شکافت هسته ای

فرايند تقسيم شدن يک هسته ی سنگين به دو هسته با جرم كم تر، شكافت هسته ای ناميده می شود.

شكافت هسته ی اورانيوم

اورانيوم 235 (\({}_{92}^{235}U\) ) پس از جذب نوترون به دو تكه تقسيم می شود و هر تكه، جرم كم تری از هسته ی اوليه دارد. در فرايند شكافت اورانيوم، تركيب های متفاوتی از هسته های كوچک تر همراه با تعدادی نوترون (بین 2 تا 5) به وجود می آید.

وقتی نوترونی با هسته ی اورانيوم 235 برخورد كند و جذب شود، هسته ی اورانيوم شروع به ارتعاش می كند و تغيير شكل می دهد. ارتعاش تا وقتی ادامه می يابد كه تغيير شكل چنان جدی شود كه نيروی جاذبه ی هسته ای ديگر نتواند با نيروی دافعه ی الكتروستاتيكی بين پروتون های هسته متوازن شود. در اين هنگام، هسته به پاره هايی وا می پاشد كه حامل انرژی (به طور عمده انرژی جنبشی) هستند.

واکنش زنجیره ای

فرايند شكافت اورانيوم 235 با جذب يک نوترون كند آغاز می شود. اگر محصولات شكافت Ba و Kr باشند در اين فرايند 3 نوترون به وجود می آيد. چون نوترون ها بار الكتريكی ندارند، هسته های ديگر آن ها را دفع نمی كنند. نوترون ها پس از كند شدن، توسط هسته های ديگر جذب می شوند و باعث شكافت در 3 هسته ی اورانيوم ديگر می شوند و 9 نوترون آزاد می كنند. اگر هر يک از اين نوترون ها نيز موفق به شكافت يک هسته ی اورانيوم شود، 27 نوترون آزاد می شود به همين ترتيب تا آخر؛ اين واكنش را واكنش زنجيری می نامند.

انرژی هسته ای

در واكنش شكافت هسته ای، جرم محصولات شكافت، كم تر از جرم هسته ی مركب است. اين اختلاف جرم بنا به رابطه ی \(E = m{c^2}\)  سبب آزاد شدن انرژی گرمايی زيادی می شود. انرژی ای كه توسط محصولات شكافت حمل می شود عمدتاً به شكل انرژی جنبشی است.

علت انجام نشدن واكنش زنجيره ای در معادن

در سنگ معدن اورانيوم، دو ايزوتوپ 235 و 238 وجود دارد، به طوری كه فراوانی ايزوتوپ 235 كه توانايی انجام شكافت را دارد حدود \(0/72\)  درصد است (يعنی از هر 140 اتم اورانيوم در سنگ معدن تنها يكی از آن ها ايزوتوپ 235 است) احتمال اينكه اورانيوم 235 نوترونی را گير بيندازد و شكافته شود بسيار كم است و درنتيجه واكنش شكافت را ناممكن می سازد.

غنی سازی اورانيوم

به فرايند افزايش درصد يا غلظت ايزوتوپ 235 در يک نمونه، غنی سازی گفته می شود. (بيش تر راكتورهای تجاری توليد برق تا 3 درصد غنی سازی انجام می دهند(

كندساز نوترون در واكنش شكافت

نوترون هاd آزاد شده در فرايند شكافت اورانيوم 235 (\({}_{92}^{235}U\) )، انرژي 235 جنبشی زيادی دارند. (حدود \(2Mev\) ) و به نوترون های تند معروف اند. اين نوترون ها با احتمال بسيار بيش تری جذب ايزوتوپ اورانيوم 238 (\({}_{92}^{235}U\) ) می شوند. تجربه نشان می دهد اگر بتوان نوترون های تند را به نحوی كند ساخت كه انرژی جنبشی آن ها به حدود \(0/04ev\)  برسد، احتمال جذب آن ها توسط ايزوتوپ های اورانيوم 235 افزايش می يابد. اين افزايش احتمال می تواند برای ايجاد واكنش زنجيره ای شكافت كافی باشد. آب معمولی (\({H_2}O\) ) و آب سنگين (\({D_2}O\) ) و گرافيت (اتم های كربن) از جمله موادی هستند كه به عنوان كند ساز نوترون ها در واكنش شكافت هسته ای استفاده می شوند.

راكتور هسته ای

راكتور جايی است كه در آن واكنش زنجيری شكافت به طور كنترل شده رخ می دهد. راكتور ها بيش تر به منظور توليد انرژی الكتريكی در نيروگاه های هسته ای به كار می روند.

ساختمان و نحوه ی كار راكتور هسته ای

راكتور هسته ای افزون بر سوخت هسته ای و ماده ی كند ساز، دارای ميله های كنترل و شاره ای (معمولاً) آب هستند كه گرما را به خارج راكتور انتقال می دهد.

سوخت هسته ای (معمولاً با حدود 3 درصد ايزوتوپ اورانيوم 235) به صورت ميله هايی با قطر حدود \(1cm\)  است و هزاران عدد از اين ميله ها در قلب راكتور قرار دارد. با وارد كردن ميله های كنترل به داخل راكتور، آهنگ شكافت، يعنی تعداد نوترون های موجود برای به وجود آوردن شكافت تنظيم می شود. ميله های كنترل معمولاً از مواد جذب كننده ی نوترون مانند كادميم يا بور، ساخته می شوند. در نوعی از رآكتور ها كه به راكتورهای آب تحت فشار (PWR) معروف اند، آبی كه سوخت هسته ای را احاطه كرده است، تحت فشار زياد قرار دارد تا بدون آنكه بجوشد به دماهای بالا برسد. اين آب داغ، به سامانه ی بسته ی ديگری كه محتوی آب كم فشار است، پمپ می شود تا اين آب را گرم كند. گرمای انتقال يافته به سامانه ی دوم، سبب توليد بخار می شود كه توربين و مولد الكتريسيته را به كار می اندازد.

گداخت (همجوشی) هسته ای

يک واكنش هسته ای است كه منشأ توليد انرژی در ستارگان و ازجمله خورشيد است. در اين فرايند دو هسته ی سبک با يكديگر تركيب می شوند و هسته ی سنگين تری به وجود می آورند.

مثالی از واكنش همجوشی هسته ای

واكنش گداخت زير را در نظر بگيريد:

\(D + T \to {}^4He + {}^1n\)

در اين واكنش با همجوشی هسته ای دو ايزوتوپ هيدروژن يعني دوتريم و تريتيم، هسته ی هليم و يک نوترون پر انرژی توليد می شود. در واكنش گداخت، مجموع جرم محصولات فرايند، كم تر از مجموع جرم هسته های اوليه است. در اينجا نيز اين اختلاف جرم با توجه به رابطه ی  سبب آزاد شدن مقدار زيادی انرژی می شود.

مشكل ساخت راكتور گداخت

برای انجام واكنش گداخت بايد دو هسته ی كم جرم به حد كافی به هم نزديک شوند تا نيروی كوتاه برد هسته ای بتواند آن ها را كنار هم نگه دارد. ولی هر هسته، بار مثبت دارد و هسته ی ديگر را دفع می كند، برای آنكه هسته ها با وجود اين نيروی رانشی بسيار قوی، بتوانند به هم گداخته شوند، بايد دما بسيار بالا باشد تا هسته ها با انرژی جنبشی زيادی به يكديگر برخورد كنند. به همين دليل، برای انجام اين واكنش بايد مقدار زيادی انرژی صرف كرد. (چنين دمايی در ستارگان و خورشيد وجود دارد)