ضرورت دستیابی به انرژی هسته ای

مقدمه

انرژی هسته‌ای از عمده‌ترین مباحث علوم و تکنولوژی هسته‌ای است و هم اکنون نقش عمده‌ای را در تأمین انرژی کشورهای مختلف خصوصا کشورهای پیشرفته دارد. اهمیت انرژی و منابع مختلف تهیه آن ، در حال حاضر جزء رویکردهای اصلی دولتها قرار دارد. به عبارت بهتر ، از مسائل مهم هر کشور در جهت توسعه اقتصادی و اجتماعی بررسی ، اصلاح و استفاده بهینه از منابع موجود انرژی در آن کشور است. امروزه بحرانهای سیاسی و اقتصادی و مسائلی نظیر محدودیت ذخایر فسیلی ، نگرانیهای زیست محیطی ، ازدیاد جمعیت ، رشد اقتصادی ، همگی مباحث جهان شمولی هستند که با گستردگی تمام فکر اندیشمندان را در یافتن راهکارهای مناسب در حل معظلات انرژی در جهان به خود مشغول داشته اند.

در حال حاضر اغلب ممالک جهان به نقش و اهمیت منابع مختلف انرژی در تأمین نیازهای حال و آینده پی برده و سرمایه گذاریها و تحقیقات وسیعی را در جهت سیاستگذاری ، استراتژی و برنامه‌های زیربنایی و اصولی انجام می‌دهند. هم اکنون تدوین استراتژی که مرکب از بررسی تمامی پارامترهای تأثیر گذار در انرژی و تعیین راهکارهای مناسب جهت تمیزتر و کاراتر نمودن انرژی و الگوی بهینه مصرف آن می‌باشد، در رأس برنامه‌های زیربنایی اکثر کشورهای جهان قرار دارد. در میان حاملهای مختلف انرژی ، انرژی هسته‌ای جایگاه ویژه‌ای دارد. هم اکنون بیش از 430 نیروگاه هسته‌ای در جهان فعال می‌باشند و انرژی برخی کشورها مانند فرانسه عمدتا از برق هسته‌ای تأمین می‌شود.

ذخایر و سرمایه گذاری جهانی انرژی

براساس گزارش وزارت صنایع فرانسه ، هزینه یک نیروگاه هسته‌ای 1400 مگا واتی معادل 15.4 میلیارد فرانک ، یک نیروگاه گاز سوز با همین ظرفیت 4.3 میلیارد فرانک و یک نیروگاه زغال سنگ یوز با ظرفیت مشابه 9 میلیارد فرانک ارزش دارد. در مقابل ، این امتیاز برای گاز ارمغانی به همراه ندارد. زیرا هزینه تولید هر کیلو وات ساعت برق تا 70 درصد به قیمت سوخت بستگی دارد.

بر اساس مطالعات انجام گرفته ، 43 سال دیگر نفت ، 66 سال دیگر گاز طبیعی و 233 سال دیگر زغال سنگ تمام خواهد شد، اما هنوز می‌توان ذخایر تازه کشف کرد. اورانیوم مورد نیاز تا 60 سال دیگر وجود دارد. رآکتورهایی که از نوترونهای سریع استفاده می‌کنند (سوپر _ فیکس در فرانسه) قادرند از یک واحد حجم اورانیوم ، هفتاد بار بیشتر از رآکتورهای کنونی انرژی بگیرند. نفت 34 درصد ، زغال سنگ 31 درصد ، گاز 22 درصد ، انرژی هسته‌ای 6 درصد ، سایر انرژیها 7 درصد.

تکثیر هسته‌ای به منظور کاهش هزینه‌ها

در مورد تولید انرژی باید به این نکته توجه کنیم که این انرژی چه خدماتی را ارائه می‌کند و با کدام هزینه ، که اکثرا مردم به دنبال خدمات بیشتر با دستیابی آسان و ایمنی بالا با هزینه کمتر هستند. در حال حاضر تولید برق گازی ارزانتر از دیگر سوختها می‌باشد و با سوخت زغال سنگ بیشترین هزینه را دارد. البته اگر موضوع عوارض آلودگی گاز کربنیک را فراموش نکنیم. در صورت وضع این مالیات ، بهای تولید گازی برق افزایش می‌یابد. در این میان انرژی هسته‌ای ، تقریبا از هرگونه بحران این چنینی به دور است.

برای ساخت یک بمب هسته‌ای با کمترین هزینه ، علاوه بر داشتن تأسیسات مربوطه ، لازم است پلوتونیومی در اختیار داشت که میزان ایزوتوپ 240 آن بیشتر باشد. این پلوتونیوم را می‌توان در یک رآکتور هسته‌ای غیر نظامی نیز تولید کرد. به همین دلیل است که آژانس بین‌المللی انرژی اتمی در وین ، پیوسته رآکتورهای جهان را کنترل می‌کند.

کاربردهای علوم و تکنولوژی هسته‌ای

علیرغم پیشرفت همه جانبه علوم و فنون هسته‌ای در طول نیم قرن گذشته ، هنوز این تکنولوژی در اذهان عمومی ناشناخته مانده است. وقتی صحبت از انرژی اتمی به میان می‌آید، اغلب مردم ابر قارچ مانند حاصل از انفجارات اتمی و یا راکتورهای اتمی برای تولید برق را در ذهن خود مجسم می‌کنند و کمتر کسی را می‌توان یافت که بداند چگونه جنبه‌های دیگری از علوم هسته‌ای در طول نیم قرن گذشته زندگی روزمره او را دچار تحول نموده است. اما حقیقت در این است که در طول این مدت در نتیجه تلاش پیگیر پژوهشگران و مهندسین هسته‌ای، این تکنولوژی نقش مهمی را در ارتقاء سطح زندگی مردم ، رشد صنعت و کشاورزی و ارائه خدمات پزشکی ایفاء نموده است.

استفاده صلح آمیز از انرژی هسته‌ای

موارد زیر از مهمترین استفاده‌های صلح آمیز از علوم و تکنولوژی هسته‌ای می‌باشند:

1. استفاده از انرژی حاصل از فرآیند شکافت هسته اورانیوم یا پلوتونیوم در راکتورهای اتمی جهت تولید برق و یا شیرین کردن آب دریاها.
2. استفاده از رادیوایزوتوپها در پزشکی ، صنعت و کشاورزی
3. استفاده از پرتوهای ناشی از فرآیندهای هسته‌ای در پزشکی ، صنعت و کشاورزی

مزایا و معایب انرژیهای فسیلی و هسته‌ای

نیروی هسته‌ای با وجود خطرها و محدودیتها ، به دلیل تولید نکردن گاز گلخانه‌ای ، بر انرژیهای فسیلی برتری دارد. سوختهای فسیلی با تولید گازهای گلخانه‌ای در افزایش تعداد طوفانها و تغییرات آب و هوایی شدید خیلی موثر می‌باشد.

گازهای گلخانه‌ای

امتیاز و برتری انرژی هسته‌ای در این است که حتی یک مولکول گاز کربنیک از راکتور هسته‌ای به هوا نمی‌رود. در عوض اورانیوم مورد نیاز این راکتور باید با کامیونهایی که سوخت فسیلی (نفت) می سوزانند، حمل و نقل گردد. همچنین مراحلی که برای کار با اورانیوم انجام می‌شود، به سوخت نفتی نیازمند است. در مجموع هر کیلو وات ساعت برق هسته‌ای حدود 25 گرم گاز گلخانه‌ای تولید می‌کند. هر کیلو وات ساعت برف زغال سنگ سوز ، 650 تا 1250 گرم گاز کربینیک تولید می‌کند. همچنین برای تولید هر کیلو وات ساعت برق از نیروگاههای گاز سوز، 450 تا 650 گرم گاز کربنیک انتشار می‌یابد.

زباله‌ها

یک نیروگاه هسته‌ای صد مگاواتی سالانه پانصد تن زباله با درجه رادیو اکتیو ضعیف ، دویست تن زباله با درجه رادیواکتیو متوسط و 25 تن زباله با درجه رادیواکتیو شدید تولید می‌کند. در مقایسه ، یک نیروگاه برق زغال سنگ سوز 350 هزار تن زباله سخت (زباله‌های معدنی ، خاکستر و تفاله آهن) که صدها کیلو فلز سنگین نیز در میان آنها وجود دارد ، تولید می‌کند. البته پیشرفتهای فنی باید اجازه دهد که از این میزان زباله کاسته شود. با وجود این سوخت فسیلی از نظر تولید زباله پر بار هستند. اما گاز ، بجز گاز کربنیک ، تقریبا زباله یا تولید جانبی خطرناکی ندارد. رادیو اکتیویته نامرئی است، اما حتی ضعیفترین درجه رادیو اکنیویته که ممکن است برای محیط زیست مضر باشد، قابل ردیابی است. در نتیجه نیروگاههای هسته‌ای را می‌توان به خوبی کنترل کرد و در واقع کشف خطر آنها راحتتر از نیروگاههای گرمایی کلاسیک است.

بهداشت و سلامتی

انرژی هسته‌ای با مصارف غیر نظامی تا به حال کمتر از انرژیهای فسیلی قربانی گرفته است. یک نیروگاه هسته‌ای در شرایط فعالیت معمول و سالم مواد رادیواکتیو ساطع می‌کند. ولی میزان آسیب پذیری به مراتب کمتر از آزمایشهای رادیولوژیک و رادیواکتیویته طبیعی (رادون) است. سوختهای فسیلی نیز مقادیر زیادی از آلوده کننده‌های خطرناک را در هوا می‌پراکند که مضرات زیادی داشته و در اکثر موارد کشنده نیز می‌باشد.

آسیبهای وارد شده به زمین

طی مطالعات انجام گرفتته آسیبهای ناشی از سوختهای فسیلی با در نظر گرفتن آسیبهای مربوط به گازهای گلخانه‌ای تقریبا تا دو برابر آسیبهای انرژی هسته‌ای می‌باشد.

عمده کاربردهای انرژی هسته‌ای

انرژی هسته‌ای دارای کاربرد متعددی است که در یک تقسیم بندی کلی می‌توان کاربردهای نظامی و غیر نظامی یا صلح جویانه را برای آن نام برد. از آنجا که سیاست ج.ا.ایران استفاده صلح آمیز از مواد و انرژی هسته‌ای است، بحث این نوشتار پیرامون کاربردهای صلح آمیز انرژی هسته‌ای با تکیه بر فعالیتهای هسته‌ای صلح آمیز ج.ا.ایران می‌باشد. انرژی هسته‌ای بصورت صلح جویانه موارد مصرف گوناگونی دارد که به شرح آنها می‌پردازیم. (شایان ذکر است که آژانس بین المللی انرژی اتمی در این حوزه تحقیقات متعددی را انجام داده است که به مراحل کاربردی نیز رسیده‌اند.)

انرژی اتمی کاربردهای وسیعی در علوم و صنایع مختلف (پزشکی ، داروسازی ، صنایع غذایی ،‌ شاخه‌های مختلف صنعت ، کشاورزی ، رد یابی و ...) داشته و از این نظر خیلی حائز اهمیت است. به عنوان مثال برای رد یابی محل نشت در لوله‌های انتقال نفت و یا گاز که در زیر زمین بوده ، خیلی راحت با آشکار سازی نوترونهایی که به داخل لوله‌ها تزریق شده و از محل نشت خارج می‌شوند، پی برده و ... .

کاربرد انرژی اتمی در بخش بهداشتی

بر طبق آمارهای سازمان بهداشت جهانی ، میزان افراد سرطانی در کشورهای در حال توسعه تا سال 2015 هر ساله 10 میلیون نفر افزایش می‌یابد. این در حالی است که شیوه‌های زندگی در حال تغییر است. اکثر کشورهای در حال توسعه دارای متخصصین کافی در این زمینه یا دستگاههای رادیو تراپی نمی‌باشند تا بتوانند بطور موثر و ایمن با بیماران سرطانی خود تعامل کنند. در حدود 15 کشور آفریقایی و جند کشور آسیایی ، حتی یک رادیو تراپی نیز وجود ندارد. آژانس بین المللی انرژی اتمی در این زمینه برای کمک به کشورها برنامه‌هایی را تدارک دیده است. همجنین از تکنیکهای هسته‌ای در داروهای هسته‌ای نیز استفاده می‌شود و در طول سال اخیر آزانس 5 دوره آزمایش فقط در آسیای غربی در این خصوص برگذار نموده است.

سایر کاربردهای انرژی هسته‌ای

• کاربردهای پزشکی: بطور کلی می‌توان موثر در ذیل را به عنوان مصادیق کاربرد تکنیکهای هسته‌ای در حوزه پزشکی نام برد.
  
  

1. تهیه و تولید رادیو داروی ید-131، حهت تشخیص بیماریهای تروئید و درمان آنها.
2. تهیه و تولید کیتهای رادیو دارویی جهت مراکز پزشکی هسته‌ای.
3. کنترل کیفی رادیو داروهای خوراکی و تزریقی برای تشخیص ودرمان بیماریها.
   
   

• کاربرد انرژی اتمی در بخش دامپزشکی و دامپروری.
• کاربرد تکنیکهای هسته‌ای در مدیریت منابع آب.
• کاربرد انرژی هسته‌ای در بخش صنایع غذایی و کشاورزی.
• کاربرد انرژی در صنایع.
• کاربرد تکنیک هسته‌ای در شناسایی مینهای ضد نفر.
• کاربرد انرژی اتمی در تولید الکتریسته.

انرژی هسته‌ای در ایران

جمهوری اسلامی ایران بیش از سه دهه است که تحقیقات متنوعی را در زمینه‌های مختلف علوم و تکنولوژی هسته‌ای انجام داده و براساس استراتژی خود ، مصمم به ایجاد نیروگاههای هسته‌ای به ظرفیت کل 6000 مگاوات تا سال 1400 هجری شمسی می‌باشد. در این زمینه ، جمهوری اسلامی ایران در نشست گذشته آژانس بین المللی انرژی اتمی ، تمایل خود را نسبت به همکاری تمامی کشورهای جهان جهت ایجاد این نیروگاهها و تهیه سوخت مربوطه رسما اعلام نموده است.

همجوشی هسته ای

مقدمه

از دیرباز آرزوی بشر دستیابی به منبعی از انرژی بوده که علاوه بر آنکه بتواند مدت مدیدی از آن استفاده کند، تولید پسماندهای خطرناک نیز در پی نداشته باشد. اکنون در هزاره سوم میلادی این آرزوی به ظاهر دست نیافتنی کم کم به واقعیت می‌پیوندد. اکنون بشر خود را آماده می‌کند تا با ساخت اولین رآکتور گرما هسته‌ای (همجوشی هسته‌ای) آرزوی نیاکان خود را تحقق بخشد. سوختی پاک و ارزان به نام هیدروژن انرژی تولیدی سرشار و پسماندی بسیار پاک به نام هلیوم. اکنون به واکنشهای گرما هسته‌ای و راهکارهای استفاده از آن می‌پردازیم.

خورشید و ستارگان

سالهاست که دانشمندان واکنشی را که در خورشید و ستارگان رخ داده و در آن انرژی تولید می‌کند کشف کرده‌اند. این واکنش عبارت است از ترکیب (برخورد) هسته‌های چهار اتم هیدروژن معمولی و تولید یک هسته اتم هلیوم. اما مشکلی سر راه این نظریه است. بالاترین دمایی که در خورشید وجود دارد مربوط به مرکز آن است که برابر 15ضرب در 10 به توان 6 می‌باشد. در حالی که در ستارگان بزرگتر این دما به 20 ضرب در ده به توان 6 می‌رسد. به همین خاطر تصور بر این است که آن واکنش معروف ترکیب چهار اتم هیدروژن معمولی و تولید یک اتم هلیوم در سایر ستارگان بزرگ نیست که باعث تولید انرژی می‌شود.

بلکه احتمالا چرخه کربن در آنها به کمک آمده و کوره آنها را روشن نگه می‌دارد. منظور از چرخه کربن آن چرخه‌ای نیست که روی زمین اتفاق می‌افتد، بلکه به این صورت است که ابتدا یک اتم هیدروژن معمولی با یک اتم ¹²C ترکیب می‌شود (همجوشی) و یک اتم ¹³N به همراه یک واحد پرتو گاما را آزاد می کند. بعد این اتم با یک واپاشی به یک اتم ¹³C به علاوه یک پوزیترون و یک نوترینو تبدیل می‌شود. بعد این ¹³C دوباره با یک اتم هیدروژن ترکیب می‌شود و ¹⁴N و یک واحد گاما حاصل می‌شود.

دوباره در اثر ترکیب این نیتروژن با یک هیدروژن معمولی اتم ¹⁵O و یک واحد گاما تولید می‌شود و ¹²C واپاشی کرده و ¹⁵N به علاوه یک پوزیترون و یک نوترینو را بوجود می‌آورد. و دست آخر با ترکیب ¹⁵N با یک هیدروژن معمولی ¹²C به علاوه یک اتم هلیوم بدست می‌آید.

دیدید که در این چرخه ¹²C نه مصرف شد و نه بوجود آمد، بلکه فقط نقش کاتالیزگر را داشت. این واکنشها به ترتیب و پشت سر هم انجام می‌شوند. و واکنش اصلی همان تبدیل چهار اتم هیدروژن به یک اتم هلیوم است. مزیت چرخه کربن این است که سرعت کار را خیلی بالا می‌برد. ولی اشکالی که دارد این است که در دمای حد اقل20 ضرب در ده به توان 6 شروع می‌شود. بنابراین احتمال زیادی می‌رود که در ستاره‌های بزرگتر چرخه کربن باعث تولید انرژی می‌شود.

محصور سازی

یک تعریف ساده و پایه‌ای از همجوشی عبارت است از فرو رفتن هسته‌های چند اتم سبکتر و تشکیل یک هسته سنگین‌تر. مثلا واکنش کلی همجوشی که در خورشید رخ می‌دهد عبارت است از برخورد هسته‌های چهار اتم هیدروژن و تبدیل آنها به یک اتم هلیوم. تا اینجا ساده به نظر می‌رسد، ولی مشکلی اساسی سر راه است می‌دانید هسته از ذرات ریزی تشکیل شده است که پروتون و نوترون جزء لاینفک آن هستند. نوترون بدون بار و پروتون با بار مثبت که سایر بارهای مثبت را به شدت از خود می‌راند. مشکل مشخص شد؟ بله … اگر پروتونها (هسته‌های هیدروژن) یکدیگر را دفع می‌کنند، چگونه می‌توان آنها را در همجوشی شرکت داد؟

همانطور که حدس زدید راه حل اساسی آن است که به این پروتونها آن قدر انرژی بدهیم که انرژی جنبشی آنها بیشتر از نیروی دافعه کولنی آنها شود و پروتونها بتوانند به اندازه کافی به هم نزدیک شوند. حال چگونه این انرژی جنبشی را تولید کنیم؟ گرما راه حل خوبی است. در اثر افزایش دما جنب و جوش و به عبارت دیگر انرژی جنبشی ذرات بیشتر و بیشتر می‌شود، بطوری که تعداد برخوردها و شدت آنها بیشتر و بیشتر می‌شود. به نظر شما آیا دیگر مشکلی وجود ندارد؟ خیر ، مسئله اساسیتری سر راه است.

یک سماور پر از آب را تصور کنید. وقتی سماور را روشن می‌کنید با این کار به آب درون سماور گرما می‌دهید (انرژی منتقل می‌کنید). در اثر این انتقال انرژی دمای آب رفته رفته بالاتر می‌رود و به عبارتی جنب و جوش مولکولهای آب زیاد می‌شود. در این حالت بین مولکولهای آب برخوردهایی پدید می‌آید. هر مولکول که از شعله (یا المنت یا هر چیز دیگری) مقداری انرژی دریافت کرده است آنقدر جنب و جوش می‌کند تا بالاخره (به علت محدود بودن محیط سماور و آب) انرژی خود را به دیگری بدهد. مولکول بعدی نیز به نوبه خود همین عمل را انجام می‌دهد. بدین ترتیب رفته رفته انرژی منبع گرما در تمام آب پخش می‌شود و دمای آب بالا می‌رود. آیا وقتی بدنه سماور را لمس می‌کنیم هیچ گرمایی حس نمی کنیم؟ …بله حس می کنیم.

دلیلش هم برخورد مولکولهای پر انرژی آب با بدنه سماور و انتقال انرژی خود به آن. هدف ما از روشن کردن سماور گرم کردن آب بود نه سماور. امیدوارم تا اینجا پاسخ اولین مشکل اساسی بر سر راه همجوشی را دریافت کرده باشید. بله اگر اگر با صرف هزینه و زحمت بالا سوخت را به دمایی معادل میلیونها درجه کلوین برسانیم آیا این اتمها آنقدر صبر خواهند کرد تا با دیگر اتمها وارد واکنش شوند یا در اولین فرصت انرژی بالای خود را به دیواره داده و آن را نابود می‌کند؟ بنابراین نیاز به محصور سازی داریم، یعنی باید به طریقی اجازه ندهیم که این گرما به دیواره منتقل شود.

 

شروع واکنش همجوشی به دمای بسیار بالایی نیازمند است. درست است که دمای پانزده میلیون درجه دمای بسیار بالایی است و تصور بوجود آوردنش روی زمین مشکل و کمی هم وحشتناک می‌باشد، ولی معمولا در زندگی روزمره دور و برمان دماهای خیلی بالایی وجود دارند و ما از آنها غافلیم. مثلا وقتی در اثر اتصالی سیمهای برق داخل جعبه تقسیم می‌سوزد و شما صدای جرقه آنرا می‌شنوید و پس از بررسی متوجه می‌شوید که کاملا ذوب شده فقط بخاطر دمای وحشتناکی بوده که آن داخل بوجود آمده. این دما به حدود سی - چهل هزار درجه کلوین می‌رسد.

البته این دما برای همجوشی حکم طفل نی سواری را دارد. یا اینکه می‌توانیم با استفاده از ولتاژهای بسیار بالا قوسهای الکتریکی را از درون لوله‌های موئین عبور بدهیم. به این ترتیب دمای هوای داخل لوله که اکنون به پلاسما تبدیل شده به نزدیک چند میلیون درجه می‌رسد (که باز هم برای همجوشی کم است). یکی از بهترین راهها استفاده از لیزر است. می‌دانید که لیزرهایی با توانهای بسیار بالا ساخته شده‌اند. مثلا نوعی از لیزر به نام لیزر نوا (NOVA) می‌تواند در مدت کوتاهی انرژی معادل ده به توان پنج ژول تولید کند.

اما باز هم در کنار هر مزیت معایبی هست. مثلا این لیزر تبعا انرژی زیادی مصرف می‌کند که حتی با صرف نظر از آن مشکل دیگری هست که می‌گوید، اگر انرژی تولیدی لیزر در آن مدت کوتاه باید تحویل داده بشود پس برای برقرار ماندن معیار لاوسن (حالا که مدت زمان محصور سازی پایین آمده) باید چگالی بالاتر برود. که در این مورد از تراکم و چگالی جامد هم بالاتر می‌رود.

انواع واکنشها

برای بهینه سازی کار رآکتورهای همجوشی و افزایش توان خروجی آنها راههای متعددی وجود دارد. یکی از این راهها انتخاب نوع واکنشی است که قرار است در رآکتور انجام بشود. واکنش زیر نوعی از واکنش همجوشی به صورتی است که در آن دو هسته سبک با یکدیگر واکنش داده و یک هسته سنگین‌تر را بوجود می‌آورند. یعنی حاصل ترکیب دو هسته دوتریم و تولید یک هسته ترتیم به علاوه یک هسته هیدروژن معمولی است. این واکنش انرژی ده می‌باشد. چون تفاوت انرژی بستگی هسته سنگین‌تر و هسته‌های سبکتر مقداری منفی است.

در این واکنش مقدار انرژی تولیدی برابر MeV4 می‌باشد. قبلا گفته شد که باید برای انجام همجوشی هسته‌ها به اندازه کافی به هم نزدیک بشوند. این مقدار کافی حدودا معادل 3 fm می‌باشد. چون در این فاصله‌ها انرژی پتانسیل الکتروستاتیکی دو دوترون در حدود MeV 0.5 هست پس می‌توانیم با این مقدار انرژی دادن به یکی از دوترونها دافعه کولنی بین دوترونها شکسته و واکنش را شروع کنیم که بعد از انجام مقدار MeV 4.5 تولید می شود (MeV 0.5 انرژی جنبشی به علاوه 4 MeV انرژی آزاد شده).

زنجیره پروتون_پروتون
پروتونها جهت تشکیل اتمهای هلیوم پیچیده‌تر
تصادم می‌کنند و گداخته می‌شوند. در این فرآیند
آنها ذراتی پر انرژی نظیر نوترینو ،
پوزیترون و فوترون آزاد می‌کنند.

می‌توانیم رآکتور خود را طوری طراحی کنیم که دور دیواره بیرونی آن لیتیوم مایع تحت فشار جریان داشته باشد. این لیتیوم مایع گرمای تولیدی اضافی را از واکنش گرفته و به آب منتقل می‌کند و با تبدیل آن به بخار باعث می‌شود که توربین و ژنراتور به حرکت در آیند و برق تولید بشود.

اما چرا لیتیم؟

قبلا دیدید که مقرون به صرفه ترین واکنش در راکتور همجوشی واکنش دوتریم - ترتیم است. در این واکنش دیدید که یک نوترون پر انرژی تولید می‌شد. این مسأله یعنی نوترون زایی می‌تواند سبب تضعیف بخشهایی از رآکتور شود. از طرفی برای محیط زیست و مخصوصا سلامتی کسانی که در اطراف رآکتور فعالیت می‌کنند بسیار مضر است. اما اگر لیتیوم را به عنوان خنک کننده داشته باشیم این جریان لیتیم همچنین نقش مهم کند کنندگی را بازی خواهد کرد. به این صورت که با نوترون اضافی تولید شده در واکنش ترکیب شده و سوخت گران قیمت و بسیار کمیاب رآکتور رو که همان تریتیوم است تولید می‌کند. واکنش دقیق آن به شکل زیر است. البته در این مورد باید ضخامت لیتیوم مایع در جریان حداقل یک متر باشد.

 

واکنش های هسته ای

واکنشهای هسته‌ای (Reactions Nuclear)

تبدیلات خود بخودی یا مصنوعی بعضی از هسته‌های اتمی به هسته دیگر که نتیجه بهم خوردن ترکیب ساختمان هسته یا تغییر در تعداد نوکلئونها (ذرات هسته‌ای) است واکنشهای هسته‌ای نام دارند.

روشهای انجام واکنشهای هسته‌ای

• تجزیه کامل تمامی هسته‌ها زمانی که بوسیله یک ذره یا انرژی فوق العاده زیاد برخورد کند (یا ذره دیگری جذب کنند) معمولا نوترون است.
  
  
• شکست هسته به دو هسته غیر مساوی توأم با انتشار پروتون ، نوترون ، ذره آلفا ، اشعه گاما و واکنشهای ترکیب هسته‌ای که تشکیل یک هسته سنگینتر در اثر تجدید ساختمان هسته عناصر سبکتر که همراه با آزاد شدن مقادیر زیاد انرژی است ، صورت می‌گیرد.
  
  
• انرژی حاصل از واکنشهای ترکیب یا (همجوشی) 8 برابر بیشتر از انرژی هسته‌ای واکنشهای شکست هسته‌ای است.

راههای مختلف تولید انرژی هسته‌ای

• شکافت هسته‌ای
• همجوشی هسته‌ای

شکافت هسته‌ای (Nuclear Fission)

فرض می شود نوترون منفردی به یک قطعه ایزوتوپ ²³⁵U نفوذ کند در اثر برخورد به هسته اتم ²³⁵U ، اورانیوم به دو قسمت شکسته می‌شود، مقادیر زیادی نیز انرژی آزاد می‌گردد. در حدود (200Mev) اما مسئله مهمتر اینکه نتیجه شکستن هسته ²³⁵U آزادی دو نوترون است که می‌تواند دو هسته دیگر را شکسته و چهار نوترون را بوجود آورد.

این چهار نوترون نیز چهار هسته ²³⁵U را می‌شکند چهار هسته شکسته شده تولید هشت نوترون می‌کنند که قادر به شکستن همین تعداد هسته اورانیوم می‌باشند، سپس شکست هسته‌ای و آزاد شدن نوترونها بصورت زنجیروار به سرعت تکثیر و توسعه می‌یابد.

در هر دوره تعداد نوترونها دو برابر می‌شود، در یک لحظه واکنش زنجیری خود بخودی شکست هسته‌ای شروع می‌گردد. در واکنشهای کنترل شده تعداد شکست در واحد زمان و نیز مقدار انرژی به تدریج افزایش یافته و پس از رسیدن به مقداری دلخواه ثابت نگهداشته می‌شود. فرض کنیم یک ذره (a) به یک هسته ساکن (x) برخورد کند در نتیجه در واکنشهای هسته‌ای هسته (y) و ذره (b) تولید می‌شود که این واکنش را بصورت زیر می‌نویسم:

a + x → b + y

مراحل شکست ²³⁵U

¹n + ²³⁵U → ²³⁴U → ¹⁴⁴Ba+⁸⁹Kr + 3 ¹n

در واکنش اخیر در نتیجه برخورد نوترون حرارتی به ²³⁵U آن را به ²³⁵U تحریک شده تبدیل می‌کند. نهایتا اورانیوم تحریک شده نیز بعد از شکافت ، به باریم و کریپتون و سه تا نوترون تولید می‌شود.

مواد قابل شکست (Fissionable Materials)

موادی که وقتی تحت تابش نوترون قرار می‌گیرند انجام یک واکنش شکست هسته ای را ممکن می سازند چنین خاصیتی در عناصر زیر وجود دارد: ²³⁹Pu ، ²³⁵U ، ²³⁵U ، ایزوتوپ ²³³U ، ²³⁵U بطور مصنوعی در راکتورهای هسته‌ای با تاباندن نوترون به ²³³Th بوجود می‌آید.

محصولات شکست اورانیوم (Uranium Fission Puroduets)

زمانی که هسته اتمی ²³⁵U به دو قسمت شکسته می‌شود عناصر زیر تولید می‌شوند: استرتیوم 90 ، کریپتون 91 ، ایتریوم 91 ، زیرکونیوم 95 ، ¹²⁶I ، ¹³⁷U ، باریم 142 ، سریم 144 قابل ذکر هستند.

همجوش هسته‌ای (Nuclear Fusion)

همجوشی هسته‌ای عبارت است از اتحاد عناصر سبک برای تشکیل عناصر سنگین تر که نوع واکنش را واکنش همجوشی گویند تا بحال در انفجار بمب هیدروژنی قوی و بسیار خوب تشخیص داده شده است. این واکنش برای انسان چندان مفید نیست و بنابراین دانشمندان بطور جدی کوشش می کنند تا واکنش همجوشی را کنترل کنند یعنی در کیف کاهش سرعت واکنش به درجه‌ای که بتواند برای مقاصد صلح جویانه مفید باشد.

در مرحله اول این واکنشها بصورت کنترل شده برای تولید برق استفاده می‌شود. همچنین انرژی تولید شده در این واکنش 8 برابر انرژی تولید شده سر در شکافت هسته‌ای می‌باشد. منشأ انرژی تابشی خورشید و دیگر ستاره‌ها یک سری از واکنشهای هسته‌ای انرژی زا است. اتمهایی که دراین واکنشها در درون ستاره شرکت می‌کنند کاملا یونیزه‌اند. یعنی تمامی الکترونها از آن کنده شده است. چنین مجموعه‌ای از ذرات باردا را پلاسما می‌نامند.

دوتریوم و تریتیوم ایزوتوپهای هیدروژن مواد قابل احتراق همجوشی هسته‌ای را تشکیل می‌دهند. هسته دوتریوم از یک نوترون و یک پروتون تشکیل می‌یابد. هسته تریتیوم دارای دو نوترون و یک پروتون است.

سوختهای همجوشی

ملاحظات فرآیندهای طبیعی و نتایج حاصل از آنها نشان داده است که واکنشهای همجوشی گوناگونی وجود دارد. از جمله از واکنشهای همجوشی هسته‌ای واکنش دوترون با تریتیوم می‌باشد.

معادله واکنشهای همجوشی هسته‌ای

نخستین واکنش همجوشی قابل کنترل توسط رابطه زیر ارائه شد (ترکیب ایزوتوپهای هیدوژن)

²H + ³H → ¹n + ⁴He

در این واکنش انرژیی معادل 17.6 Mev آزاد می‌شود، که از آن می‌شود در کادبردهای صنعتی و نظامی استفاده نمود.

نیروگاه حرارتی

مقدمه

نیروگاه حرارتی جهت تولید انرژی الکتریکی بکار می‌رود که در عمل پره‌های توربین بخار توسط فشار زیاد بخار آب ، به حرکت در آمده و ژنراتور را که با توربین کوپل شده است، به چرخش در می‌آورد. در نتیجه ژنراتور انرژی الکتریکی تولید می‌کند. نیروگاه حرارتی به مقدار زیادی آب نیاز دارد. در نتیجه در محلهایی که آب به فراوانی یافت می‌شود، ترجیحا از این نوع نیروگاه استفاده می‌شود. چون انرژی الکتریکی را به روشهای دیگری ، مثل انرژی آب در پشت سدها (توربین آبی) ، انرژی باد (توربین بادی) ، انرژی سوخت (توربین گازی) و انرژی اتمی هم می‌توان تهیه کرد. سوخت نیروگاه حرارتی شامل ، فروت و یا گازوئیل طبیعی است.

مشخصات فنی نیروگاه

سوخت

سوخت اصلی نیروگاه ، سوخت سنگین (مازوت) می‌باشد که توسط تانکرها حمل و از طریق ایستگاه تخلیه سوخت در سه مخزن 33000 متر مکعبی ذخیره می‌گردد. سوخت راه اندازی ، سوخت سبک (گازوئیل) است که در یک مخزن 430 متر مکعبی نگهداری می‌شود.

آب

آب مصرفی نیروگاه ، جهت تولید بخار و مصرف برج خنک کن و سیستم آتش نشانی ، از طریق چاه عمیق تامین می‌گردد.

سیستم خنک کن

برج خنک کن نیروگاه از نوع تر می‌باشد و 18 عدد فن (خنک کن) دارد که هر یک دارای الکتروموتوری به قدرت 132kw و سرعت سرعت 141RPM می‌باشد و بوسیله دو عدد پمپ توسط لوله‌ای به قطر 5.2 متر آب مورد نیاز خنک کن تامین می‌گردد. دمای آب برگشتی در برج خنک کن 29.6 درجه سانتیگراد و دمای آب خروجی از برج 21.6 درجه سانتیگراد می‌باشد.

سیستم تصفیه آب

سیستم تصفیه آب جهت برج خنک کن

آب لازم جهت برج خنک کن بایستی فاقد املاحی باشد که سریعا در لوله‌های کندانسور رسوب می‌کنند (از قبیل بی‌کربناتها). این املاح با افزودن کلرورفریک ، آب آهک و آلومینات سدیم گرفته می‌شود و سپس رسوبات جمع شده توسط یک جاروب جمع کننده به بیرون منتقل می‌شوند. به این آب که بدون سختی بی کربنات باشد، آب نرم می‌گویند. آب نرم وارد دو استخر ذخیره شده و از آنجا توسط پمپهایی جهت تامین کمبود آب به برج خنک کن فرستاده می‌شود. برای از بین بردن خزه و جلبک در این استخر ، سیستم تزریق کلر طراحی شده است.

سیستم تصفیه آب جهت تولید بخار

چون آب مورد نیاز برای تولید بخار و جبران کمبود سیکل آب و بخار بایستی کیفیت بسیار بالایی داشته باشد، لذا برای این منظور از یک سیستم مشترک برای هر دو واحد استفاده می‌شود. بعد از اینکه مقداری از سختی آب گرفته شد، وارد سه دستگاه فیلتر شنی می‌شود، سپس به مخزن ذخیره وارد و از آنجا توسط سه عدد پمپ به طرف فیلتر کربنی فعال فرستاده می‌شود، تا کلر موجود در آب بوسیله زغال فعال جذب شود. بعد از این فیلتر یک مبدل حرارتی در نظر گرفته شده که دمای آب را در 25 درجه سانتیگراد ثابت نگه می‌دارد.

سپس این آب وارد دو دستگاه فیلتر 5 میکرونی شده و ذراتی که قطر آنها بیشتر از 5 میکرون می‌باشند، توسط این فیلترها جذب و وارد دو دستگاه ریورس اسمز می‌گردد. در این دستگاه 90% املاح محلول در آب گرفته می‌شود. آب پس از این مرحله وارد مخزن زیرزمینی می‌گردد. سپس توسط سه پمپ به فیلترهای کاتیونی و آنیونی وارد شده و پس از تنظیم PH و کنترل از نظر شیمیایی به مخازن ذخیره آب وارد و مورد استفاده قرار می‌گیرد.

بویلر

بویلر نیروگاه دارای درام بالائی و پائینی بوده و به صورت گردش اجباری توسط سه عدد پمپ سیرکوله (Boiler Circulation Watepump) و کوره ، تحت فشار می‌باشد. درام بالایی معمولا به وزن 110 تن در ارتفاع 50.6 متری و ضخامت جداره 11 سانتیمتر می‌باشد. بویلر دارای 16 مشعل هست که در چهار طبقه و در چهار گوشه با زاویه ثابت قرار گرفته‌اند. مشعلهای ردیف پائین برای هر دو سوخت مازوت و گازوئیل بکار می‌رود.

توربین

نیروگاه از نوع ترکیب متوالی در یک امتداد (Tadem Compound) و دارای سه سیلندر فشار قوی ، فشار متوسط و فشار ضعیف می‌باشد که توربین فشار قوی و فشار متوسط در یک پوسته قرار گرفته و در پوسته دیگر توربینهای فشار ضعیف قرار دارند. توربین فشار قوی 8 طبقه و توربین فشار متوسط 5 طبقه و توربین فشار ضعیف با دو جریان متقارن و هر یک دارای 5 طبقه است. بخار از طریق دو عدد شیر اصلی در دو طرف توربین و شش عدد شیر کنترل وارد توربین فشار قوی شده و بعد از انبساط در چندین طبقه از توربین به بویلر بر می‌گردد. سپس وارد توربین فشار متوسط شده و بعد از انبساط توسط یک لوله مشترک وارد توریبن فشار ضعیف گردیده و به طرف کندانسور می‌رود.

کندانسور

کندانسور نیروگاه از نوع سطحی یک عبوری با جعبه آب مجزا می‌باشد که در زیر توریبن فشار ضعیف قرار گرفته است. برای ایجاد خلا کندانسور از دو نوع سیستم استفاده می‌شود که سیستم اول در موقع راه اندازی و توسط یک مکنده هوا انجام می‌یابد. در طول بهره برداری خلا لازم توسط دو دستگاه پمپ تامین می‌گردد که این پمپها فشار داخل کندانسور را کاهش می‌دهند.

ژنراتور

ژنراتور طوری طراحی شده است که در مقابل اتصال کوتاه و نوسانات ناگهانی بار و احیانا انفجار هیدروژن در داخل ماشین مقاومت کافی داشته باشد. سیستم تحریک آن شامل یک اکساتیر پیلوت (Pilot exiter) با ظرفیت 45 کیلوولت آمپر می‌باشد و جریان تحریک اکسایتر پیلوت در لحظه Flashing از طریق باطری خانه تامین می‌شود. ضمنا سیم پیچهای دستگاه توسط هوا خنک کاری می‌شوند.

ترانسفورمرها و تغذیه داخلی نیروگاه

• ترانس اصلی (Main Ttansformer):این ترانس به صورت سه تک فاز با ظرفیت هر کدام 150 مگا ولت آمپر و فرکانس 50 هرتز و امپرانس ولتاژ 14.2 درصد به عنوان Step Up Tranformer ، جهت بالا بردن ولتاژ خروجی ژنراتور از 20 کیلو ولت تا 230 کیلو ولت بکار رفته است. در ضمن نسبت تبدیل ، 10.20%±247 کیلو ولت می‌باشد.
  
  
• ترانس واحد (Unit Transformer):این ترانس با ظرفیت 35/22/22 مگا ولت آمپر و نسبت تبدیل 3/316/516%±20 و فرکانس 50 هرتز و امپدانس ولتاژ 8.5% و تپ چنجر Off- Loud ، ولتاژ 20 کیلو ولت خروجی ژنراتور را تبدیل به 6 کیلو ولت نموده و به منظور تامین مصارف داخلی نیروگاه در حین بهره برداری بکار می‌رود.
  
  
• ترانس استارتینگ (Start up Trans): این ترانس به تعداد دو عدد ، به نامهای LTB و LTA و با ظرفیت 25/25/25 مگا ولت آمپر و نسبت تبدیل 10%±3/6/10%± کیلو ولت و فرکانس 50 هرتز و امپدانس 10% و تپ چنجر On Lead ، ولتاژ 230 کیلو ولت شبکه را تبدیل به 6 کیلو ولت نموده و شینه‌ها را طبق شکل شماتیک ضمیمه تغذیه می‌نماید.
  
  
• ترانس تغذیه (Auxiliary Trans): ترانس تغذیه در ظرفیتهای مختلف 630/1600/2500 کیلو ولت آمپر ، ولتاژ 6 کیلو ولت را تبدیل به 400 ولت می‌نماید که جهت تامین مصارف داخلی فشار ضعیف بکار می‌رود.

سیستم آتش نشانی

• آب: کلیه قسمتهای نیروگاه (ساختمان شیمی ، ماشین خانه ، بویلر ، کارگاه ، انبار و ...) و محوطه مجهز به سیستم آب آتش نشانی می‌باشند.
  
  
• فوم: کلیه قسمتهای سوخت رسانی اعم از مخازن سوخت سبک و سنگین و ایستگاه تخلیه سوخت ، بویلر دیزل اضطراری و بویلر کمکی مجهز به سیستم فوم می‌باشند.
  
  
• گاز CO₂: کلیه سیستمهای الکتریکی از قبیل ساختمان الکتریکی و... توسط گاز CO₂ حفاظت می‌گردد.

نیروگاه اتمی

نیروگاه اتمی در واقع یک بمب اتمی است که به کمک میله‌های مهارکننده و خروج دمای درونی بوسیله مواد ‏خنک کننده مثل آب و گاز ، تحت کنترل در آمده است. اگر روزی این میله‌ها و یا پمپهای انتقال دهنده مواد ‏خنک کننده وظیفه خود را درست انجام ندهند، سوانح متعددی بوجود می‌آید و حتی ممکن است نیروگاه نیز ‏منفجر شود، مانند فاجعه نیروگاه چرنوبیل شوروی سابق.

دید کلی

طی سالهای گذشته اغلب کشورها به استفاده از این نوع انرژی هسته‌ای 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 ‏مهمتری 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 موقتا مجبور به تجدید نظر در ‏برنامه‌های اتمی خود کرد.

‏

ساختار نیروگاه اتمی

نیروگاه اتمی از مواد مختلفی شکل گرفته است که همه آنها نقش اساسی و مهم در تعادل و ادامه حیات آن را دارند. ‏این مواد عبارتند از:

ماده سوخت

ماده سوخت متشکل از اورانیوم طبیعی ، اورانیوم غنی شده ، اورانیوم و پلوتونیم است. که سوختن اورانیوم بر ‏اساس واکنش شکافت هسته‌ای صورت می‌گیرد.‏

نرم کننده‌ها

‎‏نرم کننده‌ها 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 ‏بکار برده می‌شوند.‏

میله‌های مهارکننده

این میله‌ها از مواد جاذب نوترون درست شده‌اند و وجود آنها در داخل راکتور اتمی ‏الزامی است و مانع افزایش ناگهانی تعداد نوترونها در قلب راکتور می‌شوند. اگر این میله‌ها کار اصلی خود را ‏انجام ندهند، در زمانی کمتر از چند هزارم ثانیه قدرت راکتور چند برابر شده و حالت انفجاری یا دیورژانس ‏راکتور پیش می‌آید. این میله ها می توانند از جنس عنصر کادمیم و یا بور باشند.‏

مواد خنک کننده یا انتقال دهنده انرژی حرارتی

این مواد انرژی حاصل از شکست اورانیوم را به خارج ‏از راکتور انتقال داده و توربینهای مولد برق را به حرکت در می آورند و پس از خنک شدن مجدداً به داخل ‏راکتور 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 ، هلیوم گازی و یا سدیم مذاب باشند.‏

طرز کار نیروگاه اتمی

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 ²³⁵U 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 دو تکه شکست و تعدادی نوترون می‌شود.

بطور متوسط تعداد نوترونها به ازای هر 100 اتم شکسته شده 247 عدد است و این نوترونها اتمهای ‏دیگر را می‌شکنند و اگر کنترلی در مهار کردن تعداد آنها نباشد واکنش شکست در داخل توده اورانیوم به ‏صورت زنجیره‌ای انجام می‌شود 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 ‏‎ Mev‎‏200 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 زنجیره‌ای انجام شود، در کمتر از هزارم ثانیه مشابه بمب اتمی عمل خواهد کرد. اما ‏اگر تعداد شکستها 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 بوجود می‌آید. ‏

نمونه عملی

نیروگاهی که دارای 10 تن اورانیوم طبیعی است قدرتی معادل با 100 مگاوات خواهد داشت و بطور متوسط ‏‏105 گرم ²³⁵U در روز در این نیروگاه شکسته می شود و همانطور که قبلا گفته شد در اثر جذب ‏نوترون بوسیله ایزوتوپ ²³⁹U ، ²³⁸U بوجود می‌آمد که بعد از دو بار انتشار ذرات بتا (‏الکترون) به ²³⁹Pu تبدیل می‌شود که خود مانند ²³⁵U شکست پذیر است. در این عمل 70 گرم ‏پلتونیوم حاصل می‌شود.

ولی اگر نیروگاه سورژنراتور باشد و تعداد نوترونهای موجود در نیروگاه زیاد باشند مقدار جذب به مراتب ‏بیشتر از این خواهد بود و مقدار پلتونیومهای بوجود آمده از مقدار آنهایی که شکسته می‌شوند بیشتر خواهند ‏بود. در چنین حالتی بعد از پیاده کردن میله‌های سوخت می‌توان پلتونیوم بوجود آمده را از اورانیوم و ‏فرآورده‌های شکست را به کمک واکنشهای شیمیایی بسیار ساده جدا و به منظور تهیه بمب اتمی ذخیره کرد.

 

غنی سازی اورانیوم

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 با دستگاه سانتریفیوژ

سانتریفیوژ دستگاهی است که برای جدا سازی مواد از یکدیگر بر اساس وزن آنها استفاده می‌شود. این دستگاه مواد را با سرعت زیاد حول یک محور به گردش در می‌آورد و مواد متناسب با وزنی که دارند از محور فاصله می‌گیرند. در واقع در این روش برای جدا سازی مواد از یکدیگر از شتاب ناشی از نیروی گریز از مرکز استفاده می‌گردد، کاربرد عمومی این دستگاه برای جداسازی مایع از مایع و یا مایع از جامد است. سانتریفیوژهایی که برای غنی سازی اورانیوم استفاده می‌شود حالت خاصی دارند که برای گاز تهیه شده‌اند که به آنها Hyper-Centrifuge گفته می‌شود. پیش از آنکه دانشمندان از این روش برای غنی سازی اورانیوم استفاده کنند از تکنولوژی خاصی بنام Gaseous Diffusion به معنی پخش و توزیع گازی استفاده می‌کردند.

غنی سازی با دیفوزیون گازی Gaseous Diffusion

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 (^7-‏25x10 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. Gaseous Diffusion از جمله تکنولوژیهایی بود که ایالات متحده طی جنگ جهانی دوم در پروژه‌ای بنام منهتن (Manhattan) برای ساخت بمب هسته‌ای ، با کمک انگلیس و کانادا به آن دست پیدا کرد.

در این روش با تکرار استفاده از این صفحات فیلتر مانند ، بصورت آبشاری (Cascade) ، میزان ²³⁵U را به مقدار دلخواه بالا می‌بردند. این روش اولین راهکارهای صنعتی برای غنی سازی اورانیوم بود که کابرد عملی پیدا کرد. نمونه‌ای از سانتریفیوژهای گازی آبشاری که برای غنی سازی اورانیوم از آنها استفاده می‌شود. Hyper-Centrifuge اما در روش استفاده از سانتریفیوژ برای غنی سازی اورانیوم ، تعداد بسیار زیادی از این دستگاهها بصورت سری و موازی بکار می‌برند تا با کمک آن بتوانند غلظت ²³⁵U را افزایش دهند.

گاز هگزافلوراید اورانیوم (UF6) در داخل سیلندرهای سانتریفیوژ تزریق می‌شود و با سرعت زیاد به گردش در آورده می‌گردد. گردش سریع سیلندر ، نیروی گریز از مرکز بسیار قوی تولید می‌کند و طی آن مولکولهای سنگینتر (آنهایی که شامل ایزوتوپ ²³⁸U هستند) از مرکز محور گردش دورتر می‌گردند و برعکس آنها که مولکولهای سبکتری دارند (حاوی ایزوتوپ ²³⁵U ) بیشتر حول محور سانتریفیوژ قرار می‌گیرند.

در این هنگام با استفاده از روشهای خاص گازی که حول محور جمع شده است جمع آوری شده به مرحله دیگر یعنی دستگاه سانتریفیوژ بعدی هدایت می‌گردد. میزان گاز هگزافلوراید اورانیوم شامل ²³⁵U که در این روش از یک واحد جداسازی بدست می‌آید به مراتب بیشتر از مقداری است که در روش قبلی (Gaseous Diffusion) بدست می‌آید، به همین علت است که امروزه در بیشتر نقاط جهان برای غنی سازی اورانیوم از این روش استفاده می‌کنند.

بزرگترین دستگاههای آبشاری سانتریفیوژ در کشورهایی مانند فرانسه ، آلمان ، انگلستان و چین در حال غنی سازی اورانیوم هستد. این کشورها علاوه بر مصرف داخلی به صادرات اورانیوم غنی شده نیز می‌پردازند. کشور ژاپن هم دارای دستگاههای بزرگ سانتریفیوژ است، اما تنها برای مصرف داخلی اورانیوم غنی شده تولید می‌کند.

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 می‌کند ( این نیرو به نیروی لورنتس معروف می‌باشد) 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.

کاربردهای اورانیوم غنی شده

• شرایطی ایجاد کرده اند که نسبت ²³⁵U به ²³⁸U را به 5 درصد می‌‏رساند. برای این کار و تخلیص کامل اورانیوم از سانتریفوژهای بسیار قوی استفاده ‏می‌کنند.
  
  
• برای ساختن نیروگاه اتمی ، اورانیوم طبیعی و یا اورانیوم غنی شده بین 1 تا 5 ‏درصد کافی است.
  
  
• برای تهیه بمب اتمی حداقل 5 تا 6 کیلوگرم ²³⁵U صد درصد خالص نیاز ‏است. در صنایع نظامی از این روش استفاده نمی‌شود و بمبهای اتمی را از ²³⁹Pu که سنتز و تخلیص شیمیایی آن بسیار ساده‌تر است تهیه ‏می‌کنند.

نحوه تولید سوخت پلوتونیوم رادیو اکتیو

این عنصر ناپایدار را در نیروگاههای بسیار قوی می‌سازند که تعداد نوترونهای ‏موجود در آنها از صدها هزار میلیارد نوترون در ثانیه در سانتیمتر مربع تجاوز ‏می‌کند. عملا کلیه بمبهای اتمی موجود در زراد خانه‌های جهان از این عنصر ‏درست می‌شود.‏ روش ساخت این عنصر در داخل نیروگاههای هسته‌ای به این صورت که ‏ایزوتوپهای ²³⁸U شکست پذیر نیستند، ولی جاذب نوترون کم انرژی هستند. تعدادی از نوترونهای حاصل از شکست ²³⁵U را ‏جذب می‌کنند و تبدیل به ²³⁹U می‌شوند. این ایزوتوپ از اورانیوم بسیار ‏ناپایدار است و در کمتر از ده ساعت تمام اتمهای بوجود آمده تخریب ‏می‌شوند.

در درون هسته پایدار ²³⁹U یکی از نوترونها خود به خود به ‏پروتون و یک الکترون تبدیل می‌شود. بنابراین تعداد پروتونها یکی اضافه شده و عنصر جدید را که 93 پروتون دارد ‏نپتونیوم می‌نامند که این عنصر نیز ناپایدار است و یکی از نوترونهای آن خود به ‏خود به پروتون تبدیل شده و در نتیجه به تعداد پروتونها یکی اضافه شده و عنصر ‏جدید پلوتونیم را که 94 پروتون دارد ایجاد می‌کنند. این کار حدودا در مدت یک هفته ‏صورت می‌گیرد.

 

راکتورهسته ای

دید کلی

راکتورهای هسته‌ای دستگاه‌هایی هستند که در آنها شکافت هسته‌ای کنترل شده رخ می‌دهد. راکتورها برای تولید انرژی الکتریکی و نیز تولید نوترون‌ها بکار می‌روند. اندازه و طرح راکتور بر حسب کار آن متغیر است. فرآیند شکافت که یک نوترون بوسیله یک هسته سنگین (با جرم زیاد) جذب شده و به دنبال آن به دو هسته کوچکتر همراه با آزاد سازی انرژی و چند نوترون دیگر شکافته می‌شود.

تاریخچه

اولین انرژی کنترل شده ناشی از شکافت هسته در دسامبر 1942 بدست آمد. با رهبری فرمی ساخت و راه اندازی یک پیل از آجرهای گرافیتی ، اورانیوم و سوخت اکسید اورانیوم با موفقیت به نتیجه رسید. این پیل هسته‌ای ، در زیر میدان فوتبال دانشگاه شیکاگو ساخته شد و اولین راکتور هسته‌ای فعال بود.

ساختمان راکتور

با وجود تنوع در راکتور‌ها ، تقریبا همه آنها از اجزای یکسانی تشکیل شده‌اند. این اجزا شامل سوخت ، پوشش برای سوخت ، کند کننده نوترونهای حاصله از شکافت ، خنک کننده‌ای برای حمل انرژی حرارتی حاصله از فرآیند شکافت ماده کنترل کننده برای کنترل نمودن میزان شکافت می‌باشد.

سوخت هسته‌ای

سوخت راکتورهای هسته‌ای باید به گونه‌ای باشد که متحمل شکافت حاصله از نوترون بشود. پنج نوکلئید شکافت پذیر وجود دارند که در حال حاضر در راکتورها بکار می‌روند. ²³²Th ، ²³³U ، ²³⁵U ، ²³⁸U ، ²³⁹Pu . برخی از این نوکلئیدها برای شکافت حاصله از نوترونهای حرارتی و برخی نیز برای شکافت حاصل از نوترونهای سریع می‌باشند. تفاوت بین سوخت یک خاصیت در دسته‌بندی راکتورها است.

در کنار قابلیت شکافت ، سوخت بکار رفته در راکتور هسته‌ای باید بتواند نیازهای دیگری را نیز تأمین کند. سوخت باید از نظر مکانیکی قوی ، از نظر شیمیایی پایدار و در مقابل تخریب تشعشعی مقاوم باشد، تا تحت تغییرات فیزیکی و شیمیایی محیط راکتور قرار نگیرد. هدایت حرارتی ماده باید بالا باشد بطوری که بتواند حرارت را خیلی راحت جابجا کند. همچنین امکان بدست آوردن ، ساخت راحت ، هزینه نسبتا پایین و خطرناک نبودن از نظر شیمیایی از دیگر فایده‌های سوخت است.

غلاف سوخت راکتور

سوختهای هسته‌ای مستقیما در داخل راکتور قرار داده نمی‌شوند، بلکه همواره بصورت پوشیده شده مورد استفاده قرار می‌گیرند. پوشش یا غلاف سوخت ، کند کننده و یا خنک کننده از آن جدا می‌سازد. این امر از خوردگی سوخت محافظت کرده و از گسترش محصولات شکافت حاصل از سوخت پرتو دیده به محیط اطراف جلوگیری می‌کند. همچنین این غلاف می‌تواند پشتیبان ساختاری سوخت بوده و در انتقال حرارت به آن کمک کند. ماده غلاف همانند خود سوخت باید دارای خواص خوب حرارتی و مکانیکی بوده و از نظر شیمیایی نسبت به برهمکنش با سوخت و مواد محیط پایدار باشد. همچنین لازم است غلاف دارای سطح مقطع پایینی نسبت به بر همکنشهای هسته‌ای حاصل از نوترون بوده و در مقابل تشعشع مقاوم باشد.

مواد کند کننده نوترون

یک کند کننده ماده‌ای است که برای کند یا حرارتی کردن نوترونهای سریع بکار می‌رود. هسته‌هایی که دارای جرمی نزدیک به جرم نوترون هستند بهترین کند کننده می‌باشند. کند کننده برای آنکه بتواند در راکتور مورد استفاده قرار گیرد بایستی سطح مقطع جذبی پایینی نسبت به نوترون باشد. با توجه به خواص اشاره شده برای کند کننده ، چند ماده هستند که می‌توان از آنها استفاده کرد. هیدروژن ، دوتریم ، بریلیوم و کربن چند نمونه از کند کننده‌ها می‌باشند. از آنجا که بریلیوم سمی است، این ماده خیلی کم به عنوان کند کننده در راکتور مورد استفاده قرار می‌گیرد. همچنین ایزوتوپهای هیدروژن ، به شکل آب و آب سنگین و کربن ، به شکل گرافیت به عنوان مواد کند کننده استفاده می‌شوند.

خنک کننده‌ها

گرمای حاصله از شکافت در محیط راکتور یا باید از سوخت زدوده شود و یا در نهایت این گرما بقدری زیاد شود که میله‌های سوخت را ذوب کند. حرارتی که از سوخت گرفته می‌شود ممکن است در راکتور قدرت برای تولید برق بکار رود. از ویژگیهایی که ماده خنک کننده باید داشته باشد، هدایت حرارتی آن است تا اینکه بتواند در انتقال حرارت مؤثر باشد. همچنین پایداری شیمیایی و سطح مقطع جذب پایین‌تر از نوترون دو خاصیت عمده ماده خنک کننده است. نکته دیگری که باید به آن اشاره شود این است که این ماده نباید در اثر واکنشهای گاما دهنده رادیواکتیو شوند.

از مایعات و گازها به عنوان خنک کننده استفاده شده‌ است، مانند گازهای دی اکسید کربن و هلیوم. هلیوم ایده‌آل است ولی پر هزینه بوده و تهیه مقادیر زیاد آن مشکل است. خنک کننده‌های مایع شامل آب ، آب سنگین و فلزات مایع هستند. از آنجا که برای جلوگیری از جوشیدن آب فشار زیادی لازم است خنک کننده ایده‌آلی نیست.

مواد کنترل کننده شکافت

برای دستیابی به فرآیند شکافت کنترل شده و یا متوقف کردن یک سیستم شکافت پس از شروع ، لازم است که موادی قابل دسترس باشند که بتوانند نوترونهای اضافی را جذب کنند. مواد جاذب نوترون بر خلاف مواد دیگر مورد استفاده در محیط راکتور باید سطح مقطع جذب بالایی نسبت به نوترون داشته باشند. مواد زیادی وجود دارند که سطح مقطع جذب آنها نسبت به نوترون بالاست، ولی ماده مورد استفاده باید دارای چند خاصیت مکانیکی و شیمیایی باشد که برای این کار مفید واقع شود.

انواع راکتورها

راکتورها بر حسب نوع فرآیند شکافت به راکتورهای حرارتی ، ریع و میانی (واسطه) ، بر حسب مصرف سوخت به راکتورهای سوزاننده ، مبدل و زاینده ، بر حسب نوع سوخت به راکتورهای اورانیوم طبیعی ، راکتورهای اورانیوم غنی شده با ²³⁵U (راکتور مخلوطی Be) ، بر حسب خنک کننده به راکتورهای گاز (CO₂مایع (آب ، فلز) ، بر حسب فاز سوخت کند کننده‌ها به راکتورهای همگن ، ناهمگن و بالاخره بر حسب کاربرد به راکتورهای قدرت ، تولید نوکلید و تحقیقاتی تقسیم می‌شوند.

کاربردهای راکتورهای هسته‌ای

• راکتورها انواع مختلف دارند برخی از آنها در تحقیقات ، بعضی از آنها برای تولید رادیو ایزتوپهای پر انرژی برخی برای راندن کشتیها و برخی برای تولید برق بکار می‌روند.
  
  
• دوگروه اصلی راکتورهای هسته‌ای بر اساس تقسیم بندی کاربرد آنها. راکتورهای قدرت و راکتورهای تحقیقاتی هستند. راکتورهای قدرت مولد برق بوده و راکتورهای تحقیقاتی برای تحقیقات هسته‌ای پایه ، مطالعات کاربردی تجزیه‌ای و تولید ایزوتوپها مورد استفاده قرار می گیرند.

 

بمب هیدروژنی

دید کلی

همه ما می‌دانیم چه انرژی عظیم و قابل ملاحظه‌ای در داخل اتمها وجود دارد. این انرژی همان است که عموما آن را انرژی اتمی می‌نامند. اما چون این انرژی در داخل هسته اتمها وجود دارد در زبان علمی نام دقیقتر آنرا انرژی هسته‌ای انتخاب کرده‌اند.

تحولاتی که به کشف بمب هسته‌ای منجر شد

هنگامی که دانشمند ایتالیایی به نام انریکو فرمی ، تجربیات و تحقیقات خود را در زمینه عملی ساختن فعل و انفعالات زنجیری مداوم دنبال می‌کرد. پیش بینی می‌شد که این فعل و انفعال ممکن است انفجاری باشد. به همین سبب ایالات متحده آمریکا که در جنگ جهانی دوم شرکت کرده بود، در صدد برآمد تحت عنوان مبارزه ضد فاشیستی ، نظر دانشمندان اروپایی را برای ساختن سلاح اتمی جلب کند. لذا آن را به ممالک متحده فرا خواند، تا در آنجا که دور از بمبهای دشمن قرار داشت و شرایط کار بهتر بود. امکان استفاده از این انرژی انفجاری را که در سلاحهای جنگی ، مخصوصا بمب مورد بررسی قرار دهند.

پس از گرد آمدن برجسته ترین دانشمندان ، ابتدا تجسساتی در زمینه تصفیه ²³⁵U و بعد ساختن پلوتونیوم در آزمایشگاههای چند دانشگاه مهم آمریکا از جمله دانشگاههای کلمبیا و کالیفرنیا صورت گرفت. نتیجه این تجسسات ، ساختن دو کارخانه بزرگ و مجهز برای تصفیه ²³⁵U و ساختن پلوتونیوم منجر گردید. سپس آزمایشگاه عظیم و مجهز ، لوس آلاموس در ایالت نیومکزیکو تحت نظر دانشمندان معروف . جی . آر . اوپن هایمر تأسیس شد.

دانشمندان معروف دیگری از کشورهای مختلف از قبیل جیمز چارویک ، اچ بث ، آر. آرویلسون ، نیلس بوهر و غیره ، برای ساختن بمب اتمی ، یعنی سلاحی که ممکن است سبب نابودی بشر و تمدن او گردد، همکاری کردند. در نتیجه تحقیقات دانشمندان ، اساس ساختمان بمب اتمی پی ریزی شد. البته بسیاری از وسایلی که برای بمب اتمی بکار رفت، به کلی افشا نشده ، با این حال با اطلاعات وسیعی که ضمن اظهارات رئیس طرح مانهاتان بدست آمد، طرز عمل تا اندازه‌ای روشن گردید.

تاریخچه اولین انفجارهای هسته‌ای

• اولین بار در شانزدهم ژوید سال 1945 ، بمب اتمی کوچک ، به عنوان آزمایش ، در صحرای الاموگوردو واقع در ایالت نیومکزیکو منفجر گردید. بمب را در انتهای بمبی از فولاد نصب کرده بودند و فرمان انفجار آن از پناهگاهی به فاصله 10 کیلومتر صادر می‌شد. محل دیده بانی ناظر این در 17 کیلومتری نقطه انفجار بود. نتیجه این آزمایش به قدری وحشت انگیز بود، که از آنچه قبلا پیش بینی شده بود تجاوز می‌کرد، از جمله برج فولادین حامل بمب به کلی تبخیر شده و در جای آن گودالی وسیع بوجود آمده بود.
  
  
• کمتر از یک ماه بعد ، بمب اتمی دیگری که قدرت تخریبی آن معادل (1000 تن TNT) بود، روی بندر هیروشیما در ژاپن منفجر گردید (انفجار هیروشیما)، که در نتیجه ، آن شهر به کلی ویران شد و چند هزار مردم به هلاکت رسیدند. فقط معدودی از سکنه اطراف شهر از این بلا جان به در بردند، که هنوز بازماندگان آنان از اثرات زیان بخش تشعشعات هسته‌ای آن رنج می‌برند.
  
  
• سومین بمب اتمی روز نهم ماه اوت روی شهر ناکازاکی منفجر شد و این دو فاجعه تاریخی کشور ژاپن را در مقابل ایالت متحده آمریکا به زانو در آورد. هر چند که پس از جنگ جهانی دوم دولت آمریکا نام طرح مانهاتان را به کمسیون انرژی اتمی تبدیل کرد و فعالیت این کمسیون را به موارد استفاده از انرژی اتمی در صنعت ، پزشکی و کشاورزی تخصیص داد و در حال حاضر یک کمسیون بین المللی نیز برای استفاده‌های صلح جویانه از انرژی اتمی فعالیت می‌کنند. بنابراین هنوز هم آزمایشهای سلاحهای هسته‌ای ادامه دارد و بدین وسیله دول بزرگ جهان در برابر یکدیگر قدرت نمایی می‌کنند.

ساختمان بمب هسته‌ای

• ساختار سلاح هسته‌ای به این صورت است که هر گاه مقدار عنصر قابل شکافت ، که از اندازه بحرانی بیشتر باشد، پدیده شکافت شروع می شود. این پدیده خیلی سریع پیشرفت می‌کند و با آزاد شدن مقادیر عظیم انرژی در مدت بسیار کوتاه ، انفجار مهیبی رخ می‌دهد. ولی از آنجایی که بمب باید در لحظه دلخواه منفجر شود، مقداری از ²³⁵U ، یا ²³⁹Pu را که خالص بوده و حجم کلی آن از اندازه بحرانی بیشتر باشد، به چند قسمت مجزا ، که هر یک از آنها از اندازه بحرانی کمتر است، تقسیم می‌کنند و این قسمتها را در محفظه‌ای طوری قرار می‌دهند که نوترونهایی که ممکن است در هر یک از آنها آزاد شوند، در قسمت دیگر نفوذ نکنند.
  
  در این تقسیم بندی هرگاه به هر روشی در یکی از اجزای بمب پدیده شکافت شروع شود، در لحظه‌ای که انفجار باید صورت گیرد، رخداد پدیده شکافت زنجیری و مداوم نخواهد بود. این مواد با جرمهای زیر جرم بحرانی عنصر قابل شکافت را به هم نزدیک می‌کنند. تا مجموع آنها از جرم بحرانی بیشتر شود و واکنش زنجیری به وقوع بپیوندد.
  
  نباید فراموش کرد که پیشرفت واکنش زنجیری بسیار سریع است و انفجار اتمی در قطعات اورانیوم فقط در حدود یک میلیونم ثانیه طول می‌کشد. لذا اگر اندازه‌های بحرانی زیر را به آهستگی به هم نزدیک کنیم. ممکن است قبل از تماس ، واکنش زنجیری شروع شود و شدت گرمای حاصل از شکافتهای اولیه به حدی گردد، که قبل از انفجار واقعی ، ماده قابل شکافت را متلاشی سازد و واکنش زنجیری به خاموشی گراید. برای رفع نقایص بمب هسته‌ای به صورت زیر عمل می‌کنیم:
  
  
• اولا اتصال قطعات اورانیوم بوسیله یک ماده منفجره قوی نظامی صورت می‌گیرد.
• ثانیا محفظه ماده اتمی را بسیار ضخیم و محکم می سازد. تا در آغاز واکنش زنجیری از متلاشی شدن ماده مزبور جلوگیری کند و سپس انفجار واقعی صورت گیرد.

بهینه سازی خروجی بمب و افزایش قدرت آن

• طرق مختلف نزدیک کردن قطعات اورانیوم یا پلوتونیوم به یکدیگر هنوز یک موضوع سری نظامی است. ولی واقعیت این است که هر چه سرعت اتصال قطعات زیادتر باشد، واکنش زنجیری سریعتر و و مقدار بیشتری از هسته‌های اورانیوم موجود شکافته شده و بهره سلاح اتمی بیشتر می‌شود.
  
  
• اصولا اتصال سریع قطعات است که انفجار مهیب بمب اتمی را بوجود می‌آورد. اگر منعکس کننده‌ای به دور ماده اتمی قرار داده شود، از فرار نوترونها جلوگیری نموده و شکافت زنجیری تسریع می‌گردد. استفاده از منعکس کننده نوترون ، وزن بحرانی را نیز تقلیل می‌دهد.
  
  
• باید توجه داشت که حتی در بهترین شرایط همه اورانیوم موجود در یک بمب اتمی تحت عمل شکافتن قرار نمی‌گیرد و در شرایط بسیار مناسب تنها در حدود 10 درصد ماده هسته‌ای شکافته می‌شود و بقیه در نتیجه ، انفجار تبدیل به غبار شده و در فضا پخش می‌گردند بدون اینکه هسته‌های آنها شکافته شوند.
  
  
• جرم بحرانی از اسرار نظامی است و ممالکی که آن را می‌دانند به شدت از فاش شدن آن جلوگیری می‌کنند. بنابرین از مطالبی که در این باره منتشر شده است، چنین بر می آید که جرم بحرانی باید بین ا و 10 کیلوگرم باشند.
• وجود جرم بحرانی ، افزایش قدرت بمب اتمی را محدود می‌کند. زیرا برای آنکه بتوانیم انفجاری ایجاد کنیم:
  
  
  • اولا نباید مقدار سوختی کمتر از جرم بحرانی بکار بریم و این مقدار حد پایین بمب اتمی را تعیین می‌کند.
  • ثانیا وزن هر یک از قطعات اورانیوم درون بمب نمی‌تواند بیش از وزن بحرانی باشد. زیرا در آن صورت هر قطعه خود به خود منفجر خواهد شد.
    
    
• ساختن بمبهای بیش از دو قطعه نیز بسیار مشکل است. زیرا اگر دو قطعه از قطعات اورانیوم ، حتی به اندازه یک میلیونم ثانیه قبل از قطعات دیگر به هم وصل شوند، انفجار اتمی صورت خواهد گرفت و باعث پراکندگی قطعات دیگر اورانیوم خواهد شد. قطعات دیگر مجال دخول در قطعات زنجیری را نخواهند یافت. به عبارت دیگر بطور کلی میزان اتمهای اورانیومی که در واکنشهای زنجیری وارد می‌شوند، با افزایش تعداد قطعات داخل بمب ، تقلیل می‌یابد و عمل انفجار ناقص می‌ماند.

اورانیوم

Protactinium - Uranium - Neptunium

Nd
U

جدول کامل

عمومی

نام, علامت اختصاری, شماره

Uranium, U, 92

گروه های شیمیایی

اکتینیدها

دوره, بلوک

7 , f

جرم حجمی, سختی

19050 kg/m³, ND

رنگ

سفید نقره ای فلزی

خواص اتمی

وزن اتمی

238.0289 amu

شعاع اتمیcalc.

175 ND»pm)

شعاع کووالانسی

ND pm

شعاع وندروالس

186 pm

ساختار الکترونی

Rn]7s²5f²6d¹]

^-e بازای هر سطح انرژی

2,8,18,32,21,9,2

درجه اکسیداسیون (اکسید)

5 (باز ضعیف)

ساختار کریستالی

اورتورومبیک

خواص فیزیکی

حالت ماده

جامد (مغناطیسی)

نقطه ذوب

1405 °F

نقطه جوش

2070( K(7473 °F

حجم مولی

12.49 ש»10^-6 ««متر مکعب بر مول

گرمای تبخیر

477 kJ/mol

گرمای هم‌جوشی

15.48 kJ/mol

فشار بخار

ND Pa at 2200 K

سرعت صوت

3155 m/s at 293.15 K

متفرقه

الکترونگاتیویته

1.38 «درجه پائولینگ)

ظرفیت گرمایی ویژه

120 J/kg·K

رسانایی الکتریکی

3.8 10⁶/m اهم

رسانایی گرمایی

27.6 W/m·K)

1^st پتانسیل یونیزاسیون

597.6 kJ/mol

2^nd پتانسیل یونیزاسیون

1420 kJ/mol

پایدارترین ایزوتوپها

iso	NA	نیمه عمر	DM	DE MeV	DP
^232U	{syn.}	68.9 y	α & SF	5.414	^228Th
^233U	{syn.}	159,200 y	SF & α	4.909	^229Th
^234U	0.006%	245,500 y	SF & α	4.859	^230Th
^235U	0.72%	7.038 E8 y	SF & α	4.679	^231Th

اطلاعات اولیه

اورانیوم یکی از عناصر شیمیایی جدول تناوبی است که نماد آن ، U و عدد اتمی آن 92 می‌باشد. اورانیوم که یک عنصر سنگین ، سمی ، فلزی ، رادیواکتیو و براق به رنگ سفید مایل به نقره‌ای می‌باشد، به گروه آکتیندها تعلق داشته و ایزوتوپ 235 آن برای سوخت راکتورهای هسته‌ای و سلاحهای هسته‌ای استفاده می‌شود.

معمولا اورانیوم در مقادیر بسیار ناچیز در صخره‌ها ، خاک ، آب ، گیاهان و جانوران از جمله انسان یافت می‌شود.

خصوصیتهای قابل توجه

اورانیوم هنگام عمل پالایش به رنگ سفید مایل به نقره‌ای فلزی با خاصیت رادیواکتیوی ضعیف می‌باشد که کمی از فولاد نرم‌تر است. این فلز چکش‌خار ، رسانای جریان الکتریسیته و کمی Paramagnetic می‌باشد. چگالی اورانیوم 65% بیشتر از چگالیسرب می‌باشد. اگر اورانیوم به‌خوبی جدا شود، بشدت از آب سرد متاثر شده و در برابر هوا اکسید می‌شود. اورانیوم استخراج شده از معادن ، می‌تواند به‌صورت شیمیایی به دی‌اکسید اورانیوم و دیگر گونه‌های قابل استفاده در صنعت تبدیل شود.

گونه‌های اورانیوم در صنعت

اورانیوم در صنعت سه گونه دارد:

• آلفا (Orthohombic) که تا دمای 667.7 درجه پایدار است.
  
  
• بتا (Tetragonal) که از دمای 667.7 تا 774.8 درجه پایدار است.
  
  
• گاما (Body-centered cubic) که از دمای 774.8 درجه تا نقطه ذوب پایدار است. ( این رساناترین و چکش‌خوارترین گونه اورانیوم می‌باشد.)
  
  

دو ایزوتوپ مهم ان U₂₃₅ و U_238> می‌باشند که U₂₃₅ مهمترین برای راکتورهای و سلاحهای هسته‌ای است. چرا که این ایزوتوپ تنها ایزوتوپی است که طبیعت وجود دارد و در هر مقدار ممکن توسط نوترونهای حرارتی شکافته می‌شود. ایزوتوپ U₂₃₈ نیز از این جهت مهم است که نوترونها را برای تولید ایزوتوپ رادیواکتیو جذب کرده و آن را به ایزوتوپ Pu₂₃₉ پلوتونیوم تجزیه می‌کند. ایزوتوپ مصنوعی U₂₃₃ نیز شکافته شده و توسط بمباران نوترونی Thorium232 بوجود می‌آید.

اورانیوم اولین عنصر یافته شده بود که می‌توانست شکافته شود. برای نمونه با بمباران آرام نوترونی ایزوتوپ U₂₃₅ آن به ایزوتوپ کوتاه عمر U₂₃₆ تبدیل شده و بلافاصله به دو هسته کوچکتر تقسیم می‌شود که این عمل انرژی آزاد کرده و نوترونهای بیشتری تولید می‌کند.

اگر این نوترونها توسط هسته U₂₃₅ دیگری جذب شوند، عملکرد حلقه هسته‌ای دوباره اتفاق می‌افتد و اگر چیزی برای جذب نوترونها وجود نداشته باشد، به حالت انفجاری در می‌آیند. اولین بمب اتمی با این اصل جواب داد (شکاف هسته‌ای). نام دقیقتر برای این بمبها و بمبهای هیدروژنی(آمیزش هسته‌ای) ، سلاحهای هسته‌ای می‌باشد.

کاربردها

فلز اورانیوم بسیار سنگین و پرچگالی می‌باشد.

• اورانیوم خالی توسط بعضی از ارتشها برای ساخت محافظ برای تانکها و ساخت قسمتهایی از موشکها و ادوات جنگی استفاده می‌شود. ارتشها همچنین از اورانیوم غنی‌شده برای سوخت ناوگان خود و زیردریایی‌ها و همچنین سلاحهای هسته‌ای استفاده می‌کنند. سوخت استفاده شده در راکتورهای ناوگان ایالات متحده معمولا اورانیوم U₂₃₅ غنی شده می‌باشد. اورانیوم موجود در سلاحهای هسته‌ای بشدت غنی می‌شوند که این مقدار بصورت تقریبی 90% می‌باشد.
  
  
• مهمترین کاربرد اورانیوم در بخش غیر نظامی تامین سوخت دستگاههای تولید نیروی هسته‌ای است که در آنها سوخت U₂₃₅ به میزان 2الی3% غنی می‌شود. اورانیوم تخلیه شده در هلیکوپترها و هواپیماها به‌عنوان وزن متقابل بر هر بار استفاده می‌شود.
  
  
• لعاب ظروف سفالی از مقدار کمی اورانیوم طبیعی تشکیل شده است ( که داخل فرایند غنی سازی نمی‌شود ) که این عنصر برای اضافه کردن رنگ با آن اضافه می‌شود.
  
  
• نیمه عمر طولانی ایزوتوپ اورانیوم 238 آن را برای تخمین سن سنگهای آتشفشانی مناسب میسازد.
  
  
• U₂₃₅ در راکتورهای هسته‌ای Breeder به پلوتونیوم تبدیل می‌شود و پلوتونیوم نیز در ساخت بمبهای هیدروژنی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
  
  
• استات اورانیوم در شیمی تحلیلی کاربرد دارد.
  
  
• برخی از لوازم نوردهنده از اورانیوم و برخی در مواد شیمیایی عکاسی مانند نیترات اورانیوم استفاده می‌کنند.
  
  
• معمولا کودهای فسفاتی حاوی مقدار زیادی اورانیوم طبیعی می‌باشند، چرا که مواد کانی که آنها از آنجا گرفته شده‌اند، حاوی مقدار زیادی اورانیوم می‌باشند.
  
  
• فلز اورانیوم برای اهداف اشعه ایکس در ساخت این اشعه با انرژی بالا استفاده می‌شود.
  
  
• این عنصر در وسایل Interial Guidance و Gyro Compass استفاده می‌شود.
  
  

تاریخچه

بارگذاری میله‌های سوخت اتمی در راکتور

استفاده از اورانیوم به شکل اکسید طبیعی آن به سال 79 میلادی بر می‌گردد، یعنی زمانی که این عنصر برای اضافه کردن رنگ زرد به سفال لعابدار استفاده شد (شیشه زرد با یک در صد اورانیوم در نزدیکی ناپل ایتالیا کشف شده است. ) کشف این عنصر به شیمیدان آلمانی به نام "مارتین هنریچ کلاپرس" اختصاص داده شد که در سال 1789 اورانیوم را به صورت قسمتی از کانی که آن را pitchblende نامید، کشف شد. نام این عنصر را بر اساس سیاره اورانوس که هشت سال قبل از آن کشف شده بود برگزیده شد. این عنصر در سال 1841 به صورت فلز جداگانه توسط "eugne melchior peligot" استفاده شد.

در سال 1896 "هانری بکرل" فیزیکدان فرانسوی برای اولین بار به خاصیت رادیواکتیویته آن پی برد. در پروژه Manhattan نامهای Tuballoy و Oralloy برای اورانیوم طبیعی و اورانیوم غنی شده بکار برده شد. این اسامی هنوز نیز برای اورانیوم غنی شده و اورانیوم طبیعی بکار برده می شوند.

در آغاز قرن بیستم تفحص و جستجو برای یافتن معادن رادیو اکتیو در ایالات متحده آغاز شد. منابع رادیوم که حاوی کانی‌های اورانیوم نیز می‌بودند، برای استفاده آنها در رنگ ساعتهای شب‌نما و دیگر ابزار جستجو شدند. در طی جنگ جهانی دوم اورانیوم از نظر اهداف دفاعی اهمیت پیدا کرد. در سال 1943 Union Mines Development Corporation کنگره ای را در کلرادو به منظور استفاده ارتش از قدرت اتمی در پروژه Manhattan تشکیل داد.

برای اطمینان از ذخایر کافی اورانیوم این کنگره US Atomic Enecry Act of 1946 را ایجاد و کمیسیون انرژی اتمی را بوجود آورد. در دهه 1960 ملزومات ارتش تزلزل یافت و در اواخر سال 1970 دولت برنامه تهیه اورانیوم خود را کامل کرد. همزمان با همین مساله بازار دیگری بوجود آمد که درواقع همان کارخانه‌های نیروگاه‌های هسته‌ای اقتصادی بود.

ترکیبات

تترا فلوروئید اورانیوم UF₄که به نمک سبز معروف است یک محصول میانی هگزافلورید اورانیوم می‌باشد. هگزا فلورید اورانیوم UF₆ جامد است که در دمای بالای 56 درجه سانتی‌گراد بخار می‌شود. UF₆ ترکیب اورانیوم است که برای دو فرایند غنی سازی Gaseous Diffusion و Centrifuge استفاده می‌شود و در صنعت با نام ساده Hex خوانده میشود.

Yellowcake اورانیوم غلیظ شده است. نام این عنصر بدلیل رنگ و شکل آن در هنگام تولید می‌باشد اگرچه تولید امروزه Yellowcake بیشتر به رنگ سبز مایل به سیاه میگراید تا زرد. Yellowcake تقریبا 70 تا 90 درصد اکسید اورانیوم دارد. U₃O₈

Diuranate آمونیوم محصول جنبی تولید Yellowcake می‌باشد که رنگ آن زرد درخشان می‌باشد که گاهی اوقات باعث اشتباه شده و Yellowcake نامیده میشود اما این نام درست این محصول نم‌یباشد.

پیدایش

اورانیوم عنصر طبیعی است که تقریبا در تمام سنگها آب و خاک به میزان کم یافت می‌شود و بنظر می‌رسد که مقدار آن از Antimony ، برلیوم ، کادیوم ، جیوه ، طلا ، نقره و تنگستن بیشتر باشد و این فراوانی در حد آرسنیک و مولیبدنیوم است. این عنصر در بیشتر کانی‌های اورانیومی از قبیل Pitchblende، Uraninite ،Autunite ، Uranophane tobernite و Coffinite یافت می‌شود.
br>مقدار بیشتری از اورانیوم در موادی از قبیل صخره‌های فسفاتی و کانی‌هایی مانند Lignite و Monazite یافت می‌شود که بیشتر برای مصارف اقتصادی از همین منابع استخراج می‌شود. از آنجا که اورانیوم نیمه عمر رادیواکتیوی طولانی 4.47x10⁹ سال برای U-238 دارد مقدار آن همیشه در زمین ثابت میماند.

بنظر میرسد که فرو پاشی اورانیوم و واکنشهای هسته‌ای آن با توریوم همان منبع گرمایی عظیمی است که در هسته زمین ، باعث ذوب شدن قسمت خارجی هسته زمین گردیده و باعث ایجاد حرکت پوسته‌ای زمین می‌شود.

معدن اورانیوم صخره ای است که محل تمرکز اورانیومی می‌باشد که مقدار اقتصادی آن ، یک تا چهار پوند اکسید اورانیوم در هر تن است که تقریبا 0.05 تا 0.20 درصد اکسید اورانیوم دارد.

تولید و توزیع

اورانیوم اقتصادی از طریق کاهش هالیدهای اورانیوم با خاک فلزات قلیایی تولید می‌شود. همچنین فلز اورانیوم می‌تواند از طریق عمل الکترولیز 5KUF یا Uf₄ که در (CaCl₂ و NaCl حل شده است، بدست آید. اورانیوم خالص نیز از طریق تجزیه حرارتی هالیدهای اورانیوم حاصل می‌شود.

در سال 2001 ، مالکان راکتورهای هسته‌ای غیر نظامی آمریکا از این کشور و منابع خارجی 21300 تن اورانیوم خریداری کردند. قیمت پرداخت شده برای هر کیلوگرم اورانیوم حدودا 26.39 دلار بود که در مقایسه با سال 1998 16% کاهش داشت. در سال 2001 ایالات متحده 1018 تن اورانیوم از 7 عملیات معدنی در غرب رود می‌سی‌سی‌پی تولید کرد. اورانیوم بیشتر توسط فرانسوی ها در کشورهای جهان توزیع شده است.

معمولا کشورهای بزرگتر اورانیوم بیشتری در مقایسه با کشورهای کوچکتر تولید می‌کنند، چرا که گسترش و توزیع اورانیوم در جهان یک شکل و یکنواخت است. کشور استرالیا ذخایر بسیار زیادی از این عنصر دارد که تقریبا 30% ذخایر دنیا را شامل می‌شود.

ایزوتوپها

اورانیوم طبیعی از 3 ایزوتوپ U-238, U-235, U-234 تشکیل شده است که U-238 فراوانترین آنها (99.3%) می باشد. این سه ایزوتوپ رادیو اکتیو بوده که نیمه عمر آنها عبارت است از U-235 4.5x10⁹ سال که پایدارترین آنها می باشد. U-235 7x10⁸ سال و U234 2.5x10⁵ سال.

ایزوتوپهای اورانیوم می‌توانند از هم جدا شوند تا تمرکز یک ایزوتوپ بر دیگری را افزایش دهند. این فرایند ، غنی سازی نام دارد. وزن U-235 برای غنی شدن باید 0.711 درصد افزایش یابد. اورانیوم م235 برای استفاده در سلاحهای هسته‌ای و نیروگاه های اتمی مناسبتر است. این فرایند مقادیر بسیاری اورانیوم بوجود می‌آورد که در U-235 تخلیه می شوند و خالصترین اورانیوم یعنی U238 اورانیوم خالی یا DU نام دارد. اگر ایزوتوپ 235 بخواهد تخلیه شود باید وزنش 0.711 درصد کم شود.

هشدارها

تمام ترکیبات اورانیوم سمی و رادیو اکتیو هستند. سمی بودن این عنصر می‌تواند کشنده باشد. در مقادیر بسیار کم خاصیت سمی بودن این عنصر به کلیه آسیب می‌رساند. خواص رادیواکتیوی این عنصر نیز سیستماتیک و نظام بند است. در کل ترکیبات اورانیوم به‌سختی جذب روده و ریه می‌شوند و خطرات رادیولوژیکی آن باقی می‌ماند. فلز خالص اورانیوم نیز خطر آتش‌سوزی به همراه دارد.

فرد ممکن است با تنفس غبار اورانیوم در هوا یا خوردن و آشامیدن آب و غذا در معرض این عنصر قرار بگیرد. البته بیشتر این عمل از طریق خوردن آب و غذا صورت می‌گیرد. جذب روزانه اورانیوم در غذا 0.07 تا 1.1 میکروگرم می‌باشد. مقدار اورانیوم در هوا معمولا بسیار ناچیز است. افرادی که در کنار تاسیسات هسته‌ای دولت و یا معادن استخراج اورانیوم زندگی می‌کنند، بیشتر در معرض این عنصر قرار می‌گیرند.

آورانیوم ممکن است که درطریق تنفس یا بلع و یا در موارد استثنایی از طریق شکافی روی پوست وارد بدن شود. اورانیوم توسط پوست جذب نمی‌شود و ذرات آلفای ساتع شده از این عنصر نمی‌تواند به پوست نفوذ کند. بنابراین اورانیومی که خارج از بدن باشد، نمی‌تواند به اندازه اورانیوم داخل بدن مضر و خطرناک باشد. اگر اورانیوم به بدن وارد شود، ممکن است موجب سرطان شده یا به کلیه‌ها آسیب برساند.

انرژی هسته ای

دید کلی

وقتی 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 اتمی

نگاه اجمالی

آنچه خداوند در طبیعت به ودیعه نهاده است، اگر بصورت صحیح و در جهت درست مورد استفاده قرار گیرد، وسایل رفاه و آسایش بیشتر را تأمین خواهد کرد. اما اگر این امکانات خدادادی در جهت نادرست و نامشروع مورد بهره برداری قرار گیرند، نه تنها وسیله‌ای برای آرامش و آسایش او نخواهد بود، بلکه بلای جان او شده و وسیله‌ای برای تهدید هستی او تبدیل خواهد شد. یکی از این منابع طبیعی سنگ معدن اورانیوم است که اگر بصورت درست مورد استفاده قرار گیرد، بسیار مفید بوده و به تعداد فوق‌العاده‌ای می‌تواند انرژی برق مورد استفاده بشر را تأمین کند، اما متأسفانه استفاده‌های نادرست سبب شده است که این عنصر خدادادی ماده اولیه سلاحهای مرگبار باشد که بمب اتمی یکی از این نمونه‌ها می‌باشد.

تاریخچه

استفاده از انرژی هسته‌ای به مقیاس زیاد بین سالهای 1939 تا 1945 میلادی در ایالات متحده آمریکا انجام شد. این امر زیر فشار جنگ جهانی دوم ، بصورت نتیجه تلاشهای مشترک تعداد زیادی از دانشمندان و مهندسان صورت گرفت. دست اندرکارانی که در ایالات متحده به این کار اشتغال داشتند، آمریکایی ، بریتانیایی و پناهندگان اروپایی کشورهایی بودند که زیر سلطه فاشیسم قرار داشتند. تلاش آنان این بود که قبل از آلمانیها به یک سلاح هسته‌ای دست پیدا کنند ، این سلاح هسته‌ای همان بمب اتمی بود.

بمب اتمی چیست؟

بمب اتمی در اصل یک راکتور هسته‌ای ‌کنترل نشده است که در آن یک واکنش هسته‌ای بسیار وسیع در مدت یک میلیونیم ثانیه در سراسر ماده صورت می‌گیرد. بنابراین ، این واکنش با راکتور هسته‌ای کنترل شده تفاوت دارد. در راکتور هسته‌ای کنترل شده ، شرایط به گونه‌ای سامان یافته است که انرژی حاصل از شکافت بسیار کندتر و اساسا با سرعت ثابت رها می‌شود. در این راکتور ، ماده شکافت پذیر به گونه‌ای با مواد دیگر آمیخته می‌شود که بطور متوسط ، فقط یک نوترون گسیل یافته از عمل شکافت موجب شکافت هسته دیگر می‌شود، و واکنش زنجیری به این طریق فقط تداوم خود را حفظ می‌کند. اما در یک بمب اتمی ، ماده شکافت‌پذیر خالص است، یعنی یک متعادل کننده آمیخته نیست و طراحی آن به گونه‌ای است که تقریبا تمام نوترونهای گسیل یافته از هر شکافت می‌تواند در هسته‌های دیگر شکافت ایجاد کند.

عناصر اصلی سازنده

بمب اتمی در طول جنگ جهانی دوم از راکتورهای هسته‌ای برای تولید مواد خام نوعی بمب هسته‌ای ، یعنی برای ساختن ²³⁹Pu از ²³⁵U استفاده می‌شد. هر دو این عناصر می‌توانند یک واکنش زنجیری کنترل نشده سریع ایجاد کنند. بمبهای هسته‌ای یا اتمی از هر دو این مواد ساخته می‌شوند. تنها یک بمب اتمی که از ²³⁵U ساخته شده بود، شهر هیروشیما در ژاپن را در 6 آگوست سال 1945 میلادی ویران کرد. بمب دیگری که از ²³⁹U در ساختن آن بکار برده شده بود، سه روز بعد شهر ناکازاکی کشور ژاپن را با خاک یکسان ساخت.

عواقب ناشی از بمب اتمی

یک مسئله فرعی ، ریزشهای رادیواکتیو حاصل از آزمایش بمبهای اتمی است. در انفجار بمب اتمی مقدار قابل توجهی محصولات شکافت رادیواکتیو پراکنده می‌شوند. این مواد بوسیله باد از یک بخش جهان به نقاط دیگر آن منتقل می‌شوند و بوسیله باران و برف از جو زمین فرو می‌ریزند. بعضی از این مواد رادیواکتیو طول عمر زیادی دارند، لذا بوسیله مواد غذایی گیاهی جذب شده و بوسیله مردم و حیوانات خورده می‌شوند. معلوم شده است که اینگونه مواد رادیواکتیو آثار ژنتیکی و همچنین آثار جسمانی زیان آوری دارند. یکی از فراوانترین محصولات حاصل از شکافت ²³⁵U یا ²³⁹Pu ، که از لحاظ شیمیایی شبیه ⁴⁰₂₀Ga است. بنابراین وقتی که ⁹⁰Sr حاصل از ریزشهای رادیواکتیو وارد بدن می‌شود، به ماده استخوانی بدن راه می‌یابد. این عنصر می‌تواند با گسیل ذرات بتا با انرژی 0.54 میلیون الکترون ولت (نیم عمر 28 سال) نابود می‌شوند، که می‌تواند به سلولها آسیب رسانده و موجب بروز انواع بیماریها از قبیل تومور استخوان ، لوکمیا و ... ، بخصوص در کودکان در حال رشد ، می‌شود.

 

فرآیند های هسته ای و بمب اتمی

 

چرخه سوخت هسته ای: از استخراج اورانیوم تا تولید انرژی

مقدمه: استخراج اورانیوم از معدن

اورانیوم که ماده خام اصلی مورد نیاز برای تولید انرژی در برنامه های صلح آمیز یا نظامی هسته ای است، از طریق استخراج از معادن زیرزمینی یا سر باز بدست می آید. اگر چه این عنصر بطور طبیعی در سرتاسر جهان یافت میشود اما تنها حجم کوچکی از آن بصورت متراکم در معادن موجود است.

هنگامی که هسته اتم اورانیوم در یک واکنش زنجیره ای شکافته شود مقداری انرژی آزاد خواهد شد.

برای شکافت هسته اتم اورانیوم، یک نوترون به هسته آن شلیک میشود و در نتیجه این فرایند، اتم مذکور به دو اتم کوچکتر تجزیه شده و تعدادی نوترون جدید نیز آزاد میشود که هرکدام به نوبه خود میتوانند هسته های جدیدی را در یک فرایند زنجیره ای تجزیه کنند.

مجموع جرم اتمهای کوچکتری که از تجزیه اتم اورانیوم بدست می آید از کل جرم اولیه این اتم کمتر است و این بدان معناست که مقداری از جرم اولیه که ظاهرا ناپدید شده در واقع به انرژی تبدیل شده است، و این انرژی با استفاده از رابطه E=MC۲ یعنی رابطه جرم و انرژی که آلبرت اینشتین نخستین بار آنرا کشف کرد قابل محاسبه است.

اورانیوم به صورت سه ایزوتوپ مختلف در طبیعت یافت میشود. دو گونه اصلی آن اورانیوم U۲۳۵ و U۲۳۸ است که هر دو دارای تعداد پروتون یکسانی بوده و تنها تفاوتشان در سه نوترون اضافه ای است که در هسته U۲۳۸ وجود دارد. اعداد ۲۳۵ و ۲۳۸ بیانگر مجموع تعداد پروتونها و نوترونها در هسته هر کدام از این دو ایزوتوپ است.

برای بدست آوردن بالاترین بازدهی در فرایند زنجیره ای شکافت هسته باید از اورانیوم ۲۳۵ استفاده کرد که هسته آن به سادگی شکافته میشود. هنگامی که این نوع اورانیوم به اتمهای کوچکتر تجزیه میشود علاوه بر آزاد شدن مقداری انرژی حرارتی دو یا سه نوترون جدید نیز رها میشود که در صورت برخورد با اتمهای جدید اورانیوم بازهم انرژی حرارتی بیشتر و نوترونهای جدید آزاد میشود.

اما بدلیل "نیمه عمر" کوتاه اورانیوم ۲۳۵ و فروپاشی سریع آن، این ایزوتوپ در طبیعت بسیار نادر است بطوری که از هر ۱۰۰۰ اتم اورانیوم موجود در طبیعت تنها هفت اتم از نوع U۲۳۵ بوده و مابقی از نوع سنگینتر U۲۳۸ است.
کشورهای اصلی تولید کننده اورانیوم
استرالیا
چین
کانادا
قزاقستان
نامیبیا
نیجر
روسیه
ازبکستان

 
فراوری:

سنگ معدن اورانیوم بعد از استخراج، در آسیابهائی خرد و به گردی نرم تبدیل میشود. گرد بدست آمده سپس در یک فرایند شیمیائی به ماده جامد زرد رنگی تبدیل میشود که به کیک زرد موسوم است. کیک زرد دارای خاصیت رادیو اکتیویته است و ۶۰ تا ۷۰ درصد آنرا اورانیوم تشکیل میدهد.

 

دانشمندان هسته ای برای دست یابی هرچه بیشتر به ایزوتوپ نادر U۲۳۵ که در تولید انرژی هسته ای نقشی کلیدی دارد، از روشی موسوم به غنی سازی استفاده می کنند. برای این کار، دانشمندان ابتدا کیک زرد را طی فرایندی شیمیائی به ماده جامدی به نام هگزافلوئورید اورانیوم تبدیل میکنند که بعد از حرارت داده شدن در دمای حدود ۶۴ درجه سانتیگراد به گاز تبدیل میشود.

هگزافلوئورید اورانیوم که در صنعت با نام ساده هگز شناخته میشود ماده شیمیائی خورنده ایست که باید آنرا با احتیاط نگهداری و جابجا کرد. به همین دلیل پمپها و لوله هائی که برای انتقال این گاز در تاسیسات فراوری اورانیوم بکار میروند باید از آلومینیوم و آلیاژهای نیکل ساخته شوند. همچنین به منظور پیشگیری از هرگونه واکنش شیمیایی برگشت ناپذیر باید این گاز را دور از معرض روغن و مواد چرب کننده دیگر نگهداری کرد.

غنی سازی:

هدف از غنی سازی تولید اورانیومی است که دارای درصد بالایی از ایزوتوپ U۲۳۵ باشد.

اورانیوم مورد استفاده در راکتورهای اتمی باید به حدی غنی شود که حاوی ۲ تا ۳ درصد اورانیوم ۲۳۵ باشد، در حالی که اورانیومی که در ساخت بمب اتمی بکار میرود حداقل باید حاوی ۹۰ درصد اورانیوم ۲۳۵ باشد.

یکی از روشهای معمول غنی سازی استفاده از دستگاههای سانتریفوژ گاز است.سانتریفوژ از اتاقکی سیلندری شکل تشکیل شده که با سرعت بسیار زیاد حول محور خود می چرخد. هنگامی که گاز هگزا فلوئورید اورانیوم به داخل این سیلندر دمیده شود نیروی گریز از مرکز ناشی از چرخش آن باعث میشود که مولکولهای سبکتری که حاوی اورانیوم ۲۳۵ است در مرکز سیلندر متمرکز شوند و مولکولهای سنگینتری که حاوی اورانیوم ۲۳۸ هستند در پایین سیلندر انباشته شوند.

اورانیوم ۲۳۵ غنی شده ای که از این طریق بدست می آید سپس به داخل سانتریفوژ دیگری دمیده میشود تا درجه خلوص آن باز هم بالاتر رود. این عمل بارها و بارها توسط سانتریفوژهای متعددی که بطور سری به یکدیگر متصل میشوند تکرار میشود تا جایی که اورانیوم ۲۳۵ با درصد خلوص مورد نیاز بدست آید.

آنچه که پس از جدا سازی اورانیوم ۲۳۵ باقی میماند به نام اورانیوم خالی یا فقیر شده شناخته میشود که اساسا از اورانیوم ۲۳۸ تشکیل یافته است. اورانیوم خالی فلز بسیار سنگینی است که اندکی خاصیت رادیو اکتیویته دارد و از آن برای ساخت گلوله های توپ ضد زره پوش و اجزای برخی جنگ افزار های دیگر از جمله منعکس کننده نوترونی در بمب اتمی استفاده میشود.

یک شیوه دیگر غنی سازی روشی موسوم به دیفیوژن یا روش انتشاری است. دراین روش گاز هگزا فلوئورید اورانیوم به داخل ستونهایی که جدار آنها از اجسام متخلخل تشکیل شده دمیده میشود. سوراخهای موجود در جسم متخلخل باید قدری از قطر مولکول هگزافلوئورید اورانیوم بزرگتر باشد.

در نتیجه این کار مولکولهای سبکتر حاوی اورانیوم ۲۳۵ با سرعت بیشتری در این ستونها منتشر شده و تفکیک میشوند. این روش غنی سازی نیز باید مانند روش سانتریفوژ بارها و باره تکرار شود.

 
راکتور هسته ای:

راکتور هسته ای وسیله ایست که در آن فرایند شکافت هسته ای بصورت کنترل شده انجام میگیرد. انرژی حرارتی بدست آمده از این طریق را می توان برای بخار کردن آب و به گردش درآوردن توربین های بخار ژنراتورهای الکتریکی مورد استفاده قرار داد.

اورانیوم غنی شده ، معمولا به صورت قرصهائی که سطح مقطعشان به اندازه یک سکه معمولی و ضخامتشان در حدود دو و نیم سانتیمتر است در راکتورها به مصرف میرسند. این قرصها روی هم قرار داده شده و میله هایی را تشکیل میدهند که به میله سوخت موسوم است. میله های سوخت سپس در بسته های چندتائی دسته بندی شده و تحت فشار و در محیطی عایقبندی شده نگهداری میشوند.

در بسیاری از نیروگاهها برای جلوگیری از گرم شدن بسته های سوخت در داخل راکتور، این بسته ها را داخل آب سرد فرو می برند. در نیروگاههای دیگر برای خنک نگه داشتن هسته راکتور ، یعنی جائی که فرایند شکافت هسته ای در آن رخ میدهد ، از فلز مایع (سدیم) یا گاز دی اکسید کربن استفاده می شود.

 

- هسته راکتور
2-پمپ خنک کننده
3- میله های سوخت
4- مولد بخار
5- هدایت بخار به داخل توربین مولد برق

برای تولید انرژی گرمائی از طریق فرایند شکافت هسته ای ، اورانیومی که در هسته راکتور قرار داده میشود باید از جرم بحرانی بیشتر (فوق بحرانی) باشد. یعنی اورانیوم مورد استفاده باید به حدی غنی شده باشد که امکان آغاز یک واکنش زنجیره ای مداوم وجود داشته باشد.

برای تنظیم و کنترل فرایند شکافت هسته ای در یک راکتور از میله های کنترلی که معمولا از جنس کادمیوم است استفاده میشود. این میله ها با جذب نوترونهای آزاد در داخل راکتور از تسریع واکنشهای زنجیره ای جلوگیری میکند. زیرا با کاهش تعداد نوترونها ، تعداد واکنشهای زنجیره ای نیز کاهش میابد.

حدودا ۴۰۰ نیروگاه هسته ای در سرتاسر جهان فعال هستند که تقریبا ۱۷ درصد کل برق مصرفی در جهان را تامین میکنند. از جمله کاربردهای دیگر راکتورهای هسته ای، تولید نیروی محرکه لازم برای جابجایی ناوها و زیردریایی های اتمی است.
بازفراوری:

برای بازیافت اورانیوم از سوخت هسته ای مصرف شده در راکتور از عملیات شیمیایی موسوم به بازفراوری استفاده میشود. در این عملیات، ابتدا پوسته فلزی میله های سوخت مصرف شده را جدا میسازند و سپس آنها را در داخل اسید نیتریک داغ حل میکنند. در نتیجه این عملیات، ۱% پلوتونیوم ، ۳% مواد زائد به شدت رادیو اکتیو و ۹۶% اورانیوم بدست می آید که دوباره میتوان آنرا در راکتور به مصرف رساند.

 

راکتورهای نظامی این کار را بطور بسیار موثرتری انجام میدهند. راکتور و تاسیسات باز فراوری مورد نیاز برای تولید پلوتونیوم را میتوان بطور پنهانی در داخل ساختمانهای معمولی جاسازی کرد. به همین دلیل، تولید پلوتونیوم به این طریق، برای هر کشوری که بخواهد بطور مخفیانه تسلیحات اتمی تولید کند گزینه جذابی خواهد بود.
بمب پلوتونیومی:

استفاده از پلوتونیوم به جای اورانیوم در ساخت بمب اتمی مزایای بسیاری دارد. تنها چهار کیلوگرم پلوتونیوم برای ساخت بمب اتمی با قدرت انفجار ۲۰ کیلو تن کافی است. در عین حال با تاسیسات بازفراوری نسبتا کوچکی میتوان چیزی حدود ۱۲ کیلوگرم پلوتونیوم در سال تولید کرد.

۱- منبع یا مولد نوترونی
2- هسته پلوتونیومی
3- پوسته منعکس کننده (بریلیوم)
4- ماده منفجره پرقدرت
5- چاشنی انفجاری

کلاهک هسته ای شامل گوی پلوتونیومی است که اطراف آنرا پوسته ای موسوم به منعکس کننده نوترونی فرا گرفته است. این پوسته که معمولا از ترکیب بریلیوم و پلونیوم ساخته میشود، نوترونهای آزادی را که از فرایند شکافت هسته ای به بیرون میگریزند، به داخل این فرایند بازمی تاباند.

استفاده از منعکس کننده نوترونی عملا جرم بحرانی را کاهش میدهد و باعث میشود که برای ایجاد واکنش زنجیره ای مداوم به پلوتونیوم کمتری نیاز باشد.

برای کشور یا گروه تروریستی که بخواهد بمب اتمی بسازد، تولید پلوتونیوم با کمک راکتورهای هسته ای غیر نظامی از تهیه اورانیوم غنی شده آسانتر خواهد بود. کارشناسان معتقدند که دانش و فناوری لازم برای طراحی و ساخت یک بمب پلوتونیومی ابتدائی، از دانش و فنآوری که حمله کنندگان با گاز اعصاب به شبکه متروی توکیو در سال ۱۹۹۵ در اختیار داشتند پیشرفته تر نیست.

چنین بمب پلوتونیومی میتواند با قدرتی معادل ۱۰۰ تن تی ان تی منفجر شود، یعنی ۲۰ مرتبه قویتر از قدرتمندترین بمب گزاری تروریستی که تا کنون در جهان رخ داده است.
بمب اورانیومی:

هدف طراحان بمبهای اتمی ایجاد یک جرم فوق بحرانی ( از اورانیوم یا پلوتونیوم) است که بتواند طی یک واکنش زنجیره ای مداوم و کنترل نشده، مقادیر متنابهی انرژی حرارتی آزاد کند.

یکی از ساده ترین شیوه های ساخت بمب اتمی استفاده از طرحی موسوم به "تفنگی" است که در آن گلوله کوچکی از اورانیوم که از جرم بحرانی کمتر بوده به سمت جرم بزرگتری از اورانیوم شلیک میشود بگونه ای که در اثر برخورد این دو قطعه، جرم کلی فوق بحرانی شده و باعث آغاز واکنش زنجیره ای و انفجار هسته ای میشود. کل این فرایند در کسر کوچکی از ثانیه رخ میدهد.

جهت تولید سوخت مورد نیاز بمب اتمی، هگزا فلوئورید اورانیوم غنی شده را ابتدا به اکسید اورانیوم و سپس به شمش فلزی اورانیوم تبدیل میکنند. انجام این کار از طریق فرایندهای شیمیائی و مهندسی نسبتا ساده ای امکان پذیر است.

قدرت انفجار یک بمب اتمی معمولی حداکثر ۵۰ کیلو تن است، اما با کمک روش خاصی که متکی بر مهار خصوصیات جوش یا گداز هسته ای است میتوان قدرت بمب را افزایش داد.

در فرایند گداز هسته ای ، هسته های ایزوتوپهای هیدروژن به یکدیگر جوش خورده و هسته اتم هلیوم را ایجاد میکنند. این فرایند هنگامی رخ میدهد که هسته های اتمهای هیدروژن در معرض گرما و فشار شدید قرار بگیرند. انفجار بمب اتمی گرما و فشار شدید مورد نیاز برای آغاز این فرایند را فراهم میکند.

طی فرایند گداز هسته ای نوترونهای بیشتری رها میشوند که با تغذیه واکنش زنجیره ای، انفجار شدیدتری را بدنبال می آورند. اینگونه بمبهای اتمی تقویت شده به بمبهای هیدروژنی یا بمبهای اتمی حرارتی موسومند.

بمب اتمی

بمب اتمی سلاحی است که نیروی آن از انرژی اتمی و بر اثر شکاف هسته (فیسیون ) اتمهای پلوتونیوم یا اورانیوم ایجاد می شود .
در فرآیند شکافت هسته ای ، اتمهای ناپایدار شکافته و به اتمهای سبکتر تبدیل می شوند .
نخستین بمب از این نوع ، در سال ۱۹۴۵ م در ایالات نیو مکزیکو در ایالات متحده آمریکا آزمایش شد . این بمب ، انفجاری با قدرت ۱۹ کیلو تن ایجاد کرد ( یک کیلو تن برابر است با
انرژی اتمی آزاد شده ۱۹۰ تن ماده منفجره تی . ان . تی ) انفجار بمب اتمی موج بسیار نیرومند پرتوهای شدید نورانی ، تشعشعات نفوذ کننده اشعه گاما و نوترونها و پخش شدن مواد رادیو اکتیو را همراه دارد . انفجار بمب اتمی چندین هزار میلیارد کالری حرارت را در چند میلیونیوم ثانیه ایجاد می کند .
این دمای چند میلیون درجه ای با فشار بسیار زیاد تا فاصله ۱۲۰۰ متری از مرکز انفجار به افراد بدون پوشش حفاظتی صدمه می زند و سبب مرگ و بیماری انسان و جانوران می شود . همچنین زمین ، هوا آب و همه چیز را به مواد رادیو اکتیو آلوده می کند .
بمب های اتمی شامل نیروهای قوی و ضعیفی اند که این نیروها هسته یک اتم را به ویژه اتم هایی که هسته های ناپایداری دارند، در جای خود نگه می دارند. اساسا دو شیوه بنیادی برای آزادسازی انرژی از یک اتم وجود دارد:
● شکافت هسته ای:
می توان هسته یک اتم را با یک نوترون به دو جزء کوچک تر تقسیم کرد. این همان شیوه ای است که در مورد ایزوتوپ های اورانیوم (یعنی اورانیوم ۲۳۵ و اورانیوم ۲۳۳) به کار می رود.
برای تولید یک بمب اتمی موارد زیر نیاز است:
یک منبع سوخت که قابلیت شکافت یا همجوشی را داشته باشد. دستگاهی که همچون ماشه آغازگر حوادث باشد. راهی که به کمک آن بتوان بیشتر سوخت را پیش از آنکه انفجار رخ دهد دچار شکافت یا همجوشی کرد. در اولین بمب های اتمی از روش شکافت استفاده می شد. اما امروزه بمب های همجوشی از فرآیند همجوشی به عنوان ماشه آغازگر استفاده می کنند.
● بمب های شکافتی (فیزیونی):
یک بمب شکافتی از ماده ای مانند اورانیوم ۲۳۵ برای خلق یک انفجار هسته ای استفاده می کند. اورانیوم ۲۳۵ ویژگی منحصر به فردی دارد که آن را برای تولید هم انرژی هسته ای و هم بمب هسته ای مناسب می کند. اورانیوم ۲۳۵ یکی از نادر موادی است که می تواند زیر شکافت القایی قرار بگیرد.اگر یک نوترون آزاد به هسته اورانیوم ۲۳۵ برود،هسته بی درنگ نوترون را جذب کرده و بی ثبات شده در یک چشم به هم زدن شکسته می شود. این باعث پدید آمدن دو اتم سبک تر و آزادسازی دو یا سه عدد نوترون می شود که تعداد این نوترون ها بستگی به چگونگی شکسته شدن هسته اتم اولیه اورانیوم ۲۳۵ دارد. دو اتم جدید به محض اینکه در وضعیت جدید تثبیت شدند از خود پرتو گاما ساطع می کنند. درباره این نحوه شکافت القایی سه نکته وجود دارد که موضوع را جالب می کند.
۱) احتمال اینکه اتم اورانیوم ۲۳۵ نوترونی را که به سمتش است، جذب کند، بسیار بالا است. در بمبی که به خوبی کار می کند، بیش از یک نوترون از هر فرآیند فیزیون به دست می آید که خود این نوترون ها سبب وقوع فرآیندهای شکافت بعدی اند. این وضعیت اصطلاحا «ورای آستانه بحران» نامیده می شود.
۲) فرآیند جذب نوترون و شکسته شدن متعاقب آن بسیار سریع و در حد پیکو ثانیه (۱۲-۱۰ ثانیه) رخ می دهد.
۳) حجم عظیم و خارق العاده ای از انرژی به صورت گرما و پرتو گاما به هنگام شکسته شدن هسته آزاد می شود. انرژی آزاد شده از یک فرآیند شکافت به این علت است که محصولات شکافت و نوترون ها وزن کمتری از اتم اورانیوم ۲۳۵ دارند. این تفاوت وزن نمایان گر تبدیل ماده به انرژی است که به واسطه فرمول معروف mc۲= E محاسبه می شود. حدود نیم کیلوگرم اورانیوم غنی شده به کار رفته در یک بمب هسته ای برابر با چندین میلیون گالن بنزین است. نیم کیلوگرم اورانیوم غنی شده انداز ه ای معادل یک توپ تنیس دارد. در حالی که یک میلیون گالن بنزین در مکعبی که هر ضلع آن ۱۷ متر (ارتفاع یک ساختمان ۵ طبقه) است، جا می گیرد. حالا بهتر می توان انرژی آزاد شده از مقدار کمی اورانیوم ۲۳۵ را متصور شد.برای اینکه این ویژگی های اروانیوم ۲۳۵ به کار آید باید اورانیوم را غنی کرد. اورانیوم به کار رفته در سلاح های هسته ای حداقل باید شامل نود درصد اورانیوم ۲۳۵ باشد.در یک بمب شکافتی، سوخت به کار رفته را باید در توده هایی که وضعیت «زیر آستانه بحران» دارند، نگه داشت. این کار برای جلوگیری از انفجار نارس و زودهنگام ضروری است. تعریف توده ای که در وضعیت «آستانه بحران» قرار داد چنین است: حداقل توده از یک ماده با قابلیت شکافت که برای رسیدن به واکنش شکافت هسته ای لازم است. این جداسازی مشکلات زیادی را برای طراحی یک بمب شکافتی با خود به همراه می آورد که باید حل شود.
۱) دو یا بیشتر از دو توده «زیر آستانه بحران» برای تشکیل توده «ورای آستانه بحران» باید در کنار هم آورده شوند که در این صورت موقع انفجار به نوترون بیش از آنچه که هست برای رسیدن به یک واکنش شکافتی، نیاز پیدا خواهد شد.
۲) نوترون های آزاد باید در یک توده «ورای آستانه بحران» القا شوند تا شکافت آغاز شود.
۳) برای جلوگیری از ناکامی بمب باید هر مقدار ماده که ممکن است پیش از انفجار وارد مرحله شکافت شود برای تبدیل توده های «زیر آستانه بحران» به توده هایی «ورای آستانه بحران» از دو تکنیک «چکاندن ماشه» و «انفجار از درون» استفاده می شود.تکنیک «چکاندن ماشه» ساده ترین راه برای آوردن توده های «زیر بحران» به همدیگر است. بدین صورت که یک تفنگ توده ای را به توده دیگر شلیک می کند. یک کره تشکیل شده از اورانیوم ۲۳۵ به دور یک مولد نوترون ساخته می شود. گلوله ای از اورانیوم ۲۳۵ در یک انتهای تیوپ درازی که پشت آن مواد منفجره جاسازی شده، قرار داده می شود.کره یاد شده در انتهای دیگر تیوپ قرار می گیرد.
یک حسگر حساس به فشار ارتفاع مناسب را برای انفجار چاشنی و بروز حوادث زیر تشخیص می دهد:
۱) انفجار مواد منفجره و در نتیجه شلیک گلوله در تیوپ
۲) برخورد گلوله به کره و مولد و در نتیجه آغاز واکنش شکافت
۳) انفجار بمب
در «پسر بچه» بمبی که در سال های پایانی جنگ جهانی دوم بر شهر هیروشیما انداخته شد، تکنیک «چکاندن ماشه» به کار رفته بود. این بمب ۵/۱۴ کیلو تن برابر با ۵۰۰/۱۴ تن TNT بازده و ۵/۱ درصد کارآیی داشت. یعنی پیش از انفجار تنها ۵/۱ درصد ازماده مورد نظر شکافت پیدا کرد. در همان ابتدای «پروژه منهتن»، برنامه سری آمریکا در تولید بمب اتمی، دانشمندان فهمیدند که فشردن توده ها به همدیگر و به یک کره با استفاده از انفجار درونی می تواند راه مناسبی برای رسیدن به توده «ورای آستانه بحران» باشد. البته این تفکر مشکلات زیادی به همراه داشت. به خصوص این مسئله مطرح شد که چگونه می توان یک موج شوک را به طور یکنواخت، مستقیما طی کره مورد نظر، هدایت و کنترل کرد؟افراد تیم پروژه «منهتن» این مشکلات را حل کردند. بدین صورت، تکنیک «انفجار از درون» خلق شد. دستگاه انفجار درونی شامل یک کره از جنس اورانیوم ۲۳۵ و یک بخش به عنوان هسته است که از پولوتونیوم ۲۳۹ تشکیل شده و با مواد منفجره احاطه شده است. وقتی چاشنی بمب به کار بیفتد حوادث زیر رخ می دهند:
۱) انفجار مواد منفجره موج شوک ایجاد می کند.
۲) موج شوک بخش هسته را فشرده می کند.
۳) فرآیند شکافت شروع می شود.
۴) بمب منفجر می شود.
در «مرد گنده» بمبی که در سال های پایانی جنگ جهانی دوم بر شهر ناکازاکی انداخته شد، تکنیک «انفجار از درون» به کار رفته بود. بازده این بمب ۲۳ کیلو تن و کارآیی آن ۱۷درصد بود.شکافت معمولا در ۵۶۰ میلیاردم ثانیه رخ می دهد.بمب های همجوشی: بمب های همجوشی کار می کردند ولی کارآیی بالایی نداشتند. بمب های همجوشی که بمب های «ترمونوکلئار» هم نامیده می شوند، بازده و کارآیی به مراتب بالاتری دارند. برای تولید بمب همجوشی باید مشکلات زیر حل شود:دوتریوم و تریتیوم مواد به کار رفته در سوخت همجوشی هر دو گازند و ذخیره کردنشان دشوار است. تریتیوم هم کمیاب است و هم نیمه عمر کوتاهی دارد بنابراین سوخت بمب باید همواره تکمیل و پر شود.دوتریوم و تریتیوم باید به شدت در دمای بالا برای آغاز واکنش همجوشی فشرده شوند. در نهایت «استانسیلا اولام» دریافت که بیشتر پرتو به دست آمده از یک واکنش فیزیون، اشعه X است که این اشعه X می تواند با ایجاد درجه حرارت بالا و فشار زیاد مقدمات همجوشی را آماده کند. بنابراین با به کارگیری بمب شکافتی در بمب همجوشی مشکلات بسیاری حل شد. در یک بمب همجوشی حوادث زیر رخ می دهند:
۱) بمب شکافتی با انفجار درونی ایجاد اشعه X می کند.
۲) اشعه X درون بمب و در نتیجه سپر جلوگیری کننده از انفجار نارس را گرم می کند.
۳) گرما باعث منبسط شدن سپر و سوختن آن می شود. این کار باعث ورود فشار به درون لیتیوم - دوتریوم می شود.
۴) لیتیوم - دوتریوم ۳۰ برابر بیشتر از قبل تحت فشار قرار می گیرند.
۵) امواج شوک فشاری واکنش شکافتی را در میله پولوتونیومی آغاز می کند.
۶) میله در حال شکافت از خود پرتو، گرما و نوترون می دهد.
۷) نوترون ها به سوی لیتیوم - دوتریوم رفته و با چسبیدن به لیتیوم ایجاد تریتیوم می کند.
۸) ترکیبی از دما و فشار برای وقوع واکنش همجوشی تریتیوم - دوتریوم ودوتریوم - دوتریوم و ایجاد پرتو، گرما و نوترون بیشتر، بسیار مناسب است.
۹) نوترون های آزاد شده از واکنش های همجوشی باعث القای شکافت در قطعات اورانیوم ۲۳۸ که در سپر مورد نظر به کار رفته بود، می شود.
۱۰) شکافت قطعات اروانیومی ایجاد گرما و پرتو بیشتر می کند.
۱۱) بمب منفجر شود.

طیف نشری هیدروژن

چرا در طیف نشری خطی هیدروژن فقط انتقالات از ترازهای بالاتر به n=2 را در نظر می گیرند؟

در اتم هیدروژن نیز مثل سایر اتمها ، انتقالات الکترونی از هر ترازی به هر تراز دیگر امکان پذیر است اما نور حاصل از این انتقالات طول موج های متفاوتی دارند.

 در بین انتقالات الکترونی هرچه فاصله بین تراز بالاتر و پایین تر بیشتر باشد خطی با طول موج کمتر و انرژی بیشتر تولید می کند فاصله بین ترازها نیز به تدریج کم و کمتر می شود. این فاصله ها در اتم هیدروژن به نحوی است که فقط طول موج انتقالات مربوط به تراز سوم تا ششم به تراز دوم در ناحیه مرئی قرار می گیرد. چون در طیف نشری خطی عنصرها معمولا ناحیه مرئی طیف را مطالعه می کنند برای اتم هیدروژن نیز همین چهار انتقال را در نظر می گیرند. ناگفته نماند برای سایر اتمها معمولا طول موج انتقالات ترازهای بالاتر به تراز پایه اتم در ناحیه مرئی می افتند.

شناساگرها

 

شناساگرها معمولا ترکیبهایی آلی با خصلت اسیدی یا بازی ضعیف می باشند که در محیط هایی با pH مختلف تغییر رنگ نشان می دهند. مهمترین آنها به صورت زیر است

 

 

 

Indicator	رنگ pH کوچکتر	گستره pH	رنگ pH بزرگتر
Gentian violet (Methyl violet)		0.0–2.0
Leucomalachite green (first transition)		0.0–2.0
Thymol blue (first transition)		1.2–2.8
Methyl yellow		2.9–4.0
Bromophenol blue		3.0–4.6
Congo red		3.0–5.0
Methyl orange		3.1–4.4
Bromocresol green		3.8–5.4
Methyl red		4.4–6.2
Azolitmin		4.5–8.3
Bromocresol purple		5.2–6.8
Bromothymol blue		6.0–7.6
Phenol red		6.8–8.4
Neutral red		6.8–8.0
Naphtholphthalein		7.3–8.7
Cresol Red		7.2–8.8
Thymol blue (second transition)		8.0–9.6
Phenolphthalein		8.2–10.0
Thymolphthalein		9.3–10.5
Alizarine Yellow R		10.2–12.0
Leucomalachite green (second transition)		11.6–14

مرجع کامل تر را در سایت مقابل ملاحظه کنید  http://www.ausetute.com.au/indicata.html

تاریخچه ی زمانی شیمی

شیمی شاخه ای از علم است که قدمت آن به سالهای دور بازمی گردد.در طول دوران علم طبیعت را به چهار دسته آب,خاک,باد و آتش تقسیم بندی می کردند.ولی با گذشت دوران و پیشرفت علم این تقسیم بندی تغییر یافت و  مطالعه شیمی جادوی سیاه نام گرفت .

دوران تحول در شیمی به چهار دسته قیل از قرن 17 میلادی , از قرن 17 تا اوایل قرن نوزدهم , از قرن نوزدهم تا ابتدای قرن قرن بیستم و زمان کنونی تقسیم بندی نمود که هر دوران مربوط به یک کشف تاثیر  گذار بر روی علم شیمی و آغاز تحولی اساسی در رشته شده است .در زیر نوار زمانی از تحولات تاریخی این علم به طور مختصر ارایه شده است : 

Democritus ( 465 قبل از میلاد)

اولین نظریه اتمی در مورد وجود کوچکترین ذره در کنه ماده

 

کیمیاگری (از زمان دموکریتوس تا 1650)

تلاش برای تغییر ماهیت مواد از جمله سرب به مواد عناصر با ارزش مانند طلا

 

Boyle, Sir Robert 1637-1691))

 قوانین گازها و ...

 

Torricelli, Evangelista 1643))

کشف فشار سنج جیوه ای

 

von Guericke, Otto 1645))

کشف پمپ خلا

 

Bradley, James 1728))

محاسبه سرعت نور

 

Priestley, Joseph 1733-1804))

کشف اکسیژن , کربن مونوکسید ,نیروژن اکسید ,از روی قوس الکتریکی

 

Scheele, C.W. 1742-1786))

کشف تارتاریک اسید,اکسیداسیدون و فتوشیمی

 

Le Blanc, Nicholas 1742-1806))

کشف خاکستر سودا از سدیم سولفات ,سنگ لیموو کک

 

Lavoisier, A.L. 1743-1794)

کشف نیتروژن و بسیاری ترکیبات آلی که به او پدر علم شیمی نیز می گویند..

 

Volta, A. (1745-1827)

کشف باتری الکتریکی

 

Berthollet, C.L. (1748-1822)

تصحیح تئوری اسید و باز . و تعیین وزن اتمی و مولکولی

 

Franklin, Benjamin (1752)

کار روی امواج الکتریکی

 

Dalton, John (1766-1844)

اولین تئوری اتمی (1807), اندازه گیری حجم گازها

 

Avogadro, Amedeo (1776-1856)

Proposed principle that equal volumes of gases contain the same number of molecules.

 

Davy, Sir Humphry (1778-1829)

Laid foundation of electrochemistry. Studied electroysis of salts in water. Isolated sodium and potassium.

 

Gay-Lussac, J.L. (1778-1850)

Discovered boron and iodine. Discovered acid-base indicators (litmus). Improved method for making sulfuric acid. Researched behavior of gases.

 

Berzelius J.J. (1779-1850)

Classified minerals according to their chemical composition. Discovered and isolated many elements (Se, Th, Si, Ti, Zr). Coined the terms 'isomer' and 'catalyst'.

 

Coulomb, Charles (1795)

Introduced the inverse-square law of electrostatics.

 

Faraday, Michael (1791-1867)

Coined term 'electrolysis'. Developed theories of electrical and mechanical energy, corrosion, batteries, and electrometallurgy. Faraday was not a proponent of atomism.

 

Count Rumford (1798)

Thought that heat was a form of energy.

 

Wohler, F. (1800-1882)

First synthesis of an organic compound (urea, 1828).

 

Goodyear, Charles (1800-1860)

Discovered vulcanization of rubber (1844). Hancock in England made a parallel discovery.

 

Young, Thomas (1801)

Demonstrated the wave nature of light and the principle of interference.

 

Liebig, J. von (1803-1873)

Investigated photosynthesis reaction and soil chemistry. First proposed use of fertilizers. Discovered chloroform and cyanogen compounds.

 

Oersted, Hans (1820)

Observed that a current in a wire can deflect a compass needle - provided first concrete evidence of the connection between electricity and magnetism.

 

Graham, Thomas (1822-1869)

Studied diffusion of solutions through membranes. Established foundations of colloid chemistry.

 

Pasteur, Louis (1822-1895)

First recognition of bacteria as disease-causing agents. Developed field of immunochemistry. Introduced heat-sterilization of wine and milk (pasteurization). Saw optical isomers (enantiomers) in tartaric acid.

 

Sturgeon, William (1823)

Invented the electromagnet.

 

Carnot, Sadi (1824)[/br] Analyzed heat engines.

 

Ohm, Simon (1826)

Stated law of electrical resistance.

 

Brown, Robert (1827)

Discovered Brownian motion.

 

Lister, Joseph (1827-1912)

Initiated use of antiseptics in surgery, e.g., phenols, carbolic acid, cresols.

 

برای در یافت نوار کامل زمانی در تاریخچه شیمی به لینک زیر مراجعه کنید:

 

تارخچه ی شیمی

دید کلی شیمی را می‌توان به صورت علمی که با توصیف ویژگیها ، ترکیب و تبدیلات ماده سروکار دارد، تعریف کرد. اما این تعریف ، نارساست. این تعریف ، بیانگر روح شیمی نیست. شیمی همچون دیگر علوم ، سازمانی زنده و در حال رشد است، نه انباره‌ای از اطلاعات. علم ، خاصیت تکوین خودبخود دارد. ماهیت هر مفهوم تازه آن ، خود محرک مشاهده و آزمایشی جدید است که به بهبود بیش از پیش آن مفهوم و سرانجام به توسعه دیگر مفاهیم می‌انجامد. از آنجا که زمینه‌های علمی همپوشانی دارند، مرز متمایزی میان آنها نمی‌توان یافت و در نتیجه مفاهیم و روشهای علمی کاربرد همگانی پیدا می‌کنند. در پرتو این گونه رشد علمی ، دیگر تعجبی ندارد که یک پژوهش علمی معین ، بارها از مرزهای مصنوعی و پرداخته ذهن بشر بگذرد. قلمرو شیمی مفهومی متعارف علم شیمی با ترکیب و ساختار مواد و نیروهایی که این ساختارها را بر پا نگه داشته است، سروکار دارد. خواص فیزیکی مواد از این رو مورد مطالعه قرار می‌گیرند که سرنخی از مشخصات ساختاری آنها را بدست می‌دهند و به عنوان مبنایی برای تعیین هویت و طبقه‌بندی بکار می‌روند و کاربردهای ممکن هر ماده بخصوص را مشخص می‌کنند. اما واکنشهای شیمیایی ، کانون علم شیمی هستند. توجه علم شیمی به هر گوشه قابل تصوری از این تغییر و تبدیلها کشیده می‌شود و شامل ملاحظاتی است از این قبیل: شرح تفصیلی درباره چگونگی واکنشهای و سرعت پیشرفت آنها شرایط لازم برای فراهم کردن تغییرات مطلوب و جلوگیری از تغییرات نامطلوب تغییرات انرژی که با واکنشهای شیمیایی همراه است. سنتز موادی که در طبیعت صورت می‌گیرد. سنتز موادی که مشابه طبیعی ندارند. روابط کمّی جرمی بین مواد در تغییرات شیمیایی. پیدایش شیمی جدید شیمی جدید که در اواخر سده هیجدهم ظاهر شده است، طی صدها سال ، توسعه یافته است. داستان توسعه شیمی را تقریبا به پنج دوره می‌توان تقسیم کرد: فنون عملی این فنون تا 600 سال قبل از میلاد مسیح رایج بوده است. تولید فلز از کانه‌ها ، سفالگری ، تخمیر ، پخت و پز ، تهیه رنگ و دارو فنونی باستانی است. شواهد باستان شناسی ثابت می‌کند که ساکنان مصر باستان و بین‌النهرین در این حرفه‌ها مهارت داشته‌اند. ولی چگونه و چه وقت این حرفه‌ها برای نخستین بار پیدا شده‌اند، معلوم نیست. در این دوره ، فنون مذکور که در واقع فرایندهای شیمیایی هستند، توسعه بسیار یافته‌اند. اما این توسعه و پیشرفت ، تجربی بوده است، بدین معنی که مبنای آن تنها تجربه عملی بوده، بدون آنکه تکیه گاهی بر اصول شیمیایی داشته باشد. فلزکاران مصری می‌دانستند که چگونه از گرم کردن کانه مالاشیت با زغال ، مس بدست آورند، ولی نمی‌دانستند و در صدد دانستن آن هم نبودند که چرا این فرایند موثر واقع می‌شود و آنچه در آتش صورت می‌گیرد، واقعا چیست؟ نظریه‌های یونانی این نظریه‌ها از 600 تا 300 سال قبل از میلاد عنوان شدند. جنبه فلسفی یا جنبه نظری شیمی حدود 600 سال قبل از میلاد در یونان باستان آغاز شد. اساس علم یونانی ، جستجوی اصولی بود که از طریق آن ادراکی از طبیعت حاصل شود. دو نظریه یونانی در سده‌های واپسین اهمیت فراوان یافت: این مفهوم که تمام مواد موجود در زمین ، ترکیبی از چهار عنصر (خاک ، باد ، آتش و آب) است، به نسبتهای گوناگون ، از اندیشه‌های فیلسوفان یونانی این دوره نشات یافته است. این نظریه که ماده از آحاد مجزا و جدا از همی به نام اتم ترکیب یافته است، بوسیله لوسیپوس پیشنهاد شد و دموکرتیس آن را در سده پنجم ق.م. توسعه داد. نظریه افلاطون این بود که اتمهای یک عنصر از لحاظ شکل با اتمهای عنصر دیگر تفاوت دارد. علاوه بر این ، او باور داشت که اتم‌های یک عنصر می‌توانند با تغییر شکل به اتمهایی از نوع دیگر تغییر یابند یا استحاله پیدا کنند. مفهوم استحاله در نظریه‌های ارسطو نیز منعکس است. ارسطو (که به وجود اتمها معتقد نبود) می‌گفت که عناصر و بنابراین تمام مواد از ماده اولیه یکسانی ترکیب یافته‌اند و تفاوت آنها فقط از لحاظ صورتهایی است که این ماده اولیه به خود می‌گیرد. به نظر ارسطو ، صورت ماده نه تنها شکل ، بلکه کیفیتها (از لحاظ رنگ ، سختی و غیره) را نیز دربر می‌گیرد و همین صورت است که ماده‌ای را از ماده دیگر متمایز می‌کند. او می‌گفت که تغییر صورت پیوسته در طبیعت صورت می‌گیرد و تمام اشیای مادی (جاندار و بی جان) از صورتهای نابالغ به صورتهای بالغ رشد و تکامل می‌یابند. در سراسر قرون وسطی باور این بود که کانی‌ها رشد می‌کنند و هرگاه کانیها از معادن استخراج شوند، معادن بار دیگر از کانیها پر می‌شوند. کیمیاگری کیمیاگری از 300 سال قبل از میلاد تا حدود 1650 میلادی رایج بود. سنت فلسفی یونان باستان و تجارت صنعتگران مصر باستان در شهری که بوسیله اسکندر کبیر در 331 ق.م. بنا شد یعنی اسکندریه مصر ، با هم جمع شدند و حاصل آمیزش آنها ، کیمیاگری بود. کیمیاگران اولیه برای ابداع نظریه‌هایی درباره ماهیت ماده از روشهای مصری برای بکارگیری مواد استفاده می‌کردند. کیمیاگران باور داشتند که یک فلز می‌تواند با تغییر کیفیات (بویژه رنگ آن) تغییر پذیرد و چنین تغییراتی در طبیعت صورت می‌گیرد. فلزات می‌کوشند تا همچون طلا کامل شوند. همچنین آنها باور داشتند که این گونه تغییرات ممکن است بوسیله مقدار بسیار اندکی از یک عامل استحاله کننده قوی (که بعدا سنگ فیلسوفان نامیده شد) ایجاد شود. در سده هفتم میلادی ، مسلمانان مراکز تمدن هلنی (از جمله مصر در 640 میلادی) را تسخیر کردند و کیمیاگری بدست آنها افتاد. در سده‌های دوازدهم و سیزدهم ، کیمیاگری به تدریج به اروپا راه یافت و آثار عربی به لاتین برگردانده شد. کیمیاگری تا سده هفدهم دوام یافت. در این زمان نظریه‌ها و نگرشهای کیمیاگران بتدریج زیر سوال قرار می‌گرفت. کار رابرت بویل که اثر معروف خود به نام شیمیدان شکاک را در 1661 منتشر کرد، در این باره ارزشمند است. گرچه بویل باور داشت که استحاله فلزات پست به طلا امکان‌پذیر است، ولی او اندیشه کیمیاگری را مورد انتقاد شدید قرار داد. بویل باور داشت که نظریه شیمیایی باید حاصل شواهد تجربی باشد. فلوژیستون این نظریه از 1650 تا 1790 میلادی رواج داشت. تقریبا در سراسر سده هجدهم ، نظریه فلوژیستون نظریه‌ای مسلط در شیمی بود. این نظریه که بعدها معلوم شد نظریه‌ای نادرست است، در اصل کار "گئورک ارنست اشتال" بود. فلوژیستون «اصل آتش» ، جز تشکیل دهنده ماده‌ای دانسته می‌شد که متحمل سوختن می‌شود. چنین پنداشته می‌شد که یک جسم بر اثر سوختن ، فلوژیستون خود را از دست می‌دهد و به صورت ساده‌تری کاهیده می‌شود. باور این بود که نقش هوا در عمل سوختن ، انتقال فلوژیستون آزاد شده است. بنا به نظریه فلوژیستون چوب در اثر سوختن به خاکستر و فلوژیستون (که بوسیله هوا جدا می‌شود)تبدیل می‌گردد. طبق نظریه فلوژیستون ، چوب ، ماده مرکبی است که از خاکستر و فلوژیستون ترکیب یافته است. همچنین در مورد عمل تکلیس ، این نظریه عنوان می‌دارد که فلز ، ماده مرکبی است که از یک کالکس و فلوژستیون ترکیب یافته است. در نظریه فلوژیستون ، ذاتا" مشکلی است که هرگز توضیح کافی درباره آن داده نشد. وقتی چوب می‌سوزد، فرض بر این است که فلوژیستون از دست می‌دهد و نتیجه آن خاکستری است که وزن آن کمتر از قطعه چوب اصلی است. اما در عمل تکلیس ، از دست رفتن فلوژیستون با افزایش وزن همراه است، چون کالکس یا اکسید فلزی ، وزنش بیشتر از فلز اصلی است. طرفداران نظریه فلوژیستون این مشکل را تشخیص داده بودند، لیکن تقریبا در سراسر سده هیجدهم ، اهمیت توزین و اندازه گیری دانسته نشد. شیمی جدید کار آنتوان لاوازیه در اواخر سده هیجدهم را معمولا آغاز شیمی جدید می‌دانند. "لاوازیه" ،‌ با تعمق کافی ، دست‌اندرکار براندازی نظریه فلوژیستون شد و انقلابی در شیمی پدید آورد. او که ترازوی شیمیایی بسیار استفاده می‌کرد، با تکیه بر نتایج آزمایشهای کمی ، به توضیح تعدادی از پدیده‌های شیمیایی دست یافت. قانون پایستاری جرم می‌گوید که در جریان یک واکنش شیمیایی تغییر محسوسی در جرم صورت نمی‌گیرد. به گفته دیگر ، جرم کل تمام موادی که در واکنش شیمیایی وارد می‌شوند، برابر جرم تمام محصولات واکنش است. این قانون ، توسط لاوازیه به وضوح بیان شد. برای لاوازیه نظریه فلوژیستون امری ناممکن بود. اقداماتی که دانشمندان از سالهای 1970 به بعد به عمل آورده‌اند، با استفاده از کتاب لاوازیه با عنوان « رساله‌ای مقدماتی درباره شیمی» که در سال 1789 منتشر شد، بیان شده است. آنچه در دو سده پس از لاوازیه درباره شیمی دانسته شده، بسیار بیشتر از بیست سده پیش از اوست. علم شیمی از آن زمان به بعد ، تدریجا در پنج شاخه اصلی بسط یافت. (البته این تقسیمات اختیاری است و به طبقه بندی آنها انتقادهایی وارد است.) طبقه‌بندی شیمی شیمی آلی : شیمی ترکیبات کربن است. شیمی معدنی : شیمی تمامی عناصر به جز کربن. البته بعضی از ترکیبات ساده کربن مانند کربناتها و بطور سنتی در زمره ترکیبات معدنی طبقه بندی می‌شوند، زیرا از منابع معدنی بدست می‌آیند. شیمی تجزیه : تشخیص اجزای تشکیل دهنده مواد ، هم از لحاظ کیفی و هم از لحاظ کمی. شیمی فیزیک : مطالعه اصول فیزیکی که زمینه درک ساختار ماده و تبدیلات شیمیایی است. زیست شیمی : شیمی سیستمهای زنده اعم از گیاهی و حیوانی.