بحث کاربر:Hirad sabaghian
از ویکیپدیا، دانشنامهٔ آزاد.
[ویرایش] انرژی اتمی هسته ای
E=MC2 انرژی اتمی
کاری از هیراد صباغیان 1/1 منبعی تقریباً جامع درباره انرژی اتمی
فهرست محتویات: شکافت هستهای • مقدمه • انرژی شکافت هستهای • انرژی همبستگی هستهای • مواد شکافتنی • شکافت 235U انرژی هستهای • دید کلی • آیا میدانید که... • نحوه آزاد شدن انرژی هستهای • کاربرد حرارتی انرژی هستهای • سوخت راکتورهای هستهای • مزیتهای انرژی هستهای بر سایر انرژیها
اورانیوم • اطلاعات اولیه • خصوصیتهای قابل توجه • گونههای اورانیوم در صنعت • کاربردها • تاریخچه • ترکیبات • پیدایش • تولید و توزیع • ایزوتوپها • هشدارها بمب اتمی • نگاه اجمالی • تاریخچه • بمب اتمی چیست؟ • عناصر اصلی سازنده
انرژی همبستگی اتمی • دید کلی • منشأ انرژی همبستگی هسته بمب هسته ای • دید کلی • تحولاتی که به کشف بمب هستهای منجر شد • تاریخچه اولین انفجارهای هستهای • ساختمان بمب هستهای • بهینه سازی خروجی بمب و افزایش قدرت آن راکتور های هسته ای • دید کلی • تاریخچه • ساختمان راکتور • سوخت هستهای غلاف سوخت راکتور • مواد کند کننده نوترون • خنک کنندهها • مواد کنترل کننده شکافت • انواع راکتورها • کاربردهای راکتورهای هستهای همجوشی هسته ای • مقدمه • خورشید و ستارگان • محصور سازی • رسیدن به دمای بالا • انواع واکنشها • اما چرا لیتیم؟ نیروگاه اتمی • دید کلی • ساختار نیروگاه اتمی • ماده سوخت • نرم کنندهها • میلههای مهارکننده • مواد خنک کننده یا انتقال دهنده انرژی حرارتی • طرز کار نیروگاه اتمی نمونه عملی پلوتونیم • ایزوتوپها • کاربردها • خطرات • خصوصیات مواد معدنی اورانیوم و توریم • اطلاعات اولیه • معدن نواحی بوهم • معادن بسیار غنی کنگو • معادن توریم • تبدیل توریم به اورانیوم غنی سازی اورانیم • مقدمه • غنی سازی با دستگاه سانتریفیوژ • غنی سازی با دیفوزیون گازی Gaseous Diffusion • غنی سازی اورانیم از طریق میدان مغناطیسی • کاربردهای اورانیوم غنی شده • نحوه تولید سوخت پلوتونیوم رادیو اکتیو فهرست منابع: اینترنت • دانشنامه رشد • ویکی پدیا دانسنامه عمومی • دانلود سافت.تی کی • صفحات مجازی گوگل • گروه های آزاد پرشین گیگ • پی سی دانلود تالار گفتمان عمومی
کتاب • دانشنامه رشد • دائره المعرف دو جلدی آکسفورد • دائره المعارف جامع 1500 پرسش و پاسخ نرم افزار • دانشنامه24 جلدی فرهنگ نوین • ترجمه دائره المعرف جامع مایکروسافت انکارتا • ترجمه دائره المعارف جامع بریتانیا
شکافت هستهای
اگر نوترون منفردی به یک قطعه ایزوتوپ 235U نفوذ کند، در اثربرخورد به هسته اتم 235U ، اورانیوم به دو قسمت شکسته میشود که اصطلاحا شکافت هستهای نامیده میشود.
مقدمه در واکنشهای شکافت هستهای مقادیر زیادی نیز انرژی آزاد میگردد (در حدود200Mev)، اما مسئله مهمتر اینکه نتیجه شکستن هسته 235U ، آزادی دو نوترون است که میتواند دو هسته دیگر را شکسته و چهار نوترون را بوجود آورد. این چهار نوترون نیز چهار هسته 235U را میشکند. چهار هسته شکسته شده تولید هشت نوترون میکنند که قادر به شکستن همین تعداد هسته اورانیوم میباشند. سپس شکست هستهای و آزاد شدن نوترونها بصورت زنجیروار به سرعت تکثیر و توسعه مییابد. در هر دوره تعداد نوترونها دو برابر میشود، در یک لحظه واکنش زنجیری خود بخودی شکست هستهای شروع میگردد. در واکنشهای کنترل شده هستهای تعداد شکست در واحد زمان و نیز مقدار انرژی بتدریج افزایش یافته و پس از رسیدن به مقداری دلخواه ثابت نگهداشته میشود.
انرژی شکافت هستهای کشف انرژی هستهای در جریان جنگ جهانی دوم صورت گرفت و اکنون برای شبکه برق بسیاری از کشورها هزاران کیلو وات تهیه می کند (نیروگاه هسته ای). بحران انرژی بر اثر بالارفتن قیمت نفت در سال 1973 استفاده از انرژی شکافت هستهای بیشتر وارد صحنه کرد. در حال حاضر ممالک اروپایی انرژی هستهای را تنها انرژی میداند. که میتواند در اکثر موارد جایگزین نفت شود. استفاده از انرژی شکافت هستهای که بر روی یک ماده قابل احتراق کانی که بصورت محدود پایه گذاری میشود. برای سایر کشورها خطرات بسیار دارد در حال حاضر تولید الکتریسته با استفاده از شکافت هستهای کنترل شده به میزان زیادی توسعه یافته و مورد قبول واقع شده است. تولید انرژی هستهای در کشورهای توسعه یافته بخش مهمی از طرح انرژی ملی را تشکیل میدهد. انرژی همبستگی هستهای میتوان تصور کرد که جرم هسته ، M ، با جمع کردن Zتعداد پروتونها ضربدر جرم پروتون و N تعداد نوترونها ضربدر جرم نوترون بدست میآید.
M = Z×Mp + N×Mn
از طرف دیگر M همیشه کمتر از مجموع جرمهای تشکیل دهندههای منزوی هسته است. این اختلاف به توسط فرمول انیشتین توضیح داده میشود که رابطه بین جرم و انرژی هم ارزی جرم و انرژی را برقرار میسازد. اگر یک دستگاه مادی دارای جرم باشد در این صورت دارای انرژی کلی E است. E = M C2 که در آن C سرعت نور در خلا و M جرم کل هسته مرکب از نوکلئونها و E مقدار انرژیی است که در اثر فروپاشی جرم M تولید میشود. بنابر این اصول انرژی هستهای بر آزاد سازی انرژی پیوندی هسته استوار است. هر سیستمی که دارای انرژی پیوندی بیشتر باشد پایدار میباشد. در واقع جرم مفقود شده در واکنشهای هستهای طبق فرمول E = M C2 به انرژی تبدیل میشود. پس انرژی بستگی اختلاف جرم هسته و جرم نوکلئونهای تشکیل دهنده آن است، که معرف کاری است که باید انجام شود تا نوکلئونها از هم جدا شوند.
مواد شکافتنی مواد ناپایدار برای اینکه به پایداری برسند، انرژی گسیل میکنند تا به حالت پایدار برسد. معمولا عناصری شکافت پذیر هستند که جرم اتمی آنها بالای 150 باشد ،235U و 238U در معادن یافت میشود. 99.3 درصد اورانیوم معادن 238U میباشد.و تنها 7% آن 235U میباشد. از طرفی 235U با نوترونهای کند پیشرو واکنش نشان میدهد. 238Uتنها با نوترونهای تند کار میکند، البته خوب جواب نمیدهد. بنابر این در صنعت در نیروگاههای هستهای 235U به عنوان سوخت محسوب میشود. ولی به دلایل اینکه در طبیعت کم یافت میشود. بایستی غنی سازی اورانیوم شود، یعنی اینکه از 7 درصد به 1 الی 3 درصد برسانند. شکافت 235U در این واکنش هستهای وقتی نوترون کند بر روی 235U برخورد می کند به 236U تحریک شده تبدیل میشود. نهایتا تبدیل به باریوم و کریپتون و 3 تا نوترون تند و 177 Mev انرژی آزاد میشود. پس در واکنش اخیر به ازای هر نوکلئون حدود 1 Mev انرژی آزاد میشود. در واکنشهای شیمیایی مثل انفجار به ازای هر مولکول حدود 30 Mev انرژی ایجاد میشود. لازم به ذکر است در راکتورهای هستهای که با نوترون کار میکند، طبق واکنشهای به عمل آمده 2 الی3 نوترون سریع تولید میشود. حتما این نوترونهای سریع باید کند شوند.
انرژی هستهای
دید کلی وقتی که صحبت از مفهوم انرژی به میان میآید، نمونههای آشنای انرژی مثل انرژی گرمایی ، نور و یا انرژی مکانیکی و الکتریکی در شهودمان مرور میشود. اگر ما انرژی هستهای و امکاناتی که این انرژی در اختیارش قرار میدهد، آشنا شویم، شیفته آن خواهیم شد.
آیا میدانید که... • انرژی گرمایی تولید شده از واکنشهای هستهای در مقایسه با گرمای حاصل از سوختن زغال سنگ در چه مرتبه بزرگی قرار دارد؟ • منابع تولید انرژی هستهای که بر اثر سیلابها و رودخانه از صخره شسته شده و به بستر دریا میرود، چقدر برق میتواند تولید کند؟ • کشورهایی که بیشترین استفاده را از انرژی هستهای را میبرند، کدامند؟ و ... . نحوه آزاد شدن انرژی هستهای میدانیم که هسته از پروتون با بار مثبت) و نوترون بدون بار الکتریکیتشکیل شده است. بنابراین بار الکتریکی آن مثبت است. اگر بتوانیم هسته را به طریقی به دو تکه تقسیم کنیم، تکهها در اثر نیروی دافعه الکتریکی خیلی سریع از هم فاصله گرفته و انرژی جنبشی فوق العادهای پیدا میکنند. در کنار این تکهها ذرات دیگری مثل نوترون و اشعههای گاما و بتا نیز تولید میشود. انرژی جنبشی تکهها و انرژی ذرات و پرتوهای بوجود آمده ، در اثر برهمکنش ذرات با مواد اطراف ، سرانجام به انرژی گرمایی تبدیل میشود. مثلا در واکنش هستهای که در طی آن 235U به دو تکه تبدیل میشود، انرژی کلی معادل با 200MeV را آزاد میکند. این مقدار انرژی میتواند حدود 20 میلیارد کیلوگالری گرما را در ازای هر کیلوگرم سوخت تولید کند. این مقدار گرما 2800000 بار برگتر از حدود 7000 کیلوگالری گرمایی است که از سوختن هر کیلوگرم زغال سنگ حاصل میشود.
کاربرد حرارتی انرژی هستهای گرمای حاصل از واکنش هستهای در محیط راکتور هستهای تولید و پرداخته میشود. بعبارتی در طی مراحلی در راکتور این گرما پس از مهارشدن انرژی آزاد شده واکنش هستهای تولید و پس از خنک سازی کافی با آهنگ مناسبی به خارج منتقل میشود. گرمای حاصله آبی را که در مرحله خنک سازی بعنوان خنک کننده بکار میرود را به بخار آب تبدیل میکند. بخار آب تولید شده ، همانند آنچه در تولید برق از زعال سنگ ، نفت یا گاز متداول است، بسوی توربین فرستاده میشود تا با راه اندازی مولد ، توان الکتریکی مورد نیاز را تولید کند. در واقع ، راکتور همراه با مولد بخار ، جانشین دیگ بخار در نیروگاههای معمولی شده است. سوخت راکتورهای هستهای مادهای که به عنوان سوخت در راکتورهای هستهای مورد استفاده قرار میگیرد باید شکاف پذیر باشد یا به طریقی شکاف پذیر شود.235U شکاف پذیر است ولی اکثر هستههای اورانیوم در سوخت از انواع 238U است. این اورانیوم بر اثر واکنشهایی که به ترتیب با تولید پرتوهای گاما و بتا به 239Pu تبدیل میشود. پلوتونیوم هم مثل 235U شکافت پذیر است. به علت پلوتونیوم اضافی که در سطح جهان وجود دارد نخستین مخلوطهای مورد استفاده آنهایی هستند که مصرف در آنها منحصر به پلوتونیوم است.
میزان اورانیومی که از صخرهها شسته میشود و از طریق رودخانهها به دریا حمل میشود، به اندازهای است که میتواند 25 برابر کل مصرف برق کنونی جهان را تأمین کند. با استفاده از این نوع موضوع ، راکتورهای زایندهای که بر اساس استخراج اورانیوم از آب دریاها راه اندازی شوند قادر خواهند بود تمام انرژی مورد نیاز بشر را برای همیشه تأمین کنند، بی آنکه قیمت برق به علت هزینه سوخت خام آن حتی به اندازه یک درصد هم افزایش یابد.
مزیتهای انرژی هستهای بر سایر انرژیها
بر خلاف آنچه که رسانههای گروهی در مورد خطرات مربوط به حوادث راکتورها و دفن پسماندهای پرتوزا مطرح میکند از نظر آماری مرگ ناشی ازخطرات تکنولوژی هستهای از 1 درصد مرگهای ناشی از سوختن زغال سنگ جهت تولید برق کمتر است. در سرتاسر جهان تعداد نیروگاههای هستهای فعال بیش از 419 میباشد که قادر به تولید بیش از 322 هزار مگاوات توان الکتریکی هستند. بالای 70 درصد این نیروگاهها در کشور فرانسه و بالای 20 درصد آنها در کشور آمریکا قرار دارد.
اورانیوم
________________________________________ Protactinium - Uranium - Neptunium
Nd U
جدول کامل
عمومی نام, علامت اختصاری, شماره Uranium, U, 92 گروه های شیمیایی اکتینیدها دوره, بلوک 7 , f جرم حجمی, سختی 19050 kg/m3, ND رنگ سفید نقره ای فلزی خواص اتمی وزن اتمی 238.0289 amu شعاع اتمیcalc. 175 ND»pm) شعاع کووالانسی ND pm شعاع وندروالس 186 pm ساختار الکترونی Rn]7s25f26d1] -e بازای هر سطح انرژی 2,8,18,32,21,9,2 درجه اکسیداسیون (اکسید) 5 (باز ضعیف) ساختار کریستالی اورتورومبیک خواص فیزیکی حالت ماده جامد (مغناطیسی) نقطه ذوب 1405 °F نقطه جوش 2070( K(7473 °F حجم مولی 12.49 ש»10-6 ««متر مکعب بر مول گرمای تبخیر 477 kJ/mol گرمای همجوشی 15.48 kJ/mol فشار بخار ND Pa at 2200 K
سرعت صوت 3155 m/s at 293.15 K متفرقه الکترونگاتیویته 1.38 «درجه پائولینگ) ظرفیت گرمایی ویژه 120 J/kg•K رسانایی الکتریکی 3.8 106/m اهم رسانایی گرمایی 27.6 W/m•K) 1st پتانسیل یونیزاسیون 597.6 kJ/mol 2nd پتانسیل یونیزاسیون 1420 kJ/mol پایدارترین ایزوتوپها iso NA نیمه عمر DM DE MeV DP 232U {syn.} 68.9 y α & SF 5.414 228Th 233U {syn.} 159,200 y SF & α 4.909 229Th 234U 0.006% 245,500 y SF & α 4.859 230Th 235U 0.72% 7.038 E8 y SF & α 4.679 231Th
اطلاعات اولیه اورانیوم یکی از عناصر شیمیایی جدول تناوبی است که نماد آن ، U و عدد اتمی آن 92 میباشد. اورانیوم که یک عنصر سنگین ، سمی ، فلزی ، رادیواکتیو و براق به رنگ سفید مایل به نقرهای میباشد، به گروه آکتیندها تعلق داشته و ایزوتوپ 235 آن برای سوخت راکتورهای هستهای و سلاحهای هستهای استفاده میشود.
معمولا اورانیوم در مقادیر بسیار ناچیز در صخرهها ، خاک ، آب ، گیاهان و جانوران از جمله انسان یافت میشود. خصوصیتهای قابل توجه اورانیوم هنگام عمل پالایش به رنگ سفید مایل به نقرهای فلزی با خاصیت رادیواکتیوی ضعیف میباشد که کمی از فولاد نرمتر است. این فلز چکشخار ، رسانای جریان الکتریسیته و کمی Paramagnetic میباشد. چگالی اورانیوم 65% بیشتر از چگالیسرب میباشد. اگر اورانیوم بهخوبی جدا شود، بشدت از آب سرد متاثر شده و در برابر هوا اکسید میشود. اورانیوم استخراج شده از معادن ، میتواند بهصورت شیمیایی به دیاکسید اورانیوم و دیگر گونههای قابل استفاده در صنعت تبدیل شود. گونههای اورانیوم در صنعت اورانیوم در صنعت سه گونه دارد:
• آلفا (Orthohombic) که تا دمای 667.7 درجه پایدار است. • بتا (Tetragonal) که از دمای 667.7 تا 774.8 درجه پایدار است. • گاما (Body-centered cubic) که از دمای 774.8 درجه تا نقطه ذوب پایدار است. این رساناترین و چکشخوارترین گونه اورانیوم میباشد. دو ایزوتوپ مهم ان U235 و U238> میباشند که U235 مهمترین برای راکتورهای و سلاحهای هستهای است. چرا که این ایزوتوپ تنها ایزوتوپی است که طبیعت وجود دارد و در هر مقدار ممکن توسط نوترونهای حرارتی شکافته میشود. ایزوتوپ U238 نیز از این جهت مهم است که نوترونها را برای تولید ایزوتوپ رادیواکتیو جذب کرده و آن را به ایزوتوپ Pu239 پلوتونیوم تجزیه میکند. ایزوتوپ مصنوعی U233 نیز شکافته شده و توسط بمباران نوترونی Thorium232 بوجود میآید.
اورانیوم اولین عنصر یافته شده بود که میتوانست شکافته شود. برای نمونه با بمباران آرام نوترونی ایزوتوپ U235 آن به ایزوتوپ کوتاه عمر U236 تبدیل شده و بلافاصله به دو هسته کوچکتر تقسیم میشود که این عمل انرژی آزاد کرده و نوترونهای بیشتری تولید میکند.
اگر این نوترونها توسط هسته U235 دیگری جذب شوند، عملکرد حلقه هستهای دوباره اتفاق میافتد و اگر چیزی برای جذب نوترونها وجود نداشته باشد، به حالت انفجاری در میآیند. اولین بمب اتمی با این اصل جواب داد (شکاف هستهای). نام دقیقتر برای این بمبها و بمبهای هیدروژنی(آمیزش هستهای) ، سلاحهای هستهای میباشد. کاربردها فلز اورانیوم بسیار سنگین و پرچگالی میباشد.
• اورانیوم خالی توسط بعضی از ارتشها برای ساخت محافظ برای تانکها و ساخت قسمتهایی از موشکها و ادوات جنگی استفاده میشود. ارتشها همچنین از اورانیوم غنیشده برای سوخت ناوگان خود و زیردریاییها و همچنین سلاحهای هستهای استفاده میکنند. سوخت استفاده شده در راکتورهای ناوگان ایالات متحده معمولا اورانیوم U235 غنی شده میباشد. اورانیوم موجود در سلاحهای هستهای بشدت غنی میشوند که این مقدار بصورت تقریبی 90% میباشد. • مهمترین کاربرد اورانیوم در بخش غیر نظامی تامین سوخت دستگاههای تولید نیروی هستهای است که در آنها سوخت U235 به میزان 2الی3% غنی میشود. اورانیوم تخلیه شده در هلیکوپترها و هواپیماها بهعنوان وزن متقابل بر هر بار استفاده میشود. • لعاب ظروف سفالی از مقدار کمی اورانیوم طبیعی تشکیل شده است ( که داخل فرایند غنی سازی نمیشود ) که این عنصر برای اضافه کردن رنگ با آن اضافه میشود. • نیمه عمر طولانی ایزوتوپ اورانیوم 238 آن را برای تخمین سن سنگهای آتشفشانی مناسب میسازد. • U235 در راکتورهای هستهای Breeder به پلوتونیوم تبدیل میشود و پلوتونیوم نیز در ساخت بمبهای هیدروژنی مورد استفاده قرار میگیرد. • استات اورانیوم در شیمی تحلیلی کاربرد دارد. • برخی از لوازم نوردهنده از اورانیوم و برخی در مواد شیمیایی عکاسی مانند نیترات اورانیوم استفاده میکنند. • معمولا کودهای فسفاتی حاوی مقدار زیادی اورانیوم طبیعی میباشند، چرا که مواد کانی که آنها از آنجا گرفته شدهاند، حاوی مقدار زیادی اورانیوم میباشند. • فلز اورانیوم برای اهداف اشعه ایکس در ساخت این اشعه با انرژی بالا استفاده میشود. • این عنصر در وسایل Interial Guidance و Gyro Compass استفاده میشود.
تاریخچه
بارگذاری میلههای سوخت اتمی در راکتور
استفاده از اورانیوم به شکل اکسید طبیعی آن به سال 79 میلادی بر میگردد، یعنی زمانی که این عنصر برای اضافه کردن رنگ زرد به سفال لعابدار استفاده شد (شیشه زرد با یک در صد اورانیوم در نزدیکی ناپل ایتالیا کشف شده است. ) کشف این عنصر به شیمیدان آلمانی به نام "مارتین هنریچ کلاپرس" اختصاص داده شد که در سال 1789 اورانیوم را به صورت قسمتی از کانی که آن را pitchblende نامید، کشف شد. نام این عنصر را بر اساس سیاره اورانوس که هشت سال قبل از آن کشف شده بود برگزیده شد. این عنصر در سال 1841 به صورت فلز جداگانه توسط "eugne melchior peligot" استفاده شد.
در سال 1896 "هانری بکرل" فیزیکدان فرانسوی برای اولین بار به خاصیت رادیواکتیویته آن پی برد. در پروژه Manhattan نامهای Tuballoy و Oralloy برای اورانیوم طبیعی و اورانیوم غنی شده بکار برده شد. این اسامی هنوز نیز برای اورانیوم غنی شده و اورانیوم طبیعی بکار برده می شوند.
در آغاز قرن بیستم تفحص و جستجو برای یافتن معادن رادیو اکتیو در ایالات متحده آغاز شد. منابع رادیوم که حاوی کانیهای اورانیوم نیز میبودند، برای استفاده آنها در رنگ ساعتهای شبنما و دیگر ابزار جستجو شدند. در طی جنگ جهانی دوم اورانیوم از نظر اهداف دفاعی اهمیت پیدا کرد. در سال 1943 Union Mines Development Corporation کنگره ای را در کلرادو به منظور استفاده ارتش از قدرت اتمی در پروژه Manhattan تشکیل داد.
برای اطمینان از ذخایر کافی اورانیوم این کنگره US Atomic Enecry Act of 1946 را ایجاد و کمیسیون انرژی اتمی را بوجود آورد. در دهه 1960 ملزومات ارتش تزلزل یافت و در اواخر سال 1970 دولت برنامه تهیه اورانیوم خود را کامل کرد. همزمان با همین مساله بازار دیگری بوجود آمد که درواقع همان کارخانههای نیروگاههای هستهای اقتصادی بود. ترکیبات تترا فلوروئید اورانیوم UF4که به نمک سبز معروف است یک محصول میانی هگزافلورید اورانیوم میباشد. هگزا فلورید اورانیوم UF6 جامد است که در دمای بالای 56 درجه سانتیگراد بخار میشود. UF6 ترکیب اورانیوم است که برای دو فرایند غنی سازی Gaseous Diffusion و Centrifuge استفاده میشود و در صنعت با نام ساده Hex خوانده میشود.
Yellowcake اورانیوم غلیظ شده است. نام این عنصر بدلیل رنگ و شکل آن در هنگام تولید میباشد اگرچه تولید امروزه Yellowcake بیشتر به رنگ سبز مایل به سیاه میگراید تا زرد. Yellowcake تقریبا 70 تا 90 درصد اکسید اورانیوم دارد. U3O8
Diuranate آمونیوم محصول جنبی تولید Yellowcake میباشد که رنگ آن زرد درخشان میباشد که گاهی اوقات باعث اشتباه شده و Yellowcake نامیده میشود اما این نام درست این محصول نمیباشد. پیدایش
اورانیوم عنصر طبیعی است که تقریبا در تمام سنگها آب و خاک به میزان کم یافت میشود و بنظر میرسد که مقدار آن از Antimony ، برلیوم ، کادیوم ، جیوه ، طلا ، نقره و تنگستن بیشتر باشد و این فراوانی در حد آرسنیک و مولیبدنیوم است. این عنصر در بیشتر کانیهای اورانیومی از قبیل Pitchblende، Uraninite ،Autunite ، Uranophane tobernite و Coffinite یافت میشود. br>مقدار بیشتری از اورانیوم در موادی از قبیل صخرههای فسفاتی و کانیهایی مانند Lignite و Monazite یافت میشود که بیشتر برای مصارف اقتصادی از همین منابع استخراج میشود. از آنجا که اورانیوم نیمه عمر رادیواکتیوی طولانی 4.47x109 سال برای U-238 دارد مقدار آن همیشه در زمین ثابت میماند.
بنظر میرسد که فرو پاشی اورانیوم و واکنشهای هستهای آن با توریوم همان منبع گرمایی عظیمی است که در هسته زمین ، باعث ذوب شدن قسمت خارجی هسته زمین گردیده و باعث ایجاد حرکت پوستهای زمین میشود.
معدن اورانیوم صخره ای است که محل تمرکز اورانیومی میباشد که مقدار اقتصادی آن ، یک تا چهار پوند اکسید اورانیوم در هر تن است که تقریبا 0.05 تا 0.20 درصد اکسید اورانیوم دارد. تولید و توزیع اورانیوم اقتصادی از طریق کاهش هالیدهای اورانیوم با خاک فلزات قلیایی تولید میشود. همچنین فلز اورانیوم میتواند از طریق عمل الکترولیز 5KUF یا Uf4 که در (CaCl2 و NaCl حل شده است، بدست آید. اورانیوم خالص نیز از طریق تجزیه حرارتی هالیدهای اورانیوم حاصل میشود.
در سال 2001 ، مالکان راکتورهای هستهای غیر نظامی آمریکا از این کشور و منابع خارجی 21300 تن اورانیوم خریداری کردند. قیمت پرداخت شده برای هر کیلوگرم اورانیوم حدودا 26.39 دلار بود که در مقایسه با سال 1998 16% کاهش داشت. در سال 2001 ایالات متحده 1018 تن اورانیوم از 7 عملیات معدنی در غرب رود میسیسیپی تولید کرد. اورانیوم بیشتر توسط فرانسوی ها در کشورهای جهان توزیع شده است.
معمولا کشورهای بزرگتر اورانیوم بیشتری در مقایسه با کشورهای کوچکتر تولید میکنند، چرا که گسترش و توزیع اورانیوم در جهان یک شکل و یکنواخت است. کشور استرالیا ذخایر بسیار زیادی از این عنصر دارد که تقریبا 30% ذخایر دنیا را شامل میشود. ایزوتوپها اورانیوم طبیعی از 3 ایزوتوپ U-238, U-235, U-234 تشکیل شده است که U-238 فراوانترین آنها (99.3%) می باشد. این سه ایزوتوپ رادیو اکتیو بوده که نیمه عمر آنها عبارت است از U-235 4.5x109 سال که پایدارترین آنها می باشد. U-235 7x108 سال و U234 2.5x105 سال.
ایزوتوپهای اورانیوم میتوانند از هم جدا شوند تا تمرکز یک ایزوتوپ بر دیگری را افزایش دهند. این فرایند ، غنی سازی نام دارد. وزن U-235 برای غنی شدن باید 0.711 درصد افزایش یابد. اورانیوم م235 برای استفاده در سلاحهای هستهای و نیروگاه های اتمی مناسبتر است. این فرایند مقادیر بسیاری اورانیوم بوجود میآورد که در U-235 تخلیه می شوند و خالصترین اورانیوم یعنی U238 اورانیوم خالی یا DU نام دارد. اگر ایزوتوپ 235 بخواهد تخلیه شود باید وزنش 0.711 درصد کم شود. هشدارها تمام ترکیبات اورانیوم سمی و رادیو اکتیو هستند. سمی بودن این عنصر میتواند کشنده باشد. در مقادیر بسیار کم خاصیت سمی بودن این عنصر به کلیه آسیب میرساند. خواص رادیواکتیوی این عنصر نیز سیستماتیک و نظام بند است. در کل ترکیبات اورانیوم بهسختی جذب روده و ریه میشوند و خطرات رادیولوژیکی آن باقی میماند. فلز خالص اورانیوم نیز خطر آتشسوزی به همراه دارد.
فرد ممکن است با تنفس غبار اورانیوم در هوا یا خوردن و آشامیدن آب و غذا در معرض این عنصر قرار بگیرد. البته بیشتر این عمل از طریق خوردن آب و غذا صورت میگیرد. جذب روزانه اورانیوم در غذا 0.07 تا 1.1 میکروگرم میباشد. مقدار اورانیوم در هوا معمولا بسیار ناچیز است. افرادی که در کنار تاسیسات هستهای دولت و یا معادن استخراج اورانیوم زندگی میکنند، بیشتر در معرض این عنصر قرار میگیرند.
آورانیوم ممکن است که درطریق تنفس یا بلع و یا در موارد استثنایی از طریق شکافی روی پوست وارد بدن شود. اورانیوم توسط پوست جذب نمیشود و ذرات آلفای ساتع شده از این عنصر نمیتواند به پوست نفوذ کند. بنابراین اورانیومی که خارج از بدن باشد، نمیتواند به اندازه اورانیوم داخل بدن مضر و خطرناک باشد. اگر اورانیوم به بدن وارد شود، ممکن است موجب سرطان شده یا به کلیهها آسیب برساند. بمب اتمی نگاه اجمالی آنچه خداوند در طبیعت به ودیعه نهاده است، اگر بصورت صحیح و در جهت درست مورد استفاده قرار گیرد، وسایل رفاه و آسایش بیشتر را تأمین خواهد کرد. اما اگر این امکانات خدادادی در جهت نادرست و نامشروع مورد بهره برداری قرار گیرند، نه تنها وسیلهای برای آرامش و آسایش او نخواهد بود، بلکه بلای جان او شده و وسیلهای برای تهدید هستی او تبدیل خواهد شد. یکی از این منابع طبیعی سنگ معدن اورانیوم است که اگر بصورت درست مورد استفاده قرار گیرد، بسیار مفید بوده و به تعداد فوقالعادهای میتواند انرژی برق مورد استفاده بشر را تأمین کند، اما متأسفانه استفادههای نادرست سبب شده است که این عنصر خدادادی ماده اولیه سلاحهای مرگبار باشد که بمب اتمی یکی از این نمونهها میباشد. تاریخچه استفاده از انرژی هستهای به مقیاس زیاد بین سالهای 1939 تا 1945 میلادی در ایالات متحده آمریکا انجام شد. این امر زیر فشار جنگ جهانی دوم ، بصورت نتیجه تلاشهای مشترک تعداد زیادی از دانشمندان و مهندسان صورت گرفت. دست اندرکارانی که در ایالات متحده به این کار اشتغال داشتند، آمریکایی ، بریتانیایی و پناهندگان اروپایی کشورهایی بودند که زیر سلطه فاشیسم قرار داشتند. تلاش آنان این بود که قبل از آلمانیها به یک سلاح هستهای دست پیدا کنند ، این سلاح هستهای همان بمب اتمی بود.
بمب اتمی چیست؟ بمب اتمی در اصل یک راکتور هستهای کنترل نشده است که در آن یک واکنش هستهای بسیار وسیع در مدت یک میلیونیم ثانیه در سراسر ماده صورت میگیرد. بنابراین ، این واکنش با راکتور هستهای کنترل شده تفاوت دارد. در راکتور هستهای کنترل شده ، شرایط به گونهای سامان یافته است که انرژی حاصل از شکافت بسیار کندتر و اساسا با سرعت ثابت رها میشود. در این راکتور ، ماده شکافت پذیر به گونهای با مواد دیگر آمیخته میشود که بطور متوسط ، فقط یک نوترون گسیل یافته از عمل شکافت موجب شکافت هسته دیگر میشود، و واکنش زنجیری به این طریق فقط تداوم خود را حفظ میکند. اما در یک بمب اتمی ، ماده شکافتپذیر خالص است، یعنی یک متعادل کننده آمیخته نیست و طراحی آن به گونهای است که تقریبا تمام نوترونهای گسیل یافته از هر شکافت میتواند در هستههای دیگر شکافت ایجاد کند. عناصر اصلی سازنده بمب اتمی در طول جنگ جهانی دوم از راکتورهای هستهای برای تولید مواد خام نوعی بمب هستهای ، یعنی برای ساختن 239Pu از 235U استفاده میشد. هر دو این عناصر میتوانند یک واکنش زنجیری کنترل نشده سریع ایجاد کنند. بمبهای هستهای یا اتمی از هر دو این مواد ساخته میشوند. تنها یک بمب اتمی که از 235U ساخته شده بود، شهر هیروشیما در ژاپن را در 6 آگوست سال 1945 میلادی ویران کرد. بمب دیگری که از 239U در ساختن آن بکار برده شده بود، سه روز بعد شهر ناکازاکی کشور ژاپن را با خاک یکسان ساخت.
انرژی همبستگی هسته دید کلی مفاهیم ساختار اتمی و هستهای این است که اتم مرکب از هسته و الکترونهایی است که آن را احاطه کردهاند و اینکه هسته از پروتون و نوترون ساخته شده است به این پرسش اساسی میانجامد که: آیا جرم یک اتم خنثی با مجموع جرمهای پروتونها ، نوترونها و الکترونهایی که آن اتم خنثی را تشکیل میدهند. برابر است یا نه؟ این پرسش را به دقت میتوان پاسخ داد. زیرا جرم پروتون ، نوترون و الکترون و همچنین جرمهای تقریبا تمام اتمهای گوناگون معلوم هستند.
منشأ انرژی همبستگی هسته در فیزیک یک اصل کلی است که میگوید: برای متلاشی کردن یک سیستم یا مجموعه پایدار باید کار انجام داد. مثلا اگر سیستمی از نوترونها و پروتونها ، که هسته اتم را ایجاد میکنند، پایدار باشد. برای از هم سوا کردن آنها باید انرژی مصرف نمود. جرم کلی یک هسته پایدار باید کمتر از مجموع جرمهای جداگانه نوترونها و پروتونهای تشکیل دهنده آن باشد. از طریق محاسبه و تجربه معین شده است که اختلافی بین مجموع جرم نوکلئونهای هسته و جرم هسته پایدار وجود دارد. این اختلاف جرم معادل انرژی هست که جهت متلاشی کردن کامل هسته لازم است. این انرژی موسوم به انرژی همبستگی اتم میباشد.
بمب هستهای دید کلی همه ما میدانیم چه انرژی عظیم و قابل ملاحظهای در داخل اتمها وجود دارد. این انرژی همان است که عموما آن را انرژی اتمی مینامند. اما چون این انرژی در داخل هسته اتمها وجود دارد در زبان علمی نام دقیقتر آنرا انرژی هستهای انتخاب کردهاند.
تحولاتی که به کشف بمب هستهای منجر شد هنگامی که دانشمند ایتالیایی به نام انریکو فرمی ، تجربیات و تحقیقات خود را در زمینه عملی ساختن فعل و انفعالات زنجیری مداوم دنبال میکرد. پیش بینی میشد که این فعل و انفعال ممکن است انفجاری باشد. به همین سبب ایالات متحده آمریکا که در جنگ جهانی دوم شرکت کرده بود، در صدد برآمد تحت عنوان مبارزه ضد فاشیستی ، نظر دانشمندان اروپایی را برای ساختن سلاح اتمی جلب کند. لذا آن را به ممالک متحده فرا خواند، تا در آنجا که دور از بمبهای دشمن قرار داشت و شرایط کار بهتر بود. امکان استفاده از این انرژی انفجاری را که در سلاحهای جنگی ، مخصوصا بمب مورد بررسی قرار دهند.
پس از گرد آمدن برجسته ترین دانشمندان ، ابتدا تجسساتی در زمینه تصفیه 235U و بعد ساختن پلوتونیوم در آزمایشگاههای چند دانشگاه مهم آمریکا از جمله دانشگاههای کلمبیا و کالیفرنیا صورت گرفت. نتیجه این تجسسات ، ساختن دو کارخانه بزرگ و مجهز برای تصفیه 235U و ساختن پلوتونیوم منجر گردید. سپس آزمایشگاه عظیم و مجهز ، لوس آلاموس در ایالت نیومکزیکو تحت نظر دانشمندان معروف . جی . آر . اوپن هایمر تأسیس شد.
دانشمندان معروف دیگری از کشورهای مختلف از قبیل جیمز چارویک ، اچ بث ، آر. آرویلسون ، نیلس بوهر و غیره ، برای ساختن بمب اتمی ، یعنی سلاحی که ممکن است سبب نابودی بشر و تمدن او گردد، همکاری کردند. در نتیجه تحقیقات دانشمندان ، اساس ساختمان بمب اتمی پی ریزی شد. البته بسیاری از وسایلی که برای بمب اتمی بکار رفت، به کلی افشا نشده ، با این حال با اطلاعات وسیعی که ضمن اظهارات رئیس طرح مانهاتان بدست آمد، طرز عمل تا اندازهای روشن گردید.
تاریخچه اولین انفجارهای هستهای • اولین بار در شانزدهم ژوید سال 1945 ، بمب اتمی کوچک ، به عنوان آزمایش ، در صحرای الاموگوردو واقع در ایالت نیومکزیکو منفجر گردید. بمب را در انتهای بمبی از فولاد نصب کرده بودند و فرمان انفجار آن از پناهگاهی به فاصله 10 کیلومتر صادر میشد. محل دیده بانی ناظر این در 17 کیلومتری نقطه انفجار بود. نتیجه این آزمایش به قدری وحشت انگیز بود، که از آنچه قبلا پیش بینی شده بود تجاوز میکرد، از جمله برج فولادین حامل بمب به کلی تبخیر شده و در جای آن گودالی وسیع بوجود آمده بود. • کمتر از یک ماه بعد ، بمب اتمی دیگری که قدرت تخریبی آن معادل (1000 تن TNT) بود، روی بندر هیروشیما در ژاپن منفجر گردید (انفجار هیروشیما)، که در نتیجه ، آن شهر به کلی ویران شد و چند هزار مردم به هلاکت رسیدند. فقط معدودی از سکنه اطراف شهر از این بلا جان به در بردند، که هنوز بازماندگان آنان از اثرات زیان بخش تشعشعات هستهای آن رنج میبرند. • سومین بمب اتمی روز نهم ماه اوت روی شهر ناکازاکی منفجر شد و این دو فاجعه تاریخی کشور ژاپن را در مقابل ایالت متحده آمریکا به زانو در آورد. هر چند که پس از جنگ جهانی دوم دولت آمریکا نام طرح مانهاتان را به کمسیون انرژی اتمی تبدیل کرد و فعالیت این کمسیون را به موارد استفاده از انرژی اتمی در صنعت ، پزشکی و کشاورزی تخصیص داد و در حال حاضر یک کمسیون بین المللی نیز برای استفادههای صلح جویانه از انرژی اتمی فعالیت میکنند. بنابراین هنوز هم آزمایشهای سلاحهای هستهای ادامه دارد و بدین وسیله دول بزرگ جهان در برابر یکدیگر قدرت نمایی میکنند.
ساختمان بمب هستهای • ساختار سلاح هستهای به این صورت است که هر گاه مقدار عنصر قابل شکافت ، که از اندازه بحرانی بیشتر باشد، پدیده شکافت شروع می شود. این پدیده خیلی سریع پیشرفت میکند و با آزاد شدن مقادیر عظیم انرژی در مدت بسیار کوتاه ، انفجار مهیبی رخ میدهد. ولی از آنجایی که بمب باید در لحظه دلخواه منفجر شود، مقداری از 235U ، یا 239Pu را که خالص بوده و حجم کلی آن از اندازه بحرانی بیشتر باشد، به چند قسمت مجزا ، که هر یک از آنها از اندازه بحرانی کمتر است، تقسیم میکنند و این قسمتها را در محفظهای طوری قرار میدهند که نوترونهایی که ممکن است در هر یک از آنها آزاد شوند، در قسمت دیگر نفوذ نکنند.
در این تقسیم بندی هرگاه به هر روشی در یکی از اجزای بمب پدیده شکافت شروع شود، در لحظهای که انفجار باید صورت گیرد، رخداد پدیده شکافت زنجیری و مداوم نخواهد بود. این مواد با جرمهای زیر جرم بحرانی عنصر قابل شکافت را به هم نزدیک میکنند. تا مجموع آنها از جرم بحرانی بیشتر شود و واکنش زنجیری به وقوع بپیوندد.
نباید فراموش کرد که پیشرفت واکنش زنجیری بسیار سریع است و انفجار اتمی در قطعات اورانیوم فقط در حدود یک میلیونم ثانیه طول میکشد. لذا اگر اندازههای بحرانی زیر را به آهستگی به هم نزدیک کنیم. ممکن است قبل از تماس ، واکنش زنجیری شروع شود و شدت گرمای حاصل از شکافتهای اولیه به حدی گردد، که قبل از انفجار واقعی ، ماده قابل شکافت را متلاشی سازد و واکنش زنجیری به خاموشی گراید. برای رفع نقایص بمب هستهای به صورت زیر عمل میکنیم: • اولا اتصال قطعات اورانیوم بوسیله یک ماده منفجره قوی نظامی صورت میگیرد. • ثانیا محفظه ماده اتمی را بسیار ضخیم و محکم می سازد. تا در آغاز واکنش زنجیری از متلاشی شدن ماده مزبور جلوگیری کند و سپس انفجار واقعی صورت گیرد. بهینه سازی خروجی بمب و افزایش قدرت آن • طرق مختلف نزدیک کردن قطعات اورانیوم یا پلوتونیوم به یکدیگر هنوز یک موضوع سری نظامی است. ولی واقعیت این است که هر چه سرعت اتصال قطعات زیادتر باشد، واکنش زنجیری سریعتر و و مقدار بیشتری از هستههای اورانیوم موجود شکافته شده و بهره سلاح اتمی بیشتر میشود. • اصولا اتصال سریع قطعات است که انفجار مهیب بمب اتمی را بوجود میآورد. اگر منعکس کنندهای به دور ماده اتمی قرار داده شود، از فرار نوترونها جلوگیری نموده و شکافت زنجیری تسریع میگردد. استفاده از منعکس کننده نوترون ، وزن بحرانی را نیز تقلیل میدهد. • باید توجه داشت که حتی در بهترین شرایط همه اورانیوم موجود در یک بمب اتمی تحت عمل شکافتن قرار نمیگیرد و در شرایط بسیار مناسب تنها در حدود 10 درصد ماده هستهای شکافته میشود و بقیه در نتیجه ، انفجار تبدیل به غبار شده و در فضا پخش میگردند بدون اینکه هستههای آنها شکافته شوند. • جرم بحرانی از اسرار نظامی است و ممالکی که آن را میدانند به شدت از فاش شدن آن جلوگیری میکنند. بنابرین از مطالبی که در این باره منتشر شده است، چنین بر می آید که جرم بحرانی باید بین ا و 10 کیلوگرم باشند. • وجود جرم بحرانی ، افزایش قدرت بمب اتمی را محدود میکند. زیرا برای آنکه بتوانیم انفجاری ایجاد کنیم: o اولا نباید مقدار سوختی کمتر از جرم بحرانی بکار بریم و این مقدار حد پایین بمب اتمی را تعیین میکند. o ثانیا وزن هر یک از قطعات اورانیوم درون بمب نمیتواند بیش از وزن بحرانی باشد. زیرا در آن صورت هر قطعه خود به خود منفجر خواهد شد. • ساختن بمبهای بیش از دو قطعه نیز بسیار مشکل است. زیرا اگر دو قطعه از قطعات اورانیوم ، حتی به اندازه یک میلیونم ثانیه قبل از قطعات دیگر به هم وصل شوند، انفجار اتمی صورت خواهد گرفت و باعث پراکندگی قطعات دیگر اورانیوم خواهد شد. قطعات دیگر مجال دخول در قطعات زنجیری را نخواهند یافت. به عبارت دیگر بطور کلی میزان اتمهای اورانیومی که در واکنشهای زنجیری وارد میشوند، با افزایش تعداد قطعات داخل بمب ، تقلیل مییابد و عمل انفجار ناقص میماند. راکتور هستهای دید کلی راکتورهای هستهای دستگاههایی هستند که در آنها شکافت هستهای کنترل شده رخ میدهد. راکتورها برای تولید انرژی الکتریکی و نیز تولید نوترونها بکار میروند. اندازه و طرح راکتور بر حسب کار آن متغیر است. فرآیند شکافت که یک نوترون بوسیله یک هسته سنگین (با جرم زیاد) جذب شده و به دنبال آن به دو هسته کوچکتر همراه با آزاد سازی انرژی و چند نوترون دیگر شکافته میشود. تاریخچه اولین انرژی کنترل شده ناشی از شکافت هسته در دسامبر 1942 بدست آمد. با رهبری فرمی ساخت و راه اندازی یک پیل از آجرهای گرافیتی ، اورانیوم و سوخت اکسید اورانیوم با موفقیت به نتیجه رسید. این پیل هستهای ، در زیر میدان فوتبال دانشگاه شیکاگو ساخته شد و اولین راکتور هستهای فعال بود.
ساختمان راکتور با وجود تنوع در راکتورها ، تقریبا همه آنها از اجزای یکسانی تشکیل شدهاند. این اجزا شامل سوخت ، پوشش برای سوخت ، کند کننده نوترونهای حاصله از شکافت ، خنک کنندهای برای حمل انرژی حرارتی حاصله از فرآیند شکافت ماده کنترل کننده برای کنترل نمودن میزان شکافت میباشد. سوخت هستهای سوخت راکتورهای هستهای باید به گونهای باشد که متحمل شکافت حاصله از نوترون بشود. پنج نوکلئید شکافت پذیر وجود دارند که در حال حاضر در راکتورها بکار میروند. 232Th ، 233U ، 235U ، 238U ، 239Pu . برخی از این نوکلئیدها برای شکافت حاصله از نوترونهای حرارتی و برخی نیز برای شکافت حاصل از نوترونهای سریع میباشند. تفاوت بین سوخت یک خاصیت در دستهبندی راکتورها است.
در کنار قابلیت شکافت ، سوخت بکار رفته در راکتور هستهای باید بتواند نیازهای دیگری را نیز تأمین کند. سوخت باید از نظر مکانیکی قوی ، از نظر شیمیایی پایدار و در مقابل تخریب تشعشعی مقاوم باشد، تا تحت تغییرات فیزیکی و شیمیایی محیط راکتور قرار نگیرد. هدایت حرارتی ماده باید بالا باشد بطوری که بتواند حرارت را خیلی راحت جابجا کند. همچنین امکان بدست آوردن ، ساخت راحت ، هزینه نسبتا پایین و خطرناک نبودن از نظر شیمیایی از دیگر فایدههای سوخت است.
غلاف سوخت راکتور سوختهای هستهای مستقیما در داخل راکتور قرار داده نمیشوند، بلکه همواره بصورت پوشیده شده مورد استفاده قرار میگیرند. پوشش یا غلاف سوخت ، کند کننده و یا خنک کننده از آن جدا میسازد. این امر از خوردگی سوخت محافظت کرده و از گسترش محصولات شکافت حاصل از سوخت پرتو دیده به محیط اطراف جلوگیری میکند. همچنین این غلاف میتواند پشتیبان ساختاری سوخت بوده و در انتقال حرارت به آن کمک کند. ماده غلاف همانند خود سوخت باید دارای خواص خوب حرارتی و مکانیکی بوده و از نظر شیمیایی نسبت به برهمکنش با سوخت و مواد محیط پایدار باشد. همچنین لازم است غلاف دارای سطح مقطع پایینی نسبت به بر همکنشهای هستهای حاصل از نوترون بوده و در مقابل تشعشع مقاوم باشد. مواد کند کننده نوترون یک کند کننده مادهای است که برای کند یا حرارتی کردن نوترونهای سریع بکار میرود. هستههایی که دارای جرمی نزدیک به جرم نوترون هستند بهترین کند کننده میباشند. کند کننده برای آنکه بتواند در راکتور مورد استفاده قرار گیرد بایستی سطح مقطع جذبی پایینی نسبت به نوترون باشد. با توجه به خواص اشاره شده برای کند کننده ، چند ماده هستند که میتوان از آنها استفاده کرد. هیدروژن ، دوتریم ، بریلیوم و کربن چند نمونه از کند کنندهها میباشند. از آنجا که بریلیوم سمی است، این ماده خیلی کم به عنوان کند کننده در راکتور مورد استفاده قرار میگیرد. همچنین ایزوتوپهای هیدروژن ، به شکل آب و آب سنگین و کربن ، به شکل گرافیت به عنوان مواد کند کننده استفاده میشوند. خنک کنندهها گرمای حاصله از شکافت در محیط راکتور یا باید از سوخت زدوده شود و یا در نهایت این گرما بقدری زیاد شود که میلههای سوخت را ذوب کند. حرارتی که از سوخت گرفته میشود ممکن است در راکتور قدرت برای تولید برق بکار رود. از ویژگیهایی که ماده خنک کننده باید داشته باشد، هدایت حرارتی آن است تا اینکه بتواند در انتقال حرارت مؤثر باشد. همچنین پایداری شیمیایی و سطح مقطع جذب پایینتر از نوترون دو خاصیت عمده ماده خنک کننده است. نکته دیگری که باید به آن اشاره شود این است که این ماده نباید در اثر واکنشهای گاما دهنده رادیواکتیو شوند.
از مایعات و گازها به عنوان خنک کننده استفاده شده است، مانند گازهای دی اکسید کربن و هلیوم. هلیوم ایدهآل است ولی پر هزینه بوده و تهیه مقادیر زیاد آن مشکل است. خنک کنندههای مایع شامل آب ، آب سنگین و فلزات مایع هستند. از آنجا که برای جلوگیری از جوشیدن آب فشار زیادی لازم است خنک کننده ایدهآلی نیست.
مواد کنترل کننده شکافت برای دستیابی به فرآیند شکافت کنترل شده و یا متوقف کردن یک سیستم شکافت پس از شروع ، لازم است که موادی قابل دسترس باشند که بتوانند نوترونهای اضافی را جذب کنند. مواد جاذب نوترون بر خلاف مواد دیگر مورد استفاده در محیط راکتور باید سطح مقطع جذب بالایی نسبت به نوترون داشته باشند. مواد زیادی وجود دارند که سطح مقطع جذب آنها نسبت به نوترون بالاست، ولی ماده مورد استفاده باید دارای چند خاصیت مکانیکی و شیمیایی باشد که برای این کار مفید واقع شود. انواع راکتورها راکتورها بر حسب نوع فرآیند شکافت به راکتورهای حرارتی ، ریع و میانی (واسطه) ، بر حسب مصرف سوخت به راکتورهای سوزاننده ، مبدل و زاینده ، بر حسب نوع سوخت به راکتورهای اورانیوم طبیعی ، راکتورهای اورانیوم غنی شده با 235U (راکتور مخلوطی Be) ، بر حسب خنک کننده به راکتورهای گاز (CO2مایع (آب ، فلز) ، بر حسب فاز سوخت کند کنندهها به راکتورهای همگن ، ناهمگن و بالاخره بر حسب کاربرد به راکتورهای قدرت ، تولید نوکلید و تحقیقاتی تقسیم میشوند. کاربردهای راکتورهای هستهای • راکتورها انواع مختلف دارند برخی از آنها در تحقیقات ، بعضی از آنها برای تولید رادیو ایزتوپهای پر انرژی برخی برای راندن کشتیها و برخی برای تولید برق بکار میروند. • دوگروه اصلی راکتورهای هستهای بر اساس تقسیم بندی کاربرد آنها. راکتورهای قدرت و راکتورهای تحقیقاتی هستند. راکتورهای قدرت مولد برق بوده و راکتورهای تحقیقاتی برای تحقیقات هستهای پایه ، مطالعات کاربردی تجزیهای و تولید ایزوتوپها مورد استفاده قرار می گیرند.
همجوشی هستهای مقدمه از دیرباز آرزوی بشر دستیابی به منبعی از انرژی بوده که علاوه بر آنکه بتواند مدت مدیدی از آن استفاده کند، تولید پسماندهای خطرناک نیز در پی نداشته باشد. اکنون در هزاره سوم میلادی این آرزوی به ظاهر دست نیافتنی کم کم به واقعیت میپیوندد. اکنون بشر خود را آماده میکند تا با ساخت اولین رآکتور گرما هستهای (همجوشی هستهای) آرزوی نیاکان خود را تحقق بخشد. سوختی پاک و ارزان به نام هیدروژن انرژی تولیدی سرشار و پسماندی بسیار پاک به نام هلیوم. اکنون به واکنشهای گرما هستهای و راهکارهای استفاده از آن میپردازیم.
خورشید و ستارگان سالهاست که دانشمندان واکنشی را که در خورشید و ستارگان رخ داده و در آن انرژی تولید میکند کشف کردهاند. این واکنش عبارت است از ترکیب (برخورد) هستههای چهار اتم هیدروژن معمولی و تولید یک هسته اتم هلیوم. اما مشکلی سر راه این نظریه است. بالاترین دمایی که در خورشید وجود دارد مربوط به مرکز آن است که برابر 15ضرب در 10 به توان 6 میباشد. در حالی که در ستارگان بزرگتر این دما به 20 ضرب در ده به توان 6 میرسد. به همین خاطر تصور بر این است که آن واکنش معروف ترکیب چهار اتم هیدروژن معمولی و تولید یک اتم هلیوم در سایر ستارگان بزرگ نیست که باعث تولید انرژی میشود.
بلکه احتمالا چرخه کربن در آنها به کمک آمده و کوره آنها را روشن نگه میدارد. منظور از چرخه کربن آن چرخهای نیست که روی زمین اتفاق میافتد، بلکه به این صورت است که ابتدا یک اتم هیدروژن معمولی با یک اتم 12C ترکیب میشود (همجوشی) و یک اتم 13N به همراه یک واحد پرتو گاما را آزاد می کند. بعد این اتم با یک واپاشی به یک اتم 13C به علاوه یک پوزیترون و یک نوترینو تبدیل میشود. بعد این 13C دوباره با یک اتم هیدروژن ترکیب میشود و 14N و یک واحد گاما حاصل میشود.
دوباره در اثر ترکیب این نیتروژن با یک هیدروژن معمولی اتم 15O و یک واحد گاما تولید میشود و 12C واپاشی کرده و 15N به علاوه یک پوزیترون و یک نوترینو را بوجود میآورد. و دست آخر با ترکیب 15N با یک هیدروژن معمولی 12C به علاوه یک اتم هلیوم بدست میآید.
دیدید که در این چرخه 12C نه مصرف شد و نه بوجود آمد، بلکه فقط نقش کاتالیزگر را داشت. این واکنشها به ترتیب و پشت سر هم انجام میشوند. و واکنش اصلی همان تبدیل چهار اتم هیدروژن به یک اتم هلیوم است. مزیت چرخه کربن این است که سرعت کار را خیلی بالا میبرد. ولی اشکالی که دارد این است که در دمای حد اقل20 ضرب در ده به توان 6 شروع میشود. بنابراین احتمال زیادی میرود که در ستارههای بزرگتر چرخه کربن باعث تولید انرژی میشود. محصور سازی یک تعریف ساده و پایهای از همجوشی عبارت است از فرو رفتن هستههای چند اتم سبکتر و تشکیل یک هسته سنگینتر. مثلا واکنش کلی همجوشی که در خورشید رخ میدهد عبارت است از برخورد هستههای چهار اتم هیدروژن و تبدیل آنها به یک اتم هلیوم. تا اینجا ساده به نظر میرسد، ولی مشکلی اساسی سر راه است میدانید هسته از ذرات ریزی تشکیل شده است که پروتون و نوترون جزء لاینفک آن هستند. نوترون بدون بار و پروتون با بار مثبت که سایر بارهای مثبت را به شدت از خود میراند. مشکل مشخص شد؟ بله … اگر پروتونها (هستههای هیدروژن) یکدیگر را دفع میکنند، چگونه میتوان آنها را در همجوشی شرکت داد؟
همانطور که حدس زدید راه حل اساسی آن است که به این پروتونها آن قدر انرژی بدهیم که انرژی جنبشی آنها بیشتر از نیروی دافعه کولنی آنها شود و پروتونها بتوانند به اندازه کافی به هم نزدیک شوند. حال چگونه این انرژی جنبشی را تولید کنیم؟ گرما راه حل خوبی است. در اثر افزایش دما جنب و جوش و به عبارت دیگر انرژی جنبشی ذرات بیشتر و بیشتر میشود، بطوری که تعداد برخوردها و شدت آنها بیشتر و بیشتر میشود. به نظر شما آیا دیگر مشکلی وجود ندارد؟ خیر ، مسئله اساسیتری سر راه است.
یک سماور پر از آب را تصور کنید. وقتی سماور را روشن میکنید با این کار به آب درون سماور گرما میدهید (انرژی منتقل میکنید). در اثر این انتقال انرژی دمای آب رفته رفته بالاتر میرود و به عبارتی جنب و جوش مولکولهای آب زیاد میشود. در این حالت بین مولکولهای آب برخوردهایی پدید میآید. هر مولکول که از شعله (یا المنت یا هر چیز دیگری) مقداری انرژی دریافت کرده است آنقدر جنب و جوش میکند تا بالاخره (به علت محدود بودن محیط سماور و آب) انرژی خود را به دیگری بدهد. مولکول بعدی نیز به نوبه خود همین عمل را انجام میدهد. بدین ترتیب رفته رفته انرژی منبع گرما در تمام آب پخش میشود و دمای آب بالا میرود. آیا وقتی بدنه سماور را لمس میکنیم هیچ گرمایی حس نمی کنیم؟ …بله حس می کنیم.
دلیلش هم برخورد مولکولهای پر انرژی آب با بدنه سماور و انتقال انرژی خود به آن. هدف ما از روشن کردن سماور گرم کردن آب بود نه سماور. امیدوارم تا اینجا پاسخ اولین مشکل اساسی بر سر راه همجوشی را دریافت کرده باشید. بله اگر اگر با صرف هزینه و زحمت بالا سوخت را به دمایی معادل میلیونها درجه کلوین برسانیم آیا این اتمها آنقدر صبر خواهند کرد تا با دیگر اتمها وارد واکنش شوند یا در اولین فرصت انرژی بالای خود را به دیواره داده و آن را نابود میکند؟ بنابراین نیاز به محصور سازی داریم، یعنی باید به طریقی اجازه ندهیم که این گرما به دیواره منتقل شود.
رسیدن به دمای بالا شروع واکنش همجوشی به دمای بسیار بالایی نیازمند است. درست است که دمای پانزده میلیون درجه دمای بسیار بالایی است و تصور بوجود آوردنش روی زمین مشکل و کمی هم وحشتناک میباشد، ولی معمولا در زندگی روزمره دور و برمان دماهای خیلی بالایی وجود دارند و ما از آنها غافلیم. مثلا وقتی در اثر اتصالی سیمهای برق داخل جعبه تقسیم میسوزد و شما صدای جرقه آنرا میشنوید و پس از بررسی متوجه میشوید که کاملا ذوب شده فقط بخاطر دمای وحشتناکی بوده که آن داخل بوجود آمده. این دما به حدود سی - چهل هزار درجه کلوین میرسد.
البته این دما برای همجوشی حکم طفل نی سواری را دارد. یا اینکه میتوانیم با استفاده از ولتاژهای بسیار بالا قوسهای الکتریکی را از درون لولههای موئین عبور بدهیم. به این ترتیب دمای هوای داخل لوله که اکنون به پلاسما تبدیل شده به نزدیک چند میلیون درجه میرسد (که باز هم برای همجوشی کم است). یکی از بهترین راهها استفاده از لیزر است. میدانید که لیزرهایی با توانهای بسیار بالا ساخته شدهاند. مثلا نوعی از لیزر به نام لیزر نوا (NOVA) میتواند در مدت کوتاهی انرژی معادل ده به توان پنج ژول تولید کند.
اما باز هم در کنار هر مزیت معایبی هست. مثلا این لیزر تبعا انرژی زیادی مصرف میکند که حتی با صرف نظر از آن مشکل دیگری هست که میگوید، اگر انرژی تولیدی لیزر در آن مدت کوتاه باید تحویل داده بشود پس برای برقرار ماندن معیار لاوسن (حالا که مدت زمان محصور سازی پایین آمده) باید چگالی بالاتر برود. که در این مورد از تراکم و چگالی جامد هم بالاتر میرود.
انواع واکنشها برای بهینه سازی کار رآکتورهای همجوشی و افزایش توان خروجی آنها راههای متعددی وجود دارد. یکی از این راهها انتخاب نوع واکنشی است که قرار است در رآکتور انجام بشود. واکنش زیر نوعی از واکنش همجوشی به صورتی است که در آن دو هسته سبک با یکدیگر واکنش داده و یک هسته سنگینتر را بوجود میآورند. یعنی حاصل ترکیب دو هسته دوتریم و تولید یک هسته ترتیم به علاوه یک هسته هیدروژن معمولی است. این واکنش انرژی ده میباشد. چون تفاوت انرژی بستگی هسته سنگینتر و هستههای سبکتر مقداری منفی است.
در این واکنش مقدار انرژی تولیدی برابر MeV4 میباشد. قبلا گفته شد که باید برای انجام همجوشی هستهها به اندازه کافی به هم نزدیک بشوند. این مقدار کافی حدودا معادل 3 fm میباشد. چون در این فاصلهها انرژی پتانسیل الکتروستاتیکی دو دوترون در حدود MeV 0.5 هست پس میتوانیم با این مقدار انرژی دادن به یکی از دوترونها دافعه کولنی بین دوترونها شکسته و واکنش را شروع کنیم که بعد از انجام مقدار MeV 4.5 تولید می شود (MeV 0.5 انرژی جنبشی به علاوه 4 MeV انرژی آزاد شده).
زنجیره پروتون_پروتون پروتونها جهت تشکیل اتمهای هلیوم پیچیدهتر تصادم میکنند و گداخته میشوند. در این فرآیند آنها ذراتی پر انرژی نظیر نوترینو ، پوزیترون و فوترون آزاد میکنند.
میتوانیم رآکتور خود را طوری طراحی کنیم که دور دیواره بیرونی آن لیتیوم مایع تحت فشار جریان داشته باشد. این لیتیوم مایع گرمای تولیدی اضافی را از واکنش گرفته و به آب منتقل میکند و با تبدیل آن به بخار باعث میشود که توربین و ژنراتور به حرکت در آیند و برق تولید بشود. اما چرا لیتیم؟ قبلا دیدید که مقرون به صرفه ترین واکنش در راکتور همجوشی واکنش دوتریم - ترتیم است. در این واکنش دیدید که یک نوترون پر انرژی تولید میشد. این مسأله یعنی نوترون زایی میتواند سبب تضعیف بخشهایی از رآکتور شود. از طرفی برای محیط زیست و مخصوصا سلامتی کسانی که در اطراف رآکتور فعالیت میکنند بسیار مضر است. اما اگر لیتیوم را به عنوان خنک کننده داشته باشیم این جریان لیتیم همچنین نقش مهم کند کنندگی را بازی خواهد کرد. به این صورت که با نوترون اضافی تولید شده در واکنش ترکیب شده و سوخت گران قیمت و بسیار کمیاب رآکتور رو که همان تریتیوم است تولید میکند. واکنش دقیق آن به شکل زیر است. البته در این مورد باید ضخامت لیتیوم مایع در جریان حداقل یک متر باشد.
نیروگاه اتمی دید کلی طی سالهای گذشته اغلب کشورها به استفاده از این نوع انرژی هستهای تمایل داشتند و حتی دولت ایران 15 نیروگاه اتمی به کشورهای آمریکا ، فرانسه و آلمان سفارش داده بود. ولی خوشبختانه بعد از وقوع دو حادثه مهمتری میل آیلند (Three Mile Island) در 28 مارس 1979 و فاجعه چرنوبیل (Tchernobyl) در روسیه در 26 آوریل 1986، نظر افکار عمومی نسبت به کاربرد اتم برای تولید انرژی تغییر کرد و ترس و وحشت از جنگ اتمی و به خصوص امکان تهیه بمب اتمی در جهان سوم، کشورهای غربی را موقتا مجبور به تجدید نظر در برنامههای اتمی خود کرد.
ساختار نیروگاه اتمی نیروگاه اتمی از مواد مختلفی شکل گرفته است که همه آنها نقش اساسی و مهم در تعادل و ادامه حیات آن را دارند. این مواد عبارتند از: ماده سوخت ماده سوخت متشکل از اورانیوم طبیعی ، اورانیوم غنی شده ، اورانیوم و پلوتونیم است. که سوختن اورانیوم بر اساس واکنش شکافت هستهای صورت میگیرد.
نرم کنندهها نرم کنندهها موادی هستند که برخورد نوترون های حاصل از شکست با آنها الزامی است و برای کم کردن انرژی این نوترون ها به کار می روند. زیرا احتمال واکنش شکست پی در پی به ازای نوترون های کم انرژی بیشتر می شود. آب سنگین (D2O) یا زغال سنگ (گرافیت) به عنوان نرم کننده نوترون بکار برده میشوند.
میلههای مهارکننده این میلهها از مواد جاذب نوترون درست شدهاند و وجود آنها در داخل راکتور اتمی الزامی است و مانع افزایش ناگهانی تعداد نوترونها در قلب راکتور میشوند. اگر این میلهها کار اصلی خود را انجام ندهند، در زمانی کمتر از چند هزارم ثانیه قدرت راکتور چند برابر شده و حالت انفجاری یا دیورژانس راکتور پیش میآید. این میله ها می توانند از جنس عنصر کادمیم و یا بور باشند.
مواد خنک کننده یا انتقال دهنده انرژی حرارتی این مواد انرژی حاصل از شکست اورانیوم را به خارج از راکتور انتقال داده و توربینهای مولد برق را به حرکت در می آورند و پس از خنک شدن مجدداً به داخل راکتور برمی گردند. البته مواد در مدار بسته و محدودی عمل می کنند و با خارج از محیط رآکتور تماسی ندارند. این مواد می توانند گاز CO2 ، آب ، آب سنگین ، هلیوم گازی و یا سدیم مذاب باشند.
طرز کار نیروگاه اتمی عمل سوختن اورانیوم در داخل نیروگاه اتمی متفاوت از سوختن زغال یا هر نوع سوخت فسیلی دیگر است. در این پدیده با ورود یک نوترون کم انرژی به داخل هسته ایزوتوپ 235U عمل شکست انجام می گیرد و انرژی فراوانی تولید می کند. بعد از ورود نوترون به درون هسته اتم ، ناپایداری در هسته به وجود آمده و بعد از لحظه بسیار کوتاهی هسته اتم شکسته شده و تبدیل به دو تکه شکست و تعدادی نوترون میشود.
بطور متوسط تعداد نوترونها به ازای هر 100 اتم شکسته شده 247 عدد است و این نوترونها اتمهای دیگر را میشکنند و اگر کنترلی در مهار کردن تعداد آنها نباشد واکنش شکست در داخل توده اورانیوم به صورت زنجیرهای انجام میشود که در زمانی بسیار کوتاه منجر به انفجار شدیدی خواهد شد. در واقع ورود نوترون به درون هسته اتم اورانیوم و شکسته شدن آن توام با انتشار انرژی معادل با Mev200 میلیون الکترون ولت است.
این مقدار انرژی در سطح اتمی بسیار ناچیز ولی در مورد یک گرم از اورانیوم در حدود صدها هزار مگاوات است. که اگر به صورت زنجیرهای انجام شود، در کمتر از هزارم ثانیه مشابه بمب اتمی عمل خواهد کرد. اما اگر تعداد شکستها را در توده اورانیوم و طی زمان محدود کرده به نحوی که به ازای هر شکست ، اتم بعدی شکست حاصل کند شرایط یک نیروگاه اتمی بوجود میآید. نمونه عملی نیروگاهی که دارای 10 تن اورانیوم طبیعی است قدرتی معادل با 100 مگاوات خواهد داشت و بطور متوسط 105 گرم 235U در روز در این نیروگاه شکسته می شود و همانطور که قبلا گفته شد در اثر جذب نوترون بوسیله ایزوتوپ 239U ، 238U بوجود میآمد که بعد از دو بار انتشار ذرات بتا (الکترون) به 239Pu تبدیل میشود که خود مانند 235U شکست پذیر است. در این عمل 70 گرم پلتونیوم حاصل میشود.
ولی اگر نیروگاه سورژنراتور باشد و تعداد نوترونهای موجود در نیروگاه زیاد باشند مقدار جذب به مراتب بیشتر از این خواهد بود و مقدار پلتونیومهای بوجود آمده از مقدار آنهایی که شکسته میشوند بیشتر خواهند بود. در چنین حالتی بعد از پیاده کردن میلههای سوخت میتوان پلتونیوم بوجود آمده را از اورانیوم و فرآوردههای شکست را به کمک واکنشهای شیمیایی بسیار ساده جدا و به منظور تهیه بمب اتمی ذخیره کرد.
پلوتونیم پلوتونیوم یک عنصر شمیایی رادیواکتیو و فلزی است که نماد آن Pu و عدد اتمی آن 94 میباشد. وزن اتمی این عنصر 244.06 بوده و چگالی آن 19.800 kg/m3 میباشد.
پلوتونیوم در سال 1940 توسط دکتر GlennT.Seaborg ، Edwin McMillan, Kennedy و Wahl از طریق بمباران دوترونی اورانیوم در سیکلوترون(شتاب دهنده ذرات مدور) Berkeley Radiation Laboratory دانشگاه کالیفرنیا برکلی کشف شد. اما این کشف تا مدتها سری باقی ماند. این عنصر با توجه به کشف سیاره پلوتو که درست بعد از نپتون کشف شد ،پلوتونیوم نام گرفت.(پلوتون در منظومه شمسی بعد از نپتون قرار دارد).
ایزوتوپها
مهمترین ایزوتوپ پلوتونیوم Pu239 بوده که نیمه عمر آن 24200 سال میباشد. و به دلیل نیمه عمر کوتاه آن رد بسیار ناچیزی از پولوتونیوم به صورت طبیعی در معادن یافت میشود. پلوتونیوم239 ، در رآکتورهای هسته ای از اورانیوم 238 ، و در مقیاسهای بالا تولید میشود.
ایزوتوپ پلوتونیوم 238 ساتع کننده اشعه آلفا میباشد که نیمه عمرش 87 سال است. این خصوصیات آن را برای استفاده در تولید نیروی برق برای دستگاه هایی که میبایست بدون نگهداری مستقیم در مقیاسهای زمانی حدودا برابر عمر انسان کار کنند ، مناسب می کند. بنابراین در RTG هائی ،مانند آنهائی که نیروی کاوشگرهای فضایی Galileo و Cassini را تامین میکنند کاربرد دارد.
همچنین پلوتونیوم چهار ظرفیت ینی را در محلولهای آبی از خود نشاد میدهد: Pu+3(آبی کمرنگ) Pu+4 ,PuO+ و PuO+2 ین PuO+ در محلولهای آبی پایدار نیست و تناسبی با Pu+4 و PuO+2 ندارد. Pu+4 میتواند PuO+ را به PuO+2 تبدیل کرده و خودش به PuO+3 تبدیل شود و یک PuO+ و PuO+3 آزاد کند. پلوتونیوم ترکیبات دوتایی PuO و PuO2 را با اکسیژن شکل میدهد و با هیدراتهای PuF3,PuF4,PuCl3,PuBr3,PuI3 و کربن ، نیتروژن وسیلیکن در ترکیبات متغیر مداخله میکند. Puc, PuN, PuSi2 و اکسی هالیدها نیز شناخته شده میباشند: PuOCL,PuObr,PuOI
کاربردها
پلوتونیوم یکی از مواد مهم شکافت هستهای در سلاحهای هسته ای پیشرفته میباشد. باید احتیاط لازم جهت جلوگیری از جمع شدن مقداری از پلوتونیوم که به جرم بحرانی نزدیک میشود به عمل آورد، چرا که این مقدار از پلوتونیوم خودبه خود واکنشهای شیمیایی تولید میکند. بدون توجه به محدود نشدن پلوتونیوم توسط فشار خارجی که برای یک سلاح هسته ای لازم است , پلوتونیوم میتواند خودش را گرم کرده و هر چیزی را که ،پیرامون آن را محدود میکند بشکند. جلوگیری شود. شکل ظاهری پلوتونیوم هم در این امر موثر است ،بنابر این ،باید از اشکال فشرده مانند کره باید جلوگیری کرد.
همچنین پلوتونیوم مخصپصا نوع بسیار خالص آن ، آتش زا بدوه و به صورت شیمیایی با اکسیژن و آب واکنش میدهد که میتواند باعث انباشتگی هیدرید پلوتونیوم و یک ترکیب Pyrophoric شود ،که ماده ای است که در دمای اطاق در هوا میسوزد. حجم پلوتونیوم به هنگام ترکیب شدن با اکسیژن بسیار افزایش میابد و میتواند ظرف خود را بشکند بنابر این احتیاطهای لازم برای حمل پلوتونیوم در هر شکل آن، باید انجام شود ، عموما یک اتمسفر خشک و خنثی نیاز می باشد . علاوه بر اینها ،خطرات رادیو اکتیوی نیز وجود دارد. خاک اکسید منیزیم موثر ترین ماده برای فرو نشاندن آتش پلوتونیوم میباشد. آن ماده مشتعل را مانند یک کاهنده دما( Hit Sink )سرد می کند و در عین حال از رسیدن اکسیژن به آن جلوگیری می کند. آب نیز در این مورد موثر است . در سال 1962 در Rocky Flats Plant در نزدیکی Boulder, Colorado یک آتش سوزی بزرگ پلوتونیومی رخ داد.
پلوتونیوم همچنیند در ساخت سلاحهای رادیولوژیکی و ساخت زهرهای (نه الزاما مهلک) کاربرد دارد. توده های انباشته شده پلوتونیوم توسط اتحاد جماهیر شوروی قدیم و ایالات متحده آمریکا به وجود می آمد .از پایان جنگ سرد تمرکز بر نگرانی ازگسترش تکنولوژی هسته ای بوجود آمد. در سال 2002 دپارتمان انرژی ایالات متحده 34 تن از مواد پلوتونیوم را که برای ساخت سلاحهای هسته ای استفاده میشد را از دپارتمان دفاع ایالات متحده گرفت و از اوایل سال 2003 تصمیم گرفت برای خلاصی از این اورانیومها، به تبدیل چندین نیروگاه هسته ای در آمریکا ، از سوخت اورانیوم غنی شده به سوخت MOX اقدام کند.
خطرات
گاهی اوقات از پلوتونیوم با عنوان سمی ترین ماده شناخته شده بر انسان نام برده میشود و این در حالی است که یک توافق کلی در میان کارشناسان مبنی بر نادرست بودن این مطلب وجود دارد. تا سال 2003 تنها یک مورد مرگ انسان به علت مجاورت و ارتباط با پلوتونیوم وجود داشته است. رادیومی که به صورت طبیعی به وجود میاید حدودا 200 برابر سمی تر از پلوتونیوم است و برخی از Toxinهای آلی مانند سم بوتولین بیلیونها برابر سمی تر از پلوتونیوم میباشند.
به هر حال ،حوادث بحرانی نیز وجود داشته.حمل بی ملاحظه 6.2 kg پلوتونیوم کروی در Los Alamos در 21 آگست 1945 ، باعث انتشار دوز مرگبار تشعشع گردید. Harry Daghlian دوزی در حدود 510 rem دریافت کرد، او 4 هفته بعد درگذشت.مرگ دیگری در سال 1958 در واحد غنی سازی اورانیوم Los Alamos روی داد. پلوتونیوم در یک مخزن مخلوط کن جمع شده بود. یک بار جدید هم به آن منتقل شد و در نتیجه 8 کیلوگرم پلوتونیوم در مرکز مخزن جمع شد. یک کارگر در معرض تشعشع قرار گرفت و در کمتر از دو روز در گذشت.
حالتهای سمی پلوتونیوم از نظر شیمیایی و رادیو لوژیکی ،باید از خطرات پلوتونیوم متمایز شود. بسیاری از جنبشهای ضد هسته ای و در ادامه جنبشهای سیاست سبز از پلوتونیوم به عنوان خطرناک ترین ماده شناخته شده برای بشریت یاد کرده و تنها دلیلشان نقش مهلک آن در تولید سلاح های هسته ای میباشد.
احتمالا اخلاط این دو دیدگاه است که باعث گزافه گویی های احساسی در خصوص سمی بودن پولوتونیوم میشود. در سال 1989 نوشته ای از Bernard L. Cohen اینگونه بیان میکند که "خطرات پلوتونیوم خیلی آشکار تر و راحت تر از خطرات ناشی از مواد افزودنی به غذا ها و همچنین حشره کشها فهمیده میشوند و در مقایسته تنها یک مرگ در هر 300 سال میتواند کم مایه بودن این نظر را اثبات کند. و علارغم حقایقی که ما در اینجا ذکر کردیم و حقایق شناخته شده بر جامعه علمی افسانه سمی بودن پلوتونیوم همچنان ادامه دارد. بنابراین هیچ گونه شک و تریدی وجود ندارد که پلوتونیوم در صورت استفاده نادرست میتواند بسیار خطرناک باشد. پرتوی آلفا که پلوتونیوم از خود ساطع میکند نمیتواند به پوست نفوذ کند ،اما میتواند به اندامهای داخلی در صورت تنفس و یا خوردن پلوتونیوم آسیب برساند. ذرات بسیار کوچک پلوتونیم در صورت تنفس و رسیدن به ریه ها میتوانت باعث به وجود آمدن سرطان ریه شود. مواد دیگر از جمله ricin ، سم botulinum و سم tetanus در دوزهائی کمتر از یک میلی گرم ، می توانند کشنده باشند، بنابراین پلوتونیوم از این نظر غیر عادی نیست .مقادیر قابل توجه بیشتر آن ، در صورت بلع یا تنفس ،میتواند باعث به وجود آمدن مسمومیت رادیویی حاد و مرگ شخص شود با این وجود تا کنون هیچ مورد مرگ به علت خوردن و یا تنفس پلوتونیوم دیده نشده و بسیاری از مردم مقدار قابل توجهی پلوتونیوم در بدن خود دارند.
خصوصیات
این فلز ظاهری نقره ای رنگ دارد و هنگامی که اکسید میشود رنگش تا حدی به زرد تیره میگراید. اگر مقدار زیادی از پلوتونیوم در جایی جمع شودن به قدری گرم میشوند که نمی توان آن را لمس کرد و دلیل آن نیز ساتع کردن انرژی آلفا میباشد. مقادیر بیشتر گرمای لازم را برای جوشاندن آب به وجود می آورد. این فلز به سرعت در اسید هیدرویدیک یا اسید پرکلریک غلیظ ،حل میشود. این فلز شش حالت Allotropic با ساختارهای بلورین گوناگون از خود نشان میدهد که چگالی آنها از 16.00 تا 19.86 تغییر میکند. مواد معدنی اورانیوم و توریم اطلاعات اولیه :
اورانیوم و توریم از جمله عناصر کمیاب هستند. قشر جامد کره زمین بطور متوسط به ازای هر تن وزن شامل چهار گرم اورانیوم است. یعنی اورانیوم همانقدر است که روی یا سرب یا قلع . بعضی از انواع سنگ های خارا حتی دارای 30 گرم اورانیوم به ازای هر تن از وزن خود می باشند.
مهمترین ماده معدنی اورانیوم عبارتست از پیچ بلند (Pitch-blende) که نام علمی اش اکسید بی آب اورانیوم 358 می باشد. این سنگ معدنی در قسمت فوقانی قشر جامد کره زمین تحت تاثیر جریانات آب تغییر می یابد و هیدرات های مختلف بوجود می آورد و اگر تغییرات و ترکیبات پیشرفت کند فسفات های مختلف مواد معدنی دیگری که خیلی پیچیده هستند ایجاد می شود . معادنی که جلوتر از همه حتی در دوران قدیم مورد بهره برداری قرار گرفته اند عبادتند از :
معدن نواحی بوهم (Bohemia) :
در حال حاضر مهمترین تهیه کنندگان اورانیوم در جهان عبارتند: از کانادا ، کنگوی قدیم بلژیک ، ممالک متحده آمریکای شمالی و اتحادیه آفریقای جنوبی و حقیقت این است که در باره روسیه اطلاع دقیقی در دست نیست و احتمالاً محصول آن در حدود هر یک از ممالک ذکر شده است بعد از این 4 کشور نوبت به استرالیای شمالی ، فرانسه ، چکسلواکی ، ممالک آفریقای جنوبی ، کرن وال و چین می رسد تا سال های اخیر در کانادا تنها معدنی که مورد بهره برداری قرار گرفت عبارت بود از معدن دریاچه بزرگ اورز (Ours) که در شمال کانادا واقع است در این معدن پیچ بلند باانواع سولفورهای دیگر مخلوط است اخیراً دو معدن مهم دیگر در این کشور کشف کرده اند . گرچه مواد معدنی آنها شامل مقدار کمی اورانیوم می باشد لیکن مقدار کل مواد معدنی در این دو نقطه فوق العاده قابل ملاحظه است یکی از این دو معدن در ناحیه دریاچه بیورلاج (Beaverlodge) و دیگری در ناحیه دریاچه بیند ریور (Bind-River) واقع است .
معادن بسیار غنی کنگو :
ان معادن متعلق به اتحادیه معدنی کاتانکای (Katanga) علیا هستند و عموماً از پیچ بلند تشکیل یافته اند در کشور فرانسه چهار ناحیه مختلف وجود دارد که در آنها اورانیوم استخراج می شود که عبارتند از :
• معادن کروزی (Crouzille) در ایالت هوت وین (Haute-viene) • معادن گروری (Grury) در ایالت سون لوار (Saoneet-Loire) • معادن لاشو (Lochaux) در ایالت پوی دو دوم (Puy-de-dome) • معادن وانده (Vendee)
رگه پیچ بلند معادن کروزی بطور متوسط شامل 10% اورانیوم است معادن گروری در عین حال که دارای مقدار کمی اورانیوم هستند بازهم مورد استفاده می باشند و از آن بهره برداری می شود در ناحیه لاشو به نظر می رسد که معادن جنگل های سیاه بسیار مهم هستند و بالاخره تجسساتی که در ناحیه وانده به عمل آمده نوید بخش می باشد . به نظر می رسد سالانه در تمام دنیا بیش از چند صد هزار تن اورانیوم تولید و به بهره برداری می رسد در برخی معادن آفریقای جنوبی که آنها بعد از استخراج طلا از ماده معدنی ، باقیمانده ماده را برای تهیه اورانیوم مورد استفاده قرارمی دهند .
معادن توریم :
• سنگ معدنی مونازیت توریم : معادن توریم فراوانتر از اورانیوم است و ماده معدنی اصلی ان عبارتست از فسفات خاصی که ترکیب آن بسیار پیچیده است مونازیت (Monazite) نام دارد. مهمترین معادن آن در هندوستان جنوبی و برزیل واقع است معادن دیگری که وسعت آن چندان زیاد نیست ولی از حیث میزان توریم بسیار غنی می باشد در جزیره سیلان کشف شده است و نیز در این اواخر منابع مهمی شامل مونازیت در جزایر ماداگاسکار کشف کرده اند .
• سنگ معدنی توریت توریم : سنگ معدنی دیگری از توریم که توریت (Thorite) نام دارد در استرالیا ، برزیل ، ماداگاسکار ، اسکاندیناویا ، بریتانیا ، ایالت متحده و روسیه وجود دارد .
به هیچ وجه ممکن نیست که با دقت معین نماییم که در آینده چه میزان اورانیوم و توریوم در جهان استخراج خواهد شد و به مصرف تهیه انرژی خواهد رسید البته با تولید مصنوعی این مواد رادیو اکتیو و نیز سایر مکانیزم های تولید انرژی هسته ای از جمله همجوشی های کنترل شده سبب شده که دیگر مشکل جستجو و کشف معادن اورانیوم و توریم وجود نداشته باشد و یا این نیاز از راه های دیگر برطرف می شود .
تبدیل توریم به اورانیوم:
توریم را در کوره اتمی توسط نوترون بمباران می کنند این عنصر پس از یک سری تغییرات رادیو اکتیو به اورانیوم 233 تبدیل می شود که مانند اورانیوم 235 و پلوتنیم 239 توسط نوترونهای حرارتی شکافته می شود . غنی سازی اورانیوم مقدمه سنگ معدن اورانیوم موجود در طبیعت از دو ایزوتوپ 235U به مقدار 0.7 درصد و 238U به مقدار 3.99 درصد تشکیل شده است. سنگ معدن را ابتدا در اسید حل کرده و بعد از تخلیص فلز ، اورانیوم را بصورت ترکیب با اتم فلوئور (9F ) و بصورت مولکول اورانیوم هگزا فلوراید تبدیل میکنند که به حالت گازی است. سرعت متوسط مولکولهای گازی با جرم مولکولی گاز نسبت عکس دارد.
غنی سازی با دستگاه سانتریفیوژ سانتریفیوژ دستگاهی است که برای جدا سازی مواد از یکدیگر بر اساس وزن آنها استفاده میشود. این دستگاه مواد را با سرعت زیاد حول یک محور به گردش در میآورد و مواد متناسب با وزنی که دارند از محور فاصله میگیرند. در واقع در این روش برای جدا سازی مواد از یکدیگر از شتاب ناشی از نیروی گریز از مرکز استفاده میگردد، کاربرد عمومی این دستگاه برای جداسازی مایع از مایع و یا مایع از جامد است. سانتریفیوژهایی که برای غنی سازی اورانیوم 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 اورانیوم استفاده کنند از تکنولوژی خاصی بنام Gaseous Diffusion به معنی پخش و توزیع گازی استفاده میکردند. غنی سازی با دیفوزیون گازی Gaseous Diffusion
گراهان در سال 1864 پدیدهای را کشف کرد که در آن سرعت متوسط مولکولهای گاز با معکوس جرم مولکولی گاز متناسب بود. از این پدیده که به نام دیفوزیون گازی مشهور است برای غنی سازی اورانیوم استفاده میکنند. در عمل اورانیوم هگزا فلوراید طبیعی گازی شکل را از ستونهایی که جدار آنها از اجسام متخلخل (خلل و فرج دار) درست شده است عبور میدهند. سوراخهای موجود در جسم متخلخل باید قدری بیشتر از شعاع اتمی یعنی در حدود 2.5 آنگسترم (7-25x10 سانتیمتر) باشد.
ضریب جداسازی متناسب با اختلاف جرم مولکولها است. روش غنی سازی اورانیوم تقریبا مطابق همین اصولی است که در اینجا گفته شد. با وجود این میتوان به خوبی حدس زد که پرخرج ترین مرحله تهیه سوخت اتمی همین مرحله غنی سازی ایزوتوپها است، زیرا از هر هزاران کیلو سنگ معدن اورانیوم 140 کیلوگرم اورانیوم طبیعی بدست میآید که فقط یک کیلوگرم 235U خالص در آن وجود دارد. Gaseous Diffusion از جمله تکنولوژیهایی بود که ایالات متحده طی جنگ جهانی دوم در پروژهای بنام منهتن (Manhattan) برای ساخت بمب هستهای ، با کمک انگلیس و کانادا به آن دست پیدا کرد.
در این روش با تکرار استفاده از این صفحات فیلتر مانند ، بصورت آبشاری (Cascade) ، میزان 235U را به مقدار دلخواه بالا میبردند. این روش اولین راهکارهای صنعتی برای غنی سازی اورانیوم بود که کابرد عملی پیدا کرد. نمونهای از سانتریفیوژهای گازی آبشاری که برای غنی سازی اورانیوم از آنها استفاده میشود. Hyper-Centrifuge اما در روش استفاده از سانتریفیوژ برای غنی سازی اورانیوم ، تعداد بسیار زیادی از این دستگاهها بصورت سری و موازی بکار میبرند تا با کمک آن بتوانند غلظت 235U را افزایش دهند.
گاز هگزافلوراید اورانیوم (UF6) در داخل سیلندرهای سانتریفیوژ تزریق میشود و با سرعت زیاد به گردش در آورده میگردد. گردش سریع سیلندر ، نیروی گریز از مرکز بسیار قوی تولید میکند و طی آن مولکولهای سنگینتر (آنهایی که شامل ایزوتوپ 238U هستند) از مرکز محور گردش دورتر میگردند و برعکس آنها که مولکولهای سبکتری دارند (حاوی ایزوتوپ 235U ) بیشتر حول محور سانتریفیوژ قرار میگیرند.
در این هنگام با استفاده از روشهای خاص گازی که حول محور جمع شده است جمع آوری شده به مرحله دیگر یعنی دستگاه سانتریفیوژ بعدی هدایت میگردد. میزان گاز هگزافلوراید اورانیوم شامل 235U که در این روش از یک واحد جداسازی بدست میآید به مراتب بیشتر از مقداری است که در روش قبلی (Gaseous Diffusion) بدست میآید، به همین علت است که امروزه در بیشتر نقاط جهان برای غنی سازی اورانیوم از این روش استفاده میکنند.
بزرگترین دستگاههای آبشاری سانتریفیوژ در کشورهایی مانند فرانسه ، آلمان ، انگلستان و چین در حال غنی سازی اورانیوم هستد. این کشورها علاوه بر مصرف داخلی به صادرات اورانیوم غنی شده نیز میپردازند. کشور ژاپن هم دارای دستگاههای بزرگ سانتریفیوژ است، اما تنها برای مصرف داخلی اورانیوم غنی شده تولید میکند. غنی سازی اورانیم از طریق میدان مغناطیسی یکی از روشهای غنی سازی اورانیوم استفاده از میدان مغناطیسی بسیار قوی میباشد. در این روش ابتدا اورانیوم هگزا فلوئورید را حرارت میدهند تا تبخیر شود. از طریق تبخیر ، اتمهای اورانیوم و فلوئورید از هم تفکیک میشوند. در این حالت ، اتمهای اورانیوم را به میدان مغناطیسی بسیار قوی هدایت میکنند. میدان مغناطیسی بر هستههای باردار اورانیم نیرو وارد میکند ( این نیرو به نیروی لورنتس معروف میباشد) و اتمهای اورانیوم را از مسیر مستقیم خود منحرف میکند. اما هستههای سنگین اورانیم (238U ) نسبت به هستههای سبکتر (235U ) انحراف کمتری دارند و درنتیجه از این طریق میتوان 235U را از اورانیوم طبیعی تفکیک کرد. کاربردهای اورانیوم غنی شده • شرایطی ایجاد کرده اند که نسبت 235U به 238U را به 5 درصد میرساند. برای این کار و تخلیص کامل اورانیوم از سانتریفوژهای بسیار قوی استفاده میکنند. • برای ساختن نیروگاه اتمی ، اورانیوم طبیعی و یا اورانیوم غنی شده بین 1 تا 5 درصد کافی است. • برای تهیه بمب اتمی حداقل 5 تا 6 کیلوگرم 235U صد درصد خالص نیاز است. در صنایع نظامی از این روش استفاده نمیشود و بمبهای اتمی را از 239Pu که سنتز و تخلیص شیمیایی آن بسیار سادهتر است تهیه میکنند.
نحوه تولید سوخت پلوتونیوم رادیو اکتیو این عنصر ناپایدار را در نیروگاههای بسیار قوی میسازند که تعداد نوترونهای موجود در آنها از صدها هزار میلیارد نوترون در ثانیه در سانتیمتر مربع تجاوز میکند. عملا کلیه بمبهای اتمی موجود در زراد خانههای جهان از این عنصر درست میشود. روش ساخت این عنصر در داخل نیروگاههای هستهای به این صورت که ایزوتوپهای 238U شکست پذیر نیستند، ولی جاذب نوترون کم انرژی هستند. تعدادی از نوترونهای حاصل از شکست 235U را جذب میکنند و تبدیل به 239U میشوند. این ایزوتوپ از اورانیوم بسیار ناپایدار است و در کمتر از ده ساعت تمام اتمهای بوجود آمده تخریب میشوند.
در درون هسته پایدار 239U یکی از نوترونها خود به خود به پروتون و یک الکترون تبدیل میشود. بنابراین تعداد پروتونها یکی اضافه شده و عنصر جدید را که 93 پروتون دارد نپتونیوم مینامند که این عنصر نیز ناپایدار است و یکی از نوترونهای آن خود به خود به پروتون تبدیل شده و در نتیجه به تعداد پروتونها یکی اضافه شده و عنصر جدید پلوتونیم را که 94 پروتون دارد ایجاد میکنند. این کار حدودا در مدت یک هفته صورت میگیرد.