انرژی هسته ای چیست؟

بیگ بنگ: رآکتورهای هسته ای تجهیزات تولید برق هستند. ایده آن همانند هر نیروگاه الکتریکی دیگر است، که برق را با تبدیل انرژی گرفته شده از یک منبع انرژی پتانسیل ایجاد می کند. انرژی پتانسیل ممکن است از منابع شیمیایی، مانند سوخت زغالی، نفتی یا گازی یا از آبشار، باد یا نور خورشید، گرفته شود.

به گزارش بیگ بنگ، منبع انرژی در رآکتورهای هسته ای در هسته اتم است. اما رآکتورها معادله اینشتین(E=MC2) را به نحو کنترل شدۀ هسته ای، به کار می گیرند. فرایند گرفتن انرژی به شیوه کنترل شده دقیقا کاری است که موجودات زنده انجام می دهند. هنگامی که احتراق در یک کوره صورت می گیرد این عمل به سرعت با آزاد کردن انرژی گرمایی و نوری انجام می شود. انرژی درون پیوندهای شیمیایی مولکول های ATP(آدنوزین تری فسفات) به بیشتر فعالیت سلول ها در همه موجودات زنده این سیاره نیرو می دهد.

رآکتورهای هسته ای برق را با شکافت آهسته و دائمی ایزوتوپ های پرتوزای ناپایدار، ایجاد می کنند. بیشتر رآکتورها از اورانیوم استفاده می کنند. گداخت هسته ها نیز انرژی ایجاد می کند و در بسیاری از موارد از شکافت مطلوب تر برخوردار خواهد بود، به ویژه اینکه سوخت ِ دوتریم درون آب ارزان و سودمند میباشد. هدف رآکتور شکافت، ایجاد یک واکنش هسته ای خودکفاست. این فرایند باید پیوسته انرژی را از شکافت هسته های ایجاد شده توسط نوترون ها تامین کند. تعداد نوترون های جذب شده به توسط ِ هسته های در معرض شکافت باید با تعداد نوترون های جذب شده به وسیله هسته های در معرض شکافت برابر باشد. شکافت اورانیوم یک رویداد طبیعی است که به همکاری با هدف های مهندسی انسانی نیاز ندارد. شکافت اورانیوم ۲۳۵ تقریبا ۲٫۵ نوترون در هر رویداد می دهد.

رآکتور به ساز و کاری نیاز دارد تا اینکه بعضی از این نوترون ها رویداد شکافت دیگری را راه بیندازند. انجام دادن این کار وظیفه میله های کنترل نصب شده در درون هسته  کنترل-ناحیه ای که در آن واکنش صورت می گیرد-است. میله های کنترل از ماده ای مانند کادمیم یا بور تشکیل می شود که نوترون ها را جذب می کند اما شکافت صورت نمی گیرد. موضوع  دیگر در هسته های رآکتور نحوۀ کند کردن ِ نوترون هاست. نوترون های پرسرعت به وسیله ایزوتوپ اورانیوم(اورانیم ۲۳۵) که به صورت سوخت بکار می رود به آسانی جذب نمی شوند، اما نوترون های ایجاد شده در رویدادهای شکافت می خواهند پرانرژی باشند. کار ِ کند کردن نوترون ها به ماده کند کننده تعلق دارد که در بسیاری از رآکتورها، آب است. نوترون ها به مولکول های آب برخورد می کنند ولی جذب نمی شوند بلکه در عوض تا سرعتی کُند می شوند که گرفتن آنها توسط ِ هستۀ اورانیوم ۲۳۵ میسر می شود. دلیل دیگر کُند کردن نوترون ها این است که اورانیوم ۲۳۸، ایزوتوپ دیگر اورانیوم، مقدار زیادی از نوترون های پرسرعت را جذب می کند، اما به ندرت شکافت می یابد.

انرژی بدست آمده از شکافت از کاهش جرم محصولات(E=MC2) است. اما این انرژی به شکل برق نیست بلکه به شکل گرما و تابش است. در رآکتور، گرما آب را به بخار تبدیل می کند. فشار بالای بخار توربینی را به کار می اندازد که حرکت نسبی ِ لازم برای تولید الکتریسیتۀ القایی را ایجاد می کند. شکافت مقدار زیادی انرژی را به ازای مقدار کمی سوخت تولید می کند که این از مزایای آن است.

گداخت؛ نیروی هسته ای آینده

خورشید و ستاره های دیگر، انرژی خودشان را از واکنش های هسته ای بدست می آورند، در اجرام آسمانی این فرایند به جای شکستن اتم ها اتصال آنها را شامل می شود. ستاره ها بر اثر گداخت نیرو می گیرند. در واقع گداخت مقدار ِ انرژی به نسبت بیشتری از شکافت آزاد می کند. هنگامی که ایزوتوپ های هیدروژن گداخت می یابند و به هستۀ کمی سبکتر از هلیم تبدیل می شوند، ۰٫۳ از جرم آنها به انرژی تبدیل می شود و معادله اینشتین(E=MC2) حکمفرما می شود. هنگامی که ایزوتوپ های هیدروژن به اندازۀ کافی به یکدیگر نزدیک شوند، نیروی هسته ای قوی آنها را به یکدیگر پیوند می دهد و یک هستۀ هلیم به وجود می آید. دما در مرکز ستاره به طرز باورنکردنی گرم است و طبق نظریه ها در مرکز خورشید تقریبا  ۱۵۰۰۰۰۰۰ سانتی گراد است.

اما فرایندی که معمولا رآکتورهای هسته ای را به کار می اندازد، محصول گداخت ایزوتوپ های هیدروژن، هستۀ پایداری(غیر پرتوزا) از هلیم، است. کسی نمی تواند در جستجوی منبع انرژی بیشتری باشد و این مانند یک رویا است، اما چند مانع وجود دارد. گداخت به شرایطی شبیه ِ درون خورشید نیاز دارد، برای دستیابی به انرژی سازنده به جای مخرب از گداخت به فرایند کنترل شده ای در زمین نیاز است. فیزیکدانان به گداخت دست یافته اند، اما فقط در مقیاس کوچک با یک ورودی انرژی قابل ملاحظه. گداخت کنترل شونده در مقیاس بزرگ به گرما و فشار درون ستاره نیاز دارد تا عملی شود. آیا ممکن است فرایندی وجود داشته باشد که توسط ِ آن گداخت تحت شرایط عادی در روی زمین رخ دهد؟ فرایندی بنام گداخت سرد.

دو دانشمند بنام های استنلی پونز و مارتین فلایشمن در ۱۹۸۹ هنگامی که اعلام کردند آن را یافتند هیجان زیادی را برانگیختند. نتایج این دو نفر از آن زمان تاکنون بسیار بحث برانگیز شده و بسیاری از دانشمندان باور نمی کنند که این آزمایش ها گداخت را قاطعانه نشان داده باشند. برخی نظریه پردازان قانع نشده اند. در سایه کار رادرفورد، مری و پیرکوری، اینشتین، فرمی و دیگران به درک  تجربی و نظری دست یافته ایم. گداخت سرد بعید به نظر می رسد.

اما خیلی چیزهایی که با انرژی هسته ای انجام شده، در ابتدا بعید به نظر می رسید، مانند وسایل پزشکی برای بررسی دقیق درون بدن انسان، رآکتورهای شکافت که بخش قابل ملاحظه ای از برق دنیا را تولید می کنند، همه از بسته های بسیار کوچک پروتون ها و نوترون ها حاصل می شوند که با نیروی هسته ای قوی، نزدیک هم نگه داشته شده اند. آزمایش نهایی برای هر دستگاه گداخت کنترل شونده، خواه گرم و خواه سرد، تولید اقتصادی انرژی است. شاید کشف های شگفت آور حاصل از هسته هنوز پایان نیافته اند.

نویسنده: میلاد اسکندردوست/ سایت علمی بیگ بنگ

منبع: کتاب ذرات و جهان هستی/ نویسنده: کایل کرکلند/ترجمه: اختر رجبی/انتشارات مازیار

image_pdfimage_print
(11 نفر , میانگین : 4٫45 از 5)
لینک کوتاه مقاله : http://bigbangpage.com/?p=70011
میلاد اسکندردوست

میلاد اسکندردوست

نویسنده این مطلب : میلاد اسکندردوست، در رشتۀ مهندسی صنایع تحصیل کرده است. علاقمند به مطالعه و پژوهش در زمینه ی فیزیک، ریاضیات، نجوم و علوم بنیادی میباشد و در زمینه نگارش مقاله با وب سایت بیگ بنگ همکاری می کند.

شما ممکن است این را هم بپسندید

یک پاسخ

  1. پویل گفت:

    سلام
    با تشکر از مطلب بسیار مفیدتان
    میخواستم بدانم اگر مقاله های کمی تخصصی تر بخواهیم پیدا کنیم چه مرجعی را پیشنهاد میکنید ؟
    با تشکر از وب سایت علمی بیگ بنگ

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *