تفاوت بین شکافت و هم جوشی هسته ای
تفاوت بین شکافت هسته ای و هم جوشی هسته ای با این که هر دو تولید انرژی می کنند، در نحوه تولید این انرژی هسته ای است. هر دو فرایند های شکافت هسته ای و هم جوشی هسته ای در دسته ی واکنش های هسته ای قرار می گیرند. در اثر انجام شدن این واکنش های هسته ای، انرژی بسیار زیادی ایجاد می شود. انرژی حاصل از انجام این واکنش ها برای هدف های مختلفی به کار گرفته می شود. علی رغم این که از هر دو این واکنش ها برای تولید انرژی استفاده می شود، این دو واکنش تفاوت هایی اساسی با یک دیگر دارند. در این مقاله نشریه جهان شیمی فیزیک به تفاوت بین شکافت هسته ای و هم جوشی هسته ای و همچنین به تعریف این دو فرایند می پردازیم.
مفهوم و کلیات واکنش های هسته ای
همه ی مولکول ها از ذره های بسیار ریزی به نام اتم ساخته شده اند. اتم ها نیز از ذره های ریزتری به نام الکترون، پروتون و نوترون تشکیل شده اند. اتم ها دارای یک هسته و تعدادی الکترون در اطراف هسته هستند. ریز ذره های پروتون و نوترون در هسته ی اتم قرار گرفته اند. بار الکتریکی پروتون ها مثبت، نوترون ها خنثی و الکترون ها منفی است. به این ترتیب، برای کنار هم قرار گرفتن ذره های تشکیل دهنده ی هسته ی اتم ها در قسمت هسته، به انرژی بسیار زیادی نیاز است. به عبارتی دیگر، انرژی بسیار زیادی اجزای هسته را در کنار همدیگر نگه می دارد.
با شکستن پیوندی که میان اجزای تشکیل دهنده ی هسته وجود دارد، مقدار زیادی انرژی آزاد می شود. فرایندی که باعث فروپاشی این پیوند می شود، واکنش شکافت هسته ای است. واکنش های هسته ای به دو صورت فروپاشی هسته ای و تغییر شکل هسته ای هستند. فرایند فروپاشی هسته ای همان واکنش فروپاشی رادیو اکتیو است.
واکنش شکافت هسته ای
همان طور که اشاره کردیم واکنش شکافت هسته ای نوعی واکنش هسته ای است. در این فرایند مقدار زیادی انرژی آزاد می شود. شکافت یا فروپاشی هسته ای از نوع فروپاشی رادیو اکتیو است. هسته ی ناپایدار عنصرها در طی این نوع از واکنش های هسته ای همراه با ایجاد تشعشعات، به یک عنصر و یا عنصرهای دیگری تبدیل می شود. عنصر و یا عنصرهای به وجود آمده دارای هسته هایی با انرژی و جرم کم تر نسبت به عنصر اولیه خواهند بود. به این ترتیب عنصرهای پایدارتری تشکیل می شوند و مقدار زیادی انرژی آزاد می شود.
عنصر اورانیوم ۲۳۵ یکی از عناصر رادیواکتیو است که واکنش شکافت هسته ای آن می تواند مثال خوبی برای این مبحث باشد. در راکتورهای هسته ای نیز امروزه از هسته ی همین عنصر (اورانیوم ۲۳۵) استفاده می شود. انرژی حاصل از آن نیز موجب گرم کردن آب راکتور های هسته ای و سرانجام تولید برق می شود. این یکی از بهترین روش های تولید برق است.
واکنش هم جوشی هسته ای
نوع دیگر از واکنش های هسته ای، فرایند هم جوشی هسته ای است. طی فرایند هم جوشی هسته ای نیز مقدار خیلی زیادی انرژی آزاد می شود. فرایندی که در آن دو و یا چند اتم با همدیگر ترکیب شده و منجر به تشکیل شدن عنصر جدیدی می شود. واکنش هم جوشی هسته ای در داخل هسته ی خورشید اتفاق می افتد. در هسته ی خورشید اتم های هیدروژن با یک دیگر ترکیب می شوند و عنصر هلیوم را ایجاد می کنند.
از آن جایی که وجود خورشید علت مهمی برای حیات همه ی جانداران اعم از گیاهان و جانوران است، این واکنش فرایندی بسیار تأثیر گذار است. تفاوت جرم میان هسته های اتم های اولیه و عنصری که طی این فرایند تشکیل می شود وجود دارد. این اختلاف جرم معادل انرژی است که ممکن است جذب و یا تولید شود. به طور معمول در نیروگاه ها از ایزوتوپ های سنگین تر اتم هیدروژن برای واکنش های هم جوشی هسته ای استفاده می شود.
نقش راکتور های هسته ای در واکنش های هسته ای
در راکتور های هسته ای از موادی مانند گرافیت و یا آب برای کم کردن سرعت نوترون هایی که از میله های سوخت حاوی اورانیوم آزاد می شوند، استفاده می کنند. نوترون هایی که سرعت آن ها کاهش یافته است، برای شکافتن اتم های دیگر اورانیوم مناسب تر هستند و باعث واکنش زنجیره ای پیوسته ای می شوند. در طی انجام شدن این واکنش زنجیره ای پیوسته، مقدار زیادی گرما آزاد می شود. میله های مهار کننده با جذب کردن نوترون ها، سرعت واکنش را کم تر می کنند. گرمای تولید شده آب را داغ و به بخار آب تبدیل می کند. بخار آب نیز باعث چرخیدن توربین ها به منظور تولید برق می شود.
در شکافت هسته ای، از نوترون ها برای شکافتن اتم های سنگین، مثل اتم اورانیوم استفاده می شود، که در عوض، نوترون و انرژی بیشتری آزاد می کنند. نوترون ها با برخورد به هسته ی اورانیوم، باعث ناپایداری هسته شده و سپس، با شکافتن هسته انرژی نوترون ها آزاد می شود.
تفاوت های بین انواع واکنش های هسته ای
در واکنش شکافت هسته ای با برخورد (بمباران) نوترون به هسته ی ناپایدار و سنگین اتم ها، همراه با آزاد شدن انرژی، قطعه هایی با جرم برابر از هسته تشکیل می شوند. اما در واکنش هم جوشی هسته ای، برخی از اتم های سبک با یک دیگر ترکیب می شوند و انرژی آزاد می کنند. در دیگر تفاوت بین شکافت هسته ای و هم جوشی هسته ای می توان گفت که واکنش شکافت هسته ای زباله هایی ایجاد می کند که برای محیط زیست بسیار مضر هستند. زباله های هم جوشی هسته ای به اندازه ی فرایند شکافت مضر نیستند. حوادث شکافت هسته ای برای سلامت انسان جبران ناپذیر هستند.
اما خطرات واکنش هم جوشی برای سلامت بسیار کم تر است. علت این مضرات در راکتور های هم جوشی میزان کلی مواد رادیو اکتیو از راکتور های شکافت کم تر است. در عوض ساختن راکتورهای هم جوشی هسته ای قابل کنترل، بسیار مشکل است. برای تولید و کاربرد انرژی راکتور های پایدار و قابل کنترل شکافت آسان تر ساخته می شوند. دمای شکافت نیز بر خلاف دمای هم جوشی قابل کنترل است. بر عکس مواد اولیه واکنش شکافت، مواد اولیه واکنش هم جوشی بسیار در دسترس تر هستند.
پرتو زایی و خطرات هسته ای
برخی از اتم ها موسوم به رادیو ایزوتوپ ها، هسته های نا پایداری دارند. هسته های نا پایدار به این معنی است که آن ها مستعد از هم پاشی هستند و پرتوهایی پر انرژی را در فرایندی موسوم به پرتو زایی گسیل می کنند. دریافت این پرتو ها به میزان زیاد، می تواند موجب مرگ سلول های بدن شود ولی آن ها کاربرد های مثبت فراوانی نیز دارند. دفع پس ماند های هسته ای بسیار سخت است. زیرا آن ها برای هزاران سال به نحو خطرناکی، پرتو زا باقی می مانند.
ایمن ساختن راکتور های هسته ای قدیمی گران تمام می شود. همچنین امکان روی دادن حادثه ای مانند آن چه در سال ۱۹۸۶ میلادی در چرنوبیل در شوروی سابق رخ داد، وجود دارد. در اثر آن انفجار نا خواسته، هزاران کیلومتر مربع آلوده شد. به احتمال زیاد در آینده از هم جوشی هسته ای برای تولید انرژی پاک و سالم استفاده خواهد شد. در این روش از اتصال دو هسته به هم، به جای شکافت آن ها انرژی تولید می شود. در شکافت حدود یک هزارم جرم به انرژی تبدیل می شود. اما این رقم در هم جوشی چهار هزارم هم ممکن است باشد.
