شکافت هستهای چیست؟
این مقاله توضیح میدهد که شکافت هستهای چیست و چگونه انجام میشود. همچنین ما را با مراحل شکافت هستهای، واکنش زنجیرهای و نحوه تولید انرژی هستهای آشنا میکند.
(توضیح: عکس فوق، قلب یک واکنشگاه (راکتور) هستهای را نشان میدهد. واکنش شکافت هستهای در قلب راکتور رخ میدهد.)
شکافت هستهای چیست؟
شکافت هستهای واکنشی است که در آن، هسته یک اتم به هستههای کوچکتر تقسیم و چند نوترون و مقداری انرژی نیز آزاد میشود. برای مثال، هسته اتم اورانیوم-۲۳۵ با جذب یک نوترون به دو هسته کوچکتر (معمولا باریم و کریپتون) تقسیم میشود و دو یا سه نوترون نیز آزاد میکند. نوترونهای آزاد نیز به نوبه خود با سایر اتمهای اورانیوم-۲۳۵ برخورد و آنها را تقسیم میکنند و روند مذکور تصاعدی ادامه مییابد. نتیجتاً در کسری از ثانیه، زنجیرهای از واکنشهای پیاپی شکل میگیرد که به آن واکنش زنجیرهای میگوییم.
در اثر واکنشهای زنجیرهای داخل راکتور هستهای، انرژی گرمایی و تابشی زیادی آزاد میشود. همانطور که ما گرمای حاصل از سوختهای فسیلی مثل نفت، گاز و زغال سنگ را به برق تبدیل میکنیم، از گرمای حاصل از واکنش هستهای نیز میتوانیم برق بگیریم.
تصویری از نحوه شکافت هستهای: اورانیوم-۲۳۵ با جذب یک نوترون عملا به اورانیوم-۲۳۶ تبدیل میشود. اما اورانیوم-۲۳۶ ساختار بسیار ناپایداری دارد و لذا بلافاصله از هم میشکافد و به دو هسته کوچکتر تقسیم میشود. در اثر شکافت، چند نوترون و مقداری انرژی نیز آزاد میشود.
نیروگاه برق شکافت هستهای چگونه کار میکند؟
با تقسیم شدن هسته اتمهای اورانیوم یا مواد مشابه (مثل پلوتونیوم)، مقداری از جرم ماده به انرژی تبدیل میشود و بهشکل انرژی گرمایی یا تابشی آزاد میشود. بهوسیله گرمای حاصل از شکافت هستهای میتوان آب داخل راکتور را داغ کرد.
درون نیروگاه برق هستهای، راکتورهای هستهای و تجهیزاتی وجود دارند که واکنشهای زنجیرهای را کنترل میکنند. سوخت اکثر راکتورهای هستهای دنیا اورانیوم-۲۳۵ است. گرمای حاصل از شکافت هستهای، مایع خنککننده داخل راکتور را که معمولا آب است، گرم میکند تا بخار تولید شود. سپس بخار به سمت پرههای توربین هدایت میشود و با برخورد به پرهها آنها را میچرخاند. توربین نیز به نوبه خود به ژنراتور برق متصل است که از چرخش توربین برق تولید میکند.
مراحل شکافت هستهای چیست و شکافت چگونه انجام میشود؟
آرایش ذرات هسته اورانیوم-۲۳۵ نسبتا ناپایدار است. لذا اگر عامل خارجی آن را تحریک کند، هسته از هم میپاشد. عامل خارجی میتواند نوترون باشد. وقتی اورانیوم-۲۳۵ یک نوترون اضافه جذب میکند، عملا به ایزوتوپ اورانیوم-۲۳۶ تبدیل میشود اما بلافاصله از هم میپاشد زیرا اورانیوم-۲۳۶ بسیار ناپایدارتر است. درنتیجه، هسته سنگین اورانیوم-۲۳۵ (یا به تعبیری دیگر، اورانیوم-۲۳۶) به دو هسته کوچکتر و سبکتر (کریپتون و باریوم) تقسیم میشود. فرآیند مذکور همان شکافت هستهای است.
با تقسیم هر هسته اورانیوم، دو یا سه نوترون نیز از هسته آن آزاد میشود. نوترونهای آزاد به سایر اتمهای اورانیوم-۲۳۵ برخورد میکنند و جذب آنها میشوند و آنها را نیز تقسیم میکنند. بدینترتیب باز نوترونها و انرژی بیشتری آزاد میشود و همین روند، تصاعدی ادامه مییابد و واکنش زنجیرهای شکل میگیرد.
پس در واقع، نقطه شروع واکنش زنجیرهای، جذب نوترون توسط ایزوتوپ اورانیوم-۲۳۵ است. لذا در ادامه، عوامل و مراحل شکافت هستهای را گام به گام با جزییات بیشتر بررسی میکنیم.
جذب نوترون
کلید شروع واکنش هستهای درون راکتور، نوترونهای متحرک هستند. نوترون چون بار الکتریکی ندارد و خنثی است، راحتتر جذب هسته اتم میشود. از سوی دیگر، هستههای سنگین مثل هسته اورانیوم-۲۳۵ چون ناپایدارند، مستعد جذب نوترون هستند و معمولا با جذب نوترون از هم میپاشند و به دو هسته کوچکتر تقسیم میشوند.
شکافتن هسته
برخورد یک نوترون با هسته اورانیوم-۲۳۵ آن را به اورانیوم-۲۳۶ تبدیل میکند. اما اورانیوم-۲۳۶ چون بسیار ناپایدار است، بلافاصله از هم میشکافد و به دو اتم کوچکتر تقسیم میشود. آن دو اتم معمولا یکسان نیستند بلکه یکی سنگینتر (مثل باریم) و دیگری سبکتر (مثل کریپتون) است. ایزوتوپهای باریم و کریپتون ممکن است متفاوت و برای مثال باریم-۱۴۴ و کریپتون-۸۹ یا باریم-۱۴۰ و کریپتون-۹۳ باشند. حتی ممکن است از تقسیم اورانیوم-۲۳۶، اتمهای دیگری مثل زنون و استرنتیوم تولید شوند.
باریم-۱۴۴ و کریپتون-۸۹ سرعت بسیار زیادی دارند و انرژی جنبشی خود را در نزدیکترین محیط پخش میکنند و دما را افزایش میدهند. تقریبا ۸۰ درصد انرژی آزادشده در اثر شکافت هستهای را هستههای کوچکتر حاصل از شکافت حمل میکنند. آنها پرتوزا (رادیواکتیو) هستند و بهسرعت وامیپاشند.
واکنش زنجیرهای
واکنش زنجیرهای شکافت هستهای، واکنشی ادامهدار یا خودتکرارشونده است که طی آن، نوترونهای آزادشدهی حاصل از شکافت هستهای نیز هستههای دیگر را میشکافند. با تداوم همین روند، واکنش ادامه مییابد. واکنش زنجیرهای فقط در محیط تکثیر مناسب و تحت شرایط مناسب رخ میدهد و تا زمانی ادامه مییابد که تعداد نوترونهای آزادشده در مدت زمان معین، برابر یا بیشتر از تعداد نوترونهایی باشند که با جذب شدن در اتمهای شکافتناپذیر یا با گریختن از سامانه از دست میروند.
علت تولید انرژی در شکافت هستهای چیست؟
اکنون میخواهیم بدانیم که علت و منشأ تولید انرژی هنگام شکافت هستهای چیست. طبق معادله نسبیت اینشتین (E=MC۲) در اثر شکافت یا حتی همجوشی هستهای، بخشی از جرم ماده به انرژی تبدیل میشود. انرژی حاصل از شکافت یا همجوشی بهشکل انرژی گرمایی یا انرژی تابشی آزاد میشود. لذا بدیهی است که با تداوم واکنش زنجیرهای، انرژی گرمایی زیادی تولید میشود که بهوسیله آن میتوان برق تولید کرد یا گرمای حاصل را در سایر حوزههای صنعت و فناوری بهکار برد.
فرمول شیمیایی شکافت هستهای چیست؟
فرآیند شکافت هستهای و تقسیم هسته اتم به دو اتم کوچکتر و تولید انرژی و نوترونهای آزاد را میتوان با فرمول زیر نشان داد:
۲۳۵۹۲U + ۱۰n→ ۱۴۰۵۶Ba + ۹۳۳۶Kr + 3 ۱۰n + Energy
فرمول فوق به ما میگوید ابتدا اتم اورانیوم-۲۳۵ یک نوترون جذب میکند. جذب نوترون اضافی، هسته اورانیوم-۲۳۵ را بسیار ناپایدارتر میکند و نتیجتاً هسته از هم میپاشد و به دو هسته کوچکتر تبدیل میشود که یکی باریوم و دیگری کریپتون است.
شکافت هستهای به چه عواملی بستگی دارد؟
گفتیم که همه اتمها با جذب نوترون دچار شکافت نمیشوند. وقوع شکافت هستهای و حتی جذب نوترون به دو عامل بستگی دارد:
- سرعت عبور نوترون از کنار هسته
- سنگینی یا جِرم هسته
هرچه هسته اتم سنگینتر باشد و نیز هرچه سرعت عبور نوترون از کنار هسته بیشتر باشد، احتمال جذب نوترون و شکافته شدن هسته افزایش مییابد.
اورانیوم سه ایزوتوپ طبیعی دارد:
- اورانیوم-۲۳۴
- اورانیوم-۲۳۵
- اورانیوم-۲۳۸
از میان سه ایزوتوپ فوق، تنها اورانیوم-۲۳۵ اصطلاحا شکافتنی است یعنی حتی با جذب کردن نوترون کمانرژی نیز تقسیم میشود و انرژی آزاد میکند. اورانیوم-۲۳۸ مستقیما دچار شکافت نمیشود اما میتوان آن را طی مراحلی به پلوتونیوم-۲۳۹ تبدیل کرد که آن نیز اتمی شکافتنی است.
واکنش هستهای بسیار سریعتر از واکنش شیمیایی رخ میدهد، لذا انرژی هستهای در مقایسه با انرژی حاصل از واکنشهای شیمیایی بسیار سریعتر آزاد میشود.
توجه: تنها حدود ۰.۷ درصد اورانیوم موجود در طبیعت، اورانیوم-۲۳۵ یا شکافتنی است. سایر ایزوتوپهای اورانیوم فوراً دچار شکافت نمیشوند. لذا برای افزایش بهرهوری سوخت هستهای، به غنیسازی اورانیوم روی میآوریم. در غنیسازی اورانیوم، با استفاده از روشهای پیشرفته درصد اورانیوم-۲۳۵ به کل اورانیوم موجود در هر محموله سوختی را افزایش میدهیم. جمهوری اسلامی ایران از معدود کشورهای جهان است که فناوری غنیسازی اورانیوم و چرخه سوخت هستهای را در اختیار دارد.
شروط لازم برای شکافت هستهای چیست؟
دو شرط لازم برای وقوع شکافت هستهای، یکی جرم بحرانی هسته اتم و دیگری وجود نوترونهای سریع است.
- جرم بحرانی: منظور از آن، حداقل مقدار ماده شکافتنی است که برای ادامه یافتن یک واکنش زنجیرهای لازم است. در اینصورت، نوترونهایی که در اثر شکافت هستهای آزاد میشوند، اتمهای مجاور را نیز میشکافند و بههمین ترتیب واکنش ادامه مییابد.
- نوترونهای پرسرعت: نوترونهایی که در اثر شکافت هستهای آزاد میشوند، معمولا پرسرعت هستند. سرعت آنها حدود ۱۰۹ سانتیمتر بر ثانیه (یعنی حاوی بیش از ۱ مگاالکترونولت انرژی) است. اما اورانیوم-۲۳۵ چون شکافتنی است با نوترونهای کمسرعتتر یا اصطلاحا کُند (با سرعت تقریبی ۱۰۵ سانتیمتر بر ثانیه یعنی تنها با ۰.۰۲ الکترونولت انرژی) نیز از هم میشکافد.
چه عناصر و اتمهایی شکافتنی هستند؟
وجود دو ویژگی در بعضی از اتمها آنها را شکافتنی میکند که یکی سنگین بودن هسته اتم و دیگری ناپایداری آن است. طبیعتا هرچه تعداد پروتونها و نوترونهای هسته اتم بیشتر باشد، جرم اتمی هسته بیشتر و نتیجتا اتم سنگینتر خواهدبود.
عامل مهم ناپایداری هسته اتم نیز فزونی نوترون یا پروتون است. اتمهایی که در هستهشان پروتون و یا نوترونهای اضافه دارند، ناپایدار میشوند. چنین مواقعی، اتم پرتوزا با بیرون راندن پروتونها یا نوترونها و نیز سایر ذرات یا با آزاد کردن انرژی میکوشد به پایداری برسد.
بعضی از ایزوتوپهای شکافتنی چنین هستند:
- اورانیوم-۲۳۵
- اورانیوم-۲۳۳
- پلوتونیوم-۲۳۹
در اینجا لازم است به تفاوت ظریف بین اتمها شکافتنی (fissile) و اتمهای شکافتپذیر (fissionable) اشاره کنیم.
تفاوت اتم شکافتنی (fissile) و شکافتپذیر (fissionable) چیست؟
- اتم شکافتنی (fissile): اتمی است که حتی با جذب نوترون کمانرژی یا اصطلاحا کُند نیز از هم میشکافد. اورانیوم-۲۳۵ در زمره همین اتمها است.
- اتم شکافتپذیر (fissionable): اتمی است که فقط در صورت جذب نوترون سریع و پرانرژی نهایتا به اتم شکافتنی تبدیل میشود. در واقع، این نوع اتمها حتی بعد از جذب نوترون پرانرژی نیز بلافاصله تقسیم نمیشوند بلکه بعد از یک یا چند مرحله به ایزوتوپ دیگری تبدیل و سپس دچار شکافت میشوند. برای مثال، اورانیوم-۲۳۸، شکافتنی نیست بلکه شکافتپذیر است. اورانیوم-۲۳۸ با جذب نوترون پرانرژی ابتدا به اورانیوم-۲۳۹ و سپس به نپتونیوم-۲۳۹ و سرانجام به پلوتونیوم-۲۳۹ تبدیل میشود. پلوتونیوم-۲۳۹ مثل اورانیوم-۲۳۵، شکافتنی است زیرا بهراحتی یعنی با جذب نوترون کمانرژی تقسیم میشود.
تفاوت همجوشی (گداخت) هستهای و شکافت هستهای چیست؟
در همجوشی هستهای، دو هسته سبکتر در هم ادغام میشوند و هسته سنگینتری پدید میآورند. بخشی از جرم ماده نیز به انرژی تبدیل میشود. انرژی گرمایی و تابشی عظیم خورشید و سایر ستارگان آسمان از طریق همجوشی هستهای تولید میشود. اما در شکافت هستهای، بعضی از هستههای سنگین در اثر اثر جذب نوترون ناپایدارتر و سپس تقسیم میشوند و دو یا چند هسته کوچکتر و سبکتر پدید میآورند. همه نیروگاههای برق هستهای فعلی دنیا با همین روش انرژی گرمایی تولید و سپس آنرا به نیروی الکتریکی (برق) تبدیل میکنند.
فواید و کاربرد شکافت هستهای چیست؟
شکافت هستهای، انرژی گرمایی زیادی تولید میکند. یکی از رایجترین و مهمترین کاربردهای انرژی هستهای، تولید برق است. امروزه همه نیروگاههای برق هستهای دنیا از طریق شکافت هستهای انرژی گرمایی تولید و سپس آنرا به برق تبدیل میکنند. ضمنا با گرمای عظیم حاصل از شکافت هستهای میتوان آب شور دریا را در کارخانههای آبشیرینکن به آب شیرین و آشامیدنی تبدیل کرد.
برای نمکزدایی از آب دریا دو نوع فناوری اصلی وجود دارد: یکی نمکزدایی حرارتی و دیگری نمکزدایی اسمز معکوس. در نمکزدایی حرارتی باید آب را تبخیر کنیم تا از نمک و سایر ناخالصیها جدا شود. برای چنین کاری گرمای کافی لازم است. گرمای لازم برای نمکزدایی را از راههای دیگر مثل سوزاندن سوختهای فسیلی نیز میتوان تامین کرد. اما سوختهای فسیلی آلاینده هستند درحالیکه نیروگاههای هستهای هیچنوع گاز آلاینده منتشر نمیکنند.
از دیگر حوزههای کاربردی شکافت هستهای، تولید رادیوداروها است. بعضی از دستگاههای خاص این حوزه، برای بهاصطلاح بمباران نوترونی ترکیبات دارویی از شکافت هستهای بهره میبرند تا با ایجاد واکنش هستهای، رادیوایزوتوپهای موردنظر تشکیل شوند.
متاسفانه شکافت هستهای کاربرد مخرب نیز دارد. شکافت هستهای چون انرژی زیادی آزاد میکند، در سلاحهای هستهای نیز بهکار میرود.
جمعبندی: شکافت هستهای چیست؟
توضیح دادیم که شکافت هستهای چیست و چگونه انجام میشود. همچنین با مراحل شکافت هستهای، واکنش زنجیرهای و نیز شروط لازم برای شروع و تداوم واکنش زنجیرهای آشنا شدیم. به نحوه استفاده از شکافت هستهای در صنایع مختلف نیز اشاره شد. گفتیم که شکافت هستهای چون انرژی زیادی تولید میکند و آلاینده هوا نیست، یکی از بهترین گزینهها برای تولید برق است.
