فیزیک هسته ای

بسمه تعالی

 

 

 

نام :              

 

موضوع :           فیزیک هسته ای

 

 

 

 

((  بهار
1393  ))

 

 

 

عنوان تحقیق :

 

 


فیزیک هسته ای

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

فهرست مطالب

مقدمه2………………………………………………………………………………………………………………

شکافت هسته ای2……………………………………………………………………………………………………..

همجوشی هسته‌ای2…………………………………………………………………………………………………..

واکنش زنجیره‌ای هسته‌ای3…………………………………………………………………………………………..

فناوری هسته‌ای 4…………………………………………………………………………………………………….

اب سنگین 5………………………………………………………………………………………………………….

اورانیوم6…………………………………………………………………………………………………………….

چرخه سوخت هسته‌ای 6……………………………………………………………………………………………..

غنی‌سازی اورانیوم 7……………………………………………………………………………………………………

واپاشی هسته‌ای7……………………………………………………………………………………………………..

ضایعات هسته‌ای8.……..……………………………………………………………………………………………

راکتور اتمی 9………………………………………………………………………………………………………..

اورانیوم تضعیف شده 11…………………………….……………………………………………………………….

کیک زرد12…………………………………………………………………………………………………………

 بمب اتمی12…………………………….……………………………………………………………………………

     
منابع..................................................................................................................................................................................................................13



 

 مقدمه:

فیزیک هسته‌ای
بخشی از دانش فیزیک است که به خواص و ویژگی‌های هسته اتم‌ها می‌پردازد.

هستهٔ اتم
ناحیه‌ای با جرم بالا است که پروتون‌ها و نوترون‌ها در آن قرار گرفته اند. اندازه
هسته از اندازه خود اتم بسیار کوچک‌تر است, و تقریباً تمام جرم اتم را که از ذرات
پروتون و نوترون سبب می‌شود در این ناحیه قرار دارد.

هسته اولین بار توسط ارنست رادرفورد و در سال ۱۹۱۱ کشف شد او یک ورق طلا را مورد
بمباران پرتو آلفا قرار داد طبق نظر تامسون باید تمام پرتو یا بازمی گشت یا عبور
می کرد اما بعضی از پرتو ها عبور کرده و بعضی از پرتو ها به شدت باز می گردند پس
او اینگونه نتیجه گرفت که جرم بسیار چگال و با بار مثبت(زیرا پرتو آلفا ۲ بار مثبت
دارد) و متمرکز در محلی از اتم قرار دارد که بررسی های دقیقتر این محل را مرکز اتم
مشخص نمود نام این محل هسته گذاشته شد.



شکافت هسته
ای:


شکافت هسته ای فرآیندی است که در آن یک اتم سنگین مانند اورانیوم به دو اتم سبکتر
تبدیل می‌شود. وقتی هسته‌ای با عدد اتمی زیاد شکافته شود، بر پایه فرمول اینشتین،
مقداری از جرم آن به انرژی تبدیل می‌شود. از این انرژی در تولید برق (در نیروگاه
هسته‌ای) یا تخریب (سلاح‌های هسته‌ای) استفاده می‌شود.

مواد ناپایدار برای اینکه به پایداری برسند، انرژی گسیل می‌کنند تا به حالت
پایدار برسد. معمولا عناصری شکافت پذیر هستند که جرم اتمی آنها بالای 150 باشد
،235U و 238U در معادن یافت می‌شود. 99.3 درصد
اورانیوم معادن 238U می‌باشد.و تنها 7 / 0درصدآن 235U می‌باشد.
از طرفی 235U با نوترونهای کند پیشرو واکنش نشان می‌دهد. 238Uتنها با نوترونهای تند
کار می‌کند، البته خوب جواب نمی‌دهد. بنابر این در صنعت در نیروگاههای هسته‌ای 235U به
عنوان سوخت محسوب می‌شود. ولی به دلایل اینکه در طبیعت کم یافت می‌شود. بایستی غنی
سازی اورانیوم شود، یعنی اینکه از 7 /0درصد به 1 الی 3 درصد برسانند.

شکافت 235U:

در این واکنش هسته‌ای وقتی نوترون کند بر روی 235U برخورد
می کند به 236U تحریک شده تبدیل می‌شود. نهایتا تبدیل به باریوم و کریپتون و 3 تا
نوترون تند و 177 Mev انرژی آزاد می‌شود. پس در واکنش اخیر به ازای هر نوکلئون حدود 1 Mev انرژی
آزاد می‌شود. در واکنشهای شیمیایی مثل انفجار به ازای هر مولکول حدود 30 Mev انرژی
ایجاد می‌شود. لازم به ذکر است در راکتورهای هسته‌ای که با نوترون کار می‌کند، طبق
واکنشهای به عمل آمده 2 الی3 نوترون سریع تولید می‌شود. حتما ایننوترونهای سریع
باید کند.




 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 




 

همجوشی هسته
ای:

همجوشی (گداخت) هسته‌ای فرآیندی عکس عمل
شکافت هسته‌ای است. در فرآیند همجوشی هسته‌ای هسته‌های سبک مانند هیدروژن، دوتریوم
و تریتیوم با یکدیگر همجوشی داده شده و هسته‌های سنگین‌تر و مقداری انرژی تولید می‌شود.

برای اینکه همجوشی امکان پذیر باشد هسته‌هایی که در واکنش وارد می‌شوند باید دارای
انرژی جنبشی کافی باشند تا بر میدان الکترواستاتیکی پیرامونشان فائق آیند. بنابراین
دما‌های وابسته به واکنش‌های همجوشی فوق العاده بالاست.

همجوشی طبیعی





همجوشی به صورت طبیعی هم رخ می‌دهد. انرژی گرمایی که هر روزه زمین و منظومه شمسی
را گرم می‌کند ناشی از واکنشهای همجوشی در خورشید است به این نحو که در خورشید (یا
در ستارگان دیگر) نیروهای گرانشی قوی باعث می‌شوند ایزوتوپهای هسته‌های هیدروژن به
اندازه کافی به هم نزدیک و با هم ترکیب شوند تا هسته هلیوم و مقداری انرژی تولید
شود.

مزیت‌ها

مزیت همجوشی هسته‌ای نسبت به شکافت هسته‌ای مقایسه می‌شود:

• منابع سوخت آن
بسیار فراوان است. به عنوان مثال دو تریوم حدود ۱۵۳ ۰/۰ درصد اتمی ازهیدروژنهای آب
اقیانوسها را تشکیل می‌دهد. تریتون نیز در فرایند جذب نوترون توسط لیتیوم قابل
تولید است.

• به ازاء هر
نوکلئون از ماده سوخت، انرژی تولیدی نسبت به روش شکافت بیشتر است.

• معضل
پسماندهای هسته‌ای را ندارد،

• اینکه در
هنگام وقوع حوادث احتمالی، راکتور همجوشی از کنترل خارج نمی‌شود.

به عنوان مثالی از انرژی تولیدی در یک راکتور همجوشی می‌توان گفت اگر یک گالن از
آب دریا را که دارای مقدارکافی دوترون است در واکنش همجوشی استفاده کنیم معادل ۳۰۰
گالن گازوئیل انرژی بدون آلودگی تولید می‌کند.



واکنش زنجیره‌ای هسته‌ای:








واکنش زنجیره‌ای هسته‌ای فرآیندی است که در آن نوترون‌های ناشی از شکافت هسته‌ای
باعث شکافت هسته‌های دیگر اتم‌ها می‌شوند.

در اواخر سال ۱۹۳۸ اتو هان، لیزه مایتنر و فردریک اشتراسمن به اکتشافی دست یافتند
که دنیا را تحت تأثیر قرار داد، آنها متوجه شدند که می‌توان کاری کرد که هسته‌های اورانیوم
۲۳۵ شکسته شوند.

فرض کنید که نوترونی در اطراف یک هسته اورانیوم ۲۳۵ آزادانه در حال حرکت است. این
هسته تمایل زیادی دارد که نوترون کند را به درون خود بکشاند وآن راجذب کند. هسته
اورانیوم پس از گیر اندازی این نوترون دیگر هسته‌ای پایدار نیست و ناگهان از هم
شکافته می‌شود. این هسته در طی فرآیند شکافت به دو یا چند هسته با جرم کوچک‌تر،
یعنی به صورت هسته‌های عناصر نزدیک به مرکز جدول تناوبی تجزیه می‌‌شود.

به طور کلی در فرآیند شکافت اگر یک نوترون به هسته اصابت کند به طور میانگین ۵/۲
نوترون در اثر شکافت آزاد می‌‌شود حال اگر ما تعداد نوترون‌های آزاد شده را ۳ عدد
فرض کنیم و مدت زمان لازم برای تحقق هر شکافت ‎۰/۰۱ ثانیه باشد، مقدار اورانیوم
مصرف شده در یک ثانیه در حدود ۱۰ به توان ۲۳ کیلوگرم خواهد بود. واضح است که واکنش
زنجیره‌ای شکافت می‌تواند مقادیر قابل توجهی از اورانیوم را در مدت زمان ناچیزی به
انرزی تبدیل کند.

مشخص است که ما نیازی به تولید مستمر نوترون نداریم بلکه با اصابت اولین نوترون به
هسته وآزاد شدن نوترون‌های ناشی از فرآیند شکافت ما می‌توانیم نوترون مورد نیاز
خود را بدست آوریم که مسلما این تعداد نوترون بسیار بیشتر از نیاز ما خواهد بود.
به حداقل مقدار اورانیومی که برای فرآیند شکافت لازم است جرم بحرانی یا مقدار
بحرانی می‌‌گویند. از به هم پیوستن دو یا چند جرم بحرانی یک ابر جرم بحرانی حاصل
می‌‌شود.

حال اگر بخواهیم واکنش زنجیره‌ای ادامه پیدا کند، حفظ یک اندازه بحرانی برای ماده
اولیه اورانیوم ضرورت دارد. در صورتی که مقدار اورانیوم را خیلی کمتر از جرم
بحرانی بگیریم، بیشتر نوترون های تولیدی فرار خواهند کرد زیرا این فرار به عواملی
چون شکل فیزیکی اورانیوم و جرم آن وابسته است و در نتیجه واکنش متوقف می‌‌شود. از
سوی دیگر اگر مقدار اورانیوم را فوق العاده زیاد بگیریم مثلاً به اندازه یک ابر
جرم بحرانی، تمام نوترون های تولیدی در واکنش های بعدی شرکت خواهند کرد وانرژی
آزاد شده در یک فاصله زمانی کوتاه آنچنان زیاد خواهد شد که نتیجه‌ای جز انفجار
نخواهد داشت!! بین این دو حالت یک خط فاصل وجود دارد:اگر بزرگی کره اورانیومی شکل
را درست برابر اندازه بحرانی بگیریم آنگاه از هر شکافت فقط یک نوترون برای شرکت در
شکافت بعدی باقی می‌‌ماند در این صورت واکنش با آهنگ ثابتی ادامه می‌‌یابد. از
خاصیت حالت سوم برای عملکرد نیروگاههای هسته‌ای استفاده می‌‌کنند.

 

فناوری هسته‌ای :

فن‌آوری است که بر اساس واکنش‌های هسته‌ای به
وجود آمده است. که گستره‌ی بزرگی از حسگر دود تا راکتورهای هسته‌ای, و سلاح هسته‌ای.

اولین بار از سلاح هسته‌ای که یکی از کاربردهای مخرب فناوری هسته‌ای است در ۱۶
ژوئیه ۱۹۵۴ برای بمباران دو شهر ژاپنی هیروشیما و ناگازاکی توسط آمریکا استفاده شد
پروژه‌ای که ساخت چنین بمبی را دنبال می کرد پروژه منهتن نام داشت.

در طول جنگ سرد بارها کشورهای آمریکا و اتحاد جماهیر شوروی اقدام به افزایش توان
تسلیحاتی خود نمودند

انواع واکنش‌های هسته‌ای:

واکنش‌هایی که در یک راکتور انجام می گیرد به دو دسته تقسیم می شوند:گداخت هسته‌ای
و شکافت هسته‌ای

حوادث هسته‌ای:

حادثه سه مایلی آیلند (۱۹۷۹)

حادثه سه مایلی آیلند در سال ۱۹۷۹ اتفاق افتاد

حادثه چرنوبیل (۱۹۸۶)

حادثه چرنوبیل در سال ۱۹۸۶ و در چرنوبیل (در اوکراین کنونی) اتفاق افتاد به طوری
کنترل نیروگاه در ساعت ۱:۴۰ بامداد خارج شد و بتن آرمه یک متری گنبد را ذوب نمود و
اتفاقات پس از آن مو جب شد تا در کل اروپا وضعیت اضطراری اعلام شود

کاربردهایانرژی هسته‌ای:

نیروگاه هسته‌ای:نیروگاه‌های هسته‌ای را می توان مهمترین کاربرد از فناوری هسته‌ای
نامید که بدون تولید گازهای آلاینده به تولید برق می پردازند.

نیروگاه‌ها کاربردهای وسیعتری در زمینه‌های دیگر مانند حمل نقل زیردریایی ها ٬تحقیقات علمی
و... نیز دارند

کاربردهای پزشکی:

تصویر برداری - تصویر برداری های پزشکی که از
طریق منابع پرتو ایکس مانند کبالت ۶۰ یا تکنسیوم ۹۹ انجام می گیرد, و یکی از
کاربردهایش مقطع‌نگاری با نشر پوزیترون است.

کاربردهای صنعتی:

اکتشاف نفت و گاز- توانایی عبور پرتو گاما از سنگ‌ها ب ما کمک می کند منابعی مانند
نفت و گاز را شناسایی کنیم.

ساخت جاده - از مواد هسته‌ای مانند سزیم ۱۳۷ برای شناسایی چگالی آسفالت٬ خاک و بتن
استفاده می کنیم.

کاربردهای تجاری:

یک حسگر دود ازآمرسیوم-۲۴۱ , که یک منبع واپاشی آلفاست تشکیل شده است. ترتیوم و
فسفر به هنگام دود شروع به اعلام خطر می کنند و مزیت این نوع حسگرها قابلیت دید در
تاریکی است.

صنایع غذایی:

از پرتوزایی هسته‌ای برای از بین بردن میکروبها ویروسها باکتریها و قارچها استفاده
می شود.

 

آب سنگین :

آبی است که نسبت ایزوتوپ دوتریوم در آن از حد
آب معمولی بیشتر است. در آب سنگین (با فرمول D۲O)
بر خلاف آب معمولی (با فرمول H۲O) به جای هیدروژن ایزوتوپ هیدروژن دوتریم(بافرمول اتمی ۲H )با اکسیژن ترکیب شده‌است.با کمک ین نوع از آب می‌توان پلوتونیوم
لازم بری سلاح های اتمی را بدون نیاز به غنی سازی بالی اورانیوم تهیه کرد. از
کاربردهی دیگر ین آب می‌توان به استفاده از آن در رآکتورهی هستهٔ با سوخت
اورانیوم، بعنوان متعادل کننده (Moderator)
به جی گرافیت و نیز عامل انتقال گرمی رآکتور نام برد.

آب سنگین واژهٔ است که معمولا به اکسید هیدروژن سنگین، D۲O
یا ۲H۲O اطلاق می‌شود. هیدروژن سنگین یا دوتریوم (Deuterium) یزوتوپی پیدار از هیدروژن است که
به نسبت یک به ۶۴۰۰ از اتمهی هیدروژن در طبیعت وجود دارد. خواص فیزیکی و شیمییی آن
به نوعی مشابه با آب سبک H۲O است.

اولین کاربرد علمی از آب سنگین در سال در سال ۱۹۳۴ توسط دو بیولوژیست بنامهای هوسی
(Hevesy) و هافر(Hoffer) صورت گرفت. آنها از آب سنگین
برای آزمایش ردیابی بیولوژیکی، به منظور تخمین میزان بازدهی آب در بدن انسان،
استفاده قرار دادند.

روش تهیه آب سنگین

در طبیعت از هر ۳۲۰۰ مولکول آب یکی آب نیمه سنگین HDO است. آب نیمه سنگین را می‌توان با
استفاده از روش‌هایی مانند تقطیر یا الکترولیز یا دیگر فرآیندهای شیمیایی از آب
معمولی تهیه کرد. هنگامی که مقدار HDO
در آب زیاد شد، میزان آب سنگین نیز بیشتر می‌شود زیرا مولکول‌های آب هیدروژن‌های
خود را با یکدیگر عوض می‌کنند و احتمال دارد که از دو مولکول HDO یک مولکول H۲O
آب معمولی و یک مولکول D۲O آب سنگین به وجود آید. برای تولید آب سنگین خالص با استفاده از
روش‌های تقطیر یا الکترولیز به دستگاه‌های پیچیده تقطیر و الکترولیز و همچنین
مقدار زیادی انرژی نیاز است، به همین دلیل بیشتر از روش‌های شیمیایی برای تهیه آب
سنگین استفاده می‌کنند.

کند کننده نوترون:

آب سنگین در بعضی از انواع رآکتورهای هسته‌ای نیز به عنوان کند کننده نوترون به
کار می‌رود. نوترون‌های کند می‌توانند با اورانیوم واکنش بدهند.از آب سبک یا آب
معمولی هم می‌توان به عنوان کند کننده استفاده کرد، اما از آنجایی که آب سبک
نوترون‌های حرارتی را هم جذب می‌کنند، رآکتورهای آب سبک باید اورانیوم غنی شده
اورانیوم با خلوص زیاد استفاده کنند، اما رآکتور آب سنگین می‌تواند از اورانیوم
معمولی یا غنی نشده هم استفاده کند، به همین دلیل تولید آب سنگین به بحث‌های مربوط
به جلوگیری از توسعه سلاح‌های هسته‌ای مربوط است. رآکتورهای تولید آب سنگین را می‌توان
به گونه‌ای ساخت که بدون نیاز به تجهیزات غنی سازی، اورانیوم را به پلوتونیوم قابل
استفاده در بمب اتمی تبدیل کند. البته برای استفاده از اورانیوم معمولی در بمب
اتمی می‌توان از روش‌های دیگری هم استفاده کرد. کشورهای هند، اسرائیل، پاکستان،
کره شمالی، روسیه و آمریکا از رآکتورهای تولید آب سنگین برای تولید بمب اتمی
استفاده کردند.با توجه به امکان استفاده از آب سنگین در ساخت سلاح هسته‌ای، در
بسیاری از کشورها دولت تولید یا خرید و فروش مقدار زیاد این ماده را کنترل می‌کند.
اما در کشورهایی مثل آمریکا و کانادا می‌توان مقدار غیر صنعتی یعنی در حد گرم و
کیلوگرم را بدون هیچ گونه مجوز خاصی از تولید کنندگان یا عرضه کنندگان مواد
شیمیایی تهیه کرد. هم اکنون قیمت هر کیلوگرم آب سنگین با خلوص ۹۸۹۹درصد حدود ۶۰۰
تا ۷۰۰ دلار است. .

نکته قابل توجه آن است که آب سنگین را نبید با آب سخت که اغلب شامل املاح زیاد است
و یا یا آب تریتیوم (T۲O or ۳H۲O)
که از یزوتوپ دیگر هیدروژن تشکیل شده‌است، اشتباه گرفت. تریتیوم یزوتوپ دیگری از
هیدروژن است که خاصیت رادیواکتیو دارد و بیشتر بری ساخت موادی که از خود نور منتشر
می‌کنند بکار برده می‌شود.



اورانیوم:

اورانیوم یکی از عنصرهای شمیایی است که عدد اتمی آن ۹۲ و نشانه آن U است و در جدول تناوبی جزو آکتنیدها قرار می‌گیرد. ایزوتوپ ‎۲۳۵U آن در نیروگاه‌های هسته‌ای به عنوان سوخت و در سلاح‌های هسته‌ای
به عنوان ماده منفجره استفاده می‌شود.

اورانیوم به طور طبیعی فلزی است سخت، سنگین، نقره‌ای رنگ و پرتوزا. این فلز کمی
نرم تر از فولاد بوده و تقریبآ قابل انعطاف است. اورانیوم یکی از چگالترین فلزات پرتوزا
است که در طبیعت یافت می‌شود. چگالی آن ۶۵٪ بیشتر از سرب و کمی کمتر از طلا است.

سال‌ها از اورانیوم به عنوان رنگ دهنده لعاب سفال یا برای تهیه رنگ‌های اولیه در
عکاسی استفاده می‌شد و خاصیت پرتوزایی (رادیواکتیو) آن تا سال ۱۸۶۶ ناشناخته ماند
و قابلیت آن برای استفاده به عنوان منبع انرژی تا اواسط قرن بیستم مخفی بود.

فراوانی این عنصر از نظر فراوانی در میان عناصر طبیعی پوسته زمین در رده ۴۸
قراردارد.

اورانیوم در طبیعت بصورت اکسید و یا نمک‌های مخلوط در مواد معدنی (مانند اورانیت
یا کارونیت) یافت می‌شود. این نوع مواد اغلب از فوران آتشفشان‌ها بوجود می‌آیند و
نسبت وجود آنها در زمین برابر دو در میلیون نسبت به سایر سنگها و مواد کانی است.
اورانیوم طبیعی شامل ‎۹۹/۳٪ از ایزوتوپ ‎۲۳۸U و ‎۰/۷٪ ‎۲۳۵U است.



شکاف هسته‌ای اورانیوم

U-۲۳۵ قابلیت شکاف هسته‌ای دارد. این
نوع از اتم اورانیوم دارای ۹۲ پروتون و ۱۴۳ نوترون است (بنابراین جمعآ ۲۳۵ ذره در
هسته خود دارد و به همین دلیل U-۲۳۵
نامیده می‌شود)، کافی است یک نوترون دریافت کند تا بتواند به دو اتم دیگر تبدیل
شود.

این عمل با بمباران نوترونی هسته انجام می‌گیرد، در این حالت یک اتم U-۲۳۵ به دو اتم دیگر تقسیم می‌شود و
دو، سه و یا بیشتر نوترون آزاد می‌شود. نوترون‌های آزاد شده خود با اتم‌های دیگر U-۲۳۵ ترکیب می‌شوند و آنها را تقسیم
کرده و به همین منوال یک واکنش زنجیره‌ای از تقسیم اتم‌های U-۲۳۵ تشکیل می‌شود.

اتم U-۲۳۵ با دریافت یک نوترون به
اورانیوم ۲۳۶ تبدیل می‌شود که ثبات و پایداری نداشته و تمایل دارد به دو اتم با
ثبات تقسیم شود. انجام عمل تقسیم باعث آزاد شدن انرژی می‌شود بگونه‌ای که جمع
انرژی حاصل از تقسیم زنجیره اتمهای U-۲۳۵
بسیار قابل توجه می‌شود.

نمونه‌ای از این واکنش‌ها به اینصورت است:



U-۲۳۵ + nBa-۱۴۱ + Kr-۹۲ + ۳n + ‎۱۷۰ Million
electron Volts‎

U-۲۳۵ + n Te-۱۳۹ + Zr-۹۴ + ۳n + ۱۹۷ Million electron Volts



که در آن: electron
Volt = ۱٫۶۰۲ x ۱۰-۱۹ joules

(یک ژول انرژی برابر توان یک وات برای مصرف در یک ثانیه‌است.)

مجموع این عملیات ممکن است در محلی بنام رآکتور هسته‌ای انجام گیرد. رآکتور هسته‌ای
می‌تواند از انرژی آزاد شده برای گرم کردن آب استفاده کند تا در نهایت از آن برای
راه اندازی توربین‌های بخار و تولید برق استفاده شود.

 

چرخه سوخت هسته‌ای:

 

چرخه سوخت هسته‌ای به مراحل اکتشاف و استخراج
و غنی‌سازی و کاربرد و دفع و بازیافت سوخت هسته‌ای گفته می‌شود.

اکتشاف

منابع سوخت هسته‌ای در بسیاری از مناطق جهان وجود دارد. کار اکتشاف با هدف کشف
منابعی که استخراج آن صرفه اقتصادی داشته باشد انجام می‌گیرد.

استخراج

کانسنگ‌های مواد مناسب سوخت اتمی مانند اورانیوم به روش‌های متداول استخراج معادن
استخراج می‌شود.

غنی سازی

برای افزایش درصد ایزوتوپ‌های مفید در سوخت هسته‌ای، مراحلی برای تغلیظ و غنی‌سازی
انجام می‌گیرد.

تهیه سوخت

مواد غنی شده به صورت مناسب برای کار در رآکتور هسته‌ای تغییر شکل می‌یابد.

کاربرد

سوخت در رآکتور هسته‌ای بکار گرفته می‌شود و انرژی تولید می‌کند.

دفع

سوخت بکار رفته از رآکتور خارج می‌شود و در محوطه‌های ویژه دفن می‌شود، یا برای
بازیافت به تأسیسات بازیافت فرستاده می‌شود.

بازیافت

بعضی از انواع سوخت مصرف شده بازیافت پذیر است و این کار در تأسیسات ویژه انجام می‌گیرد
و مواد حاصل از آن دوباره به عنوان سوخت بکار می‌رود.

 

غنی‌سازی اورانیوم:

 

غنی‌سازی اورانیوم عملی است که بواسطه آن در
یک توده اورانیوم طبیعی مقدار ایزوتوپ ۲۳۵U
بیشتر شود و مقدار ایزوتوپ ۲۳۸U
کمتر. غنی‌سازی اورانیوم یکی از مراحل چرخه سوخت هسته‌ای است.

اورانیوم طبیعی (که بشکل اکسید اورانیوم است) شامل ۳/۹۹٪ از ایزوتوپ
۲۳۸U و ‎۰/۷‎٪ از ‎۲۳۵U است. ایزوتوپ ۲۳۵U
اورانیوم قابل شکافت و مناسب برای بمب‌ها و نیروگاه‌های هسته‌ای است.

۲۳۸U باقی‌مانده را اورانیوم ضعیف شده
می‌نامند و نوعی زباله اتمی است. بخاطر سختی زیاد و آتشگیری و ویژگی‌های دیگر از
آن در ساختن گلوله‌های ضد زره استفاده می‌کنند. اورانیوم ضعیف شده نیز همچنان
پرتوزا است.

انواع اورانیوم

«اورانیوم با غنای پایین» که میزان ۲۳۵U
آن کمتر از ۲۵٪ ولی بیشتر از ‎۰/۷‎٪ است. سوخت
بیشتر نیروگاه‌های هسته‌ای بین ۳ تا ۵ درصد ۲۳۵U است.

«اورانیوم با غنای بالا» که ۲۳۵U
در آن بیشتر از ۲۵٪ و حتی در مواردی بیش از ۹۸٪ است و مناسب
برای کاربردهای نظامی وساخت بمب‌های هسته‌ای است.

روش‌های غنی‌سازی اورانیوم

• روش انتشار
(پخش) حرارتی

• روش انتشار
(پخش) گازها

• روش
الکترومغناطیسی

• روش مرکزگریز
گازی

• روش مرکزگریز
گازی زیپه

• روش‌های لیزری


• روش شیمیایی

• روش پلاسمایی

واپاشی هسته‌ای: (فروپاشی هسته‌ای) به مجموعه
فرایندهای مختلفی گفته می‌شود که در هستهٔ اتم‌های ناپایدار پرتوزا رخ می‌دهد و منجر
به تولید ذرات زیراتمی می‌شود. به این ذرات زیراتمی که از واپاشی تدریجی اتم‌های
ناپایدار حاصل می‌شوند، پرتوهای رادیواکتیو می‌گویند. در اثر واپاشی هسته‌ای پس از
یک زمان تصادفی (که نیمه عمر آن قابل تعیین است) هسته‌های بزرگ به هسته‌های کوچک‌تر
و معمولاً پایدارتر تجزیه می‌شوند و ماده اولیه به تدریج از بین می‌رود (البته جرم
مواد جدید تنها به میزان اندکی کمتر از ماده اولیه خواهد بود). این فرایند یک
رویداد تصادفی است، یعنی نمی‌توان زمان واپشی یک اتم مشخص را در زمان پیش‌بینی کرد.

دسته بندی واپاشی‌های هسته‌ای:

• دسته اول:
واپاشی آلفا که یک هسته هلیم را بروز می‌دهد.

• دسته دوم:
واپاشی بتا که یک الکترون و یک نوترون بروز می‌دهد.

• دسته سوم:
واپاشی گاما که فوتون بروز می‌دهد.





 

ضایعات هسته‌ای:







طریقهٔ پیش بینی شده برای ذخیره سازی ضایعات سطح بالا بمدت هزاران سال در کوه یاکا
در ایالت نوادا.

ضایعات هسته ای (Nuclear
waste)
به‌عنوان پس مانده‌های آزمایشات تحقیقاتی در کشاورزی، در صنعت، پزشکی، و محصول
فرعی فرایند تولید انرژی هسته‌ای همواره ناخواسته تولید می‌شوند.

تعاریف و دسته بندی

در ایالات متحده ضایعات هسته‌ای را بر حسب نوع محتویات، پتانسیل تولید حرارتی، و
شدت پرتوزایی دسته بندی می‌کنند. این دسته بندی ضایعات هسته‌ای را به سه قسمت
تقسیم می‌کند:

• LLW: ضایعات سطح پایین (Low Level Waste)

• TRU: ضایعات فرا اورانیومی (TransuranicWaste)

• HLW: ضایعات سطح بالا (Hi Level Waste) همانند Sr-۹۰, Y-۹۰ , و Cs-۱۳۷

در این دسته بندی، نود درصد کل ضایعات هسته‌ای از نوع اول میباشند.

برای ضایعات دسته اول هسته‌ای، چال کردن کم عمق و یا ذخیره سازی کوتاه مدت راه حل
در نظر گرفته شدهٔ استاندارد میباشد. برای دو دستهٔ آخر, چال کردن
عمیق ضایعات هسته‌ای راه حلیست که بسیاری از کار شناسان در نظر گرفته‌اند.



منابع اصلی ضایعات هسته‌ای:

پروسهٔ شیشه سازی: یکی از راه حل‌های پیشنهادی برای ذخیره سازی ضایعات هسته‌ای،
فرایندیست که مواد آلاینده پرتوزا ذوب و سپس جامد سازی شده و در محفظه‌های مخصوص
ذخیره سازی می‌شود.

• آلایندگان
طبیعی همانند پتاسیم-۴۰

• ذغال سنگ
(تجمع رادیوایزوتوپ ‌ها حاصل از سوخت ناقص)

• نفت و گاز
(منجر به آزادسازی رادون)

• معادن (بخصوص
در معادن فسفاتی)

• استفاده‌های
پزشکی (بطور مثال Tc-۹۹m)

• صنایع

• محصولات چرخهٔ سوختی

• بازپردازش
سلاحهای هسته‌ای

روشهای پردازش و دفع ضایعات هسته‌ای

امروزه روشهای پردازش و دفع ضایعات هسته‌ای نوین عبارتند از:

• فشرده سازی (Compaction)

• پردازش
شیمیایی (Chemical
treatment)


• شیشه سازی (Vitrification)

• محفوظ سازی (Canning and sealing with concrete)


• ذخیره سازی (Storage)

در میان مواد باقی مانده در یک چرخه هسته‌ای اورانیوم مصرف شده از همه مهم‌تر است.
یک راکتور هسته‌ای بزرگ هر سال در حدود سه متر مکعب (۲۵ تا ۳۰ تن) اورانیوم مصرف
شده تولید می‌کند. این مواد مصرف شده از مقداری اورانیوم و همچنین مقداری
پلوتونیوم و کوریوم تشکیل شده‌است و به طور کلی حدود ۳٪ از آن از مواد
باقی مانده از شکافت تشکیل شده. اکتینیدها (اورانیوم، پلونیوم، و کریوم) موجود در
این ترکیب موجب به وجود آمدن تششعات بلند مدت و کوتاه مدت رادیواکتیویته می‌شوند.

سوخت مصرف شده دارای خاصیت رادیواکتیو بالایی است و برای حمل آنها باید تمام جوانب
احتیاط را رعایت کرد. البته خاصیت رادیواکتیو این مواد در طول زمان کاهش می‌یابد.
پس از ۴۰ سال تششعات رادیواکتیو این مواد تا ۹۹٪ کاهش می‌یابند
ولی با این حال هنوز هم خطرناک هستند.

در کشورهایی که دارای نیروگاه هسته‌ای هستند زباله‌های تششع‌زا کمتر از ۱٪ از کل زباله‌های
سمی تولیدی را تشکیل می‌دهند. همچنین بسیاری از زباله‌های سمی با گذشت زمان خاصیت
خود را از دست نمی‌دهند و به هیچ وجه تجزیه پذیر نیستند. به طور کلی مواد تولیدی
در اثر سوختن سوخت‌های فسیلی می‌توانند از زباله‌های تولید شده در یک نیروگاه هسته‌ای
خطرناک‌تر باشندزباله‌های تولید شده بر اثر همجوشی هسته‌ای با انبار شدن پس از صد
سال دوباره قابل استفاده هستند، در مقابل زباله‌های تولیدی از شکافت هسته‌ای تا
۱۰۰۰۰ می‌توانند آثار رادیواکتیوی داشته باشند.



رآکتور اتمی

رآکتور اتمی دستگاهی برای انجام واکنشهای
هسته‌ای بصورت تنظیم شده و تحت کنترل است. این دستگاه در اندازه‌های آزمایشگاهی،
برای تولید ایزوتوپهای ویژه مواد پرتوزا (رادیواکتیو) و همینطور پرتو-داروها برای
مصارف پزشکی و آزمایشگاهی، و در اندازه‌های صنعتی برای تولید برق ساخته می‌شوند.

اولین انرژی کنترل شده ناشی از شکافت هسته در دسامبر 1942 بدست آمد. با رهبری فرمی
ساخت و راه اندازی یک پیل از آجرهای گرافیتی ، اورانیوم و سوخت اکسید اورانیوم با
موفقیت به نتیجه رسید. این پیل هسته‌ای ، در زیر میدان فوتبال دانشگاه شیکاگو

/ 0 نظر / 20 بازدید