www.irLearn.com

عناصر رادیو اکتیو معمولا سه نوع ذره یا پرتو از خود صادر می کنند که شامل ذره آلفا ، بتا و پرتو گاماست با قرار دادن پرتو رادیو اکتیو تحت تاثیر میدان مغناطیسی ، مشاهده شد که ذره آلفا بار مثبت ، و ذره بتا بار منفی و پرتو گاما بدون بار است .

خواص ذره آلفا

جنس هسته آلفا هسته هلیوم است که از دو نوترون و دو پروتون تشکیل یافته است . جرم آن حدود 4 برابر جرم پروتون و بار الکتریکی آن +2 و علامت اختصاری آن He 4,2 است . برد ذره آلفا به عنصر مادر و انرژی ابتدائی و جنس محیط بستگی دارد . برای نمونه ، برد ذره آلفای صادر شده از رادیوم در هوا تقریبا 4/8 سانتیمتر است .

ذره آلفا به علت داشتن دو بار مثبت ، هنگامی که از نزدیکی اتمی عبور می کند ، ممکن است تحت تاثیر میدان الکترو استاتیکی خود الکترون مدار خارجی آن اتم را خارج سازد و یا به عبارت دیگر اتم را یونیزه کند . همچنین ذره آلفا قادر است محل الکترون را تغییر دهد ؛ یعنی الکترون تحت تاثیر میدان الکتریکی ذره آلفا از مدار پائین تری به مدار بالاتر صعود می کند ، و در نتیجه – اتم به حالت بر انگیخته در می آید . کارائی نفوذ ذره آلفا بسیار کم است .

جنس ذره بتا از جنس الکترون است . بار الکتریکی آن -1 و علامت آن بتای منفی است . برد ذره بتا در هوا در حدود چند سانتیمتر تا حدود یک متر است . البته برد این ذره نیز به انرژی ابتدائی ( عنصر مادر ) و جنس محیط بستگی دارد . بر خلاف ذره آلفا ، ذره بتا از نظر حفاظت ، خطری خارجی محسوب می شود .

خاصیت یون سازی این ذره به مراتب کمتر از ذره آلفاست ؛ یعنی به طور متوسط در حدود 100 مرتبه کمتر است . ذره بتا ممکن است در اتم ها ایجاد برانگیختگی کند ، ولی این خاصیت نیز در ذره بتا به مراتب کمتر از ذره آلفاست . قدرت نفوذ ذره بتا به طور متوسط 100 برابر ذره آلفاست . این ذره همان پوزیترون که ضد ماده الکترون است ، جرم آن با جرم الکترون برابر است و دارای بار مخالف با بار الکترون است و علامت اختصاری آن بتای مثبت است .

جنس پرتو گاما از جنس امواج الکترو مغناطیسی است ، یعنی از جنس نور است ؛ ولی با طول موج بسیار کوتاه .

جرم آن در مقیاس اتمی صفر ، سرعت آن برابر سرعت نور و بار الکتریکی آن صفر و علامت اختصاری آن حرف گاماست . برد آن بسیار بالاست ؛ مثلا در هوا چندین متر است .

خاصیت یونیزاسیون و بر انگیختگی در پرتو گاما ، نیز وجود دارد ،ولی به مراتب کمتر از ذرات آلفا و بتاست . مثلا اگر قدرت یونیزاسیون متوسط پرتو گاما را یک فرض کنیم ، قدرت یونیزاسیون متوسط ذره بتا و ذره آلفا خواهد بود . قدرت این پرتو به مراتب بیشتر از ذرات آلفا و بتاست

سانتریفیوژهائی که برای غنی سازی اورانیوم استفاده می شوند ، خاص هستند که برای گاز تهیه شده اند ؛ به آنها " هایپر سانتریفیوژ " Hyper - centrifuje می گویند .

پیش از آنکه دانشمندان ازین روش برای غنی سازی اورانیوم استفاده کنند ، از تکنولوژی خاصی به نام گاز - دیفیوژن Gaseous Diffsion یه معنای پخش و توزیع گازی استفاده می کردند .

در روش گاز دیفیوژن ، گاز هگزا فلوراید اورانیوم UF6 را با سرعت از صفحات خاصی که فیلتر هستند می گذرانند ؛ درین مسیر ، این صفحات که شامل منافذ و خلل و فرج های زیادی اند ؛ تا حدی اورانیوم 235 را از 238 جدا می کنند . درین روش ، با تکرار استفاده ازین صفحات فیلتر مانند به صورت آبشاری Cascade میزان اورانیوم ، 235 را به اندازه دلخواه بالا می برند . این روش اولین راهکارهای صنعتی برای غنی سازی اورانیوم بود که کار برد علمی پیدا کرد .

Gaseous Diffusion از جمله تکنولوژیهائی بود که ایالت متحده در جنگ جهانی دوم در پروژه ای به نام " منهتن Manhattan براس ساخت بمب هسته ای با کمک انگلیس و کانادا به آن دست یافتند .هایپر سانتریفیوژ Hyper centrifuge

اما در روش استفاده از سانتریفیوژ ، برای غنی سازی اورانیوم ، تعداد بسیار زیادی ازین دستگاه ها به صورت سری و موازی به کار می برند تا با کمک آن بتوانند غلظت اورانیوم 235 را افزایش دهند .

گاز هگزا فلوراید اورانیوم UF6 در داخل سیلندرهای سانتریفیوژ تزریق می شود و با سرعت زیاد به گردش در می آید .

گردش سریع سیلندر ، نیروی گریز از مرکز بسیار قوی تولید می کند و در آن ، مولکولهای سنگین تر ( آنهائی که شامل ایزوتوپ اورانیوم 238 هستند ) از مرکز محور گردش ، دورتر می گردند ، و بر عکس آنها که مولکولهای سبک تری دارند ( حاوی ایزوتوپ اورانیوم 235 ) بیشتر دور محور سانتریفیوژ قرار می گیرند .

درین هنگام با استفاده از روشهای خاص گازی که دور محور جمع شده است جمع آوردی می شود ؛ و به مرحله دیگر یعنی دستگاه سانتریفیوژ بعدی می رود .

میزان گاز هگزا فلوراید اورانیوم شامل اورانیوم 235 ای است که درین روش از واحد جداسازی به دست می آید ، به مراتب بیشتر از مقداری ست که در روش قبلی Diffusion Gasseous به دست می آید .

به همین علت است که امروزه در بیشتر مناطق جهان برای غنی سازی اورانیوم ازین روش استفاد ه می کنند .

در رئاکتورهای گرمائی علاوه بر کند کننده ، سوخت هسته ای ( ایزوتوپ قابل شکافت القائی ) ، مخزن بخار و لوله های منتقل کننده آن ، دیوارهای حفاظتی و تجهیزات کنترل و مشاهدۀ سامانه رئاکتور نیز وجود دارند .

البته بر اساس نوع رئاکتورها که از کانالهای سوخت فشرده شده ، مخزن بزرگ بخار یا خنک کننده گازی استفاده کنند ، آنها را به سه دسته تقسیم می کنیم :

الف - کانالهای با فشار در رئاکتورهای BAMK و CANDU استفاده می شوند و در این نوع می توان در حال کار کردن ، سوخت رسانی کرد .

ب - مخزن بخار پر فشار داغ ، رایج ترین نوع رئاکتور است که در اغلب نیروگاههای هسته ای و رئاکتورهای دریائی ( کشتی ، ناو هواپیما یا زیر دریائی ) از آن استفاده می کنند . این مخزن می تواند مانند یک لایه حفاظتی عمل کند .

ج - خنک سازی گازی : در این رئاکتورها به جای آب از سیال گازی شکلی ، برای خنک نمودن رئاکتور استفاده می کنند . این گاز در چرخۀ گرمائی با منبع حرارتی رئاکتور قرار

می گیرد و معمولا با هلیوم استفاده می شود ، هر چند که نیتروژن و دی اکسید کربن نیز کاربرد دارند .

برخی رئاکتورهای جدید ، به قدری گرما تولید می کنند که گاز خنک کننده مستقیما توربین گازی را می چرخاند ؛ در حالیکه در طراحی های قدیمی تر این گاز را به مبدل حرارتی فرستادند که در چرخه دیگری آب را به بخار تبدیل کند و بخار آب داغ ، توربین بخار را بگرداند .

رئاکتور آب با فشار ، PWR

رئاکتور PWR ، یکی از رایج ترین رئاکتورهای هسته ای است که از آب معمولی برای کند سازی نوترونها و خنک سازی استفاده می کنند . درPWR ، مدار خنک اولیه از آب با فشار استفاده می کنند .

نقطه جوش این آب معمولی بالاتر است . ازین در چرخه خنک ساز اولیه را به گونه ای طراحی می کنند که آب با وجود آنکه دمائی بسیار بالا دارد ، جوش نیاید و به بخار تبدیل نشود . این آب داغ تحت فشار در مبدل حرارتی ، گرما را به چرخه دوم منتقل می کند که نوعی چرخه بخار است و از آب معمولی استفاده می کند . در این چرخه ، آب ، جوش می آید و بخار آب داغ تشکیل می شود ؛ بخار داغ توربین را می چرخاند ، توربین هم ژنراتور را حرکت می دهد ؛ و در نهایت ، انرژی الکتریکی تولید می کند .

PWR به علت دارا بودن چرخه ثانویه با BWR تفاوت دارد . از گرمای تولیدی در PWR مانند سامانه گرم کننده در نواحی قطبی استفاده شده است .

رئاکتور آب جوشان ، BWR

در رئاکتور آب جوشان از آب سبک استفاده می شود ( آب سبک آبی است که در آن فقط هیدروژن معمولی وجود دارد ) BWR اختلاف زیادی با رئاکتور آب با فشار ندارد جز اینکه در BWR فقط چرخه خنک کننده هست و آب مستقیما در قلب رئاکتور جوش می آید . فشار آب در BWR از PWR کمتر است ؛ به طوری که در بیشترین مقدار به 75% برابر فشار جو می رسد ( 7/5 مگا پاسکال ) و بدین ترتیب ، آب در دمای 285 درجه سانتیگراد جوش می آید .

رئاکتور D2G

D2G مخفف عبارت

Destrojer-sized reactor =D : رئاکتور ناو جنگی

Second Generation=:نسل دوم

General Electronic Built=G : ساخت جنرال الکتریک

به این ترتیب D2G را می توان مخفف این عبارت دانست :

رئاکتور هسته ای برای تولید حداکثر 150 مگا وات انرژی الکتریکی و عمر مفید 15 سال مصرف معمولی طراحی شده است .

درین رئاکتور ، برای مخزن بخار دو رئاکتور وجود دارد و طوری طراحی شده است که بتوان هر دو اتاق توربین را با یک رئاکتور راه انداخت . اگر هر دو رئاکتور فعال باشند ؛ ناو به سرعت 32 گره می رسد ؛ اگر یک رئاکتور فعال باشد و توربین ها بهم متصل باشند سرعت ناو به 25 تا 27 گره خواهد رسد و اگر فقط یک رئاکتور فعال باشد ولی توربین ها جدا باشند ؛ سرعت ناو فقط به 15 گره خواهد رسید .

کیک زرد

کیک زرد یا yellow cake که به نام اورانیا Urania هم نامیده می شود ، در واقع خاک معدنی اورانیوم است که پس از گذراندن مراحل گوناگون تصفیه می شود . و با پردازشهای لازم از سنگ معدنی جدا می شود . تهیه آن مانند مراحل گوناگون تصفیه سنگ معدن اورانیوم است و باید دانست که فاصله بسیار زیادی برای استفاده در بمب اتمی دارد .

روش تهیه کیک زرد :کاملا بستگی به نوع سنگ معدن بستگی دارد ؛ اما معمولا از طریق آسیاب کردن و انجام پرد ازشهائی شیمیائی روی سنگ معدن اورانیوم ، پودر زبر و زرد رنگی به دست می آید که در آب حل نمی شود و حدود 80% غلظت اکسید اورانیوم ؛ آن خواهد بود . این پودر در دمائی معادل 2878 درجه سانتیگراد ذوب می شوند .

روش تهیـّـه:

در ابتدا سنگ معدن با دستگاههای مخصوص خرد و آسیاب می شوند و پس از آن برای جداسازی اورانیوم و بالا بردن خلوص خاک سنگ ، آن را در حمامی از اسید سولفوریک ، آلکالاین و یا پراکسید قرار می دهند . این عمل برای به دست آوردن اورانیوم خالص تر صورت می گیرد . سپس آنرا خشک و فیلتر می کنند و در نتیجه کیک زرد که معروف است ساخته

می شود .

امروزه روش های جدیدی برای تهیه پودر اورانیوم وجود دارد ؛ که به جای رنگ زرد ، به رنگ قهوه ای و سیاه نزدیک است ، در واقع این ماده به میزان نا خالصیهای آن پودر بستگی دارد .

علات نامگذاری آن به کیک زرد به گذشته برمی گردد که روش های خالص سازی سنگ معدن مناسب نبود و در نتیجه ماده زرد رنگی باقی می ماند .

کاربرد ها :

یکی از کاربردهای کیک زرد تهیـّـۀ هگزا فلوراید اورانیوم است . این گاز در حالت عادی حدود 7% شامل ایزوتوپ 235 و بقیه آن ایزوتوپ 238 است . در مرحله غنی سازی درصد

U-235 به حدود 3/5 یا حتی بیشتر افزایش داده می شود .

کیک زرد عموما بذای تهیه سوخت رئاکتورهای هسته ای به کار می رود . در واقع این ماده است که پس از پردازشهائی به UO2 تبدیل می شود و برای استفاده در میله های سوختی به کار می رود . همچنین برای غنی سازی به گاز هگزا فلوراید اورانیوم یا UF6 تبدیل می شود ؛ چگالی ایزوتوپهای اورانیوم 235 در آن افزایش می یابد .

در هر صورت کیک زرد در اغلب کشورهائی که معادن طبیعی اورانیوم دارند ، تهیه می شود و تولید این ماده مشکل خاصی ندارد و میانگین سالانه 64 هزار تن ازین ماده در جهان تولید می شود .

در بازارهای بین المللی قیمت یک کیلو ازین پودر حدود 25 دلار است .

آب سنگین از طریق روندی پیچیده و پر هزینه از آب عادی به دست می آید . این ماده همراه آب سبک و بریلیوم ، از تعدیل گرهائیست که در رئاکتورهای هسته ای بدون اورانیوم غنی شده یافت می شود . وظیفۀ تعدیل گر ، کند کردن نوترونهای پر شتابی است که از گداخت هسته ای رها می شوند تا زمان بیشتری برای ترکیب شدن با ایزوتوپ بیقرار "U-235 " اورانیوم داشته باشد . ( ایزوتوپ : ایزوتوپ به صورتهای گوناگون یک عنصر گفته می شود که جرم آنها با هم متفاوت باشد . تفاوت ایزوتوپهای مختلف یک عنصر از آنجا ناشی می شود که تعداد نوترونهای موجود در هسته آنها با هم تفاوت داشته باشد .البته تعداد پروتونهای تمام اتمهای یک عنصر از جمله ایزوتوپها با هم برابرست.)

در نتیجه ، واکنش زنجیره ای کنترل شده و مستمری با استفاده از اورانیوم غنی نشده پدید می آید .

آب سنگین بدون جذب تعدادی ازین نوترونها به آنها امکان عبور می دهد . این ویژگی برای واکنش نشان دادن تعداد زیادی از نوترونها ، غنی بودن اورانیوم ( حداقل 3% ) را الزامی می کند . از آنجا که غنی سازی اورانیوم از نظر غنی دشوارتر و پر خرج تر است . استفاده از آب سنگین در تاسیسات هسته ای مقرون به صرفه به نظر می آید ، اما از سوخت مصرف شده نیروگاههای دارای آب سنگین می توان پلوتونیوم به دست آورد . آب سنگین از نظر شیمیائی ، مشابه همان آب شرب است ، تنها تفاوت این است که آب سنگین یک ایزوتوپ هیدروژن به نام دوتریوم دارد که در هسته خود یک نوترون و یک پروتون دارد . این ایزوتوپ به طور طبیعی به میزان یک اتم دوتریوم به جای هر 6700 هیدروژن عادی یا پروتیوم موجود است . ایزوتوپ عادی هیدروژن در هسته خود یک پروتون دارد ولی نوترون ندارد . دوتریوم رادیواکتیو نیست .

با وجود آنکه آب سنگین و سبک از نظر شیمیائی مشابه اند ، ولی اولی از دومی قدری سمی تر است ، زیرا سرعت واکنش های شیمیائی مربوط به آن سبب قدرت پیوندهائی که برقرار می کند اندکی تغییر می کند .

آزمایش روی موش نشان داده است که نوشیدن تنها آب سنگین در نهایت به از بین رفتن بافت هائی می انجامد که باید همواره آب دریافت کنند .

یک تحقیق ، تاثیر نوشیدن آب سنگین را مانند اثرات بر جامانده از شیمی درمانی می داند .خاصیت سمی این نوع آب تا زمانی مشخص می شود که نیمی از آب بدن جای خود را به آب سنگین داده باشد و مصرف طولانی مدت آب سنگین

می تواند به مرگ حتمی منجر شود .

تفاوتهای فیزیکی نیز میان آب سبک و آب سنگین وجود دارد . چگالی آب سنگین ( 10% ) بیشتر است و در واقع یخ به دست آمده از آن در آب سبک فرو می رود و نقطه ذوب و جوش آن نیز قدری بالاتر است به طوریکه در فشار استاندارد ، آب سنگین در دمای نزدیک به چهار درجه سانتیگراد منجمد شده و در یک صد و یک درجه به جوش می آید .

هارولداوری ، ایزوتوپ دوتریوم را در سال 1931 کشف کرد . به سبب حساسیت برانگیز بودن آب سنگین ، تولید و فروش آن تحت نظارت دولت و نهادهای جهانی از جمله آژانس بین المللی انرژی اتمی است و مراکز تحقیقاتی ، تنها

می توانند مقادیر معینی را قرض بگیرند .

سنگ معدن اورانیوم از دو ایزوتوپ 235 به مقدار 7% و اورانیوم 238 به مقدار 4% تشکیل شده است . سنگ معدن را ابتدا در اسد حل می کنند و با ترکیب با عنصر فلوئور (F) به مولکول هگزا فلوراید اورانیوم (UF6) تبدیل می کنند که به صورت گاز است .

هگزا فلوراید اورانیوم طبیعی گازی شگل را از برجهائی عبور می دهند که جدار آنها متخلخل است منافذ موجود در جدارۀ متخلخل قدری فراختر از شعاع اتمی یعنی در حدود 3/5 انگستروم (0/000000025 سانتیمتر) است و به این علت اورانیوم غنی شده به دست می آورند .

پرخرج ترین مرحلۀ تهیه سوخت اتمی ، مرحلۀ غنی سازی ایزوتوپ هاست ، زیرا از هزاران کیلوگرم سنگ معدن اورانیوم 140 کیلوگرم اورانیوم طبیعی به دست می آید که فقط یک کیلوگرم اورانیوم 235 خالص در آن موجود است .

برای تهیه و غلیظ سازی اورانیوم تا حدود 5% حداقل 2000برج متخلخل با ابعاد به نسبت بزرگ و پی در پی لازم است . نسبت ایزوتوپ از برجی به برج دیگر به مقدار 0/1% افزایش می یابد .

زمانی که نسبت اورانیوم 235 به اورانیوم 238 به 5% رسیده باشد باید برای تخلیص کامل از سانتریفوژهای بسیار قوی استفاده نمود و برای هر نیروگاه اتمی ، اورانیوم طبیعی و یا اورانیوم غنی شده بین 1% تا 5% کافیست . ولی برای تهیه بمب اتمی حداقل 5 تا 6 کیلوگرم اورانیوم 235 صد در صد خالص لازم است .

برای تهیه بمب اتمی در منابع نظامی ازین روش استفاده می شود و بمبهای اتمی را از پلوتونیوم 239 تهیه می کنند ، که ترکیب و تخلیص شیمیائی آن بسیار ساده تر است .

پلوتونیوم را در نیروگاههای بسیار قوی می سازند که تعداد نوترونهای آزاد شده در آنها در ثانیه و به ازای هر سانتیمتر مربع بیش از صدها هزار میلیارد نوترون است .درین نیروگاهها ، ایزوتوپهای اورانیوم 238 که شکست پذیر نیستند و جاذب نوترون کم انرژی اند ، هر یک تعدادی از نوترونهای حاصل از یک شکست اورانیوم 235 را جذب می کند و به اورانیوم 239 تبدیل می شوند .

ایزوتوپ 239 اورانیوم بسیار ناپایدارست . و در درون هستۀ ناپایدار 239 یکی از نوترونها خود به خود به پروتون تبدیل می شود ، بنابراین به تعداد پروتونها یکی اضافه می شود و عنصر جدیدی به نام پنتونیوم به وجود می آید که 93 پروتون دارد . این عنصر نیز ناپایدارست و یکی از نوترونهای آن خود به خود به پروتون تبدیل می شود و به تعداد پروتونها یکی اضافه می شود و عنصر پلوتونیوم با 94 پروتون به وجود می آید .