شکافت هسته ای
شکافت
هسته ای
هسته اتم های آزاد شده در
فرآیند شکافت مربوط به عناصر شیمیایی مختلفی هستند. چون هسته های تولید شده نیز
معمولاً ایزوتوپ های ناپایدار میباشند، محصولات شکافت تا حد بالایی رادیواکتیو
هستند این ایزوتوپها هم واپاشی کرده و پرتوهای گاما و بتا تابش میکنند. این
محصولات شکافت به شدت رادیواکتیو ( یا ضایعات واپاشی آنها که همانند محصولات اولیه
شکافت بسیار ناپایدارند و زمان واپاشی بسیار کوتاهی دارند ) زباله های هسته ای به
حساب میآیند.
شکافت القا شده
با وجود اینکه اغلب اوقات،
ساده ترین شکل آغاز شکافت جذب یک نوترون آزاد توسط هسته است، واکنش شکافت را به
وسیله برخورد یک هسته قابل شکافت با دیگر ذرات نیز میتوان القا کرد. این ذرات میتوانند
پروتون، هسته های دیگر و یا حتی فوتون های با انرژی خیلی بالا مثل پرتوهای گاما
باشند.
• به ندرت ممکن پیش بیاید که یک هسته قابل شکافت بدون دریافت نوترون شکافت هسته ای
خودبه خودی انجام دهد.
• شکافت القایی در عناصر سنگین آسانتر است و به طور کلی هر چه هسته سنگین تر باشد
احتمال بیشتری وجود دارد تا شکافته شود . شکافت در عناصر سنگین تر از آهن انرژی
تولید میکند و در عناصر سبک تر از آهن نیاز به انرژی دارد. خلاف آن در مورد هم
جوشی هسته ای صادق است، هم جوشی در عناصر سبک تر از آهن انرژی تولید میکند و هم
جوشی در عناصر سنگین تر از آهن نیاز به انرژی دارد. بیشترین عناصری که در شکافت
هسته ای استفاده میشوند اورانیوم و
پلوتونیوم هستند. اورانیوم سنگین ترین عنصری است که در طبیعت یافت میشود.
پلوتونیوم دچار شکافت هسته ای خودبه خودی میشود و نیمه عمر نسبتاً کوتاهی دارد.
اگر چه عناصر دیگری هم هستند که میتوان از آنها استفاده کرد. اما این عناصر
بهترین ترکیب از لحاظ راحتی شکافت و یکنواختی را دارند.
اثرات ایزوتوپها
اورانیوم طبیعی شامل 3
ایزوتوپ است: U-234 ( %006/0)، U-235 ( %7/0)، U-238(%3/99) سرعت لازم برای یک واکنش شکافت نسبت
به یک واکنش غیر شکافت برای ایزوتوپ های مختلف متفاوت است. U-238 با نوترونهایی که انرژی بیشتر از 1Mev دارند شکافته میشود چنین نوترونهایی
از انفجارهای هم جوشی تولید میشوند. اما شکافت اورانیوم چنین نوترونهای پر انرژی
تولید کند. در حالتهای نادری u-238 نوترونهای کم
انرژی جذب میکند اما شکافته نمی شود بنابراین نمی تواند مانند U-235 در واکنش زنجیره ای شرکت کند. U-238 جرم بحرانی ندارد. با این حال وقتی
که یک نوترون جذب میکند U-239 حاصل ناپایدار
است و ابتدا به NP-239 و سپس به PU-239 واپاشیده میشود. PU-239 درست مانند U-235 با نوترونهای کند نیز شکافته میشود.
بنابراین قسمتی از انرژی تولید شده در رآکتورهایی که از سوخت اورانیوم استفاده میکنند
را شکافت پلوتونیوم تأمین میکند.
U-235 نسبت به U-238 با گستره وسیع تری از نوترونهای
باانرژی های مختلف واکنش میدهد. U-235 بزرگترین سطح
مقطع واکنش برای U-235 زمانی است که
با نوترونهای کند واکنش میدهد. بدین معنی که احتمال شکافت U-235 زمانی که با نوترونهای کند یا "
نوترونهای گرمایی " برخورد کند بسیار بیشتر است این نوترونها بسیار کم انرژی
تر از نوترونهایی هستند که از شکافت U-235 تولید
میشود. معمولاً از گرافیت یا آب برای کند کردن نوترونهایی که در واکنش شکافت
تولید میشوند استفاده میشود تا با استفاده از این نوترونها U-235 بیشتری شکافته میشود. اگر نسبت U-235 بالا باشد، بدون نیاز به کند کننده
هم واکنش زنجیره ای ادامه مییابد.
نسبت U-235 در اورانیوم طبیعی 1 به 140 است. در
ضمن تفاوت جرم بسیار کم بین ایزوتوپها جداسازی آنها مشکل میکند. در پروژه منهتن
بود که دانشمندان به امکان جداسازی U-235 پی بردند.
جداسازی U-235 مهمترین عامل
موفقیت آنها در این پروژه بود.
کند کننده ها
نوترونهای گرمایی که در واقع
نوترونهای کند میباشند احتمال بیشتری برای شکافتن U-235 دارند، اما نوترونهای آزاد شده در
فرآیند شکافت سرعت بالایی دارند و از این نوع نوترونها نمی باشند. احتمال هر دو
واکنش های شکافت و غیر شکافت بستگی به سرعت نوترونها دارد. متأسفانه، سرعتی که در
آن احتمال انجام واکنش های غیر شکافت بیشترین مقدار است بین سرعت متوسط نوترونهای
آزاد شده از فرآیند شکافت و سرعتی لازم برای انجام شکافت میباشد.
چند سال قبل از شکافت برای کند کردن نوترونها آنها را از مواد با وزن اتمی کم مثل
مواد هیدروژنی عبور میدادند. فرآیند کند کردن نوترونها یک برخورد الاستیک ساده
بین ذرات بسیار پر سرعت و ذراتی است که عملاً در حالت سکونند میباشد. هر چه جرم
ذره برخورد کننده با نوترون کمتر باشد، نوترونها انرژی جنبشی بیشتری از دست میدهند.
بنابراین عناصر سبک کند کننده های بهتری هستند. میتوان گفت که خصوصیت مهم یک کند
کننده خوب این است که وزن اتمی کمی داشته باشد در ضمن تمایل کمی برای جذب نوترون
داشته باشد یا بهتر از آن اصلاً تمایلی برای جذب نوترون نداشته باشد. لیتیوم و برن
خصوصیت دوم را ندارند. استفاده از هلیوم نیز دشوار است چون اولاً گاز است و ثانیاً
ترکیبات پایداری هم ندارد. پس بهترین گزینه برای کند کننده بین هیدورژن، دوتریوم،
بریلیوم و کربن میباشد. انریکوفرمی و Leo
szilard برای اولین بار، استفاده از گرافیت را به عنوان کند کننده در
واکنش های زنجیره ای پیشنهاد دادند.
-
کاهش جذب نوترون بدون
شکافت با جداسازی ایزوتوپ ها
مسئله دیگری که شکافت هسته ای
را پیچیده تر میکند این است که اورانیوم طبیعی از 3 ایزوتوپ U-234 به میزان 600/0 درصد، U-235 به میزان 0.7 درصد و U-238 به میزان 3/99 درصد تشکیل شده است.
همینطور که قبلاً توضیح دادیم احتمال وقوع شکافت برای ایزوتوپ های مختلف و هم چنین
نوترونهای باانرژی های متفاوت به یک میزان نیست.
نوترونهای با انرژی های متوسط ( در حدود چند الکترون ولت ) با احتمال زیادی جذب U-238 میشوند و U-239 تشکیل میشود اما این فرآیند منجر به
شکافت نمی شود. احتمال قابل توجهی نیز برای برخورد غیر الاستیک نوترونهای پر انرژی
با U-238 وجود دارد اما در یک برخورد غیر
الاستیک هیچ نوترونی جذب نمی شود. بنابراین وجود U-238 هم باعث کاهش سرعت نوترونهای پر
انرژی میشود و هم جذب نوترونهای با سرعت متوسط را تحت تأثیر قرار میدهد. اگر چه
در مورد U-235 هم احتمال جذب
نوترون بدون انجام شکافت هسته ای وجود دارد با این حال مشاهده شده که اگر U-238 را از U-235 جدا کنیم تعداد واکنش های جذب نوترون
بدون شکافت کاهش یافته و در نتیجه واکنش زنجیره ای آغاز میشود. در واقع ممکن است
که احتمال شکافت U-235 با نوترونهای
پر انرژی، در غیاب U-238، آنقدر زیاد
باشد که دیگری نیازی به یک کند کننده نباشد. متأسفانه در هر 140 واحد اورانیوم
طبیعی فقط 1 واحد U-235 وجود دارد. از
آنجایی که یکی از روشهای جداسازی ایزوتوپها استفاده از تفاوت جرم آنها است. جرم
بسیار کم بین U-238 و U-235 جداسازی این دو ایزوتوپ را بسیار مشکل
کرده است.
کنترل، تسلیحات یا انرژی
مشکلی که از گذشته تا به حال
محل بحث بوده واکنش زنجیره ای است. اگر بخواهیم چنین واکنشی داشته باشیم باید
بتوانیم آن را کنترل کنیم. مسئله مهم همین کنترل واکنش است و بستگی به این دارد که
به تولید یکنواخت انرژی علاقه مند باشیم یا انفجار! به طور کلی برای تولید یکنواخت
انرژی به یک واکنش زنجیره ای شکافت القا شده با نوترون کند در مخلوطی از اورانیوم
و کند کننده نیازمندیم در حالی یک بمب اتمی به یک واکنش زنجیره ای شکافت القا شده
با نوترون کند در U-235 و یا Pu-239 نیاز دارد: البته نمی توان نوترون
کند و تند را دقیقاً مجزا کرد و شکافت با نوترونهای کند و تند در هر دو حالت وجود
دارد. با استفاده از جذب کننده های نوترون میتوان یک واکنش زنجیره ای تولید انرژی
را کنترل کرد. با قاطعیت نمی توان گفت، اما احتمال زیادی وجود دارد که چنین واکنش
های زنجیره ای وقتی به دمای بالاتر میرسند با پایین آمدن ... احتمال جذب محصولات
شکافت به یک حالت خود کنترلی برسند. در غیر این صورت ممکن است که سیستم واکنش
زنجیره ای از کنترل خارج میشود بنابراین به نظر میرسد چنین آزمایش هایی باید در
یک منطقه غیر مسکونی انجام شود.
تاکنون درباره این بحث کرده ایم که چگونه میتوان یک واکنش هسته ای زنجیره ای را
تولید و کنترل کرد اما درباره نحوه استفاده از آن هنوز چیزی نگفته ایم. تفاوت
تکنولوژی تولید یک واکنش زنجیره ای کنترل شده و تکنولوژی استفاده از آن مثل تفاوت
تکنولوژیک آتش و ساخت یک لوکوموتیو بخار است.
مشکل اصلی در اینجا رسیدن به عملکرد مناسب در دمای بالاست. یک موتور گرمایی با
کارایی بالا نباید فقط گرما تولید کند، بلکه باید گرما را در یک دمای بالا تولید
کند. راه انداختن یک سیستم واکنش زنجیره ای در دمای بالا و تبدیل گرمای تولید شده
به کار مفید به مراتب مشکل تر از راه اندازی یک سیستم واکنش زنجیره ای در یک دمای
پایین است.
البته، وجود یک زنجیره واکنش برای اینکه بمب هسته ای به خوبی کار کند کافی نیست.
برای اینکه یک انفجار با کارایی بالا داشته باشیم لازم است که زنجیره واکنش به
سرعت ساخته شود. در غیر این صورت فقط مقدار کمی از انرژی قبل از پرتاب بمب آزاد
شده و واکنش زنجیره ای متوقف میشود. در ضمن لازم است که هیچ انفجار پیش از موقع
نیز رخ ندهد. این مسئله انفجار بمب از گذشته تاکنون یکی از مشکل ترین مسایل در
طراحی یک بمب اتمی با کارایی بالا بوده است. سه فاکتور مهم در بالا بردن احتمال
شکل گیری یک واکنش زنجیره ای برای شما بیان شد: 1) استفاده از یک کند کننده، 2)
رسیدن به خلوص بالا در ماده مورد استفاده، 3) استفاده از مواد خاص مثل U-235 یا PU-239. این سه فرآیند فقط یک روش خاص
ندارند و طرحهای مختلفی برای استفاده از مقدار بسیار کمی U-235 یا PU-239 جداسازی شده از بلور اورانیوم معمولی
یا اکسید اورانیوم و یا استفاده از یک یا دو کند کننده متفاوت پیشنهاد شده است.
