نگاهى به مبانى نظرى انرژى هسته اى

اتم در زبان يونانى به معنى تقسيم ناپذير است. اين ايده، زاده تفكر دموكريتوس فيلسوف يونانى در ۲۳۰۰ سال پيش است. براى او اين تصور محال بود كه اجسام مادى بتوانند بى حد و حصر تقسيم شوند. اما «جان دالتون» شيميدان بود كه نخستين نظريه اتمى نوين را ارائه كرد. دالتون كه كارش پژوهش در مورد هواشناسى بود، به تركيب گازها علاقه مند شد و خيلى زود ايده تشكيل گازها از واحدهاى كوچك غيرقابل تقسيم در ذهنش شكل گرفت. او اين نظريه را در سال ۱۸۰۸ تحت عنوان «سيستم جديد فلسفه شيمى» منتشر كرد. تا دهه پايانى قرن نوزدهم دو جنبه اساسى فيزيك

كلاسيك يعنى مكانيك كلاسيك و الكترومغناطيس به خوبى شناخته شده بود و دانشمندان گمان مى كردند كه طبيعت براساس دو نيروى گرانشى و الكترومغناطيسى ساخته شده است. درست در همين زمان بود كه پديده هايى مشاهده شد كه طى دهه هاى ابتدايى قرن بيستم منجر به بزرگترين انقلاب هاى تاريخ علم يعنى نسبيت عام و مكانيك كوانتومى شدند.

•راديواكتيويته

در سال ۱۸۹۶ آنتوان هانرى بكرل (Becquerel) فيزيكدان فرانسوى كه از كشف اشعه X به وسيله رونتگن مطلع شده بود، به دنبال يك رشته آزمايش روى سنگ معدنى به نام اورانيل، فعاليت هاى پرتوافشانى خود به خودى خاصى را كشف كرد و آن را «راديواكتيويته» نام گذاشت. پس از او مارى و پى ير كورى هم دو عنصر راديوم و پولونيوم را كشف كردند كه خاصيت راديواكتيويته بسيار بيشترى داشتند. اما بيشتر پژوهش ها روى راديواكتيويته به وسيله لرد رادرفورد انجام شد. او كشف كرد كه خاصيت راديواكتيويته ناشى از پراكنش سه نوع اشعه است:

۱- اشعه آلفا كه توسط يك برگ كاغذ متوقف مى شود. بار آن مثبت است و در حقيقت همان يون هاى هليوم دو بار مثبت يا هسته اتم هليوم است.
۲- اشعه بتا كه از ورقه چند ميلى مترى آلومينيوم رد مى شود. بار آن منفى است. ماهيت اين اشعه الكترون هاى پرانرژى است.

۳- اشعه گاما كه از صفحات سربى به ضخامت ده ها سانتى متر ه

م عبور مى كند، از لحاظ الكتريكى خنثى است. اين اشعه فوتون هاى پرانرژى با طول موج بسيار كوتاه است.
دانشمندان با توجه به مجموعه آزمايش هاى رادرفورد به اين نتيجه رسيدند كه اتم ها برخلاف نامشان از اجزاى كوچكترى هم تشكيل شده اند.

• هسته

افتخار كشف هسته اتم نيز از آن رادرفورد است. او با كمك دو دانشجويش به نام گايگر و مارسدن با انجام آزمايشى كه «پراكندگى» نام دارد، به وجود هسته پى برد. رادرفورد فكر مى كرد كه اتم ها مثل مدل كيك كشمشى تامسون از تعدادى الكترون تشكيل شده اند كه در يك فضاى پيوسته با بار مثبت قرار دارند. به همين دليل ذرات آلفا را به سمت ورقه نازكى از طلا پرتاب كرد. اما پراكندگى اين ذرات از هسته طلا نشان داد كه بارهاى مثبت در ناحيه بسيار كوچكى در وسط اتم متمركز شده اند. شعاع اتم حدود يك آنگسترم (۱۰-۱۰ متر) است ولى اندازه هسته حدود ۱۰ فرمى (۱۴ -۱۰ متر) است.

• نيمه عمر

پس از اينكه رادرفورد ماهيت تشعشع راديواكتيو را كشف كرد، دانشمندان پى بردند كه راديواكتيويته به علت تلاشى خودبه خود هسته هاى سنگين و تبديل آنها به هسته هاى سبك تر است. در حين اين تبديل، ذرات آلفا، بتا و گاما ساطع مى شود. در حقيقت پس از خارج شدن اين ذرات از هسته، ماهيت آن تغيير مى كند. تعداد هسته هايى كه در هر لحظه متلاشى مى شوند با تعداد هسته ها در آن لحظه نسبت مستقيم دارد. زمانى را كه نيمى از هسته هاى ماده ابتدايى

متلاشى مى شوند، نيمه عمر ماده مى گويند. يعنى اگر در ابتدا يك گرم ماده راديواكتيو داشته باشيم، پس از يك نيمه عمر نصف و پس از دو نيمه عمر، يك چهارم و پس از سه نيمه عمر، يك هشتم مقدار اوليه را خواهيم داشت. نيمه عمر مواد مختلف متفاوت است و از چند ميليارديوم ثانيه تا چندين ميليارد سال تغيير مى كند. معمولاً هرچه نيمه عمر بيشتر باشد، انرژى ساطع شده از تلاشى راديواكتيويته كمتر است. نيمه عمر اورانيوم ۵/۴ ميليارد سال است. نيمه عمر راديوم ۱۵۹۰ سال و نيم عمر راكتانيوم كمتر از ۱۰ هزارم ثانيه است.

• درون هسته

مدل اتمى رادرفورد بيانگر اين مطلب بود كه هسته در وسط اتم داراى بار مثبت است و الكترون ها با بار منفى در اطراف آن قرار دارند. مدل اتمى بور هم مدل رادرفورد را كامل كرد و سازوكار منظمى را براى استقرار الكترون ها در اطراف هسته تدوين كرد. اما تفسير و توجيه راديواكتيويته ترديدى به جاى نمى گذارد كه هسته ها خود مجموعه مكانيكى پيچيده اى هستند كه از اجراى سازنده متفاوتى تشكيل شده اند. اين واقعيت كه وزن اتمى ايزوتوپ هاى اتم هاى مختلف (بعضى از اتم ها درحالى كه جرم اندكى متفاوت با هم دارند، خواص شيميايى كاملاً يكسانى دارند، به اين اتم ها

ايزوتوپ مى گويند.) با اعداد صحيح (يا لااقل بسيار نزديك به عدد صحيح) بيان مى شوند، نشان مى دهد كه پروتون ها (حاملان بار مثبت) بايد نقش يكى از اجزاى اصلى سازنده هسته را داشته باشند. ابتدا فرض مى كردند كه درون هر هسته علاوه بر پروتون، الكترون هم هست. يعنى مثلاً كربن كه جرم ۱۲ و بار ۶+ دارد، درون هسته خود ۱۲ پروتون و ۶ الكترون دارد و علاوه بر آن در بيرون هسته هم ۶ الكترون به دور آن مى چرخند اما اين راه حل از لحاظ نظرى مشكلات عديده اى را به همراه داشت. اما رادرفورد و بور پيشنهاد كردند كه علاوه بر پروتون ذره ديگرى هم جرم آن ولى بدون بار درون هسته است. آنها نام نوترون را براى آن انتخاب كردند و اين ذره در سال ۱۹۳۲ توسط چادويك كشف شد.

• اسپين

اتم ها در اثر گرفتن انرژى، تابش مى كنند. اين تابش ناشى از اين است كه الكترون هاى اطراف هسته، انرژى مى گيرند و بعد اين انرژى را به صورت يك فوتون با طول موج معين بازمى تابانند. اما خود اين طيف در مجاورت ميدان الكترومغناطيسى، به چند طول موج جدا از هم تفكيك مى شود. علت اين است كه الكترون ها در اتم، اندازه حركت زاويه اى هم دارند. اشترن و گرلاخ نشان دادند كه الكترون ها علاوه بر اين اندازه حركت زاويه اى، خاصيت ديگرى هم دارند كه فقط در حضور ميدان مغناطيسى آن را بروز مى دهند. به دليل شباهت اين خاصيت به اندازه حركت زاويه اى، نام آن را «اندازه حركت زاويه اى ذاتى» يا اسپين نهادند. بعدها ثابت شد كه علاوه بر الكترون، باقى ذرات بنيادى هم اسپين دارند. مهمترين ويژگى اسپين اين است كه يك خاصيت كاملاً كوانتومى است و مشابه كلاسيك ندارد. ذراتى كه اسپين نيم صحيح دارند (يك دوم، سه دوم، …) فرميون مى نا

مند، مثل الكترون، پروتون، نوترون و… اين ذرات تشكيل دهنده ماده هستند. در مقابل ذراتى كه اسپين صحيح دارند(صفر، ۱ ، ۲ و…) بوزون گفته مى شوند، مثل فوتون، مزون، گلوتون و… اين ذرات حامل نيروها هستند.

• ايزواسپين و نيروى هسته اى

هنگامى كه نوترون توسط چادويك كشف شد، اين واقعيت مسلم شد كه علاوه بر نيروى گرانش و الكترومغناطيسى، حداقل يك نيروى ديگر در طبيعت وجود دارد و اين نيرو است كه عامل پيوند نوكلئون ها (پروتون ها و نوترون ها) درون هسته است. زيرا در صورت عدم وجود اين نيرو، در اثر دافعه شديد بارهاى مثبت پروتون ها بر هم، هسته از هم مى پاشد. از اين مثال برمى آيد كه اولاً اين نيرو بايد جاذبه اى باشد تا در مقابل دافعه پروتون ها بايستد و ثانياً برد آن بايد خيلى كوتاه باشد و از ابعاد هسته بيشتر نباشد. زيرا نيروى الكترومغناطيسى (در مدل بوهر) آرايش الكترون ها در مدارهاى اتمى را به خوبى توضيح مى داد. اما واقعيت مهم و جالب تر اين است كه بايد براى اين نيرو، پروتون و نوترون به يك شكل ديده شوند و فارغ از اختلاف بار الكتريكى اين دو ذره يك شكل باشند. هايزنبرگ با استفاده از اين واقعيت و با ايده گرفتن از نظريه اسپين، مفهوم رياضى جديدى به نام «ايزوتوپ اسپين» يا ايزواسپين را معرفى كرد. او پيشنهاد كرد كه همان طور كه در حضور ميدان الكتريكى خطوط طيفى يكى هستند و با ظهور ميدان مغناطيسى به چند خط ديگر شكافته مى شوند، نوكلئون ها (پروتون و نوترون) هم در حقيقت در مقابل نيروى هسته اى يك ذره هستند اما هنگام ظهور نيروهاى الكترومغناطيسى به دو ذره با ايزواسپين متفاوت تبديل مى شوند.

•نيروى هسته اى قوى

يوكاوا فيزيكدان ژاپنى در سال ۱۹۳۵ براى توضيح نيروى هسته اى گفت: اين نيرو بايد در اثر مبادله ذره اى به نام پيون (مزون پى) بين نوكلئون ها به وجود بيايد. چون اين ذره نسبتاً سنگين است، اصل عدم قطعيت هايزنبرگ ايجاب مى كند كه برد اين نيرو كوتاه باشد، به اين ترتيب ايده مبادله ذره، توانست تمام ويژگى هاى نيروى هسته اى را توضيح بدهد. پيون ها هم مثل نوكلئون ها براى نيروى هسته اى يك ذره به شمار مى روند اما ايزواسپين آنها يك است يعنى در مقابل نيروى

الكترومغناطيسى ۳ حالت پيون با بار مثبت و با بار منفى و خنثى را دارند. يك پروتون، با از دست دادن يك پيون مثبت به نوترون تبديل مى شود و اين پيون مثبت خود يك نوترون ديگر را به پروتون تبديل مى كند. دوتا نوترون يا دوتا پروتون هم مى توانند با هم پيون خنثى (صفر) مبادله كنند. يك نوترون هم با از دست دادن يك پيون منفى به پروتون تبديل مى شود و اين پيون منفى با يك پروتون ديگر، يك نوترون توليد مى كند. به اين ترتيب با مبادله اين ذرات، نوكلئون ها در هسته پايدار مى مانند.

• نيروى هسته اى ضعيف

يكى از ويژگى هاى بارز نوترون نيم عمر آن است. نوترون در حالت آزاد پس از ۱۸ دقيقه متلاشى و به يك پروتون و يك الكترون تبديل مى شود. اين مدت بسيار طولانى تر از تمام پديده هايى است كه با نيروى قوى سروكار دارد. نيرو هاى الكترومغناطيسى هم بر نوترون بدون بار عمل نمى كنند. پس واضح است كه تلاشى نوترون، ناشى از يك نيروى جديد در طبيعت است. به علت ضعيف بودن اين نيرو نسبت به نيروى هسته اى آن را نيروى هسته اى ضعيف نام گذاشتند. تلاشى هسته كه نتيجه آن توليد پرتو بتا است هم ريشه در اين نيرو دارد.

• شكافت

فرمى در فاصله كمى بعد از كشف نوترون در سال ۱۹۳۲ بررسى هسته اتم هاى سنگين بمباران شده به وسيله نوترون را آغاز كرد و از انجام اين آزمايش ها با اورانيوم نتايج عجيبى به دست آمد. اتوهان و اشتراسمن در سال ۱۹۳۹ اين معضل را حل كردند.
آنها كشف كردند وقتى كه اورانيوم با نوترون بمباران مى شود، هسته هايى مثل باريو توليد مى شوند كه عدد اتمى آنها خيلى كوچك تر از عدد اتمى اورانيوم است. ليز ميتنر فيزيكدان آلمانى كه در سوئد زندگى مى كرد، اين پديده را به دقت بررسى كرد و نام شكافت را براى آن انتخاب كرد. بور و ويلر با ارائه مقاله اى فهم نظرى شكافت را به طور كامل ممكن كردند و پس از ارائه مقاله آنها كليه پژوهش هاى علمى در مورد شكافت هسته اى تا به امروز جزء اسناد فوق العاده سرى، طبقه بندى مى شود.

• گداخت

 

هسته هاى خيلى سبك مثل هيدروژن يا هليوم انرژى بستگى كمترى نسبت به هسته هاى سنگين دارند. اگر دو هسته سبك در هم ادغام شوند، هسته سنگين ترى را به وجود مى آورند و مقدار زيادى انرژى به صورت انرژى جنبشى آزاد مى شود. براى انجام گداخت بايد هسته ها را بسيار به هم نزديك كرد. دافعه الكترواستاتيكى مانع بزرگى براى اين فرآيند است. اين واكنش با افزايش انرژى جنبشى هسته هاى اوليه انجام مى شود. دسترسى به چنين انرژى هايى در

شتاب دهنده ها آسان است اما براى اينكه اين واكنش خودنگهدار باشد، به دمايى حدود ۱۰۸ كلوين نياز است. (دماى سطح خورشيد شش هزار كلوين است.) چنين وضعيتى تنها در حالت پلاسمايى ماده پيش مى آيد كه در آن هسته ها و الكترون ها از هم جدا هستند. پژوهش ها به روى گداخت هسته اى همچنان ادامه دارد و قرار است در رآكتور Iter در فرانسه براى نخستين بار چنين فرآيند خود نگهدارى اى ايجاد شود. اما شايد رسيدن به اين هدف چند دهه طول بكشد.

نگاهى به آمار توليد سلاح هاى هسته اى در كشورهاى مختلف

جهان همچون يك زرادخانه

سلاح هاى هسته اى، پس از گذشت سال ها از اختراعشان همچنان به عنوان قوى ترين نيروى موجود باقى ماندند. اين سلا ح ها را مى توان با استفاده از پلوتونيوم يا اورانيوم غنى شده (بالاى ۲۰ درصد از U238) تهيه كرد. اغلب سلاح هاى هسته اى با تلفيق شكافت و همجوشى عمل مى كنند، يعنى واكنش هسته اى اوليه كه در هسته اى از جنس اورانيوم يا پلوتونيوم انجام مى شود واكنش همجوشى عنصرهاى سبك تر را آغاز مى كند. اولين سلاح هاى هسته اى به وسيله ايالات متحده آمريكا ساخته شد كه قدرت تخريبى آن معادل ۱۰ تا ۲۰ كيلوتن TNT بود، در حالى كه اغلب سلاح هاى هسته اى پيشرفته امروزى قدرت تخريبى بين ۱۰۰ تا ۵۰۰ كيلو تن دارند. طبق برآوردها در مجموع ۲۷۶۰۰ سلاح هسته اى در سراسر جهان وجود دارد.
آمريكا: اين كشور حداقل ده هزار سلاح هسته اى دارد اما تصميم دارد تا سال ۲۰۱۲ اين تعداد را به نصف كاهش دهد. آمريكا آخرين مورد از ۱۰۳۰ آزمايش هسته اى خود را در ۲۳ سپتامبر ۱۹۹۲ انجام داد. دولت آمريكا در نظر دارد در مورد طرح هاى سلاح هاى هسته اى پيشرفته تر پژوهش هايى انجام دهد، هر چند كه چنين سلاح هايى هم اكنون توليد نمى شود. آمريكا پيمان جامع منع آزمايش سلاح هاى هسته اى (CTBT) را امضا كرده است، اما به مرحله اجرا درنياورده است. عمده سلاح هاى هسته اى اين كشور در زيردريايى هاى Trdent نصب شده است، باقى سلاح ها نيز روى موشك هاى بالستيك قاره پيما يا بمب افكن هاى B-52 و B-2 نصب شده است.
روسيه: اين كشور بيش از ۱۶ هزار سلاح هسته اى كامل دارد. اتحاد شوروى سابق بين ۱۹۴۹ و ۱۹۹۰ ، ۷۱۵ بار سلاح هاى هسته اى را آزمايش كرد. روسيه مجتمع هاى هسته اى

عظيمى دارد كه از جمله آنها مى توان به ده شهرك سرى هسته اى سابق اشاره كرد كه داراى صدها تن از مواد هسته اى است كه در شرايط امنيتى ناكافى نگهدارى مى شود. روسيه از مقدار تجهيزات و سلاح هاى هسته اى خود به شدت كاسته است و بسيارى از سيستم هاى قديمى اين كشور به پايان دوره خدمت رسانى خود نزديك مى شوند. اين كشور CTBT را امضا

كرده و به مرحله اجرا گذاشته است. روسيه به تلاش هاى خود براى گسترش تجهيزات هسته اى «ورود مجدد» – اين گونه سلاح ها از برترين نوع موشك هاى دوربرد هستند كه سلاح هسته اى را به اهداف خود مى رسانند _ ادامه مى دهد. اين تجهيزات ورود مجدد به گونه اى طراح

ى مى شوند كه در آخرين مرحله پرواز مانورهايى انجام دهند و مانع تلاش ايالات متحده براى گسترش دفاع موثر در مقابل موشك هاى بالستيك شود.
چين: اين كشور ۴۰۰ سلاح هسته اى و انواع مختلفى از سكوهاى پرتاب دارد (به طور

عمده موشك هاى كوتاه برد و ميان برد) و به طور آهسته اما استوارى تلاش هايى را براى نوسازى اين سلاح ها انجام مى دهد. اين كشور بين سال هاى ۱۹۶۴ و ۱۹۹۶ ، ۴۵ بار آزمايش سلاح هسته اى انجام داد. چين CTBT را امضا كرد، اما هنوز اجرا نكرده است. اين كشور به تلاش هاى خود براى توسعه موشك هاى دوربرد قابل اطمينان ادامه مى دهد و گمان مى رود در جست وجوى سيستم هايى است كه آسيب پذيرى كمترى نسبت به حمله پيشگامانه ساير قدرت هاى هسته اى داشته باشد. شواهد قاطعى مبنى بر آنكه چين درصدد دستيابى به انواع جديد سلاح است وجود ندارد، اما اين كشور هيچ محدوديتى را هم براى دانشمندان خود براى توقف فعاليت هايشان قائل نشده است.
فرانسه: اين كشور حدود ۳۵۰ سلاح هسته اى را روى ۸۴ هواپيماى حامل سلاح هسته اى و چهار زيردريايى نصب كرده است. از اين چهار زيردريايى، سه تا مى توانند هر كدام ۱۶ موشك را حمل كنند. اين كشور حدود ۶۰ سلاح هسته اى دارد كه روى هواپيما نصب مى شود. فرانسه بين سال هاى ۱۹۶۰ تا ۱۹۹۶ ، ۲۱۰ بار سلاح هسته اى را آزمايش كرده است. اين كشور بين ۱۹۶۰ تا ۱۹۹۲ حدود ۱۱۱۰ سلاح هسته اى توليد كرد. اين كشور CTBT را امضا كرده و به اجرا گذاشته است. فرانسه در نظر دارد سيستم هاى موشكى حامل سلاح هسته اى را كه پيشرفته ترند جانشين موشك هاى بالستيك نصب شده در زير دريايى ها كند، كه لازمه اين كار آن است موشك هاى جديد را به سلاح هاى هسته اى موجود مجهز كند. هيچ تلاشى براى توسعه سلاح هاى هسته اى جديد در اين كشور مشاهده نشده است.
انگلستان: هم اكنون اين كشور چهار زيردريايى حامل موشك بالستيك مجهز به سلاح هسته اى دارد. هر كدام از اين زيردريايى ها را مى توان با ۱۶ موشك TridentII و در مجموع به ۴۸ سلاح هسته اى مجهز كرد. اين كشور بين سال هاى ۱۹۵۲ و ۱۹۹۲ حدود ۸۳۴ سلاح هسته اى توليد كرد. انگلستان تاكنون ۴۴ بار سلاح هاى هسته اى را امتحان كرده است كه اولين آنها در ۳۰ اكتبر ۱۹۵۲ و آخرى آنها در ۲۶ نوامبر ۱۹۹۱ بوده است. اين كشور CTBT را امضا و اجرا كرده است. انگلستان به تجهيزات آزمايش هسته اى آمريكا وابسته است و قادر به آزم

ايش يا تاييد تجهيزات هيچ گونه سلاحى نيست، مگر آنكه آمريكا آزمايش سلاح هاى خود را از سر بگيرد.
اسرائيل: گمان مى رود اين كشور مقدار كافى مواد هسته اى براى توليد ۱۰۰ تا ۱۷۰ سلاح هسته اى را در اختيار داشته باشد. اسرائيل تاكنون به داشتن سلاح هسته اى

اقرار نكرده است اما هيچ شك و شبهه اى وجود ندارد كه اين كشور داراى سلاح هسته اى است. تعداد دقيق سلاح هاى هسته اى اسرائيل مشخص نيست، اما به احتمال زياد تعداد آن به آنچه كه تخمين مى زنند بسيار نزديك است. احتمالاً اسرائيل در مجموع ۵۳۰ تا ۶۸۴ كيلوگرم پلوتونيوم قابل استفاده در سلاح هسته اى را از زمان آغاز به كار رآكتور تحقيقاتى ديمونا در سال ۱۹۶۴ توليد كرده است. اسرائيل توانست با جداسازى پلوتونيوم ميله سوخت رآكتور در پايان سال ۱۹۶۶ يا ۱۹۶۷ اولين سلاح هسته اى خود را بسازد و به اين ترتيب ششمين كشورى بود كه موفق به انجام چنين كارى شد. اين كشور مى تواند سلاح هاى هسته اى را به وسيله هواپيما، موشك هاى بالستيك، كشتى و موشك هاى كروزى كه از زيردريايى پرتاب مى شود، حمل كند. اسرائيل به احتمال بسيار در جست وجوى طرح هاى پيشرفته تر سلاح هاى هسته اى است اما جزئيات فعاليت آنان آشكار نشده است.
هند: اين كشور امكان انتقال و توزيع تعداد كمى از سلاح هاى هسته اى را در چند روز يا چند هفته دارد و به نظر مى رسد هواپيماهاى جنگنده بمب افكن آن محتمل ترين وسيله حمل اين سلاح ها باشند. هند احتمالاً آن قدر پلوتونيوم قابل استفاده در سلاح هسته اى دارد كه بتواند با آنها ۷۵ تا ۱۱۰ سلاح تهيه كند، با اين همه از تعداد واقعى سلاح هاى توليد شده در اين كشور اطلاعاتى در دست نيست. اين كشور در سال ۱۹۷۴ يك سلاح هسته اى را آزمايش كرد و پنج آزمايش ديگر را در مه ۱۹۹۸ انجام داد. از آن زمان تاكنون روند برنامه هاى تسليحاتى هند متعادل تر شده است. اين كشور به توليد مواد هسته اى براى استفاده در سلاح ادامه مى دهد، اما تاكنون رسماً اعلام نكرده است كه چند سلاح توليد كرده يا تصميم به توليد چه تعداد سلاح دارد. هند عضو پيمان عدم گسترش سلاح هسته اى (NPT) نيست و CTBT را نيز امضا نكرده است. به احتمال بسيار دانشمندان هندى در جست وجوى طرح هاى پيشرفته ترى براى سلاح هاى هسته اى اند و به محض آنكه مجوز را دريافت كنند، مى توانند اين سلاح ها را امتحان كنند.
پاكستان: اين كشور از امكانات لازم براى حمل و توزيع تعداد ك

مى سلاح هسته اى در چند روز يا چند هفته برخوردار است. پاكستان مى تواند تا پايان سال ۲۰۰۵ مقدار كافى اورانيوم قابل استفاده در سلاح هسته اى را توليد كند كه مى تواند از آنها ۵۰ تا ۱۱۰ سلاح هسته اى بسازد. طبق گزارش هاى رسيده، سلاح هاى هسته اى اين كشور در بخش هاى مختلف نگهدارى مى شود و بخش مركزى شكافت پذير اين

بمب ها جدا از ساير مواد منفجره غيرهسته اى نگهدارى مى شود. هر چند كه مكان دقيق نگهدارى اين تجهيزات عموماً ناشناخته است. پاكستان هم مثل هند، از امضاى NPT خوددارى كرده است. با اين همه اين كشور CTBT را امضا كرده است، اما از اجراى آن خوددارى مى كند. به احتمال بسيار دانشمندان پاكستانى سرگرم يافتن طرح هاى پيش سلاح ها مى پردازند.
كره شمالى: اين كشور برنامه پيشرفته اى براى توليد سلاح هاى هسته اى دارد و به احتمال زياد پيش از اين توانسته است مقدار كافى پلوتونيوم را براى ساخت ۹ سلاح هسته اى توليد كند. معلوم نيست كه اين كشور چه تعداد از اين سلاح ها را ساخته است. سازمان هاى جاسوسى آمريكا مى گويند: «كره شمالى در اواسط دهه ۱۹۹۰ يك يا احتمالاً دو سلاح هسته اى توليد كرده است.»
اما شايد اين حدس و گمان بر اظهارات اين كشور در مورد قصد يا امكانات آنها باشد و اين احتمال هم وجود دارد كه هيچ شاهد مستقيمى در اين باره وجود نداشته باشد. اطلاعات بسيار كمى از فعاليت هاى هسته اى كره شمالى وجود دارد، اما به احتمال زياد اين سلاح ها ساده و از نسل اول طرح سلاح هسته اى اند. از توانايى كره شمالى براى دستيابى به طرح هاى پيشرفته تر اطلاعى در دست نيست، با اين همه بسيار محتمل است كه اين كشور در اين مورد سرگرم پژوهش است.

چرخه سوخت هسته اى چيست؟

اورانيومى كه از زمين استخراج مى شود، بلافاصله قابل استفاده در نيروگاه هاى توليد انرژى نيست. براى آنكه بتوان بيشترين بازده را از اورانيوم به دست آورد، فرآيندهاى مختلفى روى سنگ معدن اورانيوم صورت مى گيرد تا غلظت ايزوتوپ U235 كه قابل شكافت است، افزايش يابد. چرخه سوخت اورانيوم نسبت به سوخت هاى رايج ديگر، از جمله زغال سنگ، نفت و گاز طبيعى به مراتب پيچيده تر و متمايزتر است. چرخه سوخت اورانيوم را چرخه سوخت هسته اى نيز مى گويند. چرخه سوخت هسته اى از دو بخش انتهاى جلويى و انتهاى عقبى Front end) و (Back end تشكيل شده است. انتهاى جلويى چرخه، مراحلى است كه منجر به آماده سازى اورانيوم به عنوان سوخت رآكتور هسته اى مى شود و شامل استخراج از معدن، آسياب كردن، تبديل، غنى سازى و توليد سوخت است. هنگامى كه اورانيوم به عنوان سوخت مصرف شد و انرژى از آن به دست آمد، انتهاى عقبى چرخه آغاز مى شود تا ضايعات هسته اى به انسان و محيط زيست آسيبى نرسانند. اين بخش عقبى شامل انباردارى موقتى، بازفرآورى كردن و انبار نهايى است.

• اكتشاف و استخراج

 

ذخاير طبيعى اورانيوم، سنگ معدن اورانيوم است كه بر اساس مقدار قابل استحصال از معدن محاسبه مى شود. با تكنيك ها و روش هاى زمين شناسى، معدن اورانيوم شناسايى مى شود و نمونه هايى از سنگ معدن به آزمايشگاه فرستاده مى شود. در آنجا، محلولى از سنگ معدن تهيه مى كنند و اورانيوم ته نشين شده را مورد بررسى قرار مى دهند تا بفهمند چه مقدار اورانيوم را مى توان از آن معدن استخراج كرد و چقدر هزينه مى برد. اورانيوم موجود در طبيعت معمولاً از دو ايزوتوپ U235 و U238 تشكيل مى شود كه فراوانى آنها به ترتيب ۷۱/۰ درصد و ۲۸/۹۹ درصد است. هنگامى كه معدن شناسايى شد، به سه روش مى توان اورانيوم ر

ا استخراج كرد. استخراج از سطح زمين، استخراج از معادن زيرزمينى و تصفيه در معدن. دو روش نخست همانند ديگر روش هاى استخراج فلزات هستند ولى در روش سوم كه در ايالات متحده استفاده مى شود، سنگ معدن در خود معدن تصفيه مى شود و اورانيوم به دست مى آيد. سنگ معدن اورانيوم معمولاً از اكسيد اورانيوم (U3O8) تشكيل شده است و غلظت آن در سنگ معدن بين ۰۵/۰ تا ۳/۰ درصد تغيير مى كند. البته اين تنها منبع اورانيوم نيست. اورانيوم در برخى معادن فسفات با منشاء دريايى نيز وجود دارد كه البته فراوانى بسيار كمى دارد، به طورى كه حداكثر به ۲۰۰ ذره در يك ميليون ذره مى رسد. از آنجايى كه اين معادن فسفات مقادير انبوهى توليد دارند، مى توان اورانيوم را با قيمت معقولى استحصال كرد.

• آسياب كردن

پس از استخراج سنگ معدن، تكه سنگ ها به آسياب فرستاده مى شود تا خوب خرد شده، خرده سنگ هايى با ابعاد يكسان توليد شود. اورانيوم توسط اسيد سولفوريك از ديگر اتم ها جدا مى شود، محلول غنى شده از اورانيوم تصفيه و خشك مى شود. محصول به

دست آمده، كنسانتره جامد اورانيوم است كه كيك زرد ناميده مى شود.

• تبديل

كيك زرد جامد است، ولى مرحله بعد (غنى سازى) از تكنولوژى بخصوصى بهره مى برد كه نيازمند حالت گازى است. بنابراين كنسانتره اكسيد اورانيوم جامد طى فرآيندى شيميايى به هگزافلورايد اورانيوم (UF6) تبديل مى شود. UF6 در دماى اتاق جامد است، ولى د

ر دمايى نه چندان بالا به گاز تبديل مى شود.

• غنى سازى

براى ادامه يك واكنش زنجيره اى هسته اى در قلب يك رآكتور آب سبك، غلظت طبيعى اورانيوم ۲۳۵ بسيار اندك است. براى آنكه UF6 به دست آمده در مرحله تبديل، به عنوان سوخت هسته اى مورد استفاده قرار گيرد، بايد ايزوتوپ قابل شكافت آن را غنى كرد. البته سطح غنى سازى بسته به كاربرد سوخت هسته اى متفاوت است. براى يك رآكتور آب سبك، سوختى با ۵ درصد اورانيوم ۲۳۵ مورد نياز است، درحالى كه در يك بمب اتمى، سوخت هسته اى بايد حداقل ۹۰ درصد غنى شده باشد. غنى سازى با استفاده از يك يا چند روش جداسازى ايزوتوپ هاى سنگين و سبك صورت مى گيرد. در حال حاضر، دو روش رايج براى غنى سازى اورانيوم وجود دارد كه عبارتند از انتشار گاز و سانتريفوژ گاز. در روش انتشار گازى (ديفيوژن)، گاز طبيعى UF6 با فشار بالا از يك سرى سدهاى انتشارى عبور مى كند. اين سد ها كه غشاهاى نيمه تراوا هستند، اتم هاى سبك تر را با سرعت بيشترى عبور مى دهند. در نتيجه ۲۳۵UF6 سريع تر از ۲۳۸UF6 عبور مى كند. با تكرار اين فرآيند در مراحل مختلف، گازى نهايى به دست مى آيد كه غلظت U235 بيشترى دارد. مهم ترين عيب اين روش اين است كه جداسازى ايزوتوپ هاى سبك در هر مرحله نرخ نسبتاً پايينى دارد، لذا براى رسيدن به سطح غنى سازى مطلوب بايد اين فرآيند را به دفعات زيادى تكرار كرد كه اين خود نيازمند امكانات زياد و مصرف بالاى انرژى الكتريكى است و بالتبع هزينه عمليات نيز بسيار افزايش خواهد يافت. در روش سانتريفوژ گاز، گاز UF6 را به مخزن هايى استوانه اى تزريق مى كنند و گاز را با سرعت بسيار زيادى مى چرخانند. نيروى گريز از مركز موجب مى شود ۲۳۵Uf6 كه اندكى از ۲۳۸UF6 سبك تر است، از مولكول سنگين تر جدا شود. اين فرآيند در مجموعه اى از مخزن ها صورت مى گيرد و در نهايت، اورانيوم با سطحى غنى شده مطلوب به دست مى آيد. هر چند روش سانتريفوژ گازى نيازمند تجهيزات گرانقيمتى است، هزينه انرژى آن نسبت به روش قبلى كمتر است. امروزه فناورى هاى غنى سازى جديدى نيز توسعه يافته است كه همگى بر پايه استفاده از ليزر پيشرفت كرده اند. اين روش ها كه روش جداسازى ايزوتوپ با ليزر بخار اتمى (AVLIS) و جداسازى ايزوتوپ با ليزر مولكولى (MLIS) نام دارند، مى توانند مواد خام بيشترى را در هر مرحله غنى كنند و سطح غنى سازى آنها نيز بالاتر است.

• ساخت ميله هاى سوخت

توليد ميله سوخت، آخرين مرحله انتهاى جلويى در چرخه سوخت هسته اى است. اورانيوم غنى شده كه هنوز به شكل UF6 است، بايد به پودر دى اكسيد اورانيوم (۲ UO) تبديل شود تا به عنوان سوخت هسته اى قابل استفاده باشد، پودر ۲ UOسپس فش

رده مى شود و به شكل قرص درمى آيد. قرص ها در معرض حرارت با دماى بالا قرار مى گيرند تا به قرص هاى سراميكى سخت تبديل شوند. پس از طى چند فرآيند فيزيكى، قرص هايى سراميكى با ابعاد يكسان حاصل مى شود. حال، متناسب با طراحى رآكتور و نوع سوخت مورد نياز، اين قرص هاى كوچك را دسته دسته كرده و در لوله اى بخصوص قرار مى دهند. اين لوله از آلياژ بخصوصى ساخته شده است كه در برابر خوردگى بسيار مقاوم است و در عين حال از رسانايى حرارتى بسيار بالايى برخوردار است. حال ميله سوخت آماده شده است و براى استفاده در رآكتور به نيروگاه فرستاده مى شود.
• انتهاى عقبى چرخه سوخت هسته اى: مديريت زباله هاى هس

ته اى
در نيروگاه هسته اى هم مثل ديگر فعاليت هاى بشرى، ضايعاتى توليد مى شود كه به دليل حساسيت مضاعف زباله هاى راديواكتيو، مديريت اين ضايعات بايد تحت قوانين و محدوديت هاى خاصى صورت بگيرد. در هر هشت مگاوات ساعت انرژى الكتريكى

توليد شده در نيروگاه هسته اى، ۳۰ گرم زباله راديواكتيو به وجود مى آيد. براى توليد همين مقدار برق با استفاده از زغال سنگ پركيفيت، هشت هزار كيلوگرم دى اكسيد كربن توليد مى شود كه در دما و فشار جو، ۳ استخر المپيك را پر مى كند. مى بينيد حجم زباله هاى راديواكتيو بسيار كمتر است، ولى خطر آنها به مراتب بيشتر است و مراقبت از آنها ضرورى تر و دشوارتر. زباله هاى راديواكتيو بر اساس مقدار و نوع ماده راديواكتيو به ۳ گروه تقسيم مى شوند:

الف _ سطح پايين: لباس هاى حفاظتى، لوازم، تجهيزات و فيلترهايى كه حاوى مواد راديواكتيو با عمر كوتاه هستند. اينها نيازى به پوشش حفاظتى ندارند و معمولاً فشرده شده يا آتش زده مى شوند و در چاله هاى كم عمق دفن شده و انبار مى شوند.

ب- سطح متوسط: رزين ها، پسمانده هاى شيميايى، پوشش ميله سوخت و مواد نيروگاه هاى برق هسته اى جزء زباله هاى سطح متوسط طبقه بندى مى شوند. اينها عموماً عمر كوتاهى دارند، ولى نياز به پوشش محافظ دارند. اين زباله ها را مى توان درون بتن قرار داد و در مخزن زباله ها گذاشت.
ج _ سطح بالا: همان سوخت مصرف شده رآكتورها است و نياز به پوشش حفاظتى و سردسازى دارند. مراحل مديريت اين ضايعات عبارتند از:

• انباردارى موقتى

سوخت مصرف شده كه از رآكتور خارج مى شود، بسيار داغ و راديواكتيو است و تشعشع و يون هاى فراوانى را مى تاباند. از اين رو بايد هم آن را سرد كرد و هم از تابيدن پرتوهاى راديواكتيو آن به محيط جلوگيرى كرد. در كنار هر رآكتور، استخرهايى براى ا

نبار كردن سوخت مصرف شده وجود دارد. اين استخرها، مخزن هايى بتنى مسلح به لايه هاى فولاد زنگ نزن هستند كه ۸ متر عمق دارند و پر از آب هستند. آب هم ميله هاى سوخت مصرف نشده را خنك مى كند و هم به عنوان پوشش حفاظتى در برابر تابش راديواكتيو عمل مى كند. به مرور زمان، شدت گرما و تابش راديواكتيو كاهش مى يابد،

به طورى كه پس از چهل سال، به يك هزارم مقدار اوليه (زمانى كه از رآكتور خارج شده بود) مى رسد.

• بازفرآورى و انبار نهايى

۳ درصد سوخت مصرف شده در يك رآكتور آب سبك را ضايعات بسيار خطرناك راديواكتيو تشكيل مى دهد، ولى بقيه آن حاوى مقادير قابل توجهى U-235،Pu-239 وU-238 و ديگر مواد راديواكتيو است. اين مواد را مى توان با روش هاى شيميايى از يكديگر جدا كرد و اگر شرايط اقتصادى و قوانين حقوقى اجازه دهد، مى توان سوخت مصرف شده را براى تهيه سوخت هسته اى جديد بازيافت كرد. كارخانه هايى در فرانسه و انگلستان وجود دارند كه مرحله بازفرآورى سوخت نيروگاه هاى كشورهاى اروپايى و ژاپن را انجام مى دهند. البته اين كار در ايالات متحده ممنوع است. رايج ترين شيوه بازفرآورى PUREX نام دارد كه مخفف عبارت جداسازى اورانيوم و پلوتونيوم است. ابتدا ميله هاى سوختى را از يكديگر جدا مى كنند و در اسيد نيتريك حل مى كنند، سپس با استفاده از مخلوطى از فسفات ترى بوتيل و يك حلال هيدروكربن، اورانيوم و پلوتونيوم مصرف نشده را جدا مى كنند و به عنوان سوخت جديد به مراحل تهيه سوخت مى فرستند. ضايعات هسته اى سطح بالا را پس از جداسازى، حرارت مى دهند تا به پودر تبديل شود. پس از اين فرآيند كه آهى كردن خوانده مى شود، پودر را با شيشه مخلوط مى كنند تا ضايعات را در محفظه اى محبوس كند. اين فرآيند شيشه سازى نام دارد. شيشه مايع براى ذخيره سازى درون محفظه هايى از جنس فولاد ضدزنگ قرار مى گيرند و اين محفظه ها را در منطقه اى پايدار (از نظر جغرافيايى) انبار مى كنند. پس از يك هزار سال، شدت تابش هاى راديواكتيو ضايعات هسته اى به مقدار طبيعى كاهش پيدا مى كند. اين نقطه تا به امروز، انتهاى چرخه سوخت هسته اى است.

آشنايى با اجزاى رآكتورهاى هسته اى

در حالى كه توليد انرژى با استفاده از سوخت هاى فسيلى در جهان روزبه روز گران تر مى شود، برق هسته اى كه در نيروگاه هاى هسته اى و با استفاده از واكنش شكافت هسته اى توليد مى شود، منبع بسيار خوبى براى توليد انرژى و جايگزينى آن با برق فسيلى به شمار مى رود. توليد برق به روش هسته اى ضمن آنكه پايان ناپذير است، گازهاى گلخانه اى هم توليد نمى كند. تنها مشكل آن، زباله هاى هسته اى هستند كه در صورتى كه از آنها درست محافظت شود، عملاً هيچ ضررى براى محيط زيست ندارند.

• رآكتورهاى شكافت

 

در اثر شكافت هسته هاى سنگين مثل اورانيوم و تبديل آن به هسته هاى سبك تر و اشعه آلفا يا بتا و نوترون، مقدارى انرژى جنبشى هم آزاد مى شود. اگر جرم محصولات شكافت را از جرم ماده اوليه كم كنيم مقدار ناچيزى باقى مى ماند. اين مقدار ناچيز طبق معادله معروف اينشتين E=mc2 تبديل به انرژى جنبشى مى شود. گرماى توليد شده توسط شك

افت، در قلب رآكتور توسط ميله هايى كنترل مى شود. نوترون ها تحريك كننده شكافت هستند.
با قرار دادن جذب كننده هاى نوترونى بين اورانيوم مى توان ميزان فرآيند شكافت و سرعت آن و در نتيجه شدت گرماى توليدشده را كنترل كرد. گرماى حاصل توسط آب به بيرون از رآكتور منتقل مى شود. دماى آب درون چرخه تحت فشار، گاهى به چندين برابر نقطه جوش مى رسد. در بيرون از رآكتور اين گرما آب موجود در منبع ديگر را بخار مى كند و بخار آب توليد شده، با انرژى زيادى كه دارد، توربين هاى بخار را به حركت درمى آورد و برق توليد مى شود.

• قلب رآكتور

فرآيند شكافت معمولاً نوترون هاى سريع توليد مى كند. اما براى اينكه يك هسته اورانيوم شكافته شود، به يك نوترون كند نياز است. براى اين كار از كندكننده هاى نوترونى استفاده مى شود. گرافيت و آب سنگين، توان اين كار را دارند.

• واكنش زنجيره اى

يك نوترون كند، اورانيوم را مى شكافد حاصل علاوه بر هسته هاى كوچك تر تعدادى نوترون است كه خود هسته هاى اورانيوم ديگر را مى شكافد. به اين فرآيند واكنش زنجيره اى مى گويند كه اساس كار رآكتور است.

• نخستين رآكتورهاى هسته اى

فرمى و زيلارد نخستين كسانى بودند كه توانستند يك واكنش زنجيره اى كامل را در يك رآكتور هسته اى انجام دهند. آنها در دهه ۱۹۴۰ كه بر روى پروژه ساخت بمب هسته اى براى ايالات متحده (منهتن) كار مى كردند، در دانشگاه شيكاگو و در آزمايشگاه شان اين كار را انجام دادند. اما در سال ۱۹۵۵ كه ايده اقتصادى شدن انرژى هسته اى رواج يافت، آنها اين كشف را در اداره اختراعات و اكتشافات ايالات متحده ثبت كردند.

 

رآكتورها از لحاظ سرعت عمل شان به دو دسته تقسيم مى شوند:

0- رآكتورهاى گرمايى: كه سرعت كمى دارند و فرآيند شكافت و توليد گرما در آنها به آرامى انجام مى شود. اكثر اين رآكتورها استفاده صلح آميز دارند.

۲- رآكتورهاى سريع: هدف اصلى اين رآكتورها توليد سوخت لازم براى سلاح هاى هسته اى است. پلوتونيوم و اورانيوم ۲۳۵ از محصولات اين رآكتورها هستند.

بمب هاى هسته اى

•چرا اورانيوم و پلوتونيوم؟

ايزوتوپ معمول اورانيوم (اورانيوم ۲۳۸) براى ساخت سلاح اتمى مناسب نيست. چرا كه با شليك نوترونى به هسته اين ايزوتوپ، احتمال به دام افتادن نوترون و تشكيل اورانيوم ۲۳۹ از احتمال شكافت هسته اى بسيار بيشتر است. درحالى كه در اورانيوم ۲۳۵ امكان شكافت هسته اى بيشتر است. اما فقط ۷/۰ درصد اورانيوم موجود در طبيعت، ايزوتوپ ۲۳۵ است. به همين خاطر براى تهيه مقدار مورد نياز اورانيوم ۲۳۵ براى ساخت بمب، به مقدار زيادى از اورانيوم طبيعى نياز است.

در عين حال ايزوتوپ هاى ۲۳۵ و ۲۳۹ اورانيوم به روش هاى شيميايى قابل جداسازى نيستند؛ چرا كه از لحاظ شيميايى يكسانند. بنابراين دانشمندان پروژه منهتن قبل از ساختن بمب بايد مسئله ديگرى را حل مى كردند؛ جداسازى ايزوتوپ هاى اورانيوم به روش هاى غيرشيميايى. پژوهش ها همچنين نشان مى داد كه پلوتونيوم ۲۳۹ قابليت شكافت هسته اى بالايى دارد. گرچه پلوتونيوم ۲۳۹ يك عنصر طبيعى نيست و بايد ساخته شود. رآكتورهاى هنفورد در واشينگتن به همين منظور ساخته شده اند.

• «پسربچه»:(Little boy) يك بمب شليكى

 

طرح «پسربچه» شامل تفنگى است كه توده اى از اورانيوم ۲۳۵ را به سمت توده ديگرى از اين ايزوتوپ شليك مى كند. به اين ترتيب يك جرم فوق بحرانى توليد مى شود. نكته اساسى كه حتماً بايد رعايت شود اين است كه اين توده ها بايد در زمانى كوتاه تر از حدفاصل بين شكافت هاى خود به خودى در كنار هم نگه داشته شوند. به محض اينكه دو توده اورانيوم در كنار هم قرار گرفتند، ناگهان چاشنى توده اى از نوترون ها را توليد مى كند و زنجيره واكنش ها آغاز مى شود. با ادامه اين زنجيره، انرژى مدام افزايش مى يابد تا بمب به سادگى و خودبه خود منفجر شود.

۱- در دنباله پليسه بردارى

۲- مخروط دم

۳- لوله هاى ورود هوا

۴- چاشنى فشار هوا

۵- محفظه پوشش محافظ سربى

۶- بازوى چاشنى

۷- سرانفجارى

۸- چاشنى انفجارى معمول

۹- اورانيوم ۲۳۵ (گلوله)

۱۰- سيلندر توپ

 

۱۱- اورانيوم ۲۳۵ (هدف) با مخزن

(منعكس كننده نوترون درست اين بالا است)

۱۲- ميله هاى كنترل فاصله

۱۳- فيوزها

• «مرد چاق»(Fat man) : بمب انفجار درونى

 

شكافت خودبه خودى پلوتونيوم ۲۳۹ آنقدر سريع است كه بمب تفنگى (پسربچه) نمى تواند دو توده پلوتونيوم را در زمانى كوتاه تر از حد فاصل شكافت ها كنار هم نگه دارد. بنابراين براى پلوتونيوم بايد نوع ديگرى از بمب طراحى شود. قبل از سواركردن بمب، چند نوترون سرگردان رها مى شوند تا زنجيره واكنش پيش رس را آغاز كنند. اين زنجيره موجب كاهش عظيم انرژى منتشر شده مى شود. «ست ندرمى ير» (دانشمندى از لس آلاموس) ايده استفاده از چاشنى هاى انفجارى را براى كمپرس بسيار سريع كره پلوتونيوم مطرح كرد و بسط داد. با اين روش كره پلوتونيوم به چگالى مناسب بحرانى مى رسد و انفجار هسته اى رخ مى دهد.

۱- :AN 219 فيوز تخريب

۲- :Archie آنتن رادار

۳- صفحه باترى ها

۴- واحد :Xسيستم جرقه زن كنار چاشنى

۵- لولا براى ثابت نگه داشتن دو بخش بيفوى بمب

۶- لنز پنج ضلعى با قابليت انفجار بالا

۷- لنز شش ضلعى با قابليت انفجار زياد

۸- چتر نجات كاليفرنيا دنباله (آلومينيوم)

۹- حفاظ دور، قطر داخلى cm ۱۴۰

۱۰- مخروط هايى كه كل كره را در بر مى گيرند

۱۱- لنزهاى انفجارى

۱۲- ماده هسته اى

۱۳- صفحه رادارها، سوئيچ هاى هوا و تايمرها

 

۱۴- جمع كننده لوله هوا

• بمب انفجار داخلى: بمب كثيف

انفجار درونى كه در واقع عكس انفجار بيرونى است ماده و انرژى را چگال و متمركز مى كند. ويرانى ساختمان بر اثر انفجار بيرونى باعث مى شود كه ساختم

ان روى خودش آوار شود. اصطلاحاً گفته مى شود كه «ساختمان از درون منفجر شده است.» انفجار درونى، آوار شدن از داخل است. درست مقابل انفجار بيرونى، يك كره توخالى پلوتونيوم مى تواند با چاشنى كروى انفجارى خارجى، از درون منفجر شده و به عنوان ماشه يك بمب شكافت هسته اى به كار رود. اين بمب هم به نوبه خود مى تواند يك ماشه انفجار داخلى براى يك جور هم جوشى باشد. در بحث كاويتاسيون انفجار درونى يك فرآيند مكثى است كه ذرات را مجبور به حركت به سمت داخل مى كند (نه حركت به سمت خارج كه مربوط به انفجار بيرونى است) اين حركت مركزگراى درونى، از يك مسير مستقيم به سمت مركز (مسير شعاعى) پيروى نمى كند، بلكه با چرخش روى يك مسير مارپيچى حركتش را انجام مى دهد. اين حركت چرخشى ورتكس نام دارد. در كاويتاسيون به خاطر فشار كم، حباب هاى كوچكى از بخار آب در يك سمت پروانه تشكيل مى شود. با تخريب اين حباب ها، موج هاى ناگهانى محلى شديدى به و

 

جود مى آيد كه سر و صدا توليد مى كند و منجر به شكست محلى در سطح پروانه مى شود. ادامه اين روند سايش ماده را به دنبال دارد. مشخصه اصلى ورتكس اين است كه خارج آن كند و مركز آن تند حركت مى كند. در ورتكس، آب «از درون منفجر مى شود» ذرات معلقى كه از آب سنگين ترند به مركز جريان كشيده مى شوند، مقاومت اصطكاكى كاهش مى يابد و سرعت جريان زياد مى شود.

مراحل انفجار داخلى

۱ ماده منفجر ه اى كه ماده شكافت پذير را در برگرفته است، مشتعل مى شود. ۲ يك موج ناگهانى تراكمى به سمت داخل شروع به حركت مى كند. سرعت اين موج ناگهانى از سرعت صوت بيشتر است و سبب افزايش قابل توجه شار مى رود. موج در يك لحظه به تمام نقاط روى سطح كروى ماده شكافت پذير در هسته بمب حمله مى كند، فرآيند تراكم آغاز مى شود. ۳ با افزايش چگالى هسته، جرم به حالت بحرانى و سپس فوق بحرانى مى رود كه در آن زنجيره واكنش ها به صورت نهايى زياد مى شود. ۴ اكنون پخش

شدن چاشنى به رها شدن نوترون هاى زياد منجر مى شود. به همين دليل خيلى از توليدات اوليه باى پس مى شوند.۵ زنجيره واكنش ها همچنان ادامه مى يابد. تا زمانى كه انرژى توليد شده در درون بمب به قدرى بزرگ شود كه فشار درونى (ناشى از انرژى شكافت) به مقدارى بيش از فشار انفجار داخلى و ناشى از موج ناگهانى برسد.۶ با از هم جدا كردن بمب، انرژى منتشر شده در فرآيند شكافت، به اطراف انتقال مى يابد.

 

•بمب هيدروژنى

بازده هيدروژنى به وسيله مقدار ليتيوم دوترايد (deuteride) و نيز مواد شكافت پذير اضافه كنترل مى شود. براى تامين نوترون هاى اضافه فرآيند هم جوشى (fusion) معمولاً اورانيوم ۲۳۸ در بخش هاى مختلف بمب به كار مى رود. اين ماده شكافت پذير اضافه (اورانيوم ۲۳۸) در عين حال تشعشعات اتمى باكيفيت بالا نيز توليد مى كند.

بمب نوترونى

بمب نوترونى يك بمب هيدروژنى است. بمب نوترونى به كلى با ساير سلاح هاى اتمى استاندارد تفاوت دارد. چرا كه اثرهاى مهلك بمب كه از تشعشعات مضر مى آيد، به خاطر نوترون هايى است كه خودش رها مى كند. اين بمب همچنين به نام «سلاح تشعشع افزوده» (enhanced- radiation weapon) شناخته مى شود.اثرات تشعشع افزوده در بمب نوترونى بدين صورت است كه آثار حرارتى و تخريبى اين بمب نسبت به ساير سلاح هاى اتمى كمتر است. به همين دليل ساختارهاى فيزيكى مثل ساختمان ها و مراكز صنعتى كمتر خسارت مى بينند و بمب بيشترين آسيب را به انسان وارد مى كند. از آنجا كه اثرات تشعشع نوترون با افزايش فاصله به شدت كاهش مى يابد اثر بمب در مناطق نزديك به آن و مراكز دور از آن به وضوح تفاوت دارد. اين ويژگى كاملاً مطلوب كشورهاى عضو پيمان آتلانتيك شمالى (ناتو) است، چرا كه آنها مى خواهند آمادگى نبرد در مناطق پرازدحام را داشته باشند درحالى كه انواع ديگر انفجارهاى هسته اى، زندگى شهرى و دارايى ها را به خطر مى اندازند بمب نوترونى فقط با زنده ها سر و كار دارد.

نگاهى به مبانى و كاربردها
پزشكى هسته اى

 

نيم نگاه

پزشكى هسته اى بهتر از راديو درمانى

تصويربردارى به طريق هسته اى و تزريق و خوردن داروهاى هسته اى به هيچ وجه براى بدن مضر نيست. مواد راديواكتيوى كه در پزشكى هسته اى مورد

 

استفاده قرار مى گيرند نيمه عمر خيلى كوتاهى دارند و خيلى زود از بين مى روند. ميزان پرتو تابش شده از اين مواد پائين تر از اشعه X معمول و يا اشعه CT اسكن است و به راحتى از طريق ادرار يا كيسه صفرا حذف و دفع مى شود. در مقايسه راديو درمانى (Radio Therapy) كه با پزشكى هسته اى متفاوت است، با تابش پرتو هاى مختلف يونيزه مثل آلفا، بتا و گاما و اشعه X تمام سلول ها را تحت تاثير قرار مى دهد.

پزشكى هسته اى شاخه اى از علم پزشكى است كه در آن از مواد راديواكتيو براى تشخيص و درمان بيمارى استفاده مى شود. مواد راديواكتيو مورد استفاده يا راديو ايزوتوپ هستند و يا داروهايى كه با مواد راديو ايزوتوپ نشاندار شده اند. داروى راديواكتيو، در روش هاى تشخيصى مواد راديواكتيو به بيمار تزريق مى شود و ميزان اشعه تاييد شده، از بيمار اندازه گيرى مى شود. اكثر روش هاى تشخيصى به كمك يك دوربين اشعه گاما، توانايى تشكيل تصوير را دارند. در موارد استفاده درمانى، مواد راديواكتيو براى درمان مورد استفاده قرار مى گيرند مثل استفاده از يد (۱۳۱) كه در درمان سمى شدن تيروئيد و سرطان تيروئيد مورد استفاده قرار مى گيرد.
روش هاى مختلف استفاده از داروهاى راديواكتيو:

•تزريق درون رگى كه در اسكن هاى مختلفى مورد استفاده قرار مى گيرد.

•تزريق زير جلدى كه معمولاً براى مطالعه سيستم لنفاوى كاربرد دارد.

•تنفسى كه معمولاً براى مطالعه شش ها مورد استفاده قرار مى گيرد. در اين روش از گاز كريپتون (۸۱) و يا ذرات هواى حاوى تكنتيوم (۹۹) استفاده مى شود.

•خوراكى كه معمولاً براى شفاف كردن و متمايز كردن سيستم گوارشى به كار برده مى شود.

• كاربردهاى تشخيصى پزشكى هسته اى

در كليه روش هاى تشخيصى، نحوه عملكرد صحيح اندام هاى بدن در مقايسه با يك فرد سالم مقايسه مى شود. اتصال راديو ايزوتوپ ها به ماده يا عضو مورد نظر به تشخيص و شناسايى پرتوهاى تابش شده و اندازه گيرى آنها كمك مى كند. در پزشكى هسته اى براى تشخيص معمولاً از يك سرى از مواد راديواكتيو استفاده مى شود كه يا به صورت گاز هستند و يا مايع كه به بدن تزريق مى شوند.

•مواد راديواكتيو به فرم مايع:

Technetium(99)
ت(۱۳۱)يا Iodinت(۱۲۳)

Thallium(201)

Gallium(67)
• مواد راديواكتيو به فرم گازى:

Xenon )133)

Krypton (81)

• تجهيزات لازم براى عكسبردارى

معمولاً پرتوهاى ساطع شده از ماده راديواكتيو داخل بدن، توسط دوربين هاى گاما تشخيص داده مى شوند. به طور معمول، دوربين هاى گاما از آشكارساز گاما مثل يك كريستال فعال يديد سديم كه با يك سيستم تصويرى همراه است، تشكيل شده اند. دوربين هاى گاما از نحوه پراكنش تابش راديواكتيو بر روى آشكارساز گاما تصوير را به وجود مى آورند.وضوح دوربين هاى گاما بين ۴ تا ۶ ميلى متر است كه مى تواند هزاران اشعه گاما را در ثانيه آشكار كند. دوربين گاما هر پرتو گاماى ساطع شده را در دو جهت محور

x و y آشكار مى كند و به اين ترتيب تصوير را به وجود مى آورد.در پزشكى هسته اى معمولاً وضوح (dpi) هر تصوير به تعداد پرتوهاى گاماى آشكار شده در آن پيكسل، در واحد زمان گفته مى شود.اساس كار دستگاه ه

اى مختلف كه از فيزيك هسته اى براى تصويربردارى استفاده مى كنند، ايجاد يك سرى تصوير از برش هاى مختلف بدن و از زاويه هاى متفاوت است كه اين تصاوير با يكديگر ادغام شده و يك تصوير سه بعدى از محل مورد نظر ايجاد مى كنند.

• سى تى اسكن

Computed Tomography با نام CAT scan هم خانواده مى شود و روشى است كه طى آن يك سرى تصاوير دوبعدى به دست آمده با اشعه X به تصاوير سه بعدى تبديل مى شوند. كلمه tomo از واژه tomos به معنى برش گرفته شده است. سيستم CT اسكن در سال ۱۹۷۲ توسط گاد فرى نيوبلد هوزنفيلد از آزمايشگاه مركزى EMI اختراع شد. آلن مك لئود كدمارك از دانشگاه تافت نيز به طور جداگانه اى همين روش را ابداع كرده بود. اين دو نفر به طور مشترك برنده جايزه نوبل سال ۱۹۷۹ شدند. اولين نوع اسكنرها، در انجام اسكن از مغز محدوديت هايى داشتند و در آنها منبع اشعه X به صورت يك امتداد باريك مدادمانند بود كه روى يك يا دو آشكارساز ثابت شده بود. منبع اشعه X و آشكارسازها در وضعيتى متناسب با يكديگر قرار داشتند و در امتداد بدن بيمار حركت مى كردند و طى اين حركت، چرخشى يك درجه اى نسبت به يكديگر داشتند. در نسل دوم اسكنرها، تغييراتى در شكل منبع اشعه X و تعداد آشكارسازها به وجود آمد. منبع اشعه x به شكلى شبيه پنكه تغيير پيدا كرد و زمان اسكن به طور قابل ملاحظه اى كاهش يافت. در نسل سوم اسكنرها، تغيير اساسى در زمان اسكن به وجود آمد و امكان تشكيل تصوير نهايى همزمان با اسكن ايجاد شد. در اين اسكنرها، منبع پنكه اى شكل اشعه X در امتداد رديفى از آشكارسازها كه در وضعيتى متناسب با منبع اشعه X قرار داشتند ثابت شده بود و سرعت اسكن از هر برش به ۱۰ ثانيه كاهش پيدا كرد.

در نسل چهارم اسكنرها، زمان اسكن نسبت به قبل تغييرى نكرد با اين تفاوت كه يك حلقه ۳۶۰ درجه از آشكارسازها دور بدن بيمار را فرامى گرفت و منبع اشعه x نيز در وضعيتى غيرمتناسب با آشكارسازها به دور بيمار مى چرخيد. در حالت مدرن اسكنرها كه واجد چندين آشكارساز و چند رديف اسكنر هستند،

اسكن از قفسه سينه به مدت يك دم و بازدم زمان مى برد. در سال هاى اخير توموگرافى در حد ميكرومتر نيز قابل انجام است و ميكروتوموگرافى خوانده مى شود ولى هنوز در مورد انسان مورد استفاده قرار نگرفته است.CT اسكن در پزشكى هسته اى به عنوان روشى تشخيصى كاربرد دارد. در برخى از موارد براى ايجاد تمايز بين بافت هاى مختلف از يد درون رگى استفاده مى شود. اين حالت به وضوح بيشتر ساختارهايى مثل

رگ هاى خونى كه ممكن است از بافت هاى اطراف متمايز نباشد، كمك مى كند. استفاده از اين مواد در برخى موارد به بررسى نحوه عملكرد بعضى از اعضاى بدن نيز كمك مى كند. پيشرفت و فناورى CT اسكن باعث شده كه دوز تابش اشعه X و زمان اسكن كاهش پيدا كند و اما هنوز هم دوز اشعه تابشى در اين روش بسيار بالاتر از راديوگرافى معمولى با اشعه X است.

اسكن جمجمه: تشخيص ضربه مغزى و خونريزى داخلى معمولى ترين دليل براى اسكن از سر است. اين اسكن بدون تزريق ماده حاجب انجام مى شود و خونريزى حالت متمايزترى خواهد داشت. براى تشخيص تومور نيز از اين روش به همراه تزريق ماده حاجب استفاده مى شود كه البته دقت MRI را ندارد. از CT اسكن سر و گردن و منطقه دهانى معمولاً براى آمادگى جراحى استخوان صورت و فك و گاهى تشخيص تومور يا كيست در ناحيه فك ها و سينوس ها و تيغه بينى استفاده مى شود.

اسكن قفسه سينه: CT اسكن بهترين روش براى تشخيص تغيير بافت شش ها به صورت حاد و يا مزمن است. به طور معمول براى تشخيص بيمارى هاى تنفسى مثل ذات الريه يا سرطان از CT اسكن بدون ماده حاجب استفاده مى شود.

اسكن قلب: اسكن از قلب معمولاً تا ۶۴ برش و وضوح خيلى بالا و سرعت بالا صورت مى گيرد كه معمولاً هرگونه اختلال در عملكرد عروقى قلبى را مشخص مى كند.
به طور كلى هرگونه بيمارى را مى توان با CT اسكن از نقاط مختلف بدن تشخيص داد. معمول ترين موارد انجام CT اسكن در تشخيص سنگ هاى مثانه و كليه، عفونت آپانديس، عفونت پانكراس و عدم عملكرد كيسه صفرا است.

• MRI (Magnetic Resonance Imaging)

MRI روشى است كه با استفاده از ميزان آب معدنى متصل به مولكول ها، تصويرى از داخل بدن ايجاد مى كند. اين روش معمولاً براى تشخيص هرگونه بيمارى يا اختلال در عملكرد ارگان ها مورد استفاده قرار مى گيرد.اسم اصلى اين روش nuclean MRI است كه كلمه هسته اى به علت بار منفى كه روى بيمار ايجاد مى كند، به طور كلى حذف شده است. در علوم ديگر واژه NMR كه استفاده از همين دستگاه در علوم غيرپزشكى است، هنوز استفاده مى شود. اساس كار MRI معمولاً براساس خصوصيات آزاد شدن اتم برانگيخته هيدروژن در مولكول آب است