مقاله بررسی كشف و گسترش انرژی هسته‌ای

مقاله بررسی كشف و گسترش انرژی هسته‌ای در 27 صفحه ورد قابل ویرایش

مقدمة تاریخی

داستان كشف و گسترش انرژی هسته‌ای، كه در مفهوم این پژوهش انرژی‌ای است كه در اثر شكافت اوارنیم و احتمالاً عناصر سنگین دیگر آزاد می‌شود، به سال 1311/1932، كه چادویك در آزمایشگاه كاوندیش، واقع در كمبریج، نوترون را شناسایی كرد، بر می‌گردد.

این كشف از چند نظر دارای اهمیت بود. اولاً، تشریح ساختار اتم به شكل قابل قبول‌تری امكان پذیر شد و نشان داده شد كه هر عنصر بخصوص ممكن است چندین ایزوتوپ مختلف، یعنی گونه‌های مختلفی كه تعداد نوترون‌های آنها فرق می‌كند، داشته باشد. ثانیاً، نوترون ذرة جدیدی بود كه برای بمباران هستة اتم و ایجاد واكنشهای مصنوعی در اختیار دانشمندان فیزیك اتمی قرار می‌گرفت. در سالهای قبل از آن، دانشمندان برای این منظور از ذرات پروتون و آلفا (هستة عنصر هلیم) استفاده می‌كردند، اما بلافاصله بعد از كشف نوترون این دانشمندان، بخصوص دانشمند ایتالیایی فرمی كه در رم كار می‌كرد، دریافتند كه این ذره به علت بی‌بار بودن (برخلاف پروتون و ذرة آلفا) آسان‌تر به درون سد پتاسیل هستة اتم نفوذ كرده با آن برهم كنش می‌كند.

چند سال بعد، فرمی و همكارانش در رم عناصر طبیعی زیادی را با نوترون بمباران كردند و فرآورده‌های واكنشهای حاصل را مورد مطالعه قرار دادند. در بسیاری موارد فرمی دریافت كه ایزوتوپ‌های پرتوازی عنصر اصلی تولید می‌شدند، و وقتی این ایزوتوپ‌ها  وا می‌پاشیدند عناصر دیگری، كمی سنگین‌تر از عناصر اصلی است، تولید می‌شدند. با این روش اورانیم، سنگین‌ترین عنصر طبیعی، در اثر بمباران با نوترون به عناصر سنگین‌تر فرا اوارنیم، كه به صورت طبیعی روی زمین یافت نمی‌شدند، تبدیل شد. در این برهه، فرمی دو كشف بزرگ دیگر هم صورت داد، یكی اینكه نوترون‌های كم انرژی بطور كلی برای تولید واكنشهای هسته‌ای مؤثرند از نوترون‌های پر انرژی هستند، و دیگر

اینكه مؤثرترین راه كند كردن نوترون‌های پر انرژی پراكندگیهای متوالی آنها از عناصر سبك مثل هیدروژن در تركیباتی مثل آب و پارافین است. نقش مهم این دو كشف در گسترش انرژی هسته‌ای در سالهای بعد به ثبوت رسید.

آزمایشهای فرمی روی اورانیم توسط دو شیمیدان آلمانی به نامهای هان و استراسمن تكرار شد. این دو نفر در سال 1317/1938 كشف كردند كه یكی از فراورده‌های برهم كنش نوترون با اورانیم، باریم است كه عنصری است در میانة جدول تناوبی. ظاهراً واكنشی رخ داده بود كه در آن هستة سنگین اورانیوم، در اثر بمباران با نوترون، به دو هستة با جرم متوسط تقسیم شده بود. دو فیزیكدان، به نامهای مایتنر و فریش، با شنیدن خبر این كشف و بر مبنی مدل قطره ـ مایعی هستة اتم توضیحی برای این فرایند پیدا و محاسبه كردند كه انرژی بسیار زیادی (خیلی بیش از آنچه كه در فرایندهای شناخته شدة پیش از آن دیده شده بود) از این فرایند كه نام شكافت بر آن گذاشته شد آزاد می‌شود.

جلوه‌های مهم دیگری از شكافت در ماههای بعد كشف شد. ژولیو و همكاران او در فرانسه نشان دادند كه در فرایند شكافت چند نوترون هم گسیل می‌شود، و بعداً معلوم شد كه این نوترون‌ها انرژی خیلی بالایی دارند. به این ترتیب این امكان وجود داشت كه فرایند شكافت، كه با یك نوترون آغاز می‌شد و دو یا سه نوترون تولید می‌كرد، در صورت بروز شكافت دیگری توسط این نوترون‌های جدید، ادامه پیدا كند. زنجیره ـ واكنش خود ـ نگهداری كه به این ترتیب ایجاد می‌شد قادر بود مقدار فوق‌العاده زیادی انرژی ایجاد كند.

دو نوع واكنش زنجیره‌یا شكافت متمایز در پیش رو بود: یكی آنكه فرایند شكافت با آهنگ پایا و كنترل شده‌ای انجام می‌شد و به صورت پایا و پیوسته‌ای انرژی آزاد می‌كرد؛ و دیگر اینكه آهنگ شكافت به حدی سریع و كنترل نشده می‌بود كه، واقعاً، یك انفجار هسته‌ای با توان تخریب خیلی زیاد تولید می‌كرد. با این همه، پیش از اینكه این ایده‌ها می‌توانستند به واقعیت حتی نزدیك بشوند، مجهولات و مشكلات زیادی باید حل می‌شد. در میان این مجهولات، سطح مقطع شكافت اوارنیم 235 (میزان احتمال انجام این نوع واكنش) بود، و تا این كمیت مشخص نمی‌شد هیچ راهی وجود نداشت كه بگوییم آیا واكنش زنجیره‌ای ممكن هست یا خیر، و اگر امكان داشت جرم بحرانی اورانیم لازم چه مقدار بود. همچنین معلوم شده بود كه برای دستیابی به یك واكنش زنجیره‌ای در انواع مشخصی از سیستم‌هایی كه برای تولید پایا و پیوستة انرژی طراحی می‌شدند لازم بود انرژی نوترون‌هایی كه توسط شكافت تولید می‌شدند به مشخص نمی‌شد هیچ راهی وجود نداشت كه بگوییم آیا واكنش زنجیره‌ای ممكن هست یا خیر، و اگر امكان داشت جرم بحرانی اورانیم لازم چه مقدار بود. همچنین معلوم شده بود كه برای دستیابی به یك واكنش زنجیره‌ای در انواع مشخصی از سیستم‌هایی كه برای تولید پایا و پیوستة انرژی طراحی می‌شدند لازم بود انرژی نوترون‌هایی كه توسط شكافت تولید می‌شدند به انرژی‌های خیلی پایین‌تری كاهش می‌یافتند تا، همان طور كه فرمی نشان داده بود، شكافتهای بیشتر را آسان‌تر باعث می‌شدند. ماده‌ای كه برای حصول این فرایند كند شدگی لازم بود كند كننده نام گرفت، و یكی از كند كننده‌های اولیه‌ای كه در آزمایشها مورد استفاده قرار گرفت آب سنگین بود، كه در زمان مورد بحث در اروپا فقط در یك جا پیدا می‌شد – شركت هیدرو الكتریك (برق ـ آب= برقاب) نروژ، و تمام موجودی آن را در 1319/1940 فرانسه خریداری كرد.

شكل 2-5 واپاشی برم 87- یك فراوردة شكافت

لذا این چشمة، اگر چه كوچك، دیگری است از نوترون‌هایی كه گسیل آنها حدود 80 ثانیه (عمر متوسط ) نسبت به رویداد شكافت، كه منشأ اصلی آنها است، تأخیر دارد. تعداد نسبی نوترون‌های تأخیری ( در مورد  ) فقط حدود 65ر0 درصد بهرة كل نوترون است، اما، همان طور كه بعداً خواهیم دید، این نوترون‌ها در كنترل رآكتورها نقشی اساسی ایفا می‌كند.

اگر در یك وضعیت محتمل‌تر نوترون‌ها دارای طیفی از مقادیر سرعت باشند به طوری كه n(v)dv تعداد نوترون‌هایی بر واحد حجم باشد كه مقدار سرعت آنها در گسترة v تا v+dv است، در آن صورت:

برای موردی كه نوترون‌ها در تمام جهات حركت می‌كنند شار نوترون را می‌توان به صورت طول رد كل تمام نوترون‌ها در واحد حجم بر واحد زمان تعریف كرد. این تعریف با تعریفی كه قبلاً برای باریكة موازی نوترون كردیم سازگار است، اما به آن شرط بستگی ندارد. قابل اعمال بودن شار نوترون بر همة نوترون‌هایی كه به طور كتره‌ای در تمام جهات حركت می‌كنند، صرفنظر از جهت حركت آنها، تأكیدی است بر طبیعت اسكالر (در تقابل با بردار) بودن آن.

به تجربه ثابت شده است كه آهنگ بر هم كنش یك باریكة نوترون با هسته‌های موجود در مادة هدف متناسب است با (الف) شار نوترون، و (ب) تعداد اتم‌های موجود در هدف، كه فرض می‌شود از یك ایزوتوپ تشكیل شده است.

یك باریكه از نوترون‌هایی را در نظر بگیرید، همه با مقدار سرعت v cm/s و چگالی / نوترون n، كه بر هدفی به سطح A و ضخامت dx cm كه شامل / هسته N است فرود می‌آید، رك شكل 2-7.

شكل 2-7 آهنگ برهم كنش نوترون‌ها

اكنون با استفاده از عبارت پیش می‌توان آهنگ برهم كنش F را در مادة هدف به صورت زیر بیان كرد:

 یا:

(2-14)                                    

كه درآن V=A dx، حجم هدف، و NV تعداد كل اتم‌های ایزوتوپ داخل هدف است كه برهم كنش در آن انجام می‌شود.

ثابت  در معادلة (2-14) سطح مقطع میكروسكوپی ایزوتوپ مورد نظر است. یكای این پارامتر  برهسته است، و می‌توان آن را برابر مساحتی كه هر هسته در مقابل نوترون‌ها، برای ایجاد یك واكنش، «علم» می‌كند تلقی نمود. ( این مساحت برابر اندازة سطح واقعی هسته نیست، در بعضی موارد ممكن است بزرگتر از آن باشد، حال آنكه در مواردی دیگر كوچك‌تر از آن است.) مقدار  برای اغلب ایزوتوپ‌ها بین  تا    است، و واحد متداول آن بارن است:

  بارن1

 سطح مقطع كل همة هسته‌های موجود در واحد حجم ماده را سطح مقطع ماكروسكوپی، ، می‌نامیم و واحد آن /یا است،