تبليغاتX
فیزیک علمی برای کشف قدرت بیکران الهی
فیزیک علمی برای کشف قدرت بیکران الهی
وبلاگی جهت بیان و عرضه : پدیده های فیزیکی / کشفیات جدید / مقالات فیزیک / دانشمن
نیرو، چرخه سوخت وغنی سازی هسته ای

1. مقدمه

در طبیعت  چهار نیروی بنیادی گرا نشی، الکترومغناطیسی، هسته ای ضعیف و هسته ای قوی وجود دارد که از طریق تبادل ذرات بنیادی و در نتیجه اندازه حرکت بین اجسام ایجاد می شود. نتیجه بر هم کنش ذرات بنیادی در هسته  واکنش هسته ای و انرژی حاصل از ان انرژی هسته ای است، که از آن برای صنعت، پزشکی،کشاورزی تولید برق استفاده صلح امیز و برای  انفجار های هسته ای استفاده نظامی می شود. انفجار هسته ای ، راکتور هسته ای کنترل نشده ای است که در ان واکنش هسته ای بسیار وسیع در زمان کمتر از  میلیاردم ثانیه رخ میدهد برای ایجاد انفجار هسته ای به یک سوخت شکافت یا گداخت پذیر، ماشه اغاز گر حوادث و روشی که اجازه میدهد تا قبل از اینکه انفجار پایان یابد، کل سوخت شکافته یا گداخته شود، نیاز میباشد در انفجار های هسته ای همه چیز در کانون انفجار در دمای بالا( حدود106×300 درجه سانتی گراد)به حالت گاز در می آید و در خارج از کا نون موج شدید گرما همه چیز را می سوزاند و فشار موج ضربه ای ساختمان ها و تاسیسات را خراب میکند و تشعشعات مواد رادیواکتیو در محیط انفجار و نقاط دور دست، محیط زیست، گیاهان وموجودات زنده را به  مخاطره می اندازد. برای داشتن
فن آوری هسته ای چرخه سوخت ضروری است که شامل نورد سنگ معدن اورانیوم ، تهیه  هگزافلوراید اورانیوم ، غنی سازی و... است.غنی سازی به روش های الکترومغناطیسی ، سانتریفیوژ، لیزر، دیفوزیون گازی و ... انجام میگیرد.

2. بحث                                                               

ذرات بنیادی طبیعت ازذرات دیگری ساخته نشده اند مانند فوتون، گلوئون، گراویتون،کوارک، الکترون، بوزونهای برداری حدواسط و نوترینو و پروتون و نوترون ذرات بنیادی نیستند بلکه از کوارکها ساخته میشوند. نیرو یا بر هم کنش متقابل بین اجسام از طریق مبادله ذرات بنیادی و ا ندازه حرکت توسط اجسام ایجاد میشود.

نیروی قوی که منشاء نیروی هسته ای قوی بین نوکلئون هاست از طریق تبادل گلئون ها بین کوارک ها ایجاد میشود. نیروی الکترومغناطیسی بین ذرات باردار از طریق تبادل فوتون بین ذرات باردار ایجاد میشود. نیروی ضعیف که منشاء نیروی هسته ای ضعیف در واپاشی بتایی است از طریق تبادل بوزونهای برداری حد  واسط(w,z) برقرارمیگردد.                          

n (udd)→p(udu)و  )u ) و ( معرف کوارک بالا، dمعرف کوارک پایین است  )

نیروی گرانشی بین ذرات دارای جرم از طریق تبادل گراویتون بین آنها برقرار میشود.شدت نسبی نیروها:

 1 = هسته ای قوی و ،10-2=الکترو مغناطیسی و10-9  = هسته ای ضعیف و 10-38  = گرانشی می باشد با  آزمایش جذب سوزن با یک آهن ربای کوچک  و نیروی گرانشی و الکتریکی دو بار آزمون شدت نسبی نیرو ها را می توان نشان داد.

واکنش هسته ای فرو پاشی خودبخودی، شکافت، همجوشی همان بر هم کنش بین ذرات بنیادی هسته  است.

     

راکتور هسته ای شکافت دستگاهی است که در ان شکافت هسته ای زنجیره ای کنترل شده به منظو تولید برق، تولید رادیونوکلئید ها و تامین انرژی کشتی ها ،زیر دریایی ها و ماهواره ها و تحقیقات هسته ای انجام میگیرد.
کند کننده ها برای تبدیل نوترون های سریع حاصل ازشکافت، به نوترون های حرارتی بکار میروند.بهترین هسته ها برای این منظور هسته های سبک از قبیل هیدروژن معمولی دو تریوم، بریلیوم  و کربن بصورت گرافیت می باشد. بنا به انرژی جنبشی نوترون نسبت به انرژی جنبشی اولیه آن دربرخورد الاستیک با هسته ها می باشد. نوترون در برخورد با هیدروژن  آب معمولی تقریبا تمام انرژی جنبشی خود را از دست داده و به نوترون حرارتی تبدیل میشود از این جهت آب معمولی از بهترین کند کننده است.

                                                                                                                                                      

در همه راکتورها ی شکافتی ، نوترون های کند نشده حاصل از شکافت با اورانیوم  238 برخورد نموده و پلوتونیوم239 نیز مطابق   238U+n(fast)→239 U→239  Np→239 Pu تولید می کنند، ولی برای اهداف نظامی از راکتورهای ویژه با شار نوترونی زیاد استفاده می شود ،این راکتور و یک واحد باز پردازش برای تولید Pu در یک ساختمان عادی جای می گیرد. انفجار هسته ا ی راکتور هسته ای کنترل نشده ای است که در آن واکنش هسته ای بسیار وسیع در زمان کمتر از  میلیاردم ثانیه رخ میدهد برای تولید انفجارهسته ای به یک سوخت شکافت یا گداخت پذیر، ماشه آغاز گر حوادث و روشی که اجازه میدهد تا قبل از اینکه بمب خاموش شود کل سوخت شکافته یا گداخته شود، نیاز میباشد. در شکافت هسته ای Fat man برای شروع واکنش انفجار داخل گوی صورت میگیرد و موج ضربه ای حاصل از ان Pu239 که در مرکز گوی با U238 احاطه شده را به داخل کره میفرستد و آن را فشرده میکند تا واکنش هسته ای خارج از حد بحرانی انجام گیرد و بمب منفجر شود. همچنین در شکافت هسته ای Little boyیک گلوله حاوی U235 به دور یک مولد نوترون بالای یک گوی حاوی U235 حول دستگاه مولد نوترون قرار دارد و هنگامی که این بمب به زمین اصابت میکند.حسگر حساس به فشار، ارتفاع مناسب را  برای انفجار چا شنی مشخص میکند و مواد منفجره پشت گلوله منفجر میشود و گلوله به پایین میافتد.سپس گلوله به کره برخورد میکند و واکنش شکافت هسته ای رخ میدهد و بمب منفجر میشود. انفجار گداخت هسته ای نسبت به انفجار شکافتی بازده و قدرت تخریب بیشتری دارد مشکلات استفاده از این انفجار الف ) T,d که سوخت این انفجار هستند هر دو به شکل گازند و امکان ذخیره سازی انها مشکل است پس باید به دمای-2500C برده شوندتا مایع گردند. ب) تهیه T مشکل و پر هزینه است.

                                                                           

موج انفجارهمان گسترش سریع گاز داغ و فشرده از محل انفجار به محیط اطراف و افزایش فشار اتمسفر میباشد. گاز های ثانویه مسیر داغ تری را طی کرده و به گازهای اولیه میرسند و فشارشان بر هم نهاده شده و جبهه موج ضربه ای را تشکیل میدهند و به سطح تاسیسات فشار استاتیکی وارد میکنند.در پشت جبهه موج هوای همراه موج انفجار سرعت بسیار زیاد دارد و فشار دینامیکی ایجاد میکند که میخواهد اجسام را  در سوی حرکت خود  به جنبش دراورد در نتیجه آنها را واژگون یا قطعات آنها را از هم جدا میکند زیان های ناشی از انفجار هسته ای عبارتند از الف:در کانون انفجار همه چیز تحت دمای تبخیر میشود و در خارج از آن اغلب تلفات بخاطر سوزش ایجاد شده توسط گرماست ب:موج شدید گرما همه چیز را میسوزاند. ج: فشار موج ضربه ای ساختمانها و تاسیسات را خراب میکند. د: تشعشعات رادیواکتیویته باعث سرطان میشود. ه: بارش مواد رادیواکتیو در مناطق دور  بصورت ابری از ذرات رادیواکتیوتوسط باد در غالب غبار و توده سنگهای متراکم و آلوده شدن گیاهان و موجودات زنده و محیط زندگی با عث ایجاد آلودگی زیست محیطی می شوند.

از قسمتهای مهم فن آوری هسته ای  چرخه سوخت است که شامل مراحل زیر است :1 ) نورد سنگ معدن اورانیوم الف ) استخراج سنگ معدن اورانیوم از معادن زیر زمینی و  همچنین حفاری های روباز که دارای 3% U3o8 است.  ب ) آماده سازی و آسیاب سنگ معدن و تهیه کنسا نتره با شکل پودر ریز و جامدج ) تهیه کیک زرد که شامل 85- 65 درصدU3o8 است.هر تن سنگ معدن اورانیوم زرد شامل مقدار کمی U3o8 است.شستن سنگ معدن  در اسید و عملیات تعویض- یون منجر به U3o8 نسبتا خالص میگردد.2)تهیه هگزا فلوراید اورانیوم :برای غنی سازی اورانیوم آن را به صورت Uf6 در میاورند چون:الف) در دمای بالای  بحالت گاز است.ب) فلوئور تک ایزوتوپی استU3 o8 + 2 H2→3 Uo2+ 2 H2O وUo2+4Hf→Uf4+ 2 H2o وUf4+ F2→Uf6   3) غنی سازی اورانیوم : جداسازی U235 از مخلوط سایر ایزوتوپهای ان در سنگ معدن طبیعی  4 ) تهیه Uo2 یا فلز خالص 5) تهیه میله سوخت و مجتمع سوخت و حمل سوخت6) مدیریت سوخت هسته ای در قلب راکتور7) باز فراوری و جداسازی عناصر شکافت پذیر8 ) پسماندداری.

انواع روشهای غنی سازی عبارتند از :1)روش الکترو مغناطیسی2)روش سانتریفوژ3)روش ایرو دینامیکی نازل4 )روش دیفوزیون گازی5)روش لیزر.در روش الکترومغناطیس اورانیوم یونیزه شده با سرعت وارد میدان مغناطیسی میشود. یون ها با توجه به جرم متفاوتی که دارند شعاعهای مختلفی را طی میکنند.  در روش سانتریفوژ هگزا فلوراید اورانیوم  را وارد دستگاه سانتریفوژ با سرعت دقیقه⁄ دور 104×6  میکنیم اورانیوم 235 به سمت استوانه مرکزی و اورانیوم             238به سمت دیواره جانبی رفته و از آنجا خارج میشوند و به سانتریفوژ بعدی منتقل میشوند برای غنای مطلوب از زنجیره های موازی-سری–مرکب استفاده می شود.

          

در روش ایرو دینامیکی نازل Uf6را با گاز کمکی سبکی ما نند He,H2 به نسبت 95%تا سرعت صوت نزدیک
می کنند و غنی سازی مطابق شکل زیر انجام می گیرد.

  در روش دیفوزیون گازی بنا به اصل  گراهان انرژی ملکولهای یک گاز در حال تعادل برابر و ثابت است. پس ملکولهای با جرم متفاوت سرعت های متفاوتی خواهند داشت

                      M1<M2    →V1>V2      اگر ½M1V1 2 =½M2V2 2                                         

در این روش که اولین روش غنی سازی بوده است، گاز Uf6 را در ظرفی که دارای پرده نیمه تراواست وارد
می کنیم.دراین حالت گاز سبک  از پرده بیشتر عبور میکند الف) به وسیله تفنگ الکترونی فلز اورانیوم بخار میشود.ب) بخار اتمی به قسمت جدا سازی جریان یافته و پالسهای لیزر به اتم ها برخورد میکنند. در نتیجه اتم ها یونیزه میشوند.ج ) به وسیله میدان الکترومغناطیسی یون های تولید شده به طرف صفحه های باردار فرستاده میشوند و جمع میشوند.محاسن این  روش عبارتند از:الف) توان بالای جداسازی ایزوتوپی در تک مرحله ب) امکان پذیری از لحاظ تکنولوژی ج) سرمایه گذاری اولیه کم و مصرف انرژی پایین سیستم و فضای مورد نیاز بسیار کم است

د) راه اندازی و توقف کار سیستم در مدت زمان کمتر انجام می شود 

                                       

                                                                                                                          

3. مراجع

  1. Basic Nuclear Engineering, Arthur R foster L,1977

  2. Introductory Nuclear Physics ,Kenneth S.Krane,1988                                                                     

  3. Nuclear Reactor Engineering ,Glasstone,s.& Sesonske,1963

  4. Fundamental of  Elementary Particle Physics,Longo,M.V.1973

  5. WWW-Physicclassroom-Com

  6. WWW-Ukea-Org-Uk

 

 

 

 

 
+ نوشته شده در  سه شنبه 1385/01/29ساعت   توسط علی _ ز ( منصور ) | 
کشف حالت جدید ماده
 

شرق :محققان ناسا حالت جديدي از ماده را كشف كردند كه حالت چگاليده فرميوني نام دارد. طي مدت زمان طولاني ماده را به سه حالت مي شناختند كه عبارت بودند از جامد، مايع و گاز. اما امروز مي دانيم كه اين سه حالت تنها نيمي از حالت هاي شناخته شده هستند و حداقل شش حالت براي ماده وجود دارد. اين شش حالت عبارتند از جامد، مايع، گاز، پلاسما، حالت چگاليده، بوز _ اينشتين و حالت چگاليده فرميوني. دكتر جين دبورا (Jin Deborah) سرپرست گروه دانشمنداني كه چگالش فرميوني را كشف كردند، درباره يافته هاي جديد مي گويد: دسامبر سال گذشته، زماني كه حالت جديد را كشف كرديم براي ما اوقات هيجان انگيزي بود گروه ما هم به خاطر هيجان ناشي از پيشرفت هاي چشمگير و هم به خاطر رقابت  فشرده  براي كشف حالت جديد، بسيار سخت كار  مي كرد تا اينكه نتيجه دلخواه به دست آمد.

اخبار كامل مربوط به اين موفقيت جالب، ماه ژانويه در سايت فيزيكال ريويو لترز (Physical Review Letters) آمده بود. اگر از دانش آموزان دوره دبيرستان خواص معمولي مواد را بپرسيد، در پاسخ مي گويند جامد ها شكل ثابتي دارند و از نظر فيزيكي سخت هستند اما قابليت خرد شدن را هم دارند. مايعات به آساني جريان مي يابند اما متراكم كردن آنها بسيار سخت است ودر هر ظرفي قرار بگيرند شكل آن ظرف را به خود مي گيرند. گاز ها كمترين چگالي را در مقايسه با ساير حالات دارند و به آساني متراكم مي شوند. گاز ها نه تنها در هر ظرفي قرار بگيرند شكل ظرفي را به خود مي گيرند، بلكه در تمام حجم ظرف پراكنده مي شوند و تمام فضاي ظرف را اشغال مي كنند. چهارمين شكل ماده پلاسماست. اين حالت تقريباً گاز مانند است اما اتم هاي سازنده پلاسما به الكترون ها و يون ها شكافته  شده اند. خورشيد نمونه اي از حالت پلاسما است. در واقع بيشتر ماده جهان به شكل پلاسما است. پلاسما ها معمولاً بسيار داغ هستند از اين رو نمي توان پلاسما را توليد و در ظرف هاي معمولي نگهداري كرد. پلاسما را با استفاده از ميدان مغناطيسي مي توان در يك محدوده از فضا حبس كرد.

پنجمين شكل ماده، حالت چگاليده بوز _ اينشتين است كه در سال ۱۹۹۵ كشف شد. اين حالت از ماده زماني پديد آمد كه دانشمندان موفق شدند بوز ون ها را تا دمايي بسيار پايين سرد كنند. در دماهاي بسيار پايين، بوزون ها  به صورت سوپر ذرات منفردي درمي آيند كه بيشتر از آنكه ذره مادي باشند موج مانند به نظر مي رسند. اين حالت از ماده بسيار شكننده  است و نور به آهستگي از ميان آن عبور مي كند. پس از چند سال از كشف حالت چگاليده بوز _ اينشتين، اينك حالت چگاليده فرميوني هم به حالت هاي قبلي اضافه شده است. اين شكل از ماده چنان بديع است كه هنوز اغلب خواص آن ناشناخته است. اما آنچه كه مسلم است اين حالت هم در دماي بسيار پايين قابل دسترسي است. دكتر جين و همكارانش براي دستيابي به اين حالت جديد، تعداد ۵۰۰ هزار اتم پتاسيم با عدد جرمي ۴۰ را تا دمايي كمتر از يك ميليونيوم كلوين سرد كردند. اين دما بسيار نزديك به صفر مطلق است. در اين حالت اتم هاي پتاسيم بدون آنكه چسبندگي ميان آنها وجود داشته باشد، به صورت مايع جريان يافتند. پايين تر ازاين دما چه اتفاقي مي افتد؟ جواب اين سئوال را كسي نمي داند. دانشمندان در حال حاضر براي يافتن پاسخ اين سئوال به تحقيق مشغول هستند. حالت چگاليده فرميوني تا حدي شبيه چگالش بوز - اينشتين است.

هر دو حالت از اتم هايي تشكيل شده اند كه اين اتم ها در دماي پايين به هم مي پيوندند و جسم واحدي را تشكيل مي دهند. در چگالش بوز - اينشتين اتم ها از نوع بوزون هستند در حالي كه در چگالش فرميوني اتم ها فرميون هستند. تفاوت ميان بوزون ها و فرميون ها چيست؟

رفتار بوزون ها به گونه اي است كه تمايل دارند با هم پيوند برقرار كنند و به هم متصل شوند. يك اتم در صورتي كه حاصل جمع تعداد الكترون، پروتون و نوترون هايش زوج باشد. بوزون است به عنوان مثال اتم هاي سديم بوزون هستند زيرا اتم هاي سديم در حالت عادي يازده الكترون، يازده پروتون و دوازه نوترون دارند كه حاصل جمع آنها عدد زوج ۳۴ مي شود. بنابراين اتم هاي سديم اين قابليت را دارند كه در دماهاي پايين به هم متصل شوند و حالت چگاليده بوز - اينشتين را پديد آورند اما از طرف ديگر فرميون ها منزوي هستند. اين ذرات طبق اصل طرد پائولي هنگامي كه در يك حالت كوانتومي قرار مي گيرند همديگر را دفع مي كنند و اگر ذره اي در يك حالت كوانتومي خاص قرار گيرد مانع از آن مي شود كه ذره ديگري هم بتواند به آن حالت دسترسي يابد.

هر اتم كه حاصل جمع تعداد الكترون، پروتون و نوترون هايش فرد باشد، فرميون است. به عنوان مثال، اتم هاي پتاسيم با عدد جرمي ۴۰ فرميون هستند زيرا داراي ۱۹ الكترون، ۱۹ پروتون و ۲۱ نوترون هستند و حاصل جمع اين سه عدد برابر ۵۹ مي شود. دكتر جين و همكارانش بر پايه همين خاصيت انزوا طلبي فرميون ها روشي را پيش گرفتند و از ميدان هاي مغناطيسي كنترل شونده اي براي انجام آزمايش ها استفاده كردند. ميدان مغناطيسي باعث مي شود كه اتم هاي منفرد با هم جفت شوند و ميزان جفت شدگي اتم ها در اين حالت با تغيير ميدان مغناطيسي قابل كنترل است. انتظار مي رفت كه اتم هاي جفت شده پتاسيم خواص همانند بوزون ها داشته باشند اما آزمايش ها نشان دادند كه در بعضي از اتم ها كه ميزان جفت شدگي ضعيف بود هنوز بعضي از خواص فرميوني خود را از دست نداده بودند.

در اين حالت يك جفت از اتم هاي جفت شده مي تواند به جفت  ديگري متصل شود و اين جفت شدگي به همين ترتيب ادامه يابد تا اينكه سرانجام باعث تشكيل حالت چگاليده فرميوني  شود.

دكتر جين شك داشت كه جفت شدگي اتم هاي مشاهده شده همانند جفت شدگي اتم هاي هليوم مايع باشد كه به آن ابرشارگي مي گويند. ابر شاره  ها نيز بدون آنكه خاصيت چسبندگي ميان آنها باشد به راحتي جريان مي يابند. وضعيت مشابه ديگر، حالت ابررسانايي است. در يك ابر رسان الكترون هاي جفت شده (الكترون ها فرميون هستند) بدون آ نكه با مقاومت الكتريكي مواجه شوند به راحتي جريان مي يابند. علاقه وافري به ابررسانا ها وجود دارد زيرا از آنها براي توليد الكتريسيته پاك و ارزان مي توان استفاده كرد. در صورتي كه استفاده از ابر رساناها در تكنولوژي ميسر شود، قطار هاي برقي سريع السير و كامپيوتر هاي فوق سريع با قيمتي پايين روانه بازار خواهد شد. اما متاسفانه استفاده از ابر رساناها حتي تحقيق درباره  آنها دشوار است.

بزرگ ترين مشكل اين است كه حداقل دمايي كه لازم است تا يك ابررسانا ايجاد شود. ۱۳۵ _ درجه سلسيوسي است. بنابراين نيتروژن مايع يا دستگاه سرد كننده ديگري لازم است تا سيم هاي رابط و هر وسيله جانبي ديگري كه الكترون هاي جفت شده در آن محيط قرار مي گيرند را سرد نگه دارد.

اين فرآيند هزينه زيادي مي خواهد و به دستگاه هاي پرحجمي نياز دارد. اما اگر ابر رسانايي بر دماي اتاق برقرار شود، كار كردن با آن فوق العاده راحت مي شود و استفاده از آن به خاطر مزيت هاي ياد شده سريعاً افزايش مي يابد. دكتر جين مي گويد، كنترل ميزان جفت شدگي اتم ها با استفاده از تغيير ميدان مغناطيسي، همانند تغيير دما براي يك ابررساناست. اين روند ما را اميدوار مي كند كه بتوانيم آموخته هاي خود از چگالش فرميوني را به ديگر زمينه ها از جمله ابررسانايي در دماي اتاق تسري دهيم.

ناسا كاربرد هاي زيادي را براي ابررسانه ها در نظر گرفته است. به عنوان مثال استفاده از ابر رساناها باعث خواهد شد كه مدار ماهواره  هاي چرخنده به دور زمين با دقت بسيار بالايي كنترل شوند. خاصيت اصلي ابررسانا ها به دليل نداشتن مقاومت الكتريكي امكان انتقال جريان الكتريكي بزرگي در حجم كوچكي از ابررسانا است. به همين خاطر اگر به جاي سيم هاي مسي از ابررساناها استفاده شود، موتور هاي فضاپيما ها تا ۶ برابر نسبت به موتور هاي فعلي كوچك تر و سبك تر خواهند شد و باعث مي شود كه وزن و هزينه ارسال فضاپيما بسيار كاهش يابد.

از ديگر زمينه هايي كه ابررساناها مي توانند نقشي اساسي در آنها بازي مي كنند مي توان كاوش هاي بعدي انسان از فضا را نام برد. ابررسانا ها بهترين گزينه براي توليد و انتقال بسيار كارآمد انرژي الكتريكي هستند و طي شب هاي طولاني ماه كه دما تا   C ۱۷۳ _ درجه سانتي گراد پايين مي آيد و طي ماه هاي ژانويه تا مارس دستگاه هاي MRI ساخته شده از سيم هاي ابررسانا، ابزار تشخيصي دقيق و توانمندي در خدمت سلامت خدمه فضاپيما ها خواهد بود.

Science.NASA.gov.2004
+ نوشته شده در  یکشنبه 1385/01/13ساعت   توسط علی _ ز ( منصور ) |