استخراج اورانیوم از معدن

اورانیوم که ماده خام اصلی مورد نیاز برای تولید انرژی در برنامه های صلح آمیز یا نظامی هسته ای است، از طریق استخراج از معادن زیرزمینی یا سر باز بدست می آید. اگر چه این عنصر بطور طبیعی در سرتاسر جهان یافت میشود اما تنها حجم کوچکی از آن بصورت متراکم در معادن موجود است.

هنگامی که هسته اتم اورانیوم در یک واکنش زنجیره ای شکافته شود مقداری انرژی آزاد خواهد شد.

برای شکافت هسته اتم اورانیوم، یک نوترون به هسته آن شلیک میشود و در نتیجه این فرایند، اتم مذکور به دو اتم کوچکتر تجزیه شده و تعدادی نوترون جدید نیز آزاد میشود که هرکدام به نوبه خود میتوانند هسته های جدیدی را در یک فرایند زنجیره ای تجزیه کنند.

مجموع جرم اتمهای کوچکتری که از تجزیه اتم اورانیوم بدست می آید از کل جرم اولیه این اتم کمتر است و این بدان معناست که مقداری از جرم اولیه که ظاهرا ناپدید شده در واقع به انرژی تبدیل شده است، و این انرژی با استفاده از رابطه E=MC? یعنی رابطه جرم و انرژی که آلبرت اینشتین نخستین بار آنرا کشف کرد قابل محاسبه است.

اورانیوم به صورت دو ایزوتوپ مختلف در طبیعت یافت میشود. یعنی اورانیوم U??? یا U??? که هر دو دارای تعداد پروتون یکسانی بوده و تنها تفاوتشان در سه نوترون اضافه ای است که در هسته U??? وجود دارد. اعداد ??? و ??? بیانگر مجموع تعداد پروتونها و نوترونها در هسته هر کدام از این دو ایزوتوپ است.

برای بدست آوردن بالاترین بازدهی در فرایند زنجیره ای شکافت هسته باید از اورانیوم ??? استفاده کرد که هسته آن به سادگی شکافته میشود. هنگامی که این نوع اورانیوم به اتمهای کوچکتر تجزیه میشود علاوه بر آزاد شدن مقداری انرژی حرارتی دو یا سه نوترون جدید نیز رها میشود که در صورت برخورد با اتمهای جدید اورانیوم بازهم انرژی حرارتی بیشتر و نوترونهای جدید آزاد میشود.

اما بدلیل "نیمه عمر" کوتاه اورانیوم ??? و فروپاشی سریع آن، این ایزوتوپ در طبیعت بسیار نادر است بطوری که از هر ???? اتم اورانیوم موجود در طبیعت تنها هفت اتم از نوع U??? بوده و مابقی از نوع سنگینتر U??? است.

فراوری

 سنگ معدن اورانیوم بعد از استخراج، در آسیابهائی خرد و به گردی نرم تبدیل میشود. گرد بدست آمده سپس در یک فرایند شیمیائی به ماده جامد زرد رنگی تبدیل میشود که به کیک زرد موسوم است. کیک زرد دارای خاصیت رادیو اکتیویته است و ?? تا ?? درصد آنرا اورانیوم تشکیل میدهد.

دانشمندان هسته ای برای دست یابی هرچه بیشتر به ایزوتوپ نادر U??? که در تولید انرژی هسته ای نقشی کلیدی دارد، از روشی موسوم به غنی سازی استفاده می کنند. برای این کار، دانشمندان ابتدا کیک زرد را طی فرایندی شیمیائی به ماده جامدی به نام هگزافلوئورید اورانیوم تبدیل میکنند که بعد از حرارت داده شدن در دمای حدود ?? درجه سانتیگراد به گاز تبدیل میشود. 
 کیک زرد دارای خاصیت رادیو اکتیویته است و ?? تا ?? درصد آنرا اورانیوم تشکیل میدهد

هگزافلوئورید اورانیوم که در صنعت با نام ساده هگز شناخته میشود ماده شیمیائی خورنده ایست که باید آنرا با احتیاط نگهداری و جابجا کرد. به همین دلیل پمپها و لوله هائی که برای انتقال این گاز در تاسیسات فراوری اورانیوم بکار میروند باید از آلومینیوم و آلیاژهای نیکل ساخته شوند. همچنین به منظور پیشگیری از هرگونه واکنش شیمیایی برگشت ناپذیر باید این گاز را دور از معرض روغن و مواد چرب کننده دیگر نگهداری کرد.

غنی سازی

هدف از غنی سازی تولید اورانیومی است که دارای درصد بالایی از ایزوتوپ U??? باشد.

اورانیوم مورد استفاده در راکتورهای اتمی باید به حدی غنی شود که حاوی ? تا ? درصد اورانیوم ??? باشد، در حالی که اورانیومی که در ساخت بمب اتمی بکار میرود حداقل باید حاوی ?? درصد اورانیوم ??? باشد.

یکی از روشهای معمول غنی سازی استفاده از دستگاههای سانتریفوژ گاز است.

سانتریفوژ از اتاقکی سیلندری شکل تشکیل شده که با سرعت بسیار زیاد حول محور خود می چرخد. هنگامی که گاز هگزا فلوئورید اورانیوم به داخل این سیلندر دمیده شود نیروی گریز از مرکز ناشی از چرخش آن باعث میشود که مولکولهای سبکتری که حاوی اورانیوم ??? است در مرکز سیلندر متمرکز شوند و مولکولهای سنگینتری که حاوی اورانیوم ??? هستند در پایین سیلندر انباشته شوند.

اورانیوم ??? غنی شده ای که از این طریق بدست می آید سپس به داخل سانتریفوژ دیگری دمیده میشود تا درجه خلوص آن باز هم بالاتر رود. این عمل بارها و بارها توسط سانتریفوژهای متعددی که بطور سری به یکدیگر متصل میشوند تکرار میشود تا جایی که اورانیوم ??? با درصد خلوص مورد نیاز بدست آید.

آنچه که پس از جدا سازی اورانیوم ??? باقی میماند به نام اورانیوم خالی یا فقیر شده شناخته میشود که اساسا از اورانیوم ??? تشکیل یافته است. اورانیوم خالی فلز بسیار سنگینی است که اندکی خاصیت رادیو اکتیویته دارد و از آن برای ساخت گلوله های توپ ضد زره پوش و اجزای برخی جنگ افزار های دیگر از جمله منعکس کننده نوترونی در بمب اتمی استفاده میشود.

یک شیوه دیگر غنی سازی روشی موسوم به دیفیوژن یا روش انتشاری است.

دراین روش گاز هگزافلوئورید اورانیوم به داخل ستونهایی که جدار آنها از اجسام متخلخل تشکیل شده دمیده میشود. سوراخهای موجود در جسم متخلخل باید قدری از قطر مولکول هگزافلوئورید اورانیوم بزرگتر باشد.

در نتیجه این کار مولکولهای سبکتر حاوی اورانیوم ??? با سرعت بیشتری در این ستونها منتشر شده و تفکیک میشوند. این روش غنی سازی نیز باید مانند روش سانتریفوژ بارها و باره تکرار شود.

راکتور هسته ای
راکتور هسته ای وسیله ایست که در آن فرایند شکافت هسته ای بصورت کنترل شده انجام میگیرد. انرژی حرارتی بدست آمده از این طریق را می توان برای بخار کردن آب و به گردش درآوردن توربین های بخار ژنراتورهای الکتریکی مورد استفاده قرار داد.

اورانیوم غنی شده ، معمولا به صورت قرصهائی که سطح مقطعشان به اندازه یک سکه معمولی و ضخامتشان در حدود دو و نیم سانتیمتر است در راکتورها به مصرف میرسند. این قرصها روی هم قرار داده شده و میله هایی را تشکیل میدهند که به میله سوخت موسوم است. میله های سوخت سپس در بسته های چندتائی دسته بندی شده و تحت فشار و در محیطی عایقبندی شده نگهداری میشوند.

در بسیاری از نیروگاهها برای جلوگیری از گرم شدن بسته های سوخت در داخل راکتور، این بسته ها را داخل آب سرد فرو می برند. در نیروگاههای دیگر برای خنک نگه داشتن هسته راکتور ، یعنی جائی که فرایند شکافت هسته ای در آن رخ میدهد ، از فلز مایع (سدیم) یا گاز دی اکسید کربن استفاده می شود.

 
1- هسته راکتور
2-پمپ خنک کننده
3- میله های سوخت
4- مولد بخار
5- هدایت بخار به داخل توربین مولد برق

برای تولید انرژی گرمائی از طریق فرایند شکافت هسته ای ، اورانیومی که در هسته راکتور قرار داده میشود باید از جرم بحرانی بیشتر (فوق بحرانی) باشد. یعنی اورانیوم مورد استفاده باید به حدی غنی شده باشد که امکان آغاز یک واکنش زنجیره ای مداوم وجود داشته باشد.

برای تنظیم و کنترل فرایند شکافت هسته ای در یک راکتور از میله های کنترلی که معمولا از جنس کادمیوم است استفاده میشود. این میله ها با جذب نوترونهای آزاد در داخل راکتور از تسریع واکنشهای زنجیره ای جلوگیری میکند. زیرا با کاهش تعداد نوترونها ، تعداد واکنشهای زنجیره ای نیز کاهش میابد.

حدودا ??? نیروگاه هسته ای در سرتاسر جهان فعال هستند که تقریبا ?? درصد کل برق مصرفی در جهان را تامین میکنند. از جمله کاربردهای دیگر راکتورهای هسته ای، تولید نیروی محرکه لازم برای جابجایی ناوها و زیردریایی های اتمی است.

باز فراوری

برای بازیافت اورانیوم از سوخت هسته ای مصرف شده در راکتور از عملیات شیمیایی موسوم به بازفراوری استفاده میشود. در این عملیات، ابتدا پوسته فلزی میله های سوخت مصرف شده را جدا میسازند و سپس آنها را در داخل اسید نیتریک داغ حل میکنند. 
 در نتیجه این عملیات، ?% پلوتونیوم ، ?% مواد زائد به شدت رادیو اکتیو و ??% اورانیوم بدست می آید که دوباره میتوان آنرا در راکتور به مصرف رساند.

راکتورهای نظامی این کار را بطور بسیار موثرتری انجام میدهند. راکتور و تاسیسات باز فراوری مورد نیاز برای تولید پلوتونیوم را میتوان بطور پنهانی در داخل ساختمانهای معمولی جاسازی کرد. به همین دلیل، تولید پلوتونیوم به این طریق، برای هر کشوری که بخواهد بطور مخفیانه تسلیحات اتمی تولید کند گزینه جذابی خواهد بود.

بمب پلوتونیومی
استفاده از پلوتونیوم به جای اورانیوم در ساخت بمب اتمی مزایای بسیاری دارد. تنها چهار کیلوگرم پلوتونیوم برای ساخت بمب اتمی با قدرت انفجار ?? کیلو تن کافی است. در عین حال با تاسیسات بازفراوری نسبتا کوچکی میتوان چیزی حدود ?? کیلوگرم پلوتونیوم در سال تولید کرد.

 بمب پلوتونیومی
 
1- منبع یا مولد نوترونی
2- هسته پلوتونیومی
3- پوسته منعکس کننده (بریلیوم)
4- ماده منفجره پرقدرت
5- چاشنی انفجاری

کلاهک هسته ای شامل گوی پلوتونیومی است که اطراف آنرا پوسته ای موسوم به منعکس کننده نوترونی فرا گرفته است. این پوسته که معمولا از ترکیب بریلیوم و پلونیوم ساخته میشود، نوترونهای آزادی را که از فرایند شکافت هسته ای به بیرون میگریزند، به داخل این فرایند بازمی تاباند.

استفاده از منعکس کننده نوترونی عملا جرم بحرانی را کاهش میدهد و باعث میشود که برای ایجاد واکنش زنجیره ای مداوم به پلوتونیوم کمتری نیاز باشد.

برای کشور یا گروه تروریستی که بخواهد بمب اتمی بسازد، تولید پلوتونیوم با کمک راکتورهای هسته ای غیر نظامی از تهیه اورانیوم غنی شده آسانتر خواهد بود. کارشناسان معتقدند که دانش و فناوری لازم برای طراحی و ساخت یک بمب پلوتونیومی ابتدائی، از دانش و فنآوری که حمله کنندگان با گاز اعصاب به شبکه متروی توکیو در سال ???? در اختیار داشتند پیشرفته تر نیست.

چنین بمب پلوتونیومی میتواند با قدرتی معادل ??? تن تی ان تی منفجر شود، یعنی ?? مرتبه قویتر از قدرتمندترین بمبگزاری تروریستی که تا کنون در جهان رخ داده است.

بمب اورانیومی

هدف طراحان بمبهای اتمی ایجاد یک جرم فوق بحرانی ( از اورانیوم یا پلوتونیوم) است که بتواند طی یک واکنش زنجیره ای مداوم و کنترل نشده، مقادیر متنابهی انرژی حرارتی آزاد کند.

یکی از ساده ترین شیوه های ساخت بمب اتمی استفاده از طرحی موسوم به "تفنگی" است که در آن گلوله کوچکی از اورانیوم که از جرم بحرانی کمتر بوده به سمت جرم بزرگتری از اورانیوم شلیک میشود بگونه ای که در اثر برخورد این دو قطعه، جرم کلی فوق بحرانی شده و باعث آغاز واکنش زنجیره ای و انفجار هسته ای میشود.

کل این فرایند در کسر کوچکی از ثانیه رخ میدهد.

جهت تولید سوخت مورد نیاز بمب اتمی، هگزا فلوئورید اورانیوم غنی شده را ابتدا به اکسید اورانیوم و سپس به شمش فلزی اورانیوم تبدیل میکنند. انجام این کار از طریق فرایندهای شیمیائی و مهندسی نسبتا ساده ای امکان پذیر است.

قدرت انفجار یک بمب اتمی معمولی حداکثر ?? کیلو تن است، اما با کمک روش خاصی که متکی بر مهار خصوصیات جوش یا گداز هسته ای است میتوان قدرت بمب را افزایش داد.

در فرایند گداز هسته ای ، هسته های ایزوتوپهای هیدروژن به یکدیگر جوش خورده و هسته اتم هلیوم را ایجاد میکنند. این فرایند هنگامی رخ میدهد که هسته های اتمهای هیدروژن در معرض گرما و فشار شدید قرار بگیرند. انفجار بمب اتمی گرما و فشار شدید مورد نیاز برای آغاز این فرایند را فراهم میکند.

طی فرایند گداز هسته ای نوترونهای بیشتری رها میشوند که با تغذیه واکنش زنجیره ای، انفجار شدیدتری را بدنبال می آورند. اینگونه بمبهای اتمی تقویت شده به بمبهای هیدروژنی یا بمبهای اتمی حرارتی موسومند.

هنگامی که ستاره پر جرمی به شکل ابر نواختر منفجر می شود، شاید هسته اش سالم بماند. اگر هسته بین 4/1 تا 3 جرم خورشیدی باشد، جاذبه آن را فراتر از مرحله کوتوله سفید متراکم می کند تا این که پروتونها و الکترونها برای تشکیل نوترونها به یکدیگر فشرده شوند. این نوع شیء سماوی ستاره نوترونی نامیده می شود. وقتی که قطر ستاره ای 10 کیلومتر (6مایل) باشد، انقباضش متوقف می شود. برخی از ستارگان نوترونی در زمین به شکل تپنده شناسایی می شوند که با چرخش خود، 2 نوع اشعه منتشر می کنند.
 ستاره نوترونی
هنگامی که ستاره پر جرمی به شکل ابر نواختر منفجر می شود، شاید هسته اش سالم بماند. اگر هسته بین 4/1 تا 3 جرم خورشیدی باشد، جاذبه آن را فراتر از مرحله کوتوله سفید متراکم می کند تا این که پروتونها و الکترونها برای تشکیل نوترونها به یکدیگر فشرده شوند. این نوع شیء سماوی ستاره نوترونی نامیده می شود. وقتی که قطر ستاره ای 10 کیلومتر (6مایل) باشد، انقباضش متوقف می شود. برخی از ستارگان نوترونی در زمین به شکل تپنده شناسایی می شوند که با چرخش خود، 2 نوع اشعه منتشر می کنند.

برای این که تصور بهتری از یک ستاره نوترونی در ذهنتان بوجود بیاید.. می توانید فرض کنید که تمام جرم خورشید در مکانی به وسعت یک شهر جا داده شده است. یعنی می توان گفت یک قاشق از ستاره نوترونی یک میلیارد تن جرم دارد.

این ستارگان هنگام انفجار برخی از ابرنواخترها بوجود می آیند. پس از انفجار یک ابرنواختر ممکن است به خاطر فشار بسیار زیاد حاصل از رمبش مواد پخش شده ساختار اتمی همه ی عناصر شیمیایی شکسته شود و تنها اجزای بنیادی بر جای بمانند.

اکثر دانشمندان عقیده دارند که جاذبه و فشار بسیار زیاد باعث فشرده شدن پروتونها و الکترونها به درون یکدیگر می شوند که خود سبب به وجود آمدن توده های متراکم نوترونی خواهد شد. عده کمی نیز معتقدند که فشردگی پروتونها و الکترونها بسیار بیش از اینهاست و این باعث می شود که تنها کوارک ها باقی بمانند. و این ستاره کوارکی متشکل از کوارکهای بالا و پایین (Up & down quarks)و نوع دیگری از کوارک که از بقیه سنگین تر است خواهد بود که این کوارک تا کنون در هیچ ماده ای کشف نشده است.

از آنجا که اطلاعات در مورد ستارگان نوترونی اندک است در سالهای اخیر تحقیقات زیادی بر روی این دسته از ستارگان انجام شده است.

در اواخر سال 2002 میلادی.. یک تیم تحقیقاتی وابسته به ناسا به سرپرستی خانم J. Cotton مطالعاتی را در مورد یک ستاره نوترونی به همراه یک ستاره همدم به نام 0748676 EXOا نجام داد. این گروه برای مطالعه ی این ستاره دو تایی که در فاصله ی 30000 سال نوری از زمین قرار دارد.. از یک ماهواره مجهز به اشعه ایکس بهره برد.( این ماهواره متعلق به آزانس فضایی اروپاست و XMMX- ray Multi Mirror نیوتن نام دارد)

هدف این تحقیق تعیین ساختار ستاره نوترونی با استفاده از تأثیرات جاذبه ی زیاد ستاره بر روی نور بود.

با توجه به نظریه ی نسبیت عام نوری که از یک میدان جاذبه ی زیاد عبور کند.. مقداری از انرژی خود را از دست می دهد. این کاهش انرژی به صورت افزایش طول موج نور نمود پیدا می کنند. به این پدیده انتقال به قرمز می گویند.

این گروه برای اولین بار انتقال به قرمز نور گذرنده از اتمسفر بسیار بسیار نازک یک ستاره نوترونی را اندازه گیری کردند. جاذبه ی عظیم ستاره نوترونی باعث انتقال به قرمز نور می شود که میزان آن به مقدارجرم ستاره و شعاع آن بستگی دارد. تعیین مقادیر جرم و شعاع ستاره می تواند محققان را در یافتن فشار درونی ستاره یاری کند. با آگاهی از فشار درونی ستاره منجمان می توانند حدس بزنند که داخل ستاره نوترونی فقط متشکل از نوترونهاست یا ذرات ناشناخته ی دیگر را نیز شامل می شود.

این گروه تحقیقاتی پس از انجام مطالعات و آزمایشات خود دریافتند که این ستاره تنها باید از نوترون تشکیل شده باشد. و در حقیقت طبق مدلهای کوارکی ذره دیگری جز نوترون در آن وجود ندارد.

درحین این مطالعه و برای بررسی تغییرات طیف پرتوهای ایکس یک منبع پرقدرت اشعه ایکس لازم بود. انفجارهای هسته ای (Thermonuclear Blasts)که بر اثر جذب ستاره همدم توسط ستاره نوترونی ایجاد می شود.. همان منبع مورد نیاز برای تولید اشعه ی ایکس بود. (ستاره نوترونی به سبب جرم زیاد و به طبع آن.. جاذبه ی قوی.. مواد ستاره همدم را به سوی خود جذب می کرد.) طیف پرتوهای X تولید شده.. پس از عبور از جو بسیار کم ستاره نوترونی که از اتم های آهن فوق یونیزه شده تشکیل شده بود توسط ماهواره XMM-نیوتن مورد بررسی قرار گرفتند.

نکته ی قابل توجه این است که در آزمایشهای قبلی که توسط گروه دیگری انجام شده بود تحقیقات بر روی ستاره ای متمرکز بود که میدان مغناطیسی بزرگی داشت و چون میدان مغناطیسی نیز بر روی طیف نور تأثیر گذار است تشخیص اثر نیروی جاذبه ی ستاره بر روی طیف نور به طور دقیق امکان پذیر نبود. ولی ستاره موردنظر در پروژه بعدی (که آن را توضیح دادیم) دارای میدان مغناطیسی ضعیفی بود که اثر آن از اثر نیروی جاذبه قابل تشخیص بود.

تاریخچه
مورد جالب توجهی از واکنش زنجیری شکافت در طبیعت در معدن اکلو در گابون (واقع در قاره آفریقا) دیده شده است. در سال 1972 ، دانشمندان فرانسوی نمونه‌های معدن اورانیوم را آنالیز کردند. معمولا میزان ایزوتوپ 235U در کل فراوانی اورانیوم برابر 0.7202 درصد است. با وجود این در بعضی از نمونه‌های اکلو ، فراوانی 235U تنها 0.7171 درصد یافت شد. دانشمندان نظر دادند که شاید تهی شدن 235U در نتیجه راکتور شکافت فسیلی بوده که چند میلیون سال پیش عمل کرده است.
شکافت خود به خودی اورانیوم
سن صخره حاوی کانی اورانیوم حدود 1.74X109 سال تعیین شده بود. در صخره‌ای با این سن ، مقدار اولیه 235U تقریبا 3 درصد کل اورانیوم موجود بوده است (نیم عمر 235U برابر 7.04X108 سال است). این مقدار معادل غنای ایزوتوپی اورانیوم بکار رفته در یک راکتور قدرت پیشرفته است. برای رسیدن به جرم کافی جهت ادامه واکنش زنجیری لازم بود که کانی تقریبا معدن حاوی 20 درصد اورانیوم باشد. نمونه‌هایی در جرم اکلو پیدا شده‌اند که دارای 20 تا 60 درصد اورانیوم بوده‌اند.

شکافت خودبه خودی 235U یا نوترونهای اشعه کیهانی می‌توانست نوترونهای پرتابه لازم برای شروع شکافت القایی نوترون 235U را فراهم نماید. 235U احتمال بیشتری از 235U جهت شکافت القایی نوترون دارد. به همین دلیل است که ایزوتوپ 235U بوسیله دیفیوژن گاز یا فرآیندهای دیگر غنی سازی می‌گردد تا در راکتورهای هسته‌ای و بمبهای هسته‌ای قدیمی مورد استفاده قرار گیرد. شکافت 235U چندین نوترون اضافی برای ادامه یک واکنش هسته‌ای زنجیری از طریق القای بیش از یک فرآیند شکافت ثانویه به ازای هر فرآیند شکافت اولیه یا مادر نمود.
واکنشهای زنجیری و راکتورها
شرایط دیگری نیز باید برای انجام واکنش زنجیری موجود باشند. نوترونهایی که موجب شکافت می‌شوند باید تا حد انرژیهای حرارتی حدود انرژی مولکولهای گاز (در دمای اتاق معادل Emean ? 0.04 ev) کند شوند. در راکتورهای پیشرفته آب به عنوان کند کننده متداول برای کاهش انرژیهای نوترونهای شکافت بوسیله واکنشهای برخوردهای چندگانه با اتمهای هیدروژن آب بکار می‌رود. خاک اکلو از نوعی رس و حاوی 5% آب است. این مقدار تقریبا معادل نسبت اورانیوم به آبی است که در راکتورهای مدرن بکار می‌رود.

همچنین بعضی از عناصر دارای احتمال بالای جذب نوترون بوده و لذا واکنش زنجیری را متوقف می‌کنند. این عناصر مانند V به مقدار بسیار کمی در خاک اکلو یافت شدند. عناصر دیگر با احتمال بالای جذب نوترون مانند B ، Nb و Gd به مقدار فوق العاده ناچیز در اکلو وجود دارد. مقدار جزئی از این عناصر که در ابتدا در خاک بوده است، احتمالا در عملیات ابتدائی راکتور سوخته و از بین رفته است. در کنار تهی شدن 235U ، عدم حضور سمومی مانند V و وجود مقادیر جزئی B ، Nd و Gd شواهد آزمایشی دیگری هستند که نشان می‌دهند در اکلو یک راکتور هسته‌ای طبیعی عمل کرده است.
فراوانی عناصر و فرآیند شکافت
فراوانی بالای غیر عادی از ایزوتوپهای نوکلوئیدهایی که معمولا از فرآیندهای شکافت تولید می‌شوند، ملاحظه گردید. در میان اینها ایزوتوپهایی از گازهای به دام افتاده Kr ، Xe بودند که به مقدار زیاد از شکافت 235U بوجود آمده بودند. به دلیل انجام واکنشهای رادیولیز حاصل از اشعه گاما و حرارت ، ترکیبات آلی فرار در صخره‌های این ناحیه وجود نداشت.

صخره‌های محلی نشان دهنده علائمی بودند که نشان می‌داد به شدت حرارت دیده‌اند، ولی نشانی از آتشفشان وجود نداشت. بالاخره ، نسبتهای ایزوتوپی غیر معمولی برای عناصر خاص مانند Nd که دارای ایزوتوپهای با تواناییهای مختلف برای جذب نوترون می‌باشد، وجود داشت. این ایزوتوپها که دارای احتمال بالای جذب نوترون بوده و نسبت به دیگر ایزوتوپها تهی شده‌اند، نشان دهنده حضور یک شار بالای نوترون بودند.
شکافت طبیعی در مکانهای دیگر
منطقه اکلو مورد توجه دانشمندان محیط زیست بوده است، چرا که برای مسائل دفع پسماندهای رادیواکتیو دارای اهمیت خاصی است. مکانهای دیگر راکتورهای طبیعی شکافت در حال بررسی و جستجو هستند، اما در حال حاضر اکلو تنها راکتور هسته‌ای فسیلی شناخته شده می‌باشد.

زمانی که اطلاعات انسان در مورد دنیای ریز داخل اتم گسترش یافت و توانست انرژی هسته‌‌ای را بشناسد ، تحولی عمیق در زندگی او به وجود آمد. با وجود این منبع عظیم انرژی ، دیگر نگرانی در مورد تمام شدن ذخائر تجدید ناپذیر انرژی مانند نفت ، گاز طبیعی و زغال اندکی کمتر شد. تمام توجه‌ها به سمت گسترش فناوری لازم برای استفاده از انرژی هسته‌ای جلب شد. و به این ترتیب عصر جدیدی به نام عصر اتمی در زندگی بشر آغاز گردید.

تاریخچه

دقیقا در آخرین ثانیه شمارش معکوس ، در ساعت 5:30 دقیقه بامداد روز شنبه ، 16 ژوئیه سال 1945 ، انرژی از هسته اتم آزاد شد. تاریخ آغاز هیچ عصر جدیدی چنین دقیق به ثبت نرسیده است. آن انفجار بزرگ ، در پایگاه هوایی آلاموگوردو ، در 120 مایلی جنوب آلبوکوک ، نیومکزیکو ، سرآغازی تاریخی بود که از آن پس باید آغاز آینده بشریت تعیین می‌شد.

حیات بر روی زمین ، ناگهان و به نحوی غیر قابل برگشت تغییر یافته بود. آدمی به منبع انرژی جدید ، و به همراه آن به قدرتی دست یافته بود که تکامل انواع خود را بر روی کره زمین مخاطره آمیز کرده و سیاره زیبای خود را به باغ وحشی پرتوزا تبدیل می‌کرد.

آغاز عصر اتمی

در لحظه نخستین انفجار اتمی ، نور ملتهب سفید و شدیدی به وجود آمد. رابرت اوپنهایمر ، فیزیکدان آمریکایی و مغز متفکر در ساختن آن بمب ، 6/6 کیلومتر آن طرف‌تر ، در حالی که خود را به میله محکمی چسبانده بود ، منتظر شوک حاصل از انفجار بود. بعد از انفجار ، بلافاصله گوی آتشینی برخاست. و در پی آن ابری قارچی شکل ایجاد شد که تا ارتفاع 8/14 کیلومتر بلند شد و به داخل آرام سپهر راه یافت. برج فولادی که بمب بر روی آن نصب شده بود ، کاملا به بخار تبدیل شد و سطح بیابان پیرامون آن تا شعاع حدود 730 متری گداخته شده و به حالت شیشه‌ای درآمده بود.

این انفجار آزمونی محرمانه بود. اما در ششم اوت همان سال 1945 ، وقتی یک بمب اتمی معادل 20000 تن ماده انفجاری تی.ان.تی نیرومندترین ماده انفجاری شیمیایی ، بر شهر هیروشیمای ژاپن انداخته شد. خبرش نیز مانند خودش در سطح جهان پخش شد. انفجار این بمب بیشتر از 10 کیلومتر مربع از مرکز شهر را ویران کرد. تعداد بسیار زیادی از مردم این شهر کشته شدند وبیش از 67 درصد ساختمانهای شهر نابود شده یا به شدت آسیب دید.

در نهم اوت همان سال ، بمب دوم بر شهر ناگازاکی فرود آمد ، که در این بمباران نیز انسانهای بسیاری نابود شدند و حدود 40 درصد از ساختمانهای شهر در هم ریخت. بر این ویرانیها و کشتارها ، مصیبت دیگری ، یعنی تابش هم اضافه می‌شد. که نه تنها بر آنان که در معرض آن قرار می‌گرفتند تاثیر می‌گذاشت ، بلکه از طریق جهشهایی ژنتیکی می‌توانست نسلهای آینده را نیز متاثر کند. و به این ترتیب عصر اتمی آغاز شد.

نتایج ویرانگر عصر اتم

عصر اتم بدون هیچ گونه آمادگی و اخطاری شروع شد. زیرا طرح مانهاتان ، که متولی تولید بمب اتمی بود ، در پس دیوارهای سر به فلک کشیده اختفا و بازداری نظامی به مورد اجرا درآمده بود. مطالعات انجام شده توسط سازمان بهداشت جهانی ، وابسته به سازمان ملل ، نشان داد که نه تنها در کشورهای پیشرفته ، بلکه در میان مردم ساده تر سراسر جهان ، این ماجرا آثار عمیقی برجای گذاشته بود. یکی از وحشتناک‌ترین جنبه‌های بمب اتمی در میان مردم جهان ، آثار وخیم ناشی از تابش آن بود. آثاری که نامرئی ، بدون تاثیر بر چشایی ، نامحسوس ، بدون بو ، اما بسیار وسیع و گسترده بود.

سیر تحولی و رشد

بعد از جنگ جهانی دوم ، ایالات متحده آمریکا به آزمایشهای خود در مورد سلاحهای شکافت هسته‌ای در جزایر اقیانوس آرام و صحرای نوادا ادامه داد. انگلستان ، شوروی سابق ، فرانسه ، چین و هندوستان اقدام به تولید و آزمایش بمبهای هسته‌ای کردند. در اوایل سال 1950 ، مردم از وجود نوع دیگری بمب ، که به بمب هیدروژنی معروف شد ، باخبر گردیدند. بمب هیدروژنی با قدرتی معادل 5 تا 7 میلیون تن تی.ان.تی را در اقیانوس آرام آزمایش کرد. این انفجار جزیره‌ای را محو و به جای آن حفره‌ای به عمق 45 متر و قطری بیشتر از 105 کیلومتر ایجاد کرد.

در اول مارس 1952 ، ایالات متحده آمریکا یک بمب هیدروژنی با قدرت 12 تا 14 میلیون تن ، یعنی دو برابر نیروی انفجاری قبلی آزمایش کرد. علی رغم تصور‌هایی رسمی مبنی بر اینکه غبارهای رادیواکتیو (پس مانده‌های رادیواکتیو ناشی از بمب) منحصر به منطقه انفجار خواهد بود. خاکستر رادیو اکتیو یک قایق ماهیگیر ژاپنی را در فاصله حدود 96 کیلومتری مرکز انفجار ، پوشانید. 32 ماهیگیر تحت تاثیر این غبارها قرار گرفتند و یکی از آنها در گذشت.

اتحاد شوروی سابق در 12 اوت سال 1953 ، یک بمب هیدروژنی آزمایش کرد. انگلستان نخستین بمب خود را در جزیره کریسمس واقع در اقیانوس آرام در 17 می سال 1957 به مرحله آزمایش درآورد. به این ترتیب تولید و تکثیر سلاحهای ویرانگر اتمی به صورت مسابقه‌وار توسط کشورهای قدرتمند دنیا ادامه پیدا کرد. به طوری که در حال حاضر این کشورها از عظیم‌ترین ذراتخانه‌های اتمی بر خوردار هستند. جالب توجه است که خود این کشورها همواره بر منع تولید و تکثیر این سلاحهای مرگبار اصرار داشته و قوانین بسیار زیادی را در این زمینه وضع کرده‌اند. قوانینی که خود ، اولین نقض کنندگان این قوانین بودند.

مشخصه کودکانی که در عصر اتم به دنیا آمده‌اند

گاز کریپتون رادیو اکتیو حاصل از انفجار بمب هیدروژنی ، به استرانسیم رادیو اکتیو واپاشیده و وارد جو زمین می‌شود و از طریق جریانهای اقلیمی هوا در تمام نقاط جو زمین پخش می‌شود تا همراه باران در سراسر دنیا فرود آید. استرانسیم شبیه کلسیم است. در غیاب کلسیم می‌تواند نقش آن را بر عهده بگیرد. این عنصر می‌تواند به تشکیل استخوان کمک کند. بنابراین ، نوع رادیو اکتیو آن یک جوینده استخوان است ، وقتی به بدن موجود زنده وارد شود ، قابل شستشو و یا انتقال به بیرون نیست.

نیم عمر فعال آن 97 سال است. بنابراین در اثر آزمایش بمب هسته‌ای و سایر آزمایشها ، استرانسیم رادیو اکتیو به همه جا پخش شد و از طریق شیر و گیاهان آلوده به غبار رادیو اکتیو می‌تواند به بدن موجودات زنده و انسان وارد نشود. این ماجرا چنان جهانی بود که گفته شده است، هر کودکی که در خلال سالهای بعد از آزمایشهای مکرر بمب هسته‌ای در جو ، استخوانهایش در حال شکل گیری و نشو و نما بوده است، در این استخوانها نشانی از استرانسیم رادیو اکتیو مانده است. که هر چند لزوما جنبه معاینه بالینی ندارد ، اما مشخصه کودکان عصر اتم است.

 عناصر رادیواکتیو معمولا سه نوع ذره یا اشعه از خود صادر می‌کنند که شامل ذره آلفا ، ذره بتا و اشعه گاما است. با قرار دادن اشعه رادیواکتیو تحت تاثیر میدان مغناطیسی متوجه شده‌اند که ذره آلفا دارای بار مثبت ، بتا دارای بار منفی و اشعه گاما بدون بار است.

خواص ذره آلفا

جنس ذره آلفا ، هسته اتم هلیوم است که از دو نوترون و دو پروتون تشکیل یافته است. جرم آن حدود 4 برابر جرم پروتون و بار الکتریکی آن 2+ و علامت اختصاری آن (4,2)He است. برد ذره آلفا به عنصر مادر ، انرژی اولیه و جنس محیط بستگی دارد. مثلا برد ذره آلفا صادره از رادیوم در هوا تقریبا 4.8 سانتیمتر می‌باشد. ذره آلفا به علت داشتن 2 بار مثبت هنگامی که از نزدیکی یک اتم عبور می کند، ممکن است تحت تاثیر میدان الکتروستاتیکی خود ، الکترون مدار خارجی آن اتم را خارج سازد و یا به عبارت دیگر اتم را یونیزه کند. همچنین ذره آلفا قادر است محل الکترون را تغییر دهد، یعنی الکترون تحت تاثیر میدان الکتریکی ذره آلفا از مدار پایین تری به مدار بالاتر صعود می‌کند و در نتیجه اتم به حالت برانگیخته در می‌آید. قابلیت نفوذ ذره آلفا بسیار کم است.

خواص ذره بتا

جنس ذره بتای منفی ، از جنس الکترون می‌باشد، بار الکتریکی آن 1- و علامت آن بتای منفی است. برد ذره بتا در هوا در حدود چند سانتیمتر تا حدود یک متر است. البته برد این ذره نیز به انرژی اولیه (عنصر مادر) و جنس محیط بستگی دارد. برخلاف ذره آلفا ، ذره بتا از نظر حفاظت یک خطر خارجی محسوب می‌شود. خاصیت یون سازی این ذره به مراتب کمتر از ذره آلفا است، یعنی بطور متوسط در حدود 100 مرتبه کمتر از ذره آلفا می‌باشد. ذره بتا می‌تواند در اتمها ایجاد برانگیختگی کند، ولی این خاصیت نیز در ذره بتا، به مراتب کمتر از ذره آلفا است. قدرت نفوذ ذره بتا بطور متوسط 100 برابر بیشتر از ذره آلفا است. طیف ذره بتا تک انرژی نیست، بلکه یک طیف پیوسته است که تمام مقادیر انرژی از 0 تا انرژی ماکزیمم را دارا می‌باشد. این ذره همان پوزتیرون است که ضد ماده الکترون می‌باشد. جرم آن با جرم الکترون برابر بوده و دارای باری مخالف با بار الکترون است و علامت اختصاری آن حرف بتای مثبت است.

خواص اشعه گاما

جنس اشعه گاما از جنس امواج الکترومغناطیسی می‌باشد، یعنی از جنس نور است. ولی با طول موج بسیار کوتاه که طول موج آن از 1 تا 0.01 آنگستروم تغییر می‌کند. جرم آن در مقیاس اتمی صفر ، سرعت آن برابر سرعت نور ، بار الکتریکی آن صفر و علامت اختصاری آن حرف گاما می‌باشد. انرژی اشعه گاما از 10 کیلو الکترون ولت تا 10 مگا الکترون ولت تغییر می‌کند. برد آنها بسیار زیاد است. مثلا در هوا چندین متر است. خاصیت ایجاد یونیزاسیون و برانگیختگی در اشعه گاما نیز وجود دارد. ولی به مراتب کمتر از ذرات آلفا و بتا است. مثلا اگر قدرت یونیزاسیون متوسط اشعه گاما را یک فرض کنیم، قدرت یونیزاسیون متوسط ذره بتا 100 و ذره آلفا 104 خواهد بود. قدرت نفوذ این اشعه به مراتب بیشتر از ذرات بتا و آلفا است. طیف انرژی اشعه گاما ، همانند ذرات آلفا تک انرژی است. یعنی تمام فوتونهای گامای حاصل از یک عنصر رادیواکتیو دارای انرژی یکسانی هستند.