Thread by @EternalPhysics

بخش اول: آب سنگین و راکتور‌ آب سنگین
بخش دوم: طراحی‌ مجدد راکتور آب سنگین اراک

استفاد از راکتور‌های آب سنگین این امکان را ایجاد می‌‌کنند که برای سوخت راکتور دیگر نیازی به غنی سازی اورانیوم طبیعی نداشته باشیم، بلکه همان اورانیومی که در طبیعت یافت می‌‌شود (که دارای

۹۹.۳ درصد اورانیوم ۲۳۸ و ۰.۷ درصد اورانیوم ۲۳۵ است) پس ازاستخراج، تولید کیک زرد و تبدیل آن به دی اکسید اورانیوم، برای تولید انرژی کفایت می‌‌کند. این طبیعتا باعث کاهش شدید هزینه‌های مرتبط با غنی سازی می‌‌شود که خوشبختانه ایران

تقریبا ۲۰ سال پیش این مسیر را هم در راستای خود کفایی هسته‌ای پیش گرفت و امروز تبدیل به صادر کننده آب سنگین حتی به "ابر قدرت ها" شده است که میلیون‌ها دلار بهروره ی ارزی برای کشور به همراه داشته است!

دلیل این که چرا در این نوع خاص از راکتور به سوخت غنی شده دیگر نیازی نداریم، باید در به کارگیری از آب سنگین و توان ایران در تولید آن سنگین دید.

آب سنگین چیست و چه مزایایی دارد؟

آب معمولی از ۲ اتم هیدروژن معمولی (H-1) و یک اتم اکسیژن (عمدتا O-16) تشکیل شده است. هر اتم هیدروژن دارای تنها یک الکترون است که به دور یک پروتون در هسته "می چرخد".

تقریباً از هر ۶۴۰۰ اتم هیدروژن یک اتم دارای یک پروتون و یک نوترون در هسته خود است. از آنجا که وزن یک نوترون تقریباً به اندازه یک پروتون است، وزن این اتمهای خاص هیدروژن تقریباً دو برابر یک اتم هیدروژن معمولی است. به این اتم ها هیدروژن سنگین یا دوتریم گفته می‌‌شود.

هنگامی که به جای ۲ اتم هیدروژن معمولی، با ۲ اتم هیدروژن سنگین، آب درست می کنید، به این آب، آب سنگین D2O (آب دوتره) می گویند. آب سنگین همچنین به مقدار چند قاشق غذاخوری در بدن انسان وجود دارد که در همه جای بدن پخش می‌‌باشد.

از نظر شیمیایی، D2O بسیار مشابه H2O عمل می کند، اما سرعت واکنش آن کمی کندتر است. اگر فقط به جای آب "سبک" معمولی آب سنگین بنوشید، به احتمال قوی جان خود را از دست خواهید داد! البته این یک روند آهسته خواهد بود،

بنابراین اگر می خواهید شخصی را مسموم کنید، این ایده خوبی نیست، جدا از اینکه تهیه آب سنگین هم بسیار گران تمام می‌‌شود.

اما D2O خاصیت بسیار مفیدی برای کاربردهای هسته ای دارد. در یک راکتور هسته ای، اتم ها شکافته شده و نوترون ها را آزاد می‌‌شوند. اگر یکی از این نوترون ها به اتم سوخت هسته ای مانند U-۲۳۵ برخورد کند، آن اتم می تواند شکافته شود و واکنش زنجیره ای را ادامه دهد. هر اتمی که تقسیم می شود

چندین نوترون از خود آزاد می‌‌کند اما بیشتر آنها از بین می روند. بعضی از آنها از راکتور خارج می شوند، برخی از آنها جذب اتم های U-۲۳۸ (اورانیوم طبیعی) می شوند که اکثریت اتم ها در میله‌های سوخت را تشکیل می دهند. به همین دلیل نمی توانید واکنش زنجیره ای را ادامه دهید تا انرژی

تولید کنید، برای اینکه زنجیره بلافاصله پس از آغاز از بین می رود زیرا تعداد کمی از نوترون ها یک اتم U-۲۳۵ پیدا می کنند تا آن را بشکافند. بنابراین برای حفظ نوترون ها چندین ترفند وجود دارند.

یکی از این ترفندها کاهش سرعت آنهاست. آن دسته از نوترون هایی که سرعت آنها بسیار کاهش پیدا کرده را نوترون های «گرم شده» می نامند، زیرا آنها با محیط پیرامون خود به تعادل گرمایی رسیده ا‌ند (Thermalized). احتمال تقسیم (شکافت) اتم U-235 توسط یک نوترون گرم شده نسبت به یک

نوترون "سریع" بسیار بیشتر است. برای کاهش سرعت نوترون ها، به یک آهسته کننده (moderator) نیاز دارید. آب یک تعدیل کننده خوب است، زیرا مقدار زیادی اتم هیدروژن در یک فضای کوچک جمع شده است. نوترون ها معمولاً قبل از برخورد با اتم هیدروژن باید فقط چند سانتی متر حرکت کنند و

پس از چند مورد از این برخورد ها، سرعت آنها به خوبی‌ کاسته شده و آماده هستند تا یک اتم U-235 را بشکافند. اما یک مشکل وجود دارد، یک نوترون ممکن است کند شود، اما همچنین ممکن است توسط اتم های هیدروژن آب نیز جذب شود و آن را به اتم دوتریم تبدیل کند: (H + n = D). این اتفاق به

اندازه کافی رخ می دهد که تعدادی از نوترون ها به دلیل جذب توسط اتم‌های هیدروژن کم می شود و بدین روی زنجیره هسته ای از بین می رود.

برای رفع این مشکل دو راه وجود دارد. راه اول این است که اورانیوم را با استفاده از سانتریفیوژ‌ها غنی کنید و درصد اورانیوم ۲۳۵ را افزایش بدهید که در راکتور‌های آب سبک از این راه استفاده می‌‌شود، یا راه دومی‌ را بروید که در آن آب سنگین را جایگزین آب سبک موجود در راکتور کنید

که در این صورت عملا هیچ یک از نوترون ها در آب سنگین جذب نمی شوند. بنابراین در این صورت نوترون‌ها با هیدروژن‌های سنگین آب سنگین برخورد و کاهش سرعت پیدا کرده اما جذب نمی شوند!

بدین روی تعداد کافی از نوترون‌ها باقی می‌ مانند که می توانند واکنش زنجیره ای را حتی در اورانیوم طبیعی که در آن فقط ۰.۷ درصد اورانیوم ۲۳۵ وجود دارد ادامه دهند!

غنی سازی اورانیوم بسیار گران است و جدا کردن آب سنگین از آب معمولی هم بسیار گران است. اینکه کدام بهتر است، بستگی دارد. بیشتر نیروگاه های هسته ای در ایالات متحده با آب سبک و اورانیوم غنی شده کار می کنند. اما در کانادا، بیشتر نیروگاه های هسته ای با آب سنگین و اورانیوم

طبیعی کار می کنند. همه اینها به چگونگی تنظیم اقتصاد هسته ای بستگی دارد و کانادا از آب سنگین ارزان قیمت (نسبتاً ارزان) برخوردار است. از طرف دیگر، ایالات متحده مقدار زیادی اورانیوم غنی شده برای بمب تولید کرده، و از آنجا که راکتورهای آب سبک جمع و جورتر از راکتورهای

آب سنگین هستند، نیروی دریایی ایالات متحده در ناوهای هواپیمابر و زیردریایی های خود از راکتور‌های آب سبک پایه استفاده می‌‌کند.

یکی‌ از مشکلات عدیده راکتور‌های آب سنگین، تولید پلوتونیوم است زیرا که راکتورهای آب سنگین از آب سنگین (اکسید دوتریم) به عنوان خنک کننده (در مقابل راکتورهای آب سبک که از آب معمولی استفاده می کنند) و از اورانیوم طبیعی غنی نشده به عنوان سوخت استفاده می کنند و پلوتونیوم را به

عنوان ماده زائد تولید می کنند. برخلاف راکتورهای آب سبک که متوقف شدن و راه اندازی مجدد آنها معمولاً یک تا سه ماه طول می کشد، در راکتورهای آب سنگین برای تغییر میله های سوخت نیازی به خاموش شدن راکتور نیست و با داشتن سوخت اورانیوم طبیعی و کار برای مدت طولانی، قابلیت تولید

پلوتونیوم چشمگیری را دارد! بنابراین راکتورهای آب سنگین برای تولید پلوتونیوم با هدف ساخت سلاح هسته ای بسیار مناسب ترند. طبق تخمین آژانس راکتور اراک با توان ۴۰ مگاوات حرارتی قابلیت تولید ۱۰ تا ۱۲ کیلوگرم پلوتونیوم ۲۳۹ در سال برای ساخت ۲ بمب هسته‌ای را داشت.

البته رفتن از مسیر پلوتونیوم به سمت سلاح های هسته ای دشوارتر از استفاده از اورانیوم ۹۰ درصد غنی شده است. پلوتونیوم باید از سوخت مصرف شده استخراج شود که بسیار سمی و رادیواکتیو است. برای این کار ایران مجبور خواهد بود یک کارخانه تفکیک پلوتونیوم پیشرفته بسازند که

پنهان کردن آن هنگام ساخت بسیار دشوار خواهد بود. علاوه بر این، آژانس بین المللی انرژی هسته ای میزان اورانیوم که در هر مرکز هسته‌ای ایران تولید یا وارد می‌‌شود، زیر نظر دارد که به محل دیگری که گزارش نشده، برای مصارف نظامی انتقال نیابد.

با این حال در مذاکرات برجام طرف‌های غربی بسیار اصرار به طراحی‌ مجدد تاسیسات آب سنگین اراک به منظور کاهش چشمگیر تولید پلوتونیوم در سال داشتند که در بخش دوم این رشته توییت به آن خواهیم پرداخت.

متاسفانه ایران زیر بار‌ این اصرار غربی ها رفت و یک اهرم بسیار خوب برای فشار به غرب را برای همیشه از دست داد!