>> مجموعه مقالات مربوط به انرژي هسته اي <<

[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.


• «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.


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




• «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.




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.

*

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.




•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.



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

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!!

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.


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.