انرژی هسته‌ای

[رزیتا]

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.

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.

[رزیتا]

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.

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.

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.

[رزیتا]

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.

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.

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.

[رزیتا]

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

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.

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.