...::: انرژی هسته ای :::...

همانگونه که پیش از این به این مطلب اشاره شد،شکافت هسته ای یکی از روش های تولید انرژی هسته ای است.

شکافت هسته ای یعنی تبدیل اتم های سنگین به اتم های کوچکتر که همواره با آزادنمودن مقدار زیادی انرژی همراه خواهد بود.

در تمام اتم ها به جز هیدروژن(با جرم اتمیِ یک، که در هسته فقط یک پروتون دارد) جرم واقعی یک اتم از جرم مجموع پروتون، نوترون و الکترون های آن بیشتر است که این اختلاف جرم را به انرژی اتصال نسبت می دهند که به سادگی قابل محاسبه می باشد.

در حقیقت در بحث شکافت هسته یک اتم به اتم های کوچکتر انرژی اتصال به عنوان یک موضوع مهم در نظر گرفته می شود.

شکافت های هسته ای اغلب با تحریک اتم با یک عامل بیرونی انجام می گیرد؛ مثلاً برای شکافتن اتم عناصر رادیواکتیو معمولاً از نوترون استفاده می شود یعنی نوترون با سرعت خیلی زیاد به هسته رادیو اکتیو برخورد نموده و باعث واپاشی هسته و یا شکافت آن می گردد.

شکافت هسته به عنوان مبنای کاری بشر در استفاده از انرژی هسته ای چه در رآکتورها و چه دربمب اتم مورد استفاده قرار می گیرد.

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.

کندکننده ها
نوترونهای گرمایی که در واقع نوترونهای کند می‌باشند احتمال بیشتری برای شکافتنU - 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 نوترونها دارد. متأسفانه، سرعتی که در آن احتمال انجام واکنش های غیر شکافت بیشترین مقدار است بین سرعت متوسط نوترونهای آزاد شده از فرآیند شکافت و سرعتی لازم برای انجام شکافت می‌باشد.
چند سال قبل از شکافت برای کند کردن نوترونها آنها را از مواد با وزن اتمی کم مثل مواد هیدروژنی عبور می‌دادند. فرآیند کند کردن نوترونها یک برخورد الاستیک ساده بین ذرات بسیار پر سرعت و ذراتی است که عملاً در حالت سکونند می‌باشد. هر چه جرم ذره برخورد کننده با نوترون کمتر باشد، نوترونها انرژی جنبشی بیشتری از دست می‌دهند. بنابراین عناصر سبک کند کننده های بهتری هستند. می‌توان گفت که خصوصیت مهم یک کند کننده خوب این است که وزن اتمی کمی داشته باشد در ضمن تمایل کمی برای جذب نوترون داشته باشد یا بهتر از آن اصلاً تمایلی برای جذب نوترون نداشته باشد. لیتیوم و برن خصوصیت دوم را ندارند. استفاده از هلیوم نیز دشوار است چون اولاً گاز است و ثانیاً ترکیبات پایداری هم ندارد. پس بهترین گزینه برای کند کننده بین هیدورژن، دوتریوم، بریلیوم و کربن می‌باشد. انریکوفرمی و Leo szilard

برای اولین بار، استفاده از گرافیت را به عنوان کند کننده در واکنش های زنجیره ای پیشنهاد دادند.

 مسئله دیگری که شکافت هسته ای را پیچیده تر می‌کند این است که اورانیوم طبیعی از ۳ ایزوتوپ U-234 به میزان 600/0 % ، ایزوتوپ U-235 به میزان 7/0 % و ایزوتوپ U-238 به میزان  3/99 % تشکیل شده است.

همینطور که قبلاً توضیح دادیم احتمال وقوع شکافت برای ایزوتوپ های مختلف و هم چنین نوترونهای با انرژی های متفاوت به یک میزان نیست. نوترونهای با انرژی های متوسط ( در حدود چند الکترون ولت ) با احتمال زیادی جذب U-238 می شوند و U-239 تشکیل می‌شود اما این فرآیند منجر به شکافت نمی شود. احتمال قابل توجهی نیز برای برخورد غیر الاستیک نوترونهای پر انرژی با U-238 وجود دارد اما در یک برخورد غیر الاستیک هیچ نوترونی جذب نمی شود.

بنابراین وجودU -238 هم باعث کاهش سرعت نوترونهای پر انرژی می‌شود و هم جذب نوترونهای با سرعت متوسط را تحت تأثیر قرار می‌دهد. اگر چه در مورد U-235 هم احتمال جذب نوترون بدون انجام شکافت هسته ای وجود دارد با این حال مشاهده شده که اگر U-238 را از  U-235 جداکنیم تعداد واکنش های جذب نوترون بدون شکافت کاهش یافته و در نتیجه واکنش زنجیره ای آغاز می‌شود. در واقع ممکن است که احتمال شکافت U-235 با نوترونهای پر انرژی، در غیاب U-238 ، آنقدر زیاد باشد که دیگری نیازی به یک کند کننده نباشد. متأسفانه در هر 140 واحد اورانیوم طبیعی فقط 1 واحد اورانیوم U-235 وجود دارد. از آنجایی که یکی از روشهای جداسازی ایزوتوپ‌ها استفاده از تفاوت جرم آنها است. جرم بسیار کم بین U-238 و U-235 جداسازی این دو ایزوتوپ را بسیار مشکل کرده است.