دسته‌ها
ساختار هسته فیزیک پیش دانشگاهی فیزیک دوازدهم فیزیک هسته ای

شکافت هسته ای

شکافت هسته ای (Nuclear fission) فرایندی است که در آن یک اتم سنگین مانند اورانیم به دو اتم سبکتر تبدیل می‌شود. وقتی هسته‌ای با عدد اتمی زیاد شکافته شود، بر پایه فرمول انیشتین، مقداری از جرم آن به انرژی تبدیل می‌شود. از این انرژی در تولید برق (در نیروگاه هسته‌ای) یا تخریب (سلاح‌های هسته‌ای)  استفاده می‌شود.

در سال ۱۹۳۹ میلادی گروهی از دانشمندان آلمانی، کشف کردند که هسته اورانیم ۲۳۵ پس از جذب نوترون، به دو تکه تقسیم می شود و هر تکه، جرم کمتری از هسته اولیه دارد. فرایند تقسیم شدن یک هسته سنگین به دو هسته با جرم کمتر، شکافت هسته ای نامیده می شود.

شکافت هسته ای اورانیم ۲۳۵

در فرایند شکافت اورانیم ترکیب های متفاوتی از هسته های کوچکتر همراه با تعدادی نوترون (بین ۲ تا ۵) به وجود می آید. شکل زیر یکی از این واکنش های ممکن شکافت را نشان میدهد که در آن هسته اورانیم پس از جذب نوترون و تبدیل به ایزوتوپ ناپایدار اورانیم ۲۳۶ برانگیخته، به هسته‌های باریون و کریپتون تقسیم شده است .

ph3 s6 Nuclear fission 01 شکافت هسته ای

واکنش وقتی شروع می شود که نوترونی کند با انرژی جنبشی در حدود ۰٫۰۴ الکترون ولت توسط هسته جذب و هسته مرکب ایجاد شود. این هسته مرکب در کمتر از ۱۰-۱۲ ثانیه واپاشیده می شود.

وقتی نوترونی با هسته اورانیم ۲۳۵ برخورد کند و جذب شود، هسته اورانیم شروع به ارتعاش می‌کند و تغییر شکل می‌دهد ارتعاش تا وقتی ادامه می یابد که تغییر شکل چنان جدی شود که نیروی جاذبه هسته‌ای دیگر نتواند با نیروی دافعه الکترواستاتیکی بین پروتونهای هسته متوازن شود. در این هنگام هسته به پاره‌هایی وا می پاشد که حامل انرژی به طور عمده انرژی جنبشی هستند.

واکنش زنجیری

اگر دوباره به معادله شکافت اورانیم ۲۳۵ نگاه کنید می‌توانید مشاهده کنید که در ابتدا از یک نوترون کند استفاده شده است اما در نهایت سه نوترون به عنوان محصول واکنش به جای مانده است.

این نوترون های کند توسط کریپتون و باریم جذب نمی شوند. این سه نوترون اگر با اتم‌های دیگر اورانیم ۲۳۵ روبه‌رو شوند، می‌توانند شکافت‌های دیگری را شروع کنند و اینگونه ۹ نوترون تشکیل می شود و به همین صورت نوترون‌های بیشتری تولید می شوند.  این اثر مانند اثر یک دومینو است. از نظر شیمی هسته ای این یک آبشار ادامه‌دار از شکافت هسته ای است که واکنش زنجیری نامیده می‌شود. در شکل زیر واکنش زنجیری اورانیم را مشاهده می کنید.

ph3 s6 Nuclear fission 02 شکافت هسته ای

در واکنش های شکافت هسته‌ای جرم محصولات شکافت، کمتر از جرم هسته‌ی مرکب است. این اختلاف جرم بنا به رابطه E=mc2  اینشتین، موجب آزاد شدن انرژی گرمایی زیادی می شود.

انرژی که توسط محصولات شکافت حمل می‌شود عمدتاً به شکل انرژی جنبشی است. در هر واکنش شکافت حدود ۲۰۰ مگا الکترون ولت انرژی آزاد می شود. در صورتی که در انفجار (TNT) انرژی آزاد شده به ازای هر مولکول در حدود۳۰ الکترون ولت است.

چرا واکش زنجیری به صورت خود به خود در معادن اورانیم رخ نمی دهد؟

 دلیل این است که در سنگ معدن اورانیم دو ایزوتوپ ۲۳۵ و ۲۳۸ وجود دارد به طوری که فراوانی ایزوتوپ ۲۳۵ حدود ۰٫۷۲ درصد است. به عبارت دیگر از هر ۱۴۰ اتم اورانیم موجود در سنگ معدن اورانیم، تنها یکی از آنها ایزوتوپ ۲۳۵ و مابقی ایزوتوپ ۲۳۸ است.  اگرچه فراوان ترین ایزوتوپ اورانیم ۲۳۸ است ولی احتمال اینکه نوترونی را گیر بیاندازد و شکافته شود بسیار کم است و در نتیجه واکنش زنجیری را ناممکن می‌سازد.

ph3 s6 Nuclear fission 03 شکافت هسته ای

برای اینکه بتوانیم فراوانی اورانیم ۲۳۵ را افزایش دهیم، از غنی سازی اورانیم استفاده می کنیم.

غنی سازی اورانیم

برای استفاده از اورانیم به عنوان سوخت در نیروگاه های هسته ای یا استفاده در انفجارهای هسته ای، باید فراوانی ایزوتوپ  235 را در یک نمونه اورانیم، افزایش دهیم. به فرایند افزایش درصد یا غلظت ایزوتوپ ۲۳۵ در یک نمونه، غنی سازی گفته می شود.

بیشتر راکتورهای تجاری تولید برق از اورانیم استفاده می‌کنند که در آن ایزوتوپ ۲۳۵ تا ۳ درصد غنی سازی شده است. همچنین در بیشتر راکتور های پژوهشی (مانند راکتور پژوهشی دانشگاه تهران) از سوختی استفاده می‌شود که ایزوتوپ اورانیم ۲۳۵ تا ۲۰ درصد غنی سازی شده است.

غنی سازی با سانتریفیوژ

سانتریفیوژ دستگاهی است که برای جداسازی مواد از یکدیگر بر اساس وزن استفاده می‌شود. این دستگاه مواد را با سرعت زیاد حول یک محور به گردش درمی‌آورد و مواد متناسب با وزنی که دارند از محور فاصله می‌گیرند. در واقع در این روش برای جداسازی مواد از یکدیگر از شتاب ناشی از نیروی گریز از مرکز استفاده می‌شود.

 کاربرد عمومی این دستگاه برای جداسازی مایع از مایع یا مایع از جامد است. سانتریفیوژهایی که برای غنی سازی اورانیم استفاده می‌شود حالت خاصی دارند که برای گاز تهیه شده‌اند که به آن‌ها Hyper-Centrifuge گفته می‌شود. پیش از آنکه دانشمندان از این روش برای غنی سازی اورانیم استفاده کنند، از تکنولوژی خاصی بنام Gaseous Diffusion  به معنی پخش و توزیع گازی استفاده می‌کردند. اورانیم در ترکیب با فلوئوربه صورت گاز هگزا فلورید اورانیم (UF6) در می آید.

در روش سانتریفیوژ گازی با گردش سریع سیلندر، نیروی گریز از مرکز بسیار قوی تولید می‌کند و طی آن مولکولهای سنگین تر (آنهایی که شامل ایزوتوپ اورانیم ۲۳۸ هستند) از مرکز محور گردش دورتر می‌گردند و برعکس آن‌ها که مولکولهای سبکتری دارند حاوی ایزوتوپ (اورانیم ۲۳۵) بیشتر حول محور سانتریفیوژ قرار می‌گیرند. در غنی سازی اورانیم با روش سانتریفوژ گازی، از تعداد زیادی سیلندر دوار که به صورت موازی و سری کنارهم قرار داده شده‌اند استفاده می‌شود.

ph3 s6 Nuclear fission 04 شکافت هسته ای

 سانتریفیوژ دستگاه استوانه‌ای شکلی است که درست مثل توربین هواپیما پره‌هایی در وسط آن وجود دارد این پره‌ها در هر دقیقه بیش از یک صد هزار گردش دارند در نتیجه این چرخش اورانیم سنگین روی دیواره آخری سانتریفیوژ قرار می‌گیرد و اورانیم سبک در کنار آن می‌نشیند. باید هزاران سانتریفیوژ در کنار هم قرار بگیرند تا ما بتوانیم اورانیم را غنی کنیم.

غنی سازی با لیزر

در این روش، با استفاده از لیزر، اورانیوم‌های ۲۳۵ را باردار و با میدان مغناطیسی از هم جدا می‌کنند.

روش لیزر جهت جداسازی ایزوتوپ‌های اورانیم، ابتدا در دوران جنگ جهانی دوم مورد استفاده قرار گرفت. اگر بخواهیم در بین همه روش‌های غنی‌سازی، این روش را مقایسه کنیم، باید اذعان کنیم که نسبت به دیگر روش‌ها توفیق زیادی به‌دست نیاورده‌ است. قابلیت تنظیم طول موج در لیزرهای رنگی امکان استفاده از این روش را برای جداسازی ایزوتوپ‌های مختلف یک عنصر ایجاد کرده ‌است. جابجایی بینابی ایزوتوپ‌های هر عنصری، از جمله اورانیوم، اساس جداسازی در روش لیزر را تشکیل می‌دهد.

دو نوع متفاوت جداسازی با لیزر وجود دارد، یکی جداسازی اتمی و دیگری جداسازی مولکولی. برای جداسازی در روش اتمی، فرایند یونش فوتونی چند مرحله‌ای بکار گرفته و در حین این مراحل، بخار اورانیم با لیزرهایی با طول موج متفاوت یونیزه می‌شود، سپس اتم‌های مورد نظر به روش الکترومغناطیسی جذب خواهند گردید. علت استفاده چند مرحله‌ای در فرایند جداسازی اتمی محدودیت بازده لیزرهای رنگی قابل تنظیم است. در روش جداسازی مولکولی از فرایندهای فاز گازی استفاده شده و از فازهای مایع و جامد که در آن‌ها اثر ایزوتوپی تحت تأثیر گستردگی خطوط انرژی بیناب قرار می‌گیرد اجتناب گردیده ‌است.

راکتورهای شکافت هسته ای

نوترون های آزاد شده در فرایند شکافت انرژی جنبشی زیادی دارند ( به طور متوسط حدود ۲ مگا الکترون ولت)  و به نوترون های تند معروف هستند. این نوترونها با احتمال بیشتری جذب ایزوتوپ ۲۳۸ می شوند. تجربه نشان می‌دهد اگر بتوان نوترونهای تند را به نحوی کند کرد که انرژی جنبشی آنها به حدود ۰٫۰۴ الکترون ولت یا کمتر از آن برسد، احتمال جذب آنها توسط ایزوتوپ ۲۳۵ افزایش می یابد.

 این افزایش احتمال می‌تواند برای ایجاد واکنش زنجیری شکافت کافی باشد. آب معمولی (H2O) آب سنگین (D2O) و گرافیت از جمله موادی هستند که به عنوان کند ساز نوترون ها در واکنش های شکافت هسته‌ای استفاده می شوند.

راکتور هسته‌ای جایی است که در آن واکنش زنجیری شکافت، به شکل کنترل شده رخ می‌دهد. اولین راکتور هسته ای در سال ۱۹۴۲ میلادی توسط انریکو فرمی و همکارانش در دانشگاه شیکاگو ساخته شد.

راکتورهای هسته‌ای افزون‌ بر سوخت هسته‌ای و ماده کند ساز، دارای میله های کنترل و شاره‌ای معمولاً آب هستند که گرما را به خارج راکتور انتقال می دهند. سوخت هسته ای معمولاً با حدود ۳ درصد ایزوتوپ اورانیم ۲۳۵ به صورت میله هایی با قطر حدود یک سانتیمتر و هزاران عدد از این میله ‌ها در قلب راکتور قرار دارد.

 با وارد کردن میله های کنترل به داخل راکتور آهنگ واکنش شکافت یعنی تعداد نوترون های موجود برای به وجود آوردن شکافت تنظیم می شود. میله های کنترل معمولاً از مواد جذب کننده نوترون مانند کادمیوم یا بور (Boron) ساخته می شوند.

ph3 s6 Nuclear fission 05 شکافت هسته ای

 در نوعی راکتورها که به راکتورهای آب تحت فشار (PWR) معروفن هستند، آبی که سوخت هسته ای را احاطه کرده است تحت فشار زیاد حدود ۱۵۰ اتمسفر قرار دارد تا بدون آنکه بجوشد به دماهای بالا برسد. این آب داغ به سامانه بسته دیگری که محتوی آب با فشار کمتر است پمپ می شود تا این آب را گرم کند. گرمای انتقال یافته به سامانه دوم باعث تولید بخار می‌شود که توربین مولد الکتریسیته را به کار می‌اندازد.

کنترل واکنش زنجیری در راکتور شکافت هسته ای

وقتی نوترون پر انرژی عنصر سوخت را ترک می کند، وارد آب تحت فشار پیرامون می شود. تندی این نوترون توسط کندساز )مثلاً آب معمولی(، در کمتر از یک میلی ثانیه کاهش می یابد و نوترون کُند شده می تواند با ورود مجدد به عنصر سوخت، سبب شکافت دیگری شود.

 برای آنکه توان خروجی راکتور ثابت بماند، باید تنها یکی از نوترون های آزاد شده در هر شکافت، سبب شکافت بعدی شود. وقتی به طور میانگین هر شکافت به شکافت دیگری منجر شود، گفته می شود که راکتور در حالت عادی یا اصطلاحاً در حالت بحرانی است. (توجه کنید که اصطلاح حالت بحرانی در اینجا، به معنی حالت خطرناک نیست(. در این حالت، راکتور با توان خروجی ثابت کار می کند.

 وقتی راکتور زیر بحرانی باشد به طور میانگین، نوترون های آزاد شده از هر شکافت، کمتر از یک شکافت بعدی را انجام می دهند. در راکتور زیر بحرانی، واکنش زنجیری خود نگهدار نیست و سرانجام خاموش می شود.

وقتی به طور میانگین، نوترون های هر شکافت بیشتر از یک شکافت بعدی را انجام دهند، راکتور فرابحرانی است. در حالت فرابحرانی، توان خروجی راکتور افزایش می یابد و اگر کنترل نشود، می تواند به ذوب شدن بخشی یا تمام قلب راکتور منجر شود که با پخش مواد پرتوزای خطرناک به محیط زیست همراه باشد.

ph3 s6 Nuclear fission 06 شکافت هسته ای

واضح است که برای نگه داشتن راکتور در حالت بحرانی، ساز و کاری برای کنترل آن لازم است. این عمل با تعدادی میله های کنترل (مواد جذب کننده نوترون که ترکیبی از عناصری مانند بور (Boron)، ایندیم، کادمیم و نقره هستند) صورت می گیرد که می توانند به داخل یا خارج قبل راکتور حرکت داده شوند.


دانلود نسخه PDF جزوه بالا



هاست

از کبیری

مصطفی کبیری کناری متولد سال ۱۳۶۷ در شهرستان فریدونکنار (استان مازندران) ، دبیر فیزیک دبیرستان های شهرستان کلاردشت با سوابق تحصیلی کارشناسی رشته دبیری فیزیک در دانشگاه مازندران و کارشناسی ارشد فیزیک حالت جامد در دانشگاه تربیت مدرس تهران (نا تمام) هستم . هدف از ایجاد این سایت برای من ، ایجاد یک محیطی آموزشی کارآمد است که در آن دانش آموزان بتوانند فیزیک را به صورت پایه ای و مفهومی بیاموزند .

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *