Uranium -عناصر و مواد هسته ای

هالید نقره
مفاهیم پایه
هالیدهای نقره گروهی از ترکیبات هستند که از پیوند اتمهای نقره با اتم‌های گروه هالوژن تشکیل می‌شود. این مواد در برابر نور و اشعه حساسیت زیادی از خود نشان می‌دهند. بنابراین از مواد در تهیه تصاویر فتوگرافی و رادیوگرافی استفاده می شود.
خصوصیات فیزیکی هالید نقره

هالیدهای نقره در ظاهر مانند نمکهای دیگر به رنگ سفید یا زرد کم‌رنگ دیده می‌شود و پیوند بین آنها از نوع یونی می‌باشد. پس نیروی الکتریکی بین آنها باعث حفظ وضعیت آنها در ساختار سه بعدی منظم کریستال می‌شود.
خصوصیات شیمیایی هالید نقره

کریستال هالید نقره خالص نسبتا پایدار است و به سادگی تحت تاثیر مواد شیمیایی قرار نمی‌گیرد اما در شرایط معینی با استفاده از مواد شیمیایی که به عنوان دهنده الکترون عمل می‌کنند و اصطلاحا به آنها مواد احیا کننده (کاهنده) می‌گویند می‌توان هالیدهای نقره را احیا کرد.
اثر تابش بر روی هالیدهای نقره

هنگامی که فوتونی در کریستال جذب می‌شود در این حالت فوتونهای تابشی به هالیدها مثل یون برمید برخورد کرده و باعث آزاد شدن الکترون می‌شود. که این الکترون در مدت زمان کوتاه درون کریستال حرکت کرده و در دام الکترونی با انرژی پایین و نزدیک به سطح کریستال به نام نقطه حساس قرار می‌گیرند. نقطه حساس در اثر ناخالص‌سازی مصنوعی کریستالهای هالید نقره در حین ساخت ایجاد می‌شود. پس از جذب الکترونها در نقطه حساس یونهای مثبت نقره‌ای که پیوند آنها در شبکه بر اثر برخورد فوتون از بین رفته به سمت نقطه حساس کشیده می‌شود.

هر کدام از این یونهای مثبت یک الکترون موجود در نقطه حساس را جذب کرده و به اتم نقره فلزی تبدیل می‌شود. این اتم‌های نقره جهت ظاهر شدن کریستال بسیار ناچیزند. اما باعث اثرپذیری شدید سایر کریستالهای تابش شده در برابر مواد احیاکننده می‌شود. هالیدهای نقره به نور حساسیت دارند. ولی نقره‌های فلزی هیچ حساسیتی به نور ندارند و نسبت به نور ، کدر هستند. بر این اساس قسمتهای تیره تصویر رادیوگرافی توسط نقره فلزی ساخته می‌شود.
نحوه ساخت هالیدهای نقره

هالیدهای نقره نتیجه واکنش شیمیایی نیترات نقره و یک هالید قلیایی مانند برمید پتاسیم می‌باشند. این مرحله به عنوان قسمتی از مرحله تولید امولسیون فیلم‌های اشعه ایکس در کارخانه مربوط می‌شود.
مواد مورد نياز در رآكتورهاي هسته اي
دیدکلی
خواص فیزیکی مواد ، اهمیت ویژه‌ای در کاربرد آنها در راکتورهای هسته‌ای دارد. خواصی چون استحکام ، سختی ، قابلیت کششی ، نقطه ذوب ، نقطه جوش ، چگالی و رسانندگی گرمایی همه مواردی هستند که در انتخاب ماده برای اجزای مختلف راکتور ، دارای اهمیت می‌باشد.
سوخت راکتور
اورانیوم

متداول ترین ماده سوخت برای راکتورهای هسته‌ای اورانیوم است، که می‌تواند به صورت خالص ، یعنی اورانیوم فلزی و یا به صورت ترکیب مثل اکسید اورانیوم و یا کربور اورانیوم بکار برود. اورانیوم ، فلز نسبتا نرم و قابل کششی است که در دمای بالا به آسانی در هوا و آب اکسید می‌شود. نقطه ذوب آن ۱۱۳۳ درجه سانتیگراد است.
پلوتونیوم

چون فلز پلوتونیوم تا رسیدن به نقطه ذوب ۶۴۰ درجه سانتیگراد دارای تعداد زیادی فاز بلوری است، سوخت مناسبی برای راکتور نمی‌باشد. به عنوان سوخت راکتور ، پلوتونیوم را به صورت ، PUO2 بکار می‌برند. نقطه ذوب این ترکیب ۲۴۰۰ درجه سانتیگراد است.
توریوم

به جز در چند راکتور با خنک کننده گازی دما – بالا ، توریوم تاکنون به عنوان سوخت راکتور کاربرد زیادی نداشته است. نقطه ذوب فلزات توریوم خالص حدود ۱۷۰۰ درجه سانتیگراد است. به علت پایداری بهتر ، این عنصر برتر از اورانیوم است. اما ما به صورت خالص به عنوان سوخت بکار نمی‌رود. بلکه ان را به صورت دی اکسید توریوم ThO2 کربوتریوم ThC2 بکار می‌برند.
کند کننده‌ها

ویژگیهای لازم برای کند کننده‌های راکتورهای حرارتی ، یعنی عدد جرمی پایین ، سطح مقطع جذب نوترون خیلی پایین ، سطح مقطع پراکندگی بالا و گزینش را به چند ماده محدود می‌کنند. هیدروژن و دوتریوم ، کربن و برلیوم تنها عناصری هستند که برای کند کنندگی مناسب‌اند. هیدروژن و دوتریم ، به علت گاز بودن ، به اندازه کافی چگال نیستند و باید به صورت ترکیب بکار روند. بنابراین انتخاب کند کننده برای راکتورهای حرارتی به سه ماده زیر محدود می‌شود.

آب :
آب یک انتخاب بدیهی برای کند کننده راکتورهای حرارتی است و می‌تواند به عنوان خنک کننده هم بکار رود. آب دارای سطح مقطع جذب نسبتا بالایی است. کند کننده آب برای بحرانی شدن نیاز به اورانیوم غنی شده دارند.
آب سنگین :

بسیاری از خواص فیزیکی و ترمودینامیکی آب سنگین شبیه آب معمولی است. فرق اساسی آب سنگین با آب معمولی در این است که دوتریم سطح مقطع جذب خیلی کمتری نسبت به هیدروژن دارد.
گرافیت :

ویژگیهای هسته‌ای این ماده ، مثل قدرت کند کنندگی و سطح مقطع جذب به خوبی ویژگیهای آب سنگین نیست. اما نوع خالص آن را می‌توان تهیه کرد. خواص ساختاری و گرمایی آن خوب است اما در دماهای بالا و هوا ترکیب می‌شود. گرافیت دارای رسانندگی گرمایی بالایی است.
خنک کنندهها

ویژگیهای خنک کننده‌ها
• خواص ترمودینامیکی خوب ، یعنی رسانندگی گرمایی ، گرمای ویژه بالا و چسبندگی پایین.
• عدم برهمکنش شیمیایی با قسمتهای دیگر راکتور.
• سطح مقطع جذب نوترونی خیلی پایین.
• پرتوزا نشدن در اثر واکنش‌های گاما – نوترون که ممکن است هنگام عبور خنک کننده از قلب راکتور رخ بدهد.

مواد مناسب خنک کننده
هلیوم
هلیوم گازی است بی اثر ، دارای خواص ترمودینامیکی خوب و خطر تابش هم ایجاد نمی‌کند. بنابراین ظاهرا می‌توان آن را به عنوان خنک کننده ایده آل راکتورهای گازی تلقی کرد. اما متاسفانه به سادگی مقدار زیاد آن قابل دسترسی نیست. در حال حاضر کاربرد این گاز به عنوان خنک کننده راکتور محدود به چند راکتور دما – بالای گازی در آمریکا و آلمان است.
فلزات مایع

فلزات مایع ، به دلیل خواص ترمودینامیکی خوبشان ، به خصوص رسانندگی گرمایی بالای آنها ، خنک کننده‌های با لقوه خیلی خوبی برای راکتورها هستند. سدیم ، لیتیم ، جیوه و آلیاژهای سدیم – پتاسیم همه مناسب‌اند. ولی از میان آنها سدیم به مقدار قابل ملاحظه‌ای ، منحصرا در راکتورهای سریع زاینده مورد استفاده قرار گرفته است.
حفاظ‌های راکتور

ویژگی‌های مواد محافظ
• سطح مقطع جذب نوترون خیلی پایین است.
• رسانندگی گرمایی بالا دارند.

• استحکام خوب در دماهای بالا برای مقاومت در مقابل تنش حرارتی
• تغییر شکل سوخت و فشار ناشی از انباشت پاره‌های شکافت در داخل حفاظ
مواد کنترل

موادی که برای راکتور مورد استفاده قرار می‌گیرند باید دارای سطح مقطع جذب بالایی باشند.
بور
بور متداول ترین ماده کنترل است. از بور به تنهایی نمی‌توان استفاده کرد. اما می‌توان آن را با فولاد در آمیخت یا به صورت کربور محبوس در کپسول‌های فولادی مورد استفاده قرار داد.

ایندیم و کادمیوم
ایندیوم و کادمیوم هر دو سطح مقطع جذب بالایی دارند. اما نقطه ذوب آنها پایین تر از آن است که بتوان از آنها در راکتورهای قدرت استفاده کرد.
هافنیم
هافنیوم دارای استحکام مکانیکی کافی و مقاومت خوبی در برابر خوردگی است. لذا ماده کنترل خوبی است.
گادولینیم
گادولینیم در بعضی راکتورهای گازی پیشرفته به عنوان سم قابل سوختن بکار می‌رود.