مقاله بررسی كشف و گسترش انرژي هسته‌اي
دسته بندي :
فنی و مهندسی »
صنایع
مقاله بررسي كشف و گسترش انرژي هسته‌اي در 27 صفحه ورد قابل ويرايش
مقدمة تاريخي
داستان كشف و گسترش انرژي هسته‌اي، كه در مفهوم اين پژوهش انرژي‌اي است كه در اثر شكافت اوارنيم و احتمالاً عناصر سنگين ديگر آزاد مي‌شود، به سال 1311/1932، كه چادويك در آزمايشگاه كاونديش، واقع در كمبريج، نوترون را شناسايي كرد، بر مي‌گردد.
اين كشف از چند نظر داراي اهميت بود. اولاً، تشريح ساختار اتم به شكل قابل قبول‌تري امكان پذير شد و نشان داده شد كه هر عنصر بخصوص ممكن است چندين ايزوتوپ مختلف، يعني گونه‌هاي مختلفي كه تعداد نوترون‌هاي آنها فرق مي‌كند، داشته باشد. ثانياً، نوترون ذرة جديدي بود كه براي بمباران هستة اتم و ايجاد واكنشهاي مصنوعي در اختيار دانشمندان فيزيك اتمي قرار مي‌گرفت. در سالهاي قبل از آن، دانشمندان براي اين منظور از ذرات پروتون و آلفا (هستة عنصر هليم) استفاده مي‌كردند، اما بلافاصله بعد از كشف نوترون اين دانشمندان، بخصوص دانشمند ايتاليايي فرمي كه در رم كار مي‌كرد، دريافتند كه اين ذره به علت بي‌بار بودن (برخلاف پروتون و ذرة آلفا) آسان‌تر به درون سد پتاسيل هستة اتم نفوذ كرده با آن برهم كنش مي‌كند.
چند سال بعد، فرمي و همكارانش در رم عناصر طبيعي زيادي را با نوترون بمباران كردند و فرآورده‌هاي واكنشهاي حاصل را مورد مطالعه قرار دادند. در بسياري موارد فرمي دريافت كه ايزوتوپ‌هاي پرتوازي عنصر اصلي توليد مي‌شدند، و وقتي اين ايزوتوپ‌ها وا مي‌پاشيدند عناصر ديگري، كمي سنگين‌تر از عناصر اصلي است، توليد مي‌شدند. با اين روش اورانيم، سنگين‌ترين عنصر طبيعي، در اثر بمباران با نوترون به عناصر سنگين‌تر فرا اوارنيم، كه به صورت طبيعي روي زمين يافت نمي‌شدند، تبديل شد. در اين برهه، فرمي دو كشف بزرگ ديگر هم صورت داد، يكي اينكه نوترون‌هاي كم انرژي بطور كلي براي توليد واكنشهاي هسته‌اي مؤثرند از نوترون‌هاي پر انرژي هستند، و ديگر
اينكه مؤثرترين راه كند كردن نوترون‌هاي پر انرژي پراكندگيهاي متوالي آنها از عناصر سبك مثل هيدروژن در تركيباتي مثل آب و پارافين است. نقش مهم اين دو كشف در گسترش انرژي هسته‌اي در سالهاي بعد به ثبوت رسيد.
آزمايشهاي فرمي روي اورانيم توسط دو شيميدان آلماني به نامهاي هان و استراسمن تكرار شد. اين دو نفر در سال 1317/1938 كشف كردند كه يكي از فراورده‌هاي برهم كنش نوترون با اورانيم، باريم است كه عنصري است در ميانة جدول تناوبي. ظاهراً واكنشي رخ داده بود كه در آن هستة سنگين اورانيوم، در اثر بمباران با نوترون، به دو هستة با جرم متوسط تقسيم شده بود. دو فيزيكدان، به نامهاي مايتنر و فريش، با شنيدن خبر اين كشف و بر مبني مدل قطره ـ مايعي هستة اتم توضيحي براي اين فرايند پيدا و محاسبه كردند كه انرژي بسيار زيادي (خيلي بيش از آنچه كه در فرايندهاي شناخته شدة پيش از آن ديده شده بود) از اين فرايند كه نام شكافت بر آن گذاشته شد آزاد مي‌شود.
جلوه‌هاي مهم ديگري از شكافت در ماههاي بعد كشف شد. ژوليو و همكاران او در فرانسه نشان دادند كه در فرايند شكافت چند نوترون هم گسيل مي‌شود، و بعداً معلوم شد كه اين نوترون‌ها انرژي خيلي بالايي دارند. به اين ترتيب اين امكان وجود داشت كه فرايند شكافت، كه با يك نوترون آغاز مي‌شد و دو يا سه نوترون توليد مي‌كرد، در صورت بروز شكافت ديگري توسط اين نوترون‌هاي جديد، ادامه پيدا كند. زنجيره ـ واكنش خود ـ نگهداري كه به اين ترتيب ايجاد مي‌شد قادر بود مقدار فوق‌العاده زيادي انرژي ايجاد كند.
دو نوع واكنش زنجيره‌يا شكافت متمايز در پيش رو بود: يكي آنكه فرايند شكافت با آهنگ پايا و كنترل شده‌اي انجام مي‌شد و به صورت پايا و پيوسته‌اي انرژي آزاد مي‌كرد؛ و ديگر اينكه آهنگ شكافت به حدي سريع و كنترل نشده مي‌بود كه، واقعاً، يك انفجار هسته‌اي با توان تخريب خيلي زياد توليد مي‌كرد. با اين همه، پيش از اينكه اين ايده‌ها مي‌توانستند به واقعيت حتي نزديك بشوند، مجهولات و مشكلات زيادي بايد حل مي‌شد. در ميان اين مجهولات، سطح مقطع شكافت اوارنيم 235 (ميزان احتمال انجام اين نوع واكنش) بود، و تا اين كميت مشخص نمي‌شد هيچ راهي وجود نداشت كه بگوييم آيا واكنش زنجيره‌اي ممكن هست يا خير، و اگر امكان داشت جرم بحراني اورانيم لازم چه مقدار بود. همچنين معلوم شده بود كه براي دستيابي به يك واكنش زنجيره‌اي در انواع مشخصي از سيستم‌هايي كه براي توليد پايا و پيوستة انرژي طراحي مي‌شدند لازم بود انرژي نوترون‌هايي كه توسط شكافت توليد مي‌شدند به مشخص نمي‌شد هيچ راهي وجود نداشت كه بگوييم آيا واكنش زنجيره‌اي ممكن هست يا خير، و اگر امكان داشت جرم بحراني اورانيم لازم چه مقدار بود. همچنين معلوم شده بود كه براي دستيابي به يك واكنش زنجيره‌اي در انواع مشخصي از سيستم‌هايي كه براي توليد پايا و پيوستة انرژي طراحي مي‌شدند لازم بود انرژي نوترون‌هايي كه توسط شكافت توليد مي‌شدند به انرژي‌هاي خيلي پايين‌تري كاهش مي‌يافتند تا، همان طور كه فرمي نشان داده بود، شكافتهاي بيشتر را آسان‌تر باعث مي‌شدند. ماده‌اي كه براي حصول اين فرايند كند شدگي لازم بود كند كننده نام گرفت، و يكي از كند كننده‌هاي اوليه‌اي كه در آزمايشها مورد استفاده قرار گرفت آب سنگين بود، كه در زمان مورد بحث در اروپا فقط در يك جا پيدا مي‌شد – شركت هيدرو الكتريك (برق ـ آب= برقاب) نروژ، و تمام موجودي آن را در 1319/1940 فرانسه خريداري كرد.
كشف شكافت در 1317/ 1938 و پيشرفتهاي بيشتر در سال 1318/1939، كه درست پيش از شروع جنگ جهاني دوم رخ داد، نمي‌توانست در زماني حساس‌تر از آن در تاريخ جهان اتفاق بيفتد. اگر هيتلر كاملاً به اهيمت اين كشف پي برده و دانشمندانش را به توسعة آن تشويق كرده بود، به احتمال زياد آلمان اولين كشوري مي‌بود كه سلاح هسته‌اي توليد مي‌كرد و تاريخ جهان در سي يا چهل سال گذشته خيلي تفاوت مي‌كرد. خوشبختانه، از ديد انگليسي‌ها، هيتلر قدر كشفيات دانشمندان اتمي خود را، كه بسياري از آنها يهودي و در حال مهاجرت به بريتانيا و آمريكا بودند، ندانست و تحقيقات شكافت در آلمان با امكانات و اولويت محدودي دنبال شد. تحقيقات شكافت در فرانسه هم در خرداد ـ تير / ژوئن 1319/1940 ناگهان قطع شد و دو دانشمند پيشتاز فرانسوي، هالبان و كوارسكي، به همراه ذخيرة حياتي آب سنگين فرانسه به بريتانيا آمدند.
به اين ترتيب در تابستان 1319/1940 بريتانيا، كه تا آن زمان دست تنها درگير مقابله با آلمان بود، به كانون تحقيقات شكافت تبديل گرديد. در آن سال، اجتماع بزرگي از دانشمندان برجستة دنيا در بريتانيا وجود داشت، كه تعداد زيادي از آنها پناهندگان اروپايي بودند. شرايط، فوق‌العاده حساس و اضطراري بود، چون مشخص شده بود كه اولين كشور سازندة بمب اتمي به احتمال قوي برندة جنگ خواهد بود، و هيچكس دقيقاً نمي‌دانست آلمانها چه مي‌كنند. در آن سال، دانمشندان حاضر در بريتانيا پيشرفت قابل ملاحظه‌اي كردند و بطور نظري نشان دادند كه با استفاده از اورانيم 235 مي‌توان يك بمب اتمي با توان انفجار ويران‌گري ساخت، كه اين خود حملات هوايي، اين اقدامات غير عملي به نظر مي‌رسيدند. لذا تصميم بر آن شد كه تقريباً تمام كار تحقيقات، گسترش و توليد به ايالات متحدة آمريكا، كه كار بر روي شكافت در حال پيشرفت بود، هر چند نه در سطح پيشرفته و درجة اضطرار بريتانيا، منتقل شود. زيرا آمريكا داراي منابع صنعتي لازم بود و، حتي پس از شروع جنگ با ژاپن، از حملات هوايي در امان بود.
هدف اصلي تحقيقات شكافت در آمريكا در سالهاي اول دهة 1320/1940 ساخت چند بمب اتمي بود، و به محض درگير شدن آمريكا در جنگ احساس اضطرار افزايش يافت. براي تهية مواد شكافهاي خالص براي بمب دو روش پيشنهاد شده بود: اول، تهية اورانيم 235 خالص از اورانيم طبيعي با جداسازي راديو ايزوتوبي، با استفاده از فرايند پخش گازي تركيب هگزافلوريد اورانيم كه بايد از يك رشته غشاهاي متخلخل عبور مي‌كرد. دوم، توليد ايزوتوپ فرا – اورانيم پلوتونيم 239، كه معلوم شده بود شكافا است، با بمباران نوتروني اورانيم 238 در يك سيستم زنجيره‌اي كنترل شده با استفاده از اورانيم طبيعي. شكافت حاصل در كسر اورانيم 235 موجود در اورانيم طبيعي باعث تداوم واكنش زنجيره‌اي مي‌شود، و نوترون‌هاي اضافي مقداري اورانيم 238 را با پلوتونيم 239 تبديل مي‌كنند كه مي‌شود آن را از اورانيم جدا كرد. براي رسيدن به اين اهداف، تأسيسات معظم پخش گازي در اك ريج، تنسي ـ آمريكا ـ در سال1322/1943 براي توليد اورانيم 235 آغاز به كار كرد، و در دسامبر 1942 (آذرماه 1321) اولين سيستم كنترل شدة واكنش زنجيره‌اي در شيكاگو زير نظر فرمي، كه چند سال پيش از ان ايتاليا را ترك كرده و به آمريكا مهاجرت كرده بود، به وضعيت بحراني رسيد. طي دو سال پس از آن، رآكتورهاي (نامي كه به سيستم‌هاي كنترل شدة شكافت داده شد) بزرگتر و قوي تري ساخته شدند، كه نقطة اوج آن رآكتورهاي عظيم توليد كنندة پلوتونيم هانفورد در واشينگتن بود.
شكل 2-5 واپاشي برم 87- يك فراوردة شكافت
لذا اين چشمة، اگر چه كوچك، ديگري است از نوترون‌هايي كه گسيل آنها حدود 80 ثانيه (عمر متوسط ) نسبت به رويداد شكافت، كه منشأ اصلي آنها است، تأخير دارد. تعداد نسبي نوترون‌هاي تأخيري ( در مورد ) فقط حدود 65ر0 درصد بهرة كل نوترون است، اما، همان طور كه بعداً خواهيم ديد، اين نوترون‌ها در كنترل رآكتورها نقشي اساسي ايفا مي‌كند.
اگر در يك وضعيت محتمل‌تر نوترون‌ها داراي طيفي از مقادير سرعت باشند به طوري كه n(v)dv تعداد نوترون‌هايي بر واحد حجم باشد كه مقدار سرعت آنها در گسترة v تا v+dv است، در آن صورت:
براي موردي كه نوترون‌ها در تمام جهات حركت مي‌كنند شار نوترون را مي‌توان به صورت طول رد كل تمام نوترون‌ها در واحد حجم بر واحد زمان تعريف كرد. اين تعريف با تعريفي كه قبلاً براي باريكة موازي نوترون كرديم سازگار است، اما به آن شرط بستگي ندارد. قابل اعمال بودن شار نوترون بر همة نوترون‌هايي كه به طور كتره‌اي در تمام جهات حركت مي‌كنند، صرفنظر از جهت حركت آنها، تأكيدي است بر طبيعت اسكالر (در تقابل با بردار) بودن آن.
به تجربه ثابت شده است كه آهنگ بر هم كنش يك باريكة نوترون با هسته‌هاي موجود در مادة هدف متناسب است با (الف) شار نوترون، و (ب) تعداد اتم‌هاي موجود در هدف، كه فرض مي‌شود از يك ايزوتوپ تشكيل شده است.
يك باريكه از نوترون‌هايي را در نظر بگيريد، همه با مقدار سرعت v cm/s و چگالي / نوترون n، كه بر هدفي به سطح A و ضخامت dx cm كه شامل / هسته N است فرود مي‌آيد، رك شكل 2-7.
شكل 2-7 آهنگ برهم كنش نوترون‌ها
اكنون با استفاده از عبارت پيش مي‌توان آهنگ برهم كنش F را در مادة هدف به صورت زير بيان كرد:
يا:
(2-14)
كه درآن V=A dx، حجم هدف، و NV تعداد كل اتم‌هاي ايزوتوپ داخل هدف است كه برهم كنش در آن انجام مي‌شود.
ثابت در معادلة (2-14) سطح مقطع ميكروسكوپي ايزوتوپ مورد نظر است. يكاي اين پارامتر برهسته است، و مي‌توان آن را برابر مساحتي كه هر هسته در مقابل نوترون‌ها، براي ايجاد يك واكنش، «علم» مي‌كند تلقي نمود. ( اين مساحت برابر اندازة سطح واقعي هسته نيست، در بعضي موارد ممكن است بزرگتر از آن باشد، حال آنكه در مواردي ديگر كوچك‌تر از آن است.) مقدار براي اغلب ايزوتوپ‌ها بين تا است، و واحد متداول آن بارن است: