|
بررسی کشف و گسترش انرژی هسته‌ای
مقاله بررسی کشف و گسترش انرژی هسته‌ای در 27 صفحه ورد قابل ویرایش
|
|
| دسته بندی | فنی و مهندسی |
| فرمت فایل | doc |
| حجم فایل | 50 کیلو بایت |
| تعداد صفحات فایل | 27 |
بررسی کشف و گسترش انرژی هسته‌ای
مقدمة تاریخی
داستان کشف و گسترش انرژی هسته‌ای، که در مفهوم این پژوهش انرژی‌ای است که در اثر شکافت اوارنیم و احتمالاً عناصر سنگین دیگر آزاد می‌شود، به سال 1311/1932، که چادویک در آزمایشگاه کاوندیش، واقع در کمبریج، نوترون را شناسایی کرد، بر می‌گردد.
این کشف از چند نظر دارای اهمیت بود. اولاً، تشریح ساختار اتم به شکل قابل قبول‌تری امکان پذیر شد و نشان داده شد که هر عنصر بخصوص ممکن است چندین ایزوتوپ مختلف، یعنی گونه‌های مختلفی که تعداد نوترون‌های آنها فرق می‌کند، داشته باشد. ثانیاً، نوترون ذرة جدیدی بود که برای بمباران هستة اتم و ایجاد واکنشهای مصنوعی در اختیار دانشمندان فیزیک اتمی قرار می‌گرفت. در سالهای قبل از آن، دانشمندان برای این منظور از ذرات پروتون و آلفا (هستة عنصر هلیم) استفاده می‌کردند، اما بلافاصله بعد از کشف نوترون این دانشمندان، بخصوص دانشمند ایتالیایی فرمی که در رم کار می‌کرد، دریافتند که این ذره به علت بی‌بار بودن (برخلاف پروتون و ذرة آلفا) آسان‌تر به درون سد پتاسیل هستة اتم نفوذ کرده با آن برهم کنش می‌کند.
چند سال بعد، فرمی و همکارانش در رم عناصر طبیعی زیادی را با نوترون بمباران کردند و فرآورده‌های واکنشهای حاصل را مورد مطالعه قرار دادند. در بسیاری موارد فرمی دریافت که ایزوتوپ‌های پرتوازی عنصر اصلی تولید می‌شدند، و وقتی این ایزوتوپ‌ها وا می‌پاشیدند عناصر دیگری، کمی سنگین‌تر از عناصر اصلی است، تولید می‌شدند. با این روش اورانیم، سنگین‌ترین عنصر طبیعی، در اثر بمباران با نوترون به عناصر سنگین‌تر فرا اوارنیم، که به صورت طبیعی روی زمین یافت نمی‌شدند، تبدیل شد. در این برهه، فرمی دو کشف بزرگ دیگر هم صورت داد، یکی اینکه نوترون‌های کم انرژی بطور کلی برای تولید واکنشهای هسته‌ای مؤثرند از نوترون‌های پر انرژی هستند، و دیگر
اینکه مؤثرترین راه کند کردن نوترون‌های پر انرژی پراکندگیهای متوالی آنها از عناصر سبک مثل هیدروژن در ترکیباتی مثل آب و پارافین است. نقش مهم این دو کشف در گسترش انرژی هسته‌ای در سالهای بعد به ثبوت رسید.
آزمایشهای فرمی روی اورانیم توسط دو شیمیدان آلمانی به نامهای هان و استراسمن تکرار شد. این دو نفر در سال 1317/1938 کشف کردند که یکی از فراورده‌های برهم کنش نوترون با اورانیم، باریم است که عنصری است در میانة جدول تناوبی. ظاهراً واکنشی رخ داده بود که در آن هستة سنگین اورانیوم، در اثر بمباران با نوترون، به دو هستة با جرم متوسط تقسیم شده بود. دو فیزیکدان، به نامهای مایتنر و فریش، با شنیدن خبر این کشف و بر مبنی مدل قطره ـ مایعی هستة اتم توضیحی برای این فرایند پیدا و محاسبه کردند که انرژی بسیار زیادی (خیلی بیش از آنچه که در فرایندهای شناخته شدة پیش از آن دیده شده بود) از این فرایند که نام شکافت بر آن گذاشته شد آزاد می‌شود.
جلوه‌های مهم دیگری از شکافت در ماههای بعد کشف شد. ژولیو و همکاران او در فرانسه نشان دادند که در فرایند شکافت چند نوترون هم گسیل می‌شود، و بعداً معلوم شد که این نوترون‌ها انرژی خیلی بالایی دارند. به این ترتیب این امکان وجود داشت که فرایند شکافت، که با یک نوترون آغاز می‌شد و دو یا سه نوترون تولید می‌کرد، در صورت بروز شکافت دیگری توسط این نوترون‌های جدید، ادامه پیدا کند. زنجیره ـ واکنش خود ـ نگهداری که به این ترتیب ایجاد می‌شد قادر بود مقدار فوق‌العاده زیادی انرژی ایجاد کند.
دو نوع واکنش زنجیره‌یا شکافت متمایز در پیش رو بود: یکی آنکه فرایند شکافت با آهنگ پایا و کنترل شده‌ای انجام می‌شد و به صورت پایا و پیوسته‌ای انرژی آزاد می‌کرد؛ و دیگر اینکه آهنگ شکافت به حدی سریع و کنترل نشده می‌بود که، واقعاً، یک انفجار هسته‌ای با توان تخریب خیلی زیاد تولید می‌کرد. با این همه، پیش از اینکه این ایده‌ها می‌توانستند به واقعیت حتی نزدیک بشوند، مجهولات و مشکلات زیادی باید حل می‌شد. در میان این مجهولات، سطح مقطع شکافت اوارنیم 235 (میزان احتمال انجام این نوع واکنش) بود، و تا این کمیت مشخص نمی‌شد هیچ راهی وجود نداشت که بگوییم آیا واکنش زنجیره‌ای ممکن هست یا خیر، و اگر امکان داشت جرم بحرانی اورانیم لازم چه مقدار بود. همچنین معلوم شده بود که برای دستیابی به یک واکنش زنجیره‌ای در انواع مشخصی از سیستم‌هایی که برای تولید پایا و پیوستة انرژی طراحی می‌شدند لازم بود انرژی نوترون‌هایی که توسط شکافت تولید می‌شدند به مشخص نمی‌شد هیچ راهی وجود نداشت که بگوییم آیا واکنش زنجیره‌ای ممکن هست یا خیر، و اگر امکان داشت جرم بحرانی اورانیم لازم چه مقدار بود. همچنین معلوم شده بود که برای دستیابی به یک واکنش زنجیره‌ای در انواع مشخصی از سیستم‌هایی که برای تولید پایا و پیوستة انرژی طراحی می‌شدند لازم بود انرژی نوترون‌هایی که توسط شکافت تولید می‌شدند به انرژی‌های خیلی پایین‌تری کاهش می‌یافتند تا، همان طور که فرمی نشان داده بود، شکافتهای بیشتر را آسان‌تر باعث می‌شدند. ماده‌ای که برای حصول این فرایند کند شدگی لازم بود کند کننده نام گرفت، و یکی از کند کننده‌های اولیه‌ای که در آزمایشها مورد استفاده قرار گرفت آب سنگین بود، که در زمان مورد بحث در اروپا فقط در یک جا پیدا می‌شد – شرکت هیدرو الکتریک (برق ـ آب= برقاب) نروژ، و تمام موجودی آن را در 1319/1940 فرانسه خریداری کرد.
هویت دقیق فراورده‌های شکافت و تعداد نوترون‌ها از یک رویداد شکافت به رویداد دیگر فرق می‌کند، اما واکنش زیر یک شکافت نوعی است:
ملاحظه می‌شود که جرمهای دو فراوردة شکافت، در این مثال، لانتانم و برم، برابر نیستند، و شکافت نامتقارن مانند این خیلیز محتمل‌تر از شکافتی است که در آن دو جرم مساوی باشند. طیف فراورده‌های شکافت U235 را در شکل 2-4 نمایش داده‌ایم، و به سادگی ملاحظه می‌شود که اعداد جرمی همة فراورده‌های شکافت بین 76 و 160قرار دارند، و محتمل‌ترین اعداد جرمی که در حدود 5ر6 درصد از شکافتها حاصل می‌شوند حدود 96 و 135 هستند، و شکافت متقارن با دو فراوردة با جرم 117 فقط با احتمال 1 در 20000 رخ می‌دهد.
فراورده‌های شکافت همه پرتوزا هستند، که قابل انتظار است زیرا اگر یک هستة خیلی سنگین (که در آن نسبت نوترون به پروتون کمی بیش از 3 به 2 است) به دو هستة با جرم متوسط (که در آن نسبت نوترون به پروتون برای پایداری کمی کمتر از 3 به 2 است) تقسیم شود، فراورده‌های شکافت «اضافه نوترون» خواهند داشت. همان طور که ملاحظه کرده‌ایم این نوع هسته‌‌ها عمدتاً با کسیل ذرة بتا وا می‌پاشند، هر چند که در موارد خیلی معدودی واپاشی با گسیل نوترون صورت می‌گیرد.
شکل 2-4 طیف فراورده‌های شکافت اورانیم 235
در بعضی از موارد زنجیره‌های واپاشی طویل تشکیل می‌شوند، مثلاً واپاشی تلور 135 که فراوردة شکافت است به صورت زیر است:
پرتوزایی فراورده‌های شکافت مخاطرات جدی و مسائل استحفاظی خطیری را در رآکتورها، مخصوصاً در نقل و انتقال سوخت اورانیم مصرف شده، ایجاد می‌کند. مسألة دیگری که در معدودی از فراورده‌های شکافت بروز می‌کند انباشت ایزوتوپ‌هایی است که قدرت گیراندازی نوترونی زیادی دارند و حتی مقادیر کم آنها نیز اثری جدی بر امکان ایجاد یک واکنش شکافت مداوم خواهد داشت. زنون 135، که یک فراوردة دختر در زنجیرة واپاشی بالا است، بارزترین مثال از این نوع است، و اثر آن در طراحی و کار رآکتورهای هسته‌ای در یکی از فصلهای آینده به تفصیل بررسی خواهد شد.
اکثریت نوترون‌های گسیل شده در فرایند شکافت در لحظة شکافت آزاد می‌شوند، و نوترون‌های آنی نام دارند. همان طور که در بالا متذکر شدیم، معدودی از فراورده‌های شکافت با گسیل نوترون وا می‌پاشند و این چشمة دیگری است برای نوترون‌هایی که، بسته به نیم عمر فراوردة شکافت پرتوزایی ذیربط، کمی بعد از رویداد شکافت اصلی گسیل می‌شوند. مثالی از زنجیرة واپاشی گسیلندة نوترون در شکل 2-5 نشان داده شده است.
برم 87، که یک فراوردة شکافت است، با گسیل ذرة بتا و نیم عمر 5ر54 ثانیه وا می‌پاشد و کریپتون 87 تولید می‌کند. در دو درصد موارد در تراز برانگیخته‌ای تشکیل می‌شود که آناً با گسیل نوترون وا می‌پاشد و تولید می‌کند.
شکل 2-5 واپاشی برم 87- یک فراوردة شکافت
لذا این چشمة، اگر چه کوچک، دیگری است از نوترون‌هایی که گسیل آنها حدود 80 ثانیه (عمر متوسط ) نسبت به رویداد شکافت، که منشأ اصلی آنها است، تأخیر دارد. تعداد نسبی نوترون‌های تأخیری ( در مورد ) فقط حدود 65ر0 درصد بهرة کل نوترون است، اما، همان طور که بعداً خواهیم دید، این نوترون‌ها در کنترل رآکتورها نقشی اساسی ایفا می‌کند.
اگر در یک وضعیت محتمل‌تر نوترون‌ها دارای طیفی از مقادیر سرعت باشند به طوری که n(v)dv تعداد نوترون‌هایی بر واحد حجم باشد که مقدار سرعت آنها در گسترة v تا v+dv است، در آن صورت:
برای موردی که نوترون‌ها در تمام جهات حرکت می‌کنند شار نوترون را می‌توان به صورت طول رد کل تمام نوترون‌ها در واحد حجم بر واحد زمان تعریف کرد. این تعریف با تعریفی که قبلاً برای باریکة موازی نوترون کردیم سازگار است، اما به آن شرط بستگی ندارد. قابل اعمال بودن شار نوترون بر همة نوترون‌هایی که به طور کتره‌ای در تمام جهات حرکت می‌کنند، صرفنظر از جهت حرکت آنها، تأکیدی است بر طبیعت اسکالر (در تقابل با بردار) بودن آن.
