انرژی هسته‌ای

دید کلی

وقتی که صحبت از مفهوم انرژی به میان می‌آید، نمونه‌های آشنای انرژی مثل انرژی گرمایی ، نور و یا انرژی مکانیکی و الکتریکی در شهودمان مرور می‌شود. اگر ما انرژی هسته‌ای و امکاناتی که این انرژی در اختیارش قرار می‌دهد، آشنا ‌شویم، شیفته آن خواهیم شد.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...gihaastehi.jpg


آیا می‌دانید که

• انرژی گرمایی تولید شده از واکنشهای هسته‌ای در مقایسه با گرمای حاصل از سوختن زغال سنگ در چه مرتبه بزرگی قرار دارد؟
• منابع تولید انرژی هسته‌ای که بر اثر سیلابها و رودخانه از صخره شسته شده و به بستر دریا می‌رود، چقدر برق می‌تواند تولید کند؟
• کشورهایی که بیشترین استفاده را از انرژی هسته‌ای را می‌برند، کدامند؟ و ... .

نحوه آزاد شدن انرژی هسته‌ای

می‌دانیم که هسته از پروتون (با بار مثبت) و نوترون (بدون بار الکتریکی) تشکیل شده است. بنابراین بار الکتریکی آن مثبت است. اگر بتوانیم هسته را به طریقی به دو تکه تقسیم کنیم، تکه‌ها در اثر نیروی دافعه الکتریکی خیلی سریع از هم فاصله گرفته و انرژی جنبشی فوق العاده‌ای پیدا می‌کنند. در کنار این تکه‌ها ذرات دیگری مثل نوترون و اشعه‌های گاما و بتا نیز تولید می‌شود. انرژی جنبشی تکه‌ها و انرژی ذرات و پرتوهای بوجود آمده ، در اثر برهمکنش ذرات با مواد اطراف ، سرانجام به انرژی گرمایی تبدیل می‌شود. مثلا در واکنش هسته‌ای که در طی آن 235U به دو تکه تبدیل می‌شود، انرژی کلی معادل با 200MeV را آزاد می‌کند. این مقدار انرژی می‌تواند حدود 20 میلیارد کیلوگالری گرما را در ازای هر کیلوگرم سوخت تولید کند. این مقدار گرما 2800000 بار برگتر از حدود 7000 کیلوگالری گرمایی است که از سوختن هر کیلوگرم زغال سنگ حاصل می‌شود.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...ressurized.gif



کاربرد حرارتی انرژی هسته‌ای

گرمای حاصل از واکنش هسته‌ای در محیط راکتور هسته‌ای تولید و پرداخته می‌شود. بعبارتی در طی مراحلی در راکتور این گرما پس از مهارشدن انرژی آزاد شده واکنش هسته‌ای تولید و پس از خنک سازی کافی با آهنگ مناسبی به خارج منتقل می‌شود. گرمای حاصله آبی را که در مرحله خنک سازی بعنوان خنک کننده بکار می‌رود را به بخار آب تبدیل می‌کند. بخار آب تولید شده ، همانند آنچه در تولید برق از زعال سنگ ، نفت یا گاز متداول است، بسوی توربین فرستاده می‌شود تا با راه اندازی مولد ، توان الکتریکی مورد نیاز را تولید کند. در واقع ، راکتور همراه با مولد بخار ، جانشین دیگ بخار در نیروگاه‌های معمولی شده است.
سوخت راکتورهای هسته‌ای

ماده‌ای که به عنوان سوخت در راکتورهای هسته‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد باید شکاف پذیر باشد یا به طریقی شکاف پذیر شود.235U شکاف پذیر است ولی اکثر هسته‌های اورانیوم در سوخت از انواع 238U است. این اورانیوم بر اثر واکنشهایی که به ترتیب با تولید پرتوهای گاما و بتا به 239Pu تبدیل می‌شود. پلوتونیوم هم مثل 235U شکافت پذیر است. به علت پلوتونیوم اضافی که در سطح جهان وجود دارد نخستین مخلوطهای مورد استفاده آنهایی هستند که مصرف در آنها منحصر به پلوتونیوم است.

میزان اورانیومی که از صخره‌ها شسته می‌شود و از طریق رودخانه‌ها به دریا حمل می‌شود، به اندازه‌ای است که می‌تواند 25 برابر کل مصرف برق کنونی جهان را تأمین کند. با استفاده از این نوع موضوع ، راکتورهای زاینده‌ای که بر اساس استخراج اورانیوم از آب دریاها راه اندازی شوند قادر خواهند بود تمام انرژی مورد نیاز بشر را برای همیشه تأمین کنند، بی آنکه قیمت برق به علت هزینه سوخت خام آن حتی به اندازه یک درصد هم افزایش یابد.
مزیتهای انرژی هسته‌ای بر سایر انرژیها




http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...H_E_Hasteh.jpg



بر خلاف آنچه که رسانه‌های گروهی در مورد خطرات مربوط به حوادث راکتورها و دفن پسماندهای پرتوزا مطرح می‌کند از نظر آماری مرگ ناشی ازخطرات تکنولوژی هسته‌ای از 1 درصد مرگهای ناشی از سوختن زغال سنگ جهت تولید برق کمتر است. در سرتاسر جهان تعداد نیروگاههای هسته‌ای فعال بیش از 419 می‌باشد که قادر به تولید بیش از 322 هزار مگاوات توان الکتریکی هستند. بالای 70 درصد این نیروگاه‌ها در کشور فرانسه و بالای 20 درصد آنها در کشور آمریکا قرار دارد.

شکافت هسته‌ای



اگر نوترون منفردی به یک قطعه ایزوتوپ 235U نفوذ کند، در اثربرخورد به هسته اتم 235U ، اورانیوم به دو قسمت شکسته می‌شود که اصطلاحا شکافت هسته‌ای نامیده می‌شود.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...26/fission.gif
مقدمه

در واکنشهای شکافت هسته‌ای مقادیر زیادی نیز انرژی آزاد می‌گردد (در حدود 200Mev)، اما مسئله مهمتر اینکه نتیجه شکستن هسته 235U ، آزادی دو نوترون است که می‌تواند دو هسته دیگر را شکسته و چهار نوترون را بوجود آورد. این چهار نوترون نیز چهار هسته 235U را می‌شکند. چهار هسته شکسته شده تولید هشت نوترون می‌کنند که قادر به شکستن همین تعداد هسته اورانیوم می‌باشند. سپس شکست هسته‌ای و آزاد شدن نوترونها بصورت زنجیروار به سرعت تکثیر و توسعه می‌یابد. در هر دوره تعداد نوترونها دو برابر می‌شود، در یک لحظه واکنش زنجیری خود بخودی شکست هسته‌ای شروع می‌گردد. در واکنشهای کنترل شده هسته‌ای تعداد شکست در واحد زمان و نیز مقدار انرژی بتدریج افزایش یافته و پس از رسیدن به مقداری دلخواه ثابت نگهداشته می‌شود.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...issionanim.gif
انرژی شکافت هسته‌ای

کشف انرژی هسته‌ای در جریان جنگ جهانی دوم صورت گرفت و اکنون برای شبکه برق بسیاری از کشورها هزاران کیلو وات تهیه می کند (نیروگاه هسته ای). بحران انرژی بر اثر بالارفتن قیمت نفت در سال 1973 استفاده از انرژی شکافت هسته‌ای بیشتر وارد صحنه کرد. در حال حاضر ممالک اروپایی انرژی هسته‌ای را تنها انرژی می‌داند. که می‌تواند در اکثر موارد جایگزین نفت شود. استفاده از انرژی شکافت هسته‌ای که بر روی یک ماده قابل احتراق کانی که بصورت محدود پایه گذاری می‌شود. برای سایر کشورها خطرات بسیار دارد در حال حاضر تولید الکتریسته با استفاده از شکافت هسته‌ای کنترل شده به میزان زیادی توسعه یافته و مورد قبول واقع شده است. تولید انرژی هسته‌ای در کشورهای توسعه یافته بخش مهمی از طرح انرژی ملی را تشکیل می‌دهد.
انرژی بستگی هسته‌ای

می‌توان تصور کرد که جرم هسته ، M ، با جمع کردن Z (تعداد پروتونها) ضربدر جرم پروتون و N تعداد نوترونها ضربدر جرم نوترون بدست می‌آید.

M = Z×Mp + N×Mn

از طرف دیگر M همیشه کمتر از مجموع جرمهای تشکیل دهنده‌های منزوی هسته است. این اختلاف به توسط فرمول انیشتین توضیح داده می‌شود که رابطه بین جرم و انرژی هم ارزی جرم و انرژی را برقرار می‌سازد. اگر یک دستگاه مادی دارای جرم باشد در این صورت دارای انرژی کلی E است. E = M C2 که در آن C سرعت نور در خلا و M جرم کل هسته مرکب از نوکلئونها و E مقدار انرژیی است که در اثر فروپاشی جرم M تولید می‌شود. بنابر این اصول انرژی هسته‌ای بر آزاد سازی انرژی پیوندی هسته استوار است. هر سیستمی که دارای انرژی پیوندی بیشتر باشد پایدار می‌باشد. در واقع جرم مفقود شده در واکنشهای هسته‌ای طبق فرمول E = M C2 به انرژی تبدیل می‌شود. پس انرژی بستگی اختلاف جرم هسته و جرم نوکلئونهای تشکیل دهنده آن است، که معرف کاری است که باید انجام شود تا نوکلئونها از هم جدا شوند.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...arreactors.jpg
مواد شکافتنی

مواد ناپایدار برای اینکه به پایداری برسند، انرژی گسیل می‌کنند تا به حالت پایدار برسد. معمولا عناصری شکافت پذیر هستند که جرم اتمی آنها بالای 150 باشد ،235U و 238U در معادن یافت می‌شود. 99.3 درصد اورانیوم معادن 238U می‌باشد.و تنها 7% آن 235U می‌باشد. از طرفی 235U با نوترونهای کند پیشرو واکنش نشان می‌دهد. 238Uتنها با نوترونهای تند کار می‌کند، البته خوب جواب نمی‌دهد. بنابر این در صنعت در نیروگاههای هسته‌ای 235U به عنوان سوخت محسوب می‌شود. ولی به دلایل اینکه در طبیعت کم یافت می‌شود. بایستی غنی سازی اورانیوم شود، یعنی اینکه از 7 درصد به 1 الی 3 درصد برسانند.
شکافت 235U

در این واکنش هسته‌ای وقتی نوترون کند بر روی 235U برخورد می کند به 236U تحریک شده تبدیل می‌شود. نهایتا تبدیل به باریوم و کریپتون و 3 تا نوترون تند و 177 Mev انرژی آزاد می‌شود. پس در واکنش اخیر به ازای هر نوکلئون حدود 1 Mev انرژی آزاد می‌شود. در واکنشهای شیمیایی مثل انفجار به ازای هر مولکول حدود 30 Mev انرژی ایجاد می‌شود. لازم به ذکر است در راکتورهای هسته‌ای که با نوترون کار می‌کند، طبق واکنشهای به عمل آمده 2 الی3 نوترون سریع تولید می‌شود. حتما این نوترونهای سریع باید کند شوند.

انرژی همبستگی هسته

دید کلی

مفاهیم ساختار اتمی و هسته‌ای این است که اتم مرکب از هسته و الکترونهایی ‏است که ‏آن را احاطه کرده‌اند و اینکه هسته از پروتون و نوترون ساخته شده است به این پرسش ‏‏اساسی می‌انجامد که:‏ آیا جرم یک اتم خنثی با مجموع جرمهای پروتونها ، نوترونها و الکترونهایی که آن اتم ‏خنثی را تشکیل ‏می‌دهند. برابر است یا نه؟‏ این پرسش را به دقت می‌توان پاسخ داد. زیرا جرم پروتون ، نوترون و الکترون و همچنین جرم‏های تقریبا ‏تمام اتمهای گوناگون معلوم هستند.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...hambastegi.jpg



منشأ انرژی همبستگی هسته

در فیزیک یک اصل کلی است که می‌گوید: برای متلاشی کردن یک سیستم یا مجموعه پایدار ‏باید کار ‏انجام داد. مثلا اگر سیستمی از نوترونها و پروتونها ، که هسته اتم را ایجاد می‌کنند، پایدار باشد. برای از ‏هم سوا کردن آنها باید انرژی مصرف نمود.‏ جرم کلی یک هسته پایدار باید کمتر از مجموع جرمهای جداگانه نوترونها و پروتونهای تشکیل ‏دهنده آن ‏باشد. از طریق محاسبه و تجربه معین شده است که اختلافی بین مجموع جرم ‏نوکلئونهای هسته و جرم هسته ‏پایدار وجود دارد. این اختلاف جرم معادل انرژی هست که جهت ‏متلاشی کردن کامل هسته لازم است. این ‏انرژی موسوم به انرژی همبستگی اتم می‌باشد.‏
محاسبه انرژی همبستگی هسته

بررسی جرمهای اتمی شناخته شده نشان می‌دهد که برای هر نوع اتم ، جرم اتمی همواره ‏کمتر از ‏مجموع جرمهای ذرات تشکیل دهنده به حالت آزاد آنهاست. ساده‌ترین اتم که دست ‏کم شامل یک پروتون ، ‏یک نوترون و یک الکترون باشد دوتریم است. در این مورد جرمها عبارتند ‏از:‏



جرم سکون یک پروتون = amu ‏1.007276‏‏ جرم سکون یک نوترون = amu‏ 1.008665‏ جرم سکون یک الکترون = amu‏ 0.000549‏ جرم سکون ذرات تشکیل دهنده در حالت آزاد = amu‏ 2.016490‏ جرم سکون اتم دوتریوم = 2.014102‏ amu‏ تفاوت (‏Δm = 0.002388amu‏)‏



تفاوت جرم سکون ، ‏Δm‏ ، ممکن است کوچک به نظر آید، لیکن به علت ضریب C2 در ‏رابطه ‏E = mC2 این تفاوت جرم با تفاوت انرژی قابل ملاحظه‌ای مطابقت دارد. بنابرین ‏تفاوت جرم (‏Δm) با تفاوت انرژی (‏ΔE‏) با رابطه ‏ΔE = ΔmC2 به هم مربوط می‌شوند. ‏یک ضریب تبدیل مناسب ‏برای تبدیل جرم اتمی (برحسب واحد جرم اتمی) به انرژی (برحسب مگا الکترون ‏ولت) عبارت ‏است از (‏amu = 93.1Mev‏).‏

بنابرین اگر تشکیل یک اتم دوتریوم را به هنگام ترکیب یک پروتون و یک نوترون (و اتصال با ‏یک ‏الکترون) را در نظر بگیریم، در این فرآیند مقدار جرمی برابر با: ‏Mev = 1amu/931Mev x ‎‎0.002388 amu‏ 2.22 به هنگام ترکیب این سیستم از ذرات ترکیب شونده آن ، پیش از آن که به ‏صورت یک اتم ‏دوتریوم در آمده باشد، به اطراف تابیده است.‏ انرژی از دست رفته مورد نظر را که از محاسبه تفاوت در جرم سکون حاصل شده ، می‌توان با ‏نتیجه یک ‏آزمایش مستقیم مقایسه کرد. وقتی هیدروژن با نوترون بمباران می‌شود. یک نوترون ‏به صورت واکنش زیر ‏گیر می‌افتد:

‎10n + 11H → 21H + γ

در این واکنش هیچگونه اجزای ذره‌ای که انرژی جنبشی زیادی داشته باشند، ایجاد ‏نمی‌شود. بنابراین جرمی ‏برابر ‏amu‏‏ ‎0.002388‎‏ که تفاوت سبکتر شدن ‏‎21H‏ از ‏‏10n + 11H است، بوسیله اشعه گاما ربوده می‌شود. ‏انرژی این اشعه از طریق آزمایش معین و معلوم شده ‏که ‏MeV‏ 22.2 یعنی درست همان مقدار پیشگویی شده ‏است.‏
برهمکنش هسته دوتریوم با اشعه گاما

واکنش معکوس ، یعنی واکنشی که در آن دوتریم با اشعه گاما بمباران می‌شود، نیز ‏بررسی شده‌است:‏

• اگر انرژی پرتوهای ‏اشعه‏ کمتر از ‏MeV ‏22.2 باشد، این واکنش صورت نمی‌گیرد. اما اگر ‏پرتوهای ‏V‏ با ‏انرژی ‏MeV ‏22.2 یا بیشتر بکار گرفته شوند، واکنش صورت می‌گیرد. یعنی ‏پروتون و نوترون از هم جدا ‏و آشکار پذیر می‌شوند.
  
  

‎21H + γ → 10n + 11H‎

• به دنبال گیر اندازی یک نوترون بوسیله ‏‎11H‏ ، انرژی در یک ‏‏اشعه گاما آزاد می‌شود. این انرژی (‏MeV‏ 22.2) انرژی اتصال دوترون نامیده می‌شود. ‏این انرژی را ‏می‌توان انرژی‌ دانست که وقتی یک پروتون و یک نوترون برای ایجاد یک ‏هسته باهم ترکیب می‌شود، آزاد ‏می‌گردد. برای حصول واکنش معکوس ‏‏(وقتی‎21H ‎‏ با اشعه ایکس بمباران ‏می‌شود) انرژی باید جذب ‏شود.
  
  
• بنابراین می‌توان چنین پنداشت که انرژی اتصال مقدار انرژی لازم برای شکستن ‏هسته به ذرات هسته‌ای ‏سازنده آن است. ‏

انرژی هسته‌ای

مفهوم انرژی هسته‌ای برای تمام مواردی که اجزایی ساده بوسیله نیرویی به هم ‏می‌پیوندند و یک سیستم ‏پیچیده بوجود می‌آورند، بکار می‌آید. مثلا زمین در مداری ‏به دور خورشید قرار گرفته و با جاذبه گرانشی ‏به آن متصل است و در این صورت برای ‏جدا شدن و گریز از خورشید باید مقداری انرژی جنبشی اضافی به ‏آن داده شود.

در یک اتم هیدروژن ‏eV‏ ‏13 لازم است تا الکترون از قید هسته‌ای که با جاذبه الکتریکی ‏به آن اتصال ‏یافته خلاص شود. برعکس ، وقتی یک هسته ‏عریان‎11H ‎‏ الکترونی را گیر ‏می‌اندازد و به یک اتم هیدروژن ‏خنثای پایدار معمولی مبدل می‌شود. سیستم مقداری انرژی برابر با ‏eV‏ 13 ‏بوسیله ‏تابش از دست می‌دهد و این درست انرژی فوتون گسیل یافته‌ای است که در این ‏فرآیند یعنی ، فرآیند ‏گیراندازی الکترون ، مشاهده می‌شود. اما فقط انرژیهای اتصال ‏هسته‌ای آنقدر بزرگ‌ هستند که تفاوت جرم ‏مربوط به آنها قابل اندازه‌گیری می‌شود.

انرژی همبستگی اتم



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...7/SANIATOM.GIF
مفاهیم پایه

در فیزیک ، یک اصل کلی هست که می‌گوید برای متلاشی کردن یک سیستم یا مجموعه پایدار ، باید کار انجام داد، مثلا اگر سیستم از نوترونها و پروتونها که هسته اتم را ایجاد می‌کنند پایدار باشد، برای از هم سوا کردن آنها باید انرژی مصرف نمود. بر طبق قانون هم ارزی جرم و انرژی : ««جرم کلی یک هسته پایدار باید کمتر از مجموع جرمهای جداگانه نوترونها و پروتونهای تشکیل دهنده آن باشد و این اختلاف جرم باید معادل انرژی باشد که جهت متلاشی کردن کامل هسته لازم است، این انرژی موسوم به انرژی همبستگی اتم (Nuclear Binding Energy) می‌باشد.»»
محاسبه کمی

اکنون مقدار جرم نوترون و پروتون بر حسب گرم و همچنین بر حسب واحد جرم اتمی به‌دقت معلوم شده است، بنابراین چنین به نظر می‌رسد که هرگاه عدد جرمی و عدد اتمی عنصری معلوم باشد، می‌توانیم جرم اتمی آنرا به کمک فرمول زیر حساب نماییم:

M = Z×1.0076 + (A - Z)×1.0089

در این فرمول M جرم اتمی عنصری است که Z عدد اتمی و A عدد جرمی آن است و مقادیر 1.0076 و 1.0089 نیز به ترتیب جرم پروتون و نوترون بر حسب واحد جرم اتمی (amu) هستند. هنگامی که وجود عناصر ایزوتوپ به تحقق پیوست و توانستند ایزوتوپهای مختلف را مستقیما و دقیقا اندازه بگیرند، دریافتند که همیشه مقدار جرمی که از اندازه گیری عملی بدست می‌آید، کمتر از مقداری است که از طریق محاسبه نتیجه می‌شود.

بنابراین باید قبول کرد که در هر اتم ، یک نقص جرمی (Mass Defect) وجود دارد، یعنی مقداری از جرم پروتونها و نوترونهایی که هسته آنرا تشکیل می‌دهند، در ضمن تشکیل هسته از بین رفته‌اند. بنا بر نظریه نسبت ، نقص جرمی هر اتم در ضمن تشکیل هسته آن به انرزی تبدیل می‌گردد و مقدار این انرژی مساوی است با:

E=m c2

که در آن m نقص جرمی اتم است و c سرعت سیر نور در خلا و نیز E انرژی معادل نقص جرمی می‌باشد که آنرا «انرزی همبستگی هسته اتم» می‌نامند. برای اینکه بتوانیم هسته را به اجزای تشکیل دهنده خود متلاشی کنیم، همان مقدار انرزی همبستگی را باید صرف کنیم.
مثال عددی

هسته اتم هلیوم از دو عدد پروتون و دو عدد نوترون تشکیل شده است، بنابراین جرم اتمی آن باید مساوی باشد با: 4.033 = 1.0089×2 + 1.0076×2 . ولی اندازه گیری‌های بسیار دقیق ، جرم اتمی هلیوم را 4.0028 نشان می‌دهد. بنابراین در ضمن تشکیل هسته هلیوم باید معادل 0.0302 واحد جرم اتمی به انرژی تبدیل شده باشد. مقدار این انرزی بر حسب ارگ برای هر اتم گرم مساوی است با:

E = 0.0302×9×1020 = 0.2718×1020

هرگاه این انرژی را بر حسب الکترون ولت حساب نماییم، مقدار E = 28 MeV را بدست می‌آوریم که انرزی فوق‌العاده‌ای است. همچنین برای متلاشی ساختن یک هسته هلیوم به دو پروتون و دو نوترون ، باید این مقدار انرزی مصرف نمود. چنانکه می‌بینیم، هسته اتم هلیوم بسیار پایدار است و بدین دلیل ، آنرا در آزمایشگاههای هسته‌ای برای بمباران کردن و متلاشی ساختن هسته‌های دیگر بکار می‌برند.
واحدهای جرم و انرژی در سیستم cgs (یاد آوری)

• ارگ: مقدار کاری است که نیروی یک دین در فاصله یک سانتیمتری انجام می‌دهد.
• هر اتم گرم شامل N = 6.06×1023 عدد اتم است (عدد آووگادرو).
• هر الکترون ولت (Electron Volte) معادل 1.6x10-12 ارگ انرژی است.

http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...ee/ATOM111.GIF
وابستگی انرژی همبستگی اتم به پارامترهای هسته‌ای

هرگاه انرژی همبستگی هسته عناصر مختلف را در نظر بگیریم‌، می‌بینیم که مقدار آن تقریبا متناسب با عدد جرمی تغییر می‌کند. فقط در اتمهای سبک ، مقدار نسبی این انرژی برای عناصری که عدد جرمی آنها مضرب عدد 4 است (یعنی جرم هسته هلیوم) اندکی بیشتر است. هسته این عناصر از ذره آلفا تشکیل شده و بسیار پایدار است. هرگاه مقدار انرژی همبستگی هر هسته را بر عدد جرمی‌اش تقسیم نماییم، عددی بدست می‌آید که معرف پایدار بودن هسته مربوطه است و هر چه این عدد بزرگتر باشد، هسته پایدارتر است.

دیاگرامهای انرژی همبستگی هسته‌ها نشان می‌دهد که عناصری با عدد جرمی متوسط ، انرژی همبستگی نسبی بیشتر دارند و از سایر عناصر پایدارترند (هسته‌هایی که عدد جرمی آنها بین 40 و 100 می‌باشد). در واکنشهای هسته‌ای هر واکنشی که انرژی همبستگی نسبی آن بیشتر باشد، دارای مولد انرژی بیشتری خواهد بود.
مثال عملی

هرگاه اتمهای سبک در هم بیامیزند و اتم متوسط تشکیل دهند (تشکیل اتم هلیوم بوسیله 4 تا اتم هیدروژن) و همچنین در صورتی که یک هسته سنگین به دو هسته متوسط تقسیم شود، انرژی بدست خواهد آمد. پیلهای اتمی که در آنها از اورانیوم استفاده می‌شود، از این نوع می‌باشد. بهتر است بدانید بخاطر اینکه انرژی اتمی در داخل اتمها در حد داخل هسته‌های اتمی وجود دارد (بخاطر برد کوتاه نیروهای هسته‌ای) ، به زبان علمی نام انرژی هسته‌ای به آنها اطلاق می‌شود که از تجزیه مواد رادیو اکتیو طبیعی ، مقادیر بسیار مهمی از این انرژی تولید می‌شود.

واکنشهای هسته‌ای



واکنشهای هسته‌ای (Reactions Nuclear)


تبدیلات خود بخودی یا مصنوعی بعضی از هسته‌های اتمی به هسته دیگر که نتیجه بهم خوردن ترکیب ساختمان هسته یا تغییر در تعداد نوکلئونها (ذرات هسته‌ای) است واکنشهای هسته‌ای نام دارند.
روشهای انجام واکنشهای هسته‌ای

• تجزیه کامل تمامی هسته‌ها زمانی که بوسیله یک ذره یا انرژی فوق العاده زیاد برخورد کند (یا ذره دیگری جذب کنند) معمولا نوترون است.
• شکست هسته به دو هسته غیر مساوی توأم با انتشار پروتون ، نوترون ، ذره آلفا ، اشعه گاما و واکنشهای ترکیب هسته‌ای که تشکیل یک هسته سنگینتر در اثر تجدید ساختمان هسته عناصر سبکتر که همراه با آزاد شدن مقادیر زیاد انرژی است ، صورت می‌گیرد.
• انرژی حاصل از واکنشهای ترکیب یا (همجوشی) 8 برابر بیشتر از انرژی هسته‌ای واکنشهای شکست هسته‌ای است.

راههای مختلف تولید انرژی هسته‌ای

• شکافت هسته‌ای
• همجوشی هسته‌ای

http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...26/fission.gif
شکافت هسته‌ای (Nuclear Fission)

فرض می شود نوترون منفردی به یک قطعه ایزوتوپ 235U نفوذ کند در اثر برخورد به هسته اتم 235U ، اورانیوم به دو قسمت شکسته می‌شود، مقادیر زیادی نیز انرژی آزاد می‌گردد. در حدود (200Mev) اما مسئله مهمتر اینکه نتیجه شکستن هسته 235U آزادی دو نوترون است که می‌تواند دو هسته دیگر را شکسته و چهار نوترون را بوجود آورد.

این چهار نوترون نیز چهار هسته 235U را می‌شکند چهار هسته شکسته شده تولید هشت نوترون می‌کنند که قادر به شکستن همین تعداد هسته اورانیوم می‌باشند، سپس شکست هسته‌ای و آزاد شدن نوترونها بصورت زنجیروار به سرعت تکثیر و توسعه می‌یابد.

در هر دوره تعداد نوترونها دو برابر می‌شود، در یک لحظه واکنش زنجیری خود بخودی شکست هسته‌ای شروع می‌گردد. در واکنشهای کنترل شده تعداد شکست در واحد زمان و نیز مقدار انرژی به تدریج افزایش یافته و پس از رسیدن به مقداری دلخواه ثابت نگهداشته می‌شود. فرض کنیم یک ذره (a) به یک هسته ساکن (x) برخورد کند در نتیجه در واکنشهای هسته‌ای هسته (y) و ذره (b) تولید می‌شود که این واکنش را بصورت زیر می‌نویسم:

a + x → b + y

مراحل شکست 235U

1n + 235U → 234U → 144Ba+89Kr + 3 1n

در واکنش اخیر در نتیجه برخورد نوترون حرارتی به 235U آن را به 235U تحریک شده تبدیل می‌کند. نهایتا اورانیوم تحریک شده نیز بعد از شکافت ، به باریم و کریپتون و سه تا نوترون تولید می‌شود.
مواد قابل شکست (Fissionable Materials)

موادی که وقتی تحت تابش نوترون قرار می‌گیرند انجام یک واکنش شکست هسته ای را ممکن می سازند چنین خاصیتی در عناصر زیر وجود دارد: 239Pu ، 235U ، 235U ، ایزوتوپ 233U ، 235U بطور مصنوعی در راکتورهای هسته‌ای با تاباندن نوترون به 233Th بوجود می‌آید.
محصولات شکست اورانیوم (Uranium Fission Puroduets)

زمانی که هسته اتمی 235U به دو قسمت شکسته می‌شود عناصر زیر تولید می‌شوند: استرتیوم 90 ، کریپتون 91 ، ایتریوم 91 ، زیرکونیوم 95 ، 126I ، 137U ، باریم 142 ، سریم 144 قابل ذکر هستند.
همجوش هسته‌ای (Nuclear Fusion)

همجوشی هسته‌ای عبارت است از اتحاد عناصر سبک برای تشکیل عناصر سنگین تر که نوع واکنش را واکنش همجوشی گویند تا بحال در انفجار بمب هیدروژنی قوی و بسیار خوب تشخیص داده شده است. این واکنش برای انسان چندان مفید نیست و بنابراین دانشمندان بطور جدی کوشش می کنند تا واکنش همجوشی را کنترل کنند یعنی در کیف کاهش سرعت واکنش به درجه‌ای که بتواند برای مقاصد صلح جویانه مفید باشد.

در مرحله اول این واکنشها بصورت کنترل شده برای تولید برق استفاده می‌شود. همچنین انرژی تولید شده در این واکنش 8 برابر انرژی تولید شده سر در شکافت هسته‌ای می‌باشد. منشأ انرژی تابشی خورشید و دیگر ستاره‌ها یک سری از واکنشهای هسته‌ای انرژی زا است. اتمهایی که دراین واکنشها در درون ستاره شرکت می‌کنند کاملا یونیزه‌اند. یعنی تمامی الکترونها از آن کنده شده است. چنین مجموعه‌ای از ذرات باردا را پلاسما می‌نامند.

دوتریوم و تریتیوم ایزوتوپهای هیدروژن مواد قابل احتراق همجوشی هسته‌ای را تشکیل می‌دهند. هسته دوتریوم از یک نوترون و یک پروتون تشکیل می‌یابد. هسته تریتیوم دارای دو نوترون و یک پروتون است.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i.../5e/fusion.gif
سوختهای همجوشی

ملاحظات فرآیندهای طبیعی و نتایج حاصل از آنها نشان داده است که واکنشهای همجوشی گوناگونی وجود دارد. از جمله از واکنشهای همجوشی هسته‌ای واکنش دوترون با تریتیوم می‌باشد.
معادله واکنشهای همجوشی هسته‌ای

نخستین واکنش همجوشی قابل کنترل توسط رابطه زیر ارائه شد (ترکیب ایزوتوپهای هیدوژن)

2H + 3H → 1n + 4He

در این واکنش انرژیی معادل 17.6 Mev آزاد می‌شود، که از آن می‌شود در کادبردهای صنعتی و نظامی استفاده نمود.

همجوشی هسته‌ای

مقدمه

از دیرباز آرزوی بشر دستیابی به منبعی از انرژی بوده که علاوه بر آنکه بتواند مدت مدیدی از آن استفاده کند، تولید پسماندهای خطرناک نیز در پی نداشته باشد. اکنون در هزاره سوم میلادی این آرزوی به ظاهر دست نیافتنی کم کم به واقعیت می‌پیوندد. اکنون بشر خود را آماده می‌کند تا با ساخت اولین رآکتور گرما هسته‌ای (همجوشی هسته‌ای) آرزوی نیاکان خود را تحقق بخشد. سوختی پاک و ارزان به نام هیدروژن انرژی تولیدی سرشار و پسماندی بسیار پاک به نام هلیوم. اکنون به واکنشهای گرما هسته‌ای و راهکارهای استفاده از آن می‌پردازیم.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i.../5e/fusion.gif
خورشید و ستارگان

سالهاست که دانشمندان واکنشی را که در خورشید و ستارگان رخ داده و در آن انرژی تولید می‌کند کشف کرده‌اند. این واکنش عبارت است از ترکیب (برخورد) هسته‌های چهار اتم هیدروژن معمولی و تولید یک هسته اتم هلیوم. اما مشکلی سر راه این نظریه است. بالاترین دمایی که در خورشید وجود دارد مربوط به مرکز آن است که برابر 15ضرب در 10 به توان 6 می‌باشد. در حالی که در ستارگان بزرگتر این دما به 20 ضرب در ده به توان 6 می‌رسد. به همین خاطر تصور بر این است که آن واکنش معروف ترکیب چهار اتم هیدروژن معمولی و تولید یک اتم هلیوم در سایر ستارگان بزرگ نیست که باعث تولید انرژی می‌شود.

بلکه احتمالا چرخه کربن در آنها به کمک آمده و کوره آنها را روشن نگه می‌دارد. منظور از چرخه کربن آن چرخه‌ای نیست که روی زمین اتفاق می‌افتد، بلکه به این صورت است که ابتدا یک اتم هیدروژن معمولی با یک اتم 12C ترکیب می‌شود (همجوشی) و یک اتم 13N به همراه یک واحد پرتو گاما را آزاد می کند. بعد این اتم با یک واپاشی به یک اتم 13C به علاوه یک پوزیترون و یک نوترینو تبدیل می‌شود. بعد این 13C دوباره با یک اتم هیدروژن ترکیب می‌شود و 14N و یک واحد گاما حاصل می‌شود.

دوباره در اثر ترکیب این نیتروژن با یک هیدروژن معمولی اتم 15O و یک واحد گاما تولید می‌شود و 12C واپاشی کرده و 15N به علاوه یک پوزیترون و یک نوترینو را بوجود می‌آورد. و دست آخر با ترکیب 15N با یک هیدروژن معمولی 12C به علاوه یک اتم هلیوم بدست می‌آید.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...tqq_P00545.jpg


دیدید که در این چرخه 12C نه مصرف شد و نه بوجود آمد، بلکه فقط نقش کاتالیزگر را داشت. این واکنشها به ترتیب و پشت سر هم انجام می‌شوند. و واکنش اصلی همان تبدیل چهار اتم هیدروژن به یک اتم هلیوم است. مزیت چرخه کربن این است که سرعت کار را خیلی بالا می‌برد. ولی اشکالی که دارد این است که در دمای حد اقل20 ضرب در ده به توان 6 شروع می‌شود. بنابراین احتمال زیادی می‌رود که در ستاره‌های بزرگتر چرخه کربن باعث تولید انرژی می‌شود.
محصور سازی

یک تعریف ساده و پایه‌ای از همجوشی عبارت است از فرو رفتن هسته‌های چند اتم سبکتر و تشکیل یک هسته سنگین‌تر. مثلا واکنش کلی همجوشی که در خورشید رخ می‌دهد عبارت است از برخورد هسته‌های چهار اتم هیدروژن و تبدیل آنها به یک اتم هلیوم. تا اینجا ساده به نظر می‌رسد، ولی مشکلی اساسی سر راه است می‌دانید هسته از ذرات ریزی تشکیل شده است که پروتون و نوترون جزء لاینفک آن هستند. نوترون بدون بار و پروتون با بار مثبت که سایر بارهای مثبت را به شدت از خود می‌راند. مشکل مشخص شد؟ بله … اگر پروتونها (هسته‌های هیدروژن) یکدیگر را دفع می‌کنند، چگونه می‌توان آنها را در همجوشی شرکت داد؟

همانطور که حدس زدید راه حل اساسی آن است که به این پروتونها آن قدر انرژی بدهیم که انرژی جنبشی آنها بیشتر از نیروی دافعه کولنی آنها شود و پروتونها بتوانند به اندازه کافی به هم نزدیک شوند. حال چگونه این انرژی جنبشی را تولید کنیم؟ گرما راه حل خوبی است. در اثر افزایش دما جنب و جوش و به عبارت دیگر انرژی جنبشی ذرات بیشتر و بیشتر می‌شود، بطوری که تعداد برخوردها و شدت آنها بیشتر و بیشتر می‌شود. به نظر شما آیا دیگر مشکلی وجود ندارد؟ خیر ، مسئله اساسیتری سر راه است.

یک سماور پر از آب را تصور کنید. وقتی سماور را روشن می‌کنید با این کار به آب درون سماور گرما می‌دهید (انرژی منتقل می‌کنید). در اثر این انتقال انرژی دمای آب رفته رفته بالاتر می‌رود و به عبارتی جنب و جوش مولکولهای آب زیاد می‌شود. در این حالت بین مولکولهای آب برخوردهایی پدید می‌آید. هر مولکول که از شعله (یا المنت یا هر چیز دیگری) مقداری انرژی دریافت کرده است آنقدر جنب و جوش می‌کند تا بالاخره (به علت محدود بودن محیط سماور و آب) انرژی خود را به دیگری بدهد. مولکول بعدی نیز به نوبه خود همین عمل را انجام می‌دهد. بدین ترتیب رفته رفته انرژی منبع گرما در تمام آب پخش می‌شود و دمای آب بالا می‌رود. آیا وقتی بدنه سماور را لمس می‌کنیم هیچ گرمایی حس نمی کنیم؟ …بله حس می کنیم.

دلیلش هم برخورد مولکولهای پر انرژی آب با بدنه سماور و انتقال انرژی خود به آن. هدف ما از روشن کردن سماور گرم کردن آب بود نه سماور. امیدوارم تا اینجا پاسخ اولین مشکل اساسی بر سر راه همجوشی را دریافت کرده باشید. بله اگر اگر با صرف هزینه و زحمت بالا سوخت را به دمایی معادل میلیونها درجه کلوین برسانیم آیا این اتمها آنقدر صبر خواهند کرد تا با دیگر اتمها وارد واکنش شوند یا در اولین فرصت انرژی بالای خود را به دیواره داده و آن را نابود می‌کند؟ بنابراین نیاز به محصور سازی داریم، یعنی باید به طریقی اجازه ندهیم که این گرما به دیواره منتقل شود.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...qq_P00545B.jpg
رسیدن به دمای بالا

شروع واکنش همجوشی به دمای بسیار بالایی نیازمند است. درست است که دمای پانزده میلیون درجه دمای بسیار بالایی است و تصور بوجود آوردنش روی زمین مشکل و کمی هم وحشتناک می‌باشد، ولی معمولا در زندگی روزمره دور و برمان دماهای خیلی بالایی وجود دارند و ما از آنها غافلیم. مثلا وقتی در اثر اتصالی سیمهای برق داخل جعبه تقسیم می‌سوزد و شما صدای جرقه آنرا می‌شنوید و پس از بررسی متوجه می‌شوید که کاملا ذوب شده فقط بخاطر دمای وحشتناکی بوده که آن داخل بوجود آمده. این دما به حدود سی - چهل هزار درجه کلوین می‌رسد.

البته این دما برای همجوشی حکم طفل نی سواری را دارد. یا اینکه می‌توانیم با استفاده از ولتاژهای بسیار بالا قوسهای الکتریکی را از درون لوله‌های موئین عبور بدهیم. به این ترتیب دمای هوای داخل لوله که اکنون به پلاسما تبدیل شده به نزدیک چند میلیون درجه می‌رسد (که باز هم برای همجوشی کم است). یکی از بهترین راهها استفاده از لیزر است. می‌دانید که لیزرهایی با توانهای بسیار بالا ساخته شده‌اند. مثلا نوعی از لیزر به نام لیزر نوا (NOVA) می‌تواند در مدت کوتاهی انرژی معادل ده به توان پنج ژول تولید کند.

اما باز هم در کنار هر مزیت معایبی هست. مثلا این لیزر تبعا انرژی زیادی مصرف می‌کند که حتی با صرف نظر از آن مشکل دیگری هست که می‌گوید، اگر انرژی تولیدی لیزر در آن مدت کوتاه باید تحویل داده بشود پس برای برقرار ماندن معیار لاوسن (حالا که مدت زمان محصور سازی پایین آمده) باید چگالی بالاتر برود. که در این مورد از تراکم و چگالی جامد هم بالاتر می‌رود.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...qq_P00545C.jpg
انواع واکنشها

برای بهینه سازی کار رآکتورهای همجوشی و افزایش توان خروجی آنها راههای متعددی وجود دارد. یکی از این راهها انتخاب نوع واکنشی است که قرار است در رآکتور انجام بشود. واکنش زیر نوعی از واکنش همجوشی به صورتی است که در آن دو هسته سبک با یکدیگر واکنش داده و یک هسته سنگین‌تر را بوجود می‌آورند. یعنی حاصل ترکیب دو هسته دوتریم و تولید یک هسته ترتیم به علاوه یک هسته هیدروژن معمولی است. این واکنش انرژی ده می‌باشد. چون تفاوت انرژی بستگی هسته سنگین‌تر و هسته‌های سبکتر مقداری منفی است.

در این واکنش مقدار انرژی تولیدی برابر MeV4 می‌باشد. قبلا گفته شد که باید برای انجام همجوشی هسته‌ها به اندازه کافی به هم نزدیک بشوند. این مقدار کافی حدودا معادل 3 fm می‌باشد. چون در این فاصله‌ها انرژی پتانسیل الکتروستاتیکی دو دوترون در حدود MeV 0.5 هست پس می‌توانیم با این مقدار انرژی دادن به یکی از دوترونها دافعه کولنی بین دوترونها شکسته و واکنش را شروع کنیم که بعد از انجام مقدار MeV 4.5 تولید می شود (MeV 0.5 انرژی جنبشی به علاوه 4 MeV انرژی آزاد شده).

http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...khtehastei.jpg

زنجیره پروتون_پروتون
پروتونها جهت تشکیل اتمهای هلیوم پیچیده‌تر
تصادم می‌کنند و گداخته می‌شوند. در این فرآیند
آنها ذراتی پر انرژی نظیر نوترینو ،
پوزیترون و فوترون آزاد می‌کنند.


می‌توانیم رآکتور خود را طوری طراحی کنیم که دور دیواره بیرونی آن لیتیوم مایع تحت فشار جریان داشته باشد. این لیتیوم مایع گرمای تولیدی اضافی را از واکنش گرفته و به آب منتقل می‌کند و با تبدیل آن به بخار باعث می‌شود که توربین و ژنراتور به حرکت در آیند و برق تولید بشود.
اما چرا لیتیم؟

قبلا دیدید که مقرون به صرفه ترین واکنش در راکتور همجوشی واکنش دوتریم - ترتیم است. در این واکنش دیدید که یک نوترون پر انرژی تولید می‌شد. این مسأله یعنی نوترون زایی می‌تواند سبب تضعیف بخشهایی از رآکتور شود. از طرفی برای محیط زیست و مخصوصا سلامتی کسانی که در اطراف رآکتور فعالیت می‌کنند بسیار مضر است. اما اگر لیتیوم را به عنوان خنک کننده داشته باشیم این جریان لیتیم همچنین نقش مهم کند کنندگی را بازی خواهد کرد. به این صورت که با نوترون اضافی تولید شده در واکنش ترکیب شده و سوخت گران قیمت و بسیار کمیاب رآکتور رو که همان تریتیوم است تولید می‌کند. واکنش دقیق آن به شکل زیر است. البته در این مورد باید ضخامت لیتیوم مایع در جریان حداقل یک متر باشد.

بمب هسته‌ای

دید کلی

همه ما می‌دانیم چه انرژی عظیم و قابل ملاحظه‌ای در داخل اتمها وجود دارد. این انرژی همان است که عموما آن را انرژی اتمی می‌نامند. اما چون این انرژی در داخل هسته اتمها وجود دارد در زبان علمی نام دقیقتر آنرا انرژی هسته‌ای انتخاب کرده‌اند.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...uclearbomb.jpg



تحولاتی که به کشف بمب هسته‌ای منجر شد

هنگامی که دانشمند ایتالیایی به نام انریکو فرمی ، تجربیات و تحقیقات خود را در زمینه عملی ساختن فعل و انفعالات زنجیری مداوم دنبال می‌کرد. پیش بینی می‌شد که این فعل و انفعال ممکن است انفجاری باشد. به همین سبب ایالات متحده آمریکا که در جنگ جهانی دوم شرکت کرده بود، در صدد برآمد تحت عنوان مبارزه ضد فاشیستی ، نظر دانشمندان اروپایی را برای ساختن سلاح اتمی جلب کند. لذا آن را به ممالک متحده فرا خواند، تا در آنجا که دور از بمبهای دشمن قرار داشت و شرایط کار بهتر بود. امکان استفاده از این انرژی انفجاری را که در سلاحهای جنگی ، مخصوصا بمب مورد بررسی قرار دهند.

پس از گرد آمدن برجسته ترین دانشمندان ، ابتدا تجسساتی در زمینه تصفیه 235U و بعد ساختن پلوتونیوم در آزمایشگاههای چند دانشگاه مهم آمریکا از جمله دانشگاههای کلمبیا و کالیفرنیا صورت گرفت. نتیجه این تجسسات ، ساختن دو کارخانه بزرگ و مجهز برای تصفیه 235U و ساختن پلوتونیوم منجر گردید. سپس آزمایشگاه عظیم و مجهز ، لوس آلاموس در ایالت نیومکزیکو تحت نظر دانشمندان معروف . جی . آر . اوپن هایمر تأسیس شد.

دانشمندان معروف دیگری از کشورهای مختلف از قبیل جیمز چارویک ، اچ بث ، آر. آرویلسون ، نیلس بوهر و غیره ، برای ساختن بمب اتمی ، یعنی سلاحی که ممکن است سبب نابودی بشر و تمدن او گردد، همکاری کردند. در نتیجه تحقیقات دانشمندان ، اساس ساختمان بمب اتمی پی ریزی شد. البته بسیاری از وسایلی که برای بمب اتمی بکار رفت، به کلی افشا نشده ، با این حال با اطلاعات وسیعی که ضمن اظهارات رئیس طرح مانهاتان بدست آمد، طرز عمل تا اندازه‌ای روشن گردید.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...Explossion.png
تاریخچه اولین انفجارهای هسته‌ای

• اولین بار در شانزدهم ژوید سال 1945 ، بمب اتمی کوچک ، به عنوان آزمایش ، در صحرای الاموگوردو واقع در ایالت نیومکزیکو منفجر گردید. بمب را در انتهای بمبی از فولاد نصب کرده بودند و فرمان انفجار آن از پناهگاهی به فاصله 10 کیلومتر صادر می‌شد. محل دیده بانی ناظر این در 17 کیلومتری نقطه انفجار بود. نتیجه این آزمایش به قدری وحشت انگیز بود، که از آنچه قبلا پیش بینی شده بود تجاوز می‌کرد، از جمله برج فولادین حامل بمب به کلی تبخیر شده و در جای آن گودالی وسیع بوجود آمده بود.
• کمتر از یک ماه بعد ، بمب اتمی دیگری که قدرت تخریبی آن معادل (1000 تن TNT) بود، روی بندر هیروشیما در ژاپن منفجر گردید (انفجار هیروشیما)، که در نتیجه ، آن شهر به کلی ویران شد و چند هزار مردم به هلاکت رسیدند. فقط معدودی از سکنه اطراف شهر از این بلا جان به در بردند، که هنوز بازماندگان آنان از اثرات زیان بخش تشعشعات هسته‌ای آن رنج می‌برند.
• سومین بمب اتمی روز نهم ماه اوت روی شهر ناکازاکی منفجر شد و این دو فاجعه تاریخی کشور ژاپن را در مقابل ایالت متحده آمریکا به زانو در آورد. هر چند که پس از جنگ جهانی دوم دولت آمریکا نام طرح مانهاتان را به کمسیون انرژی اتمی تبدیل کرد و فعالیت این کمسیون را به موارد استفاده از انرژی اتمی در صنعت ، پزشکی و کشاورزی تخصیص داد و در حال حاضر یک کمسیون بین المللی نیز برای استفاده‌های صلح جویانه از انرژی اتمی فعالیت می‌کنند. بنابراین هنوز هم آزمایشهای سلاحهای هسته‌ای ادامه دارد و بدین وسیله دول بزرگ جهان در برابر یکدیگر قدرت نمایی می‌کنند.

http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...cano_small.JPG



ساختمان بمب هسته‌ای

• ساختار سلاح هسته‌ای به این صورت است که هر گاه مقدار عنصر قابل شکافت ، که از اندازه بحرانی بیشتر باشد، پدیده شکافت شروع می شود. این پدیده خیلی سریع پیشرفت می‌کند و با آزاد شدن مقادیر عظیم انرژی در مدت بسیار کوتاه ، انفجار مهیبی رخ می‌دهد. ولی از آنجایی که بمب باید در لحظه دلخواه منفجر شود، مقداری از 235U ، یا 239Pu را که خالص بوده و حجم کلی آن از اندازه بحرانی بیشتر باشد، به چند قسمت مجزا ، که هر یک از آنها از اندازه بحرانی کمتر است، تقسیم می‌کنند و این قسمتها را در محفظه‌ای طوری قرار می‌دهند که نوترونهایی که ممکن است در هر یک از آنها آزاد شوند، در قسمت دیگر نفوذ نکنند.
  
  در این تقسیم بندی هرگاه به هر روشی در یکی از اجزای بمب پدیده شکافت شروع شود، در لحظه‌ای که انفجار باید صورت گیرد، رخداد پدیده شکافت زنجیری و مداوم نخواهد بود. این مواد با جرمهای زیر جرم بحرانی عنصر قابل شکافت را به هم نزدیک می‌کنند. تا مجموع آنها از جرم بحرانی بیشتر شود و واکنش زنجیری به وقوع بپیوندد.
  
  نباید فراموش کرد که پیشرفت واکنش زنجیری بسیار سریع است و انفجار اتمی در قطعات اورانیوم فقط در حدود یک میلیونم ثانیه طول می‌کشد. لذا اگر اندازه‌های بحرانی زیر را به آهستگی به هم نزدیک کنیم. ممکن است قبل از تماس ، واکنش زنجیری شروع شود و شدت گرمای حاصل از شکافتهای اولیه به حدی گردد، که قبل از انفجار واقعی ، ماده قابل شکافت را متلاشی سازد و واکنش زنجیری به خاموشی گراید. برای رفع نقایص بمب هسته‌ای به صورت زیر عمل می‌کنیم:
• اولا اتصال قطعات اورانیوم بوسیله یک ماده منفجره قوی نظامی صورت می‌گیرد.
• ثانیا محفظه ماده اتمی را بسیار ضخیم و محکم می سازد. تا در آغاز واکنش زنجیری از متلاشی شدن ماده مزبور جلوگیری کند و سپس انفجار واقعی صورت گیرد.

بهینه سازی خروجی بمب و افزایش قدرت آن

• طرق مختلف نزدیک کردن قطعات اورانیوم یا پلوتونیوم به یکدیگر هنوز یک موضوع سری نظامی است. ولی واقعیت این است که هر چه سرعت اتصال قطعات زیادتر باشد، واکنش زنجیری سریعتر و و مقدار بیشتری از هسته‌های اورانیوم موجود شکافته شده و بهره سلاح اتمی بیشتر می‌شود.
• اصولا اتصال سریع قطعات است که انفجار مهیب بمب اتمی را بوجود می‌آورد. اگر منعکس کننده‌ای به دور ماده اتمی قرار داده شود، از فرار نوترونها جلوگیری نموده و شکافت زنجیری تسریع می‌گردد. استفاده از منعکس کننده نوترون ، وزن بحرانی را نیز تقلیل می‌دهد.
• باید توجه داشت که حتی در بهترین شرایط همه اورانیوم موجود در یک بمب اتمی تحت عمل شکافتن قرار نمی‌گیرد و در شرایط بسیار مناسب تنها در حدود 10 درصد ماده هسته‌ای شکافته می‌شود و بقیه در نتیجه ، انفجار تبدیل به غبار شده و در فضا پخش می‌گردند بدون اینکه هسته‌های آنها شکافته شوند.
• جرم بحرانی از اسرار نظامی است و ممالکی که آن را می‌دانند به شدت از فاش شدن آن جلوگیری می‌کنند. بنابرین از مطالبی که در این باره منتشر شده است، چنین بر می آید که جرم بحرانی باید بین ا و 10 کیلوگرم باشند.
• وجود جرم بحرانی ، افزایش قدرت بمب اتمی را محدود می‌کند. زیرا برای آنکه بتوانیم انفجاری ایجاد کنیم:
  • اولا نباید مقدار سوختی کمتر از جرم بحرانی بکار بریم و این مقدار حد پایین بمب اتمی را تعیین می‌کند.
  • ثانیا وزن هر یک از قطعات اورانیوم درون بمب نمی‌تواند بیش از وزن بحرانی باشد. زیرا در آن صورت هر قطعه خود به خود منفجر خواهد شد.
• ساختن بمبهای بیش از دو قطعه نیز بسیار مشکل است. زیرا اگر دو قطعه از قطعات اورانیوم ، حتی به اندازه یک میلیونم ثانیه قبل از قطعات دیگر به هم وصل شوند، انفجار اتمی صورت خواهد گرفت و باعث پراکندگی قطعات دیگر اورانیوم خواهد شد. قطعات دیگر مجال دخول در قطعات زنجیری را نخواهند یافت. به عبارت دیگر بطور کلی میزان اتمهای اورانیومی که در واکنشهای زنجیری وارد می‌شوند، با افزایش تعداد قطعات داخل بمب ، تقلیل می‌یابد و عمل انفجار ناقص می‌ماند.

بمب اتمی

نگاه اجمالی

آنچه خداوند در طبیعت به ودیعه نهاده است، اگر بصورت صحیح و در جهت درست مورد استفاده قرار گیرد، وسایل رفاه و آسایش بیشتر را تأمین خواهد کرد. اما اگر این امکانات خدادادی در جهت نادرست و نامشروع مورد بهره برداری قرار گیرند، نه تنها وسیله‌ای برای آرامش و آسایش او نخواهد بود، بلکه بلای جان او شده و وسیله‌ای برای تهدید هستی او تبدیل خواهد شد. یکی از این منابع طبیعی سنگ معدن اورانیوم است که اگر بصورت درست مورد استفاده قرار گیرد، بسیار مفید بوده و به تعداد فوق‌العاده‌ای می‌تواند انرژی برق مورد استفاده بشر را تأمین کند، اما متأسفانه استفاده‌های نادرست سبب شده است که این عنصر خدادادی ماده اولیه سلاحهای مرگبار باشد که بمب اتمی یکی از این نمونه‌ها می‌باشد.
تاریخچه

استفاده از انرژی هسته‌ای به مقیاس زیاد بین سالهای 1939 تا 1945 میلادی در ایالات متحده آمریکا انجام شد. این امر زیر فشار جنگ جهانی دوم ، بصورت نتیجه تلاشهای مشترک تعداد زیادی از دانشمندان و مهندسان صورت گرفت. دست اندرکارانی که در ایالات متحده به این کار اشتغال داشتند، آمریکایی ، بریتانیایی و پناهندگان اروپایی کشورهایی بودند که زیر سلطه فاشیسم قرار داشتند. تلاش آنان این بود که قبل از آلمانیها به یک سلاح هسته‌ای دست پیدا کنند ، این سلاح هسته‌ای همان بمب اتمی بود.
http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...omic_blast.jpg



بمب اتمی چیست؟

بمب اتمی در اصل یک راکتور هسته‌ای ‌کنترل نشده است که در آن یک واکنش هسته‌ای بسیار وسیع در مدت یک میلیونیم ثانیه در سراسر ماده صورت می‌گیرد. بنابراین ، این واکنش با راکتور هسته‌ای کنترل شده تفاوت دارد. در راکتور هسته‌ای کنترل شده ، شرایط به گونه‌ای سامان یافته است که انرژی حاصل از شکافت بسیار کندتر و اساسا با سرعت ثابت رها می‌شود. در این راکتور ، ماده شکافت پذیر به گونه‌ای با مواد دیگر آمیخته می‌شود که بطور متوسط ، فقط یک نوترون گسیل یافته از عمل شکافت موجب شکافت هسته دیگر می‌شود، و واکنش زنجیری به این طریق فقط تداوم خود را حفظ می‌کند. اما در یک بمب اتمی ، ماده شکافت‌پذیر خالص است، یعنی یک متعادل کننده آمیخته نیست و طراحی آن به گونه‌ای است که تقریبا تمام نوترونهای گسیل یافته از هر شکافت می‌تواند در هسته‌های دیگر شکافت ایجاد کند.
عناصر اصلی سازنده

بمب اتمی در طول جنگ جهانی دوم از راکتورهای هسته‌ای برای تولید مواد خام نوعی بمب هسته‌ای ، یعنی برای ساختن 239Pu از 235U استفاده می‌شد. هر دو این عناصر می‌توانند یک واکنش زنجیری کنترل نشده سریع ایجاد کنند. بمبهای هسته‌ای یا اتمی از هر دو این مواد ساخته می‌شوند. تنها یک بمب اتمی که از 235U ساخته شده بود، شهر هیروشیما در ژاپن را در 6 آگوست سال 1945 میلادی ویران کرد. بمب دیگری که از 239U در ساختن آن بکار برده شده بود، سه روز بعد شهر ناکازاکی کشور ژاپن را با خاک یکسان ساخت.
http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...p/6/6d/i4a.jpg



عواقب ناشی از بمب اتمی

یک مسئله فرعی ، ریزشهای رادیواکتیو حاصل از آزمایش بمبهای اتمی است. در انفجار بمب اتمی مقدار قابل توجهی محصولات شکافت رادیواکتیو پراکنده می‌شوند. این مواد بوسیله باد از یک بخش جهان به نقاط دیگر آن منتقل می‌شوند و بوسیله باران و برف از جو زمین فرو می‌ریزند. بعضی از این مواد رادیواکتیو طول عمر زیادی دارند، لذا بوسیله مواد غذایی گیاهی جذب شده و بوسیله مردم و حیوانات خورده می‌شوند. معلوم شده است که اینگونه مواد رادیواکتیو آثار ژنتیکی و همچنین آثار جسمانی زیان آوری دارند. یکی از فراوانترین محصولات حاصل از شکافت 235U یا 239Pu ، که از لحاظ شیمیایی شبیه 4020Ga است. بنابراین وقتی که 90Sr حاصل از ریزشهای رادیواکتیو وارد بدن می‌شود، به ماده استخوانی بدن راه می‌یابد. این عنصر می‌تواند با گسیل ذرات بتا با انرژی 0.54 میلیون الکترون ولت (نیم عمر 28 سال) نابود می‌شوند، که می‌تواند به سلولها آسیب رسانده و موجب بروز انواع بیماریها از قبیل تومور استخوان ، لوکمیا و ... ، بخصوص در کودکان در حال رشد ، می‌شود.

بمب هیدروژنی

دید کلی

همجوشی هسته‌ای بنیاد اصلی بمب هیدروژنی را تشکیل می‌دهد. همانطور که از شکافته شدن هسته‌های سنگین (شکافت هسته‌ای) ، مقدار عظیمی انرژی حاصل می‌شود. از پیوند هسته‌های سبک نیز انرژی بیشتری بدست می‌آید. در هر یک از دو حالت هسته‌هایی با جرم متوسط تشکیل می‌گردد، که جرم آنها کمتر از جرم اولیه‌ای است که برای تشکیل آنها بکار رفته است. در حالی که در روش شکافتن ، ماده اولیه منحصر به اورانیوم و توریم است. در روش پیوند هسته‌ای از هر اتم سبکی مثلا اتم هیدروژن می‌توان استفاده نمود.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...rogen-bomb.JPG
هیدروژن مورد نیاز در واکنش همجوشی هسته‌ای

هیدروژن موجود در تمامی آبهای اقیانوسها یکی از مواد اولیه روش پیوند هسته‌ها را تشکیل می‌دهد. هیدروژن سنگین که نسبت به هیدروژن معمولی فوق العاده نایاب است برای پیوند بسیار نامناسب بوده و با وجودی که در هر 6400 اتم هیدروژن ، فقط یک اتم آن هیدروژن سنگین می‌باشد، بنابراین مقدار هیدروژن موجود در اقیانوسها بسیار کافی است.
شرایط لازم برای انجام پیوند هسته‌ای

برای اینکه پیوند هسته‌ای انجام گیرد چه شرایطی لازم است؟

• برای انجام عمل پیوند با هسته دو اتم را به شدت به هم بزنیم، تا به هم پیوند خورده و در هم ذوب شوند. اما دافعه الکترواستاتیکی هسته ، مانع بزرگی در این راه جلوی پای ما گذاشته است. در فواصل بینهایت نزدیک این دافعه فوق العاده زیاد است. البته راه حل ساده‌ای به نظر می‌رسد، بدین معنی که بایستی به هسته‌ها آنقدر سرعت دهیم که از این مانع رد شوند. می‌دانیم که سرعت ذرات در هر گازی بستگی به درجه حرارت آن گاز دارد. پس کافی است درجه حرارت را آنقدر بالا ببریم تا سرعت لازم برای عبور از این مانع بدست آید.

http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...rogen-bomb.jpg

• درجه حرارت لازم برای این کار چندین میلیون درجه سانتیگراد است و چنین حرارتی در کره زمین وجود ندارد. اما اگر یک بمب اتمی در وسط توده‌ای از هسته‌های سبک منفجر شود، حرارت فوق العاده‌ای که از انفجار بمب حاصل می‌شود، حرارت هسته‌های سبک را به قدری بالا می‌برد که پیوند آنها را امکانپذیر سازد. این موضوع اساس ساختمان بمب حرارتی و هسته‌ای (ترمونوکلئور) می‌باشد.
• همانطوری که در کبریت عادی برای آتش گرفتن ابتدا فسفر موجود در آن بر اثر مالش محترق می‌شود و آنگاه گوگرد را روشن می‌سازد، در بمبهای (حرارتی و هسته‌ای) نیز ابتدا یک بمب اتمی معمولی منفجر می‌شود و در نتیجه انفجار توده‌ای از اجسام سبک را به حرارت فوق العاده‌ای می‌رساند، بطوری که هسته‌های آنها به هم می‌پیوندند و آنگاه انفجار مهیبتری انجام می‌گیرد.

بمبهای هیدروژنی

بعد از انفجار یک بمب اتمی معمولی ، عمل سرد شدن به سرعت انجام می‌گیرد. بنابراین ، باید فعل و انفعالاتی را در نظر گرفت که در آنها عمل پیوند به سرعت انجام گیرد. اگر یک بمب اتمی را در مخلوطی از دوتریوم و تریتیوم محصور کرده و مجموعه را در یک محفظه با مقاومت مکانیکی زیاد قرار دهیم، پس ازانفجار بمب اتمی محیط مساعدی برای یک فعل و انفعال ترمونوکلئور (فعل و انفعال هسته‌ای گرمازا) بوجود می‌آید و در اثر آن عمل پیوند هسته‌ها انجام شده و هلیوم بوجود می‌آید.

تریتیوم + دوتریوم <----- هلیوم + نوترون

در نتیجه این فعل و انفعال ، حدود هفده میلیون الکترون ولت ، انرژی آزاد می‌شود. این میزان انرژِی نسبت به واحد وزن ماده قابل انفجار ، در حدود چهار برابر انرژی است که از شکسته شدن اورانیوم حاصل می‌شود. به عبارت دیگر در موقع پیوند هسته‌های دوتریم و تریتیوم ، انرژی بیشتر بر واحد جرم نسبت به شکافته شدن هسته‌های اورانیوم رها می‌شود.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i.../0/03/mush.JPG
اشکالات اساسی ساخت بمب هیدروژنی

تهیه بمب هیدروژنی دو اشکال عمده دارد که عبارتند از:

• اولا باید دوتریوم و تریتیوم را به حالت مایع بکار برد. چون این دو عنصر در حالت معمول بصورت گاز هستند و در حرارت فوق العاده زیاد هم با کندی به هم پیوند می‌خورد. و لذا مجبورند آنها را در حرارتی معادل 250 درجه سانتیگراد زیر صفر نگه دارند. بطورری که وزن دستگاه لازم به وضع غیر عادی سنگین می‌شد و بمب با زحمت زیاد حمل و نقل می‌گردید و پرتاب آن بوسیله هواپیما بسیار مشکل بود.
• ثانیا اگر چه تهیه دوتریوم سهل است، اما تهیه تریتیوم فوق العاده مشکل و پر هزینه می‌باشد و برای تهیه آن باید در کوره اتمی عنصر لیتیوم را بوسیله نوترون بمباران کنند که از تجزیه متوالی آب بوسیله جریان الکتریکی ، آب سنگین بدست می‌آید. بطوری که دوتریوم یکی از عناصر مرکب آن است. از تجزیه آب سنگین (دوتریوم) بدست می‌آید.

اورانیوم






اطلاعات اولیه

اورانیوم یکی از عناصر شیمیایی جدول تناوبی است که نماد آن ، U و عدد اتمی آن 92 می‌باشد. اورانیوم که یک عنصر سنگین ، سمی ، فلزی ، رادیواکتیو و براق به رنگ سفید مایل به نقره‌ای می‌باشد، به گروه آکتیندها تعلق داشته و ایزوتوپ 235 آن برای سوخت راکتورهای هسته‌ای و سلاحهای هسته‌ای استفاده می‌شود.

معمولا اورانیوم در مقادیر بسیار ناچیز در صخره‌ها ، خاک ، آب ، گیاهان و جانوران از جمله انسان یافت می‌شود.

خصوصیتهای قابل توجه

اورانیوم هنگام عمل پالایش به رنگ سفید مایل به نقره‌ای فلزی با خاصیت رادیواکتیوی ضعیف می‌باشد که کمی از فولاد نرم‌تر است. این فلز چکش‌خار ، رسانای جریان الکتریسیته و کمی Paramagnetic می‌باشد. چگالی اورانیوم 65% بیشتر از چگالیسرب می‌باشد. اگر اورانیوم به‌خوبی جدا شود، بشدت از آب سرد متاثر شده و در برابر هوا اکسید می‌شود. اورانیوم استخراج شده از معادن ، می‌تواند به‌صورت شیمیایی به دی‌اکسید اورانیوم و دیگر گونه‌های قابل استفاده در صنعت تبدیل شود.

گونه‌های اورانیوم در صنعت

اورانیوم در صنعت سه گونه دارد:

• آلفا (Orthohombic) که تا دمای 667.7 درجه پایدار است.
• بتا (Tetragonal) که از دمای 667.7 تا 774.8 درجه پایدار است.
• گاما (Body-centered cubic) که از دمای 774.8 درجه تا نقطه ذوب پایدار است. ( این رساناترین و چکش‌خوارترین گونه اورانیوم می‌باشد.)

دو ایزوتوپ مهم ان U235 و U238> می‌باشند که U235 مهمترین برای راکتورهای و سلاحهای هسته‌ای است. چرا که این ایزوتوپ تنها ایزوتوپی است که طبیعت وجود دارد و در هر مقدار ممکن توسط نوترونهای حرارتی شکافته می‌شود. ایزوتوپ U238 نیز از این جهت مهم است که نوترونها را برای تولید ایزوتوپ رادیواکتیو جذب کرده و آن را به ایزوتوپ Pu239 پلوتونیوم تجزیه می‌کند. ایزوتوپ مصنوعی U233 نیز شکافته شده و توسط بمباران نوترونی Thorium232 بوجود می‌آید.

اورانیوم اولین عنصر یافته شده بود که می‌توانست شکافته شود. برای نمونه با بمباران آرام نوترونی ایزوتوپ U235 آن به ایزوتوپ کوتاه عمر U236 تبدیل شده و بلافاصله به دو هسته کوچکتر تقسیم می‌شود که این عمل انرژی آزاد کرده و نوترونهای بیشتری تولید می‌کند.

اگر این نوترونها توسط هسته U235 دیگری جذب شوند، عملکرد حلقه هسته‌ای دوباره اتفاق می‌افتد و اگر چیزی برای جذب نوترونها وجود نداشته باشد، به حالت انفجاری در می‌آیند. اولین بمب اتمی با این اصل جواب داد (شکاف هسته‌ای). نام دقیقتر برای این بمبها و بمبهای هیدروژنی(آمیزش هسته‌ای) ، سلاحهای هسته‌ای می‌باشد.

کاربردها

فلز اورانیوم بسیار سنگین و پرچگالی می‌باشد.

• اورانیوم خالی توسط بعضی از ارتشها برای ساخت محافظ برای تانکها و ساخت قسمتهایی از موشکها و ادوات جنگی استفاده می‌شود. ارتشها همچنین از اورانیوم غنی‌شده برای سوخت ناوگان خود و زیردریایی‌ها و همچنین سلاحهای هسته‌ای استفاده می‌کنند. سوخت استفاده شده در راکتورهای ناوگان ایالات متحده معمولا اورانیوم U235 غنی شده می‌باشد. اورانیوم موجود در سلاحهای هسته‌ای بشدت غنی می‌شوند که این مقدار بصورت تقریبی 90% می‌باشد.
• مهمترین کاربرد اورانیوم در بخش غیر نظامی تامین سوخت دستگاههای تولید نیروی هسته‌ای است که در آنها سوخت U235 به میزان 2الی3% غنی می‌شود. اورانیوم تخلیه شده در هلیکوپترها و هواپیماها به‌عنوان وزن متقابل بر هر بار استفاده می‌شود.
• لعاب ظروف سفالی از مقدار کمی اورانیوم طبیعی تشکیل شده است ( که داخل فرایند غنی سازی نمی‌شود ) که این عنصر برای اضافه کردن رنگ با آن اضافه می‌شود.
• نیمه عمر طولانی ایزوتوپ اورانیوم 238 آن را برای تخمین سن سنگهای آتشفشانی مناسب میسازد.
• U235 در راکتورهای هسته‌ای Breeder به پلوتونیوم تبدیل می‌شود و پلوتونیوم نیز در ساخت بمبهای هیدروژنی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
• استات اورانیوم در شیمی تحلیلی کاربرد دارد.
• برخی از لوازم نوردهنده از اورانیوم و برخی در مواد شیمیایی عکاسی مانند نیترات اورانیوم استفاده می‌کنند.
• معمولا کودهای فسفاتی حاوی مقدار زیادی اورانیوم طبیعی می‌باشند، چرا که مواد کانی که آنها از آنجا گرفته شده‌اند، حاوی مقدار زیادی اورانیوم می‌باشند.
• فلز اورانیوم برای اهداف اشعه ایکس در ساخت این اشعه با انرژی بالا استفاده می‌شود.
• این عنصر در وسایل Interial Guidance و Gyro Compass استفاده می‌شود.

تاریخچه


http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...e/e7/atrak.jpg بارگذاری میله‌های سوخت اتمی در راکتور
استفاده از اورانیوم به شکل اکسید طبیعی آن به سال 79 میلادی بر می‌گردد، یعنی زمانی که این عنصر برای اضافه کردن رنگ زرد به سفال لعابدار استفاده شد (شیشه زرد با یک در صد اورانیوم در نزدیکی ناپل ایتالیا کشف شده است. ) کشف این عنصر به شیمیدان آلمانی به نام "مارتین هنریچ کلاپرس" اختصاص داده شد که در سال 1789 اورانیوم را به صورت قسمتی از کانی که آن را pitchblende نامید، کشف شد. نام این عنصر را بر اساس سیاره اورانوس که هشت سال قبل از آن کشف شده بود برگزیده شد. این عنصر در سال 1841 به صورت فلز جداگانه توسط "eugne melchior peligot" استفاده شد.

در سال 1896 "هانری بکرل" فیزیکدان فرانسوی برای اولین بار به خاصیت رادیواکتیویته آن پی برد. در پروژه Manhattan نامهای Tuballoy و Oralloy برای اورانیوم طبیعی و اورانیوم غنی شده بکار برده شد. این اسامی هنوز نیز برای اورانیوم غنی شده و اورانیوم طبیعی بکار برده می شوند.

در آغاز قرن بیستم تفحص و جستجو برای یافتن معادن رادیو اکتیو در ایالات متحده آغاز شد. منابع رادیوم که حاوی کانی‌های اورانیوم نیز می‌بودند، برای استفاده آنها در رنگ ساعتهای شب‌نما و دیگر ابزار جستجو شدند. در طی جنگ جهانی دوم اورانیوم از نظر اهداف دفاعی اهمیت پیدا کرد. در سال 1943 Union Mines Development Corporation کنگره ای را در کلرادو به منظور استفاده ارتش از قدرت اتمی در پروژه Manhattan تشکیل داد.

برای اطمینان از ذخایر کافی اورانیوم این کنگره US Atomic Enecry Act of 1946 را ایجاد و کمیسیون انرژی اتمی را بوجود آورد. در دهه 1960 ملزومات ارتش تزلزل یافت و در اواخر سال 1970 دولت برنامه تهیه اورانیوم خود را کامل کرد. همزمان با همین مساله بازار دیگری بوجود آمد که درواقع همان کارخانه‌های نیروگاه‌های هسته‌ای اقتصادی بود.

ترکیبات

تترا فلوروئید اورانیوم UF4که به نمک سبز معروف است یک محصول میانی هگزافلورید اورانیوم می‌باشد. هگزا فلورید اورانیوم UF6 جامد است که در دمای بالای 56 درجه سانتی‌گراد بخار می‌شود. UF6 ترکیب اورانیوم است که برای دو فرایند غنی سازی Gaseous Diffusion و Centrifuge استفاده می‌شود و در صنعت با نام ساده Hex خوانده میشود.

Yellowcake اورانیوم غلیظ شده است. نام این عنصر بدلیل رنگ و شکل آن در هنگام تولید می‌باشد اگرچه تولید امروزه Yellowcake بیشتر به رنگ سبز مایل به سیاه میگراید تا زرد. Yellowcake تقریبا 70 تا 90 درصد اکسید اورانیوم دارد. U3O8

Diuranate آمونیوم محصول جنبی تولید Yellowcake می‌باشد که رنگ آن زرد درخشان می‌باشد که گاهی اوقات باعث اشتباه شده و Yellowcake نامیده میشود اما این نام درست این محصول نم‌یباشد.

پیدایش

http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...aniumUSGOV.jpg
اورانیوم عنصر طبیعی است که تقریبا در تمام سنگها آب و خاک به میزان کم یافت می‌شود و بنظر می‌رسد که مقدار آن از Antimony ، برلیوم ، کادیوم ، جیوه ، طلا ، نقره و تنگستن بیشتر باشد و این فراوانی در حد آرسنیک و مولیبدنیوم است. این عنصر در بیشتر کانی‌های اورانیومی از قبیل Pitchblende، Uraninite ،Autunite ، Uranophane tobernite و Coffinite یافت می‌شود.
br>مقدار بیشتری از اورانیوم در موادی از قبیل صخره‌های فسفاتی و کانی‌هایی مانند Lignite و Monazite یافت می‌شود که بیشتر برای مصارف اقتصادی از همین منابع استخراج می‌شود. از آنجا که اورانیوم نیمه عمر رادیواکتیوی طولانی 4.47x109 سال برای U-238 دارد مقدار آن همیشه در زمین ثابت میماند.

بنظر میرسد که فرو پاشی اورانیوم و واکنشهای هسته‌ای آن با توریوم همان منبع گرمایی عظیمی است که در هسته زمین ، باعث ذوب شدن قسمت خارجی هسته زمین گردیده و باعث ایجاد حرکت پوسته‌ای زمین می‌شود.

معدن اورانیوم صخره ای است که محل تمرکز اورانیومی می‌باشد که مقدار اقتصادی آن ، یک تا چهار پوند اکسید اورانیوم در هر تن است که تقریبا 0.05 تا 0.20 درصد اکسید اورانیوم دارد.

تولید و توزیع

اورانیوم اقتصادی از طریق کاهش هالیدهای اورانیوم با خاک فلزات قلیایی تولید می‌شود. همچنین فلز اورانیوم می‌تواند از طریق عمل الکترولیز 5KUF یا Uf4 که در (CaCl2 و NaCl حل شده است، بدست آید. اورانیوم خالص نیز از طریق تجزیه حرارتی هالیدهای اورانیوم حاصل می‌شود.

در سال 2001 ، مالکان راکتورهای هسته‌ای غیر نظامی آمریکا از این کشور و منابع خارجی 21300 تن اورانیوم خریداری کردند. قیمت پرداخت شده برای هر کیلوگرم اورانیوم حدودا 26.39 دلار بود که در مقایسه با سال 1998 16% کاهش داشت. در سال 2001 ایالات متحده 1018 تن اورانیوم از 7 عملیات معدنی در غرب رود می‌سی‌سی‌پی تولید کرد. اورانیوم بیشتر توسط فرانسوی ها در کشورهای جهان توزیع شده است.


http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...y_Standard.jpg
معمولا کشورهای بزرگتر اورانیوم بیشتری در مقایسه با کشورهای کوچکتر تولید می‌کنند، چرا که گسترش و توزیع اورانیوم در جهان یک شکل و یکنواخت است. کشور استرالیا ذخایر بسیار زیادی از این عنصر دارد که تقریبا 30% ذخایر دنیا را شامل می‌شود.

ایزوتوپها

اورانیوم طبیعی از 3 ایزوتوپ U-238, U-235, U-234 تشکیل شده است که U-238 فراوانترین آنها (99.3%) می باشد. این سه ایزوتوپ رادیو اکتیو بوده که نیمه عمر آنها عبارت است از U-235 4.5x109 سال که پایدارترین آنها می باشد. U-235 7x108 سال و U234 2.5x105 سال.

ایزوتوپهای اورانیوم می‌توانند از هم جدا شوند تا تمرکز یک ایزوتوپ بر دیگری را افزایش دهند. این فرایند ، غنی سازی نام دارد. وزن U-235 برای غنی شدن باید 0.711 درصد افزایش یابد. اورانیوم م235 برای استفاده در سلاحهای هسته‌ای و نیروگاه های اتمی مناسبتر است. این فرایند مقادیر بسیاری اورانیوم بوجود می‌آورد که در U-235 تخلیه می شوند و خالصترین اورانیوم یعنی U238 اورانیوم خالی یا DU نام دارد. اگر ایزوتوپ 235 بخواهد تخلیه شود باید وزنش 0.711 درصد کم شود.

هشدارها

تمام ترکیبات اورانیوم سمی و رادیو اکتیو هستند. سمی بودن این عنصر می‌تواند کشنده باشد. در مقادیر بسیار کم خاصیت سمی بودن این عنصر به کلیه آسیب می‌رساند. خواص رادیواکتیوی این عنصر نیز سیستماتیک و نظام بند است. در کل ترکیبات اورانیوم به‌سختی جذب روده و ریه می‌شوند و خطرات رادیولوژیکی آن باقی می‌ماند. فلز خالص اورانیوم نیز خطر آتش‌سوزی به همراه دارد.

فرد ممکن است با تنفس غبار اورانیوم در هوا یا خوردن و آشامیدن آب و غذا در معرض این عنصر قرار بگیرد. البته بیشتر این عمل از طریق خوردن آب و غذا صورت می‌گیرد. جذب روزانه اورانیوم در غذا 0.07 تا 1.1 میکروگرم می‌باشد. مقدار اورانیوم در هوا معمولا بسیار ناچیز است. افرادی که در کنار تاسیسات هسته‌ای دولت و یا معادن استخراج اورانیوم زندگی می‌کنند، بیشتر در معرض این عنصر قرار می‌گیرند.

آورانیوم ممکن است که درطریق تنفس یا بلع و یا در موارد استثنایی از طریق شکافی روی پوست وارد بدن شود. اورانیوم توسط پوست جذب نمی‌شود و ذرات آلفای ساتع شده از این عنصر نمی‌تواند به پوست نفوذ کند. بنابراین اورانیومی که خارج از بدن باشد، نمی‌تواند به اندازه اورانیوم داخل بدن مضر و خطرناک باشد. اگر اورانیوم به بدن وارد شود، ممکن است موجب سرطان شده یا به کلیه‌ها آسیب برساند.

غنی سازی اورانیوم



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...f3/hasteyi.gif
مقدمه

سنگ معدن اورانیوم موجود در طبیعت از دو ایزوتوپ 235U به مقدار 0.7 درصد و 238U ‏به مقدار 3.99 درصد تشکیل شده است. سنگ معدن را ابتدا در اسید حل کرده و ‏بعد از تخلیص فلز ، اورانیوم را بصورت ترکیب با اتم فلوئور (9F ) و بصورت مولکول ‏اورانیوم هگزا فلوراید تبدیل می‌کنند که به حالت گازی است. سرعت متوسط ‏مولکولهای گازی با جرم مولکولی گاز نسبت عکس دارد.
غنی سازی با دستگاه سانتریفیوژ

سانتریفیوژ دستگاهی است که برای جدا سازی مواد از یکدیگر بر اساس وزن آنها استفاده می‌شود. این دستگاه مواد را با سرعت زیاد حول یک محور به گردش در می‌آورد و مواد متناسب با وزنی که دارند از محور فاصله می‌گیرند. در واقع در این روش برای جدا سازی مواد از یکدیگر از شتاب ناشی از نیروی گریز از مرکز استفاده می‌گردد، کاربرد عمومی این دستگاه برای جداسازی مایع از مایع و یا مایع از جامد است. سانتریفیوژهایی که برای غنی سازی 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 غنی سازی اورانیوم استفاده کنند از تکنولوژی خاصی بنام Gaseous Diffusion به معنی پخش و توزیع گازی استفاده می‌کردند.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...Fuel_Cycle.JPG
غنی سازی با دیفوزیون گازی Gaseous Diffusion

گراهان در سال 1864 پدیده‌ای را کشف کرد که در آن سرعت متوسط مولکولهای ‏گاز با معکوس جرم مولکولی گاز متناسب بود. از این پدیده که به نام دیفوزیون ‏گازی مشهور است برای غنی سازی اورانیوم استفاده می‌کنند. در عمل اورانیوم ‏هگزا فلوراید طبیعی گازی شکل را از ستونهایی که جدار آنها از اجسام متخلخل ‏‏(خلل و فرج دار) درست شده است عبور می‌دهند. سوراخهای موجود در جسم ‏متخلخل باید قدری بیشتر از شعاع اتمی یعنی در حدود 2.5 آنگسترم (7-‏25x10 سانتیمتر) باشد.

ضریب جداسازی متناسب با اختلاف جرم مولکولها است. روش غنی سازی ‏اورانیوم تقریبا مطابق همین اصولی است که در اینجا گفته شد. با وجود این ‏می‌توان به خوبی حدس زد که پرخرج ترین مرحله تهیه سوخت اتمی همین ‏مرحله غنی سازی ایزوتوپها است، زیرا از هر هزاران کیلو سنگ معدن اورانیوم ‏‏140 کیلوگرم اورانیوم طبیعی بدست می‌آید که فقط یک کیلوگرم 235U ‏خالص در آن وجود دارد. Gaseous Diffusion از جمله تکنولوژیهایی بود که ایالات متحده طی جنگ جهانی دوم در پروژه‌ای بنام منهتن (Manhattan) برای ساخت بمب هسته‌ای ، با کمک انگلیس و کانادا به آن دست پیدا کرد.

در این روش با تکرار استفاده از این صفحات ***** مانند ، بصورت آبشاری (Cascade) ، میزان 235U را به مقدار دلخواه بالا می‌بردند. این روش اولین راهکارهای صنعتی برای غنی سازی اورانیوم بود که کابرد عملی پیدا کرد. نمونه‌ای از سانتریفیوژهای گازی آبشاری که برای غنی سازی اورانیوم از آنها استفاده می‌شود. Hyper-Centrifuge اما در روش استفاده از سانتریفیوژ برای غنی سازی اورانیوم ، تعداد بسیار زیادی از این دستگاهها بصورت سری و موازی بکار می‌برند تا با کمک آن بتوانند غلظت 235U را افزایش دهند.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...fuelcycle1.jpg



گاز هگزافلوراید اورانیوم (UF6) در داخل سیلندرهای سانتریفیوژ تزریق می‌شود و با سرعت زیاد به گردش در آورده می‌گردد. گردش سریع سیلندر ، نیروی گریز از مرکز بسیار قوی تولید می‌کند و طی آن مولکولهای سنگینتر (آنهایی که شامل ایزوتوپ 238U هستند) از مرکز محور گردش دورتر می‌گردند و برعکس آنها که مولکولهای سبکتری دارند (حاوی ایزوتوپ 235U ) بیشتر حول محور سانتریفیوژ قرار می‌گیرند.

در این هنگام با استفاده از روشهای خاص گازی که حول محور جمع شده است جمع آوری شده به مرحله دیگر یعنی دستگاه سانتریفیوژ بعدی هدایت می‌گردد. میزان گاز هگزافلوراید اورانیوم شامل 235U که در این روش از یک واحد جداسازی بدست می‌آید به مراتب بیشتر از مقداری است که در روش قبلی (Gaseous Diffusion) بدست می‌آید، به همین علت است که امروزه در بیشتر نقاط جهان برای غنی سازی اورانیوم از این روش استفاده می‌کنند.

بزرگترین دستگاههای آبشاری سانتریفیوژ در کشورهایی مانند فرانسه ، آلمان ، انگلستان و چین در حال غنی سازی اورانیوم هستد. این کشورها علاوه بر مصرف داخلی به صادرات اورانیوم غنی شده نیز می‌پردازند. کشور ژاپن هم دارای دستگاههای بزرگ سانتریفیوژ است، اما تنها برای مصرف داخلی اورانیوم غنی شده تولید می‌کند.
غنی سازی اورانیم از طریق میدان مغناطیسی

یکی از روشهای غنی سازی اورانیوم استفاده از میدان مغناطیسی بسیار قوی می‌باشد. در این روش ابتدا اورانیوم هگزا فلوئورید را حرارت می‌دهند تا تبخیر شود. از طریق تبخیر ، اتمهای اورانیوم و فلوئورید از هم تفکیک می‌شوند. در این حالت ، اتمهای اورانیوم را به میدان مغناطیسی بسیار قوی هدایت می‌کنند. میدان مغناطیسی بر هسته‌های باردار اورانیم نیرو وارد می‌کند ( این نیرو به نیروی لورنتس معروف می‌باشد) و اتمهای اورانیوم را از مسیر مستقیم خود منحرف می‌کند. اما هسته‌های سنگین اورانیم (238U ) نسبت به هسته‌های سبکتر (235U ) انحراف کمتری دارند و درنتیجه از این طریق می‌توان 235U را از اورانیوم طبیعی تفکیک کرد.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...fuel_cycle.JPG
کاربردهای اورانیوم غنی شده

• شرایطی ایجاد کرده اند که نسبت 235U به 238U را به 5 درصد می‌‏رساند. برای این کار و تخلیص کامل اورانیوم از سانتریفوژهای بسیار قوی استفاده ‏می‌کنند.
• برای ساختن نیروگاه اتمی ، اورانیوم طبیعی و یا اورانیوم غنی شده بین 1 تا 5 ‏درصد کافی است.
• برای تهیه بمب اتمی حداقل 5 تا 6 کیلوگرم 235U صد درصد خالص نیاز ‏است. در صنایع نظامی از این روش استفاده نمی‌شود و بمبهای اتمی را از 239Pu که سنتز و تخلیص شیمیایی آن بسیار ساده‌تر است تهیه ‏می‌کنند.

نحوه تولید سوخت پلوتونیوم رادیو اکتیو

این عنصر ناپایدار را در نیروگاههای بسیار قوی می‌سازند که تعداد نوترونهای ‏موجود در آنها از صدها هزار میلیارد نوترون در ثانیه در سانتیمتر مربع تجاوز ‏می‌کند. عملا کلیه بمبهای اتمی موجود در زراد خانه‌های جهان از این عنصر ‏درست می‌شود.‏ روش ساخت این عنصر در داخل نیروگاههای هسته‌ای به این صورت که ‏ایزوتوپهای 238U شکست پذیر نیستند، ولی جاذب نوترون کم انرژی هستند. تعدادی از نوترونهای حاصل از شکست 235U را ‏جذب می‌کنند و تبدیل به 239U می‌شوند. این ایزوتوپ از اورانیوم بسیار ‏ناپایدار است و در کمتر از ده ساعت تمام اتمهای بوجود آمده تخریب ‏می‌شوند.

در درون هسته پایدار 239U یکی از نوترونها خود به خود به ‏پروتون و یک الکترون تبدیل می‌شود. بنابراین تعداد پروتونها یکی اضافه شده و عنصر جدید را که 93 پروتون دارد ‏نپتونیوم می‌نامند که این عنصر نیز ناپایدار است و یکی از نوترونهای آن خود به ‏خود به پروتون تبدیل شده و در نتیجه به تعداد پروتونها یکی اضافه شده و عنصر ‏جدید پلوتونیم را که 94 پروتون دارد ایجاد می‌کنند. این کار حدودا در مدت یک هفته ‏صورت می‌گیرد.

ایزوتوپهای اورانیوم

دید کلی

برحسب نظریه اتمی عنصر عبارت است از یک جسم خالص ساده که با روشهای شیمیایی نمی‌توان آنرا تفکیک کرد. از ترکیب عناصر با یکدیگر اجسام مرکب بوجود می‌آیند. تعداد عناصر شناخته شده در ‏طبیعت حدود 92 عنصر است. هیدروژن اولین و ساده‌ترین عنصر و پس از آن هلیوم ، کربن ، ازت ، اکسیژن ‏و ... فلزات روی ، مس ، آهن ، نیکل و ... و بالاخره آخرین عنصر طبیعی به شماره 92، عنصر اورانیوم است. ‏بشر توانسته است بطور مصنوعی و به کمک واکنشهای هسته‌ای در راکتورهای هسته‌ای و یا به ‏کمک شتاب دهنده‌های قوی بیش از 20 عنصر دیگر بسازد که تمام آنها ناپایدارند و عمر کوتاه دارند و به ‏سرعت با انتشار پرتوهایی تخریب می‌شوند.



{picture=tr> ‏
ایزوتوپهای عناصر

اتمهای یک عنصر از اجتماع ذرات بنیادی به نام پرتون ، نوترون و الکترون تشکیل یافته‌اند. پروتون بار مثبت و ‏الکترون بار منفی و نوترون فاقد بار است. تعداد پروتونها نام و محل قرار گرفتن عنصر در جدول تناوبی ‏‏(جدول مندلیف) مشخص می‌شود. اتم اورانیوم در خانه شماره 92 قرار دارد. یعنی دارای 92 پروتون است. ‏تعداد نوترونها در اتمهای مختلف یک عنصر همواره یکسان نیست که برای مشخص کردن آنها از کلمه ‏ایزوتوپ استفاده می‌شود.

بنابراین اتمهای مختلف یک عنصر را ایزوتوپ می‌گویند. مثلا عنصر هیدروژن ‏سه ایزوتوپ دارد: هیدروژن معمولی که فقط یک پروتون دارد و فاقد نوترون است. هیدروژن سنگین یک پروتون ‏و یک نوترون دارد که به آن دوتریوم گویند و نهایتا تریتیوم که از دو نوترون و یک پروتون تشکیل شده و ناپایدار ‏است و طی زمان ، تجزیه می‌شود. ایزوتوپ سنگین هیدروژن یعنی دوتریم در نیروگاههای اتمی کاربرد دارد و از الکترولیز آب بدست می‌آید. ‏در جنگ دوم جهانی آلمانیها برای ساختن نیروگاه اتمی و تهیه بمب اتمی در سوئد و نروژ مقادیر بسیار ‏زیادی آب سنگین تهیه کرده بودند که انگلیسیها متوجه منظور آلمانیها شده و مخازن و دستگاههای ‏الکترولیز آنها را نابود کردند.‏
ایزوتوپهای اورانیوم

• عنصر اورانیوم ، چهار ایزوتوپ دارد که فقط دو ایزوتوپ آن به علت داشتن نیمه عمر نسبتا بالا در طبیعت و در ‏سنگ معدن یافت می‌شوند. این دو ایزوتوپ عبارتند از 235U و 238U که در هر دو 92 پروتون ‏وجود دارد ولی اولی 143 و دومی 146 نوترون دارد. ‏
• اختلاف این دو فقط وجود 3 نوترون اضافی در ایزوتوپ سنگین است. ولی از نظر خواص شیمیایی این دو ‏ایزوتوپ کاملا یکسان هستند و برای جداسازی آنها از یکدیگر حتما باید از خواص فیزیکی آنها یعنی اختلاف ‏جرم ایزوتوپها استفاده کرد.

شکافت هسته‌ای اورانیوم

ایزوتوپ 235U شکست پذیر است و در نیروگاههای اتمی از این خاصیت استفاده می شود و حرارت ‏ایجاد شده در اثر این شکست را تبدیل به انرژی الکتریکی می‌نمایند. در واقع ورود یک نوترون به درون ‏هسته این اتم سبب شکست آن شده و به ازای هر اتم شکسته شده Mev‎‏200 (دویست میلیون الکترون ولت) ‏انرژی و دو تکه شکست و تعدادی نوترون حاصل می‌شود که می‌توانند اتمهای دیگر را بشکنند. بنابراین ‏در برخی از نیروگاهها ترجیح می‌دهند تا حدی این ایزوتوپ را در مخلوط طبیعی دو ایزوتوپ غنی کنند و ‏بدین ترتیب مسئله غنی سازی اورانیوم مطرح می‌شود.‏
کاربرد ایزوتوپهای اورانیوم

• در راکتورهای هسته‌ای به عنوان سوخت بکار می‌روند.‏
• در نیروگاههای هسته‌ای برای تولید انرژی الکتریکی بکار برده می‌شود.‏
• در ساخت انواع مهمات هسته‌ای از جمله بمبهای هسته‌ای ، بمب هیدروژنی و ... کاربرد دارند.‏
• بطور کلی می‌توان موارد ذیل را به عنوان مصادیق کاربرد تکنیکهای هسته‌ای در حوزه پزشکی نام برد:

1. تهیه و تولید رادیو داروی ید-131، حهت تشخیص بیماریهای تروئید و درمان آنها.
2. در درمان بیماریهای سرطانی ، تومورهای مغزی و غیره بکار می‌گیرند.‏
3. تهیه و تولید کیتهای رادیو دارویی جهت مراکز پزشکی هسته‌ای.
4. کنترل کیفی رادیو داروهای خوراکی و تزریقی برای تشخیص ودرمان بیماریها.

• کاربرد انرژی اتمی در بخش دامپزشکی و دامپروری.
• کاربرد تکنیکهای هسته‌ای در مدیریت منابع آب.
• کاربرد انرژی هسته‌ای در بخش صنایع غذایی و کشاورزی.
• کاربرد انرژی هسته‌ای در صنایع.
• کاربرد تکنیک هسته‌ای در شناسایی مینهای ضد نفر.

برق هسته‌ای

مقدمه

از مهمترین منابع استفاده صلح آمیز از انرژی اتمی ، ساخت راکتورهای هسته‌ای جهت تولید برق می‌باشد. راکتور هسته‌ای وسیله‌ای است که در آن فرآیند شکافت هسته‌ای بصورت کنترل شده انجام می‌گیرد. در طی این فرآیند انرژی زیاد آزاد می‌گردد به نحوی که مثلا در اثر شکافت نیم کیلوگرم اورانیوم انرژی معادل بیش از 1500 تن زغال سنگ بدست می‌آید. هم اکنون در سراسر جهان ، راکتورهای متعددی در حال کار وجود دارند که بسیاری از آنها برای تولید قدرت و به منظور تبدیل آن به انرژی الکتریکی ، پاره‌ای برای راندن کشتیها و زیردریائیها ، برخی برای تولید رادیو ایزوتوپوپها و تحقیقات علمی و گونه‌هایی نیز برای مقاصد آزمایشی و آموزشی مورد استفاده قرار می‌گیرند. در راکتورهای هسته‌ای که برای نیروگاههای اتمی طراحی شده‌اند (راکتورهای قدرت) ، اتمهای اورانیوم و پلوتونیم توسط نوترونها شکافته می‌شوند و انرژی آزاد شده گرمای لازم را برای تولید بخار ایجاد کرده و بخار حاصله برای چرخاندن توربینهای مولد برق بکار گرفته می‌شوند.
http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...arreactors.jpg



انواع راکتور اتمی

راکتورهای اتمی را معمولا برحسب خنک کننده ، کند کننده ، نوع و درجه غنای سوخت در آن طبقه بندی می‌کنند. معروفترین راکتورهای اتمی ، راکتورهایی هستند که از آب سبک به عنوان خنک کننده و کند کننده و اورانیوم غنی شده (2 تا 4 درصد 235U) به عنوان سوخت استفاده می‌کنند. این راکتورها عموما تحت عنوان راکتورهای آب سبک (LWR) شناخته می‌شوند. راکتورهای PWR ، BWR و WWER از این دسته‌اند. نوع دیگر ، راکتورهایی هستند که از گاز به عنوان خنک کننده ، گرافیت به عنوان کند کننده و اورانیوم طبیعی یا کم غنی شده به عنوان سوخت استفاده می‌کنند. این راکتورها به گاز - گرافیت معروفند. راکتورهای GCR ، AGR و HTGR از این نوع می‌باشند.

راکتور PHWR راکتوری است که از آب سنگین به عنوان کند کننده و خنک کننده و از اورانیوم طبیعی به عنوان سوخت استفاده می‌کند. نوع کانادایی این راکتور به CANDU موسوم بوده و از کارایی خوبی برخوردار می‌باشد. مابقی راکتورها مثل FBR (راکتوری که از مخلوط اورانیوم و پلوتونیوم به عنوان سوخت و سدیم مایع به عنوان خنک کننده استفاده کرده و فاقد کند کننده می‌باشد) LWGR (راکتوری که از آب سبک به عنوان خنک کننده و از گرافیت به عنوان کند کننده استفاده می‌کند) از فراوانی کمتری برخوردار می‌باشند. در حال حاضر ، راکتورهای PWR و پس از آن به ترتیب PHWR ، WWER ، BWR فراوانترین راکتورهای قدرت در حال کار جهان می‌باشند.
تاریخچه

به لحاظ تاریخی اولین راکتور اتمی در آمریکا بوسیله شرکت "وستینگهاوس" و به منظور استفاده در زیر دریائیها ساخته شد. ساخت این راکتور پایه اصلی و استخوان بندی تکنولوژی فعلی نیروگاههای اتمی PWR را تشکیل داد. سپس شرکت جنرال الکتریک موفق به ساخت راکتورهایی از نوع BWR گردید. اما اولین راکتوری که اختصاصا جهت تولید برق طراحی شده ، توسط شوروی و در ژوئن 1954در "آبنینسک" نزدیک مسکو احداث گردید که بیشتر جنبه نمایشی داشت. تولید الکتریسیته از راکتورهای اتمی در مقیاس صنعتی در سال 1956 در انگلستان آغاز گردید.

تا سال 1965 روند ساخت نیروگاههای اتمی از رشد محدودی برخوردار بود، اما طی دو دهه 1966 تا 1985 جهش زیادی در ساخت نیروگاههای اتمی بوجود آمده است. این جهش طی سالهای 1972 تا 1976 که بطور متوسط هر سال 30 نیروگاه شروع به ساخت می‌کردند بسیار زیاد و قابل توجه است. یک دلیل آن شوک نفتی اوایل دهه 1970 می‌باشد که کشورهای مختلف را بر آن داشت تا جهت تأمین انرژی مورد نیاز خود بطور زاید الوصفی به انرژی هسته‌ای روی آورند. پس از دوره جهش فوق یعنی از سال 1986 تا کنون روند ساخت نیروگاهها به شدت کاهش یافته ، بطوریکه بطور متوسط سالیانه 4 راکتور اتمی شروع به ساخت می‌شوند.
http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...ressurized.gif



سهم برق هسته‌ای در تولید برق کشورها

کشورهای مختلف در تولید برق هسته‌ای روند گوناگونی داشته‌اند. به عنوان مثال کشور انگلستان که تا سال 1965 پیشرو در ساخت نیروگاه اتمی بود، پس از آن تاریخ ، ساخت نیروگاه اتمی در این کشور کاهش یافت، اما برعکس در آمریکا به اوج خود رسید. کشور آمریکا که تا اواخر دهه 1960 تنها 17 نیروگاه اتمی داشت، در طول دهه های 1970و 1980 بیش از 90 نیروگاه اتمی دیگر ساخت. این مسئله نشان دهنده افزایش شدید تقاضای انرژی در آمریکاست. هزینه تولید برق هسته‌ای در مقایسه با تولید برق از منابع دیگر انرژی در آمریکا کاملا قابل رقابت می‌باشد.

هم اکنون فرانسه با داشتن سهم 75 درصدی برق هسته‌ای از کل تولید برق خود در صدر کشورهای جهان قرار دارد. پس از آن به ترتیب لیتوانی (73 درصد) ، بلژیک (57 درصد) ، بلغارستان و اسلواکی (47 درصد) و سوئد (48.6 درصد) می‌باشند. آمریکا نیز حدود 20 درصد از تولید برق خود را به برق هسته‌ای اختصاص داده است. گرچه ساخت نیروگاههای هسته‌ای و تولید برق هسته‌ای در جهان از رشد انفجاری اواخر دهه 1960 تا اواسط 1980 برخوردار نیست، اما کشورهای مختلف همچنان درصدد تأمین انرژی مورد نیاز خود از طریق انرژی هسته‌ای می‌باشند.

طبق پیش بینیهای به عمل آمده روند استفاده از برق هسته‌ای تا دهه‌های آینده همچنان روند صعودی خواهد داشت. در این زمینه ، منطقه آسیا و اروپای شرقی به ترتیب مناطق اصلی جهان در ساخت نیروگاه هسته‌ای خواهند بود. در این راستا ، ژاپن با ساخت نیروگاههای اتمی با ظرفیت بیش از 25000 مگا وات در صدر کشورها قرار دارد. پس از آن چین ، کره جنوبی ، قزاقستان ، رومانی ، هند و روسیه جای دارند. استفاده از انرژی هسته‌ای در کشورهای کاندا ، آرژانتین ، فرانسه ، آلمان ، آفریقای جنوبی ، سوئیس و آمریکا تقریبا روند ثابتی را طی دو دهه آینده طی خواهد کرد.
دیدگاههای اقتصادی و زیست محیطی برق هسته‌ای

جمهوری اسلامی ایران در فرآیند توسعه پایدار خود به تکنولوژی هسته‌ای چه از لحاظ تأمین نیرو و ایجاد جایگزینی مناسب در عرصه انرژی و چه از نظر دیگر بهره برداریهای صلح آمیز آن در زمینه‌های صنعت ، کشاورزی ، پزشکی و خدمات نیاز مبرم دارد که تحقق این رسالت مهم به عهده سازمان انرژی اتمی ایران می‌باشد. بدیهی است در زمینه کاربرد انرژی هسته‌ای به منظور تأمین قسمتی از برق مورد نیاز کشور قیود و فاکتورهای بسیار مهمی از جمله مسایل اقتصادی و زیست محیطی مطرح می‌گردند.
http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...H_E_Hasteh.jpg



دیدگاه اقتصادی استفاده از برق هسته‌ای

امروزه کشورهای بسیاری بویژه کشورهای اروپایی سهم قابل توجهی از برق مورد نیاز خود را از انرژی هسته‌ای تأمین می‌نمایند. بطوری که آمار نشان می‌دهد از مجموع نیروگاههای هسته‌ای نصب شده جهت تأمین برق در جهان به ترتیب 35 درصد به اروپای غربی ، 33 درصد به آمریکای شمالی ، 16.5 درصد به خاور دور ، 13درصد به اروپای شرقی و نهایتا فقط 0.74 درصد به آسیای میانه اختصاص دارد. بدون شک در توجیه ضرورت ایجاد تنوع در سیستم عرضه انرژی کشورهای مذکور ، انرژی هسته‌ای به عنوان یک گزینه مطمئن اقتصادی مطرح است.

بنابراین ابعاد اقتصادی جایگزینی نیروگاههای هسته‌ای با توجه به تحلیل هزینه تولید (قیمت تمام شده) برق در سیستمهای مختلف نیرو قابل تأمل و بررسی است. از اینرو در اغلب کشورها ، نیروگاههای هسته‌ای با عملکرد مناسب اقتصادی خود از هر لحاظ با نیروگاههای سوخت فسیلی قابل رقابت می‌باشند. بهرحال طی چند دهه گذشته کاهش قیمت سوختهای فسیلی در بازارهای جهانی ، سبب افزایش هزینه‌های ساخت نیروگاههای هسته‌ای به دلیل تشدید مقررات و ضوابط ایمنی ، طولانیتر شدن مدت ساخت و بالاخره باعث ایجاد مشکلات تأمین مالی لازم و بالا رفتن قیمت تمام شده هر واحد الکتریسیته در این نیروگاهها شده است.

از یک طرف مشاهده می‌شود که طی این مدت حدود 40 درصد از هزینه‌های چرخه سوخت هسته‌ای کاهش یافته است و از سویی دیگر با توجه به پیشرفتهای فنی و تکنولوژی حاصل از طرحهای استاندارد و برنامه ریزیهای دقیق به منظور تأمین سرمایه اولیه مورد نیاز مطمئن و به هنگام احداث چند واحد در یک سایت برای صرفه‌ جوییهای ناشی از مقیاس مربوط به تأسیسات و تسهیلات مشترک مورد نیاز در هر نیروگاه ، همچنان مزیت نیروگاههای اتمی از دیدگاه اقتصادی نسبت به نیروگاههای با سوخت فسیلی در اغلب کشورها حفظ شده است.
دیدگاه زیست محیطی استفاده از برق هسته‌ای

افزایش روند روزافزون مصرف سوختهای فسیلی طی دو دهه اخیر و ایجاد انواع آلاینده‌های خطرناک و سمی و انتشار آن در محیط زیست انسان ، نگرانیهای جدی و مهمی برای بشر در حال و آینده به دنبال دارد. بدیهی است که این روند به دلیل اثرات مخرب و مرگبار آن در آینده تداوم چندانی نخواهد داشت. از اینرو به جهت افزایش خطرات و نگرانیها تدریجی در مورد اثرات مخرب انتشار گازهای گلخانه‌ای ناشی از کاربرد فرآیند انرژیهای فسیلی ، واضح است که از کاربرد انرژی هسته‌ای بعنوان یکی از رهیافتهای زیست محیطی برای مقابله با افزایش دمای کره زمین و کاهش آلودگی محیط زیست یاد می‌شود. همچنانکه آمار نشان می‌دهد، در حال حاضر نیروگاههای هسته‌ای جهان با ظرفیت نصب شده فعلی توانسته‌اند سالانه از انتشار 8 درصد از گازهای دی اکسید کربن در فضا جلوگیری کنند که در این راستا تقریبا مشابه نقش نیروگاههای آبی عمل کرده‌اند.

چنانچه ظرفیتهای در دست بهره برداری فعلی تولید برق نیروگاههای هسته‌ای ، از طریق نیروگاههای با خوراک ذغال سنگ تأمین می‌شد، سالانه بالغ بر 1800 میلیون تن دی اکسید کربن ، چندین میلیون تن گازهای خطرناک دی اکسید گوگرد و نیتروژن ، حدود 70 میلیون تن خاکستر و معادل 90 هزار تن فلزات سنگین در فضا و محیط زیست انسان منتشر می‌شد که مضرات آن غیرقابل انکار است. لذا در صورت رفع موانع و مسایل سیاسی مربوط به گسترش انرژی هسته‌ای در جهان بویژه در کشورهای در حال توسعه و جهان سوم ، این انرژی در دهه‌های آینده نقش مهمی در کاهش آلودگی و انتشار گازهای گلخانه‌ای ایفا خواهد نمود.

در حالیکه آلودگیهای ناشی از نیروگاههای فسیلی سبب وقوع حوادث و مشکلات بسیار زیاد بر محیط زیست و انسانها می‌شود، سوخت هسته‌ای گازهای سمی و مضر تولید نمی‌کند و مشکل زباله‌های اتمی نیز تا حد قابل قبولی رفع شده است، چرا که در مورد مسایل پسمانداری با توجه به کم بودن حجم زباله‌های هسته‌ای و پیشرفتهای علوم هسته‌ای بدست آمده در این زمینه در دفن نهایی این زباله‌ها در صخره‌های عمیق زیرزمینی با توجه به حفاظت و استتار ایمنی کامل ، مشکلات موجود تا حدود زیادی از نظر فنی حل شده است و طبیعتا در مورد کشور ما نیز تا زمان لازم برای دفع نهایی پسماندهای هسته‌ای ، مسائل اجتماعی باقیمانده از نظر تکنولوژیکی کاملا مرتفع خواهد شد.

از سوی دیگر بنظر می‌رسد که بیشترین اعتراضات و مخالفتها در زمینه استفاده از انرژی اتمی بخاطر وقوع حوادث و انفجارات در برخی از نیروگاههای هسته‌ای نظیر حادثه اخیر در نیروگاه چرنوبیل می‌باشد، این در حالی است که براساس مطالعات بعمل آمده احتمال وقوع حوادثی که منجر به مرگ عده‌ای زیاد بشود نظیر تصادف هوایی ، شکسته شدن سدها ، انفجارات زلزله ، طوفان ، سقوط سنگهای آسمانی و غیره ، بسیار بیشتر از وقایعی است که نیروگاههای اتمی می‌توانند باعث گردند.

به هر حال در مورد مزایای نیروگاههای هسته‌ای در مقایسه با نیروگاههای فسیلی صرفنظر از مسایل اقتصادی علاوه بر اندک بودن زباله‌های آن می‌توان به تمیزتر بودن نیروگاههای هسته‌ای و عدم آلایندگی محیط زیست به آلاینده‌های خطرناکی نظیر SO2 ، NO2 ، CO ، CO2 پیشرفت تکنولوژی و استفاده هرچه بیشتر از این علم جدید ، افزایش کارایی و کاربرد تکنولوژی هسته‌ای در سایر زمینه‌های صلح آمیز در کنار نیروگاههای هسته‌ای اشاره نمود.
http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...ar_reactor.jpg



مقایسه هزینه‌های اجتماعی تولید برق در نیروگاههای فسیلی و اتمی

در مجموع ارزیابیهای اقتصادی و مطالعات بعمل آمده در مورد مقایسه هزینه تولید (قیمت تمام شده) برق در نیروگاههای رایج فسیلی کشور و نیروگاه اتمی نشان می‌دهد که قیمت این دو نوع منبع انرژی صرفنظر از هزینه‌های اجتماعی ، تقریبا نزدیک به هم و قابل رقابت با یکدیگر هستند. چنانچه قیمت مصرف انرژیهای فسیلی برای نیروگاههای کشور برمبنای قیمتهای متعارف بین المللی منظور شوند و همچنین در شرایطی که نرخ تسعیر هر دلار در کشور 8000 ریال تعیین گردد، هزینه تولید (قیمت تمام شده) هر کیلووات ساعت برق در نیروگاههای فسیلی و اتمی بشرح زیر می باشد.

در تازه‌ترین مطالعه‌ای که برای تعیین هزینه‌های اجتماعی نیروگاههای هسته‌ای در 5 کشور اروپایی بلژیک ، آلمان ، فرانسه ، هلند و انگلستان صورت گرفته است، میزان هزینه‌های اجتماعی ناشی از نیروگاههای هسته‌ای در مقایسه با نیروگاههای فسیلی بسیار پائین است. در این مطالعه هزینه‌های خارجی هر کیلووات ساعت برق تولیدی در نیروگاههای هسته‌ای در حدود 0.39 سنت( معادل 31.2 ریال) برآورده شده است. بنابراین در صورتیکه هزینه‌های اجتماعی تولید برق را در ارزیابیهای اقتصادی نیروگاههای فسیلی و هسته‌ای منظور نمائیم قطعا قیمت تمام شده هر کیلووات ساعت برق در نیروگاه هسته‌ای نسبت به فسیلی بطور قابل ملاحظه‌ای کاهش خواهد یافت.

به هر حال نیروگاههای فسیلی و هسته‌ای هر کدام دارای مزایا و معایب خاص خود می‌باشند و ایجاد هر یک متناسب با مقتضیات زمانی و مکانی هر کشور خواهد بود و انتخاب نهایی و تصمیم گیری در این زمینه می‌بایست با توجه به فاکتورهایی از قبیل عوامل تکنولوژیکی ، ارزشی ، سیاسی ، اقتصادی و زیست محیطی توأما اتخاذ گردد. قدر مسلم ایجاد تنوع در سیستم عرضه و تأمین انرژی از استراتژیهای بسیار مهم در زمینه توسعه سیستم پایدار انرژی در هر کشور محسوب می شود. در این راستا با توجه به بررسیهای صورت گرفته ، شورای انرژی اتمی کشور مصمم به ایجاد نیروگاههای اتمی به ظرفیت کل 6000 مگاوات در سیستم عرضه انرژی کشور تا سال 1400 هجری شمسی می‌باشد.
چشم انداز

سایر دیدگاههای اقتصادی در مورد آینده انرژی هسته‌ای حاکی از آن است که براساس تحلیل سطح تقاضا و منابع عرضه انرژی در جهان ، توجه به توسعه تکنولوژیهای موجود و حقایقی نظیر روند تهی شدن منابع فسیلی در دهه های آینده، مزیتهای زیست محیطی انرژی اتمی و همچنین استناد به آمار و عملکرد اقتصادی و ضریب بالای ایمنی نیروگاههای هسته ای، مضرات کمتر چرخه سوخت هسته ای نسبت به سایر گزینه های سوخت و پیشرفتهای حاصله در زمینه نیروگاههای زاینده و مهار انرژی گداخت هسته ای در طول نیم قرن آینده، بدون تردید انرژی هسته ای یکی از حاملهای قابل دسترس و مطمئن انرژی جهان در هزاره سوم میلادی به شمار می‌رود.

در این راستا شورای جهانی انرژی تا سال 2020 میلادی میزان افزایش عرضه انرژی هسته‌ای را نسبت به سطح فعلی حدود 2 برابر پیش بینی می‌نماید. با توجه به شرایط موجود چنانچه از لحاظ اقتصادی هزینه‌های فرصتی فروش نفت و گاز را با قیمتهای متعارف بین المللی در محاسبات هزینه تولید (قیمت تمام شده) برای هر کیلووات برق تولیدی منظور نمائیم و همچنین تورم و افزایش احتمالی قیمتهای این حاملها (بویژه طی مدت اخیر) را براساس روند تدریجی به اتمام رسیدن منابع ذخایر نفت و گاز جهانی مد نظر قرار دهیم، یقینا در بین گزینه‌های انرژی موجود در جمهوری اسلامی ایران ، استفاده از حامل انرژی هسته‌ای نزدیکترین فاصله ممکن را با قیمت تمام شده برق در نیروگاههای فسیلی خواهد داشت.
مباحث مرتبط با عنوان

راکتور هسته‌ای

دید کلی

راکتورهای هسته‌ای دستگاه‌هایی هستند که در آنها شکافت هسته‌ای کنترل شده رخ می‌دهد. راکتورها برای تولید انرژی الکتریکی و نیز تولید نوترون‌ها بکار می‌روند. اندازه و طرح راکتور بر حسب کار آن متغیر است. فرآیند شکافت که یک نوترون بوسیله یک هسته سنگین (با جرم زیاد) جذب شده و به دنبال آن به دو هسته کوچکتر همراه با آزاد سازی انرژی و چند نوترون دیگر شکافته می‌شود.
تاریخچه

اولین انرژی کنترل شده ناشی از شکافت هسته در دسامبر 1942 بدست آمد. با رهبری فرمی ساخت و راه اندازی یک پیل از آجرهای گرافیتی ، اورانیوم و سوخت اکسید اورانیوم با موفقیت به نتیجه رسید. این پیل هسته‌ای ، در زیر میدان فوتبال دانشگاه شیکاگو ساخته شد و اولین راکتور هسته‌ای فعال بود.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i.../reactor_1.jpg
ساختمان راکتور

با وجود تنوع در راکتور‌ها ، تقریبا همه آنها از اجزای یکسانی تشکیل شده‌اند. این اجزا شامل سوخت ، پوشش برای سوخت ، کند کننده نوترونهای حاصله از شکافت ، خنک کننده‌ای برای حمل انرژی حرارتی حاصله از فرآیند شکافت ماده کنترل کننده برای کنترل نمودن میزان شکافت می‌باشد.
سوخت هسته‌ای

سوخت راکتورهای هسته‌ای باید به گونه‌ای باشد که متحمل شکافت حاصله از نوترون بشود. پنج نوکلئید شکافت پذیر وجود دارند که در حال حاضر در راکتورها بکار می‌روند. 232Th ، 233U ، 235U ، 238U ، 239Pu . برخی از این نوکلئیدها برای شکافت حاصله از نوترونهای حرارتی و برخی نیز برای شکافت حاصل از نوترونهای سریع می‌باشند. تفاوت بین سوخت یک خاصیت در دسته‌بندی راکتورها است.

در کنار قابلیت شکافت ، سوخت بکار رفته در راکتور هسته‌ای باید بتواند نیازهای دیگری را نیز تأمین کند. سوخت باید از نظر مکانیکی قوی ، از نظر شیمیایی پایدار و در مقابل تخریب تشعشعی مقاوم باشد، تا تحت تغییرات فیزیکی و شیمیایی محیط راکتور قرار نگیرد. هدایت حرارتی ماده باید بالا باشد بطوری که بتواند حرارت را خیلی راحت جابجا کند. همچنین امکان بدست آوردن ، ساخت راحت ، هزینه نسبتا پایین و خطرناک نبودن از نظر شیمیایی از دیگر فایده‌های سوخت است.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i.../reactor_2.jpg
غلاف سوخت راکتور

سوختهای هسته‌ای مستقیما در داخل راکتور قرار داده نمی‌شوند، بلکه همواره بصورت پوشیده شده مورد استفاده قرار می‌گیرند. پوشش یا غلاف سوخت ، کند کننده و یا خنک کننده از آن جدا می‌سازد. این امر از خوردگی سوخت محافظت کرده و از گسترش محصولات شکافت حاصل از سوخت پرتو دیده به محیط اطراف جلوگیری می‌کند. همچنین این غلاف می‌تواند پشتیبان ساختاری سوخت بوده و در انتقال حرارت به آن کمک کند. ماده غلاف همانند خود سوخت باید دارای خواص خوب حرارتی و مکانیکی بوده و از نظر شیمیایی نسبت به برهمکنش با سوخت و مواد محیط پایدار باشد. همچنین لازم است غلاف دارای سطح مقطع پایینی نسبت به بر همکنشهای هسته‌ای حاصل از نوترون بوده و در مقابل تشعشع مقاوم باشد.
مواد کند کننده نوترون

یک کند کننده ماده‌ای است که برای کند یا حرارتی کردن نوترونهای سریع بکار می‌رود. هسته‌هایی که دارای جرمی نزدیک به جرم نوترون هستند بهترین کند کننده می‌باشند. کند کننده برای آنکه بتواند در راکتور مورد استفاده قرار گیرد بایستی سطح مقطع جذبی پایینی نسبت به نوترون باشد. با توجه به خواص اشاره شده برای کند کننده ، چند ماده هستند که می‌توان از آنها استفاده کرد. هیدروژن ، دوتریم ، بریلیوم و کربن چند نمونه از کند کننده‌ها می‌باشند. از آنجا که بریلیوم سمی است، این ماده خیلی کم به عنوان کند کننده در راکتور مورد استفاده قرار می‌گیرد. همچنین ایزوتوپهای هیدروژن ، به شکل آب و آب سنگین و کربن ، به شکل گرافیت به عنوان مواد کند کننده استفاده می‌شوند.
خنک کننده‌ها

گرمای حاصله از شکافت در محیط راکتور یا باید از سوخت زدوده شود و یا در نهایت این گرما بقدری زیاد شود که میله‌های سوخت را ذوب کند. حرارتی که از سوخت گرفته می‌شود ممکن است در راکتور قدرت برای تولید برق بکار رود. از ویژگیهایی که ماده خنک کننده باید داشته باشد، هدایت حرارتی آن است تا اینکه بتواند در انتقال حرارت مؤثر باشد. همچنین پایداری شیمیایی و سطح مقطع جذب پایین‌تر از نوترون دو خاصیت عمده ماده خنک کننده است. نکته دیگری که باید به آن اشاره شود این است که این ماده نباید در اثر واکنشهای گاما دهنده رادیواکتیو شوند.

از مایعات و گازها به عنوان خنک کننده استفاده شده‌ است، مانند گازهای دی اکسید کربن و هلیوم. هلیوم ایده‌آل است ولی پر هزینه بوده و تهیه مقادیر زیاد آن مشکل است. خنک کننده‌های مایع شامل آب ، آب سنگین و فلزات مایع هستند. از آنجا که برای جلوگیری از جوشیدن آب فشار زیادی لازم است خنک کننده ایده‌آلی نیست.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i.../8/8a/z223.jpg
مواد کنترل کننده شکافت

برای دستیابی به فرآیند شکافت کنترل شده و یا متوقف کردن یک سیستم شکافت پس از شروع ، لازم است که موادی قابل دسترس باشند که بتوانند نوترونهای اضافی را جذب کنند. مواد جاذب نوترون بر خلاف مواد دیگر مورد استفاده در محیط راکتور باید سطح مقطع جذب بالایی نسبت به نوترون داشته باشند. مواد زیادی وجود دارند که سطح مقطع جذب آنها نسبت به نوترون بالاست، ولی ماده مورد استفاده باید دارای چند خاصیت مکانیکی و شیمیایی باشد که برای این کار مفید واقع شود.
انواع راکتورها

راکتورها بر حسب نوع فرآیند شکافت به راکتورهای حرارتی ، ریع و میانی (واسطه) ، بر حسب مصرف سوخت به راکتورهای سوزاننده ، مبدل و زاینده ، بر حسب نوع سوخت به راکتورهای اورانیوم طبیعی ، راکتورهای اورانیوم غنی شده با 235U (راکتور مخلوطی Be) ، بر حسب خنک کننده به راکتورهای گاز (CO2مایع (آب ، فلز) ، بر حسب فاز سوخت کند کننده‌ها به راکتورهای همگن ، ناهمگن و بالاخره بر حسب کاربرد به راکتورهای قدرت ، تولید نوکلید و تحقیقاتی تقسیم می‌شوند.
کاربردهای راکتورهای هسته‌ای

• راکتورها انواع مختلف دارند برخی از آنها در تحقیقات ، بعضی از آنها برای تولید رادیو ایزتوپهای پر انرژی برخی برای راندن کشتیها و برخی برای تولید برق بکار می‌روند.
• دوگروه اصلی راکتورهای هسته‌ای بر اساس تقسیم بندی کاربرد آنها. راکتورهای قدرت و راکتورهای تحقیقاتی هستند. راکتورهای قدرت مولد برق بوده و راکتورهای تحقیقاتی برای تحقیقات هسته‌ای پایه ، مطالعات کاربردی تجزیه‌ای و تولید ایزوتوپها مورد استفاده قرار می گیرند.

رادیو ایزوتوپ

ایزوتوپها با عدد جرمی آنها مشخص می‌شوند. حتی در حالت پایه بسیاری از ایزوتوپها ناپایدارند که ایزوتوپهای ناپایدار را رادیوایزوتوپ میگویند.
دیدکلی

رادیوایزوتوپها را به عنوان ایزوتوپهای ناپایدار شناختیم. حال این سوال پیش می‌آید که یک رادیوایزوتوپ چگونه می‌تواند به حالت پایدار برسد؟ چه چیزی باعث می‌شود که یک رادیوایزوتوپ پایدار یا رادیواکتیو شود؟ چگونه می‌توان رادیوایزوتوپها را تهیه کرد؟
تاریخچه

در سال 1968 هانری بکرل کشف کرد که اورانیوم ، رادیواکتیو است. اندکی بعد ، رادیوایزوتوپهای موجود در طبیعت از قبیل رادیوم ، پلونیوم کشف شدند. بسیاری از رادیوایزوتوپهای طبیعی دارای نیم عمر طولانی (بزرگتر از 1000 سال) هستند.
حالت پایداری رادیوایزوتوپ

رادیوایزوتوپها با گسیل تابش الکترومغناطیس یا ذرات باردار به سوی پایداری پیش می‌روند. سه فرآیندی که از طریق آنها یک رادیوایزوتوپ سعی می‌کند به پایداری برسد، واپاشی آلفا ، بتا و گاما نامیده می‌شوند.
علت وجود رادیوایزوتوپها

دو نوع نیروی قوی هسته‌ای و الکترومغناطیسی ، پایداری یک هسته را مشخص می‌کند. نیروهای قوی بین یک جفت نوکلئون (مثلا پروتون - پروتون یا نوترون - نوترون) عمل می‌کنند. آنها از نوع نیروی جاذبه هستند. نیروهای الکترومغناطیسی ، تنها بین پروتونها عمل کرده و رانشی هستند. عدم تعادل بین این دو نیرو منجر به ناپایداری و وجود رادیوایزوتوپ می‌شود. رادیوایزوتوپها می‌توانند مثل رادیوم ، پلوتونیوم ، اورانیوم بطور طبیعی وجود داشته باشند و یا به طریق مصنوعی ایجاد شوند. رادیوایزوتوپهای مصنوعی به یکی از 3 روش اساسی زیر تولید می‌شوند.
پرتودهی ایزوتوپهای پایدار در یک راکتور

راکتور هسته‌ای ، چشمه وسیعی از نوترونهای حرارتی است. این نوترونها به راحتی می‌توانند توسط ایزوتوپهای پایدار جذب شوند، که در این صورت ایزوتوپ حاصل دارای یک نوترون اضافی خواهد بود که عدد جرمی آن یک واحد افزایش می‌یابد. ایزوتوپ حاصل ممکن است که رادیواکتیو باشد، یعنی رادیوایزوتوپ داشته باشیم و ممکن است پایدار باشد. معادله می‌تواند به صورت زیر باشد.

AZX+10n→ A+1ZX+γ

که در رابطه فوق AZX ایزوتوپ اولیه با عدد جرمی A و عدد اتمی Z و A+1ZX رادیوایزوتوپ با عدد جرمی A+1 و عدد اتمی Z است که در این رادیوایزوتوپ γ گسیل می‌شود.
پرتودهی ایزوتوپهای پایدار در یک شتابدهنده یا سیکلوترون

شتابدهنده یا سیکلوترون چشمه تعداد زیادی از ذرات باردار پر انرژی در محدوده Meu (مگا الکترون ولت) است که داخل این دستگاه ذره باردار (مثل پروتون ، دوترون هلیوم) به ذره هدف (ایزوتوپ) می‌تابانند و رادیوایزوتوپ تشکیل می‌شود. به فرض برای یک پروتون و هسته sup>AZX> اینگونه می‌توان نوشت.

sup>AZX+11P→> Az+1Y+n

که در آن AZX هسته با عدد جرمی A و عدد اتمی Z و 11P پروتون و AZ+1Y رادیوایزوتوپ حاصله با عدد جرمی A و عدد اتمی Z+1 و n نیز نوترون می‌باشد.
شکافت ایزوتوپهای سنگینتر

از شکافت ایزوتوپهای سنگین تر می‌توان رادیوایزوتوپهای سبکتر تولید کرد. بلا فاصله پس از کشف رادیواکتیویته ، معلوم شد که رادیواکتیو طبیعی از قبیل 22688Ru (رادیوم 226) و 23296Th (توریوم 232) و 21084Po (پلونیوم 210) چشمه‌های با ارزش از ذرات α هستند. واکنشهای این ذرات α ، نوترون تولید می‌کردند. برای بسیاری از هسته‌های سنگین تر (A=200) جذب نوترون به تولید چندین ایزوتوپ با اعداد جرمی ، از مرتبه تقریبا نصف عدد جرمی ایزوتوپ هدف می‌انجامد.
واپاش رادیوایزوتوپ

رادیوایزوتوپ را می‌توان از واپاشی رادیوایزوتوپ سنگین نیز تولید کرد که رادیوایزوتوپ حاصله را رادیوایزوتوپ دختر می‌گویند. در یک سری رادیواکتیو ، رادیوایزوتوپ دختر بطور پیوسته از واپاشی رادیوایزوتوپ مادر تولید و با آهنگ واپاشی خود از بین می‌رود. مثل سری اورانیوم یا سری توریوم که تولید رادیوایزوتوپهای دختر می‌کنند. برای مثال واپاشی روبیدیوم به صورت زیر است.

پلونیوم


اطلاعات اولیه

پلونیوم یکی از عناصر شیمیایی جدول تناوبی است که نماد آن Po بوده و عدد اتمی آن 84 می‌باشد. پلونیوم به‌عنوان یک شبه فلز رادیواکتیو نادر از نظر شیمیایی شبیه به Tellurium و Bismuth است و از سنگ معدن اورانیوم بدست می‌آید. پولونیوم برای استفاده گرمایی در سفینه‌های فضایی مطالعه می‌شود.

تاریخچه

پلونیوم که آن را Radium F نیز می‌نامند، در سال 1898 توسط "ماری کوری" و "Pierre Curie" کشف شد و بعدها از روی نام Poland (لهستان) سرزمین مادری نامگذاری شد. این عنصر توسط کوری‌ها هنگامی که آنها برای یافتن دلیل خاصیت رادیواکتیویته pitchblende تحقیق می‌کردند، کشف شد. پیچپلنت بعد از جداسازی اورانیوم و رادیوم رادیواکتیوتر بود. این انها را ترغیب کرد که عنصر را بیابند. الکتروسکوپ آن را هنگام جدا شدن از Bismuth نشان می‌داد.

پیدایش

پلونیوم که یک عنصر بسیار کمیاب در طبیعت است، در معادن اورانیوم با میزان 100 میکروگرم در هر تن یافت می‌شود. فراوانی طبیعی آن تقریبا 0.2% رادیوم می‌باشد.

در سال 1934 یک تجربه نشان داد که هنگامی که Bismuth Bi209 توسط نوترونها بمباران می‌شود، Bi-210 که در واقع مادر پلونیوم است بوجود می‌آید. امروزه پلونیوم در مقادیر میلیگرمی در فرایند ذوب نوترونی در رآکتورهای هسته‌ای بوجود می‌آید.

خصوصیات قابل توجه

این ماده رادیو اکتیوی به‌صورت خیلی سریع در اسیدهای رقیق حل شده و این در حالی است که به مقدار بسیار کمی در Alkalis که از نظر شیمیایی بسیار شبیه به Bismuth و Tellurium می‌باشند قابل حل می‌شود. پلونیوم 210 یک فلز سبک می‌باشد که 50% آن در هوا و بعد از 45 ساعت قرار گرفتن در دمای 328K بخار می‌شود. این ایزوتوپ یک ساتع کننده آلفا بوده که نیمه عمر آن 138.39 روز است. تنها یک میلی‌گرم از این فلز سبک ذرات آلفا به میزان 5 گرم رادیوم را از خود ساتع می‌کند.

در دوره تجزیه آن انرژی بسیار زیاده ساتع شده که نیم گرم آن به سرعت به دمای بالای 750k می‌رسد. چند Curie پلونیوم یک نور آبی رنگ ساتع می‌کند که باعث آشفتگی و برانگیختگی هوای مجاور می‌شود.

کاربردها

• پولونیوم هنگامی که با برلیوم ، آلیاژ تشکیل دهد، میتواند یک منبع نوترون باشد.
• این عنصر در ساخت وسایلی که بار الکتریکی استاتیک را در کاخانجات نساجی و دیگر نقاط از بین می‌برند، استفاده می‌شود. با این وجود از منابع بتا که خطرات کمتری دارند، بیشتر استفاده می‌شود.
• پلونیوم در ساخت شانه‌هایی که گرد و غبار انباشته شده بر روی فلیمهای عکاسی را پاک می‌کنند، استفاده می‌شود. مقدار پولونیوم بکار رفته در این شانه‌ها کنترل شده و در نتیجه خطرات رادیواکتیوی بسیار کمی دارند.
• از آنجا که می‌توان با ظرفهای معمولی تقریبا تابش تمام پرتوی آلفا را متوقف کرد و با حرارت دادن سطح آن انرژی آزاد کرد، پلونیوم نیز به‌عنوان یک منبع گرمایی نیروهای سلولهای ترمو متریک در ماهواره های مصنوعی پیشنهاد می‌شود.

ایزوتوپها

پلونیوم از تمامی عناصر دیگر بیشتر ایزوتوپ دارد که تمام آنها رادیو اکتیو می‌باشند. 25 ایزوتوپ پلونیوم با جرم اتمی از 194 تا 218 شناخته شده است. Po210 در دسترس‌ترین نوع آن است و po209 با نیم عمر 103 سال و Po208 با نیمه عمر 2.9 سال توسط بمباران Deteron سرب یا Bismuth در یک سیکلوترون بوجود می‌آید. با این وجود ساخت این ایزوتوپها بسیار گران است.

هشدارها

پلونیوم یک عنصر بسیار رادیواکتیو و سمی بوده ، کار کردن با آن بسیار خطرناک است. حتی مقادیر میلیگرمی یا میکروگرمی آن در پلونیوم 210 بسیار خطرناک بوده و کار کردن با آنها نیاز به تجهیزات خاصی دارد. همچنین آسیبهای جدی از جذب انرژی توسط بافتهای سلولی از طریق ذرات آفا بوجود می‌آید. مقدار مجاز پلونیوم برای بدن تنها 0.03 میکروکوری می‌باشد.

مباحث مرتبط با عنوان

• آرایش الکترونی عناصر
• جدول تناوبی
• رادیواکتیویته
• عنصر شیمیایی
• فلز

منبع

• Los

نیروگاه اتمی


نیروگاه اتمی در واقع یک بمب اتمی است که به کمک میله‌های مهارکننده و خروج دمای درونی بوسیله مواد ‏خنک کننده مثل آب و گاز ، تحت کنترل در آمده است. اگر روزی این میله‌ها و یا پمپهای انتقال دهنده مواد ‏خنک کننده وظیفه خود را درست انجام ندهند، سوانح متعددی بوجود می‌آید و حتی ممکن است نیروگاه نیز ‏منفجر شود، مانند فاجعه نیروگاه چرنوبیل شوروی سابق.



دید کلی

طی سالهای گذشته اغلب کشورها به استفاده از این نوع انرژی هسته‌ای تمایل داشتند و حتی دولت ایران 15 ‏نیروگاه اتمی به کشورهای آمریکا ، فرانسه و آلمان سفارش داده بود. ولی خوشبختانه بعد از وقوع دو حادثه ‏مهمتری میل آیلند (Three Mile Island) در 28 مارس 1979 و فاجعه چرنوبیل (Tchernobyl) در روسیه ‏در 26 آوریل 1986، نظر افکار عمومی نسبت به کاربرد اتم برای تولید انرژی تغییر کرد و ترس و وحشت از ‏جنگ اتمی و به خصوص امکان تهیه بمب اتمی در جهان سوم، کشورهای غربی را موقتا مجبور به تجدید نظر در ‏برنامه‌های اتمی خود کرد.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...6_09_01UNC.jpg


‏
ساختار نیروگاه اتمی

نیروگاه اتمی از مواد مختلفی شکل گرفته است که همه آنها نقش اساسی و مهم در تعادل و ادامه حیات آن را دارند. ‏این مواد عبارتند از:
ماده سوخت

ماده سوخت متشکل از اورانیوم طبیعی ، اورانیوم غنی شده ، اورانیوم و پلوتونیم است. که سوختن اورانیوم بر ‏اساس واکنش شکافت هسته‌ای صورت می‌گیرد.‏


نرم کننده‌ها

‎‏نرم کننده‌ها موادی هستند که برخورد نوترون های حاصل از شکست با آنها الزامی است و ‏برای کم کردن انرژی این نوترون ها به کار می روند. زیرا احتمال واکنش شکست پی در پی به ازای ‏نوترون های کم انرژی بیشتر می شود. آب سنگین (D2O) یا زغال سنگ (گرافیت) به عنوان نرم کننده نوترون ‏بکار برده می‌شوند.‏


میله‌های مهارکننده

این میله‌ها از مواد جاذب نوترون درست شده‌اند و وجود آنها در داخل راکتور اتمی ‏الزامی است و مانع افزایش ناگهانی تعداد نوترونها در قلب راکتور می‌شوند. اگر این میله‌ها کار اصلی خود را ‏انجام ندهند، در زمانی کمتر از چند هزارم ثانیه قدرت راکتور چند برابر شده و حالت انفجاری یا دیورژانس ‏راکتور پیش می‌آید. این میله ها می توانند از جنس عنصر کادمیم و یا بور باشند.‏


مواد خنک کننده یا انتقال دهنده انرژی حرارتی

این مواد انرژی حاصل از شکست اورانیوم را به خارج ‏از راکتور انتقال داده و توربینهای مولد برق را به حرکت در می آورند و پس از خنک شدن مجدداً به داخل ‏راکتور برمی گردند. البته مواد در مدار بسته و محدودی عمل می کنند و با خارج از محیط رآکتور تماسی ندارند. ‏این مواد می توانند گاز CO2 ، آب ، آب سنگین ، هلیوم گازی و یا سدیم مذاب باشند.‏



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...lemnuclear.jpg



طرز کار نیروگاه اتمی

عمل سوختن اورانیوم در داخل نیروگاه اتمی متفاوت از سوختن زغال یا هر نوع سوخت فسیلی دیگر است. در ‏این پدیده با ورود یک نوترون کم انرژی به داخل هسته ایزوتوپ 235U عمل شکست انجام می گیرد و ‏انرژی فراوانی تولید می کند. بعد از ورود نوترون به درون هسته اتم ، ناپایداری در هسته به وجود آمده و بعد از ‏لحظه بسیار کوتاهی هسته اتم شکسته شده و تبدیل به دو تکه شکست و تعدادی نوترون می‌شود.

بطور متوسط تعداد نوترونها به ازای هر 100 اتم شکسته شده 247 عدد است و این نوترونها اتمهای ‏دیگر را می‌شکنند و اگر کنترلی در مهار کردن تعداد آنها نباشد واکنش شکست در داخل توده اورانیوم به ‏صورت زنجیره‌ای انجام می‌شود که در زمانی بسیار کوتاه منجر به انفجار شدیدی خواهد شد. در واقع ورود ‏نوترون به درون هسته اتم اورانیوم و شکسته شدن آن توام با انتشار انرژی معادل با ‏‎ Mev‎‏200 میلیون الکترون ‏ولت است.

این مقدار انرژی در سطح اتمی بسیار ناچیز ولی در مورد یک گرم از اورانیوم در حدود صدها هزار مگاوات ‏است. که اگر به صورت زنجیره‌ای انجام شود، در کمتر از هزارم ثانیه مشابه بمب اتمی عمل خواهد کرد. اما ‏اگر تعداد شکستها را در توده اورانیوم و طی زمان محدود کرده به نحوی که به ازای هر شکست ، اتم بعدی ‏شکست حاصل کند شرایط یک نیروگاه اتمی بوجود می‌آید. ‏
نمونه عملی

نیروگاهی که دارای 10 تن اورانیوم طبیعی است قدرتی معادل با 100 مگاوات خواهد داشت و بطور متوسط ‏‏105 گرم 235U در روز در این نیروگاه شکسته می شود و همانطور که قبلا گفته شد در اثر جذب ‏نوترون بوسیله ایزوتوپ 239U ، 238U بوجود می‌آمد که بعد از دو بار انتشار ذرات بتا (‏الکترون) به 239Pu تبدیل می‌شود که خود مانند 235U شکست پذیر است. در این عمل 70 گرم ‏پلتونیوم حاصل می‌شود.

ولی اگر نیروگاه سورژنراتور باشد و تعداد نوترونهای موجود در نیروگاه زیاد باشند مقدار جذب به مراتب ‏بیشتر از این خواهد بود و مقدار پلتونیومهای بوجود آمده از مقدار آنهایی که شکسته می‌شوند بیشتر خواهند ‏بود. در چنین حالتی بعد از پیاده کردن میله‌های سوخت می‌توان پلتونیوم بوجود آمده را از اورانیوم و ‏فرآورده‌های شکست را به کمک واکنشهای شیمیایی بسیار ساده جدا و به منظور تهیه بمب اتمی ذخیره کرد.

مواد معدنی اورانیوم و توریم




http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...e/uranium2.jpg
سنگ معدن اورانیم


اطلاعات اولیه

اورانیوم و توریم از جمله عناصر کمیاب هستند. قشر جامد کره زمین بطور متوسط به ازای هر تن وزن شامل چهار گرم اورانیوم است. یعنی اورانیوم همانقدر است که روی یا سرب یا قلع. بعضی از انواع سنگ های خارا حتی دارای 30 گرم اورانیوم به ازای هر تن از وزن خود می‌باشند.

مهمترین ماده معدنی اورانیوم عبارتست از پیچ بلِند (Pitch-blende) که نام علمی اش اکسید بی‌آب اورانیوم 358 می‌باشد. این سنگ معدنی در قسمت فوقانی قشر جامد کره زمین تحت تاثیر جریانات آب تغییر می‌یابد و هیدرات های مختلف بوجود می‌آورد و اگر تغییرات و ترکیبات پیشرفت کند، فسفات‌های مختلف مواد معدنی دیگری که خیلی پیچیده هستند، ایجاد می‌شود. معادنی که جلوتر از همه حتی در دوران قدیم مورد بهره برداری قرار گرفته‌اند، در زیر آمده است.
معدن نواحی بوهم (Bohemia)

در حال حاضر ، مهمترین تهیه کنندگان اورانیوم در جهان عبارتند: از کانادا ، کنگوی قدیم ، بلژیک ، ممالک متحده آمریکای شمالی و اتحادیه آفریقای جنوبی و حقیقت این است که درباره روسیه اطلاع دقیقی در دست نیست و احتمالاً محصول آن در حدود هر یک از ممالک ذکر شده است. بعد از این 4 کشور نوبت به استرالیای شمالی ، فرانسه ، چکسلواکی ، ممالک آفریقای جنوبی ، کرن وال و چین می‌رسد.

تا سالهای اخیر در کانادا تنها معدنی که مورد بهره برداری قرار گرفت، عبارت بود از معدن دریاچه بزرگ اورز (Ours) که در شمال کانادا واقع است. در این معدن پیچ بلند با انواع سولفورهای دیگر مخلوط است. اخیراً دو معدن مهم دیگر در این کشور کشف کرده‌اند. گرچه مواد معدنی آنها شامل مقدار کمی اورانیوم می‌باشد، لیکن مقدار کل مواد معدنی در این دو نقطه فوق‌العاده قابل ملاحظه است. یکی از این دو معدن در ناحیه دریاچه بیورلاج (Beaverlodge) و دیگری در ناحیه دریاچه بیند ریور (Bind-River) واقع است.


معادن بسیار غنی کنگو

این معادن ، متعلق به اتحادیه معدنی کاتانکای (Katanga) علیا هستند و عموماً از پیچ بلند تشکیل یافته‌اند. در کشور فرانسه چهار ناحیه مختلف وجود دارد که در آنها اورانیوم استخراج می‌شود که عبارتند از :

• معادن کروزی (Crouzille) در ایالت هوت وین (Haute-viene)
• معادن گروری (Grury) در ایالت سون لوار (Saoneet-Loire)
• معادن لاشو (Lochaux) در ایالت پوی دو دوم (Puy-de-dome)
• معادن وانده (Vendee)

رگه پیچ بلند معادن کروزی ، بطور متوسط شامل 10% اورانیوم است. معادن گروری در عین حال که دارای مقدار کمی اورانیوم هستند، بازهم مورد استفاده می‌باشند و از آن بهره برداری می‌شود. در ناحیه لاشو به نظر می‌رسد که معادن جنگلهای سیاه بسیار مهم هستند و بالاخره تجسساتی که در ناحیه وانده به عمل آمده است، نوید بخش می‌باشد. به نظر می‌رسد سالانه در تمام دنیا بیش از چند صد هزار تن اورانیوم تولید و به بهره برداری می‌رسد. در برخی معادن آفریقای جنوبی ، بعد از استخراج طلا از ماده معدنی ، باقیمانده ماده را برای تهیه اورانیوم مورد استفاده قرار می‌دهند.


http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...0f/thorium.jpg سنگ معدن توریم


معادن توریم

سنگ معدنی مونازیت توریم

معادن توریم ، فراوانتر از اورانیوم است و ماده معدنی اصلی آن که عبارتست از فسفات خاصی که ترکیب آن بسیار پیچیده است، مونازیت (Monazite) نام دارد. مهمترین معادن آن در هندوستان جنوبی و برزیل واقع است. معادن دیگری که وسعت آن چندان زیاد نیست، ولی از حیث میزان توریم بسیار غنی می‌باشد، در جزیره سیلان کشف شده است و نیز در این اواخر منابع مهمی شامل مونازیت در جزایر ماداگاسکار کشف کرده‌اند.
سنگ معدنی توریت توریم

سنگ معدنی دیگری از توریم که توریت (Thorite) نام دارد، در استرالیا ، برزیل ، ماداگاسکار ، اسکاندیناویا ، بریتانیا ، ایالت متحده و روسیه وجود دارد. به هیچ وجه ممکن نیست که با دقت معین نماییم که در آینده چه میزان اورانیوم و توریوم در جهان استخراج خواهد شد و به مصرف تهیه انرژی خواهد رسید. البته با تولید مصنوعی این مواد رادیواکتیو و نیز سایر مکانیزم‌های تولید انرژی هسته‌ای از جمله همجوشی‌های کنترل شده ، سبب شده است که دیگر مشکل جستجو و کشف معادن اورانیوم و توریم وجود نداشته باشد و یا این نیاز از راه های دیگر برطرف می‌شود.
تبدیل توریم به اورانیوم

توریم را در کوره اتمی توسط نوترون بمباران می‌کنند. این عنصر پس از یک سری تغییرات رادیواکتیو به اورانیوم 233 تبدیل می‌شود که مانند اورانیوم 235 و پلوتونیم 239 ، توسط نوترونهای حرارتی شکافته می‌شود.

جنگ رادیولوژی



جنگ رادیولوژی عبارت است از آلوده کردن بناها ، زمینها ، افراد ، مراکز صنعتی یا بندری ، مواد غذایی و مخصوصا آب و کلیه مایحتاج زندگی دیگر بوسیله مواد رادیو اکتیو. اکتیویته مواد آلوده به مرور زوال پیدا کرده (زوال رادیواکتیو) و منطقه مورد حمله پس از مدتی می‌توانند مجددا قابل سکونت گردد.



دید کلی

ممکن است مستقیما مواد رادیو اکتیو غیر از سلاح اتمی برای مقاصد نظامی از راه آلوده کردن افراد ، تجهیزات ساختمانها و مناطق گوناگون بکار برده ‌شود. برای ایجاد ضایعه و یا مجبور ساختن دشمن به ترک یک منطقه مهم مثل شهر ، کارخانه ، تأسیسات یا مناطق نظامی می‌توان مواد و عوامل رادیو اکتیو را بکار برد.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...up/a/aa/اثر



خواص اشعه

موادی که برای آلوده کردن بکار می‌رود به نام عامل جنگ اشعه نامیده می‌شود (wagents)، چهار نوع تشعشع هسته‌ای مهم که برای بدن انسان زیان آور است عبارتند از:

• اشعه گاما
• نوترونها
• ذرات آلفا
• ذرات بتا

چون تنها طریق عملی تهیه و انتشار نوترون ها بمب های اتمی است. لذا آنها را نمی توان در رده جنگ های رادیو لوژی به حساب آورد. ارزش ذرات آلفا نیز از جنبه عوامل جنگهای رادیولوژی ناچیز است چون از خارج بدن آسیب چندانی نمی رساند.

مگر اینکه با وسیله ای مثلا از راه دستگاه تنفس یا دستگاه گوارش وارد بدن گردند. بنابر این عوامل مهم جنگ اشعه عواملی هستند که بتوانند از خود ذرات بتا و اشعه گاما صادر کنند. این عوامل خصوصیات زیرین را دارا هستند:

• باید اشعه گاما از خود ساتع کنند.
• انرژی تشعشع باید به اندازه کافی باشد تا قدرت نفوذ قابل ملاحظه داشته باشد.
• نیم عمر آنها نباید خیلی کوتاه باشد (نیم عمر شایسته و مناسب بین 14 روز تا 6ماه است). زیرا اگر نیم عمر مواد رادیو اکتیو خیلی کوتاه باشد، زوال رادیو اکتیو به قدری سریع صورت می‌گیرد که عوامل مزبور قبل از استعمال خاصیت خود را از دست می‌دهند و انبار کردن آنها غیر عملی است.
• چنانچه نیم عمر آنها خیلی طولانی باشد، چون خاصیت رادیو اکتیو به همان نسبت ضعیف است باید مقدار زیادی بکار برد تا موثر باشد. به علاوه بکار بردن موادی با نیم عمر طولانی ممکن است مانع اشغال بعدی هدف گردد.

چگونگی تهیه

غیر از سلاح هسته‌ای که می‌تواند جنگ رادیو لوژی غیر مستقیم باشد، عوامل جنگ رادیو لوژی به دو طریق زیر تهیه می‌شود و در هر دو طریق باید از کوره اتمی یا پیل اتمی استفاده گردد:

• اولین روش بکاربردن محصولات حاصل از شکافت هسته‌ای اتمهای سنگین است، که بطور مستقیم از کوره اتمی بدست می‌آیند. این محصولات مخلوط پیچیده‌ای ازچندین عنصر است، که نیم عمر هر یک از آنها متفاوت می‌باشد و می‌توان آنها را مستقیما برای منظورهای نظامی استعمال کرد.
  
  عیب این روش آن است که چون از مخلوطی از عناصری درست شده که نیم عمرهای مختلف دارند، بعضی از آنها به سرعت خاصیت رادیو اکتیویته خود را از دست می‌دهند. و بعضی دیگر سالها این خاصیت را دارا هستند. البته این عیب را به روش مخصوصی می‌توان بر طرف کرد، بطوری که از بین عناصر مخلوط باید ایزوتوپهایی را جدا کرد که دارای خواص مورد دلخواه باشد. لیکن عمل جداکردن بسیار مشکل و مستلزم صرف هزینه زیادی است. از طرفی تعداد عناصر مخلوط آنقدر زیاد است که مقدار هیچ یک از 3% تجاوز نمی‌کند.
• روش دوم رادیو اکتیو کردن یک عنصر معین بوسیله تابش نوترون در کوره اتمی است در این روش با انتخاب صحیح عنصر معینی می‌توان عامل جنگ اشعه مورد نظر را تهیه کرد. باید توجه داشت که هزینه راکتوری که منحصرا به این منظور ساخته می شود خیلی گران است و ازجنبه اقتصادی زیاد مقرون به صرفه نیست.

معایب تولید اشعه با سلاحهای هسته‌ای

عوامل جنگ اشعه با سلاحهای هسته‌ای دو اختلاف اساسی دارند که عبارتند از:

• کلیه سلاحها از قبل تهیه شده‌اند و ممکن است بدون اینکه فاسد شوند ، مدتهای طولانی در انبار بمانند، تا اینکه روزی مورد استفاده قرار گیرند. در حالی که در مورد تهیه عوامل جنگ رادیولوژی نحوه عمل چنین نیست. زیرا به سبب زوال خود بخودی و کاهش رادیو اکتیویته انبار کردن آنها غیر مقدور است.
• تهیه عوامل مزبور در کوره اتمی به کندی صورت می‌گیرد و کم شدن مداوم و غیر قابل اجتناب رادیو اکتیویته آنها یک زیان جبران ناپذیری را فراهم می‌کند. علاوه بر اینها سلاحهای دیگر را می‌توان با اطمینان و بدون اینکه خطری را ایجاد کنند، جابجا و دستکاری کرد.
  
  لیکن در مورد عوامل جنگهای رادیولوژی به سبب نشر اشعه گاما که قدرت نفوذ زیادی دارند، اینکار به سختی انجام می‌گیرد و مراحل مشکلی دارد. افرادی که با آنها سر و کار دارند باید از حفاظهای سنگین و قوی استفاده کنند.

مزایا و معایب جنگ رادیو لوژی

حسن بزرگی که عوامل رادیولوژی دارند این است که مقدار کمی از آنها می‌تواند منطقه وسیعی را آلوده سازد. اما احتیاج به حفاظ سنگین و قوی دارند، بخصوص هنگامی که عوامل با هواپیما حمل و نقل می‌گردند، این مشکل امتیاز مزبور را خنثی می‌کند. مشکل بزرگ دیگری که عوامل جنگ اشعه بوجود می‌آورند این است که مقدار زیادی از انرژی آنها بصورت حرارت آزاد شده و ظرف محتوی را به شدت گرم می‌کنند و باید به روشی حرارت را از ظرف خارج ساخت (دستگاههای سرمایش قوی لازم است)، گر چه با تمام اشکالات فوق بکار بردن عوامل رادیولوژی امکانپذیر و عملی است، لذا بعید به نظر می‌رسد که کشوری در حین جنگ یا صلح از آنها استفاده نماید.

بمباران نوترونی




مقدمه

پیشرفت فیزیک هسته‌ای تا حد زیادی در نتیجه اکتشاف نوعی از گلوله‌های هسته‌ای بوده ، گر چه از بسیاری جهات مشابه با پرتونهای عادی است، ولی هیچ بار الکتریکی همراه آنها نیست. این پروتونهای بی‌بار ، یا بنابر اصطلاحی که بیشتر رواج دارد این نوترونها ، برای بمباران هسته عنوان گلوله کمال مطلوب را دارند، چه از آن جهت که فاقد بار الکتریکی بوده هیچ نیروی دافعه‌ای از طرف هسته‌های با بار الکتریکی زیاد بر آنها وارد نمی‌شود و می‌توانند به سهولت به ساختمان درونی هسته اتم نفوذ کنند.

تاریخچه

گر چه فرضیه مربوط به امکان وجود نوترونها در سال 1925 بوسیله رادرفورد بیان شده ، ولی دلیل وجود آنها را در سال 1932 همکار وی یعنی جیمز چادویک (James Chadwick) اثبات کرد. این شخص ثابت کرد که تشعشع مخصوصی که بر اثر بمباران با ذرات از بریلیوم صادر می‌شود عبارت است از ذراتی خنثی که جرم آنها در حدود جرم پروتون است. هسته‌ای که در نتیجه فعل و انفعال به دست می‌آید، همان هسته کربن متعارف است.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...p/5/58/p15.gif

چشمه تولید نوترون

نوترونها را معمولا از راه تصادم دو دوترون یعنی دو هسته هیدروژن سنگین بدست می‌آورند. پس از آنها یونهای هیدروژن سنگین را در یکی از مولدهای جدید با پتانسیلی بالا وادار به حرکت با سرعت و شتاب زیاد کرده ، آنها را بر روی ماده‌ای مانند آب سنگین انداخته که در آن اتمهای هیدروژن سنگین در داخل مولکولها به یکدیگر متصل‌اند. در نتیجه تصادمهایی که رخ می‌دهد، عده زیادی نوترونهای سریع مطابق معادله زیر تشکیل می‌دهد:

21D + 21D → 32He + 10n

به این نکته باید اشاره کرد که چون نوترونها بار الکتریکی ندارند در ضمن عبور از هوا عمل یونش صورت نگرفته و به همین جهت در ضمن عبور از اتاق ابر اثر مرئی از آنها بر جای نمی‌ماند. مشاهده آنها معمولا از راه اثری است که از تصادم با ذرات هوایی که مستقیما در راه آنها قرار گرفته حاصل می‌شود.

نتایج بمباران نوترون

نوترونها به آسانی می‌توانند حتی در هسته‌های با بار الکتریکی زیاد ، نفوذ کرده و اثر تخریبی در داخل آنها داشته باشند. این آثار بیش از همه بوسیله فیزیکدان ایتالیایی انریکلو فرمی (Enrico Fermi) و همکاران او مورد پژوهش و مطالعه قرار گرفته است. در صورتی که سر و کار ما با عناصر سبکتر است. نفوذ یک نوترون غالبا با خارج شدن یک ذره آلفا یا یک پروتون همراه است. مانند این فعل و انفعال:

147N + 10n → 115B + 42He

که نشان دهنده تبدیل یافتن نیتروژن به بور و هلیوم است و یا:

5626Fe + 10n → 5625Mn + 11H

که تبدیل آهن را به منیزیم و هیدروژن نشان می‌دهد. در عناصر سنگینتر حصار پتانسیل که هسته اتم را احاطه کرده بلندتر است، و اگر چه این حصار مانع نفوذ نوترون به درون هسته نیست، ولی از خارج شدن اجزا باردار هسته جلوگیری می‌کند. در این حالت نوترونهایی که داخل هسته نفوذ می‌کنند، بایستی از انرژی موجود در خود به صورت تشعشعات مغناطیسی که تولید می‌شود خلاص شوند و به این ترتیب است که اشعه سخت گاما خارج می‌شود. مانند این فعل و انفعال:

اشعه گاما + 19779Au + 10n → 19879Au

که در آن عنصر سنگینتری از همان نوع طلا ساخته می‌شود. این طرز ساخته شدن ، ممکن است از عنصری که بمباران شده ، با تعدیل بار الکتریکی از طریق صدور یک الکترون صورت گیرد.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...issionanim.gif

منفجر ساختن هسته

در فعل و انفعالات هسته‌ای که تا کنون مورد بحث قرار گرفتن ، اساس کار عبارت از آن بود که جز نسبتا بسیار کوچکی از ساختمان هسته (مانند ذره α یا پروتون یا نوترون) از آن خارج شود و حال اگر هسته یک اتم سنگین منجر شود و دو یا بیشتر پاره‌های تقریبا مساوی بدست آید.

در زمستان سال 1939 این نوع شکسته شدن بوسیله دو فیزیکدان آلمانی به نامهای هان (O . Hahn) و مایتنر (Lise Meitner) مشاهده شد و دریافتند اتمهای اورانیوم که ناپایدارند، ممکن است بر اثر بمباران با یک دسته نوترون به دو پاره تقسیم شوند. یکی از دو پاره نماینده هسته باریوم و دیگری به احتمال قوی کریپتون. این نوع شکافته شدن هسته با آزاد شدن مقداری انرژی همراه است که صدها برابر انرژی آزاد شده در سایر فعل و انفعالات شناخته شده هسته‌ای است.

واکنشهای هسته‌ای


واکنشهای هسته‌ای (Reactions Nuclear)


تبدیلات خود بخودی یا مصنوعی بعضی از هسته‌های اتمی به هسته دیگر که نتیجه بهم خوردن ترکیب ساختمان هسته یا تغییر در تعداد نوکلئونها (ذرات هسته‌ای) است واکنشهای هسته‌ای نام دارند.
روشهای انجام واکنشهای هسته‌ای

• تجزیه کامل تمامی هسته‌ها زمانی که بوسیله یک ذره یا انرژی فوق العاده زیاد برخورد کند (یا ذره دیگری جذب کنند) معمولا نوترون است.
• شکست هسته به دو هسته غیر مساوی توأم با انتشار پروتون ، نوترون ، ذره آلفا ، اشعه گاما و واکنشهای ترکیب هسته‌ای که تشکیل یک هسته سنگینتر در اثر تجدید ساختمان هسته عناصر سبکتر که همراه با آزاد شدن مقادیر زیاد انرژی است ، صورت می‌گیرد.
• انرژی حاصل از واکنشهای ترکیب یا (همجوشی) 8 برابر بیشتر از انرژی هسته‌ای واکنشهای شکست هسته‌ای است.

راههای مختلف تولید انرژی هسته‌ای

• شکافت هسته‌ای
• همجوشی هسته‌ای

http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...26/fission.gif
شکافت هسته‌ای (Nuclear Fission)

فرض می شود نوترون منفردی به یک قطعه ایزوتوپ 235U نفوذ کند در اثر برخورد به هسته اتم 235U ، اورانیوم به دو قسمت شکسته می‌شود، مقادیر زیادی نیز انرژی آزاد می‌گردد. در حدود (200Mev) اما مسئله مهمتر اینکه نتیجه شکستن هسته 235U آزادی دو نوترون است که می‌تواند دو هسته دیگر را شکسته و چهار نوترون را بوجود آورد.

این چهار نوترون نیز چهار هسته 235U را می‌شکند چهار هسته شکسته شده تولید هشت نوترون می‌کنند که قادر به شکستن همین تعداد هسته اورانیوم می‌باشند، سپس شکست هسته‌ای و آزاد شدن نوترونها بصورت زنجیروار به سرعت تکثیر و توسعه می‌یابد.

در هر دوره تعداد نوترونها دو برابر می‌شود، در یک لحظه واکنش زنجیری خود بخودی شکست هسته‌ای شروع می‌گردد. در واکنشهای کنترل شده تعداد شکست در واحد زمان و نیز مقدار انرژی به تدریج افزایش یافته و پس از رسیدن به مقداری دلخواه ثابت نگهداشته می‌شود. فرض کنیم یک ذره (a) به یک هسته ساکن (x) برخورد کند در نتیجه در واکنشهای هسته‌ای هسته (y) و ذره (b) تولید می‌شود که این واکنش را بصورت زیر می‌نویسم:

a + x → b + y

مراحل شکست 235U

1n + 235U → 234U → 144Ba+89Kr + 3 1n

در واکنش اخیر در نتیجه برخورد نوترون حرارتی به 235U آن را به 235U تحریک شده تبدیل می‌کند. نهایتا اورانیوم تحریک شده نیز بعد از شکافت ، به باریم و کریپتون و سه تا نوترون تولید می‌شود.
مواد قابل شکست (Fissionable Materials)

موادی که وقتی تحت تابش نوترون قرار می‌گیرند انجام یک واکنش شکست هسته ای را ممکن می سازند چنین خاصیتی در عناصر زیر وجود دارد: 239Pu ، 235U ، 235U ، ایزوتوپ 233U ، 235U بطور مصنوعی در راکتورهای هسته‌ای با تاباندن نوترون به 233Th بوجود می‌آید.
محصولات شکست اورانیوم (Uranium Fission Puroduets)

زمانی که هسته اتمی 235U به دو قسمت شکسته می‌شود عناصر زیر تولید می‌شوند: استرتیوم 90 ، کریپتون 91 ، ایتریوم 91 ، زیرکونیوم 95 ، 126I ، 137U ، باریم 142 ، سریم 144 قابل ذکر هستند.
همجوش هسته‌ای (Nuclear Fusion)

همجوشی هسته‌ای عبارت است از اتحاد عناصر سبک برای تشکیل عناصر سنگین تر که نوع واکنش را واکنش همجوشی گویند تا بحال در انفجار بمب هیدروژنی قوی و بسیار خوب تشخیص داده شده است. این واکنش برای انسان چندان مفید نیست و بنابراین دانشمندان بطور جدی کوشش می کنند تا واکنش همجوشی را کنترل کنند یعنی در کیف کاهش سرعت واکنش به درجه‌ای که بتواند برای مقاصد صلح جویانه مفید باشد.

در مرحله اول این واکنشها بصورت کنترل شده برای تولید برق استفاده می‌شود. همچنین انرژی تولید شده در این واکنش 8 برابر انرژی تولید شده سر در شکافت هسته‌ای می‌باشد. منشأ انرژی تابشی خورشید و دیگر ستاره‌ها یک سری از واکنشهای هسته‌ای انرژی زا است. اتمهایی که دراین واکنشها در درون ستاره شرکت می‌کنند کاملا یونیزه‌اند. یعنی تمامی الکترونها از آن کنده شده است. چنین مجموعه‌ای از ذرات باردا را پلاسما می‌نامند.

دوتریوم و تریتیوم ایزوتوپهای هیدروژن مواد قابل احتراق همجوشی هسته‌ای را تشکیل می‌دهند. هسته دوتریوم از یک نوترون و یک پروتون تشکیل می‌یابد. هسته تریتیوم دارای دو نوترون و یک پروتون است.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i.../5e/fusion.gif
سوختهای همجوشی

ملاحظات فرآیندهای طبیعی و نتایج حاصل از آنها نشان داده است که واکنشهای همجوشی گوناگونی وجود دارد. از جمله از واکنشهای همجوشی هسته‌ای واکنش دوترون با تریتیوم می‌باشد.
معادله واکنشهای همجوشی هسته‌ای

نخستین واکنش همجوشی قابل کنترل توسط رابطه زیر ارائه شد (ترکیب ایزوتوپهای هیدوژن)

2H + 3H → 1n + 4He

در این واکنش انرژیی معادل 17.6 Mev آزاد می‌شود، که از آن می‌شود در کادبردهای صنعتی و نظامی استفاده نمود.

نوترون

تاریخچه

از آنجا که اتمها از نظر الکتریکی خنثی هستند، تعداد الکترونها و پروتونها در هر اتم بایستی برابر باشند. برای توجیه جرم کل اتمها ، ارنست رادرفورد در 1920 وجود ذراتی بدون بار را در هسته اتم مسلم دانست. چون این ذرات بدون بارند، تشخیص و تعیین خواص آنها مشکل است.

ولی در 1932 جیمز چادویک نتیجه کارهای خود را درباره اثبات وجود این ذرات که نوترون (از واژه لاتین به معنای خنثی) نامیده می‌شوند، منتشر کرد. او توانست با استفاده از داده های بدست آمده از بعضی از واکنشهای هسته‌ای مولد نوترون ، جرم نوترون را محاسبه کند. چادویک با در نظر گرفتن جرم و انرژی تمامی ذراتی که در این واکنشها مصرف و تولید می‌شوند، جرم نوترون را محاسبه کرد. جرم نوترون 24-10×6749/1 g است که اندکی بیش از جرم پروتون (24-10×6726/1 گرم) می‌باشد.

http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i.../e/ec/hhhh.jpg
معادله واکنش نوترونی

گسیل نوترون برای اولین بار در سال 1932 در ضمن بمباران بریلیم با ذرات ‏آشکار شد. درنتیجه گیراندازی ذره آلفا توسط هسته بریلیم ، هسته کربن ‏تشکیل و نوترون گسیل شد. بعدها شمار زیادی ‏واکنشهای هسته‌ای کشف شد که نوترون آزاد می‌کردند.
انواع نوترون‏

• نوترونهای سرد
• نوترونهای کند نوترونهای حرارتی)
• نوترونهای تند نوترونهای سریع)
• نوترونهای فوق سریع نوترونهای نسبیتی)

چشمه تولید نوترون

برای بدست آوردن نوترون مثل سابق واکنش ذره آلفا با بریلیم معمول ‏است. حتی اکنون نیز آمپولهای محتوی آمیزه ای از ماده پرتوزای آلفا و گرد ‏بریلیم بعنوان چشمه تراکم نوترون بکار می‌رود. چنین چشمه نوترونی ‏را در نزدیکی اتاقک ابر ویلسون در حال کار قرار می‌دهیم که در آن لایه ‏نازکی از ماده محتوی هیدروژن مثلاً پارافین قراردارد.

روی عکسی که از این اتاقک گرفته شود، ردهایی مشاهده می‌شود که از ‏این لایه خارج می‌شوند. چنانکه می‌توان از روی جنس یونش پی برد که ‏اینها ردهای پروتون هستند. تمام ردها به طرف جلو هستند. آنها با پرتونهایی ‏ایجاد شده‌اند که بعلت برخورد نوترونهای تند گسیل شده از چشمه از ‏لایه خارج شده اند. خود نوترونها که از اتاقک می‌گذرند ردی ندارند.

بنابراین ، نوترونها یونش ‏قابل ملاحظه‌ای تولید نمی‌کنند، یعنی برخلاف ذرات باردار آنها با الکترونها ‏عملاً اندر کنش ندارند. نوترونها با گذر از میان ماده فقط با هسته های اتمی ‏اندرکنش می‌کنند. ولی نظر به اینکه اندازه هسته‌ها خیلی کوچک است، ‏برخورد نوترونها با آنها خیلی بندرت صورت می‌گیرد.
http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i.../a/ac/atom.jpg
آشکارسازی باریکه نوترونی

برای اینکه نوترون یک ذره خنثی می‌باشد، از مکانیزمهای آشکارسازی ذرات باردار نمی‌توان برای آشکار سازی نوترون استفاده کرد. اخیرا دانشمندان بکمک آشکارسازهای کوانتومی ، تداخل سنجهای نوترونی ، اسپکترومتر جرمی کوانتومی ، برخوردهای ذرات بنیادی ، بمباران نوترونی مواد و نیز واکنشهای هسته‌ای از جمله واکنش زنجیری شکافت نوترونها را آشکارسازی نموده اند.