مقدمه
در حال حاضر انرژی اتمی یکی از منابع مهم انرژی بسیاری از کشورهای جهان است . با وجود این ، تا سالهای اخیر اکثر مردم درباره آن بی اطلاع بودند در اواخر جنگ جهانی دوم زمانی که دو بمب اتمی بر روی شهرهای ناکازاکی و هیروشیما در ژاپن انداخته شد ، برای اولین بار مردم پی بر قدرت انرژی اتمی بردند. از آن زمان تا به امروز از انرژی اتمی فقط به منظور تولید نیرو استفاده شده است ، هرچند که سلاحهای اتمی متعددی در جهان وجود دارند.
جمعیت جهان با سرعت رو به افزایش است و مردم نیز مایلند سطح زندگی شان بهتر شود و توقعاتشان بیشتر شده است. این دو عامل دلیل نیاز روز افزون به انرژی است. این انرژی موارد استفاده های فراوان دارد ، از جمله راه انداختن ماشین آلات کارخانه ها ، تولید گرما و نیروی برق ، درحالی تقاضای جهانی انرژی رو به افزایش است ، منابع سوختهای فسیلی (زغال سنگ ، نفت و گاز ) در حال اتمام هستند. در حال حاضر ، سوختهای فسیلی تنها منابع اصلی تامین کننده انرژی جهان هستند و باید به دنبال منابع دیگر انرژی بود ، یکی از منابع جایگزین که قبلا کشف شده است انرژی اتمی می باشد.
انرژی هسته ای
اولین استفاده از انرژی هسته ای در جنگ جهانی دوم بعمل آمد و از آن پس امکان تهیه انرژی مفید به مقیاس وسیع از این منبع مورد نظر بوده و از آن غالبا بعنوان پشتوانه ای در برابر مسئله اتمام منابع فسیلی انرژی یاد می شود. در عین حال که انرژی هسته ممکن است بر منابع فسیلی مزایایی ( از نظر آلوده تر کردن هوا ) داشته باشد استفاده از آن مستلزم یک تکنولوژی پیشرفته و پیش بینی های لازم برای مسائل ایمنی است . در استفاده از انرژی هسته ای حرارت حاصله از شکستن اتمها که تحت کنترل انجام می گیرد به مصرف تولید بخار می رسد. عمل شکستن اتمها و تولید حرارت در راکتورها انجام می گیرد که سوخت آنها اورانیوم (و یا توریم) است. حرارت سپس بوسیله یک یا چندین عامل واسطه که تحت فشارهای مختلف هستند به بخار تبدیل شده و توربینهای مولد برقی را می چرخانند. در راکتورهای معمولی که سوخت آنها اورانیوم 235 است مقدار کمی از سوخت ( در حدود یک درصد ) به پلوتونیوم تبدیل شده و در این تبدیل تفاوت به صورت انرژی آزاد می شود. این عمل سبب می شود که یک تن سوخت اورانیوم که در این راکتورها «سوخته» می شود معادل سوختن پنجاه هزار تن زغال سنگ الکتریسیته تولید کند. در حال حاضر حدود 16000 یعنی پنج درصد انرژی الکتریکی مصرفی در امریکا از انرژی هسته ای تولید می شود که راکتورهای فوق الذکر را بکار گرفته اند. این مقدار در حدود یک درصد انرژی کل مصرفی امریکا است . راکتورهای دیگری که در آن کشور تحت ساختمان هستند دارای ظرفیتی در حدود 54000 خواهد بود و مقدار 80000 دیگر نیز یا در مرحله طرح یا سفارش هستند بطوریکه در پایان اتمام آنها مجموعا 150000 الکتریسیته از انرژی هسته ای در آن کشور تهیه خواهد شد که تخمین زده می شود در سال 2000 قسمت قابل توجهی از انرژی الکتریکی امریکا را تامین کند. (مثلا 25 تا 30 درصد) . در انگلیس نیز حدس زده می شود تا اواخر قرن حاضر راکتورهای هسته ای تا حدود 25% الکتریسیته مورد احتیاج را که در آن موقع در حدود 40000 تخمین زده می شود تامین کند. گرچه به نظر می رسد که انرژی هسته ای ممکن است راه حل عمده ای برای بحران انرژی باشند . ولی باید توجه داشت که موفقیت عمده انرژی هسته ای می تواند در تولید انرژی الکتریکی بوده که فقط جزئی از انرژی لازم برای احتیاجات آینده است. و حتی تولید الکتریسیته به مقدار وافر از این منبع مستلزم پیمودن راهی است که کاملا کوبیده و صاف نشده است. بعلاوه علیرغم بوجود آمدن راکتورهای مولد مسئله سوخت اتمی لازم هنوز بطور کامل حل نشده است . دیگر اینکه تکنولوژی قادر باشد راکتورهای اتمی نوعی سم ایجاد کند . که نه از راه انشقاق (fissin) که در راکتورهای فعلی بکار می رود بلکه از راه Fuslan انرژی اتمی را آزاد کند. سوخت لازم (مثلا دیوتریوم) برای چنین راکتورهایی مقدار زیاد در طبیعت موجود است. علیرغم این اشکالات برای جایگزینی و تکمیل احتیاجات انرژی در عرض نیم قرن آینده شاید بتواند تا حدود بیست تا سی درصد مصرف انرژی الکتریکی را از انرژی هسته ای تامین کرد.
تاریخچه شناخت ماده
توماس ادیسون در سال 1879 لامپ الکتریکی را اختراع کرد و پس از آن طی ده سال که او کوشش خستگی ناپذیر موفق به اختراع بسیاری از وسایل تولید و توزیع برق گردید و از پرتو نبوغ فکری او تحولات و تغییرات شگرفی در زندگی و رفاه صدها میلیون نفر از مردم جهان پدید آمد.
شکافتن هسته و انرژی هسته ای
با توجه به اینکه در یک واکنش هسته ای تغییرات انرژی بسیار زیاد است . این مطلب مهم مورد تحقیق و بررسی قرار گرفت که اگر بتوان یک واکنش هسته ای تولید کرد که بتواند بخودی خود متوالیاً صورت بگیرد ، میتوان انرژی هایی میلیونها مرتبه بیشتر از انرژیهای حاصل از واکنشهای کنترل نشده ی دیگر را بدنبال داشته باشد کشف نشده بود تا اینکه در سال 1938 یک دانشمند شیمی آلمانی به نام « اتو هامن » با همکاری خویش «اشتراسمن» که روی اثر بمباران اتمهای اورانیوم توسط نوترون مطالعه می کردند انتظار داشتند که تشکیل ایزوتوپ منگینتر از اورانیوم هدف (6238 ) را مشاهده کنند ، ولی با کمال تعجب هامن دریافت که نمونه اورانیوم بمباران شده توسط نوترونها ایجاد اتمهای رادیواکتیو ، عنصری بسیار سبکتر یعنی باریم (A=146) نموده است . معمای این کشف بزودی توسط فیزیکدانهای آلمانی ( لیز مینز ، واترفریج ) روشن شد و هر دو نظر دادند که چنانچه هسته های 6238 نوترونی را شکار نمایند هسته مرکب حاصله ناپایدار بوده و به جای اینکه از خود ذرات آنها یا بتا صادر کند دفعتا پس از تقریبا ثانیه شکسته و به دو تکه یا فراگمان تقریبا مساوی تقسیم می شود و حدود دو تا سه نوترون نیز آزاد میگردند. یک چنین پدیده ای را فیسیون یا شکافت هسته ای می گویند. یک نمونه متداول از این واکنش هسته ای بمباران u235 توسط نوترون کند می باشد که ایجاد دو عنصر استرنسیم (Sr) و گزنون (Xe) و دو نوترون می نماید.
راکتور هسته ای
تعداد متوسط نوترونهایی که از یک واکنش فیسیون آزاد شده و فیسیونهای دیگر را ایجاد می کنند ضریب تکثیر نامیده و به f نمایش می دهند. یک واکنش زنجیری وقتی برقرار می شود که f بزرگتر از یک و یا لااقل مساوی با ان باشد. اگر بزرگی نمونه « درست بحرانی» باشد (f=1) عده نوترونهای تولید شده در هر نسل برابر است با عده نوترونهایی که در نسل پیش تولید و منجر به آزادی یکنواخت انرژی هسته ای شده است. پیل فری اولیه و پیل فری تکامل یافته بعدی آن ، واکنش زنجیری را در سطح اندازه بحرانی نگه می دارد.
متذکر می شویم که شرایط «بحرانیت » بی اندازه ناپایدار است بطوریکه یک انحراف جزئی از یک طرف ، منجر به خاموشی سریع نوترونهای شکاف و قطع واکنش زنجیری هسته می شود. و انحراف جزیی از طرف دیگر منجر به افزایش سریع نوترونهای شکاف و ذوب به تمامی ساختمان واکنش پذیر خواهد بود. بنابراین مساله مهم در نگهداری یک واکنش زنجیری یکنواخت تنظیم میزان تولید نوترون و موضوع نگهداری در برابر « مرگ » یا «گریز» است . طریقی که نوترون های اضافی از محیط فعل و انفعال دور می شوند عبارتند از :
1 فرار کردن نوترونها از محیط یا راکتور
2 جذب شدن نوترونها توسط 238 در واکنش
3 جذب شدن نوترونها بوسیله هسته های دیگر.