با عرض تبریک به سرکار خانم حورا لطفی و افسانه خواجه  ُ  ایشان به عنوان دارندگان بهترین آثار در جشنواره برترین های دانش آموزی فناوری نانو  کشور معرفی گردیدند...

برایشان آرزوی توفیق و سلامتی روز افزون داریم

آثار اين دانش پژوهان تا تاريخ  ۱۷ آبان ۱۳۸۸ در نمايشگاه بين المللي Iran Nano 2009 واقع در مصلي بزرگ امام خميني تهران در معرض ديد عموم مي باشد./

روابط عمومي شركت آتيه سازان فناوري نانو نقش جهان(آتنا تك) 

شرکت آتیه سازان فناوری نانو در نظر دارد دوره های آموزش از راه دور(مجازی)فناوری نانو را در سطح ملی برگزار کند!

هدف از برگزاری این دوره ها آموزش فناوری نانو به افرادیست که امکان حضور در کلاس را ندارند.

این دوره در 3 ترم مقدماتی،پیشرفته و تخصصی برگزار می گردد.

جزوات مربوطه از طریق پست و یا وب (انتخاب به دلخواه شما)ارسال می گردند.در پایان پس از آزمون پایان ترم اینترنتی به شرکت کنندگان در دوره گواهینامه به زبان انگلیسی اعطا خواهد شد.

لازم به ذکر است اساتید موسسه در طول دوره آماده پاسخگویی به سوالات علمی شما می باشند.

جهت ثبت نام مشخصات فردی و سوابق تحصیلی خود را به همراه یک آدرس ایمیل شخصی و یا شماره تماس به آدرسMfadaeimail@Gmail.com ارسال کنید.بدیهی است هماهنگی های بعدی از طریق ایمیل و یا تماس تلفنی با شما انجام می پذیرد.

با آرزوی بهترین ها برای شما

واحد آموزش

روش‌های تولید نانولوله‌های کربنی؛ 
روش تخلیه قوس الکتریکی

اولین روش تولید نانولوله‌ی کربنی، فرایند قوسی است که در سال 1991 توسط ایجیما(Iijima) در ژاپن پایه‌گذاری شد. با فاصله زمانی کمی این روش با فن سایش لیزری در دانشگاه رایس(Rices) توسعه یافت. در پنج سال اخیر روش رسوب گذاری شیمیایی (CVD)، روش متداول در رشد نانولوله‌ها شده است. شکل فرایند و رشد ایده‌آل، بستگی به کاربرد نانولوله‌ها دارد. برای کاربردهای کامپوزیتی و کاربردهای سازه‌ای، احتیاج به روشی است که بتواند در روز چندین تن تولید داشته باشد. بر خلاف این مورد در کاربردهای نانوالکترونیک، تشعشع میدانی، نمایشگرها و حسگرها نیاز به رشد کنترل شده (ضخامت معین) نمونه‌ها می‌باشد. روش‌های سنتز نانولوله‌های کربنی متنوع بوده و از جمله آن‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره نمود: 

1. تخلیه قوس الکتریکی (Arc Discharge)

2. سایش لیزری ( Laser ablation)

3. رسوب شیمیایی فاز بخار

4. روش الکترولیز

5. استفاده از انرژی خورشیدی (Solar Production)

در این میان، سه روش اول از اهمیت بیشتری برخوردار بوده و بیشتر از بقیه روش‌ها، برای تولید نانولوله‌های کربنی مورد استفاده قرار می‌گیرند. در ادامه به شرح روش تخلیه قوس الکتریکی پرداخته می‌شود و در سایر بخش‌ها روش‌های دیگر بررسی خواهد شد. 

1. روش تخلیه قوس الکتریکی 

این روش نخستین بار توسط ایجیما در سال 1993 برای تولید نانولوله‌های تک دیواره به کار گرفته شد. در سال 1997، ژُرنت (journet) و همکارانش با بهینه‌سازی پارامترهای فرایند، توانستند نانولوله‌های تک دیواره با خلوص و راندمان بالا به دست آورند. 

 

در این روش، از دو میله گرافیتی به عنوان الکترود (کاتد و آند) استفاده می‌شود. در امتداد محور آند حفره‌ای ایجاد شده و با مخلوطی از پودر گرافیت و کاتالیست پُر می‌گردد. کاتد و آند مطابق شکل 2، به صورت افقی درون یک رآکتور نصب می‌شوند. پس از برقراری خلأ مناسب و با ورود گاز هلیوم، یک جریان DC بین 50 تا 100 آمپر از میان دو الکترود گرافیتی عبور می‌کند و قوس الکتریکی بین دو الکترود ایجاد می‌گردد. گرمای زیاد حاصل از قوس الکتریکی، آند گرافیتی تو خالی را تبخیر و یونیزه می‌کند. کاتیون‌های کربن اتمی تولید شده، به طرف کاتد حرکت کرده و با گرفتن الکترون بر روی سطح کاتد شروع به رشد می‌کنند. علی‌رغم سهولت این روش در تولید نانولوله‌های کربنی، مقدار کربن آمورف تولید شده در این روش زیاد بوده و فرایند پیوسته نیست. همچنین اندازه الکترودها و رآکتور، راندمان واکنش را محدود می‌سازند. 


محصول روش قوس الکتریکی، معمولاً محتوی نانولوله‌های چنددیواره می‌باشد که به شرایط آزمایش مانند جریان قوس الکتریکی، فشار و نوع گاز بستگی دارد. در سال 2000، هویمینگ( Huiming) و همکارانش روشی را ارائه دادند که طی آن توانستند نانولوله کربنی تک‌دیواره با خلوص بالاتر به دست آورند. در این روش، از پودر گرافیت و کاتالیست‌های فلزی آهن، کبالت، نیکل، ایتریم و نیز گوگرد استفاده شد. نقش گوگرد در اینجا بهبود شرایط رشد نانولوله‌های کربنی است. در این روش، شکل رآکتور باید استوانه‌ای باشد و الکترودها نیز نباید بر هم عمود باشند بلکه باید زاویه‌ای بین 30 الی 80 درجه داشته باشند. تغییر این زاویه می‌تواند بر کیفیت و مورفولوژی محصول تأثیر داشته باشد (شکل 3). طی آزمایشات انجام شده مشخص شده است که محصول تولیدی قابلیت خوبی برای جذب و ذخیره‌سازی هیدروژن دارد. 



در روش قوس الکتریکی، فشار گاز، عامل مهمی در میزان راندمان است، به نحوی که بهترین راندمان تولید نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره در فشارهای بالا (بیش از 500torr) به دست آمده است. البته این راندمان به ولتاژ مورد استفاده نیز بستگی دارد.

برای تولید نانولوله‌های کربنی توسط روش تخلیه قوس الکتریکی، از عناصر فلزی مختلفی مثل گادولینیم، کبالت-پلاتین، کبالت-روتنیم، کبالت، نیکل-ایتریم، رودیم-پلاتین، کبالت-نیکل-آهن-سریم( Gd, Co-Pt, Co-Ru, Co, Ni-Y, Rh-Pt, Co-Ni-Fe-Ce ) به عنوان کاتالیست استفاده شده است. البته در آزمایشات مشخص شده که کاتالیست نیکل- ایتریم برای تولید نانولوله‌های تک‌دیواره، راندمان تولید را تا 90% افزایش می‌دهد. 

این روش نیاز به الکترودهای گرافیتی با خلوص بالا و ذرات فلزی و گازهای هلیوم، آرگون، یا هیدروژن با خلوص بالا دارد. به علاوه، محصول تولید شده توسط این روش، نیاز به عملیات خالص‌سازی نیز دارد. بنابراین، این روش، روش گرانی است.

تعاريف :
- Assembler : يك ماشين مولكولي كه قابل برنامه‌ريزي‌شدن به‌منظور ساخت هر ساختار مولكولي يا وسيله از واحدهاي ساختماني شيميايي كوچكتر مي‌باشد. مانند كارخانة توليد ماشين كه با كامپيوتر كنترل مي‌شود.
- Atomic Force Microscope : يك وسيله كه قادر است با پروب کردن (Probing) سطوح، از آنهـا تصاويـري بـا دقـت مولكولي تهيـه كنـد.اين وسيله در واقع يـك نـوع ميل نزديك‌شونده (Proximal Probe) است.
- Biomolecular Nanotechnology : نانوتكنولوژي بيومولكولي، نانوتكنولوژي مربوط به سيستمهاي زنده. اين تكنولوژي، نتيجة توانايي ما براي بكارگيري بيومولكولها بعنوان اجزاي نانوتكنولوژي مولكولي مي‌باشد.
- Bottom up : پايين به بالا. ساختن چيزهاي بزرگ از اجزاي ساختماني كوچكتر. نانوتكنولوژي به دنبال اينست كه اتمها و مولكولها را بعنوان اجزاي ساختماني بكار گيرد. مزيت طراحي پايين به بالا، اينست كه پيوندهاي كووالانسي كه در يك مولكول وجود دارد، بسيار قويتر از پيوندهاي شيميايي ضعيفي است كه مولكولها را به هم پيوند مي‌دهد.
- Brownion Assembly : حركت موجي در يك سيال باعث مي‌شود مولكولها در حالات مختلفي نسبت به همديگر قرار گيرند. اگر مولكولها داراي سطح تماس مناسب باشند، مي‌توانند با هم تركيب شده و به شكل يك ساختار خاص درآيند. Brownion Assembly يك اسم ظاهرا" بي‌معني براي self-assembly است (چگونه يك ساختار مي‌تواند خودش را بسازد، وقتي خودش هنوز وجود ندارد؟).
- Causality : قانون علت و معلول. عليت در فيزيك، قانوني است كه توسط انيشتن ارائه شده‌است و چنين بيان مي‌دارد كه اطلاعات نمي‌توانند با سرعتي بيش از سرعت نور حركت كنند. آيا اين قانون نقض شده‌است؟
- Definition of Scanning Probe Microscopy : تعريف ميكروسكوپي با ميل تصويربردار. روشي براي مشاهدة ساختار نانومتري سطوح كه در آن از نيروهاي با برد كوتاه مانند نيروهاي تونلي (Tunneling)، نيروهاي اتمي، مولكولي، موضعي و غيره استفاده مي‌شود.
- Denderimer : درخت‌سان. درخت‌سان، يك پليمر شاخه‌دار است و اسم آن از لغت يوناني dendra-tree گرفته شده‌است.
- Disassembler : سيستمي از نانوماشينها كه مي‌تواند تعداد كمي از اتمهاي يك شيُء را بطور جداگانه دريافت كرده و ساختار آن را در سطح مولكولي نشان دهد.
- Electron Beam : پرتو الكتروني. جرياني از الكترونها كه با سرعت يكسان در يك جهت حركت مي‌كنند. مي‌توان با شتاب‌دادن و هم‌جهت‌كردن الكترونها بين يك كاتد و يك آند كه بين آنها خلأ مي‌باشد، يك پرتو الكتروني را توليد نمود. شايد بيشترين پرتو الكتروني موجود، همانهايي باشند كه در لوله‌هاي اشعة كاتدي موجود در دستگاه تلويزيون ايجاد مي‌شوند. پرتوهاي الكتروني مبناي تصويربرداري ميكروسكوپي الكتروني (Scanning Electron Microscopy) و چاپ الكتروني (Electron Beam Lithography) مي‌باشند.
- Electron Beam Lithography (EBL) : چاپ الكتروني. روشي براي ساختن سطوح نانومتري بوسيلة قراردادن سطوح حساس الكتريكي در مسير يك پرتو الكتروني. اين روش شبيه چاپ نوري (Photolithography) است، اما الكترونها را بيشتر از فوتون‌ها بكار مي‌برد. از آنجا كه طول موج الكترون خيلي كمتر از فوتون است، لذا شكست نور، مانعي براي شفافيت نيست. هرچند EBL خيلي گرانتر از چاپ نوري بوده و قابل رقابت با آن نيست، اما شفافيت آن بالاتر بوده و اخيرا" براي ساخت ماسكهاي ليتوگرافيكي بكار مي‌رود.
- Magnetic Force Microscopy (MFM) : ميكروسكوپي با نيروي مغناطيسي. يك روش براي مشاهدة مواضع مغناطيسي موضعي نزديك يك سطح.
- Micro-Electrohanical Systems (MEMS) : سيستمهاي ميكروالكتروني (که اغلب با نام ميكروسيستمها "MST" شناخته مي‌شوند) الكترونيك را با وسايل مكانيكي ميكرومتري تركيب كرده و ماشين‌آلات ميكروسكوپي را بوجود مي‌آورند. سيستمهاي نانوالكتروني (MEMS) به لحاظ كوچكتربودن، مهمتر بوده و يكي از اهداف نانوتكنولوژي مي‌باشند.
- Molecular Electronics : الكترونيك مولكولي. اين روزها هر سيستمي كه داراي وسايل الكتروني دقيق در مقياس نانومتري باشد، بخصوص اگر بيشتر از بخشهاي مولكولي مجزا ساخته شده‌باشد تا مواد به‌هم پيوسته، جزء وسايل نيمه‌هادي شناخته مي‌شود.
- Molecular Manipulator : سازندة مولكولي. وسيله‌ا‌ي شامل يك مكانيسم ميل‌محوري که داراي يك پوستة مولكولي روي يك سوزن مي‌باشد. وبراي استقرار دقيق مولكولها به کار مي‌رود. اين وسيله مي‌تواند بعنوان مبناي ايجاد ساختارهاي پيچيده بوسيلة آناليز مكاني مورد استفاده قرار گيرد.
- Molecular Manufacturing : ساخت مولكولي. ساخت با ماشين‌آلات مولكولي و كنترل مولكول به مولكول توليد از طريق آناليز شيميايي مکاني .
- Molecular hanics : مكانيك مولكولي. يك برنامة مكانيك مولكولي توسط نرمن آلينگر و همكارانش بوجود آمد؛ مدل MM2 يك تابع انرژي پتانسيل مولكولي است كه توسط روابط ، قوانين و پارامترهاي موجود در برنامه توضيح داده مي‌شود.
- NEMS : سيستمهاي نانو الكترومكانيكي. MEMS در مقياس نانومتري.
- Nano : يك پيشوند به معني9-10 يا يك‌ميلياردم.
- Nano Computer : نانوكامپيوتر. كامپيوتر ساخته‌شده از اجزاء (مكانيكي، الكترونيكي يا ساير مواد) در مقياس نانومتري.
- Nanoelectronics : نانوالكترونيك. الكترونيك در مقياس نانومتري، چه بوسيلة روشهاي معمولي ايجادشده باشد، چه توسط نانوتكنولوژي كه شامل الكترونيك مولكولي و وسايل با مقياس نانو باشد، مانند وسايل نيمه‌هادي امروزي.
- Nanoimprinting : نانوچاپ. گاهي چاپ نرم (Soft lithography) ناميده مي‌شود. روشي كه در اصل بسيار ساده بوده و بطور كل قابل مقايسه با چاپ قالبي مي‌باشد، اما در اين روش از قالبهايي در مقياس نانومتري استفاده مي‌شود . دو نوع نانوچاپ وجود دارد: يكي روشي كه از فشار براي ايجاد اثر قالبها روي سطح استفاده مي‌كند و ديگري كه شباهت بيشتري با printing press دارد و اساس آن استفاده از جوهر براي ايجاد اثر قالب روي سطح مي‌باشد. روشهاي ديگر مانند سياه‌قلم (etching) ممكن است در آينده ارائه شوند.
- Nano Lithography : نوشتن در مقياس نانو. اين كلمه از لغات يوناني nanos-dwarf ، lithos-rocks و grapho-to write حاصل شده‌است. اين لغت بطور تحت‌اللفظي به معناي "ريزنوشتن بر روي سنگ" مي‌باشد.
- Nano Machine : نانوماشين. يك ماشين مولكولي مصنوعي كه با ساخت مولكولي توليد مي‌شود.
- Nanomanufacturing : نانوساخت. شبيه ساخت مولكولي است.
- Nanotube : نانولوله. يك ساختار تك‌بعدي با شكل استوانه‌ا‌ي (يك شبكة محدب از اتمها که فقط شكلهاي 5 يا 6 وجهي دارند). نانولوله‌هاي كربني در سال 1991 توسط سوميو ايجيما كشف شدند كه مانند گرافيت لوله شده‌بودند. البته آنها را نمي‌توان واقعا" از اين طريق توليد كرد. نانولوله‌ها بر حسب جهتي كه لوله شوند، ممكن است به صورت هادي يا نيمه‌هادي عمل كنند. نانولوله‌ها نمونه‌ا‌ي از كاربرد تركيبات مولكولي در نانوتكنولوژي مي‌باشند.
- Nuclear Magnetic Resonance (NMR) : ارتعاش مغناطيسي هسته‌ا‌ي. يك روش تجزيه‌ا‌ي با كاربردهاي فراوان كه براي بررسي اتمي و اطلاعات ساختاري مولكولها بكار مي‌رود. اين روش شامل بكارگيري يك ميدان مغناطيسي قوي روي يك نمونه و اندازه‌گيري نحوة پاسخ‌دهي آن به امواج راديويي مي‌باشد (هرچه ميدان قوي‌تر باشد، نتايج واضح‌تر است). نحوة پاسخ بستگي به ميزان جذب امواج توسط هسته‌ها به علت موقعيت اسپيني آنها دارد.
- Optical Tunneling : يك پديـدة مكانيك كوانتومي منتـج از تغييـر موضع فوتـون، كه باعث عبور نور از موانعي مانند يك سطح مشترك مي‌شود. احتمالا" اسحاق نيوتن اولين كسي بود كه اين پديده را مشاهده و ثبت نمود. اخيرا" اين اصل جهت غلبه بر دو محدوديت تئوري نور مورد استفاده قرار گرفته‌است. اين دو محدوديت عبارتند از "محدوديت سرعت" و "محدوديت شكست ميدان دور" (far-field diffraction limit).
- Photolithographic Mask : يك شابلون مورد استفاده در ليتوگرافي نوري كه باعث مي‌شود که سطوح حساس به نور به طور انتخابي در معرض نور قرار گيرند.
- Photolithography : ليتوگرافي نوري. كنده‌كاري با بكارگيري نور. اغلب با بكارگيري يك شابلون، سطح حساس به نور را به‌طور انتخابي در معرض نور قرار مي‌دهند و منطقة در معرض نور قرارگرفته، قلم‌كاري مي‌شود (كنده‌كاري به مفهوم شيميايي صورت مي‌گيرد).
- Positional Synthesis : آناليز موضعي. كنترل واكنشهاي شيميايي بوسيلة تعيين دقيق موضع مولكولهاي واكنش‌دهنده. مبناي اصلي اسمبل‌كننده‌ها.
- Proximal Probs : ميلهاي نزديك‌شونده. يك مجموعه از وسايل با توانايي كنترل و تشخيص موضعي ريز، شامل تصويربرداري تونلي و ميكروسكوپهاي با نيروي اتمي؛ بطور كل يك تكنولوژي توانا در نانوتكنولوژي است.
- Quantum Computer : كامپيوتر كوانتومي. يك كامپيوتر كه به علت داشتن اجزاء مولكولي، اتمي و نانومتري داراي مزاياي خواص مكانيك كوانتومي مي‌باشد. كامپيوترهاي كوانتومي ممكن است در آينده‌ا‌ي نه‌چندان دور، صنعت كامپيوتر را دگرگون سازند.
- Quantum Dot : نقطة كوانتومي. يك وسيلة بسيار كوچك كه اضافه يا كم‌كردن يك الكترون باعث ايجاد تغيير قابل ملاحظه‌ا‌ي در آن شود.
- Quantum Mirage : سراب كوانتومي. يك خاصيت با مقياس نانو كه انتقال اطلاعات را در حين بكارگيري خاصيت موجي الكترونها، ممكن مي‌سازد. بنابراين كامپيوترهاي كوانتومي ممكن است به كابل بدان صورت كه ما مي‌شناسيم، احتياج نداشته‌باشند.
- Replication :همانند سازي. مكانيسمي كه براي كپي‌برداري از اطلاعات ژنتيكي سيستمهاي زنده بكار مي‌رود.
- Replicator : همانندساز. در بحث تكامل، يك همانندساز عبارتست از ماهيتي كه قابليت كپي‌كردن خود را داشته‌باشد (مانند ژن يا محتويات يك ديسك كامپيوتري). اين كپي شامل تمام تغييراتي است كه بر سر آن ماهيت آمده‌است. در يك ديد وسيعتر، يك همانندساز سيستمي است كه مي‌تواند خود را كپي كند ولي لازم نيست كه تمام تغييراتي را كه متحمل شده‌است، كپي نمايد. ژنهاي يك خرگوش از ديدگاه اول، همانندساز هستند (يعني تغييرات ژنتيكي به ارث برده مي‌شوند). خرگوش به خودي خود يك همانندساز است، اما فقط از ديدگاه دوم. يك شكاف ايجادشده در گوش خرگوش به ارث برده نمي‌شود.
- Restriction Enzyme : آنزيم مانع. هر آنزيمي كه DNA را در محلهاي خاصي قطع كند. اين آنزيم به بيولوژيست‌ها اين اجازه را مي‌دهد تا مواد ژنتيكي را به DNA وارد و يا از آن خارج سازند.
- Scanning Capacitance Microscopy : روشي براي نقشه‌برداري از ظرفيت موضعي يك سطح.
- Scanning Force Microscopy : روشي براي مشاهدة توپوگرافي نانومتري و ساير خواص يك سطح.اين روش همچنين به‌ نام Atomic Force Microscopy(AFM) نيز ناميده مي‌شود.
- Scanning Near Field Optical Microscopy : روشي براي مشاهدة خواص نوري موضعي يك سطح كه ممكن است كوچكتر از طول موج نور بكاررفته باشند.
- Scanning Thermal Microscopy : روشي براي مشاهدة دماهاي محلي و گراديان دما در يك سطح.
- Scanning Tunneling Microscopy : وسيله‌ا‌ي جهت عكسبرداري از سطوح هادي با دقت اتمي، اين وسيله براي اتصال مولكولها به يك سطح بكار مي‌رود.
- Self-Assembler : خودچيدمان. يك نوع خاص از همانندسازها كه اقدام به خودچيدماني مي‌نمايند بدون اينكه به انرژي خارجي يا اطلاعات ورودي نياز داشته‌باشند. در يك خودچيدمان، انتخاب مواد شروع (ورودي)، تعيين‌كنندة فرآيند بوده و اين مرحله هميشه در سطح انرژي بالاتري نسبت به محصول (خروجي) قرار دارد.
- Self-Assembly : خودچيدماني. يك روش ساخت كه در آن اجزاء در يك محصول، فاز گاز يا يك سطح مشترك تا رسيدن به حداقل انرژي بطور خودبه‌خود رشد يافته و تكثير مي‌شوند. اجزاء در يـك ساختـار خودچيدمانـي، موضـع قرارگيري خـود را بـر حسـب خـواص ساختـاري خويش (يا خواص شيميايي در سطح اتمي يا مولكولي) مي‌يابند. نيروي فعاليت لازم توسط اختلاف انرژي بين حالت اوليه و نهايي ايجاد مي‌شود. خودچيدماني فقط به مقياس مولكولي محدود نمي‌شود و مي‌توان آن را در هر مقياسي اجراء نمود و اين امر باعث شده‌است كه اين تكنيك، يك روش قوي توليد پايين به بالا (Bottom-up) در نانوتكنولوژي شود.
- Self-Replication : خود همانندسازي . عمل همانندسازي اشياء توسط خودشان مانند توليد بيولوژيكي است، با اين تفاوت كه اشياء خودهمانندسازي مي‌توانند كپي‌هاي دقيقي از خود ايجاد نمايند.
- Single Electron Transfer : انتقال تك‌الكترون. حضور يك الكترون در يك زمان بين دو الكترود. در حاليكه وسايل الكترونيكي معمولي با توده‌ا‌ي از الكترونها كار مي‌كنند، مدارهاي نانوالكتروني مي‌توانند با تعداد اندكي يا حتي يك الكترون فعاليت كنند.
- Superposition : سوپرموضع. يك پديدة مكانيك كوانتومي كه در آن يك شيء مي‌تواند بطور همزمان در دو موقعيت وجود داشته‌باشد.
- Top-Down : بالا به پايين. مدل‌كردن و ساختن مواد كوچك با بكارگيري وسايل بزرگتري به ترتيب مانند دست، ابزار و اشعة ليزر.

نحوه آزاد شدن انرژی هسته‌ای می‌دانیم که هسته از پروتون (با بار مثبت) و نوترون (بدون بار الکتریکی) تشکیل شده است. بنابراین بار الکتریکی آن مثبت است. اگر بتوانیم هسته را به طریقی به دو تکه تقسیم کنیم، تکه‌ها در اثر نیروی دافعه الکتریکی خیلی سریع از هم فاصله گرفته و انرژی جنبشی فوق العاده‌ای پیدا می‌کنند. در کنار این تکه‌ها ذرات دیگری مثل نوترون و اشعه‌های گاما و بتا نیز تولید می‌شود. انرژی جنبشی تکه‌ها و انرژی ذرات و پرتوهای بوجود آمده ، در اثر برهمکنش ذرات با مواد اطراف ، سرانجام به انرژی گرمایی تبدیل می‌شود. مثلا در واکنش هسته‌ای که در طی آن 235U به دو تکه تبدیل می‌شود، انرژی کلی معادل با 200MeV را آزاد می‌کند. این مقدار انرژی می‌تواند حدود 20 میلیارد کیلوگالری گرما را در ازای هر کیلوگرم سوخت تولید کند. این مقدار گرما 2800000 بار برگتر از حدود 7000 کیلوگالری گرمایی است که از سوختن هر کیلوگرم زغال سنگ حاصل می‌شود. 

کاربرد حرارتی انرژی هسته‌ای 
گرمای حاصل از واکنش هسته‌ای در محیط راکتور هسته‌ای تولید و پرداخته می‌شود. بعبارتی در طی مراحلی در راکتور این گرما پس از مهارشدن انرژی آزاد شده واکنش هسته‌ای تولید و پس از خنک سازی کافی با آهنگ مناسبی به خارج منتقل می‌شود. گرمای حاصله آبی را که در مرحله خنک سازی بعنوان خنک کننده بکار می‌رود را به بخار آب تبدیل می‌کند. بخار آب تولید شده ، همانند آنچه در تولید برق از زعال سنگ ، نفت یا گاز متداول است، بسوی توربین فرستاده می‌شود تا با راه اندازی مولد ، توان الکتریکی مورد نیاز را تولید کند. در واقع ، راکتور همراه با مولد بخار ، جانشین دیگ بخار در نیروگاه‌های معمولی شده است. 
سوخت راکتورهای هسته‌ای 
ماده‌ای که به عنوان سوخت در راکتورهای هسته‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد باید شکاف پذیر باشد یا به طریقی شکاف پذیر شود.235U شکاف پذیر است ولی اکثر هسته‌های اورانیوم در سوخت از انواع 238U است. این اورانیوم بر اثر واکنشهایی که به ترتیب با تولید پرتوهای گاما و بتا به 239Pu تبدیل می‌شود. پلوتونیوم هم مثل 235U شکافت پذیر است. به علت پلوتونیوم اضافی که در سطح جهان وجود دارد نخستین مخلوطهای مورد استفاده آنهایی هستند که مصرف در آنها منحصر به پلوتونیوم است.

میزان اورانیومی که از صخره‌ها شسته می‌شود و از طریق رودخانه‌ها به دریا حمل می‌شود، به اندازه‌ای است که می‌تواند 25 برابر کل مصرف برق کنونی جهان را تأمین کند. با استفاده از این نوع موضوع ، راکتورهای زاینده‌ای که بر اساس استخراج اورانیوم از آب دریاها راه اندازی شوند قادر خواهند بود تمام انرژی مورد نیاز بشر را برای همیشه تأمین کنند، بی آنکه قیمت برق به علت هزینه سوخت خام آن حتی به اندازه یک درصد هم افزایش یابد. 
مزیتهای انرژی هسته‌ای بر سایر انرژیها 
بر خلاف آنچه که رسانه‌های گروهی در مورد خطرات مربوط به حوادث راکتورها و دفن پسماندهای پرتوزا مطرح می‌کند از نظر آماری مرگ ناشی ازخطرات تکنولوژی هسته‌ای از 1 درصد مرگهای ناشی از سوختن زغال سنگ جهت تولید برق کمتر است. در سرتاسر جهان تعداد نیروگاههای هسته‌ای فعال بیش از 419 می‌باشد که قادر به تولید بیش از 322 هزار مگاوات توان الکتریکی هستند. بالای 70 درصد این نیروگاه‌ها در کشور فرانسه و بالای 20 درصد آنها در کشور آمریکا قرار دارد. 
همجوشی خورشید و ستارگان 
سالهاست که دانشمندان واکنشی را که در خورشید و ستارگان رخ داده و در آن انرژی تولید می کند کشف کرده اند. این واکنش عبارت است از ترکیب (برخورد) هسته های چهار اتم هیدروژن معمولی و تولید یک هسته اتم هلیوم.اما مشکلی سر راه این نظریه است. 
بالا ترین دمایی که در خورشید وجود دارد مربوط به مرکز آن است که برابر 15ضرب در 10 به توان 6 می باشد.در حالی که در ستارگان بزرگتر این دما به 20 ضرب در ده به توان 6 می رسد. به همین خاطر تصور بر این است که آن واکنش معروف ترکیب چهار اتم هیدروژن معمولی و تولید یک اتم هلیم در سایر ستارگان بزرگ نیست که باعث تولید انرژی می شود. بلکه احتمالا چرخه کربن در آنها به کمک آمده و کوره آنها را روشن نگه می دارد.منظور از چرخه کربن آن چرخه ای نیست که روی زمین اتفاق می افتد. بلکه به این صورت است که ابتدا یک اتم هیدروژن معمولی با یک اتم کربن C12 ترکیب می شود (همجوشی) و یک اتم N13 به علاوه یک واحد گاما را آزاد می کند. بعد این اتم با یک واپاشی به یک اتمC13به علاوه یک پوزیترون و یک نوترینو تبدیل می شود.بعد اینC13دوباره با یک اتم هیدروژن ترکیب می شود وN14و یک واحد گاما حاصل می شود.دوباره در اثر ترکیب این نیتروژن با یک هیدروژن معمولی اتمO15و یک واحد گاما تولید می شود.O15واپاشی کرده و N15به علاوه یک پوزیترون ویک نوترینو را بوجود میاورد.و دست آخر با ترکیب N15با یک هیدروژن معمولیC12به علاوه یک اتم هلیوم بدست می آید. 
محصور سازی 
مشکلی اساسی سر راه همجوشی هسته‌ای است ; می دانیدهسته ازذرات ریزی تشکیل شده است که پروتون ونوترون جزءلاینفک آن هستند.نوترون بدون بار وپروتون با بار مثبت که سایربارهای مثبت رابه شدت از خود میراند.مشکل مشخص شد؟ بله…اگرپروتونها (هسته های هیدروژن) یکدیگررادفع میکنند چگونه میتوان آنهارا در همجوشی شرکت داد؟ 
همانطورکه حدس زدید راه حل اساسی آن است که به این پروتونها آنقدر انرژی بدهیم که انرژی جنبشی آنها بیشتر از نیروی رانش کولنی آنها شود و پروتونها بتوانند به اندازه کافی به هم نزدیک شوند. حال چگونه این انرژی جنبشی را تولید کنیم؟ گرما راه حل خوبیست. در اثر افزایش دما جنب و جوش وبه عبارت دیگرانرژی جنبشی ذرات بیشتر و بیشتر میشود به طوری که تعداد برخوردها و شدت آنها بیشتر و بیشتر میشود.به نظر شما آیا دیگر مشکلی وجود ندارد؟ خیر,مسئله اساسیتری سر راه است. 
یک سماور پر از آب را تصور کنید.وقتی سماور را روشن می کنید با این کار به آب درون سماور گرما میدهید(انرژی منتقل می کنید).در اثر این انتقال انرژی دمای آب رفته رفته بالاتر می رود و به عبارتی جنب و جوش مولکولهای آب زیاد می شود.در این حالت بین مولکولهای آب برخوردهایی پدید می آید.هر مولکول که از شعله(یا المنت یا هر چیز دیگری)مقداری انرژی دریافت کرده است آنقدر جنب و جوش می کند تا بالاخره (به علت محدود بودن محیط سماور و آب)انرژی خود رابه دیگری بدهد.مولکول بعدی نیز به نوبه خود همین عمل را انجام میدهد.بدین ترتیب رفته رفته انرژی منبع گرما در تمام آب پخش می شود و دمای آب بالا میرود.خوب یک سوال:آیا وقتی بدنه سماور را لمس می کنیم هیچ گرمایی حس نمی کنیم؟…بله حس میکنیم.دلیلش هم که روشن است.برخورد مولکولهای پر انرژی آب با بدنه سماور و انتقال انرژی خود به آن.هدف ما از روشن کردن سماور گرم کردن آب بود نه سماور.امیدوارم تا اینجا پاسخ اولین مشکل اساسی بر سر راه همجوشی را دریافت کرده باشید.بله اگر اگر با صرف هزینه و زحمت بالا سوخت را به دمایی معادل میلیونها درجه کلوین برسانیم آیا این اتمها آنقدر صبر خواهند کرد تا با دیگر اتمها وارد واکنش شوند یا در اولین فرصت انرژی بالای خود را به دیواره داده وآن را نا بود میکند؟(...شما بودید چه می کردید؟؟؟...).بنابر این نیاز به ((محصور سازی)) داریم; یعنی باید به طریقی اجازه ندهیم که این گرما به دیواره منتقل شود. 
رسیدن به دمای بالا 
شروع واکنش همجوشی به دمای بسیار بالایی نیازمند است.درست است که دمای پانزده میلیون درجه دمای بسیار بالایست و تصور بوجود آوردنش روی زمین مشکل و کمی هم وحشتناک می باشد ولی معمولا در زندگی روزمره دور و برمان دماهای خیلی بالایی وجود دارند و ما از آنها غافلیم.مثلا وقتی در اثر اتصالی سیمهای برق داخل جعبه تقسیم میسوزد وشما صدای جرقه آنرا میشنوید و پس از بررسی متوجه می شوید که کاملا ذوب شده فقط به خاطر دمای وحشتناکی بوده که آن تو به وجود آمده.شاید باور نکنید ولی این دما به حدود سی-چهل هزار درجه کلوین میرسد.البته این دما برای همجوشی حکم طفل نی سواری را دارد.یا اینکه می توانیم با استفاده از ولتاژهای بسیار بالا قوسهای الکتریکی را از درون لوله های مویین عبور بدهیم.به این ترتیب دمای هوای داخل لوله که اکنون به پلاسما تبدیل شده به نزدیک چند میلیون درجه می رسد.(که باز هم برای همجوشی کم است).یکی از بهترین راهها استفاده از لیزر است.می دانید که لیزرهایی با توانهای بسیار بالا ساخته شده اند.مثلا نوعی از لیزر به نام لیزر نوا(NOVA)می تواند در مدت کوتاهی انرژی ای معادل ده به توان پنج ژول تولید کند.اما بازهم در کنار هر مزیت معایبی هست.مثلا این لیزر تبعا انرژی زیادی مصرف میکند که حتی با صرف نظر از آن مشکل دیگری هست که میگوید اگر انرژی تولیدی لیزر در آن مدت کوتاه باید تحویل داده بشود پس برای برقرار ماندن معیار لاوسن (حالا که مدت زمان محصور سازی پایین آمده)باید چگالی بالا تر برود.که در این مورد از تراکم و چگالی جامد هم بالا تر میرود. 
انواع واکنشها 
برای بهینه سازی کار رآکتورهای همجوشی و افزایش توان خروجی آنها راههای متعددی وجود دارد.یکی از این راهها انتخاب نوع واکنشیست که قرار است در رآکتور انجام بشود. 
ظبق تصویر زیر نوعی از واکنش همجوشی بصورتیست که در آن دو هسته سبک با یکدیگر واکنش داده و یک هسته سنگین تر را بوجود میاورند.یعنی حاصل ترکیب دو هسته دوتریم و تولید یک هسته ترتیم به علاوه یک هسته هیدروژن معمولیست. این واکنش انرژی ده می باشد.چون تفاوت انرژی بستگی هسته سنگین تر وهسته های سبکتر مقداری منفیست. 
در این واکنش مقدار انرژی ای تولیدی برابر4MeVمی باشد. 
قبلا گفته شد که باید برای انجام همجوشی هسته ها به اندازه کافی به هم نزدیک بشوند.این مقدار کافی حدودا معادل3fmمی باشد.چون در این فاصله ها انرژی پتانسیل الکترواسناتیکی دو دوترون در حدود 0.5MeVهست پس می توانیم با این مقدار انرژی دادن به یکی از دوترونها دافعه کولنی بین دوترونها ر شکسته و واکنش را شروع کنیم که بعد از انجام مقدار4.5MeVتولید می شود.(0.5MeVانرژی جنبشی به علاوه 4MeVانرژی آزاد شده) 
می توانیم رآکتور خود را طوری طراحی کنیم که دور دیواره بیرونی آن لیتیم مایع تحت فشار جریان داشته باشد.این لیتیم مایع گرمای تولیدی اضافی را از واکنش گرفته و به آب منتقل می کند و با تبدیل آن به بخار باعث می شود که توربین و ژنراتور به حرکت درآیند و برق تولید بشود. 
اما چرا لیتیم؟ 
قبلا دیدید که مقرون به صرفه ترین واکنش در رآکتور همجوشی واکنش دوتریم . ترتیم است.در این واکنش دیدید که یک نوترون پر انرژی تولید می شد.این مساله یعنی نوترون زایی می تواند سبب تضعیف بخشهایی از رآکتور شود.از طرفی برای محیط زیست و مخصوصا سلامتی کسانی که در اطراف رآکتور فعالیت می کنند بسیار مضر است.اما اگر لیتیم را به عنوان خنک کننده داشته باشیم این جریان لیتیم همچنین نقش مهم کند کنندگی را بازی خواهد کرد.به این صورت که با نوترون اضافی تولید شده در واکنش ترکیب شده و سوخت گران قیمت و بسیار کمیاب رآکتور رو که همان ترتیم است تولید می کند.واکنش دقیق آن به شکل زیر است.البته در این مورد باید ضخامت لیتیم مایع در جریان حداقل یک متر باشد. 
انواع رآکتور 
توکامک یکی از انواع رآکتورهای همجوشی هسته ایست که عمل محصورسازی را به خوبی انجام میدهد.طرح توکامک در دهه پنجاه میلادی توسط روسها پیشنهاد شد. واژه توکامک از واژه های "toroidalnaya", "kamera", and "magnitnaya" به معنی " اتاقک مغناطیسی چنبره ای" گرفته شده است. 
یکی از دلایل و توجیحاتی که برای چنبره ای بودن محفظه های محصور سازی می شود بیان کرد این است که : توپ پر مویی را تصور کنید که شما قصد دارید موهای این توپ را شانه بزنید. شما هر طور و از هر طرف که بخواهید این کار بکنید همیشه دو طرف از موهای توپ شانه نشده و نامنظم باقی می ماند.حال به جای توپ فرض کنید که یک کره مغناطیسی داریم .میخواهیم که بردارهای میدان در سراسر اطراف این کره یکنواخت و منظم باشند(در واقع همه در یک جهت باشند).بنا به مثال این کار غیر ممکن بوده ونا منظمی در دو طرف کره باعث عدم پایداری محصور ساز می شود.ولی در یک محصور ساز چنبره ای چنین مشکلی وجود ندارد و یکنواختی میدان سراسر محصور ساز(توکامک)باعث پایداری آن می شود.مهم ترین و حیاتی ترین وظیفه یک ابزار همجوشی پایدار نگه داشتن پلاسما است. 
اسفرومک 
اسفرومک نوع دیگری از رآکتورهای همجوشیست که بر خلاف توکامک که چنبره ایست شکلی کروی دارد.البته تفاوت اسفرومک با توکامک در این است که در مرکز اسفرومک هیچ جسم مادی ای وجود ندارد. 
اسفرومک متاسفانه با بی مهری مواجه شد و به اندازه توکامک مورد توجه واقع نشد.در حالی که اسفرومک مدت زیادی بعد از توکامک اختراع شد. 
در دهه گذشته اغلب تحقیقات در بخش انرژی همجوشی مغناطیسی روی توکامک چنبره ای شکل برای رسیدن به واکنشهای همجوشی در سطح بالا متمرکز شده است. 
کار توکامک در ایالات متحده وخارج آن ادامه دارد ولی سازمان دانشمندان انرژی همجوشی در حال بازدید از اسفرومک هستند. 
قسمت زیادی از علاقه تجدید شده به پروژه اسفرومک روی تحقیقات فعالی در لاورنس لیورمور در گروهی به نام SSPX (Sustained Spheromak Physics Experiment) متمرکز شده است.SSPX در 14ژوئن 1999 در مراسمی با حضور نماینده ای از DOE و با همکاری دانشمندانی از Sandia و آزمایشگاه ملی لس آلاموس آغاز به کار کرد.SSPX یک سری از از آزمایشات است که برای این طراحی شده که توانایی اسفرومک را در این مورد که اسفرومک چقدر این کیفیت را داراست که پلاسما های داغ سوخت همجوشی را درون خود داشته باشد مشخص کند . 
به عقیده رهبر پروژه SSPX آقای David Hill توکامک با دمای بالایی که در آن قابل دسترسیست (بیشتر از 100میلیون درجه سلسیوس که بارها بیشتر از دمای مرکز خورشید است)فعلا برنده جریان رهبری پروژه های همجوشی به حساب می آید.با این حال میدانهای مغناطیسی توکامک بوسیله کویل (سیم پیچ) های بیرونی بسیار بزرگ که چنبره رآکتور را کاملا احاطه می کنند تولید می شوند.این کویل های بسیار بزرگ هزینه بسیار زیاد و بی نظمی و اختلالاتی در کار رآکتور خواهند داشت. 
در حالی که اسفرومک ها پلاسمای بسیار داغ را در یک سیستم میدان مغناطیسی ساده و فشرده که فقط از یک سری ساده از کویل های کوچک پایدار کننده استفاده میکند بوجود می آورد.میدانهای مغناطیسی قوی لازم درون پلاسما با چیزی که دینام مغناطیسی نامیده می شود تولید می شوند. 
انرژی‌ده کردن 
می دانید درنوعی از رآکتورهای شکافت هسته ای بوجود آوردن زنجیره واکنشها بوسیله برخورد دادن یک نوترون پر انرژی با هسته یک اتم اورانیم235 انجام می شود.به این صورت که وقتی که این نوترون وارد هسته اتم اورانیوم235 می شود آن را به یک هسته اورانیم236 تبدیل میکند.از آنجا که این هسته ناپایدار است به سرعت واپاشی می کرده و اتمهای سبکتری به همراه سه نوترون پر انرژی دیگر را تولید می کند. 
توضیح کاملتر اینکه در هسته های سنگین پایدار مثل اورانیوم بین نیروهای الکترواستاتیکی که مایل هستند ذرات تشکیل دهنده اتم را از هم دور کنند و نیروی هسته ای که آنها را کنار هم نگه میدارد تعادل بسیار حساسی وجود دارد که این تعادل رو می توانیم براحتی و به روشی که گفته شد به هم زده و واکنش شکافت هسته ای را شروع کنیم.واکنش حاصل از یک اتم با تولید کردن سه نوترون پر انرژی دیگر باعث میشود سه اتم اورانیم دیگر وارد واپاشی بشوند.به همین ترتیب واکنش اصطلاحا زنجیره ای میشود. 
قدر مسلم یک رآکتور همجوشی ایده آل رآکتوریست که در آن واکنشهای زنجیره ای داریم. در واقع هدف اساسی در راه ساخت رآکتور همجوشی هسته ای زنجیره ای کردن آن است.اگر قرار باشد که ما در این راه انرژی صرف کنیم تا یک مقدار کمتر از آن را بدست بیاوریم مطمئنا این واکنش نه زنجیره ایست نه مفید.دانشمندان این رشته مفهومی به نام گیرانش را تعریف کرده اند که به معنی این است که مقداری انرژی صرف شروع واکنش کنیم و انرژی بیشتر از سلسله واکنشها بگیریم.در واقع در شرایط گیرانش واکنش زنجیره ای میشود.یعنی نه تنها انرژی تولیدی یک واکنش برای انجام واکنش بعد کافیست بلکه مقدار زیادی از آن هم اضافه است ومیتواند در اختیار ما برای تولید برق قرار بگیرد. 
اگر بخواهیم توکامک یا هر وسیله دیگر که همجوشی در آن انجام می شود توان مفید داشته باشد یعنی به ما انرژی بدهد باید شرایط خاصی داشته باشد. برای آنکه احتمال برخورد ذرات(یونهای) نامزد همجوشی بالا برود اولا باید دمای خیلی بالایی درون آن تولید بشود و رآکتور هم بتواند بخوبی دمای بالا را تحمل کند.(این دما در محدوده ده به توان هشت درجه کلوین می باشد!)دوما رآکتور باید این توانایی را داشته باشد که درونش چگالی زیاد از یونها را وارد کرد و سوم اینکه زمان محصور سازی در آن طولانی باشد. 
دمای بالا برای آن است که بتوانیم تقریبا مطمئن باشیم که می توانیم از سد محکم پتانسیل کولنی هسته ها بگذریم.چگالی زیاد هم برای این است که هر چه بیشتر احتمال برخورد های کارا بالا برود. 
در این مسیر قانونی وجود دارد که نام آن معیار لاوسون است.به کمک این معیار می شود محاسبه کرد که آیا شرایط طوری هست که واکنش به گیرانش برسد یا نه. 
معیار لاوسن = باید: مقدار چگالی*مدت زمان محصور سازی > ده به توان20ذره در متر مکعب باشد تا این واکنش به گیرانش برسد(البته بستگی مستقیم با دمای پلاسما دارد) 
اما به طور دقیق تر: 
برای رسیدن به شرایط مطلوب درواکنشهای گرما هسته ای که در آنها از سوخت دوتریم - ترتیم استفاده می شود دمای پلاسما (T) باید در محدوده یک الی سه ضرب در ده به توان هشت درجه کلوین و زمان محصورسازی(تی ای)(تی اندیس E) باید در حدود یک الی سه ثانیه و چگالی (n) باید حوالی یک الی سه ضرب در ده به توان بیست ذره بر متر مکعب باشد.برای آغاز به کار رآکتور یعنی برای رسیدن به کمینه دمای حدود ده به توان هشت کلوین باید از وسیله گرما ساز کمکی استفاده کرد. بعد از محترق شدن سوخت مخلوط پلاسما با ذرات آلفایی که در اثر احتراق اولیه بوجود اومده اند گرم شده و می توانیم دستگاه کمکی را از مدار خارج کنیم.از آن به بعد سرعت فعالیتهای همجوشی با افزایش دادن چگالی پلاسما افزایش پیدا می کند.با این وجود افزایش چگالی به بالای مرزهای تعیین شده و مطمئن به معنی به هم خوردن پایداری پلاسما و یا اینکه خاموش شدن رآکتور را در پی خواهد داشت یا فاجعه.به عبارت دیگه (در صورت افزایش چگالی پلاسما) برای پایدار کردن پلاسما زمان محصور سازی و دمای احتراق و صد البته حجم پلاسما و نقطه پایداری پلاسما با افزایش چگالی بالا تر رفته و شرایط را برای کار سخت تر می کند. به حالت تعادل در آوردن این ملزمات با شکل بندی رآکتور در کوچکترین اسپکت ریتو که به شکل بندی مغناطیسی آن بستگی دارد مقدور میشود. 
نسبت R به a را اسپکت ریتو می گویند. 
خروج پسماندها 
طبق شکل زیر که تصویری از سطح مقطع رآکتور می باشد نحوه کنترل و خارج کردن پسماندهای واکنش که همان هلیوم باشند را مشاهده می کنید. 
واقعیت 
ITER نام مجموعه ایست که اولین رآکتور همجوشی جهان را که از نوع توکامک خواهد بود در فرانسه خواهند ساخت.این مجموعه متشکل است از کشورهای: روسیه اروپا ژاپن کانادا چین ایالات متحده و جمهوری کره. آنها در این راه از ابررساناها برای قسمت های مغناطیسی رآکتور استفاده می کنند. توان خروجی این توکامک 410 مگاوات خواهد بود. یکی از کاربردهای مهم همجوشی هسته ای تبدیل ماده به ماده میباشد. 
فرمول:2H+3H→1n+4He 


نیروگاه اتمی 
طی سال های گذشته اغلب کشورها به استفاده از این نوع انرژی هسته ای تمایل داشتند و حتی دولت ایران 15 ‏نیروگاه اتمی به کشورهای آمریکا ، فرانسه و آلمان سفارش داده بود. ولی خوشبختانه بعد از وقوع دو حادثه ‏مهم تری میل آیلند (Three Mile Island) در 28 مارس 1979 و فاجعه چرنوبیل (Tchernobyl) در روسیه ‏در 26 آوریل 1986، نظر افکار عمومی نسبت به کاربرد اتم برای تولید انرژی تغییر کرد و ترس و وحشت از ‏جنگ اتمی و به خصوص امکان تهیه بمب اتمی در جهان سوم، کشورهای غربی را موقتا مجبور به تجدید نظر در ‏برنامه های اتمی خود کرد. 


نیروگاه اتمی چیست؟
نیروگاه اتمی در واقع یک بمب اتمی است که به کمک میله های مهارکننده و خروج دمای درونی به وسیله مواد ‏خنک کننده مثل آب و گاز ، تحت کنترل درآمده است. اگر روزی این میله ها و یا پمپ های انتقال دهنده مواد ‏خنک کننده وظیفه خود را درست انجام ندهند، سوانح متعددی به وجود می آید و حتی ممکن است نیروگاه نیز ‏منفجر شود، مانند فاجعه نیروگاه چرنوبیل شوروی سابق. 

ساختار نیروگاه اتمی:‏
نیروگاه اتمی از مواد مختلفی شکل گرفته است که همه آنها نقش اساسی و مهم در تعادل و ادامه حیات آن را دارند. ‏این مواد عبارت اند از: 
• ماده سوخت:
ماده سوخت متشکل از اورانیوم طبیعی ، اورانیوم غنی شده ، اورانیوم و پلوتونیم است. که سوختن اورانیوم بر ‏اساس واکنش شکافت هسته‌ای صورت می گیرد.‏ 

• نرم کننده ها:‏‎
‎‏نرم کننده ها موادی هستند که برخورد نوترون های حاصل از شکست با آنها الزامی است و ‏برای کم کردن انرژی این نوترون ها به کار می روند. زیرا احتمال واکنش شکست پی در پی به ازای ‏نوترون های کم انرژی بیشتر می شود. آب سنگین (D2O) یا زغال سنگ «گرافیت) به عنوان نرم کننده نوترون ‏به کار برده می شوند.‏ 

• میله های مهارکننده:‏‎
‎‏این میله ها از مواد جاذب نوترون درست شده اند و وجود آنها در داخل راکتور اتمی ‏الزامی است و مانع افزایش ناگهانی تعداد نوترون ها در قلب رآکتور می شوند. اگر این میله ها کار اصلی خود را ‏انجام ندهند، در زمانی کمتر از چند هزارم ثانیه قدرت راکتور چند برابر شده و حالت انفجاری یا دیورژانس ‏راکتور پیش می آید. این میله ها می توانند از جنس عنصر کادمیم و یا بور باشند.‏ 

• مواد خنک کننده یا انتقال دهنده انرژی حرارتی:‏‎br>‎‏ این مواد انرژی حاصل از شکست اورانیوم را به خارج ‏از راکتور انتقال داده و توربین های مولد برق را به حرکت در می آورند و پس از خنک شدن مجدداً به داخل ‏راکتور برمی گردند. البته مواد در مدار بسته و محدودی عمل می کنند و با خارج از محیط رآکتور تماسی ندارند. ‏این مواد می توانند گاز CO2 ، آب ، آب سنگین، هلیم گازی و یا سدیم مذاب باشند.‏ 
طرز کار نیروگاه اتمی: 
• عمل سوختن اورانیوم در داخل نیروگاه اتمی متفاوت از سوختن زغال یا هر نوع سوخت فسیلی دیگر است. در ‏این پدیده با ورود یک نوترون کم انرژی به داخل هسته ایزوتوپ اورانیوم 235 عمل شکست انجام می گیرد و ‏انرژی فراوانی تولید می کند. بعد از ورود نوترون به درون هسته اتم ، ناپایداری در هسته به وجود آمده و بعد از ‏لحظه بسیار کوتاهی هسته اتم شکسته شده و تبدیل به دو تکه شکست و تعدادی نوترون می شود. 

• به طور متوسط تعداد نوترون ها به ازای هر 100 اتم شکسته شده 247 عدد است و این نوترون ها اتم های ‏دیگر را می شکنند و اگر کنترلی در مهار کردن تعداد آنها نباشد واکنش شکست در داخل توده اورانیوم به ‏صورت زنجیره ای انجام می شود که در زمانی بسیار کوتاه منجر به انفجار شدیدی خواهد شد. در واقع ورود ‏نوترون به درون هسته اتم اورانیوم و شکسته شدن آن توام با انتشار انرژی معادل با ‏‎ Mev‎‏200 میلیون الکترون ‏ولت است. ‏ 

• این مقدار انرژی در سطح اتمی بسیار ناچیز ولی در مورد یک گرم از اورانیوم در حدود صدها هزار مگاوات ‏است. که اگر به صورت زنجیره ای انجام شود، در کمتر از هزارم ثانیه مشابه بمب اتمی عمل خواهد کرد. اما ‏اگر تعداد شکست ها را در توده اورانیوم و طی زمان محدود کرده به نحوی که به ازای هر شکست، اتم بعدی ‏شکست حاصل کند شرایط یک نیروگاه اتمی به وجود می آید. ‏ 
نمونه عملی: 
نیروگاهی که دارای 10 تن اورانیوم طبیعی است قدرتی معادل با 100 مگاوات خواهد داشت و به طور متوسط ‏‏105 گرم اورانیوم 235 در روز در این نیروگاه شکسته می شود و همان طور که قبلاً گفته شد در اثر جذب ‏نوترون به وسیله ایزوتوپ اورانیوم 238 اورانیوم 239 به وجود می آمد که بعد از دو بار انتشار ذرات بتا (یا ‏الکترون) به پلتونیوم 239 تبدیل می شود که خود مانند اورانیوم 235 شکست پذیر است. در این عمل 70 گرم ‏پلتونیوم حاصل می شود. ‏ 

ولی اگر نیروگاه سورژنراتور باشد و تعداد نوترون های موجود در نیروگاه زیاد باشند مقدار جذب به مراتب ‏بیشتر از این خواهد بود و مقدار پلتونیوم های به وجود آمده از مقدار آنهایی که شکسته می شوند بیشتر خواهند ‏بود. در چنین حالتی بعد از پیاده کردن میله های سوخت می توان پلتونیوم به وجود آمده را از اورانیوم و ‏فرآورده های شکست را به کمک واکنش های شیمیایی بسیار ساده جدا و به منظور تهیه بمب اتمی ذخیره کرد.

ایزوتوپهای قابل دسترس اورانیوم 
سنگ معدن اورانیوم موجود در طبیعت از دو ایزوتوپ اورانیوم 234 به مقدار 0.7 درصد و اورانیوم 238 ‏به مقدار 3.99 درصد تشکیل شده است. سنگ معدن را ابتدا در اسید حل کرده و ‏بعد از تخلیص فلز، اورانیوم را به صورت ترکیب با اتم فلئور (F9) و به صورت مولکول ‏اورانیوم هکزا فلوراید تبدیل می کنند که به حالت گازی است. سرعت متوسط ‏مولکول های گازی با جرم مولکولی گاز نسبت عکس دارد. ‏ 
غنی سازی اورانیوم با دیفوزیون گازی
گراهان در سال 1864 پدیده ای را کشف کرد که در آن سرعت متوسط مولکولهای ‏گاز با معکوس جرم مولکولی گاز متناسب بود. از این پدیده که به نام دیفوزیون ‏گازی مشهور است برای غنی سازی اورانیوم استفاده می کنند. در عمل اورانیوم ‏هکزا فلوراید طبیعی گازی شکل را از ستون هایی که جدار آنها از اجسام متخلخل ‏‏(خلل و فرج دار) درست شده است عبور می دهند.
غنی سازی اورتنیوم از طریق میدان مغناطیسی
ضریب جداسازی متناسب با اختلاف جرم مولکول ها است. روش غنی سازی ‏اورانیوم تقریباً مطابق همین اصولی است که در اینجا گفته شد. با وجود این ‏می توان به خوبی حدس زد که پرخرج ترین مرحله تهیه سوخت اتمی همین ‏مرحله غنی سازی ایزوتوپ ها است زیرا از هر هزاران کیلو سنگ معدن اورانیوم ‏‏140 کیلوگرم اورانیوم طبیعی به دست می آید که فقط یک کیلوگرم اورانیوم 235 ‏خالص در آن وجود دارد. ‏ 
یکی از روش های غنی سازی اورانیم استفاده از میدان مغناطیسی بسیار قوی می باشد. در این روش ابتدا اورانیم هگزا فلوئورید را حرارت می دهند تا تبخیر شود. از طریق تبخیر، اتم های اورانیم و فلوئورید از هم تفکیک می شوند. در این حالت، اتم های اورانیم را به میدان مغناطیسی بسیار قوی هدایت می کنند. میدان مغناطیسی بر هسته های باردار اورانیم نیرو وارد می کند ( این نیرو به نیروی لورنتس معروف می باشد)، و اتم های اورانیم را از مسیر مستقیم خود منحرف می کند. اما هسته های سنگین اورانیم (اورانیم238) نسبت به هسته های سبک تر(اورانیم 235) انحراف کمتری دارند، و درنتیجه از این طریق می توان اورانیم 235 را از اورانیم طبیعی تفکیک کرد. 



کاربردهای اورانیوم غنی شده 
• شرایطی ایجاد کرده اند که نسبت اورانیوم 235 به اورانیوم 238 را به 5 درصد می ‏رساند. برای این کار و تخلیص کامل اورانیوم از سانتریفوژهای بسیار قوی استفاده ‏می کنند. 

• برای ساختن نیروگاه اتمی، اورانیوم طبیعی و یا اورانیوم غنی شده بین 1 تا 5 ‏درصد کافی است. 

• برای تهیه بمب اتمی حداقل 5 تا 6 کیلوگرم اورانیوم 235 صددرصد خالص نیاز ‏است. در صنایع نظامی از این روش استفاده نمی شود و بمب های اتمی را از ‏پلوتونیوم 239 که سنتز و تخلیص شیمیایی آن بسیار ساده تر است تهیه ‏می کنند. 
نحوه تولید سوخت پلوتونیوم رادیواکتیو 
این عنصر ناپایدار را در نیروگاه های بسیار قوی می سازند که تعداد نوترون های ‏موجود در آنها از صدها هزار میلیارد نوترون در ثانیه در سانتیمتر مربع تجاوز ‏می کند. عملاً کلیه بمب های اتمی موجود در زراد خانه های جهان از این عنصر ‏درست می شود.‏ 

روش ساخت این عنصر در داخل نیروگاه های هسته ای به این صورت که ‏ایزوتوپ های اورانیوم 238 شکست پذیر نیستند ولی جاذب نوترون کم انرژی (نوترون حرارتی) هستند. 

تعدادی از نوترون های حاصل از شکست اورانیوم 235 را ‏جذب می کنند و تبدیل به اورانیوم 239 می شوند. این ایزوتوپ از اورانیوم بسیار ‏ناپایدار است و در کمتر از ده ساعت تمام اتم های به وجود آمده تخریب ‏می شوند. در درون هسته پایدار اورانیوم 239 یکی از نوترون ها خودبه خود به ‏پروتون و یک الکترون تبدیل می شود. 

بنابراین تعداد پروتون ها یکی اضافه شده و عنصر جدید را که 93 پروتون دارد ‏نپتونیم می نامند که این عنصر نیز ناپایدار است که یکی از نوترون های آن خود به ‏خود به پروتون تبدیل شده و در نتیجه به تعداد پروتون ها یکی اضافه شده و عنصر ‏جدید پلوتونیم را که 94 پروتون دارد ایجاد می کنند. این کار حدودا در مدت یک هفته ‏صورت می گیرد.
                                                 و من الله التوفیق/مجتبی فدایی