پنجشنبه ۱۶ مرداد ۱۳۹۹ - August 06 2020
کد خبر: ۹۱۵
تاریخ انتشار: ۲۶ فروردين ۱۳۹۳ - ۱۵:۴۹
در واکنش های شکافت هسته‌ای مقادیر زیادی نیز انرژی آزاد می‌شود. اما مسئله مهم‌تر از نتیجه شکستن هسته اورانیم۲۳۵، آزادی دو نوترون است.
شکافت هسته‌ای برای اولین بار در سال ۱۹۳۹ توسط اتوهان و لیزمیتنر در انیستیتوی شیمی قیصر ویلهلم در برلین کشف شد. نتایج بمباران اورانیوم به وسیلهٔ نوترون، هم جالب بود و هم سؤال برانگیز. این آزمایش اولین بار در سال ۱۹۳۴ توسط انریکوفرمی (Enrico Fermi) و همکارانش انجام شد اما تا سال‌ها بعد نتوانستند به خوبی آن را تفسیر کنند.

۱۶ ژانویه سال ۱۹۳۹ نیلزبوهر (Niles Bohr) از کپنهاگ دانمارک راهی ایالات متحده شد تا چند ماهی را در پرینستون بگذراند و دربارهٔ برخی مسائل با آلبرت انیشتین به بحث بپردازد (سال بعد بوهر مجبور شد برای فرار از دست نازی‌‌ها به سوئد فرار کند) درست قبل از اینکه بوهر دانمارک را ترک کند، دو تن از همکارانش به نام اتورابرت فریچ (Oto Robert Frich) و لیز می‌تنر (Lise Meitner) که هر دو از آلمان فرار کرده بودند، دربارهٔ تحقیقات خود با بوهر صحبت کردند آن‌ها حدس زده بودند که احتمالاً جذب یک نوترون توسط هستهٔ اورانیوم در برخی موارد، منجر به شکسته شدن هسته به دو بخش تقریباً مساوی همراه با آزاد شدن مقدار زیادی انرژی خواهد شد فرآیندی «شکافت» نامیده شد.

شکافت هسته‌ای چیست؟

در فیزیک، شکافت یک فرآیند هسته‌ای است یعنی در هستهٔ یک اتم رخ می‌دهد. در شکافت هسته‌ای یک هسته به ۲ تا چند هستهٔ کوچک‌تر و محصولات جانبی تبدیل می‌شود. این محصولات شامل نوترون‌های آزاد و فوتون‌ها (اغلب به صورت پرتوهای گاما) می‌باشند. در فرآیند شکافت مقدار بسیار زیادی انرژی که در واقع انرژی پیوندی نیروی هسته‌ای قوی است، آزاد می‌شود.

شکافت هسته‌ای معادل واژه انگلیسی Nuclear fission است. در واقع انرژی هسته‌ای به ۲ روش تولید می‌شود:

۱-گداخت هسته‌ای: در این روش که در سطح خورشید هم انجام می‌شود، معمولاً هیدروژن‌ها با برخورد به یکدیگر تبدیل به هلیوم می‌شوند و در این تبدیل، انرژی بسیار زیادی بصورت نور و گرما تولید می‌شود.

۲- شکافت هسته‌ای: در این روش هسته یک اتم توسط یک نوترون به دو بخش کوچک‌تر تقسیم می‌شود. در این روش غالباً از عنصر اورانیوم استفاده می‌شود.

بنابراین شکافت هسته‌ای فرآیندی است که در آن یک اتم سنگین مانند اورانیوم به دو اتم سبک‌تر تبدیل می‌شود. وقتی هسته‌ای باعدد اتمی زیاد شکافته شود، مقداری ازجرم آن به انرژی تبدیل می‌شود. از این انرژی در تولید برق (درنیروگاه هسته‌ای) یا تخریب (درسلاح‌های هسته‌ای) استفاده می‌شود.

به طور کلی در فرآیند شکافت اگر یک نوترون به هسته اصابت کند به طور میانگین ۵/۲ نوترون در اثر شکافت آزاد می‌شود حال اگر ما تعداد نوترون‌های آزاد شده را ۳ عدد فرض کنیم و مدت زمان لازم برای تحقق هر شکافت ‎۰/۰۱ ثانیه باشد، مقدار اورانیوم مصرف شده در یک ثانیه در حدود ۱۰ به توان ۲۳ کیلوگرم خواهد بود. واضح است که واکنش زنجیره‌ای شکافت می‌تواند مقادیر قابل توجهی از اورانیوم را در مدت زمان ناچیزی به انرزی تبدیل کند.

مشخص است که ما نیازی به تولید مستمر نوترون نداریم بلکه با اصابت اولین نوترون به هسته وآزاد شدن نوترون‌های ناشی از فرآیند شکافت ما می‌توانیم نوترون مورد نیاز خود را بدست آوریم که مسلما این تعداد نوترون بسیار بیشتر از نیاز ما خواهد بود. به حداقل مقدار اورانیومی که برای فرآیند شکافت لازم است جرم بحرانی یا مقدار بحرانی می‌گویند. از به هم پیوستن دو یا چند جرم بحرانی یک ابر جرم بحرانی حاصل می‌شود.

برای ایجاد شکافت هسته‌ای نیاز به بمب باران نوترونی است. یعنی نوترونی را که سرعت آن با سرعت نور برابری می‌کند با روش‌هایی مانند استفاده ازآبهای سنگین، یاسبک کاهش سرعت پیدا کند تا بعد از ناپایدار شدن هسته اتم، اتم تجزیه شود. دراورانیومپس از تجزیهٔ عناصر باریم و کریپتون، ۲/۵ عدد نوترون پس داده می‌شود. اگر نوترون منفردی به یک قطعه ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۵ نفوذ کند، در اثر برخورد به هسته اتم اورانیوم ۲۳۵، اورانیوم به دو قسمت شکسته می‌شود که اصطلاحا شکافت هسته‌ای نامیده می‌شود.



در تصویربالا اتم اورانیم۲۳۵ دیده می‌شود که پس از برخورد یک نوترون متلاشی شده و پرتوهایرادیو اکتیواز خود صادر می‌کند. سپس به دو عنصر باریم۱۴۱ و کریپتون۹۲ تقسیم شده و به پایداری می‌رسد و در ضمن ۲/۵ عدد نوترون دیگر آزاد می‌کند که هر یک موجب شکافت یک هستهٔ اورانیوم دیگر می‌شوند و این واکنش زنجیره‌ای مرتب ادامه پیدا می‌کند.

در واکنش های شکافت هسته‌ای مقادیر زیادی نیز انرژی آزاد می‌گردد. اما مسئله مهم‌تر این است که نتیجه شکستن هسته اورانیم۲۳۵، آزادی دو نوترون است که می‌تواند دو هسته دیگر را شکسته و چهار نوترون را بوجود آورد. این چهار نوترون نیز چهار هسته اورانیم۲۳۵ 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 زنجیره ای 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.

بنابر این می‌توان حاصل بمباران نوترونی هسته اتم و شکافت هسته‌ای را در چهار مرحله زیر خلاصه کرد:

۱- با ناپایدار کردن هسته اورانیم به وسیله یک نوترون پر سرعت، یک هسته اورانیم به دو هسته کوچک‌تر (باریم و کریپتون) شکافته می‌شود.

۲- دو یا سه نوترون از هسته جدا می‌شود و با سرعت به سوی اتم‌های دیگر می‌رود.

۳-در اثر جدا شدن هسته، انرژِی حرارتی زیادی تولید می‌شود که ما از آن استفاده می‌کنیم.

۴-اشعه های رادیو اکتیو تولید می‌گردد.

نام:
ایمیل:
* نظر: