سال 1389=سال اورانیوم

[ghasem motamedi]

دید کلی:‏
مفاهیم ساختار اتمی و هسته ای این است که اتم مرکب از هسته و الکترون هایی ‏است که ‏آن را احاطه کرده اند. و اینکه هسته از پروتون و نوترون ساخته شده است به این پرسش ‏‏اساسی می انجامد که:‏

آیا جرم یک اتم خنثی با مجموع جرم های پروتون ها ، نوترون ها و الکترون هایی که آن اتم ‏خنثی را تشکیل ‏می دهند. برابر است یا نه ؟‏
این پرسش را به دقت می توان پاسخ داد. زیرا جرم پروتون ، نوترون و الکترون و همچنین جرم ‏های تقریبا ‏تمام اتم های گوناگون معلوم اند. ‏

منشا انرژی همبستگی هسته:
در فیزیک یک اصل کلی است که می گوید : برای متلاشی کردن یک سیستم یا مجموعه پایدار ‏باید کار ‏انجام داد. مثلا اگر سیستمی از نوترون ها و پروتون ها ، که هسته اتم را ایجاد می ‏کنند، پایدار باشد. برای از ‏هم سوا کردن آنها باید انرژی مصرف نمود.‏

پروتون

جرم کلی یک هسته پایدار باید کمتر از جمع جرم های جداگانه نوترون ها و پروتون های تشکیل ‏دهنده آن ‏باشد. از طریق محاسبه و تجربه معین شده است که اختلافی بین مجموع جرم ‏نکلئونهای هسته و جرم هسته ‏پایدار وجود دارد. این اختلاف جرم معادل انرژیی هست که جهت ‏متلاشی کردن کامل هسته لازم است. این ‏انرژی موسوم به انرژی همبستگی اتم می باشد.‏

محاسبه انرژی همبستگی هسته:
بررسی جرم های اتمی شناخته شده نشان می دهد که برای هر نوع اتم ، جرم اتمی همواره ‏کمتر از ‏مجموع جرم های ذرات تشکیل دهنده به حالت آزاد آنهاست. ساده ترین اتم که دست ‏کم شامل یک پروتون ، ‏یک نوترون و یک الکترون باشد دوتریم است: در این مورد جرم ها عبارتند ‏از:‏

جرم سکون یک پروتون = amu ‏1.007276‏‏

پروتون

جرم سکون یک نوترون = amu‏ 1.008665‏ ‏

جرم سکون یک الکترون = amu‏ 0.000549‏ ‏

چگالی جرمی الکترون

جرم سکون ذرات تشکیل دهنده در حالت آزاد = amu‏ 2.016490‏

جرم سکون اتم دوتریوم = 2.014102‏amu‏ ‏

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 ملاحظه ای مطابقت دارد. بنابرین ‏تفاوت جرم( ‏Δm‏ ‏‏)با تفاوت انرژی ( ‏ΔE‏ ) با رابطه ‏ΔE=CΔm2 به هم مربوط می شوند. ‏یک ضریب تبدیل مناسب ‏برای تبدیل جرم اتمی (برحسب واحد جرم اتمی)بهانرژی( برحسبمگاالکترون ‏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 ‎‎0.002388amu‏ 2.22 به هنگام ترکیب این سیستم از ذرات ترکیب شونده آن ، پیش از آن که به ‏صورت یک اتم ‏دوتریوم درآمده باشد، به اطراف تابیده است.‏

انرژی از دست رفته موردنظر را که از محاسبه تفاوت در جرم سکون حاصل شده، می توان با ‏نتیجه یک ‏آزمایش مستقیم مقایسه کرد. وقتی هیدروژن با نوترون بمباران می شود. یک نوترون ‏به صورت واکنش زیر ‏گیر می افتد.‏
‎1n+11H→21H+γ

در این واکنش هیچ گونه اجزای ذره‌ای که انرژی جنبشی زیادی داشته باشند، ایجاد ‏نمی‌شود. بنابراین جرمی ‏برابر ‏ ‏amu‏‏‎0.002388‎‏ که تفاوت سبکتر شدن ‏‎21H‏ از ‏‏<‏up>1n+11H‏s> است، به ‏وسیله اشعه گاما ربوده می شود. ‏انرژی این اشعه از طریق آزمایش معین و معلوم شده ‏که ‏MeV‏22.2 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 می شود، نیز ‏بررسی شده‌است:‏
اگر انرژی پرتوهای ‏اشعه‏ کمتر از ‏MeV‏22.2 باشد، این واکنش صورت نمی‌گیرد. اما اگر ‏پرتوهای ‏V‏ با ‏انرژی ‏MeV‏22.2 یا بیشتر به کار گرفته شوند، واکنش صورت می‌گیرد. یعنی ‏پروتون و نوترون از هم جدا ‏و آشکارپذیر می شوند. ‏

‎21H+γ→1n+11H‎

هسته دوتریوم

به دنبال "گیر اندازی" یک نوترون به وسیله ‏‎11H‏ ، انرژی در یک ‏‏‏اشعه گاما آزاد می شود. این انرژی (‏MeV‏22.2) انرژی اتصال دوترون نامیده می‌شود. ‏این انرژی را ‏می‌توان انرژی‌ای 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 هسته ای:
مفهوم انرژی هسته‌ای برای تمام مواردی که اجزایی ساده به وسیله نیرویی به هم ‏می‌پیوندند و یک سیستم ‏پیچیده به‌وجود می‌آورند، به کار 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. به عکس ، وقتی یک هسته ‏عریان‎11H ‎‏ الکترونی را گیر ‏می اندازد و به یک اتم هیدروژن ‏خنثای پایدار معمولی مبدل می‌شود. سیستم مقداری انرژی برابر با ‏eV‏ 13 ‏به وسیله ‏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 آن قدر بزرگ‌اند که تفاوت جرم ‏مربوط به آنها قابل اندازه‌گیری می‌شود.‏

[ghasem motamedi]

رادیواکتیویته (Radioactive)
دیدکلی:
مواد رادیواکتیو از اتم های ناپایداری تشکیل می شوند که تجزیه می شوند و انرژی سطح بالایی به نام تابش رادیواکتیو را آزاد می کنند این اتمها نهایتا عناصر جدیدی را تشکیل می دهند. سه نوع تابش رادیواکتیو وجود دارد که ذرات آلفا ، ذرات بتا ، و پرتوهای گاما خوانده می شوند.

اطلاعات اولیه:
پرتو آلفا (دو پروتون و دو نوترون): جرم چهار واحد اتمی (a.m.u) و بارالکتریکی مثبت در پرتو بتا (الکترونهای سریع): جرم ناچیز و بارالکتریکی منفی یک و پرتو گاما (موج الکترومغناطیسی): بدون جرم و بدون بار (مثلا انرژی خالص)
تاریخچه: حدود اواخر قرن نوزدهم اکثر دانشمندان بر این عقیده بودند که تمام مسائل عمده فیزیک حل شده اند ، به غیر از چند مورد جزئی برای قطعیت دادن به برخی نظریه های ضروری بود. در سال 1895 ، رزتگن اشعه ایکس را کشف کرد. این اشعه نخست در معاینات پزشکی به کار رفت و بعدها برای بررسی ساختمان اساسی مواد مورد استفاده قرار گرفت چند ماه بعد ماری کوری این پدیده جدید را رادیو اکتیو نامید. او و شوهرش پی یر کوری ، همچنین پولونیم (po ، فلز ضعیف) و رادیم (Ra ، فلز قلیایی خاکی) را کشف کردند. ماری کوری نخستین کسی بود که از اصطلاح «رادیواکتیو» برای موادی که فعالیت الکترومغناطیسی قابل توجه دارند استفاده کرد. خاصیت رادیواکتیویته این دو عنصر جدید از اورانیم بیشتر بود.

مادام کوری

سیر تحولی و رشد:
ماری کوری تحقیق خود را با جستجوی کاربردهای پزشکی رادیواکتیو ادامه داد. و قدرت تشعشع ترکیبات اورانیم را اندازه گرفت و تحقیق خود را به عناصر دیگر از جمله توریم ، گسترش داد.

توریم

در سال 1934 میلادی زوج ژولیو- کوری رادیواکتیویته مصنوعی را کشف کرد.
ماری کوری پی یر کوری همراه با فیزیکدان فرانسوی هانری بکرل (1908-1852 م) مدل دیوی انجمن سلطنتی انگلستان و جایزه نوبل را در فیزیک برای کشف رادیواکتیو دریافت می کنند. پی یر کوری کشف می کند که رادیم Ra خود بخود حرارت آزاد می کند.

در سال 1910 میلادی در کنفرانس بروکسل در مورد رادیواکتیویته ، واحد رادیواکتیویته به افتخار او کوری نامیده شد. در مورد کشف رادیواکتیویته توسط هانری بکرل باید بگوییم که در سال 1896 میلادی ، بکرل در جستجوی شواهدی بود که ثابت کند مواد شیمیایی که نور طبیعی فلوئورسان هستند از خود پرتو ساطع می کنند.

نور فلوئورسان

او یک نمونه سولفات پتاسیم اورانیم را برداشت و آن را همراه با یک صفحه عکاسی در کاغذ سیاه پیچید. از آنجا که روزی ابری بودنمونه بکرل خاصیت فلوئورسانی را از خود نشان نمی داد. او آن را درکشویی در آزمایشگاه خود گذاشت و به آزمایشهای خود در مورد لامپهای اشعه کاتدی ادامه داد. چند روز بعد ، دریافت که نمونه تصویری را بر روی صفحه عکاسی ایجاد کرده است. این نشان می داد که ماده مذکور شکلی از تشعشع را که بعدا ماری کوری آن را رادیواکتیویته نامید ، از خود ساطع کرده است.1922 میلادی نیلز بور نظریه طیفهای ساختار اتمی را منتشر کرد و در 1927 میلادی اصل مکمل بودن را تنظیم می کند که رفتار پیچیده رادیواکتیویته را توصیف می کند.
ارنست رادرفورد فیزیکدان بریتانی نیوزلندی الاصل (1871-1937) بر روی رادیواکتیویته و ماهیت ذرات آلفا (دارای بار مثبت) تحقیق کرد و متوجه شد که بار مثبت اتم در مرکز آن و در هسته ای ریز و متراکم متمرکز است. در سال 1930 میلادی رادرفورد تشعشعات مواد رادیواکتیو را منتشر کرد.

تابشهای رادیواکتیو:
چنان که گفته شد سه نوع تابش رادیواکتیو وجود دارد که ذرات آلفا از چهار ذره اتمی ، یعنی دو پروتون و دو نوترون تشکیل می شوند. این ذرات ضعیفترین نوع تابش رادیواکتیو هستند. و بار الکتریکی مثبت دارند. مسیر آنها را می توان با صفحه کاغذ مسدود کرد. ذرات بتا قدرتمند و از ذرات اتمی که الکترون خوانده می شوند و بار منفی دارند تشکیل می شونداز این کاغذ عبور می کند ولی آلومینیوم آن را مسدود می کند. پرتوهای گاما از همه قدرتمند ترند. آنها امواج الکترومغناطیسی اند و فاقد بارالکتریکی می باشند. اما پرتوهای گاما را فقط لایه ضخیمی از سرب متوقف می سازد. خروجی یا تابش رادیواکتیو می تواند وارد بافتهای زنده شود و به آنها صدمه بزند. بنابراین اطراف آن باید کنترل شود. این تابش را با وسیله ای به نام شمارنده گایگر – مولر ، که نام آن از مخترعانش اقتباس شده است ، می توان اندازه گرفت. وقتی تابش رادیواکتیو وارد این شمارنده می شود ، گاز موجود در آن حامل الکتریسیته می شود. مقدار بار را می توان روی صفحه ای قرائت کرد یا از طریق یک بلند گو به صورت صداهای تیک تیک خاصی شنید.

نیمه عمر:
نیمه عمر یک ماده زمانی است که طول می کشد تا خاصیت رادیواکتیویته آن به نصف کاهش یابد. مثلا نیمه عمر کربن 14 (شکل خاصی از عنصر کربن) 5600 سال است. یعنی 5600 سال طول می کشد تا نصف اتم های رادیواکتیو کربن دچار فروپاشی شوند ، یا یک گرم از اتم های رادیواکتیو به نیم گرم تقلیل یابد. 5600 سال دیگر طول می کشد که همین مقدار نیز به نصف برسد و به همین ترتیب.
نیمه عمر عناصر مختلف از چند ثانیه تا میلیونها سال متغیر است. فروپاشی شبکه ای زباله های اتمی زیان بخش حاصل از نیروگاههای هسته ای میلیونها سال طول می کشد. و همه موجودات زنده روی زمین حاوی مقدار معینی کربن 14 (کربن رادیواکتیو) هستند که با تبادل مداوم گازهای اکسیژن و دی اکسید کربن بین موجودات زنده و جو زمین تشکیل می شود. وقتی یک گیاه یا حیوان می میرد ، این تبادل متوقف می شود و کربن 14 شروع به فروپاشی می کند.

دانشمندان می دانند که نیمه عمر این کربن 5600 سال است. بنابراین پس از این مدت جسم مرده دقیقا نصف تشعشع رادیواکتیو زمان زندگی خود را ساطع می کند. این فروپاشی با آهنگ ثابتی انجام می شود و در نتیجه این امکان وجود دارد که با اندازه گیری میزان تابش زمان مرگ موجود مورد نظر را دریافت. باستانشناسان از عمر بعضی کربن برای یافتن تاریخ مومیایی های مصر باستان استفاده کرده اند.
از دیدگاه نظری ، همه مواد رادیواکتیو نهایتا به سرب تبدیل می شوند ، هسته اتم سرب پایدار است و بنابراین خاصیت رادیواکتیو ندارد.اما این امر به طور تجربی اثبات نشده است. زیرا نیمه عمر بعضی از عناصر بیش از عمر انسانهاست.

عناصر متداول و نیمه آنها:
اورانیم 238 نیمه عمر آن 5 میلیارد سال
اورانیم 235 نیمه عمر آن700 میلیون سال
پلوتونیم239 نیمه عمر آن 24000سال
کربن 14 نیمه عمر آن 5600 سال
ید131 نیمه عمر آن 8 روز
طلای 198 نیمه عمر آن 3 روز
سدیم 24 نیمه عمر آن 15 ساعت
فلوئور 17 نیمه عمر آن 1 دقیقه
پولونیم 214 نیمه عمر آن00000003/0 ثانیه
سرب پایدار(بدون نیمه عمر)

کاربردها:
بسیاری از ایزوتوپها رادیواکتیو هستند یعنی ذرات با فرکانس بالا را از هسته (مرکز) اتمهای خود ساطع می کنند. از آنها می توان برای دنبال کردن مسیر مواد متحرکی که از دید پنهان هستند ، مانند جریان خون در بدن یک بیمار در بیمارستان ، استفاده کرد.
در جریان خون:
مقدار کمی از یک ایزوتوپ رادیواکتیو به درون جریان خون بیمار تزریق می شود. سپس مسیر آن توسط آشکار سازهای خاصی که فعالیت رادیواکتیویته را مشخص می کنند دنبال می شود. این اطلاعات به یک کامپیوتر داده می شود که صفحه آن هرگونه اختلالی مانند انعقاد خون در رگها را نشان می دهد. با استفاده از روشی مشابه ، می توان از ایزوتوپها برای مطالعه جریان مایعات در تاسیسات شیمیایی نیز استفاده کرد.
در فرسودگی ماشین آلات:
آهنگ فرسودگی ماشین آلات صنعتی را نیز می توان با استفاده از ایزوتوپها اندازه گرفت. مقادیر اندکی از ایزوتوپها رادیواکتیو به بخشهای فلزی ماشین آلات ، مانند یاتاقانها و رینگ پیستونها اضافه می شود. سپس سرعت فرسودگی با اندازه گرفتن رادیواکتیویته روغنی که برای روغنکاری این بخشها به کار رفته است محاسبه می شود.
اندازه گیری رادیو اکتیویته
خروجی یا تابش رادیواکتیو می تواند وارد بافتهای زنده شود و به آنها صدمه بزند ، بنابراین اطراف آن باید کنترل شود . این تابش را با وسیله ای به نام شمارنده گایگر ـمولر ، که نام آن از مخترعانش اقتباس شده است ، می توان اندازه گرفت وقتی تابش رادیو اکتیو وارد این شمارنده می شود ، گاز موجود در آن حامل الکتریسیته می شود . مقدار بار را می توان روی صفحه ای قرائت کرد ، یا از طریق یک بلندگو به صورت صداهای تیک تیک خاصی شنید.

گایگر

[ghasem motamedi]

تعریف واکنش های هسته ای:
تبدیلات خود بخودی یا مصنوعی بعضی از هسته های اتمی به هسته دیگر که نتیجه بهم خوردن ترکیب ساختمان هسته یا تغییر در تعداد نوکلئون ها (ذرات هسته ای ) است واکنش های هسته ای نام دارند.

روش های انجام واکنش های هسته ای:
شکست هسته به دو هسته غیر مساوی توام با انتشار پروتون ، نوترون، ذرات آلفا، اشعه گاما و واکنش های ترکیب هسته ای که تشکیل یک هسته سنگین تر در اثر تجدید ساختمان هسته عناصر سبک تر که همراه با ازاد شدن مقادیر زیاد انرژی است ، صورت می گیرد.
انرژی حاصل از واکنش های ترکیب یا (همجوشی) 8 برابر بیشتر از انرژی هسته ای واکنش های شکست هسته ای است.
راه های مختلف تولید انرژی هسته ای:
شکافت هسته‌ای
همجوشی هسته ای
شکافت هسته‌ای (Nuclear Fission):

فرض می شود نوترون منفردی به یک قطعه ایزوتوپ اورانیوم235 نفوذ کند در اثربرخورد به هسته اتم اورانیوم 235 ، اورانیوم بدو قسمت شکسته می شود مقادیر زیادی نیز انرژی ازاد می گردد در حدود (200Mev) اما مسئله مهمتر اینکه نتیجه شکستن هسته اورانیوم 235 آزادی دو نوترون است که می تواند دو هسته دیگر را شکسته و چهار نوترون را بوجود آورد.

این چهار نوترون نیز چهار هسته اورانیوم 235 را می شکند چهار هسته شکسته شده تولید هشت نوترون می کنند که قادر به شکستن همین تعداد هسته اورانیوم می باشند سپس شکست هسته ای و آزاد شدن نوترون ها بصورت زنجیروار به سرعت تکثیر و توسعه می یابد.

در هر دوره تعداد نوترونها دو برابر می شود در یک لحظه واکنش زنجیری خود بخودی شکست هسته ا ی شروع می گردد. در واکنش های کنترل شده تعدادشکست در واحد زمان و نیز مقدار انرژی به تدریج افزایش یافته و پس از رسیدن به مقداری دلخواه ثابت نگهداشته می شود.

فرض کنیم یک ذره(a) به یک هسته ساکن(x) برخورد کند در نتیجه در واکنش های هسته ای هسته(y) و ذره (b) تولید می شود که این واکنش را بصورت زیر می نویسم:
a+x→b+y

مراحل شکست اورانیوم 235 :
1n+235U→234U→144Ba+89Kr+3 1n
در واکنش اخیر در نتیجه برخورد نوترون حرارتی به اورانیوم 235 آن را به اورانیوم 234 تحریک شده تبدیل می کند. نهایتا اورانیوم تحریک شده نیز بعد از شکافت ، به باریم و کریپتون و سه تا نوترون تبدیل می شود.


مواد قابل شکست ( Fissionable Materials):
موادی که وقتی تحت تابش نوترون قرار می گیرند انجام یک واکنش شکست هسته ای را ممکن می سازند شامل موارد زیرمی شود : اورانیوم 235، اورانیوم238، پلوتنیوم239، ایزوتوپ اورانیوم 233، (اورانیوم233 بطور مصنوعی در راکتورهای هسته ای با تاباندن نوترون به توریوم233 بوجود می آید).

محصولات شکست اورانیوم (Uranium Fission Puroducts):
زمانی که هسته اتمی اورانیوم 235 بدو قسمت شکسته می شود عناصر زیر تولید می شوند:
استرتیوم 90 ، کریپتون 91 ، ایتریوم 91 ، زیرکونیوم 95 ، ید 126 ، سزیم 137 ، باریم 142 ، سریم 144 قابل ذکر هستند.



همجوش هسته ای (Nuclear Fusion) :
همجوشی هسته ای 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 بنابر این دانشمندان بطور جدی کوشش می کنند تا واکنش همجوشی را کنترل کنند یعنی در کیف کاهش سرعت واکنش به درجه ای که بتواند برای مقاصد صلح جویانه مفید باشد.
در مرحله اول ازاین واکنش ها بصورت کنترل شده برای تولید برق استفاده می شود. همچنین انرژی تولید شده در این واکنش 8 برابر انرژی تولیدشده در شکافت هسته‌ای می باشد.
منشا انرژی تابشی خورشید و دیگر ستاره ها یک سری از واکنش های هسته ای انرژی زا است اتم هایی که دراین واکنش ها در درون ستاره شرکت می کنند کاملا یونیزه اند.یعنی تمامی الکترون ها از آن کنده شده است.چنین مجموعه ای از ذرات باردار را پلاسما می نامند.

دو تریوم و تریتیوم ایزوتوپ های هیدروژن مواد قابل احتراق همجوشی هسته ای را تشکیل می دهند .
هسته دو تریوم از یک نوترون و یک پروتون تشکیل می یابد. هسته تریتیوم دارای دو نوترون و یک پروتون است.

سوخت های همجوشی :
ملاحظات فرایند های طبیعی و نتایج حاصل از آنها نشان داده است که واکنش های همجوشی گوناگونی وجود دارد. از جمله از واکنش های همجوشی هسته ای واکنش دوترون با تریتیوم می باشد.
معادله واکنش های همجوشی هسته ای :
نخستین واکنش همجوشی قابل کنترل توسط رابطه زیر ارائه شد (ترکیب ایزوتوپ های هیدوژن)
2H+3H→1n+4He
در این واکنش انرژیی معادل 17.6 Mev آزاد می شود.که از آن می شود در کادبردهای صنعتی و نظامی استفاده نمود.

[ghasem motamedi]

دید کلی:
انرژی آزاد شده در واکنشهای شکست هسته‌ای اتمی عناصر سنگین (اورانیم ، پلوتونیم) ، یا انرژی حاصل از همجوشی هسته اتمی عناصر سبک (هیدروژن) و تبدیل آنها به هسته عناصر سنگین ، انرژی هسته‌ای نام دارد. عنوان مذکور نسبت به اصطلاح انرژی اتمی از نظر علمی صحیحتر و دقیقتر می‌باشد. جهت دیگری که استفاده از توان هسته‌ای به مقیاس وسیعی به طرف آن سوق یافته تولید انرژی الکتریکی از انرژی رها شده در عمل شکافت است.

تقریبا در تمام سیستمهای تولید توان هسته‌ای موجود ، راکتور هسته‌ای منبع آزمایش‌های مربوط به گرما برای به کار انداختن توربینهای بخار است، این توربینها مولدهای الکتریکی را درست به همان گونه به حرکت در می‌آورند که توانگاههای نفت سوز یا زغال سنگ عمل می‌کنند. در یک نیروگاه هسته‌ای معمولی ماده شکافت پذیر به جای زغال سنگ یا نفت به کار می رود و بنابراین یک منبع جدید انرژی به صورت الکتریسیته فراهم می‌گردد.

راکتور

استفاده مفید از همجوشی هسته‌ای:

واکنشهای همجوشی در آزمایشگاه از طریق بمباران مواد سبک مناسبی که به عنوان هدف قرار می‌گیرند یا مثلا ، دوترونهایی پر انرژی که از یک شتابدهنده ذره ای پرتاب می‌شوند. تولید می‌گردد. در این واکنشها ، هسته‌هایی تولید می‌شوند که هم از هسته‌ها "پرتابه‌ها" و هم از هسته‌هایی که هدف قرار گرفته، سنگینترند. البته در این واکنشها تعدادی ذرات اضافی و تعدادی انرژی آزاد می‌شود.
در واکنش همجوشی معروفی ایزوتوپی از هیدروژن با عدد اتمی A=3 از جوش خوردن هیدروژنهای اتمی که تریتیم نامیده می‌شود، تولید می‌شود. تریتیم که به تعداد ناچیز در طبیعت یافت می‌شود. رادیواکتیو بوده و نیم عمر آن حدود 12 سال است. تریتیم پس از گسیل ذره بتا به 32He که ایزوتوپی از هلیم است تباهی می‌یابد.

هرگاه هدفی شامل تریتیم با دوترون بمباران شود، 42He تولید و MeV17.6انرژی آزاد می‌گردد. از این انرژیMeV 14.1 به صورت انرژی جنبشی نوترون و 3.5MeV به صورت انرژی جنبشی هسته تولید شده ظاهر می‌گردد. همجوشی تریتیم و دوتریم امکان فراهم آمدن منابع بزرگی از انرژی را برای ، مثلا ، توانگاه‌های الکتریکی به دست می‌دهد. دوتریم در آب وجود دارد. فراوانی آن حدود یک در هفت هزار اتم هیدروژن است و می‌توان آن را ازایزوتوپ سبکتر خود جدا کرد.

چهار لیتر آب حدود 0.13gr دوتریم دارد، که امروزه می‌توان با هزینه حدود 8% دلار آن را جدا کرد. اگر این مقدار کم دوتریم بتواند در شرایط مناسب با تریتیم (که احتمالا با واکنش مورد بحث فوق تشکیل شده باشد) ترکیب شود، برونداد انرژی آن معادل انرژی حاصل از حدود 1140 لیتر بنزین خواهد بود. مقدار کل دوتریم موجود در اقیانوسها بالغ بر حدود 1017Kg و محتوای انرژی آن حدود 1020 کیلو وات در سال است. اگر بتوانیم دوتریم و تریتیم را برای تولید انرژی مورد استفاده قرار دهیم، منبع عظیمی از انرژی فراهم می‌شود.

[ghasem motamedi]

تعریف شکافت هسته ای:

اگر نوترون منفردی به یک قطعه ایزوتوپ اوارنیوم235 نفوذ کند در اثربرخورد به هسته اتم اورانیوم 235 ، اورانیوم بدو قسمت شکسته می شود. مقادیر زیادی نیز انرژی آزاد می گردد در حدود (200Mev).
اما مسئله مهمتر اینکه نتیجه شکستن هسته اورانیوم 235 آزادی دو نوترون است که می تواند دو هسته دیگر را شکسته و چهار نوترون را بوجود آورد.این چهار نوترون نیز چهار هسته اورانیوم 235 را می شکند. چهار هسته شکسته شده تولید هشت نوترون می کنند که قادر به شکستن همین تعداد هسته اورانیوم می باشند. سپس شکست هسته ای و آزاد شدن نوترون ها بصورت زنجیروار به سرعت تکثیر و توسعه می یابد.

در هر دوره تعداد نوترونها دو برابر می شود در یک لحظه واکنش زنجیری خود بخودی شکست هسته ا ی شروع می گردد. در واکنش های کنترل شده تعدادشکست در واحد زمان و نیز مقدار انرژی به تدریج افزایش یافته و پس از رسیدن به مقداری دلخواه ثابت نگهداشته می شود.

انرژی شکافت هسته ای:
کشف انرژی هسته ای در جریان جنگ جهانی دوم صورت گرفت و اکنون برای شبکه برق بسیاری از کشورها هزاران کیلو وات تهیه می کند (نیرو گاه هسته ای).

بحران انرژی بر اثر بالارفتن قیمت نفت در سال 1973 استفاده از انرژی شکافت هسته ای را بیشتر وارد صحنه کرد. در حال حاضر ممالک اروپایی انرژی هسته ای را تنها انرژی می دانند. که می تواند در اکثر موارد جایگزین نفت شود. استفاده از انرژی شکافت هسته ای که بر روی یک ماده قابل احتراق کانی که بصورت محدود پایه گذاری می شود برای سایر کشورها خطرات بسیار دارد در حال حاضر تولید الکتریسته با استفاده از شکافت هسته ای کنترل شده به میزان زیادی توسعه یافته و مورد قبول واقع شده است. تولید انرژی هسته ای در کشورهای توسعه یافته بخش مهمی از طرح انرژی ملی را تشکیل می دهد.

رآکتور

انرژی بستگی هسته ای:

می توان تصور کرد که جرم هسته M با جمع کردن Z تعداد پروتون ها ضربدر جرم پروتون و N تعداد نوترون ها ضربدر جرم نوترون بدست می آید.

M=ZxMp+NxMn از طرف دیگر M همیشه کمتر از مجموع جرم های تشکیل دهنده های منزوی هسته است. این اختلاف به توسط فرمول انیشتین توضیح داده می شود که رابطه بین جرم و انرژی (هم ارزی جرم و انرژی) را برقرار می سازد.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 نوکلئون ها و E مقدار انرژیی است که در اثر فروپاشی جرم M تولید می شود.

بنابر این اصول انرژی هسته ای بر آزاد سازی انرژی پیوندی هسته استوار است. هر سیستمی که دارای انرژی پیوندی بیشتر باشد پایدار می باشد.در واقع جرم مفقود شده در واکنش های هسته ای طبق فرمول E=M C2 به انرژی تبدیل می شود. پس انرژی بستگی اختلاف جرم هسته و جرم نوکلئون های تشکیل دهنده آن است. که معرف کاری است که باید انجام شود تا نوکلئون ها از هم جدا شوند.

مواد شکافتنی :
در طبیعت دونوع مواد پرتوزا است به علت اینکه این مواد نا پایدار و باید به پایداری برسند، انرژی گسیل می کنند تا به حالت پایدار برسد. معمولا عناصری شکافت پذیر هستند که جرم اتمی آنها بالای 150 باشد اورانیوم 238 اورانیوم 235 در معادن یافت می شود.

99.3 درصد اورانیوم معادن اورانیوم 238 می باشد.و تنها 7% آن اورانیوم 235 می باشد. از طرفی اورانیوم 235 با نوترون های کند پیشرو واکنش نشان می دهد. اورانیوم 238 تنها با نوترونهای تند کار می کند، البته خوب جواب نمی دهد بنابر این در صنعت در نیروگاه های هسته ای اورانیوم 235 به عنوان سوخت محسوب می شود. ولی به دلایل اینکه در طبیعت کم یافت می شود بایستی غنی سازی اورانیوم شود یعنی اینکه از 7% به 1الی 3 درصد برسانند.

شکافت اورانیوم 235:

در این واکنش هسته ای وقتی نوترون کند بر روی اورانیوم 235 برخورد می کند به اورانیوم 236 تحریک شده تبدیل می شود. نهایتا تبدیل به باریم و کریپتون و 3 تا نوترون تند و 177 Mev انرژی آزاد می شود. پس در واکنش اخیر به ازای هر نوکلئون حدود 1 Mev انرژی آزاد می شود.

در واکنش های شیمیایی مثل انفجار به ازای هر مولکول حدود 30 Mev انرژی ایجاد می شود. لازم به ذکر است در راکتورهای هسته ای که با نوترون کار می کند طبق واکنش های به عمل آمده 2الی3 نوترون سریع تولید می شود. حتما این نوترون های سریع باید کند شوند.

[ghasem motamedi]

ایزوتوپهای قابل دسترس اورانیوم
سنگ معدن اورانیوم موجود در طبیعت از دو ایزوتوپ اورانیوم 234 به مقدار 0.7 درصد و اورانیوم 238 ‏به مقدار 3.99 درصد تشکیل شده است. سنگ معدن را ابتدا در اسید حل کرده و ‏بعد از تخلیص فلز، اورانیوم را به صورت ترکیب با اتم فلور (F9) و به صورت مولکول ‏اورانیوم هگزا فلوراید تبدیل می کنند که به حالت گازی است. سرعت متوسط ‏مولکول های گازی با جرم مولکولی گاز نسبت عکس دارد. ‏
غنی سازی اورانیوم با دیفوزیون گازی

گراهان در سال 1864 پدیده ای 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 می کنند. در عمل اورانیوم ‏هکزا فلوراید طبیعی گازی شکل را از ستون هایی که جدار آنها از اجسام متخلخل ‏‏(خلل و فرج دار) درست شده است عبور می دهند. سوراخهای موجود در جسم ‏متخلخل باید قدری بیشتر از شعاع اتمی یعنی در حدود 2.5 آنگسترم (-7‏25x10 سانتیمتر) باشد.

دیفوزیون

ضریب جداسازی متناسب با اختلاف جرم مولکول ها است. روش غنی سازی ‏اورانیوم تقریباً مطابق همین اصولی است که در اینجا گفته شد. با وجود این ‏می توان به خوبی حدس زد که پرخرج ترین مرحله تهیه سوخت اتمی همین ‏مرحله غنی سازی ایزوتوپ ها است زیرا از هر هزاران کیلو سنگ معدن اورانیوم ‏‏140 کیلوگرم اورانیوم طبیعی به دست می آید که فقط یک کیلوگرم اورانیوم 235 ‏خالص در آن وجود دارد. ‏

غنی سازی اورانیم از طریق میدان مغناطیسی
یکی از روش های غنی سازی اورانیم استفاده از میدان مغناطیسی بسیار قوی می باشد. در این روش ابتدا اورانیم هگزا فلوئورید را حرارت می دهند تا تبخیر شود. از طریق تبخیر، اتم های اورانیم و فلوئورید از هم تفکیک می شوند. در این حالت، اتم های اورانیم را به میدان مغناطیسی بسیار قوی هدایت می کنند. میدان مغناطیسی بر هسته های باردار اورانیم نیرو وارد می کند ( این نیرو به نیروی لورنتس معروف می باشد)، و اتم های اورانیم را از مسیر مستقیم خود منحرف می کند. اما هسته های سنگین اورانیم (اورانیم238) نسبت به هسته های سبک تر(اورانیم 235) انحراف کمتری دارند، و درنتیجه از این طریق می توان اورانیم 235 را از اورانیم طبیعی تفکیک کرد.
کاربردهای اورانیوم غنی شده
شرایطی ایجاد کرده اند که نسبت اورانیوم 235 به اورانیوم 238 را به 5 درصد می ‏رساند. برای این کار و تخلیص کامل اورانیوم از سانتریفوژهای بسیار قوی استفاده ‏می کنند.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 اورانیوم 235 صددرصد خالص نیاز ‏است. در صنایع نظامی از این روش استفاده نمی شود و بمب های اتمی را از ‏پلوتونیوم 239 که سنتز و تخلیص شیمیایی آن بسیار ساده تر است تهیه ‏می کنند.

بمب اورانیومی

نحوه تولید سوخت پلوتونیوم رادیواکتیو
این عنصر ناپایدار را در نیروگاه های بسیار قوی می سازند که تعداد نوترون های ‏موجود در آنها از صدها هزار میلیارد نوترون در ثانیه در سانتیمتر مربع تجاوز ‏می کند. عملاً کلیه بمب های اتمی موجود در زراد خانه های جهان از این عنصر ‏درست می شود.‏
روش ساخت این عنصر در داخل نیروگاه های هسته ای به این صورت است که ‏ایزوتوپ های اورانیوم 238 شکست پذیر نیستند ولی جاذب نوترون کم انرژی ‏‏(نوترون حرارتی) هستند.

ساختار کریستالی پلوتونیوم جامد

تعدادی از نوترون های حاصل از شکست اورانیوم 235 را ‏جذب می کنند و تبدیل به اورانیوم 239 می شوند. این ایزوتوپ از اورانیوم بسیار ‏ناپایدار است و در کمتر از ده ساعت تمام اتم های به وجود آمده تخریب ‏می شوند. در درون هسته پایدار اورانیوم 239 یکی از نوترون ها خودبه خود به ‏پروتون و یک الکترون تبدیل می شود.
بنابراین تعداد پروتون ها یکی اضافه شده و عنصر جدید را که 93 پروتون دارد ‏نپتونیم می نامند که این عنصر نیز ناپایدار است که یکی از نوترون های آن خود به ‏خود به پروتون تبدیل شده و در نتیجه به تعداد پروتون ها یکی اضافه شده و عنصر ‏جدید پلوتونیم را که 94 پروتون دارد ایجاد می کنند. این کار حدودا در مدت یک هفته ‏صورت می گیرد.

[ghasem motamedi]

دید کلی:
انرژی هسته ای کاربردهای زیادی در پزشکی در علوم و صنعت و کشاورزی و... دارد. لازم به ذکر است انرژی هسته ای به تمامی انرژی های دیگر قابل تبدیل است ولی هیچ انرژی به انرژی هسته ای تبدیل نمی شود .موارد زیادی از کاربردهای انرژی هسته ای در زیر آورده می شود .
نیروگاه هسته ای:
نیروگاه هسته ای (Nuclear Power Station) یک نیروگاه الکتریکی که از انرژی تولیدی شکست هسته اتم اورانیوم یا پلوتونیم استفاده می کند. اولین جایگاه از این نوع در 27 ژوئن سال 1958 در شوروی سابق ساخته شد. که قدرت آن 5000 کیلو وات است. چون شکست سوخت هسته ای اساساً گرما تولید می کند از گرمای تولید شده رآکتور های هسته ای برای تولید بخار استفاده می شود از بخار تولید شده برای به حرکت در آوردن توربین ها و ژنراتور ها که نهایتاً برای تولید برق استفاده می شود .

بمب های هسته ای:
این نوع بمب ها تا حالا قویترین بمبهای و مخربترین های جهان محسوب می شود. دارندگان این نوع بمبهاجزو قدرت های هسته ای جهان محسوب می شود .

بمب هسته ای

پیل برق هسته ای Nuclear Electric battery:
پیل هسته ای یا اتمی دستگاه تبدیل کننده انرژی اتمی به جریان برق مستقیم است ساده ترین پیل ها شامل دو صفحه است. یک پخش کننده بتای خالص مثل استرنیوم 90 و یک هادی مثل سیلسیوم.
جریان الکترون های سریعی که بوسیله استرنیوم منتشر می شود ازمیان نیم هادی عبور کرده و در حین عبور تعداد زیادی الکترون اضافی را از نیم هادی جدامی کند که در هر حال صدها هزار مرتبه زیادتر از جریان الکتریکی حاصل از ایزوتوپ رادیواکتیو استرنیوم 90 می باشد .

کاربردهای پزشکی:
در پزشکی تشعشعات هسته ای کاربردهای زیادی دارند که اهم آنها عبارتند از:
رادیو گرافی
گامااسکن
استرلیزه کردن هسته ای و میکروب زدایی وسایل پزشکی با پرتو های
هسته ای
رادیو بیولوژی

عکس رادیو گرافی

کاربردهای کشاورزی:
تشعشعات هسته ای کاربرد های زیادی در کشاورزی دارد که مهم ترین آنها عبارتست از:

موتاسیون(جهش) هسته ای ژن ها در کشاورزی
کنترل حشرات با تشعشعات هسته ای
جلوگیری از جوانه زدن سیب زمینی با اشعه گاما
انبار کردن میوه ها
دیرینه شناسی (باستان شناسی) و صخره شناسی (زمین
شناسی) که عمر یابی صخره ها با C14 در باستان شناسی خیلی
مشهور است.

جهش ژن

کاربردهای صنعتی:
در صنعت کاربردها ی زیادی دارد از جمله مهمترین آنها عبارتند از:

نشت یابی با اشعه

دبی سنجی پرتویی
(سنجش شدت تشعشعات ، نور و فیزیک امواج)
سنجش پرتویی میزان سائیدگی قطعات در حین کار
سنجش پرتویی میزان خوردگی قطعات
چگالی سنج موادمعدنی با اشعه
کشف عناصر نایاب در معادن

[ghasem motamedi]

انواع راکتورهای هسته ای
دید کلی:
راکتورها در اصل سیستمیهایی هستند که واکنش های هسته ای مثل شکافت هسته‌ای در آنها صورت می گیرد و انرژی تولیده در آنها تحت کنترل در می آید. به عنوان مثال خورشید یک راکتور هسته ای طبیعی است که در آن عناصر سبک هسته ای به هم جوش می خورند (همجوشی هسته ای) و تولید انرژی می کنند.
انواع راکتورها را از لحاظ عملکردشان در زیر می آوریم.

راکتورهای حرارتی (کند) Termal Reactor:

راکتورهای حرارتی خودش به دو دسته تقسیم می شوند:
راکتورحرارتی کند کننده و خنک کننده با آب
راکتور حرارتی با خنک کننده گازی AGR
در راکتورهای حرارتی از نوترون کند شده که نوترون حرارتی نامیده می شود، برای شکافت هسته‌ای استفاده می شود اما در راکتورهای تند از نوترون سریع استفاده می شود.

در شکافت اورانیوم 235 نوترون کند یا حرارتی در اثر واکنش 2 الی 3 تا نوترون سریع ایجاد می شود. حتما این نوترون های سریع باید کند شوند. بنابراین درراکتورهای حرارتی از کند کننده و خنک کننده استفاده می شود در حالی که در راکتورهای سریع ماده کندکننده لازم نیست اما ماده خنک کننده لازم است.

در راکتورهای PWR و BWR کند کننده و خنک کننده آب می باشد یک تیپ از راکتورهای کانادایی وجود دارد که در آن از آب سنگین یا دوتریوم استفاده می شود در عوض از اورانیوم غنی شده 1درصد استفاده می شود.
در راکتور AGR کند کننده زغال و خنک کننده گاز می باشد. در این راکتور نوترون ها با یک برخورد کند نمی شوند بلکه ممکن است بارها برخورد کنند تا کند شوند. برای تولید 1000 مگا وات انرژی روزانه حدود 1 کیلوگرم اورانیوم 235 مصرف می شود.

راکتور های سریع (تند) Fast Reactor:

راکتورهای سریع به دو دسته تقسیم می شوند :
راکتورهای سریع LMFR
راکتورهای سریع BFR

راکتورهای LMFR:
در راکتورهای LMFR ماده کند کننده لازم نیست ولی خنک کننده فلز مذاب سدیم است. در این راکتور پلوتنیوم 239 به عنوان سوخت استفاده می شود و خیلی پیشرفته است.

راکتورهای BFR:

در راکتورهای BFR اورانیوم238 به عنوان سوخت استفاده می شوددر واقع در این راکتور هدف تولید پلوتنیوم یا اورانیوم 233 است از اورانیوم طبیعی در اطراف راکتور یک لایه می گذارند برای اینکه هم حفاظ باشد و هم در اثر برخورد نوترون های سریع به اورانیوم آن را به پلوتنیوم تبدیل کند که پس از مدتی دیواره ها را خراب کرده و پلوتنیوم را استخراج می کنند.

پلوتونیوم تولید شده برای مصارف صنعتی یا بمب های هسته ای یا به عنوان سوخت نیروگاههای هسته ای بکار می رود.که ماده ای خیلی گران قیمت و با ارزش می باشد، با این حال خیلی خطرناک هم هست.

[ghasem motamedi]

دید کلی:
طی سال های گذشته اغلب کشورها به استفاده از این نوع انرژی هسته ای 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 ‏مهم تری 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 ‏برنامه های اتمی خود کرد.

تری میل ایلند

نیروگاه اتمی چیست؟
نیروگاه اتمی در واقع یک بمب اتمی است که به کمک میله های مهارکننده و خروج دمای درونی به وسیله مواد ‏خنک کننده مثل آب و گاز ، تحت کنترل درآمده است. اگر روزی این میله ها و یا پمپ های انتقال دهنده مواد ‏خنک کننده وظیفه خود را درست انجام ندهند، سوانح متعددی به وجود می آید و حتی ممکن است نیروگاه نیز ‏منفجر شود، مانند فاجعه نیروگاه چرنوبیل شوروی سابق.
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 عبارت اند 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 می گیرد.‏
نرم کننده ها:‏‎
‎‏نرم کننده ها 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 ‏به کار برده می شوند.‏

میله های مهارکننده:‏‎
‎‏ این میله ها از مواد جاذب نوترون درست شده اند و وجود آنها در داخل راکتور اتمی ‏الزامی است و مانع افزایش ناگهانی تعداد نوترون ها در قلب رآکتور می شوند. اگر این میله ها 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 می آید. 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 توربین های 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، هلیم گازی و یا سدیم مذاب باشند.‏

سدیم مایع

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 اورانیوم 235 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 می شود.
به طور متوسط تعداد نوترون ها به ازای هر 100 اتم شکسته شده 247 عدد است و این نوترون ها اتم های ‏دیگر را می شکنند و اگر کنترلی در مهار کردن تعداد آنها نباشد واکنش شکست در داخل توده اورانیوم به ‏صورت زنجیره ای انجام می شود 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 زنجیره ای انجام شود، در کمتر از هزارم ثانیه مشابه بمب اتمی عمل خواهد کرد. اما ‏اگر تعداد شکست ها 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 به وجود می آید. ‏
نمونه عملی:
نیروگاهی که دارای 10 تن اورانیوم طبیعی است قدرتی معادل با 100 مگاوات خواهد داشت و به طور متوسط ‏‏105 گرم اورانیوم 235 در روز در این نیروگاه شکسته می شود و همان طور که قبلاً گفته شد در اثر جذب ‏نوترون به وسیله ایزوتوپ اورانیوم 238 اورانیوم 239 به وجود می آمد که بعد از دو بار انتشار ذرات بتا (یا ‏الکترون) به پلتونیوم 239 تبدیل می شود که خود مانند اورانیوم 235 شکست پذیر است. در این عمل 70 گرم ‏پلتونیوم حاصل می شود. ‏

ولی اگر نیروگاه سورژنراتور باشد و تعداد نوترون های موجود در نیروگاه زیاد باشند مقدار جذب به مراتب ‏بیشتر از این خواهد بود و مقدار پلتونیوم های به وجود آمده از مقدار آنهایی که شکسته می شوند بیشتر خواهند ‏بود. در چنین حالتی بعد از پیاده کردن میله های سوخت می توان پلتونیوم به وجود آمده را از اورانیوم و ‏فرآورده های شکست را به کمک واکنش های شیمیایی بسیار ساده جدا و به منظور تهیه بمب اتمی ذخیره کرد.

[ghasem motamedi]

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 تامین 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 اورانیم است که اگر بصورت درست مورد استفاده قرار گیرد، بسیار مفید بوده و به تعداد فوق‌العاده‌ای می‌تواند انرژی برق مورد استفاده بشر را تامین کند، اما متاسفانه 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 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.
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.

بمب اتمی

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 ساخت pu289 ازu235استفاده 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 u235 ساخته شده بود، شهر هیروشیما در ژاپن را در 6 آگوست سال 1945 میلادی ویران کرد. بمب دیگری که ازu239 در ساختن آن بکار برده شده بود، سه روز بعد شهر ناکازاکی کشور ژاپن را با خاک یکسان ساخت.

شهر ناکازاکی بعد از بمباران

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 رادیو اکتیو 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 ازشکافت u235 یاpu239 ، از لحاظ شیمیایی شبیه Ga4020 است. بنابراین وقتی که sr90 حاصل از ریزشهای رادیواکتیو وارد بدن می‌شود، به ماده استخوانی بدن راه می‌یابد. این عنصر می‌تواند باگسیل ذرات بتابا انرژی 0.54 میلیون الکترون ولت (نیم عمر 28 سال) نابود ‌شود، که می‌تواند به سلولها آسیب رسانده و موجب بروز انواع بیماریها از قبیل تومور استخوان ، لوکمیا و ... ، بخصوص در کودکان در
حال رشد شود.