درسنامه آموزشی فیزیک (3) دوازدهم علوم ریاضی

در سال 1939 میلادی گروهی از دانشمندان آلمانی، کشف کردند که هستهٔ اورانیم 235 $(_{92}^{235}U)$ پس از جذب نوترون، به دو تکه تقسیم می‌شود و هر تکه، جرم کمتری از هستهٔ اولیه دارد. فرایند تقسیم شدن یک هستهٔ سنگین به دو هسته با جرم کمتر، شکافت هسته‌ای نامیده می‌شود. در فرایند شکافت اورانیم، ترکیب‌هاى متفاوتی از هسته‌هاى کوچک‌تر همراه با تعدادی نوترون (بین 2 تا 5) به وجود مى‌آید. شکل 6-10، یکی از این واکنش‌های ممکن شکافت را نشان می‌دهد که در آن هستهٔ اورانیم $_{92}^{235}U$ پس از جذب نوترون و تبدیل به ایزوتوپ ناپایدار $_{92}^{236}{{U}^{*}}$، به هسته‌های باریم $_{56}^{141}Ba$ و کریپتون $_{36}^{92}Kr$ تقسیم شده است. واکنش وقتی شروع می‌شود که نوترونی کُند (با انرژی جنبشی در حدود $0/04eV$) توسط هستهٔ $_{92}^{235}U$ جذب و هستهٔ مرکّب $_{92}^{236}{{U}^{*}}$ ایجاد شود. این هستهٔ مرکّب در کمتر از ${{10}^{-12}}s$ و مطابق واکنش زیر واپاشیده می‌شود:

وقتی نوترونی با هستهٔ اورانیم 235 برخورد کند و جذب شود، هستهٔ اورانیم شروع به ارتعاش می‌کند و تغییر شکل می‌دهد. ارتعاش تا وقتی ادامه می‌یابد که تغییر شکل چنان جدی شود که نیروی جاذبهٔ هسته‌ای دیگر نتواند با نیروی دافعهٔ الکتروستاتیکی بین پروتون‌های هسته متوازن شود. در این هنگام، هسته به پاره‌هایی وامی پاشد که حامل انرژی (به طور عمده انرژی جنبشی) هستند.
واکنش زنجیری: همان طور که دیدیم فرایند شکافت $_{92}^{235}U$ با جذب یک نوترون کُند آغاز مى‌شود. اگر محصولات شکافت، باریم $_{56}^{141}Ba$ و کریپتون $_{36}^{92}Kr$ باشند، در این فرایند 3 نوترون به وجود مى‌آید. چون نوترون‌ها بار الکتریکى ندارند، هسته‌های دیگر آنها را دفع نمى‌کنند. نوترون‌ها پس از کُند شدن، توسط هسته‌های دیگر جذب می شوند و باعث شکافت در 3 هستهٔ اورانیم دیگر می‌شوند و 9 نوترون آزاد مى‌کنند. اگر هر یک از این نوترون‌ها نیز موفق به شکافت یک هستهٔ اورانیم شود، 27 نوترون آزاد مى‌شود و به همین ترتیب تا آخر. این رشته واکنش را، واکنش زنجیری می‌نامند (شکل 6-11).

در واکنش‌های شکافت هسته‌ای، جرم محصولات شکافت، کمتر از جرم هستهٔ مرکّب است. این اختلاف جرم بنا به رابطهٔ $E=m{{c}^{2}}$، سبب آزاد شدن انرژی گرمایی زیادی می‌شود. انرژی‌ای که توسط محصولات شکافت حمل می‌شود عمدتاً به شکل انرژی جنبشی است. در هر واکنش شکافت حدود $200MeV$ انرژی آزاد می‌شود. این انرژی، ${{10}^{8}}$ برابر انرژی آزادشده به ازای هر مولکول در یک واکنش شیمیایی معمولی، نظیر سوختن بنزین یا زغال سنگ است. حتی در انفجار تری نیترو تولوئن $(TNT)$، انرژی آزادشده به ازای هر مولکول، در حدود $30eV$ است.
شکل 6-12 الف، تصویری از ورودی مجتمع معدنی اورانیم ساغند (واقع در حوالی شهر اردکان یزد) را نشان می‌دهد. ممکن است این پرسش مطرح شود که چرا واکنش زنجیرى به طور طبیعی در این معدن و دیگر معدن‌هاى اورانیم رخ نمى‌دهد؟ پاسخ این است که در سنگ معدن اورانیم، دو ایزوتوپ 235 و 238 وجود دارد، به طوری که فراوانی ایزوتوپ 235 حدود $0/72$ درصد است. به عبارت دیگر از هر 140 اتم اورانیم موجود در سنگ معدن اورانیم، تنها یکی از آنها ایزوتوپ 235 و مابقی ایزوتوپ 238 است (شکل 6-12). اگرچه $_{92}^{238}U$ فراوان‌ترین ایزوتوپ اورانیم است، احتمال اینکه نوترونی را گیر بیندازد و شکافته شود، بسیار کم است و در نتیجه واکنش زنجیری را ناممکن می‌سازد.

غنی سازی اورانیم: همان طور که اشاره کردیم، واکنش زنجیری در سنگ معدن اورانیم رخ نمی‌دهد. برای استفاده از اورانیم به عنوان سوخت در نیروگاه‌های هسته‌ای یا استفاده در انفجارهای هسته‌ای، باید فراوانی ایزوتوپ 235 را در یک نمونهٔ اورانیم، افزایش دهیم. به فرایند افزایش درصد یا غلظت ایزوتوپ 235 در یک نمونه، غنی سازی گفته می‌شود. بیشتر راکتور‌های تجاری تولید برق، مانند راکتور نیروگاه هسته‌ای بوشهر، از اورانیمی استفاده می‌کنند که در آنها ایزوتوپ $_{92}^{235}U$ تا 3 درصد غنی سازی شده است. همچنین در بیشتر راکتور‌های پژوهشی، مانند راکتور پژوهشی دانشگاه تهران، از سوختی استفاده می‌شود که ایزوتوپ $_{92}^{235}U$ تا 20 درصد غنی سازی شده است.

راکتورهای شکافت هسته‌ای: نوترون‌های آزاد شده در فرایند شکافت ایزوتوپ $_{92}^{235}U$، انرژی جنبشی زیادی دارند (به طور متوسط حدود $2MeV$) و به نوترون‌های تُند معروف‌اند. این نوترون‌ها، با احتمال بسیار بیشتری جذب ایزوتوپ $_{92}^{238}U$ می‌شوند. تجربه نشان می‌دهد اگر بتوان نوترون‌های تند را به نحوی کُند ساخت که انرژی جنبشی آنها به حدود $0/04eV$ یا کمتر از آن برسد، احتمال جذب آنها توسط ایزوتوپ‌های $_{92}^{235}U$ افزایش می‌یابد. این افزایش احتمال می‌تواند برای ایجاد واکنش شکافت، کافی باشد. آب معمولی $({{H}_{2}}O)$، آب سنگین $({{D}_{2}}O)$ و گرافیت (اتم‌های کربن) از جمله موادی هستند که به عنوان کُندساز نوترون‌ها در واکنش‌های شکافت هسته‌ای استفاده می‌شوند. راکتور هسته‌ای، جایی است که در آن واکنش زنجیری شکافت به شکل کنترل شده رخ می‌دهد. اولین راکتور هسته‌ای به منظور شکافت $_{92}^{235}U$، در سال 1942 میلادی توسط انریکو فرمی و همکارانش در دانشگاه شیکاگو ساخته شد. امروزه راکتورهایی با انواع و اندازه‌های مختلف ساخته شده‌اند که بیشتر به منظور تولید انرژی الکتریکی در نیروگاه‌های هسته‌ای به کار می‌روند (شکل 6-13 الف). راکتورهاى هسته‌اى افزون بر سوخت هسته‌اى و ماده کندُساز (که پیش از این شرح داده شد) دارای، میله‌هاى کنترل و شاره‌اى (معمولا آب) هستند که گرما را به خارج راکتور انتقال می‌دهد (شکل 6-13 ب).

سوخت هسته‌ای (معمولا با حدود 3 درصد ایزوتوپ $_{92}^{235}U$) به صورت میله‌هایی با قطر حدود $1cm$ است و هزاران عدد از این میله‌ها در قلب راکتور قرار دارد.
با وارد کردن میله‌هاى کنترل به داخل راکتور، آهنگ واکنش شکافت، یعنى تعداد نوترون‌هاى موجود براى به وجود آوردن شکافت، تنظیم مى‌شود. میله‌هاى کنترل معمولاً از مواد جذب کنندهٔ نوترون، مانند کادمیم یا بور، ساخته مى‌شوند. در نوعی از راکتورها، که به راکتورهای آب تحت فشار $(PWR)$ معروف‌اند، آبى که سوخت هسته‌اى را احاطه کرده است، تحت فشار زیاد (حدود 150 اتمسفر) قرار دارد تا بدون آنکه بجوشد به دماهاى بالا برسد. این آب داغ، به سامانهٔ بستهٔ دیگری که محتوی آب با فشار کمتر است، پمپ مى‌شود تا این آب را گرم کند. گرمای انتقال یافته به سامانهٔ دوم، سبب تولید بخار می‌شود که توربین و مولد الکتریسیته را به کار مى‌اندازد.