می دانیم که هسته از پروتون (با بار مثبت) و نوترون (بدون بار الکتریکی) تشکیل شده است. بنابراین بار الکتریکی آن مثبت است. اگر بتوانیم هسته را به طریقی به دو تکه تقسیم کنیم، تکه ها در اثر نیروی دافعه الکتریکی خیلی سریع از هم فاصله گرفته و انرژی جنبشی فوق العاده ای پیدا می کنند. در کنار این تکه ها ذرات دیگری مثل نوترون و اشعه های گاما و بتا نیز تولید می شود. انرژی جنبشی تکه ها و انرژی ذرات و پرتوهای بوجود آمده، در اثر برهمکنش ذرات با مواد اطراف، سرانجام به انرژی گرمایی تبدیل می شود. مثلا در واکنش هسته ای که در طی آن 235U به دو تکه تبدیل می شود، انرژی کلی معادل با 200MeV را آزاد می کند. این مقدار انرژی می تواند حدود 20 میلیارد کیلوگالری گرما را در ازای هر کیلوگرم سوخت تولید کند. این مقدار گرما 2800000 بار برگتر از حدود 7000 کیلوگالری گرمایی است که از سوختن هر کیلوگرم زغال سنگ حاصل می شود.
علم انرژی هسته ای، شکل گرفته از مطالعات در علوم شیمی و فیزیک در سده های اخیر می باشد. در 1879 با انجام یونیزاسیون یک گاز از طریق تخلیه الکتریکی به وسیله کراکس شروع شده و در 1897 توسط تامسون الکترون به عنوان ذره باردار مسئول الکتریسیته معرفی شد.
"رونتگن" در 1895 پرتو ایکس نافذ حاصل از یک لوله تخلیه را کشف کرد و "بکرل" در 1896 پرتوهایی مشابه (که امروزه لاندا می نامیم) را یا منشا کاملا متفاوت کشف کرد که منجر به کشف اورانیوم و پدیده ی پرتوزایی شد.
در 1905 "انیشتن" نتیجه گیری کرد که جرم هر جسمی با سرعت آن افزایش پیدا می کند و فرمول مشهور خود E=mc2 را که بیانگر هم ارزی جرم و انرژی است بیان نمود(کوری ها در 1898 عنصرپرتوزای رادیوم را جداسازی نمودند) در زمان انیشتین بررسی تجربی مقدور نبود و انیشتین نتوانست مفاهیم معادله خود را پیش بینی کند.
در اوایل قرن بیستم یک سری آزمایش با ذرات مختلف حاصل از مواد پرتوزا به فهم نسبتا شفاف ساختار اتم و هسته منجر شد. از کار "رادرفورد" و "بور" نتیجه گیری شد که اتم خنثی از نظر الکتریکی از بار منفی به شکل الکترون های احاطه کننده یک هسته مرکزی مثبت که قسمت اعظم ماده اتم را شامل می شود، تشکیل شده است. اگرچه هسته از ذرات مقید به یکدیگر از طریق نیروهای قوی هسته ای تشکیل شده است، تبدیلات هسته ای می توانند القا شوند یعنی بمباران نیتروژن با هلیم منجر به تولید اکسیژن وهیدروژن می شود.
در 1930 "بوته" و" بکر" بریلیم را با ذرات آلفای حاصل از پولونیم بمباران کردند و آنچه را که فکر کردند پرتوهای گاماست کشف کردند اما "چادویک" در 1932 نشان داد که باید نوترون ها باشند. در حال حاضر واکنش های مشابهی در راکتورهای هسته ای به عنوان چشمه نوترون به کار می رود. پرتوزایی مصنوعی اولین بار توسط "کوری" و" ژولیو" گزارش شد ذرات تزریق شده به داخل هسته های بور، منیزیوم و آلومینیوم ایزوتوپ های پرتوزای جدید عناصر متعددی را به وجود آورد. توسعه ماشین ها برای شتاب دادن ذرات باردار تا سرعت های بالا فرصت های جدیدی را برای مطالعه واکنش های هسته ای فراهم ساخت. سیکلوترون، طراحی و ساخته شده در 1932 به وسیله "لارنس" اولین سری از دستگاه های با توانمندی بالا بود.
کشف شکافت
طی سال های1930" ا نریکوفرمی" و همکاران وی در ایتالیا، تعدادی آزمایش با نوترون تازه کشف شده انجام دادند آن ها استدلال کردند که نبود بار نوترون آن را در نفوذ به هسته موثر می سازد. از جمله کشفیات فرمی، تمایل زیاد بسیاری از عناصر به کند کردن نوترون و تنوع رادیوایزوتوپ هایی بود که می توانست از گیراندازی نوترون تولید شود.
"برایت" و "وینکر" توضیح نظری فرآیندهای نوترون کند را در سال 1936 ارائه نمودند. فرمی اندازه گیری های توزیع هر دو نوترون سریع و کند را انجام داد و رفتار آن ها را از لحاظ پراکندگی کشسان، اثرات پیوند شیمیایی و حرکت گرمایی در مولکول های هدف توضیح داد.
تا این فاصله زمانی هنوز فرآیند شکافت شناسایی نگردید. تا اینکه در سال 1939 تا 1940 توسط فعالیت هان، اشتر اسمن و سپس فریش و... در انتها فرمی پدیده شکافت کشف شد.
کشف شکافت همراه با امکان انجام یک واکنش زنجیره ای با شدت انفجاری در برهه ای از زمان از اهمیت خاصی برخوردار بود زیرا جنگ جهانی دوم در 1939 شروع شده بود.
اولین واکنش زنجیره ای خود تقویت شونده
در سال 1939 "بور" به آمریکا آمد و در کشفیات "انیشتن" و "هان" شریک شد. وی همچنین "فرمی" را در کنفرانسی در واشنگتن ملاقات کرد. آنها برای اولین با وجود واکنش ذنجیره ای خود تقویت شونده را مطرح کردند. در این فرآیند اتم¬ها را برای تولید مقدار زیادی انرژی شکافت می¬دهند. دیگر دانشمندان در سرار دنیا در حال باور این مسئله بودند که می توان از شکافت هسته برای تولید انرژی استفاده کرد. این زمانی ممکن بود که مقدار زیادی اورانیم بتوانند با یکدیگر تحت شرایط مناسب ترکیب شوند و واکنش ذنجیره ای خود تقویت شونده ای را بوجود آورند که جرم بحرانی نامیده می شود.
فرمی و همکارش در سال 1941 طرح اولین طرح راکتور زنجیره ای اورانیم را ارائه دادند. مدل آن ها شامل مقداری اورانیم بود که در محفظه ای از گرافیت جمع شده بود تا مدلی از مواد شکافت پذیر را بسازد. در اوایل سال 1942 دانشمندان به دعوت فرمی در شیکاگو برای ارئه نظریات خود گرد آمدند و در همان سال آمادگی ساخت اولین راکتور هسته ای را پیدا کردند و در استادیوم شهر شیکاگو طرح خود را که علاوه بر گرافیت و اورانیم دارای کادمیوم( عنصری که نوترون ها را می شکافد) به نمایش گذاشتند.
پیشرفت انرژی هسته ای برای مقاصد صلح آمیز
اولین راکتور هسته ای تنها یک شروع بود. اولین تحقیقات در این رشته که تحت پروژه سری به نام "منهتن" صورت گرفت، برای ساخت بمب اتمی برای جنگ جهانی دوم بود. هرچند دانشمندانی هم بودند که روی راکتورهای شکافنده مواد دارای قابلیت شکافت در واکنش زنجیره ای کار می کردند، و این به تولید مواد شکافت پذیر بیشتری منجر شد. بعد از ایالات متحده سرمایه گذاری بیشتری را در جهت پیشبرد این علم برای منافع غیر نظامی انجام داد و در اوایل سال 1951 راکتور زاینده ای ساخت که می توانست الکتریسیته تولید کند.
بزرگترین پیشرفت در دهه 50 توانایی تولید تجاری برق بود که توسط راکتور آب سبک بود که در آن از آب معمولی برای خنک شدن هسته راکتور استفاده می شد. این موفقیت باعث شد که برنامه های هسته ای برای مقاصد تکنولوژیکی دیگر برنامه ریزی شود.
در پایان سال 1991 حدود 31 کشور توانایی تولید تجاری انرژی از راکتورهای هسته ای را یافتند که این نشانه پیشرفت جهانی در عرصه فناوری هسته ای بود.
در عرصه مدیریت پسماند، مهندسین در پی گسترش راهکارهای دفن و بازیافت می باشند و برنامه آنان اینست که هرچه می توانند اثرات محیطی و انسانی این فناوری را کاهش دهند.
تحقیقات در زمینه های دیگر در دهه 90 نیز ادامه یافت و درک شد که انرژی هسته ای علاوه بر تولید انرژی نقش مهمی را زمینه های دیگر همچون پزشکی، کشاورزی، صنعت و علم بازی می¬کند برای مثال پزشکان از رادیوایزوتوپ ها برای درک دلایل بروز بیماریها استفاده کرده و از انرژی هسته ای برای بالابردن تاثیرات طب سنتی استفاده کردند. همچنین باستان شناسان انرژی هسته ای را برای تعیین زمان دقیق یافته های خود بکار بردند، علاوه بر آن پرتو افکنی به غذاها ماندگاری آنها را افزایش داده و تاثیرات فریز کردن را روی از بین رفتن ویتامین مواد غذایی کم می کند.
ساختار نیروگاه اتمی
طی سال های گذشته اغلب کشورها به استفاده از این نوع انرژی هسته ای تمایل داشتند و حتی دولت ایران 15 نیروگاه اتمی به کشورهای آمریکا، فرانسه و آلمان سفارش داده بود. ولی خوشبختانه بعد از وقوع دو حادثه مهم تری میل آیلند (Three Mile Island) در 28 مارس 1979 و فاجعه چرنوبیل (Tchernobyl) در روسیه در 26 آوریل 1986، نظر افکار عمومی نسبت به کاربرد اتم برای تولید انرژی تغییر کرد و ترس و وحشت از جنگ اتمی و به خصوص امکان تهیه بمب اتمی در جهان سوم، کشورهای غربی را موقتاً مجبور به تجدیدنظر در برنامه های اتمی خود کرد.
نیروگاه اتمی در واقع یک بمب اتمی است که به کمک میله های مهارکننده و خروج دمای درونی به وسیله مواد خنک کننده مثل آب و گاز، تحت کنترل درآمده است. اگر روزی این میله ها و یا پمپ های انتقال دهنده مواد خنک کننده وظیفه خود را درست انجام ندهند، سوانح متعددی به وجود می آید و حتی ممکن است نیروگاه نیز منفجر شود، مانند فاجعه نیروگاه چرنوبیل شوروی. یک نیروگاه اتمی متشکل از مواد مختلفی است که همه آنها نقش اساسی و مهم در تعادل و ادامه حیات آن را دارند. این مواد عبارت اند از:
1. ماده سوخت متشکل از اورانیوم طبیعی، اورانیوم غنی شده، اورانیوم و پلوتونیم است.
عمل سوختن اورانیوم در داخل نیروگاه اتمی متفاوت از سوختن زغال یا هر نوع سوخت فسیلی دیگر است. در این پدیده با ورود یک نوترون کم انرژی به داخل هسته ایزوتوپ اورانیوم 235 عمل شکست انجام می گیرد و انرژی فراوانی تولید می کند. بعد از ورود نوترون به درون هسته اتم، ناپایداری در هسته به وجود آمده و بعد از لحظه بسیار کوتاهی هسته اتم شکسته شده و تبدیل به دوتکه شکست و تعدادی نوترون می شود. تعداد متوسط نوترون ها به ازای هر 100 اتم شکسته شده 247 عدد است و این نوترون ها اتم های دیگر را می شکنند و اگر کنترلی در مهار کردن تعداد آنها نباشد واکنش شکست در داخل توده اورانیوم به صورت زنجیره ای انجام می شود که در زمانی بسیار کوتاه منجر به انفجار شدیدی خواهد شد.
در واقع ورود نوترون به درون هسته اتم اورانیوم و شکسته شدن آن توام با انتشار انرژی معادل با 200 میلیون الکترون ولت است این مقدار انرژی در سطح اتمی بسیار ناچیز ولی در مورد یک گرم از اورانیوم در حدود صدها هزار مگاوات است. که اگر به صورت زنجیره ای انجام شود، در کمتر از هزارم ثانیه مشابه بمب اتمی عمل خواهد کرد.
اما اگر تعداد شکست ها را در توده اورانیوم و طی زمان محدود کرده به نحوی که به ازای هر شکست، اتم بعدی شکست حاصل کند شرایط یک نیروگاه اتمی به وجود می آید. به عنوان مثال نیروگاهی که دارای 10 تن اورانیوم طبیعی است قدرتی معادل با 100 مگاوات خواهد داشت و به طور متوسط 105 گرم اورانیوم 235 در روز در این نیروگاه شکسته می شود و همان طور که قبلاً گفته شد در اثر جذب نوترون به وسیله ایزوتوپ اورانیوم 238 اورانیوم 239 به وجود می آمد که بعد از دو بار انتشار پرتوهای بتا (یا الکترون) به پلوتونیم 239 تبدیل می شود که خود مانند اورانیوم 235 شکست پذیر است. در این عمل 70 گرم پلوتونیم حاصل می شود. ولی اگر نیروگاه سورژنراتور باشد و تعداد نوترون های موجود در نیروگاه زیاد باشند مقدار جذب به مراتب بیشتر از این خواهد بودو مقدار پلوتونیم های به وجود آمده از مقدار آنهایی که شکسته می شوند بیشتر خواهند بود. در چنین حالتی بعد از پیاده کردن میله های سوخت می توان پلوتونیم به وجود آمده را از اورانیوم و فرآورده های شکست را به کمک واکنش های شیمیایی بسیار ساده جدا و به منظور تهیه بمب اتمی ذخیره کرد.
2. نرم کننده ها موادی هستند که برخورد نوترون های حاصل از شکست با آنها الزامی است و برای کم کردن انرژی این نوترون ها به کار می روند. زیرا احتمال واکنش شکست پی در پی به ازای نوترون های کم انرژی بیشتر می شود. آب سنگین (D2O) یا زغال سنگ (گرافیت) به عنوان نرم کننده نوترون به کار برده می شوند.
3. میله های مهارکننده: این میله ها از مواد جاذب نوترون درست شده اند و وجود آنها در داخل رآکتور اتمی الزامی است و مانع افزایش ناگهانی تعداد نوترون ها در قلب رآکتور می شوند. اگر این میله ها کار اصلی خود را انجام ندهند، در زمانی کمتر از چند هزارم ثانیه قدرت رآکتور چند برابر شده و حالت انفجاری یا دیورژانس رآکتور پیش می آید. این میله ها می توانند از جنس عنصر کادمیم و یا بور باشند.
4. مواد خنک کننده یا انتقال دهنده انرژی حرارتی: این مواد انرژی حاصل از شکست اورانیوم را به خارج از رآکتور انتقال داده و توربین های مولد برق را به حرکت در می آورند و پس از خنک شدن مجدداً به داخل رآکتور برمی گردند. البته مواد در مدار بسته و محدودی عمل می کنند و با خارج از محیط رآکتور تماسی ندارند. این مواد می توانند گاز CO2، آب، آب سنگین، هلیم گازی و یا سدیم مذاب باشند.
غنی سازی اورانیم
سنگ معدن اورانیوم موجود در طبیعت از دو ایزوتوپ 235 به مقدار 7/0 درصد و اورانیوم 238 به مقدار 3/99 درصد تشکیل شده است. سنگ معدن را ابتدا در اسید حل کرده و بعد از تخلیص فلز، اورانیوم را به صورت ترکیب با اتم فلئور (F) و به صورت مولکول اورانیوم هکزا فلوراید UF6 تبدیل می کنند که به حالت گازی است. سرعت متوسط مولکول های گازی با جرم مولکولی گاز نسبت عکس دارد این پدیده را گراهان در سال 1864 کشف کرد. از این پدیده که به نام دیفوزیون گازی مشهور است برای غنی سازی اورانیوم استفاده می کنند.در عمل اورانیوم هکزا فلوراید طبیعی گازی شکل را از ستون هایی که جدار آنها از اجسام متخلخل (خلل و فرج دار) درست شده است عبور می دهند. منافذ موجود در جسم متخلخل باید قدری بیشتر از شعاع اتمی یعنی در حدود 5/2 انگشترم (000000025/0 سانتیمتر) باشد. ضریب جداسازی متناسب با اختلاف جرم مولکول ها است.روش غنی سازی اورانیوم تقریباً مطابق همین اصولی است که در اینجا گفته شد. با وجود این می توان به خوبی حدس زد که پرخرج ترین مرحله تهیه سوخت اتمی همین مرحله غنی سازی ایزوتوپ ها است زیرا از هر هزاران کیلو سنگ معدن اورانیوم 140 کیلوگرم اورانیوم طبیعی به دست می آید که فقط یک کیلوگرم اورانیوم 235 خالص در آن وجود دارد. برای تهیه و تغلیظ اورانیوم تا حد 5 درصد حداقل 2000 برج از اجسام خلل و فرج دار با ابعاد نسبتاً بزرگ و پی درپی لازم است تا نسبت ایزوتوپ ها تا از برخی به برج دیگر به مقدار 01/0 درصد تغییر پیدا کند. در نهایت موقعی که نسبت اورانیوم 235 به اورانیوم 238 به 5 درصد رسید باید برای تخلیص کامل از سانتریفوژهای بسیار قوی استفاده نمود. برای ساختن نیروگاه اتمی، اورانیوم طبیعی و یا اورانیوم غنی شده بین 1 تا 5 درصد کافی است. ولی برای تهیه بمب اتمی حداقل 5 تا 6 کیلوگرم اورانیوم 235 صددرصد خالص نیاز است. عملا در صنایع نظامی از این روش استفاده نمی شود و بمب های اتمی را از پلوتونیوم 239 که سنتز و تخلیص شیمیایی آن بسیار ساده تر است تهیه می کنند. عنصر اخیر را در نیروگاه های بسیار قوی می سازند که تعداد نوترون های موجود در آنها از صدها هزار میلیارد نوترون در ثانیه در سانتیمتر مربع تجاوز می کند. عملاً کلیه بمب های اتمی موجود در زراد خانه های جهان از این عنصر درست می شود.روش ساخت این عنصر در داخل نیروگاه های اتمی به صورت زیر است: ایزوتوپ های اورانیوم 238 شکست پذیر نیستند ولی جاذب نوترون کم انرژی (نوترون حرارتی هستند. تعدادی از نوترون های حاصل از شکست اورانیوم 235 را جذب می کنند و تبدیل به اورانیوم 239 می شوند. این ایزوتوپ از اورانیوم بسیار ناپایدار است و در کمتر از ده ساعت تمام اتم های به وجود آمده تخریب می شوند. در درون هسته پایدار اورانیوم 239 یکی از نوترون ها خودبه خود به پروتون و یک الکترون تبدیل می شود.بنابراین تعداد پروتون ها یکی اضافه شده و عنصر جدید را که 93 پروتون دارد نپتونیم می نامند که این عنصر نیز ناپایدار است و یکی از نوترون های آن خود به خود به پروتون تبدیل می شود و در نتیجه به تعداد پروتون ها یکی اضافه شده و عنصر جدید که 94 پروتون دارد را پلوتونیم می نامند. این تجربه طی چندین روز انجام می گیرد.
