شکافت هسته ای چیست و چگونه رخ می دهد؟

شکافت هسته ای (Nuclear fission)  فرآیندی است که طی آن هسته یک اتم به دو یا چند هسته کوچکتر تقسیم می شود که به عنوان محصولات شکافت شناخته می شود. شکافت عناصر سنگین یک واکنش گرمازا است و مقدار زیادی انرژی در این فرآیند آزاد می شود. هسته های تولید شده اغلب دارای اندازه های قابل مقایسه اما کمی متفاوت هستند و معمولا دارای نسبت جرمی حدود ۳: ۲ برای ایزوتوپ های شکاف پذیر می باشند.

بیشتر شکافت ها از نوع باینری هستند که دو قطعه باردار تولید می کند. گاهی اوقات ، حدود ۲ تا ۴ بار در هر ۱۰۰۰ رویداد ، سه قطعه با بار مثبت تولید می شود که نشان دهنده شکافت سه گانه است. کوچکترین این قطعات در فرآیندهای سه تایی از اندازه پروتون تا اندازه هسته آرگون متغیر است. در ادامه مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک توضیحات بیشتری در این رابطه ارائه می شود.

شکافت هسته ای را تعریف کنید

در شکافت هسته ای  یک اتم ناپایدار به دو یا چند قطعه کوچکتر که پایدارتر هستند تقسیم می شود و در این کار انرژی آزاد می کند. روند شکافت همچنین نوترون های اضافی را آزاد می کند  که می تواند اتمهای اضافی را شکافته و در نتیجه یک واکنش زنجیره ای ایجاد کند که انرژی زیادی آزاد می کند. البته روشهایی برای تعدیل واکنش زنجیره ای با خیس کردن نوترون ها وجود دارد.

شکافت هسته ای چگونه رخ می دهد؟

در هسته  نیروهای مختلفی وجود دارند که بین ذرات عمل می کنند. نیروی هسته ای قوی ، نیرویی است که بین دو یا چند هسته وجود دارد. این نیرو پروتون ها و نوترون ها را در داخل هسته به هم متصل می کند و هنگامی که هسته کوچک و نوکلئون ها نزدیک به هم باشد بیشترین قدرت را دارد.

نیروی الکترومغناطیسی باعث دافعه بین پروتون های مشابه می شود. این دو نیرو باعث ایجاد عکس العمل های مخالف در هسته می شوند. نیروی هسته ای قوی برای نگه داشتن همه پروتون ها و نوترون ها در کنار هم عمل می کند ، در حالی که نیروی الکترومغناطیسی برای دورتر کردن پروتون ها از هم عمل می کند.

در اتم های دارای هسته های کوچک ، نیروی هسته ای قوی بر نیروی الکترومغناطیسی غلبه می کند. هرچه هسته بزرگتر می شود ، نیروی الکترومغناطیسی از نیروی هسته ای قوی بیشتر می شود. در این هسته ها امکان خارج شدن ذرات و انرژی از هسته وجود دارد. به این هسته ها ناپایدار گفته می شود و این بی ثباتی می تواند منجر به تشعشع و شکافت شود.

بهتر است بدانید:

مثلا در شکافت هسته ای اورانیوم یک نوترون پرانرژی به سمت هسته ای مانند ۲۳۵U هدایت می شود. ترکیب این دو باعث تولید ۲۳۶U می شود که عنصری ناپایدار است که دچار شکافت می شود. فرآیند شکافت اغلب نوترون های اضافی آزاد می کند ، که می تواند باعث شروع شکافت اتمهای دیگر ۲۳۵U شود و یک واکنش زنجیره ای ایجاد کند. در حالی که شکافت هسته ای می تواند بدون این بمباران نوترونی رخ دهد ، اما در اصطلاح شکاف خود به خودی این یک اتفاق نادر است. بیشترین واکنش های شکافتی ، به ویژه آنهایی که برای انرژی و سلاح استفاده می شوند ، از طریق بمباران نوترونی رخ می دهد. اگر بتوان از طریق بمبا

ران نوترونی عنصری را دچار شکافت کرد ، گفته می شود که این ماده شکافت پذیر است. حالا که فهمیدید شکافت هسته ای به چه معناست  می توانید به خوبی شکافت هسته ای بمب اتم را نیز درک کنید.

پدیده شناسی شکافت هسته ای

هنگامی که یک هسته سنگین دچار شکافت می شود ، بسته به توزیع نوترون و پروتون بین قطعات ، ممکن است جفت های مختلفی از قطعات تشکیل شود. این امر منجر به توزیع احتمالی جرم و بار هسته در قطعات می شود. احتمال تشکیل یک قطعه خاص بازدهی شکافت نامیده می شود و به عنوان درصد شکافت های منتهی به آن بیان می شود.

قطعات جدا شده به دلیل بارهای هسته ای خود دافعه کولن بزرگی را تجربه می کنند و با انرژی های جنبشی تعیین شده توسط بارهای قطعه و فاصله بین مراکز شارژ در زمان شکافت از یکدیگر فاصله می گیرند. تغییرات در این پارامترها منجر به توزیع انرژی های جنبشی حتی برای  تقسیم جرم مشابه می شود.

ایزوتوپ های اورانیوم یا پلوتونیوم به طور معمول به عنوان سوخت در راکتورهای هسته ای استفاده می شوند. زیرا اتمهای آنها هسته های نسبتاً بزرگی دارند که به راحتی در هنگام برخورد با نوترون ها شکسته می شوند. هنگامی که یک هسته اورانیوم -۲۳۵ یا پلوتونیوم -۲۳۹ با یک نوترون برخورد می کند ، موارد زیر اتفاق می افتد:

هسته به دو هسته کوچکتر تقسیم می شود که به عنوان هسته های دختر شناخته می شوند و بسیار رادیواکتیو هستند. دو یا سه نوترون دیگر آزاد شده و مقداری انرژی به صورت انرژی جنبشی ذرات تولید شده آزاد می شود.

نوترون های اضافی آزاد شده نیز ممکن است به هسته های دیگر اورانیوم یا پلوتونیوم برخورد کرده و باعث شکافت آنها شود. بنابراین نوترون های بیشتری آزاد می شود که به نوبه خود می تواند هسته های بیشتری را شکافت کند. به این فرآیند واکنش زنجیره ای می گویند که در راکتورهای هسته ای کنترل می شود تا مقدار انرژی مورد نیاز را بتوان بدست آورد.

تفاوت همجوشی و شکافت هسته ای

در همجوشی هسته ای ، اتم ها ذوب شده یا با هم ترکیب می شوند تا انرژی ایجاد کنند. خورشید یکی از بهترین نمونه های همجوشی هسته ای است. در داخل خورشید ، هسته های هیدروژن با هم ترکیب شده و به شکل هلیوم در می آیند و انرژی گرمایی ایجاد می کنند که زمین را گرم می کند. بنابراین شکافت هسته ای در خورشید رخ نمی دهد و انرژی و گرمای آن ناشی از همجوشی است.

اگر همجوشی هسته ای هنگامی است که اتم ها با هم جوش می خورند ، پس احتمالاً می توانید حدس بزنید که انرژی شکافت در هنگام از هم گسیختگی هسته اتم ایجاد می شود. واکنش شکافتی که ممکن است بیشتر از همه با آن آشنا باشید ، استفاده از اورانیوم در نیروگاه های هسته ای است. در داخل راکتور ، هسته اتم مجبور به شکافت می شود و انرژی هسته ای ایجاد می کند.

کاربردهای شکافت هسته ای

انرژی هسته ای و محصولات جانبی آن  مانند کبالت -۶۰  کاربردهای مختلفی دارد. اینها نه تنها در ایجاد نیرو و سلاح ، بلکه برای دارو ، اکتشافات فضایی و موارد دیگر نیز کاربرد دارند که در ادامه مقاله به آنها اشاره شده است.

تولید برق

وقتی به انرژی هسته ای فکر می کنید ، به این فکر کنید که چگونه گرمای شکافت هسته ای برای تولید برق استفاده می شود. وقتی اورانیوم در داخل یک راکتور تقسیم می شود ، این کار در یک نیروگاه هسته ای انجام می شود. انرژی ایجاد شده آب را برای چرخش توربین گرم می کند. چرخش توربین ها مانند توربین های آسیاب های بادی برق تولید می کند.

البته بدون بحث در مورد چرنوبیل در سال ۱۹۸۶ و فوكوشیما دایچی در سال ۲۰۱۱ نمی توانید در مورد نیروگاه های هسته ای صحبت كرد. در هر دوی این حوادث ، راكتورهای هسته ای ذوب شده و باعث تشعشعات و ضایعات هسته ای در جو شدند . این حوادث زندگی چندین هزار نفر را تحت تأثیر قرار داد و باعث مرگ های بی شماری شده است.

در حالی که انرژی هسته ای به طور کلی قابل اعتماد و کم هزینه است ، محصولات جانبی و آلاینده های آبی که ایجاد می کند ، آن را بسیار بحث برانگیز می کند.

سلاح های هسته ای

نکته دیگری که وقتی به انرژی هسته ای فکر می کنید به ذهن شما خطور می کند سلاح ها مانند بمب اتمی یا هیدروژنی است. با استفاده از شکافت هسته ای و همجوشی ، این بمب ها یک انفجار قدرتمند ایجاد می کنند که می تواند در عرض چند ثانیه مناطق زیادی را تخریب کند. این انفجار همچنین باعث تولید میزان زیادی تشعشع سمی برای کسانی می شود که از انفجار اولیه جان سالم به در برده اند.

میزان ویرانی که این سلاح ها در جنگ می تواند بسیار بالا باشد. به همین دلیل یک معاهده بین المللی در سال ۲۰۱۷ توسط چندین کشور بزرگ امضاء شد تا از گسترش سلاح های هسته ای جلوگیری کند.

اکتشافات فضایی

از انرژی هسته ای می توان در ژنراتورها برای کاوش در فضای عمیق استفاده کرد. کاوشگر کاسینی-هویگنس با استفاده از ژنراتور ترموالکتریک ایزوتوپ رادیواکتیو (RTG) قبل از نابودی در سال ۲۰۱۷  زحل را کاوش کرد.

پزشکی هسته ای

برخی از محصولات جانبی که در طی شکافت هسته ای در راکتورها ایجاد می شوند ، برای حوزه پزشکی مهم هستند. به عنوان مثال ، کبالت -۶۰ در بیمارستان ها برای تمیز کردن تجهیزات مانند ایمپلنت ، کاتتر و غیره همراه با تجهیزات پزشکی پیچیده و سایر فناوری ها استفاده می شود. همچنین در رادیوتراپی پزشکی برای درمان سرطان و تصویربرداری پزشکی از انرژی هسته ای استفاده می شود. در اسکن توموگرافی انتشار پوزیترون (PET) از یک رنگ مخصوص به همراه ردیاب های رادیواکتیو استفاده می شود.

صنایع غذایی

از انرژی و فناوری هسته ای در صنایع غذایی و کشاورزی استفاده می شود تا فرایندها را ایمن تر و موثرتر کند. به عنوان مثال ، از فن آوری های مربوط به هسته ای در عقیم سازی آفات کشاورزی برای کاهش استفاده از سموم دفع آفات استفاده می شود. این امر تولید مثل آنها را تحت تاثیر قرار داده و به تدریج آنها را از بین می برد.

از انرژی هسته ای برای آزمایش مواد غذایی نیز استفاده می شود تا اطمینان حاصل شود که آلاینده های مضر روی محصولات وجود ندارد. این تکنیک ها همچنین می توانند باعث بهبود بازدهی محصولات دامی شود.

آینده انرژی هسته ای

انرژی هسته ای موضوعی پیچیده و بحث برانگیز است. انرژی هسته ای بسته به آنچه برای آن استفاده می شود ، مزایا و معایب واضحی دارد. انرژی تابشی خورشید زمین را گرم می کند ، در حالی که سلاح های هسته ای می توانند ویرانی ایجاد کنند.

دانشمندان تازه شروع به درک کاربردهای انرژی هسته ای در بسیاری از زمینه های زندگی کرده اند. علاوه بر این ، با توجه به در دسترس بودن این منبع تجدید ناپذیر و اثر کم آن در انتشار کربن ، بسیاری از کارشناسان معتقدند که انرژی هسته ای جنبه مهمی از انرژی در آینده خواهد بود. در حال حاضر ، انرژی هسته ای ۱۰٪ از انرژی مصرف شده در سراسر جهان را تشکیل می دهد.