دانش هستهای در جهان امروز چه کاربردی برای کشورها و زندگی انسان دارد؟ ما با دانش هستهای چه کار میکنیم و در چه سطحی از توانمندی هستیم؟ اینها سوالاتی است که در این گزارش مرور میکنیم.
پنج کاربرد اساسی
دانش و توان هستهای در جهان امروز کاربردهای اساسی دارد: ساخت بمب و تسلیحات اتمی، تولید برق هستهای، تشخیص و درمان بیماریها، کشاورزی هستهای و امنیت غذایی و همچنین در حوزه صنایع مختلف. اینکه کشورهای دارای توان هستهای، از هر کدام از کاربردها در چه سطحی استفاده میکنند، بستگی به سطح پیشرفت، سیاستهای کلان و اولویتهای آن کشور دارد.
ساخت بمب و تسلیحات هستهای
برای ساخت یک بمب هستهای، نیاز به مواد شکافتپذیر مانند اورانیوم-۲۳۵ یا پلوتونیوم-۲۳۹ است. این فرآیند شامل چند مرحله کلی است:
استخراج و فرآوری اورانیوم: اورانیوم بهصورت سنگ معدن از معادن استخراج میشود. اورانیوم خام را پس از پردازش شیمیایی به گاز UF6 تبدیل میکنند که برای غنیسازی مناسب است.
غنیسازی اورانیوم: اورانیوم طبیعی حدود ۰٫۷ درصد اورانیوم-۲۳۵ دارد اما برای ساخت بمب هستهای نیاز به اورانیومی با خلوص بالای ۹۰ درصد (اورانیوم غنیشده) است. برای این کار معمولا با روش گریز از مرکز UF6 گازی در دستگاههای سانتریفیوژ چرخانده میشود. بدین وسیله اورانیوم-۲۳۵ (سبکتر) از اورانیوم-۲۳۸ (سنگینتر) جدا میشود. پس از چندین مرحله غنیسازی، اورانیوم با خلوص بالا تولید میشود.
تولید پلوتونیوم: پلوتونیوم-۲۳۹ نیز یک ماده شکافتپذیر است که در رآکتورهای هستهای از اورانیوم-۲۳۸ تولید میشود. برای این کار اورانیوم-۲۳۸ در معرض نوترونهای آزاد قرار میگیرد و به پلوتونیوم-۲۳۹ تبدیل میشود. پلوتونیوم در فرآیند بازیابی از سوخت مصرفشده رآکتور نیز میتواند استخراج شود.
طراحی و ساخت بمب هستهای: طراحی بمب هستهای شامل استفاده از مواد شکافتپذیر (مانند اورانیوم-۲۳۵ یا پلوتونیوم-۲۳۹) و ایجاد شرایطی است که در آن واکنش زنجیرهای کنترلنشده رخ دهد.
توانمندیهای ایران
ایران دانش و تمامی زیرساختهای لازم برای تولید بمب اتم را دارد. هماکنون غنیسازی اورانیوم تا سطح ۶۰ درصد در ایران بهوسیله سانتریفیوژهای پیشرفته در سایتهای غنیسازی انجام میشود.
اما کشور ما بنا بر سیاستهای دفاعی و فتوای عالیترین مقام خود هیچگاه برای ساخت بمب هستهای اقدام نکرده است. گرچه کشورهای قدرتطلب بهدلیل دستیابی ایران به همین توان و دانش کشور ما را دچار تحریمهای متعدد کرده و تحت فشارهای سخت بینالمللی گذاشتهاند اما خود نیز اذعان دارند که ایران تاکنون اقدامی برای ساخت این نوع تسلیحات کشتار جمعی انجام نداده است.
ما نخواستهایم اما به عالیترین سطح این دانش بهصورت بومی دست یافتهایم؛ موضوعی که نه میشود کتمان کرد و نه میشود آن را از بین برد.
پزشکی هستهای، تشخیص و درمان بیماریها
دانش هستهای در حوزه پزشکی کاربردهای گسترده و بسیار مهمی دارد که به بهبود تشخیص، درمان و تحقیقات پزشکی کمک میکند. این فناوریها تحت عنوان پزشکی هستهای (Nuclear Medicine) شناخته میشوند و شامل استفاده از مواد رادیواکتیو (رادیوایزوتوپها) و انرژی تابشی برای تصویربرداری، درمان و تحلیل عملکرد سیستمهای بدن هستند. مهمترین حوزههای پزشکی هستهای موارد زیر هستند:
تصویربرداری پزشکی:
تصویربرداری هستهای یکی از مهمترین کاربردهای دانش هستهای در پزشکی است. این روش با استفاده از مواد رادیواکتیو (رادیوایزوتوپها) تصاویر دقیقی از ساختار و عملکرد اعضای بدن ارایه میدهد.
سیتیاسکن با توموگرافی نشر پوزیترون (PET Scan): برای تشخیص بیماریهایی مانند سرطان، بیماریهای قلبی و اختلالات عصبی کاربرد دارد. در این روش رادیوایزوتوپهایی مانند فلوئور- ۱۸ به بدن تزریق میشوند. این مواد در بافتهای هدف جذب شده و پوزیترونهایی منتشر میکنند که ازطریق دوربینهای PET ثبت میشوند. این روش قادر به نمایش عملکرد متابولیکی سلولهاست و میتواند تغییرات زودهنگام در بیماریها را شناسایی کند.
اسکن با توموگرافی نشر فوتون تکنو (SPECT Scan): برای بررسی عملکرد قلب، مغز و سایر اعضا کاربرد دارد. در این روش، رادیوایزوتوپهایی مانند تکنسیوم-۹۹ به بدن تزریق میشوند و تشعشعات آنها ازطریق دوربینهای SPECT ثبت میشوند. این روش تصاویر سهبعدی از عملکرد اعضا ارایه میدهد.
تصویربرداری با ید-۱۳۱: برای بررسی عملکرد تیرویید کاربرد دارد. در این روش، ید-۱۳۱ به بدن تزریق میشود و تیرویید آن را جذب میکند. سپس دوربینهای گاما تصاویری از تیرویید ثبت میکنند.
درمان پزشکی:
استفاده از پرتوهای یونیزان (مانند پرتوهای گاما، بتا یا پوزیترون) و استفاده از رادیو داروها ازجمله روشهای موثر در درمان بیماریهایی مانند سرطان هستند.
رادیوتراپی خارجی: با استفاده از پرتوهای یونیزان سرطان درمان یا کنترل میشود. در این روش، دستگاههایی مانند شتابدهنده خطی (Linear Accelerator) پرتوهای پرانرژی را مستقیما به تومور میتابانند تا سلولهای سرطانی را از بین ببرند.
رادیوتراپی داخلی: برای درمان سرطانهایی مانند پروستات، رحم و سرطان پوست کاربرد دارد. در این روش، منابع رادیواکتیو کوچک (مانند ید-۱۲۵ یا ایریدیوم-۱۹۲) بهصورت مستقیم در نزدیکی تومور قرار داده میشوند.
درمان با رادیوداروها: رادیوایزوتوپها مواد رادیواکتیوی هستند که در تشخیص و درمان بیماریها (بهویژه سرطان) کاربرد دارند. این مواد بهعنوان بخشی از رادیوداروها استفاده میشوند و با استفاده از رادیو داروها میتوان سرطانهای متاستاتیک (گسترشیافته) و بیماریهای تیرویید و… را درمان کرد؛ مثلا رادیوداروهایی مانند ید-۱۳۱ یا لوتتیوم-۱۷۷ به بدن تزریق میشوند و مستقیما به سلولهای سرطانی حمله میکنند.
استریلیزاسیون و ضدعفونی:
مواد رادیواکتیو در استریلیزاسیون تجهیزات پزشکی و ضدعفونی محصولات مورد استفاده قرار میگیرند. استریلیزاسیون سرنگها، دستکشها، پانسمانها و سایر تجهیزات پزشکی با تابش پرتوهای گاما (مانند کبالت-۶۰) برای ازبینبردن میکروبها و ویروسها انجام میشود.
تحقیقات پزشکی:
دانش هستهای در تحقیقات پزشکی نیز نقش مهمی دارد و به توسعه داروها، درمانها و درک بهتر بیماریها کمک میکند. با استفاده از این دانش داروهای جدید توسعه داده شده و عملکرد آنها در بدن مورد بررسی قرار میگیرد؛ مثلا رادیوایزوتوپها برای ردیابی مسیر داروها در بدن و بررسی نحوه تاثیر آنها بر سلولها و بافتها کاربرد دارند.
توانمندیهای ایران:
پزشکی هستهای در ایران در عالیترین سطوح انجام میشود. سازمان انرژی اتمی ایران در سالهای اخیر با بهرهگیری از دانشمندان و متخصصان جوان ایرانی توان تخصصی خود را بر تشخیص دقیق و درمان موثر انواع سرطانها متمرکز کرده است؛ بهطوریکه از این رهگذر توانسته دقت و کیفیت رادیوداروهای تولیدی را تا حد قابلتوجهی بهبود بخشد. ایران با تولید ۶۹ عنوان رادیوداروی ساخت داخل از کشورهای پیشرو در زمینه پزشکی هستهای و رادیوداروها و جزو سه کشور برتر دنیا محسوب میشود. رادیوداروهای باکیفیت ایرانی در تشخیص دقیق بیماریها و درمان موثر انواع بیماریها بهویژه سرطان از ارزش فراوانی برخوردارند.
تولید برق از انرژی هستهای
تولید برق از طریق انرژی هستهای یکی از مهمترین کاربردهای صلحآمیز دانش هستهای است. این فناوری با استفاده از واکنشهای شکافت هستهای (Nuclear Fission) انرژی بسیار زیادی تولید میکند که برای تولید برق به کار میرود.
در رآکتورهای هستهای، انرژی از طریق واکنش شکافت هستهای آزاد میشود. در این فرآیند، هسته سنگینی مانند اورانیوم-۲۳۵ یا پلوتونیوم-۲۳۹ در معرض نوترون قرار میگیرد. هسته به دو قسمت کوچکتر شکسته میشود و درعینحال نوترونها و انرژی عظیمی آزاد میکند. این انرژی بهشکل گرما ظاهر میشود که برای تولید بخار و چرخاندن توربینها استفاده میشود.
یک نیروگاه هستهای شامل چند بخش اصلی است که هر کدام نقش خاصی در تولید برق دارند. رآکتور هستهای محل انجام واکنشهای شکافت هستهای است. سوخت هستهای معمولا اورانیوم غنیشده مانند U-235 یا پلوتونیوم-۲۳۹ است. مولد بخار وظیفه تبدیل آب به بخار با استفاده از گرمای تولیدشده در رآکتور را دارد. بخار تولیدشده توربین را میچرخاند و انرژی مکانیکی تولیدشده به انرژی الکتریکی تبدیل میشود.
تولید برق از انرژی هستهای مزایای بسیار زیادی دارد، از جمله:
ظرفیت بالای تولید انرژی: یک کیلوگرم اورانیوم-۲۳۵ انرژی معادل سهمیلیون کیلوگرم زغالسنگ تولید میکند.
کاهش آلودگی هوا: در مقایسه با سوختهای فسیلی، تولید برق هستهای دیاکسیدکربن و آلایندههای هوا تولید نمیکند.
پایداری انرژی: منابع اورانیوم نسبتا پایدار هستند و میتوانند به مدت طولانی انرژی تامین کنند.
کاهش وابستگی به سوختهای فسیلی: کشورها میتوانند به منابع داخلی خود برای تولید انرژی تکیه کنند.
تولید آب شیرین: رآکتورهای هستهای میتوانند برای تولید مقادیر زیادی آب آشامیدنی بهکار روند. این فرآیند در حالحاضر در سراسر جهان، از هند گرفته تا ژاپن و روسیه استفاده میشود. در ژاپن هشت رآکتور هستهای به واحد آبشیرینکن متصل هستند.
توانمندیهای ایران:
نخستین نیروگاه اتمی غرب آسیا در ایران و شهر بوشهر راهاندازی شد و اکنون بیش از هزار مگاوات برق تولید میکند. این نیروگاه با همکاری روسیه به اتمام رسید و اکنون فازهای دوم و سوم آن هم برنامهریزی شده است. ایران هنوز بهطور کامل قابلیت ساخت نیروگاه اتمی را ندارد اما چرخه تولید سوخت هستهای در کشور ما کامل است.
ایران برای ۲۰هزار مگاوات برق هستهای برنامه دارد و رسیدن به دانش ساخت رآکتورهای داخلی نیز از اولویتهای اساسی سازمان انرژی اتمی است.
بهبود کشاورزی و ارتقای امنیت غذایی
دانش هستهای در حوزه کشاورزی و محصولات غذایی نقش مهمی در افزایش تولید، بهبود کیفیت محصولات، حفظ محیطزیست و ایمنی مواد غذایی ایفا میکند. این فناوریها به کشاورزان و تولیدکنندگان کمک میکنند تا با استفاده از روشهای علمی و پایدار، به چالشهای جهانی مانند امنیت غذایی و تغییرات اقلیمی پاسخ دهند.
استریلیزاسیون حشرات: هدف اصلی این کار کنترل جمعیت آفات کشاورزی بدون استفاده از سموم شیمیایی است. در این روش، نرها را بهصورت دستهجمعی در آزمایشگاه پرورش میدهند. این حشرات را با تابش پرتوهای گاما یا اشعه X استریل میکنند. حشرات استریل به طبیعت رها میشوند و با مادهها جفتگیری میکنند اما هیچ تخمی تولید نمیشود. مزایای این روش کاهش وابستگی به سموم شیمیایی، حفظ محیطزیست و تنوع زیستی و کنترل موثر آفات مانند مگس میوه، پشههای مالاریا و آفات گیاهان است.
بهبود واریتههای گیاهی از طریق جهشزایی: هدف اصلی این کار ایجاد واریتههای جدید گیاهی با خصوصیات بهتر مانند مقاومت به بیماریها، تحمل شرایط نامساعد محیطی (خشکی، شوری) و افزایش عملکرد است. در این روش، بذرها یا قسمتهای مختلف گیاه (مانند جوانهها) تحت تابش پرتوهای گاما یا نوترون قرار میگیرند. این تابش باعث ایجاد جهشهای ژنتیکی در DNA گیاه میشود. گیاهان حاصل از این بذرها بررسی میشوند و واریتههایی با خصوصیات مطلوب انتخاب میشوند. مهمترین نمونهها برنج مقاوم به شوری، گندم با عملکرد بالات و مرکبات مقاوم به بیماریهاست.
ردیابی عناصر غذایی و مدیریت خاک: هدف اصلی این کار درک بهتر نحوه جذب عناصر غذایی ازسوی گیاهان و بهینهسازی استفاده از کودهاست. در این روش، از ایزوتوپهای رادیواکتیو (مانند فسفر-۳۲ یا نیتروژن-۱۵) بهعنوان ردیاب استفاده میشود. این ایزوتوپها به کودها اضافه میشوند و حرکت آنها در خاک و جذب ازسوی گیاهان ردیابی میشود. مزایای این روش کاهش هدررفت کودها و بهبود کیفیت خاک و حفظ منابع طبیعی است.
ضدعفونی و نگهداری مواد غذایی: هدف اصلی این کار افزایش طول عمر مواد غذایی و کاهش ضایعات است. در این روش مواد غذایی (مانند میوهها، سبزیجات، گوشت و فرآوردههای لبنی) تحت تابش پرتوهای گاما، اشعه X یا الکترون قرار میگیرند. این تابش باعث ازبینرفتن میکروبها، قارچها و حشرات میشود. مزایای این روش کاهش استفاده از مواد شیمیایی برای نگهداری، افزایش ایمنی مواد غذایی و کاهش ضایعات غذایی است.
تجزیه و تحلیل آلودگیهای محیطی: هدف اصلی این کار شناسایی و کنترل آلودگیهای خاک، آبوهواست. در این روش از ایزوتوپهای رادیواکتیو برای ردیابی منابع آلودگی و بررسی حرکت آلایندهها در محیط استفاده میشود. کاربرد آن در شناسایی منابع آلودگی آبهای زیرزمینی و بررسی تاثیر فعالیتهای کشاورزی بر محیطزیست است.
مدیریت منابع آب: هدف اصلی این کار بهینهسازی استفاده از منابع آب در کشاورزی است. در این روش، از ایزوتوپهای پایدار (مانند ایزوتوپهای اکسیژن و هیدروژن) برای ردیابی حرکت آب در خاک و سیستمهای آبیاری استفاده میشود. مزایای این کار کاهش هدررفت آب و بهبود کارایی سیستمهای آبیاری است.
تشخیص بیماریهای گیاهی و دامی: هدف اصلی این کار شناسایی زودهنگام بیماریها و کنترل آنهاست. در این روش از تکنیکهای هستهای برای شناسایی عوامل بیماریزا (مانند ویروسها و باکتریها) استفاده میشود. کاربرد آن در تشخیص بیماریهای گیاهی مانند ویروسهای موزاییک و تشخیص بیماریهای دامی مانند بروسلوز است.
ارزیابی کیفیت موادغذایی: هدف اصلی این کار اطمینان از ایمنی و کیفیت موادغذایی است. در این روش، از تکنیکهای هستهای برای آنالیز محتوای مواد مغذی، آلایندهها و افزودنیهای غذایی استفاده میشود. کاربرد آن در بررسی میزان فلزات سنگین در موادغذایی و ارزیابی محتوای ویتامینها و مواد معدنی است.
توسعه واکسنها و داروهای دامی: هدف اصلی این کار پیشگیری و درمان بیماریهای دامی است. در این روش، از تکنیکهای هستهای برای توسعه واکسنها و داروهای موثر استفاده میشود. کاربرد آن در تولید واکسنهای ضد بیماریهای ویروسی مانند آنفولانزای پرندگان و درمانهای جدید برای بیماریهای انگلی است.
توانمندیهای ایران:
پژوهشکده کشاورزی هستهای در پژوهشگاه علوم و فنون هستهای ظرفیت بزرگی برای تحقیق و توسعه در زمینه کاربردهای دانش هستهای در حوزه کشاورزی و امنیت غذایی است. پژوهشگران بسیاری در این مرکز بهصورت مستمر روشهای جدید را برای کمک به حوزه کشاورزی آزمایش و راهبری و متخصصان بسیاری را با همکاری مراکز دانشگاهی دیگر تربیت میکنند. شرکت توسعه کاربرد پرتوها نیز در ایران با مراکز متعدد تخصصی به ارائه خدمات در این حوزه میپردازد و علاوهبرآن شرکتهای دانشبنیان متعددی نیز در این زمینه شکل گرفته که خدمات مرتبط با کشاورزی هستهای را گسترش دادهاند.
کاربردهای صنعتی
فناوری هستهای دارای کاربردهای ویژه در صنایع مختلف است و این کاربردها در بسیاری از موارد منحصربهفرد محسوب میشود.
صنعت نفت: از کاربردهای آن در صنعت نفت میتوان به انجام تستهای غیرمخرب و چاهپیمایی اشاره کرد. همچنین رادیوایزوتوپهای صنعتی تولیدشده از طریق فناوری هستهای در چگالیسنجی، عمقسنجی، سطحسنجی کاربرد دارند.
برق و قدرت: پرتودهی پلیمرها برای بهبود خواص فیزیکی و مکانیکی آن علاوهبر کاربردهای ویژهای که برای مثال در صنعت برق و قدرت دارد میتواند ارزش افزوده نیز ایجاد کند. پرتودهی تایرها و لاستیکها موجب افزایش استقامت و طول عمر لاستیک میشود.
صنایع الکترونیک: پیشرفت صنایع الکترونیک و نیمهرساناها تا حد زیادی مرهون بهرهگیری از فناوری هستهای و کاربرد پرتوهاست بهطوریکه آیسیها و چیپها از این طریق بسط و گسترش یافتهاند.
صنایع سیم و کابل، خودروسازی و حتی سنگهای قیمتی نیز میتوانند از فناورری هستهای در جهت بهبود کیفیت استفاده نمایند.
توانمندیهای ایران:
وضعیت ایران در صنایعی که مزیت دارد، در این حوزه قابلقبول است؛ بهطور مثال، حوزه نفت و گاز از این فناوریها بهره فراوانی مخصوصا در حوزه اکتشاف منابع زیرزمینی میبرد.
غنیسازی اورانیوم عملی است که بهواسطه آن در یک توده اورانیوم طبیعی مقدار ایزوتوپ ۲۳۵U بیشتر و مقدار ایزوتوپ ۲۳۸U کمتر شود.
ایران جزو معدود کشورهایی در دنیاست که توانایی غنیسازی کامل را دارد؛ اگرچه تابهحال فقط تا سطح ۶۰ درصد غنیسازی صورت پذیرفته است.
غنیسازی چیست؟
غنیسازی عمدتا با دستگاه سانتریفیوژ انجام میشود. سانتریفیوژ دستگاهی است که برای جداسازی مواد از یکدیگر براساس وزن آنها استفاده میشود. این دستگاه مواد را با سرعت زیاد حول یک محور به گردش درمیآورد و مواد متناسب با وزنی که دارند از محور فاصله میگیرند. درواقع در این روش برای جداسازی مواد از یکدیگر از شتاب ناشی از نیروی گریزازمرکز استفاده میشود. کاربرد عمومی این دستگاه برای جداسازی مایع از مایع یا مایع از جامد است. سانتریفیوژهایی که برای غنیسازی اورانیوم استفاده میشود حالت خاصی دارند که برای گاز تهیه شدهاند که به آنها Hyper-Centrifuge گفته میشود. پیش از آنکه دانشمندان از این روش برای غنیسازی اورانیوم استفاده کنند، از فناوری خاصی به نام Gaseous Diffusion به معنی پخش و توزیع گازی استفاده میکردند. سانتریفیوژ گردش سریع سیلندر، نیروی گریزازمرکز بسیار قوی تولید میکند و طی آن مولکولهای سنگینتر (آنهایی که شامل ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۸ هستند) از مرکز محور گردش دورتر میشوند و برعکس آنها که مولکولهای سبکتری دارند (حاوی ایزوتوپ (اورانیوم ۲۳۵) بیشتر حول محور سانتریفیوژ قرار میگیرند. در غنیسازی اورانیوم با روش سانتریفیوژ گازی، از تعداد زیادی سیلندر دوار که بهصورت موازی و سری کنارهم قرار داده شدهاند، استفاده میشود. سانتریفیوژ دستگاه استوانهایشکلی است که درست مثل توربین هواپیما پرههایی در وسط آن وجود دارد این پرهها در هر دقیقه بیش از صدهزار گردش دارند؛ درنتیجه این چرخش، اورانیوم سنگین روی دیواره آخری سانتریفیوژ قرار میگیرد و اورانیوم سبک در کنار آن مینشیند. باید هزاران سانتریفیوژ در کنار هم قرار بگیرند تا ما بتوانیم اورانیوم را غنی کنیم یعنی با یک یا چند سانتریفیوژ نمیتوان اورانیوم را غنی کرد.
ایران هماکنون در ساخت سانتریفیوژهای پیشرفته کاملا خودکفا شده و بخش عمدهای از آنها بهصورت آبشاری در تاسیسات هستهای اصفهان، نطنز و فردو نصب و مشغول کار هستند.
شز
دیدگاهتان را بنویسید