جایزه بزرگ :: فیزیک و انرژی

جایزه بزرگ

يكشنبه, ۱۷ آبان ۱۳۹۴، ۱۱:۱۴ ب.ظ

پرسش بزرگ با جایزه بزرگ

پاسخ درست و علمی این پرسش را برایم بفرستید و منتظر دریافت یک جایزه خوب باشید!

اگر خاطرتان باشد، در بحث پیشین به انواع واکنش های زنجیری اشاره داشته و مختصراً توضیح دادیم. اما اگر دقت کرده باشید یک تفاوت بسیار بزرگ بین واکنش زنجیری در عمل شکافت هسته با سایر واکنش های زنجیری در قلمرو واکنش های شیمیائی وجود دارد. این تفاوت در خصوص جرم بحرانی است، یعنی کوچکترین توده ماده که واکنش زنجیری خود کفا (self sustained chain reaction)در آن امکانپذیر میباشد. با اینکه در مورد واکنش های شیمیائی صحبتی از جرم بحرانی نیست، لیکن برای شکافت هسته ای با نوترون قائل به جرم بحرانی هستیم. مثلاً باروت سر چوب کبریت را هرچقدر هم ریزتر کنیم باز همچنان واکنش زنجیری خود کفا صورت میگیرد در حالیکه برای توده ای که واکنش زنجیری خود کفای هسته ای باید در آن صورت گیرد اینطور نیست!

پرسش بزرگ: چرا برای واکنش شکافت هسته ای محدودیت جرم بحرانی وجود دارد؟!

۰ ۰
۹۴/۰۸/۱۷

مرتضی قریب

۱۸ آبان ۹۴ ، ۰۱:۵۶

یاشا

هرچند در هر رویداد شکافتِ حرارتیِ اورانیوم 235 به طور میانگین تعداد 2.43 نوترون تولید می شود اما همه این نوترونها لزوما در ادامه فراروند واکنش شکافت شرکت نمی کنند. احتمالاتی همچون احتمال عدم نشت سریع (fast non-leakage probability)، احتمال فرار از ناحیه رزونانس/بازآوایی (resonance escape probability)، احتمال عدم نشت حرارتی (thermal non-leakage probability)، احتمال عدم جذب پرتوزا (متمم سیگمای کپچرینگ بخش بر سیگمای جذب)، احتمال شکافت (سیگمای شکافت بخش بر سیگمای جذب) همچون ضرایبی هستند که نقش نوترونهای تولید شده قبلی در رویداد شکافت بعدی را احتمالاتی می کنند و بنابراین چنانچه با توجه به معادله پایستگی نوترون نرخ دسترفت (loss) نوترونها از نرخ تولید آنها کمتر از حد معینی باشد واکنش شکافت از ادامه باز می ماند و به همین ترتیب چنانچه نرخ تولید از نرخ دسترفت نوترونها بیشتر از حد مجاز شود، همانا با بمب هسته ای و در پی آن با انفجار روبرو می شویم (مفهوم ضریب تکثیر در دل این توضیح مستتر است).
باری، این چنین است که برای پایدار نگاه داشتن واکنش زنجیری شکافت پای مفهوم جرم بحرانی به میان کشیده می شود!

۱۹ آبان ۹۴ ، ۲۱:۳۵

علی

از انجا که جرم بحرانی برای یک واکنش خود کفا به ویژگی های اتمی ان ماده شکافان از جمله چگالی /شکل/ میزان خلوص و غنی سازی و با توجه به این موارد واز همه مهمتر سطح مقطع جذب ان ماده شکافان بستگی دارد بنابراین پایین بودن میزان جرم از یک حد مشخص باعت می شود که پدیده ی شکافت یه صورت ایده ال یعنی ایجاد بیش از یک نوترون پس از شکافت صورت نگیرد یا به عبارتی می توان گفت که میزان کافی مواد شکافان برا یرسیدن به سطح جرم بحرانی نداریم پس سطح مقطع جذب ماده شکافان بای نوترون های ما کم خواهد بوده و نوترون های ما می توانند از سطح ماده بگریزند که این ها خود بیان کننده وجود حداقل جرم مشخص برای یک واکنش زنجیره ای خودکفا است(البته با توجه به این که ماده در چه شرایط محیطی وجود دارد).

به عنوان نمونه جرم بحرانی رسیدن به واکنش خودکفا برای U-235 برار 52kg در حالت کره ی یکنواخت است که این میزان به عنوان نمونه با استفاده از یک کندکننده یا بازتابنده نوترون در اطراف ماده شکافان قابل کاهش به میزان حدودا 15kgمی باشد که این خود بیان کننده افزایش ضریب تکیر نوترونها است یا می توان گفت سطح مقطع جذب افزایش یافته که با ابن میزان کم تر می توان دوباره به یک واکنش خودکفا رسیدکه این خود بیان کننده ی اهمیت جرم بحرانی است.

خدانگهدار.

۱۹ آبان ۹۴ ، ۲۲:۰۷

ببخشید استاد منظور از سطح مقطع, سطح مقطع شکافت ماده بود بود نه سطح مقطع جذب اشتباه تایپ کردم.

۲۱ آبان ۹۴ ، ۱۲:۳۲

از آنجایی که در هر واکنش هسته ای 2 یا 3 نوترون تولید می شود اما تمام این نوترون ها نمی توانند ادامه واکنش زنجیره ای را ممکن بسازند. اگر شرایط طوری باشه که نوترون ها سرعت بیشتری از سرعتی که تشکیل شده اند داشته باشند واکنش زنجیره ای اتفاق نمی افتد. زمانی که واکنش زنجیره ای بتواند به خودی خود رخ دهد در این نهقطه گفته می شود که جرم بحرانی داریم. جرم بحرانی به ضریب تکثیر نوترون های موثر بستگی دارد و همچنین جرم بحرانی مواد شکافان به عوامل مختلفی بستگی داره شکل ماده، ترکیب اونه و چگالی.

۲۱ آبان ۹۴ ، ۲۰:۰۰

اگر 100kg اورانیوم طبیعی داشته باشیم و آن را تنها دو نیم کنیم (ریز-ریز پبشکش!) در اینصورت مقدار اورانیوم 235 که در جرم اولیه 0.7kg بوده است، در هر پاره ها 0.35kg می شود. به همین ترتیب اگر آن را به 2 به توان n پاره ریز کنیم، نسبت ایزوتوپ دلخواه ما (برای شکافت حرارتی) با سرعت نمایی (با شروع از جمله اول 0.7) سریعاً به صفر می گراید و بنابراین ایزوتوپ 235 برای انجام واکنش شکافت حرارتی خیلی زودتر از آنکه مقدار کل اورانیوم طبیعی در دست ما به هیچ بگراید، به هیچ پیوسته است و در واقع شانس شکافت حراراتی به هیچ پیوسته است. باری، در اینجا نمی توان به ریز ریز کردن اورانیوم طبیعی اندیشید، زیرا در مثال ریز ریز کردن گوگرد برای ادامه واکنش شیمیایی به ایزوتوپ خاصی مورد نطر نیست، زیرا ماهیت واکنش شیمیایی است و به خواص هسته ای کاری ندارد در حالیکه در واکنش شکافت حرارتی که ماهیتاً یک واکنش هسته ای است، ایزوتوپ خاصی را باید هدف بگیریم. والله أعلم.

۲۲ آبان ۹۴ ، ۰۰:۲۲

در واکنش های شیمیایی احتمالات مطرح نیست و صد در صد واکنش با حضور مواد رخ می دهند اما واکنش های هسته ای از قوانین کوانتومی و احتمالات پیروی می کنند و اصل عدم قطعیت هایزنبرگ در انها اجرا می شود

۲۲ آبان ۹۴ ، ۱۴:۳۱

اگر همه شرایط را ایده آل فرض کنیم مفهوم جرم پرژنی اصلا مطرح نیست؛ درواقع برای دقیقتر شدن بیان علمی در این باره به مفهوم "سامانه ی پرژنی" نیاز داریم. اگر غنی سازی کامل باشد، اقتصاد نوترونی ایده آل باشد، احتمالاتی که در نخستین یادداشت مطرح شد، در بهینه ترین حالت باشد، هندسه و چگالی مواد بهینه باشد و... بطور کلی چنانچه یک سامانه ی هایتک (high-tech) داشته باشیم می توانیم جرم پرژنی را تا سرحد دانش و تکنولوژیِ در اختیار کاهش دهیم؛ زیرا مقدار جرم پرژنی تابعی است از شرایط سامانه. این شرایط کشکولی است شامل هندسه های مختلف، چگالی، دما، فاز ماده، این مسأله که آیا ماده شکافان در مواد دیگری جانشانی شده یا خیر، آیا سامانه مجهز به رفلکتور نوترونی است یا نه، آیا کندکننده نوترونی حضور دارد یا نه، درصد غنی سازی چقدر است و... بنابراین جرم پرژنی یک ماده، عدد ثابتی نیست؛ مگر اینکه شما همه پارامترهای دیگر شرایط پرژنی را ثابت بینگارید. در حالت ایده آل (spherical cow metaphor) شما می توانید به یک ماده شکافان، جرم پرژنی دلخواه خودتان را نسبت دهید؛ به این ترتیب که بقیه پارامون (پارامتر) های شرایط را طوری تنظیم کنید که جرم پرژنی مورد نظرتان برای آن ماده قهراً از آن تبعیت کند (theoretically). والله أعلم.

۰۱ آذر ۹۴ ، ۲۳:۱۸

farzane

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 نوترون‌های تولیدی فرار خواهند کرد زیرا این فرار به عواملی چون شکل فیزیکی اورانیوم و جرم آن وابسته‌است 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 نوترون‌های تولیدی در واکنش‌های 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.

۰۳ آذر ۹۴ ، ۱۲:۴۲

فرزاد pnu

اگر راکتوری شامل کره کوچک برهنه ای از اورانیوم 235 در نظر گرفته شود (چنین راکتوری را گودیوا مینامند)، اغلب نوترونهای شکافت سریعا از سیستم فرار میکنند و تعداد کمی شکافت برای نگهداری واکنش زنجیرهای تولید میشوند. کسر نوترونهائی که از سیستم نشت میکنند با افزایش شعاع کره کاهش مییابند. اگر شعاع کره بزرگتر و قابل مقایسه با پویش آزاد میانگین نوترون باشد، نشت نوترونها در ناحیه نزدیک سطح کره و شکافت در داخل کره خواهد بود. اگر شعاع کره افزایش یابد نشت نوترون با ضریب مجذور شعاع و آهنگ شکافت با ضریب مکعب شعاع افزایش یافته و در نتیجه نسبت نشت نوترون به تولید آن به صورت عکس شعاع خواهد بود. در یک شعاع مخصوصRC ، تعداد نوترونهایی که در راکتور تولید میشوند، برابر تعداد نوترونهایی است که به صورت نشت و جذب از دست میروند. اگر یک واکنش زنجیرهای در کره ای با این اندازه شروع شود، با آهنگ ثابتی ادامه خواهد یافت، به عبارت دیگر سیستم به حالت بحرانی رسیده است. شعاعRC به شعاع بحرانی معروف است و به جرم سوخت لازم، جرم بحرانی میگویند. برای اورانیوم 235خالص RC حدود cm7/8 و جرم بحرانی kg52 است. همچنین میتوان با تغییر ترکیب یک سیستم با شکل و اندازه مشخص به حالت بحرانی رسید.

برای مثال در مخزن بزرگی از آب به ابعاد مشخص، اگر در ابتدا ماده شکافتپذیر در مخزن نباشد واکنش خود نگهداری در سیستم به وجود نخواهد آمد. وقتی سوختی مانند اورانیوم 235 به شکل محلول به آب مخزن افزوده شود، شکافت آغاز خواهد شد. در این سیستم نوترونهای شکافت در محیطی تشکیل شده از تقریباً آب تولید و در نتیجه برخورد با آب به سرعت تا انرژی حرارتی کند میشوند. این نوترونهای حرارتی شده در سیستم باقی میمانند تا اینکه توسط آب و تعداد نسبتاً کمی هم توسط سوخت جذب شوند و تعدادی از این نوترونهای حرارتی نیز از سیستم به خارج نشت میکنند. در این حالت متعادل، تعداد نوترون لازم برای واکنش شکافت خود نگهدار به دست نیامده و سیستم زیربحرانی باقی میماند، ولی همان طور که سوخت افزوده میشود نسبت نوترونهایی که جذب آن میشود افزایش یافته و سرانجام در یک غلظت مشخص سوخت، سیستم بحرانی خواهد شد.

۱۶ آذر ۹۴ ، ۱۱:۴۷

این بار جایزه را بُردم:
در واکنش شیمیایی نسبت سطح به حجم مهم است ولی در واکنش زنحیری شکافت هسته ای نسبت حجم به سطح (هرچه نسبت حجم به سطح بیشتر باشد امکان فرار کمتر می شود). بنابراین با ریز-ریز کردن گوگرد نسبت سطح به حجم افزایش یافته (چون با عکس بُعد متناسب است) که به نفع واکنش شمیایی است؛ در حالیکه نسبت حجم به سطح با ریز-ریز کردن کاهش می یابد (چون با خود بُعد متناسب است) و راه را برای واکنش زنحیری شکافت هسته ای می بندد. والله أعلم.

بعدالتحریر: پیشگویی آقا/خانم "Nostradamus" اشتباه از کار درآمد!!!

فیزیک و انرژی

فیزیک و انرژی

مطالب در رابطه با فیزیک، انرژی، فلسفه علم، و مسائل مرتبط می باشد. برای راحتی مطالعه از تابلت یا PC استفاده شود

جایزه بزرگ

نظرات (۱۵)

ارسال نظر