>> مجموعه مقالات مربوط به انرژي هسته اي <<

[Borna66]

با سلام خدمت دوستان عزيز.
در اينجا به معرفي مجموعه مقالات مربوط به انرژي هسته اي (http://pnu-club.com/redirector.php?url=http%3A%2F%2Fforum.p30world.com %2Fshowthread.php%3Ft%3D26933)پرداخته مي شود.
اميدوارم مورد قبول شما عزيزان قرار بگيرد.

[Borna66]

همه چيز راجع به انرژي هسته اي
استفاده اصلي از انرژي هسته‌اي، توليد انرژي الكتريسته است. اين راهي ساده و كارآمد براي جوشاندن آب و ايجاد بخار براي راه‌اندازي توربين‌هاي مولد است. بدون راكتورهاي موجود در نيروگاه‌هاي هسته‌اي، اين نيروگاه‌ها شبيه ديگر نيروگاه‌ها زغال‌سنگي و سوختي مي‌شود. انرژي هسته‌اي بهترين كاربرد براي توليد مقياس متوسط يا بزرگي از انرژي الكتريكي به‌طور مداوم است. سوخت اينگونه ايستگاه‌ها را اوانيوم تشكيل مي‌دهد.
چرخه سوخت هسته‌اي تعدادي عمليات صنعتي است كه توليد الكتريسته را با اورانيوم در راكتورهاي هسته‌اي ممكن مي‌كند.

اورانيوم عنصري نسبتاً معمولي و عادي است كه در تمام دنيا يافت مي‌شود. اين عنصر به‌صورت معدني در بعضي از كشورها وجود دارد كه حتماً بايد قبل از مصرف به صورت سوخت در راكتورهاي هسته‌اي، فرآوري شود.
الكتريسته با استفاده از گرماي توليد شده در راكتورهاي هسته‌اي و با ايجاد بخار براي به‌كار انداختن توربين‌هايي كه به مولد متصل‌اند توليد مي‌شود.

سوختي كه از راكتور خارج شده، بعداز اين كه به پايان عمر مفيد خود رسيد مي‌تواند به عنوان سوختي جديد استفاده شود.

فعاليت‌هاي مختلفي كه با توليد الكتريسيته از واكنش‌هاي هسته‌اي همراهند مرتبط به چرخه‌ سوخت هسته‌اي هستند. چرخه سوختي انرژي هسته‌اي با اورانيوم آغاز مي‌شود و با انهدام پسمانده‌هاي هسته‌اي پايان مي‌يابد. دوبار عمل‌آوري سوخت‌هاي خرج شده به مرحله‌هاي چرخه سوخت هسته‌اي شكلي صحيح مي‌دهد.

اورانيوم
اورانيوم فلزي راديواكتيو و پرتوزاست كه در سراسر پوسته سخت زمين موجود است. اين فلز حدوداً 500 بار از طلا فراوان‌تر و به اندازه قوطي حلبي معمولي و عادي است. اورانيوم اكنون به اندازه‌اي در صخره‌ها و خاك و زمين وجود دارد كه در آب رودخانه‌ها، درياها و اقيانوس‌ها موجود است. براي مثال اين فلز با غلظتي در حدود 4 قسمت در هر ميليون (ppm4) در گرانيت وجود دارد كه 60 درصد از كره زمين را شامل مي‌شود، در كودها با غلظتي بالغ بر ppm400 و در ته‌مانده زغال‌سنگ با غلظتي بيش از ppm100 موجود است. اكثر راديو اكتيويته مربوط به اورانيوم در طبيعت در حقيقت ناشي از معدن‌هاي ديگري است كه با عمليات راديواكتيو به وجود آمده‌اند و در هنگام استخراج از معدن و آسياب كردن به جا مانده‌اند.
چند منطقه در سراسر دنيا وجود دارد كه غلظت اورانيوم موجود در آنها به قدر كافي است كه استخراج آن براي استفاده از نظر اقتصادي به صرفه و امكان‌پذير است. اين نوع مواد غليظ، سنگ معدن يا كانه ناميده مي‌شوند.
- چرخه سوخت هسته‌اي (شكل هندسي) (عكس)

استخراج اورانيوم
هر دو نوع حفاري و تكنيك‌هاي موقعيتي براي كشف كردن اورانيوم به كار مي‌روند، حفاري ممكن است به صورت زيرزميني يا چال‌هاي باز و روي زمين انجام شود.

در كل، حفاري‌هاي روزميني در جاهايي استفاده مي‌شود كه ذخيره معدني نزديك به سطح زمين و حفاري‌هاي زيرزميني براي ذخيره‌هاي معدني عميق‌تر به كار مي‌رود. به‌طور نمونه براي حفاري روزميني بيشتر از 120 متر عمق، نياز به گودال‌هاي بزرگي بر سطح زمين است؛ اندازه گودال‌ها بايد بزرگتر از اندازه ذخيره معدني باشد تا زماني كه ديواره‌هاي گودال محكم شوند تا مانع ريزش آنها شود. در نتيجه، تعداد موادي كه بايد به بيرون از معدن انتقال داده شود تا به كانه دسترسي پيدا كند زياد است.

حفاري‌هاي زيرزميني داراي خرابي و اخلال‌هاي كمتري در سطح زمين هستند و تعداد موادي كه بايد براي دسترسي به سنگ معدن يا كانه به بيرون از معدن انتقال داده شوند به‌طور قابل ملاحظه‌اي كمتر از حفاري نوع روزميني است.

مقدار زيادي از اورانيوم جهاني از (ISL) (In Sitaleding) مي‌آيد. جايي كه آب‌هاي اكسيژنه زيرزميني در معدن‌هاي كانه‌اي پرمنفذ به گردش مي‌افتند تا اورانيوم موجود در معدن را در خود حل كنند و آن را به سطح زمين آورند. (ISL) شايد با اسيد رقيق يا با محلول‌هاي قليايي همراه باشد تا اورانيوم را محلول نگهدارد، سپس اورانيوم در كارخانه‌هاي آسياب‌سازي اورانيوم، از محلول خود جدا مي‌شود.
در نتيجه انتخاب روش حفاري براي ته‌نشين كردن اورانيوم بستگي به جنس ديواره معدن كانه سنگ، امنيت و ملاحظات اقتصادي دارد.
در غالب معدن‌هاي زيرزميني اورانيوم، پيشگيري‌هاي مخصوصي كه شامل افزايش تهويه هوا مي‌شود، لازم است تا از پرتوافشاني جلوگيري شود.

آسياب كردن اورانيوم
محل آسياب كردن معمولاً به معدن استخراج اورانيوم نزديك است. بيشتر امكانات استخراجي شامل يك آسياب مي‌شود. هرچه جايي كه معدن‌ها قرار دارند به هم نزديك‌تر باشند يك آسياب مي‌تواند عمل آسياب‌سازي چند معدن را انجام دهد. عمل آسياب‌سازي اكسيد اورانيوم غليظي توليد مي‌كند كه از آسياب حمل مي‌شود. گاهي اوقات به اين اكسيدها كيك زرد مي‌گويند كه شامل 80 درصد اورانيوم مي‌باشد. سنگ معدن اصل شايد داراي چيزي در حدود 1/0 درصد اورانيوم باشد.
در يك آسياب، اورانيوم با عمل سنگ‌شويي از سنگ‌هاي معدني خرد شده جدا مي‌شود كه يا با اسيد قوي و يا با محلول قليايي قوي حل مي‌شود و به صورت محلول در مي‌آيد. سپس اورانيوم با ته‌نشين كردن از محلول جدا مي‌شود و بعداز خشك كردن و معمولاً حرارت دادن به صورت اشباع شده و غليظ در استوانه‌هاي 200 ليتري بسته‌بندي مي‌شود.
باقيمانده سنگ معدن كه بيشتر شامل مواد پرتوزا و سنگ معدن مي‌شود در محلي معين به دور از محيط معدن در امكانات مهندسي نگهداري مي‌شود. (معمولاً در گودال‌هايي روي زمين).
پس‌مانده‌هاي داراي مواد راديواكتيو عمري طولاني دارند و غلظت آنها كم خاصيتي سمي دارند. هرچند مقدار كلي عناصر پرتوزا كمتر از سنگ معدن اصلي است و نيمه عمر آنها كوتاه خواهد بود اما اين مواد بايد از محيط زيست دور بمانند.

تبديل و تغيير
محلول آسياب شده اورانيوم مستقيماً قابل استفاده به‌عنوان سوخت در راكتورهاي هسته‌اي نيست. پردازش اضافي به غني‌سازي اورانيوم مربوط است كه براي تمام راكتورها لازم است.
اين عمل اورانيوم را به نوع گازي تبديل مي‌كند و راه به‌دست آوردن آن تبديل كردن به هگزا فلوريد (Hexa Fluoride) است كه در دماي نسبتاً پايين گاز است.
در وسيله‌اي تبديل‌گر، اورانيوم به اورانيوم دي‌اكسيد تبديل مي‌شود كه در راكتورهايي كه نياز به اورانيوم غني شده ندارند استفاده مي‌شود.
بيشتر آنها بعداز آن كه به هگزافلوريد تبديل شدند براي غني‌سازي در كارخانه آماده هستند و در كانتينرهايي كه از جنس فلز مقاوم و محكم است حمل مي‌شوند. خطر اصلي اين طبقه از چرخه سوختي اثر هيدروژن فلوريد (Hydrogen Fluoride) است.

[Borna66]

ساختار نيروگاه هاي اتمي جهان و نيز شرح مختصري درباره طرز غني سازي اورانيوم
مطالبي در مورد ساختار نيروگاه هاي اتمي جهان و نيز شرح مختصري درباره طرز غني سازي اورانيوم و يا سنتز عنصر پلوتونيوم :

برحسب نظريه اتمي عنصر عبارت است از يك جسم خالص ساده كه با روش هاي شيميايي نمي توان آن را تفكيك كرد. از تركيب عناصر با يكديگر اجسام مركب به وجود مي آيند. تعداد عناصر شناخته شده در طبيعت حدود ۹۲ عنصر است.

هيدروژن اولين و ساده ترين عنصر و پس از آن هليم، كربن، ازت، اكسيژن و... فلزات روي، مس، آهن، نيكل و... و بالاخره آخرين عنصر طبيعي به شماره ۹۲، عنصر اورانيوم است. بشر توانسته است به طور مصنوعي و به كمك واكنش هاي هسته اي در راكتورهاي اتمي و يا به كمك شتاب دهنده هاي قوي بيش از ۲۰ عنصر ديگر بسازد كه تمام آن ها ناپايدارند و عمر كوتاه دارند و به سرعت با انتشار پرتوهايي تخريب مي شوند. اتم هاي يك عنصر از اجتماع ذرات بنيادي به نام پرتون، نوترون و الكترون تشكيل يافته اند. پروتون بار مثبت و الكترون بار منفي و نوترون فاقد بار است.

تعداد پروتون ها نام و محل قرار گرفتن عنصر را در جدول تناوبي (جدول مندليف) مشخص مي كند. اتم هيدروژن يك پروتون دارد و در خانه شماره ۱ جدول و اتم هليم در خانه شماره ۲، اتم سديم در خانه شماره ۱۱ و... و اتم اورانيوم در خانه شماره ۹۲ قرار دارد. يعني داراي ۹۲ پروتون است.

ايزوتوپ هاي اورانيوم

تعداد نوترون ها در اتم هاي مختلف يك عنصر همواره يكسان نيست كه براي مشخص كردن آنها از كلمه ايزوتوپ استفاده مي شود.

بنابراين اتم هاي مختلف يك عنصر را ايزوتوپ مي گويند. مثلاً عنصر هيدروژن سه ايزوتوپ دارد: هيدروژن معمولي كه فقط يك پروتون دارد و فاقد نوترون است. هيدروژن سنگين يك پروتون و يك نوترون دارد كه به آن دوتريم گويند و نهايتاً تريتيم كه از دو نوترون و يك پروتون تشكيل شده و ناپايدار است و طي زمان تجزيه مي شود.

ايزوتوپ سنگين هيدروژن يعني دوتريم در نيروگاه هاي اتمي كاربرد دارد و از الكتروليز آب به دست مي آيد. در جنگ دوم جهاني آلماني ها براي ساختن نيروگاه اتمي و تهيه بمب اتمي در سوئد و نروژ مقادير بسيار زيادي آب سنگين تهيه كرده بودند كه انگليسي ها متوجه منظور آلماني ها شده و مخازن و دستگاه هاي الكتروليز آنها را نابود كردند.

غالب عناصر ايزوتوپ دارند از آن جمله عنصر اورانيوم، چهار ايزوتوپ دارد كه فقط دو ايزوتوپ آن به علت داشتن نيمه عمر نسبتاً بالا در طبيعت و در سنگ معدن يافت مي شوند. اين دو ايزوتوپ عبارتند از اورانيوم ۲۳۵ و اورانيوم ۲۳۸ كه در هر دو ۹۲ پروتون وجود دارد ولي اولي ۱۴۳ و دومي ۱۴۶ نوترون دارد. اختلاف اين دو فقط وجود ۳ نوترون اضافي در ايزوتوپ سنگين است ولي از نظر خواص شيميايي اين دو ايزوتوپ كاملاً يكسان هستند و براي جداسازي آنها از يكديگر حتماً بايد از خواص فيزيكي آنها يعني اختلاف جرم ايزوتوپ ها استفاده كرد. ايزوتوپ اورانيوم ۲۳۵ شكست پذير است و در نيروگاه هاي اتمي از اين خاصيت استفاده مي شود و حرارت ايجاد شده در اثر اين شكست را تبديل به انرژي الكتريكي مي نمايند. در واقع ورود يك نوترون به درون هسته اين اتم سبب شكست آن شده و به ازاي هر اتم شكسته شده ۲۰۰ ميليون الكترون ولت انرژي و دو تكه شكست و تعدادي نوترون حاصل مي شود كه مي توانند اتم هاي ديگر را بشكنند. بنابراين در برخي از نيروگاه ها ترجيح مي دهند تا حدي اين ايزوتوپ را در مخلوط طبيعي دو ايزوتوپ غني كنند و بدين ترتيب مسئله غني سازي اورانيوم مطرح مي شود.

ساختار نيروگاه اتمي

به طور خلاصه چگونگي كاركرد نيروگاه هاي اتمي را بيان كرده و ساختمان دروني آنها را مورد بررسي قرار مي دهيم.

طي سال هاي گذشته اغلب كشورها به استفاده از اين نوع انرژي هسته اي تمايل داشتند و حتي دولت ايران ۱۵ نيروگاه اتمي به كشورهاي آمريكا، فرانسه و آلمان سفارش داده بود. ولي خوشبختانه بعد از وقوع دو حادثه مهم تري ميل آيلند (Three Mile Island) در ۲۸ مارس ۱۹۷۹ و فاجعه چرنوبيل (Tchernobyl) در روسيه در ۲۶ آوريل ۱۹۸۶، نظر افكار عمومي نسبت به كاربرد اتم براي توليد انرژي تغيير كرد و ترس و وحشت از جنگ اتمي و به خصوص امكان تهيه بمب اتمي در جهان سوم، كشورهاي غربي را موقتاً مجبور به تجديدنظر در برنامه هاي اتمي خود كرد.

نيروگاه اتمي در واقع يك بمب اتمي است كه به كمك ميله هاي مهاركننده و خروج دماي دروني به وسيله مواد خنك كننده مثل آب و گاز، تحت كنترل درآمده است. اگر روزي اين ميله ها و يا پمپ هاي انتقال دهنده مواد خنك كننده وظيفه خود را درست انجام ندهند، سوانح متعددي به وجود مي آيد و حتي ممكن است نيروگاه نيز منفجر شود، مانند فاجعه نيروگاه چرنوبيل شوروي. يك نيروگاه اتمي متشكل از مواد مختلفي است كه همه آنها نقش اساسي و مهم در تعادل و ادامه حيات آن را دارند. اين مواد عبارت اند از:

۱ _ ماده سوخت متشكل از اورانيوم طبيعي، اورانيوم غني شده، اورانيوم و پلوتونيم است.

عمل سوختن اورانيوم در داخل نيروگاه اتمي متفاوت از سوختن زغال يا هر نوع سوخت فسيلي ديگر است. در اين پديده با ورود يك نوترون كم انرژي به داخل هسته ايزوتوپ اورانيوم ۲۳۵ عمل شكست انجام مي گيرد و انرژي فراواني توليد مي كند. بعد از ورود نوترون به درون هسته اتم، ناپايداري در هسته به وجود آمده و بعد از لحظه بسيار كوتاهي هسته اتم شكسته شده و تبديل به دوتكه شكست و تعدادي نوترون مي شود. تعداد متوسط نوترون ها به ازاي هر ۱۰۰ اتم شكسته شده ۲۴۷ عدد است و اين نوترون ها اتم هاي ديگر را مي شكنند و اگر كنترلي در مهار كردن تعداد آنها نباشد واكنش شكست در داخل توده اورانيوم به صورت زنجيره اي انجام مي شود كه در زماني بسيار كوتاه منجر به انفجار شديدي خواهد شد.

در واقع ورود نوترون به درون هسته اتم اورانيوم و شكسته شدن آن توام با انتشار انرژي معادل با ۲۰۰ ميليون الكترون ولت است اين مقدار انرژي در سطح اتمي بسيار ناچيز ولي در مورد يك گرم از اورانيوم در حدود صدها هزار مگاوات است. كه اگر به صورت زنجيره اي انجام شود، در كمتر از هزارم ثانيه مشابه بمب اتمي عمل خواهد كرد.

اما اگر تعداد شكست ها را در توده اورانيوم و طي زمان محدود كرده به نحوي كه به ازاي هر شكست، اتم بعدي شكست حاصل كند شرايط يك نيروگاه اتمي به وجود مي آيد. به عنوان مثال نيروگاهي كه داراي ۱۰ تن اورانيوم طبيعي است قدرتي معادل با ۱۰۰ مگاوات خواهد داشت و به طور متوسط ۱۰۵ گرم اورانيوم ۲۳۵ در روز در اين نيروگاه شكسته مي شود و همان طور كه قبلاً گفته شد در اثر جذب نوترون به وسيله ايزوتوپ اورانيوم ۲۳۸ اورانيوم ۲۳۹ به وجود مي آمد كه بعد از دو بار انتشار پرتوهاي بتا (يا الكترون) به پلوتونيم ۲۳۹ تبديل مي شود كه خود مانند اورانيوم ۲۳۵ شكست پذير است. در اين عمل ۷۰ گرم پلوتونيم حاصل مي شود. ولي اگر نيروگاه سورژنراتور باشد و تعداد نوترون هاي موجود در نيروگاه زياد باشند مقدار جذب به مراتب بيشتر از اين خواهد بودو مقدار پلوتونيم هاي به وجود آمده از مقدار آنهايي كه شكسته مي شوند بيشتر خواهند بود. در چنين حالتي بعد از پياده كردن ميله هاي سوخت مي توان پلوتونيم به وجود آمده را از اورانيوم و فرآورده هاي شكست را به كمك واكنش هاي شيميايي بسيار ساده جدا و به منظور تهيه بمب اتمي ذخيره كرد.

۲ _ نرم كننده ها موادي هستند كه برخورد نوترون هاي حاصل از شكست با آنها الزامي است و براي كم كردن انرژي اين نوترون ها به كار مي روند. زيرا احتمال واكنش شكست پي در پي به ازاي نوترون هاي كم انرژي بيشتر مي شود. آب سنگين (D2O) يا زغال سنگ (گرافيت) به عنوان نرم كننده نوترون به كار برده مي شوند.

۳ _ ميله هاي مهاركننده: اين ميله ها از مواد جاذب نوترون درست شده اند و وجود آنها در داخل رآكتور اتمي الزامي است و مانع افزايش ناگهاني تعداد نوترون ها در قلب رآكتور مي شوند. اگر اين ميله ها كار اصلي خود را انجام ندهند، در زماني كمتر از چند هزارم ثانيه قدرت رآكتور چند برابر شده و حالت انفجاري يا ديورژانس رآكتور پيش مي آيد. اين ميله ها مي توانند از جنس عنصر كادميم و يا بور باشند.

۴ _ مواد خنك كننده يا انتقال دهنده انرژي حرارتي: اين مواد انرژي حاصل از شكست اورانيوم را به خارج از رآكتور انتقال داده و توربين هاي مولد برق را به حركت در مي آورند و پس از خنك شدن مجدداً به داخل رآكتور برمي گردند. البته مواد در مدار بسته و محدودي عمل مي كنند و با خارج از محيط رآكتور تماسي ندارند. اين مواد مي توانند گاز CO2 ، آب، آب سنگين، هليم گازي و يا سديم مذاب باشند.

پي نوشت:
* محقق مركز اتمي فرانسه _ دكتراي دولتي فرانسه در شيمي فيزيك اتمي



غنی سازی اورانيم
سنگ معدن اورانيوم موجود در طبيعت از دو ايزوتوپ ۲۳۵ به مقدار ۷/۰ درصد و اورانيوم ۲۳۸ به مقدار ۳/۹۹ درصد تشكيل شده است. سنگ معدن را ابتدا در اسيد حل كرده و بعد از تخليص فلز، اورانيوم را به صورت تركيب با اتم فلئور (F) و به صورت مولكول اورانيوم هكزا فلورايد UF6 تبديل مي كنند كه به حالت گازي است. سرعت متوسط مولكول هاي گازي با جرم مولكولي گاز نسبت عكس دارد اين پديده را گراهان در سال ۱۸۶۴ كشف كرد. از اين پديده كه به نام ديفوزيون گازي مشهور است براي غني سازي اورانيوم استفاده مي كنند.در عمل اورانيوم هكزا فلورايد طبيعي گازي شكل را از ستون هايي كه جدار آنها از اجسام متخلخل (خلل و فرج دار) درست شده است عبور مي دهند. منافذ موجود در جسم متخلخل بايد قدري بيشتر از شعاع اتمي يعني در حدود ۵/۲ انگشترم (۰۰۰۰۰۰۰۲۵/۰ سانتيمتر) باشد. ضريب جداسازي متناسب با اختلاف جرم مولكول ها است.روش غني سازي اورانيوم تقريباً مطابق همين اصولي است كه در اينجا گفته شد. با وجود اين مي توان به خوبي حدس زد كه پرخرج ترين مرحله تهيه سوخت اتمي همين مرحله غني سازي ايزوتوپ ها است زيرا از هر هزاران كيلو سنگ معدن اورانيوم ۱۴۰ كيلوگرم اورانيوم طبيعي به دست مي آيد كه فقط يك كيلوگرم اورانيوم ۲۳۵ خالص در آن وجود دارد. براي تهيه و تغليظ اورانيوم تا حد ۵ درصد حداقل ۲۰۰۰ برج از اجسام خلل و فرج دار با ابعاد نسبتاً بزرگ و پي درپي لازم است تا نسبت ايزوتوپ ها تا از برخي به برج ديگر به مقدار ۰۱/۰ درصد تغيير پيدا كند. در نهايت موقعي كه نسبت اورانيوم ۲۳۵ به اورانيوم ۲۳۸ به ۵ درصد رسيد بايد براي تخليص كامل از سانتريفوژهاي بسيار قوي استفاده نمود. براي ساختن نيروگاه اتمي، اورانيوم طبيعي و يا اورانيوم غني شده بين ۱ تا ۵ درصد كافي است. ولي براي تهيه بمب اتمي حداقل ۵ تا ۶ كيلوگرم اورانيوم ۲۳۵ صددرصد خالص نياز است. عملا در صنايع نظامي از اين روش استفاده نمي شود و بمب هاي اتمي را از پلوتونيوم ۲۳۹ كه سنتز و تخليص شيميايي آن بسيار ساده تر است تهيه مي كنند. عنصر اخير را در نيروگاه هاي بسيار قوي مي سازند كه تعداد نوترون هاي موجود در آنها از صدها هزار ميليارد نوترون در ثانيه در سانتيمتر مربع تجاوز مي كند. عملاً كليه بمب هاي اتمي موجود در زراد خانه هاي جهان از اين عنصر درست مي شود.روش ساخت اين عنصر در داخل نيروگاه هاي اتمي به صورت زير است: ايزوتوپ هاي اورانيوم ۲۳۸ شكست پذير نيستند ولي جاذب نوترون كم انرژي (نوترون حرارتي هستند. تعدادي از نوترون هاي حاصل از شكست اورانيوم ۲۳۵ را جذب مي كنند و تبديل به اورانيوم ۲۳۹ مي شوند. اين ايزوتوپ از اورانيوم بسيار ناپايدار است و در كمتر از ده ساعت تمام اتم هاي به وجود آمده تخريب مي شوند. در درون هسته پايدار اورانيوم ۲۳۹ يكي از نوترون ها خودبه خود به پروتون و يك الكترون تبديل مي شود.بنابراين تعداد پروتون ها يكي اضافه شده و عنصر جديد را كه ۹۳ پروتون دارد نپتونيم مي نامند كه اين عنصر نيز ناپايدار است و يكي از نوترون هاي آن خود به خود به پروتون تبديل مي شود و در نتيجه به تعداد پروتون ها يكي اضافه شده و عنصر جديد كه ۹۴ پروتون دارد را پلوتونيم مي نامند. اين تجربه طي چندين روز انجام مي گيرد.

[Borna66]

چه كسي بمب اتمي را اختراع كرد؟
تاريخچه بمب اتم

هانري بكرل نخستين كسي بود كه متوجه پرتودهي عجيب سنگ معدن اورانيم گرديدبس ازان در سال 1909 ميلادي ارنست رادرفوردهسته اتم را كشف كردوي همچنين نشان دادكه پرتوهاي راديواكتيودر ميدان مغناطيسي به سه دسته تقيسيم مي شود( پرتوهاي الفا وبتا وگاما)بعدها دانشمندان دريافتند كه منشاء اين پرتوها درون هسته اتم اورانيم مي باشد.

در سال 1938 با انجام ازمايشاتي توسط دو دانشمند ا لماني بنامهاي ا توها ن و فريتس شتراسمن فيزيك هسته اي پاي به مرحله تازه اي نهاد اين فيزيكدانان با بمباران هسته اتم اورانيم بوسيله نوترونها به عناصر راديواكتيوي دست يافتندكه جرم اتمي كوچكتري نسبت به اورانيم داشت او براي توصيف علت ايجاد اين عناصرليزه ميتنرو اتو فريش پديده شكافت هسته رادر اورانيم تو ضيح دادندودر اينجا بود كه نا قوس شوم اختراع بمب اتمي به صدا در امد.

U235 + n -> fission + 2 or 3 n + 200 MeV

زيرا همانطور كه در شكل فوق مي بينيد هر فروپاشي هسته اورانيم0 ميتوانست تا 200 مگاولت انرژي ازاد كند وبديهي بود اگر هسته هاي بيشتري فرو پاشيده مي شد انرژي فراواني حاصل مي گرديد.

بعدها فيزيكدانان ديگري نيز در اين محدوده به تحقيق مي پرداختند يكي ازانان انريكو فرمي بود( 1954 - 1901) كه بخاطر تحقيقاتش در سال 1938 موفق به دريافت جايزه نوبل گرديد.

در سال 1939 يعني قبل از شروع جنگ جهاني دوم در بين فيزيكدانان اين بيم وجود داشت كه المانيهابه كمك فيزيكدانان نابغه اي مانند هايزنبرگ ودستيارانش بتوانند با استفاده از دانش شكافت هسته اي بمب اتمي بسازندبه همين دليل از البرت انيشتين خواستند كه نامه اي به فرانكلين روزولت رئيس جمهوروقت امريكا بنويسددر ان نامه تاريخي از امكان ساخت بمبي صحبت شد كه هر گز هايزنبرگ ان را نساخت.

چنين شدكه دولتمردان امريكا براي پيشدستي برالمان پروژه مانهتن را براه انداختندو از انريكو فرمي دعوت به عمل اوردند تا مقدمات ساخت بمب اتمي را فراهم سازد سه سال بعددر دوم دسامبر 1942 در ساعت 3 بعد از ظهر نخستين راكتور اتمي دنيا در دانشگاه شيكاگو امريكا ساخته شد.

سپس در 16 ژوئيه 1945 نخستين ازمايش بمب اتمي در صحراي الامو گرودو نيو مكزيكو انجام شد.

سه هفته بعد هيروشيمادرساعت 8:15 صبح در تاريخ 6 اگوست 1945 بوسيله بمب اورانيمي بمباران گردييد و ناكازاكي در 9 اگوست سال 1945 در ساعت حدود 11:15 بوسيله بمب پلوتونيمي بمباران شدند كه طي ان بمبارانها صدها هزار نفر فورا جان باختند.

انريكو فرمي (صف جلو نفر اول سمت چپ) و همكارانش در شيكاگو پس از ساخت نخستين راكتور هسته اي جهان به اميد انكه از راكتور هسته اي تنها در اهداف صلح اميز استفاده شود و دنيا عاري از سلاحهاي اتمي گردد

ليزه ميتنر ( مادر انرژي اتمي)

ليزه در سال 1878 در يك خانواده هشت نفري بدنيا امد وي سومين فرزند خانواده بود باو جود تمامي مشكلاتي كه بر سر راه وي بخاطر زن بودنش بود در سال 1901 وارد دانشگاه وين شد و تحت نظارت بولتزمن كه يكي از فيزيكدانان بنام دنيا بود فيزيك را اموخت . ليزه توانست در سال 1907 به درجه دكتر نايل گردد و سپس راهي برلين گرديد تا در دانشگاهي كه ماكس پلا نك رياست بخش فيزيك ان را بر عهده داشت به مطالعه و تحقيق بپردازد بيشتر كارهاي تحقيقاتي وي در همين دانشگاه بود وي هيچگونه علاقه اي به سياست نداشت و لي به علت دخالتهاي روزن افزون ارتش نازي مجبور به ترك برلين گرديد ودر سال 1938 به يك انستيتو در استكهلم رفت . ليزه ميتنر به همراه همكارش اتو فريش اولين كساني بودند كه شكافت هسته را توضيح دادند انان در سال 1939 در مجله طبيعت مقاله معروف خود را در مورد شكافت هسته اي دادند وبدين ترتيب راه را براي استفاده از انرژي گشودند به همين دليل پس از جنگ جهاني دوم به ميتنر لقب مادر بمب اتمي داده شد ولي چون وي نمي خواست از كشفش بعنوان بمبي هولناك استفاده گردد بهتر است به ليزه لقب مادر انرژي اتمي داده شود

[Borna66]

چرخه سوخت هسته ای: از استخراج اورانيوم تا توليد انرژی
http://pnu-club.com/imported/2009/04/2683.jpg

مقدمه: استخراج اورانيوم از معدن
اورانيوم که ماده خام اصلی مورد نياز برای توليد انرژی در برنامه های صلح آميز يا نظامی هسته ای است، از طريق استخراج از معادن زيرزمينی يا سر باز بدست می آيد. اگر چه اين عنصر بطور طبيعی در سرتاسر جهان يافت ميشود اما تنها حجم کوچکی از آن بصورت متراکم در معادن موجود است.

هنگامی که هسته اتم اورانيوم در يک واکنش زنجيره ای شکافته شود مقداری انرژی آزاد خواهد شد.

برای شکافت هسته اتم اورانيوم، يک نوترون به هسته آن شليک ميشود و در نتيجه اين فرايند، اتم مذکور به دو اتم کوچکتر تجزيه شده و تعدادی نوترون جديد نيز آزاد ميشود که هرکدام به نوبه خود ميتوانند هسته های جديدی را در يک فرايند زنجيره ای تجزيه کنند.
http://pnu-club.com/imported/2009/04/2684.jpg
مجموع جرم اتمهای کوچکتری که از تجزيه اتم اورانيوم بدست می آيد از کل جرم اوليه اين اتم کمتر است و اين بدان معناست که مقداری از جرم اوليه که ظاهرا ناپديد شده در واقع به انرژی تبديل شده است، و اين انرژی با استفاده از رابطه E=MC۲ يعنی رابطه جرم و انرژی که آلبرت اينشتين نخستين بار آنرا کشف کرد قابل محاسبه است.

اورانيوم به صورت دو ايزوتوپ مختلف در طبيعت يافت ميشود. يعنی اورانيوم U۲۳۵ يا U۲۳۸ که هر دو دارای تعداد پروتون يکسانی بوده و تنها تفاوتشان در سه نوترون اضافه ای است که در هسته U۲۳۸ وجود دارد. اعداد ۲۳۵ و ۲۳۸ بيانگر مجموع تعداد پروتونها و نوترونها در هسته هر کدام از اين دو ايزوتوپ است.


کشورهای اصلی توليد کننده اورانيوم
استراليا
چين
کانادا
قزاقستان
ناميبيا
نيجر
روسيه
ازبکستان

برای بدست آوردن بالاترين بازدهی در فرايند زنجيره ای شکافت هسته بايد از اورانيوم ۲۳۵ استفاده کرد که هسته آن به سادگی شکافته ميشود. هنگامی که اين نوع اورانيوم به اتمهای کوچکتر تجزيه ميشود علاوه بر آزاد شدن مقداری انرژی حرارتی دو يا سه نوترون جديد نيز رها ميشود که در صورت برخورد با اتمهای جديد اورانيوم بازهم انرژی حرارتی بيشتر و نوترونهای جديد آزاد ميشود.

اما بدليل "نيمه عمر" کوتاه اورانيوم ۲۳۵ و فروپاشی سريع آن، اين ايزوتوپ در طبيعت بسيار نادر است بطوری که از هر ۱۰۰۰ اتم اورانيوم موجود در طبيعت تنها هفت اتم از نوع U۲۳۵ بوده و مابقی از نوع سنگينتر U۲۳۸ است.

فراوری:
سنگ معدن اورانيوم بعد از استخراج، در آسيابهائی خرد و به گردی نرم تبديل ميشود. گرد بدست آمده سپس در يک فرايند شيميائی به ماده جامد زرد رنگی تبديل ميشود که به کيک زرد موسوم است. کيک زرد دارای خاصيت راديو اکتيويته است و ۶۰ تا ۷۰ درصد آنرا اورانيوم تشکيل ميدهد.

دانشمندان هسته ای برای دست يابی هرچه بيشتر به ايزوتوپ نادر U۲۳۵ که در توليد انرژی هسته ای نقشی کليدی دارد، از روشی موسوم به غنی سازی استفاده می کنند. برای اين کار، دانشمندان ابتدا کيک زرد را طی فرايندی شيميائی به ماده جامدی به نام هگزافلوئوريد اورانيوم تبديل ميکنند که بعد از حرارت داده شدن در دمای حدود ۶۴ درجه سانتيگراد به گاز تبديل ميشود.

http://pnu-club.com/imported/2009/04/2685.jpg
کيک زرد دارای خاصيت راديو اکتيويته است و ۶۰ تا ۷۰ درصد آنرا اورانيوم تشکيل ميدهد

هگزافلوئوريد اورانيوم که در صنعت با نام ساده هگز شناخته ميشود ماده شيميائی خورنده ايست که بايد آنرا با احتياط نگهداری و جابجا کرد. به همين دليل پمپها و لوله هائی که برای انتقال اين گاز در تاسيسات فراوری اورانيوم بکار ميروند بايد از آلومينيوم و آلياژهای نيکل ساخته شوند. همچنين به منظور پيشگيری از هرگونه واکنش شيميايی برگشت ناپذير بايد اين گاز را دور از معرض روغن و مواد چرب کننده ديگر نگهداری کرد.

غنی سازی:
هدف از غنی سازی توليد اورانيومی است که دارای درصد بالايی از ايزوتوپ U۲۳۵ باشد.

اورانيوم مورد استفاده در راکتورهای اتمی بايد به حدی غنی شود که حاوی ۲ تا ۳ درصد اورانيوم ۲۳۵ باشد، در حالی که اورانيومی که در ساخت بمب اتمی بکار ميرود حداقل بايد حاوی ۹۰ درصد اورانيوم ۲۳۵ باشد.

يکی از روشهای معمول غنی سازی استفاده از دستگاههای سانتريفوژ گاز است.

سانتريفوژ از اتاقکی سيلندری شکل تشکيل شده که با سرعت بسيار زياد حول محور خود می چرخد. هنگامی که گاز هگزا فلوئوريد اورانيوم به داخل اين سيلندر دميده شود نيروی گريز از مرکز ناشی از چرخش آن باعث ميشود که مولکولهای سبکتری که حاوی اورانيوم ۲۳۵ است در مرکز سيلندر متمرکز شوند و مولکولهای سنگينتری که حاوی اورانيوم ۲۳۸ هستند در پايين سيلندر انباشته شوند.
http://pnu-club.com/imported/2009/04/2686.jpg
اورانيوم ۲۳۵ غنی شده ای که از اين طريق بدست می آيد سپس به داخل سانتريفوژ ديگری دميده ميشود تا درجه خلوص آن باز هم بالاتر رود. اين عمل بارها و بارها توسط سانتريفوژهای متعددی که بطور سری به يکديگر متصل ميشوند تکرار ميشود تا جايی که اورانيوم ۲۳۵ با درصد خلوص مورد نياز بدست آيد.

آنچه که پس از جدا سازی اورانيوم ۲۳۵ باقی ميماند به نام اورانيوم خالی يا فقير شده شناخته ميشود که اساسا از اورانيوم ۲۳۸ تشکيل يافته است. اورانيوم خالی فلز بسيار سنگينی است که اندکی خاصيت راديو اکتيويته دارد و از آن برای ساخت گلوله های توپ ضد زره پوش و اجزای برخی جنگ افزار های ديگر از جمله منعکس کننده نوترونی در بمب اتمی استفاده ميشود.

يک شيوه ديگر غنی سازی روشی موسوم به ديفيوژن يا روش انتشاری است.

دراين روش گاز هگزافلوئوريد اورانيوم به داخل ستونهايی که جدار آنها از اجسام متخلخل تشکيل شده دميده ميشود. سوراخهای موجود در جسم متخلخل بايد قدری از قطر مولکول هگزافلوئوريد اورانيوم بزرگتر باشد.

در نتيجه اين کار مولکولهای سبکتر حاوی اورانيوم ۲۳۵ با سرعت بيشتری در اين ستونها منتشر شده و تفکيک ميشوند. اين روش غنی سازی نيز بايد مانند روش سانتريفوژ بارها و باره تکرار شود.

راکتور هسته ای:
راکتور هسته ای وسيله ايست که در آن فرايند شکافت هسته ای بصورت کنترل شده انجام ميگيرد. انرژی حرارتی بدست آمده از اين طريق را می توان برای بخار کردن آب و به گردش درآوردن توربين های بخار ژنراتورهای الکتريکی مورد استفاده قرار داد.

اورانيوم غنی شده ، معمولا به صورت قرصهائی که سطح مقطعشان به اندازه يک سکه معمولی و ضخامتشان در حدود دو و نيم سانتيمتر است در راکتورها به مصرف ميرسند. اين قرصها روی هم قرار داده شده و ميله هايی را تشکيل ميدهند که به ميله سوخت موسوم است. ميله های سوخت سپس در بسته های چندتائی دسته بندی شده و تحت فشار و در محيطی عايقبندی شده نگهداری ميشوند.

در بسياری از نيروگاهها برای جلوگيری از گرم شدن بسته های سوخت در داخل راکتور، اين بسته ها را داخل آب سرد فرو می برند. در نيروگاههای ديگر برای خنک نگه داشتن هسته راکتور ، يعنی جائی که فرايند شکافت هسته ای در آن رخ ميدهد ، از فلز مايع (سديم) يا گاز دی اکسيد کربن استفاده می شود.

http://pnu-club.com/imported/2009/04/2687.jpg

1- هسته راکتور
2-پمپ خنک کننده
3- ميله های سوخت
4- مولد بخار
5- هدايت بخار به داخل توربين مولد برق

برای توليد انرژی گرمائی از طريق فرايند شکافت هسته ای ، اورانيومی که در هسته راکتور قرار داده ميشود بايد از جرم بحرانی بيشتر (فوق بحرانی) باشد. يعنی اورانيوم مورد استفاده بايد به حدی غنی شده باشد که امکان آغاز يک واکنش زنجيره ای مداوم وجود داشته باشد.

برای تنظيم و کنترل فرايند شکافت هسته ای در يک راکتور از ميله های کنترلی که معمولا از جنس کادميوم است استفاده ميشود. اين ميله ها با جذب نوترونهای آزاد در داخل راکتور از تسريع واکنشهای زنجيره ای جلوگيری ميکند. زيرا با کاهش تعداد نوترونها ، تعداد واکنشهای زنجيره ای نيز کاهش ميابد.

حدودا ۴۰۰ نيروگاه هسته ای در سرتاسر جهان فعال هستند که تقريبا ۱۷ درصد کل برق مصرفی در جهان را تامين ميکنند. از جمله کاربردهای ديگر راکتورهای هسته ای، توليد نيروی محرکه لازم برای جابجايی ناوها و زيردريايی های اتمی است.

بازفراوری:
برای بازيافت اورانيوم از سوخت هسته ای مصرف شده در راکتور از عمليات شيميايی موسوم به بازفراوری استفاده ميشود. در اين عمليات، ابتدا پوسته فلزی ميله های سوخت مصرف شده را جدا ميسازند و سپس آنها را در داخل اسيد نيتريک داغ حل ميکنند.

http://pnu-club.com/imported/2009/04/2688.jpg

در نتيجه اين عمليات، ۱% پلوتونيوم ، ۳% مواد زائد به شدت راديو اکتيو و ۹۶% اورانيوم بدست می آيد که دوباره ميتوان آنرا در راکتور به مصرف رساند.

راکتورهای نظامی اين کار را بطور بسيار موثرتری انجام ميدهند. راکتور و تاسيسات باز فراوری مورد نياز برای توليد پلوتونيوم را ميتوان بطور پنهانی در داخل ساختمانهای معمولی جاسازی کرد. به همين دليل، توليد پلوتونيوم به اين طريق، برای هر کشوری که بخواهد بطور مخفيانه تسليحات اتمی توليد کند گزينه جذابی خواهد بود.

بمب پلوتونيومی:
استفاده از پلوتونيوم به جای اورانيوم در ساخت بمب اتمی مزايای بسياری دارد. تنها چهار کيلوگرم پلوتونيوم برای ساخت بمب اتمی با قدرت انفجار ۲۰ کيلو تن کافی است. در عين حال با تاسيسات بازفراوری نسبتا کوچکی ميتوان چيزی حدود ۱۲ کيلوگرم پلوتونيوم در سال توليد کرد.


بمب پلوتونيومی

http://pnu-club.com/imported/2009/04/2689.jpg

1- منبع يا مولد نوترونی
2- هسته پلوتونيومی
3- پوسته منعکس کننده (بريليوم)
4- ماده منفجره پرقدرت
5- چاشنی انفجاری

کلاهک هسته ای شامل گوی پلوتونيومی است که اطراف آنرا پوسته ای موسوم به منعکس کننده نوترونی فرا گرفته است. اين پوسته که معمولا از ترکيب بريليوم و پلونيوم ساخته ميشود، نوترونهای آزادی را که از فرايند شکافت هسته ای به بيرون ميگريزند، به داخل اين فرايند بازمی تاباند.

استفاده از منعکس کننده نوترونی عملا جرم بحرانی را کاهش ميدهد و باعث ميشود که برای ايجاد واکنش زنجيره ای مداوم به پلوتونيوم کمتری نياز باشد.

برای کشور يا گروه تروريستی که بخواهد بمب اتمی بسازد، توليد پلوتونيوم با کمک راکتورهای هسته ای غير نظامی از تهيه اورانيوم غنی شده آسانتر خواهد بود. کارشناسان معتقدند که دانش و فناوری لازم برای طراحی و ساخت يک بمب پلوتونيومی ابتدائی، از دانش و فنآوری که حمله کنندگان با گاز اعصاب به شبکه متروی توکيو در سال ۱۹۹۵ در اختيار داشتند پيشرفته تر نيست.

چنين بمب پلوتونيومی ميتواند با قدرتی معادل ۱۰۰ تن تی ان تی منفجر شود، يعنی ۲۰ مرتبه قويتر از قدرتمندترين بمبگزاری تروريستی که تا کنون در جهان رخ داده است.

بمب اورانيومی:
هدف طراحان بمبهای اتمی ايجاد يک جرم فوق بحرانی ( از اورانيوم يا پلوتونيوم) است که بتواند طی يک واکنش زنجيره ای مداوم و کنترل نشده، مقادير متنابهی انرژی حرارتی آزاد کند.

يکی از ساده ترين شيوه های ساخت بمب اتمی استفاده از طرحی موسوم به "تفنگی" است که در آن گلوله کوچکی از اورانيوم که از جرم بحرانی کمتر بوده به سمت جرم بزرگتری از اورانيوم شليک ميشود بگونه ای که در اثر برخورد اين دو قطعه، جرم کلی فوق بحرانی شده و باعث آغاز واکنش زنجيره ای و انفجار هسته ای ميشود.

کل اين فرايند در کسر کوچکی از ثانيه رخ ميدهد.

جهت توليد سوخت مورد نياز بمب اتمی، هگزا فلوئوريد اورانيوم غنی شده را ابتدا به اکسيد اورانيوم و سپس به شمش فلزی اورانيوم تبديل ميکنند. انجام اين کار از طريق فرايندهای شيميائی و مهندسی نسبتا ساده ای امکان پذير است.

http://pnu-club.com/imported/2009/04/2690.jpg

قدرت انفجار يک بمب اتمی معمولی حداکثر ۵۰ کيلو تن است، اما با کمک روش خاصی که متکی بر مهار خصوصيات جوش يا گداز هسته ای است ميتوان قدرت بمب را افزايش داد.

در فرايند گداز هسته ای ، هسته های ايزوتوپهای هيدروژن به يکديگر جوش خورده و هسته اتم هليوم را ايجاد ميکنند. اين فرايند هنگامی رخ ميدهد که هسته های اتمهای هيدروژن در معرض گرما و فشار شديد قرار بگيرند. انفجار بمب اتمی گرما و فشار شديد مورد نياز برای آغاز اين فرايند را فراهم ميکند.

طی فرايند گداز هسته ای نوترونهای بيشتری رها ميشوند که با تغذيه واکنش زنجيره ای، انفجار شديدتری را بدنبال می آورند. اينگونه بمبهای اتمی تقويت شده به بمبهای هيدروژنی يا بمبهای اتمی حرارتی موسومند.

[Borna66]

غنی سازی اورانیوم

سانتریفیوژ دستگاهی است که برای جدا سازی مواد از یکدیگر بر اساس وزن آنها استفاده می شود. این دستگاه مواد را با سرعت زیاد حول یک محور به گردش در می آورد و مواد متناسب با وزنی که دارند از محور فاصله می گیرند.

در واقع در این روش برای جدا سازی مواد از یکدیگر از شتاب ناشی از نیروی گریز از مرکز استفاده می گردد، کاربرد عمومی این دستگاه برای جداسازی مایع از مایع و یا مایع از جامد است.

سانتریفیوژ هایی که برای غنی سازی اورانیوم استفاده می شود حالت خاصی دارند که برای گاز تهیه شده اند که به آنها Hyper-Centrifuge گفته می شود. 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 می کردند.


http://pnu-club.com/imported/2009/04/2691.jpg

Gaseous Diffusion
در روش Gaseous Diffusion، گاز هگزافلوراید اورانیوم (UF6) را با سرعت از صفحات خاصی که حالت ----- دارند عبور داده می شود و طی آن این صفحات می توانند به دلیل داشتن منافذ و خلل و فرج زیاد تا حدی می توانند اوانیوم 235 را از 238 جدا کنند. (به شکل بالا دقت کنید)

در این روش با تکرار استفاده از این صفحات ----- مانند، بصورت آبشاری (Cascade)، میزان اورانیوم 235 را به مقدار دلخواه بالا می بردند. این روش اولین راهکارهای صنعتی برای غنی سازی اورانیوم بود که کابرد عملی پیدا کرد.

Gaseous Diffusion از جمله تکنولوژی هایی بود که ایالات متحده طی جنگ جهانی دوم در پروژه ای بنام منهتن (Manhattan) برای ساخت بمب هسته ای، با کمک انگلیس و کانادا به آن دست پیدا کرد.

نمونه ای از سانتریفیوژهای گازی آبشاری که برای غنی سازی اورانیوم از آنها استفاده می شود. Hyper-Centrifuge
اما در روش استفاده از سانتریفیوژ برای غنی سازی اورانیوم، تعداد بسیار زیادی از این دستگاهها بصورت سری و موازی بکار می برند تا با کمک آن بتوانند غلظت اورانیوم 235 را افزایش دهند.


گاز هگزافلوراید اورانیوم (UF6) در داخل سیلندرهای سانتریفیوژ تزریق می شود و با سرعت زیاد به گردش در آورده می گردد. گردش سریع سیلندر، نیروی گریز از مرکز بسیار قوی ای تولید می کند و طی آن مولکولهای سنگین تر (آنهایی که شامل ایزوتوپ اورانیوم 238 هستند) از مرکز محور گردش دور تر می گردند و برعکس آنها که مولکول های سبک تری دارند (حاوی ایزوتوپ اورانیوم 235) بیشتر حول محور سانتریفیوژ قرار می گیرند.

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 می گردد. میزان گاز هگزافلوراید اورانیوم شامل اورانیوم 235 ای که در این روش از یک واحد جداسازی بدست می آید به مراتب بیشتر از مقداری است که در روش قبلی (Gaseous Diffusion) بدست می آید، به همین علت است که امروزه در بیشتر نقاط جهان برای غنی سازی اورانیوم از این روش استفاده می کنند.

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 می پردازند. کشور ژاپن هم دارای دستگاههای بزرگ سانتریفیوژ است اما تنها برای مصرف داخلی اورانیوم غنی شده تولید می کند

[Borna66]

انفجار هسته اي

تعريف انفجار

انفجار اعم از عادي يا هسته اي عبارتست از رهايي مقدار زيادي انرژي در مدت زماني بسيار كوتاه و در فضاي محدود .

ساختار انفجاري هسته اي

در انفجار هسته اي حرارت و فشار حاصل از اندازه اي است كه جرم بمب و همه مواد موجود در فضاي مزبور را در آن واحد زمان بصورت توده اي از گاز داغ ، ملتهب و فشرده در آورده و تشكيل گوي آتشين كه در حدود چند ميليون درجه حرارت است مي دهد اين گوي آتشين بلافاصله انبساط كرده و به لايه هاي بالاي جو صعود مي كند.انبساط سريع گوي آتشين فشار اطراف خود را بالا برده و موج انفجاري بسيار شديدي و يا موج ضربه فوق العاده اي در زمين يا آب يا در زير زمين ايجاد مي كند كه اثر تخريبي انفجار مربوط به آنها ست .

مشخصات انفجاري هسته اي

- در نزديكي انفجار سرعت موج از يك كيلومتر درثانيه يعني هزارها كيلومتر در ساعت بيشتر است .

- قسمت عمده اي از انرژي انفجار بصورت حرارت و نور آزاد مي شود كه در منطقه وسيعي ايجاد آتش سوزي نموده و حتي در فاصله هاي دورتر سبب سوختگي در پوست بدن موجودات زنده اي كه در معرض آنها قرارگرفته باشند مي گردد .

- مقدار زياري اشعه نامرئي هسته اي به نام تشعشع هسته اي اوليه بوجود مي آيد كه قدرت نفوذي فوق العاده اي داشته و بر حسب شدت تشعشع آنها آثار بيولوژيكي تشعشعات هسته اي وخيم يا كشنده در موجودات زنده بوجود مي آورند .

- مواد حاصل از انفجار هاي هسته اي به شدت راديو اكتيو بوده ومنطقه وسيعي را بطوري الوده مي سازد كه بر حسب نزديكي يا دوري از مركز انفجار تامدتي غير قابل سكونت خواهند بود مانند هيروشيماي ژاپن .

- در انفجارهاي معمولي درجه حرارت در مركز انفجار به حدود 5000 درجه سانتيگراد درمورد انفجارهاي هسته اي به ده ها ميليون درجه مي رسد .

حوزه انفجارهسته اي

قطر كره آتشين از بمب هسته اي يك مگاتني در يك هزارم ثانيه به حدود 150 متر رسيده ودر هر ثانيه به حداكثر اندازه خود كه حدود 2000 متر است مي رسد و پس از يك دقيقه نسبتا سرد شده و روشنايي خود را از دست مي دهد اين زماني است كه انفجار 7 كيلو متر صعود كرده است براي تصور ميزان درخشندگي آن كافيست اشاره كنيم كه :

- از فاصله يكصد كيلومتري از نور خورشيد در وسط روز درخشنده تر است .

- در پاره اي از آزمايش ها كه در طبقات بالاي جو انجام گرفته نور حاصله از فاصله 1000 كيلومتري محسوم بوده است كه تحت بعضي شرايط اين نور مي تواند موجب كوري موقتي يا سوختگي دائمي شبكيه چشم شود .

- در موقع آزمايشات هسته اي در معرض بودن تصادفي اشخاص موجب سوختگي شبكيه چشم درمسافت 10 مايلي در سلاح 20 كيلو تني شده است .

- گوي آتشين همانطور كه به سرعت بزرگ شده و صعود مي كند تغيير شكل داده و پهن تر مي شود ضمناً هوا و خاك و عناصر ديگر را از پايين به داخل خود مي مكد و به همين ترتيب دنباله اي از غبار تشكيل مي شود كه گوي آتشين را به زمين وصل مي كند كره آتشين بتدريج سرد شده و بصورت ابري متلاطم در مي آيد كه ابتدا سرخ رنگ بوده و بعد سفيد مي شود در اين حال با دنباله خود شكل قارچي به خود مي گيرد .

تخريب بعد از انفجار هسته اي

- چنانچه انفجار در سطح زمين يا نزديكي آن اتفاق بيافتد مقدار زيادي خاك و شن و مواد مختلف بخار شده و همراه با گوي آتشين بالا مي روند يك صدم انرژي سلاح مگاتني در تر كش سطحي كافي است كه 4000 تن خاك و شن و سنگ را بخار نمايد اين مواد كه بدين ترتيب به داخل گوي آتشين كشيده شده با مواد راديو اكتيو مخلوط مي شوند و ابر اتمي قارچ شكل انفجارات اتمي را شكل مي دهند ذرات اين باد بتدريج به زمين بازگشته و يا در اثر برف و باران به زمين ريخته خواهد شد اين عمل ريزش اتمي ناميده شده و منبع تشعشعات باقيه خواهند بود .

- در انفجارهاي زير آبي مقدار زيادي آب بخار خواهد شد يك صدم انرژي سلاح يك مگاتني كافيست كه 20000 تن آب را بخار كند .

- انفجار زير زميني اتمي ايجاد تكانهايي مانند زمين لرزه مي نمايد در اثر اين لرزش و جابه جاشدن قسمتي از سطح زمين خرابي بوجود مي آيد اما انرژي يك زلزله قوي با انرژي يك ميليون بمب اتمي برابر است!

تقسيم بندي انرژي انفجار سلاح اتمي

مجموع انرژي حاصله كه به نام قدرت بمب ناميده مي شود به سه اثر اوليه تقسيم مي شود . گرچه تقسيم بندي انرژي تا اندازه اي به نوع سلاح و سوختنش وشرايط انفجار بستگي دارد ولي بطور كلي بصورت زير تقسيم بندي مي شود .

- 50% انرژي به توسط موج انفجاري يا موج ضربه حمل مي شود .

- 35% انرژي را تشعشع حرارتي و امواج نوراني در خود دارند .

- 15% انرژي را تشعشع هسته اي ( 5% تشعشع ابتدايي 10% تشعشع باقيه ) دارد.


منبع : دانشنامه رشد و هوپا

[Borna66]

خواص اشعه راديواكتيو

عناصر راديواكتيو معمولا سه نوع ذره يا اشعه از خود صادر مي‌كنند كه شامل ذره آلفا ، ذره بتا و اشعه گاما است. با قرار دادن اشعه راديواكتيو تحت تاثير ميدان مغناطيسي متوجه شده‌اند كه ذره آلفا داراي بار مثبت ، بتا داراي بار منفي و اشعه گاما بدون بار است.

خواص ذره آلفا

جنس ذره آلفا ، هسته اتم هليوم است كه از دو نوترون و دو پروتون تشكيل يافته است. جرم آن حدود 4 برابر جرم پروتون و بار الكتريكي آن 2+ و علامت اختصاري آن (4,2)He است. برد ذره آلفا به عنصر مادر ، انرژي اوليه و جنس محيط بستگي دارد. مثلا برد ذره آلفا صادره از راديوم در هوا تقريبا 4.8 سانتيمتر مي‌باشد. ذره آلفا به علت داشتن 2 بار مثبت هنگامي كه از نزديكي يك اتم عبور مي كند، ممكن است تحت تاثير ميدان الكتروستاتيكي خود ، الكترون مدار خارجي آن اتم را خارج سازد و يا به عبارت ديگر اتم را يونيزه كند. همچنين ذره آلفا قادر است محل الكترون را تغيير دهد، يعني الكترون تحت تاثير ميدان الكتريكي ذره آلفا از مدار پايين تري به مدار بالاتر صعود مي‌كند و در نتيجه اتم به حالت برانگيخته در مي‌آيد. قابليت نفوذ ذره آلفا بسيار كم است.

خواص ذره بتا

جنس ذره بتاي منفي ، از جنس الكترون مي‌باشد، بار الكتريكي آن 1- و علامت آن بتاي منفي است. برد ذره بتا در هوا در حدود چند سانتيمتر تا حدود يك متر است. البته برد اين ذره نيز به انرژي اوليه (عنصر مادر) و جنس محيط بستگي دارد. برخلاف ذره آلفا ، ذره بتا از نظر حفاظت يك خطر خارجي محسوب مي‌شود. خاصيت يون سازي اين ذره به مراتب كمتر از ذره آلفا است، يعني بطور متوسط در حدود 100 مرتبه كمتر از ذره آلفا مي‌باشد. ذره بتا مي‌تواند در اتمها ايجاد برانگيختگي كند، ولي اين خاصيت نيز در ذره بتا، به مراتب كمتر از ذره آلفا است. قدرت نفوذ ذره بتا بطور متوسط 100 برابر بيشتر از ذره آلفا است. طيف ذره بتا تك انرژي نيست، بلكه يك طيف پيوسته است كه تمام مقادير انرژي از 0 تا انرژي ماكزيمم را دارا مي‌باشد. اين ذره همان پوزتيرون است كه ضد ماده الكترون مي‌باشد. جرم آن با جرم الكترون برابر بوده و داراي باري مخالف با بار الكترون است و علامت اختصاري آن حرف بتاي مثبت است.

خواص اشعه گاما

جنس اشعه گاما از جنس امواج الكترومغناطيسي مي‌باشد، يعني از جنس نور است. ولي با طول موج بسيار كوتاه كه طول موج آن از 1 تا 0.01 آنگستروم تغيير مي‌كند. جرم آن در مقياس اتمي صفر ، سرعت آن برابر سرعت نور ، بار الكتريكي آن صفر و علامت اختصاري آن حرف گاما مي‌باشد. انرژي اشعه گاما از 10 كيلو الكترون ولت تا 10 مگا الكترون ولت تغيير مي‌كند. برد آنها بسيار زياد است. مثلا در هوا چندين متر است. خاصيت ايجاد يونيزاسيون و برانگيختگي در اشعه گاما نيز وجود دارد. ولي به مراتب كمتر از ذرات آلفا و بتا است. مثلا اگر قدرت يونيزاسيون متوسط اشعه گاما را يك فرض كنيم، قدرت يونيزاسيون متوسط ذره بتا 100 و ذره آلفا 104 خواهد بود. قدرت نفوذ اين اشعه به مراتب بيشتر از ذرات بتا و آلفا است. طيف انرژي اشعه گاما ، همانند ذرات آلفا تك انرژي است. يعني تمام فوتونهاي گاماي حاصل از يك عنصر راديواكتيو داراي انرژي يكساني هستند.

[Borna66]

دستگاه سونوگرافی و تولید انرژی هسته‌ای
با شنیدن نام دستگاه سونوگرافی یا همان فرستنده امواج ماورای صوت، اولین چیزی كه به خاطر شنونده می‌رسد تصویرهای محوی از جنین است كه از مادری باردار گرفته شدند، اما كاربرد امواج ماورای صوت به همین جا ختم نمی‌شود.

به گزارش پایگاه‌اینترنتی دویچه‌وله (رادیو آلمان)، مدتهاست محققان تلاش می‌كنند از این امواج در سایر زمینه‌ها استفاده كنند، از جمله ضدعفونی كردن و از بین بردن باكتری‌ها و تركیبات مضر شیمیایی به كمك امواج ماورای صوت. از نظر پروفسور "تیموتی میسون" (‪ (Timothy Mason‬كه در دانشگاه "كاونتری" (‪ (Coventry‬در انگلیس تدریس می‌كند، امواج ماورای صوت حاوی انرژی هستند كه به صورت هدفمند بر روی واكنش‌های شیمیایی تاثیر می‌گذارند.
وی می‌گوید: این نوع صوت، طول موجی از صداست كه در صوت‌های مخصوص سگ كاربرد دارد، چرا كه دارای فركانس بسیار بالایی است كه انسان قادر به شنیدن آن نیست. این امواج هنگامی كه هدفمند مورد استفاده قرار گیرند، می‌توانند انرژی بسیار زیادی را منتقل كنند.
به كمك دستگاه‌های سونوگرافی، امواج درون رگ تابیده می‌شود. طول موج بالای این امواج، آب موجود در رگ را جوش می‌آورد و سبب تشكیل حباب‌های بسیار ریزی می‌شود كه دوام زیادی ندارند و به سرعت می‌تركند و تركیدن حباب ها انرژی زیادی آزاد می‌كند.
انرژی زیاد به معنای آن است كه در فضای بسیار كوچك درون رگی حرارت تا ‪ ۶‬هزار درجه سانتی گراد بالا می‌رود، یعنی دمایی به اندازه دمای سطح رویی خورشید.
بالا رفتن دما تا این حد و تركیدن حباب‌ها فشاری ‪ ۵۰۰‬برابر فشار اتمسفر تولید می‌كند، فشاری كه كه تنها یك چشم بر هم زدن دوام دارد.
البته می‌توان این حباب‌ها را به نوعی ریزبمب تشبیه كرد، چرا كه آزاد شدن این میزان انرژی، بر مولكول‌های اطراف حباب تاثیر می‌گذارد. تیموتی میسون در این‌باره می‌گوید: تصور كنید این انرژی كنار یك تركیب شیمیایی مثلا كنار یك مولكول مضر آزاد شود. هیچ پیوند شیمیایی نمی‌تواند در این شرایط پایدار بماند، در نتیجه در پی ضربه ناگهانی ناشی از تركیدن یك حباب كوچك تجزیه می‌شود."
علاوه بر آن، میكرو حباب ها، مولكول‌های آب را به رادیكال آزاد تبدیل می‌كنند و رادیكال‌های آزاد از نظر شیمیایی ذرات مضری هستند كه مولكولهای اطرافشان را تحت تاثیر قرار می‌دهند.
پروفسور "نایس" (‪ (Uwe Neis‬از دانشگاه صنعتی "هامبورگ هاربورگ" (‪ (Hamburg-Harburg‬می‌گوید: "با این روش می‌توان باكتری‌ها و یا سایر موجودات ذره‌بینی را كه معمولا در آب موجودند بدون مصرف مواد شیمیایی ضدعفونی‌كننده مانند كلر از بین برد. یعنی ضدعفونی با امواج ماورای صوت.
پروفسور نایس و همكارانش در آزمایشگاه دانشگاه هامبورگ - هاربورگ، آب آلوده را از لوله‌ای كه به درون آن امواج ماورای صوت تابیده می‌شود عبور می‌دهند و از آن سوی لوله، آب ضدعفونی شده تحویل می‌گیرند.
البته این روش ضدعفونی در حال حاضر بسیار گران است و علاوه بر آن، هزینه برق مصرفی با دستگاه فرستنده امواج را نیز باید در نظر گرفت. با وجود این گروه پروفسور نایس در حال تكمیل روشی است كه به خصوص برای شناگران حساس به كلر استخرهای شنا جالب خواهد بود.
پروفسور نایس در این‌باره می‌گوید: دیواره‌های استخرهای شنا باید مرتب تمیز شوند و برای این منظور مكنده‌های تمیزكننده مخصوصی وجود دارد. از ما پرسیده شد كه آیا می‌توان آنها را با امواج ماورای صوت تركیب كرد، به طوری كه بتوان هم زمان دیواره استخر را تمیز و آب آن را ضدعفونی كرد؟ البته ما در حال حاضر راه عملی قطعی پیدا نكردیم، اما مشغولیم."
اما تركیب امواج ماورای صوت و تركیبات شیمیایی داستان دیگری است، روشی كه در آن هسته اتم هدف قرار می‌گیرد و ذوب هسته، انرژی فوق‌العاده زیادی آزاد خواهد كرد. در سال ‪ ۲۰۰۲‬یك محقق آمریكایی به نام "روسی تالیارخان" (‪Taleyarkhan‬ ‪ (Rusi‬این روش را امتحان كرد.
او سعی كرد با فرستادن امواج ماورای صوت درون استون، محلولی كه برای پاك كردن لاك ناخن از آن استفاده می‌شود، اتم‌های استون را تجزیه كند. از نظر تئوری تركیدن حباب‌های تولید شده در محلول می‌تواند هسته اتم‌های استون را ذوب كند.
ذوب هسته اتم همانی است كه انرژی هسته‌ای تولید می‌كند. اكنون تصور كنید با كمك یك فرستنده امواج ماواری صوت و یك ظرف استون بتوان تمام انرژی مورد نیاز شهر را تامین كرد!
اما ذوب اتمی كه در حال حاضر در راكتورهای اتمی صورت می‌گیرد نیازمند افزایش دما تا حدود ‪ ۱۰۰‬میلیون درجه سانتیگراد است. این نوع آزمایش‌ها تا تولید انرژی هسته‌ای هنوز فاصله بسیاری دارند.
اما بسیاری امیدوارند كه روزی بتوان به همین سادگی و بدون نیاز به راكتورهای پرهزینه اتمی، انرژی هسته‌ای تولید كرد.

[Borna66]

دانستنيهاي بمب اتم
بمب اتمي سلاحي است كه نيروي آن از انرژي اتمي و بر اثر شكاف هسته (فيسيون) اتمهاي پلوتونيوم يا اورانيوم ايجاد مي شود .در فرآيند شكافت هسته اي ، اتمهاي ناپايدار شكافته و به اتمهاي سبكتر تبديل مي شوند .
نخستين بمب از اين نوع ، در سال 1945 م در ايالات نيو مكزيكو در ايالات متحده آمريكا آزمايش شد . اين بمب ، انفجاري با قدرت 19 كيلو تن ايجاد كرد ( يك كيلو تن برابر است با
انرژي اتمي آزاد شده 190 تن ماده منفجره تي . ان . تي ) انفجار بمب اتمي موج بسيار نيرومند پرتوهاي شديد نوراني ، تشعشعات نفوذ كننده اشعه گاما و نوترونها و پخش شدن مواد راديو اكتيو را همراه دارد . انفجار بمب اتمي چندين هزار ميليارد كالري حرارت را در چند ميليونيوم ثانيه ايجاد مي كند .
اين دماي چند ميليون درجه اي با فشار بسيار زياد تا فاصله 1200 متري از مركز انفجار به افراد بدون پوشش حفاظتي صدمه مي زند و سبب مرگ و بيماري انسان و جانوران مي شود . همچنين زمين ، هوا آب و همه چيز را به مواد راديو اكتيو آلوده مي كند .
بمب هاي اتمي شامل نيروهاي قوي و ضعيفي اند كه اين نيروها هسته يك اتم را به ويژه اتم هايي كه هسته هاي ناپايداري دارند، در جاي خود نگه مي دارند. اساسا دو شيوه بنيادي براي آزادسازي انرژي از يك اتم وجود دارد: 1- شكافت هسته اي: مي توان هسته يك اتم را با يك نوترون به دو جزء كوچك تر تقسيم كرد. اين همان شيوه اي است كه در مورد ايزوتوپ هاي اورانيوم (يعني اورانيوم 235 و اورانيوم 233) به كار مي رود.
براي توليد يك بمب اتمي موارد زير نياز است:
يك منبع سوخت كه قابليت شكافت يا همجوشي را داشته باشد.
دستگاهي كه همچون ماشه آغازگر حوادث باشد.
راهي كه به كمك آن بتوان بيشتر سوخت را پيش از آنكه انفجار رخ دهد دچار شكافت يا همجوشي كرد.
در اولين بمب هاي اتمي از روش شكافت استفاده مي شد. اما امروزه بمب هاي همجوشي از فرآيند همجوشي به عنوان ماشه آغازگر استفاده مي كنند.بمب هاي شكافتي (فيزيوني): يك بمب شكافتي از ماده اي مانند اورانيوم 235 براي خلق يك انفجار هسته اي استفاده مي كند. اورانيوم 235 ويژگي منحصر به فردي دارد كه آن را براي توليد هم انرژي هسته اي و هم بمب هسته اي مناسب مي كند. اورانيوم 235 يكي از نادر موادي است كه مي تواند زير شكافت القايي قرار بگيرد.اگر يك نوترون آزاد به هسته اورانيوم 235 برود،هسته بي درنگ نوترون را جذب كرده و بي ثبات شده در يك چشم به هم زدن شكسته مي شود. اين باعث پديد آمدن دو اتم سبك تر و آزادسازي دو يا سه عدد نوترون مي شود كه تعداد اين نوترون ها بستگي به چگونگي شكسته شدن هسته اتم اوليه اورانيوم 235 دارد. دو اتم جديد به محض اينكه در وضعيت جديد تثبيت شدند از خود پرتو گاما ساطع مي كنند. درباره اين نحوه شكافت القايي سه نكته وجود دارد كه موضوع را جالب مي كند.
1 - احتمال اينكه اتم اورانيوم 235 نوتروني را كه به سمتش است، جذب كند، بسيار بالا است. در بمبي كه به خوبي كار مي كند، بيش از يك نوترون از هر فرآيند فيزيون به دست مي آيد كه خود اين نوترون ها سبب وقوع فرآيندهاي شكافت بعدي اند. اين وضعيت اصطلاحا وراي آستانه بحران ناميده مي شود.
2 - فرآيند جذب نوترون و شكسته شدن متعاقب آن بسيار سريع و در حد پيكو ثانيه (12-10 ثانيه) رخ مي دهد.
3 - حجم عظيم و خارق العاده اي از انرژي به صورت گرما و پرتو گاما به هنگام شكسته شدن هسته آزاد مي شود. انرژي آزاد شده از يك فرآيند شكافت به اين علت است كه محصولات شكافت و نوترون ها وزن كمتري از اتم اورانيوم 235 دارند. اين تفاوت وزن نمايان گر تبديل ماده به انرژي است كه به واسطه فرمول معروف mc2= E محاسبه مي شود. حدود نيم كيلوگرم اورانيوم غني شده به كار رفته در يك بمب هسته اي برابر با چندين ميليون گالن بنزين است. نيم كيلوگرم اورانيوم غني شده انداز ه اي معادل يك توپ تنيس دارد. در حالي كه يك ميليون گالن بنزين در مكعبي كه هر ضلع آن 17 متر (ارتفاع يك ساختمان 5 طبقه) است، جا مي گيرد. حالا بهتر مي توان انرژي آزاد شده از مقدار كمي اورانيوم 235 را متصور شد.براي اينكه اين ويژگي هاي اروانيوم 235 به كار آيد بايد اورانيوم را غني كرد. اورانيوم به كار رفته در سلاح هاي هسته اي حداقل بايد شامل نود درصد اورانيوم 235 باشد.در يك بمب شكافتي، سوخت به كار رفته را بايد در توده هايي كه وضعيت زير آستانه بحران دارند، نگه داشت. اين كار براي جلوگيري از انفجار نارس و زودهنگام ضروري است. تعريف توده اي كه در وضعيت آستانه بحران قرار داد چنين است: حداقل توده از يك ماده با قابليت شكافت كه براي رسيدن به واكنش شكافت هسته اي لازم است. اين جداسازي مشكلات زيادي را براي طراحي يك بمب شكافتي با خود به همراه مي آورد كه بايد حل شود.
1 - دو يا بيشتر از دو توده زير آستانه بحران براي تشكيل توده وراي آستانه بحران بايد در كنار هم آورده شوند كه در اين صورت موقع انفجار به نوترون بيش از آنچه كه هست براي رسيدن به يك واكنش شكافتي، نياز پيدا خواهد شد.
2 - نوترون هاي آزاد بايد در يك توده وراي آستانه بحران القا شوند تا شكافت آغاز شود.
3 - براي جلوگيري از ناكامي بمب بايد هر مقدار ماده كه ممكن است پيش از انفجار وارد مرحله شكافت شود براي تبديل توده هاي زير آستانه بحران به توده هايي وراي آستانه بحران از دو تكنيك چكاندن ماشه و انفجار از درون استفاده مي شود.تكنيك چكاندن ماشه ساده ترين راه براي آوردن توده هاي زير بحران به همديگر است. بدين صورت كه يك تفنگ توده اي را به توده ديگر شليك مي كند. يك كره تشكيل شده از اورانيوم 235 به دور يك مولد نوترون ساخته مي شود. گلوله اي از اورانيوم 235 در يك انتهاي تيوپ درازي كه پشت آن مواد منفجره جاسازي شده، قرار داده مي شود.كره ياد شده در انتهاي ديگر تيوپ قرار مي گيرد. يك حسگر حساس به فشار ارتفاع مناسب را براي انفجار چاشني و بروز حوادث زير تشخيص مي دهد:
1 - انفجار مواد منفجره و در نتيجه شليك گلوله در تيوپ
2 - برخورد گلوله به كره و مولد و در نتيجه آغاز واكنش شكافت
3 - انفجار بمب
در پسر بچه بمبي كه در سال هاي پاياني جنگ جهاني دوم بر شهر هيروشيما انداخته شد، تكنيك چكاندن ماشه به كار رفته بود. اين بمب 5/14 كيلو تن برابر با 500/14 تن TNT بازده و 5/1 درصد كارآيي داشت. يعني پيش از انفجار تنها 5/1 درصد ازماده مورد نظر شكافت پيدا كرد.
در همان ابتداي پروژه منهتن ، برنامه سري آمريكا در توليد بمب اتمي، دانشمندان فهميدند كه فشردن توده ها به همديگر و به يك كره با استفاده از انفجار دروني مي تواند راه مناسبي براي رسيدن به توده وراي آستانه بحران باشد. البته اين تفكر مشكلات زيادي به همراه داشت. به خصوص اين مسئله مطرح شد كه چگونه مي توان يك موج شوك را به طور يكنواخت، مستقيما طي كره مورد نظر، هدايت و كنترل كرد؟افراد تيم پروژه منهتن اين مشكلات را حل كردند. بدين صورت، تكنيك انفجار از درون خلق شد. دستگاه انفجار دروني شامل يك كره از جنس اورانيوم 235 و يك بخش به عنوان هسته است كه از پولوتونيوم 239 تشكيل شده و با مواد منفجره احاطه شده است. وقتي چاشني بمب به كار بيفتد حوادث زير رخ مي دهند:
1 - انفجار مواد منفجره موج شوك ايجاد مي كند.
2 - موج شوك بخش هسته را فشرده مي كند.
3 - فرآيند شكافت شروع مي شود.
4 - بمب منفجر مي شود.
در مرد گنده بمبي كه در سال هاي پاياني جنگ جهاني دوم بر شهر ناكازاكي انداخته شد، تكنيك انفجار از درون به كار رفته بود. بازده اين بمب 23 كيلو تن و كارآيي آن 17درصد بود.شكافت معمولا در 560 ميلياردم ثانيه رخ مي دهد.بمب هاي همجوشي: بمب هاي همجوشي كار مي كردند ولي كارآيي بالايي نداشتند. بمب هاي همجوشي كه بمب هاي ترمونوكلئار هم ناميده مي شوند، بازده و كارآيي به مراتب بالاتري دارند. براي توليد بمب همجوشي بايد مشكلات زير حل شود:دوتريوم و تريتيوم مواد به كار رفته در سوخت همجوشي هر دو گازند و ذخيره كردنشان دشوار است. تريتيوم هم كمياب است و هم نيمه عمر كوتاهي دارد بنابراين سوخت بمب بايد همواره تكميل و پر شود.دوتريوم و تريتيوم بايد به شدت در دماي بالا براي آغاز واكنش همجوشي فشرده شوند. در نهايت استانسيلا اولام دريافت كه بيشتر پرتو به دست آمده از يك واكنش فيزيون، اشعه X است كه اين اشعه X مي تواند با ايجاد درجه حرارت بالا و فشار زياد مقدمات همجوشي را آماده كند. بنابراين با به كارگيري بمب شكافتي در بمب همجوشي مشكلات بسياري حل شد. در يك بمب همجوشي حوادث زير رخ مي دهند:
1 - بمب شكافتي با انفجار دروني ايجاد اشعه X مي كند.
2 - اشعه X درون بمب و در نتيجه سپر جلوگيري كننده از انفجار نارس را گرم مي كند.
3 - گرما باعث منبسط شدن سپر و سوختن آن مي شود. اين كار باعث ورود فشار به درون ليتيوم - دوتريوم مي شود.
4 - ليتيوم - دوتريوم 30 برابر بيشتر از قبل تحت فشار قرار مي گيرند.
5 - امواج شوك فشاري واكنش شكافتي را در ميله پولوتونيومي آغاز مي كند.
6 - ميله در حال شكافت از خود پرتو، گرما و نوترون مي دهد.
7 - نوترون ها به سوي ليتيوم - دوتريوم رفته و با چسبيدن به ليتيوم ايجاد تريتيوم مي كند.
8 - تركيبي از دما و فشار براي وقوع واكنش همجوشي تريتيوم - دوتريوم ودوتريوم - دوتريوم و ايجاد پرتو، گرما و نوترون بيشتر، بسيار مناسب است.
9 - نوترون هاي آزاد شده از واكنش هاي همجوشي باعث القاي شكافت در قطعات اورانيوم 238 كه در سپر مورد نظر به كار رفته بود، مي شود.
10 - شكافت قطعات اروانيومي ايجاد گرما و پرتو بيشتر مي كند.
11 - بمب منفجر شود.

[Borna66]

همه چيز درباره انفجار هسته اي
تعريف انفجار
انفجار اعم از عادي يا هسته اي عبارتست از رهايي مقدار زيادي انرژي در مدت زماني بسيار كوتاه و در فضاي محدود .

ساختار انفجاري هسته اي
در انفجار هسته اي حرارت و فشار حاصل از اندازه اي است كه جرم بمب و همه مواد موجود در فضاي مزبور را در آن واحد زمان بصورت توده اي از گاز داغ ، ملتهب و فشرده در آورده و تشكيل گوي آتشين كه در حدود چند ميليون درجه حرارت است مي دهد اين گوي آتشين بلافاصله انبساط كرده و به لايه هاي بالاي جو صعود مي كند.انبساط سريع گوي آتشين فشار اطراف خود را بالا برده و موج انفجاري بسيار شديدي و يا موج ضربه فوق العاده اي در زمين يا آب يا در زير زمين ايجاد مي كند كه اثر تخريبي انفجار مربوط به آنها ست .

مشخصات انفجاري هسته اي
- در نزديكي انفجار سرعت موج از يك كيلومتر درثانيه يعني هزارها كيلومتر در ساعت بيشتر است .
- قسمت عمده اي از انرژي انفجار بصورت حرارت و نور آزاد مي شود كه در منطقه وسيعي ايجاد آتش سوزي نموده و حتي در فاصله هاي دورتر سبب سوختگي در پوست بدن موجودات زنده اي كه در معرض آنها قرارگرفته باشند مي گردد .
- مقدار زياري اشعه نامرئي هسته اي به نام تشعشع هسته اي اوليه بوجود مي آيد كه قدرت نفوذي فوق العاده اي داشته و بر حسب شدت تشعشع آنها آثار بيولوژيكي تشعشعات هسته اي وخيم يا كشنده در موجودات زنده بوجود مي آورند .
- مواد حاصل از انفجار هاي هسته اي به شدت راديو اكتيو بوده ومنطقه وسيعي را بطوري الوده مي سازد كه بر حسب نزديكي يا دوري از مركز انفجار تامدتي غير قابل سكونت خواهند بود مانند هيروشيماي ژاپن .
- در انفجارهاي معمولي درجه حرارت در مركز انفجار به حدود 5000 درجه سانتيگراد درمورد انفجارهاي هسته اي به ده ها ميليون درجه مي رسد .

حوزه انفجارهسته اي
قطر كره آتشين از بمب هسته اي يك مگاتني در يك هزارم ثانيه به حدود 150 متر رسيده ودر هر ثانيه به حداكثر اندازه خود كه حدود 2000 متر است مي رسد و پس از يك دقيقه نسبتا سرد شده و روشنايي خود را از دست مي دهد اين زماني است كه انفجار 7 كيلو متر صعود كرده است براي تصور ميزان درخشندگي آن كافيست اشاره كنيم كه :
- از فاصله يكصد كيلومتري از نور خورشيد در وسط روز درخشنده تر است .
- در پاره اي از آزمايش ها كه در طبقات بالاي جو انجام گرفته نور حاصله از فاصله 1000 كيلومتري محسوم بوده است كه تحت بعضي شرايط اين نور مي تواند موجب كوري موقتي يا سوختگي دائمي شبكيه چشم شود .
- در موقع آزمايشات هسته اي در معرض بودن تصادفي اشخاص موجب سوختگي شبكيه چشم درمسافت 10 مايلي در سلاح 20 كيلو تني شده است .
- گوي آتشين همانطور كه به سرعت بزرگ شده و صعود مي كند تغيير شكل داده و پهن تر مي شود ضمناً هوا و خاك و عناصر ديگر را از پايين به داخل خود مي مكد و به همين ترتيب دنباله اي از غبار تشكيل مي شود كه گوي آتشين را به زمين وصل مي كند كره آتشين بتدريج سرد شده و بصورت ابري متلاطم در مي آيد كه ابتدا سرخ رنگ بوده و بعد سفيد مي شود در اين حال با دنباله خود شكل قارچي به خود مي گيرد .

تخريب بعد از انفجار هسته اي
- چنانچه انفجار در سطح زمين يا نزديكي آن اتفاق بيافتد مقدار زيادي خاك و شن و مواد مختلف بخار شده و همراه با گوي آتشين بالا مي روند يك صدم انرژي سلاح مگاتني در تر كش سطحي كافي است كه 4000 تن خاك و شن و سنگ را بخار نمايد اين مواد كه بدين ترتيب به داخل گوي آتشين كشيده شده با مواد راديو اكتيو مخلوط مي شوند و ابر اتمي قارچ شكل انفجارات اتمي را شكل مي دهند ذرات اين باد بتدريج به زمين بازگشته و يا در اثر برف و باران به زمين ريخته خواهد شد اين عمل ريزش اتمي ناميده شده و منبع تشعشعات باقيه خواهند بود .
- در انفجارهاي زير آبي مقدار زيادي آب بخار خواهد شد يك صدم انرژي سلاح يك مگاتني كافيست كه 20000 تن آب را بخار كند .
- انفجار زير زميني اتمي ايجاد تكانهايي مانند زمين لرزه مي نمايد در اثر اين لرزش و جابه جاشدن قسمتي از سطح زمين خرابي بوجود مي آيد اما انرژي يك زلزله قوي با انرژي يك ميليون بمب اتمي برابر است!

تقسيم بندي انرژي انفجار سلاح اتمي
مجموع انرژي حاصله كه به نام قدرت بمب ناميده مي شود به سه اثر اوليه تقسيم مي شود . گرچه تقسيم بندي انرژي تا اندازه اي به نوع سلاح و سوختنش وشرايط انفجار بستگي دارد ولي بطور كلي بصورت زير تقسيم بندي مي شود .
- 50% انرژي به توسط موج انفجاري يا موج ضربه حمل مي شود.
- 35% انرژي را تشعشع حرارتي و امواج نوراني در خود دارند .
- 15% انرژي را تشعشع هسته اي ( 5% تشعشع ابتدايي 10% تشعشع باقيه ) دارد.
__________________

[Borna66]

نيروگاههاي هسته اي وبمب هاي هسته اي چگونه كار ميكنند؟

اين روزها در مجلات,روزنامه ها,تلويزيون وغيره از همه چيز ميشنويم ولي بيشتر از همه فعاليت هاي صلح آميزوغير صلح آميز هسته اي است كه ذهنمان را مشغول ميسازد.در اينجا سعي بر آن است كه مطالب حتي الامكان به صورت عامه فهم وبه گونه اي كه حق مطلب ادا شود,براي شما توضيحاتي پيرامون بمب هاي هسته اي ,تشعشعات هسته اي ونيروگاههاي هسته اي عنوان شود.

قبل از اينكه به اصل موضوع بپردازيم خدمت دوستان خوبم بايد عرض كنم كه اين مطالب ممكن است براي عده اي از دوستان بسيار پيش پا افتاده وساده باشه به هر حال شما به بزرگي خودتون ببخشيد و اينو هم در نظر بگيريد كه مخاطب هاي اين وبلاگ ممكنه از هر قشري باشند پس ما هم مجبوريم كه ملاحظه حال اونا رو هم بكنيم....

و اما اصل موضوع....

ميدانيم كه دنياي اطرافمان از 92 عنصر موجود در طبيعت ساخته شده است. به اين شكل كه عناصر از اتم ها ساخته شده اند وتشكيل مولكول آن عنصر را ميدهند و اگر اين مولكولها در كنار يكديگرقرار گيرند ماده بوجود مي آيد. بسياري از مواد از عناصر مختلف تشكيل شده اند بنابراين اتم هاي مختلفي در آنها وجود دارد. لازم به ذكر است قطر اتم 10 به توان منفي ده متر ميباشد واندازه هسته در مركز اتم0001/0 بزرگي اتم كوچكتر است و يا به عبارتي دقيقتر قطر كامل هسته به طور ميانگين 10به توان منفي 15 متر ميباشد.

ابتدا به تشريح ساختمان اتم ميپردازيم:

در داخل هر اتم سه ذره وجود دارد:الكترون با بار منفي , پروتون با بار مثبت و نوترون خنثي. بارهاي همنام يكديگر را دفع و بارهاي غير همنام يكديگر را جذب ميكنند بجز نوترون كه هيچ عكس العملي ندارد.

هسته اتم هر عنصر از پروتون و نوترون تشكيل شده است كه مجموع تعداد آنها را عدد اتمي آن عنصر ,وبه آنها نوكلئون ميگويند. لازم به ذكر است جرم نوترون 675/1ضربدر 10 به توان منفي 27 كيلوگرم ,وجرم پروتون 673/1ضربدر 10 به توان منفي 27 ميباشد.

پروتون هاي تشكيل دهنده هسته اتم چون داراي بار مثبت هستند پس طبيعي است كه يكديگر را دفع كنند براي جلوگيري از اين اتفاق نوترون ها مانند چسبي از متلاشي شدن هسته جلوگيري ميكنند.الكترون ها نيز در مدارات بيضي شكل و نامنظم در اطراف هسته با سرعت بسيار زياد در حال گردشند وهر چه اين الكترون ها به لايه والانس نزديكتر ميشوند تعلق آنها به هسته كاهش ميابد(بر اساس مدل اتمي بور).

اما اگر بخواهيم علمي تر بحث كنيم بايد بگوئيم تقريبا سه نيرو در هسته هر اتم وجود داردكه يكي از آنها سعي در انهدام هسته و دو تاي ديگر سعي در پايداري هسته دارند. اولي نيروي كولني يا همان دافعه پروتوني ميباشد , دومي نيروي گرانش ناشي از جاذبه بين ذرات جرم دار است وسومي كه مهمترين دليل جلوگيري از متلاشي شدن هسته ميباشد همان نيروي هسته اي است. دقت كنيد نيروي كولني بسيار ناچيز است و نميتواند به تنهايي هسته را متلاشي كند و نيروي گرانش ذرات نيز بسيار كم ميباشد و توانايي در تعادل نگه داشتن هسته را ندارد,در واقع اين نيروي هسته اي است كه اتم را در تعادل نگه داشته و از واپاشيده شدن نوكلئون ها جلوگيري ميكند. براي توضيح اين نيرو بايد گفت اگر فاصله بين پروتون و نوترون از 5 ضربدر 10 به توان منفي 15 متر(5فمتو متر) بيشتر شود نيروي هسته اي وجود ندارد , بر عكس اگر اين فاصله از مقدار ياد شده كمتر شود نيروي هسته اي بيشترميشود بدين طريق هسته از متلاشي شدن نجات ميابد.

سال 1905 در يك آپارتمان كوچك در شماره 49 خيابان كرامر گاسه در برلين (منزل مسكوني اينشتين)اتفاق بزرگي افتاد ; كسي چه ميدانست با كشف فرمول معروف نسبيت خاص E=mc2 ميتوان جان هزاران نفر را در هيروشيما و ناكازاكي گرفت و يا اينكه براي ميليون ها نفر در سرار جهان برق و انرژي توليد كرد ؟!

فرمول E=mc2 به ما ميگويد كه اندازه انرژي آزاد شده برابر است با تغييرات جرم جسم تبديل شده در مجذور سرعت نور. به اين معني كه اگر ما جسمي به جرم مثلا يك كيلوگرم را با سرعتي نزديك به سرعت نور به حركت درآوريم انرژي معادل 9ضربدر10به توان 16 ژول خواهيم داشت كه رقم بسيار وحشتناكي است ولي واقعيت اين است كه چنين چيزي غير ممكن است !!! چرا ؟

چون بر اساس همان فرمول نسبيت حركت با سرعت نور براي اجسام غير ممكن است. براي درك بهتر موضوع فرمول را به شكل ديگري مينويسيم : m=E/C2 اگر C2 ثابت فرض شود به روشني پيداست كه انرژي و جرم نسبت مستقيم با يكديگر دارند ,حال اگر ما بخواهيم جسمي به جرم m را با سرعت نور © به حركت درآوريم طبيعتا بايد به آن انرژي بدهيم و از آنجا كه m و E با يكديگر نسبت مستقيم دارند پس هر چه انرژي بيشتر شود m نيز بزرگتر ميشود ودر واقع قسمت اعظم انرژي صرف ازدياد جرم ميشود تا سرعت دادن به جسم . پس تقريبا به بي نهايت انرژي نياز داريم واين همان چيزي است كه حركت با سرعت نور را براي اجسام غير ممكن ميكند.

قبل از اينكه توضيحات بيشتري داده شود لازم است كمي هم در مورد راههاي آزاد كردن انرژي هسته اي بگوئيم.

به طور كلي انرژي موجود در هسته به دو روش آزاد ميشود :

1 - روش شكافت هسته اي كه در آن يك اتم سنگين مانند اورانيوم تبديل به دو اتم سبكتر ميشود . ويا به عبارتي ديگر وقتي كه هسته اي سنگين به دو يا چند هسته با جرم متوسط تجزيه ميشود ميگويند شكافت هسته اي رخ داده است و وقتي هسته اي با عدد اتمي زياد شكافته شود , مقداري از جرم آن ناپديد وبه انرژي تبديل ميشود(طبق قانون نسبيت).

2 - روش همجوشي (گداخت هسته اي) ; كه در آن دو اتم سبك مانند هيد روژن تبديل به يك اتم سنگين مانند هليم ميشود. درست همانند اتفاقي كه در حال حاضر در خورشيد مي افتد, كه در هر دو حالت انرژي قابل توجهي آزاد مي شود.

در حال حاضر اكثر بمب هاي هسته اي ونيروگاههاي هسته اي بروش شكافت هسته عمل ميكنند .

حال دوباره به توضيحات مربوط اتم بر ميگرديم . در اينجا لازم است نكاتي را در مورد پايداري و ناپايداري توضيخ دهيم...

اگرما 13 پروتون را با 14 نوترون تركيب كنيم هسته اي خواهيم داشت كه اگر 13 الكترون در اطراف آن گردش كنند يك اتم آلومينيوم را ميسازند .حال اگر ميلياردها عدد از اين اتم ها را در كنار هم قرار دهيم آلومينيوم را مي سازيم(AL27) كه با آن انواع وسايل نظير قوطي ها و درب وپنجره ها و غيره... را ميتوان ساخت.

حال اگر همين آلومينيوم را در شيشه اي قرار دهيم ! وچند ميليون سال به عقب برگرديم اين آلومينيوم هيچ تغييري نخواهد كرد ,پس آلومينيوم عنصري پايدار است . تا حدود يك قرن پيش تصور بر اين بودكه تمام عناصر پايدار هستند. مساله مهم ديگر اينكه بسياري از اتم ها در اشكال متفاوتي ديده مي شوند . براي مثال : مس دو شكل پايدار دارد , مس 63 ومس 65 كه به اين دو نوع ايزوتوپ گفته مي شود .هر دوي آنها 29 پروتون دارند اما چون در عدد اتمي 2 واحد فرق دارند به سادگي مي توان فهميد كه تعداد نوترون هاي اولي 34 وديگري 36 است وهر دوي آنها پايدار هستند.در حدود يك قرن پيش دانشمندان متوجه شدند گه همه عناصر ايزوتوپ هايي دارند كه راديواكتيو هستند.مثلا : هيدروژن را در نظر بگيريد , در مورد اين عنصر سه ايزوتوپ شناخته شده است.

1 - هيدروژن معمولي يا نرمال (H1) در هسته اتم حود يك پروتون دارد وبدون هيچ نوتروني. البته واضح است چون نيازي نيست تا خاصيت چسبانندگي خود را نشان دهد چرا كه پروتون ديگري وجود ندارد.

2 - هيدروژن دوتريم كه يك پروتون ويك نوترون دارد و در طبيعت بسيار نادر است. اگرچه عمل آن بسيار شبيه هيدروژن نوع اول است براي مثال ميتوان از آن آب ساخت اما ميزان بالاي آن سمي است.

هر دو ايزوتوپ ياد شده پايدار هستند اما ايزوتوپ ديگري از هيدروژن وجود دارد كه ناپايدار است !

3 - ايزوتوپ سوم هيدروژن (تريتيوم) كه شامل دو نوترون و يك پروتون است. همان طور كه قبلا گفته شد اين نوع هيدروژن ناپايدار است . يعني اگر مجددا ظرفي برداريم واين بار درون آن را با اين نوع از هيدروژن پر كنيم و يك ميليون سال به عقب برگرديم متوجه ميشويم كه ديگر هيدروژني نداريم و همه آن به هليم 3 تبديل شده است (2 پروتون و يك نوترون) واين ها همه توضيحاتي ساده در مورد پايداري و ناپايداري بود.

در يك پاراگراف ساده ميتوان گفت كه هر چه هسته اتم سنگين تر شود تعداد ايزوتوپ ها بيشتر ميشود و هر چه تعداد ايزوتوپ ها بيشتر شود امكان بوجود آمدن هسته هاي ناپايدار نيز بيشتر خواهد شد و در نتيجه احتمال وجود نوع راديواكتيو نيز بيشتر ميشود.

در طبيعت عناصر خاصي را ميتوان يافت كه همه ايزوتوپ هايشان راديو اكتيو باشند.براي مثال دو عنصر سنگين طبيعت كه در بمب ها ونيروگاههاي هسته اي از آنها استفاده مي شود را نام ميبريم : اورانيوم و پلوتونيوم.

اورانيوم به طور طبيعي فلزي است سخت,سنگين,نقره اي و راديواكتيو,با عدد اتمي 92.سالهاي زيادي از آن به عنوان رنگ دهنده لعاب سفال يا تهيه رنگهاي اوليه در عكاسي استفاده ميشد و خاصيت راديواكتيو آن تا سال 1866 ناشناخته ماند و قابليت آن براي استفاده به عنوان منبع انرژي تا اواسط قرن بيستم مخفي بود.

خصوصيات فيزيكي اورانيوم

اورانيوم طبيعي (كه بشكل اكسيد اورانيوم است) شامل3/99% از ايزوتوپ اورانيوم 238 و7/0% اورانيوم 235است. كه نوع 235 آن قابل شكافت است و مناسب براي بمب ها ونيروگاههاي هسته اي است. اين عنصر از نظر فراواني در ميان عناصر طبيعي پوسته در رده 48 قراردارد. از نظر تراكم و چگالي بايد گفت 6/1 مرتبه متراكم تر از سرب است.وهمين تراكم باعث سنگين تر شدن آن مي شود.براي مثال اگر يك گالن شير وزني حدود 4 كيلوگرم داشته باشد ,يك گالن اورانيوم 75 كيلوگرم وزن دارد!!!

انواع اورانيوم

اورانيوم با غناي پايين كه ميزان اورانيوم 235 آن كمتر از 25% ولي بيشتر از7/0% است كه سوخت بيشتر راكتورهاي تجاري بين 3 تا 5 درصد اورانيوم 235 است.

اورانيوم با غناي بالا كه در اينجا بيشتر از 25% وحتي در مواردي آن را تا98% نيز غني ميكنند و مناسب براي كاربردهاي نظامي وساخت بمب هاي هسته اي است.

و اما منظور از غني سازي اورانيوم چيست؟

بطوربسيار خلاصه غني سازي عبارت است از انجام عملي كه بواسطه آن مقدار اورانيوم 235 بيشتر شود و مقدار اورانيوم 238 كمتر. كه پس از جمع آوري اورانيوم 238 ,آن را زباله اتمي مي نامند.

غني سازي اورانيوم به روشهاي مختلفي انجام مي شود كه چند مورد از آن را خدمت شما يادآور مي شويم: 1-استفاده از اصل انتشار گازها 2-استفاده از روش فيلترينگ 3-استفاده از ميدانهاي مغناطيسي 4- استفاده از دستگاه سانتريفوژ كه در حال حاضر روش چهارم متداولترين,باصرفه ترين و مطمئن ترين روش به شمار ميآيد.

در اواخر سال 1938 هان,مايتنر و اشتراسمن به اكتشافي دست يافتند كه دنيا را تحت تاثير قرار داد ,آنها متوجه شدند كه ميتوان كاري كرد كه هسته هاي اورانيوم 235 شكسته شوند.

فرض كنيد كه نوتروني در اطراف يك هسته اورانيوم 235 آزادانه در حال حركت است,اين هسته تمايل زيادي دارد كه نوترون كند را به درون خود بكشاند وآن راجذب كند.هسته اورانيوم پس از گير اندازي اين نوترون,ديگر هسته اي پايدار نيست وناگهان از هم شكافته مي شود اين هسته در طي فرآيند شكافت به دو يا چند هسته با جرم كوچكتر ,يعني به صورت هسته هاي عناصر نزديك به مركز جدول تناوبي تجزيه مي شود.به طور كلي در فرآيند شكافت اگر يك نوترون به هسته اصابت كند به طور ميانگين 5/?نوترون در اثر شكافت آزاد مي شود حال اگر ما تعداد نوترون هاي آزاد شده را 3 عدد فرض كنيم و مدت زمان لازم براي تحقق هر شكافت 01/0 ثانيه باشدمقدار اورانيوم مصرف شده در طي زمان يك ثانيه در حدود 10به توان 23 كيلوگرم خواهد بود !!! واضح است كه واكنش زنجيره اي شكافت ميتواند مقادير قابل توجهي از اورانيوم را در مدت زمان ناچيزي به انرزي تبديل كند.با توجه به توضيحات داده شده به وضوح مشخص است كه ما نيازي به توليد مستمر نوترون نداريم بلكه با اصابت اولين نوترون به هسته وآزاد شدن نوترون هاي ناشي از فرآيند شكافت ما ميتوانيم نوترون مورد نياز خود را بدست آوريم كه مسلما اين تعداد نوترون بسيار بيشتر از نياز ما خواهد بود. لازم به ذكر است كه به حداقل مقدار اورانيومي كه براي فرآيند شكافت لازم است جرم بحراني يا مقدار بحراني مي گويند واز به هم پيوستن دو يا چند جرم بحراني يك ابر جرم بحراني حاصل مي شود.

حال اگر بخواهيم واكنش زنجيره اي ادامه پيدا كند,حفظ يك اندازه بحراني براي ماده اوليه اورانيوم ضرورت دارد .در صورتي كه مقدار اورانيوم را خيلي كمتر از جرم بحراني بگيريم ,بيشتر نوترون هاي توليدي فرار خواهند كرد زيرا اين فرار به عواملي چون : شكل فيزيكي اورانيوم و جرم آن وابسته است و در نتيجه واكنش متوقف مي شود. از سوي ديگر اگر مقدار اورانيوم را فوق العاده زياد بگيريم مثلا به اندازه يك ابر جرم بحراني,تمام نوترون هاي توليدي در واكنش هاي بعدي شركت خواهند كرد وانرژي آزاد شده در يك فاصله زماني كوتاه آنچنان زياد خواهد شد كه نتيجه اي جز انفجار نخواهد داشت!! بين اين دو حالت يك خط فاصل وجود دارد:اگر بزرگي كره اورانيومي شكل را درست برابر اندازه بحراني بگيريم آنگاه از هر شكافت فقط يك نوترون براي شركت در شكافت بعدي باقي مي ماند در اين صورت واكنش با آهنگ ثابتي ادامه مي يابد. از خاصيت حالت سوم براي توجيح عملكرد نيروگاههاي هسته اي استفاده مي كنند. حال اگر به اندازه كافي اورانيوم 235 در اختيار داشته باشيم به آساني مي توانيم يك بمب ساده بسازيم !!!!! به اين شكل كه دو نيم كره از اورانيوم 235 را كه هر كدام به اندازه جرم بحراني است در دو انتهاي يك استوانه قرار ميدهيم و اين دو قطعه را بوسيله ساز وكاري كه خود طراحي كرده ايم ناگهان به يكديگر متصل مي كنيم كه در اين حالت ابر جرم بحراني تشكيل مي شود,حال اگر توسط دستگاه نوترون ساز نوتروني به هسته نزديك كنيم وقوع انفجار حتمي است!!

در عمل براي آنكه انفجاري بزرگ و موثر حاصل شود ريزه كاري هاي زيادي را بايد رعايت كرد.

در هر حال براي توضيح عملكرد نيروگاههاي هسته اي لازم به ذكر است راكتورهاي هسته اي را چنان طراحي ميكنند كه در آنها واكنش شكافت در شرايطي نزديك به حالت بحراني تحقق يابد. قلب راكتور اساسا متشكل است از سوخت(در اين مورد اورانيوم 235) كه در استوانه هاي مخصوص در بسته اي جا سازي شده اند. اين استوانه ها در ماده اي كه كند كننده ناميده مي شوند غوطه ورشده اند.كند كننده به منظور كند سازي و باز تاباندن نوترونهايي كه در واكنش شكافت توليد ميشوند مورد استفاده قرار ميگيرد كه متداول ترين آنها عبارتند از:آب,آب سنگين وكربن. كه در اينجااگر در آب معمولي (H2O) به جاي ايزوتوپ هيدروژن معمولي از ايزوتوپ هيدروژن دوتريم استفاده شود آب سنگين بدست مي آيد.

سرعت واكنش را نيز مي توان به كمك چند ميله كنترل كرد كه اين ميله ها در قلب راكتور قرار مي گيرند. اين ميله ها معمولا از ماده اي مانند كادميوم كه نوترون ها را بخوبي جذب ميكند ساخته مي شوند. براي آنكه آهنگ واكنش افزايش يابد ميله ها را تا حدودي از قلب راكتور بيرون مي آورند ,براي كاستن از سرعت واكنش و يا متوقف ساختن آن,ميله ها را بيشتر در قلب راكتور فرو ميبرند.در نهايت واكنش صورت گرفته در راكتور به صورت گرماي بسيار زيادي ظاهر مي شود بنابراين طبيعي است كه راكتور ها همانند يك كوره عمل كنند وسوختش به جاي گاز,نفت ويا ذغال سنگ ,اورانيوم 235 باشد. گرماي توليد شده را به كمك جريان سيالي كه از قلب راكتور ميگذرد به محفظه مبادله كننده گرما كه در آن آب وجود دارد منتقل ميكنند و درآنجا آب داخل مبادله كننده را تبخير ميكنند ;بخار متراكم شده پس از به گردش درآوردن توربين ژنراتورهاي مولد برق,مجددا به داخل محفظه مبادله كننده باز ميگردد.البته سيال گرم شده چون از قلب راكتور مي گذرد و درآنجا در معرض تابش پرتوهاي راديواكتيو قرار ميگيرد مستلزم مراقبت هاي ويژه است.

و اما نكاتي جالب در مورد بمب هاي هسته اي

منطقه انفجار بمب هاي هسته اي به پنج قسمت تقسيم ميشود:1- منطقه تبخير 2- منطقه تخريب كلي 3- منطقه آسيب شديد گرمايي 4- منطقه آسيب شديد انفجاري 5- منطقه آسيب شديد باد وآتش . كه در منطقه تبخير درجه حرارتي معادل سيصد ميليون درجه سانتيگراد !!! بوجود مي آيد و اگر هر چيزي از فلز گرفته تا انسان وحيوان در اين درجه حرارت قرار بگير آتش نميگيرد بلكه بخار مي شود!!!!

اثرات زيانبار اين انفجار حتي تا شعاع پنجاه كيلومتري وجود دارد و موج انفجار آن كه حامل انرژي زيادي است مي تواند ميليون ها دلار از تجهيزات الكترونيكي پيشرفته نظير: ماهواره ها و يا سيستم هاي مخابراتي را به مشتي آهن پاره تبديل كند و همه آنها را از كار بيندازد.

اينها همه اثرات ظاهري بمب هاي هسته اي بود پس از انفجار تا سال هاي طولاني تشعشعات زيانبار راديواكتيو مانع ادامه حيات موجودات زنده در محل هاي نزديك به انفجار مي شود.

راديو اكتيو از سه پرتو آلفا,بتا و گاما تشكيل شده است كه نوع گاماي آن از همه خطرناك تر است و با توجه به فركانس بسيار بالا ,جرم و انرژي بالايي كه دارد اگر به بدن انسان برخورد كند از ساختار سلولي آن عبور كرده و در مسير حركت خود باعث تخريب ماده دزوكسي ريبو نوكلوئيك اسيد يا همان DNA و سرانجام زمينه را براي پيدايش انواع سرطان ها,سندرم ها ونقايص غير قابل درمان ديگر فراهم مي كند وحتي اين نقايص به نسلهاي آينده نيز منتقل خواهد شد.

و اما كاربرد تشعشعات راديواكتيو چيست؟

بسياري از محصولات توليدي واكنش شكافت هسته اي شديدا ناپايدارند و در نتيجه ,قلب راكتور محتوي مقادير زيادي نوترون پر انرژي ,پرتوهاي گاما,ذرات بتا وهمچنين ذرات ديگر است. هر جسمي كه در راكتور گذاشته شود ,تحت بمباران اين همه تابشهاي متنوع قرار ميگيرد. يكي از موارد استعمال تابش راكتور توليد پلوتونيوم 239 است .اين ايزوتوپ كه نيمه عمري در حدود24000سال دارد به مقدار كمي در زمين يافت مي شود . پلوتونيوم 239 از لحاظ قابليت شكافت خاصيتي مشابه اورانيوم دارد.براي توليد پلوتونيوم239,ابتدا اورانيوم 238 را در قلب راكتور قرار مي دهند كه در نتيجه واكنش هايي كه صورت مي گيرد ,اورانيوم239 بوجود مي آيد.اورانيوم 239 ايزوتوپي ناپايدار است كه با نيمه عمري در حدود 24 دقيقه,از طريق گسيل ذره بتا ,به نپتونيوم 239 تبديل مي شود . نپتونيوم 239 نيز با نيمه عمر 2/4 روز و گسيل ذره بتا واپاشيده و به محصول نهايي يعني پلوتونيوم 239 تبديل مي شود.در اين حالت پلوتونيوم239 همچنان با مقاديري اورانيوم 238 آميخته است اما اين آميزه چون از دو عنصر مختلف تشكيل شده است ,بروش شيميايي قابل جدا سازي است.امروزه با استفاده از تابش راكتور صدها ايزوتوپ مفيد ميتوان توليد كردكه بسياري از اين ايزوتوپ هاي مصنوعي را در پزشكي بكار ميبريم. در پايان بايد بگوئيم اثرات زيانبار انفجار هاي اتمي و تشعشعات ناشي از آن باعث آلودگي آبهاي زير زميني ,زمين هاي كشاورزي و حتي محصولات كشاورزي مي شود ولي با همه اين مضرات اورانيوم عنصري است ارزشمند;زيرا در كنار همه سواستفاده ها مي توان از آن به نحوي احسن و مطابق با معيارهاي بشر دوستانه استفاده نمود. فراموش نكنيد از اورانيوم و پلوتونيوم مي توان استفاده هاي صلح آميز نيز داشت چرا كه از انرژي يك كيلوگرم اورانيوم 235 مي توان چهل هزار كيلو وات ساعت ! الكتريسيته توليد كرد كه معادل مصرف ده تن ذغال سنگ يا 50000گالن نفت است!!!!!!!!

[Borna66]

نيروگاههاي هسته اي وبمب هاي هسته اي چگونه كار ميكنند؟ اين روزها در مجلات,روزنامه ها,تلويزيون وغيره از همه چيز ميشنويم ولي بيشتر از همه فعاليت هاي صلح آميزوغير صلح آميز هسته اي است كه ذهنمان را مشغول ميسازد.در اينجا سعي بر آن است كه مطالب حتي الامكان به صورت عامه فهم وبه گونه اي كه حق مطلب ادا شود,براي شما توضيحاتي پيرامون بمب هاي هسته اي ,تشعشعات هسته اي ونيروگاههاي هسته اي عنوان شود.

قبل از اينكه به اصل موضوع بپردازيم خدمت دوستان خوبم بايد عرض كنم كه اين مطالب ممكن است براي عده اي از دوستان بسيار پيش پا افتاده وساده باشه به هر حال شما به بزرگي خودتون ببخشيد و اينو هم در نظر بگيريد كه مخاطب هاي اين وبلاگ ممكنه از هر قشري باشند پس ما هم مجبوريم كه ملاحظه حال اونا رو هم بكنيم....

و اما اصل موضوع....

ميدانيم كه دنياي اطرافمان از 92 عنصر موجود در طبيعت ساخته شده است. به اين شكل كه عناصر از اتم ها ساخته شده اند وتشكيل مولكول آن عنصر را ميدهند و اگر اين مولكولها در كنار يكديگرقرار گيرند ماده بوجود مي آيد. بسياري از مواد از عناصر مختلف تشكيل شده اند بنابراين اتم هاي مختلفي در آنها وجود دارد. لازم به ذكر است قطر اتم 10 به توان منفي ده متر ميباشد واندازه هسته در مركز اتم0001/0 بزرگي اتم كوچكتر است و يا به عبارتي دقيقتر قطر كامل هسته به طور ميانگين 10به توان منفي 15 متر ميباشد.

ابتدا به تشريح ساختمان اتم ميپردازيم:

در داخل هر اتم سه ذره وجود دارد:الكترون با بار منفي , پروتون با بار مثبت و نوترون خنثي. بارهاي همنام يكديگر را دفع و بارهاي غير همنام يكديگر را جذب ميكنند بجز نوترون كه هيچ عكس العملي ندارد.

هسته اتم هر عنصر از پروتون و نوترون تشكيل شده است كه مجموع تعداد آنها را عدد اتمي آن عنصر ,وبه آنها نوكلئون ميگويند. لازم به ذكر است جرم نوترون 675/1ضربدر 10 به توان منفي 27 كيلوگرم ,وجرم پروتون 673/1ضربدر 10 به توان منفي 27 ميباشد.

پروتون هاي تشكيل دهنده هسته اتم چون داراي بار مثبت هستند پس طبيعي است كه يكديگر را دفع كنند براي جلوگيري از اين اتفاق نوترون ها مانند چسبي از متلاشي شدن هسته جلوگيري ميكنند.الكترون ها نيز در مدارات بيضي شكل و نامنظم در اطراف هسته با سرعت بسيار زياد در حال گردشند وهر چه اين الكترون ها به لايه والانس نزديكتر ميشوند تعلق آنها به هسته كاهش ميابد(بر اساس مدل اتمي بور).

اما اگر بخواهيم علمي تر بحث كنيم بايد بگوئيم تقريبا سه نيرو در هسته هر اتم وجود داردكه يكي از آنها سعي در انهدام هسته و دو تاي ديگر سعي در پايداري هسته دارند. اولي نيروي كولني يا همان دافعه پروتوني ميباشد , دومي نيروي گرانش ناشي از جاذبه بين ذرات جرم دار است وسومي كه مهمترين دليل جلوگيري از متلاشي شدن هسته ميباشد همان نيروي هسته اي است. دقت كنيد نيروي كولني بسيار ناچيز است و نميتواند به تنهايي هسته را متلاشي كند و نيروي گرانش ذرات نيز بسيار كم ميباشد و توانايي در تعادل نگه داشتن هسته را ندارد,در واقع اين نيروي هسته اي است كه اتم را در تعادل نگه داشته و از واپاشيده شدن نوكلئون ها جلوگيري ميكند. براي توضيح اين نيرو بايد گفت اگر فاصله بين پروتون و نوترون از 5 ضربدر 10 به توان منفي 15 متر(5فمتو متر) بيشتر شود نيروي هسته اي وجود ندارد , بر عكس اگر اين فاصله از مقدار ياد شده كمتر شود نيروي هسته اي بيشترميشود بدين طريق هسته از متلاشي شدن نجات ميابد.

سال 1905 در يك آپارتمان كوچك در شماره 49 خيابان كرامر گاسه در برلين (منزل مسكوني اينشتين)اتفاق بزرگي افتاد ; كسي چه ميدانست با كشف فرمول معروف نسبيت خاص E=mc2 ميتوان جان هزاران نفر را در هيروشيما و ناكازاكي گرفت و يا اينكه براي ميليون ها نفر در سرار جهان برق و انرژي توليد كرد ؟!

فرمول E=mc2 به ما ميگويد كه اندازه انرژي آزاد شده برابر است با تغييرات جرم جسم تبديل شده در مجذور سرعت نور. به اين معني كه اگر ما جسمي به جرم مثلا يك كيلوگرم را با سرعتي نزديك به سرعت نور به حركت درآوريم انرژي معادل 9ضربدر10به توان 16 ژول خواهيم داشت كه رقم بسيار وحشتناكي است ولي واقعيت اين است كه چنين چيزي غير ممكن است !!! چرا ؟

چون بر اساس همان فرمول نسبيت حركت با سرعت نور براي اجسام غير ممكن است. براي درك بهتر موضوع فرمول را به شكل ديگري مينويسيم : m=E/C2 اگر C2 ثابت فرض شود به روشني پيداست كه انرژي و جرم نسبت مستقيم با يكديگر دارند ,حال اگر ما بخواهيم جسمي به جرم m را با سرعت نور © به حركت درآوريم طبيعتا بايد به آن انرژي بدهيم و از آنجا كه m و E با يكديگر نسبت مستقيم دارند پس هر چه انرژي بيشتر شود m نيز بزرگتر ميشود ودر واقع قسمت اعظم انرژي صرف ازدياد جرم ميشود تا سرعت دادن به جسم . پس تقريبا به بي نهايت انرژي نياز داريم واين همان چيزي است كه حركت با سرعت نور را براي اجسام غير ممكن ميكند.

قبل از اينكه توضيحات بيشتري داده شود لازم است كمي هم در مورد راههاي آزاد كردن انرژي هسته اي بگوئيم.

به طور كلي انرژي موجود در هسته به دو روش آزاد ميشود :

1 - روش شكافت هسته اي كه در آن يك اتم سنگين مانند اورانيوم تبديل به دو اتم سبكتر ميشود . ويا به عبارتي ديگر وقتي كه هسته اي سنگين به دو يا چند هسته با جرم متوسط تجزيه ميشود ميگويند شكافت هسته اي رخ داده است و وقتي هسته اي با عدد اتمي زياد شكافته شود , مقداري از جرم آن ناپديد وبه انرژي تبديل ميشود(طبق قانون نسبيت).

2 - روش همجوشي (گداخت هسته اي) ; كه در آن دو اتم سبك مانند هيد روژن تبديل به يك اتم سنگين مانند هليم ميشود. درست همانند اتفاقي كه در حال حاضر در خورشيد مي افتد, كه در هر دو حالت انرژي قابل توجهي آزاد مي شود.

در حال حاضر اكثر بمب هاي هسته اي ونيروگاههاي هسته اي بروش شكافت هسته عمل ميكنند .

حال دوباره به توضيحات مربوط اتم بر ميگرديم . در اينجا لازم است نكاتي را در مورد پايداري و ناپايداري توضيخ دهيم...

اگرما 13 پروتون را با 14 نوترون تركيب كنيم هسته اي خواهيم داشت كه اگر 13 الكترون در اطراف آن گردش كنند يك اتم آلومينيوم را ميسازند .حال اگر ميلياردها عدد از اين اتم ها را در كنار هم قرار دهيم آلومينيوم را مي سازيم(AL27) كه با آن انواع وسايل نظير قوطي ها و درب وپنجره ها و غيره... را ميتوان ساخت.

حال اگر همين آلومينيوم را در شيشه اي قرار دهيم ! وچند ميليون سال به عقب برگرديم اين آلومينيوم هيچ تغييري نخواهد كرد ,پس آلومينيوم عنصري پايدار است . تا حدود يك قرن پيش تصور بر اين بودكه تمام عناصر پايدار هستند. مساله مهم ديگر اينكه بسياري از اتم ها در اشكال متفاوتي ديده مي شوند . براي مثال : مس دو شكل پايدار دارد , مس 63 ومس 65 كه به اين دو نوع ايزوتوپ گفته مي شود .هر دوي آنها 29 پروتون دارند اما چون در عدد اتمي 2 واحد فرق دارند به سادگي مي توان فهميد كه تعداد نوترون هاي اولي 34 وديگري 36 است وهر دوي آنها پايدار هستند.در حدود يك قرن پيش دانشمندان متوجه شدند گه همه عناصر ايزوتوپ هايي دارند كه راديواكتيو هستند.مثلا : هيدروژن را در نظر بگيريد , در مورد اين عنصر سه ايزوتوپ شناخته شده است.

1 - هيدروژن معمولي يا نرمال (H1) در هسته اتم حود يك پروتون دارد وبدون هيچ نوتروني. البته واضح است چون نيازي نيست تا خاصيت چسبانندگي خود را نشان دهد چرا كه پروتون ديگري وجود ندارد.

2 - هيدروژن دوتريم كه يك پروتون ويك نوترون دارد و در طبيعت بسيار نادر است. اگرچه عمل آن بسيار شبيه هيدروژن نوع اول است براي مثال ميتوان از آن آب ساخت اما ميزان بالاي آن سمي است.

هر دو ايزوتوپ ياد شده پايدار هستند اما ايزوتوپ ديگري از هيدروژن وجود دارد كه ناپايدار است !

3 - ايزوتوپ سوم هيدروژن (تريتيوم) كه شامل دو نوترون و يك پروتون است. همان طور كه قبلا گفته شد اين نوع هيدروژن ناپايدار است . يعني اگر مجددا ظرفي برداريم واين بار درون آن را با اين نوع از هيدروژن پر كنيم و يك ميليون سال به عقب برگرديم متوجه ميشويم كه ديگر هيدروژني نداريم و همه آن به هليم 3 تبديل شده است (2 پروتون و يك نوترون) واين ها همه توضيحاتي ساده در مورد پايداري و ناپايداري بود.

در يك پاراگراف ساده ميتوان گفت كه هر چه هسته اتم سنگين تر شود تعداد ايزوتوپ ها بيشتر ميشود و هر چه تعداد ايزوتوپ ها بيشتر شود امكان بوجود آمدن هسته هاي ناپايدار نيز بيشتر خواهد شد و در نتيجه احتمال وجود نوع راديواكتيو نيز بيشتر ميشود.

در طبيعت عناصر خاصي را ميتوان يافت كه همه ايزوتوپ هايشان راديو اكتيو باشند.براي مثال دو عنصر سنگين طبيعت كه در بمب ها ونيروگاههاي هسته اي از آنها استفاده مي شود را نام ميبريم : اورانيوم و پلوتونيوم.

اورانيوم به طور طبيعي فلزي است سخت,سنگين,نقره اي و راديواكتيو,با عدد اتمي 92.سالهاي زيادي از آن به عنوان رنگ دهنده لعاب سفال يا تهيه رنگهاي اوليه در عكاسي استفاده ميشد و خاصيت راديواكتيو آن تا سال 1866 ناشناخته ماند و قابليت آن براي استفاده به عنوان منبع انرژي تا اواسط قرن بيستم مخفي بود.

خصوصيات فيزيكي اورانيوم

اورانيوم طبيعي (كه بشكل اكسيد اورانيوم است) شامل3/99% از ايزوتوپ اورانيوم 238 و7/0% اورانيوم 235است. كه نوع 235 آن قابل شكافت است و مناسب براي بمب ها ونيروگاههاي هسته اي است. اين عنصر از نظر فراواني در ميان عناصر طبيعي پوسته در رده 48 قراردارد. از نظر تراكم و چگالي بايد گفت 6/1 مرتبه متراكم تر از سرب است.وهمين تراكم باعث سنگين تر شدن آن مي شود.براي مثال اگر يك گالن شير وزني حدود 4 كيلوگرم داشته باشد ,يك گالن اورانيوم 75 كيلوگرم وزن دارد!!!

انواع اورانيوم

اورانيوم با غناي پايين كه ميزان اورانيوم 235 آن كمتر از 25% ولي بيشتر از7/0% است كه سوخت بيشتر راكتورهاي تجاري بين 3 تا 5 درصد اورانيوم 235 است.

اورانيوم با غناي بالا كه در اينجا بيشتر از 25% وحتي در مواردي آن را تا98% نيز غني ميكنند و مناسب براي كاربردهاي نظامي وساخت بمب هاي هسته اي است.

و اما منظور از غني سازي اورانيوم چيست؟

بطوربسيار خلاصه غني سازي عبارت است از انجام عملي كه بواسطه آن مقدار اورانيوم 235 بيشتر شود و مقدار اورانيوم 238 كمتر. كه پس از جمع آوري اورانيوم 238 ,آن را زباله اتمي مي نامند.

غني سازي اورانيوم به روشهاي مختلفي انجام مي شود كه چند مورد از آن را خدمت شما يادآور مي شويم: 1-استفاده از اصل انتشار گازها 2-استفاده از روش فيلترينگ 3-استفاده از ميدانهاي مغناطيسي 4- استفاده از دستگاه سانتريفوژ كه در حال حاضر روش چهارم متداولترين,باصرفه ترين و مطمئن ترين روش به شمار ميآيد.

در اواخر سال 1938 هان,مايتنر و اشتراسمن به اكتشافي دست يافتند كه دنيا را تحت تاثير قرار داد ,آنها متوجه شدند كه ميتوان كاري كرد كه هسته هاي اورانيوم 235 شكسته شوند.

فرض كنيد كه نوتروني در اطراف يك هسته اورانيوم 235 آزادانه در حال حركت است,اين هسته تمايل زيادي دارد كه نوترون كند را به درون خود بكشاند وآن راجذب كند.هسته اورانيوم پس از گير اندازي اين نوترون,ديگر هسته اي پايدار نيست وناگهان از هم شكافته مي شود اين هسته در طي فرآيند شكافت به دو يا چند هسته با جرم كوچكتر ,يعني به صورت هسته هاي عناصر نزديك به مركز جدول تناوبي تجزيه مي شود.به طور كلي در فرآيند شكافت اگر يك نوترون به هسته اصابت كند به طور ميانگين 5/?نوترون در اثر شكافت آزاد مي شود حال اگر ما تعداد نوترون هاي آزاد شده را 3 عدد فرض كنيم و مدت زمان لازم براي تحقق هر شكافت 01/0 ثانيه باشدمقدار اورانيوم مصرف شده در طي زمان يك ثانيه در حدود 10به توان 23 كيلوگرم خواهد بود !!! واضح است كه واكنش زنجيره اي شكافت ميتواند مقادير قابل توجهي از اورانيوم را در مدت زمان ناچيزي به انرزي تبديل كند.با توجه به توضيحات داده شده به وضوح مشخص است كه ما نيازي به توليد مستمر نوترون نداريم بلكه با اصابت اولين نوترون به هسته وآزاد شدن نوترون هاي ناشي از فرآيند شكافت ما ميتوانيم نوترون مورد نياز خود را بدست آوريم كه مسلما اين تعداد نوترون بسيار بيشتر از نياز ما خواهد بود. لازم به ذكر است كه به حداقل مقدار اورانيومي كه براي فرآيند شكافت لازم است جرم بحراني يا مقدار بحراني مي گويند واز به هم پيوستن دو يا چند جرم بحراني يك ابر جرم بحراني حاصل مي شود.

حال اگر بخواهيم واكنش زنجيره اي ادامه پيدا كند,حفظ يك اندازه بحراني براي ماده اوليه اورانيوم ضرورت دارد .در صورتي كه مقدار اورانيوم را خيلي كمتر از جرم بحراني بگيريم ,بيشتر نوترون هاي توليدي فرار خواهند كرد زيرا اين فرار به عواملي چون : شكل فيزيكي اورانيوم و جرم آن وابسته است و در نتيجه واكنش متوقف مي شود. از سوي ديگر اگر مقدار اورانيوم را فوق العاده زياد بگيريم مثلا به اندازه يك ابر جرم بحراني,تمام نوترون هاي توليدي در واكنش هاي بعدي شركت خواهند كرد وانرژي آزاد شده در يك فاصله زماني كوتاه آنچنان زياد خواهد شد كه نتيجه اي جز انفجار نخواهد داشت!! بين اين دو حالت يك خط فاصل وجود دارد:اگر بزرگي كره اورانيومي شكل را درست برابر اندازه بحراني بگيريم آنگاه از هر شكافت فقط يك نوترون براي شركت در شكافت بعدي باقي مي ماند در اين صورت واكنش با آهنگ ثابتي ادامه مي يابد. از خاصيت حالت سوم براي توجيح عملكرد نيروگاههاي هسته اي استفاده مي كنند. حال اگر به اندازه كافي اورانيوم 235 در اختيار داشته باشيم به آساني مي توانيم يك بمب ساده بسازيم !!!!! به اين شكل كه دو نيم كره از اورانيوم 235 را كه هر كدام به اندازه جرم بحراني است در دو انتهاي يك استوانه قرار ميدهيم و اين دو قطعه را بوسيله ساز وكاري كه خود طراحي كرده ايم ناگهان به يكديگر متصل مي كنيم كه در اين حالت ابر جرم بحراني تشكيل مي شود,حال اگر توسط دستگاه نوترون ساز نوتروني به هسته نزديك كنيم وقوع انفجار حتمي است!!

در عمل براي آنكه انفجاري بزرگ و موثر حاصل شود ريزه كاري هاي زيادي را بايد رعايت كرد.

در هر حال براي توضيح عملكرد نيروگاههاي هسته اي لازم به ذكر است راكتورهاي هسته اي را چنان طراحي ميكنند كه در آنها واكنش شكافت در شرايطي نزديك به حالت بحراني تحقق يابد. قلب راكتور اساسا متشكل است از سوخت(در اين مورد اورانيوم 235) كه در استوانه هاي مخصوص در بسته اي جا سازي شده اند. اين استوانه ها در ماده اي كه كند كننده ناميده مي شوند غوطه ورشده اند.كند كننده به منظور كند سازي و باز تاباندن نوترونهايي كه در واكنش شكافت توليد ميشوند مورد استفاده قرار ميگيرد كه متداول ترين آنها عبارتند از:آب,آب سنگين وكربن. كه در اينجااگر در آب معمولي (H2O) به جاي ايزوتوپ هيدروژن معمولي از ايزوتوپ هيدروژن دوتريم استفاده شود آب سنگين بدست مي آيد.

سرعت واكنش را نيز مي توان به كمك چند ميله كنترل كرد كه اين ميله ها در قلب راكتور قرار مي گيرند. اين ميله ها معمولا از ماده اي مانند كادميوم كه نوترون ها را بخوبي جذب ميكند ساخته مي شوند. براي آنكه آهنگ واكنش افزايش يابد ميله ها را تا حدودي از قلب راكتور بيرون مي آورند ,براي كاستن از سرعت واكنش و يا متوقف ساختن آن,ميله ها را بيشتر در قلب راكتور فرو ميبرند.در نهايت واكنش صورت گرفته در راكتور به صورت گرماي بسيار زيادي ظاهر مي شود بنابراين طبيعي است كه راكتور ها همانند يك كوره عمل كنند وسوختش به جاي گاز,نفت ويا ذغال سنگ ,اورانيوم 235 باشد. گرماي توليد شده را به كمك جريان سيالي كه از قلب راكتور ميگذرد به محفظه مبادله كننده گرما كه در آن آب وجود دارد منتقل ميكنند و درآنجا آب داخل مبادله كننده را تبخير ميكنند ;بخار متراكم شده پس از به گردش درآوردن توربين ژنراتورهاي مولد برق,مجددا به داخل محفظه مبادله كننده باز ميگردد.البته سيال گرم شده چون از قلب راكتور مي گذرد و درآنجا در معرض تابش پرتوهاي راديواكتيو قرار ميگيرد مستلزم مراقبت هاي ويژه است.

و اما نكاتي جالب در مورد بمب هاي هسته اي

منطقه انفجار بمب هاي هسته اي به پنج قسمت تقسيم ميشود:1- منطقه تبخير 2- منطقه تخريب كلي 3- منطقه آسيب شديد گرمايي 4- منطقه آسيب شديد انفجاري 5- منطقه آسيب شديد باد وآتش . كه در منطقه تبخير درجه حرارتي معادل سيصد ميليون درجه سانتيگراد !!! بوجود مي آيد و اگر هر چيزي از فلز گرفته تا انسان وحيوان در اين درجه حرارت قرار بگير آتش نميگيرد بلكه بخار مي شود!!!!

اثرات زيانبار اين انفجار حتي تا شعاع پنجاه كيلومتري وجود دارد و موج انفجار آن كه حامل انرژي زيادي است مي تواند ميليون ها دلار از تجهيزات الكترونيكي پيشرفته نظير: ماهواره ها و يا سيستم هاي مخابراتي را به مشتي آهن پاره تبديل كند و همه آنها را از كار بيندازد.

اينها همه اثرات ظاهري بمب هاي هسته اي بود پس از انفجار تا سال هاي طولاني تشعشعات زيانبار راديواكتيو مانع ادامه حيات موجودات زنده در محل هاي نزديك به انفجار مي شود.

راديو اكتيو از سه پرتو آلفا,بتا و گاما تشكيل شده است كه نوع گاماي آن از همه خطرناك تر است و با توجه به فركانس بسيار بالا ,جرم و انرژي بالايي كه دارد اگر به بدن انسان برخورد كند از ساختار سلولي آن عبور كرده و در مسير حركت خود باعث تخريب ماده دزوكسي ريبو نوكلوئيك اسيد يا همان DNA و سرانجام زمينه را براي پيدايش انواع سرطان ها,سندرم ها ونقايص غير قابل درمان ديگر فراهم مي كند وحتي اين نقايص به نسلهاي آينده نيز منتقل خواهد شد.

و اما كاربرد تشعشعات راديواكتيو چيست؟

بسياري از محصولات توليدي واكنش شكافت هسته اي شديدا ناپايدارند و در نتيجه ,قلب راكتور محتوي مقادير زيادي نوترون پر انرژي ,پرتوهاي گاما,ذرات بتا وهمچنين ذرات ديگر است. هر جسمي كه در راكتور گذاشته شود ,تحت بمباران اين همه تابشهاي متنوع قرار ميگيرد. يكي از موارد استعمال تابش راكتور توليد پلوتونيوم 239 است .اين ايزوتوپ كه نيمه عمري در حدود24000سال دارد به مقدار كمي در زمين يافت مي شود . پلوتونيوم 239 از لحاظ قابليت شكافت خاصيتي مشابه اورانيوم دارد.براي توليد پلوتونيوم239,ابتدا اورانيوم 238 را در قلب راكتور قرار مي دهند كه در نتيجه واكنش هايي كه صورت مي گيرد ,اورانيوم239 بوجود مي آيد.اورانيوم 239 ايزوتوپي ناپايدار است كه با نيمه عمري در حدود 24 دقيقه,از طريق گسيل ذره بتا ,به نپتونيوم 239 تبديل مي شود . نپتونيوم 239 نيز با نيمه عمر 2/4 روز و گسيل ذره بتا واپاشيده و به محصول نهايي يعني پلوتونيوم 239 تبديل مي شود.در اين حالت پلوتونيوم239 همچنان با مقاديري اورانيوم 238 آميخته است اما اين آميزه چون از دو عنصر مختلف تشكيل شده است ,بروش شيميايي قابل جدا سازي است.امروزه با استفاده از تابش راكتور صدها ايزوتوپ مفيد ميتوان توليد كردكه بسياري از اين ايزوتوپ هاي مصنوعي را در پزشكي بكار ميبريم. در پايان بايد بگوئيم اثرات زيانبار انفجار هاي اتمي و تشعشعات ناشي از آن باعث آلودگي آبهاي زير زميني ,زمين هاي كشاورزي و حتي محصولات كشاورزي مي شود ولي با همه اين مضرات اورانيوم عنصري است ارزشمند;زيرا در كنار همه سواستفاده ها مي توان از آن به نحوي احسن و مطابق با معيارهاي بشر دوستانه استفاده نمود. فراموش نكنيد از اورانيوم و پلوتونيوم مي توان استفاده هاي صلح آميز نيز داشت چرا كه از انرژي يك كيلوگرم اورانيوم 235 مي توان چهل هزار كيلو وات ساعت ! الكتريسيته توليد كرد كه معادل مصرف ده تن ذغال سنگ يا 50000گالن نفت است!!!!!!!!

[Borna66]

همه چيز در مورد بمب هاى هسته اى

چرا اورانيوم و پلوتونيوم؟
ايزوتوپ معمول اورانيوم (اورانيوم ۲۳۸) براى ساخت سلاح اتمى مناسب نيست. چرا كه با شليك نوترونى به هسته اين ايزوتوپ، احتمال به دام افتادن نوترون و تشكيل اورانيوم ۲۳۹ از احتمال شكافت هسته اى بسيار بيشتر است. درحالى كه در اورانيوم ۲۳۵ امكان شكافت هسته اى بيشتر است. اما فقط ۷/۰ درصد اورانيوم موجود در طبيعت، ايزوتوپ ۲۳۵ است. به همين خاطر براى تهيه مقدار مورد نياز اورانيوم ۲۳۵ براى ساخت بمب، به مقدار زيادى از اورانيوم طبيعى نياز است. در عين حال ايزوتوپ هاى ۲۳۵ و ۲۳۹ اورانيوم به روش هاى شيميايى قابل جداسازى نيستند؛ چرا كه از لحاظ شيميايى يكسانند. بنابراين دانشمندان پروژه منهتن قبل از ساختن بمب بايد مسئله ديگرى را حل مى كردند؛ جداسازى ايزوتوپ هاى اورانيوم به روش هاى غيرشيميايى. پژوهش ها همچنين نشان مى داد كه پلوتونيوم ۲۳۹ قابليت شكافت هسته اى بالايى دارد. گرچه پلوتونيوم ۲۳۹ يك عنصر طبيعى نيست و بايد ساخته شود. رآكتورهاى هنفورد در واشينگتن به همين منظور ساخته شده اند.
http://pnu-club.com/imported/2009/04/2692.jpg

• «پسربچه»:(Little boy) يك بمب شليكى
طرح «پسربچه» شامل تفنگى است كه توده اى از اورانيوم ۲۳۵ را به سمت توده ديگرى از اين ايزوتوپ شليك مى كند. به اين ترتيب يك جرم فوق بحرانى توليد مى شود. نكته اساسى كه حتماً بايد رعايت شود اين است كه اين توده ها بايد در زمانى كوتاه تر از حدفاصل بين شكافت هاى خود به خودى در كنار هم نگه داشته شوند. به محض اينكه دو توده اورانيوم در كنار هم قرار گرفتند، ناگهان چاشنى توده اى از نوترون ها را توليد مى كند و زنجيره واكنش ها آغاز مى شود. با ادامه اين زنجيره، انرژى مدام افزايش مى يابد تا بمب به سادگى و خودبه خود منفجر شود.
http://pnu-club.com/imported/2009/04/2693.jpg

1- در دنباله پليسه بردارى
۲- مخروط دم
۳- لوله هاى ورود هوا
۴- چاشنى فشار هوا
۵- محفظه پوشش محافظ سربى
۶- بازوى چاشنى
۷- سرانفجارى
۸- چاشنى انفجارى معمول
۹- اورانيوم ۲۳۵ (گلوله)
۱۰- سيلندر توپ
۱۱- اورانيوم ۲۳۵ (هدف) با مخزن
(منعكس كننده نوترون درست اين بالا است)
۱۲- ميله هاى كنترل فاصله
۱۳- فيوزها
http://pnu-club.com/imported/2009/04/2694.jpg



• «مرد چاق»(Fat man) : بمب انفجار درونى
شكافت خودبه خودى پلوتونيوم ۲۳۹ آنقدر سريع است كه بمب تفنگى (پسربچه) نمى تواند دو توده پلوتونيوم را در زمانى كوتاه تر از حد فاصل شكافت ها كنار هم نگه دارد. بنابراين براى پلوتونيوم بايد نوع ديگرى از بمب طراحى شود. قبل از سواركردن بمب، چند نوترون سرگردان رها مى شوند تا زنجيره واكنش پيش رس را آغاز كنند. اين زنجيره موجب كاهش عظيم انرژى منتشر شده مى شود. «ست ندرمى ير» (دانشمندى از لس آلاموس) ايده استفاده از چاشنى هاى انفجارى را براى كمپرس بسيار سريع كره پلوتونيوم مطرح كرد و بسط داد. با اين روش كره پلوتونيوم به چگالى مناسب بحرانى مى رسد و انفجار هسته اى رخ مى دهد.

http://pnu-club.com/imported/2009/04/2695.jpg


1- :AN 219 فيوز تخريب
۲- :Archie آنتن رادار
۳- صفحه باترى ها
۴- واحد :Xسيستم جرقه زن كنار چاشنى
۵- لولا براى ثابت نگه داشتن دو بخش بيفوى بمب
۶- لنز پنج ضلعى با قابليت انفجار بالا
۷- لنز شش ضلعى با قابليت انفجار زياد
۸- چتر نجات كاليفرنيا دنباله (آلومينيوم)
۹- حفاظ دور، قطر داخلى cm ۱۴۰
۱۰- مخروط هايى كه كل كره را در بر مى گيرند
۱۱- لنزهاى انفجارى
۱۲- ماده هسته اى
۱۳- صفحه رادارها، سوئيچ هاى هوا و تايمرها
۱۴- جمع كننده لوله هوا

• بمب انفجار داخلى: بمب كثيف
انفجار درونى كه در واقع عكس انفجار بيرونى است ماده و انرژى را چگال و متمركز مى كند. ويرانى ساختمان بر اثر انفجار بيرونى باعث مى شود كه ساختمان روى خودش آوار شود. اصطلاحاً گفته مى شود كه «ساختمان از درون منفجر شده است.» انفجار درونى، آوار شدن از داخل است. درست مقابل انفجار بيرونى، يك كره توخالى پلوتونيوم مى تواند با چاشنى كروى انفجارى خارجى، از درون منفجر شده و به عنوان ماشه يك بمب شكافت هسته اى به كار رود. اين بمب هم به نوبه خود مى تواند يك ماشه انفجار داخلى براى يك جور هم جوشى باشد. در بحث كاويتاسيون انفجار درونى يك فرآيند مكثى است كه ذرات را مجبور به حركت به سمت داخل مى كند (نه حركت به سمت خارج كه مربوط به انفجار بيرونى است) اين حركت مركزگراى درونى، از يك مسير مستقيم به سمت مركز (مسير شعاعى) پيروى نمى كند، بلكه با چرخش روى يك مسير مارپيچى حركتش را انجام مى دهد. اين حركت چرخشى ورتكس نام دارد. در كاويتاسيون به خاطر فشار كم، حباب هاى كوچكى از بخار آب در يك سمت پروانه تشكيل مى شود. با تخريب اين حباب ها، موج هاى ناگهانى محلى شديدى به وجود مى آيد كه سر و صدا توليد مى كند و منجر به شكست محلى در سطح پروانه مى شود. ادامه اين روند سايش ماده را به دنبال دارد. مشخصه اصلى ورتكس اين است كه خارج آن كند و مركز آن تند حركت مى كند. در ورتكس، آب «از درون منفجر مى شود» ذرات معلقى كه از آب سنگين ترند به مركز جريان كشيده مى شوند، مقاومت اصطكاكى كاهش مى يابد و سرعت جريان زياد مى شود.
http://pnu-club.com/imported/2009/04/2696.jpg
*

مراحل انفجار داخلى


۱ ماده منفجر ه اى كه ماده شكافت پذير را در برگرفته است، مشتعل مى شود. ۲ يك موج ناگهانى تراكمى به سمت داخل شروع به حركت مى كند. سرعت اين موج ناگهانى از سرعت صوت بيشتر است و سبب افزايش قابل توجه شار مى رود. موج در يك لحظه به تمام نقاط روى سطح كروى ماده شكافت پذير در هسته بمب حمله مى كند، فرآيند تراكم آغاز مى شود. ۳ با افزايش چگالى هسته، جرم به حالت بحرانى و سپس فوق بحرانى مى رود كه در آن زنجيره واكنش ها به صورت نهايى زياد مى شود. ۴ اكنون پخش شدن چاشنى به رها شدن نوترون هاى زياد منجر مى شود. به همين دليل خيلى از توليدات اوليه باى پس مى شوند.۵ زنجيره واكنش ها همچنان ادامه مى يابد. تا زمانى كه انرژى توليد شده در درون بمب به قدرى بزرگ شود كه فشار درونى (ناشى از انرژى شكافت) به مقدارى بيش از فشار انفجار داخلى و ناشى از موج ناگهانى برسد.۶ با از هم جدا كردن بمب، انرژى منتشر شده در فرآيند شكافت، به اطراف انتقال مى يابد.


http://pnu-club.com/imported/2009/04/2697.jpg

•بمب هيدروژنى
بازده هيدروژنى به وسيله مقدار ليتيوم دوترايد (deuteride) و نيز مواد شكافت پذير اضافه كنترل مى شود. براى تامين نوترون هاى اضافه فرآيند هم جوشى (fusion) معمولاً اورانيوم ۲۳۸ در بخش هاى مختلف بمب به كار مى رود. اين ماده شكافت پذير اضافه (اورانيوم ۲۳۸) در عين حال تشعشعات اتمى باكيفيت بالا نيز توليد مى كند.


http://pnu-club.com/imported/2009/04/2698.jpg
بمب نوترونى

بمب نوترونى يك بمب هيدروژنى است. بمب نوترونى به كلى با ساير سلاح هاى اتمى استاندارد تفاوت دارد. چرا كه اثرهاى مهلك بمب كه از تشعشعات مضر مى آيد، به خاطر نوترون هايى است كه خودش رها مى كند. اين بمب همچنين به نام «سلاح تشعشع افزوده» (enhanced- radiation weapon) شناخته مى شود.اثرات تشعشع افزوده در بمب نوترونى بدين صورت است كه آثار حرارتى و تخريبى اين بمب نسبت به ساير سلاح هاى اتمى كمتر است. به همين دليل ساختارهاى فيزيكى مثل ساختمان ها و مراكز صنعتى كمتر خسارت مى بينند و بمب بيشترين آسيب را به انسان وارد مى كند. از آنجا كه اثرات تشعشع نوترون با افزايش فاصله به شدت كاهش مى يابد اثر بمب در مناطق نزديك به آن و مراكز دور از آن به وضوح تفاوت دارد. اين ويژگى كاملاً مطلوب كشورهاى عضو پيمان آتلانتيك شمالى (ناتو) است، چرا كه آنها مى خواهند آمادگى نبرد در مناطق پرازدحام را داشته باشند درحالى كه انواع ديگر انفجارهاى هسته اى، زندگى شهرى و دارايى ها را به خطر مى اندازند بمب نوترونى فقط با زنده ها سر و كار دارد.

روزنامه شرق

[Borna66]

رآکتور هسته‌ای
واکنشگاه هسته‌ای یا رآکتور اتمی دستگاهی برای انجام واکنشهای هسته‌ای بصورت تنظیم شده و تحت کنترل است. این دستگاه در اندازه‌های آزمایشگاهی، برای تولید ایزوتوپهای ویژه مواد پرتوزا (رادیواکتیو) و همینطور پرتو-داروها برای مصارف پزشکی و آزمایشگاهی، و در اندازه‌های صنعتی برای تولید برق ساخته می‌شوند. واکنشهای هسته‌ای به دو صورت شکافت و همجوشی، بسته به نوع مواد پرتوزا استفاده شده انجام میگیرند. واکنشگاه‌ها بسته به اینکه چه نوع کاربردی داشته باشند از یکی از این دو نوع واکنش بهره می‌گیرند. در واکنشگاه دو میله ماده پرتوزا یکی به‌عنوان سوخت و دیگری به‌عنوان آغازگر بکار می‌رود. میزان این دو ماده بسته به نوع واکنش، اندازه واکنشگاه و نوع فراورده نهایی بدقت محاسبه و کنترل می‌شود. در واکنشگاه هسته‌ای همیشه دو عنصر پرتوزا به یک یا چند عنصر پرتوزا دیگر تبدیل می‌شوند که این عناصر بدست آمده یا مورد مصرف صنعتی یا پزشکی دارند و یا بصورت پسماند هسته‌ای نابود می‌شوند. حاصل این فرایند مقادیر زیادی انرژی است که بصورت امواج اتمی والکترومغناطیس آزاد می‌گردد. این امواج شامل ذرات نوترینو، آلفا، بتا، پرتو گاما، امواج نوری و فروسرخ است که باید بطور کامل کنترل شوند. امواج آلفا، بتا و گامای تولیدی توسط واکنش هسته‌ای به‌عنوان محرک برای ایجاد واکنشهای هسته‌ای دیگر در رآکتورهای مجاور برای تولید ایزوتوپهای ویژه بکار میروند. انرژی گرمایشی حاصل از این واکنش و تبدیل این عناصر پرتوزا در واکنشگاه‌های صنعتی برای تولید بخار آب و تولید برق بکار می‌رود. برای نمونه انرژی حاصل از واکنش یک گرم اورانیوم معادل انرژی گرمایشی یک میلیون لیتر نفت خام است. قابل تصور است که این میزان انرژی با توجه به سطح پایداری ماده پرتوزا در واکنشهای هسته‌ای تا چه میزان مقرون به صرفه خواهد بود.
با این حال مشکلات استخراج، آماده سازی، نگهداری و ترابری مواد پرتوزای بکار رفته در واکنشگاه‌های تولید برق و دشواری‌های زیستبومی که این واکنشگاه‌ها ایجاد می‌کنند باعث عدم افزایش گرایش بشر به تولید برق از طریق این انرژی شده است. باید توجه داشت که میزان تابش در اطراف واکنشگاه‌های هسته‌ای به اندازه‌ای بالاست که امکان زیست برای موجودات زنده در پیرامون واکنشگاه‌ها وجود ندارد. به همین دلیل برای هریک از رآکتورهای هسته‌ای پوششهای بسیار ضخیمی از بتن همراه با فلزات سنگین برای جلوگیری از نشت امواج الکترومغناطیس به بیرون ساخته می‌شود. بدون این پوششها تا کیلومترها پیرامون واکنشگاه، سکونت‌پذیر برای موجودات زنده نخواهد بود. مشکلاتی که نشت مواد پرتوزا از واکنشگاه نیروگاه اتمی چرنوبیل در دهه ۸۰ میلادی بوجود آورد خود گواهی بر این مدعاست.

کاربرد تابش‌های پرتوزا
بسیاری از محصولات تولیدی واکنش شکافت هسته‌ای شدیدا ناپایدارند و در نتیجه، قلب راکتور محتوی مقادیر زیادی نوترون پر انرژی، پرتوهای گاما، ذرات بتا وهمچنین ذرات دیگر است. هر جسمی که در راکتور گذاشته شود، تحت بمباران این همه تابشهای متنوع قرار می‌گیرد. یکی از موارد استعمال تابش راکتور تولید پلوتaaونیوم ۲۳۹ است .این ایزوتوپ که نیمه عمری در حدود ۲۴۰۰۰ سال دارد به مقدار کمی در زمین یافت می‌شود. پلوتونیوم ۲۳۹ از لحاظ قابلیت شکافت خاصیتی مشابه اورانیوم دارد. برای تولید پلوتونیوم ۲۳۹، ابتدا اورانیوم ۲۳۸ را در قلب راکتور قرار می‌‌دهند که در نتیجه واکنش‌هایی که صورت می‌‌گیرد اورانیوم ۲۳۹ بوجود می‌‌آید. اورانیوم ۲۳۹ ایزوتوپی ناپایدار است که با نیمه عمری در حدود ۲۴ دقیقه، از طریق گسیل ذره بتا، به نپتونیوم ۲۳۹ تبدیل می‌شود. نپتونیوم ۲۳۹ نیز با نیمه عمر ۲/۴ روز و گسیل ذره بتا واپاشیده و به محصول نهایی یعنی پلوتونیوم ۲۳۹ تبدیل می‌شود. در این حالت پلوتونیوم ۲۳۹ همچنان با مقادیری اورانیوم ۲۳۸ آمیخته است اما این آمیزه چون از دو عنصر مختلف تشکیل شده است، بروش شیمیایی قابل جدا سازی است. امروزه با استفاده از تابش راکتور صدها ایزوتوپ مفید می‌توان تولید کرد که بسیاری از این ایزوتوپ‌های مصنوعی را در پزشکی بکار میبریم. آثار زیانبار انفجارهای اتمی و تشعشعات ناشی از آن باعث آلودگی آبهای زیرزمینی، زمین‌های کشاورزی و حتی محصولات کشاورزی می‌شود ولی با همه این مضرات اورانیوم عنصری است ارزشمند، زیرا در کنار همه سواستفاده‌ها می‌‌توان از آن به نحوی احسن و مطابق با معیارهای بشر دوستانه استفاده نمود. فراموش نکنید از اورانیوم و پلوتونیوم می‌‌توان استفاده‌های صلح آمیز نیز داشت چرا که از انرژی یک کیلوگرم اورانیوم ۲۳۵ می‌‌توان چهل هزار کیلو وات ساعت الکتریسیته تولید کرد که معادل مصرف ده تن ذغال سنگ یا ۵۰۰۰۰ گالن نفت است.

[Borna66]

تاريخچه بمب اتم

قبه دود يك بمب اتمي

هانري بكرل نخستين كسي بود كه متوجه پرتودهي عجيب سنگ معدن اورانيم گرديدبس ازان در سال 1909 ميلادي ارنست رادرفوردهسته اتم را كشف كردوي همچنين نشان دادكه پرتوهاي راديواكتيودر ميدان مغناطيسي به سه دسته تقيسيم مي شود( پرتوهاي الفا وبتا وگاما)بعدها دانشمندان دريافتند كه منشاء اين پرتوها درون هسته اتم اورانيم مي باشد.

در سال 1938 با انجام ازمايشاتي توسط دو دانشمند ا لماني بنامهاي ا توها ن و فريتس شتراسمن فيزيك هسته اي پاي به مرحله تازه اي نهاد اين فيزيكدانان با بمباران هسته اتم اورانيم بوسيله نوترونها به عناصر راديواكتيوي دست يافتندكه جرم اتمي كوچكتري نسبت به اورانيم داشت او براي توصيف علت ايجاد اين عناصرليزه ميتنرو اتو فريش پديده شكافت هسته رادر اورانيم تو ضيح دادندودر اينجا بود كه نا قوس شوم اختراع بمب اتمي به صدا در امد.

U235 + n -> fission + 2 or 3 n + 200 MeV

زيرا همانطور كه در شكل فوق مي بينيد هر فروپاشي هسته اورانيم0 ميتوانست تا 200 مگاولت انرژي ازاد كند وبديهي بود اگر هسته هاي بيشتري فرو پاشيده مي شد انرژي فراواني حاصل مي گرديد.

بعدها فيزيكدانان ديگري نيز در اين محدوده به تحقيق مي پرداختند يكي ازانان انريكو فرمي بود( 1954 - 1901) كه بخاطر تحقيقاتش در سال 1938 موفق به دريافت جايزه نوبل گرديد.

در سال 1939 يعني قبل از شروع جنگ جهاني دوم در بين فيزيكدانان اين بيم وجود داشت كه المانيهابه كمك فيزيكدانان نابغه اي مانند هايزنبرگ ودستيارانش بتوانند با استفاده از دانش شكافت هسته اي بمب اتمي بسازندبه همين دليل از البرت انيشتين خواستند كه نامه اي به فرانكلين روزولت رئيس جمهوروقت امريكا بنويسددر ان نامه تاريخي از امكان ساخت بمبي صحبت شد كه هر گز هايزنبرگ ان را نساخت.

چنين شدكه دولتمردان امريكا براي پيشدستي برالمان پروژه مانهتن را براه انداختندو از انريكو فرمي دعوت به عمل اوردند تا مقدمات ساخت بمب اتمي را فراهم سازد سه سال بعددر دوم دسامبر 1942 در ساعت 3 بعد از ظهر نخستين راكتور اتمي دنيا در دانشگاه شيكاگو امريكا ساخته شد.

سپس در 16 ژوئيه 1945 نخستين ازمايش بمب اتمي در صحراي الامو گرودو نيو مكزيكو انجام شد.

سه هفته بعد هيروشيمادرساعت 8:15 صبح در تاريخ 6 اگوست 1945 بوسيله بمب اورانيمي بمباران گردييد و ناكازاكي در 9 اگوست سال 1945 در ساعت حدود 11:15 بوسيله بمب پلوتونيمي بمباران شدند كه طي ان بمبارانها صدها هزار نفر فورا جان باختند.

انريكو فرمي (صف جلو نفر اول سمت چپ) و همكارانش در شيكاگو پس از ساخت نخستين راكتور هسته اي جهان به اميد انكه از راكتور هسته اي تنها در اهداف صلح اميز استفاده شود و دنيا عاري از سلاحهاي اتمي گردد

ليزه ميتنر ( مادر انرژي اتمي)

ليزه در سال 1878 در يك خانواده هشت نفري بدنيا امد وي سومين فرزند خانواده بود باو جود تمامي مشكلاتي كه بر سر راه وي بخاطر زن بودنش بود در سال 1901 وارد دانشگاه وين شد و تحت نظارت بولتزمن كه يكي از فيزيكدانان بنام دنيا بود فيزيك را اموخت . ليزه توانست در سال 1907 به درجه دكتر نايل گردد و سپس راهي برلين گرديد تا در دانشگاهي كه ماكس پلا نك رياست بخش فيزيك ان را بر عهده داشت به مطالعه و تحقيق بپردازد بيشتر كارهاي تحقيقاتي وي در همين دانشگاه بود وي هيچگونه علاقه اي به سياست نداشت و لي به علت دخالتهاي روزن افزون ارتش نازي مجبور به ترك برلين گرديد ودر سال 1938 به يك انستيتو در استكهلم رفت . ليزه ميتنر به همراه همكارش اتو فريش اولين كساني بودند كه شكافت هسته را توضيح دادند انان در سال 1939 در مجله طبيعت مقاله معروف خود را در مورد شكافت هسته اي دادند وبدين ترتيب راه را براي استفاده از انرژي گشودند به همين دليل پس از جنگ جهاني دوم به ميتنر لقب مادر بمب اتمي داده شد ولي چون وي نمي خواست از كشفش بعنوان بمبي هولناك استفاده گردد بهتر است به ليزه لقب مادر انرژي اتمي داده شود.

[Borna66]

ساختار نيروگاه هاي اتمي جهان

برحسب نظريه اتمي عنصر عبارت است از يك جسم خالص ساده كه با روش هاي شيميايي نمي توان آن را تفكيك كرد. از تركيب عناصر با يكديگر اجسام مركب به وجود مي آيند. تعداد عناصر شناخته شده در طبيعت حدود 92 عنصر است.

هيدروژن اولين و ساده ترين عنصر و پس از آن هليم، كربن، ازت، اكسيژن و... فلزات روي، مس، آهن، نيكل و... و بالاخره آخرين عنصر طبيعي به شماره 92، عنصر اورانيوم است. بشر توانسته است به طور مصنوعي و به كمك واكنش هاي هسته اي در راكتورهاي اتمي و يا به كمك شتاب دهنده هاي قوي بيش از 20 عنصر ديگر بسازد كه تمام آن ها ناپايدارند و عمر كوتاه دارند و به سرعت با انتشار پرتوهايي تخريب مي شوند. اتم هاي يك عنصر از اجتماع ذرات بنيادي به نام پرتون، نوترون و الكترون تشكيل يافته اند. پروتون بار مثبت و الكترون بار منفي و نوترون فاقد بار است.

تعداد پروتون ها نام و محل قرار گرفتن عنصر را در جدول تناوبي (جدول مندليف) مشخص مي كند. اتم هيدروژن يك پروتون دارد و در خانه شماره 1 جدول و اتم هليم در خانه شماره 2، اتم سديم در خانه شماره 11 و... و اتم اورانيوم در خانه شماره 92 قرار دارد. يعني داراي 92 پروتون است.

ايزوتوپ هاي اورانيوم

تعداد نوترون ها در اتم هاي مختلف يك عنصر همواره يكسان نيست كه براي مشخص كردن آنها از كلمه ايزوتوپ استفاده مي شود. بنابراين اتم هاي مختلف يك عنصر را ايزوتوپ مي گويند. مثلاً عنصر هيدروژن سه ايزوتوپ دارد: هيدروژن معمولي كه فقط يك پروتون دارد و فاقد نوترون است. هيدروژن سنگين يك پروتون و يك نوترون دارد كه به آن دوتريم گويند و نهايتاً تريتيم كه از دو نوترون و يك پروتون تشكيل شده و ناپايدار است و طي زمان تجزيه مي شود.

ايزوتوپ سنگين هيدروژن يعني دوتريم در نيروگاه هاي اتمي كاربرد دارد و از الكتروليز آب به دست مي آيد. در جنگ دوم جهاني آلماني ها براي ساختن نيروگاه اتمي و تهيه بمب اتمي در سوئد و نروژ مقادير بسيار زيادي آب سنگين تهيه كرده بودند كه انگليسي ها متوجه منظور آلماني ها شده و مخازن و دستگاه هاي الكتروليز آنها را نابود كردند.

غالب عناصر ايزوتوپ دارند از آن جمله عنصر اورانيوم، چهار ايزوتوپ دارد كه فقط دو ايزوتوپ آن به علت داشتن نيمه عمر نسبتاً بالا در طبيعت و در سنگ معدن يافت مي شوند. اين دو ايزوتوپ عبارتند از اورانيوم 235 و اورانيوم 238 كه در هر دو 92 پروتون وجود دارد ولي اولي 143 و دومي 146 نوترون دارد. اختلاف اين دو فقط وجود 3 نوترون اضافي در ايزوتوپ سنگين است ولي از نظر خواص شيميايي اين دو ايزوتوپ كاملاً يكسان هستند و براي جداسازي آنها از يكديگر حتماً بايد از خواص فيزيكي آنها يعني اختلاف جرم ايزوتوپ ها استفاده كرد. ايزوتوپ اورانيوم 235 شكست پذير است و در نيروگاه هاي اتمي از اين خاصيت استفاده مي شود و حرارت ايجاد شده در اثر اين شكست را تبديل به انرژي الكتريكي مي نمايند. در واقع ورود يك نوترون به درون هسته اين اتم سبب شكست آن شده و به ازاي هر اتم شكسته شده 200 ميليون الكترون ولت انرژي و دو تكه شكست و تعدادي نوترون حاصل مي شود كه مي توانند اتم هاي ديگر را بشكنند. بنابراين در برخي از نيروگاه ها ترجيح مي دهند تا حدي اين ايزوتوپ را در مخلوط طبيعي دو ايزوتوپ غني كنند و بدين ترتيب مسئله غني سازي اورانيوم مطرح مي شود.

ساختار نيروگاه اتمي

به طور خلاصه چگونگي كاركرد نيروگاه هاي اتمي را بيان كرده و ساختمان دروني آنها را مورد بررسي قرار مي دهيم.

طي سال هاي گذشته اغلب كشورها به استفاده از اين نوع انرژي هسته اي تمايل داشتند و حتي دولت ايران 15 نيروگاه اتمي به كشورهاي آمريكا، فرانسه و آلمان سفارش داده بود. ولي خوشبختانه بعد از وقوع دو حادثه مهم تري ميل آيلند (Three Mile Island) در 28 مارس 1979 و فاجعه چرنوبيل (Tchernobyl) در روسيه در 26 آوريل 1986، نظر افكار عمومي نسبت به كاربرد اتم براي توليد انرژي تغيير كرد و ترس و وحشت از جنگ اتمي و به خصوص امكان تهيه بمب اتمي در جهان سوم، كشورهاي غربي را موقتاً مجبور به تجديدنظر در برنامه هاي اتمي خود كرد.

نيروگاه اتمي در واقع يك بمب اتمي است كه به كمك ميله هاي مهاركننده و خروج دماي دروني به وسيله مواد خنك كننده مثل آب و گاز، تحت كنترل درآمده است. اگر روزي اين ميله ها و يا پمپ هاي انتقال دهنده مواد خنك كننده وظيفه خود را درست انجام ندهند، سوانح متعددي به وجود مي آيد و حتي ممكن است نيروگاه نيز منفجر شود، مانند فاجعه نيروگاه چرنوبيل شوروي. يك نيروگاه اتمي متشكل از مواد مختلفي است كه همه آنها نقش اساسي و مهم در تعادل و ادامه حيات آن را دارند. اين مواد عبارت اند از:

1- ماده سوخت متشكل از اورانيوم طبيعي، اورانيوم غني شده، اورانيوم و پلوتونيم است.

عمل سوختن اورانيوم در داخل نيروگاه اتمي متفاوت از سوختن زغال يا هر نوع سوخت فسيلي ديگر است. در اين پديده با ورود يك نوترون كم انرژي به داخل هسته ايزوتوپ اورانيوم 235 عمل شكست انجام مي گيرد و انرژي فراواني توليد مي كند. بعد از ورود نوترون به درون هسته اتم، ناپايداري در هسته به وجود آمده و بعد از لحظه بسيار كوتاهي هسته اتم شكسته شده و تبديل به دوتكه شكست و تعدادي نوترون مي شود. تعداد متوسط نوترون ها به ازاي هر 100 اتم شكسته شده 247 عدد است و اين نوترون ها اتم هاي ديگر را مي شكنند و اگر كنترلي در مهار كردن تعداد آنها نباشد واكنش شكست در داخل توده اورانيوم به صورت زنجيره اي انجام مي شود كه در زماني بسيار كوتاه منجر به انفجار شديدي خواهد شد.

در واقع ورود نوترون به درون هسته اتم اورانيوم و شكسته شدن آن توام با انتشار انرژي معادل با 200 ميليون الكترون ولت است اين مقدار انرژي در سطح اتمي بسيار ناچيز ولي در مورد يك گرم از اورانيوم در حدود صدها هزار مگاوات است. كه اگر به صورت زنجيره اي انجام شود، در كمتر از هزارم ثانيه مشابه بمب اتمي عمل خواهد كرد. اما اگر تعداد شكست ها را در توده اورانيوم و طي زمان محدود كرده به نحوي كه به ازاي هر شكست، اتم بعدي شكست حاصل كند شرايط يك نيروگاه اتمي به وجود مي آيد. به عنوان مثال نيروگاهي كه داراي 10 تن اورانيوم طبيعي است قدرتي معادل با 100 مگاوات خواهد داشت و به طور متوسط 105 گرم اورانيوم 235 در روز در اين نيروگاه شكسته مي شود و همان طور كه قبلاً گفته شد در اثر جذب نوترون به وسيله ايزوتوپ اورانيوم 238 اورانيوم 239 به وجود مي آمد كه بعد از دو بار انتشار پرتوهاي بتا (يا الكترون) به پلوتونيم 239 تبديل مي شود كه خود مانند اورانيوم 235 شكست پذير است. در اين عمل 70 گرم پلوتونيم حاصل مي شود. ولي اگر نيروگاه سورژنراتور باشد و تعداد نوترون هاي موجود در نيروگاه زياد باشند مقدار جذب به مراتب بيشتر از اين خواهد بودو مقدار پلوتونيم هاي به وجود آمده از مقدار آنهايي كه شكسته مي شوند بيشتر خواهند بود. در چنين حالتي بعد از پياده كردن ميله هاي سوخت مي توان پلوتونيم به وجود آمده را از اورانيوم و فرآورده هاي شكست را به كمك واكنش هاي شيميايي بسيار ساده جدا و به منظور تهيه بمب اتمي ذخيره كرد.

2- نرم كننده ها موادي هستند كه برخورد نوترون هاي حاصل از شكست با آنها الزامي است و براي كم كردن انرژي اين نوترون ها به كار مي روند. زيرا احتمال واكنش شكست پي در پي به ازاي نوترون هاي كم انرژي بيشتر مي شود. آب سنگين (D2O) يا زغال سنگ (گرافيت) به عنوان نرم كننده نوترون به كار برده مي شوند.

3- ميله هاي مهاركننده: اين ميله ها از مواد جاذب نوترون درست شده اند و وجود آنها در داخل رآكتور اتمي الزامي است و مانع افزايش ناگهاني تعداد نوترون ها در قلب رآكتور مي شوند. اگر اين ميله ها كار اصلي خود را انجام ندهند، در زماني كمتر از چند هزارم ثانيه قدرت رآكتور چند برابر شده و حالت انفجاري يا ديورژانس رآكتور پيش مي آيد. اين ميله ها مي توانند از جنس عنصر كادميم و يا بور باشند.

4- مواد خنك كننده يا انتقال دهنده انرژي حرارتي: اين مواد انرژي حاصل از شكست اورانيوم را به خارج از رآكتور انتقال داده و توربين هاي مولد برق را به حركت در مي آورند و پس از خنك شدن مجدداً به داخل رآكتور برمي گردند. البته مواد در مدار بسته و محدودي عمل مي كنند و با خارج از محيط رآكتور تماسي ندارند. اين مواد مي توانند گاز CO2 ، آب، آب سنگين، هليم گازي و يا سديم مذاب باشند.

غني سازي اورانيم

سنگ معدن اورانيوم موجود در طبيعت از دو ايزوتوپ 235 به مقدار 7/0 درصد و اورانيوم 238 به مقدار 3/99 درصد تشكيل شده است. سنگ معدن را ابتدا در اسيد حل كرده و بعد از تخليص فلز، اورانيوم را به صورت تركيب با اتم فلئور (F) و به صورت مولكول اورانيوم هكزا فلورايد UF6 تبديل مي كنند كه به حالت گازي است. سرعت متوسط مولكول هاي گازي با جرم مولكولي گاز نسبت عكس دارد اين پديده را گراهان در سال 1864 كشف كرد. از اين پديده كه به نام ديفوزيون گازي مشهور است براي غني سازي اورانيوم استفاده مي كنند.در عمل اورانيوم هكزا فلورايد طبيعي گازي شكل را از ستون هايي كه جدار آنها از اجسام متخلخل (خلل و فرج دار) درست شده است عبور مي دهند. منافذ موجود در جسم متخلخل بايد قدري بيشتر از شعاع اتمي يعني در حدود 5/2 انگشترم (000000025/0 سانتيمتر) باشد. ضريب جداسازي متناسب با اختلاف جرم مولكول ها است.روش غني سازي اورانيوم تقريباً مطابق همين اصولي است كه در اينجا گفته شد. با وجود اين مي توان به خوبي حدس زد كه پرخرج ترين مرحله تهيه سوخت اتمي همين مرحله غني سازي ايزوتوپ ها است زيرا از هر هزاران كيلو سنگ معدن اورانيوم 140 كيلوگرم اورانيوم طبيعي به دست مي آيد كه فقط يك كيلوگرم اورانيوم 235 خالص در آن وجود دارد. براي تهيه و تغليظ اورانيوم تا حد 5 درصد حداقل 2000 برج از اجسام خلل و فرج دار با ابعاد نسبتاً بزرگ و پي درپي لازم است تا نسبت ايزوتوپ ها تا از برخي به برج ديگر به مقدار 01/0 درصد تغيير پيدا كند. در نهايت موقعي كه نسبت اورانيوم 235 به اورانيوم 238 به 5 درصد رسيد بايد براي تخليص كامل از سانتريفوژهاي بسيار قوي استفاده نمود. براي ساختن نيروگاه اتمي، اورانيوم طبيعي و يا اورانيوم غني شده بين 1 تا 5 درصد كافي است. ولي براي تهيه بمب اتمي حداقل 5 تا 6 كيلوگرم اورانيوم 235 صددرصد خالص نياز است.

عملا در صنايع نظامي از اين روش استفاده نمي شود و بمب هاي اتمي را از پلوتونيوم 239 كه سنتز و تخليص شيميايي آن بسيار ساده تر است تهيه مي كنند. عنصر اخير را در نيروگاه هاي بسيار قوي مي سازند كه تعداد نوترون هاي موجود در آنها از صدها هزار ميليارد نوترون در ثانيه در سانتيمتر مربع تجاوز مي كند. عملاً كليه بمب هاي اتمي موجود در زراد خانه هاي جهان از اين عنصر درست مي شود.روش ساخت اين عنصر در داخل نيروگاه هاي اتمي به صورت زير است: ايزوتوپ هاي اورانيوم 238 شكست پذير نيستند ولي جاذب نوترون كم انرژي (نوترون حرارتي هستند. تعدادي از نوترون هاي حاصل از شكست اورانيوم 235 را جذب مي كنند و تبديل به اورانيوم 239 مي شوند. اين ايزوتوپ از اورانيوم بسيار ناپايدار است و در كمتر از ده ساعت تمام اتم هاي به وجود آمده تخريب مي شوند. در درون هسته پايدار اورانيوم 239 يكي از نوترون ها خودبه خود به پروتون و يك الكترون تبديل مي شود.بنابراين تعداد پروتون ها يكي اضافه شده و عنصر جديد را كه 93 پروتون دارد نپتونيم مي نامند كه اين عنصر نيز ناپايدار است و يكي از نوترون هاي آن خود به خود به پروتون تبديل مي شود و در نتيجه به تعداد پروتون ها يكي اضافه شده و عنصر جديد كه 94 پروتون دارد را پلوتونيم مي نامند. اين تجربه طي چندين روز انجام مي گيرد.

[Borna66]

چرخه سوخت هسته اى و اجزاى تشكيل دهنده آن

انرژى هسته اى با توجه به ويژگى هاى حيرت انگيزش در آزادسازى حجم بالايى از انرژى در قبال از ميان رفتن مقادير ناچيزى از جرم، به عنوان جايگزين سوخت هاى پيرفسيلى كه ناجوانمردانه در حال بلعيده شدن هستند، مطرح شده است. ايران نيز با وجود منابع گسترده نفت و گاز به دليل كاربردهاى بهترى كه سوخت هاى فسيلى نسبت به سوزانده شدن در كوره ها و براى توليد حرارت دارند، براى دستيابى به اين نوع از انرژى تلاش هايى را از سال هاى دور داشته است و در سال هاى پس از انقلاب همواره مورد اتهام واقع شده كه هدف اصلى اش نه فناورى صلح آميز كه رسيدن به فناورى تسليحات هسته اى است.

در اين گفتار پيش از آن كه وارد مباحث متداول ديپلماتيك شويم نگاهى خواهيم انداخت به چرخه سوخت هسته اى و اجزاى تشكيل دهنده آن، همچنين مرز ميان كاربرد صلح آميز و تسليحاتى را نشان خواهيم داد.چرخه سوخت هسته اى شامل مراحل استخراج، آسياب، تبديل، غنى سازى، ساخت سوخت باز توليد و راكتور هسته اى است و به يك معنا كشورى كه در چرخه بالا به حد كاملى از خودكفايى و توسعه رسيده باشد با فناورى توليد سلاح هاى هسته اى فاصله چندانى ندارد.

استخراج

در فناورى هسته اى، خواه صلح آميز باشد يا نظامى، ماده بنيادى موردنياز، اورانيوم است. اورانيوم از معادن زيرزمينى و همچنين حفارى هاى روباز قابل استحصال است. اين ماده به رغم آن كه در تمام جهان قابل دستيابى است اما سنگ معدن تغليظ شده آن به مقدار بسيار كمى قابل دستيابى است.

زمانى كه اتم هاى مشخصى از اورانيوم در يك واكنش زنجيره اى دنباله دار كه به دفعات متعدد تكرار شده، شكافته مى شود، مقادير متنابهى انرژى آزاد مى شود، به اين فرآيند شكافت هسته اى مى گويند. فرآيند شكاف در يك نيروگاه هسته اى به آهستگى و در يك سلاح هسته اى با سرعت بسيار روى مى دهد اما در هر دو حالت بايد به دقت كنترل شوند. مناسب ترين حالت اورانيوم براى شكافت هسته اى ايزوتوپ هاى خاصى از اورانيوم 235 (يا پلوتونيوم 239) است. ايزوتوپ ها، اتم هاى يكسان با تعداد نوترون هاى متفاوت هستند. به هرحال اورانيوم 235 به دليل تمايل باطنى به شكافت در واكنش هاى زنجيرى و توليد انرژى حرارتى به عنوان «ايزوتوپ شكافت» شناخته شده است. هنگامى كه اتم اورانيوم 235 شكافته مى شود دو يا سه نوترون آزاد مى كند اين نوترون ها با ساير اتم هاى اورانيوم 235 برخورد كرده و باعث شكاف آنها و توليد نوترون هاى جديد مى شود.براى روى دادن يك واكنش هسته اى به تعداد كافى از اتم هاى اورانيوم 235 براى امكان ادامه يافتن اين واكنش ها به صورت زنجيرى و البته خودكار نيازمنديم. اين جرم مورد نياز به عنوان «جرم بحرانى» شناخته مى شود.بايد توجه داشت كه هر 1000 اتم طبيعى اورانيوم شامل تنها حدود هفت اتم اورانيوم 235 بوده و 993 اتم ديگر از نوع اورانيوم 238 هستند كه اصولاً كاربردى در فرآيندهاى هسته اى ندارند.

تبديل اورانيوم

سنگ معدن اورانيوم استخراج شده در آسياب خرد و ريز شده و به پودر بسيار ريزى تبديل مى شود. پس از آن طى فرآيند شيميايى خاصى خالص سازى شده و به صورت يك حالت جامد به هم پيوسته كه از آن به عنوان «كيك زرد» (yellow cake) ياد مى شود، درمى آيد. كيك زرد شامل 70 درصد اورانيوم بوده و داراى خواص پرتوزايى (radioactive) است.

هدف پايه اى دانشمندان هسته اى از فرآيند غنى سازى افزايش ميزان اتم هاى اورانيوم 235 است كه براى اين هدف اورانيوم بايد اول به گاز تبديل شود. با گرم كردن اورانيوم تا دماى 64 درجه سانتيگرادى حالت جامد به گاز هگزا فلوئوريد اورانيوم (UFG) تبديل مى شود. هگزافلوئوريد اورانيوم خورنده و پرتوزا است و بايد با دقت جابه جا شود، لوله ها و پمپ ها در كارخانه هاى تبديل كننده به صورت ويژه اى از آلياژ آلومينيوم و نيكل ساخته مى شوند. گاز توليدى همچنين بايد از نفت و روغن هاى گريس به جهت جلوگيرى از واكنش هاى ناخواسته شيميايى دور نگه داشته شود.

غنى سازى

هدف غنى سازى مشخصاً افزايش ميزان اورانيوم 235 _ ايزوتوپ شكافت _ است. اورانيوم مورد نياز در مصارف صلح آميز نظير راكتورهاى هسته اى نيروگاه ها بايد شامل دو تا سه درصد اورانيوم 235 باشد اما اورانيوم مورد نياز در تسليحات اتمى بايد شامل بيش از نود درصد اورانيوم 235 باشد.شيوه متداول غنى سازى اورانيوم سانتريفوژ كردن گاز است. در اين روش هگزافلوئوريد اورانيوم در يك محفظه استوانه اى با سرعت بالا در شرايط گريز از مركز قرار مى گيرد. اين كار باعث جدا شدن ايزوتوپ هاى با جرم حجمى بالاتر از اورانيوم 235 مى شود (اورانيوم 238). اورانيوم 238 در طى فرآيند گريز از مركز به سمت پائين محفظه كشيده شده و خارج مى شود، اتم هاى سبك تر اورانيوم 235 از بخش ميانى محفظه جمع آورى و جدا مى شود. اورانيوم 235 تجميع شده پس از آن به محفظه هاى گريز از مركز بعدى هدايت مى شود. اين فرآيند بارها در ميان زنجيرى از دستگاه هاى گريز از مركز در كنار هم چيده شده تكرار مى شود تا خالص ترين ميزان اورانيوم بسته به كاربرد آن به دست آيد.از اورانيوم غنى شده در دو نوع سلاح هسته اى استفاده مى شود يا به صورت مستقيم در بمب هاى اورانيومى و يا طى چند مرحله در بمب هاى پلوتونيومى مورد استفاده قرار مى گيرد.

بمب اورانيومى

هدف نهايى طراحان بمب هاى هسته اى رسيدن به يك جرم «فوق بحرانى» است كه باعث ايجاد يك سرى واكنش هاى زنجيره اى به همراه توليد حجم بالايى از حرارت مى شود. در يكى از ساده ترين نوع طراحى اين بمب ها يك جرم زير بحرانى كوچك تر به جرم بزرگ ترى شليك مى شود و جرم ايجاد شده باعث ايجاد يك جرم فوق بحرانى و به تبع آن يك سرى واكنش هاى زنجيره اى و يك انفجار هسته اى مى شود.كل اين فرآيند در كمتر از يك دقيقه رخ مى دهد. براى ساخت سوخت براى يك بمب اورانيومى هگزافلوئوريد اورانيوم فوق غنى شده در ابتدا به اكسيد اورانيوم و سپس به شمش فلزى اورانيوم تبديل مى شود. ميزان انرژى آزاد شده ناشى از شكافت هسته اى را به كمك يك فناورى تقويتى افزايش مى دهند. اين فناورى شامل كنترل و به كارگيرى خواص همجوشى يا گداخت هسته اى است.در همجوشى هسته اى ما شاهد به هم پيوستن ايزوتوپ هايى از هيدروژن و پس از آن تشكيل يك اتم هليوم هستيم. به دنبال اين واكنش مقادير قابل توجهى گرما و فشار آزاد مى شود. از سوى ديگر همجوشى هسته اى سبب توليد نوترون هاى بيشتر و تغذيه واكنش شكافت شده و انفجار بزرگ ترى را ترتيب مى دهد.

برخى تجهيزات اين فناورى تقويتى به عنوان بمب هيدروژنى و سلاح هاى هسته اى _ حرارتى (Thermonuclear) شناخته مى شوند.

راكتورهاى هسته اى

راكتورها داراى كاربردهاى كاملاً دوگانه هستند. در مصارف صلح آميز با بهره گيرى از حرارت توليدى در شكافت هسته اى كار مى كنند. اين حرارت جهت گرم كردن آب، تبديل آن به بخار و استفاده از بخار براى حركت توربين ها بهره گرفته مى شود. همچنين اگر قصد ساخت بمب هاى پلوتونيومى در كار باشد نيز اورانيوم غنى شده را به راكتورهاى هسته اى منتقل مى كنند.در نوع خاصى از راكتورهاى هسته اى از اورانيوم غنى شده به شكل قرص هايى به اندازه يك سكه و ارتفاع يك اينچ بهره مى گيرند. اين قرص ها به صورت كپسول هاى ميله اى شكل صورت بندى شده و درون يك محفظه عايق، تحت فشار قرار داده مى شوند.

در بسيارى از نيروگاه هاى هسته اى اين ميله ها جهت خنك شدن درون آب غوطه ور هستند. روش هاى ديگر خنك كننده نيز نظير استفاده از دى اكسيدكربن يا فلز مايع هستند. براى كاركرد مناسب يك راكتور _ مثلاً توليد حرارت با كمك واكنش شكافت _ هسته اورانيومى بايد داراى جرم فوق بحرانى باشد، اين بدين معناست كه مقدار كافى و مناسبى از اورانيوم غنى شده جهت شكل گيرى يك واكنش زنجيرى خود به خود پيش رونده موردنياز است.براى تنظيم و كنترل فرآيند شكافت ميله هاى كنترل كننده از جنس موادى نظير گرافيت با قابليت جذب نوترون هاى درون راكتور وارد محفظه مى شوند. اين ميله ها با جذب نوترون ها باعث كاهش شدت فرآيند شكافت مى شوند.

در حال حاضر بيش از چهارصد نيروگاه هسته اى در جهان وجود دارند و 17 درصد الكتريسيته جهان را توليد مى كنند. راكتورها همچنين در كشتى ها و زيردريايى ها كاربرد دارند.

بازپردازش

بازپردازش يك عمليات شيميايى است كه سوخت كاركردى را از زباله هاى اتمى جدا مى كند.در اين عمليات ميله سوخت مصرف شده، غلاف بيرونى فلزى خود را در قبال حل شدن در اسيدنيتريك داغ از دست مى دهد.محصولات اين عمليات كه در راكتور مورد استفاده دوباره قرار مى گيرد، شامل 96 درصد اورانيوم، سه درصد زباله اتمى به شدت پرتوزا و يك درصد پلوتونيوم است.همه راكتورهاى هسته اى پلوتونيوم توليد مى كنند اما انواع نظامى آنها به صورت كاملاً بهينه ترى نسبت به ساير انواع راكتور اين كار را انجام مى دهند. يك واحد بازپردازش و يك راكتور جهت توليد مقدار كافى پلوتونيوم مى توانند به صورت نامحسوسى در يك ساختمان عادى جاسازى شوند.اين مسئله باعث مى شود استخراج پلوتونيوم با كمك بازپردازش به گزينه اى جذاب براى هر كشورى كه به دنبال برنامه هاى غيرقانونى سلاح هاى اتمى است، تبديل شود.

بمب پلوتونيوم

پلوتونيوم مزيت هاى متعددى نسبت به اورانيوم به عنوان جزيى از سلاح هاى اتمى دارد. تنها حدود چهار كيلوگرم پلوتونيوم براى ساخت يك بمب موردنياز است، همچنين براى توليد 12 كيلوگرم پلوتونيوم در هر سال تنها به يك واحد كوچك بازپردازش نياز است. يك كلاهك هسته اى شامل يك كره پلوتونيوم، احاطه شده توسط پوسته اى از فلز، مثلاً بريليوم، است كه نوترون ها را به فرآيند شكاف بازمى گرداند. اين مسئله باعث مى شود مقدار كمترى پلوتونيوم براى رسيدن به جرم بحرانى و ايجاد يك واكنش شكافت زنجيره اى مورد نياز باشد. به هرحال يك گروه تروريستى براى دسترسى به پلوتونيوم از راكتورهاى هسته اى غيرنظامى داراى مشكلات كمترى نسبت به دسترسى به اورانيوم غنى شده جهت ايجاد يك انفجار هسته اى هستند.كارشناسان معتقدند كه بمب هاى عمل آورى شده پلوتونيوم مى تواند با تخصصى كمتر از آنچه كه توسط فرقه «آئوم» در حمله با گاز اعصاب به مترو توكيو(1995) به كار گرفته شد، طراحى و جمع آورى شود.

يك انفجار هسته اى از اين نوع مى تواند با نيروى معادل يكصد تنى TNT منفجر شود؛ بيست بار قوى تر از بزرگ ترين حمله تروريستى تاريخ!

[Borna66]

چگونه يك بمب هسته اي بسازيم ؟
بمب هاي اتمي شامل نيروهاي قوي و ضعيفي اند كه اين نيروها هسته يك اتم را به ويژه اتم هايي كه هسته هاي ناپايداري دارند، در جاي خود نگه مي دارند. اساسا دو شيوه بنيادي براي آزادسازي انرژي از يك اتم وجود دارد:

1- شكافت هسته اي: مي توان هسته يك اتم را با يك نوترون به دو جزء كوچك تر تقسيم كرد. اين همان شيوه اي است كه در مورد ايزوتوپ هاي اورانيوم (يعني اورانيوم 235 و اورانيوم 233) به كار مي رود.

- همجوشي هسته اي: مي توان با استفاده از دو اتم كوچك تر كه معمولا هيدروژن يا ايزوتوپ هاي هيدروژن (مانند دوتريوم و تريتيوم) هستند، يك اتم بزرگ تر مثل هليوم يا ايزوتوپ هاي آن را تشكيل داد. اين همان شيوه اي است كه در خورشيد براي توليد انرژي به كار مي رود. در هر دو شيوه ياد شده ميزان عظيمي انرژي گرمايي و تشعشع به دست مي آيد.

براي توليد يك بمب اتمي موارد زير نياز است:

o يك منبع سوخت كه قابليت شكافت يا همجوشي را داشته باشد.

o دستگاهي كه همچون ماشه آغازگر حوادث باشد.

o راهي كه به كمك آن بتوان بيشتر سوخت را پيش از آنكه انفجار رخ دهد دچار شكافت يا همجوشي كرد.

در اولين بمب هاي اتمي از روش شكافت استفاده مي شد. اما امروزه بمب هاي همجوشي از فرآيند همجوشي به عنوان ماشه آغازگر استفاده مي كنند.

بمب هاي شكافتي (فيزيوني): يك بمب شكافتي از ماده اي مانند اورانيوم 235 براي خلق يك انفجار هسته اي استفاده مي كند. اورانيوم 235 ويژگي منحصر به فردي دارد كه آن را براي توليد هم انرژي هسته اي و هم بمب هسته اي مناسب مي كند. اورانيوم 235 يكي از نادر موادي است كه مي تواند زير شكافت القايي قرار بگيرد.اگر يك نوترون آزاد به هسته اورانيوم 235 برود،هسته بي درنگ نوترون را جذب كرده و بي ثبات شده در يك چشم به هم زدن شكسته مي شود. اين باعث پديد آمدن دو اتم سبك تر و آزادسازي دو يا سه عدد نوترون مي شود كه تعداد اين نوترون ها بستگي به چگونگي شكسته شدن هسته اتم اوليه اورانيوم 235 دارد. دو اتم جديد به محض اينكه در وضعيت جديد تثبيت شدند از خود پرتو گاما ساطع مي كنند. درباره اين نحوه شكافت القايي سه نكته وجود دارد كه موضوع را جالب مي كند.

- احتمال اينكه اتم اورانيوم 235 نوتروني را كه به سمتش است، جذب كند، بسيار بالا است. در بمبي كه به خوبي كار مي كند، بيش از يك نوترون از هر فرآيند فيزيون به دست مي آيد كه خود اين نوترون ها سبب وقوع فرآيندهاي شكافت بعدي اند. اين وضعيت اصطلاحا «وراي آستانه بحران» ناميده مي شود.

2 - فرآيند جذب نوترون و شكسته شدن متعاقب آن بسيار سريع و در حد پيكو ثانيه (12-10 ثانيه) رخ مي دهد.

3 - حجم عظيم و خارق العاده اي از انرژي به صورت گرما و پرتو گاما به هنگام شكسته شدن هسته آزاد مي شود.

انرژي آزاد شده از يك فرآيند شكافت به اين علت است كه محصولات شكافت و نوترون ها وزن كمتري از اتم اورانيوم 235 دارند. اين تفاوت وزن نمايان گر تبديل ماده به انرژي است كه به واسطه فرمول معروف mc2= E محاسبه مي شود. حدود نيم كيلوگرم اورانيوم غني شده به كار رفته در يك بمب هسته اي برابر با چندين ميليون گالن بنزين است. نيم كيلوگرم اورانيوم غني شده انداز ه اي معادل يك توپ تنيس دارد. در حالي كه يك ميليون گالن بنزين در مكعبي كه هر ضلع آن 17 متر (ارتفاع يك ساختمان 5 طبقه) است، جا مي گيرد. حالا بهتر مي توان انرژي آزاد شده از مقدار كمي اورانيوم 235 را متصور شد.براي اينكه اين ويژگي هاي اروانيوم 235 به كار آيد بايد اورانيوم را غني كرد. اورانيوم به كار رفته در سلاح هاي هسته اي حداقل بايد شامل نود درصد اورانيوم 235 باشد.در يك بمب شكافتي، سوخت به كار رفته را بايد در توده هايي كه وضعيت «زير آستانه بحران» دارند، نگه داشت. اين كار براي جلوگيري از انفجار نارس و زودهنگام ضروري است. تعريف توده اي كه در وضعيت «آستانه بحران» قرار داد چنين است: حداقل توده از يك ماده با قابليت شكافت كه براي رسيدن به واكنش شكافت هسته اي لازم است. اين جداسازي مشكلات زيادي را براي طراحي يك بمب شكافتي با خود به همراه مي آورد كه بايد حل شود.

1 - دو يا بيشتر از دو توده «زير آستانه بحران» براي تشكيل توده «وراي آستانه بحران» بايد در كنار هم آورده شوند كه در اين صورت موقع انفجار به نوترون بيش از آنچه كه هست براي رسيدن به يك واكنش شكافتي، نياز پيدا خواهد شد.

2 - نوترون هاي آزاد بايد در يك توده «وراي آستانه بحران» القا شوند تا شكافت آغاز شود.

3 - براي جلوگيري از ناكامي بمب بايد هر مقدار ماده كه ممكن است پيش از انفجار وارد مرحله شكافت شود براي تبديل توده هاي «زير آستانه بحران» به توده هايي «وراي آستانه بحران» از دو تكنيك «چكاندن ماشه» و «انفجار از درون» استفاده مي شود.تكنيك «چكاندن ماشه» ساده ترين راه براي آوردن توده هاي «زير بحران» به همديگر است. بدين صورت كه يك تفنگ توده اي را به توده ديگر شليك مي كند. يك كره تشكيل شده از اورانيوم 235 به دور يك مولد نوترون ساخته مي شود. گلوله اي از اورانيوم 235 در يك انتهاي تيوپ درازي كه پشت آن مواد منفجره جاسازي شده، قرار داده مي شود.كره ياد شده در انتهاي ديگر تيوپ قرار مي گيرد. يك حسگر حساس به فشار ارتفاع مناسب را براي انفجار چاشني و بروز حوادث زير تشخيص مي دهد:

1 - انفجار مواد منفجره و در نتيجه شليك گلوله در تيوپ

2 - برخورد گلوله به كره و مولد و در نتيجه آغاز واكنش شكافت

3- انفجار بمب

در «پسر بچه» بمبي كه در سال هاي پاياني جنگ جهاني دوم بر شهر هيروشيما انداخته شد، تكنيك «چكاندن ماشه» به كار رفته بود. اين بمب 5/14 كيلو تن برابر با 500/14 تن TNT بازده و 5/1 درصد كارآيي داشت. يعني پيش از انفجار تنها 5/1 درصد ازماده مورد نظر شكافت پيدا كرد.

در همان ابتداي «پروژه منهتن»، برنامه سري آمريكا در توليد بمب اتمي، دانشمندان فهميدند كه فشردن توده ها به همديگر و به يك كره با استفاده از انفجار دروني مي تواند راه مناسبي براي رسيدن به توده «وراي آستانه بحران» باشد. البته اين تفكر مشكلات زيادي به همراه داشت. به خصوص اين مسئله مطرح شد كه چگونه مي توان يك موج شوك را به طور يكنواخت، مستقيما طي كره مورد نظر، هدايت و كنترل كرد؟افراد تيم پروژه «منهتن» اين مشكلات را حل كردند. بدين صورت، تكنيك «انفجار از درون» خلق شد. دستگاه انفجار دروني شامل يك كره از جنس اورانيوم 235 و يك بخش به عنوان هسته است كه از پولوتونيوم 239 تشكيل شده و با مواد منفجره احاطه شده است. وقتي چاشني بمب به كار بيفتد حوادث زير رخ مي دهند:

- نفجار مواد منفجره موج شوك ايجاد مي كند.

2 - موج شوك بخش هسته را فشرده مي كند.

3 - فرآيند شكافت شروع مي شود.

4 - بمب منفجر مي شود.

در «مرد گنده» بمبي كه در سال هاي پاياني جنگ جهاني دوم بر شهر ناكازاكي انداخته شد، تكنيك «انفجار از درون» به كار رفته بود. بازده اين بمب 23 كيلو تن و كارآيي آن 17درصد بود.شكافت معمولا در 560 ميلياردم ثانيه رخ مي دهد.

بمب هاي همجوشي: بمب هاي همجوشي كار مي كردند ولي كارآيي بالايي نداشتند. بمب هاي همجوشي كه بمب هاي «ترمونوكلئار» هم ناميده مي شوند، بازده و كارآيي به مراتب بالاتري دارند. براي توليد بمب همجوشي بايد مشكلات زير حل شود:دوتريوم و تريتيوم مواد به كار رفته در سوخت همجوشي هر دو گازند و ذخيره كردنشان دشوار است. تريتيوم هم كمياب است و هم نيمه عمر كوتاهي دارد بنابراين سوخت بمب بايد همواره تكميل و پر شود.دوتريوم و تريتيوم بايد به شدت در دماي بالا براي آغاز واكنش همجوشي فشرده شوند. در نهايت «استانسيلا اولام» دريافت كه بيشتر پرتو به دست آمده از يك واكنش فيزيون، اشعه X است كه اين اشعه X مي تواند با ايجاد درجه حرارت بالا و فشار زياد مقدمات همجوشي را آماده كند.

بنابراين با به كارگيري بمب شكافتي در بمب همجوشي مشكلات بسياري حل شد. در يك بمب همجوشي حوادث زير رخ مي دهند:

1 - بمب شكافتي با انفجار دروني ايجاد اشعه X مي كند.

2 - اشعه X درون بمب و در نتيجه سپر جلوگيري كننده از انفجار نارس را گرم مي كند.

3 - گرما باعث منبسط شدن سپر و سوختن آن مي شود. اين كار باعث ورود فشار به درون ليتيوم - دوتريوم مي شود.

4 - ليتيوم - دوتريوم 30 برابر بيشتر از قبل تحت فشار قرار مي گيرند.

5 - امواج شوك فشاري واكنش شكافتي را در ميله پولوتونيومي آغاز مي كند.

6 - ميله در حال شكافت از خود پرتو، گرما و نوترون مي دهد.

7 - نوترون ها به سوي ليتيوم - دوتريوم رفته و با چسبيدن به ليتيوم ايجاد تريتيوم مي كند.

8 - تركيبي از دما و فشار براي وقوع واكنش همجوشي تريتيوم - دوتريوم ودوتريوم - دوتريوم و ايجاد پرتو، گرما و نوترون بيشتر، بسيار مناسب است.

9 - نوترون هاي آزاد شده از واكنش هاي همجوشي باعث القاي شكافت در قطعات اورانيوم 238 كه در سپر مورد نظر به كار رفته بود، مي شود.

10 - شكافت قطعات اروانيومي ايجاد گرما و پرتو بيشتر مي كند.

11 - بمب منفجر شود.

منبع : روزنامه شرق

[Borna66]

سرن بزرگترين مركز تحقيقات فيزيك هسته اي جهان
منبع: پايگاه اينترنتي ارديبهشتگان
http://ordibeheshtegan.com/modules.php?name=News&file=article&sid=17 (http://forum.p30world.com/redirector.php?url=http%3A%2F%2Fordibeheshtegan.co m%2Fmodules.php%3Fname%3DNews%26file%3Darticle%26s id%3D17)

مطمئناً همه شما با عبارت www يا همان دبليو دبليو دبليو معروف! آشنا هستيد.wwwمهمترين مشخصهhttp يا همان پروتكل جابجائي ابرلينكها(hyper text transfer protocol) در شبكه جهاني ارتباطات و فناوري جابجائي اطلاعات هست.فكر كنم براي شما جالب باشد كه بدانيد براي اولين بار اين مشخصه مهم در يك مركز تحقيقات فيزيك بكار برده شد. سرن (CERN)همان مركزي هست كه براي اولين بار براي ارتباط بين پژوهشگران و دانشمندان خود در سال1990ميلادي،www را ابداع كرد.همچنين بد نيست بدانيد كه آخرين نمونه پيشرفت همين مركز تحقيقاتي فيزيك هم در زمينه اينترنت و فناوري اطلاعات بوده كه ميتوان به شكسته شدن ركورد انتقال اطلاعات توسط اينترنت اشاره كرد كه آنهم در سرن به انجام رسيد!!http://pnu-club.com/imported/mising.jpg

و اما سرن چيست؟ كجاست؟
سرن(CERN) بزرگترين مجموعه آزمايشگاهي دنيا در زمينه فيزيك ذرات بنيادي و فيزيك هسته اي است.اين مجموعه عظيم و منحصر بفرد در حاشيه شهر ژنو سوئيس در شهر ميرين و در مرز مشترك فرانسه و سوئيس واقع شده است.سرن در 29 سپتامبر سال 1954 ميلادي توسط سازمان اروپائي تحقيقات هسته اي شكل گرفته و در طي اين مدت نزديك53 سال توانسته نقش بسيار موثري در رشد و توسعه علم فيزيك داشته باشد.تحقيقات و آزمايشها و پژوهشهاي انجام شده در اين مركز و كسب جوايز متعدد توسط دانشمندان و پژوهشگران فعال اين مركز معتبر علمي دنيا(از جمله6 جايزه نوبل) خود نشان از اهميت سرن در عرصه تبادلات علمي دنيا دارد.



دولت سوئيس بعنوان پايه گذار اصلي سرن (به همراه 11 كشور اروپائي ديگر)در پنجاهمين سال تاسيس سرن و بعنوان هديه، مركزى به نام «جهان علم و نوآورى» را كه يك مركز شبكه اى جديد و نيز مكانى براى بازديد علاقه مندان است، به اين سازمان اهدا كرد.
در اين مركز تحقيقات فيزيك هسته اي و ذرات بنيادي كه مهمترين هدف آن "كشف رازهاى مبداء جهان"تعريف شده است هم اينك بيش از 3000 فيزيكدان و مهندس بعنوان كاركنان مقيم در زمينه هاي مختلف نظري و آزمايشگاهي مشغول بكار هستند.در سرن همچنين بيش از 6500 دانشمند از 500دانشگاه از 80كشور دنيا بصورت بازديدهاي كوتاه مدت به سرن مي آيند كه خود نشان از همكاري بزرگ و بي نظير علمي دانشمندان و پژوهشگران عرصه علمي جهان دارد. به گفته «چارلز كلايبر» وزير علوم و پژوهش هاى سوئيس، در50 سال گذشته سازمان اروپايى تحقيقات هسته اى كانون همايش و ملاقات دانشمندان مختلف جهان با ريشه هايى از تمامى ملت ها، فرهنگ ها، مذاهب و اقوام بوده است. كلايبر در مراسم جشن پنجاهمين سالگرد تاسيس «سرن» گفت: "در اين مركز مناقشات و دشمنى هاى سياسى به هيچ وجه راه ندارد و حكمفرمايى همين روحيه باعث شده است اين سازمان بتواند در چگونگى شكل گيرى تفكر انسان نسبت به طبيعت و آغاز جهان كمك هاى قابل ملاحظه اى داشته باشد".
به جز سوئيس 11كشور اروپائي ديگر كه در تاسيس پروژه سرن همكاري داشتند عبارت بودند از:
بلژيك،دانمارك،آلمان،فرانس ه،يونان،بريتانياي كبير،ايتاليا،يوگسلاوي،هلن د،نروژ و سوئد.
و البته بعدها نيزكشورهاي اطريش (۱۹۵۹)، اسپانيا (۱۹۶۱-۱۹۶۸ و بعد ۱۹۸۳)، پرتغال (۱۹۸۶)، فنلاند (۱۹۹۱)، لهستان (۱۹۹۱)، مجارستان (۱۹۹۲)، جمهوري چك (۱۹۹۳)، اسلوواكي (۱۹۹۳) و سرانجام بلغارستان (۱۹۹۹) به عضويت آن درآمدند.
اين كشورها اعضاي اصلي اداره كننده سرن هستند و از لحاظ اداري-مالي تامين كننده عمده هزينه هاي مالي سرن هستند.اين كشورها ساليانه حداقل مبلغي بالغ بر 5ميليون يورو پرداخت ميكنند كه صد البته بسياري از اين كشورها علاوه بر مبلغ حداقل فوق جهت هزينه هاي بسياري از پروژه هاي سرن بصورت مستقيم و غير مستقيم مبالغ ديگري در نظر ميگيرند مثل آلمان و ايتاليا تاكنون فقط براي يكي از پروژه هاي سرن به اسم (LHC) تاكنون بيش از300ميليون يورو هزينه كرده اند.
محض اطلاع:
بزرگترين برنامه كنوني سرن،علاوه بر تحقيقات گوناگون در زمينه فيزيك هسته اي و ذرات بنيادي،اجراي پروزه بزرگ LHC (Large Hadron Collider) يا همان" ابرتصادم گر هادرونى"است كه بعنوان بزرگترين پروژه تحقيقاتي جهان شناخته ميشود. ابرتصادم گر هادرون يك شتاب دهنده ذرات با انرژى و پيچيدگى بى نظير و بى سابقه است كه نتيجه آن همكارى و مشاركت جهانى براى آشكارسازى بخش جديد پنهانى از حقيقت است.
دسته دوم از كشورهاي مشاركت كننده در سرن،شش كشور آمريكا،روسيه،ژاپن،تركيه،ه ند و اسرائيل هستند كه بعنوان ناظر در سازمان تحقيقات هسته اي سرن حضور دارند.اين كشورها هم سهم و مشاركت فعالي در انجام پروژه هاي تحقيقاتي سرن و همچنين در تامين هزينه هاي مالي و تجهيزات سرن دارند.براي مثال تاكنون ايالات متحده رقمي بالغ بر يك ميليارد دلار براي پروژه LHC هزينه كرده است.
و اما دسته سوم از كشورهاي مشاركت كننده در سرن،كشورهاي غير عضو سازمان اروپائي تحقيقات هسته اي هستند كه در برنامه هاي مختلف تحقيقاتي سرن مشاركت دارند.اين دسته كه شامل 26كشور است عبارتند از:
الجزاير،آرژانتين،ارمنستان ،آذربايجان،بلاروس،برزيل،چ ين،كانادا،كرواسي،قبرس،است وني، گرجستان، ايسلند،
ايرلند،مكزيك،مراكش ،پاكستان، پرو، روماني، صربستان ،اسلوني،آفريقاي جنوبي،كره جنوبي،تايوان،اوكراين و ايران.
اين كشورها بسته به توانائي هاي علمي و تحقيقاتي خود مي توانند در پروژه هاي آزمايشگاهي و نظري سرن شركت مي كنند.در حقيقت،عمده ترين بهره اين كشورها از همكاري با سرن،تماس نزديك و خارج از محدوديت هاي متداول (سياسي) با تكنولوژي نوين و كسب مستقيم و بي واسطه دانش علمي و فني است.

بعد از عضويت رسمي ايران در سرن در سال2001 ميلادي و همكاري با سرن در زمينه پروژه بزرگ LHC و ساخت و تامين قطعاتي از اين پروژه هم اينك هفت پژوهشگر و سه دانشجو دوره دكترا در زمينه فيزيك ذرات بنيادي در سرن مشغول پژوهش و تحقيقات هستند و همچنين قرار است دو دانشجوي ديگردوره دكترا به اين جمع اضافه شود.لازم به ذكر است كه مشاركت انفرادي فيزيكدانان ايراني در سرن به قبل از سال2000 بر مي گردد.

http://pnu-club.com/imported/mising.jpg
پيش از اين درباره شتابدهنده خوشه هاي پروتوني LHC با محيطي بالغ بر 27 كيلومتر به مختصر گفته شد كه بزرگترين پروژه تحقيقاتي جهان به شمار ميرود.هدف از پروژه LHC ساخت دو پر انرژي پروتوني با انرژي بيش از Tev 7 است كه با برخورد دادن اين دو پرتو و آشكارسازي ذرات حاصل از اين برهمكنش آنها ساختار دروني مواد و ذرات بنيادي سازنده آنها شناخته شود.پروژه LHC با بودجه اي بالغ بر شش ميليارد دلار از سال1995 شروع شده و راه اندازي آن و شروع آزمايشهاي مربوطه براي انتهاي سال 2007 پيش بيني شده است. بد نيست بدانيد كه هزينه ساختماني كه اين شتابدهنده در آن نصب مي شود بالغ بر 500 ميليون فرانك سوئيس است و پيش بيني مي شود كه هزينه نهائي آن بعد از انجام تمام مقدمات و آزمايشات در نهايت بالغ بر 10ميليارد يورو شود.جزئيات بيشتر از ساختار و نحوه كار LHC موضوعي نيست كه ما بدنبال آن باشيم بلكه ميخواهيم نقش و فعاليت ايران را در ساخت اين پروژه عظيم تحقيقاتي جهان مورد بررسي قرار دهيم.
(دوستان علاقمند به LHC در صورت تمايل ميتوانند با ارسال ايميل اطلاعات تكميلي را دريافت كنند)
قبل از هر چيزي لازم است بدانيد كه براي پروژه LHC،چهار آزمايش بزرگ با آشكارسازهاي بسيار زياد طراحي شده است كه در چهار محل تلاقي دو پرتو پروتوني قرارگرفته اند.اين آزمايشها عبارتند از:
LHCB-ALICE-CMS-ATLAS
هر كدام از اين آزمايش هاي چهارگانه شامل مجموعه عظيمي از آشكارسازهاست كه كار ساخت آنها توسط مراكز تحقيقاتي مختلف و دانشگاهها و شركت هاي بزرگ صنعتي در سراسر جهان در حال اجراست.
آزمايش CMS (Compact Muon Solenoid) يكي از چهار آزمايش بزرگ پروژه LHC است.همكاري ايران در اين آزمايش در اولين قدم با ساخت قسمتي مكانيكي از آزمايش CMS با عنوان"ميز نگهدارنده اين آشكار ساز HF و محفظه استوانه اي پوشاننده آن"و با نظارت مهندسان سرن و با انتقال دانش فني مربوطه به شركت هپكو اراك بعنوان مجري اين آزمايش به انجام رسيد. اين ميز بايد بتواند قطعاتي به وزن حدود 200 تا 300 تن را تحمل كند كه اجزاي آن با فاصله ميليمتري از يكديگر باز و بسته مي شوند. اين ميز در حقيقت يك دستگاه مكانيكي با تولرانس بسيار بالا به شمار مي رود كه هزينه ساخت آن نيز برعهده ايران است.(مبلغي بالغ بر 600 ميليون تومان) دكتر محمد محمدي، متخصص فيزيك ذرات بنيادي و سرپرست گروه سازنده شتاب دهنده سرن در ژنو، كه از طرف دانشگاه فلوريدا اين مأموريت را عهده دار شده است در اين زمينه مي گويد:«براي ايران، موضوع اصلي فعاليت هاي پژوهشي از اين قبيل، دستيابي به منافع اقتصادي آني نيست، بلكه منفعت اصلي، دستاوردهاي علمي است كه از طريق مشاركت در يك پروژه علمي بين المللي، آن هم در بالاترين سطح پژوهش در حوزه فيزيك ذرات بنيادي نصيب كشورمان مي شود.»
همچنين براي آزمايش CMS چهار لايه مختلف از آشكارسازهاي RPC در دو قسمت انتهائي استوانه آن در نظر گرفته شده است كه بايد سه لايه آن براي سال2007 ميلادي و لايه چهارم براي آزمايش سال2010 آماده باشند.در ساخت PRC هايCMS چهار كشور ايتاليا،كره جنوبي،چين و پاكستان همكاري ميكنند.در مورد ساخت لايه چهارم PRC هايCMS هم اكنون كشورهاي هند،ايران،كره و پاكستان مشغول بررسي براي قبول مسئوليت هستند و در نهايت با همكاري كشور ايتاليا انجام خواهد شد.در صورت موفقيت ايران در كسب مسئوليت ساخت RPCهاي لايه چهارمCMS در داخل كشور،اين پروژه اولين مشاركت آزمايشگاهي ايران در يك آزمايشگاه بزرگ بين المللي خواهد بود.
در انتها لازم به يادآوري است كه بدنبال مشاركت موفقيت آميز ابتدائي ايران در CMS پروژه تور(grid) را نيز به موارد همكاري ايران و سرن نيز ميتوان اضافه كرد.در باب معرفي مختصري از پروژه تور(grid) بايد گفت كه همانطور كه وب براي به اشتراك گذاردن اطلاعات در اينترنت است،تور يك سرويس نرم افزاري براي به اشتراك گذاردن توان محاسباتي و فضاي ذخيره داده ها بين كامپيوترهاي متصل به اينترنت است و هدف نهائي از آن ايجاد يك شبكه وسيع جهاني محاسباتي و اطلاعاتي است.
توجه:
(دوستان علاقمند به كسب اطلاعات بيشتر در زمينه تور(grid) ميتوانند با ارسال ايميل اطلاعات تكميلي را دريافت نمايند)

در اين نوشتار سعي شد تا حد امكان از روي آوردن به مباحث تخصصي فيزيك ذرات بنيادي و همچنين فيزيك هسته اي و مبحث شتابدهنده ها و معرفي آنها پرهيز شود و هدف اصلي نويسنده معرفي خوانندگان و كاربران عزيز با سرن بعنوان بزرگترين مجموعه تحقيقاتي و آزمايشگاهي جهان در زمينه فيزيك ذرات بنيادي و همچنين پروژه هاي آن و نقش و همكاري ايران در انجام اين مهم بود.اميدوارم كه اين مقاله مورد مفيد واقع شده باشد.
در تهيه اين نوشتار از منابع مطالعاتي و پايگاههاي اطلاع رساني ويكي پديا،روزنامه شرق،سايت رسمي مركز تحقيقاتي سرن،پايگاه اينترنتي و خبرنامه داخلي مركز تحقيقات فيزيك نظري ايران(IPM) استفاده شده است.

پي نوشت:
طبق شنيده ها و شواهد موجود؛با توجه به رخدادها و فرايندهاي سياسي كه در طول اين چند ماه اخير و بعد از تصويب قطعنامه ضد ايراني چند ماه پيش شوراي امنيت مبني بر ]فعلاً!![تحريم علمي و تكنولوژيكي ايران در زمينه مباحث هسته اي و موشكي؛فرايند همكاري ايران و سرن در هاله اي از ابهام قرار گرفته است.متاسفانه به دليل شرايط خاص سياسي و اجماع جامعه جهاني بر عليه سياستها و ديپلماسي اخير ايران ،جامعه علمي كشور بخصوص دانشمندان و پژوهشگران فيزيك(هسته اي و ذرات بنيادي) و همچنين دانشمندان عرصه هوافضا بنا به شواهد بيشترين ضربه را متحمل شده اند.

[Borna66]

شكافت هسته‌ای چيست؟
دانش - همشهري آنلاين:
شكافت هسته‌اي (nuclear fission) واكنشي است كه در آن يك هسته بزرگ اتمي به هسته‌هاي كوچكتر شكسته مي‌شود و مقدار زيادي انرژي آزاد مي‌كند.

هسته‌هاي ‌‌ اتم‌هاي برخي از عناصر خودبخود دچار تلاشي مي‌شود، اما تنها هسته‌هاي اتم‌هاي عناصر معيني مانند اورانيوم- 235 و پلوتونيوم- 239 مي‌تواند دچار يك واكنش زنجيره‌اي شكافت هسته‌اي شود و در نتيجه در نيروگاه‌هاي هسته‌اي براي توليد انرژي به كار رود.

http://pnu-club.com/imported/mising.jpg

علت اين است كه اين هسته‌ها هنگامي كه متلاشي مي‌شوند، تعداد زيادي ذره نوتروني آزاد مي‌كنند كه خود اين نوترون‌ها با برخورد به هسته‌هاي ساير اتم‌ها آنها را متلاشي مي‌كنند و اين امر خود به آزادي نوترون‌هاي بيشتر منجر مي‌‌‌شود. به اين ترتيب فرايند شكافت هسته‌اي مي‌تواند ادامه يابد و مرتبا انرژي آزاد شود.
اورانيوم- 235 سوخت مرجح براي همه رآكتورهاي هسته‌اي تجارتي است.

سوخت اورانيوم در مركز رآكتور قرار داده مي‌شود و معمولا با يك ماده تعديل‌كننده، كه سرعت حركت نوترون‌ها را كاهش مي‌دهد، احاطه مي‌شود.

كاهش سرعت نوترون‌ها با اين هدف صورت مي‌گيرد كه احتمال القاي شكافت هسته‌اي بوسيله آنها را افزايش دهد.

هنگامي كه واكنش زنجيره‌اي شكافت هسته‌اي به وجود آيد، گرماي حاصل از آن براي به جوش آوردن آب و چرخاندن يك توربين بخار به كار مي‌رود كه الكتريسته توليد مي‌كند.
اين واكنش زنجيره‌اي را مي‌‌توان با وارد كردن ميله‌هاي كنترل‌كننده كه حاوي مواد جاذب نوترون هستند، به درون رآكتور كند يا حتي به كلي متوقف كرد.

[Borna66]

کیک زرد چیست؟
تحقيق‌و‌ توليد - همشهری آنلاین:
کيک زرد يا Yellowcake که به نام اورانيا (Urania) هم شناخته مي‌شود در واقع خاک معدني اورانيوم است که پس از گذراندن مراحل تصفيه و پردازش‌هاي لازم از سنگ معدني آن تهيه مي‌شود.

تهيه اين ماده به منزله رسيدن به بخش مياني مراحل مختلف تصفيه سنگ معدن اورانيوم است و بايد توجه داشت که فاصله بسيار زيادي براي استفاده در بمب اتمي دارد.

روش تهيه کيک زرد کاملاً به نوع سنگ معدن به دست آمده بستگي دارد، اما به‌طور معمول با آسياب کردن و پردازش‌هاي شيميايي بر روي سنگ معدن اورانيوم، پودر زبر و زردرنگي به دست مي‌آيد که قابليت حل شدن در آب را ندارد و حدود 80 درصد غلظت اکسيد اورانيوم آن خواهد بود. اين پودر در دمايي معادل 2878 درجه سانتيگراد ذوب مي‌شود.

روش تهيه کیک زرد

ابتدا سنگ معدن با دستگاه هاي مخصوصي خرد و آسياب مي شود، پس از آن براي جداسازي اورانيم و بالابردن خلوص خاک سنگ، آن را در حمامي از اسيد سولفوريک، آلکالاين و يا پراکسيد مي‌خوابانند؛ اين عمل براي به دست آوردن اورانيوم خالص تر صورت مي‌شود.

سپس اين محصول به دست آمده را خشک و ----- مي‌کنند و نتيجه آن چيزي خواهد شد که به «کيک زرد» معروف است.

امروزه روش‌هاي جديدي براي تهيه اين پودر اورانيوم وجود دارد که محصول آنها بيش از آن که زرد باشد به قهوه‌اي و سياه نزديک است، در واقع رنگ ماده به دست آمده به ميزان وجود ناخالصي‌ها در اين پودر بستگي دارد.

نهادن اين نام بر روي اين محصول به گذشته بر مي‌گردد که کيفيت روش‌هاي خالص‌سازي سنگ معدن مناسب نبود و ماده به دست آمده، زرد رنگ بود.

مواد تشکيل‌دهنده کيک زرد

بخش اصلی کيک زرد (معادل 70-90 درصد وزني) شامل اکسيدهاي اورانيوم با فرمول شيميايي U3O8 و يا ساير اکسيدهاست و بقيه آن از ديگر موادي تشکيل شده‌است که مهم‌ترين آنها عبارتند از:

هيدراکسيد اورانيوم با فرمول شيمايي UO2(OH)2 يا UO2)2(OH)2) که در صنايع ساخت شيشه و سراميک استفاده مي‌شود. اين ماده تشعشع راديواکتيو دارد و بايد با شرايط خاصي نگهداري و حمل شود.
سولفات اورانيوم با فرمول شيميايي (U02S04) که ماده‌اي بي‌بو با رنگ زرد ليمويي‌است.
اکسيد اورانيوم زرد (يا اورانيت سديم) با فرمول شيميايي Na2O (UO3)2.6H2O که ماده‌اي با رنگ زرد - نارنجي است.
پراکسيد اورانيوم با فرمول شيميايي UO4·nH2O با رنگ زرد کم‌رنگ.

يکي از کاربردهاي کيک زرد، تهيه هگزا فلورايد اورانيوم است. اين گاز در وضع عادي حدود هفت صدم درصد شامل ايزوتوپ 235 و بقيه آن ايزوتوپ 238 است. در مرحله غني‌سازي درصد U-235 به حدود 5.3 يا حتي بيشتر افزايش داده مي‌شود.

کاربردهای کیک زرد

کيک زرد عموماً براي تهيه سوخت رآکتورهاي هسته‌اي به کار برده مي‌شود، در واقع اين ماده است که پس از پردازش‌هايي به UO2 تبديل و براي استفاده در ميله‌هاي سوختي به کار برده مي‌شود.

اين ماده همچنين مي‌تواند براي غني‌سازي به گاز هگزا فلورايد اورانيوم يا UF6 تبديل شود، چون در اين صورت مي‌توان چگالي ايزوتوپ‌هاي اورانيوم 235 را در آن افزايش داد.

در هر صورت کيک زرد در اغلب کشورهايي که معادن طبيعي اورانيوم دارند تهيه مي‌شود و توليد اين ماده مشکل خاصي ندارد و به‌طور متوسط ساليانه 64 هزار تن از اين ماده در جهان توليد مي‌شود.

کانادا، يکي از توليدکنندگان اين ماده است، اين کشور معادني دارد که خلوص سنگ اورانيوم آنها به 20 درصد هم مي‌رسد.

در آسيا نيز کشوري مانند قزاقستان صنايع بزرگ توليد اين پودر را دارد. قيمت اين پودر در بازارهاي بين المللي، هر کيلوگرم حدود 25 دلار است.

[Borna66]

بور و هايزنبرگ از بمب چه گفتند؟



بور و هايزنبرگ دو فيزيكدان برجسته قرن بيستم، در سپتامبر ۱۹۴۱ درست در بحبوحه جنگ جهانى دوم ملاقاتى داشتند كه به يكى از بحث انگيزترين رويدادهاى تاريخ علم بدل شده است. اهميت آن ديدار به دليل حرف هايى است كه اين دو دانشمند از انرژى هسته اى و همين طور سلاح هسته اى زده اند. سال ها بعد از آن ملاقات و بعد از جنگ، فيزيكدانان ديگر و مورخين علم ادعاهاى عجيبى در مورد آن ملاقات مطرح كردند. حرف هايى از اين دست كه هايزنبرگ قصد داشته از بور اطلاعات بگيرد، يا اينكه بور اطلاعات هايزنبرگ را در اختيار آمريكايى ها قرار داده است. اين مقاله سعى دارد ضمن بررسى اين ملاقات نگاهى به رويدادهاى آن سال ها و چگونگى ساخته شدن سلاح هسته اى بيندازد.

هايزنبرگ شاگرد ممتاز
ورنر هايزنبرگ فيزيكدان آلمانى و برنده نوبل فيزيك يكى از برجسته ترين فيزيكدانان قرن بيستم است و نيلز بور دانماركى كه او نيز برنده نوبل فيزيك شد از شاگرد آلمانى اش مشهورتر است. سابقه آشنايى اين دو فيزيكدان به سال هاى دهه ۲۰ و هنگام شكل گيرى مكانيك كوانتومى بازمى گردد. هايزنبرگ پس از پايان دوران دكترا در آلمان به دانمارك رفت تا در موسسه اى در كپنهاگ دستيار بور شود. در آن سال ها كپنهاگ به مركز فيزيك مدرن تبديل شد و دانشمندان زيادى در آنجا گرد آمدند تا مكانيك كوانتومى را كامل كنند. نام هاى بزرگى چون ماكس بورن، ولفگانگ پاولى، پل ديراك و... به آن موسسه رفت و آمد داشتند اما در راس آنها بور و هايزنبرگ قرار داشتند. هايزنبرگ جوان خيلى زود به نتايج خوبى رسيد و فرمول بندى ماتريسى خود از مكانيك كوانتومى را ارائه داد و همچنين اصل عدم قطعيت خود را مطرح كرد. بعد از اين سال ها هايزنبرگ به آلمان بازگشت و در دانشگاه لايپزيگ مشغول تدريس شد و بور نيز در كپنهاگ ماند. پس از آن نيز هايزنبرگ به دانشگاه برلين رفت. همزمان با آن قدرت نازى ها در آلمان شدت مى يافت. موج مهاجرت دانشمندان و فيزيكدانان همكار هايزنبرگ شروع شده بود، خيلى هايشان به دليل ترس از يهودى بودن آلمان را ترك مى كردند. اما هايزنبرگ كشورش را ترك نكرد. او شخصيتى احساساتى داشت و با وجود مخالفت با سياست هاى رايش سوم، حس وطن پرستى اش اجازه مهاجرت را به او نمى داد. شروع دوران جديد براى او به معنى سازش بود: «در آغاز هر درس انسان ناچار بود دستش را بلند كند و سلام نازى بدهد. اما آيا من حتى پيش از به قدرت رسيدن هيتلر دستم را بلند نمى كردم
و براى دوستانم تكان نمى دادم؟ آيا به راستى اين يك سازش غيرشرافتمندانه محسوب مى شد؟ انسان مجبور بود همه نامه هاى رسمى با جمله هايل هيتلر را امضا كند. سازشى اينجا، سازشى آنجا و بالاخره كجا بايد خط فاصل را مى كشيديم؟ اما براى سازش بايد حساب پس مى داديم و شايد هم بدتر از آن.» او عقيده داشت مردم بايد سعى كنند از فاجعه جلوگيرى كنند نه اينكه از آن فرار كنند. هايزنبرگ كه در تابستان ۱۹۳۹ براى سخنرانى و همچنين ديدن همكارانش به آمريكا سفر كرده بود، از جانب آنها تشويق به ماندن شد. او در خاطراتش نوشته است:«آنها اصلاً نمى توانستند بفهمند كه آدمى عقل به سرش باشد و به كشورى برگردد كه به شكست آن يقين كامل دارد.» هايزنبرگ با يك كشتى تقريباً خالى كه گواه از درستى استدلالات همكارانش داشت، درست قبل از شروع جنگ به كشورش بازگشت.
با شروع جنگ هايزنبرگ و ديگر همكارانش به خدمت فراخوانده شدند و كارى كه از آنها انتظار داشتند استفاده فنى از انرژى اتمى بود. به اين ترتيب هايزنبرگ و ديگر فيزيكدانان آلمانى كه در آن كشور مانده بودند عضو اجبارى باشگاه اورانيوم شدند. همان طور كه هايزنبرگ در خاطراتش ذكر مى كند، در آن زمان اعتقاد داشت كه استفاده از انرژى اتمى زمان زيادى مى برد. او ادعا مى كرد كه ساختن رآكتور بسيار آسان تر و كم هزينه تر از ساختن بمب اتمى است. «جدا كردن دو ايزوتوپ سنگين مثل اورانيوم ۲۳۵ و اورانيوم ۲۳۸ با اختلاف جرمى كمى كه دارند و توليد آنها به ميزانى كه دست كم چند كيلوگرم اورانيوم ۲۳۵ از آن به دست آيد، كار فنى غول آسايى است. اما در رآكتور اتمى تنها چيزى كه نياز داريم چند تن اورانيوم بسيار خالص به اضافه گرافيت يا آب سنگين است. اين كار به تلاش كمترى، در حدود يك صدم يا حتى يك هزارم، نياز دارد.» هايزنبرگ در قسمت هايى از خاطراتش ذكر مى كند كه اصلاً قصد كمك به ساختن سلاح هسته اى را نداشته و بيشتر به دنبال راه هاى صلح آميز استفاده از اين انرژى جديد بوده است. او مى گويد هدفش به تعويق انداختن عملى شدن مطالعات نظرى شان بوده است. «گرچه ما مى دانستيم كه ساختن بمب اتمى امكانپذير است و روش دقيق ساخت آن را هم مى شناختيم، اما اشكالات فنى اين كار را از آنچه بود بزرگتر مى پنداشتيم. بنابراين با كمال خوشحالى مى توانستيم گزارش صادقانه اى از آخرين تحولات به مقامات ارائه دهيم و مطمئن باشيم كه هيچ گونه اقدام جدى براى ساختن بمب اتمى در آلمان صورت نخواهد گرفت.»

بور، استاد شگفت زده
در سپتامبر ۱۹۴۳ نيلز بور فهميد كه گشتاپو در آلمان قصد دستگيرى او را دارد. چند هفته بعد، در ۲۹ سپتامبر، او، همسرش و برخى ديگر كه اميدى براى فرار از دانمارك داشتند با قايقى مخفيانه به سوئد گريختند. در روز ۶ اكتبر نيروهاى انگليسى بور را به تنهايى به اسكاتلند فرستادند كه از آنجا به لندن رفت. بور در لندن با جان اندرسون شيمى- فيزيكدانى كه مدير پروژه بمب اتمى انگليس بود ملاقات كرد و اندرسون خلاصه اى از برنامه انگليسى- آمريكايى بمب را براى فيزيكدان دانماركى توضيح داد. بنا به گفته آيگه، پسر بور كه يك هفته بعد به پدرش در انگلستان پيوست و در تمام طول جنگ دستيار او بود؛ بور از روند پيشرفت برنامه انگليسى- آمريكايى شديداً غافلگير شده بود. شايد شوكه شدن توصيف بهترى از وضعيت او باشد.
غافلگيرى بور دو دليل داشت. در طول دهه ۳۰ ميلادى وقتى كه فيزيك هسته اى در حال پيشرفت بود، بور در موقعيت هاى زيادى گفته بود كه فكر مى كند هر استفاده عملى از انرژى هسته اى غيرممكن است. اما وقتى در بهار ۱۹۳۹ جزئيات مهمى مربوط به شكافت هسته اورانيوم را فهميد، آن ديدگاه تغيير كرد. در دسامبر ۱۹۳۸ شيمى- فيزيكدانان آلمانى، اوتو هان و فريتس اشتراسمن كشف كردند كه اورانيوم اگر با نوترون بمباران شود قابل شكافت است. ليزمايتنر دستيار اوتو هان حدس زده بود كه هسته هاى اورانيوم در آزمايش ها دوپاره مى شوند و بنابراين نام «شكافت» را بر روى اين فرايند گذاشته بودند. در آزمايش ها از اورانيوم طبيعى استفاده مى شد كه ۹۹ درصد آن اورانيوم ۲۳۸ است و تقريباً ۷۰ درصد از يك درصد باقى مانده اورانيوم ۲۳۵ است كه هسته آن ۳ نوترون كمتر از ايزوتوپ ديگر دارد. ايزوتوپ ها از لحاظ شيميايى تمايزناپذير هستند. آنچه بور فهميد اين بود كه به خاطر تفاوت هاى ساختارى تنها ايزوتوپ هاى كمياب ۲۳۵ در آزمايش هان- اشتراسمن شكافته مى شوند. او نتيجه گرفت كه ساختن سلاح هسته اى تقريباً غيرممكن است، زيرا مستلزم جداسازى ايزوتوپ ها است كه كارى بسيار مشكل است. بور در دسامبر ۱۹۳۹ در يك سخنرانى ادعا كرد، با وسايل تكنيكى حاضر خالص سازى ايزوتوپ هاى كمياب براى تحقق واكنش زنجيره اى غيرممكن است. بنابراين زياد عجيب نيست كه چرا بور چهار سال بعد با فهميدن آنچه متفقين قصد انجامش را داشتند شوكه شد.

ملاقات جنجالى


دليل ديگر غافلگيرى بور را مى توان در ملاقات او با فيزيكدان آلمانى ورنر هايزنبرگ در نيمه سپتامبر ۱۹۴۱ (تقريباً دو سال قبل از فرارش به انگليس) رديابى كرد. در آن زمان بيش از يك سال بود كه آلمانى ها دانمارك را اشغال و يك موسسه فرهنگى آلمانى را در كپنهاگ تاسيس كرده بودند كه كارهاى تبليغاتى انجام مى داد. از فعاليت هاى اين موسسه برنامه ريزى ملاقات هاى علمى بود و هايزنبرگ يكى از چندين دانشمندى بود كه با برنامه اين موسسه به كپنهاگ آمده بود. او كه پس از سال ها به كپنهاگ بازگشته بود يك هفته را در آنجا گذراند و از موسسه بور ديدن كرد. در طول يكى از اين بازديدها بود كه آن ملاقات تاريخى اتفاق افتاد. آنها چند ساعتى را بدون حضور هيچ كس با يكديگر صحبت كردند. به نظر نمى رسد كه هيچ كدام از آنها يادداشتى از جزئيات بحث برداشته باشند، بنابراين هيچكس كاملاً مطمئن نيست كه در آن جلسه چه حرف هايى گفته شد. بور بعد از آن ملاقات اين احساس را داشت كه هايزنبرگ بر روى سلاح اتمى كار مى كند. همان طور كه آيگه بور بعدها يادآورى مى كند: «هايزنبرگ اين بحث را مطرح كرد كه كاربردهاى نظامى انرژى هسته اى چيست. پدر من چندان تمايلى به اين كار نداشت و ترديدش را از مشكلات تكنيكى بزرگى كه وجود داشت بيان كرد. اما به نظر او هايزنبرگ فكر مى كرد امكان هاى جديد مى تواند پايان جنگ را تعيين كند، اگر جنگ كمى بيشتر طول بكشد.» حال دو سال بعد، بور براى اولين بار از برنامه سلاح هاى هسته اى متفقين آگاه شده بود. اما آلمانى ها در طول آن دو سال چه كارى انجام داده بودند؟ هيچ تعجبى ندارد كه بور در آن زمان شگفت زده شده باشد.
فهميدن اينكه «امكانات جديد» دقيقاً چه معنايى مى توانست داشته باشد جالب است و با بررسى تاريخ پيشرفت فيزيك هسته اى مى توان حدس هايى در اين زمينه زد. در اواسط دهه ۴۰ فيزيكدانان در هر دو طرف جنگ فهميدند به جز شكافت اورانيوم يك روش كاملاً متفاوت براى ساخت سلاح هسته اى وجود دارد؛ عنصرى كه بعدها پلوتونيوم نام گرفت. آن عنصر كمى سنگين تر از اورانيوم است و خواص شيميايى متفاوتى دارد، اما ساختار هسته اى آن به گونه اى است كه مانند اورانيوم قابل شكافت است. پلوتونيوم برخلاف اورانيوم به طور طبيعى وجود ندارد و بايد در يك رآكتور هسته اى با بمباران سوخت اورانيومى رآكتور به وسيله نوترون ها ساخته شود. با كشف اين فرآيند، به معناى قطعى به قسمتى از پروژه ساخت سلاح هسته اى تبديل شد. شكى نيست كه هايزنبرگ وقتى با بور ملاقات كرد اين واقعيت را به خوبى مى دانست. او حتى سمينارهايى را براى مقامات بلندپايه آلمانى ارائه كرده بود كه وجود چنين امكانى را توضيح مى داد. آيا اين چيزى بود كه او سعى داشت به بور بگويد و اگر اين طور بود، چرا؟ آيا هايزنبرگ مى خواست از طريق بور براى آمريكايى ها و متفقين پيغام بفرستد يا مى خواست از اطلاعات بور براى فهميدن اينكه آنها تا چه حد پيشرفت كرده اند استفاده كند؟ شايد هم مى خواست به متفقين بفهماند كه آلمان هيچ پيشرفتى نكرده است. بور چطور؟ آيا او چيزى از ملاقاتش با هايزنبرگ به آمريكايى ها گفت؟ تمامى اين سئوال ها و حدس ها و گمان ها هنوز سال ها بعد از آن ملاقات مطرح است و هنوز جواب قطعى و دقيقى براى آن وجود ندارد.

نقشه اى كه به لس آلاموس رسيد


يكى از داستان هاى جالب در مورد ملاقات بور و هايزنبرگ ماجراى طرحى است كه هايزنبرگ در طول ملاقات به بور داده است. معلوم نيست كه آيا هايزنبرگ آن شكل را در طول ملاقات كشيده است يا قبل از آن. با توجه به عادت فيزيكدانان هنگام ارتباط با يكديگر تصور بر اين است كه او شكل را همان موقع و براى توضيح ايده هايش كشيده است. در هر حال بايد به دنبال اين سئوال باشيم كه آن شكل چگونه در دسامبر ۱۹۴۳ راهش را به آزمايشگاه لس آلاموس باز كرد. آن شكل حاوى اطلاعات مهمى بود از اينكه آلمانى ها چگونه سلاح هسته اى را طراحى مى كردند. كسى كه از وجود اين شكل مطلع شد، جرمى برنشتاين فيزيكدان آمريكايى است كه به جز مقالات و كتاب هاى تكنيكى و تخصصى، سال ها يكى از نويسندگان اصلى مجله نيويوركر بود. او در سال ۱۹۷۷ طى يك سرى مصاحبه با هانس بته وجود آن طرح اسرارآميز را كشف كرد. بته كه در سال هاى جنگ عضوى از پروژه منهتن تحت نظر رابرت اپنهايمر بود، از وجود شكلى صحبت مى كرد كه نيلز بور هنگام سخنرانى در لس آلاموس به آنها نشان داد. بته در اين مصاحبه گفته است: «هايزنبرگ يك طرح به بور داده بود و بور بعدها اين طرح را براى ما در لس آلاموس آورد. آن شكل به وضوح طرحى از يك رآكتور بود، اما واكنش ما هنگام ديدن آن شكل اين بود كه آلمانى ها واقعاً ديوانه اند. حتماً مى خواهند رآكتور را روى لندن بيندازند!» تنها كمى بعد از جنگ بود كه دانشمندان حاضر در لس آلاموس فهميدند، آلمانى ها دقيقاً مى دانستند با رآكتور چه كار كنند. حداقل بايد گفت به طور نظرى اين را مى دانستند و به طور عملى به نتيجه نرسيده بودند وگرنه امروز به جاى هيروشيما و ناكازاكى بايد لندن را اولين قربانى سلاح هاى هسته اى مى دانستيم. قبل از انتشار اين مصاحبه ها از جرمى برنشتاين در نيويوركر هيچ كس چيزى از آن شكل نمى دانست و اين جريان داستان ملاقات بور- هايزنبرگ را از حدس و گمان خارج كرد. اما برنشتاين براى اطمينان از صحت حرف هاى بته با اشخاص ديگرى هم تماس گرفت. او به دنبال كسانى گشت كه آن زمان در لس آلاموس بودند، اما اپنهايمر مرده بود، بور مرده بود، بيشتر آنها مرده بودند. اما يك نفر هنوز زنده بود؛ ويكتور وايسكوف دوست نزديك رابرت اپنهايمر. او هم ادعا مى كرد كه طرح را نديده اما چيزهايى درباره آن شنيده است. ولى آيگه پسر بور به كلى وجود چنين چيزى را انكار مى كرد. برنشتاين سرانجام با تحقيق و مصاحبه با افراد مختلف به اين نتيجه رسيد كه هايزنبرگ خودش چيزى به بور نداده است، اما بور آن شكل را پس از صحبت هاى هايزنبرگ كشيده است. حتى حدس مى زنند كه بور چيزهايى را هم به آن طرح اضافه كرده باشد، كه حاصل پژوهش هاى خودش بعد از ملاقات بوده است. در هر حال چيزى كه همه تائيد كردند اين است كه آن شكل و نوشته هايش دست خط خود هايزنبرگ نبوده است. اما اصلاً چرا هايزنبرگ چنين صحبت هايى را مطرح كرده بود؟ آيا مى خواست بور نتايج مطالعات او را بررسى و تائيد كند؟ آيا مى خواست به بور نشان دهد كه آلمانى ها با مطالعه بر روى رآكتور به دنبال استفاده صلح آميز از انرژى هسته اى هستند؟ نيات هايزنبرگ هنوز در ابهام است و شايد هيچ گاه روشن نشود، چرا كه حتى خود او در خاطراتش كه در كتاب«مرزهاى فيزيك» (در فارسى «جزء و كل») نوشته است، چيز زيادى از آن ملاقات بحث انگيز مطرح نكرده است. تنها به وحشت بور از شنيدن نام سلاح هسته اى اشاره كرده است و اينكه بور توجه زيادى به موانع فنى مورد اشاره هايزنبرگ نكرده است.

نامه ها و نمايشنامه ها


گويا موضوع ملاقات بور و هايزنبرگ آنقدر جذاب بوده است كه به دنياى هنر نيز كشيده شود. «كپنهاگ» نام نمايشنامه اى است كه مايكل فريان در حدود سال ۹۸ نوشته و به روى صحنه برده است. اين نمايشنامه داستان آن ملاقات را با سه شخصيت اصلى كه روح هايزنبرگ، بور و همسر بور هستند به تصوير مى كشد. اما همه چيز از روى حدس و گمان است و در واقع هيچ كس از يك نمايشنامه نويس انتظار تحقيقات مستند را ندارد. مورخان براى يافتن منابع مستند بايد بيشتر از اينها صبر مى كردند، قرار بود خانواده بور نامه هاى وى را در سال ،۲۰۱۲ پنجاه سال پس از مرگ بور، منتشر كنند. اما اين همه ابهام و حتى اتهام به بور باعث شد كه آنها تصميم بگيرند اين كار را ده سال زودتر انجام دهند، براى همين آن نامه ها در سال ۲۰۰۲ منتشر شدند. قبل از آن تمام چيزى كه مورخان علم مى دانستند بر پايه حرف هاى مبهم و گاه متناقض بور و هايزنبرگ بود كه از منابع دست دوم به دست آمده بود. بور در آن نامه ها به دفعات تاكيد مى كند كه خاطره شفافى از ملاقات با هايزنبرگ دارد و يادداشت هاى بسيار دقيقى از آنچه هايزنبرگ گفته بود برداشته است. او ادعا مى كند كه هايزنبرگ متقاعد شده بود كه اگر جنگ با پيروزى آلمان پايان نيابد، بايد تصميم به استفاده از بمب اتم بگيرد. بور مى گويد برخلاف حرف هاى بعدى هايزنبرگ سكوتش در طول صحبت به خاطر شوكه شدنش از اين نبود كه فهميده بود شكافت از لحاظ تكنيكى امكانپذير است، بلكه به اين خاطر بود كه قبلاً نفهميده بود آلمانى ها بر روى بمب كار مى كنند و در مورد متفقين هم تا سال ۱۹۴۳ كه به انگلستان فرار كردند اين را نمى دانست. بور مدعى است هايزنبرگ به دانمارك رفته بود تا بور و ديگر فيزيكدانان دانماركى را متقاعد كند تا با آلمانى ها در پروژه باشگاه اورانيوم همكارى كنند. اما اين اسناد را بايد با دقت و احتياط بيشترى بررسى كرد، چرا كه حداقل ۱۶ سال پس از پايان جنگ نوشته شده اند و ادعاى بور براى يادآورى دقيق و شفاف شايد زياد قابل اعتماد نباشد. پس هنوز هم اين سئوال مهم پابرجا است: «هدف هايزنبرگ از آن ملاقات چه بوده است؟»

[Borna66]

همه چيز در مورد انرژی هسته ای

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://pnu-club.com/imported/mising.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://pnu-club.com/imported/mising.jpg 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://pnu-club.com/imported/mising.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.
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.




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.



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.
کاربردها
استفاده از نیروی هسته‌ای از 40 سال پیش آغاز شد و اینک این نیرو همان اندازه از برق جهان را تأمین می‌کند که 40 سال پیش بوسیله تمام منابع انرژی تأمین می‌شد. حدود دو سوم از جمعیت جهان در کشورهایی زندگی می‌کنند که نیروگاههای هسته‌ای آنها در زمینه تولید برق و زیر ساختهای صنعتی نقش مکمل را ایفا می‌کنند. نیمی از مردم جهان در کشورهایی زندگی می‌کنند که نیروگاههای هسته‌ای در آنها در حال برنامه‌ریزی و یا در دست ساخت هستند.

به این ترتیب ، توسعه سریع نیروی هسته‌ای جهان مستلزم بروز هیچ تغییر بنیادینی نیست و تنها نیازمند تسریع راهبردهای موجود است. امروزه حدود 440 نیروگاه هسته‌ای در 31 کشور جهان برق تولید می‌کنند. بیش از 15 کشور از مجموع این تعداد در زمینه تأمین برق خود تا 25 درصد یا بیشتر ، متکی به نیروی هسته‌ای هستند. در اروپا و ژاپن سهم نیروی هسته‌ای در تأمین برق بیش از 30 درصد است، در آمریکا نیروی هسته‌ای 20 درصد از برق را تأمین می‌کند. در سرتاسر جهان ، دانشمندان بیش از 50 کشور از حدود 300 راکتور تحقیقاتی استفاده می‌کنند تا: درباره فناوریهای هسته‌ای تحقیق کرده و برای تشخیص بیماری و درمان سرطان ، رادیوایزوتوپ تولید کنند.

همچنین در اقیانوسهای جهان راکتورهای هسته‌ای نیروی محرکه بیش از 400 کشتی را بدون اینکه به خدمه آن و یا محیط زیست آسیبی برسانند، تأمین می‌کنند. دوره پس از جنگ سرد ، فعالیت جدیدی برای حذف مواد هسته‌ای از تسلیحات و تبدیل آن به سوخت هسته‌ای غیر نظامی آغاز شد. انرژی هسته‌ای کاربردهای زیاد در پزشکی در علوم و صنعت و کشاورزی و ... دارد. لازم به ذکر است انرژی هسته‌ای به تمامی انرژیهای دیگر قابل تبدیل است، ولی هیچ انرژی به انرژی هسته‌ای تبدیل نمی‌شود. موارد زیادی از کاربردهای انرژی هسته‌ای در زیر آورده می‌شود.
نیروگاه هسته‌ای


نیروگاه هسته‌ای (Nuclear Power Stotion) یک نیروگاه الکتریکی که از انرژی تولیدی شکست هسته اتم اورانیوم یا پلوتونیم استفاده می‌کند. 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 هسته‌ای اساسا گرما تولید می‌کند، از گرمای تولید شده راکتورهای هسته‌ای برای تولید بخار استفاده می‌شود. از بخار تولید شده برای به حرکت در آوردن توربینها و ژنراتورها که نهایتا برای تولید برق استفاده می‌شود.

بمبهای هسته‌ای


این نوع بمبها تا حالا قویترین بمبهای و مخربترینهای جهان محسوب می‌شود. دارندگان این نوع بمبها جزو قدرتهای هسته‌ای جهان محسوب می‌شود.

پیل برق هسته‌ای Nuelear Electric battery


پیل هسته‌ای یا اتمی دستگاه تبدیل کننده انرژی اتمی به جریان برق مستقیم است، ساده‌ترین پیلها) شامل دو صفحه است. یک پخش کننده بتای خالص مثل استرنیوم 90 و یک هادی مثل سیلسیوم.
جریان الکترونهای سریعی که بوسیله استرنیوم منتشر می‌شود ازمیان نیم هادی عبور کرده و در حین عبور تعداد زیادی الکترون اضافی را از نیم هادی جدا می‌کند که در هر حال صدها هزار مرتبه زیادتر از جریان الکتریکی حاصل از ایزوتوپ رادیواکتیو استرنیوم 90 می‌باشد.
http://pnu-club.com/imported/mising.jpg
کاربردهای پزشکی


در پزشکی تشعشعات هسته‌ای کاربردهای زیادی دارند که اهم آنها عبارتند از:

رادیو گرافی
گاما اسکن
استرلیزه کردن هسته‌ای و میکروب زدایی وسایل پزشکی با پرتو‌های هسته‌ای
رادیو بیولوژی
کاربردهای کشاورزی


تشعشعات هسته‌ای کاربردهای زیادی در کشاورزی دارد که مهمترین آنها عبارتست از:

موتاسیون هسته‌ای ژنها در کشاورزی
کنترل حشرات با تشعشعات هسته‌ای
جلوگیری از جوانه زدن سیب زمینی با اشعه گاما
انبار کردن میوه‌ها
دیرینه شناسی (باستان شناسی) و صخره شناسی (زمین شناسی) که عمر یابی صخره‌ها با C14 در باستان شناسی خیلی مشهور است.
کاربردهای صنعتی


در صنعت کاربردهای 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
شکافت


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://pnu-club.com/imported/mising.jpg
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 (نیرو گاه 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://pnu-club.com/imported/mising.jpgمواد 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.

شوخت هسته ای
پلوتونیوم یک عنصر شیمیایی با عدد اتمی 92 و جرم اتمی 239 که اولین بار طی واکنش کنترل شده شکست هسته اورانیوم تهیه ‏گردید. کاربردهای انرژی هسته ای به وسیله بشر با اورانیوم 235 شروع شد. که مهمترین سوخت هسته ای بوده و هست.‏


سوخت هسته ای اورانیوم:‏



اگر ایزوتوب اورانیوم 235 ( موجود در اورانیوم طبیعی ) قابل شکست نمی بود حتی با داشتن کوهی از اورانیوم طبیعی کسی ‏نمی توانست از انرژی نهانی آن استفاده نماید. این ایزوتوپ به وسیله نوترون هایی با هر مقدار انرژی به خوبی شکسته می شود.‏

فلز طبیعی اورانیوم محتوی مقادیر بسیار کمی از آن است. فقط 0.7 درصد باقیمانده درصد اورانیوم طبیعی شامل 99.3 ‏درصد اورانیوم 238 می باشد که فقط به وسیله نوترون های سریع شکسته می شود.‏

اورانیوم 238 به طور بسیار موثری نوترون های کند با انرژی یک تا ده الکترون ولت را جذب می کند.

سوخت هسته ای پلتونیوم:‏



اگر نوترون های پر انرزی حاصل از شکست اورانیوم 235 را به کمک کند کننده هایی از جمله گرافیت ، آب معمولی یا ‏آب سنگین یا مواد دیگر به این مقدار انرژی (1 تاev 10) کند کنیم، معجزه شروع می شود. هسته اورانیوم 238 چنین نوترون ‏های آهسته ای را جذب می کند. سپس تحریک و تجزیه شده و بالاخره به پلتیونیوم با نیم عمر 24.4 سال تبدیل می شود.

نکته قابل توجه این که اورانیوم 235 هم به وسیله نوترون های سریع و هم آهسته شکسته می شود. بدین ترتیب در حین ‏مصرف اورانیوم 235 در راکتور ، مقدار معینی اورانیوم 238 (غیر قابل شکست در عمل ) به پلتونیوم 239 ( قابل شکست ) ‏تبد یل می شود.

در روش فوق در طی مصرف تدریجی اورانیوم 235 (0.7 درصد) و پلتونیوم 239 که به طور غیر راکتور هسته ای ، ‏تبدیل مقدار قابل ملاحظه ای از اورانیوم 238 طبیعی به سوخت هسته ای مناسب ممکن می گردد.‏

پلتونیوم 238 خالص یک سم قوی است و به سادگی در هوا آتش می گیرد و در حین تجزیه ذرات آلفایی با انرژی حدود Mev‏ 5 آزاد می کند. ‏

ورود پلتونیوم بویژه در ارگانیسوم انسان یا حیوان خطرناک می باشد. زیرا نمی تواند به وسیله اعمال طبیعی از بدن خارج ‏شود. پلتونیوم در بدن ، به طور شدیدی اشعه گاما ساطع کرده و باعث بیماری های تشعشعی حاد و یا حتی مرگ می شود. ‏

کاربردهای سوخت هسته ای:



در راکتور هسته ای از این مواد جهت تامین انرژی گداخت هسته ای وشکافت هسته های سنگین استفاده می شود.‏

در نیروگاه هسته ای جهت تولید انرژی هسته ای و راه اندازی ژنراتورها ، موتورها و دیناموها به کار برده می شود.‏

در صنایع نظامی کاربرد وسیعی داشته و در ساخت مهمات و سلاحهای پرقدرت از جمله انواع چاشنی ها ، راکت ها ، نارنجک ها ، ‏زیر دریایی های هسته ای ، سفینه های فضایی ، موشکهای دور برد و بمب های هسته ای استفاده فراوان می شود.

چرخه ی سوخت هسته ای
انرژى هسته‌اى با توجه به ویژگىهاى حیرت انگیزش در آزاد سازى حجم بالایى از انرژى در قبال از میان رفتن مقادیر ناچیزى از جرم ، به عنوان جایگزین سوختهاى پیر فسیلى که ناجوانمردانه در حال بلعیده شدن هستند، مطرح شده است. ایران نیز با وجود منابع گسترده نفت و گاز به دلیل کاربردهاى بهترى که سوختهاى فسیلى نسبت به سوزانده شدن در کوره‌ها و براى تولید حرارت دارند، براى دستیابى به این نوع از انرژى تلاشهایى را از سالهاى دور داشته است و در سالهاى پس از انقلاب همواره مورد اتهام واقع شده که هدف اصلیش نه فناورى صلح آمیز که رسیدن به فناورى تسلیحات هسته‌اى است.

چرخه سوخت هسته‌اى شامل مراحل استخراج ، آسیاب ، تبدیل ، غنى سازى ، ساخت سوخت باز تولید و راکتور هسته‌اى است و به یک معنا کشورى که در چرخه بالا به حد کاملى از خودکفایى و توسعه رسیده باشد با فناورى تولید سلاحهاى هسته‌اى فاصله چندانى ندارد.
استخراج


در فناورى هسته‌اى ، خواه صلح آمیز باشد یا نظامى ، ماده بنیادى مورد نیاز، اورانیوم است. اورانیوم از معادن زیر زمینى و همچنین حفاریهاى روباز قابل استحصال است. این ماده به رغم آنکه در تمام جهان قابل دستیابى است، اما سنگ معدن تغلیظ شده آن به مقدار بسیار کمى قابل دستیابى است. زمانى که اتمهاى مشخصى از اورانیوم در یک واکنش زنجیره‌اى دنباله دار که به دفعات متعدد تکرار شده ، شکافته مى‌شود، مقادیر متنابهى انرژى آزاد مى‌شود، به این فرآیند شکافت هسته‌اى مى‌گویند.

فرآیند شکاف در یک نیروگاه هسته‌اى به آهستگى و در یک سلاح هسته‌اى با سرعت بسیار روى مى‌دهد، اما در هر دو حالت باید به دقت کنترل شوند. مناسبترین حالت اورانیوم براى شکافت هسته‌اى ایزوتوپهاى خاصى از 235U (یا 239Pu) است. ایزوتوپ ها ، اتمهاى یکسان با تعداد نوترونهاى متفاوت هستند. به هرحال 235U به دلیل تمایل باطنى به شکافت در واکنشهاى زنجیرى و تولید انرژى حرارتى به عنوان «ایزوتوپ شکافت» شناخته شده است.

هنگامى که اتم 235U شکافته مى‌شود دو یا سه نوترون آزاد مى‌کند. این نوترونها با سایر اتمهاى 235U برخورد کرده و باعث شکاف آنها و تولید نوترونهاى جدید مى‌شود. براى روى دادن یک واکنش هسته‌اى به تعداد کافى از اتمهاى 235U براى امکان ادامه یافتن این واکنشها بصورت زنجیرى و البته خودکار نیاز است. این جرم مورد نیاز به عنوان «جرم بحرانى» شناخته مى‌شود. باید توجه داشت که هر 1000 اتم طبیعى اورانیوم شامل تنها حدود هفت اتم 235U ، یعنی (0.7 درصد) بوده و 993 اتم دیگر از نوع 238U هستند که اصولا کاربردى در فرآیندهاى هسته‌اى ندارند.

تبدیل اورانیوم


سنگ معدن اورانیوم استخراج شده در آسیاب خرد و ریز شده و به پودر بسیار ریزى تبدیل مى‌شود. پس از آن طى فرآیند شیمیایى خاصى خالص سازى شده و بصورت یک حالت جامد به هم پیوسته که از آن به عنوان «کیک زرد» (yellow cake) یاد مى‌شود، درمى‌آید. کیک زرد شامل 70 درصد اورانیوم بوده و داراى خواص پرتوزایى (radioactive) است. هدف پایه‌اى دانشمندان هسته‌اى از فرآیند غنى سازى افزایش میزان اتمهاى 235U است که براى این هدف اورانیوم باید اول به گاز تبدیل شود.

با گرم کردن اورانیوم تا دماى 64 درجه سانتیگراد حالت جامد به گاز هگزا فلوئورید اورانیوم (UFG) تبدیل مى‌شود. هگزافلوئورید اورانیوم خورنده و پرتوزا است و باید با دقت جابجا شود، لوله‌ها و پمپها در کارخانه‌هاى تبدیل کننده بصورت ویژه‌اى از آلیاژ آلومینیوم و نیکل ساخته مى‌شوند. گاز تولیدى همچنین باید از نفت و روغنهاى گریس به جهت جلوگیرى از واکنشهاى ناخواسته شیمیایى دور نگه داشته شود.
http://pnu-club.com/imported/mising.jpgغنى سازى اورانیوم


هدف غنى سازى مشخصا افزایش میزان 235U _ ایزوتوپ شکافت _ است. اورانیوم مورد نیاز در مصارف صلح آمیز نظیر راکتورهاى هسته‌اى نیروگاهها باید شامل دو تا سه درصد 235U باشد، اما اورانیوم مورد نیاز در تسلیحات اتمى باید شامل بیش از نود درصد 235U باشد. شیوه متداول غنى سازى اورانیوم سانتریفوژ کردن گاز است. در این روش هگزافلوئورید اورانیوم در یک محفظه استوانه‌اى با سرعت بالا در شرایط گریز از مرکز قرار مى‌گیرد. این کار باعث جدا شدن ایزوتوپهاى با جرم حجمى بالاتر از 235U مى‌شود (238U). 238U در طى فرآیند گریز از مرکز به سمت پائین محفظه کشیده شده و خارج مى‌شود، اتمهاى سبکتر 235U از بخش میانى محفظه جمع آورى و جدا مى شود.

235U تجمع یافته پس از آن به محفظه‌هاى گریز از مرکز بعدى هدایت مى‌شود. این فرآیند بارها در میان زنجیرى از دستگاههاى گریز از مرکز در کنار هم چیده شده تکرار مى‌شود تا خالصترین میزان اورانیوم بسته به کاربرد آن به دست آید. از اورانیوم غنى شده در دو نوع سلاح هسته‌اى استفاده مى‌شود، یا بصورت مستقیم در بمبهاى اورانیومى و یا طى چند مرحله در بمبهاى پلوتونیومى مورد استفاده قرار مى گیرد.
بمب اورانیومى


هدف نهایى طراحان بمبهاى هسته‌اى رسیدن به یک جرم «فوق بحرانى» است که باعث ایجاد یک سرى واکنشهاى زنجیره‌اى به همراه تولید حجم بالایى از حرارت مى‌شود. در یکى از ساده‌ترین نوع طراحى این بمبها یک جرم زیر بحرانى کوچکتر به جرم بزرگترى شلیک مى‌شود و جرم ایجاد شده باعث ایجاد یک جرم فوق بحرانى و به تبع آن یک سرى واکنشهاى زنجیره‌اى و یک انفجار هسته‌اى مى‌شود. کل این فرآیند در کمتر از یک دقیقه رخ مى‌دهد. براى ساخت سوخت براى یک بمب اورانیومى هگزافلوئورید اورانیوم فوق غنى شده در ابتدا به اکسید اورانیوم و سپس به شمش فلزى اورانیوم تبدیل مى‌شود.

میزان انرژى آزاد شده ناشى از شکافت هسته‌اى را به کمک یک فناورى تقویتى افزایش مى‌دهند. این فناورى شامل کنترل و بکار گیرى خواص همجوشى یا گداخت هسته‌اى است. در همجوشى هسته‌اى شاهد بهم پیوستن ایزوتوپهایى از هیدروژن و پس از آن تشکیل یک اتم هلیوم هستیم. به دنبال این واکنش مقادیر قابل توجهى گرما و فشار آزاد مى شود. از سوى دیگر همجوشى هسته اى سبب تولید نوترونهاى بیشتر و تغذیه واکنش شکافت شده و انفجار بزرگترى را ترتیب مى‌دهد. برخى تجهیزات این فناورى تقویتى به عنوان بمب هیدروژنى و سلاحهاى هسته‌اى _ حرارتى (Thermonuclear) شناخته مى‌شوند.

راکتورهاى هسته‌اى


راکتورها داراى کاربردهاى کاملا دوگانه هستند. در مصارف صلح آمیز با بهره گیرى از حرارت تولیدى در شکافت هسته‌اى کار مى‌کنند. این حرارت جهت گرم کردن آب ، تبدیل آن به بخار و استفاده از بخار براى حرکت توربینها بهره گرفته مى‌شود. همچنین اگر قصد ساخت بمبهاى پلوتونیومى در کار باشد نیز اورانیوم غنى شده را به راکتورهاى هسته‌اى منتقل مى‌کنند. در نوع خاصى از راکتورهاى هسته‌اى از اورانیوم غنى شده به شکل قرصهایى به اندازه یک سکه و ارتفاع یک اینچ بهره مى‌گیرند. این قرصها بصورت کپسولهاى میله‌اى شکل صورت بندى شده و درون یک محفظه عایق ، تحت فشار قرار داده مى‌شوند.

در بسیارى از نیروگاههاى هسته‌اى این میله‌ها جهت خنک شدن درون آب غوطه‌ور هستند. روشهاى دیگر خنک کننده نیز نظیر استفاده از دى اکسیدکربن یا فلز مایع هستند. براى کارکرد مناسب یک راکتور (مثلا تولید حرارت با کمک واکنش شکافت) هسته اورانیومى باید داراى جرم فوق بحرانى باشد، این بدین معناست که مقدار کافى و مناسبى از اورانیوم غنى شده جهت شکل گیرى یک واکنش زنجیرى خود به خود پیش رونده موردنیاز است.

براى تنظیم و کنترل فرآیند شکافت میله‌هاى کنترل کننده از جنس موادى نظیر گرافیت با قابلیت جذب نوترونهاى درون راکتور وارد محفظه مى شوند. این میله‌ها با جذب نوترونها باعث کاهش شدت فرآیند شکافت مى‌شوند. در حال حاضر بیش از چهارصد نیروگاه هسته‌اى در جهان وجود دارند و 17 درصد الکتریسیته جهان را تولید مى کنند. راکتورها همچنین در کشتیها و زیردریاییها کاربرد دارند.

باز پردازش


باز پردازش یک عملیات شیمیایى است که سوخت کارکردى را از زباله‌هاى اتمى جدا مى‌کند. در این عملیات میله سوخت مصرف شده ، غلاف بیرونى فلزى خود را در قبال حل شدن در اسید نیتریک داغ از دست مى‌دهد. محصولات این عملیات که در راکتور مورد استفاده دوباره قرار مى‌گیرد، شامل 96 درصد اورانیوم ، سه درصد زباله اتمى به شدت پرتوزا و یک درصد پلوتونیوم است.

همه راکتورهاى هسته‌اى پلوتونیوم تولید مى‌کنند، اما انواع نظامى آنها بصورت کاملا بهینه‌ترى نسبت به سایر انواع راکتور این کار را انجام مى‌دهند. یک واحد باز پردازش و یک راکتور جهت تولید مقدار کافى پلوتونیوم مى‌توانند به صورت نامحسوسى در یک ساختمان عادى جاسازى شوند.این مسئله باعث مى شود استخراج پلوتونیوم با کمک باز پردازش به گزینه‌اى جذاب براى هر کشورى که به دنبال برنامه‌هاى غیرقانونى سلاحهاى اتمى است، تبدیل شود.

بمب پلوتونیومی


پلوتونیوم مزیتهاى متعددى نسبت به اورانیوم به عنوان جزیى از سلاحهاى اتمى دارد. تنها حدود چهار کیلوگرم پلوتونیوم براى ساخت یک بمب موردنیاز است، همچنین براى تولید 12 کیلوگرم پلوتونیوم در هر سال تنها به یک واحد کوچک باز پردازش نیاز است. یک کلاهک هسته‌اى شامل یک کره پلوتونیوم ، احاطه شده توسط پوسته‌اى از فلز، مثلا بریلیوم ، است که نوترونها را به فرآیند شکاف باز مى‌گرداند. این مسئله باعث مى‌شود مقدار کمترى پلوتونیوم براى رسیدن به جرم بحرانى و ایجاد یک واکنش شکافت زنجیره‌اى مورد نیاز باشد.

به هرحال یک گروه تروریستى براى دسترسى به پلوتونیوم از راکتورهاى هسته‌اى غیرنظامى داراى مشکلات کمترى نسبت به دسترسى به اورانیوم غنى شده جهت ایجاد یک انفجار هسته‌اى هستند. کارشناسان معتقدند که بمبهاى عمل آورى شده پلوتونیوم مى‌تواند با تخصصى کمتر از آنچه که توسط فرقه «آئوم» در حمله با گاز اعصاب به مترو توکیو (1995) بکار گرفته شد، طراحى و جمع آورى شود. یک انفجار هسته‌اى از این نوع مى‌تواند با نیروى معادل یکصد تنی TNT منفجر شود؛ بیست بار قویتر از بزرگترین حمله تروریستى تاریخ می‌باشد.

[Borna66]

انرژی هسته ای به زبان ساده

به نظر عجيب مي رسد كه يك نيروگاه هسته اي نزديك نيروگاه بزرگ زغال سوز از توربينهاي بخاري براي حركت الترناتورها وتوليدالكتريسيته استفاده كند.در صورتي كه تنها تفاوت در نوع منبع توليد حرارت انهاست.در مركز هر نيروگاه هستهاي يك راكتور قرار دارد.راكتور ظرف بزرگي است كه در ان گرما به مقدار بسيار زياد در اثر واكنشهايي به نام شكافت هسته توليد مي شود.گرماي حاصل از شكافت هسته براي توليد بخار و حركت تور بينها به كار مي رود.

براي درك پديده شكافت هسته لازم است كه اطلاعاتي درباره خود اتم داشته باشيم.

اجسام از اتمهايي ساخته شده است . اتمها آن اندازه كوچكند كه نمي توان آنها را ديد. در يك قطره آب ميليونها اتم وجود دارد. مدتها دانشمندان بر اين باور بودند كه اتم كوچكترين جزئي است كه وجود دارد واژه اتم يك كلمه يوناني است به معني تجزيه ناپذير كه نمي توان آن را تقسيم كرد. بهرحال در سال 1905 آلبرت انيشتين نظريه مشهوري را اعلام كرد او گفت: كه اگر اتمي را بتوانيم به روشي تغيير دهيم و يا بشكافيم مقدار بسيار زيادي انرژي آزاد خواهد شد. اولين دانشمندي كه توانست اتم را بشكافد و موفق به اين كار شد ارنست رادرفورد بود. اين آزمايش مشهور در آزمايشگاه كاونديش در كمبريج در سال 1919 انجام شد. از اين پس رادرفورد و ديگر دانشمندان به تحقيق پرداختند تا ثابت كنند كه اتمها خود از ذره هاي كوچكتر و يا از ذرات بنيادي ساخته شده اند. ما اكنون مي دانيم كه قسمت عمده هر اتم را فضاي خالي تشكيل مي دهد در مركز هر اتم هسته قرار دارد. در اطراف هسته يك يا چند الكترون كوچك و مشابه همواره در مدارهايي دوران مي كنند. هسته ها از پروتونها و نوترونها ساخته شده اند. هيدروژن گاز بسيار سبك وزني است و اتمها ي آن ساده ترين اتمها ست. هر اتم هيدروژن از يك پروتون كه هسته اتم است و يك الكترون تشكيل شده است. در مقابل اورانيم فلز بسيار سنگيني است. هر اتم اورانيم داراي 92 پروتون و بيش از يكصد نوترون در هسته است و 92 الكترون در مدارهاي آن حركت مي كنند. اورانيم تنها ماده طبيعي است كه پديده شكافت در آن به آساني صورت مي گيرد. هنگامي كه يك نوترون به هسته يك اتم آن برخورد كند اين هسته به دو جزء تقريبا" مساوي تقسيم مي شود، اين اجزاء با سرعت زيادي تقسيم مي شوند و همزمان دو يا سه نوترون آزاد مي شود و باعث شكسته شدن اتمهاي ديگر اورانيم مي شوند. هنگامي كه اين نوترونها با هسته اتمها برخورد كنند شكافتهايي جديد صورت مي گيرد و مقدار بسيار زيادي گرماتوليد مي شود. اين عمل را واكنش زنجيري مي ناميم كه در نتيجه انرژي آزاد مي شود . همانطوري كه در پديده شكافت گرما توليد مي شود، راديو اكتيو نيز ظاهر مي گردد پرتوهاي مواد راديو اكتيو خطرناك و قابليت نفوذ زيادي دارند ورقه كلفت فولاد و ديواره هاي بتوني كه در مركز رآكتور به يكديگر متصل شده اند قرار مي دهند همانطور كه بايد بتوانيم ميزان حرارتي را در اجاق گاز كم و زياد كنيم لازم است كه بتوانيم شكاف هسته را نيز كنترل كنيم اين عمل نظارت و كنترل بوسيله ميله هايي از جنس بر يا كادميمم كه درون راكتور قرار مي گيرند انجام مي شود. اين ميله ها نوترونها را جذب مي كنند و سرعت واكنش زنجيري را كاهش مي دهند اگر دماي رآكتور بالا رود و گرماي بيش از حد توليد شود ميله ها كاملا" به طرف برده مي شوند و واكنشهاي رآكتور كاملا" متوقف مي گردد بايد بتوان گرماي حاصل از درون رآكتور را خارج كنيم و اين خيلي مهم است براي انجام اين كار مايع يا گازي را به درون رآكتور مي فرستيم گرماي حاصله مي تواند آب را در مبدلهاي حرارتي بجوش آورد عمل آن نظير آبگرمكن كوچك خانه شما است كه آب گرم حمام شما را تامين مي كند. در نيروگاهها مبدلهاي حرارتي آب را به جوش مي آورند و بخار حاصل از آن براي حركت توربين استفاده مي شود. توربين ها، آلترناتورها را به حركت در مي آورند و الكتريسيته توليد مي شود نظير همه نيروگاهها كه مواد زائدي از سوختهاي آنها حاصل مي شود رآكتورها نيز مواد زائدي توليد مي كنند و نظر به اينكه خاصيت راديو اكتيويته اين مواد براي سالهاي سال باقي مي ماند بايد با نهايت مراقبت آنها را جابجا كرد.

دانشندان اكنون روي اين برنامه كار مي كنند كه مواد زائد را بصور ت قالبهاي شيشه اي درآورند و جمع آوري و نگهداري كنند. دانشمندان اميدوارند كه در آينده واكنش همجوشي را جانشين واكنش شكافي نمايند. در واكنش هم جوشي اتمهاي سبك مانند هيدروژن با يكديگر تركيب مي شوند و مقدار بسيار زيادي انرژي توليد مي كنند، در اين نوع واكنش پس مانده بوجود نمي آيد. شايد روزي دانشمندان اين مسئله را حل كنند. هنگامي كه آنها توفيق اين كار را بيابند مردم جهان به يك منبع انرژي بي پايان دست خواهند يافت. اورانيم كمياب است و استخراج آن گران تمام مي شود وليكن هيچگاه كمبود هيدروژن نخواهيم داشت و تا زماني كه آب كه تركيبي از اكسيژن و هيدروژن است موجود باشد مشكلي از نظر هيدروژن نداريم.

[Borna66]

شکافت هسته ای القا شده در اورانیوم


http://pnu-club.com/imported/mising.jpg

سه نکته در شکافت القا شده اورانیوم 235 وجود دارد که آن را جالب توجه می‌کند:

الف: فرآیند جذب نوترون و شکسته شدن هسته بسیار سریع است. زمان این واکنش از مرتبه پیکو ثانیه است، یعنی 10-12 ثانیه یا یک میلیون میلیونیم ثانیه!

ب: زمانی که یک اتم شکسته می‌شود، مقدار بسیار زیادی انرژی آزاد می‌شود که باور نکردنی است. این انرژی به صورت گرما و تابش امواج الکترومغناطیسی آزاد می‌شود که بخش اعظم انرژی به صورت پرتوهای گاما و X است؛ البته دو اتمی که در نتیجه شکافت به وجود آمده اند ( کریپتون وباریم ) نیز تابش بتا و گاما ساطع می‌کنند. انرژی فراوان شکسته شدن هسته، از تفاوت جرم محصولات شکافت هسته ای و جرم هسته اولیه به دست می‌آید. مجموع جرم محصولات فرآیند شکافت جرم محصولات فرآیند شکافت از جرم هسته اولیه کمتر است و طبق معادله مشهور E=mc2، این مقدار انرژی به دست می‌آید.
در اثر شکافت هسته اتم u-235، انرژی زیادی از مرتبه 200meV ( بخوانید دویست مگا الکترون ولت ) آزاد می‌شود. هر الکترون ولت معادل 19-10 *602/1 ژول انرژی است، پس انرژی شکافت از مرتبه سی پیکوژول است ( 11-10 *3 ژول )؛ ولی اگر توان فرآیند شکافت را محاسبه کنیم، می‌بینیم که:
P=3*10-11J/10-12s=30vv
شاید توان 30 وات برای یک اتم خیلی چشمگیر نباشد ( که بسیار زیاد است )، ولی توجه داشته باشید که نیم کیلو گرم اورانیوم 235 شامل 1024 اتم است! این نیم کیلوگرم از یک توپ بیسبال هم کوچکتر است! اگر اورانیوم به مقدار کافی غنی شده باشد، انرژی حاصل از شکافت آن معادل انرژی حاصل از سوختن کامل 3780 متر مکعب گازوئیل است که فضایی معادل یک خانه شش طبقه را اشغال می‌کند. احتمالا اکنون می‌توانید تصوری از انرژی نهفته در مقدار اندکی اورانیوم داشته باشید. البته ذکر این نکته ضروری است که برای استفاده از این خصوصیات u-235، باید آن را غنی سازی کرد و درصد این ایزوتوپ را در سوخت افزایش داد. یک نمونه غنی شده اورانیوم باید حداقل 2 تا 3 درصد u-235 داشته باشد. غنی سازی 3 درصد برای استفاده در یک رآکتور هسته ای غیر نظامی کافی است، در حالی که اورانیوم مورد استفاده در تسلیحات هسته ای دارای غنی سازی بیش از 90 درصد است.

ج: احتمال آنکه u-235، نوترونی را که از کنارش عبور می‌کند جذب کند بسیار بالا است. همان طور که اشاره شد، در فرآیند شکافت هسته ای بسته به چگونگی شکسته شدن اتم بین 2 تا 3 نوترون آزاد می‌شود. اگر در محیط هیچ اورانیوم 235 دیگری وجود نداشته باشد، نوترونهای آزاد شده به صورت تابش های نوترونی در فضا پراکنده می‌شوند. ولی اگر این اتم بخصوص شکافته شده بخشی از یک جرم اورانیوم 235 باشد، یعنی اتمهای u-235 دیگری هم در اطراف وجود داشته باشند، آنگاه سه حالت ممکن است روی دهد.
1- اگر به طور متوسط، از هر شکافت دقیقا یک نوترون آزاد به هسته u-235 دیگری برخورد کند و موجب شکافت آن شود، گفته می‌شود که جرم اورانیوم، جرم بحرانی است. دریک دمای پایدار، جرم بحرانی احتمالی حتماً وجود خواهد داشت.
2- اگر به طور متوسط، کمتر از یک نوترون آزاد به هسته u-235 دیگری برخورد کند و موجب شکافت آن شود، گفته می‌شود که جرم اورانیوم، زیر بحرانی است. در چنین جرمی، شکافت القایی نهایتا متوقف می‌شود.
3- اگر به طور متوسط، بیش از یک نوترون آزاد به هسته u-235 دیگری برخورد کند و موجب شکافت آن شود، گفته می‌شود که جرم اورانیوم فوق بحرانی است. در این حالت واکنش شکافت از کنترل خارج می‌شود و دما به سرعت بالا می‌رود.
میزان غنی بودن اورانیوم ( مقدار u-235 موجود در سوخت ) و هم چنین شکل توده، بحرانی بودن اورانیوم را کنترل می‌کند. وفرض کنید اورانیوم به صورت ورق های بسیار نازک باشد، در این صورت اغلب نوترونهای آزاد به جای آنکه به اتمهای u-235 برخورد کنند، در فضا پخش می‌شوند. کره، بهترین شکل ممکن برای بحرانی شدن است. مقدار اورانیوم 235 که باید به صورت یک کره جمع شود تا واکنش به صورت بحرانی پیش رود 900 گرم است. این مقدار به جرم بحرانی معروف است. در مورد پلوتونیوم 239، جرم بحرانی 283 گرم است!


http://pnu-club.com/imported/mising.jpg

سنگ اورانیوم

[Borna66]

بمب کثیف چگونه کار می‌کند؟

بمب کثیف یا بمب پخش کننده مواد رادیواکتیو از نظر تئوری بسیار ساده است: یک ماده منفجره معمولی مانند Tnt که همراه با مواد رادیواکتیو در یک محفظه قرار گرفته اند. این بمب نسبت به یک بمب هسته ای بسیار ساده تر، ارزان تر و البته کم اثرتر است، والبته هنوز از قابلیت تخریب انفجاری و آسیب های تشعشعی برخوردار است.
مواد منفجره از طریق گاز بسیار داغی که به سرعت منبسط می‌شود، موجب آسیب های تخریبی فراوانی می‌شوند. ایده اصلی بمب کثیف هم این است که به جای آنکه از این قدرت انبساطی گاز در جهت تخریب استفاده شود، به عنوان پخش کننده مواد خطرناک رادیواکتیو در سطحی وسیع استفاده شود. هنگامی که انفجار پایان یافت، مواد رادیواکتیو به صورت ابری از غبار در فضا پخش می‌شود که همراه با وزش باد، در سطحی وسیع تر از محل انفجار پراکنده می‌شود. اثر تخریبی طولانی مدت بمب، تشعشع یونیزه کننده مواد رادیواکتیو است. اتمها را یونیزه کند و مجموعه ای از یونهای مثبت و منفی را درون سلولها ایجاد کند. این پدیده در بدن انسان بسیار خطرناک است، زیرا جریان الکتریکی ناشی از حرکت یونها می‌تواند واکنش شیمیایی غیر طبیعی را در سلولها آغاز کند. علاوه بر اینها، این یونها ممکن است مولکولهای Dna را که حاوی کدهای ژنتیکی انسان هستند، مورد حمله قرار داده و آن را بشکنند. سلولی که رشته Dna آن شکسته شد، یا می‌میرد و یا مولکول Dna خودش را به شکل دیگری ترمیم می‌کند که با شکل پیشین خود متفاوت است و به آن جهش ژنتیکی می‌گویند. اگر بسیاری از سلولها بمیرند، بدن دچار بیماری های مختلف می‌شود. ولی اگر Dna جهش کند، سلول ممکن است سرطانی شود و سرطان در بدن پخش شود. تابش رادیواکتیو هم چنین می‌تواند در کارکرد سلول اختلال ایجاد کند که منجر به بروز علایمی می‌شود که از آن به بیماری تشعشع یاد می‌شود. بیماری تشعشع می‌تواند مرگ آور باشد، ولی مبتلایان به آن می‌توانند با درمان های پیشرفته از آن نجات پیدا کنند، بخصوص اگر پیوند مغز استخوان روی آنها صورت پذیرد.
تابش یونیز کننده از ایزوتوپ های رادیواکتیو ( رادیو ایزوتوپ‌ها ) ساطع می‌شوند. ایزوتوپ های رادیواکتیو، اتمهایی با هسته ناپایدار هستند که با گذشت زمان دچار واپاشی می‌شوند؛ به عبارت دیگر، آرایش پروتون‌ها و نوترون‌ها در هسته اتم و الکترونها در اطراف اتم به شکلی تغییر می‌کند که موجب می‌شود خصوصیات اتم تغییر کند. این واپاشی رادیواکتیو، انرژی فراوانی را در قالب تشعشع های یونیزه کننده آزاد می‌کند.
ما همیشه مقادیر اندکی از این تشعشع های یونیزه کننده را دریافت می‌کنیم که منشأ آنها طبیعی است: پرتوهای کیهانی که از فضا می‌آیند، ایزوتوپ های رادیواکتیو طبیعی، دستگاههای تابش X و مواردی از این دست. البته این تشعشع های طبیعی هم می‌توانند عامل بروز سرطان شوند، ولی احتمال ابتلا بسیار اندک است. چون ما در برابر مقادیر بسیار اندک آنها قرار داریم.
انفجار یک بمب کثیف، سطح این تشعشع را فراتر از مقدار معمول خود می‌برد و متناسب با آن، احتمال ابتلا به سرطان و بیماری تشعشع را افزایش می‌دهد. یک بمب کثیف بلافاصله تعداد زیادی از انسانها را نمی کشد، بلکه موجب می‌شود تعداد زیادی از انسانها در چند نسل به دلیل ابتلا به بیماری های لاعلاج جان بدهند.
انواع بمب های کثیف

طرح های مختلفی برای ساختن یک بمب کثیف وجود دارد. انواع مختلف مواد انفجاری در مقادیر متنوع، بمب هایی در ابعاد مختلف و با قابلیت های انفجاری متنوع پدید می‌آورند و انواع و مقادیر مختلف مواد رادیواکتیو، می‌تواند موجب آلودگی مناطق مختلف تا اندازه های مختلف شود. برخی از این طرح‌ها عبارتند از:
• یک بمب کوچک که شامل یک تکه دینامیت و مقدار بسیار کمی ماده رادیواکتیو است.
• یک بمب متوسط، همانند یک خودروی کوچک که پر از مواد منفجره و مقدار بیشتری ماده رادیواکتیو است.
• یک بمب بزرگ، همانند یک کامیون پر از مواد منفجره و مقادیر زیاد مواد رادیواکتیو.
• به دست آوردن مواد منفجره معمولاً کار سختی نیست، ولی دست یابی به مواد رادیواکتیو کار بسیار سختی است، زیرا فقط در مرکزهای حفاظت شده و اماکن تحقیقاتی وجود دراند. با این حال برخی منابع در سراسر جهان وجود دارند که از حفاظت خوبی بهره مند نیستند و ممکن است در آینده خطر ساز شوند.
1- در بیمارستانها مقادیر بسیار اندکی از مواد رادیواکتیو وجود دارد که در پزشکی هسته ای کاربرد دارد، همانند سنریوم 137
2- در دانشگاهها، مقادیر اندکی از مواد رادیواکتیو وجود دارد که در تحقیقات علمی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
3- مراکز پرتوتابی غذایی، از تابش های رادیواکتیو کبالت 60 استفاده می‌کنند تا باکتری های مضر روی غذا را نابود کنند.
4- معادن طبیعی اورانیوم در سراسر جهان وجود دارند و برخی از آنها که در آفریقا واقع شده اند، از حفاظت چندانی برخورد نیستند. اورانیوم طبیعی رادیواکتیو است، ولی غلظت آن در حدی نیست که مستقیماً در تهیه بمب های هسته ای مورد استفاده قرار گیرد.
5- مقادیر نسبتاً زیادی از باتری های هسته ای مصرف شده در سطح کشورهای اتحاد جماهیر شوروی سابق پخش شده است این مولد های قابل حمل گرما الکتریکی از مقادیر قابل توجهی استرونسیوم 90 برخوردار هستند که ایزوتوپ رادیواکتیو بسیار قدرتمندی است.
6- سوخت های هسته ای مصرف شده در راکتورهای روسی قدیمی که معمولاً در زیر دریایی های قدیمی و از کار افتاده هسته ای یافت می‌شود.
7- برخی مواد با رادیواکتیویته بسیار پایین هم در برخی وسایل زندگی روزمره یافت می‌شوند که جمع آوری آنها، می‌تواند نوعی تهدید به شمار آید. همانند مواد رادیواکتیو به کار رفته در حسگرهای هشدار دهنده رود.
آسیب های ناشی از بمب کثیف

9- جدای از این که بدانیم بمب کثیف چگونه تهیه می‌شود و خطر دست یابی سودجویان به آن چقدر زیاد است، پرسش مهم این است که اگر کسی چنین بمبی را منفجر کند، چه اتفاقی روی می‌دهد؟ پاسخ دقیقی برای این پرسش موجود نیست. شما می‌توانید از ده متخصص در این زمینه بپرسید و ده پاسخ متفاوت دریافت کنید. تعیین دقیق اثرات یک بمب کثیف کار پیچیده ای است، چرا که عوامل بسیاری در این راه دخالت دارند؛ حتی وزش باد هم در تأثیرات چنین بمبی دخالت دارد!
یک بمب کثیف معمولی را در نظر می‌گیریم که بین 5/4 تا 23 کیلوگرم ماده منفجره در بر دارد و مقدار بسیار کمی از ماده رادیواکتیو رده پایین همانند کبالت 60 یا سزیوم 137 که در آزمایشگاههای یک دانشگاه می‌توان آنها را پیدا کرد. چنین بمبی قدرت تخریب وحشتناکی ندارد. هر گونه مرگ آنی یا تخریب اولیه فقط به خود ماده منفجره برمی گردد. البته ماده منفجره مواد رادیواکتیو را در فضا پخش می‌کند و احتمالاً سطحی به مساحت چند کیلومتر مربع را آلوده خواهد کرد. البته بمب هایی که از ضایعات رادیواکتیو نیروگاههای هسته ای یا ژنراتورهای هسته ای قابل حمل استفاده می‌کنند، آسیب های بیشتری وارد خواهند کرد، ولی کارکردن با این مواد به مراتب دشوارتر است؛ چرا که تابش این مواد به قدری شدید است که در طول زمان ساختن و حمل و نقل بمب، سازندگان را از پای در می‌آورد.
در شرایط انفجار یک بمب معمولی، اگر در طول یک روز از شر لباس های آلوده خلاص شویم، حمام بگیریم و منطقه را پاکسازی کنیم، احتمالاً هیچ مشکلی پیش نخواهد آمد. انفجار بمب میزان تابش رادیواکتیو را از حد مجاز بالاتر می‌برد، ولی مقدار آن خیلی نیست. بدن انسان می‌تواند در کوتاه مدت، به خوبی از عهده مقابله با این اثرات برآید. البته مردمی که خیلی به انفجار نزدیک بوده اند، احتمالاً به بیماری تشعشع مبتلا می‌شوند و نیاز به مراقبت های بیمارستانی دارند.
نگرانی اصلی در مورد تابش های بلند مدت است. بسیاری از ایزوتوپ های رادیواکتیو، با مواد دیگر بسیار خوب واکنش می‌دهند ( از جمله با بتن و فلزات ) و از این رو نمی توان بدون نابود کردن قطعات ساختمانی، تمامی مواد رادیواکتیو را پاکسازی کرد. حتی پس از آنکه گروههای پاکسازی بخش اعظم مواد مضر را جابجا کردند، باز هم بخش اندکی از این مواد باقی می‌مانند که می‌توانند تا سالها و بلکه دهها سال به تشعشع دهند. هر کس در چنین منطقه ای زندگی کند، به طور منظم و در دوره ای طولانی تحت اثر تابش های مضر قرار می‌گیرد و احتمالاً به سرطان مبتلا خواهد شد.
پرسشی که اکنون مطرح می‌شود، این است که آیا این مقدار اندک، می‌تواند خطر بسیار اندکی را متوجه مردم بکند، خطری به مراتب فراتر از عوامل فعلی ایجاد کننده سرطان؟ دانشمندان برای پاسخ به این پرسش، دو دسته می‌شوند: گروه نخست معتقد است که اگر دولت، چند هفته تا چند ماه را به پاکسازی منطقه بگذراند، آنگاه خطرات احتمالی قابل صرفنظر خواهد بود. اما گروه دوم، می‌گویند ممکن است شدت حمله بمب کثیف به قدری زیاد باشد که یک شهر را برای سالها و حتی دهها سال غیر قابل سکونت نماید.
این که کدامیک از این دو نظر درست است، چیزی است که نمی توان با قطعیت گفت. برای هر دو پاسخ نمونه هایی وجود دارد. هیروشیما و ناکازاکی که به دلیل انفجار بمب هسته ای در معرض تابش های شدید رادیواکتیو قرار گرفتند، ولی امروزه کاملاً ایمن هستند. از سوی دیگر، مناطقی در اطراف نیروگاه هسته ای چرنوبیل وجود دارند که به دلیل تابش شدید رادیواکتیو هنوز ناامن محسوب می‌شوند.

[Borna66]

ضرورت انرژي هسته‌اي

كاربرد روز افزون انرژي يكي از مظاهر مهم زندگي جديد است. مقدار انرژي مصرفي در ايلات متحده ، كه يك كشور صنعتي پيشرفته است بين سالهاي 1920 تا 1970 با ضريبي حدود 40 افزايش يافته است. اين بدان معني است كه در طول اين 50 سال ، مقدار مصرف انرژي تقريبا هر 10 سال دو برابر شده است. با آنكه هنوز زغال سنگ و نفت وجود دارد. آشكار شده است كه حتي با كوشش‌هاي بيشتر براي استفاده محتاطانه و صرفه جويانه از انرژي ، بازهم منابع انرژي جديدي لازم است، انرژي حاصل از شكافت هسته (و در دو مدت ، از همجوشي) مي تواند اين نياز را مرتفع سازد.

آيا بحران انرژي حل ميشود؟

نياز براي منابع جديد انرژي در بحران انرژي كه ايالات متحده ، كشورهاي غربي و ژاپن در سالهاي 1974- 1973 با آن مواجه بودند شديدا احساس ميشد. اين كمبود ناشي از آن بود كه كشورهاي توليد كننده نفت در خاورميانه حمل نفت به بعضي از كشورهاي پيشرفته صنعتي را كاهش دادند. اين گونه رويدادها نظرها را بر روشهاي ديگر توليد انرژي متمركز كرد. از مصرف زغال سنگ كه آلودگي بيشتري دارد به انرژي خورشيدي ، و به نقش صنعت توان هسته‌اي در اقتصاد ما كشانيد.

ارمغان فناوري هسته‌اي

پيشرفت توان هسته‌اي در ايالات متحده از آنچه در پايان جنگ جهاني دوم انتظار مي رفت، كندتر بوده است. به دلايل گوناگون ، اداري و فني عمدتا در ارتباط با جنگ سرد با اتحاد شوروي ، كميسيون انرژي اتمي آمريكا ( (AAEC) كه امروزه مركز انرژي Department of Energy ناميده ميشود. تاكيدي بر پژوهش ، درباره سيستمهاي توان الكتريكي هسته‌اي نداشت تا آنكه در 1953 آيزنهاور به اين امر اقدام كرد. در طي سالهاي 1960 توان الكتريكي هسته‌اي از لحاظ اقتصادي با هيدروالكتريسيته و الكتريسيته حاصل از زغال سنگ و نفت رقابت آميز شد.

در آغاز سال 1978، 65 راكتور هسته‌اي با ظرفيتي بيش از 47 ميليون كيلووات كه حدود 9% توليد توان كل الكتريكي ملي است در حال كار بود. با حدود 90 راكتور كه در دست ساختمان بود انتظار ميرفت كه بخش هسته‌اي محصول الكتريسيته امريكا در 1980 به حدود 17% و در 1985 به حدود 28% برسد. در مابقي جهان ، در آغاز 1978 ، حدود 130 راكتور توان هسته‌اي با ظرفيتي حدود 50 ميليون كيلووات در حال كار بود ، و انتظار ميرفت در سال 1995 تعداد آنها به حدود 325 راكتور برسد.

قدرت انرژي هسته‌اي

روش‌هاي استفاده از انرژي هسته‌اي كاملا تازه تكامل يافته‌اند، اما نخستين نتايج به دست آمده از به كارگيري اين روش‌ها مهم‌اند. بدون ترديد ، تكامل بيشتر روش‌هاي توليد و كاربرد انرژي هسته‌اي فرصت‌هاي بي سابقه جديدي را در پيش روي دانش ، فن و صنعت فراهم خواهد آورد. تجسم ميزان كامل اين فرصت‌ها در مرحله نوين دشوار است.

آزادي انرژي هسته‌اي قدرت بيكراني را در اختيار انسان گذاشته است مشروط بر اين كه اين انرژي در راه هدف‌هاي صلح آميز به كار گرفته شود. بايد اين را نيز به خاطر داشت كه طراحي راكتور‌هاي هسته‌اي يكي از نتايج بسيار مهم ساختا دروني ماده است. تابش گسيلي از اتم‌ها و هسته‌هاي اتمي نامرئي و نا محسوس به نتيجه عملي كاملا مرئي ، يعني آزاد سازي و استفاده از انرژي هسته‌اي نهان در اورانيوم ، منتهي شده است. اين نتيجه به يقين اثبات ميكند كه نظرات علمي ما درباره اتم‌ها و هسته‌هاي اتمي درست‌اند، يعني واقعيت عيني طبيعت را باز تاب ميدهند.

[Borna66]

بمب اتمی نام رایج وسایل انفجاری است که در آن‌ها از انرژی آزاد شده در فرآیند شکافت هسته‌ای، یاگداخت هسته‌ای برای تخریب استفاده می‌شود. بمب های اتمی که برمبنای گداخت کار می کنند نسل نوین بمب اتمی هستند و قدرتی بسیار بیشتر از بمب های شکافتی دارند. مبنای آزاد شدن انرژی در هر دو نوع بمب اتمی تبدیل ماده به انرژی (E = mc2)است اما در بمب های گداختی جرم بیشتری از ماده به انرژی تبدیل می شود.

نخستین بمب اتمی که بمبی پلوتونیومی(از نوع شکافتی) بود در سال ۱۹۴5م در جریان جنگ جهانی دوم در آمریکا ساخته و در شانزدهم ژوئیهء1945م در صحرای آلاموگوردو در نیو مکزیکوی امریکا آزمایش شد. آمریکا تنها کشوری است که از بمب اتمی (شکافتی-اورانیومی در هیروشیما وشکافتی - پلوتونیومی در ناگازاکی) استفاده نظامی کرده است. شوروی در سال ۱۹۴۹ دارای بمب اتمی شد.


اختراع این سلاح،ریشه طولانی در تاریخ علم فیزیک و شیمی دارد اما استفاده از دانش به دست آمده، برای ساخت بمب اتمی بیشتر به روبرت اوپنهایمر و ادوارد تلر نسبت داده می شود.


نکاتی در مورد بمب‌ اتمی
منطقه انفجار بمب‌های هسته‌ای به پنج قسمت تقسیم می‌شود:1- منطقه تبخیر 2- منطقه تخریب کلی 3- منطقه آسیب شدید گرمایی 4- منطقه آسیب شدید انفجاری 5- منطقه آسیب شدید باد وآتش. در منطقه تبخیر درجه حرارتی معادل سیصد میلیون درجه سانتیگراد بوجود می‌‌آید و هر چیزی، از فلز گرفته تا انسان وحیوان، در این درجه حرارت آتش نمیگیرد بلکه بخار می‌شود.

آثار زیانبار این انفجار حتی تا شعاع پنجاه کیلومتری وجود دارد و موج انفجار آن که حامل انرژی زیادی است می‌‌تواند میلیون‌ها دلار تجهیزات الکترونیکی پیشرفته نظیر ماهواره‌ها و یا سیستم‌های مخابراتی را به مشتی آهن پاره تبدیل کند و همه آنها را از کار بیندازد.

اینها همه آثار ظاهری و فوری بمب‌های هسته‌ای است . پس از انفجار تا سال‌های طولانی تشعشعات زیانبار رادیواکتیو مانع ادامه حیات موجودات زنده در محل‌های نزدیک به انفجار می‌شود.

پرتو رادیو اکتیو از پرتوهای آلفا، بتا، گاما و تابش نوترونی تشکیل شده است. نوع آلفای آن بسیار خطرناک است ولی توان نفوذ اندکی دارد. این پرتو در بافت زنده تنها کمتر از 100 میکرون نفوذ می کند اما برای آن ویرانگر است. پرتوی گاما از دیوار و سنگ نیز عبور می‌کند.هر 9میلی متر سرب یا هر 25 متر هوا شدت تابش ان را نصف می کند. این پرتو نیز با توجه به فرکانس بسیار بالا، انرژی بالایی که دارد اگر به بدن انسان برخورد کند از ساختار سلولی آن عبور کرده و در مسیر حرکت خود باعث تخریب ماده دزوکسی ریبو نوکلوئیک اسید یا همان DNA و سرانجام زمینه را برای پیدایش انواع سرطان ها، سندرم‌ها ونقایص غیر قابل درمان دیگر فراهم می‌‌کند وحتی این نقایص به نسل‌های آینده نیز منتقل خواهد شد. برای جلوگیری از نفوذ تابش گامابه حدود 10 سانتیمتر دیواره سربی نیاز است.

[Borna66]

نقش انرژي هسته اي در منابع متنوع انرژي آينده
چشم انداز انرژي در چند دهه آينده چالش‌هاي مهمي پيش رو دارد و مساله انرژي به يكي از مهمترين نگرانيهاي بشر در قرن جديد تبديل شده است.
مصرف انرژي در جهان بطور فزاينده‌اي روبه افزايش است. بيشتر شدن جمعيت جهان و روند رشد اقتصادي كشورها، نيازهاي انرژي را افزايش داده است.
درحال حاضر ايجاد تنوع در منابع تامين انرژي به منظور دستيابي به توسعه پايدار مورد توجه همگان قرار گرفته است.
نفت و زغال سنگ مهم‌ترين منابع تامين‌كننده انرژي جهان در جهان محسوب مي‌شوند. اما اين منابع فسيلي كه از آنها به عنوان منابع تجديد ناپذير ياد مي‌شود، ديگر به آساني گذشته قابل بهره‌برداري نيست.
ميانگين افزايش مصرف انرژي پنج تا ده درصد برآورد شده است. اين در حالي است كه با سرعت مصرف امروزي، ذخاير نفت و گاز تا ‪ ۷۰‬سال ديگر به پايان مي‌رسد.
وضعيت منابع زغال سنگ نيز شبيه نفت و گاز است، هر چند برخي برآوردها نشان مي‌دهد ذخاير آن تا پايان قرن دوام خواهد آورد، اما گراني و نيز آلودگي ناشي از مصرف اين سوخت در تامين انرژي نگراني‌هايي را مطرح كرده است.
ساير منابع انرژي مانند خورشيد، آب و باد كه از آنها به عنوان انرژي پاك ياد مي‌شود، علاوه بر آنكه نيازمند شرايط محيطي خاصي است، گران تمام مي‌شود و به سرمايه‌گذاري سنگيني نياز دارد.
انرژي باد اگر چه رايگان است، اما نمي‌توان به پايداري آن اطمينان داشت. انرژي خورشيد نيز به سرمايه‌گذاري هنگفتي نياز دارد و در زمان حاضر استفاده گسترده از آن چندان مقرون به صرفه نيست.
برق خورشيدي كه هزينه توليد آن هشت برابر انرژي حاصل از سوختهاي فسيلي است، كمتر از يك درصد انرژي مصرفي جهان را تامين مي‌كند.
بازدهي منابع انرژي تجديدپذير در كاهش هزينه‌ها و توانايي رقابت با سوختهاي فسيلي اهميت زيادي دارد.
درحال حاضر در جهان ‪ ۴۳۸‬نيروگاه اتمي فعال وجود دارد كه ‪ ۱۷‬درصد برق دنيا را تامين مي‌كنند. در كشورهاي سازمان توسعه و همكاري اقتصادي (‪(OECD‬ اين نسبت به ‪ ۲۳‬درصد مي‌رسد.
انرژي حاصل از يك اتم هسته اورانيوم با انرژي ده ميليون اتم كربن سوختهاي فسيلي برابري مي‌كند. ميزان مصرف سوخت در هرسال براي يك نيروگاه هزار مگاواتي هسته‌اي، بيست تن و براي يك نيروگاه زغالي دوميليون تن و براي يك نيروگاه نفتي، ‪ ۲۵۰‬ميليون ليتر نفت است.
اكسيژن مورد نياز براي توليد هزار مگاوات برق، در يك نيروگاه زغالي، سه ميليون و ‪ ۸۰۰‬هزار تن ولي براي نيروگاه هسته‌اي صفر است.
به ازاي توليد اين ميزان برق، در يك نيروگاه زغالي پنج ميليون و ‪۳۰۰‬ هزارتن دي اكسيد كربن توليد مي‌شود، در حالي كه اين رقم در مورد يك نيروگاه هسته‌اي صفر است.
"لويس اشاواري" مديركل سازمان انرژي هسته‌اي ‪ NEA(‬بازوي تحقيقات هسته‌اي سازمان توسعه و همكاري اقتصادي) مي‌گويد شمار بسياري از
سياستگذاران مسئله امنيت انرژي و نيز حفاظت از محيط زيست را براي ملتهاي خود مطرح مي‌كنند.
منبع اصلي مورد نياز براي انرژي هسته‌اي اورانيم است كه بيش از نيمي از آن در كشورهاي صنعتي سازمان توسعه و همكاري اقتصادي ‪ OECD‬توليد مي‌شود.
اشاواري با توجه به دو مسئله امنيت انرژي و گرم شدن زمين، روي آوردن سياست‌گذاران به انرژي هسته‌اي به خاطر مصلحت آيندگان را كاملا منطقي مي‌داند.
چين طي ‪ ۲۰‬تا ‪ ۲۵‬سال ديگر ‪ ۳۰‬نيروگاه جديد خواهد ساخت. قرار است ‪ ۱۵‬تا ‪ ۲۰‬نيروگاه هسته‌اي نيز در آمريكا ساخته شود. ساخت ‪ ۶‬تا ‪ ۱۰‬راكتور در انگليس تحت بررسي است. فنلاند و فرانسه هم ساخت نيروگاهاي جديد را آغاز كرده‌اند و برخي كشورها مانند آلمان نيز به فكر تجديدنظر در سياست پايان استفاده از انرژي هسته‌اي افتاده‌اند.
ژاپن و كره جنوبي هيچگاه برنامه‌هاي هسته‌اي خود را متوقف نكرده‌اند.
در مورد روسيه و هند هم كه تجربه هسته‌اي دارند، اين انتظار كه بخواهند ظرفيت خود را براي تامين برق مورد نياز براي رشد اقتصادي افزايش دهند كاملا واقع‌بينانه است.
با وجود اجراي طرحهاي جديد، سهم انرژي هسته‌اي به نسبت توليد كل برق جهان در ‪ ۲۰‬سال آينده ثابت مي‌ماند كه علت آن افزايش تقاضا است.
با توجه به ادامه روند رشد اقتصادي كشورها پيش بيني مي‌شود تقاضا براي انرژي تا سال ‪ ۲۰۵۰‬نسبت به سال ‪ ۲۰۰۰‬دو برابر شود.
در هيچ منطقه‌اي از جهان مانند شرق آسيا روند افزايش توليد انرژي هسته‌اي براي تامين تقاضاي فزاينده به انرژي مشهود نيست.
به گفته مديركل انجمن جهاني انرژي هسته‌اي، براي توقف فاجعه زيست محيطي ناشي از انتشار گازهاي گلخانه‌اي و افزايش دماي زمين كه مي‌تواند سبب مرگ ميلياردها نفر شود، تعداد نيروگاه‌هاي هسته‌اي جهان بايد ‪ ۲۰‬برابر شود.
در كشورهاي توسعه يافته اكنون حدود ‪ ۱/۴‬ميليارد نفر يا به عبارتي ‪ ۲۰‬درصد جمعيت جهان، تقريبا ‪ ۸۰‬درصد از منابع انرژي جهان را مصرف مي‌كنند كه اين انرژي بيشتر از سوزاندن نفت و زغال سنگ توليد مي‌شود كه با توليد گازهاي گلخانه‌اي همراه است.
انرژي هسته‌اي از ميان منابع گوناگون انرژي تجديدناپذير كه آلايندگي را به همراه دارند و منابع انرژي تجديدپذير كه هنوز سهم چنداني در توليد انرژي نيافته‌اند ارزانترين، سالمترين و بهترين منبع انرژي محسوب مي‌شود.
گرم شدن هواي زمين و افزايش بهاي سوخت‌هاي فسيلي باعث شده است انرژي هسته‌اي در برنامه توسعه بسياري از كشورها گنجانده شود.
نقش تاريخي انرژي در توسعه بشر
حدود نيم ميليون سال پيش انسان طرز ساختن آتش را فراگرفت. او توانست با جمع‌آوري و سوزاندن چوب خود را گرم كند، غذا بپزد و ابزارهاي ساده و ابتدايي بسازد. هزاران سال بعد مصريها اصول دريانوردي را كشف كردند و بعدها چرخ آبي ابداع شد. در تمامي اين فعاليتها از اشكال گوناگون انرژي به شكل زيستي، خورشيدي و هيدروليك استفاده شده است.
انرژي كه به معناي توانايي انجام دادن كار است، براي تامين نيازهاي اوليه انساني، افزايش طول عمر و بالا بردن سطح زندگي ضروري است.
انسان در طول هزاران سال از زندگي ابتدايي كه به انرژي حاصل غذايي كه جمع‌آوري مي‌كرد وابسته بود و به مرور به انسان شكارچي تبديل شد كه غذاي بيشتري دراختيار داشت و از آتش براي گرم كردن و پختن غذاي استفاده مي‌كرد و سپس در اين جريان تحول، به كشاورز ساده‌اي بدل گرديد كه از حيوانات اهلي به عنوان منبع انرژي براي كار استفاده مي‌كرد.
اولين گامها در استفاده از انرژي مكانيكي با مهار نيروي آب و باد برداشته شد. بعدها انقلاب صنعتي با كمك نيروي بخار و زغال سنگ بنيان‌هاي جامعه فناوري امروزي را بنا نهاد و پيشرفتهاي مهمي مانند ساخت موتور احتراق دروني و توليد انبوه برق بدست آمد.
مصرف انرژي اكنون در مقايسه با دوران قبل از انقلاب صنعتي كه در اواخر قرن هجدهم در اروپا اتفاق افتاد، صد برابر شده است.
امروزه در كشورهاي صنعتي مصرف سرانه انرژي ‪ ۱۵۰‬تا ‪ ۳۵۰‬گيگاژول است كه بخش فزاينده‌اي از آن به صورت الكتريسيته مصرف مي‌شود. (يك گيگاژول ‪۱۰‬ به توان ‪ ۹‬ژول است.)
جمعيت
.......
تنها يك چهارم جمعيت جهان كه ساكن كشورهاي صنعتي هستند، سه چهارم انرژي مصرفي در سراسر جهان را مصرف مي‌كنند.
پيش بيني شده است رشد جمعيت تا آينده نزديك همچنان با سرعت ادامه خواهد داشت و جمعيت جهان از ‪ ۶‬ميليارد نفر در حال حاضر تا ‪ ۲۵‬سال آينده به ‪ ۸‬ميليارد نفر و احتمالا تا اواخر قرن حاضر به ‪ ۱۰‬ميليارد نفر افزايش خواهد يافت. بيشترين ميزان رشد جمعيت متعلق به كشورهاي در حال توسعه خواهد بود كه همين حالا هم بيش از سه چهارم جمعيت جهان را در خود جاي داده‌اند.
حتي اگر كشورهاي پيشرفته سياستهاي انرژي كارآمدتري براي جلوگيري از افزايش مصرف انرژي اتخاذ كنند، افزايش جمعيت جهان تاثير چشمگيري بر تقاضا براي انرژي خواهد گذاشت و تا سال ‪ ۲۰۵۰‬ميلادي تقاضا براي انرژي به دو برابر خواهد رسيد.
انرژي را مي‌توان در دو مقوله اوليه و ثانويه مورد توجه قرار داد.
انرژي اوليه انرژي به شكل منابع طبيعي مانند چوب، زغال سنگ، نفت، گاز طبيعي، اورانيم، باد، انرژي آب، و خورشيد است.
انرژي ثانويه اشكال قابل استفاده‌تر انرژي مانند الكتريسيته و بنزين است كه انرژي اوليه به آن تبديل مي‌شود.
انرژي اوليه به دو صورت انرژي تجديدپذير و يا انرژي تجديدناپذير است.
منابع انرژي تجديدپذير شامل خورشيد، باد، و انرژي امواج ، توده زيستي (مانند چوب، و محصولاتي مانند شكر) انرژي حرارت مركزي زمين و انرژي آب است.
منابع انرژي تجديدناپذير شامل سوختهاي فسيلي (زغال سنگ، نفت، گاز طبيعي) كه به همراه اورانيم بيش از ‪ ۸۰‬درصد نيازهاي انرژي امروزه ما را تامين مي‌كنند.
دسترسي به انرژي
.................
درحال حاضر كمبود انرژي اوليه وجود ندارد. خورشيد هر روز پرتوهاي انرژي بخش خود را به زمين مي‌فرستد. اين انرژي به اشكال گوناگوني در بادها، امواج، درختان و گياهان كه اشعه خورشيد را به توده زيستي گياهي تبديل مي‌كند ديده مي‌شود. علاوه بر آن مقادير عظيمي انرژي در مواد پوسته زمين يعني سوختهاي فسيلي وجود دارد كه انرژي خورشيد را در خود ذخيره مي‌كنند. اورانيم يك منبع انرژي است كه ميلياردها سال پيش و قبل از تشكيل منظومه شمسي در زمين محبوس بوده است.
چالش امروز جهان رهايي از وابستگي شديد به سوختهاي فسيلي و استفاده بيشتر از منابع انرژي غيركربني است. نگراني در خصوص پيامدهاي گرم شدن كره زمين يك دليل مهم اين چالش است.
سوخت‌هاي فسيلي
................
زغال سنگ اولين سوخت فسيلي بود كه كاربرد گسترده‌اي در صنعت يافت و استانداردهاي زندگي مردم را بهبود بخشيد. نفت يك منبع انرژي مناسب است.
نفت بخاطر دسترسي آسان و قيمت پايين نقش مهمي در رشد اقتصادي بسياري از كشورها در قرن گذشته داشته است. نفت در صنعت حمل و نقل نقش حياتي دارد.
گاز طبيعي نيز كاربرد وسيعي در كنار زغال سنگ و نفت به عنوان يك سوخت چندكاربردي پيدا كرده است.
چنانچه منابع انرژي مناسب براي توليد برق را مد نظر قرار دهيم مشاهده مي‌كنيم ‪ ۴۰‬درصد انرژي مصرفي اوليه صرف توليد برق مي‌شود و با رشد ‪۲/۷‬ درصدي در سال تقاضا براي برق در سراسر جهان دو برابر تقاضاي انرژي خواهد بود.
قابليتها و محدوديتهاي هر يك از منابع انرژي الكتريكي
.................................................. .
هيدروالكتريك: كارخانجات توليد هيدروالكتريك بدون آلوده كردن هوا برق توليد مي‌كنند. مهار انرژي آب غالبا با ساخت سدهاي بزرگ بر روي درياچه‌ها انجام مي‌شود. هيدروالكتريسيته امروزه ‪ ۱۸‬درصد برق مصرفي جهان را تامين مي‌كند. در بسياري از كشورها بيشتر مكانهاي مناسب احداث سد مورد استفاده قرار گرفته و امكان توسعه اين منبع انرژي چندان فراهم نيست.
ساير منابع انرژي تجديد پذير قابليت بيشتري براي افزايش مصرف دارند اما ويژگيهايي دارند كه مانع از آن مي‌شود نقش مهمي در تامين نيازهاي الكتريسته بازي كند.
انرژي خورشيدي داراي جاذبه منطقي قابل توجهي دارد. اما اين انرژي براي توليد برق قابليت محدودي دارد بسيار متناوب و بسيار پراكنده است. توليد انرژي خورشيدي در شب و درصورت پوشش ابر در آسمان مختل مي‌شود اين امر باعث مي‌شود بخش كوچكي از ظرفيت نيروگاه برق خورشيدي مورد استفاده قرار گيرد. همچنين مشكل كاهش شدت پرتوها و ضرورت تبديل پرتوهاي ضعيف به برق كم بازده (كمتر از ‪ ۲۰‬درصد) وجود دارد. هرچند اين مسئله موضوع تحقيقات بسياري در دهه‌هاي گذشته بوده است.
امكان ذخيره انرژي حاصل از خورشيد در مقياس كوچك و با هزينه نسبتا بالا وجود دارد. در مقياس وسيع توليد انرژي خورشيدي بايد با پشتيباني ساير منابع الكتريسيته همراه باشد. هرچند نمي‌توان اين واقعيت را رد كرد كه آفتاب رايگان است، اما هزينه‌هاي انرژي و مواد براي تبديل ، نگهداري، و ذخيره بسيار بالا است. نقش اصلي انرژي خورشيدي در آينده در گرم كردن مستقيم خواهد بود.
باد نيز همانند خورشيد رايگان است و بطور فزاينده‌اي براي توليد الكتريسيته مهار مي‌شود. درحال حاضر ظرفيت انرژي باد در سراسر جهان حدود ‪ ۲۰‬هزار مگاوات است. اما براي تامين نيازهاي الكتريسيته در مورد باد نيز كه هميشه نمي‌وزد مسائل مشابه پشتيباني مانند انرژي خورشيدي مطرح است.
با اين حال هزينه‌ها كاهش يافته و در برخي نيروگاههاي جديد در آمريكا با هزينه‌ها در منابع متعارف برابري است.
انرژي درون زمين از گرماي طبيعي زير سطح زمين بدست مي‌آيد. در جاهايي كه امكان مهار بخار داغ زيرزميني و آوردن آن به سطح زمين وجود دارد امكان توليد برق نيز ميسر است. منابع انرژي درون زمين در برخي نقاط زمين قابل استفاده است و حدود ‪ ۸‬هزار مگاوات برق توليد مي‌شود.
چشم اندازهايي در ديگر نقاط وجود دارد كه مي‌توان آب را با تلمبه به قسمتهاي بسيار گرم پوسته زمين هدايت كرد و از آن براي توليد برق استفاده نمود.
توده زيستي : بيشتر محصولات كشاورزي و جنگلها از نظر فني قابليت تبديل به برخي اشكال انرژي را دارند، حتي اگر هدف اصلي توليد محصول، تامين غذا باشد. درحال حاضر برخي "مزارع انرژي" وجود دارد كه محصولات منحصرا براي توليد انرژي كشت مي‌شوند. اين مزارع با ساير محصولات بر سر آب، كود و خاك رقابت دارند. به همين خاطر بايد بين غذا و سوخت يكي انتخاب شود. توده زيستي منبع انرژي مفيد و روزافزون بخصوص براي جوامع روستايي در كشورهاي جهان سوم است و زائدات آلي و گياهان آبي براي توليد متان يا "بيوگاز" قابل استفاده است. با اين حال اين منبع انرژي نقش بسيار كوچكي در تامين نيازهاي انرژي دارد.
با ورود به قرن جديد تنها منابع انرژي دردسترس براي توليد اقتصادي برق انبوه احتمالا گاز، زغال سنگ و انرژي هسته‌اي خواهد بود.
استفاده از نفت براي توليد برق بسيار گران تمام مي‌شود. علاوه برآن نفت از مزيت مهم يك سوخت قابل حمل براي صنعت حمل و نقل برخوردار است.
نفت براي كاربردهاي خاص مانند حمل و نقل و در صنعت پتروشيمي استفاده مي‌شود.
گاز همانند نفت است ارزش آن بيشتر از آن است كه براي مصارفي مانند توليد انبوه برق به هدر رود. اما بعد از شوك قيمتهاي نفتي در دهه ‪ ۱۹۷۰‬به دنبال اكتشافات گسترده ذخاير عظيم گاز طبيعي در بسياري از نقاط جهان كشف شد و امروزه كاربرد گسترده‌اي در نيروگاههاي برق يافته است.
خاصيت اصلي گاز، قابليت لوله‌كشي بي‌خطر و كم هزينه آن براي مصارف صنعتي و خانگي و توليد گرما با بازده بسيار بالا است.
زغال سنگ منبع فراواني است كه توليد جهاني آن به ‪ ۳/۵‬ميليارد تن در سال مي‌رسد و بيشتر آن براي توليد برق مصرف مي‌شود. زغال سنگ ‪ ۳۸‬درصد برق جهان را تامين مي‌كند درحالي كه سهم اورانيوم ‪ ۱۶‬درصد است. در كشورهاي عضو سازمان توسعه و همكاري اقتصادي (‪ (OECD‬اين رقم به ترتيب ‪ ۳۸‬درصد و ‪۲۴‬ درصد است.
اورانيوم ماده‌اي است كه به وفور يافت مي‌شود و در صورت وجود تقاضا، با كمك فناوريهاي موجود مي‌توان توليد آن را ‪ ۶۰‬برابر كرد.
توليد جهاني معادن اورانيوم حدود ‪ ۳۵‬هزار تن در سال است اما بخش زيادي از بازار، از محل منابع ثانويه شامل مواد سلاحهاي هسته‌اي برچيده شده تامين مي‌شود. عملا تمامي اين توليدات براي توليد برق مورد استفاده قرار مي‌گيرد.
تبديل انرژي : ارزش گرمايي سوخت‌هاي گوناگون
------------------------------------------------------------ هيزم ‪ ۱۶‬مگاژول در هر كيلوگرم
زغال سنگ قهوه‌اي ‪ ۹‬مگاژول در هر كيلوگرم
زغال سنگ سياه(نامرغوب) ‪ ۱۳‬تا ‪۲۰‬
زغال سنگ سياه ‪ ۲۴‬تا ‪۳۰‬
گاز طبيعي ‪ ۳۹‬مگاژول در هر مترمكعب
نفت خام ‪ ۴۵‬تا ‪ ۴۶‬مگاژول در هر كيلوگرم
اورانيوم(در راكتور آب سبك) ‪ ۵۰۰‬هزار مگاژول در هر كيلوگرم ------------------------------------------------------------- از نظر تئوري ذخاير جهاني زغال سنگ براي توليد برق مورد نياز بيش از صد سال كافي است. اما احتمال مي‌رود مقادير بيشتري از زغال سنگ‌هاي استخراجي در آينده به سوختهاي باارزش‌تر مايع تبديل شود و بنابراين براي توليد برق استفاده نگردد. مشكلات زيست محيطي و نيز مشكلات مرتبط با افزايش استخراج و مصرف زغال سنگ نيز وجود دارد.
تفاوت ارزش گرمايي اورانيوم در مقايسه با زغال سنگ و ساير سوختها حائز اهميت است (هر چند هر دو در نيروگاه بازده حرارتي ‪ ۳۳‬درصد مورد استفاده قرار مي‌گيرند). يك نيروگاه برق يك ميليون كيلوواتي ساليانه حدود ‪ ۳/۱‬ميليون تن زغال سنگ سياه يا حدود ‪ ۲۴‬تن اورانيوم (مانند ‪ (UO2‬غني شده تا چهار درصد از ايزوتوپ مفيد (‪ (u-235‬مصرف مي‌كند. اين ميزان نيازمند استخراج بيش از ‪ ۲۰۰‬تن اورانيوم طبيعي است كه از ‪ ۲۵‬تا ‪ ۱۰۰‬هزار تن سنگ معدن اورانيوم بازيابي مي‌شود.
زائدات
............
اين ميزان متفاوت سوخت مصرفي مقدار زائدات متفاوتي نيز به دنبال دارد.
فعاليت يك نيروگاه هسته‌اي هزار مگاواتي در سال ‪ ۲۷‬تن سوخت مستعمل باقي مي‌گذارد كه به شدت راديواكتيو است و گرماي بسيار زيادي توليد مي‌كند.
بخش اعظم اين سوخت استفاده شده، باز فراوري مي‌شود بطوري كه ‪۹۷‬ درصد از ‪ ۲۷‬تن سوخت اوليه بازيابي مي‌گردد. ‪ ۳‬درصد باقيمانده (حدود ‪۷۰۰‬ كيلوگرم) زباله راديواكتيو سطح بالا است كه بالقوه خطرناك بوده و لازم است براي مدت زمان طولاني از محيط زيست مجزا نگهداري شود. اما اين مقدار كم را به آساني مي‌توان كنترل كرد.
حتي در جايي كه سوخت مصرف شده مجددا فراوري نشود مقدار ساليانه ‪ ۲۷‬تن در مقايسه با مقدار زائدات يك نيروگاه برق زغال سنگ هم حجم آن جزئي و ناچيز است.
نيروگاه زغال سنگ هزار مگاواتي ساليانه حدود ‪ ۷‬ميليون تن دي اكسيدكربن توليد مي‌كند. اين ميزان علاوه بر ‪ ۲۰۰‬هزار تن دي اكسيدسولفور است كه در بسياري از موارد يك منبع مهم آلاينده جوي است. ديگر زائدات حاصل از مصرف زغال سنگ شامل مقادير زيادي پسماند (حدود ‪ ۲۰۰‬هزار تن در سال) حاوي فلزات سمي مانند آرسنيك، كادميم و جيوه، مواد آلي سرطانزا و موتاسيون زا (موادي كه باعث بروز سرطان و تغييرات ژنتيكي مي‌شوند) و نيز مواد راديواكتيو طبيعي است.
اين زائدات معمولي اگر مهار نشوند حتي در فواصل بسيار زياد از نيروگاه مي‌توانند به سلامت انسان و محيط زيست آسيب برسانند. بطور مثال در نقاطي باران اسيدي ناشي از انتشار دي اكسيدسولفور مرزهاي ملي را طي كرده و خسارات سنگيني به درياچه ها، رودخانه ها، جنگلها در مناطق بسيار دورتر وارد آورده است.
هر شيوه توليد برق خطرهاي زيست محيطي و زائداتي به همراه دارد. صنعت هسته‌اي از اين نظر كه تنها صنعت توليد برق است كه مسئوليت كامل دفع زائدات و تامين هزينه‌هاي كامل آن را به عهده دارد صنعت منحصر بفردي است.
امروزه انرژي هسته‌اي ساليانه از انتشار حدود ‪ ۲/۴‬ميليارد تن دي اكسيد كربن جلوگيري مي‌كند. ( درمقايسه با بيش از ‪ ۷‬ميليارد تن دي اكسيدكربن حاصل از توليد برق از سوخت‌هاي فسيلي)
مسائل اقتصادي
...................
تفاوت نيازهاي سوخت بين نيروگاه برق هسته‌اي و زغال سنگ بر اقتصادي بودن آنها تاثير مي‌گذارد. هزينه سوخت يك نيروگاه برق هسته‌اي بسيار كمتر از نيروگاه برق زغال سنگ است كه همين نكته هزينه هنگفت اوليه ساخت يك نيروگاه هسته‌اي را جبران مي‌كند. در نتيجه از نظر عملي برق حاصل از راكتورهاي هسته‌اي در بسياري از مناطق با برق حاصل از زغال سنگ حتي با درنظر گرفتن مديريت و دفع زباله‌هاي هسته‌اي و تعطيلي راكتورها رقابت مي‌كند.
با افزايش قيمت گاز و آلايندگي زغال سنگ ، انرژي هسته‌اي بطور فراينده‌اي مورد توجه قرار گرفته است.
توليد برق - تنوع در منابع توليد انرژي
......................................
براي بيشتر كشورها سوالاتي كه بايد به آنها پاسخ داده شود عبارتند از: نيازهاي برق ما چيست؟ اشكال توليد برقي در دسترس ما كدام است؟ چه تركيب انرژي نيازهاي ما را با حداكثر ايمني تامين مي‌كند و كمترين آسيب را به مردم و محيط ما وارد مي‌كند؟
در اواسط ‪ ، ۲۰۰۱‬در ‪ ۳۱‬كشور كوچك و بزرگ با عقايد سياسي و رشد صنعتي متفاوت برق هسته‌اي در تركيب انرژي آنها وجود داشت. بلژيك، چين، فرانسه، آلمان ، مجارستان، هند، ژاپن، روسيه، سوييس، انگليس، آمريكا از جمله كشورهايي هستند كه برنامه‌هاي مهم انرژي هسته‌اي دارند.
در سال ‪ ۲۰۰۰‬ميزان توليد برق حاصل از انرژي هسته‌اي با كل توليد برق جهان در سال ‪ ۱۹۶۱‬از تمام منابع برابري مي‌كرد (‪ ۲۴۳۸‬ميليارد كيلووات ساعت).
هيچ كشوري نمي‌خواهد فقط به يك منبع انرژي واحد وابسته باشد.
براي بسياري از كشورها مسئله استفاده از زغال سنگ يا انرژي هسته‌اي به عنوان منبع اصلي برق مطرح نيست بلكه تركيبي از منابع متنوع انرژي مدنظر است كه تا حد امكان از منابع تجديدپذير بهره گرفته شده است.
يك فيزيكدان هندي به نام دكتر هومي بابها مي‌گويد: "هيچ انرژي پرهزينه‌تر از نداشتن انرژي نيست."