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….
اما اصل موضوع….

ميدانيم كه دنياي اطرافمان از ۹۲ 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 ۱۰ به توان منفي ده متر ميباشد واندازه هسته در مركز اتم۰۰۰۱/۰ بزرگي اتم كوچكتر است و يا به عبارتي دقيقتر قطر كامل هسته به طور ميانگين ۱۰به توان منفي ۱۵ 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 ۶۷۵/۱ضربدر ۱۰ به توان منفي ۲۷ كيلوگرم ,وجرم پروتون ۶۷۳/۱ضربدر ۱۰ به توان منفي ۲۷ 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 ۵ ضربدر ۱۰ به توان منفي ۱۵ متر(۵فمتو 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 ۱۹۰۵ در يك آپارتمان كوچك در شماره ۴۹ 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 ۹ضربدر۱۰به توان ۱۶ 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 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 :
۱- 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 ش

كافته شود , مقداري از جرم آن ناپديد وبه انرژي تبديل ميشود(طبق قانون نسبيت.
۲- 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 پا

يداري و ناپايداري توضيخ دهيم…
اگرما ۱۳ پروتون را با ۱۴ نوترون تركيب كنيم هسته اي خواهيم داشت كه اگر ۱۳ 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 ۶۳ ومس ۶۵ كه به اين دو نوع ايزوتوپ گفته مي شود .هر دوي آنها ۲۹ پروتون دارند اما چون در عدد اتمي ۲ واحد فرق دارند به سادگي مي توان فهميد كه تعداد نوترون هاي اولي ۳۴ وديگري ۳۶ 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.
۱- 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.
۲- 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 !
۳- 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 ۳ تبديل شده است (۲ 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 ۹۲٫سالهاي زيادي از آن به عنوان رنگ دهنده لعاب سفال يا تهيه رنگهاي اوليه در عكاسي استفاده ميشد و خاصيت راديواكتيو آن تا سال ۱۸۶۶ 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) شامل۳/۹۹% از ايزوتوپ اورانيوم ۲۳۸ و۷/۰% اورانيوم ۲۳۵است. كه نوع ۲۳۵ 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 ۴۸ قراردارد. از نظر تراكم و چگالي بايد گفت ۶/۱ مرتبه متراكم تر از سرب است.وهمين تراكم باعث سنگين تر شدن آن مي شود.براي مثال اگر يك گالن شير وزني حدود ۴ كيلوگرم داشته باشد ,يك گالن اورانيوم ۷۵ كيلوگرم وزن دارد!!!
انواع اورانيوم

اورانيوم با غناي پايين كه ميزان اورانيوم ۲۳۵ آن كمتر از ۲۵% ولي بيشتر از۷/۰% است كه سوخت بيشتر راكتورهاي تجاري بين ۳ تا ۵ درصد اورانيوم ۲۳۵ است.
اورانيوم با غناي بالا كه در اينجا بيشتر از ۲۵% وحتي در مواردي آن را تا۹۸% نيز غني مي كنند 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 ۲۳۵ بيشتر شود و مقدار اورانيوم ۲۳۸ كمتر. كه پس از جمع آوري اورانيوم ۲۳۸ ,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:
۱-استفاده از اصل انتشار گازها
۲-استفاده از روش فيلترينگ
۳-استفاده از ميدانهاي مغناطيسي
۴- استفاده از دستگاه سانتريفوژ كه در حال حاضر روش‌چهارم متداولترين , باصرفه ترين و مطمئن ترين روش به شمار مي آيد.