دانشجویان فیزیک سمنان

10 كشف برتر علمی سال 2007

۱. زیست شناسی سلولی و مولكولی

در ماه نوامبر، شینیا یاماناكا از دانشگاه كیوتو و جیمز تامسون از دانشگاه وسكانسین، 2 زیست‌شناس مولكولی، در مقاله‌ای اعلام كردند كه توانسته‌اند با دستكاری سلول‌های پوستی، سلول بنیادی جنینی تولید كنند. چنین كشف بزرگی منجر به آن خواهد شد كه در آینده نزدیك دانشمندان بتوانند بدون ازبین بردن جنین، سلول‌های بنیادی درست كنند كه نقش اساسی در درمان بیماری‌های ناشی از نقص اعضا و... دارد.

2. ژنتیك

اطلاعات لازم برای نقشه ژنوم انسانی تا سال 2002 كامل شد، اما این حجم عظیم اطلاعات نیاز به پایش داشت كه این كار زیر نظر پروفسور ماوریك كاریگ ونتر، فیزیولوژیست مولكولی، در مریلند در ماه سپتامبر خاتمه یافت و عنوان دومین كشف بزرگ علمی سال را از آن خود كرد.

3. اخترفیزیك

ثبت درخشانترین انفجار ابرنواختری در تاریخ فعالیت‌های نجومی توسط دانشمندان دانشگاه كالیفرنیا در بركلی و دانشگاه تگزاس، بزرگ‌ترین پدیده نجومی سال و سومین پدیده علمی شناخته‌شد. در كهكشان راه‌شیری، 400میلیارد ستاره وجود دارد كه تنها 1000تای آنها اندازه‌ای برابر ستاره SN 2006gy دارند كه انفجار آن ثبت‌شده است. جرم این ستاره، حدود 200برابر خورشید است.

4. جانورشناسی

در اعماق 700 تا 6000 متری دریای ودل در اقیانوس منجمد جنوبی، پژوهش‌هایی در سال گذشته انجام شد كه منجر به كشف بیش از 700 گونه جانور جدید شد كه چنین كشف یكجایی در تاریخ جانورشناسی‌ بی‌نظیر است. مجله نیچر هم این كشف را به‌عنوان مهم‌ترین كشف سال اعلام كرده‌است.

5. مهندسی پزشكی

ساخت دریچه مصنوعی برای قلب‌ توسط تیم دكتر یاكوب در امپریال كالج لندن، كه مشكلات 600هزارنفر را در سراسر جهان رفع خواهد كرد، پنجمین فعالیت مهم علمی سال نام‌گرفته‌است. این اختراع، 3 تا 5 سال دیگر‌ كاربردی خواهد شد.

6. اختر فیزیك

یك كشف نجومی دیگر رتبه ششم را از آن خود كرده‌ است؛ «مشتری‌های داغ». محققان انگلیسی طرح WASP، كه دنبال سیارات خارج از منظومه شمسی می‌گردند، چند سیاره مشتری‌گونه پیدا كرده‌اند كه دمای سطح آنها 2000درجه است و تداعی‌كننده سال‌های اولیه تشكیل منظومه شمسی هستند.

7 . دیرینه‌شناسی

كشف فسیل دایناسور پرنده عظیم‌الجثه در شمال چین و مغولستان كه برآوردها نشان می‌دهد ‌ یك‌ونیم تن وزن داشته است، تعجب دیرینه شناسان را برانگیخت. ساختار بدن این پرنده كه 70 میلیون سال پیش‌ می‌زیسته، شبیه پرنده‌های امروزی است.

8. دیرینه‌شناسی

باز هم دیرینه‌شناسی رتبه هشتم را از آن خود كرد. بررسی اسكلت‌های انسان، تقریبا این ادعا را كه انسان امروزی «هموساپینس - ساپینس» حدود 65 تا 25 هزار سال پیش در جنوب آفریقا شكل گرفته و از آنجا به شمال این قاره و سپس اروپا، آسیا و استرالیا مهاجرت كرده ،به یقین نزدیك كرده‌است.

9 . جانورشناسی

پیرترین موجود زنده روی زمین، صدف دوكپه‌ای است كه در اقیانوس آتلانتیك شمالی در نواحی شمالی ایسلند و در 80متری عمق آب كشف شد و لقب نهمین كشف علمی سال را هم از آن خود كرد.

10. زمین‌شناسی

زمین شناسان موزه علوم طبیعی لندن، در صربستان سنگ‌های معدنی‌ای را كشف كردند كه بسیار جالب وغیرمنتظره بودند. كریپتونیت افسانه‌ای، رنگ سبز خیره‌كننده‌ای دارد و نحوه شكل‌گیری آن هنوز در پرده‌ای از ابهام قرار دارد.

شما احتمالاً در كتابهاي تاريخ خوانده‌ايد كه بمب هسته‌اي در جنگ جهاني دوم توسط آمريكا عليه ژاپن بكار رفت و ممكن است فيلم‌هايي را ديده باشيد كه در آنها بمب‌هاي هسته‌اي منفجر مي‌شوند. درحاليكه در اخبار مي‌شنويد، برخي كشورها راجع به خلع سلاح اتمي با يكديگر گفتگو مي‌كنند، كشورهايي مثل هند و پاكستان سلاح‌هاي اتمي خود را توسعه مي‌دهند.

ما ديده‌ايم كه اين وسايل چه نيروي مخرب خارق‌العاده‌اي دارند، ولي آنها واقعاً چگونه كار مي‌كنند؟ در اين بخش خواهيد آموخت كه بمب هسته‌اي چگونه توليد مي‌شود و پس از يك انفجار هسته‌اي چه اتفاقي مي‌افتد؟

فيزيك هسته‌اي

انرژي هسته‌اي به 2 روش توليد مي‌شود:

1- شكافت هسته‌اي: در اين روش هسته يك اتم توسط يك نوترون به دو بخش كوچكتر تقسيم مي‌شود. در اين روش غالباً از عنصر اورانيوم استفاده مي‌شود.

2- گداخت هسته‌اي: در اين روش كه در سطح خورشيد هم اجرا مي‌شود، معمولاً هيدروژن‌ها با برخورد به يكديگر تبديل به هليوم مي‌شوند و در اين تبديل، انرژي بسيار زيادي بصورت نور و گرما توليد مي‌شود.

در شكل زير نمونه اي از شكافت هسته اتم اورانيوم نمايش داده شده است:

و در شكل زير گداخت هسته‌اي اتم‌هاي هيدروژن و تبديل آنها به هليوم 3 و الكترون آزاد نمايش داده شده است:

طراحي بمب‌هاي هسته‌اي:

براي توليد بمب هسته‌اي، به يك سوخت شكافت‌پذير يا گداخت‌پذير، يك وسيله راه‌انداز و روشي كه اجازه دهد تا قبل از اينكه بمب خاموش شود، كل سوخت شكافته يا گداخته شود نياز است.

بمب‌هاي اوليه با روش شكافت هسته‌اي و بمب‌هاي قويتر بعدي با روش گداخت هسته‌اي توليد شدند. ما در اين بخش دو نمونه از بمب هاي ساخته شده را بررسي مي كنيم:

بمب‌ شكافت هسته‌اي :

1- بمب‌ هسته‌اي (پسر كوچك) كه روي شهر هيروشيما و در سال 1945 منفجر شد.

2- بمب هسته‌اي (مرد چاق) كه روي شهر ناكازاكي و در سال 1945 منفجر شد.

بمب گداخت هسته‌اي : 1- بمب گداخت هسته‌اي كه در ايسلند بصورت آزمايشي در سال 1952 منفجر شد.

بمب‌هاي شكافت هسته‌اي:

بمب‌هاي شكافت هسته‌اي از يك عنصر شبيه اورانيوم 235 براي انفجار هسته‌اي استفاده مي‌كنند. اين عنصر از معدود عناصري است كه جهت ايجاد انرژي بمب هسته‌اي استفاده مي‌شود. اين عنصر خاصيت جالبي دارد: هرگاه يك نوترون آزاد با هسته اين عنصر برخورد كند ، هسته به سرعت نوترون را جذب مي‌كند و اتم به سرعت متلاشي مي‌شود. نوترون‌هاي آزاد شده از متلاشي شدن اتم ، هسته‌هاي ديگر را متلاشي مي‌كنند.

زمان برخورد و متلاشي شدن اين هسته‌ها بسيار كوتاه است (كمتر از ميلياردم ثانيه ! ) هنگامي كه يك هسته متلاشي مي‌شود، مقدار زيادي گرما و تشعشع گاما آزاد مي‌كند.

مقدار انرژي موجود در يك پوند اورانيوم معادل يك ميليون گالن بنزين است!

در طراحي بمب‌هاي شكافت هسته‌اي، اغلب از دو شيوه استفاده مي‌شود:

روش رها كردن گلوله:

در اين روش يك گلوله حاوي اورانيوم 235 بالاي يك گوي حاوي اورانيوم (حول دستگاه مولد نوترون) قرار دارد.

هنگامي كه اين بمب به زمين اصابت مي‌كند، رويدادهاي زير اتفاق مي‌افتد:

1- مواد منفجره پشت گلوله منفجر مي‌شوند و گلوله به پائين مي‌افتد.

2- گلوله به كره برخورد مي‌كند و واكنش شكافت هسته‌اي رخ مي‌دهد.

3- بمب منفجر مي‌شود.

در بمب هيروشيما از اين روش استفاده شده بود. نحوه انفجار اين بمب در شكل زير نمايش داده شده است:

روش انفجار از داخل:

در اين روش كه انفجار در داخل گوي صورت مي‌گيرد، پلونيم 239 قابل انفجار توسط يك گوي حاوي اورانيوم 238 احاطه شده است.

هنگامي كه مواد منفجره داخلي آتش گرفت رويدادهاي زير اتفاق مي‌افتد:

1- مواد منفجره روشن مي‌شوند و يك موج ضربه‌اي ايجاد مي‌كنند.

2- موج ضربه‌اي، پلوتونيم را به داخل كره مي‌فرستد.

3- هسته مركزي منفجر مي‌شود و واكنش شكافت هسته‌اي رخ مي‌دهد.

4- بمب منفجر مي‌شود.

بمبي كه در ناكازاكي منفجر شد، از اين شيوه استفاده كرده بود. نحوه انفجار اين بمب، در شكل زير نمايش داده شده است.

بمب‌ گداخت هسته‌اي: بمب‌هاي شكافت هسته‌اي، چندان قوي نبودند!

بمب‌هاي گداخت هسته‌اي ، بمب هاي حرارتي هم ناميده مي‌شوند و در ضمن بازدهي و قدرت تخريب بيشتري هم دارند. دوتريوم و تريتيوم كه سوخت اين نوع بمب به شمار مي‌روند، هردو به شكل گاز هستند و بنابراين امكان ذخيره‌سازي آنها مشكل است. اين عناصر بايد در دماي بالا، تحت فشار زياد قرار گيرند تا عمل همجوشي هسته‌اي در آنها صورت بگيرد. در اين شيوه ايجاد يك انفجار شكافت هسته‌اي در داخل، حرارت و فشار زيادي توليد مي‌كند و انفجار گداخت هسته‌اي شكل مي‌گيرد.در طراحي بمبي كه در ايسلند بصورت آزمايشي منفجر شد، از اين شيوه استفاده شده بود. در شكل زير نحوه انفجار نمايش داده شده است.

اثر بمب‌هاي هسته‌اي:

انفجار يك بمب هسته‌اي روي يك شهر پرجمعيت خسارات وسيعي به بار مي آورد . درجه خسارت به فاصله از مركز انفجار بمب كه كانون انفجار ناميده مي‌شود بستگي دارد.

زيانهاي ناشي از انفجار بمب هسته‌اي عبارتند از :

- موج شديد گرما كه همه چيز را مي‌سوزاند.

- فشار موج ضربه‌اي كه ساختمان‌ها و تاسيسات را كاملاً تخريب مي‌كند.

- تشعشعات راديواكتيويته كه باعث سرطان مي‌شود.

- بارش راديواكتيو (ابري از ذرات راديواكتيو كه بصورت غبار و توده سنگ‌هاي متراكم به زمين برمي‌گردد)

دركانون زلزله، همه‌چيز تحت دماي 300 ميليون درجه سانتي‌گراد تبخير مي‌شود! در خارج از كانون زلزله، اغلب تلفات به خاطر سوزش ايجادشده توسط گرماست و بخاطر فشار حاصل از موج انفجار ساختمانها و تاسيسات خراب مي‌شوند. در بلندمدت، ابرهاي راديواكتيو توسط باد در مناطق دور ريزش مي‌كند و باعث آلوده شدن موجودات، آب و محيط زندگي مي‌‌شود.

دانشمندان با بررسي اثرات مواد راديواكتيو روي بازماندگان بمباران ناكازاكي و هيروشيما دريافتند كه اين مواد باعث: ايجاد تهوع، آب‌مرواريد چشم، ريزش مو و كم‌شدن توليد خون در بدن مي‌شود. در موارد حادتر، مواد راديواكتيو باعث ايجاد سرطان و نازايي هم مي‌شوند. سلاح‌هاي اتمي داراي نيروي مخرب باورنكردني هستند، به همين دليل دولتها سعي دارند تا بر دستيابي صحيح به اين تكنولوژي نظارت داشته باشند تا ديگر اتفاقي بدتر از انفجارهاي ناكازاكي و هيروشيما رخ ندهد.

منبع :www.best of persia.com & mollasadra

«دانشمندان براى آشكار شدن خصوصيات و ساختارهاى احتمالى يك نظريه نهايى در جست وجوى نقض اصول فيزيكى اينشتين هستند
كه زمانى مقدس بود.»
نسبيت در قلب مهم ترين نظريات بنيادين فيزيك قرار گرفته است. نسبيت آنگونه كه اينشتين آن را در ۱۹0۵ فرمولبندى كرد بر اين ايده كليدى بنا شده كه قوانين فيزيك از نگاه تمام مشاهده گرهاى لخت (اينرسى) (مشاهده گرهايى كه از ديد يك مشاهده گر داراى جهت دلخواه و سرعت ثابت هستند) يكسان است. اين نظريه يك دسته از آثار شناخته شده را پيش بينى مى كند كه از ميان آنها مى توان به ثابت بودن سرعت نور براى تمام مشاهده گرها، كند شدن ساعت هاى در حال حركت، كوتاه شدن طول اجسام متحرك و هم ارزى جرم و انرژى E=mc² اشاره كرد. آزمايش هاى بسيار دقيق اين نتايج را تائيد مى كنند. نسبيت اكنون يك پايه و ابزار مهم و روزمره براى فيزيكدانان تجربى است: برخورد دهنده هاى ذرات از مزاياى افزايش جرم و طول عمر ذرات پرسرعت به خوبى بهره مى برند و آزمايش با ايزوتوپ هاى راديواكتيو نشان دهنده تبديل جرم به انرژى است.
حتى كاربران و بهره برداران دستگاه هاى الكترونيك نيز تحت تاثير اين پديده ها هستند. در سيستم مكان يابى جهانى بايد تصحيح مربوط به تاخير زمانى را در نظر گرفت. اين تاخير زمانى سرعت كار ساعت هاى موجود در مدارهاى ماهواره اى را تغيير مى دهد. با اين حال در سال هاى اخير تلاش براى يكى كردن نيروها و ذرات شناخته شده در يك نظريه نهايى براى عده اى از فيزيكدانان اين انگيزه را به وجود آورده كه درباره امكان تقريبى بودن اصول نسبيت تحقيق كنند. اين انتظار وجود دارد كه مشاهده انحرافى كوچك از نظريه نسبيت طليعه نخستين آزمايش ها براى جست وجو و تحقيق درباره يك نظريه نهايى است.
ثابت بودن يا ناوردايى؛ قوانين فيزيك براى مشاهده گرهاى مختلف نشان دهنده تقارن در فضا و زمان (فضا _ زمان) است كه تقارن لورنتس ناميده مى شود. هنريش آنتوان لورنتس فيزيكدان هلندى است كه براى نخستين بار در دهه ۱۸۹۰ در اين باره تحقيق كرده است. كره كامل نمايش دهنده تقارنى است كه به عنوان تقارن تحت دوران (چرخش) شناخته مى شود: كره را در هر جهت و به هر ميزان بچرخانيد كاملاً مشابه به نظر مى رسد. تقارن لورنتس اينگونه بر روى تشابه اشيا بنا نشده است بلكه مبناى آن يكى بودن قوانين فيزيك تحت تبديلات دورانى و بوست (boost كه سرعت را تغيير مى دهد) است. مشاهده گرهاى لخت مستقل از اينكه داراى چه جهت و چه سرعت ثابتى هستند قوانين فيزيك را يكى مى بينند. هنگامى كه تقارن لورنتس درنظر گرفته شود فضا- زمان همسانگرد به نظر مى رسد، بدين معنى كه همه جهت ها و حركت هاى ثابت هم ارز هستند و هيچ كدام بر ديگرى برترى ندارند.
تقارن فضا _ زمان لورنتس هسته اصلى نظريه نسبيت را تشكيل مى دهد. با دانستن قواعد تبديلات لورنتس مى توان تمام پيش بينى هاى شناخته شده نسبيت را به دست آورد. تا قبل از مقاله ۱۹۰۵ اينشتين، معادلات مربوط به اين پديده ها توسط محققان ديگرى از جمله خود لورنتس به دست آمده بود. اما آنها اين معادلات را به عنوان تغييرات فيزيكى در اشيا تعبير مى كردند؛ به عنوان مثال طول پيوند بين اتم ها كوتاه مى شود تا موجب ايجاد پديده انقباض طول شود.
سهم بزرگ اينشتين اين بود كه او تمام قطعات را به هم پيوند داد و آشكار ساخت كه طول ها و آهنگ كار ساعت ها ارتباط تنگاتنگى با يكديگر دارند و بدين ترتيب تصور فضا و زمان در مفهوم جديدى به نام فضا- زمان يكى گشتند.
تقارن لورنتس يك عنصر كليدى و پايه بهترين توصيفات ما از ذرات بنيادى و نيروها است. تقارن لورنتس هنگامى كه با اصول مكانيك كوانتومى تركيب مى شود چارچوبى را بنا مى كند كه نظريه ميدان هاى كوانتومى نسبيتى ناميده مى شود. در اين چارچوب هر ذره و نيرو توسط ميدانى توصيف مى شود كه تمام فضا- زمان را پر كرده و داراى تقارن لورنتس است. ذراتى مانند الكترون ها و فوتون ها به عنوان برانگيختگى هاى موضعى كوانتوم هاى ميدان مربوطه شناخته مى شوند. مدل استاندارد ذرات كه تمام ذرات و نيروهاى غيرگرانشى شناخته شده (شامل الكترومغناطيس؛ برهمكنش ضعيف و برهمكنش قوى) را توضيح مى دهد يك نظريه ميدان كوانتومى نسبيتى است. لزوم برقرار بودن تقارن لورنتس به شدت نوع برهمكنش و طرز رفتار اين ميدان ها را مقيد و مشخص مى سازد.

ادامه مطلب

کاربرد و شيوه هاي مختلف جداسازي يا غني سازي اورانيوم 235

در طبيعت اورانيوم شامل کمتر از يک درصد ايزوتوپ اورانيوم 235 است. مواد انفجاري هسته اي به اورانيومي که حداقل داراي 20 درصد اورانيوم 235 غني شده است نياز دارند. بطور ايده آل اورانيوم 235 نود درصدي بکار مي رود. براي افزايش درصد اورانيوم 235 به اورانيوم 238، اورانيوم بايد "غني سازي" شود.
چرخه سوخت اورانيوم با استخراج و آسياب کانسنگ اورانيوم جهت توليد "کيک زرد" شروع شده و سپس به هگزافلورايد اورانيوم (UF6) تبديل مي شود. ماده اخير پس از آن غني سازي مي شود تا به سوخت هسته اي مبدل گردد.
فرايندهاي جداسازي و غني سازي ايزوتوپ اورانيوم:
اين روشها عبارتند از:

1) جداسازي ايزوتوپي الکترومغناطيسي

2) ديفوزيون گرمايي

3) پخش ديفوزيون گازي

4) سانتريفوژ گازي

5) فرايندهاي آئروديناميکي

6) جداسازي ايزوتوپي ليزري – که شامل دو روش زير است

الف) جداسازي ايزوتوپي ليزري با بخار گازي (AVLIS) (atomic vapor laser isotope separation)

ب) جداسازي ايزوتوپي ليزري مولکولي (MLIS) (molecular laser isotope separation)

7) تبادل يوني و شيميايي

8) فرايند جداسازي پلاسمايي (PSP)

در تمام صنعت هسته اي دنيا، اورانيوم بوسيله يکي از دو روش: پخش گازي و سانتريفوژ گازي غني مي شود.

ظرفيت توليد در سال 2002 x 1000 kg SWU/yr	روش غني سازي
10,800	پخش گازي	فرانسه
5,850	سانتريفوژ گازي	آلمان – هلند – بريتانيا
900	سانتريفوژ گازي	ژاپن
8,000	پخش گازي	آمريکا
20,000	سانتريفوژ گازي	روسيه
1,000-1,300	بيشتر سانتريفوژ گازي	چين
5	سانتريفوژ گازي	پاکستان
47,000 تقريباً		مجموع

از آنجايي که فرايند کاربردي در ايران، روش سانتريفوژ گازي است در باره روند پخش گازي تنها به ذکر اين توصيف اکتفا مي شود که در روش پخش گازي، هگزافلورايد اورانيوم تحت فشار از ميان يک سري ديافراگم ها يا غشاهاي متخلخل گذر کرده از آنجايي که مولکولهاي اورانيوم 235 سبکتر از مولکولهاي اورانيوم 238 است آنها سريعتر حرکت کرده و امکان کمي بيشتري براي عبور از سوراخهاي موجود در غشا را دارند. گاز UF6 که از طريق غشا پخش مي شود اندکي غني بوده ضمن اينکه آنچه که نمي تواند گذر کند تهي از اورانيوم 235 است.

سانتريفوژ گازي

سانتريفوژ گازي نوعي هيپرسانتريفوژ است که براي توليد اورانيوم غني شده استفاده مي شود. اين روش در آلمان در طي جنگ جهاني دوم توسعه يافت اما موارد کاربرد واقعي آن تنها در دهه پنجاه و شصت ميلادي بود.

در اين روش از اثر سانتريفوژ که دوران سريع ماده سبب مي شود تا ايزوتوپهاي سنگين تر به طرف ديواره خارجي حرکت کنند استفاده شده و غالبا با استفاده از سانتريفوژ نوع زيپ (Zippe-type centrifuge) در شکل گازي انجام مي شود. عامل جداسازي در اين روش به تفاوت جرمي ايزوتوپهايي که بايد جداسازي شوند بستگي دارد.

نمونه نيروگاه هاي غني سازي اورانيوم که از اين روش استفاده مي کنند در Gronau/Wesphalia (آلمان) و بوسيله URENCO (اورنکو يک گروه صنعتي است که متشکل از شرکتهاي انگليسي، آلماني و هلندي مي باشد) در Capenhurst (بريتانيا) هستند. بانک سانتريفوژهاي کازي در نيروگاه اورنکو (Urenco)

علاوه بر نيروگاههاي اورنکو در بريتانيا، هلند و آلمان، چهار نيروگاه روسيه که چهل درصد ظرفيت جهان را بالغ مي شوند از اين شيوه استفاده مي کنند. ژاپن، چين و برزيل نيز نيروگاههاي سانتريفوژ را مي گردانند. پاکستان تکنولوژي غني سازي سانتريفوژ را توسعه داده و بنظر مي رسد که آن را به کره شمالي فروخته است ايران نيز داراي تکنولوژي سانتريفوژ پيچيده اي است.

در ايالات متحده آمريکا هيچ نيروگاه سانتريفوژ گازي فعاليت ندارد اما بتازگي آمريکا و فرانسه نيز درحال جايگزيني تکنولوژي سانتريفوژ بجاي نيروگاههاي پخش گازي قديمي هستند. اين روش نسبت به روش پخش گازي به انرژي کمتري براي رسيدن به جداسازي مشابه نياز داشته و از اين جهت غالبا اين شيوه که با استفاده از هگزافلورايد اورانيوم انجام مي شود جايگزين شيوه پخش گازي شده و بجاي آن استفاده مي گردد.

در غني سازي اورانيوم با روش سانتريفوژ گازي، از تعداد زيادي سيلندر دوار که به صورت موازي و سري کنارهم قرار داده شده اند استفاده مي شود. ماشينهاي سانتريفوژ جهت تشکيل "ترين ها" (trains) يا "مجموعه آبشارها يا کاسکادها" (سيستمهاي غني سازي دنباله اي) بهم مرتبط هستند.

اصول کلي روش سانتريفوژ گازي براي غني سازي اورانيوم اين دوران باعث ايجاد يک نيرو مرکزگريز مي شود بطوري که مولکولهاي گازي سنگين تر (که شامل اورانيوم 238 هستند) بطرف خارج سيلندر حرکت کرده و مولکولهاي گازي سبکتر (که شامل اورانيوم 235 است) در قسمت مرکزي (محور گردنده) جمع مي شوند.

گاز به داخل يک سري لوله هاي خلا تغذيه شده که هر يک شامل يک گردنده با بيش از دو متر طول و 20-15 سانتيمتر قطر هستند. وقتي که گردنده ها با سرعت بالا مي چرخند (rmpا 70000-50000) مولکولهاي سنگين تر حاوي اورانيوم 238 در لبه خارجي سيلندر متمرکز مي شوند. افزايش اورانيوم 235 نيز در نزديک مرکز وجود دارد. براي رسيدن به جداسازي موثر، به سانتريفوژهاي با سرعتهاي بالا نياز است. مراحل سانتريفوژ معمولاٌ شامل تعداد زيادي سانتريفوژ به صورت موازي است.

اين جريان گازي که کمي از اورانيوم 235 غني شده است بازگيري شده و به داخل مرحله بالاتر بعدي تغذيه مي شود ضمن اينکه جريان گازي کم تهي شده به مرحله پايين تر قبلي مجددا بازيابي مي شود. ميزان غني سازي اورانيوم 235 حاصل از يک مرحله تک واحدي سانتريفوژ گازي، بسيار بيشتر از ميزان آن در يک مرحله تک واحدي غني سازي پخش گازي است اما به تکنولوژي توسعه يافته اي براي توليد ماشينهاي سانتريفوژ نياز مي باشد. اين ماشينها بدليل سرعتهاي دوران مورد نياز در آنها، به مهندسي متالورژي پيچيده با دقت بالا و نياز دارند.

بخاطر ماهيت خورندگي UF6، تمام اجزايي که در تماس با اين ماده هستند بايد از مواد مقاوم در برابر خوردگي ساخته شوند. ظرفيت جداسازي يک سانتريفوژ تک واحدي، با طول گردنده و سرعت ديواره گردنده افزايش مي يابد. درنتيجه سانتريفوژهايي که داراي گردنده هاي يا روتورهاي پرسرعت و بلند باشند اهداف برنامه هاي توسعه سانتريفوژ هستند. در داخل يک سانتريفوژ گازي

مواد مناسب براي گردنده ها شامل آلياژهاي آلومينيم، تيتانيم، فولاد ماراژين (maraging steel) يا ترکيباتي که با برخي شيشه هاي خاصي تقويت مي شوند، فيبرهاي کربني هستند. درحال حاضر فولاد ماراژين متداول ترين ماده گردنه است.

براي مصارف غيرنظامي، اورانيوم طبيعي که شامل 0.7 درصد اورانيوم 235 است به حدود 5-3 درصد اورانيوم 235 غني شده و اورانيوم تهي شده شامل 0.3-0.2 درصد اورانيوم 235 مي باشد. اما براي کاربردهاي نظامي، اورانيوم بسيار غني شده (HEU) که شامل بيش از 20 درصد اورانيوم 235 است معمولاٌ توليد مي شود.

از زمان راه اندازي، يک سانتريفوژ مدرن بمدت بيش از 10 سال بدون نگهداري به کار خود ادامه مي دهد.

مجموعه آبشارها يا کاسکادهاي بزرگ سانتريفوژ گازي که در کشورهاي فرانسه، آلمان، بريتانيا، و چين مورد استفاده قرار مي گيرند براي توليد اورانيومي است که براي مصارف داخلي و نيز صادرات است. اما در مورد ژاپن اين موارد صرفا جهت مصرف داخلي است. يک نيروگاه سانتريفوژ گازي مهم، در پيکتون اوهايوي آمريکا واقع است. نمونه يک کاسکاد سانتريفوژ گازي واقع در آوک ريج (Oak Ridge) آمريکا

اين روش علاوه بر انرژي کمتر، به نيروگاه هاي با مقياس بمراتب کوچکتري نياز داشته و از اين جهت براي کشورهاي کوچکي که مبادرت به توليد سلاحهاي هسته اي مي نمايند داراي امکان پذيري اقتصادي است.

روسيه صنعت عظيم سانتريفوژ را از اتحاد جماهير سابق به ميراث برده است. گفته مي شد که عراق نيز اين روش را براي دستيابي به سلاحهاي هسته اي بکار گرفته بود. تصور مي شود که پاکستان بااستفاده از اين روش درحال ساخت يک کاسکاد کوچکتر جهت اهداف نظامي و توسعه سلاحهاي هسته اي خود است.

بايد توجه کرد که براي توليد تنها يک سلاح هسته اي در سال، به چندين هزار سانتريفوژ نياز مي باشد.

منبع : مجله اينترنتي ويژه انرژي هسته اي در ايران

كشف متحول كننده ابررساناهاي دما بالا در سال 1986 منجر به تحول و توليد نوع جديدي از كابلها در سيستمهاي قدرت شد. در ايالات متحده، اروپا و ژاپن رقابت سختي بر روي تجارت توليد آينده كابلهاي ابررسانائي وجود دارد. قابليت هدايت جريان برق در كابلهاي HTSبالغ بر 100 بار بيشتر از هاديهاي آلومينيومي و مسي متداول مي‌باشد. اندازه، وزن و مقاومت اين نوع كابلها از كابلهاي معمولي بهتر بوده و امروزه توليدكنندگان تجهيزات الكتريكي در سراسر دنيا سعي دارند با استفاده از تكنولوژي HTS باعث كاهش هزينه‌ها و افزايش ظرفيت و قابليت اطمينان سيستمهاي قدرت شوند.

کاربرد ابررسانا در ترانسفورماتورها
استفاده از مواد ابررسانا در سيم‌بندي ترانسفورماتورها باعث 50% كاهش در تلفات، وزن و ابعاد ترانسفورماتور نسبت به انواع متداول ترانسفورماتورهاي روغني شده و به علاوه تأثير قابل توجهي نيز در افزايش بازده، كاهش افت ولتاژ و افزايش ظرفيت اضافه بار ترانسفورماتور دارد. استفاده از ترانسفورماتورهاي ابررسانا با توجه به حجم كم و عدم استفاده از روغن براي خنك‌سازي، نقش قابل ملاحظه‌اي در بهبود فضاي شهري و كاهش هزينه‌هاي زيست محيطي خواهد داشت.

کاربرد ابررسانا در موتورها و ژنراتورها
درصورت استفاده از سيمهاي ابررسانا به جاي سيمهاي مسي در روتور ماشينهاي القايي، تلفات، حجم، وزن و قيمت آنها كاهش قابل ملاحظه‌اي خواهد داشت و با افزايش بازده، صرفه‌جويي قابل توجهي در انرژي الكتريكي صورت مي‌گيرد. كويل ژنراتورهاي سنكرون نيز با مواد ابررساناي سراميكي قابل ساخت مي‌باشد كه منجر به افزايش قابل توجهي در بازده ژنراتور خواهد شد. به علاوه تكنولوژي ابررسانا امروزه در ساخت كندانسورهاي سنكرون نيز كاربرد دارد. كندانسورهاي ابررسانا داراي بازده بيشتر، هزينه نگهداري كمتر و قابليت انعطاف بهتري هستند.

کاربرد ابررسانا در ذخیره سازهای مغناطیسی
در سيستم قدرت بين قدرتهاي الکتريکي توليدي و مصرفي تعادل لحظه‌اي برقرار است و هيچگونه ذخيره انرژي در آن صورت نمي‌گيرد. بنابراين توليد شبکه ناچار به تبعيت از منحني مصرف است كه غير اقتصادي مي‌باشد. ابرساناي ذخيره کننده انرژي مغناطيسي (SMES) وسيله‌اي است كه براي ذخيره کردن انرژي، بهبود پايداري سيستم قدرت و کم کردن نوسانات قابل استفاده مي‌باشد. اين انرژي توسط ميدان مغناطيسي که توسط جريان مستقيم ايجاد مي‌شود ذخيره مي‌شود. ابرساناي ذخيره کننده انرژي مغناطيسي هزاران بار قابليت شارژ و دشارژ دارد بدون اينکه تغييري در خواص مغناطيس آن ايجاد شود. ويژگي ابر رسانايي سيم پيچ نيز موجب مي‌شود که راندمان رفت و برگشت فرايند ذخيره انرژي بسيار بالا و در حدود 95% باشد. اولين نظريه‌ها در مورد اين سيستم در سال 1969 توسط فريه مطرح شد. وي طرح ساخت سيم‌پيچ مارپيچي بزرگي را که توانايي ذخيره انرژي روزانه براي تمامي فرانسه را داشت ارائه كرد که به خاطر هزينه ساخت بسيار زياد آن پيگيري نشد. در سال 1971 تحقيقات در آمريکا در دانشگاه ويسکانسين براي فهميدن بحثهاي بنيادي اثر متقابل بين انرژي ذخيره شده و سيستم‌هاي چند فاز به ساخت اولين دستگاه انجاميد. شركت هيتاچي در سال 1986 يک دستگاه SMES به ظرفيت 5 مگاژول را آزمايش کرد. در سال 1998 نيز ذخيره‌ساز 360 مگاژول توسط شركت ايستك در ژاپن ساخته شد. علاوه بر ذخيره‌سازي انرژي به منظور تراز منحني مصرف و افزايش ضريب بار، سيستم‌هاي مورد اشاره با اهداف ديگري نيز مورد توجه قرار گرفته‌اند. بروز اغتشاشهاي مختلف در شبکه قدرت از جمله تغييرات ناگهاني بار، قطع و وصل خطوط انتقال و … به عدم تعادل سيستم مي‌انجامد. در اين شرايط انرژي جنبشي محور ژنراتورهاي سنکرون مجبور به تأمين افزايش انرژي ناشي از اختلال هستند و درصورت حفظ پايداري ديناميكي، حلقه‌هاي کنترل سيستم فعال شده و تعادل را برقرار مي‌سازند. اين روند، نوسان متغيرهاي مختلف مانند فرکانس، توان الکتريکي روي خطوط و… را موجب مي‌شود که مشکلات مختلفي را در بهره برداري از سيستم قدرت به دنبال دارد. اما اگر در سيستم مقداري انرژي ذخيره شده باشد، با مبادله سريع آن با شبکه در مواقع مورد نياز مي‌توان مشکلات فوق را کاهش داد. با توجه به اينكه در اين سيستم انرژي از صورت الکتريکي به صورت مغناطيسي و يا بر عکس تبديل مي‌شود، ذخيره‌ساز ابررسانايي داراي پاسخ ديناميکي سريع مي‌باشد و بنابراين مي‌تواند در جهت بهبود عملکرد ديناميکي نيز به کار رود. معمولاً واحدهاي ابررسانايي ذخيره انرژي را در دو مقياس ظرفيت بالا يعني حدود 1800 مگاژول براي تراز منحني مصرف، و ظرفيت پايين (چندين مگا ژول) به منظور افزايش ميرايي نوسانات و بهبود پايداري سيستم مي‌سازند. سيم پيچ ابررسانا از طريق مبدل به سيستم قدرت متصل و شارژ مي‌شود و با کنترل زاويه آتش تريسيتورها ولتاژ DC دو سر سيم پيچ ابررسانا به طور پيوسته در بازة وسيعي از مقادير ولتاژهاي مثبت ومنفي قابل کنترل است. ورودي ذخيره‌ساز انرژي مي‌تواند تغييرات ولتاژ شبکه، تغيير فرکانس شبکه، تغيير سرعت ماشين سنکرون و… باشد و خروجي نيز توان دريافتي خواهد بود. مهم ترين قابليت SMESجداسازي و استقلال توليد از مصرف است که اين امر مزاياي متعددي از قبيل بهره برداري اقتصادي، بهبود عملکرد ديناميکي و کاهش آلودگي را به دنبال دارد. در کابرد AC جريان الکتريکي هنوز تلفات دارد اما اين تلفات مي‌تواند با طراحي مناسب کاهش پيدا کند. براي هر دوحالت کاري AC وDC انرژي زيادي قابل ذخيره‌سازي است. بهترين دماي عملكرد براي دستگاههاي مورد اشاره نيز 50 تا 77 درجه کلوين است.

کاربرد ابررسانا در محدودسازهای جریان خطا
علاوه بر موارد گفته شده، محدودسازهاي ابررسانائي جريان خطا يا SFCL نيز رده تازه‌اي از وسايل حفاظتي سيستم قدرت را ارائه مي‌كنند كه قادرند شبكه را از اضافه جريانهاي خطرناكي كه باعث قطعي پر هزينه برق و خسارت به قطعات حساس سيستم مي‌شوند حفاظت نمايند. اتصال كوتاه يكي از خطاهاي مهم در سيستم قدرت است كه در زمان وقوع، جريان خطا تا بيشتر از 10 برابر جريان نامي افزايش مي‌يابد و با رشد و گسترش شبكه‌هاي برق، به قدرت اتصال كوتاه شبكه نيز افزوده مي‌شود. توليد جريانهاي خطاي بزرگتر، ازدياد گرماي حاصله ناشي از عبور جريان القائي زياد در ژنراتورها، ترانسفورماتورها و ساير تجهيزات و همچنين كاهش قابليت اطمينان شبكه را در پي دارد. لذا عبور چنين جرياني از شبكه احتياج به تجهيزاتي دارد كه توانايي تحمل اين جريان را داشته باشند و جهت قطع اين جريان نيازمند كليدهايي با قدرت قطع بالا هستيم كه هزينه‌هاي سنگيني به سيستم تحميل مي‌كند. اما اگر به روشي بتوان پس از آشكارسازي خطا، جريان را محدود نمود، از نظر فني و اقتصادي صرفه‌جويي قابل توجهي صورت مي‌گيرد. انواع مختلفي از محدود كننده‌هاي خطا تا به حال براي شبكه‌هاي توزيع و انتقال معرفي شده‌اند كه ساده‌ترين آنها فيوزهاي معمولي است كه البته پس از هر بار وقوع اتصال كوتاه بايد تعويض شوند. از آنجاييكه جريان اتصال كوتاه در لحظات اوليه به خصوص در پريود اول موج جريان، داراي بيشترين دامنه است و بيشترين اثرات مخرب از همين سيكل‌هاي اوليه ناشي مي‌شود بايد محدودسازهاي جريان خطا بلافاصله بعد از وقوع خطا در مدار قرار گيرند. محدودكننده‌هاي جريان اتصال كوتاه طراحي شده در دهه‌هاي اخير، عناصري سري با تجهيزات شبكه هستند و وظيفه دارند جريان اتصال كوتاه مدار را قبل از رسيدن به مقدار حداكثر خود محدود نمايند به طوري كه توسط كليدهاي قدرت موجود قابل قطع باشند. اين تجهيزات در حالت عادي، مقاومت كمي در برابر عبور جريان از خود نشان مي‌دهند ولي پس از وقوع اتصال كوتاه و در لحظات اوليه شروع جريان، مقاومت آنها يكباره بزرگ شده و از بالا رفتن جريان اتصال كوتاه جلوگيري مي‌كنند. اين تجهيزات پس از هر بار عملكرد بايد قابل بازيابي بوده و در حالت ماندگار سيستم، باعث ايجاد اضافه ولتاژ و يا تزريق هارمونيك به سيستم نگردند. محدودسازهاي اوليه با استفاده از كليدهاي مكانيكي امپدانسي را در زمان خطا در مسير جريان قرار مي‌دادند. با ورود ادوات الكترونيك قدرت كليدهاي تريستوري براي اين موضوع مورد استفاده قرار گرفتند و مدارهاي متعددي از جمله مدارهاي امپدانس تشديد و ابررسانا، ارائه گرديده است. محدودكننده‌هاي ابررسانا در شرايط بهره‌برداري عادي سيستم يك سيم‌پيچ با خاصيت ابررسانايي بوده (مقاومت و افت ولتاژ كمي را باعث مي‌شود) ولي به محض وقوع اتصال كوتاه و افزايش جريان از يك حد معيني (جريان بحراني) سيم‌پيچ مربوط مقاومت بالايي از خود نشان مي‌دهد و به همين دليل جريان خطا كاهش مي‌يابد. عمل فوق در زمان كوتاهي انجام مي‌پذيرد و نياز به سيستم كشف خطا نمي‌باشد. برآورد اوليه بخش ابر رسانائي EPRI نشان مي‌دهد كه استفاده از محدودسازهاي ابررسانائي جريان يك بازار فروش با درآمد حدود 3 تا 7 ميليارد دلار در 15 سال آينده به وجود خواهد آورد.

سوئيچهاي ابررسانا

با تغيير در شدت ميدان مغناطيسي، امكان تغيير در وضعيت جسم ابررسانا از ابررسانايي به مقاومتي و برعكس امكانپذير است. بنابراين از مواد ابررسانا جهت انجام سوئيچينگ يا كليدزني نيز مي‌توان بهره گرفت. تحقيقات اوليه در اين زمينه از اواخر دهه 1950 ميلادي آغاز شد و كوششهايي براي استفاده از سوئيچهاي ابررسانا در مدارها و حافظه كامپيوترهاي بزرگ صورت گرفت. باك در سال 1956 مداري با نام كرايوترون شامل يك سيم‌پيچ نيوبيوم با دماي بحراني 3/9 درجه كلوين و هسته‌اي از سيم تانتالوم با دماي بحراني 4/4 درجه كلوين معرفي نمود كه با توجه دماي 2/4 درجه كلوين هليوم مايع، امكان تغيير وضعيت سيم تانتالوم در اثر ايجاد جريان الكتريكي و درنتيجه ميدان مغناطيسي در سيم‌پيچ نيبيوم وجود داشت. با توسعه دانش نيمه‌هادي، توجه به سوئيچهاي ابررسانا كاهش يافت اما حجم و تلفات كمتر، و سرعت بالاتر تراشه‌هاي ابررسانا نسبت به تراشه‌هاي نيمه‌هادي، استفاده از سلولهاي كرايوتروني و جايگزيني ابررسانا به جاي مدارهاي مسي را براي ساخت ابركامپيوترهاي بسيار سريع و كم تلفات، حتي با وجود پيشرفتهاي صنعت نيمه‌هادي توجيه‌پذير مي‌سازد. علاوه بر سلولهاي كرايوتروني كه با سرعت 1/0 ميكروثانيه در ساخت حافظه و تراشه‌هاي الكترونيك قابل استفاده است، از اتصالات جوزفسون كه مبناي عملكرد آنها، اثر تونل‌زني است نيز براي ساخت سوئيچهاي بسيار سريع و با سرعت 1/0 نانوثانيه (فركانس 10 گيگاهرتز) استفاده شده اما درمورد تكنولوژي ساخت آنها به تعداد زياد، پژوهشها ادامه دارد.

ابررساناها و ژنراتورهاي هيدروديناميك مغناطيسی

ژنراتورهاي هيدروديناميك مغناطيسي: اصول کلی ژنراتورهاي هيدروديناميك مغناطيسي (MHD) كه از سال 1959 پژوهشهايي براي توليد برق به وسيله آنها شروع شده و هنوز ادامه دارد، بر اين اساس است که جريان گاز پلاسما (بسيار داغ) يا فلز مذاب از ميان ميدان مغناطيسی قوی عبور داده مي‌شود. با عبور گاز داغ يا فلز مذاب، در اثر ميدان مغناطيسي بسيار قوي موجود، يونهای مثبت و منفی به سمت الکترودهايي که در بالا و پايين جريان گاز پلاسما يا فاز مذاب قرار دارند، جذب مي‌شوند و مانند يك ژنراتور جريان مستقيم، توليد الكتريسيته را باعث مي‌شوند. قدرت الکتريکی اين ژنراتور جريان مستقيم با اينورترهای الکترونيک قدرت، به برق جريان متناوب تبديل و به شبکه متصل مي‌شود. با توجه به هزينه بالاي توليد الكتريسيته در ژنراتورهاي MHD، استفاده از آنها تنها به منظور يكنواختي منحني مصرف در زمانهاي پرباري شبكه مفيد است. سيم‌پيچهاي بزرگ ابررسانا كه از مواد ابررساناي متعارف مانند آلياژ نيوبيوم تيتانيوم ساخته شده‌اند براي توليد ميدانهاي مغناطيسي بسيار قوي مناسب و قابل استفاده است. اگر فاصله دو الكترود 1/0 متر، سرعت يونها 400 متر بر ثانيه و ميدان مغناطيسي 5 تسلا باشد، ولتاژ خروجي 200 ولت خواهد بود و در طول كانال 6 متري و با قطر يك متر، 40 مگاوات انرژي قابل توليد است. مزيت اصلي ژنرتورهاي MHD وزن نسبتاً كم آنها در مقايسه با ژنراتورهاي متعارف است كه استقبال از كاربرد آنها را در صنايع هوايي و دريايي موجب شده است.

www.hts.blogfa.com