فهرست مطالب

عنوان صفحه

فصل اول: كليات تحقيق

مقدمه. 5

بيان مسئله. 7

ضرورت و اهميت تحقيق.. 7

اهداف تحقيق.. 8

هدف اصلي.. 8

اهداف فرعي.. 8

سؤالات تحقيق.. 9

روش تحقيق.. 9

فصل دوم: ادبيات و پيشينه‌ي تحقيق

نگاهي به پيشينه‌ي تاريخي فيزيك هسته‌اي.. 11

انرژي‌هاي نو. 12

برتري‌ انرژي هسته‌اي با ساير انرژي‌ها12

اتم. 13

انرژي اتمي.. 15

هسته‌ي اتم. 15

شكستن اتم. 16

مهار كردن نيروي اتمي.. 16

طريقه‌ي شناخت ايزوتوپ‌هاي راديواكتيو. 17

چرا هسته‌ي اتم‌ها متلاشي نمي‌شوند؟. 18

راديواكتيويته. 19

چگونه هسته‌ي اتم‌ها فرو مي‌پاشند؟. 19

در جريان شكافت اتم اورانيوم چه روي مي‌دهد؟. 20

واكنش زنجيره‌اي.. 21

غني‌سازي.. 22

مدراتور يا شتاب‌گير. 22

هم‌جوشي يا ذوب هسته‌اي.. 23

تاريخچه كشف مواد پرتوزا24

ماده پرتوزا25

ماهيت پرتوهاي آلفا، بتا و گاما27

نيروگاه‌هاي هسته‌اي امروز و فردا28

نيروگاه28

نيروگاه اتمي.. 31

طراحي رآكتور. 31

انواع رآكتورهاي هسته‌اي.. 33

رآكتور آب تحت فشار. 35

رآكتور خود سوخت‌زا36

رآكتور حرارت زياد. 38

چرخه‌ي استخراج اورانيوم، تخليه‌ي زباله‌هاي اتمي و دوباره غني‌سازي.. 39

اورانيوم چگونه به دست مي‌آيد؟. 40

اورانيوم غني شده چگونه توليد مي‌شود؟. 40

ميله‌هاي سوختي مصرف شده چگونه حمل و نقل مي‌شوند؟. 42

با عنصر سوختي مصرف شده چه مي‌كنند؟. 43

تأسيسات دوباره غني‌سازي.. 44

سرنوشت زباله‌هاي اتمي.. 44

آيا مي‌توان زباله‌هاي اتمي را با اطمينان و ايمني كامل انبار كرد؟. 45

كاربرد دوگانه‌ي انرژي هسته‌اي.. 46

كاربرد انرژي هسته‌اي در صنعت... 47

مصارف صلح‌آميز انرژي هسته‌اي.. 48

برق هسته‌اي.. 50

كاربرد انرژي هسته‌اي در علم پزشكي.. 52

كاربرد در باستان‌شناسي.. 54

كاربردهاي كشاورزي.. 54

كاربرد انرژي هسته‌اي در بخش دامپزشكي و دامپروري.. 55

كاربرد انرژي هسته‌اي در دسترسي به منابع آب... 55

كاربرد انرژي هسته‌اي در بخش صنعت نفت... 55

مصارف غيرانساني انرژي هسته‌اي.. 56

بمب اتمي.. 56

كاربردهاي نظامي.. 57

فصل سوم: بيان داده‌ها و تجزيه و تحليل اطلاعات

اتم. 59

انرژي اتمي.. 59

شكستن اتم. 59

مهار كردن نيروي اتمي.. 60

طريقه‌ي شناخت ايزوتوپ‌هاي راديواكتيو. 60

راديواكتيويته. 61

غني‌سازي.. 62

واكنش زنجيره‌اي.. 62

مدراتور يا شتاب‌گير. 63

هم‌جوشي يا ذوب هسته‌اي.. 63

ماده پرتوزا63

ماهيت پرتوهاي آلفا، بتا و گاما64

نيروگاه‌هاي هسته‌اي امروز و فردا65

رآكتورهاي هسته‌اي.. 65

چرخه‌ي استخراج اورانيوم، تخليه‌ي زباله‌هاي اتمي و دوباره غني‌سازي.. 66

اورانيوم غني شده چگونه توليد مي‌شود؟. 67

ميله‌هاي سوختي مصرف شده چگونه حمل و نقل مي‌شوند؟. 68

آيا انرژي اتمي از نظر اقتصادي مقرون به صرفه است؟. 69

فصل چهارم: نتيجه‌گيري و پيشنهادات

پيشنهادات... 73

موانع و مشكلات... 73

منابع و مآخذ. Error! Bookmark not defined.

 

مقدمه

و چنين است كه گروهي از محققان و دانشمندان، انديشه دور پرواز خود را به زرادخانه علم و دانش مجهز مي‌كنند. از يك طرف، به كشف دنياي بسيار بزرگ كيهان بپردازند و در اين كاوش علمي ستارگان را كشف و ماهيت آنها را بشناسند و از طرف ديگر، به دنياي بي‌نهايت كوچك اتم اشراف پيدا كنند، تا اسرار آن را فاش كنند و انرژي عظيمي كه در آن است را كنترل كنند.

«اِنَّ اللهَ فالقُ الحبِّ و النَّوي يُخْرِجُ الحَيَّ مِنَ المَيِّتِ وَ مُخْرِجُ المَيِّتِ مِنَ الْحَيِّ ذلكُم اللهُ فأنّي تؤفَكُون؛ خداست كه در جو زمين دانه و هسته را مي‌شكافد و زنده را از مرده و مرده را از زنده پديد آرد آنكه چنين تواند كرد خداست چرا به دروغ نسبت خداي را به آنان كه اين كار نتوانند، دهيد.» (سوره‌ انعام/95)

گذري مختصر در تاريخ علوم مختلف، يادآور اين است كه انسان از گذشته‌اي دور و حتي دوران ناشناخته غارنشيني در جستجو و كشف اسرار طبيعت و استفاده بهتر از نعمت‌هاي خداوند متعال بوده است.

شايد از اين ميان ره‌آوردهايي كه طبيعت به بشر هديه كرده است، انرژي مهم‌ترين آنهاست. پس از كشف آتش، مواد سوختي از قبيل چوب و سوخت‌هاي فسيلي (نفت، گاز و...) تنها منبع توليد حرارت زندگي انسان بوده است. سپس با كشف نيروي برق و توليد آن به كمك انرژي حرارتي و نيروي حاصل از آب سدها، انسان توانست گستره‌ي فعاليت عملي خود را پهناورتر كند و استفاده‌هاي فراواني از آن بنمايد.

پيشرفت‌هايي كه از عصر استفاده از گرماي چوب، تا وسايل حرارتي مدرن امروزي به وقوع پيوست. نماد ديگري از كوشش بي‌پايان بشر است در راه علم و كسب دانش، كه هم‌چون چراغي روشن در دست انسان و حاصل كار و زحمت هزاران دانشمند و محقق است. كوششي كه دورنماي بسيار زيبا و آينده‌اي اميدبخش و پربار علمي را نويد مي‌دهد.

پيشرفتي كه در صنعت اتومبيل‌سازي و در مدتي كمتر از چند دهه به وقوع پيوست، پيشرفت تكاملي قطارهاي زغال‌سنگي به قطارهاي مغناطيسي و پيشرفت‌هاي فراوان ديگر از اين قبيل، نشان دهنده‌ي تلاش بشر در استفاده بهتر از انرژي و بهره‌مندي اصولي‌تر از ثروت‌هاي عظيمي است كه در دل طبيعت پنهان است.

استفاده نادرست از انرژي‌ها هميشه مورد توجه انسان‌هاي نابخرد و جنگ‌طلب بوده است و از زماني كه بشر با تير و كمان و سلاح‌هاي سرد به كشتار هم‌نوعش پرداخت، تاكنون كه موشك‌هاي چند پيكانه حامل هسته‌اي در زرادخانه‌هاي خود آماده پرواز دارند، امري است اجتناب‌ناپذير و هميشه انسان‌هاي آگاه و خداجو با تأثر و تألم نظاره‌گر كشتار و قتل‌عام‌هاي ديگران بوده‌اند. اكنون نيز انبار تسليحات اتمي، نه تنها حيات بشر بلكه كره زمين و شايد منظومه شمسي را تهديد مي‌كند كه خود مستلزم بحث جداگانه‌اي است كه به ناچار انديشه و سليقه سياسي و غيرسياسي دولت‌هاي ستيزه‌جو در آن دخالت تام دارد. اكنون نيز در عصري مي‌كنيم كه به حق، پيشرفت‌هاي هسته‌اي در آن حرف اول و آخر را مي‌زند، كوشش دانشمندان، انديشمندان و محققين در شناخت هرچه بيشتر هسته‌ي اتم و انرژي عظيمي كه در آن نهفته است، بيانگر دگرگوني‌هاي بزرگي است كه در زندگي انسان به وجود آورده و خواهد آورد. كاربرد صحيح و صلح‌آميز انرژي هسته‌اي، نيروگاه‌هاي اتمي، استفاده‌هاي پزشكي، صنعتي، كشاورزي و... است و استفاده خصمانه و ضدانساني و اخلاقي آن بمب‌هاي اتمي است كه دولت‌هاي زورگو و به ظاهر ابرقدرت و ستيزه‌جو در زرادخانه‌هاي خود ذخيره كرده‌اند. جهت آنكه شما با قدرت تخريبي اين انرژي بيشتر آشنا شويد، لازم است كه يادآور شويم بمب اتمي كه هيروشيما و ناكازاكي را با خاك يكسان كرد (توسط دولت امريكا) در لحاظت اوليه انفجار صدو سي هزار كشته به جاي گذاشت، به حدي ابتدايي و كم قدرت بود كه دانشمندان آن را كوكتل مولوتف اتمي مي‌نامند. به اميد عاري شدن جهان از سلاح‌هاي هسته‌اي و اسرائيل.

نگاهي به پيشينه‌ي تاريخي فيزيك هسته‌اي

تلاش براي درك ماهيت اساسي ماده، ريشه در تفكرات فيلسوفان يونان باستان، به ويژه دموكرتيوس، دارد.

دموكريتوس كه در سده‌ي چهارم پيش از ميلاد مي‌زيست، معتقد بود كه هر نوع ماده را مي‌توان به اجزاي كوچك‌تر و كوچك‌تر تقسيم كرد تا آنكه حدي نهايي فرا مي‌رسد كه ديگر ادامه‌ي تقسيم ميسر نيست. از نظر دموكريتوس، اين جزء لايتجزاي ماده (با اتم) كه با چشم غيرقابل ديدن بود، ذره‌ي بنيادي سازنده‌ي ماده به شمار مي‌رفت. در طي 2400 سال بعد، اين نظر صرفاً به صورت انديشه‌ي فلسفي باقي ماند، تا آنكه پژوهشگران آغاز سده‌ي نوزدهم ميلادي با استفاده از روش‌هاي علوم تجربي درباره‌ي اين مسئله به تحقيق پرداختند و با به دست آوردن شواهد كافي فرضيه‌ي اتم‌گرايي را تا سطح يك نظريه علمي تمام عيار بالا بردند.

امروزه، با توجه به رده‌بندي‌هاي علوم و گرايش‌هاي تخصصي، شايد بتوانيم دانشمندان پيشگام در اين زمينه (يعني دالتون، آووگادرو، فاراده) را شيميدان قلمداد كنيم. پس از آنكه شيميدان‌ها نوع اتم‌ها، قواعد حاكم بر تركيب آنها و رده‌بندي سازمان يافته‌ي آنها را (به صورت جدول تناوبي مندليف) مشخص كردند، به طور طبيعي تنها مرحله باقي مانده مطالعه‌ي خواص بنيادي تك تك اتم‌هاي عناصر مختلف بود، كه امروزه اين قسمت از پژوهش را با عنوان فيزيك اتمي مي‌شناسيم. اين مطالعات در سال 1896 توسط بكرل به كشف خاصيت راديواكتيويتيه در برخي از اتم‌ها و سپس در سال 1898 توسط پيركوري و همسرش (ماري كوري) به شناسايي مواد راديواكتيو ديگر منجر شد. آن‌گاه نوبت به رادرفورد رسيد كه كار بررسي اين پرتوهاي فعال و خواص آنها را ادامه داد. رادرفورد وقتي كه به ماهيت اين پرتوها پي برد، كار تحقيق را وارونه كرد و آنها را به عنوان وسيله‌ي كاوش در وارسي اتم‌ها به كار گرفت. در طي همين پژوهش‌ها بود كه در سال 1911 رادرفورد وجود هسته را در اتم‌ها اعلام داشت، تأييد اين فرضيه (از طريق آزمايش‌هاي طاقت‌فرساي گايگرومارسدن) شاخه‌ي جديدي را در علوم، به نام فيزيك هسته‌اي، بنا نهاد كه ماده را در بنيادي‌ترين ساختارش مورد بررسي قرار مي‌دهد. تحقيق در خواص هسته، از روزگار رادرفورد تا به امروز ادامه يافته است. اكتشافات دهه‌هاي 1940و 1950 نشان داده‌اند كه مرتبه‌ي ديگري از ساختار ماده وجود دارد كه از هسته هم بنيادي‌تر و ابتدايي‌تر است.

 

انرژي‌هاي نو

نياز جهاني به انرژي اوليه در حال حاضر حدود 2 ميليارد تن (SKE واحد زغال‌سنگ) است و مسلماً اين مقدار انرژي مورد نياز پيوسته در حال افزايش است. اين در صورتي است كه اگر انسان‌ها با صرفه‌جويي زياد هم انرژي را مصرف كنند تا يك صد سال ديگر موادي مثل نفت خام و گاز پايان مي‌رسند و زغال‌سنگ حداكثر تا دو قرن ديگر پاسخ‌گوي بخشي از نياز شديد انسان به انرژي خواهد بود. بنابراين انسان به ناچار به دنبال انرژي‌هاي نو از جمله انرژي هسته‌اي مي‌باشد.

 

برتري‌ انرژي هسته‌اي با ساير انرژي‌ها

علاوه بر صرفه‌ي اقتصادي دلايل ديگري انرژي هسته‌اي را بر ساير انرژي‌ها مقدم مي‌دارد.

منابع فسيلي محدود بوده و متعلق به نسل‌هاي آتي مي‌باشد.

نيروگاه‌هاي اتمي آلودگي كمتري دارد در نتيجه ذرات معلق كمتري به هوا وارد مي‌شود و در نتيجه مانع از آلودگي هوا مي‌شود.

امروزه، بررسي و مطالعه‌ي اين گونه ذرات را كه عناصر اصلي ساختار هسته‌اي هستند، در شاخه‌ي خاصي به نام فيزيك ذرات بنيادي (يا فيزيك انرژي بالا) ادامه مي‌دهند.

بدين ترتيب، فيزيك هسته‌اي را مي‌توان از سويي فرزند شيمي و فيزيك اتمي و از سوي ديگر پدر فيزيك ذرات بنيادي به شمار آورد.

فيزيك هسته‌اي اگرچه اكنون نقش محوري‌اش را در جستجوي اجزاي بنيادي ماده از دست داده است، ولي هنوز هم براي درك برهم‌كنش‌هاي بنيادي از آزمايش‌هاي هسته‌اي استفاده مي‌شود. تحقيق در خواص هسته‌ها و قوانين حاكم بر ساختار هسته‌اي، به نوبه‌ي خود، زمينه‌ي فعال و باروري از پژوهش‌هاي فيزيكي است. ابزارهاي مفيدي مانند آشكارسازهاي دود، تنظيم كنند‌ه‌هاي ضربان قلب و وسايل تصويرگيري پزشكي، از جمله دستاوردهاي علمي اين پژوهش‌ها هستند. بدين ترتيب، در واقع مي‌توان براي فيزيك هسته‌اي سه نقش مختلف در نظر گرفت:

1. كاوش در قلمرو ذرات بنيادي ماده و برهم‌كنش آنها

2. رده‌بندي و تفسير خواص هسته‌اي

3. طراحي روش‌ها و ابزارهاي فني پيشرفته براي خدمت به جوامع بشري[1]

 

اتم

بيش از دو هزار سال پيش انسان با واژه‌ي اتم آشنا بود. زيمقراطيس يكي از بزرگ‌ترين دانشمندان يونان باستان عقيده داشت كه تمام مواد از ذرات بسيار كوچك غيرقابل تقسيمي تشكيل شده‌اند. او اين ذرات را اتم ناميد. فرضيه‌ي او به نحو شگفت‌انگيزي به حقيقت نزديك بود. در آن زمان بسياري از فلاسفه و دانشمندان يونان در مورد ماده و كاينات بررسي و تحقيق مي‌كردند. تقريباً تمام اين علوم و آگاهي‌ها به طرز عجيبي فراموش شدند.

در حدود سال1800 ميلادي (1179 هجري‌شمسي) دوباره به فرضيه‌ي قديمي اتم توجه شد.

انسان دريافت كه بايد انواع گوناگوني از اتم‌ها وجود داشته باشد، تا تمام مواد و پديده‌هاي موجود در طبيعت را بتوان به وسيله‌ي آنها توجيه كرد. در سال 1803 (1182 هجري‌شمسي) يك معلم انگليسي به نام «جان دالتون» كشف كرد كه مواردي وجود دارند كه فقط از يك نوع اتم تشكيل شده هست. در بسياري از كتاب‌هاي شيمي واژه‌ي اتم به شرح زير تعريف شده است: «اتم كوچك‌ترين سنگ بناي يك عنصر شيميايي است كه در صورت تقسيم به ذرات كوچك‌تر، ديگر خواص آن عنصر را دارا نخواهد بود».

اتم‌هاي مختلف، جرم‌هاي متفاوتي دارند. سبك‌ترين آنها اتم هيدروژن است. اتم آهن بسيار سنگين و اتم اورانيوم (كه اهميت ويژه‌اي در بحث ما دارد از آن هم سنگين‌تر است.)

«نيلز بوامر»، فيزيكدان بزرگ دانماركي در سال 1913 مدل اتمي معروف خود را – كه هنوز هم دقيق‌ترين مدل شناخته شده و كاربرد دارد- انتشار دارد.

براساس اين مدل، اتم مانند يك منظومه‌ي شمسي كوچك است. در منظومه‌ي شمسي، سياره‌ها به دور خورشيد، كه جرم زيادي دارند؛ در گردشند.

در اتم نيز چنين است. در مركز اتم، هسته‌ي آنكه كوچك اما پر جرم است، قرار دارد.

ذرات سبك بسيار كوچكي بنام الكترون در فواصل بسيار دوري نسبت به هسته در گردشند.

هسته از نظر الكتريكي داراي بار مثبت است و الكترون‌ها بار منفي دارند. الكترون‌ها به وسيله‌ي نيروي جاذبه‌ي الكتريكي هسته بر مدار خود باقي مي‌مانند. درست مانند خورشيد كه با نيروي جاذبه‌اش سياره‌ها را به دور خود نگاه مي‌دارد.

در اوايل اين سده نيز «آلبرت انيشتن» يكي از بزرگ‌ترين دانشمندان تاريخ به صحنه آمد و نشان داد كه ماده فقط يكي از شكل‌هاي متعدد قابل تصور انرژي است. به اين ترتيب كه اگر ما به يك ذره‌ي خيلي سريع انرژي وارد كنيم؛ جرم آن را افزايش مي‌دهيم. بنابراين انيشتن اين‌طور نتيجه‌گيري كرد كه جرم فقط شكلي از انرژي است.

 

[1]. كنت كرين، آشنايي با فيزيك هسته‌اي، ترجمه محمدابراهيم ابوكاظمي، منيژه رهبر (تهران، مركز نشر دانشگاهي، 1371-1373)، ص8