زمان مطالعه: ۶ دقیقه

با سلام و احترام خدمت شما مخاطبین عزیز وبلاگ بین جو (Binjo)، در این مقاله قصد داریم تا با زبانی ساده به مبحث انرژی هسته ای از نوع شکافت هسته ای بپردازیم.

شکافت و انرژی هسته ای

در حدود سال ۱۰۳۹ میلادی، جمعی از دانشمندان آلمانی، با بمباران کردن نمونه‌ای از اورانیوم با نوترون متوجه تولید باریم که جرمی در حدود نصف جرم اورانیوم دارد، شدند. همان‌طور که می‌دانید، نوترون ذره‌ای است از لحاظ الکتریکی خنثی، که در کنار پروتون با الکتریکی مثبت هسته اتم را شکل می‌دهند.

در واقع اتم اورانیوم در این فرآیند، به اتم‌هایی به جرم کمتر تبدیل شد. این دانشمندان به لحاظ تشابه با فرآیند‌های مشابه مولکولی در علم زیست شناسی، نام این فرآیند را شکافت گذاشتند. در واقع فرآیند تقسیم شدن یک هسته سنگین (نظیر اورانیوم) به دو هسته با جرم کمتر به شکافت هسته ای موسوم است. جهت آشنایی به هسته اتم به مقاله زیر مراجعه نمایید.

در تمام هسته‌های شناخته شده در علم فیزیک و شیمی، نیرو جاذبه هسته ای قوی تر از نیروی دافعه کولنی (نیرو دافعه بین پروتون‌ها) بوده و بر آن غلبه می‌کند. در هسته اورانیوم نیرو هسته ای نسبت به نیروی دافعه کولنی خیلی قویتر نبوده و شکننده است. در نتیجه جذب یک نوترون به دلیل تغییر شکلی که در هسته پدید می‌آورد، می‌تواند موجب تسلیم شدن نیروی هسته ای در مقابل نیروی دافعه کولنی شود.

لازم به ذکر است که جذب یک نوترون توسط هسته اورانیوم، مطابق به شکل زیر، باعث کشیده شدن هسته اورانیوم می‌شود.

شکافت هسته ای

نیروی دفعه کولنی موجب افزایش کشیدگی شده و در صورتی که کشیدگی از مرحله بجرانی گذر کند، در نهایت نیروهای هسته ای تسلیم نیروهای الکتریکی می‌شوند و در نتیجه هسته به دو بخش همانند شکل فوق، تقسیم شده یا به اصطلاح دچار شکافت هسته ای می‌شود.

در فرآیند شکافت هسته ای‌، ترکیب‌های مختلفی از هسته‌های کوچکتر (سبک‌تر) پدید می‌آیند. به طور مثال به فرآیند شکافت اورانیوم که در زیر آمده است، هسته کریپتون، هسته باریم و تعدادی نوترون شتاب دار (بین ۲ تا ۵، عموماً ۳) تولید می‌شود.

واکنش شکافت هسته ای اورانیوم

توجه داشته باشید که منظور از هسته مرکب ناپایدار، همان حالتی است که نوتورن جذب هسته اورانیوم شده و آن را دچار کشیدگی می‌کند. این فرآیند در شکل زیر نیز نشان داده شده است:

شکافت اورانیوم

در شکل فوق، وقتی نوترونی به هسته اورانیوم  برخورد می‌کند و جذب آن می‌شود، هسته اورانیوم مرتعش شده و تغییر شکل می‌دهد. این ارتعاش می‌تواند به گونه‌ای تغییر کند که در نقطه‌ای بحرانی، جاذبه هسته اتم تسلیم نیروی دافعه الکترواستاتیکی (نیروی کولنی) بین پروتون‌های هسته شود. در این صورت هسته اورانیوم به بخش‌هایی کوچکتر (حامل انرژی جنبشی) تقسیم می‌شود.

توجه داشته باشید که سرعت و شتاب نوترون‌های آزاد شده در فرآیند شکافت هسته‌ای نسبت به نوتورن اولیه بیشتر است. همین نوترون‌های تولیدی پس از کند شدن، موجب بروز واکنش زنجیری می‌شوند.

واکنش زنجیری

در فرآیند شکافت هسته ای اورانیوم دیدیم که فرآیند مذکور با جذب یک فوتون کند آغاز می‌شود. در معادله شکافت فوق دیدیم که اگر هسته‌های تولید شده باریم و کریپتون باشند، سه نوترون نیز به وجود می‌آید.

از آنجایی که نوترون‌ها از لحاظ الکتریکی خنثی هستند، توسط هسته‌‌ها دفع نشده و پس از کند شدن می‌توانند توسط هسته‌های دیگر جذب شوند. در واقع هر کدام از این ۳ نوترون با برخورد و جذب به سه هسته اورانیوم ۲۳۵ دیگر، می‌توانند ۹ نوترون تولید آزاد کنند. حال اگر همین فرآیند برای این ۹ نوترون تکرار شود، ۲۷ نوترون آزاد می‌شود. این فرایند تا آخر می‌تواند ادامه داشته باشد! در واقع فرآیند شکافت هسته ای به طور پشت سر هم (زنجیری) تکرار می‌شود. این رشته واکنش به واکنش زنجیری موسوم است.

واکنش زنجیره ای
در شکل فوق، منظور از اورانیوم ۲۳۶، همان اورانیوم ۲۳۵ است با احتساب جذب نوترون است. مشاهده می‌فرمایید که در فرآیند شکافت، هسته‌های مختلفی می‌توانند تشکیل شوند.

در هر واکنش شکافت، در حدود دویست میلیون الکترون ولت (۲۰۰MeV) انرژی هسته ای آزاد می‌شود. در مقام مقایسه، این مقدار انرژی در حدود  برابر انرژی آزاد شده از هر مولکول در واکنش‌هایی نظیر سوختن بنزین یا زغال سنگ است. لازم به ذکر است که حتی در افجاز تری نیتروتولوئن (TNT)، انرژی آزاد شده به ازای هر مولکول، در حدود ۳۰eV است.  جهت به دست آوردن مقدار انرژی بر حسب واحد رایج ژول، کافی است که از رابطه زیر استفاده کنید.

\(\large 1 eV = 1.6 \times 10^{-19} J\)

توجه داشته باشید که مجموع جرم پاره‌های شکافت (هسته‌های تولید شده) و نوترون‌های تولید شده در واکنش شکافت، از جرم اورانیوم اولیه مقداری کمتر است. این امر توسط رابطه جرم و انرژی اینشتین یعنی \(E = m c^{2}\) توجیح می‌شود. در واقع این اختلاف جرم، طبق رابطه \(E = m c^{2}\) به انرژی تبدیل می‌شود. در این رابطه c سرعت نور و m مقدار جرم است.

بخش بیشتر از این تبدیل جرم به انرژی، به صورت انرژی جنبشی نوترون و هسته‌های تولید شده در می‌آید. همچنین بخش دیگری از این انرژی، به صورت پرتو‌های مختلف (الکترومغناطیسی) در می‌آید. برای آنکه به قدرت  پی ببرید، پیشنهاد می‌کنیم تا مقدار انرژی بر حسب ژول، حاصل از تبدیل جرم ناچیز ۰.۰۰۰۱gr یعنی \(۱۰^{-۶}kg\) را به دست آورید.

\(E = m c^{2} = 10^{-6} \times (3 \times 10^8)^2 = 9 \times 10^{13}\ J\)

مشاهده می‌فرمایید که مقدار انرژی بسیار بسیار زیادی است. حال شاید درک بهتری از انرژی هسته ای آزاد شده از یک بمب هسته ای داشته باشید!

با توجه به مبحث واکنش زنجیری شاید این سوال برایتان مطرح شود که چرا در معادن اورانیوم، مشاهده چنین و انفجار‌هایی نابود کننده نیسیتم. برای پاسخ به این سوال باید بگوییم که فرآیند شکافت هسته‌ای معمولاً فقط در ایزوتوپ بسیار کمیاب اورانیوم ۲۳۵ رخ می‌دهد. درصد فراوانی این ایزوتوپ اوانیوم در حدود ۰.۷۲٪ اورانیوم طبیعی است.

غنی سازی اورانیوم

لازم به ذکر است ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۸ فراوانی بسیار زیادی دارد، نوترون‌ها را جذب کرده که معمولاً با این جذب شکافته نمی‌شوند و در نتیجه واکنش زنجیره‌ای نیز رخ نمی‌دهد. به طور متوسط در یک سنگ معدن اورانیوم نوعی، از هر ۱۴۰ اتم اورانیوم، تنها یک اتم ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۵ است.

غنی سازی اورانیوم

با توجه به نکته‌ای که در فوق بیان کردیم، شاید متوجه منظور فرآیند غنی سازی اورانیوم شده باشید. منظور از غنی سازی اورانیوم‌، جدا سازی ایزوتوپ‌های اورانیوم ۲۳۵ برای اهداف مختلف است. پس به فرآیند افزایش درصد یا غلظت ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۵ در یک نمونه اورانیوم، غنی سازی گفته می‌شود.

لازم به ذکر است که جدا سازی دو ایزوتوپ ۲۳۵ و ۲۳۸ ایز یکدیگر فرآیندی بسیار دشوار است. از آنجایی که دو ایزوتوپ، از لحاظ خواص شیمیایی یکسان هستند، با روش‌های شیمیایی نمی‌توان آن‌ها را از یکدیگر جدا کرد. به همین جهت باید از روش‌های فیزیکی استفاده کنیم. دو روش مرسوم فیزیکی جهت غنی سازی اورانیوم، استفاده از فرآیند پخش و سانتریفوژ گازی است. در واقع جداسازی این دو ایزوتوپ، بر اساس اختلاف جرم رخ می‌دهد.

فرآیند پخش

در این روش اورانیوم با فلوئوز واکنش داده و به صورت گاز هگزافلورید اورانیوم () در می‌آید. در این گاز تندی (سرعت) متوسط ایزوتوپ ۲۳۵ کمی بیشتر از ایزوتوپ با جرم بیشتر ۲۳۸ است. به همین جهت، ایزوتوپ ۲۳۵ از غشاهای نازکی که در این روش به کار می‌روند، راحت‌تر گذر می‌کند. فرآیند پخش و عبور از تعداد بسیار زیادی لایه‌های نازک تعبیه شده، سرانجام به تولید اورانیوم ۲۳۵ با غلظت مناسب، منجر می‌شود.

فرآیند پخش

سانتریفوژ گازی

در این روش، گاز هگزافلورید اورانیوم در یک استوانه جرخان بسیار سریع، همان سانتریفوژ (عموماً ۵۰ هزار دور در دقیقه) به حرکت در می‌آید. مولکول‌های گاز حاوی اورانیوم ۲۳۸ سنگین‌تر بوده و در نتیجه به سمت خارج رانده می‌شوند. مولکول‌های حاوی اورانیوم ۲۳۵ که سبک‌تر هستند، از قسمت مرکزی دستگاه خارج می‌شوند.

راکتور شکافت هسته ای

 

راکتور شکافت هسته ای

پلوتونیم

هنگامی که ایزوتوپ اورانیون ۲۳۸ نوترونی را جذب کند، به طور معمول، عمل شکافت صورت نمی‌گیرد. با جذب این فوتون، هسته حاصل یعنی اورانیون ۲۳۹ ()، هسته‌ای به شدت پرتوزا می‌شود. نیمه عمر این هسته در حدود ۲۳ دقیقه بوده و با گسیل یک ذره بتا، به عنصر فرا اورانیومی نپتونیم تبدیل می‌شود. جهت آشنایی با پرتوزایی به مقاله زیر مراجعه فرمایید.

نپتونیم () نیز هسته‌ای پرتو زا با نیمه عمر ۲.۳ روز بوده که خود با گسیل ذره بتا، به پلوتونیم تبدیل می‌شود. پلوتونیم () هسته‌ای با نیمه عمر بسیار زیاد ۲۴۰۰۰ سال است. لازم به ذکر است که پلوتونیم همانند اورانیوم ۲۳۵ با جذب فوتون دچار شکافت هسته ای می‌شود. نکته جالت توجه در مورد پلوتونیم این است که نسبت به اورانیوم ۲۳۵ شکافت‌پذیر تر بوده و لذا تحت شرایط خاصی نگه‌داری می‌شود.

پلوتونیم

 

امیدواریم تا مقاله انرژی هسته ای مورد پسند شما عزیزان واقع شده باشد. در انتها پیشنهاد می‌کنیم تا نگاهی بر سایر مقالات وبلاگ بین جو نیز داشته باشید.