واکنش های تراجهش ، شکافت و همجوشی هسته ای

تفاوت بین واکنش های تبدیل یا تراجهش هسته ای(transmutation) ، شکافت(fission) و همجوشی(fusion) هسته ای این واکنش ها همه راه هایی هستند که هسته های اتم می توانند تغییر کنند، اما در فرآیندها، آزادسازی انرژی و انواع هسته های درگیر با هم تفاوت دارند.

1. تراجهش هسته ای

• تعریف: تراجهش هسته ای فرآیند تبدیل یک عنصر به عنصر دیگر است. این واکنش شامل تغییر تعداد پروتون ها در هسته یک اتم است. از آنجایی که تعداد پروتون ها، نوع عنصر را مشخص می کند، تغییر تعداد پروتون ها باعث تغییر در نوع عنصر می شود.
• مکانیسم: تراجهش هسته ای معمولاً از طریق واکنش‌های هسته‌ای اتفاق می‌افتد، جایی که یک هسته با یک ذره بمباران می‌شود (به عنوان مثال، نوترون، پروتون، ذره آلفا) یا تحت واپاشی رادیواکتیو قرار می‌گیرد. این می تواند منجر به افزودن یا حذف پروتون ها و یا نوترون ها شود که منجر به یک عنصر جدید شود. در واکنش تراجهش هسته ای یک هسته سنگین تر توسط یک ذره کوچک (نوترون، پروتون یا ذره آلفا) بمباران می شود و به یک هسته عنصر دیگر تبدیل می شود.

• آزادسازی انرژی: بسته به نوع واکنش و ایزوتوپ های درگیر، واکنش های تراجهش هسته ای می توانند انرژی آزاد یا جذب کنند.

• مثال ها:

• تبدیل نیتروژن-14 به اکسیژن-17: آزمایش رادرفورد، که در آن از ذرات آلفا برای بمباران نیتروژن-14، تولید اکسیژن-17 و یک پروتون استفاده شد:

¹⁴N + ⁴He → ¹⁷O + ¹H

• تولید نپتونیوم از اورانیوم: در یک راکتور هسته ای، اورانیوم-238 (²³⁸U) می تواند یک نوترون را جذب کند و تبدیل به اورانیوم-239 (²³⁹U) شود، که سپس تحت واپاشی بتا قرار می گیرد و نپتونیوم-239 (²³⁹Np) را تشکیل می دهد:

²³⁸U + ¹n → ²³⁹U
²³⁹U → ²³⁹Np + β⁻ + ν (antineutrino)

• تولید عناصر ترانس اورانیک: عناصر سنگین‌تر از اورانیم (عناصر ترانس اورانیک) فراتر از اورانیوم (مانند پلوتونیوم، آمریکیوم، کوریم) با بمباران اورانیوم یا سایر عناصر سنگین با نوترون‌ها در راکتورهای هسته‌ای یا با یون‌های سنگین‌تر در شتاب‌دهنده‌های ذرات سنتز می‌شوند.
• واپاشی رادیواکتیو: یک هسته رادیواکتیو که از طریق واپاشی آلفا یا بتا به عنصر دیگری تبدیل می شود نیز یک فرآیند تبدیل است. به عنوان مثال:

²³⁸U → ²³⁴Th + ⁴He (Alpha Decay)

(اورانیوم-238 به توریم-234 تبدیل می شود)

• ویژگی های کلیدی:
• تغییر عنصر: مهمترین ویژگی این است که یک عنصر به عنصر دیگر تبدیل می شود.
• مصنوعی یا طبیعی: می تواند به طور مصنوعی در راکتورها یا شتاب دهنده ها القا شود یا به طور طبیعی از طریق واپاشی رادیواکتیو رخ دهد.
• لزوماً شامل تقسیم یا ترکیب نمی شود: ذاتاً نیازی به تقسیم یک هسته به چند قطعه بزرگ (شکافت) یا ترکیب هسته های کوچک (همجوشی) ندارد.

2. شکافت هسته ای

• تعریف: شکافت عبارت است از تقسیم یک هسته سنگین به دو یا چند هسته سبکتر. این فرآیند معمولاً با بمباران هسته سنگین با یک نوترون القا می شود، اگرچه شکافت خود به خودی نیز می تواند رخ دهد.
• مکانیسم: هنگامی که یک هسته سنگین (به عنوان مثال، اورانیوم-235 یا پلوتونیوم-239) یک نوترون را جذب می کند، ناپایدار می شود و به دو هسته کوچکتر (قطعات شکافت)، همراه با آزاد شدن چندین نوترون و مقدار زیادی انرژی تقسیم می شود.
• آزادسازی انرژی: واکنش های شکافت مقدار قابل توجهی انرژی را آزاد می کنند، در درجه اول به شکل انرژی جنبشی قطعات شکافت و نوترون های ساطع شده.
• مثال ها:
• شکافت اورانیوم-235: وقتی اورانیوم-235 (²³⁵U) یک نوترون را جذب می کند، می تواند به باریم-141 (¹⁴¹Ba)، کریپتون-92 (⁹²Kr) و سه نوترون تقسیم شود:

²³⁵U + ¹n → ¹⁴¹Ba + ⁹²Kr + 3 ¹n + Energy

• شکافت پلوتونیوم-239: پلوتونیوم-239 (²³⁹Pu) همچنین می تواند با جذب یک نوترون تحت شکافت قرار گیرد.
• ویژگی های کلیدی:
• تقسیم هسته سنگین: شامل تقسیم یک هسته سنگین (عدد اتمی بالا) به هسته های کوچکتر است.
• ناشی از برخورد نوترون یا به صورت خود به خودی: می تواند توسط بمباران نوترونی تحریک شود یا خود به خود رخ دهد (اگرچه شکافت خود به خودی نادر است).
• آزادسازی انرژی: مقدار زیادی انرژی آزاد می کند.
• واکنش زنجیره ای: نوترون های آزاد شده می توانند واکنش های شکافت بیشتری را ایجاد کنند که منجر به یک واکنش زنجیره ای می شود (که در راکتورهای هسته ای و بمب های اتمی استفاده می شود).
• عنصر همیشه تغییر نمی کند: عنصر تنها زمانی تغییر می کند که یک قطعه شکافت عنصر متفاوتی باشد.

3.همجوشی هسته ای

• تعریف: همجوشی فرآیند ترکیب دو یا چند هسته سبک و تشکیل یک هسته سنگین تر است. این فرآیند برای غلبه بر دافعه الکترواستاتیکی بین هسته‌های دارای بار مثبت(پروتون ها) به دما و فشار بسیار بالا نیاز دارد.
• مکانیسم: در دماها و فشارهای بسیار بالا، هسته‌ها انرژی جنبشی کافی برای غلبه بر سد کولن (دفعه الکترواستاتیک) دارند و به اندازه‌ای نزدیک می‌شوند که نیروی هسته‌ای قوی آنها را به هم متصل کند. این واکنش منجر به تشکیل یک هسته سنگین تر، همراه با آزاد شدن مقدار زیادی انرژی می شود.
• آزادسازی انرژی: واکنش های همجوشی مقدار زیادی انرژی آزاد می کنند که به طور قابل توجهی بیشتر از واکنش های شکافت برای همان جرم سوخت است.
• مثال ها:
• همجوشی دوتریوم-تریتیوم: همجوشی دوتریوم (²H) و تریتیوم(³H) یک واکنش کلیدی در راکتورهای همجوشی تجربی است:

²H + ³H → ⁴He + ¹n + Energy

دوتریوم و تریتیوم با هم ترکیب می شوند و هلیوم-4، نوترون و انرژی را تشکیل می دهند.
• واکنش زنجیره ای پروتون-پروتون (در خورشید): منبع اولیه انرژی در خورشید، همجوشی هسته ای هیدروژن (پروتون ها) به هلیوم است:

4¹H → ⁴He + 2 e⁺ + 2 νe + Energy

چهار پروتون با هم ترکیب می شوند و هلیوم-4، دو پوزیترون، دو نوترینو و انرژی تشکیل می دهند.
همجوشی دوتریوم-دوتریوم:

²H + ²H → ³He + ¹n + Energy
²H + ²H → ³T + ¹H + Energy

• چرخه کربن-نیتروژن-اکسیژن (CNO): یکی دیگر از واکنش های همجوشی در ستارگان، با استفاده از کربن، نیتروژن و اکسیژن به عنوان کاتالیزور برای تبدیل هیدروژن به هلیوم.
• ویژگی های کلیدی:
• ترکیب هسته های سبک: شامل همجوشی هسته های سبک (عدد اتمی کم) به یک هسته سنگین تر است.
• شرایط شدید: به دما و فشار بسیار بالا نیاز دارد.
• انرژی بسیار زیاد: مقدار زیادی انرژی آزاد می کند.
• پتانسیل انرژی پاک: همجوشی دارای پتانسیل تبدیل شدن به یک منبع انرژی پاک و پایدار است زیرا در مقایسه با شکافت، زباله های رادیواکتیو نسبتا کمی تولید می کند.

جدول خلاصه:

سرچشمه ها:

https://www.nagwa.com/en/videos/718120359659/