اول از همه چیز تعریف فیزیک هسته ای:فیزیک هسته‌ای بخشی از دانش فیزیک است که به خواص و ویژگی‌های هسته اتم‌ها می‌پردازد.
هسته ی اتم:
هستهٔ اتم ناحیه‌ای با جرم بالا است که پروتون‌ها و نوترون‌ها در آن قرار گرفته اند. اندازهٔ هسته از اندازهٔ خود اتم بسیار کوچک‌تر است, و تقریباً تمام جرم اتم را که از ذرات پروتون و نوترون سبب میشود در این ناحیه قرار دارد.
تاریخچه
هسته اولین بار توسط ارنست رادرفورد و در سال ۱۹۱۱ کشف شد او یک ورق طلا را مورد بمباران پرتو آلفا قرار داد طبق نظر تامسون باید تمام پرتو یا بازمی گشت یا عبور می کرد اما بعضی از پرتو ها عبور کرده و بعضی از پرتو ها به شدت باز می گردند پس او اینگونه نتیجه گرفت که جرم بسیار چگال و با بار مثبت(زیرا پرتو آلفا ۲ بار مثبت دارد) و متمرکز در محلی از اتم قرار دارد که بررسی های دقیقتر این محل را مرکز اتم مشخص نمود نام این محل هسته گذاشته شد.
شکافت هسته ای:
شکافت هسته ای فرآیندی است که در آن یک اتم سنگین مانند اورانیوم به دو اتم سبکتر تبدیل میشود. وقتی هسته‌ای با عدد اتمی زیاد شکافته شود، بر پایه فرمول اینشتین، مقداری از جرم آن به انرژی تبدیل میشود. از این انرژی در تولید برق (در نیروگاه هسته‌ای) یا تخریب (سلاح‌های هسته‌ای) استفاده میشود. اوتوهان زمانی که قصد داشت از بمباران اورانیوم با نوترون آن را به رادیم تبدیل کند دریافت که به اتم بسیار کوچک‌تری دست یافته است.در تمام واکنش های هسته ای که تا ان زمان شناخته شده بود تنها ذرات کوچک از هسته جدا می شدند اما این بار یک تقسیم بزرگ رخ داده بود. لایز میتنر و اوتو فریش دریافتند که فراورده ی این بمباران نوترونی باریم است و جرم هر اتم اورانیم هنگام تبدیل شدن به ذرات کوچک‌تر به اندازه ی یک پنجم جرم یک پروتون کاهش می یابد و این جرم مطابق رابطه ی اینشتین E=mc² به انرژی تبدیل شده است.به خاطر شباهت این پدیده ی تقسیم هسته با تقسیم سلولی میتنر و فریش آن را شکافت نامیدند.مقاله ی این یافته در یازدهم فوریه ی ۱۹۳۹ در نشریه ی نیچر با عنوان "واکنش هسته ای نوع جدید" منتشر شد. در تصویر اتم اورانیم-۲۳۵ دیده می شود که پس از برخورد یک نوترون متلاشی شده و پرتو های رادیو اکتیو از خود صادر می کند.سپس به دو عنصر باریم-۱۴۱ و کریپتون-۹۲ تقسیم شده و به پایداری می رسدودر ضمن سه عدد نوترون دیگر آزاد می کند که هر یک موجب شکافت یک هسته ی اورانیوم دیگر می شوند واین واکنش زنجیره ای مرتب ادامه پیدا میکند .
همجوشی (گداخت) هسته‌ای فرآیندی عکس عمل شکافت هسته‌ای است. در فرآیند همجوشی هسته‌ای هسته‌های سبک مانند هیدروژن، دوتریوم و تریتیوم با یکدیگر همجوشی داده شده و هسته‌های سنگین‌تر و مقداری انرژی تولید میشود.
برای اینکه همجوشی امکان پذیر باشد هسته‌هایی که در واکنش وارد می‌شوند باید داریای انرژی جنبشی کافی باشند تا بر میدان الکترواستاتیکی پیرامونشان فائق آیند. بنابر این دما‌های وابسته به واکنشهای همجوشی فوق العاده بالاست.
همجوشی طبیعی
همجوشی به صورت طبیعی هم رخ می‌دهد. انرژی گرمایی که هر روزه زمین و منظومه شمسی را گرم میکند ناشی از واکنشهای همجوشی در خورشید است به این نحو که در خورشید (یا در ستارگان دیگر) نیروهای گرانشی قوی باعث می‌شوند ایزوتوپهای هسته‌های هیدروژن به اندازه کافی به هم نزدیک و با هم ترکیب شوند تا هسته هلیوم و مقداری انرژی تولید شود.
مزیت‌ها
مزیت همجوشی هسته‌ای نسبت به شکافت هسته‌ای مقایسه میشود:
• منابع سوخت آن بسیار فراوان است. به عنوان مثال دو تریوم حدود ۱۵۳ ۰/۰ درصد اتمی ازهیدروژنهای آب اقیانوسها را تشکیل می‌دهد. تریتون نیز در فرایند جذب نوترون توسط لیتیوم قابل تولید است.
• به ازاء هر نوکلئون از ماده سوخت، انرژی تولیدی نسبت به روش شکافت بیشتر است.
• معضل پسماندهای هسته‌ای را ندارد،
• اینکه در هنگام وقوع حوادث احتمالی، راکتور همجوشی از کنترل خارج نمی‌شود.
به عنوان مثالی از انرژی تولیدی در یک راکتور همجوشی می‌توان گفت اگر یک گالن از آب دریا را که دارای مقدارکافی دوترون است در واکنش همجوشی استفاده کنیم معادل ۳۰۰ گالن گازوئیل انرژی بدون آلودگی تولید میکند.
روشهای همجوشی
محصورسازی به روشهای متفاوتی انجام پذیر است. مهمترین این روشها عبارتند از:
محصور سازی مغناطیسی
در این روش از میادین پرقدرت برای حفظ یک پلاسما استفاده میگردد.
همجوشی هسته‌ای کنترل شده توسط لیزرهای پر توان
در این روش از لیزرهای پرتوانی جهت محصورساختن ساچمه های کوچکی استفاده میشود که در آنها سوخت هسته ای فشرده سازی شده باشد.
چگونگی همجوشی دوتریوم و تریتیوم
واکنش زنجیره‌ای هسته‌ای
واکنش زنجیره‌ای هسته‌ای فرآیندی است که در آن نوترون‌های ناشی از شکافت هسته‌ای باعث شکافت هسته‌های دیگر اتم‌ها می‌شوند.
در اواخر سال ۱۹۳۸ اتو هان، لیزه مایتنر و فردریک اشتراسمن به اکتشافی دست یافتند که دنیا را تحت تأثیر قرار داد، آنها متوجه شدند که می‌توان کاری کرد که هسته‌های اورانیوم ۲۳۵ شکسته شوند.
فرض کنید که نوترونی در اطراف یک هسته اورانیوم ۲۳۵ آزادانه در حال حرکت است. این هسته تمایل زیادی دارد که نوترون کند را به درون خود بکشاند وآن راجذب کند. هسته اورانیوم پس از گیر اندازی این نوترون دیگر هسته‌ای پایدار نیست و ناگهان از هم شکافته میشود. این هسته در طی فرآیند شکافت به دو یا چند هسته با جرم کوچک‌تر، یعنی به صورت هسته‌های عناصر نزدیک به مرکز جدول تناوبی تجزیه میشود.
به طور کلی در فرآیند شکافت اگر یک نوترون به هسته اصابت کند به طور میانگین ۵/۲ نوترون در اثر شکافت آزاد میشود حال اگر ما تعداد نوترون‌های آزاد شده را ۳ عدد فرض کنیم و مدت زمان لازم برای تحقق هر شکافت ۰/۰۱ ثانیه باشد، مقدار اورانیوم مصرف شده در یک ثانیه در حدود ۱۰ به توان ۲۳ کیلوگرم خواهد بود. واضح است که واکنش زنجیره‌ای شکافت می‌تواند مقادیر قابل توجهی از اورانیوم را در مدت زمان ناچیزی به انرزی تبدیل کند.
مشخص است که ما نیازی به تولید مستمر نوترون نداریم بلکه با اصابت اولین نوترون به هسته وآزاد شدن نوترون‌های ناشی از فرآیند شکافت ما می‌توانیم نوترون مورد نیاز خود را بدست آوریم که مسلما این تعداد نوترون بسیار بیشتر از نیاز ما خواهد بود. به حداقل مقدار اورانیومی که برای فرآیند شکافت لازم است جرم بحرانی یا مقدار بحرانی می‌‌گویند. از به هم پیوستن دو یا چند جرم بحرانی یک ابر جرم بحرانی حاصل میشود.
حال اگر بخواهیم واکنش زنجیره‌ای ادامه پیدا کند، حفظ یک اندازه بحرانی برای ماده اولیه اورانیوم ضرورت دارد. در صورتی که مقدار اورانیوم را خیلی کمتر از جرم بحرانی بگیریم، بیشتر نوترون های تولیدی فرار خواهند کرد زیرا این فرار به عواملی چون شکل فیزیکی اورانیوم و جرم آن وابسته است و در نتیجه واکنش متوقف میشود. از سوی دیگر اگر مقدار اورانیوم را فوق العاده زیاد بگیریم مثلاً به اندازه یک ابر جرم بحرانی، تمام نوترون های تولیدی در واکنش های بعدی شرکت خواهند کرد وانرژی آزاد شده در یک فاصله زمانی کوتاه آنچنان زیاد خواهد شد که نتیجه‌ای جز انفجار نخواهد داشت!! بین این دو حالت یک خط فاصل وجود دارد:اگر بزرگی کره اورانیومی شکل را درست برابر اندازه بحرانی بگیریم آنگاه از هر شکافت فقط یک نوترون برای شرکت در شکافت بعدی باقی می‌‌ماند در این صورت واکنش با آهنگ ثابتی ادامه می‌‌یابد. از خاصیت حالت سوم برای عملکرد نیروگاههای هسته‌ای استفاده می‌‌کنند.
فن‌آوری هسته‌ای فن‌آوری است که بر اساس واکنشهای هسته‌ای به وجود آمده است. که گستره‌ی بزرگی از حسگر دود تا راکتورهای هسته‌ای, و سلاح هسته‌ای.
تاریخچه کشف
در سال ۱۸۹۶, هنری بکرل متوجه تابش‌های عجیبی از اورانیوم شد که آن را پرتوزایی نامید. و بعد از آن پیر کوری و ماری کوری عنصر رادیوم را کشف کردند که بسیار پرتوزا بود.بررسی‌های بیشتر سه نوع پرتوزایی را نشان داد آلفا بتا و گاما.که موجب صدماتی مشابه آفتاب سوختگی و با شدت بیشتر می‌شد.
شکافت هسته‌ای
شکافت هسته‌ای فرآیندی است که بسیار سخت قابل کنترل می شود اما از شکافت هسته‌ای برای ایجاد برق توسط اتو هان دانشمند آلمانی و از طریق پروژه منهتن برای ساخت بمب اتمی در جنگ جهانی دوم استفاده شد
گداخت هسته‌ای
گداخت هسته‌ای فرآیندی است که در آن دوتریوم و ترتیوم ترکیب شده و تبدیل به هلیوم می شوند سازنده چنین علمی ادوارد تیلور است.
سلاح هسته‌ای
اولین بار از سلاح هسته‌ای که یکی از کاربردهای مخرب فناوری هسته‌ای است در ۱۶ ژوئیه ۱۹۵۴ برای بمباران دو شهر ژاپنی هیروشیما و ناگازاکی توسط آمریکا استفاده شد پروژه‌ای که ساخت چنین بمبی را دنبال می کرد پروژه منهتن نام داشت.
در طول جنگ سرد بارها کشورهای آمریکا و اتحاد جماهیر شوروی اقدام به افزایش توان تسلیحاتی خود نمودند
نیروگاه هسته‌ای
انواع واکنشهای هسته‌ای
واکنش‌هایی که در یک راکتور انجام می گیرد به دو دسته تقسیم می شوند:گداخت هسته‌ای و شکافت هسته‌ای
حوادث هسته‌ای
حادثه سه مایلی آیلند (۱۹۷۹)
حادثه سه مایلی آیلند در سال ۱۹۷۹ اتفاق افتاد
حادثه چرنوبیل (۱۹۸۶)
حادثه چرنوبیل در سال ۱۹۸۶ و در چرنوبیل (در اوکراین کنونی) اتفاق افتاد به طوری کنترل نیروگاه در ساعت ۱:۴۰ بامداد خارج شد و بتن آرمه یک متری گنبد را ذوب نمود و اتفاقات پس از آن مو جب شد تا در کل اروپا وضعیت اضطراری اعلام شود
مثالهایی از فناوری هسته‌ای
نیروگاه هسته‌ای
نیروگاههای هسته‌ای را می توان مهمترین کاربرد از فناوری هسته‌ای نامید که بدون تولید گازهای آلاینده به تولید برق می پردازند.
نیروگاه‌ها کاربردهای وسیعتری در زمینه‌های دیگر مانند حمل نقل زیردریایی ها ٬تحقیقات علمی و... نیز دارند
کاربردهای پزشکی
تصویر برداری - تصویر برداری های پزشکی که از طریق منابع پرتو ایکس مانند کبالت ۶۰ یا تکنسیوم ۹۹ انجام می گیرد, و یکی از کاربردهایش مقطع‌نگاری با نشر پوزیترون است.
کاربردهای صنعتی
اکتشاف نفت و گاز- توانایی عبور پرتو گاما از سنگ‌ها ب ما کمک می کند منابعی مانند نفت و گاز را شناسایی کنیم.
ساخت جاده - از مواد هسته‌ای مانند سزیم ۱۳۷ برای شناسایی چگالی آسفالت٬ خاک و بتن استفاده می کنیم.
کاربردهای تجاری
یک حسگر دود ازآمرسیوم-۲۴۱ , که یک منبع واپاشی آلفاست تشکیل شده است. ترتیوم و فسفر به هنگام دود شروع به اعلام خطر می کنند و مزیت این نوع حسگرها قابلیت دید در تاریکی است.
صنایع غذایی
از پرتوزایی هسته‌ای برای از بین بردن میکروبها ویروسها باکتریها و قارچها استفاده می شود
