دانلود مقاله کشف انرژی اتمی

کشف انرژی اتمی
کشف انرزی هسته ای یکی از مهمترین و اثر گذارترین کشفیات بشر در طول تاریخ است.

در سال 1927 میلادی ، « آلبرت انیشتن » با طرح فرمولی ثابت نمود که « اگر اتم شکافته شود ، انرژی عظیمی ایجاد می شود.» دوشیوه بنیادی برای آزادسازی یک اتم وجود دارد: در روش «شکافت هسته ای» هسته اتم را با یک «نوترون» به دو جزء کوچک تر تقسیم می شود.

نظیر اقدامی که در مورد ایزوتوپ های اورانیوم (یعنی اورانیوم 235 و 233) انجام می شود.

و در روش دوم که به «همجوشی هسته ای » مشهور است ؛ با استفاده از دو اتم کوچک تر که معمولا هیدروزه یا ایزوتوپ های هیدروژن (مانند دو تریوم و ترتیوم ) هستند ، یک اتم بزرگ تر مثل هلیوم یا ایزوتوپ های آن را تشکیل می شود.

این فرایند در خورشید برای تولید انرزی به کار می رود.[1]
علی رغم اهمیت این کشف از همان آغاز سوء استفاده قدرت های جهان از آن نگرانی عمیقی را در سطح جهان پدید آورد ؛ با فاصله اندکی آمریکایی‌ها برای نخستین بار به طور کاملاً سری در صحرای “نوادا” انفجار هسته‌ای را آزمایش کردند.

در جنگ جهانی دوم هم هواپیمای ده‌ تنی دبلیو به خلبانی سرگرد “کنراد” بمبی را که نام آن “Litell boy” بود در هیروشیمای ژاپن منفجر کردند که این بمب در 8 متری زمین منفجر شد و 120 هزار نفر را جزغاله کرد.

انرژی هسته ایی به زبان ساده
به نظر عجیب می رسد که یک نیروگاه هسته ای نزدیک نیروگاه بزرگ زغال سوز از توربینهای بخاری برای حرکت الترناتورها وتولیدالکتریسیته استفاده کند.در صورتی که تنها تفاوت در نوع منبع تولید حرارت انهاست.در مرکز هر نیروگاه هستهای یک راکتور قرار دارد.راکتور ظرف بزرگی است که در ان گرما به مقدار بسیار زیاد در اثر واکنشهایی به نام شکافت هسته تولید می شود.گرمای حاصل از شکافت هسته برای تولید بخار و حرکت تور بینها به کار می رود.

برای درک پدیده شکافت هسته لازم است که اطلاعاتی درباره خود اتم داشته باشیم.

اجسام از اتمهایی ساخته شده است .

اتمها آن اندازه کوچکند که نمی توان آنها را دید.

در یک قطره آب میلیونها اتم وجود دارد.

مدتها دانشمندان بر این باور بودند که اتم کوچکترین جزئی است که وجود دارد واژه اتم یک کلمه یونانی است به معنی تجزیه ناپذیر که نمی توان آن را تقسیم کرد.

بهرحال در سال 1905 آلبرت انیشتین نظریه مشهوری را اعلام کرد او گفت: که اگر اتمی را بتوانیم به روشی تغییر دهیم و یا بشکافیم مقدار بسیار زیادی انرژی آزاد خواهد شد.

اولین دانشمندی که توانست اتم را بشکافد و موفق به این کار شد ارنست رادرفورد بود.

این آزمایش مشهور در آزمایشگاه کاوندیش در کمبریج در سال 1919 انجام شد.

از این پس رادرفورد و دیگر دانشمندان به تحقیق پرداختند تا ثابت کنند که اتمها خود از ذره های کوچکتر و یا از ذرات بنیادی ساخته شده اند.

ما اکنون می دانیم که قسمت عمده هر اتم را فضای خالی تشکیل می دهد در مرکز هر اتم هسته قرار دارد.

در اطراف هسته یک یا چند الکترون کوچک و مشابه همواره در مدارهایی دوران می کنند.

هسته ها از پروتونها و نوترونها ساخته شده اند.

هیدروژن گاز بسیار سبک وزنی است و اتمها ی آن ساده ترین اتمها ست.

هر اتم هیدروژن از یک پروتون که هسته اتم است و یک الکترون تشکیل شده است.

در مقابل اورانیم فلز بسیار سنگینی است.

هر اتم اورانیم دارای 92 پروتون و بیش از یکصد نوترون در هسته است و 92 الکترون در مدارهای آن حرکت می کنند.

اورانیم تنها ماده طبیعی است که پدیده شکافت در آن به آسانی صورت می گیرد.

هنگامی که یک نوترون به هسته یک اتم آن برخورد کند این هسته به دو جزء تقریبا" مساوی تقسیم می شود، این اجزاء با سرعت زیادی تقسیم می شوند و همزمان دو یا سه نوترون آزاد می شود و باعث شکسته شدن اتمهای دیگر اورانیم می شوند.

هنگامی که این نوترونها با هسته اتمها برخورد کنند شکافتهایی جدید صورت می گیرد و مقدار بسیار زیادی گرماتولید می شود.

این عمل را واکنش زنجیری می نامیم که در نتیجه انرژی آزاد می شود .

همانطوری که در پدیده شکافت گرما تولید می شود، رادیو اکتیو نیز ظاهر می گردد پرتوهای مواد رادیو اکتیو خطرناک و قابلیت نفوذ زیادی دارند ورقه کلفت فولاد و دیواره های بتونی که در مرکز رآکتور به یکدیگر متصل شده اند قرار می دهند همانطور که باید بتوانیم میزان حرارتی را در اجاق گاز کم و زیاد کنیم لازم است که بتوانیم شکاف هسته را نیز کنترل کنیم این عمل نظارت و کنترل بوسیله میله هایی از جنس بر یا کادمیمم که درون راکتور قرار می گیرند انجام می شود.

این میله ها نوترونها را جذب می کنند و سرعت واکنش زنجیری را کاهش می دهند اگر دمای رآکتور بالا رود و گرمای بیش از حد تولید شود میله ها کاملا" به طرف برده می شوند و واکنشهای رآکتور کاملا" متوقف می گردد باید بتوان گرمای حاصل از درون رآکتور را خارج کنیم و این خیلی مهم است برای انجام این کار مایع یا گازی را به درون رآکتور می فرستیم گرمای حاصله می تواند آب را در مبدلهای حرارتی بجوش آورد عمل آن نظیر آبگرمکن کوچک خانه شما است که آب گرم حمام شما را تامین می کند
اجسام از اتمهایی ساخته شده است .

هنگامی که یک نوترون به هسته یک اتم آن برخورد کند این هسته به دو جزء تقریبا" مساوی تقسیم می شود، این اجزاء با سرعت زیادی تقسیم می شوند و همزمان دو یا سه نوترون آزاد می شود و باعث شکسته شدن اتمهای دیگر اورانیم می شوند.

این میله ها نوترونها را جذب می کنند و سرعت واکنش زنجیری را کاهش می دهند اگر دمای رآکتور بالا رود و گرمای بیش از حد تولید شود میله ها کاملا" به طرف برده می شوند و واکنشهای رآکتور کاملا" متوقف می گردد باید بتوان گرمای حاصل از درون رآکتور را خارج کنیم و این خیلی مهم است برای انجام این کار مایع یا گازی را به درون رآکتور می فرستیم گرمای حاصله می تواند آب را در مبدلهای حرارتی بجوش آورد عمل آن نظیر آبگرمکن کوچک خانه شما است که آب گرم حمام شما را تامین می کند.

در نیروگاهها مبدلهای حرارتی آب را به جوش می آورند و بخار حاصل از آن برای حرکت توربین استفاده می شود.

توربین ها، آلترناتورها را به حرکت در می آورند و الکتریسیته تولید می شود نظیر همه نیروگاهها که مواد زائدی از سوختهای آنها حاصل می شود رآکتورها نیز مواد زائدی تولید می کنند و نظر به اینکه خاصیت رادیو اکتیویته این مواد برای سالهای سال باقی می ماند باید با نهایت مراقبت آنها را جابجا کرد.

دانشندان اکنون روی این برنامه کار می کنند که مواد زائد را بصور ت قالبهای شیشه ای درآورند و جمع آوری و نگهداری کنند.

دانشمندان امیدوارند که در آینده واکنش همجوشی را جانشین واکنش شکافی نمایند.

در واکنش هم جوشی اتمهای سبک مانند هیدروژن با یکدیگر ترکیب می شوند و مقدار بسیار زیادی انرژی تولید می کنند، در این نوع واکنش پس مانده بوجود نمی آید.

شاید روزی دانشمندان این مسئله را حل کنند.

هنگامی که آنها توفیق این کار را بیابند مردم جهان به یک منبع انرژی بی پایان دست خواهند یافت.

اورانیم کمیاب است و استخراج آن گران تمام می شود ولیکن هیچگاه کمبود هیدروژن نخواهیم داشت و تا زمانی که آب که ترکیبی از اکسیژن و هیدروژن است موجود باشد مشکلی از نظر هیدروژن نداریم.

اندازه اتم ها جالب است بدانیم که با اتم های یک قطره آب می توان مساحتی به وسعت یک شهر را فرش کرد.

و یا در مقیاسی دیگر، اگر بتوان یک آسمانخراش بزرگ را در هم فشرد و آن را تبدیل به اتم کرد می توان اتم های برآمده را در سر یک سوزن جای داد.

و انرژی هسته ای از اینجا آغاز می شود.

با اشعه گاما می توان الکترون ها را آزاد کرد و هیچ مانعی نمی تاوند در برابر این اشعه قرار گیرد.

جالب است بدانیم که مواد رادیواکتیو که اشعه های بتا، آلفا، و گاما را تولید می کنند پس از مصرف به صورت باله و یا پس مانده باقی می ماند، و مدت زمان زیادی لازم دارد که جرم این مواد مصرف شده به صفر برسد و علت خطر زباله های رادیو اکتیو همین است.

مثلأ اگر یک گرم ید را در نظر بگیریم، 17 میلیون سال طول می کشد تا یک گرم ید به نیم گرم ید تبدیل شود، یک گرم اورانیوم پس از 4 میلیون سال به نصف وزن خود می رسد و این چرخه رادیو اکتیو طبیعی نامیده می شود.

حال مقیاس های حجیم و سنگین زباله های اتمی را حدس بزنید که چه زمانی طول خواهد کشید تا نصف وزن خود تبدیل شوند.

طبیعی است که زباله های اتمی را باید در جایی حفظ کنند و اۀان می دانیم که مخفیانه این زباله ها را در معادن نمک دفن می کنند که برای آیندگان بسیار خطرناک است.

و حتا مشاهده شدده است که کسانی که در نزدیکی رآکتورهای اتمی زندگی می کنند و حتا حیوانات در معرض اشعه رادیو اکتیو تغییر شکل می دهند.

رادیو اکتیو مصنوعی در رآکتورهای اتمی اگر هسته یک اتم را با ذره دیگری بمباران کنیم، این هسته اجبارأ از خود اشعه صادر می کند که این تکنولوژی دررآکتورهای اتمی به کار برده می شود.

و اشعه های ساطع شده آلفا، بتا، گاما سریعأ تکثیر خواهند شد که این عمل شکاف اتم نامیده می شود.

برای اولین بار فرمی؟

یک دانشمند ایتالیایی پی برد که می توان با نوترون، به علت این که بار الکتریکی منفی ندارد می توان هسته اتم را مورد هدف قرار داد چرا که بار الکتریکی دقت نشانه روی را از بین می برد.

و برای این آزمایش اورانیوم را مناسب یافت.

اورانیوم یک هسته اورانیوم 92 پروتون دارد، اگر ما یک هسته اورانیوم را با نوترون بمباران کنیم، نتیجه آن انفجار بمب اتم خواهد بود.

و در رآکتورهای اتمی که از اورانیوم استفاده می شود برای جلوگیری از انفجار آن را در آب قرار می دهند، چرا که به محض رسیدن نوترون ها به آب سرعت شان به شدت کاهش می یابد.

برای اولین بار در ساخت بمب اتمی که در شیکاگو ساخته شد تکه های اورانیوم را در میان گرافیت قرار دادند ، چون مانند آب خاصیت کاهش دهندگی داشت .

امروزه از کاهش دهنده های سرعت دیگری مانند آب سنگین، و واکس پارافین و دی اسید کربن جامد استفاده می شود.

لازم به توضیح است که آب سنگین در هسته خود علاوه بر اکسیژن و هیدروژن، یک هیدروژن دیگر قرار دارد به نام نوتریوم که تولید آب سنگین می کند.

جالب است بدانیم که اگر هزار کیلو گرم اورانیوم در طبیعت بیابیم، هفت کیلو گرم آن اورانیوم 235 است، و غنی سازی یعنی اورانیوم 235 را به 238 تبدیل کردن چرا که انرژی به کار گرفته شده برای شکافتن اتم کمتر است و از آن طرف میزان انرژی آزاد شده بیشتر خواهد بود.

در غنی سازی، اورانیوم را با نوترون بمباران می کنند و نوترون ها در اورانیوم تبدیل به پلوتونیوم 239 ی شود که مورد مصرف بمب اتم است.

و این چرخه دائم در حال تکثیر شدن است و اگر با کند کننده آن را کنترل نکنیم انفجار صورت می گیرد.

رآکتور اتمی برای تولید برق در این گونه رآکتورها، اورانیوم در میان لوله های فلزی داخل آب قرار می گیرد و با تولید گرما و ایجاد بخار باعث چرخیدن توربین های تولید برق می شود، و در این مورد به علت آلودگی بیش از حد پیش بینی شده است که تا سال 2020 میلادی، استفاده از این تکنولوژی به جهت تولید برق تا میزان بسیار زیادی کاهش یابد.

لازم به ذکر است راکتورهای تولید برق و مواد حاصله از آن را می توان مستقیمأ در ساخت بمب اتمی به کار برد.

در حال حاضر 470 رآکتور اتمی در جهان به طور پراکنده وجود دارند و با خطرات و مضراتی که برای آنان بر شمردیم فقط قادرند 17 درصد از نیازهای انرژی مردم کره زمین را تامین کنند، حال ببینید که برای داشتن این تکنولوژی حاضریم به چه خطراتی تن بدهی انرژی هسته‌ای به 2 روش تولید می‌شود: 1- شکافت هسته‌ای: در این روش هسته یک اتم توسط یک نوترون به دو بخش کوچکتر تقسیم می‌شود.

در این روش غالباً از عنصر اورانیوم استفاده می‌شود.

2- گداخت هسته‌ای: در این روش که در سطح خورشید هم اجرا می‌شود، معمولاً هیدروژن‌ها با برخورد به یکدیگر تبدیل به هلیوم می‌شوند و در این تبدیل، انرژی بسیار زیادی بصورت نور و گرما