کاربردهای دیگر فیزیک هسته ای
1- برای کشف مطلبی اگر احتیاج به تجزیه و تحلیل موادی باشد که هیچ گونه امکان کنترلی روی آن نیست چه کاری می‌توان انجام داد؟ مثلاً اگر بخواهیم مقداری خاک کفش مشخص مظنونی یا موی سر یک انسان و یا نفت خام یک کشتی را که مقداری از کالای خود را بطور غیر قانونی در جای دیگر فروخته است تجزیه و تحلیل نمایید، چه کاری می‌توانیم بکنیم؟ البته می‌توان از روش شیمیایی استفاده کرد؛ اما روش سریع و مطمئن تری هم وجود دارد. نمونه ای از ماده ای را که نیاز به تجزیه دارد برداشته و آن را با ایزوتوپ رادیواکتیو مخلوط می‌کنیم، نمونه رادیواکتیو شده را در یک راکتور تحقیقاتی به وسیله نوترون بمباران می‌کنیم. با جذب نوترون نمونه پایدار شده و اتم های جسم مورد آزمایش نیز رادیواکتیو می‌شوند و تابش می‌کنند. مقدار تابش برای هر عنصر متفاوت است. بنابراین اگر ده عنصر مختلف در نمونه داشته باشیم، ده نوع تابش مختلف نیز خواهیم داشت. از روی این تابش‌ها می‌توان نوع و میزان عناصر تشکیل دهنده نمونه را مشخص کرد. از این روش می‌توان برای ردیابی آلودگی هوا و هم چنین آلودگی دریا توسط نفت کش‌ها استفاده کرد. با آزمایش 40 نوع نفت مختلف که در نقاط مختلف جهان استخراج می‌شوند دانشمندان به این نتیجه رسیدند که در تمام مواد نفتی هفت نوع عنصر مشترک وجود دارد. اما مقدار آنها در نفتی که در یک نقطه استخراج می‌شود با نفت نقطه دیگر دنیا متفاوت است.
هنگامی که مواد نفتی در جایی مشاهده می‌شوند نمونه ای از آن به آزمایشگاه برده شده و در معرض تابش نوترونی قرار می‌گیرد و به این ترتیب عناصر مختلف آن و مقدار آنها مشخص می‌شود. و می‌توان به طور دقیق اعلام کرد که کدام کشتی مسئول آلوده سازی بوده است.
یک روش ساده و سریع، برای تجزیه هوای آلوده نیز وجود دارد. ابتدا وسیله صافی هایی آلودگی هوا گرفته می‌شود. و سپس به وسیله همان روشی که در بالا توضیح داده شده نوع و مقدار عناصر زیان آور موجود درا آن مشخص می‌شود. با تهیه نقشه های برای آلودگی هوا مشابه نقشه های تغییرات جوی، می‌توان پیش گویی هایی در مورد آلودگی هوا انجام داد و اقدامات لازم را در رابطه با پاکیزه نگه داشتن هوا انجام داد.
2- یکی دیگر از کاربردهای تابش های هسته ای تصویر برداری است. همانطور که می‌دانید برای تصویر برداری از اجسام تیره ( کدر ) مثل بدن انسان از اشعه ایکس استفاده می‌شود. حالا اگر از اشعه ای پرانرژی تر از اشعه X استفاده کنیم، قابلیت نفوذ در عمق بیشتری را دارد و به این ترتیب از اجسام ضخیم تر نیز می‌توان عکس برداری کرد. اشعه گاما خیلی از اشعه X قوی تر است و می‌تواند در فلزات و اجسام تیره به قطر چند اینچ نفوذ کند و این امکان را برای مهندسین فراهم کند تا داخل ماشین آلات را ببینند.
3- ردیابی ایزوتوپ رادیواکتیو را تقریباً در تمام مراحل تأسیسات صنعتی پتروشیمی می‌توان مشاهده نمود. هنگام کشف و استخراج نفت، دانشمندان میله های رادیواکتیو را داخل چاههای آزمایشی فرو برده، سپس میزان انتشار تشعشع رادیواکتیو را در طبقات مختلف اندازه می‌گیرند زمین شناسان میزان بازتاب اشعه رادیواکتیو را ثبت نموده و یک تصویر واضح و دقیق از طبقات زیرین جهت حفاری بیشتر برای رسیدن به نفت در آن منطقه یا متوقف کردن کار به دست می‌آورند، در تأسیسات تصفیه و پالایش از ردیابی های ایزوتوپ های رادیواکتیو جهت دنبال کردن مواد پتروشیمی و آماده سازی آنها در قسمتهای مختلف استفاده می‌شود. در مرحله نهایی محصولات مواد نفتی تصفیه شده جهت تعیین درجه خالص بودن آنها با استفاده از ایزوتوپهای رادیواکتیو آزمایش می‌شوند در هنگام انتقال مواد نفتی در فاصله های زیاد، چون شرکتهای مختلف نفتی از لوله های نفت مشترک استفاده می‌کنند ردیابی ایزوتوپی مختلف جهت علامت گذاری ابتدای انتقال هر محموله نفتی به کار برده می‌شوند.

انرژی هسته ای کاربردهای زیادی در پزشکی در علوم و صنعت و کشاورزی و... دارد. لازم به ذکر است انرژی هسته ای به تمامی انرژی های دیگر قابل تبدیل است .

انرژی هسته ای کاربردهای زیادی در پزشکی در علوم و صنعت و کشاورزی و... دارد. لازم به ذکر است انرژی هسته ای به تمامی انرژی های دیگر قابل تبدیل است ولی هیچ انرژی به انرژی هسته ای تبدیل نمی شود . موارد زیادی از کاربردهای انرژی هسته ای در زیر آورده می شود . ▪ نیروگاه هسته ای: نیروگاه هسته ای (Nuclear Power Station) یک نیروگاه الکتریکی که از انرژی تولیدی شکست هسته اتم اورانیوم یا پلوتونیم استفاده می کند. اولین جایگاه از این نوع در ۲۷ ژوئن سال ۱۹۵۸ در شوروی سابق ساخته شد. که قدرت آن ۵۰۰۰ کیلو وات است. چون شکست سوخت هسته ای اساساً گرما تولید می کند از گرمای تولید شده رآکتور های هسته ای برای تولید بخار استفاده می شود از بخار تولید شده برای به حرکت در آوردن توربین ها و ژنراتور ها که نهایتاً برای تولید برق استفاده می شود . ▪ بمب های هسته ای: این نوع بمب ها تا حالا قویترین بمبهای و مخربترین های جهان محسوب می شود. دارندگان این نوع بمبهاجزو قدرت های هسته ای جهان محسوب می شود . ▪ پیل برق هسته ای Nuclear Electric battery: پیل هسته ای یا اتمی دستگاه تبدیل کننده انرژی اتمی به جریان برق مستقیم است ساده ترین پیل ها شامل دو صفحه است. یک پخش کننده بتای خالص مثل استرنیوم ۹۰ و یک هادی مثل سیلسیوم. جریان الکترون های سریعی که بوسیله استرنیوم منتشر می شود ازمیان نیم هادی عبور کرده و در حین عبور تعداد زیادی الکترون اضافی را از نیم هادی جدامی کند که در هر حال صدها هزار مرتبه زیادتر از جریان الکتریکی حاصل از ایزوتوپ رادیواکتیو استرنیوم ۹۰ می باشد . ▪ کاربردهای پزشکی: در پزشکی تشعشعات هسته ای کاربردهای زیادی دارند که اهم آنها عبارتند از: ـ رادیو گرافی ـ گامااسکن ـ استرلیزه کردن هسته ای و میکروب زدایی وسایل پزشکی با پرتو های ـ هسته ای ـ رادیو بیولوژی ـ عکس رادیو گرافی ▪ کاربردهای کشاورزی: تشعشعات هسته ای کاربرد های زیادی در کشاورزی دارد که مهم ترین آنها عبارتست از: ـ موتاسیون(جهش) هسته ای ژن ها در کشاورزی ـ کنترل حشرات با تشعشعات هسته ای ـ جلوگیری از جوانه زدن سیب زمینی با اشعه گاما ـ انبار کردن میوه ها ـ دیرینه شناسی (باستان شناسی) و صخره شناسی (زمین شناسی) که عمر یابی صخره ها با C۱۴ در باستان شناسی خیلی مشهور است. ▪ کاربردهای صنعتی: در صنعت کاربردها ی زیادی دارد از جمله مهمترین آنها عبارتند از: ـ نشت یابی با اشعه ـ دبی سنجی پرتویی ـ (سنجش شدت تشعشعات ، نور و فیزیک امواج) ـ سنجش پرتویی میزان سائیدگی قطعات در حین کار ـ سنجش پرتویی میزان خوردگی قطعات ـ چگالی سنج موادمعدنی با اشعه ـ کشف عناصر نایاب در معادن

دید کلیوقتی که صحبت از مفهوم انرژی به میان می‌آید، نمونه‌های آشنای انرژی مثل انرژی گرمایی ، نور و یا انرژی مکانیکی و الکتریکی در شهودمان مرور می‌شود. اگر ما انرژی هسته‌ای و امکاناتی که این انرژی در اختیارش قرار می‌دهد، آشنا ‌شویم، شیفته آن خواهیم شد.

آیا می‌دانید که

انرژی گرمایی تولید شده از واکنشهای هسته‌ای در مقایسه با گرمای حاصل از سوختن زغال سنگ در چه مرتبه بزرگی قرار دارد؟

منابع تولید انرژی هسته‌ای که بر اثر سیلابها و رودخانه از صخره شسته شده و به بستر دریا می‌رود، چقدر برق می‌تواند تولید کند؟

کشورهایی که بیشترین استفاده را از انرژی هسته‌ای را می‌برند، کدامند؟ و ... .

نحوه آزاد شدن انرژی هسته‌ای

می‌دانیم 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، تکه‌ها در اثر نیروی دافعه الکتریکی خیلی سریع از هم فاصله گرفته و انرژی جنبشی فوق العاده‌ای پیدا می‌کنند. در کنار این تکه‌ها ذرات دیگری مثل نوترون و اشعه‌های گاما و بتا نیز تولید می‌شود. انرژی جنبشی تکه‌ها و انرژی ذرات و پرتوهای بوجود آمده ، در اثر برهمکنش ذرات با مواد اطراف ، سرانجام به انرژی گرمایی تبدیل می‌شود. مثلا در واکنش هسته‌ای که در طی آن ²³⁵U به دو تکه تبدیل می‌شود، انرژی کلی معادل با 200MeV را آزاد می‌کند. این مقدار انرژی می‌تواند 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 می‌شود.

کاربرد حرارتی انرژی هسته‌ای

گرمای حاصل از واکنش هسته‌ای در محیط راکتور هسته‌ای تولید و پرداخته می‌شود. بعبارتی در طی مراحلی در راکتور این گرما پس از مهارشدن انرژی آزاد شده واکنش هسته‌ای تولید و پس از خنک سازی کافی با آهنگ مناسبی به خارج منتقل می‌شود. گرمای حاصله آبی را که در مرحله خنک سازی بعنوان خنک کننده بکار می‌رود را به بخار آب تبدیل می‌کند. بخار آب تولید شده ، همانند آنچه در تولید برق از زعال سنگ ، نفت یا گاز متداول است، بسوی توربین فرستاده می‌شود تا با راه اندازی مولد ، توان الکتریکی مورد نیاز را تولید کند. در واقع ، راکتور همراه با مولد بخار ، جانشین دیگ بخار در نیروگاه‌های معمولی شده است.

سوخت راکتورهای هسته‌ای

ماده‌ای که به عنوان سوخت در راکتورهای هسته‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد باید شکاف پذیر باشد یا به طریقی شکاف پذیر شود.²³⁵U شکاف پذیر است ولی اکثر هسته‌های اورانیوم در سوخت از انواع ²³⁸U است. این اورانیوم بر اثر واکنشهایی که به ترتیب با تولید پرتوهای گاما و بتا به ²³⁹Pu تبدیل می‌شود. پلوتونیوم هم مثل ²³⁵U شکافت پذیر است. به علت پلوتونیوم اضافی که در سطح جهان وجود دارد نخستین مخلوطهای مورد استفاده آنهایی هستند که مصرف در آنها منحصر به پلوتونیوم است.

میزان اورانیومی که از صخره‌ها شسته می‌شود و از طریق رودخانه‌ها به دریا حمل می‌شود، به اندازه‌ای است که می‌تواند 25 برابر کل مصرف برق کنونی جهان را تأمین کند. با استفاده از این نوع موضوع ، راکتورهای زاینده‌ای که بر اساس استخراج اورانیوم از آب دریاها راه اندازی شوند قادر خواهند بود تمام انرژی مورد نیاز بشر را برای همیشه تأمین کنند، بی آنکه قیمت برق به علت هزینه سوخت خام آن حتی به اندازه یک درصد هم افزایش یابد.

مزیتهای انرژی هسته‌ای بر سایر انرژیها

بر خلاف آنچه که رسانه‌های گروهی در مورد خطرات مربوط به حوادث راکتورها و دفن پسماندهای پرتوزا مطرح می‌کند از نظر آماری مرگ ناشی ازخطرات تکنولوژی هسته‌ای از 1 درصد مرگهای ناشی از سوختن زغال سنگ جهت تولید برق کمتر است. در سرتاسر جهان تعداد نیروگاههای هسته‌ای فعال بیش از 419 می‌باشد که قادر به تولید بیش از 322 هزار مگاوات توان الکتریکی هستند. بالای 70 درصد این نیروگاه‌ها در کشور فرانسه و بالای 20 درصد آنها در کشور آمریکا قرار دارد.

بمب هسته اي چگونه كار مي‌كند؟

شما احتمالاً در كتابهاي تاريخ خوانده‌ايد كه بمب هسته‌اي در جنگ جهاني دوم توسط آمريكا عليه ژاپن بكار رفت و ممكن است فيلم‌هايي را ديده باشيد كه در آنها بمب‌هاي هسته‌اي منفجر مي‌شوند. درحاليكه در اخبار مي‌شنويد، برخي كشورها راجع به خلع سلاح اتمي با يكديگر گفتگو مي‌كنند، كشورهايي مثل هند و پاكستان سلاح‌هاي اتمي خود را توسعه مي‌دهند.

ما ديده‌ايم كه اين وسايل چه نيروي مخرب خارق‌العاده‌اي دارند، ولي آنها واقعاً چگونه كار مي‌كنند؟ در اين بخش خواهيد آموخت كه بمب هسته‌اي چگونه توليد مي‌شود و پس از يك انفجار هسته‌اي چه اتفاقي مي‌افتد؟

فيزيك هسته‌اي

انرژي هسته‌اي به 2 روش توليد مي‌شود:

1- شكافت هسته‌اي: در اين روش هسته يك اتم توسط يك نوترون به دو بخش كوچكتر تقسيم مي‌شود. در اين روش غالباً از عنصر اورانيوم استفاده مي‌شود.

2- گداخت هسته‌اي: در اين روش كه در سطح خورشيد هم اجرا مي‌شود، معمولاً هيدروژن‌ها با برخورد به يكديگر تبديل به هليوم مي‌شوند و در اين تبديل، انرژي بسيار زيادي بصورت نور و گرما توليد مي‌شود.

در شكل زير نمونه اي از شكافت هسته اتم اورانيوم نمايش داده شده است:

و در شكل زير گداخت هسته‌اي اتم‌هاي هيدروژن و تبديل آنها به هليوم 3 و الكترون آزاد نمايش داده شده است:

طراحي بمب‌هاي هسته‌اي:

براي توليد بمب هسته‌اي، به يك سوخت شكافت‌پذير يا گداخت‌پذير، يك وسيله راه‌انداز و روشي كه اجازه دهد تا قبل از اينكه بمب خاموش شود، كل سوخت شكافته يا گداخته شود نياز است.

بمب‌هاي اوليه با روش شكافت هسته‌اي و بمب‌هاي قويتر بعدي با روش گداخت هسته‌اي توليد شدند. ما در اين بخش دو نمونه از بمب هاي ساخته شده را بررسي مي كنيم:

بمب‌ شكافت هسته‌اي :

1- بمب‌ هسته‌اي (پسر كوچك) كه روي شهر هيروشيما و در سال 1945 منفجر شد.

2- بمب هسته‌اي (مرد چاق) كه روي شهر ناكازاكي و در سال 1945 منفجر شد.

بمب گداخت هسته‌اي : 1- بمب گداخت هسته‌اي كه در ايسلند بصورت آزمايشي در سال 1952 منفجر شد.

بمب‌هاي شكافت هسته‌اي:

بمب‌هاي شكافت هسته‌اي از يك عنصر شبيه اورانيوم 235 براي انفجار هسته‌اي استفاده مي‌كنند. اين عنصر از معدود عناصري است كه جهت ايجاد انرژي بمب هسته‌اي استفاده مي‌شود. اين عنصر خاصيت جالبي دارد: هرگاه يك نوترون آزاد با هسته اين عنصر برخورد كند ، هسته به سرعت نوترون را جذب مي‌كند و اتم به سرعت متلاشي مي‌شود. نوترون‌هاي آزاد شده از متلاشي شدن اتم ، هسته‌هاي ديگر را متلاشي مي‌كنند.

زمان برخورد و متلاشي شدن اين هسته‌ها بسيار كوتاه است (كمتر از ميلياردم ثانيه ! ) هنگامي كه يك هسته متلاشي مي‌شود، مقدار زيادي گرما و تشعشع گاما آزاد مي‌كند.

مقدار انرژي موجود در يك پوند اورانيوم معادل يك ميليون گالن بنزين است!

در طراحي بمب‌هاي شكافت هسته‌اي، اغلب از دو شيوه استفاده مي‌شود:

روش رها كردن گلوله:

در اين روش يك گلوله حاوي اورانيوم 235 بالاي يك گوي حاوي اورانيوم (حول دستگاه مولد نوترون) قرار دارد.

هنگامي كه اين بمب به زمين اصابت مي‌كند، رويدادهاي زير اتفاق مي‌افتد:

1- مواد منفجره پشت گلوله منفجر مي‌شوند و گلوله به پائين مي‌افتد.

2- گلوله به كره برخورد مي‌كند و واكنش شكافت هسته‌اي رخ مي‌دهد.

3- بمب منفجر مي‌شود.

در بمب هيروشيما از اين روش استفاده شده بود. نحوه انفجار اين بمب در شكل زير نمايش داده شده است:

روش انفجار از داخل:

در اين روش كه انفجار در داخل گوي صورت مي‌گيرد، پلونيم 239 قابل انفجار توسط يك گوي حاوي اورانيوم 238 احاطه شده است.

هنگامي كه مواد منفجره داخلي آتش گرفت رويدادهاي زير اتفاق مي‌افتد:

1- مواد منفجره روشن مي‌شوند و يك موج ضربه‌اي ايجاد مي‌كنند.

2- موج ضربه‌اي، پلوتونيم را به داخل كره مي‌فرستد.

3- هسته مركزي منفجر مي‌شود و واكنش شكافت هسته‌اي رخ مي‌دهد.

4- بمب منفجر مي‌شود.

بمبي كه در ناكازاكي منفجر شد، از اين شيوه استفاده كرده بود. نحوه انفجار اين بمب، در شكل زير نمايش داده شده است.

بمب‌ گداخت هسته‌اي: بمب‌هاي شكافت هسته‌اي، چندان قوي نبودند!

بمب‌هاي گداخت هسته‌اي ، بمب هاي حرارتي هم ناميده مي‌شوند و در ضمن بازدهي و قدرت تخريب بيشتري هم دارند. دوتريوم و تريتيوم كه سوخت اين نوع بمب به شمار مي‌روند، هردو به شكل گاز هستند و بنابراين امكان ذخيره‌سازي آنها مشكل است. اين عناصر بايد در دماي بالا، تحت فشار زياد قرار گيرند تا عمل همجوشي هسته‌اي در آنها صورت بگيرد. در اين شيوه ايجاد يك انفجار شكافت هسته‌اي در داخل، حرارت و فشار زيادي توليد مي‌كند و انفجار گداخت هسته‌اي شكل مي‌گيرد.در طراحي بمبي كه در ايسلند بصورت آزمايشي منفجر شد، از اين شيوه استفاده شده بود. در شكل زير نحوه انفجار نمايش داده شده است.

اثر بمب‌هاي هسته‌اي:

انفجار يك بمب هسته‌اي روي يك شهر پرجمعيت خسارات وسيعي به بار مي آورد . درجه خسارت به فاصله از مركز انفجار بمب كه كانون انفجار ناميده مي‌شود بستگي دارد.

زيانهاي ناشي از انفجار بمب هسته‌اي عبارتند از :

- موج شديد گرما كه همه چيز را مي‌سوزاند.

- فشار موج ضربه‌اي كه ساختمان‌ها و تاسيسات را كاملاً تخريب مي‌كند.

- تشعشعات راديواكتيويته كه باعث سرطان مي‌شود.

- بارش راديواكتيو (ابري از ذرات راديواكتيو كه بصورت غبار و توده سنگ‌هاي متراكم به زمين برمي‌گردد)

دركانون زلزله، همه‌چيز تحت دماي 300 ميليون درجه سانتي‌گراد تبخير مي‌شود! در خارج از كانون زلزله، اغلب تلفات به خاطر سوزش ايجادشده توسط گرماست و بخاطر فشار حاصل از موج انفجار ساختمانها و تاسيسات خراب مي‌شوند. در بلندمدت، ابرهاي راديواكتيو توسط باد در مناطق دور ريزش مي‌كند و باعث آلوده شدن موجودات، آب و محيط زندگي مي‌‌شود.

دانشمندان با بررسي اثرات مواد راديواكتيو روي بازماندگان بمباران ناكازاكي و هيروشيما دريافتند كه اين مواد باعث: ايجاد تهوع، آب‌مرواريد چشم، ريزش مو و كم‌شدن توليد خون در بدن مي‌شود. در موارد حادتر، مواد راديواكتيو باعث ايجاد سرطان و نازايي هم مي‌شوند. سلاح‌هاي اتمي داراي نيروي مخرب باورنكردني هستند، به همين دليل دولتها سعي دارند تا بر دستيابي صحيح به اين تكنولوژي نظارت داشته باشند تا ديگر اتفاقي بدتر از انفجارهاي ناكازاكي و هيروشيما رخ ندهد.