تکنولوژی راکتورهای هسته‌ای از میان تمام تکنولوژی‌های جدید به دلیل تسریع فوق‌العاده در تکامل به صورت منحصر به فردی نمایان شده است. تکامل سریع و چشمگیر این فناوری آن را به یکی از برجسته‌ ترین نوآوری‌های دهه‌های اخیر تبدیل کرده است.

از کشف شکافت هسته‌ای در سال 1938 تا اولین واکنش زنجیره‌ای در سال 1942 تنها چهار سال طول کشید. این دوره کوتاه زمانی نشان‌ دهنده‌ی تلاش فراوان در تحقیقات و توسعه‌ی این فناوری بوده و به وضوح نشان‌ دهنده‌ی پتانسیل و قدرت تغییر آفرین این حوزه است.

مقدمه راکتورهای هسته‌ای از کشف شکافت هسته‌ای تا کاربردهای امروزی

شکافت هسته‌ای یک واکنش هسته‌ای است که در آن یک هسته سنگین به دو هسته با جرم کمتر شکافته می‌شود. این واکنش باعث تولید انرژی زیادی می‌شود. واکنش شکافت به صورت زنجیری ادامه می‌یابد و اگر کنترل نشود (یعنی به آهستگی انجام نشود) ممکن است به انفجار عظیمی منجر شود. راکتورها به گونه‌ای طراحی می‌شوند که در آنها واکنش شکافت به صورت کنترل شده انجام شود. فرمی و زیلارد نخستین افرادی بودند که توانستند یک واکنش زنجیره‌ای کامل را در یک راکتور هسته‌ای انجام دهند. این اتفاق در دهه 1940 هنگام کار بر روی پروژه ساخت بمب هسته‌ای برای ایالات متحده (پروژه منهتن) در دانشگاه شیکاگو رخ داد.

راکتورها دارای کاربردهای دوگانه هستند. در مصارف صلح‌ آمیز با بهره‌ گیری از حرارت تولیدی در شکافت هسته‌ای عمل می‌کنند. این حرارت برای گرم‌ کردن آب تبدیل آن به بخار و استفاده از بخار برای حرکت توربین‌ها بهره‌ گرفته می‌شود. همچنین اگر قصد ساخت بمب‌ های پلوتونیومی وجود داشته باشد اورانیوم غنی شده به راکتورهای هسته‌ای منتقل می‌شود.

در قسمت مرکزی هر راکتور هسته‌ای محفظه‌ای وجود دارد که ماده شکافت‌ پذیر (سوخت) در درون آن قرار می‌گیرد. به دلیل رخداد واکنش‌ های زنجیره‌ای منظم و مداوم این ماده در درون محفظه انرژی تولید می‌کند. راکتورهای هسته‌ای در کل از دو نوع شکافتی و همجوشی تشکیل شده‌اند و با توجه به شرایط حاکم و اهداف مورد نظر به دسته‌های مختلفی تقسیم می‌شوند.

فصل اول: نوترون و بر همکنش آن با ماده

کشف نوترون :

در سال 1920 رادرفورد اظهار داشت که پروتون درون هسته ممکن است دارای یک الکترون باشد و در چنین صورتی این الکترون به گونه‌ای محکم به پروتون بسته شده باشد که یک ذرهٔ خنثی ایجاد کرده است. او حتی برای این ذره فرضی نام نوترون را پیشنهاد کرد.

وقتی نوترون‌ها به درون پارافین راه می‌یابند گاه و بی‌گاه با هسته‌های هیدروژن (پروتون‌ها) برخوردهای رو در رو پیدا می‌کنند. در این حالت به علت یونشی که تولید می‌کنند مشاهده می‌شود که پروتون‌ها به عقب پرتاب می‌شوند. پس فرضیه ذره بی‌بار چادویک می‌تواند به طریقی کیفی آثار مشاهده شده از تابش نفوذی مرموز را توجیه نماید.

واکنش های هسته ای

واکنش های هسته ای فرآیندهایی هستند که در طول آن تغییری در ساختار هسته اتم رخ می‌دهد و هسته اولیه به هسته‌های دیگری تبدیل می‌شود. این واکنش‌ها شامل همجوشی هسته‌ای و یا شکافت هسته‌ای می‌شوند.

واکنش شکافت هسته‌ای ممکن است به صورت خودبخودی رخ دهد مانند هسته‌های رادیواکتیو یا نتیجه بمباران هسته توسط ذرات یا پرتوهای گاما باشد. در این فصل، به انواع واکنش‌های شکافت هسته‌ای پرداخته می‌شود.

فصل دوم: واکنش زنجیره ای و اصول راکتورهای هسته ای

بعد از اثبات ژولیو و کوری که برخی از محصولات واکنش‌های هسته‌ای رادیواکتیو هستند فرمی و همکاران در اودر ایتالیا یک مطالعه سازمان‌ یافته را در مورد واکنش‌های هسته‌ای القا شده توسط نوترون آغاز کردند. هدف اصلی این تحقیق تولید نوکلئیدهای جدید بود.

شکافت هسته ای کشف و چگونگی آن

در طی 5 سال آزمایش‌ های متعددی در زمینه بمباران نوترونی اورانیم اجرا شد. در این آزمایش‌ها نیم‌ عمرهای رادیواکتیو با اختلاف‌های بسیار متنوعی مشاهده شدند. با این حال تلاش برای شناسایی عناصر خاصی که این نیم‌ عمرها را داشتند به نتیجه مطلوبی نرسید.

روش‌هایی که برای تشخیص مورد استفاده قرار گرفت همان روش‌هایی بودند که قبلاً برای بررسی عناصر رادیواکتیو مصنوعی به کار می‌رفتند. اما اینجا با چالش‌های بیشتری روبه‌رو بودیم زیرا نوکلئیدهای تولید شده تنها به مقدار بسیار کمی در ناحیه هدف وجود داشتند و برای جداسازی این مقادیر ناچیز نیاز به روش‌های جدیدی بود.

در اوایل سال 1939 دو فیزیکدان آلمانی به نام‌های اتوهان و فریتز اشتراسمان، نشان دادند که یکی از عناصر به دست آمده از بمباران نوترونی اورانیم در واقع یک ایزوتوپ از باریم است. این موضوع با توجه به نیم‌ عمر 86 دقیقه‌ای و رفتار شیمیایی آن مشخص شد. همچنین نوکلئید دیگری از بمباران نوترونی اورانیم به دست آمد که لانتان با نیم‌ عمر 40 ساعت است.