با اورانیوم ‪ ۲۳۸بالا برده و بسته به نوع راكتور هسته‌ای به ‪ ۲تا ‪ ۵درصد رساند و به اصطلاح اورانیوم را غنی‌سازی كرد.

درون راكتورهای هسته‌ای، هسته اورانیوم ‪ ۲۳۵به صورت كنترل شده شكسته شده كه در این فرایند مقداری جرم به انرژی تبدیل می‌شود. همین انرژی سبب ایجاد حرارت(اغلب از این حرارت برای تبخیر آب استفاده می‌شود) و در نتیجه چرخیدن توربینها و در نهایت چرخیدن ژنراتورهای نیروگاه و تولید برق می‌شود.

در نیروگاه‌های غیر هسته‌ای، از سوزاندن سوختهای فسیلی از قبیل نفت و یا زغال سنگ برای گرم كردن آب و تولید بخار استفاده می‌شود كه یك مقایسه ساده میان نیروگاه‌های هسته‌ای و غیر هسته‌ای، صرفه اقتصادی قابل توجه نیروگاه‌های هسته‌ای را اثبات می‌كند.

به طور مثال، برای تولید ‪ ۷۰۰۰مگاوات برق حدود ‪ ۱۹۰میلیون بشكه نفت خام مصرف می‌شود كه استفاده از سوخت هسته‌ای برای تولید همین میزان انرژی سالیانه میلونها دلار صرفه جویی به دنبال دارد و به علاوه میزان آلایندگی زیست محیطی آن نیز بسیار كمتر است.

كافی است بدانیم كه مصرف این ‪ ۱۹۰میلیون بشكه نفت خام برای تولید ‪ ۷۰۰۰مگاوات برق، ‪ ۱۵۷هزار تن گاز گلخانه‌ای دی اكسید كربن، ‪ ۱۵۰تن ذرات معلق در هوا، ‪ ۱۳۰تن گوگرد و ‪ ۵تن اكسید نیتروژن در محیط زیست پراكنده می‌كند كه نیروگاههای هسته‌ای این آلودگی‌ها را ندارند. پس از آشنایی با مفاهیم كلی انرژی هسته‌ای و مزایای آن، ابتدا با مراحل مختلف چرخه سوخت هسته‌ای آشنا می‌شویم و سپس نحوه استفاده از سوخت هسته‌ای درون راكتور را مرور می‌كنیم.

چرخه سوخت هسته‌ای عبارت است از: ‪ -۱فراوری سنگ معدن اورانیوم ‪-۲ تبدیل و غنی‌سازی اورانیوم ‪ -۳تولید سوخت هسته‌ای ‪ -۴بازفرآوری سوخت مصرف شده.

در حال حاضر چند كشور صنعتی جهان هر كدام در یك، چند و یا همه چهار مرحله یاد شده از چرخه سوخت هسته‌ای فعالیت می‌كنند.

هم اكنون به لحاظ صنعتی، كشورهای فرانسه، ژاپن، روسیه، آمریكا و انگلیس دارای تمامی مراحل چرخه سوخت هسته‌ای در مقیاس صنعتی هستند و در مقیاس غیرصنعتی، كشورهای دیگری مثل هند نیز به لیست فوق اضافه می‌شوند.

كشورهای كانادا و فرانسه در مجموع دارای بزرگترین كارخانه‌های تبدیل اورانیوم(مرحله پیش از غنی‌سازی ) هستند كه محصولات آنها شامل ‪UO3,UO2,UF6 غنی نشده می‌باشد و پس از آنها به ترتیب كشورهای آمریكا، روسیه و انگلستان قرار دارند. در زمینه غنی‌سازی نیز، دو كشور آمریكا و روسیه دارای بزرگترین شبكه غنی‌سازی جهان هستند.

آمریكا هم اكنون بزرگترین تولیدكننده سوخت هسته‌ای(مرحله بعد از غنی سازی) در جهان است و پس از آمریكا، كانادا تولیدكننده اصلی سوخت هسته‌ای در جهان محسوب می‌شود. پس از آمریكا و كانادا، كشورهای انگلیس، روسیه، ژاپن، فرانسه، آلمان، هند، كره جنوبی و سوئد از تولیدكنندگان اصلی سوخت هسته‌ای جهان هستند. آمریكا بیشترین سهم بازفراوری سوخت مصرف شده هسته‌ای در جهان را داراست و پس از آن فرانسه، انگلیس، روسیه، هند و ژاپن قرار دارند. درحال حاضر بین كشورهای جهان سوم، هندوستان پیشرفته‌ترین كشور در زمینه دانش فنی چرخه سوخت هسته‌ای است.

چرخه سوخت هسته‌ای: 

‪-۱استخراج اوانیوم از معدن و تهیه كیك زرد(مرحله فراوری سنگ معدن اورانیوم) عنصر اورانیوم در طبیعت به صورت تركیبات شیمیایی مختلف از جمله اكسید اورانیوم، سیلیكات اورانیوم و یا فسفات اورانیوم و به صورت مخلوط با تركیباتی از عناصر دیگر یافت می‌شود.در میان كشورهای مختلف جهان، استرالیا دارای بزرگترین معادن اورانیوم است و كشورهای قزاقستان، كانادا، آفریقای جنوبی، نامیبیا، برزیل و روسیه نیز از معادن بزرگی برخوردارند.

مواد معدنی حاوی اورانیوم با استفاده از روشهای معدن‌كاوی زیرزمینی و یا روزمینی استخراج شده و سپس طی فرایندهای مكانیكی و شیمیایی موسوم به “آسیاب كردن” و “كوبیدن” از دیگر عناصر جدا می‌شوند.

اورانیوم پس از استخراج تفكیك، كوبیده، خرد و به شكل پودر درآمده و سپس برای تولید ماده موسوم به “كیك زرد” (‪ (YellowCakeمورد استفاده قرار می گیرد.

كیك زرد در واقع محصول فراوری سنگ معدن ارونیوم است و به تركیباتی از اورانیوم گفته می‌شود كه ناخالصی‌های معدنی آن به میزان زیادی گرفته شده و حاوی ‪ ۷۰تا ‪ ۹۰درصد اكسید اورانیوم از نوع ‪ U3O8است.

‪ -۲فراوری كیك زرد و تولید هگزافلورید اورانیوم و آغاز غنی‌سازی (مرحله تبدیل و غنی‌سازی ) كیك زرد در این مرحله هنوز دارای ناخالصی‌هایی است كه توسط روشهای مختلف این ناخالصی‌ها كاسته شده و پس از طی فرایندهای شیمیایی نسبتا پیچیده، از شكل معدنی ‪ U3O8به ‪UO3(تری اكسید اروانیوم) و سپس ‪ UO2(دی اكسید اورانیوم) در می‌آید كه این تركیب آخر نیز به دو روش موسوم به روش تر و روش خشك برای تولید ماده مورد نیاز در فرایند غنی‌سازی، یعنی هگزافلورید اورانیوم(‪ (UF6به كار گرفته می‌شود.  در صنعت به این دلیل عنصر اورانیوم را به صورت تركیب هگزافلورید اورانیوم(‪ (UF6در می‌آورند كه ماده مذكور بهترین تركیب اورانیوم برای استفاده در روشهای مهم غنی‌سازی اورانیوم محسوب می‌شود. در روشهای مرسوم غنی‌سازی اورانیوم، باید از حالت گازی تركیبات این عنصر استفاده كرد و هگزافلورید اورانیوم در دمای ‪ ۵۶درجه سانتیگراد به راحتی تصعید شده و از حالت جامد به حالت گاز در می‌آید كه این گاز برای دستیابی به درصد بالاتر ایزوتوپ ‪ ۲۳۵اورانیوم، قابل غنی‌سازی است.

پس از مراحل استخراج اورانیوم، تولید كیك زرد و در نهایت هگزافلورید اورانیوم، نوبت به غنی‌سازی این عنصر می‌رسد.

روش‌های مختلف غنی‌سازی 

به طور كلی اورانیوم را به چندین روش مختلف می‌توان غنی‌سازی كرد كه این روشها عبارتند از: “سانتریفوژ گازی”، “پخش گازی”(‪،(Gaseous Diffusion “جداسازی اكلترومغناطیسی”، “تبادل شیمیایی”(‪،(Chemical Exchange “فتویونیزاسیون و فتودیساسیون لیزری”، “نازل جداسازی”(‪(Separation Nazzle و “جداسازی ایزوتوپ رزونانس سیكلوترونی”. از بین تمامی این روشها هم‌اكنون تنها دو روش “سانتریفوژگازی” و “پخش گازی” است كه در مقیاس تجاری اهمیت داشته و كاربردهای عملی وسیع پیدا كرده‌اند .

در غنی‌سازی اورانیوم به روش مرسوم‌تر “سانتریفوژ گازی”، در عمل هگزافلورید اورانیوم (‪ (UF6را وارد دستگاه سانتریفوژ با سرعت دوران بسیار بالا می‌كنند. در سرعت دورانی بسیار زیاد، آن دسته از مولكولهای هگزافلورید اورانیوم كه اورانیوم موجود در آنها از نوع ایزوتوپ ‪ ۲۳۵است از آنجا كه در مقایسه با مولكولهای هگزافلورید اورانیوم با ایزوتوپ اورانیوم ‪ ۲۳۸جرم كمتری دارند، در نزدیك محور سانتریفوژ تراكم بیشتری نسبت به ناحیه خارجی دستگاه پیدا كرده و در مقابل مولكولهای سنگین‌تر هگزا فلورید اورانیوم ‪ ۲۳۸در ناحیه خارجی تراكم بیشتری نسبت به ناحیه نزدیك محور پیدا می‌كنند .

بدین ترتیب گاز هگزافلورید اورانیومی كه از نزدیك محور دستگاه سانتریفوژ گرفته می‌شود از نظر درصد اورانیوم ‪ ۲۳۵از غنی شدگی بیشتری نسبت به نواحی دیگر سانتریفوژ برخوردار است. در این روش برای رسیدن به درصد مورد نیاز اورانیوم ‪ ۲۳۵باید مرحله به مرحله از تعداد بسیار زیاد سانتریفوژ به صورت زنجیره‌ای استفاده كرد.

روش “سانتریفوژ گازی” برای غنی‌سازی اورانیوم به دو علت در مقایسه با روش “پخش گازی” از مزایای بیشتری برخوردار است. اول آنكه این روش كارایی بیشتری داشته و دوم آنكه انرژی لازم در این روش غنی‌سازی حدود یك دهم مقدار انرژی لازم در غنی‌سازی با “پخش گازی” برای حصول همان میزان محصول می‌باشد.

این عوامل باعث شده كه غنی‌سازی اورانیوم به روش سانتریفوژ هزینه كمتری را شامل شده و اقتصادی‌تر باشد.البته باید به خاطر داشت كه هزینه تعمیرات و نگهداری تجهیزات مورد استفاده در غنی‌سازی به روش سانتریفوژ اندك نیست.

‪ -۳تولید سوخت هسته‌ای(تبدیل ‪ UF6غنی شده به ‪ UO2غنی شده): برخی انواع راكتورهای می‌توانند به طور مستقیم از هگزافلورید اورانیوم غنی شده به عنوان سوخت هسته‌ای استفاده كنند اما برای تهیه سوخت هسته‌ای بسیاری انواع دیگر راكتورها لازم است كه هگزافلورید اورانیوم غنی شده را به شكل به اصطلاح “میله‌های سوختی” از دی اكسید اورانیوم غنی شده(‪ (UO2و یا در موارد معدود، به اورانیوم غنی شده فلزی(‪ (Uتبدیل كرد.

تبدیل ‪ UF6غنی شده به ‪ UO2غنی شده نیز خود به دو روش شیمیایی موسوم به خشك و تر انجام می‌گیرد كه پرداختن بدانها از حوصله این بحث خارج است.

در پایان این مرحله سوخت هسته‌ای آماده قرارگرفتن در راكتور و آغاز تولید انرژی است. حال كه سوخت هسته‌ای با درصد مورد نیاز اورانیوم ‪۲۳۵(حدود ‪ ۲تا ‪۵ درصد) به منظور استفاده در راكتور هسته‌ای آماده شد، عملكرد یك راكتور هسته‌ای را نیز به صورت خلاصه بررسی می‌كنیم.

عملكرد راكتور هسته ای

همانطور كه گفتیم، سوخت هسته‌ای شامل اورانیوم ‪ ۲۳۸و اورانیوم ‪۲۳۵ است كه درصد اورانیوم ‪ ۲۳۵با روشهای غنی‌سازی از حدود ‪ ۰/۷درصد در وضعیت طبیعی به حدود ‪ ۲تا ‪ ۵درصد در وضعیت غنی شده افزایش یافته‌است. به زبان ساده، درون یك راكتور هسته‌ای اورانیوم ‪ ۲۳۵به صورت كنترل شده توسط نوترونها بمباران می‌شود. برخورد نوترونها به هسته اتم اورانیوم ‪ ۲۳۵سبب شك

واقع‌نگری درباره انرژی پاكیزه

واقع‌نگری درباره انرژی پاكیزه

تولید الكتریسیته پاكیزه از «منابع جدید جایگزین شونده» مانند خورشید، باد، توده‌های زیستی و نیروی ناشی از حرارت مركزی زمین، نیازمند حمایت شدید است.
اما ظرفیت جمعی این فناوری‌ها برای تولید برق در دهه‌های آینده محدود است.
پیش بینیهای نشان میدهد كه حتی با 20 سال حمایت تحقیقاتی و یارانه‌ای، این منابع جدید جایگزین شونده می‌توانند كمتر از 3 درصد از برق جهان را تأمین كنند.
 
كارشناسان امور محیط زیست در زمینه هشدار نسبت به این كه تغییرات فاجعه‌بار آب و هوایی یك خطر واقعی و حتمی است، نقش ارزشمندی ایفا كرده اند.
این مسأله نیز اهمیت حیاتی دارد كه آنان باید برای یافتن راه‌حل‌های این مشكل نیز به همین اندازه واقع‌گرا باشند.
ما حتی با حداكثر ذخیره‌سازی انرژی و چشم‌اندازی كه پوشیده از صفحه‌های گیرنده انرژی خورشیدی و نیز آسیاب‌های بادی است، باز هم برای تأمین بیشتر نیازهای مربوط به انرژی خود به منابع معتنابهی از آن نیاز داریم كه به طور 24 ساعته برق تولید كنند.
 
نیروی هسته‌ای مانند انرژی خورشیدی، باد و آب، می‌تواند بدون تولید دی‌اكسید كربن یا انتشار سایر گازهای گلخانه‌ای برق تولید كند.
تفاوت اساسی انرژی هسته‌ای در آن است كه این انرژی تنها گزینه‌ای است كه می‌تواند منابع گستردة الكتریسیته پاكیزه را در مقیاس جهانی تولید كند.
چنانچه بخواهیم نیاز بیكران جهان را به انرژی پاكیزه تأمین كنیم، باید نیروی هسته‌ای و «منابع جدید جایگزین‌شونده» را اگر چه رقیب یكدیگر محسوب می‌شوند، به عنوان شریك یكدیگر در نظر بگیریم.
 
ضرورت استفاده از نیروی هسته‌ای
 
جهان ما بدون گسترش سریع انرژی هسته‌ای نمی‌تواند نیازهای روبه‌ افزایش خود را در زمینه انرژی به شكلی پاكیزه رفع كند.
 
انرژی هسته‌ای امروز
 
استفاده از نیروی هسته‌ای از 40 سال پیش آغاز شد و اینك این نیرو همان اندازه از برق جهان را تأمین می‌كند كه 40 سال پیش به وسیله تمام منابع انرژی تأمین می‌شد.
حدود دوسوم از جمعیت جهان در كشورهایی زندگی می‌كنند كه نیروگاه‌های هسته‌ای آنها در زمینه تولید برق و زیرساخت‌های صنعتی نقش مكمل را ایفا می‌كنند.
نیمی از مردم جهان در كشورهایی زندگی می‌كنند كه نیروگاه‌های انرژی هسته‌ای در آنها در حال برنامه‌ریزی و یا در دست ساخت هستند.
به این ترتیب، توسعه سریع نیروی هسته‌ای جهان مستلزم بروز هیچ تغییر بنیادینی نیست و تنها نیازمند تسریع راهبردهای موجود است.
 
امروزه حدود 440 نیروگاه هسته‌ای در 31 كشور جهان برق تولید می‌كنند.
بیش از 15 كشور از مجموع این تعداد در زمینه تأمین برق خود تا 25 درصد یا بیشتر، متكی به نیروی هسته‌ای هستند.
در اروپا و ژاپن سهم نیروی هسته‌ای در تأمین برق بیش از 30 درصد است.
در آمریكا نیروی هسته‌ای 20 درصد از برق را تأمین می‌كند.
قابلیت رقابت نیروی هسته‌ای
 
در حال حاضر هزینه ساخت نیروگاه‌های هسته‌ای بیش از ساخت نیروگاه‌هایی است كه با سوخت زغال یا گاز كار می‌كنند. این تفاوت با توجه به تجربة طولانی استفاده از نیروی هسته‌ای كه به كاهش دورة ساخت و افزایش طول عمر نیروگاه كمك می‌كند، در حال كم شدن است.
در صورتی كه نیروگاه‌های هسته‌ای ساخته شوند، می‌توانند به دلیل استفاده از سوخت ارزان و كارآیی اصلاح شده، با هزینة كمتری به فعالیت خود ادامه دهند.
بنابراین نیروی هسته‌ای حتی در بازار فروش كه چندان به خواص آن اهمیت نمی‌دهد، نیز به طور فزاینده‌ای قابل رقابت است.
درحالیكه از نظر انتشار گازهای گلخانه‌ای زیانبار برچسب قیمتی برای منابع انرژی درنظر بگیریم، به سرعت درمی‌یابیم كه نیروی هسته‌ای در زمینة تولید فزایندة انرژی، آن هم در مقیاس جهانی، ارزان‌ترین و البته پاكیزه‌ترین گزینه است.
 
آینده هسته‌ای فراگیر
 
با شروع قرن بیست و یكم، انرژی هسته‌ای 16 درصد برق جهان را تأمین می‌كند.
با اجرای یك سیاست همگانی بی‌نقص، این درصد می‌تواند به سرعت افزایش یابد و بدون انتشار گازهای گلخانه‌ای و ایجاد آلودگی از موفقیت اقتصاد جهانی حمایت كند.
خوشبختانه اورانیومی كه سوخت هسته‌ای است به مقادیر زیاد هم در روی زمین و هم در بستر دریا یافت می‌شود.
در دسترس بودن اورانیوم در سرتاسر جهان و با هزینه كم، عامل مهمی است كه موجب گسترش سریع نیروی هسته‌ای می‌شود.
 
صنعت نیروی هسته‌ای سرگرم آماده كردن نسل جدیدی از راكتورهاست.
طرح‌های ساده‌تر و مطابق استاندارد موجب تسریع صدور مجوز ساخت راكتور شده و زمان و هزینه ساخت را كاهش می‌دهد و این در حالی است كه حداكثر استانداردهای حفاظت در برابر حوادث، زلزله و یا حمله تروریستی نیز در آن رعایت شده است.
راه‌اندازی راكتورهای پیشرفته حتی هزینه كمتری داشته و پسمان كمتری نیز تولید می‌كند.
بدعت مهم در این زمینه تلفیق خصوصیات «ذاتی» و «تابع» ایمنی است و منظور از آن استفاده از اصول طبیعی و فیزیكی به عنوان جایگزینی برای كنترل فعال است.

 

ساخت دزیمتر محیطی بر پایه بلور برمید پتاسیم

سیستم آشکارساز پرتوهای هسته‌یی(دزیمتر) محیطی بر پایه بلور «برمید پتاسیم» برای نخستین بار در کشور به همت محققان سازمان انرژی اتمی ایران طراحی شد. 

دکتر فرهاد منوچهری، استادیار مرکز تحقیقات هسته‌یی سازمان انرژی اتمی ایران و مجری این طرح در گفت‌وگو با خبرنگار «پژوهشی» خبرگزاری دانشجویان ایران (ایسنا) افزود: یکی از ملزومات افراد پرتوکار در مراکز تحقیقاتی و صنعت استفاده از دزیمتر است که پرتوهای منتشر شده از تابش‌های هسته‌یی را آشکار سازی کند.

وی اضافه کرد: البته در حال حاضر معمولا از نوعی دزیمتر استفاده می‌شود که آشکار سازی تابش‌های هسته‌یی را با دقت بالایی انجام نمی‌دهد، از این رو مراکز تحقیقاتی، بیمارستان‌ها و صنعت به سمت استفاده از دزیمترهای با دقت بالا موسوم به TL (ترمولمینسنس) روی آورده‌اند.

دکتر منوچهری با بیان این که دزیمتر‌های مورد نیاز کشور با خروج مبالغ هنگفتی ارز از خارج وارد می‌شود تصریح کرد: در قالب طرحی که با همکاری یکی از واحدهای دانشگاه‌ آزاد اسلامی و سازمان انرژی اتمی ایران انجام شد، موفق به طراحی نوعی دزیمتر TL بر پایه بلور برمید پتاسیم شدیم.

وی در عین حال افزود: البته بلورهای زیادی توانایی خاصیت ترمولومینسنس را دارند ولی هر بلوری توانایی تبدیل به دزیمترهای منظور را با تغییراتی در شبکه کریستالی آن ندارد.

این استاد دانشگاه با اشاره به کاربرد ناخالص در این ترکیب، یاد آور شد: عناصری که به عنوان ناخالصی مطرح می‌شوند از قبیل تیتانیوم، منگنز و منیزیم هستند که بخش اساسی در به کارگیری ناخالصی‌ها غلظت و ترکیب درصد ناخالص به کار گرفته شده است.

وی در خصوص مکانیزم استفاده از ناخالصی در روند تشکیل دزیمتر گفت: پس از بررسی پاسخ ناخالصی‌های مختلف و تزریق آن به شبکه کریستالی، بلورها به یک دزیمتر TL تبدیل شد که البته شاهد جوابگویی مناسب دزیمتر به دزهای بالا بوده که این نشان از موفقیت بهره‌گیری این نوع دزیمتر در شناسایی میزان دزهای محیطی داشته است.

دکتر منوچهری در پایان خاطر نشان کرد: البته با اعمال تغییراتی در ساختار کریستالی در تلاش هستیم که در زمینه شناسایی دزهای پایین نیز دزیمتر فردی با حساسیت بالا و زمینه ‌آشکار سازی مناسب طراحی شود