واکنشهای هسته‌ای (Reactions Nuclear)

تبدیلات خود بخودی یا مصنوعی بعضی از هسته‌های اتمی به هسته دیگر که نتیجه بهم خوردن ترکیب ساختمان هسته یا تغییر در تعداد نوکلئونها (ذرات هسته‌ای) است واکنشهای هسته‌ای نام دارند.

روشهای انجام واکنشهای هسته‌ای

• تجزیه کامل تمامی هسته‌ها زمانی که بوسیله یک ذره یا انرژی فوق العاده زیاد برخورد کند (یا ذره دیگری جذب کنند) معمولا نوترون است.
  
  
• شکست هسته به دو هسته غیر مساوی توأم با انتشار پروتون ، نوترون ، ذره آلفا ، اشعه گاما و واکنشهای ترکیب هسته‌ای که تشکیل یک هسته سنگینتر در اثر تجدید ساختمان هسته عناصر سبکتر که همراه با آزاد شدن مقادیر زیاد انرژی است ، صورت می‌گیرد.
  
  
• انرژی حاصل از واکنشهای ترکیب یا (همجوشی) 8 برابر بیشتر از انرژی هسته‌ای واکنشهای شکست هسته‌ای است.

راههای مختلف تولید انرژی هسته‌ای

• شکافت هسته‌ای
• همجوشی هسته‌ای

شکافت هسته‌ای (Nuclear Fission)

فرض می شود نوترون منفردی به یک قطعه ایزوتوپ ²³⁵U نفوذ کند در اثر برخورد به هسته اتم ²³⁵U ، اورانیوم به دو قسمت شکسته می‌شود، مقادیر زیادی نیز انرژی آزاد می‌گردد. در حدود (200Mev) اما مسئله مهمتر اینکه نتیجه شکستن هسته ²³⁵U آزادی دو نوترون است که می‌تواند دو هسته دیگر را شکسته و چهار نوترون را بوجود آورد.

این چهار نوترون نیز چهار هسته ²³⁵U را می‌شکند چهار هسته شکسته شده تولید هشت نوترون می‌کنند که قادر به شکستن همین تعداد هسته اورانیوم می‌باشند، سپس شکست هسته‌ای و آزاد شدن نوترونها بصورت زنجیروار به سرعت تکثیر و توسعه می‌یابد.

در هر دوره تعداد نوترونها دو برابر می‌شود، در یک لحظه واکنش زنجیری خود بخودی شکست هسته‌ای شروع می‌گردد. در واکنشهای کنترل شده تعداد شکست در واحد زمان و نیز مقدار انرژی به تدریج افزایش یافته و پس از رسیدن به مقداری دلخواه ثابت نگهداشته می‌شود. فرض کنیم یک ذره (a) به یک هسته ساکن (x) برخورد کند در نتیجه در واکنشهای هسته‌ای هسته (y) و ذره (b) تولید می‌شود که این واکنش را بصورت زیر می‌نویسم:

مراحل شکست ²³⁵U

در واکنش اخیر در نتیجه برخورد نوترون حرارتی به ²³⁵U آن را به ²³⁵U تحریک شده تبدیل می‌کند. نهایتا اورانیوم تحریک شده نیز بعد از شکافت ، به باریم و کریپتون و سه تا نوترون تولید می‌شود.

مواد قابل شکست (Fissionable Materials)

موادی که وقتی تحت تابش نوترون قرار می‌گیرند انجام یک واکنش شکست هسته ای را ممکن می سازند چنین خاصیتی در عناصر زیر وجود دارد: ²³⁹Pu ، ²³⁵U ، ²³⁵U ، ایزوتوپ ²³³U ، ²³⁵U بطور مصنوعی در راکتورهای هسته‌ای با تاباندن نوترون به ²³³Th بوجود می‌آید.

محصولات شکست اورانیوم (Uranium Fission Puroduets)

زمانی که هسته اتمی ²³⁵U به دو قسمت شکسته می‌شود عناصر زیر تولید می‌شوند: استرتیوم 90 ، کریپتون 91 ، ایتریوم 91 ، زیرکونیوم 95 ، ¹²⁶I ، ¹³⁷U ، باریم 142 ، سریم 144 قابل ذکر هستند.

همجوش هسته‌ای (Nuclear Fusion)

همجوشی هسته‌ای 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 بنابراین دانشمندان بطور جدی کوشش می کنند تا واکنش همجوشی را کنترل کنند یعنی در کیف کاهش سرعت واکنش به درجه‌ای که بتواند برای مقاصد صلح جویانه مفید باشد.

در مرحله اول این واکنشها بصورت کنترل شده برای تولید برق استفاده می‌شود. همچنین انرژی تولید شده در این واکنش 8 برابر انرژی تولید شده سر در شکافت هسته‌ای می‌باشد. منشأ انرژی تابشی خورشید و دیگر ستاره‌ها یک سری از واکنشهای هسته‌ای انرژی زا است. اتمهایی که دراین واکنشها در درون ستاره شرکت می‌کنند کاملا یونیزه‌اند. یعنی تمامی الکترونها از آن کنده شده است. چنین مجموعه‌ای از ذرات باردا را پلاسما می‌نامند.

دوتریوم و تریتیوم ایزوتوپهای هیدروژن مواد قابل احتراق همجوشی هسته‌ای را تشکیل می‌دهند. هسته دوتریوم از یک نوترون و یک پروتون تشکیل می‌یابد. هسته تریتیوم دارای دو نوترون و یک پروتون است.

سوختهای همجوشی

ملاحظات فرآیندهای طبیعی و نتایج حاصل از آنها نشان داده است که واکنشهای همجوشی گوناگونی وجود دارد. از جمله از واکنشهای همجوشی هسته‌ای واکنش دوترون با تریتیوم می‌باشد.

معادله واکنشهای همجوشی هسته‌ای

نخستین واکنش همجوشی قابل کنترل توسط رابطه زیر ارائه شد (ترکیب ایزوتوپهای هیدوژن)

در این واکنش انرژیی معادل 17.6 Mev آزاد می‌شود، که از آن می‌شود در کادبردهای صنعتی و نظامی استفاده نمود.

مباحث مرتبط با عنوان

• انواع راکتورهای هسته‌ای
• شکافت هسته‌ای
• راکتورهای هسته‌ای
• کاربردهای واکنشهای هسته‌ای
• مواد قابل احتراق
• نوترون
• نوترون حرارتی
• واکنشهای هسته‌ای کنترل شده
• همجوشی هسته‌ای

• تعریف واکنش های هسته ای:
• روش های انجام واکنش های هسته ای:
• راه های مختلف تولید انرژی هسته ای:
• شکافت هسته‌ای (Nuclear Fission):
• مراحل شکست اورانیوم 235 :
• مواد قابل شکست ( Fissionable Materials):
• محصولات شکست اورانیوم (Uranium Fission Puroduets):
• همجوش هسته ای (Nuclear Fusion) :
• سوخت های همجوشی :
• معادله واکنش های همجوشی هسته ای :
• موضوعات ویژه در واکنش های هسته ای:

.
واکنش های هسته ای Reactions Nuclear

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:

• تجزیه کامل تمامی هسته ها زمانی که به وسیله یک ذره یا انرژی فوق العاده زیاد برخورد کند (یا ذره دیگری جذب کنند) معمولا نوترون است.

• شکست هسته به دو هسته غیر مساوی توئم 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) 8 برابر بیشتر از انرژی هسته ای واکنش های شکست هسته ای است.

راه های مختلف تولید انرژی هسته ای:

• شکافت هسته‌ای
• همجوشی هسته ای

شکافت هسته‌ای (Nuclear Fission):

فرض می شود نوترون منفردی به یک قطعه ایزوتوپ اوارنیوم235 نفوذ کند در اثربرخورد به هسته اتم اورانیوم 235 ، اورانیوم بدو قسمت شکسته می شود مقادیر زیادی نیز انرژی ازاد می گردد در حدود (200Mev) اما مسئله مهمتر اینکه نتیجه شکستن هسته اورانیوم 235 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 235 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 235 :

¹n+²³⁵U→²³⁴U→¹⁴⁴Ba+⁸⁹Kr+3 ¹n
در واکنش اخیر در نتیجه برخورد نوترون حرارتی به اورانیوم 235 آن را به اورانیوم 234 تحریک شده تبدیل می می کند. نهایتا اورانیوم تحریک شده نیز بعد از شکافت ، به باریم و کریپتون و سه تا نوترون تولید 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 چنین خاصیتی در عناصر زیر وجود دارد: اورانیوم 235، اورانیوم238، پلوتنیوم239، ایزوتوپ اورانیوم 233، (اورانیوم233 بطور مصنوعی در راکتورهای هسته ای با تاباندن نوترون به توریوم233 بوجود می آید).

محصولات شکست اورانیوم (Uranium Fission Puroduets):

زمانی که هسته اتمی اورانیوم 235 بدو قسمت شکسته می شود عناصر زیر تولید می شوند:
استرتیوم 90 ، کریپتون 91 ، ایتریوم 91 ، زیرکونیوم 95 ، ید 126 ، سزیم 137 ، باریم 142 ، سریم 144 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 این واکنش ها بصورت کنترل شده برای تولید برق استفاده می شود. همچنین انرژی تولید شده در این واکنش 8 برابر انرژی تولیدشده سر 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)
²H+³H→¹n+⁴He
در این واکنش انرژیی معادل 17.6 Mev آزاد می شود.که از آن می شود در کادبردهای صنعتی و نظامی استفاده نمود.

موضوعات ویژه در واکنش های هسته ای:

• واکنش زنجیری
• سرعت واکنش
• نوترون حرارتی
• نوترون سریع
• مواد قابل احتراق
• شکافت هسته‌ای
• همجوشی هسته ای
• واکنش های کنترل شده
• کاربردهای واکنش های هسته ای
• راکتورهای هسته ای
• انواع راکتورهای هسته ای