دانلود تحقیق انرژی هسته‌ای

داستان کشف و گسترش انرژی هسته‌ای، که در مفهوم این پژوهش انرژی‌ای است که در اثر شکافت اوارنیم و احتمالاً عناصر سنگین دیگر آزاد می‌شود، به سال 1311/1932، که چادویک در آزمایشگاه کاوندیش، واقع در کمبریج، نوترون را شناسایی کرد، بر می‌گردد.

این کشف از چند نظر دارای اهمیت بود.

اولاً، تشریح ساختار اتم به شکل قابل قبول‌تری امکان پذیر شد و نشان داده شد که هر عنصر بخصوص ممکن است چندین ایزوتوپ مختلف، یعنی گونه‌های مختلفی که تعداد نوترون‌های آنها فرق می‌کند، داشته باشد.

ثانیاً، نوترون ذره جدیدی بود که برای بمباران هسته اتم و ایجاد واکنشهای مصنوعی در اختیار دانشمندان فیزیک اتمی قرار می‌گرفت.

در سالهای قبل از آن، دانشمندان برای این منظور از ذرات پروتون و آلفا (هسته عنصر هلیم) استفاده می‌کردند، اما بلافاصله بعد از کشف نوترون این دانشمندان، بخصوص دانشمند ایتالیایی فرمی که در رم کار می‌کرد، دریافتند که این ذره به علت بی‌بار بودن (برخلاف پروتون و ذره آلفا) آسان‌تر به درون سد پتاسیل هسته اتم نفوذ کرده با آن برهم کنش می‌کند.

چند سال بعد، فرمی و همکارانش در رم عناصر طبیعی زیادی را با نوترون بمباران کردند و فرآورده‌های واکنشهای حاصل را مورد مطالعه قرار دادند.

در بسیاری موارد فرمی دریافت که ایزوتوپ‌های پرتوازی عنصر اصلی تولید می‌شدند، و وقتی این ایزوتوپ‌ها وا می‌پاشیدند عناصر دیگری، کمی سنگین‌تر از عناصر اصلی است، تولید می‌شدند.

با این روش اورانیم، سنگین‌ترین عنصر طبیعی، در اثر بمباران با نوترون به عناصر سنگین‌تر فرا اوارنیم، که به صورت طبیعی روی زمین یافت نمی‌شدند، تبدیل شد.

در این برهه، فرمی دو کشف بزرگ دیگر هم صورت داد، یکی اینکه نوترون‌های کم انرژی بطور کلی برای تولید واکنشهای هسته‌ای مؤثرند از نوترون‌های پر انرژی هستند، و دیگر
اینکه مؤثرترین راه کند کردن نوترون‌های پر انرژی پراکندگیهای متوالی آنها از عناصر سبک مثل هیدروژن در ترکیباتی مثل آب و پارافین است.

نقش مهم این دو کشف در گسترش انرژی هسته‌ای در سالهای بعد به ثبوت رسید.

آزمایشهای فرمی روی اورانیم توسط دو شیمیدان آلمانی به نامهای هان و استراسمن تکرار شد.

این دو نفر در سال 1317/1938 کشف کردند که یکی از فراورده‌های برهم کنش نوترون با اورانیم، باریم است که عنصری است در میانه جدول تناوبی.

ظاهراً واکنشی رخ داده بود که در آن هسته سنگین اورانیوم، در اثر بمباران با نوترون، به دو هسته با جرم متوسط تقسیم شده بود.

دو فیزیکدان، به نامهای مایتنر و فریش، با شنیدن خبر این کشف و بر مبنی مدل قطره مایعی هسته اتم توضیحی برای این فرایند پیدا و محاسبه کردند که انرژی بسیار زیادی (خیلی بیش از آنچه که در فرایندهای شناخته شده پیش از آن دیده شده بود) از این فرایند که نام شکافت بر آن گذاشته شد آزاد می‌شود.

جلوه‌های مهم دیگری از شکافت در ماههای بعد کشف شد.

ژولیو و همکاران او در فرانسه نشان دادند که در فرایند شکافت چند نوترون هم گسیل می‌شود، و بعداً معلوم شد که این نوترون‌ها انرژی خیلی بالایی دارند.

به این ترتیب این امکان وجود داشت که فرایند شکافت، که با یک نوترون آغاز می‌شد و دو یا سه نوترون تولید می‌کرد، در صورت بروز شکافت دیگری توسط این نوترون‌های جدید، ادامه پیدا کند.

زنجیره ـ واکنش خود ـ نگهداری که به این ترتیب ایجاد می‌شد قادر بود مقدار فوق‌العاده زیادی انرژی ایجاد کند.

دو نوع واکنش زنجیره‌یا شکافت متمایز در پیش رو بود: یکی آنکه فرایند شکافت با آهنگ پایا و کنترل شده‌ای انجام می‌شد و به صورت پایا و پیوسته‌ای انرژی آزاد می‌کرد؛ و دیگر اینکه آهنگ شکافت به حدی سریع و کنترل نشده می‌بود که، واقعاً، یک انفجار هسته‌ای با توان تخریب خیلی زیاد تولید می‌کرد.

با این همه، پیش از اینکه این ایده‌ها می‌توانستند به واقعیت حتی نزدیک بشوند، مجهولات و مشکلات زیادی باید حل می‌شد.

در میان این مجهولات، سطح مقطع شکافت اوارنیم 235 (میزان احتمال انجام این نوع واکنش) بود، و تا این کمیت مشخص نمی‌شد هیچ راهی وجود نداشت که بگوییم آیا واکنش زنجیره‌ای ممکن هست یا خیر، و اگر امکان داشت جرم بحرانی اورانیم لازم چه مقدار بود.

همچنین معلوم شده بود که برای دستیابی به یک واکنش زنجیره‌ای در انواع مشخصی از سیستم‌هایی که برای تولید پایا و پیوسته انرژی طراحی می‌شدند لازم بود انرژی نوترون‌هایی که توسط شکافت تولید می‌شدند به مشخص نمی‌شد هیچ راهی وجود نداشت که بگوییم آیا واکنش زنجیره‌ای ممکن هست یا خیر، و اگر امکان داشت جرم بحرانی اورانیم لازم چه مقدار بود.

همچنین معلوم شده بود که برای دستیابی به یک واکنش زنجیره‌ای در انواع مشخصی از سیستم‌هایی که برای تولید پایا و پیوسته انرژی طراحی می‌شدند لازم بود انرژی نوترون‌هایی که توسط شکافت تولید می‌شدند به انرژی‌های خیلی پایین‌تری کاهش می‌یافتند تا، همان طور که فرمی نشان داده بود، شکافتهای بیشتر را آسان‌تر باعث می‌شدند.

ماده‌ای که برای حصول این فرایند کند شدگی لازم بود کند کننده نام گرفت، و یکی از کند کننده‌های اولیه‌ای که در آزمایشها مورد استفاده قرار گرفت آب سنگین بود، که در زمان مورد بحث در اروپا فقط در یک جا پیدا می‌شد – شرکت هیدرو الکتریک (برق ـ آب= برقاب) نروژ، و تمام موجودی آن را در 1319/1940 فرانسه خریداری کرد.

کشف شکافت در 1317/ 1938 و پیشرفتهای بیشتر در سال 1318/1939، که درست پیش از شروع جنگ جهانی دوم رخ داد، نمی‌توانست در زمانی حساس‌تر از آن در تاریخ جهان اتفاق بیفتد.

اگر هیتلر کاملاً به اهیمت این کشف پی برده و دانشمندانش را به توسعه آن تشویق کرده بود، به احتمال زیاد آلمان اولین کشوری می‌بود که سلاح هسته‌ای تولید می‌کرد و تاریخ جهان در سی یا چهل سال گذشته خیلی تفاوت می‌کرد.

خوشبختانه، از دید انگلیسی‌ها، هیتلر قدر کشفیات دانشمندان اتمی خود را، که بسیاری از آنها یهودی و در حال مهاجرت به بریتانیا و آمریکا بودند، ندانست و تحقیقات شکافت در آلمان با امکانات و اولویت محدودی دنبال شد.

تحقیقات شکافت در فرانسه هم در خرداد ـ تیر / ژوئن 1319/1940 ناگهان قطع شد و دو دانشمند پیشتاز فرانسوی، هالبان و کوارسکی، به همراه ذخیره حیاتی آب سنگین فرانسه به بریتانیا آمدند.

به این ترتیب در تابستان 1319/1940 بریتانیا، که تا آن زمان دست تنها درگیر مقابله با آلمان بود، به کانون تحقیقات شکافت تبدیل گردید.

در آن سال، اجتماع بزرگی از دانشمندان برجسته دنیا در بریتانیا وجود داشت، که تعداد زیادی از آنها پناهندگان اروپایی بودند.

شرایط، فوق‌العاده حساس و اضطراری بود، چون مشخص شده بود که اولین کشور سازنده بمب اتمی به احتمال قوی برنده جنگ خواهد بود، و هیچکس دقیقاً نمی‌دانست آلمانها چه می‌کنند.

در آن سال، دانمشندان حاضر در بریتانیا پیشرفت قابل ملاحظه‌ای کردند و بطور نظری نشان دادند که با استفاده از اورانیم 235 می‌توان یک بمب اتمی با توان انفجار ویران‌گری ساخت، که این خود حملات هوایی، این اقدامات غیر عملی به نظر می‌رسیدند.

لذا تصمیم بر آن شد که تقریباً تمام کار تحقیقات، گسترش و تولید به ایالات متحده آمریکا، که کار بر روی شکافت در حال پیشرفت بود، هر چند نه در سطح پیشرفته و درجه اضطرار بریتانیا، منتقل شود.

زیرا آمریکا دارای منابع صنعتی لازم بود و، حتی پس از شروع جنگ با ژاپن، از حملات هوایی در امان بود.

هدف اصلی تحقیقات شکافت در آمریکا در سالهای اول دهه 1320/1940 ساخت چند بمب اتمی بود، و به محض درگیر شدن آمریکا در جنگ احساس اضطرار افزایش یافت.

برای تهیه مواد شکافهای خالص برای بمب دو روش پیشنهاد شده بود: اول، تهیه اورانیم 235 خالص از اورانیم طبیعی با جداسازی رادیو ایزوتوبی، با استفاده از فرایند پخش گازی ترکیب هگزافلورید اورانیم که باید از یک رشته غشاهای متخلخل عبور می‌کرد.

دوم، تولید ایزوتوپ فرا – اورانیم پلوتونیم 239، که معلوم شده بود شکافا است، با بمباران نوترونی اورانیم 238 در یک سیستم زنجیره‌ای کنترل شده با استفاده از اورانیم طبیعی.

شکافت حاصل در کسر اورانیم 235 موجود در اورانیم طبیعی باعث تداوم واکنش زنجیره‌ای می‌شود، و نوترون‌های اضافی مقداری اورانیم 238 را با پلوتونیم 239 تبدیل می‌کنند که می‌شود آن را از اورانیم جدا کرد.

برای رسیدن به این اهداف، تأسیسات معظم پخش گازی در اک ریج، تنسی ـ آمریکا ـ در سال1322/1943 برای تولید اورانیم 235 آغاز به کار کرد، و در دسامبر 1942 (آذرماه 1321) اولین سیستم کنترل شده واکنش زنجیره‌ای در شیکاگو زیر نظر فرمی، که چند سال پیش از ان ایتالیا را ترک کرده و به آمریکا مهاجرت کرده بود، به وضعیت بحرانی رسید.

طی دو سال پس از آن، رآکتورهای (نامی که به سیستم‌های کنترل شده شکافت داده شد) بزرگ‌تر و قوی تری ساخته شدند، که نقطه اوج آن رآکتورهای عظیم تولید کننده پلوتونیم هانفورد در واشینگتن بود.

تا تابستان 1324/1945 در اک ریج به اندازه کافی اورانیم 235، و در هانفورد به اندازه کافی پلوتونیم تولید شده بود که بتوان اولین بمبهای اتمی را ساخت.

یکی در آلاموگوردوواقع در نیومکزیکو ـ آمریکا ـ آزمایش شد، و دو تا روی ژاپن انداخته شد و جنگ جهانی دوم را ناگهان به پایان رساند.

قدرت ویرانگری این بمبها، ادعاها و نگرانیهایی را که دانشمندان در سالهای پیش از آن بیان کرده بودند تأیید، و اوت 1945 (مرداد 1324) را به صورت لکه سیاهی در تاریخ بشریت ثبت کرد.

در سالهای بلافاصله پس از جنگ جهانی دوم گسترش سلاحهای هسته‌ای نه تنها در آمریکا به پایان رساند.

در سالهای بلافاصله پس از جنگ جهانی دوم گسترش سلاحهای هسته‌ای نه تنها در آمریکا بلکه در بریتانیا و روسیه که مصمم بودند سلاحهای خود را داشته باشند، به سرعت ادامه یافت.

آزمایش بمبهای اتمی، و پس از آن بمب خیلی قوی‌تر هیدروژنی، آلودگی هسته‌ای بسیار زیادی در اتمسفر تولید کرد، و در پی آن این سه کشور عهدنامه منع آزمایشهای هسته‌ای در جو را امضا کردند.

این عهدنامه تأثیر خیلی گسترده‌ای نداشت زیرا فرانسه و چین، اعضای جدید «باشگاه بمب اتمی»، آن را امضا نکردند و آزمایشهای در جو، هر چند در مقیاس کمتر، ادامه یافت.

امور نظامی، مبنای پیشرفتهای اولیه انرژی هسته‌ای برای تولید برق بوده است.

در ایالات متحده، دریاسالار ریک اور پیش‌بینی کرد که کشتیهایی نظامی با نیروی محرکه هسته‌ای می‌توانستند دارای برد تقریباً نامحدود، مسلماً خیلی بیش از بردکشتیهای موجود، باشند، و این می‌توانست برای مدت طولانی در زیر آب به گشت‌زنی پردازند.

البته لازم بود که رآکتورهای هسته‌ای تا جایی که ممکن است جمع و جور باشند تا بتوان آنها را در کشتی نصب کرد، و این ضرورت منجر به ساخت اولین رآکتور آب تحت فشار شد، که در ان (همان طور که از اسم آن پیدا است) آب پرفشار نقش خنک کننده و کند کننده را دارد، و سوخت، اوارنیم اندک غنی شده است، یعنی اورانیمی که حاوی 2 تا 3 درصد اورانیم 235 است.

این نوع رآکتور خیلی جمع و جورتر از رآکتورهای عظیم با کند کننده گرافیت هانفورد بود.

اولین کشتی هسته‌ای، زیر دریایی ناتیلوس آمریکا، در 1334/ 1955 به آب انداخته شد.

دو سال پس از آن طرحی مشابه در شیپینگ پورت، پنسیلوانیا، اولین نیروگاه هسته‌ای تجارتی آمریکا بای تولید برق به کار افتاد، و در سی سال که از آن تاریخ می‌گذرد این نوع رآکتور، که از نظر اندازه و توان به نحو فزاینده‌ای بزرگتر شده است، مبنای تولید برق هسته‌ای در آمریکا و کشورهای دیگر بوده است.

تحقیقات زمان جنگ کانادا برگسترش رآکتورهای با کند کننده آب سنگین متمرکز بود.

این کار ادامه تحقیقاتی بود که در سال 1318/1939 در فرانسه آغاز شده و بین سالهای 1319/1940 تا 1321/1942 به بریتانیا منتقل شده بود.

کانادا، که در بین متفقین تولید کننده در بریتانیا در پایان جنگ نخستین اولویت، تولید پلوتونیم 239 به عنوان ماده سلاحهای هسته‌ای تلقی می‌شد، و اولین رآکتورهای بزرگ بریتانیا دو رآکتور تولید کننده پلوتونیم دئر وینداسکیل بودند.

این رآکتورها شبیه رآکتورهای تولید کننده پلوتونیم آمریکا در هانفورد بودند، به این معنی که سوخت آنها اورانیم طبیعی، و خنک کننده آنها گرافیت بود.

این گزینه برای مواد، تا حدی توسط این واقعیت دیکته شده بود که بریتانیا در آن زمان به مقادیر زیاد اورانیم غنی شده یا آب سنگین دسترسی نداشت، و، در نتیجه، ادامه خطوط تحقیقاتی‌ای که در آمریکا و کانادا دنبال می‌شدند در بریتانیا ممکن نبود.

مرحله بعد، ساخت رآکتورهای واقع در کالدرهال (در کنار ویند اسکیل) برای تولید توأمان برق و پلوتونیم بود و وقتی این رآکتورها در سال 1335/1956 به کار افتادند، اولین رآکتورهای بزرگ جهان بودند که به شبکه سراسری برق می‌رساندند.

(کمی قبل از آن روسها اولین رآکتور قدرت خود را به کار انداخته بودند، اما توان آن خیلی کم بود.) در 1336/1957 آتش سوزی مهیبی در یکی از رآکتورهای وینداسکیل رخ داد، و هر دو رآکتور برای گسترش بعدی رآکتورهای با خنک کننده گاز و کند کننده گرافیت بریتانیا برای تولید برق، تبدیل شدند، کاری که تا زمان حاضر ادامه یافته است.

این، تاریخچه کوتاهی از پیشرفتهای اولیه انرژی هسته‌ای در جهان غرب بود.

پیشرفتهای مشابهی که اهمیت آنها هم کمتر نبوده است نیز بطور همزمان در روسیه صورت گرفته است، و اکنون بسیاری از کشورهای توسعه یافته صنعتی، بخصوص کشورهای اروپایی غربی و ژاپن، برنامه‌های ساخت و استفاده از نیروی هسته‌ای خود را دارند.

نوع رآکتوری که اکنون بیش از هر نوع دیگر بر صحنه انرژی هسته‌ای جهان حاکم است، رآکتور آب تحت فشار آمریکایی است، که، تحت جواز، در بسیاری از کشورهای دیگر نیز ساخته شده است.

شک نیست که کشف نوترون، شکافت و پلوتونیم امکانات و خطرات بی‌سابقه‌ای برای بشر به ارمغان آورده است.

از یک طرف امکان استفاده صلح آمیز به صورت یک منبع انرژی، با استعدادی خیلی فراتر از ذخایر سوختهای فسیلی جهان؛ و از طرف دیگر وجود خطرات قدرت تخریب سلاحهای هسته‌ای، قدرتی که می‌تواند بشریت را نابود سازد.

کشفیات چهل سال قبل را نمی‌توان نادیده گرفت یا روند آنها را معکوس کرد، اما می‌توان تصور کرد (با در نظر داشتن اینکه این کشفیات و پیشرفتها هنگامی تحقق یافتند که چنگ جهانی دوم جریان داشت) که دردهای زایمان انرژی هسته‌ای می‌توانست خیلی بدتر از این باشد.

دو بمب از روی عصبانیت فرو انداخته شدند و خرابی و مرگی که این دو بمب به بار آوردند درسی به جهان داد که اکنون مورد توجه قرار گرفته است.

استفاده از انرژی هسته‌ای در آینده چالشهایی را سر راه دانشمندان و مهندسانی قرار می‌دهد که مسئول طراحی، ساخت و بهره برداری امن و اطمینان بخش از رآکتورها برای تولید انرژی هستند؛ چالشهای سر راه بشر، و بویژه سیاستمداران، برای حصول اطمینان از اینکه این منبع انرژی هرگز دوباره در جنگ به کار نرود، حتی خیلی بزرگتر است.

شکافت همانطور که گفته شد کشف شکافت در 1317/1938 در آلمان توسط هان و استرسمن، که ایزوتوپ‌های پرتوزای حاصل از بمباران اورانیم با نوترون برای تولید عناصر فرا اورانیم را مطالعه می‌کردند، صورت گرفت.

یکی از عناصری که در فراورده‌های واکنشها شناسایی شد باریم 139 پرتوزا بود، که بیانگر نوعی واکنش، تا آن زمان، ناشناخته بود، که در آن هسته اورانیم به پاره‌هایی شکسته می‌شد که، خود، هسته‌های عناصر با جرم متوسط بودند.

تحقیقات بیشتر حضور چندین عنصر با جرم متوسط دیگر را نشان داد، و وجود فرایند شکافت محقق شد.

کمی بعد از آن ثابت شد که در این فرایند نوترون هم گسیل می‌شود و امکان انجام واکنش زنجیره‌ای، که در آن نوترون‌های گسیل شده در یک شکافت ممکن است منجر به شکافت دیگری شوند، و واکنش ممتد ایجاد کنند، هم وجود دارد.

ایزوتوپی از اورانیم که اساساً عامل شکافت است اورانیم 235 است، که در اورانیم طبیعی به اندازه 715 ر 0 درصد وجود دارد.

در این ایزوتوپ، شکافت می‌تواند توسط نوترون‌های با هر انرژی رخ بدهد، اما نوترون‌های انرژی ـ پایین از همه مؤثرتراند.

در اورانیم 238 که 285ر99 درصد اورانیم طبیعی را تشکیل می‌دهد، شکافت فقط با نوترون‌هایی که انرژی بیش از MeV 1 دارند امکان پذیر است.

سه ایزوتوپ مهم دیگر هم هستند که می‌توانند دستخوش شکافت شوند.

توریم 232، تنها ایزوتوپ طبیعی این عنصر، با نوترون‌های با انرژی بیش از حدود MeV 4ر1 شکافته می‌شود، و دو ایزوتوپ اورانیم 233 و پلوتونیم 239، که بطور طبیعی وجود ندارند اما می‌توان آنها را بطور مصنوعی با واکنشهای هسته‌ای تولید کرد، با نوترون‌های با هر انرژی شکافته می‌شوند، و باز نوترون‌های با انرژی کمتر از MeV 10 دستخوش شکافت می‌شود) را، اصطلاحاً، ایزوتوپ‌های «شکافت پذیر» می‌نامند، و اصطلاح «شکافا» خاص ایزوتوپ‌های U233، U235 ، وPu239 است که با نوترون‌های انرژی ـ پایین شکافته می‌شوند.

نظریه شکافت فراتر از سطح این کتاب است، اما توصیفی اجملالی از مدل، نوعاً پذیرفته شده، قطره مایعی تصویر کیفی مناسبی از فرایندهای دخیل در شکافت به دست خواهد داد.

نیروهای کوتاه برد هسته‌ای، که شبیه کشش سطحی در یک قطره مایع‌اند، هسته را کم و بیش به شکل کروی در می‌آوردند ـ به همان طریقی که کشش سطحی، قطره مایع را کروی می‌سازد.

اما اگر هسته، مثلاً در اثر جذب یک نوترون، برانگیخته شود ممکن است شکل آن تغییر کند.

در بیشتر موارد، میزان تغییر شکل با نیروهای هسته‌ای محدود می‌شود و پس از وا انگیزش، هسته به شکل کروی خود باز می‌گردد، اما ممکن است که تغییر شکل، هسته را به شکل دمبل درآورد بطوری که نیروی دافعه کلنی بین دو نیمه دمبل بر نیروی هسته‌ای، که به علت تغییر شکل هسته تضعیف شده است، غلبه کند.

وقتی چنین وضعیتی پیش آید هسته به دو پاره تقسیم می‌شود.

ویژگیهای شکافت را با بررسی شکافت اورانیم 235 توضیح خواهیم داد، اما شکافت چهار ایزوتوپ دیگر هم اساساً به همین صورت است.

اولین مرحله واکنش، جذب یک نوترون توسط U235 و تشکیل U236 در یک حالت برانگیخته است.

در بعضی موارد، U236 با گسیل تابش گرما به حالت پایه‌اش می‌رود، مثالی از یک واکنش ()، اما اغلب موارد U236 به گونه‌ای که در بالا توضیح دادیم تقسیم می‌شود.

فراورده‌هیا شکافت عبارت‌اند از دو پاره شکافت که اعداد جرمی آنها بین 70 تا 160 متغیر است، بین صفر تا پنج نوترون، ذرات، تابش گرما، نوترینو، و انرژی.

نمودار این فراورده‌ها در شکل 2-3 نمایش داده شده است.

شکل 2-3 چهار مرحله فرایند شکافت هویت دقیق فراورده‌های شکافت و تعداد نوترون‌ها از یک رویداد شکافت به رویداد دیگر فرق می‌کند، اما واکنش زیر یک شکافت نوعی است: ملاحظه می‌شود که جرمهای دو فراورده شکافت، در این مثال، لانتانم و برم، برابر نیستند، و شکافت نامتقارن مانند این خیلیز محتمل‌تر از شکافتی است که در آن دو جرم مساوی باشند.

طیف فراورده‌های شکافت U235 را در شکل 2-4 نمایش داده‌ایم، و به سادگی ملاحظه می‌شود که اعداد جرمی همه فراورده‌های شکافت بین 76 و 160قرار دارند، و محتمل‌ترین اعداد جرمی که در حدود 5ر6 درصد از شکافتها حاصل می‌شوند حدود 96 و 135 هستند، و شکافت متقارن با دو فراورده با جرم 117 فقط با احتمال 1 در 20000 رخ می‌دهد.

فراورده‌های شکافت همه پرتوزا هستند، که قابل انتظار است زیرا اگر یک هسته خیلی سنگین (که در آن نسبت نوترون به پروتون کمی بیش از 3 به 2 است) به دو هسته با جرم متوسط (که در آن نسبت نوترون به پروتون برای پایداری کمی کمتر از 3 به 2 است) تقسیم شود، فراورده‌های شکافت «اضافه نوترون» خواهند داشت.

همان طور که ملاحظه کرده‌ایم این نوع هسته‌‌ها عمدتاً با کسیل ذره بتا وا می‌پاشند، هر چند که در موارد خیلی معدودی واپاشی با گسیل نوترون صورت می‌گیرد.

شکل 2-4 طیف فراورده‌های شکافت اورانیم 235 در بعضی از موارد زنجیره‌های واپاشی طویل تشکیل می‌شوند، مثلاً واپاشی تلور 135 که فراورده شکافت است به صورت زیر است: پرتوزایی فراورده‌های شکافت مخاطرات جدی و مسائل استحفاظی خطیری را در رآکتورها، مخصوصاً در نقل و انتقال سوخت اورانیم مصرف شده، ایجاد می‌کند.

مسأله دیگری که در معدودی از فراورده‌های شکافت بروز می‌کند انباشت ایزوتوپ‌هایی است که قدرت گیراندازی نوترونی زیادی دارند و حتی مقادیر کم آنها نیز اثری جدی بر امکان ایجاد یک واکنش شکافت مداوم خواهد داشت.

زنون 135، که یک فراورده دختر در زنجیره واپاشی بالا است، بارزترین مثال از این نوع است، و اثر آن در طراحی و کار رآکتورهای هسته‌ای در یکی از فصلهای آینده به تفصیل بررسی خواهد شد.

اکثریت نوترون‌های گسیل شده در فرایند شکافت در لحظه شکافت آزاد می‌شوند، و نوترون‌های آنی نام دارند.

همان طور که در بالا متذکر شدیم، معدودی از فراورده‌های شکافت با گسیل نوترون وا می‌پاشند و این چشمه دیگری است برای نوترون‌هایی که، بسته به نیم عمر فراورده شکافت پرتوزایی ذیربط، کمی بعد از رویداد شکافت اصلی گسیل می‌شوند.

مثالی از زنجیره واپاشی گسیلنده نوترون در شکل 2-5 نشان داده شده است.

برم 87، که یک فراورده شکافت است، با گسیل ذره بتا و نیم عمر 5ر54 ثانیه وا می‌پاشد و کریپتون 87 تولید می‌کند.

در دو درصد موارد در تراز برانگیخته‌ای تشکیل می‌شود که آناً با گسیل نوترون وا می‌پاشد و تولید می‌کند.

شکل 2-5 واپاشی برم 87- یک فراورده شکافت لذا این چشمه، اگر چه کوچک، دیگری است از نوترون‌هایی که گسیل آنها حدود 80 ثانیه (عمر متوسط ) نسبت به رویداد شکافت، که منشأ اصلی آنها است، تأخیر دارد.

تعداد نسبی نوترون‌های تأخیری ( در مورد ) فقط حدود 65ر0 درصد بهره کل نوترون است، اما، همان طور که بعداً خواهیم دید، این نوترون‌ها در کنترل رآکتورها نقشی اساسی ایفا می‌کند.

اگر در یک وضعیت محتمل‌تر نوترون‌ها دارای طیفی از مقادیر سرعت باشند به طوری که n(v)dv تعداد نوترون‌هایی بر واحد حجم باشد که مقدار سرعت آنها در گستره v تا v+dv است، در آن صورت: برای موردی که نوترون‌ها در تمام جهات حرکت می‌کنند شار نوترون را می‌توان به صورت طول رد کل تمام نوترون‌ها در واحد حجم بر واحد زمان تعریف کرد.

این تعریف با تعریفی که قبلاً برای باریکه موازی نوترون کردیم سازگار است، اما به آن شرط بستگی ندارد.

قابل اعمال بودن شار نوترون بر همه نوترون‌هایی که به طور کتره‌ای در تمام جهات حرکت می‌کنند، صرفنظر از جهت حرکت آنها، تأکیدی است بر طبیعت اسکالر (در تقابل با بردار) بودن آن.

به تجربه ثابت شده است که آهنگ بر هم کنش یک باریکه نوترون با هسته‌های موجود در ماده هدف متناسب است با (الف) شار نوترون، و (ب) تعداد اتم‌های موجود در هدف، که فرض می‌شود از یک ایزوتوپ تشکیل شده است.

یک باریکه از نوترون‌هایی را در نظر بگیرید، همه با مقدار سرعت v cm/s و چگالی / نوترون n، که بر هدفی به سطح A و ضخامت dx cm که شامل / هسته N است فرود می‌آید، رک شکل 2-7.

شکل 2-7 آهنگ برهم کنش نوترون‌ها اکنون با استفاده از عبارت پیش می‌توان آهنگ برهم کنش F را در ماده هدف به صورت زیر بیان کرد: یا: (2-14) که درآن V=A dx، حجم هدف، و NV تعداد کل اتم‌های ایزوتوپ داخل هدف است که برهم کنش در آن انجام می‌شود.

ثابت در معادله (2-14) سطح مقطع میکروسکوپی ایزوتوپ مورد نظر است.

یکای این پارامتر برهسته است، و می‌توان آن را برابر مساحتی که هر هسته در مقابل نوترون‌ها، برای ایجاد یک واکنش، «علم» می‌کند تلقی نمود.

( این مساحت برابر اندازه سطح واقعی هسته نیست، در بعضی موارد ممکن است بزرگتر از آن باشد، حال آنکه در مواردی دیگر کوچک‌تر از آن است.) مقدار برای اغلب ایزوتوپ‌ها بین تا است، و واحد متداول آن بارن است: بارن1 سطح مقطع کل همه هسته‌های موجود در واحد حجم ماده را سطح مقطع ماکروسکوپی، ، می‌نامیم و واحد آن /یا است، و آهنگ برهم کنش در واحد حجم عبارت است از: (2-15) احتمال انکه یک نوترون پس از ورود به هدف و طی مسافت dx برهم کنش انجام بدهد عبارت است از: (2-16) نتیجه اینکه سطح مقطع ماکروسکوپیکی را می‌توان برابر احتمال برهم‌کنش نوترون در واحد طول رد آن در ماده تعبیرکرد.

با مساوی قرار دادن آهنگ برهم‌کنش در عنصری به ضخامت dx از ماده و تفاضل بین تعداد نوترون‌هایی که در هر ثانیه به آن عنصر وارد و از آن خارج می‌شوند، می‌توان تضعیف یک باریکه نوترون را در ماده هدف پیدا کرد: A×(شار خروجی- شار ورودی)=آهنگ برهم‌کنش (علامت منفی بیانگر کاهش شار است).

از باز ـ آرایش رابطه فوق داریم: جواب این معادله ، یعنی شاری که مسافت x را بدون برهم‌کنش در ماده طی می‌کند، عبارت است از: (2-17) که در آن شار نوترون فرودی است.

مسافت متوسطی که یک نوترون بدون برهم‌کنش طی می‌کند مسیر آزاد میانگین، ، نام دارد.

برای ‌n نوترون، می‌توان نوشت: کمیت سمت راست علامت جمعیابی برابر مسافت کلی است که تمام نوترون‌ها بدون برهم‌کنش طی می‌کنند.

با استفاده از معادله‌های (2-16) و (2-17) و تبدیل جمع طرف راست به انتگرال بر روی همه مقادیر ممکن ‌x، یعنی از 0 تا ، معادله به شکل زیر در می‌آید: (2-18) بنابراین ملاحظه می‌شود که مسیر آزاد میانگین برابر عکس سطح مقطع ماکروسکوپیکی است: در بحث بالا، هیچ تمایزی بین انواع مختلف برهم‌کنش نوترون مثل پراکندگی، گیراندازی یا شکافت قائل نشده‌ایم، و تمام گزاره‌ها و نتایجی که تاکنون به دست آمده‌اند در مورد هر نوع برهم‌کنشی صادق‌اند.

به این ترتیب، آهنگهای انجام پراکندگی کشسان، پراکندگی ناکشسان، گیراندازی، و شکافت با سطح مقطع پراکندگی کشسان، ، سطح مقطع پراکندگی ناکشسان،، سطح مقطع گیراندازی، و سطح مقطع شکافت،، (که برای همه ایزوتوپ‌های شکافت ناپذیر صفر است)، مشخص می‌شوند.

سطح مقطع کل، ، حاصل جمع این سطح مقطعها است، و میزانی است از آهنگ وقوع تمام برهم‌کنشها: سطح مقطع جذب، ، عبارت از حاصل جمع سطح مقطع گیراندازی و سطح مقطع شکافت است، و برای تمام ایزوتوپ‌های شکافت ناپذیر برابر با سطح مقطع گیراندازی است: علاوه بر کاریست سطح مقطعها به عنوان ابزاری برای تعیین آهنگ برهم‌کنشها، تعبیری کمی از اندازه احتمال غالباً سودمند است.

به عنوان مثال، اگر ایزوتوپی، به ترتیتب، دارای سطح مقطعهای گیراندازی و پراکندگی کشسان 1ر0و 10 بارن باشد، روشن است که پراکندگی کشسان محتمل‌ترین برهم‌کنش در این ماده است و در مقایسه با آن، گیراندازی، که فقط در 1 درصد از تمام واکنشها رخ می‌دهد، قابل چشم پوشی است.

با تعریف مسیر آزاد میانگین پراکندگی، ، به صورت مسافت متوسطی که نوترون بین پراکندگیهای کشسان متوالی می‌پیماید، می‌توان مسیرهای آزاد میانگین را از هم تفکیک کرد: مسیر آزاد میانگین جذب، ، مسافت متوسطی است که نوترون می‌پیماید تا جذب شود: مسیر آزاد میانگین کل، ، عبارت است از: در مهندسی هسته‌ای غالباً ضرورت ایجب می کند که سطح مقطعهای مواد مرکب یا مخلوط را حساب کنیم.

به بیان صریح، سطح مقطع میکروسکوپیکی فقط می‌تواند اشاره به یک تک ایزوتوپ داشته باشد، اما برای یک عضو طبیعی متشکل از مخلوطی ایزوتوپ‌ها، بهتر است که یک سطح مقطع میکروسکوپیکی میانگین تعریف کنیم.

جدول 3-6 درج شده‌اند.

بطوری که در جدول نشان داده شده است می‌توان پیش روها را برحسب نیمه عمرشان بسهولت به شش گروه تقسیم کرد.

جدول 3-6 پیشروهای نوترون‌های تأخیری.

کمیت‌های مشکوک در پرانتز نشان داده ‌شده‌اند از شکل 3-7 بیاد خواهیم آورد که توزیع محصولات فیسیون هم برجسته فیسیون کننده بستگی دارد و هم تابع انرژی نوترونی است که موجب فیسیون می‌شود.

در نتیجه توزیع و پیشروهای نوترون‌های تأخیری و همچنین درصد نوترون‌های تأخیری و نیمه عمر متوسط هر گروه تابع هسته فیسیون کننده و انرژی نوترون می‌باشد.

جدول 3-7 اطلاعات مربوط به نوترون‌های تأخیری برای فیسیون حرارتی در ،، دنباله 3-7 نسبت موجودی نوترون‌های تأخیری و نیمه عمر متوسط آنها برای فیسیون‌هایی که بوسیله نوترون‌های کم انرژی (حرارتی) در ، و ایجاد شده باشند در جدول 3-7 داده شده است.

اطلاعات مشابه برای فیسیون‌های ایجاد شده بوسیله یک طیف متصل نوترون مشابه طیف نوترون‌های آنی فیسیون‌ در جدول 3-8 درج ‌شده است.

جدول 3-8 اطلاعات نوترون تأخیری برای کاهش فیسیون در یک طیف نوترون سریع.

دنباله 3-8 دنباله 3-8 انرژی نوترون‌های تأخیری که در نتیجه فیسیون کم انرژی (حرارتی) آزاد می‌شوند در جدول 3-9 داده شده است.

باید توجه نمود که انرژی نوترون‌های تأخیری خیلی کمتر از انرژیاکثر نوترون‌های آنی است.

جدول 3-9 انرژی اصلی نوترون‌های تأخیری از فیسون حرارتی تعداد نوترون‌هایی که در هر ثانیه درهدفی به ضخامت dx برهم کنش می‌کنندتعداد نوترون‌هایی که در هر ثانیه به سطح هدف فرود می‌آیند ) احتمال انجام برهم‌کنش در مسافت dx)تعداد نوترون‌هایی که بدون برهم‌کنش مسافت x را طی می‌کنند پیش‌رونیمه عمر‌پیش (ثانیه) و تعیین گروهگروه 1 } 5ر54گروه 2Rb (94.93)گروه 3(Te یا Cc , Sb) Br (90.92) Kr (93)گروه 4گروه 5 } 5ر0(Br,Rb,As+?)گروه 6 } 2ر0 گروهنیمه عمر (ثانیه)کاهش ثابتتوزیع (نوترون در هر فیسیون)کسر100ر550126ر000057ر0000224ر0257ر200337ر000197ر0000777ر0300ر5139ر000166ر0000655ر0413ر2325ر000184ر0000723ر05615ر013ر100034ر0000133ر06277ر050ر200022ر0000088ر0جمع توزیع: 66ر00ر0جمع توزیع: 66ر00ر0جمع توزیع: 66ر00ر0جمع توزیع: 66ر00ر0جمع توزیع: 66ر00ر0جمع کسر تأخیری (): 0026ر0جمع کسر تأخیری (): 0026ر0جمع کسر تأخیری (): 0026ر0جمع کسر تأخیری (): 0026ر0جمع کسر تأخیری (): 0026ر0گروهنیمه عمر (ثانیه)کاهش ثابتتوزیع (نوترون در هر فیسیون)کسر172ر550124ر000052ر0000215ر0272ر220305ر000346ر0001424ر0322ر6111ر000310ر0001274ر0430ر2301ر000624ر0002568ر05610ر014ر100182ر0000748ر06230ر001ر300066ر0000273ر0جمع توزیع: 0158ر0جمع توزیع: 0158ر0جمع توزیع: 0158ر0جمع توزیع: 0158ر0جمع توزیع: 0158ر0جمع کسر تأخیری (): 0065ر0جمع کسر تأخیری (): 0065ر0جمع کسر تأخیری (): 0065ر0جمع کسر تأخیری (): 0065ر0جمع کسر تأخیری (): 0065ر0 گروهنیمه عمر (ثانیه)کاهش ثابتتوزیع (نوترون در هر فیسیون)کسر128ر540128ر000021ر0000073ر0204ر230301ر000182ر0000626ر0360ر5124ر000129ر0000443ر0413ر2325ر000199ر0000685ر05618ر012ر100052ر0000181ر06257ر069ر200027ر0000092ر0جمع توزیع: 0061ر0جمع توزیع: 0061ر0جمع توزیع: 0061ر0جمع توزیع: 0061ر0جمع توزیع: 0061ر0جمع کسر تأخیری (): 0021ر0جمع کسر تأخیری (): 0021ر0جمع کسر تأخیری (): 0021ر0جمع کسر تأخیری (): 0021ر0جمع کسر تأخیری (): 0021ر0 گروهنیمه عمر (ثانیه)کاهش ثابتتوزیع (نوترون در هر فیسیون)کسر103ر560124ر009169ر0000690ر0275ر200334ر000744ر0003045ر0374ر5121ر000769ر0003147ر0416ر2321ر002212ر000954ر05571ر021ر100853ر0003492ر06211ر029ر300213ر0000873ر0جمع توزیع: 0496ر0جمع توزیع: 0496ر0جمع توزیع: 0496ر0جمع توزیع: 0496ر0جمع توزیع: 0496ر0جمع کسر تأخیری (): 0203ر0جمع کسر تأخیری (): 0203ر0جمع کسر تأخیری (): 0203ر0جمع کسر تأخیری (): 0203ر0جمع کسر تأخیری (): 0203ر0گروهنیمه عمر (ثانیه)کاهش ثابتتوزیع (نوترون در هر فیسیون)کسر111ر550126ر000060ر0000224ر0274ر200334ر000192ر0000712ر0330ر5131ر900159ر0000590ر0429ر2302ر000222ر0000824ر05546ر027ر100051ر0000190ر06221ر013ر300016ر0000060ر0جمع توزیع: 0070ر0جمع توزیع: 0070ر0جمع توزیع: 0070ر0جمع توزیع: 0070ر0جمع توزیع: 0070ر0جمع کسر تأخیری (): 0026ر0جمع کسر تأخیری (): 0026ر0جمع کسر تأخیری (): 0026ر0جمع کسر تأخیری (): 0026ر0جمع کسر تأخیری (): 0026ر0 گروهنیمه عمر (ثانیه)کاهش ثابتتوزیع (نوترون در هر فیسیون)کسر151ر540127ر000063ر0000243ر0284ر210317ر000351ر0001363ر0300ر6115ر000310ر0091203ر0423ر2311ر000672ر0002605ر05496ر040ر100211ر0000819ر06179ر087ر300043ر0000166ر0جمع توزیع: 0165ر0جمع توزیع: 0165ر0جمع توزیع: 0165ر0جمع توزیع: 0165ر0جمع توزیع: 0165ر0جمع کسر تأخیری (): 0064ر0جمع کسر تأخیری (): 0064ر0جمع کسر تأخیری (): 0064ر0جمع کسر تأخیری (): 0064ر0جمع کسر تأخیری (): 0064ر0گروهنیمه عمر (ثانیه)کاهش ثابتتوزیع (نوترون در هر فیسیون)کسر132ر520132ر000054ر0000192ر0258ر210321ر000564ر0002028ر0300ر50139ر000997ر0002398ر0493ر1358ر001599ر0005742ر05490ر041ر100927ر0003330ر06172ر002ر400309ر0001110ر0جمع توزیع: 0412ر0جمع توزیع: 0412ر0جمع توزیع: 0412ر0جمع توزیع: 0412ر0جمع توزیع: 0412ر0جمع کسر تأخیری (): 0148ر0جمع کسر تأخیری (): 0148ر0جمع کسر تأخیری (): 0148ر0جمع کسر تأخیری (): 0148ر0جمع کسر تأخیری (): 0148ر0 گروهنیمه عمر (ثانیه)کاهش ثابتتوزیع (نوترون در هر فیسیون)کسر175ر350129ر000024ر0000076ر0229ر220311ر000176ر0000560ر0319ر5139ر000136ر0000432ر0409ر2331ر000207ر0000656ر05549ر026ر100065ر0000206ر06216ر021ر300022ر0000070ر0جمع توزیع: 0063ر0جمع توزیع: 0063ر0جمع توزیع: 0063ر0جمع توزیع: 0063ر0جمع توزیع: 0063ر0جمع کسر تأخیری (): 0020ر0جمع کسر تأخیری (): 0020ر0جمع کسر تأخیری (): 0020ر0جمع کسر تأخیری (): 0020ر0جمع کسر تأخیری (): 0020ر0 گروهانرژی (Kev)12502560340544505ــــ6ــــ