شکافت هسته‌ای چیست و چه کاربردی دارد؟

شکافت هسته‌ای یا واپاشی هسته‌‌ای فرآیندی انرژی‌زا است که یکی از منابع بزرگ انرژی به حساب می‌آید البته از آن برای ساخت بمب هسته‌‌ای نیز استفاده می‌شود.

شکافت هسته‌‌ای (Nuclear fission) فرآیند تقسیم شدن هسته‌های اتم (معمولا هسته‌های بزرگ) است. هنگامی که هسته‌های بزرگ مانند اورانیوم ۲۳۵ تقسیم می‌شوند، انرژی آزاد می‌شود. در این فرآیند چنان انرژی زیادی آزاد می‌شود که از لحاظ جرم و انرژی، کاهش قابل توجهی در جرم هسته بوجود می‌آید، این بدان معنی است که بخشی از جرم به انرژی تبدیل می‌شود. مقدار جرمی که در فرآیند شکافت از دست می‌رود، برابر با ^۱۰-۱۱ × ۳٫۲۰ ژول است.

فرآیند شکافت هسته‌‌ای یا واپاشی به طور کلی هنگامی رخ می‌دهد که یک هسته بزرگ نسبتاً ناپایدار توسط نوترون کم انرژی مورد اصابت قرار گیرد (هسته ناپایدار به معنی عدم تعادل در سطوحی از هسته بین نیروی کولومب و نیروی هسته قوی بین پرتون‌‌ها و نوترون‌ها است). در این فرآیند هنگام تقسیم هسته علاوه بر هسته‌های کوچک‌تر ایجاد شده نوترون نیز آزاد می‌شود.

همانگونه که در تصویر زیر مشاهده می‌شود، هنگامی که یک اتم اورانیوم-۲۳۵ بوسیله یک نوترون مورد اصابت قرار گیرد یک اتم اورانیوم-۲۳۶ تشکیل می‌شود که بسیار ناپایدار است. در نتیجه این اتم به دو اتم باریم-۱۴۱ و کریپتون-۹۲، ۳ نوترون اضافی و انرژی تبدیل می‌شود. این ۳ نوترون اضافی در ادامه به ۳ اتم اورانیوم-۲۳۵ برخورد نموده و به این ترتیب زنجیره‌ای از فرآیند شکافت هسته‌ای به همراه میزان زیادی انرژی شکل می‌گیرد.

نظریه شکافت هسته‌ای 

اولین بار انریکو فرمی (Enrico Fermi) فیزیکدان آمریکایی در سال ۱۹۳۴ هسته‌های اورانیوم را تقسیم کرد. او معتقد بود که با بمباران اورانیوم توسط نوترون عناصر خاصی می‌توانند تولید شوند. اگرچه او انتظار داشت که هسته‌های جدید عدد اتمی بزرگی همانند اورانیم اولیه داشته باشند اما دریافت که هسته‌های تشکیل شده از ایزوتوپ‌های عناصر سبک‌تر هستند.

بیشتر بخوانید: پای فیل چرنوبیل، یکی از کشنده ترین سازه های جهان

انرژی تولید شده در شکافت هستهای از کجا میآید 

پرتونها در هسته به علت دارا بودن بار الکتریکی مثبت توسط نیروی کولومب همدیگر را دفع می‌کنند اما نیروی قدرتمند هسته (یکی از نیروهای بنیادی طبیعت که بین پروتون‌ها و نوترون‌ها وجود دارد) آنها را در کنار هم نگه می‌دارد، در نتیجه هنگام شکافتن هسته این نیرو به صورت انرژی آزاد می‌شود. هر پروتون، پروتون دیگر را با نیروی حدود ۲۰ نیوتن دفع می‌کند این نیرو، نیروی فوق العاده بزرگی برای ذره‌ای به کوچکی پروتون است. این نیروی بزرگ در یک فاصله کوچک منجر به آزاد شدن مقدار زیادی انرژی می‌شود. انرژی آزاد شده به اندازه‌ای زیاد است که باعث کاهش قابل توجه در جرم می‌شود. این بدان معنی است که جرم کل آزاد شده هنگام شکافت از جرم اولیه تشکیل دهنده هسته کمتر است. این جرم از دست رفته با نام نقص جرم (Mass Defect) شناخته می‌شود.^[۱]

در اینجا مناسب است که در مورد مقدار انرژی که هسته را بهم پیوند می‌دهد توضیحاتی ارائه شود. تمام هسته‌ها دارای انرژی بستگی هسته (Binding Energy) هستند البته به جز هیدروژن که فقط ۱ پروتون داشته و نوترون ندارد. انرژی بستگی هسته به ازای هر نوکلئون وجود دارد و انرژی بستگی هسته به ازای هر نوکلئون نامیده می‌شود. این که اساساً چه مقدار انرژی به ازای هر نوکلئون برای تقسیم یک هسته مورد نیاز است، مطرح می‌شود.

محصولات شکافت هسته‌ای برخلاف اتم اولیه، بسیار پایدار هستند در نتیجه شکافتن آنها دشوار است. از آنجایی که انرژی بستگی هسته به ازای هر نوکلئون حاصل از شکافت هسته‌ای بسیار زیاد است، از اینرو جرم کلی آنها کم است. در نتیجه این انرژی زیاد بستگی هسته و جرم پایین، انرژی تولید می‌شود.

بیشتر بخوانید: تابش چرنکوف چیست؟ چرا نور رآکتور اتمی آبی است؟

کاربرد انرژی تولید شده در شکافت هسته‌ای 

شکافت عناصر سنگین یک واکنش گرماده است. شکافت هسته‌ای می تواند تا ۲۰۰ میلیون الکترون-ولت (eV) انرژی تولید کند، این رقم مقدار بسیار بزرگی است زیرا سوزاندن زغال سنگ تنها چند الکترون ولت انرژی تولید می‌کند. به همین علت است که از این فرآیند در تولید برق استفاده می‌شود. به علاوه این مقدار انرژی تولید شده بسیار کارآمدتر نسبت به جرم مشابه از زغال سنگ است.

علت اصلی که شکافت هسته‌ای برای تولید برق مورد استفاده قرار می‌گیرد به این دلیل است که با استفاده مناسب از میله‌های کنترل (Control Rods)، نوترون آزاد شده از واپاشی می‌تواند دوباره با سوخت واکنش انجام داده و انرژی تولید کند (میله‌‌های کنترل در رآکتورهای هسته‌‌ای برای کنترل میزان تجزیه اورانیوم یا پلوتونیوم استفاده می‌‌شوند و ترکیب آنها شامل عناصر شیمیایی نظیر بور، کادمیوم، نقره و یا ایندیوم است، این عناصر با جذب نوترون سرعت واکنش را کنترل می‌کنند). سپس زنجیره‌ای از واکنش‌های هسته‌ای پایدار انجام شده و مقدار نسبتاً مداوم انرژی آزاد می‌شود. یکی از نقاط ضعف استفاده از شکافت هسته‌ای برای تولید برق تولید ایزوتوپ‌های مصنوعی نظیر ید-۱۳۱، مولیبدن-۹۹، زنون-۱۳۳ و سزیم-۱۳۷ در رآکتور است. 

هنگامی که از شکافت هسته‌‌ای برای تولید برق استفاده شود، از آن به عنوان انرژی هسته‌ای نام برده می‌شود. در این مورد از اورانیوم-۲۳۵ استفاده می‌شود، البته از عناصر سنگین ناپایدار دیگر نظیر پلوتونیوم-۲۳۹، اورانیوم-۲۳۳ و توریوم-۲۳۲ نیز می‌توان استفاده کرد. لازم به ذکر است که برای عناصر سبک‌تر از آهن در جدول تناوبی همجوشی هسته‌ای به جای شکافت هسته‌ای انرژی تولید می‌کند.

بیشتر بخوانید: فاجعه اتمی چرنوبیل، یکی از بزرگترین فجایع زیست محیطی