فراورده های شکافت اورانیوم

یکی از تفاوت های واکنش های شیمیایی با واکنش های هسته ای این است که معمولآ در اثر انجام یک واکنش شیمیایی فراورده یا فراورده های مشخصی به دست می آید. مثلآ از واکنش فلز سدیم با گاز کلر ، نمک سدیم کلرید به دست می آید و اگر مواد اولیه را به نسبت درست برداریم می توانیم هر مقدار دل خواه سدیم کلرید خالص داشته باشیم و در این میان محصول دیگری به دست نمی آید.

در واکنش بالا نسبت سدیم و کلر، برابر 46 برای سدیم و 71 برای کلر است. یعنی اگر مثلآ 23 گرم سدیم را با 35.5 گرم کلر ترکیب کنیم 58.5 گرم سدیم کلرید خالص خواهیم داشت و محصول دیگری به دست نخواهد آمد.

امابا انجام یک  واکنش  هسته ای اغلب طیفی از عناصر و ایزوتوپ ها تشکیل می شوند. بهترین مثل برای بیان این موضوع اورانیم-235 است.

خوب، بیایید به دنیای بازده فراورده های شکافت  نوترون حرارتی اورانیوم 235 (²³⁵U) شیرجه بزنیم. این نوع واکنش های هسته ای یک موضوع اساسی در دانش و مهندسی هسته ای است، زیرا برای درک واکنش های هسته ای، دفع  زباله های رادیواکتیو و پزشکی  هسته ای دانستن نتیجه واکنش ضروری است.

بازده فراورده های شکافت (Fission) چیست؟

• فراورده های شکافت: وقتی یک هسته اورانیوم- 235 یک نوترون حرارتی (نوترونی با انرژی جنبشی بسیار کم، تقریباً 0.025eV) را جذب می کند، تحت شکافت قرار می گیرد و به دو هسته کوچکتر به نام ذرات شکافت، فراورده های شکافت یا محصولات شکافت تقسیم می شود.
• تنوع فراورده ها: شکافت، هر بار دو فراورده  مشابه را تولید نمی کند. در عوض، طیف وسیعی از محصولات شکافت، با جرم ها و اعداد اتمی متفاوت امکان پذیر است.
• بازده فراورده شکافت (FPYs): بازده فراورده شکافت (fission product yields) احتمال تولید یک نوکلید خاص (ایزوتوپ) در نتیجه شکافت است. معمولاً به صورت درصد بیان می‌شود، که نشان‌دهنده تعداد اتم‌های یک محصول شکافت خاص است که در هر 100 شکافت تشکیل می‌شود.

بازده جرمی در مقابل بازده مستقل در مقابل بازده تجمعی:

• بازده جرمی (بازده زنجیر): متداول ترین بازده گزارش شده، بازده جرمی است که کل بازده را برای یک عدد جرمی خاص نشان می دهد. از آنجایی که واپاشی بتا نوترون‌ها را به پروتون تبدیل می‌کند، همه هسته‌ها با عدد جرمی یکسان به یک ایزوتوپ پایدار یا با عمر طولانی تبدیل می‌شوند. یک “زنجیره جرمی” با یک عدد جرمی خاص تشکیل می شود و کل زنجیره باعث ایجاد یک هسته پایدار یا با عمر طولانی می شود. بازده زنجیره جرمی حاصل مجموع تمام ایزوتوپ‌های درون یک زنجیره جرمی است. به عنوان مثال، بازده جرمی برای عدد جرمی 140 نشان دهنده احتمال کل تشکیل هر ایزوتوپی با عدد جرمی 140، صرف نظر از عدد اتمی آن است.
• بازده مستقل: این بازده یک نوکلید خاص است که مستقیماً به عنوان یک ذره شکافت تولید می شود، قبل از هر گونه واپاشی رادیواکتیو پیش سازهای آن. این نشان دهنده توزیع اولیه فراورده های شکافت است.
• بازده تجمعی: این بازده یک نوکلید خاص، از جمله سهم حاصل از فروپاشی پیش سازهای رادیواکتیو آن است. این مقدار هسته ای است که پس از تجزیه همه پیش سازهای با عمر کوتاه تر آن وجود دارد.

شکل بالا: (a) شکافت هسته ای U-235 طیفی از محصولات شکافت را تولید می کند. (b) محصولات شکافت بزرگتر اورانیوم U-235 معمولاً یک ایزوتوپ با عدد جرمی حدود 85-105 و ایزوتوپ دیگر با عدد جرمی حدود 50٪ بزرگتر است، یعنی حدود 130-150.

شکل کلی منحنی بازده محصول شکافت

منحنی بازده جرم برای شکافت نوترون حرارتی ²³⁵U شکل مشخصی دارد:

• منحنی دو کوهانه Double Humped: این یک منحنی “دو کوهانه” است، به این معنی که دو قله در توزیع توده های محصول شکافت وجود دارد. این نشان می دهد که شکافت احتمال بیشتری برای تولید قطعات جرمی نابرابر دارد.
• عدد جرمی قله(پیک): قله ها معمولاً در حدود اعداد جرمی 95 و 139 هستند.
• شکافت متقارن نادر است: شکافت متقارن (شکافت به دو قطعه جرم مساوی) ممکن است اما احتمال بسیار کمتری دارد. عملکرد در جرم شماره 117 یا 118 (نیمی از 235) به طور قابل توجهی کمتر از جرم های اوج است.

چرا شکل دو قله؟

شکل دو قوز به اثرات ساختار پوسته هسته ای مربوط می شود. هسته هایی با «اعداد جادویی» پروتون ها و نوترون ها به ویژه پایدار هستند. شکافت تمایل به تشکیل محصولات شکافت نزدیک به این اعداد جادویی دارد. مهمترین اعداد جادویی 2، 8، 20، 28، 50، 82 و 126 هستند.

بازده فراورده های تقریبی شکافت

فهرست کردن بازده محصولات شکافت غیرممکن است، زیرا صدها هسته مختلف تولید می شود. با این حال، در اینجا چند بازده تقریبی برای چند محصول کلیدی شکافت از شکافت نوترون حرارتی ²³⁵U آورده شده است که بازده تجمعی تقریبی را نشان می‌دهد (به صورت درصد بیان می‌شود):

شکافت یک هسته بزرگ، مانند U-235، دو یا سه نوترون تولید می کند که هر یک از این نوترون ها می توانند مطابق واکنش های نشان داده شده، باعث شکافت هسته دیگری شوند. اگر این روند ادامه یابد، یک واکنش زنجیره ای هسته ای رخ می دهد.

اطلاعات کامل بازده محصول شکافت را کجا می توان یافت؟

برای اطلاعات جامع تر، می توانید به این منابع مراجعه کنید:

• کتاب خانه ENDF/B (پرونده داده های هسته ای ارزیابی شده): این یک کتابخانه از داده های هسته ای ارزیابی شده است که توسط مرکز ملی داده های هسته ای (NNDC) در آزمایشگاه ملی بروکهاون (BNL) نگهداری می شود. این شامل داده‌های بازده محصول شکافت برای ایزوتوپ‌های مختلف و انرژی‌های نوترونی است. داده ها اغلب در قالب قابل خواندن توسط کامپیوتر هستند اما می توان از طریق ابزارهای آنلاین به آنها دسترسی داشت.
• کتاب خانه JEFF (پرونده شکافت و همجوشی ارزیابی شده مشترک): این یک کتابخانه از داده های هسته ای ارزیابی شده است که توسط آژانس انرژی هسته ای (NEA) نگهداری می شود. شبیه ENDF/B است.
• آژانس IAEA (آژانس بین المللی انرژی اتمی): آژانس دارای انتشارات و پایگاه های اطلاعاتی مختلف مربوط به داده های هسته ای، از جمله بازده محصولات شکافت است.

اهمیت داده های بازده فراورده های شکافت

داده های بازده فراورده شکافت برای کاربردهای مختلف بسیار مهم است:

• فیزیک راکتور هسته ای: برای محاسبات دقیق بحرانی بودن راکتور، توزیع توان، سوخت سوخت و تجمع محصولات شکافت رادیواکتیو.
• مدیریت زباله های رادیواکتیو: برای پیش بینی ترکیب و فعالیت سوخت هسته ای مصرف شده، که برای توسعه استراتژی های دفع ایمن و موثر زباله ضروری است.
• پزشکی قانونی هسته ای: برای شناسایی منشا مواد هسته ای بر اساس ترکیب ایزوتوپی محصولات شکافت.
• ایمنی هسته ای: برای ارزیابی پیامدهای سوانح هسته ای و توسعه استراتژی های کاهش.
•• تولید ایزوتوپ پزشکی: برای بهینه سازی تولید ایزوتوپ های پزشکی از راکتورهای هسته ای.

فراورده های مهم شکافت شکافت:

برخی از فراورده های شکافت به دلیل بازده بالا، نیمه عمر طولانی یا فعالیت بیولوژیکی آنها از نگرانی خاصی برخوردار هستند:

• ایزوتوپ ⁹⁰Sr (استرانسیم-90): نیمه عمر طولانی (29 سال)، جستجوی استخوان، در صورت بلعیده شدن، خطر سلامتی طولانی مدتی را به همراه دارد.
• ایزوتوپ ¹³⁷Cs (سزیم-137): نیمه عمر طولانی (30 سال)، محلول در آب، به آسانی در محیط گنجانده می شود، خطری دراز مدت برای سلامتی ایجاد می کند.
• ایزوتوپ ¹³¹I   (ید-131): نیمه عمر کوتاه (8 روز)، متمرکز در غده تیروئید، در صورت استنشاق یا بلعیده شدن، خطر کوتاه مدت سرطان تیروئید را به همراه دارد.
• ایزوتوپ ⁹⁹Tc (تکنسیم-99m): دختر ⁹⁹Tc  یک ایزوتوپ پزشکی پرکاربرد است (Technetium-99m). با این حال، ⁹⁹Tc خود نیمه عمر طولانی دارد (211000 سال) و یک چالش طولانی مدت دفع زباله است.

به طور خلاصه، بازده فراورده های شکافت داده های اساسی برای درک و مدیریت پیامدهای شکافت هسته ای است. آنها احتمال تشکیل ایزوتوپ های مختلف را به عنوان محصولات شکافت توصیف می کنند و برای طیف گسترده ای از کاربردها در علوم هسته ای، مهندسی و پزشکی ضروری هستند.

سرچشمه ها:

https://www.researchgate.net/

https://chem.libretexts.org