دانلود مقاله-تحقیق-پروژه-کارآموزی
مرجع کامل خرید و دانلود گزارش کار آموزی ، گزارشکار آزمایشگاه ، مقاله ، پروژه و پایان نامه های کلیه رشته های دانشگاهیدانلود مقاله-تحقیق-پروژه-کارآموزی
مرجع کامل خرید و دانلود گزارش کار آموزی ، گزارشکار آزمایشگاه ، مقاله ، پروژه و پایان نامه های کلیه رشته های دانشگاهیمقاله بررسی کشف و گسترش انرژی هسته‌ای
| دسته بندی | فنی و مهندسی |
| بازدید ها | 2 |
| فرمت فایل | doc |
| حجم فایل | 50 کیلو بایت |
| تعداد صفحات فایل | 27 |
مقاله بررسی کشف و گسترش انرژی هسته‌ای در 27 صفحه ورد قابل ویرایش
مقدمة تاریخی
داستان کشف و گسترش انرژی هسته‌ای، که در مفهوم این پژوهش انرژی‌ای است که در اثر شکافت اوارنیم و احتمالاً عناصر سنگین دیگر آزاد می‌شود، به سال 1311/1932، که چادویک در آزمایشگاه کاوندیش، واقع در کمبریج، نوترون را شناسایی کرد، بر می‌گردد.
این کشف از چند نظر دارای اهمیت بود. اولاً، تشریح ساختار اتم به شکل قابل قبول‌تری امکان پذیر شد و نشان داده شد که هر عنصر بخصوص ممکن است چندین ایزوتوپ مختلف، یعنی گونه‌های مختلفی که تعداد نوترون‌های آنها فرق می‌کند، داشته باشد. ثانیاً، نوترون ذرة جدیدی بود که برای بمباران هستة اتم و ایجاد واکنشهای مصنوعی در اختیار دانشمندان فیزیک اتمی قرار می‌گرفت. در سالهای قبل از آن، دانشمندان برای این منظور از ذرات پروتون و آلفا (هستة عنصر هلیم) استفاده می‌کردند، اما بلافاصله بعد از کشف نوترون این دانشمندان، بخصوص دانشمند ایتالیایی فرمی که در رم کار می‌کرد، دریافتند که این ذره به علت بی‌بار بودن (برخلاف پروتون و ذرة آلفا) آسان‌تر به درون سد پتاسیل هستة اتم نفوذ کرده با آن برهم کنش می‌کند.
چند سال بعد، فرمی و همکارانش در رم عناصر طبیعی زیادی را با نوترون بمباران کردند و فرآورده‌های واکنشهای حاصل را مورد مطالعه قرار دادند. در بسیاری موارد فرمی دریافت که ایزوتوپ‌های پرتوازی عنصر اصلی تولید می‌شدند، و وقتی این ایزوتوپ‌ها وا می‌پاشیدند عناصر دیگری، کمی سنگین‌تر از عناصر اصلی است، تولید می‌شدند. با این روش اورانیم، سنگین‌ترین عنصر طبیعی، در اثر بمباران با نوترون به عناصر سنگین‌تر فرا اوارنیم، که به صورت طبیعی روی زمین یافت نمی‌شدند، تبدیل شد. در این برهه، فرمی دو کشف بزرگ دیگر هم صورت داد، یکی اینکه نوترون‌های کم انرژی بطور کلی برای تولید واکنشهای هسته‌ای مؤثرند از نوترون‌های پر انرژی هستند، و دیگر
اینکه مؤثرترین راه کند کردن نوترون‌های پر انرژی پراکندگیهای متوالی آنها از عناصر سبک مثل هیدروژن در ترکیباتی مثل آب و پارافین است. نقش مهم این دو کشف در گسترش انرژی هسته‌ای در سالهای بعد به ثبوت رسید.
آزمایشهای فرمی روی اورانیم توسط دو شیمیدان آلمانی به نامهای هان و استراسمن تکرار شد. این دو نفر در سال 1317/1938 کشف کردند که یکی از فراورده‌های برهم کنش نوترون با اورانیم، باریم است که عنصری است در میانة جدول تناوبی. ظاهراً واکنشی رخ داده بود که در آن هستة سنگین اورانیوم، در اثر بمباران با نوترون، به دو هستة با جرم متوسط تقسیم شده بود. دو فیزیکدان، به نامهای مایتنر و فریش، با شنیدن خبر این کشف و بر مبنی مدل قطره ـ مایعی هستة اتم توضیحی برای این فرایند پیدا و محاسبه کردند که انرژی بسیار زیادی (خیلی بیش از آنچه که در فرایندهای شناخته شدة پیش از آن دیده شده بود) از این فرایند که نام شکافت بر آن گذاشته شد آزاد می‌شود.
جلوه‌های مهم دیگری از شکافت در ماههای بعد کشف شد. ژولیو و همکاران او در فرانسه نشان دادند که در فرایند شکافت چند نوترون هم گسیل می‌شود، و بعداً معلوم شد که این نوترون‌ها انرژی خیلی بالایی دارند. به این ترتیب این امکان وجود داشت که فرایند شکافت، که با یک نوترون آغاز می‌شد و دو یا سه نوترون تولید می‌کرد، در صورت بروز شکافت دیگری توسط این نوترون‌های جدید، ادامه پیدا کند. زنجیره ـ واکنش خود ـ نگهداری که به این ترتیب ایجاد می‌شد قادر بود مقدار فوق‌العاده زیادی انرژی ایجاد کند.
دو نوع واکنش زنجیره‌یا شکافت متمایز در پیش رو بود: یکی آنکه فرایند شکافت با آهنگ پایا و کنترل شده‌ای انجام می‌شد و به صورت پایا و پیوسته‌ای انرژی آزاد می‌کرد؛ و دیگر اینکه آهنگ شکافت به حدی سریع و کنترل نشده می‌بود که، واقعاً، یک انفجار هسته‌ای با توان تخریب خیلی زیاد تولید می‌کرد. با این همه، پیش از اینکه این ایده‌ها می‌توانستند به واقعیت حتی نزدیک بشوند، مجهولات و مشکلات زیادی باید حل می‌شد. در میان این مجهولات، سطح مقطع شکافت اوارنیم 235 (میزان احتمال انجام این نوع واکنش) بود، و تا این کمیت مشخص نمی‌شد هیچ راهی وجود نداشت که بگوییم آیا واکنش زنجیره‌ای ممکن هست یا خیر، و اگر امکان داشت جرم بحرانی اورانیم لازم چه مقدار بود. همچنین معلوم شده بود که برای دستیابی به یک واکنش زنجیره‌ای در انواع مشخصی از سیستم‌هایی که برای تولید پایا و پیوستة انرژی طراحی می‌شدند لازم بود انرژی نوترون‌هایی که توسط شکافت تولید می‌شدند به مشخص نمی‌شد هیچ راهی وجود نداشت که بگوییم آیا واکنش زنجیره‌ای ممکن هست یا خیر، و اگر امکان داشت جرم بحرانی اورانیم لازم چه مقدار بود. همچنین معلوم شده بود که برای دستیابی به یک واکنش زنجیره‌ای در انواع مشخصی از سیستم‌هایی که برای تولید پایا و پیوستة انرژی طراحی می‌شدند لازم بود انرژی نوترون‌هایی که توسط شکافت تولید می‌شدند به انرژی‌های خیلی پایین‌تری کاهش می‌یافتند تا، همان طور که فرمی نشان داده بود، شکافتهای بیشتر را آسان‌تر باعث می‌شدند. ماده‌ای که برای حصول این فرایند کند شدگی لازم بود کند کننده نام گرفت، و یکی از کند کننده‌های اولیه‌ای که در آزمایشها مورد استفاده قرار گرفت آب سنگین بود، که در زمان مورد بحث در اروپا فقط در یک جا پیدا می‌شد – شرکت هیدرو الکتریک (برق ـ آب= برقاب) نروژ، و تمام موجودی آن را در 1319/1940 فرانسه خریداری کرد.
کشف شکافت در 1317/ 1938 و پیشرفتهای بیشتر در سال 1318/1939، که درست پیش از شروع جنگ جهانی دوم رخ داد، نمی‌توانست در زمانی حساس‌تر از آن در تاریخ جهان اتفاق بیفتد. اگر هیتلر کاملاً به اهیمت این کشف پی برده و دانشمندانش را به توسعة آن تشویق کرده بود، به احتمال زیاد آلمان اولین کشوری می‌بود که سلاح هسته‌ای تولید می‌کرد و تاریخ جهان در سی یا چهل سال گذشته خیلی تفاوت می‌کرد. خوشبختانه، از دید انگلیسی‌ها، هیتلر قدر کشفیات دانشمندان اتمی خود را، که بسیاری از آنها یهودی و در حال مهاجرت به بریتانیا و آمریکا بودند، ندانست و تحقیقات شکافت در آلمان با امکانات و اولویت محدودی دنبال شد. تحقیقات شکافت در فرانسه هم در خرداد ـ تیر / ژوئن 1319/1940 ناگهان قطع شد و دو دانشمند پیشتاز فرانسوی، هالبان و کوارسکی، به همراه ذخیرة حیاتی آب سنگین فرانسه به بریتانیا آمدند.
به این ترتیب در تابستان 1319/1940 بریتانیا، که تا آن زمان دست تنها درگیر مقابله با آلمان بود، به کانون تحقیقات شکافت تبدیل گردید. در آن سال، اجتماع بزرگی از دانشمندان برجستة دنیا در بریتانیا وجود داشت، که تعداد زیادی از آنها پناهندگان اروپایی بودند. شرایط، فوق‌العاده حساس و اضطراری بود، چون مشخص شده بود که اولین کشور سازندة بمب اتمی به احتمال قوی برندة جنگ خواهد بود، و هیچکس دقیقاً نمی‌دانست آلمانها چه می‌کنند. در آن سال، دانمشندان حاضر در بریتانیا پیشرفت قابل ملاحظه‌ای کردند و بطور نظری نشان دادند که با استفاده از اورانیم 235 می‌توان یک بمب اتمی با توان انفجار ویران‌گری ساخت، که این خود حملات هوایی، این اقدامات غیر عملی به نظر می‌رسیدند. لذا تصمیم بر آن شد که تقریباً تمام کار تحقیقات، گسترش و تولید به ایالات متحدة آمریکا، که کار بر روی شکافت در حال پیشرفت بود، هر چند نه در سطح پیشرفته و درجة اضطرار بریتانیا، منتقل شود. زیرا آمریکا دارای منابع صنعتی لازم بود و، حتی پس از شروع جنگ با ژاپن، از حملات هوایی در امان بود.
هدف اصلی تحقیقات شکافت در آمریکا در سالهای اول دهة 1320/1940 ساخت چند بمب اتمی بود، و به محض درگیر شدن آمریکا در جنگ احساس اضطرار افزایش یافت. برای تهیة مواد شکافهای خالص برای بمب دو روش پیشنهاد شده بود: اول، تهیة اورانیم 235 خالص از اورانیم طبیعی با جداسازی رادیو ایزوتوبی، با استفاده از فرایند پخش گازی ترکیب هگزافلورید اورانیم که باید از یک رشته غشاهای متخلخل عبور می‌کرد. دوم، تولید ایزوتوپ فرا – اورانیم پلوتونیم 239، که معلوم شده بود شکافا است، با بمباران نوترونی اورانیم 238 در یک سیستم زنجیره‌ای کنترل شده با استفاده از اورانیم طبیعی. شکافت حاصل در کسر اورانیم 235 موجود در اورانیم طبیعی باعث تداوم واکنش زنجیره‌ای می‌شود، و نوترون‌های اضافی مقداری اورانیم 238 را با پلوتونیم 239 تبدیل می‌کنند که می‌شود آن را از اورانیم جدا کرد. برای رسیدن به این اهداف، تأسیسات معظم پخش گازی در اک ریج، تنسی ـ آمریکا ـ در سال1322/1943 برای تولید اورانیم 235 آغاز به کار کرد، و در دسامبر 1942 (آذرماه 1321) اولین سیستم کنترل شدة واکنش زنجیره‌ای در شیکاگو زیر نظر فرمی، که چند سال پیش از ان ایتالیا را ترک کرده و به آمریکا مهاجرت کرده بود، به وضعیت بحرانی رسید. طی دو سال پس از آن، رآکتورهای (نامی که به سیستم‌های کنترل شدة شکافت داده شد) بزرگتر و قوی تری ساخته شدند، که نقطة اوج آن رآکتورهای عظیم تولید کنندة پلوتونیم هانفورد در واشینگتن بود.
شکل 2-5 واپاشی برم 87- یک فراوردة شکافت
لذا این چشمة، اگر چه کوچک، دیگری است از نوترون‌هایی که گسیل آنها حدود 80 ثانیه (عمر متوسط ) نسبت به رویداد شکافت، که منشأ اصلی آنها است، تأخیر دارد. تعداد نسبی نوترون‌های تأخیری ( در مورد ) فقط حدود 65ر0 درصد بهرة کل نوترون است، اما، همان طور که بعداً خواهیم دید، این نوترون‌ها در کنترل رآکتورها نقشی اساسی ایفا می‌کند.
اگر در یک وضعیت محتمل‌تر نوترون‌ها دارای طیفی از مقادیر سرعت باشند به طوری که n(v)dv تعداد نوترون‌هایی بر واحد حجم باشد که مقدار سرعت آنها در گسترة v تا v+dv است، در آن صورت:
برای موردی که نوترون‌ها در تمام جهات حرکت می‌کنند شار نوترون را می‌توان به صورت طول رد کل تمام نوترون‌ها در واحد حجم بر واحد زمان تعریف کرد. این تعریف با تعریفی که قبلاً برای باریکة موازی نوترون کردیم سازگار است، اما به آن شرط بستگی ندارد. قابل اعمال بودن شار نوترون بر همة نوترون‌هایی که به طور کتره‌ای در تمام جهات حرکت می‌کنند، صرفنظر از جهت حرکت آنها، تأکیدی است بر طبیعت اسکالر (در تقابل با بردار) بودن آن.
به تجربه ثابت شده است که آهنگ بر هم کنش یک باریکة نوترون با هسته‌های موجود در مادة هدف متناسب است با (الف) شار نوترون، و (ب) تعداد اتم‌های موجود در هدف، که فرض می‌شود از یک ایزوتوپ تشکیل شده است.
یک باریکه از نوترون‌هایی را در نظر بگیرید، همه با مقدار سرعت v cm/s و چگالی / نوترون n، که بر هدفی به سطح A و ضخامت dx cm که شامل / هسته N است فرود می‌آید، رک شکل 2-7.
شکل 2-7 آهنگ برهم کنش نوترون‌ها
اکنون با استفاده از عبارت پیش می‌توان آهنگ برهم کنش F را در مادة هدف به صورت زیر بیان کرد:
یا:
(2-14)
که درآن V=A dx، حجم هدف، و NV تعداد کل اتم‌های ایزوتوپ داخل هدف است که برهم کنش در آن انجام می‌شود.
ثابت در معادلة (2-14) سطح مقطع میکروسکوپی ایزوتوپ مورد نظر است. یکای این پارامتر برهسته است، و می‌توان آن را برابر مساحتی که هر هسته در مقابل نوترون‌ها، برای ایجاد یک واکنش، «علم» می‌کند تلقی نمود. ( این مساحت برابر اندازة سطح واقعی هسته نیست، در بعضی موارد ممکن است بزرگتر از آن باشد، حال آنکه در مواردی دیگر کوچک‌تر از آن است.) مقدار برای اغلب ایزوتوپ‌ها بین تا است، و واحد متداول آن بارن است: