شکافت هسته‌ای

شکافت هسته‌ای فرآیندی است که در آن یک اتم سنگین مانند اورانیوم به دو اتم سبک‌تر تبدیل می‌شود اگر نوترون منفردی به یک قطعه ایزوتوپ اورانیوم 235 نفوذ کند، در اثر برخورد به هسته اتم اورانیوم 235، اورانیوم به دو قسمت شکسته می‌شود که اصطلاحاً شکافت هسته‌ای نامیده می‌شود.

 

این چهار نوترون نیز چهار هسته اورانیوم 235 را می‌شکنند. 4 هسته شکسته شده تولید 8 نوترون می‌کنند که قادر به شکستن همین تعداد هسته اورانیوم می‌باشند. سپس شکست هسته‌ای و آزاد شدن نوترون‌ها به صورت زنجیروار به سرعت تکثیر می‌یابد. در هر دوره تعداد نوترون‌ها دو برابر می‌شود، در یک لحظه واکنش زنجیری خود به خودی شکست هسته‌ای شروع می‌گردد. در واکنش‌های کنترل شده هسته‌ای تعداد شکست در واحد زمان و نیز مقدار انرژی به تدریج افزایش یافته و پس از رسیدن به مقداری دلخواه ثابت نگهداشته می‌شود.

سال 1939 نیلز بوهر از دانمارک به ایالات متحده آمد تا چند ماهی را در پرینستون بگذراند و درباره برخی مسائل با آلبرت اینشتن به بحث بپردازد درست قبل از اینکه بوهر دانمارک را ترک کند دو تن از همکارانش به نام اتو رابرت فریچ و لیز میتنر که هر دو از آلمان فرار کرده بودند درباره تحقیقاتشان با بوهر صحبت کردند آن‌ها حدس زده بودند که احتمالاً جذب یک نوترون توسط هسته اورانیوم در برخی موارد منجر به شکسته شدن هسته به دو بخش تقریباً مساوی همراه با آزاد شدن مقدار زیادی انرژی خواهد شد فرآیندی که آن‌ها اسمش را «شکافت» گذاشتند.

در فیزیک، شکافت یک فرآیند هسته‌ای است یعنی در هسته یک اتم رخ می‌دهد. در شکافت هسته‌ای یک هسته به 2 تا چند هسته کوچک‌تر به علاوه محصولات جانبی شکسته می‌شود این محصولات جانبی شامل نوترون‌های آزاد و فوتون‌ها (اغلب به صورت پرتوهای گاما) می‌باشند.

در فرآیند شکافت مقدار بسیار زیادی انرژی که در واقع انرژی پیوندی نیروی هسته‌ای قوی است، آزاد می‌شود.

شکافت هسته‌ای را می‌توان با روش‌های مختلفی القا کرد. یکی از این روش‌ها بمباران کردن هسته اتم قابل شکافت به وسیله ذره دیگری است که انرژی مناسبی داشته باشد. این ذره دوم معمولاً یک نوترون آزاد است که با سرعت بسیار بالا حرکت می‌کند. هسته این نوترون را جذب می‌کند. جذب نوترون باعث ناپایدار شدن هسته می‌شود پس از آن هسته به 2 یا چند قسمت شکسته می‌شود به این قسمت‌های تولید شده، محصولات شکافت می‌گویند که شامل 2 هسته سبک‌تر، 2 یا 3 نوترون آزاد دیگر و تعدادی فوتون می‌باشد. انرژی آزاد شده این فرآیند در مقایسه با واکنش‌های شیمیایی بسیار زیاد است. این انرژی هم به صورت تابش فوتون و هم به صورت انرژی جنبشی هسته و نوترون‌ها آزاد می‌شود. یک واکنش شکافت به طور معمول حدود Mev 200 انرژی آزاد می‌کند.

هسته اتم‌های آزاد شده در فرآیند شکافت مربوط به عناصر شیمیایی مختلفی هستند. چون هسته‌های تولید شده نیز معمولاً ایزوتوپ‌های ناپایدار می‌باشند، محصولات شکافت تا حد بالایی رادیواکتیو هستند این ایزوتوپ‌ها هم واپاشی کرده و پرتوهای گاما و بتا تابش می‌کنند. این محصولات شکافت به شدت رادیواکتیو (یا ضایعات واپاشی آن‌ها که همانند محصولات اولیه شکافت بسیار ناپایدارند و زمان واپاشی بسیار کوتاهی دارند) زباله‌های هسته‌ای به حساب می‌آیند.

شکافت القا شده

با وجود اینکه اغلب اوقات، ساده‌ ترین شکل آغاز شکافت جذب یک نوترون آزاد توسط هسته است، واکنش شکافت را به وسیله برخورد یک هسته قابل شکافت با دیگر ذرات نیز می‌توان القا کرد. این ذرات می‌توانند پروتون، هسته‌های دیگر و یا حتی فوتون‌های با انرژی خیلی بالا مثل پرتوهای گاما باشند. به ندرت ممکن است پیش بیاید که یک هسته قابل شکافت بدون دریافت نوترون شکافت هسته‌ای خود به خودی انجام دهد.

شکافت القایی در عناصر سنگین آسان‌تر است و به طور کلی هر چه هسته سنگین‌تر باشد احتمال بیشتری وجود دارد تا شکافته شود. شکافت در عناصر سنگین‌تر از آهن انرژی تولید می‌کند و در عناصر سبک‌تر از آهن نیاز به انرژی دارد. خلاف آن در مورد هم‌جوشی هسته‌ای صادق است، هم‌جوشی در عناصر سبک‌تر از آهن انرژی تولید می‌کند و هم جوشی در عناصر سنگین‌تر از آهن نیاز به انرژی دارد.

بیشترین عناصری که در شکافت هسته‌ای استفاده می‌شوند اورانیوم و پلوتونیوم هستند. اورانیوم سنگین‌ترین عنصری است که در طبیعت یافت می‌شود. پلوتونیوم دچار شکافت هسته‌ای خود به خودی می‌شود و نیمه عمر نسبتاً کوتاهی دارد. اگر چه عناصر دیگری هم هستند که می‌توان از آن‌ها استفاده کرد. اما این عناصر بهترین ترکیب از لحاظ راحتی شکافت و یکنواختی را دارند.

مواد شکافتنی

مواد ناپایدار برای اینکه به پایداری برسند، انرژی گسیل می‌کنند تا به حالت پایدار برسد. معمولاً عناصری شکافت پذیر هستند که جرم اتمی آن‌ها بالای 150 باشد.  

اورانیوم 235 و 238 در معادن یافت می‌شود. 99/03 درصد اورانیوم معادن اورانیوم 238 می‌باشد و تنها 0/7 درصد آن اورنیوم 235 می‌باشد. از طرفی اورانیوم 235 با نوترون‌های کند پیشرو واکنش نشان می‌دهد.  اورانیوم 238 تنها با نوترون‌های تند کار می‌کند، البته خوب جواب نمی‌دهد.

بنابر این در صنعت در نیروگاه‌های هسته‌ای اورانیوم 235  به عنوان سوخت محسوب می‌شود. ولی به دلایل اینکه در طبیعت کم یافت می‌شود. بایستی غنی سازی اورانیوم شود، یعنی اینکه از 0/7 درصد به 1 الی 3 درصد برسانند.  

شکافت اورانیوم 235

در واکنش هسته‌ای وقتی نوترون کند بر روی اورانیوم 235 برخورد می‌کند به اورانیوم 236 تحریک شده تبدیل می‌شود. نهایتاً تبدیل به باریوم و کریپتون و 3 تا نوترون تند تبدیل شده و 177 Mev انرژی آزاد می‌شود. پس در واکنش اخیر به ازای هر نوکلئون حدود 1 Mev انرژی آزاد می‌شود.