شکافت هسته ای

با وجود اینکه اغلب اوقات، ساده ترین شکل آغاز شکافت ،جذب یک نوترون آزاد توسط هسته است، واکنش شکافت را به وسیله‌ی برخورد یک هسته قابل شکافت با دیگر ذرات نیز می توان القا کرد. این ذرات می توانند پروتون، هسته های دیگر و یا حتی فوتون های با انرژی خیلی بالا مانند پرتوهای گاما باشند.

• به ندرت ممکن است یک هسته‌ی قابل شکافت بدون دریافت نوترون، شکافت هسته ای خودبه خودی انجام دهد.
• شکافت القایی در عناصر سنگین، آسان‌تر است و به طور کلی هر چه هسته سنگین تر باشد احتمال بیشتری وجود دارد تا شکافته شود . شکافت در عناصر سنگین تر از آهن انرژی تولید می کند و در عناصر سبک تر از آهن نیاز به انرژی دارد. خلاف این مطلب در مورد هم جوشی هسته ای صادق است، هم جوشی در عناصر سبک تر از آهن انرژی تولید می کند و در عناصر سنگین تر از آهن نیاز به انرژی دارد. بیشترین عناصری که در شکافت هسته ای استفاده می شوند، اورانیوم و پلوتونیوم هستند. اورانیوم سنگین ترین عنصری است که در طبیعت یافت می شود. پلوتونیوم دچار شکافت هسته ای خودبه خودی می شود و نیمه عمر نسبتاً کوتاهی دارد. اگر چه عناصر دیگری هم هستند که می توان از آن‌ها استفاده کرد. اما این عناصر دارای بهترین ترکیب از لحاظ راحتی شکافت و یکنواختی هستند.

اثرات ایزوتوپ ها

اورانیوم طبیعی شامل 3 ایزوتوپ است:( U-234 ( 0/006%)، U-235 ( 0/7%)، U-238(99/3% ) مقادیر درون پرانتز، درصد فراوانی آن‌ها را در طبیعت نشان می دهد. سرعت لازم برای یک واکنش شکافت نسبت به یک واکنش غیر شکافت برای ایزوتوپ های مختلف متفاوت است. U-238 با نوترون‌هایی که انرژی بیشتر از 1Mev دارند، شکافته می شود چنین نوترون‌هایی از انفجارهای هم جوشی تولید می شوند. اما شکافت اورانیوم، چنین نوترون‌های پر انرژی تولید نمی کند. در حالت‌های نادر u-238 نوترون‌های کم انرژی را جذب می کند، اما شکافته نمی شود، بنابراین نمی تواند مانند U-235 در واکنش زنجیره ای شرکت کند.

U-238 جرم بحرانی ندارد. با این حال وقتی که یک نوترون جذب می کند U-239 حاصل می شود که ناپایدار است و ابتدا به NP-239 و سپس به PU-239 واپاشیده می شود. PU-239 درست مانند U-235 با نوترون‌های ضعیف نیز شکافته می شود. بنابراین قسمتی از انرژی تولید شده در رآکتورهایی که از سوخت اورانیوم استفاده می کنند،توسطا شکافت پلوتونیوم تأمین می شود.

U-235 نسبت به U-238 با گستره‌ی وسیع تری از نوترون‌های باانرژی های مختلف واکنش می دهد. بزرگترین سطح مقطع واکنش برای U-235 زمانی است که با نوترون‌های کند واکنش می دهد. بدین معنی که احتمال شکافت U-235 زمانی که با نوترون‌های کند یا " نوترونهای گرمایی " برخورد کند بسیار بیشتر است، این نوترون‌ها بسیار کم انرژی تر از نوترون‌هایی هستند که از شکافت U-235 تولید می شود. معمولاً از گرافیت یا آب برای کند کردن نوترون‌هایی که در واکنش شکافت تولید می شوند، استفاده می شود تا با استفاده از این نوترون‌ها U-235 بیشتری شکافته می شود. اگر نسبت U-235 بالا باشد، بدون نیاز به کند کننده نیز واکنش زنجیره ای ادامه می یابد.

نسبت U-235 در اورانیوم طبیعی 1 به 140 است. در ضمن تفاوت جرم بسیار کم بین ایزوتوپ ها، جداسازی آ‌ن‌ها را مشکل می کند. در پروژه منهتن بود که دانشمندان به امکان جداسازی U-235 پی بردند. جداسازی U-235 مهم‌ترین عامل موفقیت آن‌ها در این پروژه بود.

کند کننده ها

نوترون‌های گرمایی که در واقع نوترون‌های کند می باشند، احتمال بیشتری برای شکافتن U-235 دارند، اما نوترون‌های آزاد شده در فرآیند شکافت، سرعت بالایی دارند و از این نوع نوترون‌ها نمی باشند. احتمال هر دو واکنش های شکافت و غیر شکافت بستگی به سرعت نوترون‌ها دارد. متأسفانه، سرعتی که در آن احتمال انجام واکنش های غیر شکافت بیشترین مقدار است، بین سرعت متوسط نوترون‌های آزاد شده از فرآیند شکافت و سرعت لازم برای انجام شکافت می باشد.

چند سال قبل از شکافت، برای کند کردن نوترون‌ها آنها را از موادی با وزن اتمی کم مانند مواد هیدروژنی عبور می دادند. فرآیند کند کردن نوترون‌ها یک برخورد الاستیک ساده بین ذرات بسیار پر سرعت و ذراتی است که عملاً در حالت سکون می باشد. هر چه جرم ذره‌ی برخورد کننده با نوترون کم‌تر باشد، نوترون‌ها انرژی جنبشی بیشتری از دست می دهند. بنابراین عناصر سبک، کند کننده های بهتری هستند. می توان گفت که خصوصیت مهم یک کند کننده خوب این است که وزن اتمی کمی داشته باشد در ضمن، تمایل کمی برای جذب نوترون داشته باشد یا بهتر از آن، اصلاً تمایلی برای جذب نوترون نداشته باشد.

لیتیوم و برن خصوصیت دوم را ندارند. استفاده از هلیوم نیز دشوار است چون اولاً گاز است و ثانیاً ترکیبات پایداری هم ندارد. پس بهترین گزینه ها برای کند کننده بین هیدورژن، دوتریوم، بریلیوم و کربن می باشد. انریکوفرمی و Leo szilard برای اولین بار، استفاده از گرافیت را به عنوان کند کننده در واکنش های زنجیره ای پیشنهاد دادند.

- کاهش جذب نوترون بدون شکافت با جداسازی ایزوتوپ ها

مسئله دیگری که شکافت هسته ای را پیچیده تر می کند این است که اورانیوم طبیعی از 3 ایزوتوپ U-234 به میزان 006/0 درصد، U-235 به میزان 0.7 درصد و U-238 به میزان 3/99 درصد تشکیل شده است که این مقادیر تقریبی اند. همان طور که قبلاً توضیح دادیم، احتمال وقوع شکافت برای ایزوتوپ های مختلف و هم چنین نوترون‌های باانرژی های متفاوت به یک میزان نیست.

نوترون‌های با انرژی های متوسط ( در حدود چند الکترون ولت ) با احتمال زیادی جذب U-238 می شوند و U-239 تشکیل می شود، اما این فرآیند منجر به شکافت نمی شود. احتمال قابل توجهی نیز برای برخورد غیر الاستیک نوترون‌های پر انرژی با U-238 وجود دارد اما در یک برخورد غیر الاستیک هیچ نوترونی جذب نمی شود.

بنابراین وجود U-238 هم باعث کاهش سرعت نوترون‌های پر انرژی می شود و هم جذب نوترونهای با سرعت متوسط را تحت تأثیر قرار می دهد. اگر چه در مورد U-235 هم احتمال جذب نوترون بدون انجام شکافت هسته ای وجود دارد، با این حال مشاهده شده که اگر U-238 را از U-235 جدا کنیم تعداد واکنش های جذب نوترون بدون شکافت، کاهش یافته و در نتیجه واکنش زنجیره ای آغاز می شود.

در واقع ممکن است که احتمال شکافت U-235 با نوترون‌های پر انرژی، در غیاب U-238، تا حدی زیاد باشد که دیگری نیازی به یک کند کننده نباشد. متأسفانه در هر 140 واحد اورانیوم طبیعی، فقط 1 واحد U-235 وجود دارد. از آنجایی که یکی از روش‌های جداسازی ایزوتوپ ها، استفاده از تفاوت جرم آن‌ها است. جرم بسیار کم بین U-238 و U-235 جداسازی این دو ایزوتوپ را بسیار مشکل کرده است.

کنترل، تسلیحات یا انرژی

مشکلی که از گذشته تا به حال محل بحث بوده واکنش زنجیره ای است. اگر بخواهیم چنین واکنشی داشته باشیم باید بتوانیم آن را کنترل کنیم.

مسئله‌ی مهم، همین کنترل واکنش است و بستگی به این دارد که به تولید یکنواخت انرژی علاقه مند باشیم یا انفجار! به طور کلی برای تولید یکنواخت انرژی، به یک واکنش زنجیره ای شکافت القا شده با نوترون کند در مخلوطی از اورانیوم و کند کننده نیازمندیم؛ در حالی که یک بمب اتمی به یک واکنش زنجیره ای شکافت القا شده با نوترون کند در U-235 و یا Pu-239 نیاز دارد؛ البته نمی توان نوترون کند و تند را دقیقاً مجزا کرد و شکافت با نوترون‎های کند و تند در هر دو حالت وجود دارد. با استفاده از جذب کننده های نوترون می توان یک واکنش زنجیره ای تولید انرژی را کنترل کرد. با قاطعیت نمی توان گفت، اما احتمال زیادی وجود دارد که چنین واکنش های زنجیره ای وقتی به دمای بالاتر می رسند، با پایین آمدن احتمال جذب محصولات شکافت، به یک حالت خود کنترلی برسد. در غیر این صورت ممکن است که سیستم واکنش زنجیره ای از کنترل خارج شود، بنابراین به نظر می رسد چنین آزمایش هایی باید در یک منطقه‌ی غیر مسکونی انجام شود.

تاکنون درباره‌ی این بحث کرده ایم که چگونه می توان یک واکنش هسته ای زنجیره ای را تولید و کنترل کرد، اما درباره‌ی نحوه‌ی استفاده از آن، هنوز چیزی نگفته ایم. تفاوت تکنولوژی تولید یک واکنش زنجیره ای کنترل شده و تکنولوژی استفاده از آن مثل تفاوت تکنولوژیک آتش و ساخت یک لوکوموتیو بخار است.

مشکل اصلی در اینجا رسیدن به عملکرد مناسب در دمای بالاست. یک موتور گرمایی با کارایی بالا نباید فقط گرما تولید کند، بلکه باید گرما را در یک دمای بالا تولید کند. راه انداختن یک سیستم واکنش زنجیره ای در دمای بالا و تبدیل گرمای تولید شده به کار مفید به مراتب مشکل تر از راه اندازی یک سیستم واکنش زنجیره ای در یک دمای پایین است.

البته، وجود یک زنجیره‌ی واکنش برای اینکه بمب هسته ای به خوبی کار کند کافی نیست. برای اینکه یک انفجار با کارایی بالا داشته باشیم، لازم است که زنجیره‎ی واکنش به سرعت ساخته شود. در غیر این صورت، فقط مقدار کمی از انرژی قبل از پرتاب بمب آزاد شده و واکنش زنجیره ای متوقف می شود. در ضمن لازم است که هیچ انفجار پیش از موقع نیز رخ ندهد. این مسئله‌ی انفجار بمب از گذشته تاکنون یکی از مشکل ترین مسایل در طراحی یک بمب اتمی با کارایی بالا بوده است. سه عامل مهم در بالا بردن احتمال شکل گیری یک واکنش زنجیره ای برای شما بیان شد:

1. استفاده از یک کند کننده،
2. رسیدن به خلوص بالا در ماده مورد استفاده،
3. استفاده از مواد خاص مثل U-235 یا PU-239. این سه فرآیند فقط یک روش خاص ندارند و طرح‎های مختلفی برای استفاده از مقدار بسیار کمی U-235 یا PU-239 جداسازی شده از بلور اورانیوم معمولی یا اکسید اورانیوم و یا استفاده از یک یا دو کند کننده متفاوت پیشنهاد شده است.

مترجم:مرضیه رستمی