دانلود مقاله انرژی اتمی

word قابل ویرایش
22 صفحه
8700 تومان
87,000 ریال – خرید و دانلود

انرژی اتمی

مقدمه
در حال حاضر انرژی اتمی یکی از منابع مهم انرژی بسیاری از کشورهای جهان است . با وجود این ، تا سالهای اخیر اکثر مردم درباره آن بی اطلاع بودند در اواخر جنگ جهانی دوم زمانی که دو بمب اتمی بر روی شهرهای ناکازاکی و هیروشیما در ژاپن انداخته شد ، برای اولین بار مردم پی بر قدرت انرژی اتمی بردند. از آن زمان تا به امروز از انرژی اتمی فقط به منظور تولید نیرو استفاده شده است ، هرچند که سلاحهای اتمی متعددی در جهان وجود دارند.

جمعیت جهان با سرعت رو به افزایش است و مردم نیز مایلند سطح زندگی شان بهتر شود و توقعاتشان بیشتر شده است. این دو عامل دلیل نیاز روز افزون به انرژی است. این انرژی موارد استفاده های فراوان دارد ، از جمله راه انداختن ماشین آلات کارخانه ها ، تولید گرما و نیروی برق ، درحالی تقاضای جهانی انرژی رو به افزایش است ، منابع سوختهای فسیلی (زغال سنگ ، نفت و گاز ) در حال اتمام هستند.

در حال حاضر ، سوختهای فسیلی تنها منابع اصلی تامین کننده انرژی جهان هستند و باید به دنبال منابع دیگر انرژی بود ، یکی از منابع جایگزین که قبلا کشف شده است انرژی اتمی می باشد.

انرژی هسته ای
اولین استفاده از انرژی هسته ای در جنگ جهانی دوم بعمل آمد و از آن پس امکان تهیه انرژی مفید به مقیاس وسیع از این منبع مورد نظر بوده و از آن غالبا بعنوان پشتوانه ای در برابر مسئله اتمام منابع فسیلی انرژی یاد می شود. در عین حال که انرژی هسته ممکن است بر منابع فسیلی مزایایی ( از نظر آلوده تر کردن هوا ) داشته باشد استفاده از آن مستلزم یک تکنولوژی پیشرفته و پیش بینی های لازم برای مسائل ایمنی است .

در استفاده از انرژی هسته ای حرارت حاصله از شکستن اتمها که تحت کنترل انجام می گیرد به مصرف تولید بخار می رسد. عمل شکستن اتمها و تولید حرارت در راکتورها انجام می گیرد که سوخت آنها اورانیوم (و یا توریم) است.

حرارت سپس بوسیله یک یا چندین عامل واسطه که تحت فشارهای مختلف هستند به بخار تبدیل شده و توربینهای مولد برقی را می چرخانند. در راکتورهای معمولی که سوخت آنها اورانیوم ۲۳۵ است مقدار کمی از سوخت ( در حدود یک درصد ) به پلوتونیوم تبدیل شده و در این تبدیل تفاوت به صورت انرژی آزاد می شود. این عمل سبب می شود که یک تن سوخت اورانیوم که در این راکتورها «سوخته» می شود معادل سوختن پنجاه هزار تن زغال سنگ الکتریسیته تولید کند.

در حال حاضر حدود ۱۶۰۰۰ یعنی پنج درصد انرژی الکتریکی مصرفی در امریکا از انرژی هسته ای تولید می شود که راکتورهای فوق الذکر را بکار گرفته اند. این مقدار در حدود یک درصد انرژی کل مصرفی امریکا است .

راکتورهای دیگری که در آن کشور تحت ساختمان هستند دارای ظرفیتی در حدود ۵۴۰۰۰ خواهد بود و مقدار ۸۰۰۰۰ دیگر نیز یا در مرحله طرح یا سفارش هستند بطوریکه در پایان اتمام آنها مجموعا ۱۵۰۰۰۰ الکتریسیته از انرژی هسته ای در آن کشور تهیه خواهد شد که تخمین زده می شود در سال ۲۰۰۰ قسمت قابل توجهی از انرژی الکتریکی امریکا را تامین کند.

(مثلا ۲۵ تا ۳۰ درصد) . در انگلیس نیز حدس زده می شود تا اواخر قرن حاضر راکتورهای هسته ای تا حدود ۲۵% الکتریسیته مورد احتیاج را که در آن موقع در حدود ۴۰۰۰۰ تخمین زده می شود تامین کند. گرچه به نظر می رسد که انرژی هسته ای ممکن است راه حل عمده ای برای بحران انرژی باشند . ولی باید توجه داشت که موفقیت عمده انرژی هسته ای می تواند در تولید انرژی الکتریکی بوده که فقط جزئی از انرژی لازم برای احتیاجات آینده است.

و حتی تولید الکتریسیته به مقدار وافر از این منبع مستلزم پیمودن راهی است که کاملا کوبیده و صاف نشده است. بعلاوه علیرغم بوجود آمدن راکتورهای مولد مسئله سوخت اتمی لازم هنوز بطور کامل حل نشده است . دیگر اینکه تکنولوژی قادر باشد راکتورهای اتمی نوعی سم ایجاد کند . که نه از راه انشقاق (fissin) که در راکتورهای فعلی بکار می رود بلکه از راه Fuslan انرژی اتمی را آزاد کند. سوخت لازم (مثلا دیوتریوم) برای چنین راکتورهایی مقدار زیاد در طبیعت موجود است.

علیرغم این اشکالات برای جایگزینی و تکمیل احتیاجات انرژی در عرض نیم قرن آینده شاید بتواند تا حدود بیست تا سی درصد مصرف انرژی الکتریکی را از انرژی هسته ای تامین کرد.

تاریخچه شناخت ماده
توماس ادیسون در سال ۱۸۷۹ لامپ الکتریکی را اختراع کرد و پس از آن طی ده سال که او کوشش خستگی ناپذیر موفق به اختراع بسیاری از وسایل تولید و توزیع برق گردید و از پرتو نبوغ فکری او تحولات و تغییرات شگرفی در زندگی و رفاه صدها میلیون نفر از مردم جهان پدید آمد.

شکافتن هسته و انرژی هسته ای
با توجه به اینکه در یک واکنش هسته ای تغییرات انرژی بسیار زیاد است . این مطلب مهم مورد تحقیق و بررسی قرار گرفت که اگر بتوان یک واکنش هسته ای تولید کرد که بتواند بخودی خود متوالیاً صورت بگیرد ، میتوان انرژی هایی میلیونها مرتبه بیشتر از انرژیهای حاصل از واکنشهای کنترل نشده ی دیگر را بدنبال داشته باشد کشف نشده بود

تا اینکه در سال ۱۹۳۸ یک دانشمند شیمی آلمانی به نام « اتو هامن » با همکاری خویش «اشتراسمن» که روی اثر بمباران اتمهای اورانیوم توسط نوترون مطالعه می کردند انتظار داشتند

که تشکیل ایزوتوپ منگینتر از اورانیوم هدف (۶۲۳۸ ) را مشاهده کنند ، ولی با کمال تعجب هامن دریافت که نمونه اورانیوم بمباران شده توسط نوترونها ایجاد اتمهای رادیواکتیو ، عنصری بسیار سبکتر یعنی باریم (A=146) نموده است . معمای این کشف بزودی توسط فیزیکدانهای آلمانی ( لیز مینز ، واترفریج ) روشن شد و هر دو نظر دادند

که چنانچه هسته های ۶۲۳۸ نوترونی را شکار نمایند هسته مرکب حاصله ناپایدار بوده و به جای اینکه از خود ذرات آنها یا بتا صادر کند دفعتا پس از تقریبا ثانیه شکسته و به دو تکه یا فراگمان تقریبا مساوی تقسیم می شود و حدود دو تا سه نوترون نیز آزاد میگردند. یک چنین پدیده ای را فیسیون یا شکافت هسته ای می گویند. یک نمونه متداول از این واکنش هسته ای بمباران u235 توسط نوترون کند می باشد که ایجاد دو عنصر استرنسیم (Sr) و گزنون (Xe) و دو نوترون می نماید.

راکتور هسته ای
تعداد متوسط نوترونهایی که از یک واکنش فیسیون آزاد شده و فیسیونهای دیگر را ایجاد می کنند ضریب تکثیر نامیده و به f نمایش می دهند. یک واکنش زنجیری وقتی برقرار می شود که f بزرگتر از یک و یا لااقل مساوی با ان باشد.

اگر بزرگی نمونه « درست بحرانی» باشد (f=1) عده نوترونهای تولید شده در هر نسل برابر است با عده نوترونهایی که در نسل پیش تولید و منجر به آزادی یکنواخت انرژی هسته ای شده است. پیل فری اولیه و پیل فری تکامل یافته بعدی آن ، واکنش زنجیری را در سطح اندازه بحرانی نگه می دارد.

متذکر می شویم که شرایط «بحرانیت » بی اندازه ناپایدار است بطوریکه یک انحراف جزئی از یک طرف ، منجر به خاموشی سریع نوترونهای شکاف و قطع واکنش زنجیری هسته می شود. و انحراف جزیی از طرف دیگر منجر به افزایش سریع نوترونهای شکاف و ذوب به تمامی ساختمان واکنش پذیر خواهد بود. بنابراین مساله مهم در نگهداری یک واکنش زنجیری یکنواخت تنظیم میزان تولید نوترون و موضوع نگهداری در برابر « مرگ » یا «گریز» است . طریقی که نوترونهای اضافی از محیط فعل و انفعال دور می شوند

عبارتند از :
۱ـ فرار کردن نوترونها از محیط یا راکتور
۲ـ جذب شدن نوترونها توسط ۲۳۸ در واکنش
۳ـ جذب شدن نوترونها بوسیله هسته های دیگر.

طریقه ۱ را با بزرگ نمودن راکتور به حداقل می رسانند. چون در این صورت نوترونها قبل از فرار گرفتار خواهند شد. طریقه ۲ را هم با انتخاب مواد مناسب که در داخل راکتور قرار می دهند کنترل می کنند. در واقع تنظیم و کنترل نوترونها توسط «میله های کنترل» انجام می گیرد که خاصیت جذب نوترون داشته و به اصطلاح « نوترون گیر» می باشند. به محض آنکه تولید نوترونی از سطح مطلوب پایین آمده یا بالا رود ، میله های کنترل خود بخود در مجرایی که در سرتاسر ماده شکاف پذیری قرار گرفته اند فرو رفته یا از آن بیرون می آیند.

در شکل شمای یک راکتور هسته ای را ملاحظه می کنید که در طرحهای مربوط به تولید نیروی الکتریکی از آن استفاده بعمل می آیند. دیاگرام شماتیک یک راکتور اتمی و رابطه آن با یک کارخانه برق اتمی .

بمب اتمی
بر خلاف راکتور « بمب اتمی» احتیاج به مواد فایل فیسیون خالص دارد. اگر ماده شکاف پذیر از « جرم بحرانی» تجاوز کند و یا بعبارت دیگر دو جرم زیر بعنوان یا با یک انفجار معمولی دفعتا با هم جمع شده و یک جرم بحرانی تشکیل دهند .

قبل از اینکه این دو جرم از هم جدا شوند عده نوترونهای شکافت و فیسیونهای زیادی در آن ایجاد شده که مقدار عظیمی انرژی را در حجم کوچکی تولید می کند و بدین ترتیب انفجار فوق العاده بزرگی صورت می گیرد. این عمل می تواند به طرز ساده ای با گذشتن یک ماده شکافت پذیر در یک ماده فوق بحرانی دیگر صورت گیرد.

برای اینکه پدیده فیسیون سریع به طور دسته جمعی اتفاق افتد باید یکسری از مواد را با سرعت بسیار زیاد از دهانه توپ رها کنیم و بدین جهت نام “اسلحه توپی” به آن داده اند. روشهای دیگری وجود دارد که در آنها مقدار معینی ماده شکافت پذیر را تا اندازه ای بحرانی می سوزانند. (شکل ۹) . در این حال دو ماده شکافت پذیر از یکدیگر مجزا هستند و برای منفجر کردن بمب مقداری مواد منفجره شیمیایی معمولی را آتش می زنند.

( به مقدار زیر بحرانی) تا قسمتی از این مواد شکافت پذیر را به طرف دیگری پرتاب کند در این صورت اگر مجموع به مقدار فوق بحرانی برسد آنها واکنش زنجیری بر اثر نوترونهایی که بر اثر شکافت ماده به مقدار کم همواره در فضای درون بمب به میزان کم وجود دارند آغاز شده و بمب منفجر می شود.

رهایی انرژی ، در انفجار بمبهای هسته ای بنا به قرارداد ، با واحدهایی بنام کیلو تن و نگاتون اندازه گیری می شود که وابسته به وزن T.N.T ( ماده منفجره بسیار شدید) است که همان مقدار انرژی آزاد می سازد. یک کیلو تن ، یعنی انرژی آزاد شونده در انفجار هزار تن T.N.T که برابر است با ارگ یا تقریبا کالری. مثلا بمب هایی که در ۹ اوت سال ۱۹۴۵ روی شهرهای هیروشیما و ناکازاکی ریخته شده معادل با ۲۰ کیلو تن ماده T.N.T بود.

اثرات بیولوژیکی ( زیستی ) تشعشعات هسته ای
همراه با تکامل و توسعه عالمگیر صنعت اتمی و تولید سلاحهای اتمی ، دانستن میزان آسیبی که این تشعشعات پر انرژی و نافذ می توانند بر انسان وارد کنند ، بسیار مهم است. وقتی یک ذره هسته ای با تابش پر انرژی گاما از یک جسم مادی می گذرد ، در اثر جداکردن الکترونها از اتمهایی که در مسیر خود به آنها برخورد می کنند ، مقدار معینی یونیزاسیون تولید خواهند کرد. اگر اتمهای یونیزه همه بر یک نوع ملکولهای الی ، مثلا ملکولهای یک پروتئین یا یک اسید نوکائیک تعلق داشته باشند ، ممکن است ملکول شکسته شود و حتی نسبت درصد کمی از این شکستگی منجر به اختلال در طرز کار مخصوص آن قسمت و در نتیجه موجب مرگ شود.

از این رو اثرات زیستی تشعشع نافذ را معمولا از روی میزان یونی که هنگام عبور از ماده تولید می کند اندازه می گیرند. معمولترین این واحدها «رونتگن» (Roentgen) نام دارد و آن برابر مقدار تشعشعی است که یون در یک گرم هوای خشک تولید کند. عوارض و آسیبهای ناشی از تشعشعات هسته ای را در موجود زنده به دو دسته تقسیم می کنند.

۱ـ آسیبی که در نتیجه تابش مستقیم ذره به بدن وارد می شود ، که اگر به اندازه کافی زیاد باشد منجر به مرگ می شود.
۲ـ آسیب ژنتیکی به اعضای تناسلی که ممکن است به خود موضع تشعشع آسیب برساند ولی بتواند آسیبهای فراوان به نسلهای بعدی وارد کند.

یک تشعشع نسبتا ضعیف ، ولی مداوم بر روی یک جمعیت حتی می تواند نابودی کامل آنرا در آینده معینی به همراه داشته باشد. آسیب بیماری بر افراد مستلزم مقدار نسبتا زیاد تشعشع است و جز در مورد سلاحهای اتمی ، تنها در حوادث مهم ناشی از صنایع اتمی انتظار می رود. میزان تشعشع موثر در مرگ یک انسان به طور متوسط ۸۰۰ رونتگن است که بر تمام بدن وارد شود. مقادیر کمتر از ۱۰۰ رونتگن یا کمتر ممکن است اثرات تاخیری ولی باز هم کشنده نظیر تولید سرطان خون و سرطان های دیگر ، داشته باشد.

معمولا مقادیر اندک تشعشع مثلا حدود چند رونتگن در هفته ( حد مجاز در صنایع اتم) کاملا بدون آسیب است ، زیرا ماده حیاتی با سرعت تولید شده و ماده آسیب دیده را جبران می کند. اثرات تشعشع بر اعضای تناسلی از همه مهمتر است ،

زیرا این اثرها بطور قاطع و کامل بر هم افزوده می شوند و صد رونتگن که در طی چند سال بر روی بدن پراکنده شود درست همان تاثیر را دارد که همین مقدار در موت یک دقیقه آن در بدن وارد شود. تشعشع هسته ای (همچنین اشعه X) با گذشتن از سلولهای ژنتیک ، ملکولهای DNA را کم کروموزوم هسته های سلولی را تشکیل می دهند متاثر می سازد و تحولاتی را باعث می شود که ممکن است همچون جهشهایی در فرزندان بروز کنند. به طور کلی جهشها غیر از شاید یک در چند میلیون آنها مسلما زیان آور هستند و چون توسط مکانیزم توارثی از یک نسل به نسل بعد منتقل می شوند. دیر یا زود منجر به مرگ یکی از اعقاب خواهند شد.

بنابراین در حالیکه در پدیده تکامل داروینی مبنی بر تنازع بت و بقای “انسب” تنها چند جهش مفید و معدود منجر به یک تکامل بطنی می شوند در یک اجتماع انسانی متوازن که در آن هر فرد در کمال دقت محافظت شود جهشها می توانند آسیب فراوان برسانند.

ساختمان اتم
اتم کوچکترین ذره عناصر شیمیایی است که به تنهایی تمام خواص شیمیایی خود را حفظ می کند. در ترکیب با سایر اتمهای مشابه یا متفاوت مولکول تشکیل می شود . هرچند اتم کوچکترین ذره عنصر شیمیایی است با وجود این ساختمان پیچیده ای داشته و ذراتی آنرا تشکیل می دهد. ( ابعاد اتم حدود صد میلیونیم سانتیمتر است و هسته آن ده تا ۱۰۰ هزار برابر کوچکتر است. )

هسته ی اتم
هسته قسمت داخلی اتم است. ابعاد هسته در مقایسه با ابعاد اتم ( ) فوق العاده کوچک است ( ) چگالی (وزن مخصوص) هسته فوق العاده بزرگ است. بزرگتر از / تن ۰۰۰/۰۰۰/۱۰۰ هسته بار مثبت داشته و از پروتونها و نوترونها تشکیل یافته است ، پروتون و نوترون را هستک می نامند.

امواج الکترو مغناطیسی ( کاهنربایی)
امواج الکترو مغناطیسی شامل امواج رادیویی ، اشعه مادون قرمز ، اشعه مرئی (نور مرئی) ، اشعه ماوراء بنفش ، اشعه ایکس و اشعه گاما می باشند. امواج الکترو مغناطیسی از تغییر دوره ای (متناوب) در میدان الکترومغناطیسی که با نوسانات ذرات باردار تولید شده ناشی می گردد.

امواج الکترومغناطیسی در طول موج و فرکانس باهم اختلاف دارند. طیف الکترومغناطیسی تمام تشعشعات شناخته شده را بر طبق طول موج نشان می دهد. این تشعشعات با سرعت نور منتشر می شود.

پرتو اشعه ، نمایش هندسی جهت انتشار موج نور است ، جهت معمول آن در پیشانی موج است ولی معمولا از منبع انتشار در جهت انتشار می باشد. در امواج مسطح پرتو اشعه موازی یک دیگرند در حالی که در امواج کروی بردارهایی تشکیل می دهند که منبع انتشار در مرکز کره قرار دارد. طیف یک اشعه رنگهای متوالی است که از تجزیه نور خورشید در یک شکاف یا منشور شیشه ای حاصل می شود.

رنگهای این طیف عبارتند از :
قرمز ، نارنجی ، زرد ، سبز ، آبی ، نیلی و بنفش . نور سفید شامل همه ی این رنگها است. طیف الکترومغناطیسی گروه کامل امواج الکترومغناطیسی است که به وسیله اتم ها و ملکولها منتشر شده و بر حسب طول موج و فرکانس ردیف شده اند.

بین حالت یک جسم و تشعشعات آن (طیف) رابطه وجود دارد. طیف اجسام جامد و مایعات پیوسته بوده و طیف گاز ها خط خط یا راه راه است. تجزیه طیفی در انواع تحقیقات شیمیایی ، فلز شناسی ، نجوم و کیهان شناسی روش بسیار مهمی است ، زیرا بر اساس خطوط طیفی یک عنصر میتوان از وجود آن در یک جسم پرتو افکن مطمئن شد. برای تعیین طول موج نور تحت آزمایش از طیف سنج استفاده می کنند.

اشعه مادون قرمز ۷۶۰۰>
اشعه قرمز ۶۲۰۰-۷۶۰۰
اشعه نارنجی ۵۸۵۰-۶۲۰۰
اشعه زرد ۵۷۵۰-۵۸۵۰
اشعه زرد ـ سبز ۵۵۰۰-۵۷۵۰
اشعه سبز ۵۱۰۰-۵۵۰۰

اشعه آبی ۴۸۰۰-۵۱۰۰
اشعه آبی ـ نیلی ۴۵۰۰-۴۸۰۰
اشعه بنفش ۴۰۰۰-۴۵۰۰
اشعه ماوراء بنفش ۴۰۰۰ <

مولدها و تقویت کننده های کوانتومی (پیمانه ای) لیزر
آخرین نتایجی که از فیزیک کوانتوم و الکترونیک (علمی تحت نام الکترونیک کوانتوم) بدست آمده ساختن لیزر را ممکن ساخته است. لیزر وسیله ای است برای جهت دادن مشترک بر نور در خطوط یا مسیرهای کاملا موازی بطوریکه بدون تجزیه یا پخش باشد.

دستگاه مزبور اساسا از یک لامپ حرفه ای و یک دستگاه تشدید تشکیل یافته است. اصول حاکم بر این دستگاه اینست که در اتمها بسته های مساوی انرژی تشعشع می کنند.

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
word قابل ویرایش - قیمت 8700 تومان در 22 صفحه
87,000 ریال – خرید و دانلود
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد