انرژی هسته ای ، سلاح های هسته ای و موارد مربوطه

[zoono]

حالا ببینیم در عمل چه پیش می آید. ابتدا جریانی از نوترونهای محرک را به مجموعه مداراگر(آب سنگین یا گرافیت) و اورانیوم می فرستیم. تعدادی از نوترونها اتمهای اورانیوم 235 را می شکافند و نوترونهای اضافی آزاد می کنند. این نوترونها هم بخشی اتمهای 235 دیگری را می شکافند و بخشی نیز به اتمهای غیر از 235 (ناخالصی ها) برخورد می کنند و جذب می شوند و تعدادی نیز از مجموعه فرار می کنند. اما اگر از هر شکافت فقط یک نوترون موجب ایجاد شکافت دیگری شود، واکنش زنجیری آغاز می شود. حال اگر این ضریب (ضریب تکثیر) از 1 بیشتر شود (ولو 1.001) خیلی زود این واکنش به انفجار می رسد که البته برای آزمایش اصلا خوب نیست. پس باید بر عمل تکثیر نظارت کرد. برای این کار می توان از میله هایی همانند کدمیوم (که دارای سطح مقطع زیادی برای جذب نوترون می باشد) استفاده کرد. در عمل گسترش واکنش زنجیری آنقدر سریع است که نمی توان میله ها را به سرعت وارد کرد. خوشبختانه از هر 150 اتم که شکافته می شود، یکی نوترون خود را با تاخیر زیاد (چند دقیقه بعد) صادر می کند که به این ترتیب همین تاخیر باعث می شود تا فرصت لازم بدست آید.
در 1941 آزمایشهای فراوان با مخلوط اورانیوم و گرافیت انجام شد و دانشمندان متوجه شدند اگر اندازه اورانیوم به اندازه کافی بزرگ باشد، حتی با اورانیوم ناخالص نیز واکنش انجام میگیرد. فیزیکدانان تصمیم گرفتند تا در دانشگاه شیکاگو یک واکنش زنجیری با اندازه بحرانی ایجاد کنند. در آن زمان شش تن اورانیوم خالص به دست آمده بود. لایه های اورانیوم و گرافیت را یکی در میان روی هم گذاشتند تا 57 لایه و آنها را برای وارد کردن میله های مراقب کدمیوم سوراخ کردند. و این مجموعه را پیل نامیدند (نامی که بعدا به « واکنشگر هسته ای » تغییر کرد).
پیل شیکاکو در زیر یک استادیوم فوتبال ساخته شده بود و 9 متر عرض و 9.6 متر طول و 6.45 متر ارتفاع داشت و وزن آن 1400 تن بود که شامل 52 تن اورانیوم و فلز اکسید بود. در دوم دسامبر 1942 میله های مراقبت به آرامی بیرون کشیده شدند و در ساعت 3 و 45 دقیقه بعد از ظهر، با رسیدن ضریب تکثیر به 1، بشر پا به « عصر اتم » نهاد. (فیزیکدان مسئول این طرح انریکو فرمی بود و همکار وی یوجین ویگنر با یک بطری شراب ایتالیایی به او تبریک گفت. کمپتن که آنجا بود از راه دور این موضوع را با تلفن به جیمز براینت کننت در هاروارد به این صورت اطلاع داد: « دریانورد ایتالیایی گام به جهان نو نهاد» کنت پرسید: « بومیان چطور بودند؟ » و شنید: « بسیار خوش برخورد ». جالب اینکه اولین دریانورد ایتالیایی جهانی نو را در 1492 کشف کرد و این یکی جهان نو را در 1942 !)
در این اثنا سوخت بهتری پیدا شد. اورانیوم 238 با جذب یک نوترون اورانیوم 239 را بوجود می آورد که به سرعت به نپتونیوم 239 می شکند که به نوبه خود به پلوتونیوم 239 شکسته می شود. اما هسته پلوتونیوم 239 تعدادی فرد (145) نوترون دارد و باید خیلی ناپایا باشد. حدس معقولی به نظر می رسید پلوتونیوم نیز همانند اورانیوم 235 متحمل شکافت شود. در 1941 این امر از راه تجربی آزموده شده بود. فیزیکدانان که هنوز از مساله تهیه اورانیوم اطمینان نداشتند، درصدد بر آمدند تا پلوتونیوم را به میزان زیاد تهیه نمایند.
در 1943 در آوک ریج و همچنین در هنفرد واشنگتن واکنشگر مخصوص برای تهیه پلوتونیوم ساخته شد. مزیت این واکنشگر به پیل شیکاگو این بود که می شد بطور متناوب و به سرعت پلوتونیوم ایجاد شده را از آن خارج کرد. همچنین این واکنشگر ها با آب خنک می شدند ولی پیل شیکاکو با هوا خنک می شد و می بایستی در زمانهای مشخص خاموش می شد.
در 1945 مقدار کافی اورانیوم 235 و پلوتونیوم 239 برای ساختن بمب اتمی جمع شده بود. از اینجا به بعد در شهر سری دیگری در لوس آلاموس در نیومکزیکو و به سرپرستی « رابرت اوپنهایمر» انجام می شد. برای بهبود انفجار، مداراگرها حذف شدند تا فاصله شکافتها کمتر شود. همچنین بمب در پوشش بسیار ضخیمی قرار گرفت تا اورانیوم را مدت بیشتری در خود نگه دارد تا متحمل شکافت بیشتری گردد. آزمودن چنین سیستمی در مقیاس کوچک امکان پذیر نبود. بمب یا باید بالای اندازه بحرانی باشد و یا اصلا بمب نیست. در نتهایت اینکه بمب هسته ای یا بهتر از آن « شکافت هسته ای » در ساعت پنج و نیم صبح روز 16 ژوئیه 1945 (25 تیرماه 1324) در آلاگوردو (نیو مکزیکو) منفجر شد. نیروی انفجار آن معادل 20،000 تن تی ان تی بود. کسی از رابی (فیزیکدان) که شاهد ماجرا بود پرسید که چه دیده. وی با اندوه فراوان گفت: نمی توانم بگویم. فقط انتظار نداشته باشید با مرگ طبیعی از دنیا بروید. (اتفاقا شخص مورد نظر چند سال بعد با مرگ طبیعی مرد!)
دو بمب شکافتی دیگر هم تهیه شد. یکی بمب اورانیوم به نام « پسرک » با 3 متر طول و 60 سانتیمتر عرض به وزن 4.5 تن. که در 6 اوت 1945 - نه آنطور که پیش بینی می شد بر آلمان بلکه - روی هیروشیما انداخته شد. این بمب با امواج رادیویی به کار افتاد. چند روز بعد بمب پلوتونیوم 3.3 متر در 1.5 متر به وزن 5 تن و به اسم مرد فربه بر ناگاساکی فرو افتاد. هردو با هم قدرت انفجاری برابر 35،000 تن تی ان تی داشتند. جهان یکباره متوجه عظمت و قدرت ذاتی اتم شد. برای چهار سال آمریکائیان تصور می کردند اگر شرایط صحیح امنیتی را رعایت کنند، راز ساخت بمب اتم را می توان از جهان پوشیده نگه داشت. اما در واقع از سالها قبل (1939) تئوریهای مربوط به ساخت بمب اتم کاملا همه گیر شده بود و اتحاد شوروی از سال 1940 به سختی درگیر ساخت آن شده بود. البته جنگ جهانی دوم اتحاد شوروی را به شدت ضعیف کرده بود و در نتیجه این کشور اولین بمب اتمی خود را به سال 1949 (22 سپتامبر) منفجر ساخت و آمریکائیان را (بی جهت) دستخوش بیم و وحشت ساخت. این بمب 6 برابر قوی تر از بمب هیروشیما بود. در سوم اکتبر 1952 بریتانیا با منفجر ساختن بمب آزمایشی خود سومین قدرت اتمی جهان شد و در 13 فوریه 1960 فرانسه چهارمین عضو « باشگاه اتمی » جهان گردید. در 16 اکتبر 1964 نیز جمهوری چین انفجار بمبی اتمی را اعلام کرد و پنجمین عضو باشگاه شد.

ادامه دارد ...

 

[zoono]

کم کم بمب اتمی تنوع هم می یافت. مثلا ایالت متحده یک بمب اتم را از طریق توپ شلیک کرد و به این ترتیب « توپخانه اتمی » هم درست شد.
حالا دیگر بمب شکافتی می رفت تا اهمیت خود را از دست بدهد چرا که « ابر بمب » پا به میدان می گذاشت. در عمل شکافت اورانیوم، 0.1 از جرم اتم به ارژی تبدیل می شود ولی در همجوشی (Fusion) اتمهای ئیدروژن (آنطور که شیمیدان آمریکایی ویلیام دریپر هرکینز در سال 1915 نشان داد) 0.5 درصد جرم به انرژی تبدیل می شود. در دمای چند میلیون درجه، آنقدر انرژی پروتونها بالاست که به اتمها فرصت می دهد تا در هم جوش بخورند. به این ترتیب دو پروتون ممکن است یکی شوند و پس از صادر کردن یک پوزیترون و یک نوترینو (فرایندی که یکی از پروتونها را به یک نوترون تبدیل می کند) هسته یک دوتریوم گردند. آنگاه ممکن است هسته دوتریوم با یک پروتون جوش بخورد و هسته تریتیوم را تشکیل دهد که به نوبه خود باز هم با پروتونی جوش خورده و هلیوم 4 می سازد یا دوتریوم و تریتیوم از راههای مختلف دیگر ترکیب شوند و هلیوم 4 بوجود آورند.
از آنجا که همه این واکنشها در دماهای بسیار بالا ممکن می گردند، به آنها واکنشهای گرما هسته ای (thermonuclear) گفته می شود. در آن سالها (1930) تصور می شد این دماها فقط در مرکز ستاره ها امکان پذیر است. ولی اینک بمب شکافتی اورانیوم دمای لازم را برای واکنشها گرما هسته ای - آن هم روی کره زمین - فراهم آورده بود. ابتدا در این مورد تردید وجود داشت. ابتدا می بایستی سوخت ئیدروژن به شکل مخلوطی از دوتریوم و تریتیوم و به صورت جرمی چگال درآید. یعنی به صورت مایع باشد و در دمایی کمی بالاتر از صفر مطلق نگه داری شود. به بیان دیگر بمب ما یک فریزر حجیم است! (از طرفی این بمب به چه کار می آید؟ بمب شکافتی به قدر کافی ویرانگر بود. با اینحال رقابت تسلیحاتی آمریکا و شوروی، آن دو را وادار کرد تا این پروژه را در دستور کار خود قرار دهند).
کمیسیون انرژی اتمی ایالات متحده مقدار کافی سوخت دوتریتیوم فراهم آورد و هیولایی 65 تنی (که مخلوطی از بمب شکافتی و همجوشی بود) را بر فراز یک جزیره مرجانی در اقیانوس آرام رها کرد و در 1 نوامبر 1952 کابوس بشریت رنگ واقعیت گرفت و در یک لحظه کل جزیره از صحنه روزگار محو گردید! این بمب روی سازندگان خود را سفید کرد و نیروی انفجاری معادل ده میلیون تن ماده تی ان تی - 500 برابر بمب هیروشیما - به بار آورد.
روسها در مدت بسیار کوتاهی انفجار دیگری به راه انداختند و در 12 اوت 1953 بمب خود را آزمایش کردند. (بمب روسها آنقدر سبک بود که با هواپیما قابل حمل بود. آمریکایی ها تا 1954 نتوانستند بمب قابل حمل همجوشی بسازند).
در این بین به جای استفاده از دوتریوم که می بایستی سرد نگه داشته می شد، از ترکیب لتیوم و ئیدروژن (که جامد است) استفاده شد که هم حجم و هم ملزومات کمتری می خواست. در این انفجار مقدار قابل توجهی نوترون اضافی تولید می شد. دانشمندان به این فکر افتادند که از این نوترونهای اضافی هم استفاده کنند! پس بمب جدیدی ساخته شد. هسته آن اورانیوم 235 (کبریت لازم برای گرم کردن) و دورتادور آن حجم قابل توجه دوترید لیتیوم و دور همه اینها نیز اورانیوم 238. از آنجا که نوترونهای تولید شده خیلی زیاد بودند، حتی اورانیوم 238 نیز برای انفجار مناسب بود. از طرفی اورانیوم 238 اندازه بحرانی ندارد و می توان آن را هرقدر بزرگ ساخت.
بمب ساخته شد و در 1 مارس 1954 در بیکینی در جزایر مارشال منفجر گردید و این بار واقعا دنیا را تکان داد. انرژی آزاد شده حدود 15 مگا تن بود. بدتر آنکه بارانی از ذره های رادیو اکتیو بر بیست و سه ماهیگیر نگون بخت که در کشتی ماهیگیری به نام « اژدهای نیکبخت » ! بارید. مواد رادیو اکتیو به ماهیگیران صدمه زد و یکی از آنان را کشت. از آن به بعد شوروی بمبهای 50 و 100 مگاتنی ساخت و آمریکا نیز در هر زمان قادر به ساخت هر حجم دلخواه از این نوع بمب می باشد.همچنین بمب هایی ساخته شد که به جای حرارت، جریان بسیار غلیظی از ئیدروژن تولید می کند که می تواند جان تمامی جانداران را بگیرد و البته برای کسانی مناسب است که به ساختمانها بیش از جانداران اهمیت می دهند.

در آینده به ژنراتورهای هسته ای نیز خواهیم پرداخت. امیدوارم مطلب فوق مورد استفاده عزیزان قرار گرفته باشد.

رامین عزیزی.​

 

[parsa]

سلام. دنبال مطالبي در خصوص توليد انرژي هسته اي بودم كه به مقاله جالبي در سايت بي بي سي رسيدم!
گفتم اينجا هم بذارم شايد به درد كسي بخوره! البته جديد نيست ولي خيلي جالب و خلاصه بررسي كرده! مقاله جديدتري داريد، لطف ميكنيد اگر ارائه كنيد!

ضمنا خيلي خوشحال ميشم اساتيدي كه اينجا كم هم نيستند، بيان و در مورد فرايند هسته اي بحث علمي بشه!
شديدا مشتاق يادگيري هستم!

همچنين اگر كسي از دوستان در مورد تاريخچه پايه گذاري اين علم در ايران اطلاعاتي داره، يه دنيا ممنون ميشم!

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

گفتم شايد سايت بي بي سي براي همه در دسترس نباشه، براي همين فايل مقاله رو همينجا ضميمه كردم!
جسارتا ابتدا فايل رو از حالت زيپ خارج كنيد، بعد مطالعه نماييد!


يه نكته مهم: تاپيك به هيچ وجه سياسي نيست و فقط جنبه علمي داره!

ممنون!

 

[parsa]

ضمنا، قبل از ايجاد اين تاپيك يه سرچ حسابي تو اين بخش زدم.
مطالبي در ارتباط با اين موضوع پيدا كردم كه لينكشون رو همينجا قرار ميدم!

اگر بعدا به مطالب جديدي برخوردم، لينكشون همينجا اضافه ميشه!

همچنين دوستان هم اگر قبلا تاپيك هايي از اين دست ديدند و يا در اينترنت چيزي پيدا كردند، بي زحمت به بنده تذكر بدن تا لينكشو به همين پست اضافه كنم!
اينطوري تقريبا يه مرجع كاملي در مورد اين موضوع علمي خواهيم داشت!

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

- سلاح هاي هسته اي

- تاريخچه و تشريح فرايند هسته اي

- مهندسي هسته اي و پرتو پزشكي

 

[Huashan]

تو این تاپیک هم مطالب خوبی گذاشتیم با دوستان ! ... ( از آخر به اول بری سریع تر پیداشون می کنی )

فیزیک, دنیایی شگفت انگیز

پ.ن : بهتر بود که توی بخش ریاضی و فیزیک این تاپیک رو می زدی ! ...

 

[yue bochon]

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.









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




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.

 

[yue bochon]

دید کلی
راکتورهای هسته‌ای دستگاه‌هایی هستند که در آنها شکافت هسته‌ای کنترل شده رخ می‌دهد. راکتورها برای تولید انرژی الکتریکی و نیز تولید نوترون‌ها بکار می‌روند. اندازه و طرح راکتور بر حسب کار آن متغیر است. فرآیند شکافت که یک نوترون بوسیله یک هسته سنگین (با جرم زیاد) جذب شده و به دنبال آن به دو هسته کوچکتر همراه با آزاد سازی انرژی و چند نوترون دیگر شکافته می‌شود.


تاریخچه
اولین انرژی کنترل شده ناشی از شکافت هسته در دسامبر 1942 بدست آمد. با ***** فرمی ساخت و راه اندازی یک پیل از آجرهای گرافیتی ، اورانیوم و سوخت اکسید اورانیوم با موفقیت به نتیجه رسید. این پیل هسته‌ای ، در زیر میدان فوتبال دانشگاه شیکاگو ساخته شد و اولین راکتور هسته‌ای فعال بود.




ساختمان 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.

 

[yue bochon]

مقدمه
سنگ معدن اورانیوم موجود در طبیعت از دو ایزوتوپ 235U به مقدار 0.7 درصد و 238U ‏به مقدار 3.99 درصد تشکیل شده است. سنگ معدن را ابتدا در اسید حل کرده و ‏بعد از تخلیص فلز ، اورانیوم را بصورت ترکیب با اتم فلوئور (9F ) و بصورت مولکول ‏اورانیوم هگزا فلوراید تبدیل می‌کنند که به حالت گازی است. سرعت متوسط ‏مولکولهای گازی با جرم مولکولی گاز نسبت عکس دارد.



غنی سازی اورانیوم با دیفوزیون گازی

گراهان در سال 1864 پدیده‌ای را کشف کرد که در آن سرعت متوسط مولکولهای ‏گاز با معکوس جرم مولکولی گاز متناسب بود. از این پدیده که به نام دیفوزیون ‏گازی مشهور است برای غنی سازی اورانیوم استفاده می‌کنند. در عمل اورانیوم ‏هگزا فلوراید طبیعی گازی شکل را از ستونهایی که جدار آنها از اجسام متخلخل ‏‏(خلل و فرج دار) درست شده است عبور می‌دهند. سوراخهای موجود در جسم ‏متخلخل باید قدری بیشتر از شعاع اتمی یعنی در حدود 2.5 آنگسترم (7-‏25x10 سانتیمتر) باشد.

ضریب جداسازی متناسب با اختلاف جرم مولکولها است. روش غنی سازی ‏اورانیوم تقریبا مطابق همین اصولی است که در اینجا گفته شد. با وجود این ‏می‌توان به خوبی حدس زد که پرخرج ترین مرحله تهیه سوخت اتمی همین ‏مرحله غنی سازی ایزوتوپها است، زیرا از هر هزاران کیلو سنگ معدن اورانیوم ‏‏140 کیلوگرم اورانیوم طبیعی بدست می‌آید که فقط یک کیلوگرم 235U ‏خالص در آن وجود دارد.

غنی سازی اورانیم از طریق میدان مغناطیسی
یکی از روشهای غنی سازی اورانیوم استفاده از میدان مغناطیسی بسیار قوی می‌باشد. در این روش ابتدا اورانیوم هگزا فلوئورید را حرارت می‌دهند تا تبخیر شود. از طریق تبخیر ، اتمهای اورانیوم و فلوئورید از هم تفکیک می‌شوند. در این حالت ، اتمهای اورانیوم را به میدان مغناطیسی بسیار قوی هدایت می‌کنند. میدان مغناطیسی بر هسته‌های باردار اورانیم نیرو وارد می کند ( این نیرو به نیروی لورنتس معروف می باشد) و اتمهای اورانیوم را از مسیر مستقیم خود منحرف می‌کند. اما هسته‌های سنگین اورانیم (238U ) نسبت به هسته‌های سبکتر (235U ) انحراف کمتری دارند و درنتیجه از این طریق می‌توان 235U را از اورانیوم طبیعی تفکیک کرد.

کاربردهای اورانیوم غنی شده
شرایطی ایجاد کرده اند که نسبت 235U به 238U را به 5 درصد می‌‏رساند. برای این کار و تخلیص کامل اورانیوم از سانتریفوژهای بسیار قوی استفاده ‏می‌کنند.



برای ساختن نیروگاه اتمی ، اورانیوم طبیعی و یا اورانیوم غنی شده بین 1 تا 5 ‏درصد کافی است.




شکافت هسته اورانیوم

برای تهیه بمب اتمی حداقل 5 تا 6 کیلوگرم 235U صد درصد خالص نیاز ‏است. در صنایع نظامی از این روش استفاده نمی‌شود و بمبهای اتمی را از 239Pu که سنتز و تخلیص شیمیایی آن بسیار ساده‌تر است تهیه ‏می‌کنند.

نحوه تولید سوخت پلوتونیوم رادیو اکتیو
این عنصر ناپایدار را در نیروگاههای بسیار قوی می‌سازند که تعداد نوترونهای ‏موجود در آنها از صدها هزار میلیارد نوترون در ثانیه در سانتیمتر مربع تجاوز ‏می‌کند. عملا کلیه بمبهای اتمی موجود در زراد خانه‌های جهان از این عنصر ‏درست می‌شود.‏ روش ساخت این عنصر در داخل نیروگاههای هسته‌ای به این صورت که ‏ایزوتوپهای 238U شکست پذیر نیستند، ولی جاذب نوترون کم انرژی هستند.


تعدادی از نوترونهای حاصل از شکست 235U را ‏جذب می‌کنند و تبدیل به 239U می‌شوند. این ایزوتوپ از اورانیوم بسیار ‏ناپایدار است و در کمتر از ده ساعت تمام اتمهای بوجود آمده تخریب ‏می‌شوند. در درون هسته پایدار 239U یکی از نوترونها خود به خود به ‏پروتون و یک الکترون تبدیل می‌شود. بنابراین تعداد پروتونها یکی اضافه شده و عنصر جدید را که 93 پروتون دارد ‏نپتونیوم می‌نامند که این عنصر نیز ناپایدار است و یکی از نوترونهای آن خود به ‏خود به پروتون تبدیل شده و در نتیجه به تعداد پروتونها یکی اضافه شده و عنصر ‏جدید پلوتونیوم را که 94 پروتون دارد ایجاد می‌کنند. این کار حدودا در مدت یک هفته ‏صورت می‌گیرد

روش‌های غنی‌سازی اورانیوم

روش انتشار (پخش) حرارتی

روش انتشار (پخش) گازها

روش الکترومغناطیسی

روش مرکزگریز گازی

روش مرکزگریز گازی زیپه

روش‌های لیزری

روش شیمیایی

 

[yue bochon]

بمب هسته اي چگونه كار مي‌كند؟

شما احتمالاً در كتابهاي تاريخ خوانده‌ايد كه بمب هسته‌اي در جنگ جهاني دوم توسط آمريكا عليه ژاپن بكار رفت و ممكن است فيلم‌هايي را ديده باشيد كه در آنها بمب‌هاي هسته‌اي منفجر مي‌شوند. درحاليكه در اخبار مي‌شنويد، برخي كشورها راجع به خلع سلاح اتمي با يكديگر گفتگو مي‌كنند، كشورهايي مثل هند و پاكستان سلاح‌هاي اتمي خود را توسعه مي‌دهند.

ما ديده‌ايم كه اين وسايل چه نيروي مخرب خارق‌العاده‌اي دارند، ولي آنها واقعاً چگونه كار مي‌كنند؟ در اين بخش خواهيد آموخت كه بمب هسته‌اي چگونه توليد مي‌شود و پس از يك انفجار هسته‌اي چه اتفاقي مي‌افتد؟

فيزيك هسته‌اي

انرژي هسته‌اي به 2 روش توليد مي‌شود:

1- شكافت هسته‌اي: در اين روش هسته يك اتم توسط يك نوترون به دو بخش كوچكتر تقسيم مي‌شود. در اين روش غالباً از عنصر اورانيوم استفاده مي‌شود.

2- گداخت هسته‌اي: در اين روش كه در سطح خورشيد هم اجرا مي‌شود، معمولاً هيدروژن‌ها با برخورد به يكديگر تبديل به هليوم مي‌شوند و در اين تبديل، انرژي بسيار زيادي بصورت نور و گرما توليد مي‌شود.

در شكل زير نمونه اي از شكافت هسته اتم اورانيوم نمايش داده شده است:

و در شكل زير گداخت هسته‌اي اتم‌هاي هيدروژن و تبديل آنها به هليوم 3 و الكترون آزاد نمايش داده شده است:

طراحي بمب‌هاي هسته‌اي:

براي توليد بمب هسته‌اي، به يك سوخت شكافت‌پذير يا گداخت‌پذير، يك وسيله راه‌انداز و روشي كه اجازه دهد تا قبل از اينكه بمب خاموش شود، كل سوخت شكافته يا گداخته شود نياز است.

بمب‌هاي اوليه با روش شكافت هسته‌اي و بمب‌هاي قويتر بعدي با روش گداخت هسته‌اي توليد شدند. ما در اين بخش دو نمونه از بمب هاي ساخته شده را بررسي مي كنيم:

بمب‌ شكافت هسته‌اي :

1- بمب‌ هسته‌اي (پسر كوچك) كه روي شهر هيروشيما و در سال 1945 منفجر شد.

2- بمب هسته‌اي (مرد چاق) كه روي شهر ناكازاكي و در سال 1945 منفجر شد.

بمب گداخت هسته‌اي : 1- بمب گداخت هسته‌اي كه در ايسلند بصورت آزمايشي در سال 1952 منفجر شد.

بمب‌هاي شكافت هسته‌اي:

بمب‌هاي شكافت هسته‌اي از يك عنصر شبيه اورانيوم 235 براي انفجار هسته‌اي استفاده مي‌كنند. اين عنصر از معدود عناصري است كه جهت ايجاد انرژي بمب هسته‌اي استفاده مي‌شود. اين عنصر خاصيت جالبي دارد: هرگاه يك نوترون آزاد با هسته اين عنصر برخورد كند ، هسته به سرعت نوترون را جذب مي‌كند و اتم به سرعت متلاشي مي‌شود. نوترون‌هاي آزاد شده از متلاشي شدن اتم ، هسته‌هاي ديگر را متلاشي مي‌كنند.

زمان برخورد و متلاشي شدن اين هسته‌ها بسيار كوتاه است (كمتر از ميلياردم ثانيه ! ) هنگامي كه يك هسته متلاشي مي‌شود، مقدار زيادي گرما و تشعشع گاما آزاد مي‌كند.

مقدار انرژي موجود در يك پوند اورانيوم معادل يك ميليون گالن بنزين است!

در طراحي بمب‌هاي شكافت هسته‌اي، اغلب از دو شيوه استفاده مي‌شود:

روش رها كردن گلوله:

در اين روش يك گلوله حاوي اورانيوم 235 بالاي يك گوي حاوي اورانيوم (حول دستگاه مولد نوترون) قرار دارد.

هنگامي كه اين بمب به زمين اصابت مي‌كند، رويدادهاي زير اتفاق مي‌افتد:

1- مواد منفجره پشت گلوله منفجر مي‌شوند و گلوله به پائين مي‌افتد.

2- گلوله به كره برخورد مي‌كند و واكنش شكافت هسته‌اي رخ مي‌دهد.

3- بمب منفجر مي‌شود.

در بمب هيروشيما از اين روش استفاده شده بود. نحوه انفجار اين بمب در شكل زير نمايش داده شده است:

روش انفجار از داخل:

در اين روش كه انفجار در داخل گوي صورت مي‌گيرد، پلونيم 239 قابل انفجار توسط يك گوي حاوي اورانيوم 238 احاطه شده است.

هنگامي كه مواد منفجره داخلي آتش گرفت رويدادهاي زير اتفاق مي‌افتد:

1- مواد منفجره روشن مي‌شوند و يك موج ضربه‌اي ايجاد مي‌كنند.

2- موج ضربه‌اي، پلوتونيم را به داخل كره مي‌فرستد.

3- هسته مركزي منفجر مي‌شود و واكنش شكافت هسته‌اي رخ مي‌دهد.

4- بمب منفجر مي‌شود.

بمبي كه در ناكازاكي منفجر شد، از اين شيوه استفاده كرده بود. نحوه انفجار اين بمب، در شكل زير نمايش داده شده است.

بمب‌ گداخت هسته‌اي: بمب‌هاي شكافت هسته‌اي، چندان قوي نبودند!

بمب‌هاي گداخت هسته‌اي ، بمب هاي حرارتي هم ناميده مي‌شوند و در ضمن بازدهي و قدرت تخريب بيشتري هم دارند. دوتريوم و تريتيوم كه سوخت اين نوع بمب به شمار مي‌روند، هردو به شكل گاز هستند و بنابراين امكان ذخيره‌سازي آنها مشكل است. اين عناصر بايد در دماي بالا، تحت فشار زياد قرار گيرند تا عمل همجوشي هسته‌اي در آنها صورت بگيرد. در اين شيوه ايجاد يك انفجار شكافت هسته‌اي در داخل، حرارت و فشار زيادي توليد مي‌كند و انفجار گداخت هسته‌اي شكل مي‌گيرد.در طراحي بمبي كه در ايسلند بصورت آزمايشي منفجر شد، از اين شيوه استفاده شده بود. در شكل زير نحوه انفجار نمايش داده شده است.

اثر بمب‌هاي هسته‌اي:

انفجار يك بمب هسته‌اي روي يك شهر پرجمعيت خسارات وسيعي به بار مي آورد . درجه خسارت به فاصله از مركز انفجار بمب كه كانون انفجار ناميده مي‌شود بستگي دارد.

زيانهاي ناشي از انفجار بمب هسته‌اي عبارتند از :

- موج شديد گرما كه همه چيز را مي‌سوزاند.

- فشار موج ضربه‌اي كه ساختمان‌ها و تاسيسات را كاملاً تخريب مي‌كند.

- تشعشعات راديواكتيويته كه باعث سرطان مي‌شود.

- بارش راديواكتيو (ابري از ذرات راديواكتيو كه بصورت غبار و توده سنگ‌هاي متراكم به زمين برمي‌گردد)

دركانون زلزله، همه‌چيز تحت دماي 300 ميليون درجه سانتي‌گراد تبخير مي‌شود! در خارج از كانون زلزله، اغلب تلفات به خاطر سوزش ايجادشده توسط گرماست و بخاطر فشار حاصل از موج انفجار ساختمانها و تاسيسات خراب مي‌شوند. در بلندمدت، ابرهاي راديواكتيو توسط باد در مناطق دور ريزش مي‌كند و باعث آلوده شدن موجودات، آب و محيط زندگي مي‌‌شود.

دانشمندان با بررسي اثرات مواد راديواكتيو روي بازماندگان بمباران ناكازاكي و هيروشيما دريافتند كه اين مواد باعث: ايجاد تهوع، آب‌مرواريد چشم، ريزش مو و كم‌شدن توليد خون در بدن مي‌شود. در موارد حادتر، مواد راديواكتيو باعث ايجاد سرطان و نازايي هم مي‌شوند. سلاح‌هاي اتمي داراي نيروي مخرب باورنكردني هستند، به همين دليل دولتها سعي دارند تا بر دستيابي صحيح به اين تكنولوژي نظارت داشته باشند تا ديگر اتفاقي بدتر از انفجارهاي ناكازاكي و هيروشيما رخ ندهد.

 

[yue bochon]

 

[seymour]

دوست من ، مرسی از زحمتی که می کشید ... فقط خواستم بگم که تاپیک هایی قبلا در این زمینه وجود داره و من این تاپیک رو با اونا ادغام می کنم ...


ضمنا لطف کنید وقتی از منابع فارسی استفاده می کنید ، منبع مطالب رو مشخص کنید .. مرسی ...