مدلهای هسته اتم

   

در شکلها ی زير مدلهای مختلف که  برای ساختار هسته اتم پيشنهاد شده وجود دارند که هيچکدام نتوانسته اند بطور واضحی ساختمان هسته را تشريح نمايند

 دو مدل معروف زير عبارتند از:۱- مدل قطره  ای و ۲- مدل لايه ای

   

۱ )                           ۲)

۱- مدل قطره ای : در سال ۱۹۳۹ اين  مدل توسط نيلس بر (برنده جايزه نوبل ۱۹۲۲در زمينه اتم)وجان ويلر مطرح شد . در اين مدل هسته را مشابه يک قطره کره ای شکل فرض ميکنند . می دانيم که انچه سبب کروی ماندن قطره ميگردد نيروهای کشش سطحی قطره هستند بنابراين سطح کره با حجم متناسب خواهد بود                    با چنين استدلالی ميتوان گفت که بين نيروهای نگهدارنده نوکلئونهای هسته و نيروهای کشش سطحی که مايع را کروی نگه ميدارند شباهت وجود دارد.که نيروهای نگه دارنده هسته دارای خصوصيات زيراست:

۱- داری برد کوتاه

۲-نيروی درون هسته بسيار قويتر از نيروی الکترواستاتيک بين نوکلئونها

۳- اين نيروها مستقل هستند از جفت شدگی ساير نوکلئونها

۴- اين نيرو محدود است وهر نوکلئون فقط می تواند نزديکترين نوکلئونهای خود را جذب کند

 ۲- مدل لايه ای:ما به کمک مدل قطره ای ميتوانيم تغييرات انرژی همبستگی را با عدد جرمی در نقا طی که منحنی دارای پيوستگی است توضيح دهيم ولی درنقا طی  که منحنی پيوسته نيست ديگر اين مدل جوابگو نيست وبرای توضيح رفتارهای هسته ها که نسبت به N بطور پيوسته تغيير نمی کنند مدل لا يه ای مناسبتر است            در اين مدل برای هسته ساختاری لايه ای در نظر گرفته شده که نوکلئونها در سطوح خاصی قرار ميگيرند که هر سطح دارای انرژی مخصوص به خود هستند البته فاصله لايه های هسته ای از فاصله لايه های  الکترونی بيشتر است در اين مدل نوکلئونها نيز مانند الکترون با کسب انرژی تحريک شده به لايه بالا تر ميرود و قتی نوکلئون مجبور به بازگشت به لايه خود می شود يک فوتون ازاد ميکند (پرتو گاما)

 سه مدل ديگر نيز مطابق شکلهای زير برای هسته ارائه شده اند

      

A-در اين مدل پروتونها (گويهای ابی رنگ)و نوترونها (گو يهای نارنجی)شديدا بهم فشرده هستند ويکصد تريليون بار(۱۰^۱۴) چگالتر از اب  هستند با استفاده از اين مدل نيروی هسته ای براحتی توضيح داده می شود

اC-ين مدل از مدل لايه ای اقتباس شده با اين فرق که نوکلئونها را بطور جداگانه روی مدار در نظر گرفته.

E-مدل فوق ترکيبی است از مدل لايه ای و قطره ای ونوکلئونها جفت جفت بر روی لايه ها قرار خواهند گرفت.

 

 

انرژي تجديد پذير در مقابل سوخت هاي فسيلي

 

عرضـه جهاني سوخت هاي فسيلي اعم از نفت ، ذغـال سنـگ و گاز طبيـعي ، و نيـز چگونگي كاهش ذخايرشان به دليل استفاده دائمي از انها ، مورد بحث قرار گرفت. سوخت هاي فسيلي تجديدپذير نيستند، به عبارت ديگر آنها را نمي توان مجدداً توليد نمود. اگر ذخاير آنها به اتمام برسد، با مشكلات عديده اي روبرو خواهيم شد.

آموختيم كه هيچگونه كمبودي در خصوص توليد انرژي‌هاي تجديدپذير از خورشيد ، باد و آب وجود نداشته و حتي موادي از قبيل درختان خشك شده، شاخه درختان، كاغذهاي بريده شده، محصولات باقيمانده ، خاك اره و حتي كود احشام مي‌توانند جهت توليد برق و سوخت استفاده شوند. مجموع اين منابع را تراكم زيست(Biomass) مي گويند.

تابش روزانه نور خورشيد در ايالت متحده حاوي انرژي زيادي مي باشد. اين انرژي بيش از دو برابر انرژي است كه ما در كل سال استفاده مي كنيم. ميزان تند بادها در ايالت كاليفرنيا به حدي است كه 11 درصد از كل برق بادي جهان را تأمين مي نمايد. منابع انرژي تميز را مي توان جهت توليد برق ، گرما، سوخت و مواد شيميايي با ارزش مهار نمود. اين منابع تأثير كمي بر محيط زيست دارند.

در مقابل ، آلودگيهاي ناشي از ماشين هاي بنزين سوز و كارخانجات و ساير وسايل نفت سوز، روي جو تأثير مي گذارند. هواي ناپاك منتج به تشكيل گازهاي گلخانه اي مي شود. در حدود 81 درصد از كل گازهاي گلخانه اي در ايالت متحده ، انتشارات دي اكسيد كربن ناشي از منابع انرژي است.

گسترش منابع انرژي تجديدپذير باعث اشتغال زايي شده و كاهش واردات نفت از كشورهاي خارجي را نيز به دنبال خواهد داشت. به گفته دولت فدرال ، در سال 2000، امريكا 109 ميليارد دلار صرف واردات نفت نموده است. اگر منابع تجديدپذير در ايالت متحده كاملا گسترش يابد، مي توان از خروج پول از كشور جلوگيري كرده و اقتصاد را رونق بخشيد.

تحقيقات انجام گرفته باعث شده است كه امروزه انرژي هاي تجديد پذير قابل حصول تر از 25 سال قبل شوند. قيمت انرژي بادي از 40 دلار براي هر كيلو وات ساعت به كمتر از 5 دلار كاهش يافته است. قميت برق خورشيدي ، از طريق روش فتوولتايي، نيز از بيش از يك دلار براي هر كيلو وات ساعت در سال 1980 به 20 دلار براي هر كيلو وات ساعت در امروز كاهش يافته است. قيمت سوخت اتانول از 4 دلار براي هر گالن در اوايل دهه 1980 به 2/1 دلار براي هر گالن در امروز نزول كرده است.

 اما موانعي نيز بر سر گسترش انرژي هاي تجديدپذير وجود دارد. به عنوان مثال ، براي استفاده از انرژي حاصل از گرماي خورشيد ، كه از طريق جمع آوري اشعه هاي خورشيدي توسط آينه‌هاي بزرگ صورت مي گيرد، زمين هاي بزرگي براي نصب آينه ها نياز مي باشد . اين عمل بر روي حيوانات و گياهاني كه در آنجا زندگي مي كنند تأثير مي گذارد. محيط زيست نيز تحت تأثير ساختمانها، جاده‌ها، خطوط انتقال برق و ترانسفورماتورها قرار مي گيرد.

غالباً آب گرم حاصل از حرارت خورشيد كه براي توليد بخار و در نتيجه برق استفاده مي شود خيلي سمي است.

فن آوري استفاده شده در سلولهاي فتوولتايي ((PV يا خورشيدي شبيه فن آوري است كه براي  تراشه هاي سيليكوني در كامپيوترها استفاده مي شود. در مرحله توليد سلولهاي خورشيدي ، از مواد شيميايي سمي استفاده مي گردد. همچنين اين مواد شيميايي در ساخت باتريهايي بكار ميروند كه مي توانند برق خورشيدي را در خود ذخيره نموده و در شب و روزهاي ابري مورد استفاده قرار گيرند. توليد اين نوع باتري، تأثيرات زيست محيطي مخربي را به دنبال خواهد داشت.

حتي اگر بخواهيم از انرژي خورشيدي بطور مستقيم استفاده كنيم، باز با مشكل بزرگي مواجه خواهيم بود. ظرفيت كل مراكز ساخت سلولهاي فتوولتايي در جهان صرفاً جهت توليد 350 مگا وات برق كافي بوده و اين مقدار فقط مي تواند برق يك شهر 300000 نفري را تأمين كند. با عبارت ديگر ، عرضه با تقاضا همخواني ندارد.ايالت كاليفرنيا به تنهايي در يك روز آفتابي و گرم تابستان، حدوداً به 55000 مگا وات برق نياز دارد.

قيمت توليد اين مقدار برق در حدود چهار برابر قيمت برقي است كه از طريق يك نيروگاه گازي تأمين مي شود. بنابراين ، اگر چه انرژي هاي تجديدپذير آلودگي هوا را به دنبال نخواهند داشت، اما باز تأثير كمي بر محيط زيست ايجاد مي كنند. گسترش انرژي بادي نيز داراي مشكلات خاص خود است كه از آن جمله مي توان به ضرورت داشتن زمين بزرگ اشاره نمود.

وسعت يك مزرعه باد بايد بطور متوسط 17 جريب ( هر جريب برابر 4047 متر مربع است) بوده تا بتواند يك مگاوات برق توليد كند. اين مقدار انرژي جهت تأمين برق 250 تا 1000 خانه كافي است. اما كشاورزان (براي زراعت) و احشام (براي چريدن) نيز مي توانند از اين زمين ، كه توربين هاي بادي بر روي آن نصب شده، استفاده كنند.

مزارع باد ممكن است فرساييش نواحي كويري يا صحرايي را به  دنبال داشته باشند. غالباً مزارع باد بر روي مناظر طبيعي نيز تأثير مي گذارند. مرگ پرندگان نيز در اثر برخورد آنها با توربين هاي بادي و سيم هاي برق رخ ميدهد.

در حال حاضر مشكلات اين چنيني در حال بررسي است. توليد برق زمين گرمايي از پوسته زمين بيشتر جنبة‌ محلي يا موضعي  دارد. به عبارت ديگر تأسيسات مربوطه بايد در محل هايي بنا شوند كه انرژي زمين گرمايي در آنها فراوان باشند. چندين منبع زمين گرمايي در ايالت كاليفرنيا وجود دارد . بعنوان مثال يكي از منابع ، ناحيه گيزر(Geysers)  در شمال سانفرانسيسكو است. در مرحله توليد برق زمين گرمايي، بخار خارج شده از زمين هر از گاهي خيلي سوز آور شده و در نتيجه باعث پوسيدگي و جدا شدگي لوله ها  مي شود. بعضي اوقات هزينه ساخت نيروگاههاي زمين گرمايي، بدليل حفر چاه ،‌بيش از نيروگاههاي گازي مي باشد.

يك سري مسائل زيست محيطي نيز در رابطه با ساخت سدها، جهت توليد برق آبي ، وجود دارد. از آن جمله مي توان به مسائلي از قبيل آب بردگي افراد و نيز از بين رفتن مزارع و جنگل هايي اشاره كرد كه در نواحي سيلابي بالاي سد قرار دارند. در پايين دست رودخانه، سدها باعث تغيير خواص شيميايي ،‌فيزيكي و بيولوژيكي (زيستي ) رودخانه و خشكي مي شوند.

بر خلاف سوخت هاي فسيلي كه هوا را آلوده مي كنند، انرژي هاي تجديدپذير تأثيرات زيست محيطي كمتري دارند. يك سري موانع نيز در سر راه توليد انرژيهاي تجديدپذير وجود دارد كه از آن جمله مي‌توان  به ضرورت داشتن زمين هاي بزرگ اشاره نمود كه برمحل سكونت حيوانات و نيز مناظر طبيعي تأثير مي گذارد. گسترش انرژي هاي تجديدپذير منتج به اشتغال زايي و نيز كاهش واردات نفت از كشورهاي خواهد شد.

 

 

براي آندسته از افرادي كه مقايسه انرژي تجديدپذير و تجديدناپذير جزء‌ تكليف مدرسه اشان است،‌ پيشنهاد مي كنيم كه براي هر نوع منبع انرژي ليستي از مزايا و معايب آن تهيه كنند. بدين طريق شما مي توانيد به راحتي منابع انرژي مختلف را مقايسه كنيد.

 

 

 

 

شکافت هسته ای القا شده در اورانیوم

سه نکته در شکافت القا شده اورانیوم 235 وجود دارد که آن را جالب توجه می‌کند:

الف: فرآیند جذب نوترون و شکسته شدن هسته بسیار سریع است. زمان این واکنش از مرتبه پیکو ثانیه است، یعنی 10-12 ثانیه یا یک میلیون میلیونیم ثانیه!

ب: زمانی که یک اتم شکسته می‌شود، مقدار بسیار زیادی انرژی آزاد می‌شود که باور نکردنی است. این انرژی به صورت گرما و تابش امواج الکترومغناطیسی آزاد می‌شود که بخش اعظم انرژی به صورت پرتوهای گاما و X است؛ البته دو اتمی که در نتیجه شکافت به وجود آمده اند ( کریپتون وباریم ) نیز تابش بتا و گاما ساطع می‌کنند. انرژی فراوان شکسته شدن هسته، از تفاوت جرم محصولات شکافت هسته ای و جرم هسته اولیه به دست می‌آید. مجموع جرم محصولات فرآیند شکافت جرم محصولات فرآیند شکافت از جرم هسته اولیه کمتر است و طبق معادله مشهور E=mc2، این مقدار انرژی به دست می‌آید.
در اثر شکافت هسته اتم u-235، انرژی زیادی از مرتبه 200meV ( بخوانید دویست مگا الکترون ولت ) آزاد می‌شود. هر الکترون ولت معادل 19-10 *602/1 ژول انرژی است، پس انرژی شکافت از مرتبه سی پیکوژول است ( 11-10 *3 ژول )؛ ولی اگر توان فرآیند شکافت را محاسبه کنیم، می‌بینیم که:
P=3*10-11J/10-12s=30vv
شاید توان 30 وات برای یک اتم خیلی چشمگیر نباشد ( که بسیار زیاد است )، ولی توجه داشته باشید که نیم کیلو گرم اورانیوم 235 شامل 1024 اتم است! این نیم کیلوگرم از یک توپ بیسبال هم کوچکتر است! اگر اورانیوم به مقدار کافی غنی شده باشد، انرژی حاصل از شکافت آن معادل انرژی حاصل از سوختن کامل 3780 متر مکعب گازوئیل است که فضایی معادل یک خانه شش طبقه را اشغال می‌کند. احتمالا اکنون می‌توانید تصوری از انرژی نهفته در مقدار اندکی اورانیوم داشته باشید. البته ذکر این نکته ضروری است که برای استفاده از این خصوصیات u-235، باید آن را غنی سازی کرد و درصد این ایزوتوپ را در سوخت افزایش داد. یک نمونه غنی شده اورانیوم باید حداقل 2 تا 3 درصد u-235 داشته باشد. غنی سازی 3 درصد برای استفاده در یک رآکتور هسته ای غیر نظامی کافی است، در حالی که اورانیوم مورد استفاده در تسلیحات هسته ای دارای غنی سازی بیش از 90 درصد است.

ج: احتمال آنکه u-235، نوترونی را که از کنارش عبور می‌کند جذب کند بسیار بالا است. همان طور که اشاره شد، در فرآیند شکافت هسته ای بسته به چگونگی شکسته شدن اتم بین 2 تا 3 نوترون آزاد می‌شود. اگر در محیط هیچ اورانیوم 235 دیگری وجود نداشته باشد، نوترونهای آزاد شده به صورت تابش های نوترونی در فضا پراکنده می‌شوند. ولی اگر این اتم بخصوص شکافته شده بخشی از یک جرم اورانیوم 235 باشد، یعنی اتمهای u-235 دیگری هم در اطراف وجود داشته باشند، آنگاه سه حالت ممکن است روی دهد.
1- اگر به طور متوسط، از هر شکافت دقیقا یک نوترون آزاد به هسته u-235 دیگری برخورد کند و موجب شکافت آن شود، گفته می‌شود که جرم اورانیوم، جرم بحرانی است. دریک دمای پایدار، جرم بحرانی احتمالی حتماً وجود خواهد داشت.
2- اگر به طور متوسط، کمتر از یک نوترون آزاد به هسته u-235 دیگری برخورد کند و موجب شکافت آن شود، گفته می‌شود که جرم اورانیوم، زیر بحرانی است. در چنین جرمی، شکافت القایی نهایتا متوقف می‌شود.
3- اگر به طور متوسط، بیش از یک نوترون آزاد به هسته u-235 دیگری برخورد کند و موجب شکافت آن شود، گفته می‌شود که جرم اورانیوم فوق بحرانی است. در این حالت واکنش شکافت از کنترل خارج می‌شود و دما به سرعت بالا می‌رود.
میزان غنی بودن اورانیوم ( مقدار u-235 موجود در سوخت ) و هم چنین شکل توده، بحرانی بودن اورانیوم را کنترل می‌کند. وفرض کنید اورانیوم به صورت ورق های بسیار نازک باشد، در این صورت اغلب نوترونهای آزاد به جای آنکه به اتمهای u-235 برخورد کنند، در فضا پخش می‌شوند. کره، بهترین شکل ممکن برای بحرانی شدن است. مقدار اورانیوم 235 که باید به صورت یک کره جمع شود تا واکنش به صورت بحرانی پیش رود 900 گرم است. این مقدار به جرم بحرانی معروف است. در مورد پلوتونیوم 239، جرم بحرانی 283 گرم است!

چرخه سوخت هسته ای چیست؟
اورانیومی که از زمین استخراج می‌شود، بلافاصله قابل استفاده در نیروگاههای تولید انرژی نیست. برای آنکه بتوان بیشترین بازده را از اورانیوم به دست آورد، فرآیندهای مختلفی روی سنگ معدن اورانیوم صورت می‌گیرد تا غلظت ایزوتوپ u-235 که قابل شکافت است، افزایش یابد.
چرخه سوخت اورانیوم نسبت به سوخت های رایج دیگر، از جمله ذغال سنگ، نفت و گاز طبیعی، به مراتب پیچیده تر و متمایزتر است. چرخه سوخت اورانیوم را چرخه سوخت هسته ای نیز می‌گویند. چرخه سوخت هسته ای از دو بخش انتهای جلویی و انتهای عقبی ( front end , Back end ) تشکیل شده است. انتهای جلویی چرخه، مراحلی است که منجر به آماده سازی اورانیوم به عنوان سوخت رآکتور هسته ای می‌شود و شامل استخراج از معدن، آسیاب کردن، تبدیل، غنی سازی و تولید سوخت است.
هنگامی که اورانیوم به عنوان سوخت مصرف شد و انرژی از آن به دست می‌آمد، انتهای عقبی چرخه آغاز می‌شود تا ضایعات هسته ای به انسان و محیط زیست آسیبی نرسانند. این بخش عقبی شامل انبار داری موقتی، بازفرآوری کردن انبار نهایی است.

اکتشاف و استخراج
ذخایر طبیعی اورانیوم، سنگ معدن اورانیوم است که براساس مقدار قابل استحصال از معدن محاسبه می‌شود. با تکنیک‌ها و روش های زمین شناسی، معدن اورانیوم شناسایی می‌شود و نمونه هایی از سنگ معدن به آزمایشگاه فرستاده می‌شود. در آنجا، محلولی از سنگ معدن تهیه می‌کنند و اورانیوم ته نشین شده را مورد بررسی قرار می‌دهند تا بفهمند چه مقدار اورانیوم را می‌توان از آن معدن استخراج کرد و چقدر هزینه می‌برد.
اورانیوم موجود در طبیعت معمولاً از دو ایزوتوپ u-235 و u-238 تشکیل می‌شود که فراوانی آنها به ترتیب 71/0 درصد و 28/99 درصد است.
هنگامی که معدن شناسایی شد، به سه روش می‌توان اورانیوم را استخراج کرد: استخراج از سطح زمین، استخراج ازمعادن زیرزمینی و تصفیه در معدن. دو روش نخست همانند دیگر روش های استخراج فلزات هستند، ولی در روش سوم که در ایالات متحده استفاده می‌شود، سنگ معدن در خود معدن تصفیه می‌شود و اورانیوم بدست می‌آید. سنگ معدن اورانیوم معمولا از اکسید اورانیوم (u3o8) تشکیل شده است و غلظت آن در سنگ معدن بین 05/0 تا 3/0 درصد تغییر می‌کند.
البته این تنها منبع اورانیوم نیست. اورانیوم در برخی معادن فسفات با منشأ دریایی نیز وجود دارد که البته فراوانی بسیار کمی دارد، به طوری که حداکثر به 200 ذره در میلیون ذره می‌رسد. از آنجایی که این معادن فسفات مقادیر انبوهی تولید دارند، می‌توان اورانیوم را با قیمت معولی استحصال کرد.

آسیاب کردن
پس از استخراج سنگ معدن، تکه سنگ‌ها به آسیاب فرستاده می‌شود تا خوب خرد شده، خرده سنگ هایی که با ابعاد یکسان تولید شود. اورانیوم توسط اسید سولفوریک از دیگر اتم‌ها جدا می‌شود، محلول غنی شده از اورانیوم تصفیه می‌شود و خشک می‌شود. محصول به دست آمده، کنستانتره جامد اورانیوم است که کیک زرد نامیده می‌شود.

تبدیل
کیک زرد جامد است، ولی مرحله بعد ( غنی سازی ) از تکنولوژی بخصوصی بهره می‌برد که نیازمند حالت گازی است. بنابراین کنستانتره اکسید اورانیوم جامد طی فرآیندی شیمیایی به هگزافلورایداورانیوم ( UF6 ) تبدیل می‌شود. UF6 در دمای اتاق جامد است، ولی در دمایی نه چندان بالا به گاز تبدیل می‌شود.

غنی سازی
برای ادامه یک واکنش زنجیره هسته ای در قلب یک رآکتور آب سبک، غلظت طبیعی اورانیوم 235 بسیار اندک است. برای آنکه UF6 به دست آمده در مرحله تبدیل، به عنوان سوخت هسته ای مورد استفاده قرار گیرد، باید ایزوتوپ قابل شکافت آن را غنی کرد. البته سطح غنی سازی بسته به کاربرد سوخت هسته ای متفاوت است. برای یک رآکتور آب سبک، سوختی با 5 درصد اورانیوم 235 مورد نیاز است؛ در حالی که در یک بمب اتمی، سوخت هسته ای باید حداقل 90 درصد غنی شده باشد.
غنی سازی با استفاده از یک یا چند روش جداسازی ایزوتوپ های سنگین و سبک صورت می‌گیرد. در حال حاضر، دو روش رایج برای غنی سازی اورانیوم وجود دارد که عبارتند از انتشار گاز و سنتریفوژ گاز.
در روش انتشار گازی ( دیفیوژن )، گاز طبیعی UF6 با فشار بالا از یک سری سدهای انتشاری عبور می‌کند. این سدها که غشاهای نیمه تراوا هستند، اتمهای سبک تر را با سرعت بیشتری عبور می‌دهند، در نتیجه UF6235 سریع تر از UF6238 عبور می‌کند. با تکرار این فرآیند در مراحل مختلف گازی نهایی به دست می‌آید که غلظت u235 بیشتری دارد. مهم ترین عیب این روش این است که جداسازی ایزوتوپ های سبک در هر مرحله نرخ نسبتاً پایینی دارد، لذا برای رسیدن به سطح غنی سازی مطلوب باید این فرآیند را به دفعات زیادی تکرار کرد که این، خود نیازمند امکانات زیاد و مصرف بالای انرژی الکتریکی است و به دنبال آن هزینه عملیات نیز بسیار افزایش خواهد یافت.
در روش سانتریفور گاز، گاز UF6 طبیعی را به مخزن هایی استوایی تزریق می‌کنند و گاز را با سرعت بسیار زیادی می‌چرخانند. نیروی گریز از مرکز موجب می‌شود UF6235 که اندکی از UF6238 سبک تر است، از مولکول سنگین تر جدا شود.
این فرآیند در مجموعه ای از مخزن‌ها صورت می‌گیرد و در نهایت، اورانیوم با سطح غنی شده مطلوب به دست می‌آید. هر چند روش سنتریفوژ گازی نیازمند تجهیزات گرانقیمتی است، هزینه انرژی آن نسبت به روش قبلی کمتر است.
امروز فناوری های غنی سازی جدیدی نیز توسعه یافته است، که همگی بر پایه استفاده از لیزر پیشرفت کرده اند. این روش‌ها که روش جداسازی ایزوتوپ با لیزر بخار اتمی (AVLIS) و جداسازی ایزوتوپ با لیزر مولکولی (MLIS) نام دارند، می‌توانند مواد خام بیشتری رادر هر مرحله غنی کنند و سطح غنی سازی آنها نیز بالاتر است.

ساخت میله های سوخت
تولید میله سوخت، آخرین مرحله انتهای جلویی در چرخه سوخت هسته ای است. اورانیوم غنی شده که هنوز به شکل UF6 است، باید به پودر دی اکسید اورانیوم (UO2) تبدیل شود تا به عنوان سوخت هسته ای قابل استفاده باشد، پودر UO2 سپس فشرده می‌شود و به شکل قرص در می‌آید. قرص های در معرض حرارت با دمای بالا قرار می‌گیرند تا به قرص های سرامیکی تبدیل شوند. پس از طی چند فرآیند فیزیکی، قرص هایی سرامیکی با ابعاد یکسان حاصل می‌شود. حال، متناسب با طراحی رآکتور و نوع سوخت مورد نیاز، این قرص های کوچک را در دسته دسته کرده و در لوله ای بخصوص قرار می‌دهند. این لوله از آلیاژ بخصوصی ساخته شده است که در برابر خوردگی بسیار مقاوم است و در عین حال از رسانایی حرارتی بسیار بالایی برخوردار است. حال میله سوخت آماده شده است و برای استفاده در رآکتور به نیروگاه فرستاده می‌شود.

انتهای عقبی چرخه سوخت هسته ای: مدیریت زباله های هسته ای
در نیروگاه هسته ای هم مثل دیگر فعالیت های بشری، ضایعاتی تولید می‌شود که به دلیل حساسیت مضاعف زباله های رادیواکتیو، مدیریت زمان ضایعات باید تحت قوانین و محدودیت های خاصی صورت بگیرد.
در هر هشت مگاوات ساعت انرژی الکتریکی تولید شده در نیروگاه هسته ای، 30 گرم زباله رادیواکتیو به وجود می‌آید. برای تولید همین مقدار برق با استفاده از زغال سنگ پر کیفیت، هشت هزار کیلوگرم دی اکسید کربن تولید می‌شود که در دما و فشار جو، 3 استخر المپیک را پر می‌کند. می‌بینید حجم زباله های رادیواکتیو بسیار کمتر است، ولی خطر آنها به مراتب بیشتر است و مراقبت از آنها به مراتب بیشتر است و مراقبت از آنها ضرورتی تر و دشوارتر. زباله های رادیواکتیو براساس مقدار و نوع ماده رادیواکتیو به 3 گروه تقسیم می‌شوند:

الف- سطح پایین: لباس حفاظتی، لوازم، تجهیزات و فیلترهایی که حاوی مواد رادیواکتیو با عمر کوتاه هستند. این‌ها نیازی به پوشش حفاظتی ندارند و معمولاً فشرده شده یا آتش زده می‌شوند و در چاله های کم عمق دفن شده و انبار می‌شوند.

ب- سطح متوسط: رزین ها، پس مانده های شیمیایی، پوشش میله سوخت و مواد نیروگاههای برق هسته ای جزو زباله های سطح متوسط طبقه بندی می‌شوند. اینها عموما عمر کوتاهی دارند، ولی نیاز به پوشش محافظ دارند. این زباله‌ها را می‌توان درون بتون قرار داد و در مخزن زباله‌ها گذاشت.

ج- سطح بالا: همان سوخت مصرف شده راکتورها است و نیاز به پوشش حفاظتی و سردسازی دارند. مراحل مدیریت این ضایعات عبارتند از:

انبارداری موقتی
سوخت مصرف شده که از رآکتور خارج می‌شود، بسیار داغ و رادیواکتیو است و تشعشع و یونهای فراوانی را می‌تاباند. از این رو باید هم آن را سرد کرد و هم از تابیدن پرتوهای رادیواکتیو آن به محیط جلوگیری کرد. در کتار هر رآکتور، استخرهایی برای انبار کردن سوخت مصف شده وجود دارد. این استخرها، مخزن هایی بتونی مسلح به لایه های فولاد زنگ نزن هستند که 8 متر عمق دارند و پر از آب هستند. آب هم میله های سوخت مصرف شده را خنک می‌کند و هم به عنوان پوششی حفاظتی در برابر تابش رادیواکتیو عمل می‌کند. به مرور زمان، شدت گرما و تابش رادیواکتیو کاهش می‌یابد، به طوری که پس از چهل سال، به یک هزارم مقدار اولیه ( زمانی که از رآکتور خارج شده بود ) می‌رسد.

بازفرآوری انبارنهایی
3 درصد سوخت مصرف شده در یک رآکتور آب سبک را ضایعات بسیار خطرناک رادیواکتیو است. این مواد را می‌توان با روش های شیمیایی از یکدیگر جدا کرد و اگر شرایط اقتصادی و قوانین حقوقی اجازه دهد، می‌توان سوخت مصرف شده را برای تهیه سوخت هسته ای جدید بازیافت کرد.
کارخانه هایی در فرانسه و انگلستان وجود دارند که مرحله بازفرآوری سوخت نیروگاههای کشورهای اروپای و ژاپن را انجام می‌دهند. البته این کار در ایالات متحده ممنوع است.
رایج ترین شیوه بازفرآوری، purex نام دارد که مخفف عبارت جداسازی اورانیوم و پلوتونیوم است. ابتدا میله های سوختی را از یکدیگر جدا می‌کنند و در اسید نیتریک حل می‌کنند؛ سپس با استفاده از مخلوطی از فسفات تری بوتیل و یک حلال هیدرو کربن، اورانیوم و پلوتونیوم مصرف نشده را جدا می‌کنند و به عنوان سوخت جدید به مراحل تهیه سوخت می‌فرستند. ضایعات هسته ای سطح بالا را پس از جدا سازی، حرارت می‌دهند تا به پودر تبدیل شود. پس از فرآیند که آهی کردن خوانده می‌شود، پودر را به شیشه مخلوط می‌کنند تا ضایعات را در محفظه ای محبوس کنند. این فرآیند شیشه سازی نام دارد. شیشه مایع برای ذخیره سازی درون محفظه هایی از جنس فولاد ضد زنگ قرار می‌گیرند و این محفظه‌ها را در منطقه ای پایدار ( از نظر جغرافیایی ) انبار می‌کنند. پس از یک هزار سال، شدت تابش های رادیواکتیو ضایعات هسته ای به مقدار طبیعی کاهش پیدا می‌کند. این نقطه تا به امروز، انتهای چرخه سوخت هسته ای است.

بمب کثیف چیست؟

بمب کثیف چگونه کار می‌کند؟
بمب کثیف یا بمب پخش کننده مواد رادیواکتیو از نظر تئوری بسیار ساده است: یک ماده منفجره معمولی مانند TNT که همراه با مواد رادیواکتیو در یک محفظه قرار گرفته اند. این بمب نسبت به یک بمب هسته ای بسیار ساده تر، ارزان تر و البته کم اثرتر است، والبته هنوز از قابلیت تخریب انفجاری و آسیب های تشعشعی برخوردار است.
مواد منفجره از طریق گاز بسیار داغی که به سرعت منبسط می‌شود، موجب آسیب های تخریبی فراوانی می‌شوند. ایده اصلی بمب کثیف هم این است که به جای آنکه از این قدرت انبساطی گاز در جهت تخریب استفاده شود، به عنوان پخش کننده مواد خطرناک رادیواکتیو در سطحی وسیع استفاده شود. هنگامی که انفجار پایان یافت، مواد رادیواکتیو به صورت ابری از غبار در فضا پخش می‌شود که همراه با وزش باد، در سطحی وسیع تر از محل انفجار پراکنده می‌شود. اثر تخریبی طولانی مدت بمب، تشعشع یونیزه کننده مواد رادیواکتیو است. اتمها را یونیزه کند و مجموعه ای از یونهای مثبت و منفی را درون سلولها ایجاد کند. این پدیده در بدن انسان بسیار خطرناک است، زیرا جریان الکتریکی ناشی از حرکت یونها می‌تواند واکنش شیمیایی غیر طبیعی را در سلولها آغاز کند. علاوه بر اینها، این یونها ممکن است مولکولهای DNA را که حاوی کدهای ژنتیکی انسان هستند، مورد حمله قرار داده و آن را بشکنند. سلولی که رشته DNA آن شکسته شد، یا می‌میرد و یا مولکول DNA خودش را به شکل دیگری ترمیم می‌کند که با شکل پیشین خود متفاوت است و به آن جهش ژنتیکی می‌گویند. اگر بسیاری از سلولها بمیرند، بدن دچار بیماری های مختلف می‌شود. ولی اگر DNA جهش کند، سلول ممکن است سرطانی شود و سرطان در بدن پخش شود. تابش رادیواکتیو هم چنین می‌تواند در کارکرد سلول اختلال ایجاد کند که منجر به بروز علایمی می‌شود که از آن به بیماری تشعشع یاد می‌شود. بیماری تشعشع می‌تواند مرگ آور باشد، ولی مبتلایان به آن می‌توانند با درمان های پیشرفته از آن نجات پیدا کنند، بخصوص اگر پیوند مغز استخوان روی آنها صورت پذیرد.
تابش یونیز کننده از ایزوتوپ های رادیواکتیو ( رادیو ایزوتوپ‌ها ) ساطع می‌شوند. ایزوتوپ های رادیواکتیو، اتمهایی با هسته ناپایدار هستند که با گذشت زمان دچار واپاشی می‌شوند؛ به عبارت دیگر، آرایش پروتون‌ها و نوترون‌ها در هسته اتم و الکترونها در اطراف اتم به شکلی تغییر می‌کند که موجب می‌شود خصوصیات اتم تغییر کند. این واپاشی رادیواکتیو، انرژی فراوانی را در قالب تشعشع های یونیزه کننده آزاد می‌کند.
ما همیشه مقادیر اندکی از این تشعشع های یونیزه کننده را دریافت می‌کنیم که منشأ آنها طبیعی است: پرتوهای کیهانی که از فضا می‌آیند، ایزوتوپ های رادیواکتیو طبیعی، دستگاههای تابش X و مواردی از این دست. البته این تشعشع های طبیعی هم می‌توانند عامل بروز سرطان شوند، ولی احتمال ابتلا بسیار اندک است. چون ما در برابر مقادیر بسیار اندک آنها قرار داریم.
انفجار یک بمب کثیف، سطح این تشعشع را فراتر از مقدار معمول خود می‌برد و متناسب با آن، احتمال ابتلا به سرطان و بیماری تشعشع را افزایش می‌دهد. یک بمب کثیف بلافاصله تعداد زیادی از انسانها را نمی کشد، بلکه موجب می‌شود تعداد زیادی از انسانها در چند نسل به دلیل ابتلا به بیماری های لاعلاج جان بدهند.

انواع بمب های کثیف
طرح های مختلفی برای ساختن یک بمب کثیف وجود دارد. انواع مختلف مواد انفجاری در مقادیر متنوع، بمب هایی در ابعاد مختلف و با قابلیت های انفجاری متنوع پدید می‌آورند و انواع و مقادیر مختلف مواد رادیواکتیو، می‌تواند موجب آلودگی مناطق مختلف تا اندازه های مختلف شود. برخی از این طرح‌ها عبارتند از:
• یک بمب کوچک که شامل یک تکه دینامیت و مقدار بسیار کمی ماده رادیواکتیو است.
• یک بمب متوسط، همانند یک خودروی کوچک که پر از مواد منفجره و مقدار بیشتری ماده رادیواکتیو است.
• یک بمب بزرگ، همانند یک کامیون پر از مواد منفجره و مقادیر زیاد مواد رادیواکتیو.
• به دست آوردن مواد منفجره معمولاً کار سختی نیست، ولی دست یابی به مواد رادیواکتیو کار بسیار سختی است، زیرا فقط در مرکزهای حفاظت شده و اماکن تحقیقاتی وجود دراند. با این حال برخی منابع در سراسر جهان وجود دارند که از حفاظت خوبی بهره مند نیستند و ممکن است در آینده خطر ساز شوند.
1- در بیمارستانها مقادیر بسیار اندکی از مواد رادیواکتیو وجود دارد که در پزشکی هسته ای کاربرد دارد، همانند سنریوم 137
2- در دانشگاهها، مقادیر اندکی از مواد رادیواکتیو وجود دارد که در تحقیقات علمی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
3- مراکز پرتوتابی غذایی، از تابش های رادیواکتیو کبالت 60 استفاده می‌کنند تا باکتری های مضر روی غذا را نابود کنند.
4- معادن طبیعی اورانیوم در سراسر جهان وجود دارند و برخی از آنها که در آفریقا واقع شده اند، از حفاظت چندانی برخورد نیستند. اورانیوم طبیعی رادیواکتیو است، ولی غلظت آن در حدی نیست که مستقیماً در تهیه بمب های هسته ای مورد استفاده قرار گیرد.
5- مقادیر نسبتاً زیادی از باتری های هسته ای مصرف شده در سطح کشورهای اتحاد جماهیر شوروی سابق پخش شده است این مولد های قابل حمل گرما الکتریکی از مقادیر قابل توجهی استرونسیوم 90 برخوردار هستند که ایزوتوپ رادیواکتیو بسیار قدرتمندی است.
6- سوخت های هسته ای مصرف شده در راکتورهای روسی قدیمی که معمولاً در زیر دریایی های قدیمی و از کار افتاده هسته ای یافت می‌شود.
7- برخی مواد با رادیواکتیویته بسیار پایین هم در برخی وسایل زندگی روزمره یافت می‌شوند که جمع آوری آنها، می‌تواند نوعی تهدید به شمار آید. همانند مواد رادیواکتیو به کار رفته در حسگرهای هشدار دهنده رود.

آسیب های ناشی از بمب کثیف
9- جدای از این که بدانیم بمب کثیف چگونه تهیه می‌شود و خطر دست یابی سودجویان به آن چقدر زیاد است، پرسش مهم این است که اگر کسی چنین بمبی را منفجر کند، چه اتفاقی روی می‌دهد؟ پاسخ دقیقی برای این پرسش موجود نیست. شما می‌توانید از ده متخصص در این زمینه بپرسید و ده پاسخ متفاوت دریافت کنید. تعیین دقیق اثرات یک بمب کثیف کار پیچیده ای است، چرا که عوامل بسیاری در این راه دخالت دارند؛ حتی وزش باد هم در تأثیرات چنین بمبی دخالت دارد!
یک بمب کثیف معمولی را در نظر می‌گیریم که بین 5/4 تا 23 کیلوگرم ماده منفجره در بر دارد و مقدار بسیار کمی از ماده رادیواکتیو رده پایین همانند کبالت 60 یا سزیوم 137 که در آزمایشگاههای یک دانشگاه می‌توان آنها را پیدا کرد. چنین بمبی قدرت تخریب وحشتناکی ندارد. هر گونه مرگ آنی یا تخریب اولیه فقط به خود ماده منفجره برمی گردد. البته ماده منفجره مواد رادیواکتیو را در فضا پخش می‌کند و احتمالاً سطحی به مساحت چند کیلومتر مربع را آلوده خواهد کرد. البته بمب هایی که از ضایعات رادیواکتیو نیروگاههای هسته ای یا ژنراتورهای هسته ای قابل حمل استفاده می‌کنند، آسیب های بیشتری وارد خواهند کرد، ولی کارکردن با این مواد به مراتب دشوارتر است؛ چرا که تابش این مواد به قدری شدید است که در طول زمان ساختن و حمل و نقل بمب، سازندگان را از پای در می‌آورد.
در شرایط انفجار یک بمب معمولی، اگر در طول یک روز از شر لباس های آلوده خلاص شویم، حمام بگیریم و منطقه را پاکسازی کنیم، احتمالاً هیچ مشکلی پیش نخواهد آمد. انفجار بمب میزان تابش رادیواکتیو را از حد مجاز بالاتر می‌برد، ولی مقدار آن خیلی نیست. بدن انسان می‌تواند در کوتاه مدت، به خوبی از عهده مقابله با این اثرات برآید. البته مردمی که خیلی به انفجار نزدیک بوده اند، احتمالاً به بیماری تشعشع مبتلا می‌شوند و نیاز به مراقبت های بیمارستانی دارند.
نگرانی اصلی در مورد تابش های بلند مدت است. بسیاری از ایزوتوپ های رادیواکتیو، با مواد دیگر بسیار خوب واکنش می‌دهند ( از جمله با بتن و فلزات ) و از این رو نمی توان بدون نابود کردن قطعات ساختمانی، تمامی مواد رادیواکتیو را پاکسازی کرد. حتی پس از آنکه گروههای پاکسازی بخش اعظم مواد مضر را جابجا کردند، باز هم بخش اندکی از این مواد باقی می‌مانند که می‌توانند تا سالها و بلکه دهها سال به تشعشع دهند. هر کس در چنین منطقه ای زندگی کند، به طور منظم و در دوره ای طولانی تحت اثر تابش های مضر قرار می‌گیرد و احتمالاً به سرطان مبتلا خواهد شد.
پرسشی که اکنون مطرح می‌شود، این است که آیا این مقدار اندک، می‌تواند خطر بسیار اندکی را متوجه مردم بکند، خطری به مراتب فراتر از عوامل فعلی ایجاد کننده سرطان؟ دانشمندان برای پاسخ به این پرسش، دو دسته می‌شوند: گروه نخست معتقد است که اگر دولت، چند هفته تا چند ماه را به پاکسازی منطقه بگذراند، آنگاه خطرات احتمالی قابل صرفنظر خواهد بود. اما گروه دوم، می‌گویند ممکن است شدت حمله بمب کثیف به قدری زیاد باشد که یک شهر را برای سالها و حتی دهها سال غیر قابل سکونت نماید.
این که کدامیک از این دو نظر درست است، چیزی است که نمی توان با قطعیت گفت. برای هر دو پاسخ نمونه هایی وجود دارد. هیروشیما و ناکازاکی که به دلیل انفجار بمب هسته ای در معرض تابش های شدید رادیواکتیو قرار گرفتند، ولی امروزه کاملاً ایمن هستند. از سوی دیگر، مناطقی در اطراف نیروگاه هسته ای چرنوبیل وجود دارند که به دلیل تابش شدید رادیواکتیو هنوز ناامن محسوب می‌شوند.

طراحی یک رآکتور

در همه رآکتورها، قلب رآکتور که دمای بسیار زیادی دارد باید خنک شود. در یک نیروگاه هسته ای، سیستم خنک ساز به نوعی طراحی می‌شود که از گرمای آزاد شده به بهترین شکل ممکن استفاده شود. در اغلب این سیستمها از آب استفاده می‌شود. اما آب نوعی کند کننده هم محسوب می‌شود و از این رو نمی تواند در رآکتورهای سریع مورد استفاده قرار گیرد. در رآکتورهای سریع از سدیم مذاب یا نمک های سدیم استفاده می‌شود و دمای عملیاتی خنک ساز بالاتر است. در رآکتورهایی که برای تبدیل مورد طراحی شده اند، به راحتی گرمای آزاد شده را در محیط آزاد می‌کنند.
در یک نیروگاه هسته ای، رآکتور کند منبع آب را گرم می‌کند و آن را به بخار تبدیل می‌کند. بخار آب توربین بخار را به حرکت در می‌آورد ، توربین نیز ژنراتور را می‌چرخاند و به این ترتیب انرژی تولید می‌شود. این آب و بخار آن در تماس مستقیم با راکتور هسته ای است و از این رو در معرض تابش های شدید رادیواکتیو قرار می‌گیرند. برای پیشگیری از هر گونه خطر مرتبط با این آب رادیواکتیو، در برخی رآکتورها بخار تولید شده را به یک مبدل حرارتی ثانویه وارد می‌کنند و از آن به عنوان یک منبع گرمایی در چرخه دومی از آب و بخار استفاده می‌کنند. بدین ترتیب آب و بخار رادیواکتیو هیچ تماسی با توربین نخواهند داشت.

انواع رآکتورهای گرمایی
در در رآکتورهای گرمایی علاوه برکند کننده، سوخت هسته ای ( ایزوتوپ قابل شکافت القایی)، مخزن بخار و لوله های منتقل کننده آن، دیواره های حفاظتی و تجهیزات کنترل و مشاهده سیستم رآکتور نیز وجود دارند. البته بسته به این که این رآکتورها از کانالهای سوخت فشرده شده، مخزن بزرگ بخار یا خنک کننده گازی استفاده کنند، می‌توان آنها را به سردسته تقسیم کرد.
الف - کانالهای تحت فشار در رآکتورهای RBMK و CANDU استفاده می‌شوند و می‌توان آنها را در حال کارکردن رآکتور، سوخت رسانی کرد.
ب - مخزن بخار پرفشار داغ، رایج ترین نوع رآکتور است و در اغلب نیروگاههای هسته ای و رآکتورهای دریایی ( کشتی، ناوهواپیمابر یا زیردریایی ) از آن استفاده می‌شود. این مخزن می‌تواند به عنوان لایه حفاظتی نیز عمل کند.
ج - خنک سازی گازی: در این رآکتورها به جای آب، از یک سیال گازی شکل برای خنک کردن رآکتور استفاده می‌شود. این گاز در یک چرخه گرمایی با منبع حرارتی راکتور قرار می‌گیرد و معمولاً از هلیوم برای آن استفاده می‌شود، هر چند که نیتروژن و دی اکسید کربن نیز کاربرد دارند. در برخی رآکتورهای جدید، رآکتور به قدری گرما تولید می‌کند که گاز خنک کن می‌تواند مستقیما یک توربین گازی را بچرخاند، در حالی که در طراحی های قدیمی تر گاز خنک کن را به یک مبدل حرارتی می‌فرستادند تا در یک چرخه دیگر، آب را به بخار تبدیل کند و بخار داغ، یک توربین بخار را بگرداند.

بقیه اجزای نیروگاه هسته ای
غیر از رآکتور که منبع گرمایی است، تفاوت اندکی بین نیروگاه هسته ای و یک نیروگاه حرارتی تولید برق با سوخت فسیلی وجود دارد.
مخزن بخار تحت فشار معمولا درون یک ساختمان بتونی تعبیه می‌شود که این ساختمان به عنوان یک سد حفاظتی در برابر تابش رادیواکتیو عمل می‌کند. این ساختمان هم درون یک مخزن بزرگتر فولادی قرار می‌گیرد. هسته رآکتور و تجهیزات مرتبط با آن درون این مخزن فولادی قرار گرفته اند و کارکنان می‌توانند راکتور را تخلیه یا سوخت رسانی کنند. وظیفه این مخزن فولادی، جلوگیری از نشت هر گونه گاز یا مایع رادیواکتیو از درون سیال است.
در نهایت این مخزن فولادی هم به وسیله یک ساختمان بتونی خارجی محافظت می‌شود. این ساختمان به قدری محکم است که در برابر اصابت یک هواپیمای جت مسافربری ( مشابه حادثه یازده سپتامبر ) هم تخریب نمی شود. وجود این ساختمان حفاظتی دوم برای جلوگیری از انتشار مواد رادیواکتیو در اثر هرگونه نشت از حفاظ اول ضروری است. در حادثه انفجار چرنوبیل، فقط یک ساختمان حفاظتی وجود داشت و همان موجب شد موادراکتیو در سطح اروپا پخش شود.

رآکتورهای هسته ای طبیعی
در طبیعت هم می‌توان نشانه هایی از رآکتور هسته ای پیدا کرد، البته به شرطی که تمام عوامل مورد نیاز به طور طبیعی در کنار هم قرار گرفته باشند. تنها نمونه شناخته شده یک رآکتور هسته ای طبیعی دو میلیارد سال پیش در منطقه اوکلو در کشور گابون ( قاره آفریقا ) فعالیتش را آغاز کرده است. البته دیگر چنین رآکتورهایی روی زمین شکل نمی گیرند، زیرا واپاشی رادیواکتیو این مواد ( به خصوص U-235 ) در این زمان طولانی 5/4 میلیارد ساله ( سن زمین )، فراوانی U-235 را در منابع طبیعی این رآکتورها بسیار کاهش داده است، به طوری که مقدار آن به پایین تر از حد مورد نیاز آغاز یک واکنش زنجیره ای رسیده است.
این رآکتورهای طبیعی زمانی شکل گرفتند که معادن غنی از اورانیوم به تدریج از آب زیرزمینی یا سطحی پر شدند. این آب به صورت کند کننده عمل کرد و واکنش های زنجیره ای شدیدی به وقوع پیوست. با افزایش دما، آب کند کننده بخار می‌شد و رآکتور خاموش شد. پس از مدتی، این بخارها به مایع تبدیل می‌شدند و دوباره رآکتور به راه می‌افتاد. این سیستم خودکار و بسته، یک رآکتور را کنترل می‌کرد و برای صدها هزار سال، این رآکتور را فعال نگاه می‌داشت.
مطالعه و بررسی این رآکتورهای هسته ای طبیعی بسیار ارزشمند است، زیرا می‌تواند به تحلیل چگونگی حرکت مواد رادیواکتیو در پوسته زمین کمک کند. اگر زمین شناسان بتوانند را از این حرکت‌ها را شناسایی کنند، می‌توانند راه حل های جدیدی برای دفن زباله های هسته ای پیدا کنند تا روزی خدای ناکرده، این ضایعات خطرناک به منابع آب سطح زمین نشت نکنند و فاجعه ای بشری به بار نیاورند.

انواع رآکتورهای گرمایی
الف - کند سازی با آب سبک:
a- رآکتور آب تحت فشار Pressurized Water Reactor(PWR)
b- رآکتور آب جوشان Boiling Water Reactor(BWR)
c- رآکتور D2G

ب- کند سازی با گرافیت:
a- ماگنوس Magnox
b- رآکتور پیشرفته با خنک کنندی گازی Advanced Gas-Coaled Reactor (AGR)
c- RBMK
d- PBMR

ج - کند کنندگی با آب سنگین:
a - SGHWR
b - CANDU

رآکتور آب تحت فشار، PWR
رآکتور PWR یکی از رایج ترین راکتورهای هسته ای است که از آب معمولی هم به عنوان کند ساز نوترونها و هم به عنوان خنک ساز استفاده می‌کند. در یک PWR، مدار خنک اولیه از آب تحت فشار استفاده می‌کند. آب تحت فشار، در دمایی بالاتر از آب معمولی به جوش می‌آید، از این دوچرخه خنک ساز اولیه را به گونه ای طراحی می‌کنند که آب با وجود آنکه دمایی بسیار بالا دارد، جوش نیاید و به بخار تبدیل نشود. این آب داغ و تحت فشار در یک مبدل حرارتی، گرما را به چرخه دوم منتقل میکند که یک نوع چرخه بخار است و از آب معمولی استفاده می‌کند. دراین چرخه آب جوش می‌آید و بخار داغ تشکیل می‌شود، بخار داغ یک توربین بخار را می‌چرخاند، توربین هم یک ژنراتور و در نهایت ژنراتور، انرژی الکتریکی تولید می‌کند.
PWR به دلیل دارابودن چرخه ثانویه با BWR تفاوت دارد. از گرمای تولیدی در PWR به عنوان سیستم گرم کننده درنواحی قطبی نیز استفاده شده است. این نوع رآکتور، رایج ترین نوع رآکتورهای هسته ای است و در حال حاضر، بیش از 230 عدد از آنها در نیروگاههای هسته ای تولید برق و صدها رآکتور دیگر برای تأمین انرژی تجهیزات دریایی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

خنک کننده
همان طور که می‌دانید، برخورد نوترونها با سوخت هسته ای درون میله های سوخت، موجب شکافت هسته اتمها می‌شود و این فرآیند هم به نوبه خود، گرما و نوترونهای بیشتری آزاد می‌کند. اگر این حرارت آزاد شده منتقل نشود، ممکن است میله های سوخت ذوب شوند و ساختار کنترلی رآکتور از بین برود ( و البته خطرهای مرگ آوری که به دنبال آن روی می‌دهند. ) در PWR، میله های سوخت به صورت یک دسته در ساختاری، ترسیمی قرار گرفته اند و آب از کف رآکتور به بالا جریان پیدا می‌کند. آب از میان این میله های سوخت عبور می‌کند و به شدت گرم می‌شود، به طوری که به دمای 325 درجه سانتی گراد می‌رسد. درمبدل حرارتی، این آب داغ موجب داغ شدن آب در چرخه دوم می‌شود و بخاری با دمای 270 درجه سانتی گراد تولید می‌کند تا توربین را بچرخاند.

کند کننده
نوترونهای حاصل از یک شکافت هسته ای بیش از آن حدی گرمند که بتوانند یک واکنش شکافت هسته ای را آغاز کنند. انرژی آنها را باید کاهش داد تا با محیط اطراف خود به تعادل گرمایی برسند. محیط اطراف نوترونها ( قلب رآکتور ) دمایی در حدود 450 درجه سانتی گراد دارد.
در یک PWR، نوترونها در پی برخورد با مولکولهای آب خنک ساز، انرژی جنبشی خود را از دست می‌دهند؛ به طوری که پس از 8 تا 10 برخورد ( البته به طور متوسط ) با محیط هم دما می‌شوند. در این حالت، احتمال جذب نوترونها از سوی هسته U-235 بسیار زیاد است ودر صورت جذب، بالافاصله هسته U-236 جدید دچار شکافت می‌شود.
مکانیسم حساسی که هر رآکتور هسته ای را کنترل می‌کند، سرعت آزاد سازی نوترونها در طول یک فرآیند شکافت است به طور متوسط از هر شکافت، دونوترون و مقدار زیادی انرژی آزاد می‌شود. نوترونهای آزاد شده اگر با هسته U-235 دیگری برخورد کنند، شکافت دیگری را سبب می‌شوند و در نهایت یک واکنش زنجیره ای روی می‌دهد. اگر تمام این نوترونها در یک لحظه آزاد شوند، تعدادشان به قدری زیاد می‌شود که باعث ذوب شدن راکتور خواهد شد. ( تعداد ذرات پر انرژی، دمای یک سیستم را تعیین می‌کند. معادله بوتنرمن، این ارتباط را توصیف می‌کند. ) خوشبختانه برخی از این نوترونها پس از یک بازه زمانی نه چندان کوتاه ( حدود یک دقیقه ) تولید می‌شوند و سبب می‌شوند دیگر عوامل کنترل کننده از این تاخیر زمانی استفاده کرده، اثر خود را داشته باشند.
یکی از مزیت های استفاه از آب در PWR، این است که اثر کند سازی آب با افزایش دما کاهش می‌یابد. در حالت عادی، آب در فشار 150 برابر فشار یک اتمسفر قرار دارد ( حدود 15 مگا پاسکال ) و در قلب رآکتور به دمای 325 درجه سانتی گراد می‌رسد. درست است که آب با فشار پانزده مگا پاکسال در این دما جوش نمی آید، ولی به شدت از خاصیت کند کنندگی اش کاسته می‌شود، بنابراین آهنگ واکنش شکافت هسته ای کاهش می‌یابد، حرارت کمتری تولید می‌شود و دما پایین می‌آید. دما که کاهش یابد، توان رآکتور افزایش می‌یابد و دما که افزایش یابد توان راکتور کاهش می‌یابد؛ پس خود سیستم PWR دارای یک سیستم خود تعادلی در رآکتور است و تضمین می‌کند توان رآکتور در کمترین میزان مورد نیاز برای تأمین گرمای سیستم بخار ثانویه است.
در اغلب رآکتورهای PWR، توان رآکتور را در دوره فعالیت معمولی با تغییرات غلظت بورون ( در شکل اسید بوریک ) در چرخه خنک کننده اولیه کنترل اولیه کنترل می‌کنند سرعت جریان خنک کننده اول در رآکتورهای PWR معمولی ثابت است. بورون یک جذب کننده قوی نوترون است و با افزایش یا کاهش غلظت آن، می‌توان شدت فعالیت راکتور را کاهش یا افزایش داد. برای این کار، یک سیستم کنترلی پیچیده شامل پمپ های فشار بالا که آب را در فشار 15 مگا پاسکال از چرخه خارج می‌کند، تجهیزات تغییر غلظت اسید بوریک و تزریق مجدد آب به چرخه خنک ساز مورد نیاز است.
یکی از اشکالات راکتورهای شکافت، این است که حتی پس از توقف واکنش شکافت، هنوز هم واپاشی های رادیواکتیوی انجام می‌شود و حرارت زیادی آزاد می‌شود که می‌تواند راکتور را ذوب کند. البته سیستم های حفاظتی و پشتیبانی متعددی برای جلوگیری از این واقعه وجود دارند، با این حال ممکن است در اثر پیچیدگی های این سیستم، برهمکنش های پیش بینی نشده یا خطاهای عملیاتی مرگ آفرینی در شرایط اضطراری روی دهند. در نهایت، هر رآکتور با یک حفاظ ساختمانی بتونی احاطه شده است که آخرین سد در برابر تشعشعات رادیواکتیو است.

رآکتور آب جوشان، BWR
در رآکتور آب جوشان، از آب سبک استفاده می‌شود. آب سبک، آبی است که در آن فقط هیدروژن معمولی وجود دارد. ) BWR اختلاف زیادی با رآکتور آب تحت فشار ندارد، غیر از اینکه در BWR فقط یک چرخه خنک کننده وجود دارد و آب مستقیما در قلب راکتور به جوش می‌آید. فشار آب در BWR کمتر از PWR است، به طوری که در بیشترین مقدار به 75 برابر فشار جو می‌رسد ( 5/7 مگا پاسکال ) و بدین ترتیب آب در دمای 285 درجه سانتی گراد به جوش می‌آید.
رآکتور BWR به شکلی طراحی شده که بین 12 تا 15 درصد آب درون قلب رآکتور به شکل بخار در قسمت بالای آن قرار می‌گیرد. بدین ترتیب عملکرد بخش بالایی و پایینی هسته رآکتور با هم تفاوت دارند. در بخش بالایی قلب رآکتور، کند سازی کمتری صورت می‌گیرد و در نتیجه بخش بالایی کمتر است.
در حالت کلی دو مکانیسم برای کنترل BWR وجود دارد: استفاده از میله های کنترل و تغییر جریان آب درون راکتور.
الف - بالا بردن یا پایین آوردن میله های کنترل، روش معمولی کنترل توان رآکتور در حالت راه اندازی رآکتور تا رسیدن به 70 درصد حداکثر توان است. میله های کنترل حاوی مواد جذب کننده نوترون هستند؛ در نتیجه پایین آوردن آنها موجب افزایش جذب نوترون در میله ها، کاهش جذب نوترون در سوخت و درنهایت کاهش آهنگ شکافت هسته ای و پایین آمدن توان رآکتور می‌شود. بالا بردن میله های سوخت دقیقاً نتیجه معکوس می‌دهد.
ب - تغییرات جریان آب درون رآکتور، زمانی برای کنترل رآکتور مورد استفاده قرار می‌گیرد که راکتور بین 70 تا صد درصد توان خود کار می‌کند. اگر جریان آب درون رآکتور افزایش یابد، حباب های بخار در حال جوش سریع تر از قلب راکتور خارج می‌شوند و آب درون قلب رآکتور بیشتر می‌شود. افزایش مقدار آب به معنی افزایش کندسازی نوترون و جذب بیشتر نوترونها از سوی سوخت است و این یعنی افزایش توان راکتور. با کاهش جریان آب درون رآکتور، حباب‌ها بیشتر در رآکتور باقی می‌مانند، سطح آب کاهش می‌یابد و به دنبال آن کندسازی نوترونها و جذب نوترون هم کاهش می‌یابد و در نهایت توان رآکتور کاهش می‌یابد.
بخار تولید شده در قلب رآکتور از شیرهای جدا کننده بخار و صفحات خشک کن ( برای جذب هر گونه قطرات آب داغ ) عبور می‌کند و مستقیماً به سمت توربین های بخار که بخشی از مدار رآکتور محسوب می‌شوند، می‌رود. آب اطراف رآکتور همواره در معرض تابش و آلودگی رادیواکتیو است و از آنجا که توربین هم در تماس مستقیم با این آب است، باید پوشش حفاظتی داشته باشد. اغلب آلودگی های درون آب عمر کوتاهی دارند ( مانند N16 که بخش اعظم آلودگی های آب را تشکیل می‌دهد و نیمه عمرش تنها 7 ثانیه است )، بنابراین مدت کوتاهی پس از خاموش شدن رآکتور می‌توان به قسمت توربین وارد شد.
در رآکتور BWR، افزایش نسبت بخار آب به آب مایع درون رآکتور موجب کاهش گرمای خروجی می‌شود. با این حال، یک افزایش ناگهانی در فشار بخار، سبب بروز یک کاهش ناگهانی در نسبت بخار به آب مایع درون رآکتور می‌شود که خود، سبب افزایش توان خروجی می‌شود. این شرایط و دیگر حالت های خطرساز، موجب شده است از سیستم کنترلی اسید بوریک ( بورون ) نیز استفاده شود، بدین شکل که در سیستم پشتیبان خاموش کننده اضطراری، محلول اسید بوریک با غلظت بالا به چرخه خنک کننده تزریق می‌شود. خوبی این سیستم این است که اسید اوریک، یک خورنده قوی است و معمولا در PWR سبب می‌شود تلفات ناشی از خوردگی قابل توجه باشد. در بدترین شرایط اضطراری که تمام سیستم های امنیتی از کار افتاد، هر رآکتور به وسیله یک ساختمان حفاظتی از محیط اطراف جدا شده است. در یک رآکتور BWR جدی، حدود 800 دسته واحد سوخت قرار می‌گیرد و در هر دسته بین 74 تا 100 میله سوخت قرار می‌گیرد. این چنین حدود 140 تن اورانیوم در قلب رآکتور ذخیره می‌شود.

• رآکتور D2G
رآکتور هسته ای D2G را می‌توان در تمام ناوهای دریایی ایالات متحده می‌توان پیدا کرد. D2G مخفف عبارت زیراست:
رآکتور ناو جنگی D=Destroyer-sized reactor
نس دوم 2=Second Geneation
ساخت جنرال الکتریک G= General - Electric built
بدین ترتیب، D2G را می‌توان مخفف این عبارت دانست: رآکتور هسته ای نسل دوم ویژه ناوهای جنگی ساخت جنرال الکتریک. این رآکتور برای تولید حداکثر 150 مگا وات انرژی الکتریکی و عمر مفید 15 سال مصرف معمولی طراحی شده است.
در این رآکتور، برای مخزن بخار دو رآکتور وجود دارد و طوری طراحی شده که بتوان هر دو اتاق توربین را با یک رآکتور به راه انداخت. اگر هر دو رآکتور فعال باشند، ناو به سرعت 32 گره می‌رسد. اگر یک رآکتور فعال باشد و توربین‌ها متصل به هم باشند، سرعت ناو به 25 تا 27 گره خواهد رسید و اگر فقط یک رآکتور فعال باشد ولی توربین‌ها جدا باشند، سرعت فقط 15 گره خواهد بود.

بمب هسته اي چگونه كار مي‌كند؟

شما احتمالاً در كتابهاي تاريخ خوانده‌ايد كه بمب هسته‌اي در جنگ جهاني دوم توسط آمريكا عليه ژاپن بكار رفت و ممكن است فيلم‌هايي را ديده باشيد كه در آنها بمب‌هاي هسته‌اي منفجر مي‌شوند. درحاليكه در اخبار مي‌شنويد، برخي كشورها راجع به خلع سلاح اتمي با يكديگر گفتگو مي‌كنند، كشورهايي مثل هند و پاكستان سلاح‌هاي اتمي خود را توسعه مي‌دهند.

ما ديده‌ايم كه اين وسايل چه نيروي مخرب خارق‌العاده‌اي دارند، ولي آنها واقعاً چگونه كار مي‌كنند؟ در اين بخش خواهيد آموخت كه بمب هسته‌اي چگونه توليد مي‌شود و پس از يك انفجار هسته‌اي چه اتفاقي مي‌افتد؟

فيزيك هسته‌اي

انرژي هسته‌اي به 2 روش توليد مي‌شود:

1- شكافت هسته‌اي: در اين روش هسته يك اتم توسط يك نوترون به دو بخش كوچكتر تقسيم مي‌شود. در اين روش غالباً از عنصر اورانيوم استفاده مي‌شود.

2- گداخت هسته‌اي: در اين روش كه در سطح خورشيد هم اجرا مي‌شود، معمولاً هيدروژن‌ها با برخورد به يكديگر تبديل به هليوم مي‌شوند و در اين تبديل، انرژي بسيار زيادي بصورت نور و گرما توليد مي‌شود.

در شكل زير نمونه اي از شكافت هسته اتم اورانيوم نمايش داده شده است:

و در شكل زير گداخت هسته‌اي اتم‌هاي هيدروژن و تبديل آنها به هليوم 3 و الكترون آزاد نمايش داده شده است:

طراحي بمب‌هاي هسته‌اي:

براي توليد بمب هسته‌اي، به يك سوخت شكافت‌پذير يا گداخت‌پذير، يك وسيله راه‌انداز و روشي كه اجازه دهد تا قبل از اينكه بمب خاموش شود، كل سوخت شكافته يا گداخته شود نياز است.

بمب‌هاي اوليه با روش شكافت هسته‌اي و بمب‌هاي قويتر بعدي با روش گداخت هسته‌اي توليد شدند. ما در اين بخش دو نمونه از بمب هاي ساخته شده را بررسي مي كنيم:

بمب‌ شكافت هسته‌اي :

1- بمب‌ هسته‌اي (پسر كوچك) كه روي شهر هيروشيما و در سال 1945 منفجر شد.

2- بمب هسته‌اي (مرد چاق) كه روي شهر ناكازاكي و در سال 1945 منفجر شد.

بمب گداخت هسته‌اي : 1- بمب گداخت هسته‌اي كه در ايسلند بصورت آزمايشي در سال 1952 منفجر شد.

بمب‌هاي شكافت هسته‌اي:

بمب‌هاي شكافت هسته‌اي از يك عنصر شبيه اورانيوم 235 براي انفجار هسته‌اي استفاده مي‌كنند. اين عنصر از معدود عناصري است كه جهت ايجاد انرژي بمب هسته‌اي استفاده مي‌شود. اين عنصر خاصيت جالبي دارد: هرگاه يك نوترون آزاد با هسته اين عنصر برخورد كند ، هسته به سرعت نوترون را جذب مي‌كند و اتم به سرعت متلاشي مي‌شود. نوترون‌هاي آزاد شده از متلاشي شدن اتم ، هسته‌هاي ديگر را متلاشي مي‌كنند.

زمان برخورد و متلاشي شدن اين هسته‌ها بسيار كوتاه است (كمتر از ميلياردم ثانيه ! ) هنگامي كه يك هسته متلاشي مي‌شود، مقدار زيادي گرما و تشعشع گاما آزاد مي‌كند.

مقدار انرژي موجود در يك پوند اورانيوم معادل يك ميليون گالن بنزين است!

در طراحي بمب‌هاي شكافت هسته‌اي، اغلب از دو شيوه استفاده مي‌شود:

روش رها كردن گلوله:

در اين روش يك گلوله حاوي اورانيوم 235 بالاي يك گوي حاوي اورانيوم (حول دستگاه مولد نوترون) قرار دارد.

هنگامي كه اين بمب به زمين اصابت مي‌كند، رويدادهاي زير اتفاق مي‌افتد:

1- مواد منفجره پشت گلوله منفجر مي‌شوند و گلوله به پائين مي‌افتد.

2- گلوله به كره برخورد مي‌كند و واكنش شكافت هسته‌اي رخ مي‌دهد.

3- بمب منفجر مي‌شود.

در بمب هيروشيما از اين روش استفاده شده بود. نحوه انفجار اين بمب در شكل زير نمايش داده شده است:

روش انفجار از داخل:

در اين روش كه انفجار در داخل گوي صورت مي‌گيرد، پلونيم 239 قابل انفجار توسط يك گوي حاوي اورانيوم 238 احاطه شده است.

هنگامي كه مواد منفجره داخلي آتش گرفت رويدادهاي زير اتفاق مي‌افتد:

1- مواد منفجره روشن مي‌شوند و يك موج ضربه‌اي ايجاد مي‌كنند.

2- موج ضربه‌اي، پلوتونيم را به داخل كره مي‌فرستد.

3- هسته مركزي منفجر مي‌شود و واكنش شكافت هسته‌اي رخ مي‌دهد.

4- بمب منفجر مي‌شود.

بمبي كه در ناكازاكي منفجر شد، از اين شيوه استفاده كرده بود. نحوه انفجار اين بمب، در شكل زير نمايش داده شده است.

بمب‌ گداخت هسته‌اي: بمب‌هاي شكافت هسته‌اي، چندان قوي نبودند!

بمب‌هاي گداخت هسته‌اي ، بمب هاي حرارتي هم ناميده مي‌شوند و در ضمن بازدهي و قدرت تخريب بيشتري هم دارند. دوتريوم و تريتيوم كه سوخت اين نوع بمب به شمار مي‌روند، هردو به شكل گاز هستند و بنابراين امكان ذخيره‌سازي آنها مشكل است. اين عناصر بايد در دماي بالا، تحت فشار زياد قرار گيرند تا عمل همجوشي هسته‌اي در آنها صورت بگيرد. در اين شيوه ايجاد يك انفجار شكافت هسته‌اي در داخل، حرارت و فشار زيادي توليد مي‌كند و انفجار گداخت هسته‌اي شكل مي‌گيرد.در طراحي بمبي كه در ايسلند بصورت آزمايشي منفجر شد، از اين شيوه استفاده شده بود. در شكل زير نحوه انفجار نمايش داده شده است. 

اثر بمب‌هاي هسته‌اي:

انفجار يك بمب هسته‌اي روي يك شهر پرجمعيت خسارات وسيعي به بار مي آورد . درجه خسارت به فاصله از مركز انفجار بمب كه كانون انفجار ناميده مي‌شود بستگي دارد.

زيانهاي ناشي از انفجار بمب هسته‌اي عبارتند از :

- موج شديد گرما كه همه چيز را مي‌سوزاند.

- فشار موج ضربه‌اي كه ساختمان‌ها و تاسيسات را كاملاً تخريب مي‌كند.

- تشعشعات راديواكتيويته كه باعث سرطان مي‌شود.

- بارش راديواكتيو (ابري از ذرات راديواكتيو كه بصورت غبار و توده سنگ‌هاي متراكم به زمين برمي‌گردد)

دركانون زلزله، همه‌چيز تحت دماي 300 ميليون درجه سانتي‌گراد تبخير مي‌شود! در خارج از كانون زلزله، اغلب تلفات به خاطر سوزش ايجادشده توسط گرماست و بخاطر فشار حاصل از موج انفجار ساختمانها و تاسيسات خراب مي‌شوند. در بلندمدت، ابرهاي راديواكتيو توسط باد در مناطق دور ريزش مي‌كند و باعث آلوده شدن موجودات، آب و محيط زندگي مي‌‌شود.

دانشمندان با بررسي اثرات مواد راديواكتيو روي بازماندگان بمباران ناكازاكي و هيروشيما دريافتند كه اين مواد باعث: ايجاد تهوع، آب‌مرواريد چشم، ريزش مو و كم‌شدن توليد خون در بدن مي‌شود. در موارد حادتر، مواد راديواكتيو باعث ايجاد سرطان و نازايي هم مي‌شوند. سلاح‌هاي اتمي داراي نيروي مخرب باورنكردني هستند، به همين دليل دولتها سعي دارند تا بر دستيابي صحيح به اين تكنولوژي نظارت داشته باشند تا ديگر اتفاقي بدتر از انفجارهاي ناكازاكي و هيروشيما رخ ندهد.

مدل‌های ساختمان هسته‌ای

دید کلی

مدل‌های متعددی جهت توضیح خواص و واکنش‌های هسته‌ای پیشنهاد شده‌اند. از آنجا که هیچکدام از این مدلها برای توضیح کل مشاهدات تجربی بطور کامل رضایت بخش نیستند. مدلهای مختلفی برای تفسیر پدیده‌های گوناگون هسته‌ای بکار می‌روند. مفیدترین مدلها در مورد ساختمان هسته‌ای عبارتند از مدل لایه با مدل گاز فرمی ، مدل قطره مایع ، مدل اجتماعی ، مدل اپتیکی

مدل لایه

مدل لایه بطور مستقل بوسیله