انرژي اتمي

مقدمه
در حال حاضر انرژي اتمي يكي از منابع مهم انرژي بسياري از كشورهاي جهان است . با وجود اين ، تا سالهاي اخير اكثر مردم دربارة آن بي اطلاع بودند در اواخر جنگ جهاني دوم زماني كه دو بمب اتمي بر روي شهرهاي ناكازاكي و هيروشيما در ژاپن انداخته شد ، براي اولين بار مردم پي بر قدرت انرژي اتمي بردند. از آن زمان تا به امروز از انرژي اتمي فقط به منظور توليد نيرو استفاده شده است ، هرچند كه سلاحهاي اتمي متعددي در جهان وجود دارند.

جمعيت جهان با سرعت رو به افزايش است و مردم نيز مايلند سطح زندگي شان بهتر شود و توقعاتشان بيشتر شده است. اين دو عامل دليل نياز روز افزون به انرژي است. اين انرژي موارد استفاده هاي فراوان دارد ، از جمله راه انداختن ماشين آلات كارخانه ها ، توليد گرما و نيروي برق ، درحالي تقاضاي جهاني انرژي رو به افزايش است ، منابع سوختهاي فسيلي (زغال سنگ ، نفت و گاز ) در حال اتمام هستند.

در حال حاضر ، سوختهاي فسيلي تنها منابع اصلي تامين كنندة انرژي جهان هستند و بايد به دنبال منابع ديگر انرژي بود ، يكي از منابع جايگزين كه قبلا كشف شده است انرژي اتمي مي باشد.

انرژي هسته اي
اولين استفاده از انرژي هسته اي در جنگ جهاني دوم بعمل آمد و از آن پس امكان تهيه انرژي مفيد به مقياس وسيع از اين منبع مورد نظر بوده و از آن غالبا بعنوان پشتوانه اي در برابر مسئله اتمام منابع فسيلي انرژي ياد مي شود. در عين حال كه انرژي هسته ممكن است بر منابع فسيلي مزايايي ( از نظر آلوده تر كردن هوا ) داشته باشد استفاده از آن مستلزم يك تكنولوژي پيشرفته و پيش بيني هاي لازم براي مسائل ايمني است .

در استفاده از انرژي هسته اي حرارت حاصله از شكستن اتمها كه تحت كنترل انجام مي گيرد به مصرف توليد بخار مي رسد. عمل شكستن اتمها و توليد حرارت در راكتورها انجام مي گيرد كه سوخت آنها اورانيوم (و يا توريم) است.

حرارت سپس بوسيله يك يا چندين عامل واسطه كه تحت فشارهاي مختلف هستند به بخار تبديل شده و توربينهاي مولد برقي را مي چرخانند. در راكتورهاي معمولي كه سوخت آنها اورانيوم ۲۳۵ است مقدار كمي از سوخت ( در حدود يك درصد ) به پلوتونيوم تبديل شده و در اين تبديل تفاوت به صورت انرژي آزاد مي شود. اين عمل سبب مي شود كه يك تن سوخت اورانيوم كه در اين راكتورها «سوخته» مي شود معادل سوختن پنجاه هزار تن زغال سنگ الكتريسيته توليد كند.

در حال حاضر حدود ۱۶۰۰۰ يعني پنج درصد انرژي الكتريكي مصرفي در امريكا از انرژي هسته اي توليد مي شود كه راكتورهاي فوق الذكر را بكار گرفته اند. اين مقدار در حدود يك درصد انرژي كل مصرفي امريكا است .

راكتورهاي ديگري كه در آن كشور تحت ساختمان هستند داراي ظرفيتي در حدود ۵۴۰۰۰ خواهد بود و مقدار ۸۰۰۰۰ ديگر نيز يا در مرحله طرح يا سفارش هستند بطوريكه در پايان اتمام آنها مجموعا ۱۵۰۰۰۰ الكتريسيته از انرژي هسته اي در آن كشور تهيه خواهد شد كه تخمين زده مي شود در سال ۲۰۰۰ قسمت قابل توجهي از انرژي الكتريكي امريكا را تامين كند.

(مثلا ۲۵ تا ۳۰ درصد) . در انگليس نيز حدس زده مي شود تا اواخر قرن حاضر راكتورهاي هسته اي تا حدود ۲۵% الكتريسيته مورد احتياج را كه در آن موقع در حدود ۴۰۰۰۰ تخمين زده مي شود تامين كند. گرچه به نظر مي رسد كه انرژي هسته اي ممكن است راه حل عمده اي براي بحران انرژي باشند . ولي بايد توجه داشت كه موفقيت عمده انرژي هسته اي مي تواند در توليد انرژي الكتريكي بوده كه فقط جزئي از انرژي لازم براي احتياجات آينده است.

و حتي توليد الكتريسيته به مقدار وافر از اين منبع مستلزم پيمودن راهي است كه كاملا كوبيده و صاف نشده است. بعلاوه عليرغم بوجود آمدن راكتورهاي مولد مسئله سوخت اتمي لازم هنوز بطور كامل حل نشده است . ديگر اينكه تكنولوژي قادر باشد راكتورهاي اتمي نوعي سم ايجاد كند . كه نه از راه انشقاق (fissin) كه در راكتورهاي فعلي بكار مي رود بلكه از راه Fuslan انرژي اتمي را آزاد كند. سوخت لازم (مثلا ديوتريوم) براي چنين راكتورهايي مقدار زياد در طبيعت موجود است.

عليرغم اين اشكالات براي جايگزيني و تكميل احتياجات انرژي در عرض نيم قرن آينده شايد بتواند تا حدود بيست تا سي درصد مصرف انرژي الكتريكي را از انرژي هسته اي تامين كرد.

تاريخچه شناخت ماده
توماس اديسون در سال ۱۸۷۹ لامپ الكتريكي را اختراع كرد و پس از آن طي ده سال كه او كوشش خستگي ناپذير موفق به اختراع بسياري از وسايل توليد و توزيع برق گرديد و از پرتو نبوغ فكري او تحولات و تغييرات شگرفي در زندگي و رفاه صدها ميليون نفر از مردم جهان پديد آمد.

شكافتن هسته و انرژي هسته اي
با توجه به اينكه در يك واكنش هسته اي تغييرات انرژي بسيار زياد است . اين مطلب مهم مورد تحقيق و بررسي قرار گرفت كه اگر بتوان يك واكنش هسته اي توليد كرد كه بتواند بخودي خود متوالياً صورت بگيرد ، ميتوان انرژي هايي ميليونها مرتبه بيشتر از انرژيهاي حاصل از واكنشهاي كنترل نشده ي ديگر را بدنبال داشته باشد كشف نشده بود

تا اينكه در سال ۱۹۳۸ يك دانشمند شيمي آلماني به نام « اتو هامن » با همكاري خويش «اشتراسمن» كه روي اثر بمباران اتمهاي اورانيوم توسط نوترون مطالعه مي كردند انتظار داشتند

كه تشكيل ايزوتوپ منگينتر از اورانيوم هدف (۶۲۳۸ ) را مشاهده كنند ، ولي با كمال تعجب هامن دريافت كه نمونه اورانيوم بمباران شده توسط نوترونها ايجاد اتمهاي راديواكتيو ، عنصري بسيار سبكتر يعني باريم (A=146) نموده است . معماي اين كشف بزودي توسط فيزيكدانهاي آلماني ( ليز مينز ، واترفريج ) روشن شد و هر دو نظر دادند

كه چنانچه هسته هاي ۶۲۳۸ نوتروني را شكار نمايند هسته مركب حاصله ناپايدار بوده و به جاي اينكه از خود ذرات آنها يا بتا صادر كند دفعتا پس از تقريبا ثانيه شكسته و به دو تكه يا فراگمان تقريبا مساوي تقسيم مي شود و حدود دو تا سه نوترون نيز آزاد ميگردند. يك چنين پديده اي را فيسيون يا شكافت هسته اي مي گويند. يك نمونه متداول از اين واكنش هسته اي بمباران u235 توسط نوترون كند مي باشد كه ايجاد دو عنصر استرنسيم (Sr) و گزنون (Xe) و دو نوترون مي نمايد.

راكتور هسته اي
تعداد متوسط نوترونهايي كه از يك واكنش فيسيون آزاد شده و فيسيونهاي ديگر را ايجاد مي كنند ضريب تكثير ناميده و به f نمايش مي دهند. يك واكنش زنجيري وقتي برقرار مي شود كه f بزرگتر از يك و يا لااقل مساوي با ان باشد.

اگر بزرگي نمونه « درست بحراني» باشد (f=1) عده نوترونهاي توليد شده در هر نسل برابر است با عده نوترونهايي كه در نسل پيش توليد و منجر به آزادي يكنواخت انرژي هسته اي شده است. پيل فري اوليه و پيل فري تكامل يافته بعدي آن ، واكنش زنجيري را در سطح اندازه بحراني نگه مي دارد.

متذكر مي شويم كه شرايط «بحرانيت » بي اندازه ناپايدار است بطوريكه يك انحراف جزئي از يك طرف ، منجر به خاموشي سريع نوترونهاي شكاف و قطع واكنش زنجيري هسته مي شود. و انحراف جزيي از طرف ديگر منجر به افزايش سريع نوترونهاي شكاف و ذوب به تمامي ساختمان واكنش پذير خواهد بود. بنابراين مساله مهم در نگهداري يك واكنش زنجيري يكنواخت تنظيم ميزان توليد نوترون و موضوع نگهداري در برابر « مرگ » يا «گريز» است . طريقي كه نوترونهاي اضافي از محيط فعل و انفعال دور مي شوند

عبارتند از :
۱ـ فرار كردن نوترونها از محيط يا راكتور
۲ـ جذب شدن نوترونها توسط ۲۳۸ در واكنش
۳ـ جذب شدن نوترونها بوسيله هسته هاي ديگر.

طريقه ۱ را با بزرگ نمودن راكتور به حداقل مي رسانند. چون در اين صورت نوترونها قبل از فرار گرفتار خواهند شد. طريقه ۲ را هم با انتخاب مواد مناسب كه در داخل راكتور قرار مي دهند كنترل مي كنند. در واقع تنظيم و كنترل نوترونها توسط «ميله هاي كنترل» انجام مي گيرد كه خاصيت جذب نوترون داشته و به اصطلاح « نوترون گير» مي باشند. به محض آنكه توليد نوتروني از سطح مطلوب پايين آمده يا بالا رود ، ميله هاي كنترل خود بخود در مجرايي كه در سرتاسر ماده شكاف پذيري قرار گرفته اند فرو رفته يا از آن بيرون مي آيند.

در شكل شماي يك راكتور هسته اي را ملاحظه مي كنيد كه در طرحهاي مربوط به توليد نيروي الكتريكي از آن استفاده بعمل مي آيند. دياگرام شماتيك يك راكتور اتمي و رابطه آن با يك كارخانه برق اتمي .

بمب اتمي
بر خلاف راكتور « بمب اتمي» احتياج به مواد فايل فيسيون خالص دارد. اگر ماده شكاف پذير از « جرم بحراني» تجاوز كند و يا بعبارت ديگر دو جرم زير بعنوان يا با يك انفجار معمولي دفعتا با هم جمع شده و يك جرم بحراني تشكيل دهند .

قبل از اينكه اين دو جرم از هم جدا شوند عده نوترونهاي شكافت و فيسيونهاي زيادي در آن ايجاد شده كه مقدار عظيمي انرژي را در حجم كوچكي توليد مي كند و بدين ترتيب انفجار فوق العاده بزرگي صورت مي گيرد. اين عمل مي تواند به طرز ساده اي با گذشتن يك ماده شكافت پذير در يك ماده فوق بحراني ديگر صورت گيرد.

براي اينكه پديده فيسيون سريع به طور دسته جمعي اتفاق افتد بايد يكسري از مواد را با سرعت بسيار زياد از دهانه توپ رها كنيم و بدين جهت نام “اسلحه توپي” به آن داده اند. روشهاي ديگري وجود دارد كه در آنها مقدار معيني ماده شكافت پذير را تا اندازه اي بحراني مي سوزانند. (شكل ۹) . در اين حال دو ماده شكافت پذير از يكديگر مجزا هستند و براي منفجر كردن بمب مقداري مواد منفجره شيميايي معمولي را آتش مي زنند.

( به مقدار زير بحراني) تا قسمتي از اين مواد شكافت پذير را به طرف ديگري پرتاب كند در اين صورت اگر مجموع به مقدار فوق بحراني برسد آنها واكنش زنجيري بر اثر نوترونهايي كه بر اثر شكافت ماده به مقدار كم همواره در فضاي درون بمب به ميزان كم وجود دارند آغاز شده و بمب منفجر مي شود.

رهايي انرژي ، در انفجار بمبهاي هسته اي بنا به قرارداد ، با واحدهايي بنام كيلو تن و نگاتون اندازه گيري مي شود كه وابسته به وزن T.N.T ( ماده منفجره بسيار شديد) است كه همان مقدار انرژي آزاد مي سازد. يك كيلو تن ، يعني انرژي آزاد شونده در انفجار هزار تن T.N.T كه برابر است با ارگ يا تقريبا كالري. مثلا بمب هايي كه در ۹ اوت سال ۱۹۴۵ روي شهرهاي هيروشيما و ناكازاكي ريخته شده معادل با ۲۰ كيلو تن ماده T.N.T بود.

اثرات بيولوژيكي ( زيستي ) تشعشعات هسته اي
همراه با تكامل و توسعه عالمگير صنعت اتمي و توليد سلاحهاي اتمي ، دانستن ميزان آسيبي كه اين تشعشعات پر انرژي و نافذ مي توانند بر انسان وارد كنند ، بسيار مهم است. وقتي يك ذره هسته اي با تابش پر انرژي گاما از يك جسم مادي مي گذرد ، در اثر جداكردن الكترونها از اتمهايي كه در مسير خود به آنها برخورد مي كنند ، مقدار معيني يونيزاسيون توليد خواهند كرد. اگر اتمهاي يونيزه همه بر يك نوع ملكولهاي الي ، مثلا ملكولهاي يك پروتئين يا يك اسيد نوكائيك تعلق داشته باشند ، ممكن است ملكول شكسته شود و حتي نسبت درصد كمي از اين شكستگي منجر به اختلال در طرز كار مخصوص آن قسمت و در نتيجه موجب مرگ شود.

از اين رو اثرات زيستي تشعشع نافذ را معمولا از روي ميزان يوني كه هنگام عبور از ماده توليد مي كند اندازه مي گيرند. معمولترين اين واحدها «رونتگن» (Roentgen) نام دارد و آن برابر مقدار تشعشعي است كه يون در يك گرم هواي خشك توليد كند. عوارض و آسيبهاي ناشي از تشعشعات هسته اي را در موجود زنده به دو دسته تقسيم مي كنند.

۱ـ آسيبي كه در نتيجه تابش مستقيم ذره به بدن وارد مي شود ، كه اگر به اندازه كافي زياد باشد منجر به مرگ مي شود.
۲ـ آسيب ژنتيكي به اعضاي تناسلي كه ممكن است به خود موضع تشعشع آسيب برساند ولي بتواند آسيبهاي فراوان به نسلهاي بعدي وارد كند.

يك تشعشع نسبتا ضعيف ، ولي مداوم بر روي يك جمعيت حتي مي تواند نابودي كامل آنرا در آينده معيني به همراه داشته باشد. آسيب بيماري بر افراد مستلزم مقدار نسبتا زياد تشعشع است و جز در مورد سلاحهاي اتمي ، تنها در حوادث مهم ناشي از صنايع اتمي انتظار مي رود. ميزان تشعشع موثر در مرگ يك انسان به طور متوسط ۸۰۰ رونتگن است كه بر تمام بدن وارد شود. مقادير كمتر از ۱۰۰ رونتگن يا كمتر ممكن است اثرات تاخيري ولي باز هم كشنده نظير توليد سرطان خون و سرطان هاي ديگر ، داشته باشد.

معمولا مقادير اندك تشعشع مثلا حدود چند رونتگن در هفته ( حد مجاز در صنايع اتم) كاملا بدون آسيب است ، زيرا ماده حياتي با سرعت توليد شده و ماده آسيب ديده را جبران مي كند. اثرات تشعشع بر اعضاي تناسلي از همه مهمتر است ،

زيرا اين اثرها بطور قاطع و كامل بر هم افزوده مي شوند و صد رونتگن كه در طي چند سال بر روي بدن پراكنده شود درست همان تاثير را دارد كه همين مقدار در موت يك دقيقه آن در بدن وارد شود. تشعشع هسته اي (همچنين اشعه X) با گذشتن از سلولهاي ژنتيك ، ملكولهاي DNA را كم كروموزوم هسته هاي سلولي را تشكيل مي دهند متاثر مي سازد و تحولاتي را باعث مي شود كه ممكن است همچون جهشهايي در فرزندان بروز كنند. به طور كلي جهشها غير از شايد يك در چند ميليون آنها مسلما زيان آور هستند و چون توسط مكانيزم توارثي از يك نسل به نسل بعد منتقل مي شوند. دير يا زود منجر به مرگ يكي از اعقاب خواهند شد.

بنابراين در حاليكه در پديده تكامل دارويني مبني بر تنازع بت و بقاي “انسب” تنها چند جهش مفيد و معدود منجر به يك تكامل بطني مي شوند در يك اجتماع انساني متوازن كه در آن هر فرد در كمال دقت محافظت شود جهشها مي توانند آسيب فراوان برسانند.

ساختمان اتم
اتم كوچكترين ذره عناصر شيميايي است كه به تنهايي تمام خواص شيميايي خود را حفظ مي كند. در تركيب با ساير اتمهاي مشابه يا متفاوت مولكول تشكيل مي شود . هرچند اتم كوچكترين ذره عنصر شيميايي است با وجود اين ساختمان پيچيده اي داشته و ذراتي آنرا تشكيل مي دهد. ( ابعاد اتم حدود صد ميليونيم سانتيمتر است و هسته آن ده تا ۱۰۰ هزار برابر كوچكتر است. )

هسته ي اتم
هسته قسمت داخلي اتم است. ابعاد هسته در مقايسه با ابعاد اتم ( ) فوق العاده كوچك است ( ) چگالي (وزن مخصوص) هسته فوق العاده بزرگ است. بزرگتر از / تن ۰۰۰/۰۰۰/۱۰۰ هسته بار مثبت داشته و از پروتونها و نوترونها تشكيل يافته است ، پروتون و نوترون را هستك مي نامند.

امواج الكترو مغناطيسي ( كاهنربايي)
امواج الكترو مغناطيسي شامل امواج راديويي ، اشعه مادون قرمز ، اشعه مرئي (نور مرئي) ، اشعه ماوراء بنفش ، اشعه ايكس و اشعة گاما مي باشند. امواج الكترو مغناطيسي از تغيير دوره اي (متناوب) در ميدان الكترومغناطيسي كه با نوسانات ذرات باردار توليد شده ناشي مي گردد.

امواج الكترومغناطيسي در طول موج و فركانس باهم اختلاف دارند. طيف الكترومغناطيسي تمام تشعشعات شناخته شده را بر طبق طول موج نشان مي دهد. اين تشعشعات با سرعت نور منتشر مي شود.

پرتو اشعه ، نمايش هندسي جهت انتشار موج نور است ، جهت معمول آن در پيشاني موج است ولي معمولا از منبع انتشار در جهت انتشار مي باشد. در امواج مسطح پرتو اشعه موازي يك ديگرند در حالي كه در امواج كروي بردارهايي تشكيل مي دهند كه منبع انتشار در مركز كره قرار دارد. طيف يك اشعه رنگهاي متوالي است كه از تجزيه نور خورشيد در يك شكاف يا منشور شيشه اي حاصل مي شود.

رنگهاي اين طيف عبارتند از :
قرمز ، نارنجي ، زرد ، سبز ، آبي ، نيلي و بنفش . نور سفيد شامل همه ي اين رنگها است. طيف الكترومغناطيسي گروه كامل امواج الكترومغناطيسي است كه به وسيله اتم ها و ملكولها منتشر شده و بر حسب طول موج و فركانس رديف شده اند.

بين حالت يك جسم و تشعشعات آن (طيف) رابطه وجود دارد. طيف اجسام جامد و مايعات پيوسته بوده و طيف گاز ها خط خط يا راه راه است. تجزيه طيفي در انواع تحقيقات شيميايي ، فلز شناسي ، نجوم و كيهان شناسي روش بسيار مهمي است ، زيرا بر اساس خطوط طيفي يك عنصر ميتوان از وجود آن در يك جسم پرتو افكن مطمئن شد. براي تعيين طول موج نور تحت آزمايش از طيف سنج استفاده مي كنند.

اشعه مادون قرمز ۷۶۰۰>
اشعه قرمز ۶۲۰۰-۷۶۰۰
اشعه نارنجي ۵۸۵۰-۶۲۰۰
اشعه زرد ۵۷۵۰-۵۸۵۰
اشعه زرد ـ سبز ۵۵۰۰-۵۷۵۰
اشعه سبز ۵۱۰۰-۵۵۰۰

اشعه آبي ۴۸۰۰-۵۱۰۰
اشعه آبي ـ نيلي ۴۵۰۰-۴۸۰۰
اشعه بنفش ۴۰۰۰-۴۵۰۰
اشعه ماوراء بنفش ۴۰۰۰ <

مولدها و تقويت كننده هاي كوانتومي (پيمانه اي) ليزر
آخرين نتايجي كه از فيزيك كوانتوم و الكترونيك (علمي تحت نام الكترونيك كوانتوم) بدست آمده ساختن ليزر را ممكن ساخته است. ليزر وسيله اي است براي جهت دادن مشترك بر نور در خطوط يا مسيرهاي كاملا موازي بطوريكه بدون تجزيه يا پخش باشد.

دستگاه مزبور اساسا از يك لامپ حرفه اي و يك دستگاه تشديد تشكيل يافته است. اصول حاكم بر اين دستگاه اينست كه در اتمها بسته هاي مساوي انرژي تشعشع مي كنند.