کشف و گسترش انرژی هسته ای
مقدمه تاریخی
داستان کشف و گسترش انرژی هسته ای ، 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 واکنش خود 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 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 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 آمریکا 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 آمریکا 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. 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 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.