واکنش های هسته ای

● تعریف واکنش های هسته ای:
تبدیلات خود بخودی یا مصنوعی بعضی از هسته های اتمی به هسته دیگر که نتیجه بهم خوردن ترکیب ساختمان هسته یا تغییر در تعداد نوکلئون ها (ذرات هسته ای ) است واکنش های هسته ای نام دارند.
▪ روش های انجام واکنش های هسته ای:
شکست هسته به دو هسته غیر مساوی توام با انتشار پروتون ، نوترون، ذرات آلفا، اشعه گاما و واکنش های ترکیب هسته ای که تشکیل یک هسته سنگین تر در اثر تجدید ساختمان هسته عناصر سبک تر که همراه با ازاد شدن مقادیر زیاد انرژی است ، صورت می گیرد.
انرژی حاصل از واکنش های ترکیب یا (همجوشی) ۸ برابر بیشتر از انرژی هسته ای واکنش های شکست هسته ای است.
▪ راه های مختلف تولید انرژی هسته ای:
ـ شکافت هسته‌ای
ـ همجوشی هسته ای
ـ شکافت هسته‌ای (Nuclear Fission):
فرض می شود نوترون منفردی به یک قطعه ایزوتوپ اورانیوم۲۳۵ نفوذ کند در اثربرخورد به هسته اتم اورانیوم ۲۳۵ ، اورانیوم بدو قسمت شکسته می شود مقادیر زیادی نیز انرژی ازاد می گردد در حدود (۲۰۰Mev) اما مسئله مهمتر اینکه نتیجه شکستن هسته اورانیوم ۲۳۵ آزادی دو نوترون است که می تواند دو هسته دیگر را شکسته و چهار نوترون را بوجود آورد.
این چهار نوترون نیز چهار هسته اورانیوم ۲۳۵ را می شکند چهار هسته شکسته شده تولید هشت نوترون می کنند که قادر به شکستن همین تعداد هسته اورانیوم می باشند سپس شکست هسته ای و آزاد شدن نوترون ها بصورت زنجیروار به سرعت تکثیر و توسعه می یابد.
در هر دوره تعداد نوترونها دو برابر می شود در یک لحظه واکنش زنجیری خود بخودی شکست هسته ا ی شروع می گردد. در واکنش های کنترل شده تعدادشکست در واحد زمان و نیز مقدار انرژی به تدریج افزایش یافته و پس از رسیدن به مقداری دلخواه ثابت نگهداشته می شود.
فرض کنیم یک ذره(a) به یک هسته ساکن(x) برخورد کند در نتیجه در واکنش های هسته ای هسته(y) و ذره (b) تولید می شود که این واکنش را بصورت زیر می نویسم:
a+x→b+y
● مراحل شکست اورانیوم ۲۳۵ :
۱n+۲۳۵U→۲۳۴U→۱۴۴Ba+۸۹Kr+۳ ۱n
در واکنش اخیر در نتیجه برخورد نوترون حرارتی به اورانیوم ۲۳۵ آن را به اورانیوم ۲۳۴ تحریک شده تبدیل می کند. نهایتا اورانیوم تحریک شده نیز بعد از شکافت ، به باریم و کریپتون و سه تا نوترون تبدیل می شود.
● مواد قابل شکست ( Fissionable Materials):
موادی که وقتی تحت تابش نوترون قرار می گیرند انجام یک واکنش شکست هسته ای را ممکن می سازند شامل موارد زیرمی شود : اورانیوم ۲۳۵، اورانیوم۲۳۸، پلوتنیوم۲۳۹، ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۳، (اورانیوم۲۳۳ بطور مصنوعی در راکتورهای هسته ای با تاباندن نوترون به توریوم۲۳۳ بوجود می آید).
● محصولات شکست اورانیوم (Uranium Fission Puroducts):
زمانی که هسته اتمی اورانیوم ۲۳۵ بدو قسمت شکسته می شود عناصر زیر تولید می شوند:
استرتیوم ۹۰ ، کریپتون ۹۱ ، ایتریوم ۹۱ ، زیرکونیوم ۹۵ ، ید ۱۲۶ ، سزیم ۱۳۷ ، باریم ۱۴۲ ، سریم ۱۴۴ قابل ذکر هستند.
● همجوش هسته ای (Nuclear Fusion) :
همجوشی هسته ای عبارت است از اتحاد عناصر سبک برای تشکیل عناصر سنگین تر که نوع واکنش را واکنش همجوشی گویند تا بحال در انفجار بمب هیدروژنی قوی و بسیار خوب تشخیص داده شده است. این واکنش برای انسان چندان مفید نیست و بنابر این دانشمندان بطور جدی کوشش می کنند تا واکنش همجوشی را کنترل کنند یعنی در کیف کاهش سرعت واکنش به درجه ای که بتواند برای مقاصد صلح جویانه مفید باشد.
در مرحله اول ازاین واکنش ها بصورت کنترل شده برای تولید برق استفاده می شود. همچنین انرژی تولید شده در این واکنش ۸ برابر انرژی تولیدشده در شکافت هسته‌ای می باشد.
منشا انرژی تابشی خورشید و دیگر ستاره ها یک سری از واکنش های هسته ای انرژی زا است اتم هایی که دراین واکنش ها در درون ستاره شرکت می کنند کاملا یونیزه اند.یعنی تمامی الکترون ها از آن کنده شده است.چنین مجموعه ای از ذرات باردار را پلاسما می نامند.
دو تریوم و تریتیوم ایزوتوپ های هیدروژن مواد قابل احتراق همجوشی هسته ای را تشکیل می دهند .
هسته دو تریوم از یک نوترون و یک پروتون تشکیل می یابد. هسته تریتیوم دارای دو نوترون و یک پروتون است.
● سوخت های همجوشی :
ملاحظات فرایند های طبیعی و نتایج حاصل از آنها نشان داده است که واکنش های همجوشی گوناگونی وجود دارد. از جمله از واکنش های همجوشی هسته ای واکنش دوترون با تریتیوم می باشد.
● معادله واکنش های همجوشی هسته ای :
نخستین واکنش همجوشی قابل کنترل توسط رابطه زیر ارائه شد (ترکیب ایزوتوپ های هیدوژن)
۲H+۳H→۱n+۴He
در این واکنش انرژیی معادل ۱۷.۶ Mev آزاد می شود.که از آن می شود در کادبردهای صنعتی و نظامی استفاده نمود.