مرکز دانلود خلاصه کتاب و جزوات دانشگاهی

فهرست مطالب

عنوان صفحه

فصل اول: كليات تحقيق

مقدمه. 5

بيان مسئله. 7

ضرورت و اهميت تحقيق.. 7

اهداف تحقيق.. 8

هدف اصلي.. 8

اهداف فرعي.. 8

سؤالات تحقيق.. 9

روش تحقيق.. 9

فصل دوم: ادبيات و پيشينه‌ي تحقيق

نگاهي به پيشينه‌ي تاريخي فيزيك هسته‌اي.. 11

انرژي‌هاي نو. 12

برتري‌ انرژي هسته‌اي با ساير انرژي‌ها12

اتم. 13

انرژي اتمي.. 15

هسته‌ي اتم. 15

شكستن اتم. 16

مهار كردن نيروي اتمي.. 16

طريقه‌ي شناخت ايزوتوپ‌هاي راديواكتيو. 17

چرا هسته‌ي اتم‌ها متلاشي نمي‌شوند؟. 18

راديواكتيويته. 19

چگونه هسته‌ي اتم‌ها فرو مي‌پاشند؟. 19

در جريان شكافت اتم اورانيوم چه روي مي‌دهد؟. 20

واكنش زنجيره‌اي.. 21

غني‌سازي.. 22

مدراتور يا شتاب‌گير. 22

هم‌جوشي يا ذوب هسته‌اي.. 23

تاريخچه كشف مواد پرتوزا24

ماده پرتوزا25

ماهيت پرتوهاي آلفا، بتا و گاما27

نيروگاه‌هاي هسته‌اي امروز و فردا28

نيروگاه28

نيروگاه اتمي.. 31

طراحي رآكتور. 31

انواع رآكتورهاي هسته‌اي.. 33

رآكتور آب تحت فشار. 35

رآكتور خود سوخت‌زا36

رآكتور حرارت زياد. 38

چرخه‌ي استخراج اورانيوم، تخليه‌ي زباله‌هاي اتمي و دوباره غني‌سازي.. 39

اورانيوم چگونه به دست مي‌آيد؟. 40

اورانيوم غني شده چگونه توليد مي‌شود؟. 40

ميله‌هاي سوختي مصرف شده چگونه حمل و نقل مي‌شوند؟. 42

با عنصر سوختي مصرف شده چه مي‌كنند؟. 43

تأسيسات دوباره غني‌سازي.. 44

سرنوشت زباله‌هاي اتمي.. 44

آيا مي‌توان زباله‌هاي اتمي را با اطمينان و ايمني كامل انبار كرد؟. 45

كاربرد دوگانه‌ي انرژي هسته‌اي.. 46

كاربرد انرژي هسته‌اي در صنعت... 47

مصارف صلح‌آميز انرژي هسته‌اي.. 48

برق هسته‌اي.. 50

كاربرد انرژي هسته‌اي در علم پزشكي.. 52

كاربرد در باستان‌شناسي.. 54

كاربردهاي كشاورزي.. 54

كاربرد انرژي هسته‌اي در بخش دامپزشكي و دامپروري.. 55

كاربرد انرژي هسته‌اي در دسترسي به منابع آب... 55

كاربرد انرژي هسته‌اي در بخش صنعت نفت... 55

مصارف غيرانساني انرژي هسته‌اي.. 56

بمب اتمي.. 56

كاربردهاي نظامي.. 57

فصل سوم: بيان داده‌ها و تجزيه و تحليل اطلاعات

اتم. 59

انرژي اتمي.. 59

شكستن اتم. 59

مهار كردن نيروي اتمي.. 60

طريقه‌ي شناخت ايزوتوپ‌هاي راديواكتيو. 60

راديواكتيويته. 61

غني‌سازي.. 62

واكنش زنجيره‌اي.. 62

مدراتور يا شتاب‌گير. 63

هم‌جوشي يا ذوب هسته‌اي.. 63

ماده پرتوزا63

ماهيت پرتوهاي آلفا، بتا و گاما64

نيروگاه‌هاي هسته‌اي امروز و فردا65

رآكتورهاي هسته‌اي.. 65

چرخه‌ي استخراج اورانيوم، تخليه‌ي زباله‌هاي اتمي و دوباره غني‌سازي.. 66

اورانيوم غني شده چگونه توليد مي‌شود؟. 67

ميله‌هاي سوختي مصرف شده چگونه حمل و نقل مي‌شوند؟. 68

آيا انرژي اتمي از نظر اقتصادي مقرون به صرفه است؟. 69

فصل چهارم: نتيجه‌گيري و پيشنهادات

پيشنهادات... 73

موانع و مشكلات... 73

منابع و مآخذ. E

مقدمه

و چنين است كه گروهي از محققان و دانشمندان، انديشه دور پرواز خود را به زرادخانه علم و دانش مجهز مي‌كنند. از يك طرف، به كشف دنياي بسيار بزرگ كيهان بپردازند و در اين كاوش علمي ستارگان را كشف و ماهيت آنها را بشناسند و از طرف ديگر، به دنياي بي‌نهايت كوچك اتم اشراف پيدا كنند، تا اسرار آن را فاش كنند و انرژي عظيمي كه در آن است را كنترل كنند.

«اِنَّ اللهَ فالقُ الحبِّ و النَّوي يُخْرِجُ الحَيَّ مِنَ المَيِّتِ وَ مُخْرِجُ المَيِّتِ مِنَ الْحَيِّ ذلكُم اللهُ فأنّي تؤفَكُون؛ خداست كه در جو زمين دانه و هسته را مي‌شكافد و زنده را از مرده و مرده را از زنده پديد آرد آنكه چنين تواند كرد خداست چرا به دروغ نسبت خداي را به آنان كه اين كار نتوانند، دهيد.» (سوره‌ انعام/95)

گذري مختصر در تاريخ علوم مختلف، يادآور اين است كه انسان از گذشته‌اي دور و حتي دوران ناشناخته غارنشيني در جستجو و كشف اسرار طبيعت و استفاده بهتر از نعمت‌هاي خداوند متعال بوده است.

شايد از اين ميان ره‌آوردهايي كه طبيعت به بشر هديه كرده است، انرژي مهم‌ترين آنهاست. پس از كشف آتش، مواد سوختي از قبيل چوب و سوخت‌هاي فسيلي (نفت، گاز و...) تنها منبع توليد حرارت زندگي انسان بوده است. سپس با كشف نيروي برق و توليد آن به كمك انرژي حرارتي و نيروي حاصل از آب سدها، انسان توانست گستره‌ي فعاليت عملي خود را پهناورتر كند و استفاده‌هاي فراواني از آن بنمايد.

پيشرفت‌هايي كه از عصر استفاده از گرماي چوب، تا وسايل حرارتي مدرن امروزي به وقوع پيوست. نماد ديگري از كوشش بي‌پايان بشر است در راه علم و كسب دانش، كه هم‌چون چراغي روشن در دست انسان و حاصل كار و زحمت هزاران دانشمند و محقق است. كوششي كه دورنماي بسيار زيبا و آينده‌اي اميدبخش و پربار علمي را نويد مي‌دهد.

پيشرفتي كه در صنعت اتومبيل‌سازي و در مدتي كمتر از چند دهه به وقوع پيوست، پيشرفت تكاملي قطارهاي زغال‌سنگي به قطارهاي مغناطيسي و پيشرفت‌هاي فراوان ديگر از اين قبيل، نشان دهنده‌ي تلاش بشر در استفاده بهتر از انرژي و بهره‌مندي اصولي‌تر از ثروت‌هاي عظيمي است كه در دل طبيعت پنهان است.

استفاده نادرست از انرژي‌ها هميشه مورد توجه انسان‌هاي نابخرد و جنگ‌طلب بوده است و از زماني كه بشر با تير و كمان و سلاح‌هاي سرد به كشتار هم‌نوعش پرداخت، تاكنون كه موشك‌هاي چند پيكانه حامل هسته‌اي در زرادخانه‌هاي خود آماده پرواز دارند، امري است اجتناب‌ناپذير و هميشه انسان‌هاي آگاه و خداجو با تأثر و تألم نظاره‌گر كشتار و قتل‌عام‌هاي ديگران بوده‌اند. اكنون نيز انبار تسليحات اتمي، نه تنها حيات بشر بلكه كره زمين و شايد منظومه شمسي را تهديد مي‌كند كه خود مستلزم بحث جداگانه‌اي است كه به ناچار انديشه و سليقه سياسي و غيرسياسي دولت‌هاي ستيزه‌جو در آن دخالت تام دارد. اكنون نيز در عصري مي‌كنيم كه به حق، پيشرفت‌هاي هسته‌اي در آن حرف اول و آخر را مي‌زند، كوشش دانشمندان، انديشمندان و محققين در شناخت هرچه بيشتر هسته‌ي اتم و انرژي عظيمي كه در آن نهفته است، بيانگر دگرگوني‌هاي بزرگي است كه در زندگي انسان به وجود آورده و خواهد آورد. كاربرد صحيح و صلح‌آميز انرژي هسته‌اي، نيروگاه‌هاي اتمي، استفاده‌هاي پزشكي، صنعتي، كشاورزي و... است و استفاده خصمانه و ضدانساني و اخلاقي آن بمب‌هاي اتمي است كه دولت‌هاي زورگو و به ظاهر ابرقدرت و ستيزه‌جو در زرادخانه‌هاي خود ذخيره كرده‌اند. جهت آنكه شما با قدرت تخريبي اين انرژي بيشتر آشنا شويد، لازم است كه يادآور شويم بمب اتمي كه هيروشيما و ناكازاكي را با خاك يكسان كرد (توسط دولت امريكا) در لحاظت اوليه انفجار صدو سي هزار كشته به جاي گذاشت، به حدي ابتدايي و كم قدرت بود كه دانشمندان آن را كوكتل مولوتف اتمي مي‌نامند. به اميد عاري شدن جهان از سلاح‌هاي هسته‌اي و اسرائيل.

 

بيان مسئله

شايد اولين واژه‌اي كه بعد از شنيدن نام انرژي هسته‌اي ممكن است به ذهن هر شنونده‌اي خطور كند، بمب هسته‌اي باشد، البته حق دارند. زيرا ابرقدرت‌ها، افكار عمومي را در سطح جهاني تا حد زيادي از كاربردهاي ديگر انرژي هسته‌اي دور نگه داشته‌اند تا اين علم هم‌چنان به عنوان يك هيولاي خون‌آشام در ذهن‌ها باقي بماند و هر وقت نام انرژي هسته‌اي در كشوري شنيده شد، آنها افكار عمومي را تحريك كنند كه فلان كشور قصد دستيابي به بمب هسته‌اي را دارد و از اين بهانه چماغي ساخته‌اند و بر سر هر كشوري كه قصد استفاده صلح‌آميز از اين علم را دارد بكوبند. هدف آنها اين است كه بتوانند در آينده نزديك كه سوخت‌هاي فسيلي تمام شد، تمامي كشورها را به زير سلطه ببرند و يوغ بندگي را براي هميشه بر گردن آنها آويزان كنند و به هر سمتي كه خواستند آنها را بكشانند.

رهبر معظم انقلاب اسلامي: دستيابي به انرژي هسته‌اي كاري بزرگ‌تر از ملي شدن صنعت نفت است.

 

ضرورت و اهميت تحقيق

در اين‌جا ضرورت‌هاي دستيابي به اين انرژي را از دو ديدگاه بررسي مي‌شود:

ديدگاه اول: حتي اگر كشوري داراي منابع انرژي فسيلي عظيمي باشد به دلايل زير استفاده از انرژي هسته‌اي براي اين كشورها نيز ضروري است.

اولاً: منابع فسيلي محدود بوده و متعلق به نسل‌هاي آينده مي‌باشد.

ثانياً: استفاده از نفت خام در صنايع تبديل پتروشيمي ارزش بيشتري دارد، كه استفاده از آن به شكل كنوني مانند اين است كه در زمستان براي گرم كردن خانه، دلار روي آتش بريزيم.

ثالثاً: توليد برق از طريق نيروگاه اتمي، آلودگي نيروگاه‌هاي كنوني را ندارد. مثلاً براي توليد هفت هزار مگاوات برق بايد 190 ميليون شبكه نفت خام مصرف كنيم، كه در نتيجه آن، هزار تن دي‌اكسيدكربن، 150 تن ذرات معلق در هوا، 130 تن گوگرد و 50 تن اكسيد نيتروژن در محيط زيست پراكنده مي‌شود، در حالي كه نيروگاه اتمي چنين آلودگي را ندارد.

ديدگاه دوم: فن‌آوري هسته‌اي كاربردهاي زيادي در صنعت، كشاورزي، پزشكي نظامي، هواشناسي، توليد برق، كنترل آفات نباتات، بهداشت غذايي و... دارد.

 

اهداف تحقيق

هدف اصلي:

آشنايي با انرژي هسته‌اي: هر اتم از تعدادي پروتون و نوترون و الكترون تشكيل شده است. و پروتون‌ها و نوترون‌ها درون هسته و الكترون‌ها در اطراف هسته قرار دارند. كه در هسته‌ي عده‌ي معدودي از عناصر متعادل ميان پروتون‌ها بسيار حساس مي‌باشد. به طوري كه اگر به يكي از نوترون‌ها، نوتروني اضافه گردد اين تعادل به هم مي‌ريزد و سبب شكستن هسته مي‌گردد و وقتي هسته شكسته شد، نيروي عظيمي كه داخل آن بوده آزاد مي‌شود و مقداري از الكترون هم خارج مي‌گردد كه دانشمندان با استفاده از اين نيروي عظيم دست به فعاليت‌هاي چشمگيري زده‌اند كه در ادامه توضيح داده مي‌شود.

 

اهداف فرعي

تعريف انرژي: انرژي عبارت از نيرويي است كه به هنگام فعل و انفعالات شيميايي و با وجود بعضي تغييرات ظاهر مي‌شود.

كاربرد انرژي هسته‌اي: انرژي هسته‌اي كاربردهاي فراواني دارد. كاربردهاي مفيد آن در علم پزشكي و باستان‌شناسي و نظام و... هم‌چنين در توليد برق هسته‌اي و... مي‌باشد و يكي از كاربردهاي مضر آن ساخت بمب هسته‌اي است.

سؤالات تحقيق

1. انرژي ذخيره شده در هسته‌ي اتم چگونه آزاد مي‌شود؟

2. مواد راديواكتيو و راديواكتيوته چيست؟

3. غني‌سازي اورانيوم يعني چه؟

4. كار نيروگاه‌ها چيست؟

5. اورانيوم غني شده چگونه به دست مي‌آيد؟

 

روش تحقيق

بيشتر مبني بر مطالعه كتابخانه‌اي مي‌باشد.

 

 

 

 

 

 

 

فصل دوم:

ادبيات و پيشينه‌ي تحقيق

 

نگاهي به پيشينه‌ي تاريخي فيزيك هسته‌اي

تلاش براي درك ماهيت اساسي ماده، ريشه در تفكرات فيلسوفان يونان باستان، به ويژه دموكرتيوس، دارد.

دموكريتوس كه در سده‌ي چهارم پيش از ميلاد مي‌زيست، معتقد بود كه هر نوع ماده را مي‌توان به اجزاي كوچك‌تر و كوچك‌تر تقسيم كرد تا آنكه حدي نهايي فرا مي‌رسد كه ديگر ادامه‌ي تقسيم ميسر نيست. از نظر دموكريتوس، اين جزء لايتجزاي ماده (با اتم) كه با چشم غيرقابل ديدن بود، ذره‌ي بنيادي سازنده‌ي ماده به شمار مي‌رفت. در طي 2400 سال بعد، اين نظر صرفاً به صورت انديشه‌ي فلسفي باقي ماند، تا آنكه پژوهشگران آغاز سده‌ي نوزدهم ميلادي با استفاده از روش‌هاي علوم تجربي درباره‌ي اين مسئله به تحقيق پرداختند و با به دست آوردن شواهد كافي فرضيه‌ي اتم‌گرايي را تا سطح يك نظريه علمي تمام عيار بالا بردند.

امروزه، با توجه به رده‌بندي‌هاي علوم و گرايش‌هاي تخصصي، شايد بتوانيم دانشمندان پيشگام در اين زمينه (يعني دالتون، آووگادرو، فاراده) را شيميدان قلمداد كنيم. پس از آنكه شيميدان‌ها نوع اتم‌ها، قواعد حاكم بر تركيب آنها و رده‌بندي سازمان يافته‌ي آنها را (به صورت جدول تناوبي مندليف) مشخص كردند، به طور طبيعي تنها مرحله باقي مانده مطالعه‌ي خواص بنيادي تك تك اتم‌هاي عناصر مختلف بود، كه امروزه اين قسمت از پژوهش را با عنوان فيزيك اتمي مي‌شناسيم. اين مطالعات در سال 1896 توسط بكرل به كشف خاصيت راديواكتيويتيه در برخي از اتم‌ها و سپس در سال 1898 توسط پيركوري و همسرش (ماري كوري) به شناسايي مواد راديواكتيو ديگر منجر شد. آن‌گاه نوبت به رادرفورد رسيد كه كار بررسي اين پرتوهاي فعال و خواص آنها را ادامه داد. رادرفورد وقتي كه به ماهيت اين پرتوها پي برد، كار تحقيق را وارونه كرد و آنها را به عنوان وسيله‌ي كاوش در وارسي اتم‌ها به كار گرفت. در طي همين پژوهش‌ها بود كه در سال 1911 رادرفورد وجود هسته را در اتم‌ها اعلام داشت، تأييد اين فرضيه (از طريق آزمايش‌هاي طاقت‌فرساي گايگرومارسدن) شاخه‌ي جديدي را در علوم، به نام فيزيك هسته‌اي، بنا نهاد كه ماده را در بنيادي‌ترين ساختارش مورد بررسي قرار مي‌دهد. تحقيق در خواص هسته، از روزگار رادرفورد تا به امروز ادامه يافته است. اكتشافات دهه‌هاي 1940و 1950 نشان داده‌اند كه مرتبه‌ي ديگري از ساختار ماده وجود دارد كه از هسته هم بنيادي‌تر و ابتدايي‌تر است.

 

انرژي‌هاي نو

نياز جهاني به انرژي اوليه در حال حاضر حدود 2 ميليارد تن (SKE واحد زغال‌سنگ) است و مسلماً اين مقدار انرژي مورد نياز پيوسته در حال افزايش است. اين در صورتي است كه اگر انسان‌ها با صرفه‌جويي زياد هم انرژي را مصرف كنند تا يك صد سال ديگر موادي مثل نفت خام و گاز پايان مي‌رسند و زغال‌سنگ حداكثر تا دو قرن ديگر پاسخ‌گوي بخشي از نياز شديد انسان به انرژي خواهد بود. بنابراين انسان به ناچار به دنبال انرژي‌هاي نو از جمله انرژي هسته‌اي مي‌باشد.

 

برتري‌ انرژي هسته‌اي با ساير انرژي‌ها

علاوه بر صرفه‌ي اقتصادي دلايل ديگري انرژي هسته‌اي را بر ساير انرژي‌ها مقدم مي‌دارد.

منابع فسيلي محدود بوده و متعلق به نسل‌هاي آتي مي‌باشد.

نيروگاه‌هاي اتمي آلودگي كمتري دارد در نتيجه ذرات معلق كمتري به هوا وارد مي‌شود و در نتيجه مانع از آلودگي هوا مي‌شود.

امروزه، بررسي و مطالعه‌ي اين گونه ذرات را كه عناصر اصلي ساختار هسته‌اي هستند، در شاخه‌ي خاصي به نام فيزيك ذرات بنيادي (يا فيزيك انرژي بالا) ادامه مي‌دهند.

بدين ترتيب، فيزيك هسته‌اي را مي‌توان از سويي فرزند شيمي و فيزيك اتمي و از سوي ديگر پدر فيزيك ذرات بنيادي به شمار آورد.

فيزيك هسته‌اي اگرچه اكنون نقش محوري‌اش را در جستجوي اجزاي بنيادي ماده از دست داده است، ولي هنوز هم براي درك برهم‌كنش‌هاي بنيادي از آزمايش‌هاي هسته‌اي استفاده مي‌شود. تحقيق در خواص هسته‌ها و قوانين حاكم بر ساختار هسته‌اي، به نوبه‌ي خود، زمينه‌ي فعال و باروري از پژوهش‌هاي فيزيكي است. ابزارهاي مفيدي مانند آشكارسازهاي دود، تنظيم كنند‌ه‌هاي ضربان قلب و وسايل تصويرگيري پزشكي، از جمله دستاوردهاي علمي اين پژوهش‌ها هستند. بدين ترتيب، در واقع مي‌توان براي فيزيك هسته‌اي سه نقش مختلف در نظر گرفت:

1. كاوش در قلمرو ذرات بنيادي ماده و برهم‌كنش آنها

2. رده‌بندي و تفسير خواص هسته‌اي

3. طراحي روش‌ها و ابزارهاي فني پيشرفته براي خدمت به جوامع بشري[1]

 

اتم

بيش از دو هزار سال پيش انسان با واژه‌ي اتم آشنا بود. زيمقراطيس يكي از بزرگ‌ترين دانشمندان يونان باستان عقيده داشت كه تمام مواد از ذرات بسيار كوچك غيرقابل تقسيمي تشكيل شده‌اند. او اين ذرات را اتم ناميد. فرضيه‌ي او به نحو شگفت‌انگيزي به حقيقت نزديك بود. در آن زمان بسياري از فلاسفه و دانشمندان يونان در مورد ماده و كاينات بررسي و تحقيق مي‌كردند. تقريباً تمام اين علوم و آگاهي‌ها به طرز عجيبي فراموش شدند.

در حدود سال1800 ميلادي (1179 هجري‌شمسي) دوباره به فرضيه‌ي قديمي اتم توجه شد.

انسان دريافت كه بايد انواع گوناگوني از اتم‌ها وجود داشته باشد، تا تمام مواد و پديده‌هاي موجود در طبيعت را بتوان به وسيله‌ي آنها توجيه كرد. در سال 1803 (1182 هجري‌شمسي) يك معلم انگليسي به نام «جان دالتون» كشف كرد كه مواردي وجود دارند كه فقط از يك نوع اتم تشكيل شده هست. در بسياري از كتاب‌هاي شيمي واژه‌ي اتم به شرح زير تعريف شده است: «اتم كوچك‌ترين سنگ بناي يك عنصر شيميايي است كه در صورت تقسيم به ذرات كوچك‌تر، ديگر خواص آن عنصر را دارا نخواهد بود».

اتم‌هاي مختلف، جرم‌هاي متفاوتي دارند. سبك‌ترين آنها اتم هيدروژن است. اتم آهن بسيار سنگين و اتم اورانيوم (كه اهميت ويژه‌اي در بحث ما دارد از آن هم سنگين‌تر است.)

«نيلز بوامر»، فيزيكدان بزرگ دانماركي در سال 1913 مدل اتمي معروف خود را – كه هنوز هم دقيق‌ترين مدل شناخته شده و كاربرد دارد- انتشار دارد.

براساس اين مدل، اتم مانند يك منظومه‌ي شمسي كوچك است. در منظومه‌ي شمسي، سياره‌ها به دور خورشيد، كه جرم زيادي دارند؛ در گردشند.

در اتم نيز چنين است. در مركز اتم، هسته‌ي آنكه كوچك اما پر جرم است، قرار دارد.

ذرات سبك بسيار كوچكي بنام الكترون در فواصل بسيار دوري نسبت به هسته در گردشند.

هسته از نظر الكتريكي داراي بار مثبت است و الكترون‌ها بار منفي دارند. الكترون‌ها به وسيله‌ي نيروي جاذبه‌ي الكتريكي هسته بر مدار خود باقي مي‌مانند. درست مانند خورشيد كه با نيروي جاذبه‌اش سياره‌ها را به دور خود نگاه مي‌دارد.

در اوايل اين سده نيز «آلبرت انيشتن» يكي از بزرگ‌ترين دانشمندان تاريخ به صحنه آمد و نشان داد كه ماده فقط يكي از شكل‌هاي متعدد قابل تصور انرژي است. به اين ترتيب كه اگر ما به يك ذره‌ي خيلي سريع انرژي وارد كنيم؛ جرم آن را افزايش مي‌دهيم. بنابراين انيشتن اين‌طور نتيجه‌گيري كرد كه جرم فقط شكلي از انرژي است.

 

انرژي اتمي

انرژي عبارت از نيرويي است كه به هنگام فعل و انفعالات شيميايي و با وجود بعضي تغييرات ظاهر مي‌شود. آزاد شدن انرژي اتمي عبارت از آن است كه در اثر شكستن ذرات اتم به هنگامي كه از بمب اتم خارج مي‌شود البته اين نيروهاي خارج شده با هم فرق دارند چون در آن حال مقدار زيادي انرژي در زمان بسيار كوتاه به وجود مي‌آيد و اين نيرو زماني به وجود مي‌آيد كه هسته‌ي اتم به وسيله‌ي بمباران مخصوص شكسته شود، لكن در فعل و انفعالات شيميايي آن انرژي حاصله كمتر و كندتر آزاد مي‌گردد.

 

هسته‌ي اتم

هر اتم از تعدادي پروتون و نوترون و الكترون تشكيل گرديده است. همه مي‌دانيم دو جسمي كه داراي بار الكتريكي همنام باشند يكديگر را دفع مي‌كنند ولي اگر دو بار الكتريكي متضاد (مثبت و منفي) باشند، همديگر را جذب مي‌كنند. حال اين پروتون‌ها با اينكه هر كدام از آنها داراي بار الكتريكي مثبت مي‌باشند و قاعدتاً بايد يكديگر را دفع كنند در صورتي كه در كنار هم قرار دارند. مسلم است كه اگر انرژي مخصوصي نبود كه آنها را در كنار هم نگه دارد از يكديگر مي‌گريختند. در آن صورت هسته‌ي اتم تشكيل نمي‌شد. باز هم معلوم شده وقتي هسته‌ي برخي از اتم‌هاي سنگين مانند اتم راديوم منفجر گردد آن هسته راديواكتيو مي‌شود، يعني پرتوافشاني مي‌كنند. زيرا در آن هنگام مقداري انرژي كه شبيه اشعه مجهول است و مقداري الكترون منفي و مقداري ذرات الكتريسيته موسوم به آلفا از هسته آزاد مي‌شوند و به اطراف منتشر مي‌شوند و وقتي ذرات آلفا به بعضي از مواد شيميايي اصابت كند آن مواد را درخشنده مي‌نمايد. از اين تركيبات راديويي گاهي براي درخشان كردن عقربه و تقسيمات ساعت و نظاير آن استفاده مي‌كنند.[2]

 

شكستن اتم

اين مسئله محرز شده كه بيشتر نيروي اتمي در هسته آن متمركز است. پس هنگامي كه هسته بشكند آن انرژي آزاد مي‌گردد. در هسته‌ي عده‌ي معدودي از عناصر متعادل ميان پروتون‌ها بسيار حساس مي‌باشد، به طوري كه اگر به يكي از نوترون‌ها، نوتروني اضافه گردد احتمال مي‌رود اين تعادل به هم بريزد و سبب در هم شكستن هسته گردد و وقتي كه هسته شكسته شد نيروي عظيمي كه در داخل آن بوده آزاد مي‌شود و مقداري الكترون و پروتون هم خارج مي‌گردند.

بنابراين اگر يك اتم اورانيوم235 شكسته شود، سبب شكسته شدن ساير اتم‌هاي اطراف خود مي‌گردد و اين عمل تا زماني كه اورانيوم235 موجود است ادامه خواهد داشت و وقتي شكستن اتم‌هاي اورانيوم235 خيلي فشرده شد، ميليون‌ها اتم در يك لحظه‌اي منفجر مي‌شوند و سبب آزاد شدن مقداري انرژي مي‌گردند.

 

مهار كردن نيروي اتمي

نيروي اتمي وقتي در بمب‌هاي اتمي باشند قابل مهار كردن نيستند و همين كه بمب اتمي به جايي تصادف كند در لحظه كوتاهي كه از ثانيه هم كمتر است، ميليون‌ها اتم يك مرتبه شكسته و نيروي آنها آزاد مي‌شود و انفجار بس عظيمي به وجود مي‌آورد.

نيروي اتمي را در خارج از بمب‌هاي اتمي نيز مي‌توان مهار كرد. چون دستگاه‌هاي مخصوص ساخته‌اند كه به وسيله‌ي آنها نيروي اتمي را مهار كرده و از آن نيرو در امور ديگر استفاده مي‌كنند.

چنان كه امريكا در سال1943 موفق به ساختن يك باطري اتمي شد كه مي‌تواند براي مدت نامحدودي برق توليد كند و نخستين طريق استفاده از نيروي مهار شده بدين نحو صورت مي‌گيرد كه حرارت حاصله از شكسته شدن اتم‌هاي اورانيوم موجب تبخير آب شد و همان بخار كارخانه مولد نيرويي را به كار انداخت. علاوه بر اين امريكايي‌ها موفق شدند اولين موتور اتمي را در يك زيردريايي به نام نوتليوس (Notilus) نصب كنند و در 1954 روس‌ها هم اولين كارخانه بزرگ برق اتمي را با قدرت 56000 كيلووات در ساعت در شهر پيتسبورگ به كار انداختند. (Pittsbarg)

ديري نگذشت كه دانشمندان امريكايي موفق به ساختن باطري اتمي كوچكي شدند كه تشعشاتِ يك ماده‌ي راديواكتيو را مستقيماً تبديل به جريان برقي مي‌نمايد. دانشمندان و متخصصين اين فن پيش‌بيني كرده بودند كه از سال 1970 به بعد بسياري از كارخانه‌ها توسط انرژي اتمي كار خواهند كرد و اين پيش‌بيني اكنون تحقق پيدا كرده است و ايران هم جز يكي از كشورهاي داراي انرژي اتمي شده است.[3]

 

طريقه‌ي شناخت ايزوتوپ‌هاي راديواكتيو

قبلاً هم گفتيم كه بعضي از عناصر سنگين مانند اورانيوم و راديوم داراي اتم‌هايي هستند كه شكسته مي‌شوند و تشعشعات خيلي قوي از خود خارج مي‌كنند. اين عنصرها را راديواكتيو گويند اما ايزوتوپ به اتم‌هايي گويند كه الكترون‌ها و پروتون‌هاي آنها از حيث تعداد با هم مساوي باشند ولي از حيث وزن با هم اختلاف دارند.

چون عناصر به طور مختلف در طبيعت وجود دارند مانند اكسيژن كه داراي سه ايزوتوپ نورن‌هاي اتمي 16و17 و18 مي‌باشند و اغلب ايزوتوپ‌ها كه به طور طبيعي در دسترس هستند راديواكتيو نيستند. ولي اگر همين عناصر در يك پيل اتمي به وسيله‌ي نوترون‌ها بمباران شوند راديواكتيو مي‌شوند.

پس مي‌توان هر عنصري را راديواكتيو نمود و امروز بيش از ده‌ها نوع ايزوتوپ ارزان قيمت در دسترس هست كه مصارف صنعتي و كشاورزي فراوان دارند. خاصيت راديواكتيو اين است كه مانند يك دستگاه فرستنده و فعال به طور دائم تشعشعاتي از خود صادر مي‌كند. بنابراين براي شناخت راديواكتيوها راه‌هاي متعددي هست كه از جمله‌ي آنها اين است كه تشعشعات ايزوتوپ‌هاي راديواكتيو روي تركيبات شيميايي فيلم‌هاي عكاسي اثر نور را دارد.

طريقه‌ي دوم آن است كه هرگاه تشعشعات راديواكتيو در مقابل كنتور گايگر قرار بگيرد به محض مجاورت با ماده‌ي راديواكتيو فوراً برق مي‌زند و يا صدايي از آن صادر مي‌شود.

طريقه سوم پرده فلورانس است. هنگامي كه تشعشعاتِ ايزوتوپ راديواكتيو به آن پرده برسد نور از آن ساطع مي‌شود.

 

چرا هسته‌ي اتم‌ها متلاشي نمي‌شوند؟

همان‌طور كه مي‌دانيد دو بار الكتريكي مثبت يكديگر را دفع مي‌كنند، همين قاعده درباره‌ي دو بار الكتريكي منفي نيز وجود دارد. در حالي كه بار الكتريكي مثبت يك بار منفي را به خود جذب مي‌كند. بنابراين هسته‌ي اتم كه بار الكتريكي مثبت دارد. الكترون‌هاي منفي را در اطراف خود نگاه مي‌دارد و آنها را به گردش بر روي مدارهاي ويژه‌اي وادار مي‌كند. مي‌دانيم كه هسته از نوترون‌هاي خنثي و پروتون‌هاي مثبت تشكيل شده است و در نگاه اول متلاشي شدن آن منطقي به نظر مي‌رسد، زيرا بارهاي مثبت يكديگر را دفع مي‌كنند.

پس چگونه ممكن است كه، مثلاً در هسته‌ي عنصري، 6 پروتون مثبت در فضايي بسيار تنگ در كنار يكديگر باقي بمانند؟

علت اين است كه بين نوكلئون‌هاي هسته، نيرويي بسيار بزرگ‌تر- كه اصطلاحاً نيروي هسته‌اي ناميده مي‌شود اثر مي‌گذارد. البته اين نيرو فقط هنگامي كه نوكلئون‌ها در فواصل بسيار كم از يكديگر قرار دارند، كارگر است.

 

راديواكتيويته

هسته‌ي اتمام اتم‌ها، پايدار نيستند. بسياري از هسته‌ها، ناگهان در هم مي‌شكند. به اين ترتيب كه با شدت و فشار زياد ذرات كوچك‌تري را به خارج پرتاب مي‌كنند و به اين طريق تغيير شكل مي‌يابند و تبديل به مواد ديگري مي‌شوند.

اين پديده را (راديواكتيويته) مي‌نامند. اورانيوم و توريم و راديوم، از ايزوتوپ‌هاي پرتوزا هستند. اين پديده توسط فيزيكدان فرانسوي (هانري بكرل) كشف شد و به وسيله‌ي زوج دانشمند، (بي‌ير و ماري كوري) دقيق‌تر مورد بررسي قرار گرفت.

 

چگونه هسته‌ي اتم‌ها فرو مي‌پاشند؟

هسته‌ي بسياري از اتم‌ها، به ويژه آنهايي كه خيلي سنگين و بزرگند پايدار نيست و مانند ساختمان بيش از حد بزرگي كه ديوارهاي مقاومي ندارد، فرو مي‌پاشند و به هسته‌ي عنصر ديگري، كه پايدارتر است تبديل مي‌شوند. اغلب اوقات اتم تازه ساخته شده نيز ناپايدار است و دوباره فرو مي‌پاشد. به اين ترتيب دور كاملي از فروپاشي‌هاي زنجيره‌اي صورت مي‌گيرد تا بالاخره اين روند با ايجاد يك عنصر پايدار پايان مي‌يابد به اين واكنش‌ها، واكنش‌هاي زنجيره‌اي گفته مي‌شود.

 

در جريان شكافت اتم اورانيوم چه روي مي‌دهد؟

اورانيوم طبيعي سه ايزوتوپ (234- U، 235-U و238- U) دارد. از هر هزار اتم اورانيوم993 اتم هسته‌ي 238-U و 7 اتم هسته‌ي 235-U دارند. مقدار 234-U آن‌قدر كم است كه لازم نيست در نظر گرفته شود. نوترون‌هاي آرام فقط هسته‌هاي 235-U را مي‌شكافند. در جريان اين عمل، نخست يك هسته‌ي واسطه (يعني 236-u) ايجاد مي‌شود. اين هسته پايدار نيست و به يك هسته‌ي باريم144، يك هسته‌ي كريپتون90 و دو نوترون جديد تبديل مي‌شود. اكنون با پديده‌اي آشنا مي‌شويم كه كشف آن باعث اختراع بمب اتمي و نيروگاه‌هاي هسته‌اي شد و جهان را تغيير داد. قطعات ايجاد شده به هنگام شكافت داراي جرم كمتري نسبت به مجموع جرم‌هاي هسته و گلوله‌ي نوتروني‌اند. به عبارت ديگر جرم از دست مي‌رود. جرم از دست رفته مطابق معادله‌ي انيشتن (E=MC2) به مقدار عظيمي انرژي (انرژي اتمي) تبديل مي‌شود. مي‌توان گفت كه در اين جريان آن بخش از انرژي كه صرف يكپارچه نگاه داشتن اتم بزرگ‌تر شده بود، آزاد مي‌شود و امكان دور شدن قطعات جديد از يكديگر فراهم مي‌آورد.

قطعات جديد با سرعت بسيار زياد به اتم‌هاي هم‌جوار خود برخورد مي‌كنند و آنها نيز به نوبه‌ي خود در اثر اين برخورد نوسان‌هاي شديدي پيدا مي‌كنند و به يكديگر ساييده مي‌شوند. به اين ترتيب انرژي جنبشي قطعات به گرما تبديل مي‌شود.

در شكافت هسته‌اي مقدار زيادي انرژي آزاد مي‌شود. از يك گرم اورانيوم235 مي‌توان 23هزار كيلووات ساعت انرژي به دست آورد. اغلب به هنگام شكافت هسته‌اي سه نوترون جديد نيز ايجاد مي‌شوند. هسته‌ي واسطه‌ي 236-U مثلاً مي‌تواند به باريم 144، كريپتون89 و3 نوترون تبديل شود. متأسفانه هسته‌هاي نيمه سنگين جديد برحسب قاعده، خود راديواكتيواند و پروتون‌هاي خطرناك منتشر مي‌كنند.

براي شكافت هسته‌هاي 238-U بايد نوترون‌هاي بسيار سريع داشته باشيم. البته نوترون‌هاي آرام نيز در اين هسته‌ها نفوذ مي‌كنند، ولي در داخل هسته گرفتار مي‌شوند و 239-U را مي‌سازند. اين هسته نيز طي يك مرحله‌ي مياني به پلوتونيم239 تبديل مي‌شود، كه به نوبه‌ي خود مي‌تواند به خوبي به وسيله‌ي نوترون‌هاي آرام شكافته شود.

 

واكنش زنجيره‌اي

هنگامي كه يك قطعه‌ي بزرگ 235-U (و يا پلوتونيم) در زماني كوتاه بمباران نوتروني مي‌شود، روند زير اتفاق مي‌افتد نخستين هسته شكافته مي‌شود. اين هسته 2 يا3 نوترون را به خارج پرتاب مي‌كند. اين نوترون‌ها در مثال، 2 هسته‌ي ديگر را مي‌شكافند و در مجموع به طور متوسطه 5 نوترون آزاد مي‌شود. وقتي چهار تا از اين نوترون‌ها به هسته‌هاي هم‌جوار برخورد كنند و آنها را بشكافند، 8 تا 12 نوترون جديد به وجود مي‌آيد. اين نوترون‌ها، با چشم‌پوشي از درصد ضايعاتشان، دوباره هسته‌هاي ديگري را مي‌شكافند و با هر شكافت مقداري عظيم انرژي رها مي‌شود. در اين ضمن حدود 20 نوترون جديد ايجاد مي‌شود، كه آنها نيز دوباره هسته‌هايي را مورد اصابت قرار مي‌دهند و خلاصه در كسر بسيار كوچكي از ثانيه تعداد هسته‌هاي شكفته شده و مقدار انرژي آزاد شده بهمن‌آسا افزايش مي‌يابد. اين جريان را «واكنش زنجيره‌اي» مي‌نامند.

اين روش غيرقابل كنترل در بمب اتمي به كار گرفته مي‌شود. حداقل جرم سوخت هسته‌اي كه براي انجام يك واكنش زنجيره‌اي مورد نياز است، «جرم حياتي» ناميده مي‌شود. در اورانيوم235، اين جرم تقريباً 23كيلوگرم است. يك گلوله‌ي اورانيوم به قطر30 سانتي‌متر همين جرم را دارد. اگر كمتر از اين حد سوخت به كار گرفته شود، تعداد بسيار زيادي نوترون از بين مي‌رود. اين نوترون‌ها بدون برخورد با هسته‌اي از محدوده توده‌ي اورانيوم خارج مي‌شوند.

خوش‌بختانه «واكنش زنجيره‌اي» را مي‌توان كنترل كرد، به اين ترتيب كه در هر ثانيه امكان انجام تعداد معيني شكافت را فراهم آورد. دقيقاً همين تكنيك در نيروگاه‌هاي اتمي به كار گرفته مي‌شود.

غني‌سازي

در اورانيوم طبيعي معمولاً «واكنش زنجيره‌اي» اتفاق نمي‌افتد. بيش از 99% از اورانيوم يافت شده در طبيعت از نوع 238-U است. دو تا سه نوتروني كه در اثر يك شكافت هسته‌اي ايجاد مي‌شوند، اغلب پرشتاب‌تر از آن‌اند كه بتوانند هسته‌هاي ما در 235-U را بشكافند. از طرف ديگر آنها كندتر از آن حركت مي‌كنند كه قادر باشند 238-U را خرد كنند و توسط 238-U گرفتار مي‌شوند.

بنابراين واكنش زنجيره‌اي بدون آمادگي و تنها با يك شكافت هسته‌اي انجام‌پذير نيست.

براي رسيدن به يك واكنش زنجيره‌اي، مي‌توان دو راه را در پيش گرفت:

1. بايد مقدار 235-U را افزايش داد، تا مواد قابل شكافت بيشتري به دست آيد.

2. بايد سرعت نوترون‌هاي ايجاد شده در اثر شكافت را، كندتر كرد.

مثلاً سوخت هسته‌اي مطلوب بعضي نيروگاه‌هاي هسته‌اي، در صورتي فراهم مي‌آيد كه ميزان235-U از 7/0% به 3% افزايش يابد. اين روش را «غني‌سازي» مي‌نامند.

 

مدراتور يا شتاب‌گير

اگر مواد سوختي تا 3% غني شده باشند، به تنهايي براي ما فايده‌ي چنداني ندارند، زيرا نوترون‌هاي ايجاد شده در جريان شكافت، بيش از حد شتاب دارند و باز هم توسط هسته‌هاي 238-U كه به وفور وجود دارند گرفتار مي‌شوند و نمي‌توانند اين هسته‌ها را بشكافند و از كنار هسته‌هاي235-U نيز با شتاب مي‌گذرند.

براي شكافت اين هسته‌ها ما نياز به نوترون‌هاي آرام داريم. خوش‌بختانه موادي وجود دارد كه مي‌تواند شتاب نوترون‌ها را كاهش دهند. اين مواد را «مدراتور» يا «شتابگير» مي‌نامند.

كربن براي اين منظور عنصر مناسبي است. اگر كربن به شكل گرافيت، بين قطعات يا بلوك‌هاي اورانيوم قرار گيرد، حركت نوترون‌هاي نفوذ كرده و در آن را كند مي‌كند، به نحوي كه آنها در صورت تماس مجدد با اورانيوم235 توانايي شكافت هسته‌ها را پيدا مي‌كند. آب و بريليم نيز شتابگرهاي مناسبي‌اند.

 

 

[1]. كنت كرين، آشنايي با فيزيك هسته‌اي، ترجمه محمدابراهيم ابوكاظمي، منيژه رهبر (تهران، مركز نشر دانشگاهي، 1371-1373)، ص8

[2]. سيدكاظم خلخالي، گنجينه‌هاي دانش (تهران، محمد، 1364)، ص497

[3]. سيدكاظم خلخالي، گنجينه‌هاي دانش (تهران، محمد، 1364)، ص498