مقدمه

راکتورهای هسته‌ای در کل از دو نوع شکافتی و همجوشی تشکیل شده‌اند و خود اینها با توجه به شرایط حاکم و اهداف مورد نظر به دسته‌های مختلفی تقسیم می‌شوند.

ردیف بندی بر حسب مصرف

• تولید پولوتونیوم
• تولید انرژی الکتریکی
• پژوهشها و تولید شارهای شدید نوترونی
• پیش رانش (در حال حاضر رانش فضایی و اتمی راکتورهای زیردریاییها)

ردیف بندی بر حسب ترازنامه کار

هر راکتوری یک ماده قابل احتراق و نیز یک ایزووتوپ بارور را شامل است که می‌تواند با جذب نوترونی به یک ماده شکافت تبدیل شود. ²³⁸U در راکتورهای حرارتی مانند راکتورهای سریع مورد استفاده قرار می‌گیرد. به بیان دیگر هر راکتوری یک ماده قابل شکافت را می‌سوزاند، ولی در همان زمان یک ماده شکافتی دیگر را می‌سازد. این راکتورها را زاینده گویند، در صورتی که هسته‌های قابل شکافت بیشتر از مصرف را تولید کند. فقط راکتورهایی با نوترونهای سریع می‌توانند زاینده باشند.

ردیف بندی بر حسب سلسله مراتب

این ردیف بندی بطور مستقیم به قیمت تولیدی یک کیلو وات ساعت وابسته است. در این ردیف بندی با انتخاب ماده کند کننده (اول نوشته می‌شود) و ماده سرد کننده (بعد از آن نوشته می‌شود) مشخص می‌شود. انواع مختلف که مورد استفاده دارند:

• گرافیت _ گاز
  
  گرمترین این راکتوها با اورانیوم طبیعی ، توان ویژه ای در حدود 2 مگا وات بر متر مکعب می دهند.
  
  
• گرافیت _ آب
  
  این راکتورها با اورانیوم طبیعی برای منظورهای نظامی مورد استفاده قرار گرفته اند و برای تولید انرژی الکتریکی کم بهره هستند.
  
  
• گرافیت _ فلز (یا نمک) مذاب
  
  سریم هممراه با کربور اورانیوم مورد استفاده قرار می گیردذ. نمکهای مذاب یک محیط سوختی مایع را به وحود می آورند و سرد کننده مخلوطی از ماده قابل احتراق و نمک مذاب است.
  
  
• کند کننده آب سنگین
  • سرد کننده: آب سنگین
  • سرد کننده: آب سبک
  • سرد کننده گازی
• آب سبک _ آب سبک
  
  

این راکتورهای پژوهشی با اورانیوم بسیار غنی شده معمولا توان کمتری دارند. این راکتورها در دو دسته ردیف بندی می‌شوند:

1. آب تحت فشار (P.W.R): این روش برای پیشرانش زیر دریایی ، ناوهای دریایی و کشتیها مورد استفاده قرار می گیرند.
   
   
2. آب جوشان (B.W.R): قسمتی از آب در مغز راکتور بخار شده و بخار تولید شده مستقیما توربین را بکار می اندازد.

راکتورهای هسته‌ای با دمای بالا

راکتورهای هسته‌ای با دمای بالا (HTR) می‌توانند در دماهای بسیار بالا ، گرما تولید کنند. کاربرد این راکتورها بیشتر برای تولید گرما و بویژه برای تولید هیدروژن یا ماده قابل احتراق ترکیبی و به این ترتیب تغییر تمام عادات مصرف انرژی است. این راکتورها از نوع راکتورهای با نوترونهای حرارتی ، با گردش هلیوم که تقریبا به دمای 700 درجه سانتیگراد برده می‌شود، در تجمعی از گرافیت و ذرات قابل شکافت به دمای کمتر از 1300 درجه سانتیگراد برده می‌شوند. این راکتورها بسیار مطمئن هستند، هلیوم گازی بدون خطر و رادیو اکتیویته آن کمتر و گستره دما بسیار بزرگ است. پسماندها و ضایعات آن بسیار کم است و می‌توانند الکتریسیته ، آب گرم ، بخار آب تولید کنند و در آینده دور می‌توان از آن به هیدروکربورها یا به توسط واکنشهای داخلی هیدروژن تولید کرد و بخشی از مسئله نفت را حل کرد.

راکتورهای همجوشی هسته‌ای

همجوشی هسته‌ای یک منبع انرژی پتانسیل است که آلودگی آن نسبتا کم ، تقریبا پایان ناپذیر ، ارزان قیمت و می‌تواند در دسترس همگان قرار گیرد.

توکاماک یکی از انواع راکتورهای همجوشی هسته‌ای

این نوع راکتور عمل محصورسازی را به خوبی انجام می‌دهد. طرح توکاماک در دهه پنجاه میلادی توسط روسها پیشنهاد شد. کلمه توکاماک از کلمات "toroidalnaya" ، "kamera" ، and "magnitnaya" به معنی " اتاقک مغناطیسی چنبره‌ای" گرفته شده است. یکی از دلایل و توجیهاتی که برای چنبره‌ای بودن محفظه‌های محصور سازی می‌شود بیان کرد این است که: توپ پر مویی را تصور کنید که شما قصد دارید موهای این توپ را شانه بزنید. شما هر طور و از هر طرف که بخواهید این کار را بکنید همیشه دو طرف از موهای توپ شانه نشده و نامنظم باقی می‌ماند.

حال به جای توپ فرض کنید که یک کره مغناطیسی داریم. می‌خواهیم که بردارهای میدان در سراسر اطراف این کره یکنواخت و منظم باشند (در واقع همه در یک جهت باشند). بنا به مثال این کار غیر ممکن بوده و نامنظمی در دو طرف کره باعث عدم پایداری محصور ساز می‌شود. ولی در یک محصور ساز چنبره‌ای چنین مشکلی وجود ندارد و یکنواختی میدان سراسر محصور ساز (توکاماک) باعث پایداری آن می‌شود. مهمترین و حیاتی‌ترین وظیفه یک ابزار همجوشی پایدار نگه داشتن پلاسما است.

اسفرومک نوع دیگری از راکتورهای همجوشی هسته‌ای

اسفرومک نوع دیگری از رآکتورهای همجوشی است که بر خلاف توکاماک که چنبره‌ای می‌باشد شکلی کروی دارد. البته تفاوت اسفرومک با توکاماک در این است که در مرکز اسفرومک هیچ جسم مادی وجود ندارد. اسفرومک متأسفانه با بی مهری مواجه شد و به اندازه توکاماک مورد توجه واقع نشد. در حالی که اسفرومک مدت زیادی بعد از توکاماک اختراع شد. در دهه گذشته اغلب تحقیقات در بخش انرژی همجوشی مغناطیسی روی توکاماک چنبره‌ای شکل برای رسیدن به واکنشهای همجوشی در سطح بالا متمرکز شده است.

کارکرد توکاماک

کار توکامک در ایالات متحده و خارج آن ادامه دارد، ولی سازمان دانشمندان انرژی همجوشی در حال بازدید از اسفرومک هستند. قسمت زیادی از علاقه تجدید شده به پروژه اسفرومک روی تحقیقات فعالی در لاورنس لیورمور در گروهی به نام (SSPX (Sustained Spheromak Physics Experiment متمرکز شده است. SSPX در 14ژوئن 1999 در مراسمی با حضور نماینده‌ای از DOE و با همکاری دانشمندانی از Sandia و آزمایشگاه ملی لس آلاموس آغاز به کار کرد. SSPX یک سری از از آزمایشات است که برای این طراحی شده که توانایی اسفرومک را در این مورد که اسفرومک چقدر این کیفیت را داراست که پلاسماهای داغ سوخت همجوشی را درون خود داشته باشد مشخص کند.

به عقیده رهبر پروژه SSPX توکاماک با دمای بالایی که در آن قابل دسترسی است (بیشتر از 100میلیون درجه سلسیوس که بارها بیشتر از دمای مرکز خورشید است) فعلا برنده جریان رهبری پروژه‌های همجوشی به حساب می آید. با این حال میدانهای مغناطیسی توکاماک بوسیله کویل سیم پیچهای بیرونی بسیار بزرگ که چنبره رآکتور را کاملا احاطه می‌کنند تولید می‌شوند. این کویلهای بسیار بزرگ هزینه بسیار زیاد و بی‌نظمی و اختلالاتی در کار رآکتور خواهند داشت.

در حالی که اسفرومکها پلاسمای بسیار داغ را در یک سیستم میدان مغناطیسی ساده و فشرده که فقط از یک سری ساده از کویلهای کوچک پایدار کننده استفاده می‌کند بوجود می‌آورد. میدانهای مغناطیسی قوی لازم درون پلاسما با چیزی که دینام مغناطیسی نامیده می‌شود تولید می‌شوند.

انرژی ده کردن

درنوعی از رآکتورهای شکافت هسته‌ای بوجود آوردن زنجیره واکنشها بوسیله برخورد دادن یک نوترون پر انرژی با هسته یک اتم ²³⁵U انجام می شود.به این صورت که وقتی که این نوترون وارد هسته اتم ²³⁸U می‌شود آن را به یک هسته ²³⁹U تبدیل می‌کند. از آنجا که این هسته ناپایدار است به سرعت واپاشی می‌کرده و اتمهای سبکتری به همراه سه نوترون پر انرژی دیگر را تولید می‌کند.
توضیح کاملتر اینکه در هسته‌های سنگین پایدار مثل اورانیوم بین نیروهای الکترو استاتیکی که مایل هستند ذرات تشکیل دهنده اتم را از هم دور کنند و نیروی هسته‌ای که آنها را کنار هم نگه می‌دارد تعادل بسیار حساسی وجود دارد، که این تعادل را می‌توان براحتی و به روشی که گفته شد به هم زده و واکنش شکافت هسته‌ای را شروع کنیم. واکنش حاصل از یک اتم با تولید کردن سه نوترون پر انرژی دیگر باعث می‌شود سه اتم اورانیوم دیگر وارد واپاشی بشوند. به همین ترتیب واکنش اصطلاحا زنجیره‌ای می‌شود.

قدر مسلم یک رآکتور همجوشی ایده آل رآکتوریست که در آن واکنشهای زنجیره ای داریم. در واقع هدف اساسی در راه ساخت رآکتور همجوشی هسته‌ای زنجیره‌ای کردن آن است. اگر قرار باشد که ما در این راه انرژی صرف کنیم تا یک مقدار کمتر از آنرا بدست بیاوریم مطمئنا این واکنش نه زنجیره‌ایست و نه مفید. دانشمندان این رشته مفهومی به نام گیرانش را تعریف کرده‌اند که به معنی این است که مقداری انرژی صرف شروع واکنش کنیم و انرژی بیشتر از سلسله واکنشها بگیریم، در واقع در شرایط گیرانش واکنش زنجیره‌ای می‌شود. یعنی نه تنها انرژی تولیدی یک واکنش برای انجام واکنش بعد کافیست، بلکه مقدار زیادی از آن هم اضافه است و می‌تواند در اختیار ما برای تولید برق قرار بگیرد.

اگر بخواهیم توکاماک یا هر وسیله دیگر که همجوشی در آن انجام می‌شود توان مفید داشته باشد، یعنی به ما انرژی بدهد باید شرایط خاصی داشته باشد. برای آنکه احتمال برخورد ذرات (یونهای) نامزد همجوشی بالا برود، اولا باید دمای خیلی بالایی درون آن تولید بشود و رآکتور هم بتواند بخوبی دمای بالا را تحمل کند. (این دما در محدوده ده به توان هفت درجه کلوین می‌باشد!) دوما رآکتور باید این توانایی را داشته باشد که درونش چگالی زیاد از یونها را وارد کرد و سوم اینکه زمان محصور سازی در آن طولانی باشد.

دمای بالا برای آن است که بتوانیم تقریبا مطمئن باشیم که می‌توانیم از سد محکم پتانسیل کولنی هسته‌ها بگذریم. چگالی زیاد هم برای این است که هر چه بیشتر احتمال برخوردهای کارا بالا برود. در این مسیر قانونی وجود دارد که نام آن معیار لاوسون است. به کمک این معیار می‌شود محاسبه کرد که آیا شرایط طوری هست که واکنش به گیرانش برسد یا نه. معیار لاوسن باید: مقدار چگالی در مدت زمان محصور سازی ، ده به توان 20 ذره در متر مکعب باشد تا این واکنش به گیرانش برسد (البته بستگی مستقیم با دمای پلاسما دارد).

رسیدن به شرایط مطلوب

برای رسیدن به شرایط مطلوب در واکنشهای گرما هسته‌ای که در آنها از سوخت دوتریم - تریتیم استفاده می‌شود دمای پلاسما (T) باید در محدوده یک الی سه ضرب در ده به توان هشت درجه کلوین و زمان محصورسازی T_E باید در حدود یک الی سه ثانیه و چگالی (n) باید حوالی یک الی سه ضرب در ده به توان بیست ذره بر متر مکعب باشد. برای آغاز بکار رآکتور یعنی برای رسیدن به کمینه دمای حدود 10⁸ کلوین باید از وسیله گرما ساز کمکی استفاده کرد.

بعد از محترق شدن سوخت مخلوط پلاسما باذرات آلفایی که در اثر احتراق اولیه بوجود آمده‌اند گرم شده و می‌توانیم دستگاه کمکی را از مدار خارج کنیم. از آن به بعد سرعت فعالیتهای همجوشی با افزایش دادن چگالی پلاسما افزایش پیدا می‌کند. با این وجود افزایش چگالی به بالای مرزهای تعیین شده و مطمئنا به معنی به هم خوردن پایداری پلاسما و یا اینکه خاموش شدن رآکتور را در پی خواهد داشت یا فاجعه. به عبارت دیگر (در صورت افزایش چگالی پلاسما) برای پایدار کردن پلاسما زمان محصور سازی و دمای احتراق و صد البته حجم پلاسما و نقطه پایداری پلاسما با افزایش چگالی بالاتر رفته و شرایط را برای کار سختتر می‌کند. به حالت تعادل در آوردن این مستلزمات با شکل بندی رآکتور در کوچکترین اسپکت ریتو که به شکل بندی مغناطیسی آن بستگی دارد مقدور می‌شود.







نسبت R به a را اسپکت ریتو می‌گویند.

خروج پسماندها

طبق شکل زیر که تصویری از سطح مقطع رآکتور می باشد نحوه کنترل و خارج کردن پسماندهای واکنش که همان هلیوم باشند را مشاهده می کنید.

واقعیت

ITER اسم مجموعه ایست که اولین رآکتور همجوشی جهان را که از نوع توکاماک خواهد بود، در فرانسه خواهند ساخت. این مجموعه متشکل است از کشورهای: روسیه ، اروپا ، ژاپن ، کانادا ، چین ، ایالات متحده و جمهوری کره. آنها در این راه از فوق هادیها برای قسمتهای مغناطیسی رآکتور استفاده می کنند. توان خروجی این توکامک 410 مگا وات خواهد بود.

ویژه هسته: یک هسته خاص با اعداد پروتونی (Z) و نوترونی (N) معین را گویند.


ایزوتوپ ها: ویژه هسته هایی با پروتون های یکسان و نوترون های مختلف را گویند.مثال:ایزوتوپ هیدروژن 21H و 31H می باشند.


ایزوتون ها: ویژه هسته هایی با نوترون برابر و پروتون مختلف را گویند.


ایزوبارها: ویژه هسته هایی با عدد جرمی A ی برابر (A=Z+N) را می گویند.


ایزومر: ویژه هسته هایی در حالت بر انگیخته با نیم عمر قابل اندازه گیری را ایزومر می نامند.


نوکلئون: ذرات تشکیل دهنده هسته) نوترون یا پروتون ) نوکلئون نام دارند.


مزون ها: ذراتی هستند با جرمی بین جرم الکترون و جرم پروتون. شناخته شده ترین مزون ها عبارتند از: مزون های پی که نقش مهمی در نیروهای هسته ای باز می کند و مزون های مو که در پدیده های پرتو کیهانی مهم است.


پوزیترون: الکترون با بار مثبت به عبارتی ذره ای با جرمی برابر جرم الکترون و باری برابر بار الکترون با علامت مثبت.


فوتون: کوانتوم تابش الکترومغناطیسی که معمولاً بصورت نور اشعه ایکس یا اشعه گاما ظاهر می شودبه عبارت دیگر کوچکترین ذرات سازنده نور فوتون ها هستند.


اسپین: صرفنظر از انرژی مربوط به چرخش الکترون به دور هسته اتمی الکترون نیز انرژی اضافی دیگری دارد که مربوط به چرخش حول محور خود می باشد .علاوه بر الکترون ذراتی دیگر مثل پروتون ، نوترون و فنون ها نیز به نوبه خود دارای اسپین می باشد.


آب سنگین: اصطلاحی که معمولا برای مولکول آب دارای دو اتم هیدروژن سنگین بکار می رود در این مولکول دو اتم دوتریوم بجای دو اتم هیدروژن جایگزین می شود (D2o). آب سنگین دارای خواص غیر عادی بوده و در راکتور های هسته ای نقش ایفا می کنند.


بتاترون: یک شتاب دهنده چرخه ای است این دستگاه شامل یک محفظه حلقوی بدون هوا است.که بین قطبهای یک الکترومغناطیس جای دارد یک چشمه الکترونی نیز داخل آن محفظه قرار گرفته است.


سوخت هسته ای پلوتنیم: یک عنصر شیمیائی یا عدد اتمی 92 و جرم اتمی 239 و یک فلز سمی است. به سادگی در هوا آتش می گیرد. کاربرد عمده پلوتونیم در راکتورهای هسته ای ، بمب های هسته ای ، چشمه ذره آلفا و اشعه گاما در پزشکی است.


کوانتا (Cuonta ): در سال 1901 فیزیکدان معاصر آلمانی ماکس پلانک پیشنهاد نمود که در انتقالات فیزیکی و تاثیرات متقابل اتم های ماده ، انرژی بصورت مقادیر مجزا یا "بسته های" کوچک نشر یافته و یا جذب می شوند. در نتیجه مطابق این تئوری، انرژی دارای مقادیر پیوسته ای نمی باشد. این قسمتهای کوچک نام کوانتوم بخود گرفت .


لباسهای بادی (Pneumatic suit ): لباسهای مخصوص که برای کار در هوای آلوده به مواد رادیو اکتیو ) بخارهای گازها ، ذرات بسیار ریز) بکار می رود .


مهندسی هسته ای: شاخه ای از مهندسی مواد که انرژی هسته ای و نیز موارد استفاده از آن را برای احتیاجات کلی و دفاعی مطالعه و بررسی می کند.


نوترنیو (Neutrino): ذراتی هستند خنثی که تشخیص و حتی به تله انداختن آنها خیلی مشکل است ضمن واپاشی بتای هسته های اتمی همراه الکترون یا پوزیترون گسیل می شود.


نیم عمر (Half Life): یکی از مهمترین کمیت های مشخصه مواد رادیو اکتیو نیم عمر آنها می باشد و طبق تعریف مدت زمانی است که فعالیت چشمه به نصف مقدار اولیه می رسد .


راکتورهای هسته ای: وسیله که درآن واکنش شکافت زنجیری کنترل شده انجام می شود. راکتور هسته ای نام دارد. اورانیوم و پلوتونیم به عنوان سوخت هسته ای به کار می رود.


پرتوهای کیهانی: تابش های کیهانی عبارتست از ذرات مثبت تند (پروتون ها ) و شماری ذرات آلفا و هسته های دیگر ذرات اولیه. پرتوهای کیهانی دارای انرژی عظیم از مرتبه میلیارد الکترون ولت است گاهی این انرژی به مقادیر حیرت آور از مرتبه 21 ev 10می رسد این پرتوها قادرند تا عمق اقیانوس ها و زمین هم نفوذ کنند.


جرم سکون (Rest Mass): جرم یک ذره ای که سرعت آن صفر بوده و یا صفر می شود را جرم سکون گویند.


جرم بحرانی سوخت هسته ای (Critical Mass): جرم بحرانی برای انجام یک واکنش زنجیری شکست عبارتست از کمترین مقدار سوخت هسته ای بطوریکه هر دوره نوترون باعث تولید یک دوره بعدی یا همان تعداد نوترون گردد یعنی کاهش نوترون در سوخت هسته ای بطور کامل جبران شود.


تعریف جرم بحرانی: کمترین مقدار لازم جرم فیزیکی ماده سوختنی جهت سوختن را جرم بحرانی گویند

امروز، تمایز دادن این دو نوع سلاح بسیار دشوار است؛ زیرا در سلاح های پیچیده ای که امروزه ساخته می‌شود هر دو نوع بمب با هم ترکیب شده اند. مثلاً ابتدا یک بمب شکافت کوچک منفجر می‌شود تا دما و فشار مورد نیاز واکنش هم جوشی و انفجار بمب هم جوشی فراهم شود. عناصر هم جوشی هم ممکن است در هسته یک بمب شکافت استفاده شوند، چون نوترونهایی که از آنها تولید می‌شود باز می‌آفریند شکافت را بالا می‌برد.
وجه تمایز سلاح های شکافت و هم جوشی در این است که انرژی آنها از تغییرات هسته اتم به دست می‌آید. پس بهترین نام برای تمامی این سلاح های انفجاری، سلاح هسته ای یا Nuclear Weapon است. نوع دیگری از استفاده از سلاحهای اتمی هم وجود دارد که به آن بمب کثیف می‌گویند.

بمب های شکافت (Fission Bomb)
ساده ترین بمب های هسته ای بمب های شکافت خالص هستند که اساس سلاح های پیشرفته امروزی را تشکیل می‌دهند. اولین بار این بمب در آزمایش ترینتیی که نخستین دستاوردهای علمی پروژه، منهتن بود، منفجر شد.
یک بمب هسته ای شکافت، با تبدیل مداوم یک جرم زیر بحرانی یک ماده قابل شکافت به یک مجموعه فوق بحرانی و ایجاد یک واکنش زنجیره ای همراه با تولید مقداربسیار زیاد انرژی کار می‌کند. در عمل جرم به طور پیوسته و آرام و آرام به حالت بحرانی نمی رسد، بلکه از یک حالت زیر بحرانی به یک حالت بسیار فوق بحرانی تبدیل می‌شود. بدین ترتیب هر نوترون، نوترونهای جدید و زیادی تولید می‌کند و واکنش زنجیرهای با سرعت بسیار زیادی پیش می‌رود. مشکل اصلی در تولید یک بمب هسته ای شکافت بازده انفجاری خوب، این است که بتوان برای مدت کافی، اجزای بمب را کنار هم نگاه داشت تا بخش قابل توجهی از انرژی هسته ای قابل تولید آزاد شود.
تا پیش از زمان رها کردن بمب، ماده قابل شکافت را باید به صورت قطعات متعدد و جدا از هم که هر یک کمتر از جرم بحرانی هستند، نگاهداری کرد. در زمان انفجار، باید مواد قابل شکافت را به سرعت در کنار هم قرار داد. در ضمن فرآیند جمع شدن مواد، واکنش زنجیره ای آغاز می‌شود و سبب می‌شود اجزای بمب گرم شده، منبسط شوند. این انبساط مانع از فشرده شدن حداکثر مواد می‌شود ( به صرفه ترین حالت تولید انرژی در فشردگی کامل مواد قابل شکافت روی می‌دهند. ) اما فراهم کردن سیستمی که تمام این کارها را به خوبی انجام دهد اصلاً کار ساده ای نیست.

برای انفجار بمب باید چه کار کرد؟
الف - قطعات فرو بحرانی ماده هسته ای باید به هم متصل شوند تا یک جرم فرا بحرانی را تشکیل دهند. این جرم فرا بحرانی به هنگام آغاز واکنش، بیشتر از حد نیاز نوترون تولید می‌کند و ادامه یک واکنش زنجیره ای را تضمین می‌کند.
ب - تا آنجا که ممکن است، ماده بیشتری قبل از انفجار بمب شکافته شود تا از سوخته شدن بمب جلوگیری شود. سوخته شدن، زمانی است که بمب خوب عمل نکند و مواد قابل شکافت اندکی دچار شکافت هسته ای شوند.
برای تبدیل سوخت هسته ای از حالت فرو بحرانی به حالت فرا بحرانی، معمولاً از دو روش استفاده می‌شود. روش نخست، کنار هم قرار دادن جرمهای فرو بحرانی در کنار هم و تشکیل یک جرم فرو بحرانی است. روش دوم، فشرده کردن یک جرم فرو بحرانی و رساندن آن به جرم فرا بحرانی است.
نوترونها را یک مولد نوترون تولید می‌کند. این مولد، یک ساچمه کوچک از جنس پولونیوم و بریلیوم است که درون یک ورقه فلزی واقع شده است. ساچمه و پوشش فلزی اش درون هسته سوخت هسته ای بمب قرار می‌گیرد و بدین شکل عمل می‌کند:
1- هنگامی که دو جرم فرو بحرانی به هم متصل می‌شوند، پوشش فلزی ساچمه می‌شکند و پولونیوم بلافاصله ذرات آلفا ساطع می‌کند.
2- این ذرات آلفا بریلیوم 9 ( Br9 ) برخورد می‌کنند و در نتیجه بریلیوم 8 ( Br8 ) و چند نوترون آزاد می‌شود.
3- این نوترونهای آزاد به هسته های سوخت اتمی برخورد می‌کنند و شکافت هسته ای را آغاز می‌کنند.
در نهایت، واکنش شکافت درون یک پوشش فلزی چگال که بازتابنده نام دارد، گسترش می‌یابد. بازتابنده معمولاً از U-238 ساخته می‌شود. ادامه واکنش شکافت، سبب می‌شود بازتابنده گرم شود و انبساط پیدا کند. انبساط بازتابنده، فشاری را در جهت عکس به هسته واکنش وارد می‌کند و گسترش هسته را کندتر می‌کند. بازتابنده هم چنین نوترونهای پر انرژی را به درون هسته شکافت منعکس می‌کند و بازده فرآیند شکافت هسته ای را افزایش می‌دهد.

بمب شکافت به مکانیسم تفنگی
ساده ترین راه برای رساندن دو جرم فرو بحرانی به یکدیگر، این است که تفگی بسازیم و یکی از این جرمها را به سمت دیگری شلیک کنیم. جرم بحرانی U-235 به صورت یک کره به دور مولد نوترون ساخته می‌شود، ولی مقداری از آن به صورت یک گلوله کوچک جدا می‌شود. گلوله در انتهای یک لوله بلند قرار می‌گیرد و کره اورانیومی در انتهای دیگر لوله قرار می‌گیرد. مقدار دقیقی مانده منفجره هم پشت گلوله قرار می‌گیرد.
هنگامی که حسگر فشار سنج با رومتری با ارتفاع مناسب انفجار بمب منطبق شد، مراحل زیر به ترتیب اتفاق می‌افتد:
1- چاشنی ماده منفجره عمل می‌کند و انفجاری دقیق، گلوله را به انتهای لوله پرتاب می‌کند.
2- گلوله به کره اورانیومی و مولد نوترون برخورد می‌کند و طبق روندی که قبلاً اشاره شد، واکنش شکافت آغاز می‌شود.
3- واکنش های شکافت هسته ای گسترش می‌یابند.
4- بمب منفجر می‌شود.

< id=obj1 codeBase=http://download.macromedia.com/pub/shockwave/cabs/flash/swflash.cab#version=6,0,40,0 height=422 width=425 border=0 classid=clsid:D27CDB6E-AE6D-11CF-96B8-444553540000> pluginspage="http://www.macromedia.com/go/getflashplayer"
src="images/~nuclear-bomb-gun-fission.swf" />
پسر کوچولو ( Little Boy )، بمبی که روی شهر هیروشیما منفجر شد، از همین نوع بمب بود و با همین مکانیسم عمل کرد. قدرت انفجاری آن معادل 5/14 کیلوتن تی ان تی بود و بازدهش حدود 5/1 درصد. یعنی قبل از آنکه بمب منفجر شود و اجزای بمب در فضا پخش شوند، 5/1 درصد سوخت بمب دچار شکافت هسته ای شده بود و انرژی حاصل از آن، معادل انفجار 14500 تن یا 5/14 میلیون کیلوگرم تی ان تی بود.

بمب شکافت با مکانیسم انفجاری
در اوایل پروژه، منهتن ( برنامه فوق سری ایالات متحده در جنگ جهانی دوم برای تولید بمب هسته ای )، دانمشندان هسته ای فهمیدند فشرده کردن جرمهای فرو بحرانی توسط انفجارهای داخلی و متمرکز کردن آنها در یک کره کوچک، روش خوبی برای فرابحرانی کرن آن جرم است. البته مشکلات زیادی در این راه وجود داشت، مثلاً این که چگونه ضربه انفجار را کنترل کرد و به طور یکنواخت روی سطح یک کره پخش کرد.
مشکل بدین شکل حل شد: ابزار انفجاری، کره ای با جنس اورانیوم 235 به عنوان بازتابنده و یک هسته از جنس پلوتونیوم 239 بود که بین آنها را مواد منفجره بسیار قوی پر کرده بود. وقتی بمب‌ها رها می‌شود و به لحظه انفجار می‌رسد، این اتفاق‌ها به ترتیب روی می‌دهد:
1- مواد منفجره عمل می‌کنند و یک موج ضربه ای ایجاد می‌شود.
2- موج ضربه ای هست را فشرده می‌کند.
3- واکنش شکافت آغاز می‌شود.
4- بمب منفجر می‌شود.
مرد چاق ( Fat man)، بمبمی که برفراز شهر ناکازاکی منفجر شد، از این نوع بمب های انفجاری بود که قدرتش معادل انفجار 23 کیلوتن تی ان تی و بازدهش 17 درصد بود.

بمب های مکانیسم انفجاری جدید
بعدها بمب های انفجاری به طراحی های بهتری رسیدند که بازده آنها را به شدت افزایش می‌داد. نمونه ای از کار آنها به این قرار است:
1- ماده منفجره عمل می‌کند و موج ضربه ای پدید می‌آورد.
2- موج ضربه ای، قطعات پلوتونیوم را به درون یک کره کوچک هدایت می‌کند.
3- قطعات پلوتونیوم در مرکز آن کره کوچک به یک ساچمه بریلیوم - پولونیوم برخورد کرده، پوشش آن را می‌شکنند.
4- واکنش شکافت آغاز می‌شود و به سرعت گستش می‌یابد.
5- بمب منفجر می‌شود.

< id=obj2 codeBase=http://download.macromedia.com/pub/shockwave/cabs/flash/swflash.cab#version=6,0,40,0 height=416 width=418 border=0 classid=clsid:D27CDB6E-AE6D-11CF-96B8-444553540000> pluginspage="http://www.macromedia.com/go/getflashplayer"
src="images/~nuclear-bomb-implosion-fission2.swf" />
امروز تغییرات زیادی در مورد شکل بمب ایجاد شده است. در گذشته ابزارهای انفجاری کروی شکل بودند، ولی امروزه توصیه می‌شود شکل آنها به بیضی گون، همانند لیمو، نزدیک باشد.

مقایسه دو مکانیسم تفنگی و انفجاری
1- بازده روش انفجاری بیشتر است، زیرا در روش انفجاری نه تنها جرمهای فرو بحرانی با هم ترکیب می‌شوند، بلکه چگالی پلوتونیوم هم افزایش می‌یابد. افزایش چگالی پلوتونیوم، افزایش چگالی نوترونهای آزاد شده را نیز به همراه خواهد داشت.
2- مکانیسم تفنگی فقط با اورانیوم 235 قابل ساخت است، در حالی که مکانیسم انفجاری از هر دو این مواد استفاده می‌کند.
3- خطرات سلاح تفنگی بیشتر است. در سلاح انفجاری، مقدار پلوتونیوم کمتر از حد بحرانی است و هیچ اتفاقی تصادفی نمی تواند موجب آغاز واکنش شکافت شود. ولی مثلا فرض کنید بمب اشتباهی به آب بیفتد و آسیب ببیند. آب دریا به عنوان کند کننده عمل می‌کند و بمب تفنگی منفجر می‌شود.
4- در حالت عادی، کره پلوتونیومی درون سلاح های انفجاری نیست و فقط هنگام مسلح شدن به درون آن فرستاده می‌شود. بنابراین در صورت هر گونه آتش سوزی یا خطرات احتمالی، انفجار هسته ای روی نمی دهد. در برخی انواع دیگر، فضایی خالی که پلوتونیوم در آنجا فوق بحرانی می‌شود با کره ای سخت پر شده که در صورت بروز اتفاق، مانع از فشرده شدن پلوتونیوم می‌شود. به هنگام مسلح شدن بمب، این کره سخت خارج می‌شود

دید کلی

راکتورهای هسته‌ای زباله‌های رادیواکتیوی تولید می‌کنند که از خود ، ذرات آلفا ، بتا و اشعه گاما متصاعد می‌کند. ذرات آلفا را می‌توان بوسیله یک صفحه کاغذ و یا چند سانتی‌متر هوا و ذرات بتا را می‌توان بوسیله فلز نازک و یا چند متر هوا متوقف کرد. در حالی‌که اشعه‌های گاما بوسیله چندین سانتی‌متر سرب و یا حتی سپر سنگی اضافه متوقف می‌شوند، چون ذرات آلفا از همه بزگترند، بیشترین آسیب را می‌رسانند. امّا اشعه گاما بیشترین نفوذ را دارد.

معمولا زباله‌ها را برحسب منشآ آنها دسته‌بندی می‌کنند و عبارتند از گازها ، محلولهای رقیق و جامدات. گرچه زباله‌های هسته‌ای غیر نظامی در مقایسه با دیگر زباله‌های هسته‌ای حجم بسیار کمتری دارد، اما ایزوتوپهایی مانند Sr__ است که در ساختمان ماده به جای کلسیم می‌نشیند و ضایعات ناشی از تشعشع را در یک نطقه متمر کز می‌کند . نیم عمر بسیاری از این ایزوتوپهای زباله‌های هسته‌ای آنچنان طولانی است که باید برای هزاران سال عایق‌سازی شود تا در اثر واپاشی هسته‌ای به سطح ایمنی قابل قبولی برسد.

عایق‌سازی زباله‌های هسته‌ای

بطور کلی ، مشکل عایق‌سازی زباله‌های هسته‌ای را در دو پرسش می‌توان خلاصه کرد: اول بهترین شکل زباله‌ها چیست و دوم اینکه در کجا باید آنها را نگهداری کرد؟ ابتدا تصور بر آن بود که از راه باز فرآوری سوخت مصرف شده می‌توان پلوتونیوم را استحصال کرد و در راکتورهای مولد مورد استفاده قرار داد و اینکه بدین ترتیب تمام زباله‌ها باید به صورت محلول در آورده شود تا موجب تسهیل باز فرآوری شود.

بدلیل نگرانی‌هایی که در مورد سمّی بودن و ایمنی پلوتونیوم در امریکا وجود داشت، برنامه بازیابی سوختهای هسته‌ای در ایالات متحده در سال 1972، باطل شد و راکتورهای نیروگاه‌های برق این کشور از این ماده بهره‌مند نشد. در بهترین حالت ، منطق این تصمیم‌گیری سئوال‌برانگیز است. پلوتونیوم از کادمیوم ، سرب و یا آرسنیک که با واپاشی هسته‌ای از بین نمی‌رود، کمتر سمی است. حداکثر خطر پلوتونیوم زمانی است که بوسیله انسان استشمام شود که بدین ترتیب ذرات آلفا به بافت‌های ریه‌ها صدمه زده ، ممکن است باعث سرطان شود.

افزون برآن ،همانگونه که زباله‌های راکتورهای تجاری در اغلب کشورهای اروپایی بازیابی می‌شود، حجم زیادی از پلوتونیوم موجود در زباله هسته‌ای دفاعی ایالات متحده نیز بازیابی می‌شود. با این وجود ، هنوز در ایالات متحده و کانادا ، سوخت مصرف شده راکتورهای تجاری را عمدتا" در مخازن آب در محل راکتورها نگهداری کرده ، منتظر تصمیم‌گیری در خصوص شکل و محل نهایی دفع آنها هستند. ارسال سوخت هسته‌ای بازیابی شده غنی از پلوتونیوم از فرانسه به ژاپن درسال 1992، بانگرانی‌های زیاد عموم همراه شد.

شکل دفع زباله‌های هسته‌ای

شکل دفع زباله‌هایی با سطح بالای تشعشع ، تقریبا" بطور یقین نوعی جامد خواهد بود؛ زیرا هم فشرده‌تر است و هم اینکه ایزوتوپها را از آبکره و زیست کره جدا نگه می‌دارد. روش مهر و موم کردن زباله‌ها در محفظه‌ای از سیمان ، شیشه ، سرامیک و یا سنگ و یا کانی مصنوعی ساخته شده ، بیشترین توجه را به خود جلب کرده است.

در سیستم‌های دفع زباله فرانسه از شیشه ای از جنس سیلیکات استفاده می‌کنند. سوئدی‌ها برخی از زباله‌های هسته‌ای خود را در بشکه‌های مسی نگهداری می‌کنند، زیرا مصنوعات باستان شناسی که از مس آزاد ساخته شده است، هزاران سال است که سالم مانده‌اند، هر چند نگرانی‌هایی ابراز گردیده است مبنی بر آنکه ممکن است برای جوامعی که دستشان از منابع معدنی تهی است، مس هدف جذابی باشد.

محل دفع زباله‌های هسته‌ای

محل دفع زبالهای هسته‌ای ، سالهای متمادی مورد مطالعه قرار گرفته است و توجه کلی از از دفع کمتر محتمل آنها در اقیانوس و یا در زیر کلاهکهای یخ قطبی به این سو جلب شد که بایستی زباله‌ها را دوباره در سنگهایی قرار دهیم که از آنجا امده‌اند. محلهای سنگی دفع زباله‌ها مناسب است، زیرا شانس بهتری دارد که هزاران سال دست نخورده باقی بماند و فرصت لازم برای عایق‌سازی زباله‌ها و در نتیجه واپاشی هسته‌ای آنها به سطح تشعشع قابل قبول را فراهم اورد.



این گونه انبارهای سنگی باید از تخلخل و تراوایی ناچیزی برخوردار بوده ، به دور از زمین‌لرزه و یا حوادث طبیعی دیگر باشد. این مطالعات انجام شده بر روی ذخیره اورانیوم اکلو در گابن ، گویای آن است که این محل برای چنین کاری مناسب است. نسبت (U (235 در مقداری از اورانیوم کان‌سار اکلو ، بسیار کمتر از میزان آن در اورانیوم معمولی است و میزان آن در اورانیوم معمولی است و دلیل آن ظاهرا" این است که درحدود 2میلیارد سال پیش هنگامی که هنوز در عمق زیادی قرار داشته ، واکنشهای طبیعی شکافت روی داده و U 235 را به‌مصرف رسانده است.

این مسئله موجب تشکیل یک آزمایشگاه طبیعی برای مطالعه واکنشهای فراورده‌های حاصل از شکاف هسته‌ای در سنگ شده است. گرچه نمی‌توان اکلو را کاملا با راکتورهای تجاری مقایسه کرد، اما بر اساس داده‌های بدست آمده ، فراورده‌های غیر گازی شکافت در آن بر روی سطح کانی‌ها رسیده ، سایر کانی‌های سنگین اطراف جذب شده ، فاصله زیادی را از منبع خود نمی‌پیمایند و این نتیجه برای تبدیل کردن آن به یک محفظه سنگی زباله‌های هسته‌ای دلگرم کننده است.

سنگهای که تاکنون برای دفن زباله های هسته‌ای مورد نظر بوده‌اند

ابتدا لایه نمک و گنبدهای نمکی مورد توجه قرار گرفت، زیرا وجود آنها نشان دهنده این است که آب فراوانی وجود نداشه است تا آنها را حل کند

ارائه مطلب توسط:

 ریحانه رستمیان , نیایش اکبریان ,پریسا خسروی, مریم بهروزی نیا , زهرا محمدی

 

آب سنگین نوع خاصی از مولکول‌های آب است که در آن ایزوتوپ‌های هیدروژن وجود دارد. این نوع از آب کلید اصلی تهیه پلوتونیوم از اورانیوم طبیعی‌است و به همین علت تولید و تجارت آن با نظر قوانین بین‌المللی انجام و به شدت کنترل می‌شود.

باید توجه داشت که آب سنگین را نباید با با آب سخت که اغلب شامل املاح زیاد است و یا یا آب تریتیوم (T2O or 3H2O) که از یزوتوپ دیگر هیدروژن تشکیل شده است، اشتباه گرفت. تریتیوم یزوتوپ دیگری از هیدروژن است که خاصیت رادیواکتیو دارد و بیشتر بری ساخت موادی که از خود نور منتشر می کنند بکار برده می شود.