همجوشي هسته اي

نوشته : مهرداد صميمي فر 

به نام خداي متعال كه منزه است از شرك مشركان 

از ديرباز آرزوي بشر دستيابي به منبعي از انرژي بوده كه علاوه بر آنكه بتواند مدت مديدي از آن استفاده كند توليد پسماندهاي خطر ناك نيز در پي نداشته باشد.اكنون در هزاره سوم ميلادي اين آرزوي به ظاهر دست نيافتني كم كم به واقعيت مي پيوندد.اكنون بشر خود را آماده مي كند تا با ساخت اولين رآكتور گرما هسته اي (همجوشي هسته اي)آرزوي نياكان خود را تحقق بخشد.سوختي پاك و ارزان به نام هيدروژن,انرژي توليدي اي سرشار و پسماندي بسيار پاك به نام هليوم. 

اكنون مي پردازيم به واكنشهاي گرما هسته اي راهكارهاي استفاده از آن. 

خورشيد و ستارگان: 

سالهاست كه دانشمندان واكنشي را كه در خورشيد و ستارگان رخ داده و در آن انرژي توليد مي كند كشف كرده اند.اين واكنش عبارت است از تركيب (برخورد) هسته هاي چهار اتم هيدروژن معمولي و توليد يك هسته اتم هليوم.اما مشكلي سر راه اين نظريه است. 

بالا ترين دمايي كه در خورشيد وجود دارد مربوط به مركز آن است كه برابر 15ضرب در 10 به توان6 مي باشد.در حالي كه در ستارگان بزرگتر اين دما به 20 ضرب در ده به توان 6 مي رسد.به همين خاطر تصور بر اين است كه آن واكنش معروف تركيب چهار اتم هيدروژن معمولي وتوليد يك اتم هليم در ساير ستارگان بزرگ نيست كه باعث توليد انرژي مي شود.بلكه احتمالا چرخه كربن در آنها به كمك آمده و كوره آنها را روشن نگه مي دارد.منظور از چرخه كربن آن چرخه اي نيست كه روي زمين اتفاق مي افتد.بلكه به اين صورت است كه ابتدا يك اتم هيدروژن معمولي با يك اتم كربنC12تركيب مي شود(همجوشي) و يك اتم N13 به علاوه يك واحد گاما را آزاد مي كند.بعد اين اتم با يك واپاشي به يك اتمC13به علاوه يك پوزيترون ويك نوترينو تبديل مي شود.بعد اينC13دوباره با يك اتم هيدروژن تركيب مي شود وN14و يك واحد گاما حاصل مي شود.دوباره در اثر تركيب اين نيتروژن با يك هيدروژن معمولي اتمO15و يك واحد گاما توليد مي شود.O15واپاشي كرده و N15به علاوه يك پوزيترون ويك نوترينو را بوجود مياورد.و دست آخر با تركيب N15با يك هيدروژن معموليC12به علاوه يك اتم هليوم بدست مي آيد.

ديديد كه در اين چرخه C12نه مصرف شد و نه به وجود آمد بلكه فقط نقش كاتاليزور را داشت.اين واكنشها به ترتيب و پشت سر هم انجام مي شوند.و واكنش اصلي همان تبديل چهار اتم هيدروژن به يك اتم هليوم است.مزيت چرخه كربن اين است كه سرعت كار را خيلي بالا مي برد. ولي اشكالي كه دارد اين است كه در دماي حد اقل20 ضرب در ده به توان6 شروع مي شود.بنا بر اين احتمال زيادي ميرود كه در ستاره هاي بزرگتر چرخه كربن باعث توليد انرژي مي شود. 

 

نيروي الكتريكي موثر هسته و مدارهاي اتم

حسين جوادي 

نيروي الكتريكي موثر هسته، عبارت از نيروي الكتريكي است كه يك الكترون را به طرف هسته مي كشد. مثال اتم هيدروژن داراي يك پروتون و يك الكترون است. فرض كنيم نيروي الكتريكي كه از طرف هسته بر الكترون وارد مي شود برابر يك واحد باشد. اتم هليوم داراي دو پروتون و الكترون است. اما نيرويي الكتريكي كه بر هريك از الكترونهاي اتم هليوم وارد مي شود، برابر دو واحد نيست و بيروي الكتريكي موثري كه بر هر الكترون در اتم هليوم وارد مي شود تقريباً برابر 1.7 واحد است. 

قاعده ي استالر 

Staler's Rule 

براي نخستين بار استالر روش ساده اي براي محاسبه نيروي الكتريكي موثر وارد به هر الكترون را ارائه داد. بنابر روش استالر نيروي الكتريكي هسته كه بر هر الكترون وارد مي شود، به اندازه ي S كاهش مي يابد و نيروي موثر هسته از رابطه ي زير به دست مي آيد. 

Z*=Z-S. 

كه در آن Z* , Z, S. به ترتيب نيروي الكتريكي موثر هسته، عدد اتمي و مقدار استالر ، يعني مقداري كه از نيروي الكتريكي واقعي كاهش مي يابد. 

با توجه به روش استالر نخست بايد توجه كرد كه الكترون در كداميك از مدارات اصلي يا فرعي كه بصوررت زير داده مي شود، قرار دارد: 

(1s)(2s,2p)(3s,3p)(3d)(4s,4p)(4d)(4f)(5s,5p)(5d)(5f)... 

در اين روش الكترونهاي سمت راست روي نيروي الكتريكي هسته كه بر يك الكترون وارد مي شود، تاثيري ندارند فرض كنيم مي خواهيم نيروي الكتريكي موثر بر الكتروني را كه در مدار n قرار دارد حساب كنيم در هر گروه، هر الكترون به اندازه ي 0.35 واحد از مقدار نيروي الكتريكي كه از طرف هسته اعمال مي شود، مي كاهند. 

الكترونهاي گروه (s,p) n-1 به اندازه 0.85 واحد مي كاهند. الكترونهاي گروه n-2 به اندازه 1 واحد مي كاهند . 

مثال: در اتم Sc كه شامل 21 پروتون است داريم: 

S(4s) = 1 x (.35) + 9 x .85 + 10 x 1.0 = 18 

So, Z*=21-18=3. 

Example 2: As from a 3d perspective (Its nuclear has 33 protons); 

S(3d)=20.3 and Z*=33-20.3=12.7 

استخراج اورانيوم از معدن

اورانيوم که ماده خام اصلی مورد نياز برای توليد انرژی در برنامه های صلح آميز يا نظامی هسته ای است، از طريق استخراج از معادن زيرزمينی يا سر باز بدست می آيد. اگر چه اين عنصر بطور طبيعی در سرتاسر جهان يافت ميشود اما تنها حجم کوچکی از آن بصورت متراکم در معادن موجود است.

هنگامی که هسته اتم اورانيوم در يک واکنش زنجيره ای شکافته شود مقداری انرژی آزاد خواهد شد.

برای شکافت هسته اتم اورانيوم، يک نوترون به هسته آن شليک ميشود و در نتيجه اين فرايند، اتم مذکور به دو اتم کوچکتر تجزيه شده و تعدادی نوترون جديد نيز آزاد ميشود که هرکدام به نوبه خود ميتوانند هسته های جديدی را در يک فرايند زنجيره ای تجزيه کنند.

مجموع جرم اتمهای کوچکتری که از تجزيه اتم اورانيوم بدست می آيد از کل جرم اوليه اين اتم کمتر است و اين بدان معناست که مقداری از جرم اوليه که ظاهرا ناپديد شده در واقع به انرژی تبديل شده است، و اين انرژی با استفاده از رابطه E=MC۲ يعنی رابطه جرم و انرژی که آلبرت اينشتين نخستين بار آنرا کشف کرد قابل محاسبه است.

اورانيوم به صورت دو ايزوتوپ مختلف در طبيعت يافت ميشود. يعنی اورانيوم U۲۳۵ يا U۲۳۸ که هر دو دارای تعداد پروتون يکسانی بوده و تنها تفاوتشان در سه نوترون اضافه ای است که در هسته U۲۳۸ وجود دارد. اعداد ۲۳۵ و ۲۳۸ بيانگر مجموع تعداد پروتونها و نوترونها در هسته هر کدام از اين دو ايزوتوپ است.

کشورهای اصلی توليد کننده اورانيوم استراليا چين کانادا قزاقستان ناميبيا نيجر روسيه ازبکستان

برای بدست آوردن بالاترين بازدهی در فرايند زنجيره ای شکافت هسته بايد از اورانيوم ۲۳۵ استفاده کرد که هسته آن به سادگی شکافته ميشود. هنگامی که اين نوع اورانيوم به اتمهای کوچکتر تجزيه ميشود علاوه بر آزاد شدن مقداری انرژی حرارتی دو يا سه نوترون جديد نيز رها ميشود که در صورت برخورد با اتمهای جديد اورانيوم بازهم انرژی حرارتی بيشتر و نوترونهای جديد آزاد ميشود.

اما بدليل "نيمه عمر" کوتاه اورانيوم ۲۳۵ و فروپاشی سريع آن، اين ايزوتوپ در طبيعت بسيار نادر است بطوری که از هر ۱۰۰۰ اتم اورانيوم موجود در طبيعت تنها هفت اتم از نوع U۲۳۵ بوده و مابقی از نوع سنگينتر U۲۳۸ است.