ربات بازرس در بزرگ‌ترین برخورددهنده جهان

ربات بازرس در بزرگ‌ترین برخورددهنده جهان

برخورد دهنده بزرگ هادرونی در مرکز سرن که بزرگترین شتاب‌دهنده ذره جهان است، اکنون به یک بازرس رباتیک مجهز شده که بطور بلادرنگ بر سیستم تونلی این تاسیسات نظارت می‌کند.

این سیستم رباتیک “تیم” (TIM) نام دارد که مخفف ” قطار بازرسی مونوریل” است و در میان تونل‌های برخورددهنده بر روی مونوریل متصل به سقف حرکت می‌کند.

این مسیر در زمانی که این تونل برای برخورددهنده بزرگ الکترون -پوزیترون در سال ۱۹۸۹ ساخته شده بود، در آن ایجاد شد و به انتقال تدارکات و کارکنان می‌پرداخت.

این شتاب‌دهنده تا سال ۲۰۰۰ به کار مشغول بود اما در سال ۲۰۰۱ غیرفعال و برچیده شد.

پس از آن، تونل مذکور برای برخورددهنده بزرگ هادرونی مورد استفاده قرار گرفت.

ربات بازرس در بزرگ‌ترین برخورددهنده جهانعلم فیزیک – ربات بازرس در بزرگ‌ترین برخورددهنده جهان

ربات تیم با سرعت شش کیلومتر در ساعت در میان تونل‌ها حرکت کرده و با استفاده از مجموعه‌ای ابزار به نظارت بر ساختار، دما و درصد اکسیژن تونل می‌پردازد.

تیم همچنین به نقشه‌برداری از تابش پرداخته و تصاویر بصری و مادون قرمز از درون تونل را در اختیار اپراتورها قرار می‌دهد.

در حال حاضر دو ربات تیم در این تونل به کار گرفته شده‌اند که هر دو منتظر فرمان اپراتورها در برخورددهنده بزرگ هادرونی هستند.

برخورددهندهٔ هادرونی بزرگ یک شتاب‌دهندهٔ ذرّه‌ای و برخورددهنده مستقر در سازمان تحقیقاتی سرن در نزدیکی ژنو سوئیس است.

این پروژه در ۱۰ سپتامبر ۲۰۰۸ میلادی (۲۰ شهریور ۱۳۸۷ هجری شمسی) پس از ۲۰ سال آماده‌سازی، آغاز به کار کرد.

هدف از ساختن آن :

۱-شناخت اجرام مادّه در حدّ فاصل ‎  {\displaystyle 10^{-23}} سانتی‌متر

۲-آزمون مدل استاندارد ذرّات

۳-کشف اجزای یافت نشدهٔ مدل استاندارد

۴-آزمون نظریّهٔ ابرتقارن و نظریه وحدت بزرگ است.

از دیگر اهداف مهمّ این پروژه کشف ذرّه بنیادی هیگز است که فیزیکدانان ذرات بنیادی وجود آن را پیشگویی کرده‌اند.

ذرهٔ هیگز یا بوزون هیگز دخیل در ایجاد جرم در ذرّات بنیادی است.

در این آزمایشگاه پروتونها در یک تونل ۲۷ کیلومتری شتاب گرفته و به اندازه ۱۴ تریلیون الکترون ولت انرژی می‌گیرند و به هم برخورد می‌کنند

منبع : خبرآنلاین

ربات بازرس در بزرگ‌ترین برخورددهنده جهان ،

اخبار فیزیک ، مقالات فیزیک ، علم فیزیک

فیزیک کوانتوم ، فیزیک نجوم ، مکانیک ، الکترومغناطیس

بمب اتم

بمب اتم

بمب اتم نام رایج وسایل انفجاری است که در آن‌ها از انرژی آزاد شده در فرایند شکافت هسته‌ای، یا گداخت هسته‌ای برای تخریب استفاده می‌شود. بمب‌های اتمی که برمبنای گداخت کار می‌کنند نسل نوین بمب اتمی هستند و قدرتی بسیار بیشتر از بمب‌های شکافتی دارند. مبنای آزاد شدن انرژی در هر دو نوع بمب اتمی تبدیل ماده به انرژی (E=mc²)است اما در بمب‌های گداختی جرم بیشتری از ماده به انرژی تبدیل می‌شود. نخستین بمب اتمی که بمبی پلوتونیومی(از نوع شکافتی) بود در سال ۱۹۴۵م در جریان جنگ جهانی دوم در آمریکا ساخته و در شانزدهم ژوئیهٔ ۱۹۴۵م در صحرای آلاموگوردو در نیو مکزیکوی آمریکا آزمایش شد. آمریکا تنها کشوری است که از بمب اتمی (شکافتی-اورانیومی در هیروشیما وشکافتی – پلوتونیومی در ناگازاکی) استفاده نظامی کرده‌است. شوروی در سال ۱۹۴۹ دارای بمب اتمی شد.

اختراع این سلاح، ریشه طولانی در تاریخ علم فیزیک و شیمی دارد اما استفاده از دانش به دست آمده، برای ساخت بمب اتمی بیشتر به رابرت اوپنهایمر و ادوارد تلر نسبت داده می‌شود.

تاریخچهٔ سلاح‌های هسته‌ای

اولین تلاش‌ها در جهت ساخت بمب اتمی در آلمان نازی آغاز گشت. در این دوران، شیمیدانی به نام پل هارتک از اساتید دانشگاه هامبورگ به توان بالقوه نیروی اتمی برای کاربردهای نظامی پی برد. وی در ۲۴ فوریه ۱۹۳۹ امکان استفاده از انرژی هسته‌ای به عنوان یک سلاح با توان تخریبی نا محدود را طی نامه‌ای به وزارت جنگ در برلین اطلاع داد. به‌دنبال این امر گروهی برای تحقیق در این رابطه تشکیل شد و وارنرهایزنبرگ فیزیکدان برجسته آلمانی به طور غیر رسمی سرپرست تیم تحقیقاتی آلمان برای ساخت بمب هسته‌ای گشت.

بمب اتم
علم فیزیک – بمب اتم
 
تصویر اولین آزمایش اتمی در ترینیتی ایالت نیومکزیکو

در همین زمان، آلبرت انیشتین طی نامه معروف خود به روزولت رئیس جمهور وقت آمریکا خطر دستیابی آلمان به تولید بمب اتم را گوشزد کرد. متعاقب این اخطار روزولت دستور ایجاد پروژه منهتن با هدف تحقیق در این رابطه و تولید بمب اتم را با همکاری کشور انگلستان صادر کرد. برای این پروژه تأسیساتی در لوس آلاموس در ایالت نیومکزیکو، اوک ریج ایالت تنسی و همفورد ایالت واشنگتن به کار گرفته شدند و تیمی از برجسته‌ترین دانشمندان آن دوران به استخدام این پروژه در آمدند. محققان آلمانی موفق به تولید بمب اتم نشدند. اگرچه ادعاهایی در زمینه آزمایش نوعی ابزار هسته‌ای توسط نازی‌ها پیش از پایان جنگ جهانی دوم مطرح شده است. اما تیم آمریکایی به سرپرستی فیزیکدان برجسته، جی آر اوپنهایمر موفق به ساخت عملی اولین بمب هسته‌ای شد که در ۱۶ ژوئیه ۱۹۴۵ در ناحیه‌ای موسوم به ترینیتی در نیومکزیکو آزمایش شد.

به فاصله کوتاهی در ۶ آگوست ۱۹۴۵، بمب افکن اسکادران ۵۰۹ نیروی هوایی آمریکا موسوم به Enola Gay(که اکنون در موزه‌ای در واشنگتن نگهداری می‌شود)، از پایگاهی در جنوب اقیانوس آرام به پرواز در آمد و در ساعت ۸:۱۵ دقیقه به وقت محلی، بمب موسوم به پسر کوچک را بر شهر هیروشیما ژاپن منفجر ساخت و بدین ترتیب نام کشور ایالات متحده آمریکا را برای همیشه در تاریخ، به عنوان تنها کشور استفاده کننده از سلاح کشتار جمعی در تاریخ بشریت ثبت نمود. این بمب که در طراحی آن از ۶۴ کیلوگرم اورانیوم استفاده شده بود، از ارتفاع ۹۶۰۰ متری رها شد و در ارتفاع ۵۸۰ متری سطح زمین با شدتی معادل با انفجار ۱۵ هزار تن TNT منفجر شد. مجموع تلفات اولیه و کشته شدگان ناشی از عوارض این انفجار را بالغ بر ۱۴۰۰۰۰ نفر تخمین می‌زنند. سه روز بعد در ۹ آگوست انفجار بمب مرد چاق در شهر ناگازاکی ژاپن موجب کشتار ۷۴۰۰۰ نفر انسان دیگر شد. این بمب که از پلوتونیوم به عنوان ماده شکافت پذیر استفاده می‌کرد، انفجاری به شدت ۲۱ کیلوتن TNT ایجاد کرد. بمب دیگری نیز در پروژه منهتن تولید شده بود که هرگز از آن استفاده نشد.

پس از پایان جنگ دوم جهانی دانشمندان در آمریکا به تحقیق در رابطه با تسلیحات هسته‌ای ادامه دادند. اگرچه این تصور وجود داشت که هیچ کشوری دیگری در دنیا نمی‌تواند تا پیش از سال ۱۹۵۵ به فناوری ساخت سلاح هسته‌ای دست یابد، اما کلاوس فیوکس یکی از فیزیکدانان آلمانی که در رابطه با مواد فوق انفجاری (High Explosive) با تیم اوپنهایمر همکاری می‌کرد، طرح‌ها و جزئیات طراحی بمب آزمایش شده در ترینیتی را در اختیار جاسوسان شوروی قرار داد. به این ترتیب در ۲۹ آگوست ۱۹۴۹ اتحاد جماهیر شوروی سوسیالیستی اولین آزمایش اتمی خود را با موفقیت انجام داد و غرب را در وحشت فرو برد. این انفجار اثر زیادی در تسریع جنگ سرد گذارد و موجب ایجاد رقابت تسلیحاتی بین آمریکا و شوروی گردید.

پس از آن ایالات متحده جهت حفظ برتری تسلیحاتی خود، تحقیق برای ساخت بمب گرماهسته‌ای (هیدروژنی) را آغاز کرد. پیش از این اوپنهایمر به دلیل اتخاذ مواضعی علیه ساخت تسلیحات هسته‌ای از سرپرستی پروژه کنار گذارده شد و ادوارد تلر هدایت عملی پروژه ساخت بمب هیدروژنی را برعهده گرفت.

نخستین آزمایش بمب گرما-هسته‌ای با اسم رمز مایک در نوامبر سال ۱۹۵۲ در جزیره کوچکی به نام الوگالب در جزایر مارشال انجام شد. وزن تجهیزات به کار رفته در این انفجار شامل دستگاه‌های تبرید به بیش از ۶۵ تن می‌رسید. از آنجایی که در این سیستم مستقیماً از ایزوتوپهای دوتریوم و تریتیوم مایع استفاده می‌شد، به آن لقب بمب خیس داده بودند. پیش بینی می‌شد که قدرت این انفجار معادل یک یا دو مگاتن تی‌ان‌تی باشد. اما برخلاف انتظار شدت انفجار معادل ۱۰٫۴ مگاتن تی‌ان‌تی بود. نتایج انفجار بسیار هراسناک بود. قطر گوی آتشین حاصل از این انفجار به ۵ کیلومتر رسید. جزیره الوگالب تقریباً تبخیر شد و حفره‌ای به عمق ۸۰۰ متر و شعاع دهانه ۳ کیلومتر برجای ماند.

نکاتی دربارهٔ بمب اتم

  • منطقه انفجار بمب‌های هسته‌ای به پنج قسمت تقسیم می‌شود:۱- منطقه تبخیر ۲- منطقه تخریب کلی ۳- منطقه آسیب شدید گرمایی ۴- منطقه آسیب شدید انفجاری ۵- منطقه آسیب شدید باد و آتش. در منطقه تبخیر درجه حرارتی معادل سیصد میلیون درجه سانتیگراد بوجود می‌آید و هر چیزی، از فلز گرفته تا انسان و حیوان، در این درجه حرارت آتش نمی‌گیرد بلکه بخار می‌شود.
  • آثار زیانبار این انفجار حتی تا شعاع پنجاه کیلومتری وجود دارد و موج انفجار آن که حامل انرژی زیادی است می‌تواند میلیون‌ها دلار تجهیزات الکترونیکی پیشرفته نظیر ماهواره‌ها و یا سیستم‌های مخابراتی را به چندی آهن پاره تبدیل کند و همه آنها را از کار بیندازد.
  • اینها همه آثار ظاهری و فوری بمب‌های هسته‌ای است. پس از انفجار تا سال‌های طولانی تشعشعات زیانبار رادیواکتیو مانع ادامه حیات موجودات زنده در محل‌های نزدیک به انفجار می‌شود.
  • پرتو رادیو اکتیو از پرتوهای آلفا، بتا، گاما و تابش نوترونی تشکیل شده‌است. نوع آلفای آن بسیار خطرناک است ولی توان نفوذ اندکی دارد. این پرتو در بافت زنده تنها کمتر از ۱۰۰ میکرون نفوذ می‌کند اما برای آن ویرانگر است.
  • پرتوی گاما از دیوار و سنگ نیز عبور می‌کند. هر ۹ میلی‌متر سرب یا هر ۲۵ متر هوا شدت تابش آن را نصف می‌کند. این پرتو نیز با توجه به فرکانس بسیار بالا، انرژی زیادی دارد که اگر به بدن انسان برخورد کند از ساختار سلولی آن عبور کرده و در مسیر حرکت خود باعث تخریب ماده دزوکسی ریبو نوکلوئیک اسید یا همان DNA شده و سرانجام زمینه را برای پیدایش انواع سرطان‌ها، سندرم‌ها ونقایص غیر قابل درمان دیگر فراهم می‌کند وحتی این نقایص به نسل‌های آینده نیز منتقل خواهد شد. برای جلوگیری از نفوذ تابش گاما به حدود ۱۰ سانتی‌متر دیوارهٔ سربی نیاز است.

بمب اتم نوع A

ساخت این نوع بمب اتم بسیار ساده می‌باشد و تنها به مقدار کافی اورانیوم با خلوص مناسب که به روش مناسبی قالب گیری شده باشد (فرم نیم کروی) احتیاج دارد. در این روش اورانیوم قالب گیری شده توسط تفنگ ساده‌ای مورد هدف قرار می‌گیرد. این تفنگ مانند تفنگ جنگی بسیار ساده‌ای می‌باشد که تنها با باروت و یا هر چیز قابل انفجار دیگری پرشده و گلوله آن تنها اورانیوم غنی شده می‌باشد. برخورد دو قطعه اورانیوم باعث انفجار هسته‌ای می‌شود. بعلت اینکه دو قطعه اورانیوم همدیگر را دفع می‌کنند روش قالب گیری نیم کروی مهمترین بخش این کار می‌باشد.

تعداد بمب‌های اتمی موجود در جهان

 
نقشه جهان بر اساس برخورداری کشورها از سلاح یا فناوری هسته‌ای      پنج کشور که رسماً دارای سلاح هسته‌ای هستند      سایر کشورهای دارای سلاح هسته‌ای      کشورهایی که در خصوص توسعه فناوری یا سلاح هسته‌ای مورد سوء ظن هستند      کشورهایی که زمانی برنامه توسعه فناوری یا سلاح هسته‌ای داشته‌اند      کشورهایی که دارای سلاح هسته‌ای هستند اما به طور گسترده آن را تولید نکرده‌اند

بان کی‌مون، دبیرکل سازمان ملل متحد، در کنفرانس سلاح‌های هسته‌ای سازمان ملل در مکزیکو سیتی که شصت و دومین کنفرانس سالانه از این نوع محسوب می‌شد بیان کرد که تا تاریخ ۹ سپتامبر ۲۰۰۹ حدود ۲۰٬۰۰۰ بمب اتمی در جهان ساخته شده است.

کشورهای دارای جنگ افزار هسته‌ای

ردیف کشور دستیابی به بمب تعداد حدودی
کلاهک هسته‌ای
وضعیت در معاهده‌های بین‌المللی توضیحات
ان‌پی‌تی سی‌تی‌بی‌تی
۱ ایالات متحده آمریکا آمریکا ۱۹۴۵ ~۷٬۷۰۰ ‏ امضاکننده امضاکننده عضو دائم شورای امنیت ( دارای حق وتو )
۲ روسیه روسیه ۱۹۴۹ ~۸٬۵۰۰‏ امضاکننده اجراکننده عضو دائم شورای امنیت ( دارای حق وتو )
۳ بریتانیا بریتانیا ۱۹۵۲ ~۲۲۵‏ امضاکننده اجراکننده عضو دائم شورای امنیت ( دارای حق وتو )
۴ فرانسه فرانسه ۱۹۶۰ ~۳۰۰‏ امضاکننده اجراکننده عضو دائم شورای امنیت ( دارای حق وتو )
۵ چین چین ۱۹۶۴ ~۲۵۰‏ امضاکننده امضاکننده عضو دائم شورای امنیت ( دارای حق وتو )
۶ هند هند ۱۹۷۴ ۹۰ تا ۱۱۰‏ عدم امضا عدم امضا  
۷ پاکستان پاکستان ۱۹۹۸ ۱۰۰ تا ۱۲۰‏ عدم امضا عدم امضا  
۸ کره شمالی کره شمالی ۲۰۰۶ کمتر از ۱۰‏ خروج عدم امضا  
اسرائیل اسرائیل نامشخص ~۸۰‏ عدم امضا امضاکننده اسرائیل دارا بودن بمب اتمی را رسماً اعلام نکرده‌است

انواع بمب اتم

پدافند هسته‌ای

استفاده از سلاح‌های اتمی به دلیل اثرات و ویژگی‌های خاصی بوده که سایر جنگ افزارها چنین قابلیتی ندارند از جمله:

  1. ایجاد خسارت‌های سنگین جانی و مالی
  2. غیر قابل استفاده کردن و آلودگی محیط
  3. تهدید طرف مقابل و تحت فشار گذاشتن طرف مقابل برای قبول خواسته‌ها
  4. تغییر توازن قدرت درجنگ
  5. وسعت شعاع تخریب و خسارات هنگفت
  6. استفاده سریع در هر شرایط
  7. نفوذ اثرات تخریبی آن در تاسیسات

البته با وجود این قابلیت‌ها کشورها ودولتهای دارنده سلاح هسته‌ای با مشکلاتی رو به رو اند به شرح زیر:

  1. مخالف اذهان عمومی جهان است.
  2. عمدهٔ تجهیزات و تأسیسات را نابود می‌سازد که خود دشمن نیز ممکن است به آن نیاز پیدا کند.
  3. آلودگی شدید هسته‌ای که باعث عدم استفاده از منطقه می‌گردد.
  4. عدم کنترل شعاع آلودگی که در اثر کم بودن ممکن است آن خسارت مورد نظر وارد نشود و همچنین با زیاد شدن شعاع آلودگی ممکن است به نیروهای خودی آسیب برسد.

اثرات و مراحل انفجار هسته‌ای

تشعشع حرارتی

  • گوی آتشین تشکیل شده که دمای مرکز آن به چند میلیون درجه سانتیگراد می‌رسد (حتی از سطح خورشید هم بیشتر می‌شود).[نیازمند منبع]
  • هرچیزی را در نزدیکی خود به خاکستر سفیدی تبدیل می‌کند وجود باد هم می‌تواند به این عمل کمک نماید.
  • در همان دو الی سه ثانیه اول تشکیل می‌شود و با سرعتی معادل دو برابر سرعت صوت به راه می‌افتد وهرچه بر سر راهش باشد پرتاب و نابود می‌کند.
  • اجسامی که توسط موج انفجار متلاشی شده مانند گلوله به پرواز در می‌آیند و آثار ناشی از آن تهدید جدی برای انسان به شمار می‌رود.
  • خود موج انفجار نیز بر اعصاب انسان تاثیر گذاشته و باعث عدم تعادل (موقت یا دائم) می‌گردد که به اصطلاح به آن موجی شدن می‌گوییم و همچنین باعث آسیب‌های شدید بر پرده گوش و دیافراگم قفسه سینه می‌شود که به ترتیب در اثر برخورد موج با پرده گوش و دومی دراثر بازماندن دهان انسان یا تنفس هنگام آمدن موج است که عوارض آنها کری—ودومی مرگ است.
  • میزان دما با دور شدن از کانون انفجار کم می شود.

تشعشع هسته‌ای

این تشعشعات بسیار خطرناک و به محض انفجار بمب در تمام نقاط پخش می‌شود که شامل چهار دسته‌اند:

آلفا

این ذره برد و قدرت نفوذ کمتری نسبت به سایر ذرات دارد و توسط یک ورق کاغذ یا پارچه یا پوست انسان متوقف می‌شود.

بتا

این ذره از ذرات آلفا قدرت نفوذ بیشتری دارد ولی دارای برد کمتری می‌باشد و توسط یک صفحه فلزی با ضخامت بیش از سه میلیمتر متوقف می‌شود.

گاما

این اشعه مانند امواج رادیویی دارای برد بسیار زیادی می‌باشد، قدرت نفوذ و تخریب این اشعه بسیارزیاد است. یک لایه ۱۵سانتیمتری بتن یا یک لایه ۲۰ سانتیمتری خاک فقط نیمی از این اشعه را می‌گیرد و همان نیمی دیگر اثرات زیانبار خود را بر جای می‌گذارد.

نوترون

نوترون نیز مانند گاما هم بسیار زیانبار است هم دارای برد بسیار زیادی می‌باشد و قدرت نفوذ و تخریب بسیار زیادی دارد با این تفاوت که نوترون ذره است و گاما اشعه. اثر تخریبی آن در موجودات زنده بیشتر است تا اشیاء. در صورت انفجار بسیار کشنده خواهد بود.

شدیدترین انفجار هسته‌ای

قدرت شدیدترین انفجار اتمی صورت گرفته در جهان که در سال ۱۹۶۱ به وسیله شوروی انجام شد، ۵۰مگاتن بود.یکی از موفق‌ترین تلاش ها برای کاهش ذرات رادیواکتیو بود و این بمب پاک‌ترین بمب هسته‌ای از نظر ذرات خطرناک رادیواکتیو می‌باشد که تاکنون ساخته شده‌است. تنها یک بمب از این نوع ساخته و در تاریخ ۳۰ اکتبر سال ۱۹۶۱ در مجمع‌الجزایر نوایا زملیا آزمایش شد.

استفاده از جنگ افزار هسته ای

(جستار های وابسته:بمباران اتمی هیروشیما و ناگازاکی)

ایالات متحدۀ آمریکا ، تنها کشوری است که به صورت عینی از جنگ افزار هسته ای استفاده کرده است.نیروی هوایی ایالات متحدۀ آمریکا در گرماگرم جنگ جهانی دوم ، یعنی روز های ششم و نهم اوت ۱۹۴۵، دو بار از جنگ افزار هسته ای برای تسلیم کردن مردم ژاپن استفاده کرده است.تلفات این جنایت جنگی ، بیش از ۸۰،۰۰۰ نفر بوده است.

بمب اتم ، اخبارفیزیک ، مقالات فیزیک ، مطالب فیزیک ، فیزیک مدرن ، علم فیزیک

نیروگاه هسته‌ای

نیروگاه هسته‌ای

نیروگاه هسته‌ای به تأسیساتی صنعتی و نیروگاهی می‌گویند که بر پایهٔ فناوری هسته‌ای و با کنترل فرایند شکافت هسته‌ای، از گرمای تولید شدهٔ آن اقدام به تولید انرژی الکتریکی می‌کند. کنترل انرژی هسته‌ای با حفظ تعادل در فرایند شکافت هسته‌ای همراه است که با استفاده از گرمای تولیدی برای تولید بخار آب (مانند بیشتر نیروگاه‌های گرمایی) اقدام به چرخاندن توربین‌های بخار و به دنبال آن ژنراتورها می‌کند.

نیروگاه هسته‌ایعلم فیزیک – نیروگاه هسته‌ای

در سال ۲۰۰۴ انرژی هسته‌ای در تولید کل انرژی مصرفی جهان سهمی در حدود ۶٫۵٪، و در تولید انرژی الکتریکی سهمی در حدود ۱۵٫۷٪ داشته‌است و نخستین بار به وسیله انریکو فرمی در سال ۱۹۳۴ در یکی از آزمایشگاه‌های دانشگاه شیکاگو تولید شد. این اتفاق زمانی رخ داد که تیم او مشغول بمباران کردن هسته اورانیوم با نوترون بودند.

بنا بر پیش‌بینی اتحادیه جهانی هسته‌ای در سال ۲۰۱۵ به طور میانگین هر ۵ روز یک‌بار یک نیروگاه هسته‌ای در جهان آغاز به کار می کند. شکافت هسته‌ای صورت گرفته در یک رآکتور فقط بخشی از یک چرخه هسته‌ای است. این چرخه از معادن شروع می‌شود.میزان اورانیوم موجود در پوسته زمین نسبتاً زیاد است به طوری که با منابع فلزاتی همچون قلع و ژرمانیوم برابری می‌کند و تقریباً ۳۵ برابر میزان نقره موجود در پوسته زمین است. اورانیوم ماده تشکیل دهنده بسیاری از اجسام اطراف ما مانند سنگ‌ها و خاک است. بنا بر آمارگیری جهانی معادن شناخته شده جهان در حال حاضر برای تامین بیش از ۷۰ سال انرژی الکتریکی جهان کافی هستند. بهای میانگین اورانیوم در سال ۲۰۰۷، ۱۳۰ دلار آمریکا به ازای هر کیلوگرم بود. به این ترتیب ثبات تامین سوخت هسته‌ای از بسیاری از دیگر مواد معدنی بیشتر است.

مهمترین مسئله‌ای که مخالفان انرژی هسته‌ای بیان می‌دارند امنیت محیط زیستی نیروگاه هسته‌ای است زیرا با کوچکترین اشتباه، ممکن است فجایعی مانند فاجعه چرنوبیل به بار آید.

کاربرد

نیروگاه هسته‌ای
علم فیریک – نیروگاه هسته‌ای
 
منابع تامین انرژی الکتریکی در بین سال‌های ۱۹۸۰ تا ۲۰۳۰:      مایعات      ذغال سنگ      گاز طبیعی      قابل بازیافت      هسته ای

نوشتار اصلی: کشورهای استفاده کننده از برق هسته‌ای

در سال ۲۰۰۴ انرژی هسته‌ای در تولید کل انرژی مصرفی جهان سهمی در حدود ۶٫۵٪، و در تولید انرژی الکتریکی سهمی در حدود ۱۵٫۷٪ داشته‌است که کشورهای ایالات متحده، فرانسه، و ژاپن در مجموع حدود ۵۷٪ از کل انرژی الکتریکی هسته‌ای جهان را به خود اختصاص داده‌اند.در سال ۲۰۰۷ آژانس بین‌المللی انرژی هسته‌ای از وجود ۴۳۹ رآکتور هسته‌ای در حال ساخت در ۳۱ کشور در سراسر جهان خبر داد.

ایالات متحده آمریکا با تولید حدود ۲۰٪ انرژی مورد نیاز خود از رآکتورهای هسته‌ای در میزان کل تولید انرژی هسته‌ای جایگاه اول جهان را داراست، حال آن که فرانسه با تولید ۸۰٪ انرژی الکتریکی مورد نیاز خود در ۱۶ نیروگاه هسته‌ای از نظر درصد دارای رتبه نخست در جهان است. این درحالی است که در کل اروپا، انرژی هسته‌ای ۳۰٪ برق مصرفی این قاره را تامین می‌کند.البته سیاست‌های هسته‌ای در کشورهای اروپایی با هم متفاوتند طوری که در کشورهایی نظیر ایرلند یا اتریش هیچ راکتور هسته‌ای فعالی وجود ندارد.

همچنین در بسیاری از کشتی‌ها و زیردریاییهای نظامی و یا حتی غیرنظامی (کشتی‌های یخ شکن) از انرژی هسته‌ای به عنوان نیروی محرکه استفاده می‌شود.

به دلیل برتری های بی‌شمار انرژی هسته‌ای، امروزه بهره برداری از این فناوری روز به روز گسترش بیشتری می‌یابد و بر روش‌های استفاده صلح‌آمیز از آن (مانند استفاده از انرژی هسته‌ای برای گرمایش یا نمک‌زدایی آب) افزوده می‌شود.

تاریخچه

 
تیم دانشگاه شیکاگو برای ساخت رآکتور هسته‌ای. زیلارد و فرمی هر دو در عکس دیده می‌شوند.

منشأ

درسال ۱۹۳۸ زمانی‌که شیمیدان آلمانی اتو هان (به آلمانی: Otto Hahn) و فریتس اشتراسمان (به آلمانی: Fritz Straßmann) فیزیکدان اتریشی لیزه میتنر (به آلمانی: Lise Meitner) و اتو روبرت فریش (به آلمانی: Otto Robert Frisch) در حال آزمایش بر روی اورانیوم بمباران شده بودند متوجه شدند که نوترون شلیک شده می‌تواند نتیجه‌ای باورنکردنی داشته باشد و هسته اورانیوم را به دو یا چند قسمت تقسیم کند. بعدها دانشمندان زیادی (و در صدر آن‌ها لیو زیلارد) دریافتند که پخش تعدادی نوترون در فضا هنگام یک شکافت هسته‌ای می‌تواند واکنشی زنجیره‌ای را از این قابلیت به وجود آورد. این کشف دانشمندان را در برخی کشورها (از جمله ایالات متحده، انگلستان، فرانسه، آلمان و اتحاد جماهیر شوروی) بر آن داشت تا از دولت‌های خود برای ادامه پژوهش ها در این زمینه درخواست پشتیبانی مالی کنند.

انرژی هسته‌ای نخستین بار به وسیله انریکو فرمی در سال ۱۹۳۴ در یکی از آزمایشگاه‌های دانشگاه شیکاگو تولید شد. این اتفاق زمانی رخ داد که تیم او مشغول بمباران کردن هسته اورانیوم با نوترون بودند. این پروژه (که با نام Chicago Pile-1 شناخته شد) با فوریت تمام در ۲ دسامبر ۱۹۴۲ به بهره‌برداری رسید و بعدها به بخشی از پروژه منهتن تبدیل شد. طی این پروژه رآکتورهای بزرگی را برای دستیابی به پلوتونیوم و استفاده از آن در سلاح هسته‌ای در هانفورد واشینگتن راه‌اندازی کردند.

پس از جنگ جهانی دوم دولت ایالات متحده که می‌ترسید پژوهش های هسته‌ای باعث گسترش دانش هسته‌ای و در نتیجه سلاح هسته‌ای شود کنترل‌های سخت‌گیرانه‌ای در مورد پژوهش های هسته‌ای اعمال کرد و به طور کلی بیشتر پژوهش های هسته‌ای بر روی اهداف نظامی متمرکز شوند.

در ۲۰ دسامبر ۱۹۵۱ برای نخستین بار در یک پایگاه آزمایشگاهی با نام EBR-I از رآکتور هسته‌ای برای تولید انرژی الکتریکی (در حدود ۱۰۰ کیلووات) استفاده شد.

سال‌های آغازین

 
نخستین لامپ های برقی که توسط انرژی هسته‌ای روشن شدند. آزمایشگاه ملی آیداهو

در ۱۹۵۴ لوییس اشتراوس و پس از آن چیرمن رییس کمسیون انرژی اتمی ایالات متحده آمریکا درباره تولید انرژی الکتریکی به وسیله انرژی هسته‌ای گفتگوهایی را انجام دادند و در رابطه با تولید انرژی الکتریکی ارزان‌تر مطالبی را شرح دادند. اما مسئولین آن زمان ایالات متحده بدلیل بد گمانی درباره انرژی هسته‌ای بیشتر تمایل داشتند تا از همجوشی هسته‌ای برای این کار استفاده کنند و بنابراین فرصت را از دست دادند.

سرانجام در ۲۷ ژوئن ۱۹۵۴ نخستین نیروگاه هسته‌ای جهان که به شبکه برق متصل گردید در اتحاد جماهیر شوروی به بهره‌برداری رسید. این نیروگاه توانی در حدود ۵ مگاوات تولید می‌کرد.  در ۱۹۵۶ اولین نیروگاه تجاری هسته‌ای جهان در انگلستان به بهره‌برداری رسید که توانی در حدود ۵۰ مگاوات تولید می‌کرد.

یکی از سازمان هایی که برای نخستین بار شروع به توسعه دانش هسته‌ای کرد نیروی دریایی ایالات متحده آمریکا بود که در نظر داشت از انرژی هسته‌ای به عنوان سوخت زیردریاییها و ناوهای هواپیمابر استفاده کند. عملکرد مناسب این سازمان و پافشاری دریاسالار هیمن ریکوور باعث شد تا سر انجام نخستین زیردریایی اتمی جهان با نام ناتیلوس (به انگلیسی: USS Nautilus) در دسامبر ۱۹۵۴ به آب انداخته شود.

 
نمودار پیشینه استفاده از انرژی هسته‌ای. همان طور که در نمودار مشخص است رشد استفاده از انرژی هسته‌ای در اواسط دهه ۱۹۸۰ به شدت کاهش یافته است.

پیشرفت

با راه‌اندازی نخستین نیروگاه‌های هسته‌ای، بهره برداری از این نیروگاه‌ها شتاب گرفت به طوری که استفاده از برق هسته‌ای از کمتر از ۱ گیگاوات در دهه ۱۹۶۰ به بیش از ۱۰۰ گیگاوات در دهه ۱۹۷۰ و نزدیک به ۳۰۰ گیگاوات در اواخر دهه ۱۹۸۰ رسید. البته در اواخر دهه ۱۹۸۰ از شتاب رشد استفاده از برق هسته‌ای به شدت کاسته شد و به این ترتیب به حدود ۳۶۶ گیگاوات در سال ۲۰۰۵ رسید که بیشترین گسترش پس از دهه ۱۹۸۰ مربوط به جمهوری خلق چین است. باید به این نکته نیز اشاره کرد که بیش از دو سوم از طرح‌های مربوط به احداث نیروگاه هسته‌ای که شروع اجرای آن‌ها پس از ۱۹۷۰ بود، لغو شدند.

در طول دهه‌های ۱۹۷۰ و ۱۹۸۰ کاهش قیمت سوخت‌های فسیلی و افزایش قیمت ساخت یک نیروگاه هسته‌ای از تمایل دولت‌ها برای ساخت نیروگاه هسته‌ای به شدت کاست.البته بحران سوخت ۱۹۷۳ باعث شد تا کشورهایی مانند فرانسه و ژاپن که از منابع نفت زیادی برخوردار نیستند به فکر ساخت نیروگاه‌های هسته‌ای بیشتری بیفتند به طوری که این دو کشور به ترتیب ۸۰٪ و ۳۰٪ از انرژی الکتریکی حال حاضر خود را از این منابع تامین می‌کنند.

در سی سال انتهایی قرن بیستم ترس از رخدادهای خطرناک هسته‌ای مانند فاجعه چرنوبیل در ۱۹۸۶، مشکلات مربوط به دفع زباله‌های هسته‌ای، بیماری‌های ناشی از تشعشع هسته‌ای و… باعث به وجود آمدن جنبش‌هایی برای مقابله با توسعه نیروگاه‌های هسته‌ای شد و این خود از دلایل کاهش توسعه نیروگاه‌های هسته‌ای در بسیاری از کشورها بود.

آینده

تا سال ۲۰۰۷ آخرین رآکتور هسته‌ای مورد بهره‌برداری قرار گرفته در ایالات متحده رآکتور Watts Bar ۱ در تنسی بود که در ۱۹۹۶ به شبکه متصل شد و این مدرک محکمی بر موفقیت تلاش‌های ضد گسترش نیروگاه‌های هسته‌ای است. با این حال تلاش‌ها در برابر گسترش نیروگاه‌های هسته‌ای تنها در برخی کشورهای اروپایی، فیلیپین، نیوزیلند و ایالات متحده موفق بوده‌است و در عین حال در این کشورها نیز این جنبش‌ها نتوانستند پژوهش های هسته‌ای را متوقف کنند و پژوهش های مربوط به انرژی هسته‌ای کماکان ادامه دارد. برخی کارشناسان پیش‌بینی می‌کنند که نیاز روز افزون به منابع انرژی، افزایش قیمت سوخت و بحران افزایش دمای زمین در اثر استفاده از سوخت‌های فسیلی باعث شود که بقیه کشورها نیز به سوی استفاده از نیروگاه‌های هسته‌ای روی آورند و همچنین باید یادآوری کرد که با پیشرفت فناوری هسته‌ای، امروزه امکان بروز فجایع هسته‌ای بسیار کمتر شده‌است. اتحادیه جهانی هسته‌ای پیش بینی می کند که در سال ۲۰۱۵ به طور متوسط هر ۵ روز یک‌بار یک نیروگاه هسته‌ای در جهان افتتاح خواهد شد.

با تمام مخالفت‌ها، بسیاری از کشورها در گسترش نیروگاه‌های هسته‌ای ثابت قدم بوده‌اند از جمله این کشورها می‌توان به ژاپن، چین، و هند اشاره کرد. در بسیاری از کشورهای دیگر جهان نیز طرح‌های وسیعی برای گسترش استفاده از انرژی هسته‌ای در حال تدوین است.

تعداد راکتورهای هسته‌ای در جهان در سال ۲۰۱۵ میلادی
کشور رآکتور عملیاتی رآکتور در حال ساخت رآکتور برنامه ریزی شده رآکتور پشنهاد شده
 ایالات متحده آمریکا ۹۹ ۵ ۵ ۱۷
 فرانسه ۵۸ ۱ ۱ ۱
 ژاپن ۴۸ ۳ ۹ ۳
 روسیه ۳۴ ۹ ۳۱ ۱۸
 کره جنوبی ۲۳ ۵ ۸ ۰
 چین ۲۲ ۲۷ ۶۴ ۱۲۳
 هند ۲۱ ۶ ۲۲ ۳۶
 کانادا ۱۹ ۰ ۲ ۳
 بریتانیا ۱۶ ۰ ۴ ۷
 اوکراین ۱۵ ۰ ۲ ۱۱
تعداد کل در جهان ۴۳۷ ۷۰ ۱۸۳ ۳۱۱

فناوری رآکتور هسته‌ای

نوشتار اصلی: راکتور هسته‌ای

 
نقشهٔ کشورهای استفاده کننده از انرژی هسته‌ای.      کشورهایی که نیروگاه هسته‌ای دارند و باز درحال ساختن نیروگاه جدیدی هستند.      کشورهایی که اولین نیروگاه هسته‌ای خود را می‌سازند.      کشورهایی که در حال بررسی ساخت نیروگاه جدید هستند.      کشورهایی که در حال بررسی ساخت اولین رآکتور هستند.      کشورهایی که نیروگاه دارند اما به فکر ساخت نیروگاه جدیدی نیستند.      نشانگر کشورهایی است که در فکر غیرفعال کردن رآکتورهای خود هستند.      کشورهایی که تمام نیروگاه‌های خود را غیرفعال کرده‌اند.      کشورهایی که انرژی هسته‌ای ندارد و به فکر داشتن آن هم تا کنون نیستند.      بدون رآکتور

تمامی نیروگاه‌های گرمایی متداول از نوعی سوخت برای تولید گرما استفاده می‌کنند برای مثال گاز طبیعی، زغال سنگ یا نفت. در یک نیروگاه هسته‌ای این گرما از شکافت هسته‌ای که در داخل رآکتور صورت می‌گیرد تامین می‌شود. هنگامی که یک هسته نسبتاً بزرگ قابل شکافت مورد برخورد نوترون قرار می‌گیرد به دو یا چند قسمت کوچک‌تر تقسیم می‌شود و در این فرایند که به آن شکافت هسته‌ای می‌گویند تعدادی نوترون و مقدار نسبتاً زیادی انرژی آزاد می‌شود. نوترون‌های آزاد شده از یک شکافت هسته‌ای در مرحله بعد خود با برخورد به دیگر هسته‌ها موجب شکافت‌های دیگری می‌شوند و به این ترتیب یک فرایند زنجیره‌ای به وجود می‌آید. زمانی که این فرایند زنجیره‌ای کنترل شود می‌توان از انرژی آزاد شده در هر شکافت (که بیشتر آن به صورت گرماست) برای تبخیر آب و چرخاندن توربین‌های بخار و در نهایت تولید انرژی الکتریکی استفاده کرد. در صورتی که در یک رآکتور از سوختی یکنواخت اورانیوم-۲۳۵ یا پلوتونیوم-۲۳۹ استفاده شود بر اثر افزایش غیرقابل کنترل تعداد شکافت‌های هسته‌ای بر اثر فرایند زنجیره‌ای، انفجار هسته‌ای ایجاد می‌شود. اما فرایند زنجیره‌ای موجب ایجاد انفجار هسته‌ای در یک رآکتور نخواهد شد چرا که تعداد شکافت‌های رآکتور به اندازه‌ای زیاد نخواهد بود که موجب انفجار شوند و این به دلیل درجه غنی سازی پایین سوخت رآکتورهای هسته‌ای است. اورانیوم طبیعی دارای درصد اندکی (کمتر از ۱٪) از اورانیوم-۲۳۵ است و بقیه آن اورانیوم-۲۳۸ است(زیرا اورانیوم-۲۳۸ توانایی شکافت‌پذیری ندارد). اکثر رآکتورها نیروگاه‌های هسته‌ای از اورانیوم با درصد غنی‌سازی بین ۳٪ تا ۴٪ استفاده می‌کنند اما برخی از آنها طوری طراحی شده‌اند که با اورانیوم طبیعی کار کنند و برخی از آنها نیز به سوخت‌های با درصد غنی‌سازی بالاتر نیاز دارند. رآکتورهای موجود در زیردریایی‌های هسته‌ای و کشتی‌های بزرگ مانند ناوهای هواپمابر معمولاً از اورانیوم با درصد غنی‌سازی بالا استفاده می‌کنند. با اینکه قیمت اورانیوم با غنی‌سازی بالاتر بیشتر است اما استفاده از این نوع سوخت‌ها دفعات سوختگیری را کاهش می‌دهد و این قابلیت برای کشتی‌های نظامی بسیار پر اهمیت است. راکتورهای CANDU قابلیت دارند تا از اورانیوم غنی‌نشده استفاده کنند و دلیل این قابلیت استفاده آب سنگین به جای آب سبک برای تعدیل سازی و خنک کنندگی است چراکه آب سنگین مانند آب سبک نوترون‌ها را جذب نمی‌کند.

کنترل فرایند شکافت زنجیره‌ای با استفاده از موادی که می‌توانند نوترون‌ها را جذب کنند (در اکثر موارد کادمیوم) ممکن می‌شود. سرعت نوترون‌ها در رآکتور باید کاهش یابد چراکه احتمال اینکه یک نوترون با سرعت کمتر در لحظه تصادم با هسته اورانیوم-۲۳۵ موجب شکافت هسته‌ای گردد بیشتر است. در رآکتورهای آب سبک از آب معمولی برای کم کردن سرعت نوترون‌ها و همچنین خنک کردن رآکتور استفاده می‌شود.‍ اما زمانی که دمای آب افزایش می‌یابد چگالی آب کاهش می‌یابد و سرعت تعداد کمتری نوترون به اندازه کافی کم می‌شود و به این ترتیب تعداد شکافت‌های کاهش می‌یابند بنابراین یک بازخور منفی همیشه ثبات سیستم را تثبیت می‌کند. در این حالت برای آنکه بتوان دوباره تعداد شکافت‌های صورت گرفته را افزایش داد باید دمای آب را کاهش داد که به این کار ایجاد چرخه شکافت می‌گویند.

چرخه سوخت هسته‌ای

 
نمودار چرخه سوخت هسته‌ای این چرخه با استخراج سوخت از معادن آغاز می‌شودسوخت به نیروگاه‌های هسته‌ای فرستاده می‌شود، پس از پایان عمر سوخت، سوخت به تأسیسات بازفراوری فرستاده می‌شودیا انکه برای انبار شدن به انبار ضایعات اتمی فرستاده می‌شود(۴)در فرایند باز فراوری تا ۹۵٪ از سوخت مصرف شده دوباره به چرخه باز می‌گردد.

نوشتار اصلی: چرخه سوخت هسته‌ای

نوشتار اصلی: غنی‌سازی اورانیوم

شکافت هسته‌ای صورت گرفته در یک رآکتور فقط بخشی از یک چرخه هسته‌ای است. این چرخه از معادن شروع می‌شود. اورانیوم استخراج شده از معدن معمولاً فرمی پایدار و فشرده مانند کیک زرد دارد. این اورانیوم معدنی به تأسیسات فرآوری فرستاده می‌شود و در آنجا کیک زرد به هگزافلوراید اورانیوم (که پس از غنی سازی به عنوان سوخت رآکتورها مورد استفاده قرار می‌گیرد) تبدیل می‌گردد. در این مرحله درجه غنی‌سازی اورانیوم یعنی درصد اورانیوم-۲۳۵ در حدود ۰٫۷٪ است. در صورت نیاز بسته به نوع سوخت نیروگاه (درصد غنی سازی لازم برای سوخت نیروگاه) اورانیوم غنی سازی شده و سپس از آن برای تولید میل‌های سوختی مورد استفاده در نیروگاه (شکل میله‌ها در نیروگاه‌های مختلف متفاوت است) استفاده می‌کنند. عمر هر میل تقریباً سه سال است به طوری که حدود ۳٪ از اورانیوم موجود در آن مورد مصرف قرار گیرد. پس از گذشت عمر اورانیوم، آن را به حوضچه سوخت مصرف شده می‌برند. اورانیوم باید حداقل ۵ سال در این حوضچه‌ها باقی بماند تا ایزوتوپهای به وجود آمده در اثر شکافت هسته‌ای از آن جدا شوند. پس از گذشت این زمان اورانیوم را در بشکه‌های خشک انبار می‌کنند و یا اینکه دوباره آن را به چرخه سوخت باز می‌گردانند.

منابع سوخت

 
تخمین مقدار اورانیوم      ذخایر زیرزمینی      منابعی که اکنون اقتصادی هستند      تخمین مقداری که هنوز کشف نشده است     مجموع همه در سال ۲۰۰۴     منابع غیرقراردادی

میزان اورانیوم موجود در پوسته زمین نسبتاً زیاد است به طوری که با منابع فلزاتی همچون قلع و ژرمانیوم برابری می‌کند و تقریباً ۳۵ برابر میزان نقره موجود در پوسته زمین است. اورانیوم ماده تشکیل دهنده بسیاری از اجسام اطراف ما مانند سنگ‌ها و خاک است. طبق آمارگیری جهانی معادن شناخته شده جهان در حال حاضر برای تامین بیش از ۷۰ سال انرژی الکتریکی جهان کافی هستند. بهای متوسط اورانیوم در سال ۲۰۰۷، ۱۳۰ دلار آمریکا به ازای هر کیلوگرم بود. به این ترتیب ثبات تامین سوخت هسته‌ای از بسیاری از دیگر مواد معدنی بیشتر است. به تناسب دیگر مواد معدنی با افزایش دو برابری هزینه تامین سوخت، می‌توان به ده برابر منابع کنونی اورانیوم دست یافت. باید توجه داشت که قیمت تامین سوخت در یک نیروگاه هسته‌ای نسبت به دیگر تجهیزات موجود نسبتاً اندک است و بنابراین چند برابر شدن قیمت اورانیوم تأثیر چندانی بر روی قیمت انرژی الکتریکی تولیدی نخواهد داشت. برای مثال افزایش دو برابری در قیمت سوخت مصرفی یک نیروگاه هسته‌ای آب سبک هزینه رآکتورها را در حدود ۲۶٪ و هزینه برق تولیدی را در حدود ۷٪ افزایش می‌دهد در حالی که افزایش دوبرابری قیمت سوخت در یک نیروگاه گازی قیمت برق تولیدی را تا ۷۰٪ افزایش می‌دهد.

نیروگاه‌های آب سنگین موجود در استفاده از سوخت هسته‌ای بهره‌وری پایینی دارند چراکه تنها قابلیت ایجاد شکافت هسته‌ای در ایزوتوپ‌های اورانیوم-۲۳۵ (حدود ۰٫۷٪ از اورانیوم معدنی) را دارند. در مقابل رآکتورهای متداول آب سبک برخی رآکتورهای هسته‌ای می‌توانند از اورانیوم-۲۳۸ استفاده نیز استفاده کنند که حدود ۹۹٫۳٪ از اورانیوم معدنی را تشکیل می‌دهد. قبل از استفاده از اورانیوم-۲۳۸ در طی فرایندی از آن برای تولید پلوتونیم-۲۳۸ استفاده می‌کنند و سپس از پلوتونیم در رآکتورهای هسته‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد. طبق برآورد انجام شده با مصرف کنونی نیروگاه‌های جهان اورانیوم-۲۳۸ می‌تواند برای ۵ میلیون سال انرژی مورد نیاز این نیروگاه‌ها را تامین کند.

این تکنولوژی در بسیاری از رآکتورهای هسته‌ای مورد استفاده قرار گرفته‌است، اما هزینه بالای فرآوری سوخت این نیروگاه‌ها (۲۰۰ دلار به ازای هر کیلوگرم) استفاده از آنها را با مشکل مواجه کرده. تا سال ۲۰۰۵ تنها در رآکتور نیروگاه BN-۶۰۰ در «بلویارسک» روسیه از این تکنولوژی برای تولید برق استفاده شده بود، که البته روسیه برنامه‌ریزی‌های مربوط به ساخت نیروگاه دیگری از این نوع با نام BN-۸۰۰ را انجام داده‌است. ژاپن نیز قصد دارد تا پروژه رآکتور Monju را مجدداً شروع کند (این پروژه از سال ۱۹۹۵ تعطیل شده‌است) و همچنین چین و هند نیز قصد دارند تا از این تکنولوژی برای سوخت‌رسانی به رآکتورها استفاده کنند.

راه حل دیگری که در این زمینه وجود دارد استفاده از اورانیوم-۲۳۳ است که از توریوم به دست می‌آید. توریم حدوداً ۳٫۵ برابر بیشتر از اورانیوم در پوسته زمین وجود دارد و پراکندگی جغرافیایی متفاوتی نسبت به اورانیوم دارد. استفاده از این ماده می‌تواند میزان منابع سوخت‌های شکافت یافتنی را تا ۴۵۰٪ افزایش دهد. برعکس اورانیوم-۲۳۸ که برای مصرف آن را باید به صورت پلوتنیوم-۲۳۸ درآورد، اورانیوم-۲۳۳ نیازی به تبدیل ندارد. در حال حاضر کشور هند علاقه زیادی برای استفاده از این روش دارد چراکه این کشور دارای معادن بسیار زیاد توریم است درحالی که معادن اورانیوم این کشور اندک هستند.

جوانب اقتصادی

یکی از مسائل نیروگاه هسته‌ای هزینه ساخت آن است که شامل هزینه ساخت رآکتور، هزینه مسائل امنیتی، هزینه ساخت مراکز معدنی، هزینه ساخت مراکز تبدیل مواد خام به سوخت هسته‌ای، هزینه ساخت مراکز بازپروری هسته‌ای و انبارهای هسته‌ای برای دفن ضایعات هسته‌ای است. هر نیروگاه هسته‌ای به‌طور متوسط ۱۰ تا ۱۵ میلیارد دلار هزینه دارد.

خرج تولید الکتریسیته با نیروی هسته‌ای در سال ۲۰۰۷ حدود ۰٫۰۱۷۶ دلار برای هر کیلووات ساعت بود، در صورتیکه این مقدار برای ذغال سنگ، گاز طبیعی، و نفت بترتیب ۰٫۰۲۴۷ دلار، ۰٫۰۶۷۸ دلار، و ۰٫۱۰۲۶ دلار بود.

امنیت نیروگاه هسته‌ای

از خطرهایی که همواره بیم آن می‌رود، حمله احتمالی تروریستی به نیروگاه‌های هسته‌ای است، چرا که با انفجار نیروگاه محوطه‌ای به شعاع ۲۰ کیلومتر بشدت آلوده می‌شود و هیچ موجود زنده‌ای را باقی نمی‌گذارد و در اثرات تخریبی ژنتیکی تا ۱۰ نسل را بر روی محوطهٔ بزرگتری در حدود شعاع ۴۰ کیلومتر باقی خواهد گذاشت

با وجود نگرانی عمومی نسبت به امنیت نیروگاه‌های هسته‌ای، این نیروگاه‌ها به علت تدابیر ایمنی سخت‌گیرانه، به نسبت گستردگی‌شان منجر به تلفات ناچیزی شده‌اند. آمار نشان می‌دهد در عمل تعداد مرگ ناشی از سوانح مربوط به انرژی هسته‌ای به نسبت واحد انرژی تولید شده، بسیار کمتر از انواع دیگر انرژی بوده است.

نیروگاه‌های متحرک

 
ناو هواپیمابر با رانش هسته‌ای در سال ۱۹۶۴

یکی از وسیعترین کاربردهای نیروگاه‌های هسته‌ای، استفاده از انرژی هسته‌ای جهت رانش ناوها و زیردریایی‌ها است. در این راستا، آدمیرال هیمن ریکوور برای نخستین بار این ایده را در نیروی دریایی ایالات متحده آمریکا پیاده و عملی نمود. امروزه اکثر ناوها و تجهیزات نیروی دریایی آمریکا از نیروگاه‌های متراکم PWR استفاده می‌کنند.

پسماند هسته‌ای نیروگاه‌ها

نوشتار اصلی: ضایعات هسته‌ای

یافتن راهی ارزان و ایمن برای انبار کردن زباله‌های هسته‌ای چالشی پر اهمیت در زمینه چرخه سوخت هسته‌ای است زیرا این ضایعات تا ۱۰٬۰۰۰ سال نیز تشعشعات خطرناک دارند[۴۱]

نگرانی‌های محیط زیستی

مهمترین مسئله‌ای که مخالفان انرژی هسته‌ای بیان می‌دارند امنیت محیط زیستی نیروگاه هسته‌ای است زیرا فعالیت هسته‌ای می‌تواند مانند سایت هنفورد آلایش شدید محیط زیستی از خود باقی گذارد، و یا با اشتباه و نقص فنی فجایعی مانند فاجعه چرنوبیل قابلیت رخ دادن خواهند داشت.

آلایش هسته‌ای همواره از نگرانیهای این نوع صنعت بطور کل بوده‌است. با اینحال برخی مطالعات حاکی از قابل مقایسه بودن دیگر صنایع تولید انرژی با نیروگاه‌های هسته‌ای می‌باشند.

حوادث هسته‌ای

حادثه تری مایل آیلند (۱۹۷۹)

نوشتار اصلی: حادثه تری مایل آیلند

در سال ۱۹۷۹ بخشی از هسته اصلی واحد ۲ در نیروگاه تری مایل آیلند در ایالت پنسیلوانیا در آمریکا ذوب شد که باعث نشت ۳ میلیون کوری گاز رادیواکتیو به بیرون از نیروگاه گردید. در پی این حادثه حدود ۱۴۰٬۰۰۰ نفر از اهالی منطقه خانه‌های خود را ترک کردند. پس از حادثه تری مایلی آیلند، ساخت نیروگاه‌های هسته‌ای برای مدتی در آمریکا متوقف شد.

حادثه چرنوبیل (۱۹۸۶)

نوشتار اصلی: حادثه چرنوبیل

حادثه چرنوبیل در سال ۱۹۸۶ و در چرنوبیل (در شوروی سابق و اوکراین کنونی) اتفاق افتاد به طوری که نیروگاه در ساعت ۱:۴۰ بامداد از کنترل خارج شد و بتن آرمه یک متری گنبد را ذوب نمود و اتفاقات پس از آن موجب شد تا در کل اروپا وضعیت اضطراری اعلام شود.

حادثه فوکوشیما (۲۰۱۱)

نوشتار اصلی: حادثه فوکوشیما

حادثه نیروگاه فوکوشیما داییچی، در ۱۱ مارس ۲۰۱۱ و در پی زلزله ۹٬۰ ریشتری و سونامی پیامد آن در ژاپن رخ داد. طی این حادثه از ۶ نیروگاه BWR فوکوشیما داییچی ۳ نیروگاه که در حال کار بودند در اثر قطع برق شبکه و از کار افتادن دیزل های اضطراری آسیب جدی دیده و دچار ذوب قلب شدند. همچنین استخر سوخت های مصرف شده رآکتور شماره ۴ نیز با قطع خنک کاری و آسیب سوخت ها مواجه شد. انفجار هیدروژن در واحد های شماره ۱ و ۳ باعث آسیب به ساختمان رآکتور و امکان نشت مواد رادیواکتیو به خارج از آن شد. این اولین حادثه مخرب هسته ای در دنیاست که در آن ۳ رآکتور آسیب جدی می بینند. مقادیری مواد رادیواکتیو به اقیانوس و هوا آزاد شده است و تخمین زده می شود مقدار مواد رادیواکتیو وارد شده به محیط حدود ۱۰ درصد حادثه چرنوبیل خواهد بود.

نیروگاه‌های هسته‌ای در ایران

نوشتار اصلی: برنامه هسته‌ای ایران

برنامه هسته‌ای ایران در دهه ۱۹۵۰ با کمک ایالات متحده به عنوان بخشی از برنامه «اتم برای صلح» آغاز شد. اما به دلیل مناقشات به وجود آمده بعد از انقلاب ایران مشکلاتی در زمینه بهره برداری آن رخ دارد . در حال حاضر تنها نیروگاه اتمی ایران در بوشهر توسط روس ها راه اندازی شده است . در سپتامبر ۲۰۱۱ نیروگاه بوشهر به مدار تولید برق ایران وصل شد و در حال حاضر به دلایل ذکر نشده سوخت نیروگاه بوشهر از آن خارج شده است.

نیروگاه هسته‌ای ، اخبارفیزیک ، مقالات فیزیک ، مطالب فیزیک ، فیزیک مدرن ، علم فیزیک

انفجار هسته ای

انفجار هسته ای

تعریف انفجار

انفجار اعم از عادی یا هسته ای عبارتست از رهایی مقدار زیادی انرژی در مدت زمانی بسیار کوتاه و در فضای محدود .

ساختار انفجاری هسته ای

در انفجار هسته ای حرارت و فشار حاصل از اندازه ای است که جرم بمب و همه مواد موجود در فضای مزبور را در آن واحد زمان بصورت توده ای از گاز داغ ، ملتهب و فشرده در آورده و تشکیل گوی آتشین که در حدود چند میلیون درجه حرارت است می دهد این گوی آتشین بلافاصله انبساط کرده و به لایه های بالای جو صعود می کند.انبساط سریع گوی آتشین فشار اطراف خود را بالا برده و موج انفجاری بسیار شدیدی و یا موج ضربه فوق العاده ای در زمین یا آب یا در زیر زمین ایجاد می کند که اثر تخریبی انفجار مربوط به آنها ست .

مشخصات انفجاری هسته ای

– در نزدیکی انفجار سرعت موج از یک کیلومتر درثانیه یعنی هزارها کیلومتر در ساعت بیشتر است .

– قسمت عمده ای از انرژی انفجار بصورت حرارت و نور آزاد می شود که در منطقه وسیعی ایجاد آتش سوزی نموده و حتی در فاصله های دورتر سبب سوختگی در پوست بدن موجودات زنده ای که در معرض آنها قرارگرفته باشند می گردد .

– مقدار زیاری اشعه نامرئی هسته ای به نام تشعشع هسته ای اولیه بوجود می آید که قدرت نفوذی فوق العاده ای داشته و بر حسب شدت تشعشع آنها آثار بیولوژیکی تشعشعات هسته ای وخیم یا کشنده در موجودات زنده بوجود می آورند .

– مواد حاصل از انفجار های هسته ای به شدت رادیو اکتیو بوده ومنطقه وسیعی را بطوری الوده می سازد که بر حسب نزدیکی یا دوری از مرکز انفجار تامدتی غیر قابل سکونت خواهند بود مانند هیروشیمای ژاپن .

– در انفجارهای معمولی درجه حرارت در مرکز انفجار به حدود ۵۰۰۰ درجه سانتیگراد درمورد انفجارهای هسته ای به ده ها میلیون درجه می رسد .

حوزه انفجارهسته ای

قطر کره آتشین از بمب هسته ای یک مگاتنی در یک هزارم ثانیه به حدود ۱۵۰ متر رسیده ودر هر ثانیه به حداکثر اندازه خود که حدود ۲۰۰۰ متر است می رسد و پس از یک دقیقه نسبتا سرد شده و روشنایی خود را از دست می دهد این زمانی است که انفجار ۷ کیلو متر صعود کرده است برای تصور میزان درخشندگی آن کافیست اشاره کنیم که :

– از فاصله یکصد کیلومتری از نور خورشید در وسط روز درخشنده تر است .

– در پاره ای از آزمایش ها که در طبقات بالای جو انجام گرفته نور حاصله از فاصله ۱۰۰۰ کیلومتری محسوم بوده است که تحت بعضی شرایط این نور می تواند موجب کوری موقتی یا سوختگی دائمی شبکیه چشم شود .

– در موقع آزمایشات هسته ای در معرض بودن تصادفی اشخاص موجب سوختگی شبکیه چشم درمسافت ۱۰ مایلی در سلاح ۲۰ کیلو تنی شده است .

– گوی آتشین همانطور که به سرعت بزرگ شده و صعود می کند تغییر شکل داده و پهن تر می شود ضمناً هوا و خاک و عناصر دیگر را از پایین به داخل خود می مکد و به همین ترتیب دنباله ای از غبار تشکیل می شود که گوی آتشین را به زمین وصل می کند کره آتشین بتدریج سرد شده و بصورت ابری متلاطم در می آید که ابتدا سرخ رنگ بوده و بعد سفید می شود در این حال با دنباله خود شکل قارچی به خود می گیرد .

تخریب بعد از انفجار هسته ای

– چنانچه انفجار در سطح زمین یا نزدیکی آن اتفاق بیافتد مقدار زیادی خاک و شن و مواد مختلف بخار شده و همراه با گوی آتشین بالا می روند یک صدم انرژی سلاح مگاتنی در تر کش سطحی کافی است که ۴۰۰۰ تن خاک و شن و سنگ را بخار نماید این مواد که بدین ترتیب به داخل گوی آتشین کشیده شده با مواد رادیو اکتیو مخلوط می شوند و ابر اتمی قارچ شکل انفجارات اتمی را شکل می دهند ذرات این باد بتدریج به زمین بازگشته و یا در اثر برف و باران به زمین ریخته خواهد شد این عمل ریزش اتمی نامیده شده و منبع تشعشعات باقیه خواهند بود .

– در انفجارهای زیر آبی مقدار زیادی آب بخار خواهد شد یک صدم انرژی سلاح یک مگاتنی کافیست که ۲۰۰۰۰ تن آب را بخار کند .

– انفجار زیر زمینی اتمی ایجاد تکانهایی مانند زمین لرزه می نماید در اثر این لرزش و جابه جاشدن قسمتی از سطح زمین خرابی بوجود می آید اما انرژی یک زلزله قوی با انرژی یک میلیون بمب اتمی برابر است!

تقسیم بندی انرژی انفجار سلاح اتمی

مجموع انرژی حاصله که به نام قدرت بمب نامیده می شود به سه اثر اولیه تقسیم می شود . گرچه تقسیم بندی انرژی تا اندازه ای به نوع سلاح و سوختنش وشرایط انفجار بستگی دارد ولی بطور کلی بصورت زیر تقسیم بندی می شود .

– ۵۰% انرژی به توسط موج انفجاری یا موج ضربه حمل می شود .

– ۳۵% انرژی را تشعشع حرارتی و امواج نورانی در خود دارند .

– ۱۵% انرژی را تشعشع هسته ای ( ۵% تشعشع ابتدایی ۱۰% تشعشع باقیه ) دارد.

منبع : دانشنامه رشد و هوپا

ذرات ریز اتمی و بنیادی

ذرات ریز اتمی و بنیادی

ذرات بنیادی به لحاظ نیم عمرشان و نیز پایداریشان و ظاهر شدن در واکنش ها و پدیده های میکروسکوپیک و در کل خواص شیمیایی و فیزیکی خودشان در خانواده های مختلف دسته بندی و بررسی می شوند عده ای از این ذرات با فراوانی بیشتر در اغلب اوقات ظاهر می شوند و پدیده های میکرو سکوپیک را کنترل می کنند، به ذرات بنیادی واقعی معروف هستند. هیپرون ها:  اساسا چهار دسته هیپرون وجود دارد که عبارتند از

  • هیپرون لاند
  • هیپرون سیگما
  • هیپرون کسی
  • هیپرون امگا

تمام هیپرون ها به ذرات هسته ای تجزیه می گردند.هر هیپرون دارای یک ضد ذره با علامت مخالف است.دنیای ذرات بنیادی هم از نظرتنوع ذرات و هم از نظر نوع تاثیرات و تبدیلات متقابل ، دنیای غنی محسوب می شود .هادرون ها:تحقیقاتی که با شتابدهنده ها یی بزرگ انجام شده اند بطور قوی به دانش ذرات بنیادی کمک کرده اند قبل از همه اشاره ها به بزرگترین خانواده ذرات هادرون ها یعنی ذرات شرکت کننده در برهمکنش های قوی هسته ای است ، اشاره می کنیم.در حال حاضر چند صد از این گونه ذرات از جمله باریون ها و پاد باریون ها و مزون ها شناخته شده اند.بیشتر این ذرات در نتیجه اندرکنش ها قوی هسته ای به هادرون های دیگر وامی پاشند آنها عمر کوتاهی دارند که در فرایند های هسته ای معمول چنین زمانی ( ثانیه ۲۳-۱۰) را نمی توان مستقیما اندازه گرفت.اما هادرون هایی با عمر ۱۳-۱۰ تا ۸-۱۰ ثانیه نیز وجود دارند. برد واپاشی این ذرات با عمر دراز اندرکش های ضعیف ما کم هستند. تعداد خیلی زیادی از هادرون ها کشف شده و گروه بندی آنها در رده ها و خانواده های مختلف ، طبیعت بنیادی آنها را مبهم جلوه می دهد.مدل کوارکی ساختار هادرون ها گروه بندی هادرون ها را در خانواده و طبیعت و ساختار این خانواده ها و همچنین دیگر خواص ساده هادرون ها را بطور خیلی طبیعی توضیح می دهد.اصول بنیادی این مدل را می توان به شرح زیر فرمول بندی کرد:

  • هادرون ها را به معنای درست کلمه نمی توان جز ذرات بنیادی به شمار آورد آنها ساختار درونی پیچیده ای دارند و مانند هسته های اتمی دستگاه های مقید و متشکل از ذرات به راستی بنیادی یا اساسی اند. عناصر اصلی ساختارهادرون ها کوارک نام دارد .
  • نظام هادرونی امکان می دهد که اظهار کنیم کلیه باریونهای شناخته شده از سه کوارک و پاد باریونها از سه پاد کوارک تشکیل شده اند. در حالی که تمام مزون ها از یک کوارک و یک پاد کوارک تشکیل شده است .

کوارک ها:دست کم شش نوع کوارک وجود دارد که هر کدام آنها حاصل عدد کوانتومی جدید یعنی طعم هادرونی است و به صورت زیر تقسیم بندی می شوند:

  • کوارک b (کوارک زیبا)
  • کوارک c (کوارک افسون)
  • کوارک d (کوارک پایین)
  • کوارک s (کوارک شگفت)
  • کوارک t (کوارک درست)
  • کوارک u (کوارک بالا)

 لپتون ها:لپتونهای متنوعی کشف شدهاند که آنها براساس خواص فیزیکی و کوانتومی ویژه خود «جرم ، بار ، اسپین و غیره) به صورت زیر تقسیم بندی می شوندلپتون های الکترون (e): اینها به نوبه خود دو دسته اند:الکترون هانوترینوی الکترون لپتون های موئون: اینها نیز به نوبه خود دو دسته اند:موئوننوترینو موئونلپتون های تو (T): اینها نیز دو دسته اند:  لپتون های تو منفینوترینو تو فوتون ها:  فوتون ها جرم در حال سکونشان برابر صفر است و اسپینی برابر یک دارند.گلوئون ها:گلوئون ها جرم در حال سکونشان مساوی صفر است. و اسپینی مساوی یک دارند. گلوئون ها درون هادرون ها هستند ودر حالت آزاد مشاهده نشده اند. بوزون ها: 

  • در فیزیک ذرات برهمکنش های ضعیف هسته ای نیز نقش مهمی ایفا می کنند اینها تنها اندرکشی هستند که می توانند شخصیت ذرات پایه را عوض کنند. و ضمن پیروی از قوانین بقای بارهای لپتونی و باریونی موجب تبدیل های متقابل آنها شود.
  • ساز و کار نیروهای برهمکنش ضعیف هسته ای مدتهای مدید نظر پژوهشگران را بسوی خود جلب کرده بود. فرضیه ای مطرح شده است که مطابق آن این نیروها از تعادل نوع خاصی کوانتوم های میدان نیروی برهمکنش ضعیف هسته ای به نام بوزون ها ی میانی ناشی می شود.

 

  • برخلاف گلوئون ها ، بوزون های میانی مثل فوتون ها باید در حالت آزاد وجود داشته باشند. نظریه امکان وجود ، سه تا از این بوزون های میانی را پیش بینی می کند.چند تا از این ذرات (بوزون های میانی) سرانجام در سال ۱۹۸۲ کشف شدند.

فیزیک ذرات بنیادی (Fundamental Particle Physics)دید کلی مدت زیادی نگذشته که ثابت شده تمامی مواد از مولکول ها، مولکول ها هم از اتم ها، اتم ها از هسته ها و الکترون ها و هسته ها از پروتون ها و نوترون ها تشکیل شده اند اما پروتون ها و نوترون ها والکترون ها از چه چیزی ترکیب یافته اند؟ این ذزات ، ذرات بنیادی یعنی ذرات غیر قابل تجزیه نام دارند. با فرض اینکه تجزیه بیشتر آنها باعث می شود که به ذرات دیگری تبدیل شود.تاریخچه:در اواخر قرن بیستم دانشمندان درباره ساختمان پنهانی ذرات بنیادی به یک مطالعه سیستماتیک و مداوم پرداختند. این مطالعه ابتدا از نوکلئون ها (اجزای هسته ) یعنی پروتون ها و نوترون ها شروع شد. عموما در فیزیک هسته ای این کار می توانست دردوخط اصلی ادامه یابد. بررسی پدیده های شامل ذرات بنیادی با فیزیک هسته ای:کوشش برای شکستن یا خرد کردن یک ذره بنیادی در صورت امکان و تبدیل آن به اجزا تشکیل دهنده اش اگر اجزا تشکیل دهنده ای داشته باشد. برای این منظور ذرات مشابه دیگر را با سرعت های حتی المقدور نزدیک به سرعت نور شتاب داده و این گلوله های شتاب دار را به ذرات بنیادی موجود در اتم های دیگر برخورد می دهند. برای مثال برای بمباران هیدروژن یونیزه شده (یعنی پروتون) از پروتون های شتابدار یا برای بمباران پروتون و ذرات آلفا از پروتون و ذرات آلفا ی دیگر استفاده گردد.
انرژی لازم برای این عمل فقط می تواند به کمک شتابدهنده های قوی ذرات باردار فراهم شود تولید ذرات باردار شتابدار برای دسترسی به انرژی های دهها میلیون و بالاخره دهها هزار میلیون الکترون ولت زمانی یک کار بزرگ تلقی می شد.
بررسی ساختمان ذرات بنیادی:این روش بر اساس پدیده آشنای نوری قرار داشت. هر چه ماده مورد مشاهده کوچکتر باشد طول موج نور تابانده شده به این ماده بایستی کوتاهتر گردد. اگر طول موج نور از طول جسم بزرگتر باشد موج به آسانی از اطراف جسم عبور کرده و چیزی دیده نمی شود. و اگر از طول جسم کوچکتر باشد موج منعکس شده بازتاب نور) و جسم روشن شده و قابل رویت می گردددیدگاه موجی ذرات:
دوبروی ( De Broglie) کشف کرد که هر چه ذرات سریعتر حرکت کنند خواص موجی بیشتری از خود نشان می دهد. پس از این کشف تهیه نوعی میکروسکوپ الکترونی ممکن گردید که در آنها الکترون با انرژی ۱۰۰Kev شتاب داده می شد. این میکروسکوپ رویت اجسام با قطر چند انگستروم را میسر می سازد. که هر آنگستروم برابر ۸- ۱۰سانتیمتر می باشد.
مطابق نظریه دوبروی هرچه ذرات سنگین تر بوده و سریعتر حرکت کند ، طول موج معادل آن کوتاهتر خواهد بود. این مطالب نشان می دهد اگر الکترونی تا انرژی چند صد میلیون الکترون ولت شتاب داده شود طول موجش آنقدر کوچک می شود که متناسب با اندازه ذرات هسته ای شده و می تواند برای بررسی ساختمان هسته اتمی بکار رود
ساختار فیزیک ذرات بنیادی:

  • از بازتاب و پخش این فیزیک امواج برای اندازه گیری ذرات داخل هسته استفاده می شود. اگر الکترونی تا انرژی یک یا دو هزار میلیون الکترون ولت شتاب یابد طول موج الکترون چندین مرتبه کوچکتر از قطر ذرات هسته ای می شود. این فیزیک امواج تحقیق ساختمان پروتون هاو نوترون ها را ممکن می سازد از روزی که دانشمندان به یک “توپخانه اتمی قوی” مسلح شدندذرات جدید اتمی یکی پس از دیگری کشف گردید.
  • انرژی معادل با یک میلیون الکترون ولت موجب کشف الکترون مثبتی به نام پوزیترون شد. شتاب دهنده هایی با صدها میلیون الکترون ولت تهیه مصنوعی مزون ها را ممکن ساخت. مزون ها اولین بار در پرتوهای کیهانی کشف شدند.توسعه شتابدهنده های با انرژی بسیار زیاد موجب کشف ضد ذرات گردید.ضد ذرات تشکیل دهندگان اصلی ضد ماه می باشد که عمده ترین انها عبارتند از: ضد پروتون ، ضد نوترون و غیره.  

  • بسیاری از ذرات کشف شده ، ذرات ناپایدارند آنها پس از یک دوره زمانی بسیار کوتاه تجزیه شده و به تعدادی ذرات کوچکتر و پایدارتر تبدیل می شود این ذرات کوچکتر پایدارتر شامل : الکترون ها ، نوترون ها ، اشعه گاما و یا نوترینو ها می باشند.

 

اشعه گاما
  • ذرات ناپایدار ممکن است به ضد ذرات معادل خود که اصولا پایدارترند ، تبدیل می گردند.
  • همانگونه تا بحال معلوم شده هیچیک از ذرات بنیادی شناخته شده نمی توانند به اجزا کوچکتر شکسته شوند. آنها همگی به نام ذرات بنیادی معرفی شده است به همین دلیل نشان می دهد که ساختمانی ندارند.

تقسیم بندی ذرات ناپایدارذرات ناپایدار بدو گروه به صورت زیر تقسیم می شوند:

  • یک دسته از آن شامل ذرات سنگین تر از الکترون ولی سبک تر از پروتون است که مزون (Meson) نام دارند.
  • گروه دیگر شامل ذرات سنگین تر از پروتون است که هیپرون(Hyperon) خوانده می شوند. هیپرون ها فقط به ذرات هسته ای از جمله پروتون ها و نوترون ها تجزیه می شوند.

مزون

 انواع مزون ها:مزون ها از لحاظ خواص فیزیکی به دسته های مختلف تقسیم می شود:

  • مومزون (M-Meson)
  • پی مزون (P-Meson)
  • کامزون (K-Meson

مو مزون (M-Meson):

  • جرم مو مزون تقریبا ۸/۱ جرم پروتون می باشد.
  • مومزون ها فقط می توانند به صورت مثبت یا منفی باشند ، مومزون خنثی وجود ندارد.
  • این ذرات به نوبه خود ضد ذره هم دارند مثلا ضد ذره مومزون منفی ، مومزون مثبت می باشد.
  • بواسطه وجود تاثیرات متقابل عمومی یک مومزون ممکن است به یک الکترون و دو نوترنیو تجزیه شود.
  • مومزون منفی دارای نیم عمر ۲٫۳X10-6 ثانیه می باشد. بواسطه چنین تاثیر متقابل که بین سه ذره فوق ( الکترون ، مومزون و نوترینو) در حالت عادی وجود دارد آنها را لپتون (Lepton) نیز می نامند.

پی مزون (P-Meson):

  • جرم پی مزون تقریبا ۷/۱ جرم پروتون می باشد.
  • پی مزون ها بصورت مثبت یا منفی یا خنثی وجود دارند.
  • این ذرات نیز به نوبه خود ضد ذره هم دارند مثلا ضد ذره پی مزون مثبت ذره پی مزون منفی است. شبیه فوتون ، پی مزون خنثی با ضد ذره خود یکسان است. 
  • پی مزون کوبورچه توسط دانشمند ژاپنی یوکاوا (Yukawa) در سال ۱۹۳۵ پیش بینی شده بود.

  • ذرات هسته ای بطور مداوم ذرات پی مزون را مبادله می کنند. این تبادل شباهتی به ظهور نیروهای الکتریکی دارد که در اثر نشر و جذب دائم کوانتای تابش الکترومغناطیسی بوسیله یک بار الکتریکی حاصل می شود.
  • پی مزون ها می توانند در برخورد پروتون هایی با انرژی چند صد میلیون الکترون ولت تولید شوند. در این حالت انرژی جنبشی ذرات هسته ای مستقما به جرم سکون پی مزون تبدیل می شود.

طرح کلی واکنش های بین ذرات بنیادی:

  • پروتون + نوترون +پی مزون مثبت
  • پروتون +پروتون +پی مزون منفی
  • نوترون + پی مزون مثبت
  • پروتون + پی مزون منفی

کامزون (K-Meson):

  • جرم کا مزون تقریبا ۴/۱ جرم پروتون می باشد.
  • کامزون ها بصورت منفی ، مثبت و خنثی شناخته شده اند.
  • این ذرات به نوبه خود ضد ذره هم دارند مثلا ضد ذره کامزون منفی ، کامزون مثبت می باشد.در صورتیکه ضد ذره کامزون خنثی خودش می باشد.
  • بواسطه جرم بزرگ کامزون این ذرات با تنوع بیشتری تجزیه می شود. دوره تجزیه یک کامزون باردار ۰٫۸۵X10-8 ثانیه می باشد.

منبع: انر‍‍ژینقل از : هوپا

انفجار هسته ای

انفجار هسته ای

تعریف انفجار

انفجار اعم از عادی یا هسته ای عبارتست از رهایی مقدار زیادی انرژی در مدت زمانی بسیار کوتاه و در فضای محدود .

ساختار انفجاری هسته ای

در انفجار هسته ای حرارت و فشار حاصل از اندازه ای است که جرم بمب و همه مواد موجود در فضای مزبور را در آن واحد زمان بصورت توده ای از گاز داغ ، ملتهب و فشرده در آورده و تشکیل گوی آتشین که در حدود چند میلیون درجه حرارت است می دهد این گوی آتشین بلافاصله انبساط کرده و به لایه های بالای جو صعود می کند.انبساط سریع گوی آتشین فشار اطراف خود را بالا برده و موج انفجاری بسیار شدیدی و یا موج ضربه فوق العاده ای در زمین یا آب یا در زیر زمین ایجاد می کند که اثر تخریبی انفجار مربوط به آنها ست .

مشخصات انفجاری هسته ای

– در نزدیکی انفجار سرعت موج از یک کیلومتر درثانیه یعنی هزارها کیلومتر در ساعت بیشتر است .

– قسمت عمده ای از انرژی انفجار بصورت حرارت و نور آزاد می شود که در منطقه وسیعی ایجاد آتش سوزی نموده و حتی در فاصله های دورتر سبب سوختگی در پوست بدن موجودات زنده ای که در معرض آنها قرارگرفته باشند می گردد .

– مقدار زیاری اشعه نامرئی هسته ای به نام تشعشع هسته ای اولیه بوجود می آید که قدرت نفوذی فوق العاده ای داشته و بر حسب شدت تشعشع آنها آثار بیولوژیکی تشعشعات هسته ای وخیم یا کشنده در موجودات زنده بوجود می آورند .

– مواد حاصل از انفجار های هسته ای به شدت رادیو اکتیو بوده ومنطقه وسیعی را بطوری الوده می سازد که بر حسب نزدیکی یا دوری از مرکز انفجار تامدتی غیر قابل سکونت خواهند بود مانند هیروشیمای ژاپن .

– در انفجارهای معمولی درجه حرارت در مرکز انفجار به حدود ۵۰۰۰ درجه سانتیگراد درمورد انفجارهای هسته ای به ده ها میلیون درجه می رسد .

حوزه انفجارهسته ای

قطر کره آتشین از بمب هسته ای یک مگاتنی در یک هزارم ثانیه به حدود ۱۵۰ متر رسیده ودر هر ثانیه به حداکثر اندازه خود که حدود ۲۰۰۰ متر است می رسد و پس از یک دقیقه نسبتا سرد شده و روشنایی خود را از دست می دهد این زمانی است که انفجار ۷ کیلو متر صعود کرده است برای تصور میزان درخشندگی آن کافیست اشاره کنیم که :

– از فاصله یکصد کیلومتری از نور خورشید در وسط روز درخشنده تر است .

– در پاره ای از آزمایش ها که در طبقات بالای جو انجام گرفته نور حاصله از فاصله ۱۰۰۰ کیلومتری محسوم بوده است که تحت بعضی شرایط این نور می تواند موجب کوری موقتی یا سوختگی دائمی شبکیه چشم شود .

– در موقع آزمایشات هسته ای در معرض بودن تصادفی اشخاص موجب سوختگی شبکیه چشم درمسافت ۱۰ مایلی در سلاح ۲۰ کیلو تنی شده است .

– گوی آتشین همانطور که به سرعت بزرگ شده و صعود می کند تغییر شکل داده و پهن تر می شود ضمناً هوا و خاک و عناصر دیگر را از پایین به داخل خود می مکد و به همین ترتیب دنباله ای از غبار تشکیل می شود که گوی آتشین را به زمین وصل می کند کره آتشین بتدریج سرد شده و بصورت ابری متلاطم در می آید که ابتدا سرخ رنگ بوده و بعد سفید می شود در این حال با دنباله خود شکل قارچی به خود می گیرد .

تخریب بعد از انفجار هسته ای

– چنانچه انفجار در سطح زمین یا نزدیکی آن اتفاق بیافتد مقدار زیادی خاک و شن و مواد مختلف بخار شده و همراه با گوی آتشین بالا می روند یک صدم انرژی سلاح مگاتنی در تر کش سطحی کافی است که ۴۰۰۰ تن خاک و شن و سنگ را بخار نماید این مواد که بدین ترتیب به داخل گوی آتشین کشیده شده با مواد رادیو اکتیو مخلوط می شوند و ابر اتمی قارچ شکل انفجارات اتمی را شکل می دهند ذرات این باد بتدریج به زمین بازگشته و یا در اثر برف و باران به زمین ریخته خواهد شد این عمل ریزش اتمی نامیده شده و منبع تشعشعات باقیه خواهند بود .

– در انفجارهای زیر آبی مقدار زیادی آب بخار خواهد شد یک صدم انرژی سلاح یک مگاتنی کافیست که ۲۰۰۰۰ تن آب را بخار کند .

– انفجار زیر زمینی اتمی ایجاد تکانهایی مانند زمین لرزه می نماید در اثر این لرزش و جابه جاشدن قسمتی از سطح زمین خرابی بوجود می آید اما انرژی یک زلزله قوی با انرژی یک میلیون بمب اتمی برابر است!

تقسیم بندی انرژی انفجار سلاح اتمی

مجموع انرژی حاصله که به نام قدرت بمب نامیده می شود به سه اثر اولیه تقسیم می شود . گرچه تقسیم بندی انرژی تا اندازه ای به نوع سلاح و سوختنش وشرایط انفجار بستگی دارد ولی بطور کلی بصورت زیر تقسیم بندی می شود .

– ۵۰% انرژی به توسط موج انفجاری یا موج ضربه حمل می شود .

– ۳۵% انرژی را تشعشع حرارتی و امواج نورانی در خود دارند .

– ۱۵% انرژی را تشعشع هسته ای ( ۵% تشعشع ابتدایی ۱۰% تشعشع باقیه ) دارد.

منبع : دانشنامه رشد

اتم – ملکول – ساختار اتم

اتم – ملکول – ساختار اتم

از مدتها قبل ،انسان می داند که تمام مواد از ذرات بنیادی یا عناصر شیمیایی ساخته شده اند. از میان این مواد،مثلاً می توان از اکسیژن ،گوگرد ،و آهن نام برد .کوچکترین ذره آهن ،یک اتم آهن و کوچکترین ذره گوگرد ،یک اتم گوگرد نامیده می شود .
آهن خالص فقط دارای اتمهای آهن است و گوگرد خالصل نیز فقط اتمهای گوگرد دارد . اتمها جرمهای گوناگونی دارند .سبکترین آنها اتم هیدوژن است .
اتمهای آهن بسیار سنگینتر از هیدروژن و اتمهای “اورانیم” از اتمهای آهن سنگینترند ،یعنی جرمشان بیشتر ایت .واژه اتم ،از بان یونانی گرفته شده و معنای آن در واقع “ناکسستنی” یا “تقسیم ناپذیر” است .
امروزه ما می دانیم که امها را هم می توان به اجزاء کوچکتر تقسیم کرد.ولی به هر حال ،اگر مثلاً یک اتم آهن را درهم بشکنیم ،اجزاء شکسته شده ،و دیگر آهن نسیتند و خصوصیات آهن را ندارند به این دلیل است که در بسیاری از کتابهای شیمی تعریف زیر در باره واژه “اتم” آورده شده است :
“یک اتم کوچکترین سنگ بنای یک عنصرشیمیایی است که کلیه خصوصیات ویژه آن عنصر را دارا بوده و در صورت تقسیم آن به اجزاء کوچکتر ،این خصوصیات را از دست خواهد داد “.
اتمها در مقایسه با کلیه چیزهایی که ما در زندگی معمولی خود با آنها برخورد می کنیم ،خیلی خیلی کوچک هستند .قطر یک اتم تقریباً سانتیمتر یا ۸ – ۱۰×۱ سانتیمتراست . با ذکر یک مثال می توان پی برد که اتمها چقدر کوچک هستند :
برروی کره زمین تقریباً ۵ میلیارد نفر زندگی می کنند. اگر هر نفر را یک اتم حساب کنیم و با این اتمها یک زنجیر بسازیم طول این زنجیر به زحمت ۵۰ سانتیمتر خواهد شد .
مولکول چیست؟ اتمها می توانند برای ایجاد ذرات بزرگنر با یکدیگر پیوند پیدا کنند و به اصطلاح “مولکولها ” را تشکیل دهند.به عنوان مثال ،دو اتم اکسیژن با یکدیگر تشکیل یک مولکول اکسیژن را می دهند. در طبیعت اغلب اوقات اتفاق می افتد که امهای عناصر مختلف به صورت مولکول با یکدیگر اتحاد می یابند .
یکی از معروفترین این اتحادها مولکول آب است . که ازیک اتم اکسیژن و دو اتم هیدوژن تشکیل شده است . یک مولکول آمونیاک ،یک اتم نیتروژن وسه اتم هیدوژن دارد .
آب و آمونیاک برخلاف اکسیژن و کربن عناصر شیمیایی نیستند بلکه ترکیبات شیمیایی از عناصر متقاوت هستند .کوچکترین ذره چنین ترکیبی مولکول نامیده می شود .چنانچه یک مولکول آب را تجزیه کنیم خصوصیات آب از دست می رود و فقط ذرات تشکیل دهنده آن یعنی هیدروژن و اکسیژن باقی می مانند که خصوصیاتی کاملاً متفاوت با آب دراند .
مولکولهانیز مثل اتمها به طرز غیرقابل تصوری کوچک هستند دریک لیوان ـآب معمولی تقریباً ۶۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰ یا ۲۴ ۱۰×۶ مولکول آب وجود دارد . اگر این لوان آب را به میزان مساوی بر روی تمام اقیانوسها و دریاهای کره زمین پخش کنیم درهر لیتر از آب دریاها ،چندین هزار مولکول از آب لیوان وجود خواهد داشت .
ساختار اتم چیست ؟ تقریباً ۷۵سال پیش “ارنست رادر فورد ” در انگلستان مطلبی را کشف کرد که فیزیک اتمی جدید را نبیان گذارد . اما اکنون به این مطلب می پردازیم .این فیزیکدان بریتانیایی یک ورق نازک طلایی را مورد اصابت ذرات آلفا قرار داد تا در ون اتمها را شناسایی کند .
اگر مواد در یک چنین ورق فلزی بطور متناسب و یکنواخت پخش بودند ذرات آلفا درهمان مسیر پرواز خود به حرکت ادامه می دادند،اگر چه در این حالت کمی از سرعت ذرات آلفا کاسته می شد. تمام “ذرات آلفا” تقریباً به همین شکل رفتار کردند .البته تعداد کمی نیز کاملاً از مسیر خود منحرف شدند درست مثل اینکه به یک گلوله کوچک اما خیلی سنگین برخورد کرده باشند “رادرفورد ” از این آزمایش چنین نتیجه گیری کرد که تقریبا تمام جرم اتم طلا در یک هسته بسیار کوچک وناچیز تمرکز یافته است .
هسته اتم کشف شده بود.امروز ه ما دقیقاً می دانیم ساختار اتم چیست .”اتم مانندیک منظومه شمسی کوچک است “. در مرکز اتم یک هسته بسیار کوچک قرار دارد که از نظر الکتریکی دارای با ر مثبت است و تقریباً تمام جرم اتم را تشکیل می دهد به دور این هسته ذرات کوچک و بسیار سبکی که دارای بار الکتریکی منفی هستند یعنی الکترونها در حرکت هستند.
اتمها ی سنگین تر ین فلزات در وقاع دارای “ساختمانی اسفنجی ” هستند و تقریبا فقط از فضای خالی تشکیل شده اند اگر هسته اتم را به برزگی یک گیلاس فرض کنیم ،ساختمان اتم با مدارهای اکترونی خود تقریبا به بزرگی “کلیسای دم ” در شهر کلن خواهد بود .
قطر هستهه اتم تقریبا برابر سانتیمتر یا ۱۲- ۱۰سانتیمتر می باشد به عبارت دیگر ۱۰۰میلیارد هسته اتم درکنار هم زنجیری به طول یک میلیمترخواهند ساخت .
ساده ترین اتم هیدروژن است . دراین اتم فقط یک الکترون به دور هسته بسیار کوچکی می گردد . در شرایط عادی این اکترون فقط پنج میلیارددم سانتیمتر یا ۹- ۱۰×۵ سانتیمتر از هسته فاصله دارد .اما این الکترون می تواند روی مدارهای دور تری نسیت به هسته نیز قرار گیرد و در اینجاست که متاسفانه و جه تشابه بین اتم و منظومه شمسی از بین می رود .
حرکت الکترون فقط روی مدارهای ویژه و معین یا به عبارت دیگر”تراز انرژی ” مشخصی امکان پذیر می بادش در حالی که سیاره ها در هر فاصله دلخواهی از خورشید می توانند حرکت کنند مثلا اگریک الکترون از یک مدار داخلی یا به عبارت دیگراز یکتراز پر انرژی تر به یک مدارداخلی یا یک تراز کم انرژی تر منتقل شود مقدار انرژی به شکل یک ذره یا “کوانت نوری ” یا “فوتون” رها می وشد چون فقط مدارها یا ترازهای انرژی کاملاً معینی وجود دارد در نتیجه فقط ذره های نوری یا انرژی کاملاً معینی نیز منتشر خواهند شد و به عبارت دیگردرنمودار موجی طول موجهای کاملا معینی پدیدار می شوند که انسان ار روی آنها می تواند درتمام کیهان یک انم هیدروژن را باز شناسایی کند.
این مطلب برای سایر عناصر شیمیایی نیزصادق است زیر بنای علم “طیف نگاری و طیف شناسی ” می باشد که به کمک آن مثلا می توان تشخیص داد چه نوع اتمهایی در آتمسفر خورشید وجود دارند .

منبع :physicsir.com و نقل از هوپا