شکافت هستهای: کلیدی به سوی انرژیای عظیم
از اتم تا انرژی: شناخت بازیگران اصلی
برای درک شکافت، اول باید بدانیم اتم از چه ساخته شده است. هر اتم از یک هسته کوچک و متراکم و الکترونهایی که به دور آن میچرخند تشکیل شده است. هسته خود از ذراتی به نام پروتون7 (با بار مثبت) و نوترون (بدون بار) ساخته شده. به عدد پروتونها «عدد اتمی»8 میگویند که هویت یک عنصر را مشخص میکند. مجموع پروتونها و نوترونها «عدد جرمی»9 نام دارد.
برخی از هستههای سنگین (با تعداد زیاد پروتون و نوترون) ناپایدار هستند. یکی از راههای رسیدن به پایداری، تقسیم شدن به دو هسته سبکتر است. اما این تقسیم خودبهخود به ندرت رخ میدهد و معمولاً به یکی نیاز دارید محرک خارجی: یک نوترونِ آزاد که مانند یک گلوله کوچک به هسته برخورد میکند.
انرژی بستگی: راز قدرت نهفته در هسته
سؤال اصلی اینجاست: چرا از شکافت یک هسته کوچک، این همه انرژی آزاد میشود؟ پاسخ در مفهومی به نام انرژی بستگی نهفته است. انرژی بستگی، انرژیای است که برای نگه داشتن پروتونها و نوترونها در کنار هم در هسته صرف میشود. این انرژی مانند چسبی است که ذرات هسته را به هم متصل نگه میدارد.
نکته جالب این است که این انرژی بستگی به ازای هر ذره هسته (نوکلئون10) برای همه عناصر یکسان نیست. برای عناصر با عدد جرمی متوسط (مثل آهن)، انرژی بستگی به ازای هر نوکلئون بیشترین مقدار خود را دارد. این یعنی هستههای با اندازه متوسط، پایدارترین و محکمترین هستهها هستند.
| عنصر (نمونه) | عدد جرمی تقریبی | پایداری نسبی | توضیح |
|---|---|---|---|
| هلیوم11 | 4 | بالا | هستهای سبک و بسیار پایدار. |
| آهن12 | 56 | بیشینه | پایدارترین هسته. انرژی بستگی به ازای هر نوکلئون در اینجا به اوج میرسد. |
| اورانیوم-235 | 235 | پایین | هستهای سنگین و ناپایدار، کاندید اصلی برای شکافت. |
وقتی یک هسته سنگین مانند اورانیوم-۲۳۵ (با انرژی بستگی کمتر به ازای هر نوکلئون) به دو هسته با اندازه متوسط (با انرژی بستگی بیشتر به ازای هر نوکلئون) شکافته میشود، مقداری از جرم اولیه ناپدید شده و مطابق معروفترین معادله فیزیک، $E=mc^2$، به انرژی خالص تبدیل میشود. در این فرمول، $E$ انرژی، $m$ جرم از دست رفته و $c$ سرعت نور در خلأ است (عدد بسیار بزرگی به اندازه 299,792,458 متر بر ثانیه). به همین دلیل، حتی کاهش جرم بسیار ناچیز، انرژی عظیمی تولید میکند.
واکنش زنجیرهای: موتوری که خودش را روشن نگه میدارد
ویژگی حیاتی شکافت هستهای سنگین، تولید نوترونهای اضافی در حین فرآیند است. در یک شکافت معمولی اورانیوم-۲۳۵، به طور متوسط بین 2 تا 3 نوترون جدید آزاد میشود. این نوترونهای تازه متولد شده میتوانند به هستههای دیگر اورانیوم-۲۳۵ مجاور برخورد کنند و شکافتهای جدیدی را آغاز کنند. هر کدام از آن شکافتها نیز نوترونهای بیشتری آزاد میکنند و این چرخه ادامه مییابد. به این پدیده واکنش زنجیرهای میگویند.
کنترل این واکنش زنجیرهای است که تفاوت بین یک رآکتور هستهای (برای تولید برق) و یک بمب اتمی را ایجاد میکند. در رآکتور، از میلههای کنترل کننده (اغلب از جنس کادمیوم13 یا بور14) برای جذب بخشی از نوترونهای اضافی استفاده میشود تا سرعت واکنش در حد تعادل و قابل کنترل باقی بماند (واکنش زنجیرهای کنترلشده). در بمب اتمی، تمام تلاش بر این است که در کسری از ثانیه، تعداد بیشماری از هستهها شکافته شوند و واکنش زنجیرهای مهارنشدهای رخ دهد که منجر به انفجار عظیم میشود.
کاربردهای دوگانه: از نیروگاههای برق تا پزشکی هستهای
شکافت هستهای، گذشته از کاربرد نظامی، نقش بسیار مهمی در زندگی صلحآمیز بشر ایفا میکند. مهمترین کاربرد آن، تولید برق در نیروگاههای هستهای است. در این نیروگاهها، گرمای حاصل از واکنش زنجیرهای کنترلشده، برای جوشاندن آب و تولید بخار با فشار بالا استفاده میشود. این بخار توربینهای عظیمی را به چرخش درآورده و در نهایت ژنراتور، انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی (برق) تبدیل میکند.
| منبع انرژی | مقدار سوخت برای تولید برق یکسان | آلایندههای هوا (گازهای گلخانهای) | چالشها |
|---|---|---|---|
| زغال سنگ | ~3,000,000 kg | بسیار زیاد | تولید دیاکسیدکربن، ذرات معلق، باران اسیدی. |
| اورانیوم (در نیروگاه هستهای) | ~1 kg | صفر در حین کار | مدیریت پسماندهای پرتوزا، هزینه بالای ساخت و ایمنی. |
از دیگر کاربردهای مهم میتوان به استفاده از ایزوتوپهای15 پرتوزا حاصل از شکافت در زمینههای مختلف اشاره کرد:
- پزشکی: برای تشخیص و درمان بیماریهایی مانند سرطان (پرتودرمانی).
- صنعت: در سنجش ضخامت مواد، ردیابی جریانهای صنعتی و استریل کردن تجهیزات پزشکی.
- تحقیقات علمی: به عنوان منبع نوترون در مطالعات ماده.
- نیروی محرکه: در برخی زیردریاییها و فضاپیماهایی که نیاز به منبع انرژی فشرده و طولانیمدت دارند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
خیر. این یک اشتباه رایج است. منبع انرژی خورشید و ستارگان، همجوشی هستهای16 است که در آن هستههای سبک (مانند هیدروژن) تحت فشار و دمای بسیار بالا به هم جوش میخورند و هستهای سنگینتر (هلیوم) میسازند. شکافت، برعکس، شکستن یک هسته سنگین است.
محصولات شکافت، اغلب ایزوتوپهای پرتوزایی هستند که برای دهها، صدها یا حتی هزاران سال تابشهای مضر (پرتوهای آلفا، بتا، گاما) ساطع میکنند. مدیریت این پسماندها یک چالش بزرگ است. روشهای فعلی شامل سرد کردن اولیه در استخرهای آب، سپس نگهداری در محفظههای خشک و در نهایت دفن عمیق زمینی در سازههای مهندسیشده بسیار پایدار در عمق صدها متری زمین است تا از محیط زیست جدا بمانند.
خیر. تنها برخی از ایزوتوپهای سنگین با ساختار خاصی قابلیت شکافت با نوترونهای حرارتی (کند) را دارند که به آنها مواد شکافتپذیر17 میگویند. معروفترین آنها اورانیوم-۲۳۵ و پلوتونیوم-۲۳۹ هستند. اورانیوم طبیعی عمدتاً از ایزوتوپ اورانیوم-۲۳۸ تشکیل شده که شکافتپذیر نیست، به همین دلیل برای استفاده در بیشتر رآکتورها باید غنیسازی شود تا درصد اورانیوم-۲۳۵ آن افزایش یابد.
پاورقی
1 شکافت هستهای (Nuclear Fission)
2 اورانیوم (Uranium)
3 پلوتونیوم (Plutonium)
4 نوترون (Neutron)
5 انرژی بستگی (Binding Energy)
6 واکنش زنجیرهای (Chain Reaction)
7 پروتون (Proton)
8 عدد اتمی (Atomic Number)
9 عدد جرمی (Mass Number)
10 نوکلئون (Nucleon: شامل پروتون و نوترون)
11 هلیوم (Helium)
12 آهن (Iron)
13 کادمیوم (Cadmium)
14 بور (Boron)
15 ایزوتوپ (Isotope): اتمهای یک عنصر با تعداد نوترونهای متفاوت.
16 همجوشی هستهای (Nuclear Fusion)
17 مواد شکافتپذیر (Fissile Materials)
