تحقیق چرخه سوخت هسته ای
مقدمه
سنگ معدن اورانیوم موجود در طبیعت از دو ایزوتوپ 235U به مقدار 0.7 درصد و 238U به مقدار 3.99 درصد تشکیل شده است. سنگ معدن را ابتدا در اسید حل کرده و بعد از تخلیص فلز ، اورانیوم را بصورت ترکیب با اتم فلوئور (9F ) و بصورت مولکول اورانیوم هگزا فلوراید تبدیل می‌کنند که به حالت گازی است. سرعت متوسط مولکولهای گازی با جرم مولکولی گاز نسبت عکس دارد.
غنی سازی اورانیوم با دیفوزیون گازی
گراهان در سال 1864 پدیده‌ای را کشف کرد که در آن سرعت متوسط مولکولهای گاز با معکوس جرم مولکولی گاز متناسب بود. از این پدیده که به نام دیفوزیون گازی مشهور است برای غنی سازی اورانیوم استفاده می‌کنند. در عمل اورانیوم هگزا فلوراید طبیعی گازی شکل را از ستونهایی که جدار آنها از اجسام متخلخل (خلل و فرج دار) درست شده است عبور می‌دهند. سوراخهای موجود در جسم متخلخل باید قدری بیشتر از شعاع اتمی یعنی در حدود 2.5 آنگسترم (7-25×10 سانتیمتر) باشد
ضریب جداسازی متناسب با اختلاف جرم مولکولها است. روش غنی سازی اورانیوم تقریبا مطابق همین اصولی است که در اینجا گفته شد. با وجود این می‌توان به خوبی حدس زد که پرخرج ترین مرحله تهیه سوخت اتمی همین مرحله غنی سازی ایزوتوپها است، زیرا از هر هزاران کیلو سنگ معدن اورانیوم 140 کیلوگرم اورانیوم طبیعی بدست می‌آید که فقط یک کیلوگرم 235U خالص در آن وجود دارد.
غنی سازی اورانیم از طریق میدان مغناطیسی
یکی از روشهای غنی سازی اورانیوم استفاده از میدان مغناطیسی بسیار قوی می‌باشد. در این روش ابتدا اورانیوم هگزا فلوئورید را حرارت می‌دهند تا تبخیر شود. از طریق تبخیر ، اتمهای اورانیوم و فلوئورید از هم تفکیک می‌شوند. در این حالت ، اتمهای اورانیوم را به میدان مغناطیسی بسیار قوی هدایت می‌کنند. میدان مغناطیسی بر هسته‌های باردار اورانیم نیرو وارد می کند ( این نیرو به نیروی لورنتس معروف می باشد) و اتمهای اورانیوم را از مسیر مستقیم خود منحرف می‌کند. اما هسته‌های سنگین اورانیم (238U ) نسبت به هسته‌های سبکتر (235U ) انحراف کمتری دارند و درنتیجه از این طریق می‌توان 235U را از اورانیوم طبیعی تفکیک کرد.
چگونه يك بمب هسته اي بسازيم ؟
بمب هاي اتمي شامل نيروهاي قوي و ضعيفي اند كه اين نيروها هسته يك اتم را به ويژه اتم هايي كه هسته هاي ناپايداري دارند، در جاي خود نگه مي دارند. اساسا دو شيوه بنيادي براي آزادسازي انرژي از يك اتم وجود دارد:
1- شكافت هسته اي: مي توان هسته يك اتم را با يك نوترون به دو جزء كوچك تر تقسيم كرد. اين همان شيوه اي است كه در مورد ايزوتوپ هاي اورانيوم (يعني اورانيوم 235 و اورانيوم 233) به كار مي رود.
– همجوشي هسته اي: مي توان با استفاده از دو اتم كوچك تر كه معمولا هيدروژن يا ايزوتوپ هاي هيدروژن (مانند دوتريوم و تريتيوم) هستند، يك اتم بزرگ تر مثل هليوم يا ايزوتوپ هاي آن را تشكيل داد. اين همان شيوه اي است كه در خورشيد براي توليد انرژي به كار مي رود. در هر دو شيوه ياد شده ميزان عظيمي انرژي گرمايي و تشعشع به دست مي آيد.
براي توليد يك بمب اتمي موارد زير نياز است:
– يك منبع سوخت كه قابليت شكافت يا همجوشي را داشته باشد.
– دستگاهي كه همچون ماشه آغازگر حوادث باشد.
– راهي كه به كمك آن بتوان بيشتر سوخت را پيش از آنكه انفجار رخ دهد دچار شكافت يا همجوشي كرد.
در اولين بمب هاي اتمي از روش شكافت استفاده مي شد. اما امروزه بمب هاي همجوشي از فرآيند همجوشي به عنوان ماشه آغازگر استفاده مي كنند.
بمب هاي شكافتي (فيزيوني): يك بمب شكافتي از ماده اي مانند اورانيوم 235 براي خلق يك انفجار هسته اي استفاده مي كند. اورانيوم 235 ويژگي منحصر به فردي دارد كه آن را براي توليد هم انرژي هسته اي و هم بمب هسته اي مناسب مي كند. اورانيوم 235 يكي از نادر موادي است كه مي تواند زير شكافت القايي قرار بگيرد.اگر يك نوترون آزاد به هسته اورانيوم 235 برود،هسته بي درنگ نوترون را جذب كرده و بي ثبات شده در يك چشم به هم زدن شكسته مي شود. اين باعث پديد آمدن دو اتم سبك تر و آزادسازي دو يا سه عدد نوترون مي شود كه تعداد اين نوترون ها بستگي به چگونگي شكسته شدن هسته اتم اوليه اورانيوم 235 دارد. دو اتم جديد به محض اينكه در وضعيت جديد تثبيت شدند از خود پرتو گاما ساطع مي كنند. درباره اين نحوه شكافت القايي سه نكته وجود دارد كه موضوع را جالب مي كند.
– احتمال اينكه اتم اورانيوم 235 نوتروني را كه به سمتش است، جذب كند، بسيار بالا است. در بمبي كه به خوبي كار مي كند، بيش از يك نوترون از هر فرآيند فيزيون به دست مي آيد كه خود اين نوترون ها سبب وقوع فرآيندهاي شكافت بعدي اند. اين وضعيت اصطلاحا «وراي آستانه بحران» ناميده مي شود.
2 – فرآيند جذب نوترون و شكسته شدن متعاقب آن بسيار سريع و در حد پيكو ثانيه (12-10 ثانيه) رخ مي دهد.
3 – حجم عظيم و خارق العاده اي از انرژي به صورت گرما و پرتو گاما به هنگام شكسته شدن هسته آزاد مي شود.
انرژي آزاد شده از يك فرآيند شكافت به اين علت است كه محصولات شكافت و نوترون ها وزن كمتري از اتم اورانيوم 235 دارند. اين تفاوت وزن نمايان گر تبديل ماده به انرژي است كه به واسطه فرمول معروف E=mc2 محاسبه مي شود. حدود نيم كيلوگرم اورانيوم غني شده به كار رفته در يك بمب هسته اي برابر با چندين ميليون گالن بنزين است. نيم كيلوگرم اورانيوم غني شده انداز ه اي معادل يك توپ تنيس دارد. در حالي كه يك ميليون گالن بنزين در مكعبي كه هر ضلع آن 17 متر (ارتفاع يك ساختمان 5 طبقه) است، جا مي گيرد. حالا بهتر مي توان انرژي آزاد شده از مقدار كمي اورانيوم 235 را متصور شد.براي اينكه اين ويژگي هاي اروانيوم 235 به كار آيد بايد اورانيوم را غني كرد. اورانيوم به كار رفته در سلاح هاي هسته اي حداقل بايد شامل نود درصد اورانيوم 235 باشد.در يك بمب شكافتي، سوخت به كار رفته را بايد در توده هايي كه وضعيت «زير آستانه بحران» دارند، نگه داشت. اين كار براي جلوگيري از انفجار نارس و زودهنگام ضروري است. تعريف توده اي كه در وضعيت
تحقیق چرخه سوخت هسته ای