شکافت هسته ای القا شده در اورانیوم

[رزیتا]

شکافت هسته ای القا شده در اورانیوم


همان طور که در شکل مشاهده می‌کنید، یک هسته اورانیوم 235 در حال جذب یک نوترون است. بلافاصله پس از جذب نوترون، هسته به دو هسته سبک تر باریوم و کریپتون تقسیم می‌شود و 2 تا 3 نوترون آزاد می‌کند که تعداد این نوترونهای آزاد شده به نحوه شکسته شدن اتم u-235 بستگی دارد. دو اتم جدید با تابش پرتو گاما به حالت پایدار می‌رسند، ولی تا رسیدن به این حالت بسیار خطرناک هستند.

سه نکته در شکافت القا شده اورانیوم 235 وجود دارد که آن را جالب توجه می‌کند:


الف: فرآیند جذب نوترون و شکسته شدن هسته بسیار سریع است. زمان این واکنش از مرتبه پیکو ثانیه است،یعنی 12- 10 ثانیه یا یک میلیون میلیونیم ثانیه!


ب: زمانی که یک اتم شکسته می‌شود، مقدار بسیار زیادی انرژی آزاد می‌شود که باور نکردنی است. این انرژی به صورت گرما و تابش امواج الکترومغناطیسی آزاد می‌شود که بخش اعظم انرژی به صورت پرتوهای گاما و X است؛ البته دو اتمی که در نتیجه شکافت به وجود آمده اند ( کریپتون وباریم ) نیز تابش بتا و گاما ساطع می‌کنند. انرژی فراوان شکسته شدن هسته، از تفاوت جرم محصولات شکافت هسته ای و جرم هسته اولیه به دست می‌آید.
مجموع جرم محصولات فرآیند شکافت از جرم هسته اولیه کمتر است و طبق معادله مشهور E=mc2، این مقدار انرژی به دست می‌آید.
در اثر شکافت هسته اتم u-235، انرژی زیادی از مرتبه 200meV ( بخوانید دویست مگا الکترون ولت ) آزاد می‌شود. هر الکترون ولت معادل 19-10 *602/1 ژول انرژی است، پس انرژی شکافت از مرتبه سی پیکوژول است ( 11-10 *3 ژول )؛ ولی اگر توان فرآیند شکافت را محاسبه کنیم، می‌بینیم که:
P=3*10-11J/10-12s=30vv

شاید توان 30 وات برای یک اتم خیلی چشمگیر نباشد ( که بسیار زیاد است )، ولی توجه داشته باشید که نیم کیلو گرم اورانیوم 235 شامل 1024 اتم است! این نیم کیلوگرم از یک توپ بیسبال هم کوچکتر است! اگر اورانیوم به مقدار کافی غنی شده باشد، انرژی حاصل از شکافت آن معادل انرژی حاصل از سوختن کامل 3780 متر مکعب گازوئیل است که فضایی معادل یک خانه شش طبقه را اشغال می‌کند.
احتمالا اکنون می‌توانید تصوری از انرژی نهفته در مقدار اندکی اورانیوم داشته باشید. البته ذکر این نکته ضروری است که برای استفاده از این خصوصیات u-235، باید آن را غنی سازی کرد و درصد این ایزوتوپ را در سوخت افزایش داد. یک نمونه غنی شده اورانیوم باید حداقل 2 تا 3 درصد u-235 داشته باشد. غنی سازی 3 درصد برای استفاده در یک رآکتور هسته ای غیر نظامی کافی است، در حالی که اورانیوم مورد استفاده در تسلیحات هسته ای دارای غنی سازی بیش از 90 درصد است.


ج: احتمال آنکه u-235، نوترونی را که از کنارش عبور می‌کند جذب کند بسیار بالا است. همان طور که اشاره شد، در فرآیند شکافت هسته ای بسته به چگونگی شکسته شدن اتم بین 2 تا 3 نوترون آزاد می‌شود. اگر در محیط هیچ اورانیوم 235 دیگری وجود نداشته باشد، نوترونهای آزاد شده به صورت تابش های نوترونی در فضا پراکنده می‌شوند. ولی اگر این اتم بخصوص شکافته شده بخشی از یک جرم اورانیوم 235 باشد، یعنی اتمهای u-235 دیگری هم در اطراف وجود داشته باشند، آنگاه سه حالت ممکن است روی دهد.

1. اگر به طور متوسط، از هر شکافت دقیقا یک نوترون آزاد به هسته u-235 دیگری برخورد کند و موجب شکافت آن شود، گفته می‌شود که جرم اورانیوم، جرم بحرانی است. دریک دمای پایدار، جرم بحرانی احتمالی حتماً وجود خواهد داشت.
2. اگر به طور متوسط، کمتر از یک نوترون آزاد به هسته u-235 دیگری برخورد کند و موجب شکافت آن شود، گفته می‌شود که جرم اورانیوم، زیر بحرانی است. در چنین جرمی، شکافت القایی نهایتا متوقف می‌شود.
3. اگر به طور متوسط، بیش از یک نوترون آزاد به هسته u-235 دیگری برخورد کند و موجب شکافت آن شود، گفته می‌شود که جرم اورانیوم فوق بحرانی است. در این حالت واکنش شکافت از کنترل خارج می‌شود و دما به سرعت بالا می‌رود.
   میزان غنی بودن اورانیوم ( مقدار u-235 موجود در سوخت ) و هم چنین شکل توده، بحرانی بودن اورانیوم را کنترل می‌کند. وفرض کنید اورانیوم به صورت ورق های بسیار نازک باشد، در این صورت اغلب نوترونهای آزاد به جای آنکه به اتمهای u-235 برخورد کنند، در فضا پخش می‌شوند. کره، بهترین شکل ممکن برای بحرانی شدن است. مقدار اورانیوم 235 که باید به صورت یک کره جمع شود تا واکنش به صورت بحرانی پیش رود 900 گرم است. این مقدار به جرم بحرانی معروف است. در مورد پلوتونیوم 239، جرم بحرانی 283 گرم است!

مترجم:مرضیه رستمی