شکافت هسته ای

هسته اتم های آزاد شده در فرآیند شکافت مربوط به عناصر شیمیایی مختلفی هستند. چون هسته های تولید شده نیز معمولاً ایزوتوپ های ناپایدار می‌باشند، محصولات شکافت تا حد بالایی رادیواکتیو هستند این ایزوتوپ‌ها هم واپاشی کرده و پرتوهای گاما و بتا تابش می‌کنند. این محصولات شکافت به شدت رادیواکتیو ( یا ضایعات واپاشی آنها که همانند محصولات اولیه شکافت بسیار ناپایدارند و زمان واپاشی بسیار کوتاهی دارند ) زباله های هسته ای به حساب می‌آیند.

شکافت القا شده
با وجود اینکه اغلب اوقات، ساده ترین شکل آغاز شکافت جذب یک نوترون آزاد توسط هسته است، واکنش شکافت را به وسیله برخورد یک هسته قابل شکافت با دیگر ذرات نیز می‌توان القا کرد. این ذرات می‌توانند پروتون، هسته های دیگر و یا حتی فوتون های با انرژی خیلی بالا مثل پرتوهای گاما باشند.
• به ندرت ممکن پیش بیاید که یک هسته قابل شکافت بدون دریافت نوترون شکافت هسته ای خودبه خودی انجام دهد.
• شکافت القایی در عناصر سنگین آسانتر است و به طور کلی هر چه هسته سنگین تر باشد احتمال بیشتری وجود دارد تا شکافته شود . شکافت در عناصر سنگین تر از آهن انرژی تولید می‌کند و در عناصر سبک تر از آهن نیاز به انرژی دارد. خلاف آن در مورد هم جوشی هسته ای صادق است، هم جوشی در عناصر سبک تر از آهن انرژی تولید می‌کند و هم جوشی در عناصر سنگین تر از آهن نیاز به انرژی دارد. بیشترین عناصری که در شکافت هسته ای استفاده می‌شوند اورانیوم و پلوتونیوم هستند. اورانیوم سنگین ترین عنصری است که در طبیعت یافت می‌شود. پلوتونیوم دچار شکافت هسته ای خودبه خودی می‌شود و نیمه عمر نسبتاً کوتاهی دارد. اگر چه عناصر دیگری هم هستند که می‌توان از آنها استفاده کرد. اما این عناصر بهترین ترکیب از لحاظ راحتی شکافت و یکنواختی را دارند.

اثرات ایزوتوپها
اورانیوم طبیعی شامل 3 ایزوتوپ است: U-234 ( %006/0)، U-235 ( %7/0)، U-238(%3/99) سرعت لازم برای یک واکنش شکافت نسبت به یک واکنش غیر شکافت برای ایزوتوپ های مختلف متفاوت است. U-238 با نوترونهایی که انرژی بیشتر از 1Mev دارند شکافته می‌شود چنین نوترونهایی از انفجارهای هم جوشی تولید می‌شوند. اما شکافت اورانیوم چنین نوترونهای پر انرژی تولید کند. در حالتهای نادری u-238 نوترونهای کم انرژی جذب می‌کند اما شکافته نمی شود بنابراین نمی تواند مانند U-235 در واکنش زنجیره ای شرکت کند. U-238 جرم بحرانی ندارد. با این حال وقتی که یک نوترون جذب می‌کند U-239 حاصل ناپایدار است و ابتدا به NP-239 و سپس به PU-239 واپاشیده می‌شود. PU-239 درست مانند U-235 با نوترونهای کند نیز شکافته می‌شود. بنابراین قسمتی از انرژی تولید شده در رآکتورهایی که از سوخت اورانیوم استفاده می‌کنند را شکافت پلوتونیوم تأمین می‌کند.
U-235 نسبت به U-238 با گستره وسیع تری از نوترونهای باانرژی های مختلف واکنش می‌دهد. U-235 بزرگترین سطح مقطع واکنش برای U-235 زمانی است که با نوترونهای کند واکنش می‌دهد. بدین معنی که احتمال شکافت U-235 زمانی که با نوترونهای کند یا " نوترونهای گرمایی " برخورد کند بسیار بیشتر است این نوترونها بسیار کم انرژی تر از نوترونهایی هستند که از شکافت U-235 تولید می‌شود. معمولاً از گرافیت یا آب برای کند کردن نوترونهایی که در واکنش شکافت تولید می‌شوند استفاده می‌شود تا با استفاده از این نوترونها U-235 بیشتری شکافته می‌شود. اگر نسبت U-235 بالا باشد، بدون نیاز به کند کننده هم واکنش زنجیره ای ادامه می‌یابد.
نسبت U-235 در اورانیوم طبیعی 1 به 140 است. در ضمن تفاوت جرم بسیار کم بین ایزوتوپ‌ها جداسازی آنها مشکل می‌کند. در پروژه منهتن بود که دانشمندان به امکان جداسازی U-235 پی بردند. جداسازی U-235 مهمترین عامل موفقیت آنها در این پروژه بود.

کند کننده ها
نوترونهای گرمایی که در واقع نوترونهای کند می‌باشند احتمال بیشتری برای شکافتن U-235 دارند، اما نوترونهای آزاد شده در فرآیند شکافت سرعت بالایی دارند و از این نوع نوترونها نمی باشند. احتمال هر دو واکنش های شکافت و غیر شکافت بستگی به سرعت

برای دیدن ادامه مطالب روی ادامه مطلب کلیک کنید