سال 1389=سال اورانیوم

[ghasem motamedi]

سال 1389،سال اورانیوم می باشد.(به امید پیشرفت روز افزون این عنصر درصنعت)

[ghasem motamedi]

اورانیوم یکی از عنصرهای شیمیایی است که عدد اتمی آن ۹۲ و نشانه آن U است و در جدول تناوبی جزو آکتنیدها قرار می‌گیرد. ایزوتوپ ‎۲۳۵U اورانیوم در نیروگاه‌های انرژی هسته‌ای به عنوان سوخت و در سلاح‌های‌اتمی 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 میلادی ناشناخته ماند و قابلیت آن برای استفاده به عنوان منبع انرژی تا اواسط قرن بیستم میلادی 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.
این فلز در بسیاری از قسمت‌های دنیا در صخره‌ها، خاک و حتی اعماق دریا و اقیانوس‌ها وجود دارد. میزان وجود و پراکندگی آن از طلا، نقره یا جیوه بسیار بیشتر است.
ده کشوری که ۹۴٪ از استخراج اورانیوم جهان در آنها انجام می‌گیرد.

تاریخچه
اورانیوم در سال ۱۷۸۹ توسط مارتین کلاپروت (Martin Klaproth) شیمی دان آلمانی از نوعی اورانیت بنام پیچبلند (Pitchblende) کشف شد. این نام اشاره به سیاره اورانوس دارد که هشت سال قبل از آن، ستاره شناسان آن را کشف کرده بودند.
اورانیوم یکی از اصلی‌ترین منابع گرمایشی در مرکز زمین است و بیش از ۴۰ سال است که بشر برای تولید انرژی از آن استفاده می‌کند.
دانشمندان معتقد هستند که اورانیوم بیش از ۶/۶ بیلیون سال پیش در اثر انفجار یک ستاره بزرگ بوجود آمده و در منظومه خورشیدی پراکنده شده‌است.

ویژگی‌های اورانیوم
اورانیوم یکی‌ از سنگین‌ترین (به بیان دقیقتر چگالترین) 18,97 g/cm³ عنصری است که در طبیعت یافت می‌شود (هیدروژن سبکترین عنصر طبیعت است Platin 21,45 g/cm³ .)
اورانیوم خالص حدود ‎۱۸/۷ بار از آب چگالتر است و همانند بسیاری از دیگر مواد پرتوزا در طبیعت بصورت ایزوتوپ یافت می‌شود.
اورانیوم شانزده ایزوتوپ دارد. حدود ‎۹۹/۳ درصد از اورانیومی که در طبیعت یافت می‌شود ایزوتوپ ۲۳۸ (U-۲۳۸) است و حدود ‎۰/۷ درصد ایزوتوپ ۲۳۵ (U-۲۳۵). دیگر ایزوتوپ‌های اورانیم بسیار نادر هستند.
در این میان ایزوتوپ ۲۳۵ برای بدست آوردن انرژی از نوع ۲۳۸ آن بسیار مهم‌تر است چرا که U-۲۳۵ (با فراوانی تنها ‎۰/۷ درصد) آمادگی آن را دارد که در شرایط خاص شکافته شود و مقادیر زیادی انرژی آزاد کند. به این ایزوتوپ «اورانیوم شکافتنی» (Fissil Uranium) هم گفته می‌شود و برای شکافت هسته‌ای استفاده می‌شود.
اورانیوم نیز همانند دیگر مواد پرتوزا دچار تباهی می‌شود. مواد رادیو اکتیو دارای این خاصیت هستند که از خود بطور دائم ذرات آلفا و بتا و یا اشعه گاما منتشر می‌کنند.
U-۲۳۸ باسرعت بسیار کمی تباه می‌شود و نیمه عمر آن در حدود ‎۴، ۵۰۰ میلون سال (تقریبآ برابر عمر زمین) است.
این موضوع به این معنی است که با تباه شدن اورانیوم با همین سرعت کم انرژی برابر ‎۰/۱ وات برای هر یک تن اورانیوم تولید می‌شود و این برای گرم نگاه داشتن هسته زمین کافی است.

شکافت 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 + nTe-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.

[ghasem motamedi]

کانسنگ اورانیوم


غنی‌سازی اورانیوم عملی است که به‌واسطهٔ آن در یک تودهٔ اورانیوم طبیعی مقدار ایزوتوپ ۲۳۵U بیشتر شود و مقدار ایزوتوپ ۲۳۸U کم‌تر گردد. غنی‌سازی اورانیوم یکی از مراحل چرخه سوخت هسته‌ای است.
اورانیوم طبیعی (که به‌شکل 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 ضعیف‌شده می‌نامند و نوعی زباله اتمی است. به‌خاطر سختی زیاد و آتش‌گیری و ویژگی‌های دیگر از آن در ساختن گلوله‌های ضد زره استفاده می‌کنند. اورانیوم ضعیف‌شده 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 و ساخت بمب‌های هسته‌ای است.
گستردگی در جهان

براساس گزارش آژانس انرژی اتمی، کشورهای ایالات متحده آمریکا، روسیه، چین، فرانسه، ایتالیا، بلژیک، اسپانیا، آلمان، هلند، انگلستان، ژاپن در غالب شش سازمان قادر به غنی‌سازی اورانیوم در حدّ تجاری هستند. هند و پاکستان با درصد غنی‌سازی پایین‌تر، آرژانتین به‌صورت غیرفعال و هم‌چنین برزیل و ایران قادر به غنی‌سازی اورانیوم هستند.[۱] گمانه زنی‌هایی در مورد توانایی غنی سازی اورانیوم دراسرائیل و کره شمالی نیز وجود دارد.لیبی درسال ۲۰۰۳ پس از یک دهه، غنی سازی را متوقف کرد.[۲]
غنی سازی اورانیوم

ایزوتوپهای اورانیوم می‌توانند از هم جدا شوند تا تمرکز یک ایزوتوپ بر دیگری را افزایش دهند. این فرایند غنی سازی نام دارد.
اورانیوم به رنگ سفید مایل به نقره‌ای، سنگین، فلزی و رادیواکتیو است و به رغم تصور عام، فراوانی آن در طبیعت حتی از عناصری از قبیل جیوه، طلا و نقره نیز بیشتر است. عنصر اورانیوم در طبیعت دارای ایزوتوپهای مختلف از جمله دو ایزوتوپ مهم و پایدار اورانیوم ۲۳۵ و اورانیوم ۲۳۸ است.
اورانیوم ۲۳۵ مهمترین ماده مورد نیاز راکتورهای هسته‌ای (برای شکافته شدن و تولید انرژی) است اما مشکل کار اینجاست که اورانیوم استخراج شده از معدن ترکیبی از ایزوتوپهای ‪ ۲۳۸و ‪ ۲۳۵بوده که در این میان سهم ایزوتوپ ‪ ۲۳۵بسیار اندک(حدود ‪ ۰٫۷درصد) است و به همین علت باید برای تهیه سوخت راکتورهای هسته‌ای به روشهای مختلف درصد اوانیوم ‪ ۲۳۵را در مقایسه با اورانیوم ‪ ۲۳۸بالا برده و بسته به نوع راکتور هسته‌ای به ۲ تا ۵٪ رساند و به اصطلاح اورانیوم را غنی‌سازی کرد.
فراوری کیک زرد و تولید هگزافلورید اورانیوم و آغاز غنی‌سازی (مرحله تبدیل و غنی‌سازی ) کیک زرد در این مرحله هنوز دارای ناخالصی‌هایی است که توسط روشهای مختلف این ناخالصی‌ها کاسته شده‌است. ‪استخراج اوانیوم از معدن و تهیه کیک زرد(مرحله فراوری سنگ معدن اورانیوم) عنصر اورانیوم در طبیعت به صورت ترکیبات شیمیایی مختلف از جمله اکسید اورانیوم، سیلیکات اورانیوم و یا فسفات اورانیوم و به صورت مخلوط با ترکیباتی از عناصر دیگر یافت می‌شود.در میان کشورهای مختلف جهان، استرالیا دارای بزرگترین معادن اورانیوم است و کشورهای قزاقستان، کانادا، آفریقای جنوبی، نامیبیا، برزیل و روسیه نیز از معادن بزرگی برخوردارند.
مواد معدنی حاوی اورانیوم با استفاده از روشهای معدن‌کاوی زیرزمینی و یا روزمینی استخراج شده و سپس طی فرایندهای مکانیکی و شیمیایی موسوم به “آسیاب کردن” و “کوبیدن” از دیگر عناصر جدا می‌شوند. اورانیوم پس از استخراج تفکیک، کوبیده، خرد و به شکل پودر درآمده و سپس برای تولید ماده موسوم به “کیک زرد” استفاده قرار می‌گیرد. کیک زرد در واقع محصول فراوری سنگ معدن ارونیوم است و به ترکیباتی از اورانیوم گفته می‌شود که ناخالصی‌های معدنی آن به میزان زیادی گرفته شده و است.
حدود نیم کیلوگرم اورانیوم غنی شدهٔ به کار رفته در یک بمب هسته‌ای، برابر با چندین میلیون گالن بنزین 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

غنی سازی با دستگاه سانتریفیوژ






سانتریفیوژ دستگاهی است که برای جدا سازی مواد از یکدیگر بر اساس وزن آنها استفاده می‌شود. این دستگاه مواد را با سرعت زیاد حول یک محور به گردش از محور فاصله می‌گیرند. در واقع در این روش برای جدا سازی مواد از یکدیگر از شتاب ناشی از نیروی گریز از مرکز استفاده می‌گردد، کاربرد عمومی این دستگاه برای جداسازی مایع از مایع و یا مایع از جامد است. سانتریفیوژهایی که برای غنی سازی اورانیوم استفاده می‌شود حالت خاصی دارند که برای گاز تهیه شده‌اند که به آنها Hyper-Centrifuge گفته می‌شود. پیش از آنکه دانشمندان از این روش برای غنی سازی اورانیوم استفاده کنند از تکنولوژی خاصی بنام Gaseous Diffusion به معنی پخش و توزیع گازی استفاده می‌کردند.
گردش سریع سیلندر ، نیروی گریز از مرکز بسیار قوی تولید می‌کند و طی آن مولکولهای سنگینتر (آنهایی که شامل ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۸ هستند.) از مرکز محور گردش دورتر می‌گردند و با بستی سازهای ساخت قم(فردو)(اورانیوم ۲۳۵ ) بیشتر حول محور سانتریفیوژ قرار می‌گیرند. در غنی سازی اورانیوم با روش سانتریفوژ گازی، از تعداد زیادی سیلندر دوار که به صورت موازی و سری کنارهم قرار داده شده‌اند استفاده می‌شود.
سانترفیوز دستگاه استوانه‌ای شکلی است که درست مثل توربین هواپیما پره‌هایی در وسط آن وجود دارد این پره‌ها در هر دقیقه بیش از یک صد هزار گردش دارند در نتیجه این چرخش اورانیوم سنگین روی دیواره آخری سانترفیوژ قرار می‌گیرد و اورانیوم ۲۳۵ در کنار آن می‌نشیند باید هزاران سانترفیوژ در کنار هم قرار بگیرند تا ما بتوانیم اورانیوم را غنی کنیم یعنی با یک یا چند سانترفیوژ نمی‌توان اورانیوم را غنی کرد.
غنی سازی اورانیم از طریق میدان مغناطیسی


یکی از روشهای غنی سازی اورانیوم استفاده از میدان مغناطیسی بسیار قوی می‌باشد. در این روش ابتدا اورانیوم هگزا فلوئورید را حرارت می‌دهند تا تبخیر شود. از طریق تبخیر ، اتمهای اورانیوم و فلوئورید از هم تفکیک می‌شوند. در این حالت ، اتمهای اورانیوم را به میدان مغناطیسی بسیار قوی هدایت می‌کنند. میدان مغناطیسی بر هسته‌های باردار اورانیم نیرو وارد می‌کند ( این نیرو به نیروی کوفتی معروف می‌باشد) و اتمهای اورانیوم را از مسیر مستقیم خود منحرف می‌کند. اما هسته‌های سنگین اورانیوم ۲۳۸ نسبت به هسته‌های سبکتر (اورانیوم ۲۳۵) انحراف کمتری دارند و درنتیجه از این طریق می‌توان اورانیوم ۲۳۵ را از اورانیوم طبیعی تفکیک کرد.

[ghasem motamedi]

دید کلی: برحسب نظریه اتمی عنصر عبارت است از یک جسم خالص ساده که با روش های شیمیایی نمی توان آن ‏را تفکیک کرد. از ترکیب عناصر با یکدیگر اجسام مرکب به وجود می آیند. تعداد عناصر شناخته شده در ‏طبیعت حدود 92 عنصر است. هیدروژن اولین و ساده ترین عنصر و پس از آن هلیم ، کربن ، ازت ، اکسیژن ‏و... فلزات روی ، مس ، آهن ، نیکل و... و بالاخره آخرین عنصر طبیعی به شماره 92، عنصر اورانیوم است. ‏
بشر توانسته است به طور مصنوعی و به کمک واکنش های هسته ای در راکتورهای هسته ای و یا به ‏کمک شتاب دهنده های قوی بیش از 20 عنصر دیگر بسازد که تمام آن ها ناپایدارند و عمر کوتاه دارند و به ‏سرعت با انتشار پرتوهایی تخریب می شوند. ‏

شتاب دهنده

ایزوتوپهای عناصر:‏
اتم های یک عنصر از اجتماع ذرات بنیادی به نام پروتون ، نوترون و الکترون تشکیل یافته اند. پروتون بار مثبت و ‏الکترون بار منفی و نوترون فاقد بار است. تعداد پروتون ها نام و محل قرار گرفتن عنصر در جدول تناوبی ‏‏(جدول مندلیف) مشخص می شود. اتم اورانیوم در خانه شماره 92 قرار دارد. یعنی دارای 92 پروتون است. ‏تعداد نوترون ها در اتم های مختلف یک عنصر همواره یکسان نیست که برای مشخص کردن آنها از کلمه ‏ایزوتوپ استفاده می شود.

بنابراین اتم های مختلف یک عنصر را ایزوتوپ می گویند. مثلاً عنصر هیدروژن ‏سه ایزوتوپ دارد: هیدروژن معمولی که فقط یک پروتون دارد و فاقد نوترون است. هیدروژن سنگین یک پروتون ‏و یک نوترون دارد که به آن دوتریم گویند و نهایتاً تریتیم که از دو نوترون و یک پروتون تشکیل شده و ناپایدار ‏است و طی زمان ، تجزیه می شود.
‏
ایزوتوپ سنگین هیدروژن یعنی دوتریم در نیروگاه های اتمی کاربرد دارد و از الکترولیز آب به دست می آید. ‏در جنگ دوم جهانی آلمانی ها برای ساختن نیروگاه اتمی و تهیه بمب اتمی در سوئد و نروژ مقادیر بسیار ‏زیادی آب سنگین تهیه کرده بودند که انگلیسی ها متوجه منظور آلمانی ها شده و مخازن و دستگاه های ‏الکترولیز آنها را نابود کردند.‏


ایزوتوپهای اورانیوم:
عنصر اورانیوم، چهار ایزوتوپ دارد که فقط دو ایزوتوپ آن به علت داشتن نیمه عمر نسبتاً بالا در طبیعت و در ‏سنگ معدن یافت می شوند. این دو ایزوتوپ عبارتند از اورانیوم 235 و اورانیوم 238 که در هر دو 92 پروتون ‏وجود دارد ولی اولی 143 و دومی 146 نوترون دارد. ‏

اختلاف این دو فقط وجود 3 نوترون اضافی در ایزوتوپ سنگین است. ولی از نظر خواص شیمیایی این دو ‏ایزوتوپ کاملاً یکسان هستند و برای جداسازی آنها از یکدیگر حتماً باید از خواص فیزیکی آنها یعنی اختلاف ‏جرم ایزوتوپ ها استفاده کرد. ‏

شکافت هسته ای اورانیوم:‏

ایزوتوپ اورانیوم 235 شکست پذیر است و در نیروگاه های اتمی از این خاصیت استفاده می شود و حرارت ‏ایجاد شده در اثر این شکست را تبدیل به انرژی الکتریکی می نمایند. در واقع ورود یک نوترون به درون ‏هسته این اتم سبب شکست آن شده و به ازای هر اتم شکسته شده ‏ Mev ‎‏200 میلیون الکترون ولت ‏انرژی و دو تکه شکست و تعدادی نوترون حاصل می شود که می توانند اتم های دیگر را بشکنند. بنابراین ‏در برخی از نیروگاه ها ترجیح می دهند تا حدی این ایزوتوپ را در مخلوط طبیعی دو ایزوتوپ غنی کنند و ‏بدین ترتیب مسئله غنی سازی اورانیوم مطرح می شود.‏
کاربرد ایزوتوپهای اورانیوم:
- در راکتورهای هسته ای به عنوان سوخت به کار می روند.‏
- در نیروگاه های هسته ای برای تولید انرژی الکتریکی به کار برده میشود.‏

نحوه کارکرد بمب هیدروژنی

- در ساخت انواع مهمات هسته ای از جمله بمبهای هسته ای ، بمب
هیدروژنی و ... کاربرد دارند.‏

بمب هیدروژنی

- در درمان بیماریهای سرطانی ، تومورهای مغزی و غیره به کار می
گیرند.‏

[ghasem motamedi]

اطلاعات اولیه :
اورانیوم و توریم از جمله عناصر کمیاب هستند. قشر جامد کره زمین بطور متوسط به ازای هر تن وزن شامل چهار گرم اورانیوم است. یعنی اورانیوم همانقدر است که روی یا سرب یا قلع . بعضی از انواع سنگ های خارا حتی دارای 30 گرم اورانیوم به ازای هر تن از وزن خود می باشند.
مهمترین ماده معدنی اورانیوم عبارتست از پیچ بلند (Pitch-blende) که نام علمی اش اکسید بی آب اورانیوم 358 می باشد. این سنگ معدنی در قسمت فوقانی قشر جامد کره زمین تحت تاثیر جریانات آب تغییر می یابد و هیدرات های مختلف بوجود می آورد و اگر تغییرات و ترکیبات پیشرفت کند فسفات های مختلف مواد معدنی دیگری که خیلی پیچیده هستند ایجاد می شود .

پیچ بلند

معادنی که جلوتر از همه حتی در دوران قدیم مورد بهره برداری قرار گرفته اند عبادتند از :

معدن نواحی بوهم (Bohemia) :
در حال حاضر مهمترین تهیه کنندگان اورانیوم در جهان عبارتند: از کانادا ، کنگوی قدیم بلژیک ، ممالک متحده آمریکای شمالی و اتحادیه آفریقای جنوبی و حقیقت این است که در باره روسیه اطلاع دقیقی در دست نیست و احتمالاً محصول آن در حدود هر یک از ممالک ذکر شده است بعد از این 4 کشور نوبت به استرالیای شمالی ، فرانسه ، چکسلواکی ، ممالک آفریقای جنوبی ، کرن وال و چین می رسد تا سال های اخیر در کانادا تنها معدنی که مورد بهره برداری قرار گرفت عبارت بود از معدن دریاچه بزرگ اورز (Ours) که در شمال کانادا واقع است در این معدن پیچ بلند باانواع سولفورهای دیگر مخلوط است اخیراً دو معدن مهم دیگر در این کشور کشف کرده اند . گرچه مواد معدنی آنها شامل مقدار کمی اورانیوم می باشد لیکن مقدار کل مواد معدنی در این دو نقطه فوق العاده قابل ملاحظه است یکی از این دو معدن در ناحیه دریاچه بیورلاج (Beaverlodge) و دیگری در ناحیه دریاچه بیند ریور (Bind-River) واقع است .

معدن اورز

رگه پیچ بلند معادن کروزی بطور متوسط شامل 10% اورانیوم است معادن گروری در عین حال که دارای مقدار کمی اورانیوم هستند بازهم مورد استفاده می باشند و از آن بهره برداری می شود در ناحیه لاشو به نظر می رسد که معادن جنگل های سیاه بسیار مهم هستند و بالاخره تجسساتی که در ناحیه وانده به عمل آمده نوید بخش می باشد . به نظر می رسد سالانه در تمام دنیا بیش از چند صد هزار تن اورانیوم تولید و به بهره برداری می رسد در برخی معادن آفریقای جنوبی که آنها بعد از استخراج طلا از ماده معدنی ، باقیمانده ماده را برای تهیه اورانیوم مورد استفاده قرارمی دهند .

معادن توریم :
سنگ معدنی مونازیت توریم : معادن توریم فراوانتر از اورانیوم است و ماده معدنی اصلی ان عبارتست از فسفات خاصی که ترکیب آن بسیار پیچیده است مونازیت (Monazite) نام دارد. مهمترین معادن آن در هندوستان جنوبی و برزیل واقع است معادن دیگری که وسعت آن چندان زیاد نیست ولی از حیث میزان توریم بسیار غنی می باشد در جزیره سیلان کشف شده است و نیز در این اواخر منابع مهمی شامل مونازیت در جزایر ماداگاسکار کشف کرده اند .

مونازیت

سنگ معدنی توریت توریم :
سنگ معدنی دیگری از توریم که توریت (Thorite) نام دارد در استرالیا ، برزیل ، ماداگاسکار ، اسکاندیناویا ، بریتانیا ، ایالت متحده و روسیه وجود دارد .

توریت

به هیچ وجه ممکن نیست که با دقت معین نماییم که در آینده چه میزان اورانیوم و توریوم در جهان استخراج خواهد شد و به مصرف تهیه انرژی خواهد رسید البته با تولید مصنوعی این مواد رادیو اکتیو و نیز سایر مکانیزم های تولید انرژی هسته ای از جمله همجوشی های کنترل شده سبب شده که دیگر مشکل جستجو و کشف معادن اورانیوم و توریم وجود نداشته باشد و یا این نیاز از راه های دیگر برطرف می شود .
تبدیل توریم به اورانیوم:
توریم را در کوره اتمی توسط نوترون بمباران می کنند این عنصر پس از یک سری تغییرات رادیو اکتیو به اورانیوم 233 تبدیل می شود که مانند اورانیوم 235 و پلوتنیم 239 توسط نوترونهای حرارتی شکافته می شود .

بمباران نیتروژنی

[ghasem motamedi]

تعریف هسته:

هسته مجموعه ای از ذرات باردار با بار مثبت می باشد که در یک حجم فوقالعاده کوچک تمرکز یافته اند وبا نیروی بسیار قوی و برد کوتاه (نیروی برهمکنش قوی هسته ای) به هم مقید شده اند که این مجموعه متراکم کل جرم اتم را در خود دارد و الکترون ها در اربیتال هایی حول این نقطه چگال مرکزی در حال دوران هستند .

اجزای اصلی هسته :
ذرات اساسی که کلیه هسته ها از آنها ترکیب شده است عبارتند از:
پروتون ها
نوترون ها

خواص اساسی هسته :
این خواص بر دونوع است که عبارتند از :
خواص مستقل از زمان : خواصی هستند که وابسته به زمان نیستند . مانند جرم ، اندازه ، بار خواص وابسته به زمان : خواصی هستند که وابستگی به زمان دارند .مانند واپاشی پرتوزا و واکنش های هسته ای
جرم و بار هسته:
جرم هسته را می توان با فرمول زیر پیدا کرد : M=Z×Mh+N×Mn که در آن
M جرم هسته ، Mh جرم یک اتم هیدروژن یا جرم پروتون و Mn جرم نوترون می باشند .

شعاع هسته:
آزمایش های دقیق تر با بهره گیری از پراکندگی ذرات هسته ای دیگر و الکترون ها نشان داده اند شعاعی که در ان آثار هسته ای ظاهر می شود از رابطه زیر بدست می آید :
R=R0A1/3 که در آن R0 ثابت شعاع دارای مقادیر زیر است R0=1.2 F , 1.4 F که در آن F نماد فرمی واحد طول هسته ای است و A جرم اتمی می باشند .

خواص دینامیکی هسته :
هسته ها مانند اتم ها می توانند در حالت برانگیخته با انرژی های معین باشند. گذارهای بین حالت های برانگیخته با گسیل تابش الکترو مغناطیسی صورت می گیرد (اشعه گاما).
هسته ها همچنین می توانند به یگدیگر تبدیل شوند بعضی از تبدیل ها خود به خود با گسیل الکترون های مثبت یا منفی (ذره بتا) یا گسیل ذره آلفا صورت می گیرد .

اشعه گاما

تبدیل های متنوعی را می توان توسط بمباران هسته ای القاء کرد .
قانون بقای ذرات: تعداد نوکلئون ها تحت هر شرایطی و هر تبدیلی پایسته است(مجموعشان ثابت است).

[ghasem motamedi]

پروتون
اگر یک یا چند الکترون از یک اتم خنثی جدا شود ، باقی مانده که یون (از واژه یونانی به معنی رفتن) نامیده می شود ، دارای باری مساوی با مجموع بار الکترونهای جداشده از آن اتم ، ولی با علامت مخالف، خواهد بود. وقتی که سبکترین اتمها یعنی هیدروژن ، تنها الکترونش را از دست می دهد ، یون تولید شده یک ذره بنیادی است که پروتون (از واژه یونانی به معنی نخستین) نام دارد. جرم پرتون 1836 برابر جرم الکترون و بار مثبت آن از لحاظ بزرگی برابر با بار منفی الکترون است. دریک لوله تخلیه الکتریکی ، اشعه کاتدی بر اثر برخورد با اتمهای گاز درون لوله، الکترونهای آنها را جدا کرده، یونهایی با بار مثبت ایجاد می کنند.

اشعه کاتدی

این یونها به علت مثبت بودن در جهتی خلاف جهت حرکت اشعه کاتدی (که بار منفی دارند) حرکت می کنند، یعنی از قطب مثبت دور و به قطب منفی نزدیک می شوند.بسیاری از این یونها با جذب الکترون (از اشعه کاتدی) مجددا به اتمهای خنثی تبدیل می شوند. ولی بعضی از آنها به کاتد می رسند و اگر کاتد سوراخی داشته باشد، از آن عبور می کنند. این جریان یونهای مثبت که اشعه مثبت یا اشعه کانالی نامیده می شوند، نخستین بار توسط یوجین گلدشتاین در 1886 مشاهده شد.

اشعه کانالی

انحراف اشعه مثبت در میدان الکتریکی و مغناطیسی توسط ویلهم وین (1898) و جی.جی.تامسون (1906) مورد مطالعه قرار گرفت و مقادیر e/m برای یونهای مثبت، که این اشعه را تشکیل می دهند، معین شد.

یونهای تشکیل دهنده این اشعه همیشه یکسان نبوده ، بلکه به نوع گاز درون لوله تخلیه بستگی دارند.

جی جی تامسون

مقدار e/m یک بار مثبت به بار یون (که متناسب است با تعداد الکترونهایی که اتم برای تشکیل یون از دست می دهد) و به جرم یون مورد مطالعه بستگی دارد. برای یونهایی که بار مساوی دارند، هنگامی که جرم یون نسبتا کوچک است، مقدار e/m نسبتا بزرگ است. e/m برای آنها بزرگترین مقدار مشاهده شده برای یونهای مثبت است. این یونها که همان پروتونها هستند، کمترین جرم مشاهده شده برای یک یون مثبت را دارند. چون بار مثبت پروتون برابر یک واحد بار مثبت است، پس جرم پروتون را می توان از مقدار e/m آن محاسبه کرد.

[ghasem motamedi]

تاریخچه:‏

از آنجا که اتمها از نظر الکتریکی خنثی هستند، تعداد الکترونها و پروتونها در هر اتم بایستی برابر باشند. برای توجیه جرم کل اتمها ، ارنست رادرفورد در 1920 وجود ذراتی بدون بار را در هسته اتم مسلم دانست. چون این ذرات بدون بارند، تشخیص و تعیین خواص آنها مشکل است. ولی در 1932 جیمز چادویک نتیجه کارهای خود را درباره اثبات وجود این ذرات که نوترون (از واژه لاتین به معنای خنثی) نامیده می شوند، منتشر کرد.

او توانست با استفاده از داده های به دست آمده بعضی از واکنش های هسته ای مولد نوترون جرم نوترون را محاسبه کند. چادویک با در نظر گرفتن جرم و انرژی تمامی ذراتی که در این واکنشها مصرف و تولید می شوند، جرم نوترون را محاسبه کرد. جرم نوترون 24-10×6749/1 g است که اندکی بیش از جرم پروتون (24-10×6726/1 گرم) می باشد.

معادله واکنش نوترونی:‏
گسیل نوترون برای اولین بار در سال 1932 در ضمن بمباران بریلیم با ذرات ‏آشکار شد در نتیجه گیراندازی ذره آلفا توسط هسته بریلیم هسته کربن ‏تشکیل و نوترون گسیل شد. بعدها شمار زیادی ‏واکنش های هسته ای کشف شد که نوترون آزاد می کردند. ‏

انواع نوترون:
‏
نوترونهای سرد
نوترونهای کند نوترونهای حرارتی
نوترونهای تند نوترونهای سریع
نوترونهای فوق سریع نوترونهای نسبیتی

چشمه تولید نوترون:‏
برای به دست آوردن نوترون مثل سابق واکنش ذره آلفا با بریلیم معمول ‏است. حتی اکنون نیز آمپولهای محتوی آمیزه ای از ماده پرتوزای آلفا و گرد ‏بریلیم به عنوان چشمه تراکم نوترون به کار می رود. چنین چشمه نوترونی ‏را در نزدیکی اتاقک ابر ویلسون در حال کار قرار می دهیم که در آن لایه ‏نازکی از ماده محتوی هیدروژن مثلاً پارافین قراردارد.

روی عکسی که از این اتاقک گرفته شود ردهایی مشاهده می شود که از ‏این لایه خارج می شوند چنان که می توان از روی جنس یونش پی برد که ‏اینها ردهای پروتون هستند. تمام ردها به طرف جلو هستند. آنها با پروتونهایی ‏ایجاد شده اند که به علت برخورد نوترونهای تند گسیل شده از چشمه از ‏لایه خارج شده اند. خود نوترونها که از اتاقک می گذرند ردی ندارند.

بنابر این ، نوترونها یونش ‏قابل ملاحظه ای تولید نمی کنند، یعنی برخلاف ذرات باردار آنها با الکترونها ‏عملاً اندر کنش ندارند. نوترونها با گذر از میان ماده فقط با هسته های اتمی ‏اندرکنش می کنند. ولی نظر به اینکه اندازه هسته ها خیلی کوچک است، ‏برخورد نوترونها با آنها خیلی به ندرت صورت می گیرد. ‏

‏ آشکارسازی باریکه نوترونی:‏
برای اینکه نوترون یک ذره خنثی می باشد از مکانیزمهای آشکارسازی ذرات باردار نمی توان برای آشکار سازی نوترون استفاده کرد. اخیرا دانشمندان به کمک آشکارسازهای کوانتومی ، تداخل سنجهای نوترونی ، اسپکترومتر جرمی کوانتومی ، برخوردهای ذرات بنیادی ، بمباران نوترونی مواد و نیز واکنش های هسته ای از جمله واکنش زنجیری شکافت ، نوترونها را آشکارسازی نموده اند.

[ghasem motamedi]

دید کلی :
وقتی که صحبت از مفهوم انرژی به میان می‌آید، نمونه‌های آشنای انرژی مثل انرژی گرمایی ، نور و یا انرژی مکانیکی و الکتریکی در شهودمان مرور می‌شود. اگر ما انرژی هسته‌ای و امکاناتی که این انرژی در اختیارش قرار می‌دهد، آشنا ‌شویم، شیفته آن خواهیم شد.
آیا می دانید که:
انرژی گرمایی تولید شده از واکنش‌های هسته‌ای در مقایسه با گرمای حاصل از سوختن زغال سنگ در چه مرتبه بزرگی قرار دارد؟
منابع تولید انرژی هسته‌ای که بر اثر سیلابها و رودخانه از صخره شسته شده و به بستر دریا می‌رود چقدر برق می‌تواند تولید کند؟
کشورهایی که بیشترین استفاده را از انرژی هسته‌ای می‌برند، کدامند؟...
نحوه آزاد شدن انرژی هسته‌ای:

می‌دانیم که هسته از پروتون (با بار مثبت) و نوترون (بدون بار الکتریکی) تشکیل شده است. بنابراین بار الکتریکی آن مثبت است. اگر بتوانیم هسته را به طریقی به دو تکه تقسیم کنیم، تکه ها در اثر نیروی دافعه الکتریکی خیلی سریع از هم فاصله گرفته و انرژی جنبشی فوق العاده ای پیدا می‌کنند. در کنار این تکه ها ذرات دیگری مثل نوترون و اشعه‌های گاما و بتا نیز تولید می‌شود. انرژی جنبشی تکه‌ها و انرژی ذرات و پرتوهای بوجود آمده ، در اثر برهم کنش ذرات با مواد اطراف ، سرانجام به انرژی گرمایی تبدیل می‌شود.

مثلا در واکنش هسته‌ای که در طی آن اورانیوم 235 به دو تکه تبدیل می‌شود، انرژی کلی معادل با 200MeV را آزاد می‌کند. این مقدار انرژی می‌تواند حدود 20 میلیارد کیلوگالری گرما را در ازای هر کیلوگرم سوخت تولید کند. این مقدار گرما 2800000 بار برگتر از حدود 7000 کیلوگالری گرمایی است که از سوختن هر کیلوگرم زغال سنگ حاصل می‌شود.

کاربرد حرارتی انرژی هسته‌ای :
گرمای حاصل از واکنش هسته‌ای در محیط راکتور هسته‌ای تولید و پرداخته می‌شود. بعبارتی در طی مراحلی در راکتور این گرما پس از مهارشدن انرژی آزاد شده واکنش هسته‌ای تولید و پس از خنک سازی کافی با آهنگ مناسبی به خارج منتقل می‌شود.
گرمای حاصله آبی را که در مرحله خنک سازی بعنوان خنک کننده بکار می‌رود را به بخار آب تبدیل می‌کند.

بخار آب تولید شده ، همانند آنچه در تولید برق از زعال سنگ ، نفت یا گاز متداول است، بسوی توربین فرستاده می شود تا با راه اندازی مولد ، توان الکتریکی مورد نیاز را تولید کند. در واقع ، راکتور همراه با مولد بخار ، جانشین دیگ بخار در نیروگاه‌های معمولی شده است.

سوخت راکتورهای هسته‌ای :
ماده‌ای که به عنوان سوخت در راکتورهای هسته‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد باید شکاف پذیر باشد یا به طریقی شکاف پذیر شود. اورانیوم 235 شکاف پذیر است ولی اکثر هسته‌های اورانیوم در سوخت از انواع اورانیوم 238 است. این اورانیوم بر اثر واکنشهایی که به ترتیب با تولید پرتوهای گاما و بتا به پلوتنیوم 239 تبدیل می شود پلوتونیوم هم مثل اورانیوم 235 شکافت پذیر است. به علت پلوتنیومی اضافی که در سطح جهان وجود دارد نخستین مخلوطهای مورد استفاده آنهایی هستند که مصرف در آنها منحصر به پلوتنیوم است.
میزان اورانیومی که از صخره‌ها شسته می‌شود و از طریق رودخانه‌ها به دریا حمل می‌شود، به اندازه‌ای است که می تواند 25 برابر کل مصرف برق کنونی جهان را تامین کند. با استفاده از این نوع موضوع ، راکتورهای زاینده‌ای که بر اساس استخراج اورانیوم از آب دریاها راه اندازی شوند قادر خواهند بود تمام انرژی مورد نیاز بشررا برای همیشه تامین کنند، بی آنکه قیمت برق به علت هزینه سوخت خام آن حتی به اندازه یک درصد هم افزایش یابد.
مزیت‌های انرژی هسته بر سایر انرژیها :
بر خلاف آنچه که رسانه‌های گروهی در مورد خطرات مربوط به حوادث راکتورها و دفن پسماندهای پرتوزا مطرح می‌کند از نظر آماری مرگ ناشی ازخطرات تکنولوژی هسته‌ای از 1 درصد مرگهای ناشی از سوختن زغال سنگ جهت تولید برق کمتر است.

در سرتاسر جهان تعداد نیروگاه های هسته‌ای فعال بیش از 419 می‌باشد که قادر به تولید بیش از 322 هزار مگاوات توان الکتریکی هستند. بالای 70 درصد این نیروگاه‌ها در کشور فرانسه و بالای 20 درصد آنها در کشور آمریکا قرار دارد.

[ghasem motamedi]

نظریات اولیه :

تا چندی پیش دو اصل کلی و مستقل از یکدیگر پایه دانش جدید را تشکیل می داد:
یکی اصل بقای جرم بود و دیگری اصل بقای انرژی در نیمه دوم قرن هجدهم میلادی لاوازیه دانشمند فرانسوی پس از یک سلسله تجربیات دریافت که مقدار جرم مادی که در فعل و انفعالات شیمیائی دخالت دارند همواره ثابت می ماند و این مشخصه مواد رادر قانون زیر به نام قانون بقای جرم خلاصه نمود .

لاوازیه

بیان لاووازیه از قانون بقای جرم و انرژی :
هیچ جرمی معدوم نمی شود و هیچ جرمی نیز از عدم بوجود نمی آید و یا به عبارت دیگر مقدار جرم مادی که در عالم وجود دارد همواره ثابت است اصل بقای انرژی می گوید انرژی هر دستگاه معین مقدار ثابتی دارد ، نمی توان انرژی را خلق کرد و نه آنرا از بین برد فقط اقسام آن می توانند به یکدیگر تغییرشکل دهند .
نظریات مدرن :
در اوایل قرن بیستم یعنی در سال 1905 نظریه نسبیت (Theory of Relativity) آلبرت انیشتین خدشه ای به دو اصل فوق الذکر وارد ساخت زیرا یکی از نظریات نسبیت این است که جرم و انرژی مانند بخار آب و آب که دو شکل مختلف از یک ماده هستند یک چیز واحد بوده و قابل تبدیل به یکدیگر می باشند.

بنابراین مقدار جرم مادی را که در عالم وجود دارد نمی توان ثابت دانست بلکه از تطبیق نظریه نسبیت با اصل بقای جرم و اصل بقای انرژی می توان قانون کلی تری نتیجه گرفت که مطابق آن :" مجموع جرم مادی و مقدار انرژی که در عالم وجود دارد همواره ثابت است ."به عقیده آلبرت انیشتین مقدار E که معرف انرژی است و از کلمه لاتین Energy اقتباس شده است یعنی انرژی هم ارز با جرم m بوسله رابطه زیر بیان می گردد E=m c2 که در آن E ـ انرژی و m ـ جرم و C ـ سرعت نور در خلا می باشند.

داده های آماری :

چنانچه در رابطه اخیر به جای حروف اعداد واقعی بکار بریم عظمت و قدرت نیروی هسته ای آشکار می گردد نیروی حاصله به این دلیل بزرگ است که سرعت سیر نور بسیار و برابر سیصد هزار کیلومتر در ثانیه است بنابراین ضریب c2 بسیار رقم بزرگی می باشد و اگر آنرا در دستگاه C.G.S یعنی سانتیمتر گرم ثانیه حساب کنیم چنین می شود : c2=9X1020 ملاحظه می کنید که چه عدد غول پیکری است و ما آنرا به شکل طولانی خودش نمی نویسیم و خیلی راحت تر است که فرم توانی آنرا به کار ببریم اگر فرض کنیم که فقط یک گرم از جرم به انرژی تبدیل شود (m=1 gr) مقدار E یعنی انرژی (کار) برابر با: 9X1020 ارگ (Erg) خواهد شد که ارگ واحد انرژی در دستگاه C.G.S می باشد.
اگر این انرژی تبدیل به انرژی الکتریکی نماییم مقدار آن برابر 25 گیگا وات در ساعت الکتریسته خواهد شد و این مقدار انرژی می تواند یک لامپ 30 واتی را برای مدت 100 سال روشن نگه دارد .بنا براین ناپدید شدن مقدار ناچیزی از جرم باعث ظهور مقدار زیادی انرژی است که در ک قدرت آن دشوار است برای درک بیشتر و بهتر مثال دیگری را ببینید :

چنانچه جرم را یک کیلو گرم انتخاب کنیم فرقی نمی کند که چه ماده ای در نظر گرفته شود انرژی حاصل از تبدیل آن 25000 گیگا وات ساعت خواهد بود اگر این مقدار انرژی را با سایر واحدها مقایسه کنیم درک آن آسانتر می شود ناپدید شدن یک کیلوگرم ماده معادل سوختن 1600 میلیون لیتر بنزین و یا 3300 کیلو تن ذغال سنگ انرژی می دهد .

مفهوم فیزیکی قانون هم ارزی جرم و انرژی :
باید بدانید که رابطه E=m c2 چگونگی تبدیل یک کیلو گرم آب به انرژی را بیان نمی کند بلکه فقط اصلی است که هم ارزی جرم و انرژی را بیان می کند نه اینکه جزئیات نحوه تبدیل آنها را آشکار سازد رابطه اخیر ایجاب می کند که برای انرژی نیز جرمی قائل شویم .
انرژی گرمایی که ضمن احتراق بدست می آید دارای جرم است ولی این جرم به اندازه ای کوچک است که حتی با دقیق ترین ترازو ها نمی توان آنرا سنجید مثلا چند نانوگرم (بیلیونوم گرم) در مورد احتراق 12 گرم ذغال .
اگر بوسیله حرارت یک تن آب صفر درجه را به 100 درجه برسانیم یعنی به آن 100 میلیون کالری انرژی بدهیم جرم آن فقط 0.004 میلی گرم اضافه می شود .