شکافت هسته ای چیست؟ | به زبان ساده

شکافت هسته‌ ای به معنای تبدیل یک عنصر سنگین و ناپایدار به چند عنصر سبک و پایدار است که در مورد عملکرد و ویژگی‌های آن در این مطلب صحبت می‌کنیم. اگر شما نیز دوست دارید بدانید شکافت هسته ای چه ویژگی‌ها و کاربردهایی دارد خواندن این مطلب را از دست ندهید.

تعریف واکنش هسته ای

اتم‌ها ذرات ریز درون مولکول‌ها هستند که تشکیل گاز، مایع و جامد می‌دهند. خود اتم‌ها شامل ذرات الکترون، پروتون و نوترون هستند. هر اتم یک هسته دارد که شامل پروتون‌ها و نوترون‌ها است و توسط الکترون‌ها احاطه شده است.

همان طور که می‌دانید پروتون‌ها دارای بار مثبت و الکترون‌ها بار منفی دارند و بار الکتریکی نوترون‌ها خنثی است. در هسته انرژی بسیار زیادی وجود دارد که باعث می‌شود اجزای هسته در کنار یکدیگر باقی بمانند. این انرژی زمانی که پیوند بین اجزای هسته شکسته شود آزاد می‌شود.

این پیوند می‌تواند توسط شکافت هسته‌ ای شکسته شده و از انرژی حاصل از شکافت برای تولید برق استفاده شود.

به صورت کلی دو نوع واکنش اصلی هسته ای وجود دارد که شامل واکنش‌های فروپاشی هسته ای و واکنش‌های تغییر شکل هسته ای هستند. در یک واکنش فروپاشی هسته ای که به آن فروپاشی رادیواکتیو نیز گفته می‌شود یک هسته ناپایدار تشعشع منتشر می‌کند و به یک یا چند عنصر دیگر تبدیل می‌شود. هسته‌های دختر حاصل، جرم و انرژی کمتری (پایدارتر) نسبت به هسته والد دارند.

در مقابل در یک واکنش تبدیل هسته ای یک هسته با یک ذره زیر اتمی یا یک هسته دیگر واکنش می‌دهد و یک هسته دیگر را تشکیل می‌دهد که از ماده اولیه جرم بیشتری دارد. واکنش‌های فروپاشی هسته ای به طور خود به خود و در هر شرایطی رخ می‌دهند اما واکنش‌های تغییر شکل هسته ای در شرایط بسیار ویژه مانند برخورد پرتو ذرات بسیار پرانرژی با هسته هدف یا در فضای داخلی ستاره‌ها رخ می‌دهند.

شکافت هسته ای چیست و چگونه رخ می‌دهد؟

شکافت هسته ای فرآیند تقسیم هسته‌ها (معمولاً هسته‌های بزرگ) است. وقتی هسته‌های بزرگی مانند اورانیوم 235 شکافته می‌شوند از این فرآیند انرژی آزاد می‌شود. این مقدار از انرژی آزاد شده باعث کاهش جرم می‌شود که از قانون هم‌ارزی جرم-انرژی قابل توضیح است و بدان معنی است که مقداری از جرم به انرژی تبدیل می‌شود.

فیلم آموزش فیزیک – پایه دوازدهم در فرادرس

کلیک کنید

مقدار جرم از دست رفته در فرآیند شکافت برابر با انرژی در حدود $$3.20 \times 10^{-11}$$ ژول است. فرآیند شکافت به طور کلی زمانی اتفاق می‌افتد که یک نوترون حرارتی کم انرژی به یک هسته بزرگ که نسبتاً ناپایدار است (به این معنی که بین نیروی کولن و نیروی هسته ای قوی در هسته عدم تعادل وجود دارد) برخورد کند. علاوه بر هسته‌های کوچکتر و سبکتری که در هنگام شکافت ایجاد می‌شوند، این فرآیند باعث آزاد شدن نوترون‌ها نیز می‌شود.

«انریکو فرمی» (Enrico Fermi) در ابتدا هسته های اورانیوم را در سال 1934 شکافت. وی معتقد بود که برخی عناصر را می‌توان با بمباران اورانیوم توسط نوترون تولید کرد. اگر چه او انتظار داشت هسته‌های جدید تعداد اتمی بیشتری نسبت به اورانیوم اصلی داشته باشند اما متوجه شد که هسته‌های تشکیل شده از رادیو ایزوتوپ‌های عناصر سبک‌تر هستند.

به صورت کلی باید گفت شکافت هسته ای زمانی اتفاق می‌افتد که یک ایزوتوپ بزرگ و تا حدی ناپایدار (اتم‌هایی با تعداد پروتون یکسان اما تعداد متفاوت نوترون) توسط ذرات با سرعت بالا که معمولاً نوترون‌ها هستند بمباران شود.

در طی این فرآیند این نوترون‌ها شتاب می‌گیرند و سپس به داخل ایزوتوپ ناپایدار کوبیده می‌شوند و باعث ایجاد شکافت یا تولید ذرات کوچکتر می‌شوند. در حقیقت در طی این فرآیند یک نوترون شتاب گرفته و به هسته هدف برخورد می‌کند. هسته ای که در اکثر رآکتورهای هسته ای امروزه استفاده می‌شود اورانیوم 235 است. این هسته هدف است که توسط نوترون شکافته می‌شود و آن را به دو ایزوتوپ کوچکتر (محصولات شکافت)، سه نوترون پرسرعت و مقدار زیادی انرژی تجزیه می‌کند.

از انرژی حاصل از این فرآیند برای گرم کردن آب در راکتورهای هسته ای و در نهایت تولید برق استفاده می‌شود. در نهایت نوترون‌های پرسرعت خروجی به پرتابه‌هایی تبدیل می‌شوند که واکنش‌های شکافتی دیگر یا واکنش‌های زنجیره‌ای را آغاز می‌کنند.

انرژی شکافت هسته ای از کجا می‌آید؟

انرژی حاصل از شکافت به دلیل اختلاف جرم کلی عناصر قبل و بعد از واکنش شکافت هسته ای رخ می‌دهد. در حقیقت بعد از شکافت هسته ای جرم مجموع کمتر از جرم اولیه است و به انرژی تبدیل شده است.

انرژی عظیمی که از شکافت هسته‌ ای آزاد می‌شود ناشی از این است که پروتون‌ها با نیروی کولن که به سختی توسط نیروی هسته‌ای قوی به هم چسبیده‌اند یکدیگر را دفع می‌کنند.

هر پروتون با ۲۰ نیوتن نیرو، تقریباً برابر با نیرویی که دست زمانی که روی پا قرار دارد به آن وارد می‌کند، به هر پروتون دیگر نیرو وارد می‌کند. مقدار این نیرو برای ذراتی به اندازه پروتون بسیار بزرگ است.

این نیروی بزرگ برای پروتون‌ها در فواصل کم منجر به آزاد شدن مقدار قابل توجهی انرژی می‌شود و مقدار آن به حدی است که موجب کاهش جرم قابل اندازه‌گیری شود.

این بدان معنی است که مجموع جرم‌های حاصل از شکافت هسته‌ ای کمتر از جرم هسته ابتدایی است. این جرم از دست رفته به عنوان جرم کاهیده شناخته می‌شود.

«انرژی بستگی هر نوکلئون» (Binding energy per nucleon)، مقدار انرژی لازم برای جدا کردن هر هسته از نوکلئون است. انرژی بستگی هسته در همه‌ نوکلئون‌ها غیر از هیدروژن که تنها شامل یک پروتون است و نوترونی ندارد موجود است. این انرژی همان طور که گفته شد مقدار انرژی مورد نیاز برای جداسازی هسته‌های یک اتم است.

انرژی شکافت هسته ای در کجا استفاده می‌شود؟

شکافت عناصر سنگین‌ یک واکنش گرمازا است. در یک واکنش شکافت هسته ای می‌توان تا 200 میلیون الکترون ولت انرژی به دست آورد این در حالی است که برای مثال انرژی حاصل از سوختن ذغال سنگ تنها در حد چند الکترون ولت است.

با همین مقایسه به راحتی می‌توان متوجه شد که چرا در تولید برق از شکافت هسته ای استفاده می‌شود. علاوه بر این میزان انرژی آزاد شده به ازای هر نوکلئون قابلیت بهره‌وری بیشتری از ذغال سنگ دارد.

دلیل اصلی استفاده از شکافت هسته ای برای تولید برق این است که با تعدیل مناسب و استفاده از میله‌های کنترل، نوترون‌های آزاد و خارج شده از واکنش شکافت هسته ای می‌توانند واکنش را ادامه دهند.

این ویژگی نوترون‌ها سبب می‌شود که یک واکنش هسته ای زنجیره‌ای پایدار ایجاد شود که به طور متناوب انرژی آزاد می‌کند.

یک نقطه ضعف استفاده از شکافت هسته ای به عنوان یک روش تولید برق این است که هسته‌های حاصل دختر رادیواکتیو هستند.

وقتی از شکافت هسته ای برای تولید برق استفاده می‌شود از آن به عنوان انرژی هسته ای یاد می‌شود. در این حالت از اورانیوم 235 به عنوان سوخت هسته ای استفاده می‌شود و شکافت آن با جذب یک نوترون حرارتی با سرعت کم صورت می‌گیرد.

ایزوتوپ‌های دیگری که می‌توانند در شکافت هسته ای مورد استفاده قرار گیرند پلوتونیوم 239، اورانیوم 233 و توریم 232 هستند. برای عناصر سبک‌تر از آهن موجود در جدول تناوبی به جای شکافت هسته‌ ای فرآیند همجوشی هسته ای موجب تولید انرژی می‌شود. با این حال در حال حاضر روشی وجود ندارد که به ما این امکان را بدهد که انرژی که از طریق همجوشی هسته ای به دست می‌آید را از طریق شکافت هسته ای تولید کنیم.

تفاوت شکافت و همجوشی هسته ای چیست؟

در داخل خورشید واکنش‌های همجوشی هسته ای در دماهای بسیار بالا و فشارهای گرانشی بسیار زیاد اتفاق می‌افتند. اصولاً اساس انرژی هسته ای مهار قدرت اتم‌ها است.

فیلم آموزش فیزیک – پایه دوازدهم در فرادرس

کلیک کنید

شکافت و همجوشی هر دو فرآیندهای هسته ای هستند که با استفاده از آن‌ها اتم‌ها برای ایجاد انرژی تغییر می‌کنند اما تفاوت این دو در چیست؟ به عبارت ساده شکافت تقسیم یک اتم به دو یا چند اتم و همجوشی ترکیبی از دو اتم سبک‌تر به یک اتم بزرگتر و سنگین‌تر است. در نتیجه این دو فرآیند، در خلاف جهت یکدیگر و در نتیجه با نتایج متفاوت از یکدیگر هستند.

کلمه شکافت به معنای تقسیم یا خرد شدن به قطعات کوچکتر است. شکافت هسته ای با تقسیم اتم‌ها انرژی را به صورت گرما آزاد می‌کند.

کشف شگفت‌آور این که امکان ایجاد شکافت هسته وجود دارد بر اساس پیش‌بینی آلبرت انیشتین مبنی بر اینکه جرم می‌تواند به انرژی تبدیل شود صورت گرفت و در سال 1939 دانشمندان آزمایشات خود را در این زمینه آغاز کردند و یک سال بعد انریکو فرمی اولین راکتور هسته ای را ساخت. در تصویر زیر تفاوت اصلی شکافت و همجوشی هسته ای نشان داده شده است.

کلمه همجوشی به معنای ادغام عناصر جداگانه در یک کل واحد است. همجوشی هسته ای به اتحاد هسته‌های اتمی برای تشکیل هسته‌های سنگین‌تر و در نتیجه آزاد شدن مقادیر زیادی انرژی اشاره دارد.

همجوشی زمانی اتفاق می‌افتد که دو ایزوتوپ کم جرم که به طور معمول ایزوتوپ هیدروژن هستند، تحت شرایط فشار و دمای بیش از حد ترکیب شوند.

همجوشی همان چیزی است که خورشید را قدرت می‌بخشد. اتم‌های تریتیوم و دوتریم (به ترتیب ایزوتوپ‌های هیدروژن یعنی هیدروژن 3 و هیدروژن 2) تحت فشار و درجه حرارت شدید ترکیب می‌شوند و یک ایزوتوپ نوترون و هلیوم تولید می‌کنند. همراه با این واکنش مقدار زیادی انرژی آزاد می‌شود که چندین برابر مقدار انرژی حاصل از شکافت است.

دانشمندان در تلاش هستند تا از یک راکتور همجوشی هسته ای برای تولید برق استفاده کنند و معتقدند که چنین منبع تغذیه‌ای مزیت‌های فراوانی دارد. به عنوان مثال همجوشی نسبت به شکافت هسته ای ماده رادیواکتیو کمتری ایجاد می‌کند و تقریباً از یک منبع سوخت نامحدود برخوردار است. با این حال پیشرفت‌ها در این زمینه به دلیل چالش‌هایی که دانشمندان با آن روبه‌رو هستند بسیار کند است.

شکافت و همجوشی هسته ای هر دو واکنش‌های هسته ای هستند که انرژی تولید می‌کنند اما کاربرد آن‌ها یکسان نیست. شکافت تقسیم یک هسته سنگین و ناپایدار به دو هسته سبک‌تر است و همجوشی فرآیندی است که در آن دو هسته سبک با هم ترکیب می‌شوند و مقدار زیادی انرژی آزاد می‌کنند.

شکافت در راکتورهای انرژی هسته ای مورد استفاده قرار می‌گیرد زیرا قابل کنترل است در حالی که از همجوشی برای تولید انرژی استفاده نمی‌شود زیرا واکنش ها به راحتی قابل کنترل نیستند و ایجاد شرایط لازم برای واکنش همجوشی بسیار گران است.

تحقیقات در مورد روش‌های استفاده بهتر از جنبه‌های مختلف همجوشی هسته‌ ای ادامه دارد، اما هنوز در مرحله تحقیق است. این دو فرآیند با توجه به تفاوت‌هایشان نقش مهمی در تولید انرژی در گذشته، حال و آینده ایفا کرده‌اند.

معادله شکافت هسته ای

در سال ۱۹۳۰، دانشمندان متوجه شدند که می‌توانند برخی از واکنش‌های هسته‌ ای را آغاز و کنترل کنند. این دستاورد با بمباران کردن یک ایزوتوپ بزرگ و سنگین با نوترون یا یک اتم سبکتر رخ می‌داد.

این فرآیند سبب می‌شد تا اتم سنگین‌تر شکسته شود و به دو یا چندین عنصر تبدیل شود. دانشمندان این دستاورد را شکافت هسته‌ ای نامیدند و معادله شکافت هسته ای را به صورت زیر نمایش دادند:

$${ }_{92}^{235} \mathrm{U}+{ }_{0}^{1} n \rightarrow{ }_{58}^{142} \mathrm{Ba}+{ }_{38}^{91} \mathrm{Kr}+3{ }_{0}^{1} n$$

واکنش‌هایی از این نوع انرژی زیادی آزاد می‌کنند. اما این انرژی از کجا می‌آید؟ اگر روی جرم‌های همه اتم‌ها و ذرات زیر اتمی ابتدایی و تمام اتم‌ها و ذرات زیر اتمی نهایی اندازه‌گیری بسیار دقیق انجام دهید و این دو را با یکدیگر مقایسه کنید متوجه می‌شوید که مقداری جرم گم شده وجود دارد. در حقیقت مقداری ماده در طی واکنش هسته ای ناپدید می‌شود. این اتلاف ماده را جرم کاهیده می‌نامند و ماده از دست رفته به انرژی تبدیل می‌شود.

در واقع می‌توان مقدار انرژی تولید شده در طی واکنش هسته ای را با یک معادله نسبتاً مشهور که توسط اینشتین کشف و بیان شد، اندازه‌گیری کرد:

$$E=mc^{2}$$

در این معادله E مقدار انرژی تولید شده، m جرم کاهیده و c سرعت نور است. با توجه به مقدار سرعت نور که عدد نسبتاً بزرگی است می توان گفت که کاهش جرم بسیار کم موجب تولید مقدار زیادی انرژی می‌شود.

چرا معادلات شکافت هسته ای زنجیره‌ای است؟

اگر دوباره به معادله شکافت اورانیوم ۲۳۵ نگاه کنید می‌توانید مشاهده کنید که در ابتدا از یک نوترون استفاده شده است اما در نهایت سه نوترون به عنوان محصول واکنش به جای مانده است.

این سه نوترون اگر با اتم‌های دیگر اورانیوم ۲۳۵ روبه‌رو شوند، می‌توانند شکافت‌های دیگری را شروع کنند و حتی نوترون‌های بیشتری تولید کنند. این اثر مانند اثر یک دومینو است. از نظر شیمی هسته ای این یک آبشار ادامه‌دار از شکافت هسته ای است که واکنش زنجیره‌ای نامیده می‌شود. واکنش زنجیره‌ای اورانیوم ۲۳۵ در شکل زیر نیز نمایش داده شده است.

این واکنش زنجیره ای به تعداد نوترون‌های آزاد شده نسبت به آنچه در ابتدای واکنش هسته‌ای استفاده شده بستگی دارد. اگر بخواهید معادله شکافت هسته ای اورانیوم ۲۳۸ را بنویسید می‌توانید از یک نوترون استفاده کنید و در نهایت تنها یک نوترون خواهید داشت و واکنش به صورت زنجیره‌ای ادامه پیدا نخواهد کرد.

اما ایزوتوپ‌هایی که در شکافت خود نوترون‌های اضافه تولید می‌کنند منجر به تولید  واکنش زنجیره‌ای می‌شوند. اصطلاحاً به این نوع از ایزوتوپ‌ها، ایزوتوپ‌های قابل شکافت یا fissionable گفته می‌شود. به صورت کلی باید گفت تنها دو ایزوتوپ وجود دارند که این ویژگی را داشته و در واکنش‌های هسته‌ ای مورد استفاده قرار گیرند یکی اورانیوم 235 و دیگری پلوتونیوم 239 است.

برای ادامه یک واکنش زنجیره‌ای پایدار حداقل مقدار ماده قابل شکافت نیز مهم است و این مقدار ماده با نوترون‌ها ارتباط دارد. اگر مقدار ماده کوچک و کم باشد نوترون‌ها قبل از برخورد به هسته اورانیوم ۲۳۵ از ماده خارج می‌شوند. اگر نوترون‌ها به هسته اورانیوم ۲۳۵ برخورد نکنند هیچ الکترون اضافی و هیچ انرژی آزاد نمی‌شود.

حداقل مقدار ماده قابل شکافت مورد نیاز برای اطمینان از بروز واکنش زنجیره‌ای را جرم بحرانی می‌نامند و هر چیزی کمتر از این مقدار زیربحرانی نامیده می‌شود.

مثال: انرژی آزاد شده در واکنش شکافت خود به خودی زیر را محاسبه کنید:

$$^{235}U\rightarrow^{95}Sr+^{140}Xe+3n$$

پاسخ: با توجه به جرم‌های اتمی $$m\left({ }^{238} U\right)=238.050784 \mathrm{u}, m\left({ }^{95} \mathrm{Sr}\right)=94.919388 \mathrm{u}, m\left({ }^{140} \mathrm{Xe}\right)=139.921610 \mathrm{u}$$ و جرم اتمی $$m(n)=1.008665\ u$$ به صورت زیر عمل می‌کنیم.

فیلم آموزش فیزیک هسته‎ ای 2 در فرادرس

کلیک کنید

همان طور که گفتیم انرژی آزاد شده برابر با جرم کاهیده ضربدر مجذور سرعت نور است. بنابراین ما باید تفاوت جرم بین والد یعنی اورانیوم ۲۳۸ و محصولات شکافت را پیدا کنیم.

محصولات شکافت هسته‌ای دارای جرم کلی زیر هستند:

$$\begin{aligned} m_{\text {products }} &=94.919388 \mathrm{u}+139.921610 \mathrm{u}+3(1.008665 \mathrm{u}) \\ &=237.866993 \mathrm{u} \end{aligned}$$

جرم کاهیده برابر با تفاضل جرم اورانیوم ۲۳۸ و جرم محصولات است و داریم:

$$\Delta m=238.050784 \mathrm{u}-237.8669933 \mathrm{u}=0.183791 \mathrm{u}$$

و بنابراین انرژی آزاد شده برابر با حاصلضرب $$\Delta m$$ در مجذور سرعت نور است.

$$\begin{aligned} E &=(\Delta m) c^{2} \\ &=(0.183791 \mathrm{u}) \frac{931.5 \mathrm{MeV} / c^{2}}{\mathrm{u}} c^{2}=171.2 \mathrm{MeV} \end{aligned}$$

مقدار انرژی آزاد شده در این فرآیند ۱۷۱ مگاالکترون ولت است برآورد کلی این است که در یک واکنش شکافت هسته‌ای در حدود ۲۴۰ مگاالکترون ولت انرژی آزاد می‌شود اما انرژی آزاد شده در این معادله کمی کمتر از 240 مگا الکترون ولت به دست آمده، زیرا این واکنش شکافت باعث تولید نوترون می‌شود و هسته را به دو قسمت مساوی تقسیم نمی‌کند. شکافت یک نوکلئید معین مانند اورانیوم ۲۳۸ همیشه محصولات یکسانی تولید نمی‌کند.

شکافت یک فرآیند آماری است که طی آن طیف وسیعی از محصولات با احتمالات مختلف تولید می‌شوند. بیشتر شکافت‌ها نوترون تولید می‌کنند اگر چه تعداد نوترون‌ها نیز در هر شکافت متفاوت است. این یک جنبه بسیار مهم شکافت هسته‌ ای است که نوترون‌های بیشتر می‌توانند شکافت بیشتری ایجاد کنند و واکنش‌های زنجیره ای خودپایدار را امکان پذیر می‌سازند.

جمع‌بندی

در این مطلب در مورد شکافت هسته ای صحبت کردیم. بدین منظور ابتدا واکنش‌های هسته ای را معرفی کردیمو سپس به تعریف شکافت هسته‌ ای پرداختیم. در ادامه کاربرد انرژی حاصل از شکافت را در تولید برق بیان کردیم و منبع انرژی حاصل از شکافت هسته‌ ای را بررسی کردیم.

همچنین به بیان تفاوت‌های شکافت و همجوشی هسته‌ ای پرداختیم و دلیل ایجاد واکنش‌های زنجیره‌ای شکافت را شرح دادیم.