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 ديگر آزاد مي كند كه هر يك موجب شكافت يك هسته ي اورانيوم ديگر مي شوند واين واكنش زنجيره اي مرتب ادامه پيدا ميكند .

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

لیزر نوا در آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور در تحقیقات 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

 

آب سنگین آبی است که نسبت ایزوتوپ دوتریوم در آن از حد آب معمولی بیشتر است. در آب سنگین (با فرمول D۲O) بر خلاف آب معمولی (با فرمول H۲O) به جای هیدروژن ایزوتوپ هیدروژن دوتریم(بافرمول اتمی ۲H )با اکسیژن ترکیب شده‌است.با کمک ین نوع از آب می‌توان پلوتونیوم لازم بری سلاح هی اتمی را بدون نیاز به غنی سازی بالی اورانیوم تهیه کرد. از کاربردهی دیگر ین آب می‌توان به استفاده از آن در رآکتورهی هستهٔ با سوخت اورانیوم، بعنوان متعادل کننده (Moderator) به جی گرافیت و نیز عامل انتقال گرمی رآکتور نام برد.

آب سنگین واژهٔ است که معمولا به اکسید هیدروژن سنگین، D۲O یا ۲H۲O اطلاق می‌شود. هیدروژن سنگین یا دوتریوم (Deuterium) یزوتوپی پیدار از هیدروژن است که به نسبت یک به ۶۴۰۰ از اتمهی هیدروژن در طبیعت وجود دارد. خواص فیزیکی و شیمییی آن به نوعی مشابه با آب سبک H۲O است.


تاریخچه
والتر راسل در سال ۱۹۲۶ با استفاده از جدول تناوبی «مارپیچ» وجود دو تریم را پیش بینی کرد.
هارولد یوری شیمیدان و از پیشتازان فعالیت روی ایزوتوپها که در سال ۱۹۳۴ جایزه نوبل در شیمی گرفت در سال ۱۹۳۱ ایزوتوپ هیدروژن سنگین را که بعدها به منظور افزایش غلظت آب مورد استفاده قرار گرفت، کشف کرد.
همچنین در سال ۱۹۳۳، گیلبرت نیوتن لوئیس (Gilbert Newton Lewis شیمیدان و فیزیکدان مشهور آمریکایی) استاد هارولد یوری توانست برای اولین بار نمونه آب سنگین خالص را به‌وسیله عمل الکترولیز بوجود آورد.
اولین کاربرد علمی از آب سنگین در سال در سال ۱۹۳۴ توسط دو بیولوژیست بنامهای هوسی (Hevesy) و هافر(Hoffer) صورت گرفت. آنها از آب سنگین برای آزمایش ردیابی بیولوژیکی، به منظور تخمین میزان بازدهی آب در بدن انسان، استفاده قرار دادند.
روش تهیه آب سنگین
در طبیعت از هر ۳۲۰۰ مولکول آب یکی آب نیمه سنگین HDO است. آب نیمه سنگین را می‌توان با استفاده از روش‌هایی مانند تقطیر یا الکترولیز یا دیگر فرآیندهای شیمیایی از آب معمولی تهیه کرد. هنگامی که مقدار HDO در آب زیاد شد، میزان آب سنگین نیز بیشتر می‌شود زیرا مولکول‌های آب هیدروژن‌های خود را با یکدیگر عوض می‌کنند و احتمال دارد که از دو مولکول HDO یک مولکول H۲O آب معمولی و یک مولکول D۲O آب سنگین به وجود آید. برای تولید آب سنگین خالص با استفاده از روش‌های تقطیر یا الکترولیز به دستگاه‌های پیچیده تقطیر و الکترولیز و همچنین مقدار زیادی انرژی نیاز است، به همین دلیل بیشتر از روش‌های شیمیایی برای تهیه آب سنگین استفاده می‌کنند.
کند کننده نوترون
آب سنگین در بعضی از انواع رآکتورهای هسته‌ای نیز به عنوان کند کننده نوترون به کار می‌رود. نوترون‌های کند می‌توانند با اورانیوم واکنش بدهند.از آب سبک یا آب معمولی هم می‌توان به عنوان کند کننده استفاده کرد، اما از آنجایی که آب سبک نوترون‌های حرارتی را هم جذب می‌کنند، رآکتورهای آب سبک باید اورانیوم غنی شده اورانیوم با خلوص زیاد استفاده کنند، اما رآکتور آب سنگین می‌تواند از اورانیوم معمولی یا غنی نشده هم استفاده کند، به همین دلیل تولید آب سنگین به بحث‌های مربوط به جلوگیری از توسعه سلاح‌های هسته‌ای مربوط است. رآکتورهای تولید آب سنگین را می‌توان به گونه‌ای ساخت که بدون نیاز به تجهیزات غنی سازی، اورانیوم را به پلوتونیوم قابل استفاده در بمب اتمی تبدیل کند. البته برای استفاده از اورانیوم معمولی در بمب اتمی می‌توان از روش‌های دیگری هم استفاده کرد. کشورهای هند، اسرائیل، پاکستان، کره شمالی، روسیه و آمریکا از رآکتورهای تولید آب سنگین برای تولید بمب اتمی استفاده کردند.با توجه به امکان استفاده از آب سنگین در ساخت سلاح هسته‌ای، در بسیاری از کشورها دولت تولید یا خرید و فروش مقدار زیاد این ماده را کنترل می‌کند. اما در کشورهایی مثل آمریکا و کانادا می‌توان مقدار غیر صنعتی یعنی در حد گرم و کیلوگرم را بدون هیچ گونه مجوز خاصی از تولید کنندگان یا عرضه کنندگان مواد شیمیایی تهیه کرد. هم اکنون قیمت هر کیلوگرم آب سنگین با خلوص ۹۸۹۹درصد حدود ۶۰۰ تا ۷۰۰ دلار است. گفتنی است بدون استفاده از اورانیوم غنی شده و آب سنگین هم می‌توان رآکتور تولید پلوتونیوم ساخت. کافی است که از کربن فوق العاده خالص به عنوان کند کننده استفاده شود از آنجایی که نازی‌ها از کربن ناخالص استفاده می‌کردند، متوجه این نکته نشدند در حقیقت از اولین رآکتور اتمی آزمایشی آمریکا سال ۱۹۴۲ و پروژه منهتن که پلوتونیوم آزمایش ترینیتی و بمب مشهور «Fat man» را ساخت، از اورانیوم غنی شده یا آب سنگین استفاده نمی‌شد.
آشکار سازی نوترینو
رصد خانه نوترینوی سادبری در انتاریوی کانادا از هزار تن آب سنگین استفاده می‌کند. آشکار ساز نوترینو در اعماق زمین و در دل یک معدن قدیمی کار گذاشته شده تا مئون‌های پرتوهای کیهانی به آن نرسد. هدف اصلی این رصدخانه یافتن پاسخ این پرسش است که آیا نوترینوهای الکترون که از همجوشی در خورشید تولید می‌شوند، در مسیر رسیدن به زمین به دیگر انواع نوترینوها تبدیل می‌شوند یا خیر. وجود آب سنگین در این آزمایش‌ها ضروری است، زیرا دوتریم مورد نیاز برای آشکارسازی انواع نوترینوها را فراهم می‌کند. آزمون‌های سوخت و ساز در بدن از مخلوط آب سنگین با ۱۸O H۲ آبی که اکسیژن آن ایزوتوپ ۱۸O است نه ۱۶O برای انجام آزمایش اندازه گیری سرعت سوخت و ساز بدن انسان و حیوانات استفاده می‌شود. این آزمون سوخت و ساز را معمولا آزمون آب دوبار نشان دار شده می‌نامند.
آب نیمه سنگین
چنانچه در اکسید هیدروژن تنها یکی از اتمهی هیدروژن به یزوتوپ دوتریوم تبدیل شود نتیجه حاصله (HDO) را آب نیمه سنگین می‌گویند. در مواردی که ترکیب مساوی از هیدروژن و دوتریوم در تشکیل مولکوهی آب حضور داشته باشند، آب نیمه سنگین تهیه می‌شود. دلیل ین امر تبدیل سریع اتم هی هیدروژن و دوتریوم بین مولکولهی آب است، مولکول آبی که از ۵۰ درصد هیدروژن معمولی (H) و ۵۰ درصد هیدروژن سنگین(D) تشکیل شده‌است، در موازنه شیمییی در حدود ۵۰ درصد HDO و ۲۵ درصد آب (H۲O) و ۲۵ درصد D۲O خواهد داشت.
نکته قابل توجه آن است که آب سنگین را نبید با با آب سخت که اغلب شامل املاح زیاد است و یا یا آب تریتیوم (T۲O or ۳H۲O) که از یزوتوپ دیگر هیدروژن تشکیل شده‌است، اشتباه گرفت. تریتیوم یزوتوپ دیگری از هیدروژن است که خاصیت رادیواکتیو دارد و بیشتر بری ساخت موادی که از خود نور منتشر می‌کنند بکار برده می‌شود.

آب با اکسیژن سنگین
آب با اکسیژن سنگین، در حالت معمول H۲۱۸O است که به صورت تجارتی در دسترس است ببیشتر بری ردیابی بکار برده می‌شود. بعنوان مثال با جیگزین کردن ین آب (از طریق نوشیدن یا تزریق) در یکی از عضوهی بدن می‌توان در طول زمان میزان تغییر در مقدار آب ین عضو را بررسی کرد.

این نوع از آب به ندرت حاوی دوتریوم است و به همین علت خواص شیمیی و بیولوژیکی خاصی ندارد بری همین به آن آب سنگین گفته نمی‌شود. ممکن است اکسیژن در آنها بصورت یزوتوپهی O۱۷ نیز موجود باشد، در هر صورت تفاوت فیزیکی ین آب با آب معمولی تنها چگالی بیشتر آن است.