مقدمه :

 

استفاده اصلي از انرژي هسته‌اي ، توليد انرژي الكتريسته است. اين راهي ساده و كارآمد براي جوشاندن آب و ايجاد بخار براي راه‌اندازي توربين‌هاي مولد است. بدون راكتورهاي موجود در نيروگاه‌هاي هسته‌اي، اين نيروگاه‌ها شبيه ديگر نيروگاه‌ها زغال‌سنگي و سوختي مي‌شود. انرژي هسته‌اي بهترين كاربرد براي توليد مقياس متوسط يا بزرگي از انرژي الكتريكي به‌طور مداوم است. سوخت اينگونه ايستگاه‌ها را اوانيوم تشكيل مي‌دهد.

چرخه سوخت هسته‌اي تعدادي عمليات صنعتي است كه توليد الكتريسته را با اورانيوم در راكتورهاي هسته‌اي ممكن مي‌كند.

 

اورانيوم عنصري نسبتاً معمولي و عادي است كه در تمام دنيا يافت مي‌شود. اين عنصر به‌صورت معدني در بعضي از كشورها وجود دارد كه حتماً بايد قبل از مصرف به صورت سوخت در راكتورهاي هسته‌اي، فرآوري شود.

الكتريسته با استفاده از گرماي توليد شده در راكتورهاي هسته‌اي و با ايجاد بخار براي به‌كار انداختن توربين‌هايي كه به مولد متصل‌اند توليد مي‌شود.

 

سوختي كه از راكتور خارج شده، بعد از اين كه به پايان عمر مفيد خود رسيد مي‌تواند به عنوان سوختي جديد استفاده شود.

 

فعاليت‌هاي مختلفي كه با توليد الكتريسيته از واكنش‌هاي هسته‌اي همراهند مرتبط به چرخه‌ سوخت هسته‌اي هستند. چرخه سوختي انرژي هسته‌اي با اورانيوم آغاز مي‌شود و با انهدام پسمانده‌هاي هسته‌اي پايان مي‌يابد. دوبار عمل‌آوري سوخت‌هاي خرج شده به مرحله‌هاي چرخه سوخت هسته‌اي شكلي صحيح مي‌دهد.

 

اين روزها در مجلات,روزنامه ها,تلويزيون وغيره از همه چيز ميشنويم ولي بيشتر از همه فعاليت هاي صلح آميزوغير صلح آميز هسته اي است كه ذهنمان را مشغول ميسازد.در اينجا سعي بر آن است كه مطالب حتي الامكان به صورت عامه فهم وبه گونه اي كه حق مطلب ادا شود .

 

ميدانيم كه دنياي اطرافمان از 92 عنصر موجود در طبيعت ساخته شده است. به اين شكل كه عناصر از اتم ها ساخته شده اند وتشكيل مولكول آن عنصر را ميدهند و اگر اين مولكولها در كنار يكديگرقرار گيرند ماده بوجود مي آيد. بسياري از مواد از عناصر مختلف تشكيل شده اند بنابراين اتم هاي مختلفي در آنها وجود دارد. لازم به ذكر است قطر اتم 10 به توان منفي ده متر ميباشد واندازه هسته در مركز اتم0001/0 بزرگي اتم كوچكتر است و يا به عبارتي دقيقتر قطر كامل هسته به طور ميانگين 10به توان منفي 15 متر ميباشد.

 

ابتدا به تشريح ساختمان اتم ميپردازيم:

 

در داخل هر اتم سه ذره وجود دارد:الكترون با بار منفي , پروتون با بار مثبت و نوترون خنثي. بارهاي همنام يكديگر را دفع و بارهاي غير همنام يكديگر را جذب ميكنند بجز نوترون كه هيچ عكس العملي ندارد.

 

هسته اتم هر عنصر از پروتون و نوترون تشكيل شده است كه مجموع تعداد آنها را عدد اتمي آن عنصر ,وبه آنها نوكلئون ميگويند. لازم به ذكر است جرم نوترون 675/1ضربدر 10 به توان منفي 27 كيلوگرم ,وجرم پروتون 673/1ضربدر 10 به توان منفي 27 ميباشد.

 

پروتون هاي تشكيل دهنده هسته اتم چون داراي بار مثبت هستند پس طبيعي است كه يكديگر را دفع كنند براي جلوگيري از اين اتفاق نوترون ها مانند چسبي از متلاشي شدن هسته جلوگيري ميكنند.الكترون ها نيز در مدارات بيضي شكل و نامنظم در اطراف هسته با سرعت بسيار زياد در حال گردشند وهر چه اين الكترون ها به لايه والانس نزديكتر ميشوند تعلق آنها به هسته كاهش ميابد(بر اساس مدل اتمي بور).

 

اما اگر بخواهيم علمي تر بحث كنيم بايد بگوئيم تقريبا سه نيرو در هسته هر اتم وجود داردكه يكي از آنها سعي در انهدام هسته و دو تاي ديگر سعي در پايداري هسته دارند. اولي نيروي كولني يا همان دافعه پروتوني ميباشد , دومي نيروي گرانش ناشي از جاذبه بين ذرات جرم دار است وسومي كه مهمترين دليل جلوگيري از متلاشي شدن هسته ميباشد همان نيروي هسته اي است. دقت كنيد نيروي كولني بسيار ناچيز است و نميتواند به تنهايي هسته را متلاشي كند و نيروي گرانش ذرات نيز بسيار كم ميباشد و توانايي در تعادل نگه داشتن هسته را ندارد,در واقع اين نيروي هسته اي است كه اتم را در تعادل نگه داشته و از واپاشيده شدن نوكلئون ها جلوگيري ميكند. براي توضيح اين نيرو بايد گفت اگر فاصله بين پروتون و نوترون از 5 ضربدر 10 به توان منفي 15 متر(5فمتو متر) بيشتر شود نيروي هسته اي وجود ندارد , بر عكس اگر اين فاصله از مقدار ياد شده كمتر شود نيروي هسته اي بيشترميشود بدين طريق هسته از متلاشي شدن نجات ميابد.

 

سال 1905 در يك آپارتمان كوچك در شماره 49 خيابان كرامر گاسه در برلين (منزل مسكوني اينشتين)اتفاق بزرگي افتاد ; كسي چه ميدانست با كشف فرمول معروف نسبيت خاص E=mc2 ميتوان جان هزاران نفر را در هيروشيما و ناكازاكي گرفت و يا اينكه براي ميليون ها نفر در سرار جهان برق و انرژي توليد كرد ؟!

 

فرمول E=mc2 به ما ميگويد كه اندازه انرژي آزاد شده برابر است با تغييرات جرم جسم تبديل شده در مجذور سرعت نور. به اين معني كه اگر ما جسمي به جرم مثلا يك كيلوگرم را با سرعتي نزديك به سرعت نور به حركت درآوريم انرژي معادل 9ضربدر10به توان 16 ژول خواهيم داشت كه رقم بسيار وحشتناكي است ولي واقعيت اين است كه چنين چيزي غير ممكن است !!! چرا ؟

 

چون بر اساس همان فرمول نسبيت حركت با سرعت نور براي اجسام غير ممكن است. براي درك بهتر موضوع فرمول را به شكل ديگري مينويسيم : m=E/C2 اگر C2 ثابت فرض شود به روشني پيداست كه انرژي و جرم نسبت مستقيم با يكديگر دارند ,حال اگر ما بخواهيم جسمي به جرم m را با سرعت نور © به حركت درآوريم طبيعتا بايد به آن انرژي بدهيم و از آنجا كه m و E با يكديگر نسبت مستقيم دارند پس هر چه انرژي بيشتر شود m نيز بزرگتر ميشود ودر واقع قسمت اعظم انرژي صرف ازدياد جرم ميشود تا سرعت دادن به جسم . پس تقريبا به بي نهايت انرژي نياز داريم واين همان چيزي است كه حركت با سرعت نور را براي اجسام غير ممكن ميكند.

 

قبل از اينكه توضيحات بيشتري داده شود لازم است كمي هم در مورد راههاي آزاد كردن انرژي هسته اي بگوئيم.

 

به طور كلي انرژي موجود در هسته به دو روش آزاد ميشود :

 

1 - روش شكافت هسته اي كه در آن يك اتم سنگين مانند اورانيوم تبديل به دو اتم سبكتر ميشود . ويا به عبارتي ديگر وقتي كه هسته اي سنگين به دو يا چند هسته با جرم متوسط تجزيه ميشود ميگويند شكافت هسته اي رخ داده است و وقتي هسته اي با عدد اتمي زياد شكافته شود , مقداري از جرم آن ناپديد وبه انرژي تبديل ميشود(طبق قانون نسبيت).

 

2 - روش همجوشي (گداخت هسته اي) ; كه در آن دو اتم سبك مانند هيد روژن تبديل به يك اتم سنگين مانند هليم ميشود. درست همانند اتفاقي كه در حال حاضر در خورشيد مي افتد, كه در هر دو حالت انرژي قابل توجهي آزاد مي شود.

 

در حال حاضر اكثر بمب هاي هسته اي ونيروگاههاي هسته اي بروش شكافت هسته عمل ميكنند .

 

حال دوباره به توضيحات مربوط اتم بر ميگرديم . در اينجا لازم است نكاتي را در مورد پايداري و ناپايداري توضيخ دهيم...

 

اگر ما 13 پروتون را با 14 نوترون تركيب كنيم هسته اي خواهيم داشت كه اگر 13 الكترون در اطراف آن گردش كنند يك اتم آلومينيوم را ميسازند .حال اگر ميلياردها عدد از اين اتم ها را در كنار هم قرار دهيم آلومينيوم را مي سازيم(AL27) كه با آن انواع وسايل نظير قوطي ها و درب وپنجره ها و غيره... را ميتوان ساخت.

 

حال اگر همين آلومينيوم را در شيشه اي قرار دهيم ! وچند ميليون سال به عقب برگرديم اين آلومينيوم هيچ تغييري نخواهد كرد ,پس آلومينيوم عنصري پايدار است . تا حدود يك قرن پيش تصور بر اين بودكه تمام عناصر پايدار هستند. مساله مهم ديگر اينكه بسياري از اتم ها در اشكال متفاوتي ديده مي شوند . براي مثال : مس دو شكل پايدار دارد , مس 63 ومس 65 كه به اين دو نوع ايزوتوپ گفته مي شود .هر دوي آنها 29 پروتون دارند اما چون در عدد اتمي 2 واحد فرق دارند به سادگي مي توان فهميد كه تعداد نوترون هاي اولي 34 وديگري 36 است وهر دوي آنها پايدار هستند.در حدود يك قرن پيش دانشمندان متوجه شدند گه همه عناصر ايزوتوپ هايي دارند كه راديواكتيو هستند.مثلا : هيدروژن را در نظر بگيريد , در مورد اين عنصر سه ايزوتوپ شناخته شده است.

 

1 - هيدروژن معمولي يا نرمال (H1) در هسته اتم حود يك پروتون دارد وبدون هيچ نوتروني. البته واضح است چون نيازي نيست تا خاصيت چسبانندگي خود را نشان دهد چرا كه پروتون ديگري وجود ندارد.

2 - هيدروژن دوتريم كه يك پروتون ويك نوترون دارد و در طبيعت بسيار نادر است. اگرچه عمل آن بسيار شبيه هيدروژن نوع اول است براي مثال ميتوان از آن آب ساخت اما ميزان بالاي آن سمي است.

 

هر دو ايزوتوپ ياد شده پايدار هستند اما ايزوتوپ ديگري از هيدروژن وجود دارد كه ناپايدار است !

 

3 - ايزوتوپ سوم هيدروژن (تريتيوم) كه شامل دو نوترون و يك پروتون است. همان طور كه قبلا گفته شد اين نوع هيدروژن ناپايدار است . يعني اگر مجددا ظرفي برداريم واين بار درون آن را با اين نوع از هيدروژن پر كنيم و يك ميليون سال به عقب برگرديم متوجه ميشويم كه ديگر هيدروژني نداريم و همه آن به هليم 3 تبديل شده است (2 پروتون و يك نوترون) واين ها همه توضيحاتي ساده در مورد پايداري و ناپايداري بود.

 

در يك پاراگراف ساده ميتوان گفت كه هر چه هسته اتم سنگين تر شود تعداد ايزوتوپ ها بيشتر ميشود و هر چه تعداد ايزوتوپ ها بيشتر شود امكان بوجود آمدن هسته هاي ناپايدار نيز بيشتر خواهد شد و در نتيجه احتمال وجود نوع راديواكتيو نيز بيشتر ميشود.

 

در طبيعت عناصر خاصي را ميتوان يافت كه همه ايزوتوپ هايشان راديو اكتيو باشند.براي مثال دو عنصر سنگين طبيعت كه در بمب ها ونيروگاههاي هسته اي از آنها استفاده مي شود را نام ميبريم : اورانيوم و پلوتونيوم.

 

اورانيوم به طور طبيعي فلزي است سخت,سنگين,نقره اي و راديواكتيو,با عدد اتمي 92.سالهاي زيادي از آن به عنوان رنگ دهنده لعاب سفال يا تهيه رنگهاي اوليه در عكاسي استفاده ميشد و خاصيت راديواكتيو آن تا سال 1866 ناشناخته ماند و قابليت آن براي استفاده به عنوان منبع انرژي تا اواسط قرن بيستم مخفي بود.

 

خصوصيات فيزيكي اورانيوم

 

اورانيوم طبيعي (كه بشكل اكسيد اورانيوم است) شامل3/99% از ايزوتوپ اورانيوم 238 و7/0% اورانيوم 235است. كه نوع 235 آن قابل شكافت است و مناسب براي بمب ها ونيروگاههاي هسته اي است. اين عنصر از نظر فراواني در ميان عناصر طبيعي پوسته در رده 48 قراردارد. از نظر تراكم و چگالي بايد گفت 6/1 مرتبه متراكم تر از سرب است.وهمين تراكم باعث سنگين تر شدن آن مي شود.براي مثال اگر يك گالن شير وزني حدود 4 كيلوگرم داشته باشد ,يك گالن اورانيوم 75 كيلوگرم وزن دارد!!!

 

انواع اورانيوم

 

اورانيوم با غناي پايين كه ميزان اورانيوم 235 آن كمتر از 25% ولي بيشتر از7/0% است كه سوخت بيشتر راكتورهاي تجاري بين 3 تا 5 درصد اورانيوم 235 است.

 

اورانيوم با غناي بالا كه در اينجا بيشتر از 25% وحتي در مواردي آن را تا98% نيز غني ميكنند و مناسب براي كاربردهاي نظامي وساخت بمب هاي هسته اي است.

 

و اما منظور از غني سازي اورانيوم چيست؟

 

بطور بسيار خلاصه غني سازي عبارت است از انجام عملي كه بواسطه آن مقدار اورانيوم 235 بيشتر شود و مقدار اورانيوم 238 كمتر. كه پس از جمع آوري اورانيوم 238 ,آن را زباله اتمي مي نامند.

غني سازي اورانيوم به روشهاي مختلفي انجام مي شود كه چند مورد از آن را خدمت شما يادآور مي شويم: 1-استفاده از اصل انتشار گازها 2-استفاده از روش فيلترينگ 3-استفاده از ميدانهاي مغناطيسي 4- استفاده از دستگاه سانتريفوژ كه در حال حاضر روش چهارم متداولترين,باصرفه ترين و مطمئن ترين روش به شمار ميآيد.

 

در اواخر سال 1938 هان,مايتنر و اشتراسمن به اكتشافي دست يافتند كه دنيا را تحت تاثير قرار داد ,آنها متوجه شدند كه ميتوان كاري كرد كه هسته هاي اورانيوم 235 شكسته شوند.

 

فرض كنيد كه نوتروني در اطراف يك هسته اورانيوم 235 آزادانه در حال حركت است,اين هسته تمايل زيادي دارد كه نوترون كند را به درون خود بكشاند وآن راجذب كند.هسته اورانيوم پس از گير اندازي اين نوترون,ديگر هسته اي پايدار نيست وناگهان از هم شكافته مي شود اين هسته در طي فرآيند شكافت به دو يا چند هسته با جرم كوچكتر ,يعني به صورت هسته هاي عناصر نزديك به مركز جدول تناوبي تجزيه مي شود.به طور كلي در فرآيند شكافت اگر يك نوترون به هسته اصابت كند به طور ميانگين 5/?نوترون در اثر شكافت آزاد مي شود حال اگر ما تعداد نوترون هاي آزاد شده را 3 عدد فرض كنيم و مدت زمان لازم براي تحقق هر شكافت 01/0 ثانيه باشدمقدار اورانيوم مصرف شده در طي زمان يك ثانيه در حدود 10به توان 23 كيلوگرم خواهد بود !!! واضح است كه واكنش زنجيره اي شكافت ميتواند مقادير قابل توجهي از اورانيوم را در مدت زمان ناچيزي به انرزي تبديل كند.با توجه به توضيحات داده شده به وضوح مشخص است كه ما نيازي به توليد مستمر نوترون نداريم بلكه با اصابت اولين نوترون به هسته وآزاد شدن نوترون هاي ناشي از فرآيند شكافت ما ميتوانيم نوترون مورد نياز خود را بدست آوريم كه مسلما اين تعداد نوترون بسيار بيشتر از نياز ما خواهد بود. لازم به ذكر است كه به حداقل مقدار اورانيومي كه براي فرآيند شكافت لازم است جرم بحراني يا مقدار بحراني مي گويند واز به هم پيوستن دو يا چند جرم بحراني يك ابر جرم بحراني حاصل مي شود.

 

حال اگر بخواهيم واكنش زنجيره اي ادامه پيدا كند,حفظ يك اندازه بحراني براي ماده اوليه اورانيوم ضرورت دارد .در صورتي كه مقدار اورانيوم را خيلي كمتر از جرم بحراني بگيريم ,بيشتر نوترون هاي توليدي فرار خواهند كرد زيرا اين فرار به عواملي چون : شكل فيزيكي اورانيوم و جرم آن وابسته است و در نتيجه واكنش متوقف مي شود. از سوي ديگر اگر مقدار اورانيوم را فوق العاده زياد بگيريم مثلا به اندازه يك ابر جرم بحراني,تمام نوترون هاي توليدي در واكنش هاي بعدي شركت خواهند كرد وانرژي آزاد شده در يك فاصله زماني كوتاه آنچنان زياد خواهد شد كه نتيجه اي جز انفجار نخواهد داشت!! بين اين دو حالت يك خط فاصل وجود دارد:اگر بزرگي كره اورانيومي شكل را درست برابر اندازه بحراني بگيريم آنگاه از هر شكافت فقط يك نوترون براي شركت در شكافت بعدي باقي مي ماند در اين صورت واكنش با آهنگ ثابتي ادامه مي يابد. از خاصيت حالت سوم براي توجيح عملكرد نيروگاههاي هسته اي استفاده مي كنند. حال اگر به اندازه كافي اورانيوم 235 در اختيار داشته باشيم به آساني مي توانيم يك بمب ساده بسازيم !!!!! به اين شكل كه دو نيم كره از اورانيوم 235 را كه هر كدام به اندازه جرم بحراني است در دو انتهاي يك استوانه قرار ميدهيم و اين دو قطعه را بوسيله ساز وكاري كه خود طراحي كرده ايم ناگهان به يكديگر متصل مي كنيم كه در اين حالت ابر جرم بحراني تشكيل مي شود,حال اگر توسط دستگاه نوترون ساز نوتروني به هسته نزديك كنيم وقوع انفجار حتمي است!!

 

در عمل براي آنكه انفجاري بزرگ و موثر حاصل شود ريزه كاري هاي زيادي را بايد رعايت كرد.

 

در هر حال براي توضيح عملكرد نيروگاههاي هسته اي لازم به ذكر است راكتورهاي هسته اي را چنان طراحي ميكنند كه در آنها واكنش شكافت در شرايطي نزديك به حالت بحراني تحقق يابد. قلب راكتور اساسا متشكل است از سوخت(در اين مورد اورانيوم 235) كه در استوانه هاي مخصوص در بسته اي جا سازي شده اند. اين استوانه ها در ماده اي كه كند كننده ناميده مي شوند غوطه ورشده اند.كند كننده به منظور كند سازي و باز تاباندن نوترونهايي كه در واكنش شكافت توليد ميشوند مورد استفاده قرار ميگيرد كه متداول ترين آنها عبارتند از:آب,آب سنگين وكربن. كه در اينجااگر در آب معمولي (H2O) به جاي ايزوتوپ هيدروژن معمولي از ايزوتوپ هيدروژن دوتريم استفاده شود آب سنگين بدست مي آيد.

 

سرعت واكنش را نيز مي توان به كمك چند ميله كنترل كرد كه اين ميله ها در قلب راكتور قرار مي گيرند. اين ميله ها معمولا از ماده اي مانند كادميوم كه نوترون ها را بخوبي جذب ميكند ساخته مي شوند. براي آنكه آهنگ واكنش افزايش يابد ميله ها را تا حدودي از قلب راكتور بيرون مي آورند ,براي كاستن از سرعت واكنش و يا متوقف ساختن آن,ميله ها را بيشتر در قلب راكتور فرو ميبرند.در نهايت واكنش صورت گرفته در راكتور به صورت گرماي بسيار زيادي ظاهر مي شود بنابراين طبيعي است كه راكتور ها همانند يك كوره عمل كنند وسوختش به جاي گاز,نفت ويا ذغال سنگ ,اورانيوم 235 باشد. گرماي توليد شده را به كمك جريان سيالي كه از قلب راكتور ميگذرد به محفظه مبادله كننده گرما كه در آن آب وجود دارد منتقل ميكنند و درآنجا آب داخل مبادله كننده را تبخير ميكنند ;بخار متراكم شده پس از به گردش درآوردن توربين ژنراتورهاي مولد برق,مجددا به داخل محفظه مبادله كننده باز ميگردد.البته سيال گرم شده چون از قلب راكتور مي گذرد و درآنجا در معرض تابش پرتوهاي راديواكتيو قرار ميگيرد مستلزم مراقبت هاي ويژه است.

 

و اما نكاتي جالب در مورد بمب هاي هسته اي

 

منطقه انفجار بمب هاي هسته اي به پنج قسمت تقسيم ميشود:

1- منطقه تبخير

2- منطقه تخريب كلي

3- منطقه آسيب شديد گرمايي

4- منطقه آسيب شديد انفجاري

 5- منطقه آسيب شديد باد وآتش

 كه در منطقه تبخير درجه حرارتي معادل سيصد ميليون درجه سانتيگراد !!! بوجود مي آيد و اگر هر چيزي از فلز گرفته تا انسان وحيوان در اين درجه حرارت قرار بگير آتش نميگيرد بلكه بخار مي شود!!!!

 

اثرات زيانبار اين انفجار حتي تا شعاع پنجاه كيلومتري وجود دارد و موج انفجار آن كه حامل انرژي زيادي است مي تواند ميليون ها دلار از تجهيزات الكترونيكي پيشرفته نظير: ماهواره ها و يا سيستم هاي مخابراتي را به مشتي آهن پاره تبديل كند و همه آنها را از كار بيندازد.

 

اينها همه اثرات ظاهري بمب هاي هسته اي بود پس از انفجار تا سال هاي طولاني تشعشعات زيانبار راديواكتيو مانع ادامه حيات موجودات زنده در محل هاي نزديك به انفجار مي شود.

 

راديو اكتيو از سه پرتو آلفا , بتا و گاما تشكيل شده است كه نوع گاماي آن از همه خطرناك تر است و با توجه به فركانس بسيار بالا ,جرم و انرژي بالايي كه دارد اگر به بدن انسان برخورد كند از ساختار سلولي آن عبور كرده و در مسير حركت خود باعث تخريب ماده دزوكسي ريبو نوكلوئيك اسيد يا همان DNA و سرانجام زمينه را براي پيدايش انواع سرطان ها,سندرم ها ونقايص غير قابل درمان ديگر فراهم مي كند وحتي اين نقايص به نسلهاي آينده نيز منتقل خواهد شد.

 

و اما كاربرد تشعشعات راديواكتيو چيست؟

 

بسياري از محصولات توليدي واكنش شكافت هسته اي شديدا ناپايدارند و در نتيجه ,قلب راكتور محتوي مقادير زيادي نوترون پر انرژي ,پرتوهاي گاما,ذرات بتا وهمچنين ذرات ديگر است. هر جسمي كه در راكتور گذاشته شود ,تحت بمباران اين همه تابشهاي متنوع قرار ميگيرد. يكي از موارد استعمال تابش راكتور توليد پلوتونيوم 239 است .اين ايزوتوپ كه نيمه عمري در حدود24000سال دارد به مقدار كمي در زمين يافت مي شود . پلوتونيوم 239 از لحاظ قابليت شكافت خاصيتي مشابه اورانيوم دارد.براي توليد پلوتونيوم239,ابتدا اورانيوم 238 را در قلب راكتور قرار مي دهند كه در نتيجه واكنش هايي كه صورت مي گيرد ,اورانيوم239 بوجود مي آيد.اورانيوم 239 ايزوتوپي ناپايدار است كه با نيمه عمري در حدود 24 دقيقه,از طريق گسيل ذره بتا ,به نپتونيوم 239 تبديل مي شود . نپتونيوم 239 نيز با نيمه عمر 2/4 روز و گسيل ذره بتا واپاشيده و به محصول نهايي يعني پلوتونيوم 239 تبديل مي شود.در اين حالت پلوتونيوم239 همچنان با مقاديري اورانيوم 238 آميخته است اما اين آميزه چون از دو عنصر مختلف تشكيل شده است ,بروش شيميايي قابل جدا سازي است.امروزه با استفاده از تابش راكتور صدها ايزوتوپ مفيد ميتوان توليد كردكه بسياري از اين ايزوتوپ هاي مصنوعي را در پزشكي بكار ميبريم. در پايان بايد بگوئيم اثرات زيانبار انفجار هاي اتمي و تشعشعات ناشي از آن باعث آلودگي آبهاي زير زميني ,زمين هاي كشاورزي و حتي محصولات كشاورزي مي شود ولي با همه اين مضرات اورانيوم عنصري است ارزشمند;زيرا در كنار همه سواستفاده ها مي توان از آن به نحوي احسن و مطابق با معيارهاي بشر دوستانه استفاده نمود. فراموش نكنيد از اورانيوم و پلوتونيوم مي توان استفاده هاي صلح آميز نيز داشت چرا كه از انرژي يك كيلوگرم اورانيوم 235 مي توان چهل هزار كيلو وات ساعت ! الكتريسيته توليد كرد كه معادل مصرف ده تن ذغال سنگ يا 50000گالن نفت است!!!!!!!!

 

چرخه سوخت هسته اى و اجزاى تشكيل دهنده آن

 

انرژى هسته اى با توجه به ويژگى هاى حيرت انگيزش در آزادسازى حجم بالايى از انرژى در قبال از ميان رفتن مقادير ناچيزى از جرم، به عنوان جايگزين سوخت هاى پيرفسيلى كه ناجوانمردانه در حال بلعيده شدن هستند، مطرح شده است. ايران نيز با وجود منابع گسترده نفت و گاز به دليل كاربردهاى بهترى كه سوخت هاى فسيلى نسبت به سوزانده شدن در كوره ها و براى توليد حرارت دارند، براى دستيابى به اين نوع از انرژى تلاش هايى را از سال هاى دور داشته است و در سال هاى پس از انقلاب همواره مورد اتهام واقع شده كه هدف اصلى اش نه فناورى صلح آميز كه رسيدن به فناورى تسليحات هسته اى است.

 

در اين گفتار پيش از آن كه وارد مباحث متداول ديپلماتيك شويم نگاهى خواهيم انداخت به چرخه سوخت هسته اى و اجزاى تشكيل دهنده آن، همچنين مرز ميان كاربرد صلح آميز و تسليحاتى را نشان خواهيم داد.چرخه سوخت هسته اى شامل مراحل استخراج، آسياب، تبديل، غنى سازى، ساخت سوخت باز توليد و راكتور هسته اى است و به يك معنا كشورى كه در چرخه بالا به حد كاملى از خودكفايى و توسعه رسيده باشد با فناورى توليد سلاح هاى هسته اى فاصله چندانى ندارد.

 

استخراج

 

در فناورى هسته اى، خواه صلح آميز باشد يا نظامى، ماده بنيادى موردنياز، اورانيوم است. اورانيوم از معادن زيرزمينى و همچنين حفارى هاى روباز قابل استحصال است. اين ماده به رغم آن كه در تمام جهان قابل دستيابى است اما سنگ معدن تغليظ شده آن به مقدار بسيار كمى قابل دستيابى است.

 

زمانى كه اتم هاى مشخصى از اورانيوم در يك واكنش زنجيره اى دنباله دار كه به دفعات متعدد تكرار شده، شكافته مى شود، مقادير متنابهى انرژى آزاد مى شود، به اين فرآيند شكافت هسته اى مى گويند. فرآيند شكاف در يك نيروگاه هسته اى به آهستگى و در يك سلاح هسته اى با سرعت بسيار روى مى دهد اما در هر دو حالت بايد به دقت كنترل شوند. مناسب ترين حالت اورانيوم براى شكافت هسته اى ايزوتوپ هاى خاصى از اورانيوم 235 (يا پلوتونيوم 239) است. ايزوتوپ ها، اتم هاى يكسان با تعداد نوترون هاى متفاوت هستند. به هرحال اورانيوم 235 به دليل تمايل باطنى به شكافت در واكنش هاى زنجيرى و توليد انرژى حرارتى به عنوان «ايزوتوپ شكافت» شناخته شده است. هنگامى كه اتم اورانيوم 235 شكافته مى شود دو يا سه نوترون آزاد مى كند اين نوترون ها با ساير اتم هاى اورانيوم 235 برخورد كرده و باعث شكاف آنها و توليد نوترون هاى جديد مى شود.براى روى دادن يك واكنش هسته اى به تعداد كافى از اتم هاى اورانيوم 235 براى امكان ادامه يافتن اين واكنش ها به صورت زنجيرى و البته خودكار نيازمنديم. اين جرم مورد نياز به عنوان «جرم بحرانى» شناخته مى شود.بايد توجه داشت كه هر 1000 اتم طبيعى اورانيوم شامل تنها حدود هفت اتم اورانيوم 235 بوده و 993 اتم ديگر از نوع اورانيوم 238 هستند كه اصولاً كاربردى در فرآيندهاى هسته اى ندارند.

 

 

 

 

تبديل اورانيوم

 

سنگ معدن اورانيوم استخراج شده در آسياب خرد و ريز شده و به پودر بسيار ريزى تبديل مى شود. پس از آن طى فرآيند شيميايى خاصى خالص سازى شده و به صورت يك حالت جامد به هم پيوسته كه از آن به عنوان «كيك زرد» (yellow cake) ياد مى شود، درمى آيد. كيك زرد شامل 70 درصد اورانيوم بوده و داراى خواص پرتوزايى (radioactive) است.

 

هدف پايه اى دانشمندان هسته اى از فرآيند غنى سازى افزايش ميزان اتم هاى اورانيوم 235 است كه براى اين هدف اورانيوم بايد اول به گاز تبديل شود. با گرم كردن اورانيوم تا دماى 64 درجه سانتيگرادى حالت جامد به گاز هگزا فلوئوريد اورانيوم (UFG) تبديل مى شود. هگزافلوئوريد اورانيوم خورنده و پرتوزا است و بايد با دقت جابه جا شود، لوله ها و پمپ ها در كارخانه هاى تبديل كننده به صورت ويژه اى از آلياژ آلومينيوم و نيكل ساخته مى شوند. گاز توليدى همچنين بايد از نفت و روغن هاى گريس به جهت جلوگيرى از واكنش هاى ناخواسته شيميايى دور نگه داشته شود.

 

غنى سازى

 

هدف غنى سازى مشخصاً افزايش ميزان اورانيوم 235 _ ايزوتوپ شكافت _ است. اورانيوم مورد نياز در مصارف صلح آميز نظير راكتورهاى هسته اى نيروگاه ها بايد شامل دو تا سه درصد اورانيوم 235 باشد اما اورانيوم مورد نياز در تسليحات اتمى بايد شامل بيش از نود درصد اورانيوم 235 باشد.شيوه متداول غنى سازى اورانيوم سانتريفوژ كردن گاز است. در اين روش هگزافلوئوريد اورانيوم در يك محفظه استوانه اى با سرعت بالا در شرايط گريز از مركز قرار مى گيرد. اين كار باعث جدا شدن ايزوتوپ هاى با جرم حجمى بالاتر از اورانيوم 235 مى شود (اورانيوم 238). اورانيوم 238 در طى فرآيند گريز از مركز به سمت پائين محفظه كشيده شده و خارج مى شود، اتم هاى سبك تر اورانيوم 235 از بخش ميانى محفظه جمع آورى و جدا مى شود. اورانيوم 235 تجميع شده پس از آن به محفظه هاى گريز از مركز بعدى هدايت مى شود. اين فرآيند بارها در ميان زنجيرى از دستگاه هاى گريز از مركز در كنار هم چيده شده تكرار مى شود تا خالص ترين ميزان اورانيوم بسته به كاربرد آن به دست آيد.از اورانيوم غنى شده در دو نوع سلاح هسته اى استفاده مى شود يا به صورت مستقيم در بمب هاى اورانيومى و يا طى چند مرحله در بمب هاى پلوتونيومى مورد استفاده قرار مى گيرد.

 

بمب اورانيومى

 

هدف نهايى طراحان بمب هاى هسته اى رسيدن به يك جرم «فوق بحرانى» است كه باعث ايجاد يك سرى واكنش هاى زنجيره اى به همراه توليد حجم بالايى از حرارت مى شود. در يكى از ساده ترين نوع طراحى اين بمب ها يك جرم زير بحرانى كوچك تر به جرم بزرگ ترى شليك مى شود و جرم ايجاد شده باعث ايجاد يك جرم فوق بحرانى و به تبع آن يك سرى واكنش هاى زنجيره اى و يك انفجار هسته اى مى شود.كل اين فرآيند در كمتر از يك دقيقه رخ مى دهد. براى ساخت سوخت براى يك بمب اورانيومى هگزافلوئوريد اورانيوم فوق غنى شده در ابتدا به اكسيد اورانيوم و سپس به شمش فلزى اورانيوم تبديل مى شود. ميزان انرژى آزاد شده ناشى از شكافت هسته اى را به كمك يك فناورى تقويتى افزايش مى دهند. اين فناورى شامل كنترل و به كارگيرى خواص همجوشى يا گداخت هسته اى است.در همجوشى هسته اى ما شاهد به هم پيوستن ايزوتوپ هايى از هيدروژن و پس از آن تشكيل يك اتم هليوم هستيم. به دنبال اين واكنش مقادير قابل توجهى گرما و فشار آزاد مى شود. از سوى ديگر همجوشى هسته اى سبب توليد نوترون هاى بيشتر و تغذيه واكنش شكافت شده و انفجار بزرگ ترى را ترتيب مى دهد.

 

برخى تجهيزات اين فناورى تقويتى به عنوان بمب هيدروژنى و سلاح هاى هسته اى _ حرارتى (Thermonuclear) شناخته مى شوند.

 

 

 

راكتورهاى هسته اى

 

راكتورها داراى كاربردهاى كاملاً دوگانه هستند. در مصارف صلح آميز با بهره گيرى از حرارت توليدى در شكافت هسته اى كار مى كنند. اين حرارت جهت گرم كردن آب، تبديل آن به بخار و استفاده از بخار براى حركت توربين ها بهره گرفته مى شود. همچنين اگر قصد ساخت بمب هاى پلوتونيومى در كار باشد نيز اورانيوم غنى شده را به راكتورهاى هسته اى منتقل مى كنند.در نوع خاصى از راكتورهاى هسته اى از اورانيوم غنى شده به شكل قرص هايى به اندازه يك سكه و ارتفاع يك اينچ بهره مى گيرند. اين قرص ها به صورت كپسول هاى ميله اى شكل صورت بندى شده و درون يك محفظه عايق، تحت فشار قرار داده مى شوند.

 

در بسيارى از نيروگاه هاى هسته اى اين ميله ها جهت خنك شدن درون آب غوطه ور هستند. روش هاى ديگر خنك كننده نيز نظير استفاده از دى اكسيدكربن يا فلز مايع هستند. براى كاركرد مناسب يك راكتور _ مثلاً توليد حرارت با كمك واكنش شكافت _ هسته اورانيومى بايد داراى جرم فوق بحرانى باشد، اين بدين معناست كه مقدار كافى و مناسبى از اورانيوم غنى شده جهت شكل گيرى يك واكنش زنجيرى خود به خود پيش رونده موردنياز است.براى تنظيم و كنترل فرآيند شكافت ميله هاى كنترل كننده از جنس موادى نظير گرافيت با قابليت جذب نوترون هاى درون راكتور وارد محفظه مى شوند. اين ميله ها با جذب نوترون ها باعث كاهش شدت فرآيند شكافت مى شوند.

 

در حال حاضر بيش از چهارصد نيروگاه هسته اى در جهان وجود دارند و 17 درصد الكتريسيته جهان را توليد مى كنند. راكتورها همچنين در كشتى ها و زيردريايى ها كاربرد دارند.

 

بازپردازش

 

بازپردازش يك عمليات شيميايى است كه سوخت كاركردى را از زباله هاى اتمى جدا مى كند.در اين عمليات ميله سوخت مصرف شده، غلاف بيرونى فلزى خود را در قبال حل شدن در اسيدنيتريك داغ از دست مى دهد.محصولات اين عمليات كه در راكتور مورد استفاده دوباره قرار مى گيرد، شامل 96 درصد اورانيوم، سه درصد زباله اتمى به شدت پرتوزا و يك درصد پلوتونيوم است.همه راكتورهاى هسته اى پلوتونيوم توليد مى كنند اما انواع نظامى آنها به صورت كاملاً بهينه ترى نسبت به ساير انواع راكتور اين كار را انجام مى دهند. يك واحد بازپردازش و يك راكتور جهت توليد مقدار كافى پلوتونيوم مى توانند به صورت نامحسوسى در يك ساختمان عادى جاسازى شوند.اين مسئله باعث مى شود استخراج پلوتونيوم با كمك بازپردازش به گزينه اى جذاب براى هر كشورى كه به دنبال برنامه هاى غيرقانونى سلاح هاى اتمى است، تبديل شود.

 

بمب پلوتونيوم

 

پلوتونيوم مزيت هاى متعددى نسبت به اورانيوم به عنوان جزيى از سلاح هاى اتمى دارد. تنها حدود چهار كيلوگرم پلوتونيوم براى ساخت يك بمب موردنياز است، همچنين براى توليد 12 كيلوگرم پلوتونيوم در هر سال تنها به يك واحد كوچك بازپردازش نياز است. يك كلاهك هسته اى شامل يك كره پلوتونيوم، احاطه شده توسط پوسته اى از فلز، مثلاً بريليوم، است كه نوترون ها را به فرآيند شكاف بازمى گرداند. اين مسئله باعث مى شود مقدار كمترى پلوتونيوم براى رسيدن به جرم بحرانى و ايجاد يك واكنش شكافت زنجيره اى مورد نياز باشد. به هرحال يك گروه تروريستى براى دسترسى به پلوتونيوم از راكتورهاى هسته اى غيرنظامى داراى مشكلات كمترى نسبت به دسترسى به اورانيوم غنى شده جهت ايجاد يك انفجار هسته اى هستند.كارشناسان معتقدند كه بمب هاى عمل آورى شده پلوتونيوم مى تواند با تخصصى كمتر از آنچه كه توسط فرقه «آئوم» در حمله با گاز اعصاب به مترو توكيو(1995) به كار گرفته شد، طراحى و جمع آورى شود.

 

يك انفجار هسته اى از اين نوع مى تواند با نيروى معادل يكصد تنى TNT منفجر شود؛ بيست بار قوى تر از بزرگ ترين حمله تروريستى تاريخ!

 

چگونه يك بمب هسته اي بسازيم ؟

 

بمب هاي اتمي شامل نيروهاي قوي و ضعيفي اند كه اين نيروها هسته يك اتم را به ويژه اتم هايي كه هسته هاي ناپايداري دارند، در جاي خود نگه مي دارند. اساسا دو شيوه بنيادي براي آزادسازي انرژي از يك اتم وجود دارد:

 

1- شكافت هسته اي: مي توان هسته يك اتم را با يك نوترون به دو جزء كوچك تر تقسيم كرد. اين همان شيوه اي است كه در مورد ايزوتوپ هاي اورانيوم (يعني اورانيوم 235 و اورانيوم 233) به كار مي رود.

 

2- همجوشي هسته اي: مي توان با استفاده از دو اتم كوچك تر كه معمولا هيدروژن يا ايزوتوپ هاي هيدروژن (مانند دوتريوم و تريتيوم) هستند، يك اتم بزرگ تر مثل هليوم يا ايزوتوپ هاي آن را تشكيل داد. اين همان شيوه اي است كه در خورشيد براي توليد انرژي به كار مي رود. در هر دو شيوه ياد شده ميزان عظيمي انرژي گرمايي و تشعشع به دست مي آيد.

 

براي توليد يك بمب اتمي موارد زير نياز است:

 

o يك منبع سوخت كه قابليت شكافت يا همجوشي را داشته باشد.

 

o دستگاهي كه همچون ماشه آغازگر حوادث باشد.

 

o راهي كه به كمك آن بتوان بيشتر سوخت را پيش از آنكه انفجار رخ دهد دچار شكافت يا همجوشي كرد.

 

در اولين بمب هاي اتمي از روش شكافت استفاده مي شد. اما امروزه بمب هاي همجوشي از فرآيند همجوشي به عنوان ماشه آغازگر استفاده مي كنند.

 

بمب هاي شكافتي (فيزيوني): يك بمب شكافتي از ماده اي مانند اورانيوم 235 براي خلق يك انفجار هسته اي استفاده مي كند. اورانيوم 235 ويژگي منحصر به فردي دارد كه آن را براي توليد هم انرژي هسته اي و هم بمب هسته اي مناسب مي كند. اورانيوم 235 يكي از نادر موادي است كه مي تواند زير شكافت القايي قرار بگيرد.اگر يك نوترون آزاد به هسته اورانيوم 235 برود،هسته بي درنگ نوترون را جذب كرده و بي ثبات شده در يك چشم به هم زدن شكسته مي شود. اين باعث پديد آمدن دو اتم سبك تر و آزادسازي دو يا سه عدد نوترون مي شود كه تعداد اين نوترون ها بستگي به چگونگي شكسته شدن هسته اتم اوليه اورانيوم 235 دارد. دو اتم جديد به محض اينكه در وضعيت جديد تثبيت شدند از خود پرتو گاما ساطع مي كنند. درباره اين نحوه شكافت القايي سه نكته وجود دارد كه موضوع را جالب مي كند.

 

1 - احتمال اينكه اتم اورانيوم 235 نوتروني را كه به سمتش است، جذب كند، بسيار بالا است. در بمبي كه به خوبي كار مي كند، بيش از يك نوترون از هر فرآيند فيزيون به دست مي آيد كه خود اين نوترون ها سبب وقوع فرآيندهاي شكافت بعدي اند. اين وضعيت اصطلاحا «وراي آستانه بحران» ناميده مي شود.

 

2 - فرآيند جذب نوترون و شكسته شدن متعاقب آن بسيار سريع و در حد پيكو ثانيه (12-10 ثانيه) رخ مي دهد.

 

3 - حجم عظيم و خارق العاده اي از انرژي به صورت گرما و پرتو گاما به هنگام شكسته شدن هسته آزاد مي شود.

 

انرژي آزاد شده از يك فرآيند شكافت به اين علت است كه محصولات شكافت و نوترون ها وزن كمتري از اتم اورانيوم 235 دارند. اين تفاوت وزن نمايان گر تبديل ماده به انرژي است كه به واسطه فرمول معروف mc2= E محاسبه مي شود. حدود نيم كيلوگرم اورانيوم غني شده به كار رفته در يك بمب هسته اي برابر با چندين ميليون گالن بنزين است. نيم كيلوگرم اورانيوم غني شده انداز ه اي معادل يك توپ تنيس دارد. در حالي كه يك ميليون گالن بنزين در مكعبي كه هر ضلع آن 17 متر (ارتفاع يك ساختمان 5 طبقه) است، جا مي گيرد. حالا بهتر مي توان انرژي آزاد شده از مقدار كمي اورانيوم 235 را متصور شد.براي اينكه اين ويژگي هاي اروانيوم 235 به كار آيد بايد اورانيوم را غني كرد. اورانيوم به كار رفته در سلاح هاي هسته اي حداقل بايد شامل نود درصد اورانيوم 235 باشد.در يك بمب شكافتي، سوخت به كار رفته را بايد در توده هايي كه وضعيت «زير آستانه بحران» دارند، نگه داشت. اين كار براي جلوگيري از انفجار نارس و زودهنگام ضروري است. تعريف توده اي كه در وضعيت «آستانه بحران» قرار داد چنين است: حداقل توده از يك ماده با قابليت شكافت كه براي رسيدن به واكنش شكافت هسته اي لازم است. اين جداسازي مشكلات زيادي را براي طراحي يك بمب شكافتي با خود به همراه مي آورد كه بايد حل شود.

 

ساختار نيروگاه اتمي :

 

به طور خلاصه چگونگي كاركرد نيروگاه هاي اتمي را بيان كرده و ساختمان دروني آنها را مورد بررسي قرار مي دهيم.

طي سال هاي گذشته اغلب كشورها به استفاده از اين نوع انرژي هسته اي تمايل داشتند و حتي دولت ايران ۱۵ نيروگاه اتمي به كشورهاي آمريكا، فرانسه و آلمان سفارش داده بود. ولي خوشبختانه بعد از وقوع دو حادثه مهم تري ميل آيلند (Three Mile Island) در ۲۸ مارس ۱۹۷۹ و فاجعه چرنوبيل (Tchernobyl) در روسيه در ۲۶ آوريل ۱۹۸۶، نظر افكار عمومي نسبت به كاربرد اتم براي توليد انرژي تغيير كرد و ترس و وحشت از جنگ اتمي و به خصوص امكان تهيه بمب اتمي در جهان سوم، كشورهاي غربي را موقتاً مجبور به تجديدنظر در برنامه هاي اتمي خود كرد.

 

نيروگاه اتمي در واقع يك بمب اتمي است كه به كمك ميله هاي مهاركننده و خروج دماي دروني به وسيله مواد خنك كننده مثل آب و گاز، تحت كنترل درآمده است. اگر روزي اين ميله ها و يا پمپ هاي انتقال دهنده مواد خنك كننده وظيفه خود را درست انجام ندهند، سوانح متعددي به وجود مي آيد و حتي ممكن است نيروگاه نيز منفجر شود، مانند فاجعه نيروگاه چرنوبيل شوروي. يك نيروگاه اتمي متشكل از مواد مختلفي است كه همه آنها نقش اساسي و مهم در تعادل و ادامه حيات آن را دارند. اين مواد عبارت اند از:

 

۱ _ ماده سوخت متشكل از اورانيوم طبيعي، اورانيوم غني شده، اورانيوم و پلوتونيم است.

 

عمل سوختن اورانيوم در داخل نيروگاه اتمي متفاوت از سوختن زغال يا هر نوع سوخت فسيلي ديگر است. در اين پديده با ورود يك نوترون كم انرژي به داخل هسته ايزوتوپ اورانيوم ۲۳۵ عمل شكست انجام مي گيرد و انرژي فراواني توليد مي كند. بعد از ورود نوترون به درون هسته اتم، ناپايداري در هسته به وجود آمده و بعد از لحظه بسيار كوتاهي هسته اتم شكسته شده و تبديل به دوتكه شكست و تعدادي نوترون مي شود. تعداد متوسط نوترون ها به ازاي هر ۱۰۰ اتم شكسته شده ۲۴۷ عدد است و اين نوترون ها اتم هاي ديگر را مي شكنند و اگر كنترلي در مهار كردن تعداد آنها نباشد واكنش شكست در داخل توده اورانيوم به صورت زنجيره اي انجام مي شود كه در زماني بسيار كوتاه منجر به انفجار شديدي خواهد شد.

 

در واقع ورود نوترون به درون هسته اتم اورانيوم و شكسته شدن آن توام با انتشار انرژي معادل با ۲۰۰ ميليون الكترون ولت است اين مقدار انرژي در سطح اتمي بسيار ناچيز ولي در مورد يك گرم از اورانيوم در حدود صدها هزار مگاوات است. كه اگر به صورت زنجيره اي انجام شود، در كمتر از هزارم ثانيه مشابه بمب اتمي عمل خواهد كرد.

 

اما اگر تعداد شكست ها را در توده اورانيوم و طي زمان محدود كرده به نحوي كه به ازاي هر شكست، اتم بعدي شكست حاصل كند شرايط يك نيروگاه اتمي به وجود مي آيد. به عنوان مثال نيروگاهي كه داراي ۱۰ تن اورانيوم طبيعي است قدرتي معادل با ۱۰۰ مگاوات خواهد داشت و به طور متوسط ۱۰۵ گرم اورانيوم ۲۳۵ در روز در اين نيروگاه شكسته مي شود و همان طور كه قبلاً گفته شد در اثر جذب نوترون به وسيله ايزوتوپ اورانيوم ۲۳۸ اورانيوم ۲۳۹ به وجود مي آمد كه بعد از دو بار انتشار پرتوهاي بتا (يا الكترون) به پلوتونيم ۲۳۹ تبديل مي شود كه خود مانند اورانيوم ۲۳۵ شكست پذير است. در اين عمل ۷۰ گرم پلوتونيم حاصل مي شود. ولي اگر نيروگاه سورژنراتور باشد و تعداد نوترون هاي موجود در نيروگاه زياد باشند مقدار جذب به مراتب بيشتر از اين خواهد بودو مقدار پلوتونيم هاي به وجود آمده از مقدار آنهايي كه شكسته مي شوند بيشتر خواهند بود. در چنين حالتي بعد از پياده كردن ميله هاي سوخت مي توان پلوتونيم به وجود آمده را از اورانيوم و فرآورده هاي شكست را به كمك واكنش هاي شيميايي بسيار ساده جدا و به منظور تهيه بمب اتمي ذخيره كرد.

 

۲ _ نرم كننده ها موادي هستند كه برخورد نوترون هاي حاصل از شكست با آنها الزامي است و براي كم كردن انرژي اين نوترون ها به كار مي روند. زيرا احتمال واكنش شكست پي در پي به ازاي نوترون هاي كم انرژي بيشتر مي شود. آب سنگين (D2O) يا زغال سنگ (گرافيت) به عنوان نرم كننده نوترون به كار برده مي شوند.

 

۳ _ ميله هاي مهاركننده: اين ميله ها از مواد جاذب نوترون درست شده اند و وجود آنها در داخل رآكتور اتمي الزامي است و مانع افزايش ناگهاني تعداد نوترون ها در قلب رآكتور مي شوند. اگر اين ميله ها كار اصلي خود را انجام ندهند، در زماني كمتر از چند هزارم ثانيه قدرت رآكتور چند برابر شده و حالت انفجاري يا ديورژانس رآكتور پيش مي آيد. اين ميله ها مي توانند از جنس عنصر كادميم و يا بور باشند.

 

۴ _ مواد خنك كننده يا انتقال دهنده انرژي حرارتي: اين مواد انرژي حاصل از شكست اورانيوم را به خارج از رآكتور انتقال داده و توربين هاي مولد برق را به حركت در مي آورند و پس از خنك شدن مجدداً به داخل رآكتور برمي گردند. البته مواد در مدار بسته و محدودي عمل مي كنند و با خارج از محيط رآكتور تماسي ندارند. اين مواد مي توانند گاز CO2 ، آب، آب سنگين، هليم گازي و يا سديم مذاب باشند.

 

تاريخچه بمب اتم :

 

هانري بكرل نخستين كسي بود كه متوجه پرتودهي عجيب سنگ معدن اورانيم گرديدپس از آن در سال 1909 ميلادي ارنست رادرفورد هسته اتم را كشف كرد وي همچنين نشان داد كه پرتوهاي راديواكتيو در ميدان مغناطيسي به سه دسته تقسيم مي شود( پرتوهاي الفا و بتا و گاما) بعدها دانشمندان دريافتند كه منشاء اين پرتوها درون هسته اتم اورانيم مي باشد.

در سال 1938 با انجام ازمايشاتي توسط دو دانشمند ا لماني بنامهاي ا توها ن و فريتس شتراسمن فيزيك هسته اي پاي به مرحله تازه اي نهاد اين فيزيكدانان با بمباران هسته اتم اورانيم بوسيله نوترونها به عناصر راديواكتيوي دست يافتندكه جرم اتمي كوچكتري نسبت به اورانيم داشت او براي توصيف علت ايجاد اين عناصرليزه ميتنرو اتو فريش پديده شكافت هسته رادر اورانيم تو ضيح دادند ودر اينجا بود كه نا قوس شوم اختراع بمب اتمي به صدا در امد.

بعدها فيزيكدانان ديگري نيز دراين محدوده به تحقيق مي پرداختند يكي ازانان انريكو فرمي بود( 1954 - 1901) كه بخاطر تحقيقاتش در سال 1938 موفق به دريافت جايزه نوبل گرديد.

 

در سال 1939 يعني قبل از شروع جنگ جهاني دوم در بين فيزيكدانان اين بيم وجود داشت كه المانيهابه كمك فيزيكدانان نابغه اي مانند هايزنبرگ ودستيارانش بتوانند با استفاده از دانش شكافت هسته اي بمب اتمي بسازندبه همين دليل از البرت انيشتين خواستند كه نامه اي به فرانكلين روزولت رئيس جمهوروقت امريكا بنويسد در ان نامه تاريخي از امكان ساخت بمبي صحبت شد كه هر گز هايزنبرگ ان را نساخت.

 

چنين شد كه دولتمردان امريكا براي پيشدستي برالمان پروژه مانهتن را به راه انداختند وازانريكو فرمي دعوت به عمل اوردند تا مقدمات ساخت بمب اتمي را فراهم سازد سه سال بعددر دوم دسامبر 1942 در ساعت 3 بعد از ظهر نخستين راكتور اتمي دنيا در دانشگاه شيكاگو امريكا ساخته شد.

 

سپس در 16 ژوئيه 1945 نخستين ازمايش بمب اتمي در صحراي الامو گرودو نيو مكزيكو انجام شد.

 

سه هفته بعد هيروشيمادرساعت 8:15 صبح در تاريخ 6 اگوست 1945 بوسيله بمب اورانيمي بمباران گردييد و ناكازاكي در 9 اگوست سال 1945 در ساعت حدود 11:15 بوسيله بمب پلوتونيمي بمباران شدند كه طي ان بمبارانها صدها هزار نفر فورا جان باختند.

 

انريكو فرمي (صف جلو نفر اول سمت چپ) و همكارانش در شيكاگو پس از ساخت نخستين راكتور هسته اي جهان به اميد انكه از راكتور هسته اي تنها در اهداف صلح اميز استفاده شود و دنيا عاري از سلاحهاي اتمي گردد

براي توليد يك بمب اتمي موارد زير نياز است:

 

يك منبع سوخت كه قابليت شكافت يا همجوشي را داشته باشد.

دستگاهي كه همچون ماشه آغازگر حوادث باشد.

راهي كه به كمك آن بتوان بيشتر سوخت را پيش از آنكه انفجار رخ دهد دچار شكافت يا همجوشي كرد.

در اولين بمب هاي اتمي از روش شكافت استفاده مي شد. اما امروزه بمب هاي همجوشي از فرآيند همجوشي به عنوان ماشه آغازگر استفاده مي كنند.بمب هاي شكافتي (فيزيوني): يك بمب شكافتي از ماده اي مانند اورانيوم 235 براي خلق يك انفجار هسته اي استفاده مي كند. اورانيوم 235 ويژگي منحصر به فردي دارد كه آن را براي توليد هم انرژي هسته اي و هم بمب هسته اي مناسب مي كند. اورانيوم 235 يكي از نادر موادي است كه مي تواند زير شكافت القايي قرار بگيرد.اگر يك نوترون آزاد به هسته اورانيوم 235 برود،هسته بي درنگ نوترون را جذب كرده و بي ثبات شده در يك چشم به هم زدن شكسته مي شود. اين باعث پديد آمدن دو اتم سبك تر و آزادسازي دو يا سه عدد نوترون مي شود كه تعداد اين نوترون ها بستگي به چگونگي شكسته شدن هسته اتم اوليه اورانيوم 235 دارد. دو اتم جديد به محض اينكه در وضعيت جديد تثبيت شدند از خود پرتو گاما ساطع مي كنند. درباره اين نحوه شكافت القايي سه نكته وجود دارد كه موضوع را جالب مي كند.

 

1 - احتمال اينكه اتم اورانيوم 235 نوتروني را كه به سمتش است، جذب كند، بسيار بالا است. در بمبي كه به خوبي كار مي كند، بيش از يك نوترون از هر فرآيند فيزيون به دست مي آيد كه خود اين نوترون ها سبب وقوع فرآيندهاي شكافت بعدي اند. اين وضعيت اصطلاحا وراي آستانه بحران ناميده مي شود.

2 - فرآيند جذب نوترون و شكسته شدن متعاقب آن بسيار سريع و در حد پيكو ثانيه (12-10 ثانيه) رخ مي دهد.

3 - حجم عظيم و خارق العاده اي از انرژي به صورت گرما و پرتو گاما به هنگام شكسته شدن هسته آزاد مي شود. انرژي آزاد شده از يك فرآيند شكافت به اين علت است كه محصولات شكافت و نوترون ها وزن كمتري از اتم اورانيوم 235 دارند. اين تفاوت وزن نمايان گر تبديل ماده به انرژي است كه به واسطه فرمول معروف mc2= E محاسبه مي شود. حدود نيم كيلوگرم اورانيوم غني شده به كار رفته در يك بمب هسته اي برابر با چندين ميليون گالن بنزين است. نيم كيلوگرم اورانيوم غني شده انداز ه اي معادل يك توپ تنيس دارد. در حالي كه يك ميليون گالن بنزين در مكعبي كه هر ضلع آن 17 متر (ارتفاع يك ساختمان 5 طبقه) است، جا مي گيرد. حالا بهتر مي توان انرژي آزاد شده از مقدار كمي اورانيوم 235 را متصور شد.براي اينكه اين ويژگي هاي اروانيوم 235 به كار آيد بايد اورانيوم را غني كرد. اورانيوم به كار رفته در سلاح هاي هسته اي حداقل بايد شامل نود درصد اورانيوم 235 باشد.در يك بمب شكافتي، سوخت به كار رفته را بايد در توده هايي كه وضعيت زير آستانه بحران دارند، نگه داشت. اين كار براي جلوگيري از انفجار نارس و زودهنگام ضروري است. تعريف توده اي كه در وضعيت آستانه بحران قرار داد چنين است: حداقل توده از يك ماده با قابليت شكافت كه براي رسيدن به واكنش شكافت هسته اي لازم است. اين جداسازي مشكلات زيادي را براي طراحي يك بمب شكافتي با خود به همراه مي آورد كه بايد حل شود.

1 - دو يا بيشتر از دو توده زير آستانه بحران براي تشكيل توده وراي آستانه بحران بايد در كنار هم آورده شوند كه در اين صورت موقع انفجار به نوترون بيش از آنچه كه هست براي رسيدن به يك واكنش شكافتي، نياز پيدا خواهد شد.

2 - نوترون هاي آزاد بايد در يك توده وراي آستانه بحران القا شوند تا شكافت آغاز شود.

3 - براي جلوگيري از ناكامي بمب بايد هر مقدار ماده كه ممكن است پيش از انفجار وارد مرحله شكافت شود براي تبديل توده هاي زير آستانه بحران به توده هايي وراي آستانه بحران از دو تكنيك چكاندن ماشه و انفجار از درون استفاده مي شود.تكنيك چكاندن ماشه ساده ترين راه براي آوردن توده هاي زير بحران به همديگر است. بدين صورت كه يك تفنگ توده اي را به توده ديگر شليك مي كند. يك كره تشكيل شده از اورانيوم 235 به دور يك مولد نوترون ساخته مي شود. گلوله اي از اورانيوم 235 در يك انتهاي تيوپ درازي كه پشت آن مواد منفجره جاسازي شده، قرار داده مي شود.كره ياد شده در انتهاي ديگر تيوپ قرار مي گيرد. يك حسگر حساس به فشار ارتفاع مناسب را براي انفجار چاشني و بروز حوادث زير تشخيص مي دهد:

 

1 - انفجار مواد منفجره و در نتيجه شليك گلوله در تيوپ

2 - برخورد گلوله به كره و مولد و در نتيجه آغاز واكنش شكافت

3 - انفجار بمب

 

نخستین بمب اتمی که بمبی پلوتونیومی(از نوع شکافتی) بود در سال ۱۹۴5م در جریان جنگ جهانی دوم در آمریکا ساخته و در شانزدهم ژوئیهء1945م در صحرای آلاموگوردو در نیو مکزیکوی امریکا آزمایش شد. آمریکا تنها کشوری است که از بمب اتمی (شکافتی-اورانیومی در هیروشیما وشکافتی - پلوتونیومی در ناگازاکی) استفاده نظامی کرده است. شوروی در سال ۱۹۴۹ دارای بمب اتمی شد.

اختراع این سلاح،ریشه طولانی در تاریخ علم فیزیک و شیمی دارد اما استفاده از دانش به دست آمده، برای ساخت بمب اتمی بیشتر به روبرت اوپنهایمر و ادوارد تلر نسبت داده می شود.

 

«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.

 

1- 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.

 

 

1- :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 ساختمان 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 وجود 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.