دیدکلی

تاریخچه

حالت پایداری رادیوایزوتوپ

علت وجود رادیوایزوتوپها

پرتودهی ایزوتوپهای پایدار در یک راکتور

پرتودهی ایزوتوپهای پایدار در یک شتابدهنده یا سیکلوترون

شکافت ایزوتوپهای سنگینتر

واپاشی رادیوایزوتوپ

دید کلی

راکتورهای هسته‌ای دستگاه‌هایی هستند که در آنها شکافت هسته‌ای کنترل شده رخ می‌دهد. راکتورها برای تولید انرژی الکتریکی و نیز تولید نوترون‌ها بکار می‌روند. اندازه و طرح راکتور بر حسب کار آن متغیر است. فرآیند شکافت که یک نوترون بوسیله یک هسته سنگین (با جرم زیاد) جذب شده و به دنبال آن به دو هسته کوچکتر همراه با آزاد سازی انرژی و چند نوترون دیگر شکافته می‌شود.

تاریخچه

اولین انرژی کنترل شده ناشی از شکافت هسته در دسامبر 1942 بدست آمد. با رهبری فرمی ساخت و راه اندازی یک پیل از آجرهای گرافیتی ، اورانیوم و سوخت اکسید اورانیوم با موفقیت به نتیجه رسید. این پیل هسته‌ای ، در زیر میدان فوتبال دانشگاه شیکاگو ساخته شد و اولین راکتور هسته‌ای فعال بود.

ساختمان راکتور

با وجود تنوع در راکتور‌ها ، تقریبا همه آنها از اجزای یکسانی تشکیل شده‌اند. این اجزا شامل سوخت ، پوشش برای سوخت ، کند کننده نوترونهای حاصله از شکافت ، خنک کننده‌ای برای حمل انرژی حرارتی حاصله از فرآیند شکافت ماده کنترل کننده برای کنترل نمودن میزان شکافت می‌باشد.

سوخت هسته‌ای

سوخت راکتورهای هسته‌ای باید به گونه‌ای باشد که متحمل شکافت حاصله از نوترون بشود. پنج نوکلئید شکافت پذیر وجود دارند که در حال حاضر در راکتورها بکار می‌روند. ²³²Th ، ²³³U ، ²³⁵U ، ²³⁸U ، ²³⁹Pu . برخی از این نوکلئیدها برای شکافت حاصله از نوترونهای حرارتی و برخی نیز برای شکافت حاصل از نوترونهای سریع می‌باشند. تفاوت بین سوخت یک خاصیت در دسته‌بندی راکتورها است.

در کنار قابلیت شکافت ، سوخت بکار رفته در راکتور هسته‌ای باید بتواند نیازهای دیگری را نیز تأمین کند. سوخت باید از نظر مکانیکی قوی ، از نظر شیمیایی پایدار و در مقابل تخریب تشعشعی مقاوم باشد، تا تحت تغییرات فیزیکی و شیمیایی محیط راکتور قرار نگیرد. هدایت حرارتی ماده باید بالا باشد بطوری که بتواند حرارت را خیلی راحت جابجا کند. همچنین امکان بدست آوردن ، ساخت راحت ، هزینه نسبتا پایین و خطرناک نبودن از نظر شیمیایی از دیگر فایده‌های سوخت است.

غلاف سوخت راکتور

سوختهای هسته‌ای مستقیما در داخل راکتور قرار داده نمی‌شوند، بلکه همواره بصورت پوشیده شده مورد استفاده قرار می‌گیرند. پوشش یا غلاف سوخت ، کند کننده و یا خنک کننده از آن جدا می‌سازد. این امر از خوردگی سوخت محافظت کرده و از گسترش محصولات شکافت حاصل از سوخت پرتو دیده به محیط اطراف جلوگیری می‌کند. همچنین این غلاف می‌تواند پشتیبان ساختاری سوخت بوده و در انتقال حرارت به آن کمک کند. ماده غلاف همانند خود سوخت باید دارای خواص خوب حرارتی و مکانیکی بوده و از نظر شیمیایی نسبت به برهمکنش با سوخت و مواد محیط پایدار باشد. همچنین لازم است غلاف دارای سطح مقطع پایینی نسبت به بر همکنشهای هسته‌ای حاصل از نوترون بوده و در مقابل تشعشع مقاوم باشد.

مواد کند کننده نوترون

یک کند کننده ماده‌ای است که برای کند یا حرارتی کردن نوترونهای سریع بکار می‌رود. هسته‌هایی که دارای جرمی نزدیک به جرم نوترون هستند بهترین کند کننده می‌باشند. کند کننده برای آنکه بتواند در راکتور مورد استفاده قرار گیرد بایستی سطح مقطع جذبی پایینی نسبت به نوترون باشد. با توجه به خواص اشاره شده برای کند کننده ، چند ماده هستند که می‌توان از آنها استفاده کرد. هیدروژن ، دوتریم ، بریلیوم و کربن چند نمونه از کند کننده‌ها می‌باشند. از آنجا که بریلیوم سمی است، این ماده خیلی کم به عنوان کند کننده در راکتور مورد استفاده قرار می‌گیرد. همچنین ایزوتوپهای هیدروژن ، به شکل آب و آب سنگین و کربن ، به شکل گرافیت به عنوان مواد کند کننده استفاده می‌شوند.

خنک کننده‌ها

گرمای حاصله از شکافت در محیط راکتور یا باید از سوخت زدوده شود و یا در نهایت این گرما بقدری زیاد شود که میله‌های سوخت را ذوب کند. حرارتی که از سوخت گرفته می‌شود ممکن است در راکتور قدرت برای تولید برق بکار رود. از ویژگیهایی که ماده خنک کننده باید داشته باشد، هدایت حرارتی آن است تا اینکه بتواند در انتقال حرارت مؤثر باشد. همچنین پایداری شیمیایی و سطح مقطع جذب پایین‌تر از نوترون دو خاصیت عمده ماده خنک کننده است. نکته دیگری که باید به آن اشاره شود این است که این ماده نباید در اثر واکنشهای گاما دهنده رادیواکتیو شوند.

از مایعات و گازها به عنوان خنک کننده استفاده شده‌ است، مانند گازهای دی اکسید کربن و هلیوم. هلیوم ایده‌آل است ولی پر هزینه بوده و تهیه مقادیر زیاد آن مشکل است. خنک کننده‌های مایع شامل آب ، آب سنگین و فلزات مایع هستند. از آنجا که برای جلوگیری از جوشیدن آب فشار زیادی لازم است خنک کننده ایده‌آلی نیست.

مواد کنترل کننده شکافت

برای دستیابی به فرآیند شکافت کنترل شده و یا متوقف کردن یک سیستم شکافت پس از شروع ، لازم است که موادی قابل دسترس باشند که بتوانند نوترونهای اضافی را جذب کنند. مواد جاذب نوترون بر خلاف مواد دیگر مورد استفاده در محیط راکتور باید سطح مقطع جذب بالایی نسبت به نوترون داشته باشند. مواد زیادی وجود دارند که سطح مقطع جذب آنها نسبت به نوترون بالاست، ولی ماده مورد استفاده باید دارای چند خاصیت مکانیکی و شیمیایی باشد که برای این کار مفید واقع شود.

انواع راکتورها

راکتورها بر حسب نوع فرآیند شکافت به راکتورهای حرارتی ، ریع و میانی (واسطه) ، بر حسب مصرف سوخت به راکتورهای سوزاننده ، مبدل و زاینده ، بر حسب نوع سوخت به راکتورهای اورانیوم طبیعی ، راکتورهای اورانیوم غنی شده با ²³⁵U (راکتور مخلوطی Be) ، بر حسب خنک کننده به راکتورهای گاز (CO₂مایع (آب ، فلز) ، بر حسب فاز سوخت کند کننده‌ها به راکتورهای همگن ، ناهمگن و بالاخره بر حسب کاربرد به راکتورهای قدرت ، تولید نوکلید و تحقیقاتی تقسیم می‌شوند.

کاربردهای راکتورهای هسته‌ای

• راکتورها انواع مختلف دارند برخی از آنها در تحقیقات ، بعضی از آنها برای تولید رادیو ایزتوپهای پر انرژی برخی برای راندن کشتیها و برخی برای تولید برق بکار می‌روند.
  
  
• دوگروه اصلی راکتورهای هسته‌ای بر اساس تقسیم بندی کاربرد آنها. راکتورهای قدرت و راکتورهای تحقیقاتی هستند. راکتورهای قدرت مولد برق بوده و راکتورهای تحقیقاتی برای تحقیقات هسته‌ای پایه ، مطالعات کاربردی تجزیه‌ای و تولید ایزوتوپها مورد استفاده قرار می گیرند.

دید کلی

می‌توان هسته اتم را به عنوان جرم نقطه‌ای و بار آن را به صورت بار نقطه‌ای در نظر گرفت. هسته شامل ، تمامی بارمثبت و تقریباً تمامی جرم اتم است، در نتیجه مرکزی تشکیل می‌‌دهد که حرکت الکترونی حول آن رخ می‌‌دهد. هر چند هسته عمدتاً از طریق نیروی جاذبه کلنی خود با الکترونها ساختار اتمی را تحت تأثیر قرار می‌‌دهد اما بعضی آثار نسبتاً دقیق را در طیف‌های اتمی می‌‌توان به آن نسبت داد.

اجزای اصلی هسته

ذراتی که تمامی هسته‌ها از آنها ترکیب یافته‌اند پروتونها و نوترونها هستند. در حالت کلی به این ذرات نوکلئون می‌‌گویند. خواص نوکلئونها

بار

پروتون هسته اتم H (ایزوتوپ سبک اتم هیدروژن) است. پروتون دارای یک بارمثبت است که از نظر بزرگی با بار الکترون برابر است. نوترون دارای بار e 10^-13 (10^-18 برابر بار الکترون است) ولی چون خیلی کوچک است آن را خنثی می‌‌گیریم و لذا در برهمکنشی با الکترون نیروی ضعیفی از خود نشان می‌‌دهد.

جرم

پروتون و نوترون دارای جرم تقریباً یکسان هستند، جرم نوترون از جرم پروتون اندکی (کوچکتراز 0.1 درصد) بیشتراست. این ذرات هر دو دارای انرژی سکون حدود یک گیگا الکترون ولت هستند.

اسپین

یک ویژگی مهم پروتون و نوترون اندازه حرکت زاویه‌ای ذاتی ، یا به اصطلاح اسپین هسته‌ای آنها است. اعداد کوانتومی اسپین هسته‌ای پروتون و نوترون هردو برابر ½ هستند.

گشتاور مغناطیسی هسته‌ای

گشتاور مغناطیسی پروتون در همان راستای اسپین هسته‌ای آن است، بزرگی گشتاور هسته‌ای ، مؤلفه گشتاور مغناطیسی پروتون را در امتداد راستای کوانتش فضایی برحسب مگنتون هسته‌ای به دست می‌‌دهد. گشتاور مغناطیسی نوترون درخلاف راستای اندازه حرکت زاویه‌ای آن است. گشتاور مغناطیسی غیر صفر نوترون حاکی از آن است که ، با وجود صفر بودن بار کل ، یک توزیع غیر یکنواخت بار در داخل آن وجود دارد.

نیروهای هسته‌ای

از آنجا که پروتونها در داخل هسته در فاصله کمی از همدیگر قرار دارند، نیروی رانشی کولنی بین آنها خیلی بزرگ است. برای آنکه هسته در حالت تعادل قرار گیرد، این نیرو را باید یک نیروی ربایشی دیگر (نیروی هسته‌ای) خنثی کند. این نیرو در قوی‌ترین حالت خود ، از نیروی کولنی خیلی قوی‌تر است. ولی ، نیروی هسته‌ای فقط در گستره محدودی قوی است. از جنبه‌های مهم نیروی هسته‌ای ، استقلال آن از بار است. نیروی مؤثر بین دو نوکلئون ، از اینکه دو پروتون ، دو نوترون و یا یک پروتون و یک نوترون باشند، متشکل است. نیروی بین دو نوکلئون با اسپین موازی نسبت به نیروی بین دو نوکلئون با اسپین پادموازی قویتر است.

پتانسیل یوکاوا

بر خلاف نیروی کولنی ، که بستگی به فاصله آن به صورت ساده r²/1 است، نیروی هسته‌ای بطور خیلی پیچیده‌ای به فاصله وابسته است. پتانسیل حاصل از این نیرو را پتانسیل یوکاوا گویند. پتانسیل تابع نمایی از فاصله هسته‌ای است. به علت این رفتار نمایی ، پتانسیل و نیرو سریعا با افزایش فاصله به صفر میل می‌‌کند.

شعاع هسته‌ای

شعاع هسته‌ای بطور تقریبی از نتایج آزمایشهای پراکندگی ذره آلفا محاسبه می‌‌شود. اگر چه توزیع این ذرات پراکنده تنها با برهمکنش کولنی برای فواصل بزرگتر از ^14-10 متر توجیه می‌‌شود، اما وقتی ذرات آلفا تقریباً در این فاصله از مرکز هسته قرار می‌‌گیرند از قانون کولن تبعیت نمی‌‌کنند. در این حالت ، شعاع هسته‌ای را می‌‌توان به صورت آن فاصله‌ای از مرکز هسته تعریف کرد که در آن نیروی هسته‌ای از اهمیت برخوردار است. نتایج به دست آمده از پراکندگی نوترونی برای شعاع هسته بیانگر تابعیت شعاع هسته‌ای از عدد جرمی‌‌ هسته‌ای (A) است. که شعاع هسته با ریشه سوم عدد جرمی متناسب است.

مقدمه

تمام نگاری یک تکنیک انقلابی است که عکسبرداری سه بعدی (یعنی کامل) از یک جسم و یا یک صحنه را ممکن می‌کند. این تکنیک در سال 1948 توسط گابور ابداع شد (در آن زمان به منظور بهتر کردن توان تفکیک میکروسکوپ الکترونی پیشنهاد شد) و بصورت یک پیشنهاد عملی در آمد، اما قابلیت واقعی این تکنیک پس از اختراع لیزر نشان داده شد.
ایجاد هولوگرام

برای ایجاد هولوگرام به یک چشمه نور همدوس که در آن ، امواج همفاز هستند (نور لیزر) نیاز داریم. اساس تمام نگاری به این صورت است که باریکه لیزر بوسیله آینه که قسمتی از نور را عبور می‌دهد، به دو باریکه (بازتابیده و عبوری) تقسیم می‌شوند. باریکه بازتابیده مستقیما به صفحه حساس به نور برخورد می‌کند، در حالی که باریکه عبوری جسمی را که باید تمام نگاری شود روشن می‌کند. به این ترتیب قسمتی از نوری که از جسم پراکنده شده هم روی صفحه حساس (فیلم) می‌افتد. به علت همدوس بودن باریکه‌ها یک نقش تداخلی از ترکیب دو باریکه روی صفحه تشکیل می‌شود.

حالا اگر این فیلم ظاهر شود و تحت بزرگنمایی کافی بررسی شود، می‌توان این فریزهای تداخلی را مشاهده کرد. فاصله بین دو فریز تاریک متوالی معمولا حدود 1 میکرومتر است. این نقش تداخلی پیچیده است و هنگامی که صفحه را بوسیله چشم بررسی می‌کنیم به نظر نمی‌رسد که حامل تصویر مشابه با جسم اولیه باشد، اما این فریزهای تداخلی در واقع حامل ضبط کاملی از جسم اولیه است (هولوگرام انعکاسی یکی از انواع فراوان هولوگرامهاست).

مشاهده هولوگرام

برای مشاهده هولوگرام باید نور را تحت همان زاویه دسته پرتو اصلی که به هنگام عکسبرداری بر فیلم تابانده‌ایم، بر فیلم بتابانیم. در این صورت نمونه‌های تداخلی مضبوط بر فیلم نور را پراش داده چنان منعکس می‌کنند که جهت و شدت امواج تابشی اصلی ، که به هنگام عکسبرداری ایجاد شده است، مجددا بوجود آید. حال فرض کنید که صفحه ظاهر شده را دوباره به محلی که در معرض نور قرار داشت باز گردانیم و جسم تحت مطالعه را برداریم..

باریکه بازتابیده اکنون با فریزهای روی صفحه برهمکنش می‌کنند و دوباره در پشت صفحه یک باریکه پراشیده ایجاد می‌کند. بنابراین ناظری که به صفحه نگاه می‌کند جسم را در پشت صفحه می‌بیند، طوری که انگار هنوز هم جسم در آنجاست. هر یک از دو چشم ، هر نقطه مفروض را بواسطه یک نمونه تداخلی جداگانه مشاهده می‌کند. بدین ترتیب برای هر نقطه از تصویر ، ناظر یک تصویر مجازی سه بعدی را پشت صحفه هولوگرافی شناور است، می‌بیند. با تغییر شدت نور که در نتیجه تغییر زاویه مشاهده ، ایجاد می‌شود، چنین می‌نماید که شی در پشت هولوگرام واقعا وجود دارد.

خصوصیات تمام نگاری

یکی از جالبترین خصوصیات تمام نگاری این است که جسم بازسازی شده رفتار سه بعدی نشان می‌دهد، بنابراین با حرکت دادن چشم از محل تماشا می‌توان طرف دیگر جسم را مشاهده کرد. توجه کنید که برای ضبط تمام نگار باید سه شرط اصلی را برآورد:.

1. درجه همدوسی نور لیزر باید به اندازه کافی باشد تا فریزهای تداخلی در روی صفحه تشکیل شود.
   
   
2. وضعیت نسبی جسم ، صفحه و باریکه لیزر نباید در هنگام تاباندن نور به صفحه که حدود چند ثانیه طول می‌کشد تغییر کند. در واقع تغییر محل نسبی باید کمتر از نصف طول موج لیزر باشد تا از در هم شدن نقش تداخلی جلوگیری کند.
   
   
3. قدرت تفکیک صفحه عکاسی باید به اندازه کافی زیاد باشد تا بتواند فریزهای تداخلی را ضبط کند.

کاربرد

تمام نگاری به عنوان یک تکنیک ضبط و بازسازی تصویر سه بعدی بیشترین موفقیت را تا کنون در کاربردهای هنری داشته است تا در کاربردهای علمی. اما بر اساس تمام نگاری از یک تکنیک تداخل سنجی تمام نگاشتی در کاربردهای علمی به عنوان وسیله‌ای برای ضبط و اندازه گیری واکنشها و ارتعاشات اجسام سه بعدی استفاده شده است. عکس دو بعدی ، نور را در همه جهات، با شدتی یکسان منعکس می‌سازد.