دانلود تحقیق رادیو اکتیو

نیمه عمر ماده رادیواکتیو یعنی چه ؟

هیچ کس نمی تواند زمان فروپاشی هسته اتم به خصوصی را پیش بینی کند . مثلا فروپاشی یک هسته به خصوص رادیم می تواند یک ثانیه دیگر ، فردا یا 10000 سال دیگر صورت گیرد البته یک چیز را می توان با اطمینان خاطر پیش بینی کرد . از 100000 هسته رادیم پس از 1620 سال دقیقا 50000 هسته(50% از آنها) فرو می پاشند . فروپاشی نیمی از هسته ها در یک قطعه اورانیم 238، 5/4 میلیارد سال طول می کشد زمانی را که در آن هسته نیمی از اتمهای یک ایزوتوپ می نامند همان طور که مشاهده کردیم این زمان در اورانیم 238 5/4 میلیارد سال طول می کشد . پولونیم «نیمه عمر » بسیار کوتاهتری دارد . این زمان 138 روز است . در فرانسیم این زمان فقط 21 دقیقه طول می کشد پس از دو زمان نیمه عمر فقط 4/1 (2/1 ´2/1)و پس از 10 زمان نیمه عمر فقط                      1024/1 (2/1 ´2/12/1 ´2/12/1 ´2/12/1 ´2/12/1 ´2/1) از هسته های اولیه در عنصر باقی می مانند بنابراین از یک کیلوگرم رادیم پس از 1620´10سال فقط حدود 98/0 گرم باقی می ماند .

در جریان شکافت اتم اورانیم چه روی می دهد ؟

اورانیم طبیعی سه ایزوتوپ (234- U 235- U و 238- U) دارد از هر 1000 اتم اورانیم 993 اتم هسته 238- U و 7 اتم هسته 235- U دارند . مقدار 234 – U آن قدر کم است که لازم نیست در نظر گرفته شود . نوترونهای آرام فقط هسته های 235- U را می شکافند در جریان این عمل نخست یک هسته واسطه یعنی 236- U ایجاد می شود این هسته پایدار نیست و به یک هسته باریم 144 یک هسته کریپتون 90و2 نوترون جدید تبدیل می شود اکنون با پدیده ای آشنا می شویم که کشف آن باعث اختراع بمب اتمی و نیروگاههای  هسته ای شد و جهان را تغییر داد قطعات ایجاد شده به هنگام شکافت دارای جرم کمتری نسبت به مجموع جرمهای هسته و گلوله نوترونی اند . به عبارت دیگر جرم از دست       می رود . جرم از دست رفته مطابق معادله اینشتین (E=mc2) به مقدار عظیمی انرژی (انرژی اتمی) تبدیل می شود می توان گفت که در این جریان آن بخش از انرژی که صرف یکپارچه نگاه داشتن اتم بزرگتر شده بود آزاد می شود و امکان دور شدن قطعات جدید را از یکدیگر فراهم می آورد قطعات جدید با سرعت بسیار زیاد به اتمهای همجوار خود برخورد می کنند و آنها نیز به نوبه خود در اثر این برخورد نوسانهای شدیدی پیدا        می کنند و به یکدیگر ساییده می شوند . به این ترتیب انرژی جنبشی قطعات به گرما تبدیل می شود .

در شکافت هسته ای مقدار زیادی انرژی آزاد می شود .از یک گرم اورانیم 235 می توان 23000 کیلو وات ساعت انرژی به دست آورد . اغلب  به هنگام شکافت هسته ای 3 نوترون جدید نیز ایجاد می شود . هسته واسطه 236- U مثلا می تواند به باریم 144 کریپتون 89 و 3 نوترون تبدیل شود . متاسفانه هسته های نیمه سنگین جدید برحسب قاعده خود رادیواکتیوند و پرتوهای خطرناک منتشر می کنند ما درباره هنگام بررسی مشکل اصلی نیروگاههای اتمی (یعنی تخلیه زباله های اتمی ) در این باره صحبت خواهیم کرد .

برای شکافت هسته های 238- U باید نوترونهای بسیار سریع داشته باشیم . البته نوترونهای آرام نیز در این هسته ها نفوذ می کنند ولی در داخل هسته گرفتار می شوند و 239-  U را می سازند این هسته نیز طی یک مرحله میانی به پلوتونیم 239 تبدیل می شود که به نوبه خود می تواند به خوبی به وسیله نوترونهای آرام شکافته شود .

واکنش زنجیره ای چیست ؟

هنگامی که یک قطعه بزرگ 235 – U (و یا پلوتونیم) در زمانی کوتاه بمباران نوترونی    می شود روند زیر اتفاق می افتد نخستین هسته شکافته می شود . این هسته 2 تا 3 نوترون را به خارج پرتاب می کند این نوترونها در مثال ما دو هسته دیگر را می شکافند و در مجموع به طور متوسط 5 نوترون آزاد می شود وقتی چهار تا از این نوترونها به  هسته های همجوار برخورد کنند و آنها را بشکافند 8 تا 12 نوترون جدید به وجود می آید این نوترونها با چشمپوشی از درصد ضایعاتشان دوباره هسته های دیگری را می شکافند و با هر شکافت مقدار عظیمی انرژی رها می شود ر این ضمن حدود 20 نوترون جدید ایجاد می شود که آنها نیز دوباره هسته هایی را مورد اصابت قرار می دهند وخلاصه در کسر بسیار کوچکی از ثانیه تعداد هسته های شکافته شده و مقدار انرژی آزاد شده    بهمن آسا افزایش می یابد این جریان را «واکنش زنجیره ای » می نامند .

روش غیر قابل کنترلی که در بالا بیان شد در بمب اتمی به کار گرفته می شود حداقل جرم سوخت هسته ای که برای انجام یک واکنش زنجیره ای مورد نیاز است «جرم حیاتی»نامیده می شود در اورانیم 235 این جرم تقریبا 23 کیلوگرم است یک گلوله اورانیم به قطر       13 سانتی متر همین جرم را دارد اگر کمتر از این حد سوخت به کار گرفته شود تعداد بسیار زیادی نوترون از دست می رود این نوترونها بدون برخورد با هسته ای از محدوده توده اورانیم خارج می شوند خوشبختانه «واکنش زنجیره ای» را می توان کنترل کرد به این ترتیب که در هر ثانیه امکان انجام تعداد معینی شکافت را فراهم آورد دقیقا همین تکنیک در نیروگاههای اتمی به کار گرفته می شود .

غنی سازی چیست ؟

در اورانیم طبیعی معمولا «واکنش زنجیره ای» اتفاق نمی افتد بیش از 99% از اورانیم یافت شده در طبیعت از نوع 238 – U است 2 تا 3 نوترونی که در اثر یک شکافت هسته ای ایجاد می شوند اغلب پرشتاب تر از آنند که بتوانند هسته های نادر 235 – U را بشکافند از طرف دیگر آنها کندتر از ان حرکت می کنند کا قادر باشند 238- U را خرد کنند و توسط 238 – U گرفتار می شوند .

بنا براین واکنش زنجیره ای بدون آمادگی و تنها با یک شکافت هسته ای انجام پذیر نیست . برای رسیدگی به یک واکنش ذنجیره ای می توان دو راه را در پیش گرفت . 1- باید مقدار 235-U را افزایش داد تا مواد قابل شکافت بیشتری به دست آید . 2- باید سرعت نوترونهای ایجاد شده در اثر شکافت را کند تر کرد . مثلا سوخت هسته ای مطلوب بعضی نیروگاههای هسته ای در صورتی فراهم می آید که میزان 235- U از 7/0 % به 3 % افزایش یابد این روش را «غنی سازی» می نامند .

«همجوشی» یا «ذوب هسته ای» یعنی چه ؟

برای بدست آوردن انرژی اتمی روش دیگری نیز وجود دارد مثلا اگر هسته های دوتریم و تریتیم تحت فشار و حرارت فوق العاده زیاد در هم بجوشند هر بار یک هسته هلیم و یک نوترون ایجاد می شود این دو ذره جدید در مجموع جرم کمتری نسبت به هسته های اولیه دارند . جرم از دست رفته مانند آنچه هنگام بحث درباره شکافت هسته فراگرفتیم به مقدار عظیمی انرژی تبدیل می شود این روش را همجوشی یا ذوب هسته ای می نامند تمام ستارگان خورشید و همچنین بمب هیدروژنی انرژی خود را از این راه به دست می آورند .

چگونه خورشید انرژی خود را به دست می آورد ؟

در داخل خورشید روند زیر اتفاق می افتد در حرارت 15 میلیون درجه سانتی گراد و تحت فشار غیر قابل تصوری که بیش از 200 میلیارد اتمسفر است از هر 4 هسته هیدروژن یک هسته هلیم ساخته می شود این هسته از چهار هسته سازنده خود کمی سبکتر است جرم از دست رفته به مقدار بسیار زیادی انرژی تبدیل می شود خورشید در هر ثانیه 564 میلیون تن هیدروژن مصرف می کند و از آن 560 میلیون تن هلیم به دست می آورد 4 میلیون تن جرم از دست رفته (که 7/0%از کل مواد سوختی اولیه است ) به انرژی خورشیدی تبدیل می شود ظرفیت پرتوزایی کل خورشید حدود  1023´83/3 یا383000000000000000000000 کیلو وات است هر متر مربع از سطح خورشید 62900 کیلو وات پرتو تولید می کند این مقدار تقریبا برابر ظرفیت 62000 بخاری برقی با یک میلیون لامپ روشنایی است .

راکتور «خود سوخت ساز» چیست ؟

قبلا مشاهده کردیم که هسته اتمهای 238 – U می توانند به وسیله گرفتار ساختن نوترونها خود را به پلوتونیم تبدیل کنند هسته های پلوتونیم نیز به راحتی شکافته می شوند وانرژی آزاد می کنند . در «راکتورها خود سوخت زا» از این خاصیت استفاده می شود . در این نوع راکتور پلوتونیم 239 به عنوان ماده قابل شکافت به کار می رود در هر شکافت 2 تا 3 نوترون آزاد می شود یکی از این نوترونها برای حفظ و نگهداری واکنش زنجیره ای لازم است تعداد دیگری از نوترونها جذب هسته های 238 – U می شوند و این هسته ها را به پلوتونیم 239 (یا به عبارت دیگر به سوخت تازه) تبدیل می کنند راکتور به این ترتیب سوخت تازه تولید می کند در شرایط مناسب این سوخت حتی بیشتر از سوخت مصرفی راکتور است . لازم به یادآوری است که این جریان سوخت زایی در سطحی محدود در سایر انواع راکتورها نیز یافت می شود از آنجا که منابع عظیمی از 238-U در دسترس است با وجود مشکلات تکنیکی عمده ای که در حال حاضر در به کارگیری راکتورهای «خود سوخت زا» وجود دارد می توان نقش مهماین نوع راکتورها در سده های آینده امیدوار بود البته این در صورتی است که بشر تا آن زمان موفق به کشف روشهای کم خطرتری برای به دست آوردن انرژی نشده باشد انسان با کاربرد تکنیک «سوخت زایی» می تواند بخش عمده ای از هسته های 238-U را (را که در غیر این صورت بی ارزشند) به مواد قابل شکافت تبدیل کند و به این ترتیب از اورانیم 60 بار بهتر از روشهای متداول امروزه بهره برداری کند تبدیل 238-U به پلوتونیوم به وسیله نوترونهای پرشتاب بهتر از نوترونهای آرام انجام می شود در راکتورهای خود سوخت زای سریع در جریان سوخت زایی از نوترونهای پرشتاب برای شکافت استفاده می شود . البته اگر میزان پلوتونیم کم باشد این عمل به خوبی صورت نمی گیرد به همین دلیل عناصر سوختی راکتورهای خود سوخت زای سریع 20 تا 30 درصد پلوتونیم و 70 تا 80 درصد 238 – U دارند به عبارت دیگر این نوع راکتورها ده برابر راکتورهایی که تا کنون راجع به آنها صحبت شد مواد قابل شکافت احتیاج دارند و بدیهی است که این امر مشکلات و خطرات زیادی همراه دارد .

با کمک توضیحات بالا اکنون به سادگی می توان راکتور خود سوخت زای سریع را شرح داد راکتور اصلی از عناصر سوختی (که از آنها انرژی تولید می شود) و عناصر      سوخت زایی (که از آنها مواد سوختی جدید تولید می شود) تشکیل شده است گرمازایی عناصر سوختی به خاطر درصد بالای مواد قابل شکافت بسیار زیاد است به این دلیل این راکتور را توسط سدیم مایع (که از ظرفیت گرمایی بالایی برخوردار است و بر خلاف آب از شتاب نوترونها نمی کاهد )خنک می کنند و به این ترتیب نوترونها نیز همان گونه که مورد نظر است پرشتاب باقی می مانند . مدار سدیم ثانویه را داغ می کند مدار ثانویه به وبه خود آب را بخار می کند و این بخار نوربینها را برای تولید برق به حرکت در          می آورد.

آیا «همجوشی هسته ای »منبع اصلی انرژی سده بیست و یکم خواهد بود ؟

راکتورهای آب تحت فشار و آب جوش امروزه امروزه مثل اتومبیل و هواپیما از وسایل تکنولوژیک متداول و پذیرفته شده به شمار می آیند . راکتورهای خود سوخت زا و حرارت زیاد نیز نخستین آزمایشهای ارزیابی خود را با موفقیت پشت سر گذارده اند . در این میان بهره برداری از راکتور «ذوب یا همجوشی هسته ای » تنها در آینده ای دور ممکن است . مشکلات تکنیکی این امر بسیار زیاد است برای این کار مواد سوختی مثلا ایزوتوپهای هیدروژن (یعنی دوتریم و تریتیم) باید تا 100 میلیون درجه سانتی گراد حرارت ببینند البته در صورت انجام این کار تمام مشکلات مربوط به انرژی حل خواهد شد زیرا با مصرف 1 کیلوگرم دوتریم حدود 24 میلیون کیلووات ساعت انرژی به دست می آید این انرژی معادل انرژی 3 میلیون کیلوگرم زغال سنگ است بدیهی است که هیچ دیگی تحمل چنین درجه حرارت بالایی را ندارد به همین دلیل تلاش می کنند که مواد سوختی را با میدانهای مغناطیسی بزرگ به هم پیوند دهند یا گلوله های کوچکتر مواد سوختی را در کوتاه مدت با پرتوهای لیزری حرارت دهند تا آنها خود بتوانند از طریق همجوشی (فوزیون) انرژی تولید کنند همچنین روشهای «سرد» با کمک «میونها» (یا به عبارت دیگر ذرات کوچک) مورد آزمایش قرار گرفته است که توضیح آن در این جا به درازا خواهد کشید . در حال حاضر برای ما استفاده از تکنیک «همجوشی یا ذوب هسته ای» (به استثنای کاربرد آن در بمب هیدروژنی) ممکن است به هر حال با توجه به اینکه پیشرفتهای تکنیکی همواره شتاب بیشتری می یابند امکان دارد که در سده آینده «همجوشی یا ذوب هسته ای » در تولید انرژی و نیز در سفرهای فضایی نقش بسیار مهمی بازی کند .

اورانیم چگونه به دست می آید ؟

اورانیم فلزی سنگین است که از سنگ معدن اورانیم به دست می آید معروفترین سنگ معدن اورانیم ظاهرا نوعی اورانینیت است که از 95 درصد اکسید اورانیم تشکیل شده است و گاهی به صورت صخره های چند تنی یافت می شود ( این نوع اورانینیت معمولا دارای رنگ قهوه ای تا سیاه براق است .) متاسفانه اغلب سنگ معدن های دیگرمقدار بسیار کمتری اورانیم در خود دارند استخراج هنگامی مقرون به صرفه است که حداقل یک کیلوگرم اورانیم از هر تن سنگ معدن به دست آید سنگ معدن استخراج شده از معادن زیر زمینی یا سطحی باید نخست آماده شود این سنگها خرد آسیاب و با آب قلیایی شستشو می شوند پس از طی دیگر مراحل آماده سازی اورانیم متراکم یا «کنسانتره اورانیم» که بیش از 70 درصد اورانیم در خود دارد و «کیک زرده » نامیده می شود به دست می آید این محصول برای آماده سازی بیشتر به محل دیگری حمل می شود .

اورانیم غنی شده چگونه تولید می شود ؟

اورانیم خالص طبیعی برای استفاده ر نیروگاههای اتمی مناسب نیست زیرا فقط 7/0 درصد آن از نوع شکافت پذیر 235 –U و 3/99 درصد آن از نوع سنگینتر و شکافت ناپذیر   238– U است .

سوخت اتمی بیشتر نیروگاههای اتمی باید حدود 3 درصد 235- U داشته باشد بنابراین اورانیم باید تااین غلظت غنی شود چون دو ایزوتوپ اورانیم از نظر شیمیایی از یکدیگر قابل تشخیص نیستند برای غنی سازی از تفاوت وزنی آنها استفاده می شود . نخست اورانیم با کمک «فلوئور»به گاز هگزافلوئورید اورانیم (UF6) (به عبارت دیگر به ترکیبی از اورانیم و فلوئور)تبدیل می شود . در این مرحله برای جداسازی دو ایزوتوپ اورانم از یکدیگر روشها ی متفاوتی وجود دارد . در روش لوله های جداکننده گاز UF6 در لوله های کوچکی که انحنایی نیم دایره ای دارند با شتاب وارد می شوند نیروی گریز از مرکزایجاد شده گاز دارای U-238 را با شدت بیشتر به خارج می راند به نحوی که این گاز می تواند ازگاز سبکتر U-235 جدا شود بدیهی است که با این روش جداسازی کامل دو ایزوتوپ ممکن نیست ولی اگر تعداد بیشتری از این واحدهای جدا کننده را به صورت زنجیره ای به یکدیگر مربوط کنند بالاخره گازی به دست می آید که در آن اتمهای 235- U به حد کافی وجود دارد در «روش گازی افشانی » گاز UF6 با فشار از غشایی (دیافراگم) عبور داده می شود در این عمل گاز عبور داده می شود در این عمل گاز سبکتر 235- U سریعتر از گاز سنگینتر 238- U از منفذهای دیافراگم عبور می کند این روش نیز تا حدودی موجب جداسازی ایزوتوپها از یکدیگر می شود .