انرژی هسته‌ای

[رزیتا]

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

[رزیتا]

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.

‏
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.‏

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.

[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.

[رزیتا]

مواد معدنی اورانیوم و توریم

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.

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.