بمب هاى هسته اى  

•چرا اورانيوم و پلوتونيوم؟  

ايزوتوپ معمول اورانيوم (اورانيوم ۲۳۸) براى ساخت سلاح اتمى مناسب نيست. چرا كه با شليك نوترونى به هسته اين ايزوتوپ، احتمال به دام افتادن نوترون و تشكيل اورانيوم ۲۳۹ از احتمال شكافت هسته اى بسيار بيشتر است. درحالى كه در اورانيوم ۲۳۵ امكان شكافت هسته اى بيشتر است. اما فقط ۷/۰ درصد اورانيوم موجود در طبيعت، ايزوتوپ ۲۳۵ است. به همين خاطر براى تهيه مقدار مورد نياز اورانيوم ۲۳۵ براى ساخت بمب، به مقدار زيادى از اورانيوم طبيعى نياز است. در عين حال ايزوتوپ هاى ۲۳۵ و ۲۳۹ اورانيوم به روش هاى شيميايى قابل جداسازى نيستند؛ چرا كه از لحاظ شيميايى يكسانند. بنابراين دانشمندان پروژه منهتن قبل از ساختن بمب بايد مسئله ديگرى را حل مى كردند؛ جداسازى ايزوتوپ هاى اورانيوم به روش هاى غيرشيميايى. پژوهش ها همچنين نشان مى داد كه پلوتونيوم ۲۳۹ قابليت شكافت هسته اى بالايى دارد. گرچه پلوتونيوم ۲۳۹ يك عنصر طبيعى نيست و بايد ساخته شود. رآكتورهاى هنفورد در واشينگتن به همين منظور ساخته شده اند.

 Gaseous Diffusion
در روش Gaseous Diffusion، گاز هگزافلوراید اورانیوم (UF6) را با سرعت از صفحات خاصی که حالت ----- دارند عبور داده می شود و طی آن این صفحات می توانند به دلیل داشتن منافذ و خلل و فرج زیاد تا حدی می توانند اوانیوم 235 را از 238 جدا کنند. (به شکل بالا دقت کنید)
در این روش با تکرار استفاده از این صفحات ----- مانند، بصورت آبشاری (Cascade)، میزان اورانیوم 235 را به مقدار دلخواه بالا می بردند. این روش اولین راهکارهای صنعتی برای غنی سازی اورانیوم بود که کابرد عملی پیدا کرد.
Gaseous Diffusion از جمله تکنولوژی هایی بود که ایالات متحده طی جنگ جهانی دوم در پروژه ای بنام منهتن (Manhattan) برای ساخت بمب هسته ای، با کمک انگلیس و کانادا به آن دست پیدا کرد.
نمونه ای از سانتریفیوژهای گازی آبشاری که برای غنی سازی اورانیوم از آنها استفاده می شود. Hyper-Centrifuge
اما در روش استفاده از سانتریفیوژ برای غنی سازی اورانیوم، تعداد بسیار زیادی از این دستگاهها بصورت سری و موازی بکار می برند تا با کمک آن بتوانند غلظت اورانیوم 235 را افزایش دهند.
گاز هگزافلوراید اورانیوم (UF6) در داخل سیلندرهای سانتریفیوژ تزریق می شود و با سرعت زیاد به گردش در آورده می گردد. گردش سریع سیلندر، نیروی گریز از مرکز بسیار قوی ای تولید می کند و طی آن مولکولهای سنگین تر (آنهایی که شامل ایزوتوپ اورانیوم 238 هستند) از مرکز محور گردش دور تر می گردند و برعکس آنها که مولکول های سبک تری دارند (حاوی ایزوتوپ اورانیوم 235) بیشتر حول محور سانتریفیوژ قرار می گیرند.
در این هنگام با استفاده از روشهای خاص گازی که حول محور جمع شده است جمع آوری شده به مرحله دیگر یعنی دستگاه سانتریفیوژ بعدی هدایت می گردد. میزان گاز هگزافلوراید اورانیوم شامل اورانیوم 235 ای که در این روش از یک واحد جداسازی بدست می آید به مراتب بیشتر از مقداری است که در روش قبلی (Gaseous Diffusion) بدست می آید، به همین علت است که امروزه در بیشتر نقاط جهان برای غنی سازی اورانیوم از این روش استفاده می کنند.
بزرگترین دستگاههای آبشاری سانتریفیوژ در کشورهایی مانند فرانسه، آلمان، انگلستان و چین در حال غنی سازی اورانیوم هستد. این کشورها علاوه بر مصرف داخلی به صادرات اورانیوم غنی شده نیز می پردازند. کشور ژاپن هم دارای دستگاههای بزرگ سانتریفیوژ است اما تنها برای مصرف داخلی اورانیوم غنی شده تولید می کند.

 بمب اورانيومی:  
هدف طراحان بمبهای اتمی ايجاد يک جرم فوق بحرانی ( از اورانيوم يا پلوتونيوم) است که بتواند طی يک واکنش زنجيره ای مداوم و کنترل نشده، مقادير متنابهی انرژی حرارتی آزاد کند.
يکی از ساده ترين شيوه های ساخت بمب اتمی استفاده از طرحی موسوم به "تفنگی" است که در آن گلوله کوچکی از اورانيوم که از جرم بحرانی کمتر بوده به سمت جرم بزرگتری از اورانيوم شليک ميشود بگونه ای که در اثر برخورد اين دو قطعه، جرم کلی فوق بحرانی شده و باعث آغاز واکنش زنجيره ای و انفجار هسته ای ميشود.
کل اين فرايند در کسر کوچکی از ثانيه رخ ميدهد.
جهت توليد سوخت مورد نياز بمب اتمی، هگزا فلوئوريد اورانيوم غنی شده را ابتدا به اکسيد اورانيوم و سپس به شمش فلزی اورانيوم تبديل ميکنند. انجام اين کار از طريق فرايندهای شيميائی و مهندسی نسبتا ساده ای امکان پذير است.

درت انفجار يک بمب اتمی معمولی حداکثر ۵۰ کيلو تن است، اما با با کمک روش خاصی که متکی بر مهار خصوصيات جوش يا گداز هسته ای است ميتوان قدرت بمب را افزايش داد.
در فرايند گداز هسته ای ، هسته های ايزوتوپهای هيدروژن به يکديگر جوش خورده و هسته اتم هليوم را ايجاد ميکنند. اين فرايند هنگامی رخ ميدهد که هسته های اتمهای هيدروژن در معرض گرما و فشار شديد قرار بگيرند. انفجار بمب اتمی گرما و فشار شديد مورد نياز برای آغاز اين فرايند را فراهم ميکند.
طی فرايند گداز هسته ای نوترونهای بيشتری رها ميشوند که با تغذيه واکنش زنجيره ای، انفجار شديدتری را بدنبال می آورند. اينگونه بمبهای اتمی تقويت شده به بمبهای هيدروژنی يا بمبهای اتمی حرارتی موسومند.

 غنی سازی اورانیوم
سانتریفیوژ دستگاهی است که برای جدا سازی مواد از یکدیگر بر اساس وزن آنها استفاده می شود. این دستگاه مواد را با سرعت زیاد حول یک محور به گردش در می آورد و مواد متناسب با وزنی که دارند از محور فاصله می گیرند.
در واقع در این روش برای جدا سازی مواد از یکدیگر از شتاب ناشی از نیروی گریز از مرکز استفاده می گردد، کاربرد عمومی این دستگاه برای جداسازی مایع از مایع و یا مایع از جامد است.
سانتریفیوژ هایی که برای غنی سازی اورانیوم استفاده می شود حالت خاصی دارند که برای گاز تهیه شده اند که به آنها Hyper-Centrifuge گفته می شود. 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 می کردند.

 راکتور هسته ای:  
راکتور هسته ای وسيله ايست که در آن فرايند شکافت هسته ای بصورت کنترل شده انجام ميگيرد. انرژی حرارتی بدست آمده از اين طريق را می توان برای بخار کردن آب و به گردش درآوردن توربين های بخار ژنراتورهای الکتريکی مورد استفاده قرار داد.
اورانيوم غنی شده ، معمولا به صورت قرصهائی که سطح مقطعشان به اندازه يک سکه معمولی و ضخامتشان در حدود دو و نيم سانتيمتر است در راکتورها به مصرف ميرسند. اين قرصها روی هم قرار داده شده و ميله هايی را تشکيل ميدهند که به ميله سوخت موسوم است. ميله های سوخت سپس در بسته های چندتائی دسته بندی شده و تحت فشار و در محيطی عايقبندی شده نگهداری ميشوند.
در بسياری از نيروگاهها برای جلوگيری از گرم شدن بسته های سوخت در داخل راکتور، اين بسته ها را داخل آب سرد فرو می برند. در نيروگاههای ديگر برای خنک نگه داشتن هسته راکتور ، يعنی جائی که فرايند شکافت هسته ای در آن رخ ميدهد ، از فلز مايع (سديم) يا گاز دی اکسيد کربن استفاده می شود.

1- هسته راکتور
2-پمپ خنک کننده
3- ميله های سوخت
4- مولد بخار
5- هدايت بخار به داخل توربين مولد برق
برای توليد انرژی گرمائی از طريق فرايند شکافت هسته ای ، اورانيومی که در هسته راکتور قرار داده ميشود بايد از جرم بحرانی بيشتر (فوق بحرانی) باشد. يعنی اورانيوم مورد استفاده بايد به حدی غنی شده باشد که امکان آغاز يک واکنش زنجيره ای مداوم وجود داشته باشد.
برای تنظيم و کنترل فرايند شکافت هسته ای در يک راکتور از ميله های کنترلی که معمولا از جنس کادميوم است استفاده ميشود. اين ميله ها با جذب نوترونهای آزاد در داخل راکتور از تسريع واکنشهای زنجيره ای جلوگيری ميکند. زيرا با کاهش تعداد نوترونها ، تعداد واکنشهای زنجيره ای نيز کاهش ميابد.
حدودا ۴۰۰ نيروگاه هسته ای در سرتاسر جهان فعال هستند که تقريبا ۱۷ درصد کل برق مصرفی در جهان را تامين ميکنند. از جمله کاربردهای ديگر راکتورهای هسته ای، توليد نيروی محرکه لازم برای جابجايی ناوها و زيردريايی های اتمی است.

 بازفراوری:  
برای بازيافت اورانيوم از سوخت هسته ای مصرف شده در راکتور از عمليات شيميايی موسوم به بازفراوری استفاده ميشود. در اين عمليات، ابتدا پوسته فلزی ميله های سوخت مصرف شده را جدا ميسازند و سپس آنها را در داخل اسيد نيتريک داغ حل ميکنند.

در نتيجه اين عمليات، ۱% پلوتونيوم ، ۳% مواد زائد به شدت راديوراديو اکتيو و ۹۶% اورانيوم بدست می آيد که دوباره ميتوان آنرا در راکتور به مصرف رساند.
راکتورهای نظامی اين کار را بطور بسيار موثرتری انجام ميدهند. راکتور و تاسيسات باز فراوری مورد نياز برای توليد پلوتونيوم را ميتوان بطور پنهانی در داخل ساختمانهای معمولی جاسازی کرد. به همين دليل، توليد پلوتونيوم به اين طريق، برای هر کشوری که بخواهد بطور مخفيانه تسليحات اتمی توليد کند گزينه جذابی خواهد بود.