نانو تکنولوژی

نانو تکنولوژی

در دو دهه اخیر، پیشرفتهای تکنولوژی وسایل و مواد با ابعاد بسیار کوچک به دست آمده است و به سوی تحولی فوق العاده که تمدن بشر را تا پایان قرن دگرگون خواهد کرد ، پیش می رود . برای احساس اندازه های مادون ریز ، قطر موی سر انسان را که یک دهم میلیمتر است در نظر بگیرید ، یک نانومتر صدهزار برابر کوچکتراست 9- 10متر . تکنولوژی و مهندسی در قرن پیش رو با وسایل ، اندازه گیریها و تولیداتی سروکار خواهد داشت که چنین ابعاد مادون ریزی دارند . درحال حاضر پروسه های در ابعاد چند مولکول قابل طراحی و کنترل است . همچنین خواص مکانیکی ، شیمیایی ، الکتریکی ، مغناطیسی ، نوری و… مواد در لایه ها در حدود ابعاد نانومتر قابل درک و تحلیل و سنجش است . تکنولوژی درقرن گذشته در هرچه ریزتر کردن دانه های بزرگتر پیشرفت چشمگیری داشت ، بطوریکه به مزاح گفته شد که دیگر کشف ذرات ریز اتمی ((Sub-Atomic)) نه تنها جایزه نوبل ندارد ، بلکه به آن جریمه هم تعلق می گیرد ! تکنولوژی نو درقرن حاضر مسیر عکس را طی می کند . یعنی مواد مادون ریز را باید ترکیب کرد تا دانه های بزرگتر کارآمد به وجود آ ورد .
درست همان روشی که در طبیعت برای تولید کردن حاکم است . مجموعه های طبیعی ، ترکیبی از دانه های مادون ریز قابل تشخیص با خواص مشابه و یا متفاوت با اندازه های در حدود نانو است .
اثر تحقیقات در فناوریهای مادون ریز هم اکنون در درمان بیماریها و یا دست یافتن به مواد جدید به ظهور رسیده است . موارد بسیاری در مرحله تحقیقات کاربردی و آزمایشی است .اکنون ساخت رایانه های بسیار کوچکتر و میلیونها بار سریعتر در دستور کار شرکتهای تحقیقاتی قرار دارد .
در بیانی کوتاه نانوتکنولوژی یک فرایند تولید مولکولی است . همانطور که طبیعت مجموعه ها را بطور خودکار مولکول به مولکول ساخته و روی هم مونتاژ کرده است ، ما هم باید برای تولید محصولات جدید ، با این اعتقاد که هرچه در طبیعت تولید شده قابل تولید در آزمایشگاه نیز هست ، نظیر طبیعت راهی پیدا کنیم . البته منظور این نیست که چند هسته از مواد راپیدا کنیم و با رساندن انرژی و خوراک پس از چند سال یک نیروگاه از آن بسازیم که شهری را برق دهد . بلکه برای ترکیب و تکامل خودکار تولیدات مادون ریزکه به نحوی در مجموعه های بزرگتر مصرف دارد ، راهی بیابیم . در اندازه های مادون ریز ، روشها و ابزارآلات متعارف فیزیکی مانند تراشیدن و خم کردن و سوراخ کردن و…جوابگو تیستند .
برای ساختن ماشینهای ملکولی باید روش پروسه های طبیعی را دنبال کرد .
با تهیه نقشه های ساختاری بدن یعنی آرایش ژنها و DNA که ژنم نامیده شده است و به موازات آن دست یافتن به تکنولوژی مادون ریز ، در دراز مدت تحولات بسیاری در هستی ایجاد خواهد شد . تولید مواد جدید ، گیاهان ، جانداران و حتی انسان متحول خواهد شد . اشکالات ساختاری موجودات در طبیعت رفع می شود و با ترکیب و خواص اورگانیک گیاهان و جانوران ، موجودات جدیدی با خواص فوق العاده و شخصیتهای متفاوت بوجود خواهد آمد .آینده علوم و مهندسی که چندین گرایشی Multi- Disciplinary است ، به طرف تولید ماشینهای مولکولی سوق داده خواهد شد تا در نهایت بتواند مجموعه های کارآیی از پیوندهای ارگانیک و سایبریک را عرضه نماید .
هستی را به رایانه ( سخت افزار ) و برنامه ( نرم افزار ) که دو پدیده مختلف ولی ادغام شده هستند ، می توان تشبیه کرد . سخت افزار مصداق ماده ( اغلب اتم هیدروژن ) و نرم افزار یا برنامه ، قابلیت نهفته در خلقت آن است .
اتم به نظر ساده و ابتدایی هیدروژن در طی میلیاردها سال با قابلیت نهفته در خود توانسته است میلیونها نوع آرایش مختلف را در هستی بوجود آورد . بشر از بوجود آوردن اساس ماده عاجز است . ولی در برنامه ریزیهای جدید و یافتن اشکال دیگری از آنچه در طبیعت وجود دارد ، پیش خواهد رفت . طبیعت را خواهد شناخت و به اصطلاح ، قفلهای شگفت آور آن را باز خواهد کرد . احتمالا انسان در شرایط مناسبتری از درجه حرارت و فشار که درتشکیل طبیعی مواد مختلف از هیدروژن لازم است ، بتواند اتمهای مورد نباز خود را تولید کند ، سیارات دیگری را در نهایت در اختیار بگیرد و بعید نیست که نواده های دوردست ما بتوانند در نیمه های راه ابدیت در اکثر نقاط جهان هستی و کهکشانها سکنی گزینند.
به احتمال زیاد قبل از پایان هزاره سوم انسانها در بدن خود انواع لوازم مصنوعی و دیجیتالی راخواهند داشت. . از بیماری ، پیری ، درد ستون فقرات ، کم حافظه ای و… رنج نخواهند برد .قابلیت فهم و تحلیل اطلاعات در مغز آنها در مقایسه با امروز بی نهایت خواهد شد . در هزاره های آینده انسانهای طبیعی مانند امروز احتمالا برای مطالعات پژوهشی نگهداری شده و به نمونه های آزمایشگاهی و بطور حتم قابل احترام تبدیل خواهند شد و مردمان آینده از اینهمه درد و ناراحتی که اجداد آنها در هزاره های قبل کشیده اند ، متعجب و متاثر خواهند بود .
اکنون جا دارد همگام با تحولات جدید در مهندسی و علوم ، دانشگاهها و مراکز تحقیقاتی بطور جدی به پژوهشهای تکنولوژی مادون ریز مشغول شوند تا حداقل ما هم بتوانیم مرزهای دانش روز را به نسلهای آینده تحویل دهیم و در تشکلهای جدید هستی سهمی داشته باشیم . باشد هرچه زودتر به خود آییم و عمق شکوهمند و معجزه آسای اندیشه بشررا دریابیم و از کوتاه بینی و افکار فرسوده موروثی فاصله بگیریم . گفته شیخ اجل سعدی در آینده مصداق واقعی تری خواهد داشت :

چه انتظاری باید از نانوتکنولوژی داشت :

این تکنولوژی جدید توانایی آن را دارد که تاثیری اساسی بر کشورهای صنعتی در دهه های آینده بگذارد . در اینجا به برخی از نمونه های عملی در زمینه نانوتکنولوژی که بر اساس تحقیقات و مشاهدات بخش خصوصی به دست آمده است ، اشاره می شود .
انتظار می رود که مقیاس نانومتر به یک مقیاس با کارایی بالا و ویژگیهای منحصربفرد ، طوری ساخته خواهند شد که روش شیمی سنتی پاسخگوی این امر نمی تواند باشد .
• نانوتکنولوژی می تواند باعث گسترش فروش سالانه 300 میلیارد دلار برای صنعت نیمه هادیها و 900 میلیون دلار برای مدارهای مجتمع ، طی 10 تا 15 سال آینده شود .
• نانوتکنولوژی ، مراقبتهای بهداشتی ، طول عمر ، کیفیت و تواناییهای جسمی بشر را افزایش خواهد داد .
• تقریبا نیمی از محصولات دارویی در 10 تا 15 سال آینده متکی به نانوتکنولوژی خواهد بود که این امر ، خود 180 میلیارد دلار نقدینگی را به گردش درخواهد آورد .
• کاتالیستهای نانوساختاری در صنایع پتروشیمی دارای کاربردهای فراوانی هستند که پیش بینی شده است این دانش ، سالانه 100 میلیارد دلار را طی 10 تا 15 سال آینده تحت تاثیر قرار دهد .
• نانوتکنولوژی موجب توسعه محصولات کشاورزی برای یک جمعیت عظیم خواهد شد و راههای اقتصادی تری را برای تصویه و نمک زدایی آب و بهینه سازی راههای استفاده از منابع انرژیهای تجدید پذیر همچون انرژی خورشیدی ارائه نماید . بطور مثال استفاده از یک نوع انباره جریان گذرا با الکترودهای نانولوله کربنی که اخیرا آزمایش گردید ، نشان داد که این روش 10 بار کمتر از روش اسمز معکوس ، آب دریا را نمک زدایی می کند .
• انتظار می رود که نانوتکنولوژی نیاز بشر را به مواد کمیاب کمتر کرده و با کاستن آلاینده ها ، محیط زیستی سالمتر را فراهم کند . برای مثال مطالعات نشان می دهد در طی 10 تا 15 سال آینده ، روشنایی حاصل از پیشرفت نانوتکنولوژی ،مصرف جهانی انرژی را تا 10 درصد کاهش داده ، باعث صرفه جویی سالانه 100 میلیارد دلار و همچنین کاهش آلودگی هوا به میزان 200 میلیون تن کربن شود.
در چند سال گذشته بازارچند میلیارد دلاری برپایه نانوتکنولوژی کسترش یافته اند . برای مثال در ایالات متحده ، IBM برای هد دیسکهای سخت ، یک سری حسگرهای مغناطیسی را ابداع کرده است .
Eastern Kodak و 3M تکنولوژی ساخت فیلمهای نازک نانو ساختاری را به وجود آورده اند . شرکت Mobil کاتالیستهای نانو ساختاری را برای دستگاههای شیمیایی تولید کرده است و شرکت Merck ، داروهای نانوذره ای را عرضه کرده است . تویوتا در ژاپن مواد پلیمری تقویت شده نانوذره ای را برای خودروها و Samsung Electronics در کره ، در حال کار بر روی سطح صفحات نمایش توسط نانولوله های کربنی هستند . بشر درست در ابتدای مسیر قرار دارد و فقط چندین محصول تجاری از نانوساختارهای یک بعدی بهره می گیرند ( نانو ذرات ، نانو لوله ها ، نانو لایه و سوپر لاستیکها ) . نظزیات جدید و روشهای مقرون به صرفه تولید نانوساختارهای دو و سه بعدی از موضوعات مورد بررسی آینده می باشند.
نانو تکنولوژی یا کاربرد فناوری در مقیاس یک میلیونیم متر، جهان حیرت انگیزی را پیش روی دانشمندان قرار داده است که در تاریخ بشریت نظیری برای آن نمی توان یافت. پیشرفتهای پرشتابی که در این عرصه بوقوع می پیوندد، پیام مهمی را با خود به همراه آورده است: بشر در آستانه دستیابی به توانایی های بی بدیلی برای تغییر محیط پیرامون خویش قرار گرفته است و جهان و جامعه ای که در آینده ای نه چندان دور به مدد این فناوری جدید پدیدار خواهد شد، تفاوت هایی بنیادین با جهان مالوف آدمی در گذشته خواهد داشت.
به گزارش ایرنا نانو تکنولوژی نظیر هر فناوری دیگری چونان یک تیغ دولبه است که می توان از آن در مسیر خیر و صلاح و یا نابودی و فنا استفاده به عمل آورد. گام اول در راه بهره گیری از این فناوری شناخت دقیق تر خصوصیات آن و آشنایی با قابلیت های بالقوه ای است که در خود جای داده است. در خصوص نانو تکنولوژی یک نکته را می توان به روشنی و بدون ابهام مورد تاکید قرار داد: این فناوری جدید هنوز، حتی برای متخصصان، شناخته شده نیست و همین امر هاله ابهامی را که آن را در برگرفته ضخیمتر می کند و راه را برای گمانزنی های متنوع هموار می سازد.
کسانی بر این باورند که این فناوری نظیر هیولایی فرانکشتین در داستان مری شلی و یا همانند جعبه پاندورا در اسطوره های یونان باستان، مرگ و نابودی برای ابنای بشر درپی دارد. در مقابل گروهی نیز معتقدند که به مدد توانایی های حاصل از این فناوری می توان عالم را گلستان کرد.
در حال حاضر 450 شرکت تحقیقاتی- تجاری در سراسر جهان و 270 دانشگاه در اروپا، آمریکا و ژاپن با بودجه ای که در مجموع به 4 میلیارد دلار بالغ می شود سرگرم انجام تحقیقات در عرصه نانو تکنولوژی هستند. در این قلمرو اتمها و ذرات رفتاری غیرمتعارف از خود به نمایش می گذارند و از آنجا که کل طبیعت از همین ذرات تشکیل شده، شناخت نحوه عمل آنها، به یک معنا شناخت بهتر نحوه شکل گیری عالم است. به این ترتیب دانشمندانی که در این قلمرو به کاوش مشغولند، به یک اعتبار با ذهن و ضمیر خالق هستی و نقشه شگفت انگیز او در خلقت عالم آشنایی پیدا می کنند، اما از آنجا که دانایی توانایی به همراه می آورد، شناسایی رازهای هستی می تواند توان فوق العاده ای را در اختیار کاشفان این رازها قرار دهد. تحقیق در قلمرو نانو تکنولوژی از اواخر دهه 1950 آغاز شد و در دهه 1990 نخستین نتایج چشمگیر از رهگذر این تحقیقات عاید گردید.
از جمله آنکه یک گروه از محققان شرکت آی بی ام موفق شدند35 اتم گزنون را بر روی یک صفحه از جنس نیکل جای دهند و با کمک این تک اتمها نامی را بر روی صفحه نیکلی درج کنند. محققان دیگر به بررسی درباره ساختارهای ریز موجود در طبیعت نظیر تار عنکبوت ها و رشته های ابریشم پرداختند تا بتوانند موادی نازک تر و مقاوم تر تولید کنند. در این میان ساخت یک نوع مولکول جدید کربن موسوم به باکمینسترفولرین یا کربن- 60 راه را برای پژوهشهای بعدی هموارتر کرد. محققان با کمک این مولکول که خواص حیرت انگیز آن هنوز در درست بررسی است، لوله های موئینه ای در مقیاس نانو ساخته اند که می تواند برای ایجاد ساختارهای مختلف در تراز یک میلیونیم متر مورد استفاده قرار گیرد. بررسی هایی که در ابعاد نانو بر روی مواد مختلف صورت گرفته و خواص تازه ای را آشکار کرده است. به عنوان مثال ذرات سیلیکن در این ابعاد از خود نور ساطع می کنند و لایه های فولاد در این مقیاس از استحکام بیشتری در قیاس با صفحات بزرگتر این فلز برخوردارند.
برخی شرکتها از هم اکنون بهره برداری از برخی یافته های نانوتکنولوژی را آغاز کرده اند. به عنوان نمونه شرکت آرایشی اورال از مواد نانو در محصولات آرایشی خود استفاده می کند تا بر میزان تاثیر آنها بیفزاید. ساخت دیودهای نوری با استفاده از مواد نانو موجب می شود تا 80درصد در هزینه برق صرفه جویی شود. توپهای تنیسی که با کربن 60 ساخته شده و روانه بازار گردیده سبکتر و مستحکمتر از توپهای عادی است. شرکتهای دیگر با استفاده از مواد نانو پارچه هایی تولید کرده اند که با یک بار تکاندن آنها می توان حالت اتوی اولیه را به آنها بازگرداند و همه چین و چروکهایشان را زایل کرد. با همین یک بار تکان همه گردوخاکی که به این پارچه ها جذب شده اند نیز پاک می شوند. نوارهای زخم بندی هوشمندی با این مواد درست شده که به محض مشاهده نخستین علائم عفونت در مقیاس مولکولی، پزشکان را مطلع می سازند.
از همین نوع مواد همچنین لیوانهایی تولید شده که قابلیت خود- تمیزکردن دارند. لنزها و عدسیهای عینک ساخته شده از جنس مواد نانو ضد خش هستند و یک گروه از محققان تا آنجا پیش رفته اند که درصددند با مواد نانو پوششهای مناسبی تولید کنند که سلولهای حاوی ویروسهای خطرناک نظیر ویروس ایدز را در خود می پوشاند و مانع خروج آنها می شود. مهمترین نکته درباره موقعیت کنونی فناوری نانو آن است که اکنون دانشمندان این توانایی را پیدا کرده اند که در تراز تک اتمها به بهره گیری از آنها بپردازند و این توانایی بالقوه می تواند زمینه ساز بسیاری از تحولات بعدی شود. یک گروه از برجسته ترین محققان در حوزه نانوتکنولوژی بر این اعتقادند که می توان بدون آسیب رساندن به سلولهای حیاتی، در درون آنها به کاوش و تحقیق پرداخت. شیوه های کنونی برای بررسی سلولها بسیار خام و ابتدایی است و دانشمندان برای شناخت آنچه که در درون سلول اتفاق می افتد ناگزیرند سلولها را از هم بشکافند و در این حال بسیاری از اطلاعات مهم مربوط به سیالهای درون سلول یا ارگانلهای موجود در آن از بین می رود.
یک گروه از محققان که در گروهی موسوم به اتحاد سیستمهای زیستی گرد آمده اند، سرگرم تکمیل ابزارهای ظریفی هستند که هدف آن بررسی اوضاع و احوال درون سلول در زمان واقعی و بدون آسیب رساندن به اجزای درونی سلول یا مداخله در فعالیت بخشهای داخلی آن است. ابزاری که این گروه مشغول ساخت آن هستند ردیف هایی از لوله ها یا سیمهای بسیار ظریفند که قادرند وظایف مختلفی را به انجام برسانند از جمله آنکه هزاران پروتئینی را که به وسیله سلولها ترشح می شود شناسایی کند. گروههای دیگر از محققان نیز به نوبه خود سرگرم تولید دستگاهها و ابزارهای دیگر برای انجام مقاصد علمی دیگر هستند.
به عنوان نمونه یک گروه از محققان سرگرم تکمیل فیبرهای نوری در ابعاد نانو هستند که قادر خواهند بود مولکولهای مورد نظر را شناسایی کنند. گروهی نیز دستگاهی را دردست ساخت دارند که با استفاده از ذرات طلا می تواند پروتئین های معینی را فعال سازد یا از کار بیندازد. به اعتقاد پژوهشگران برای آنکه بتوان از سلولها در حین فعالیت واقعی آنها اطلاعات مناسب به دست آورد، باید شیوه تنظیم آزمایشها را مورد تجدیدنظر اساسی قرار داد. سلولها در فعالیت طبیعی خود امور مختلفی را به انجام می رسانند: از جمله انتقال اطلاعات و علائم و داده ها میان خود، ردوبدل کردن مواد غذایی و بالاخره سوخت و ساز و اعمال حیاتی. یک گروه از روش تازه ای موسوم به الگوی انتقال ابر – شبکه استفاده کرده اند که ساخت نیمه هادیهای نانومتری به قطر تنها 8 نانومتر را امکان پذیر می سازد. هریک از این لوله های بسیار ریز بالقوه می توانند یک پادتن خاص یا یک اولیگو نوکلئو اسید و یا یک بخش کوچک از رشته دی ان ای بر روی خود جای دهند.
با کمک هر تراشه می توان 1000 آزمایش متفاوت بر روی یک سلول انجام داد. برای دستیابی به موفقیت کامل باید بر برخی از محدودیتها غلبه شود، ازجمله آنکه درحال حاضر برای بررسی سلولها باید آنها را در درون مایعی قرار داد که مصنوعاً محیط زیست طبیعی سلولها را بازسازی می کند، اما یون موجود در این مایع می تواند سنجنده های موئینه را از کار بیندازد. برای رفع مشکل، محققان سلولها را درون مایعی جای می دهند که چگالی یون آن کمتر است. گروههای دیگری از محققان نیز در تلاشند تا ابزارهای مناسب در مقیاس نانو برای بررسی جهان سلولها ابداع کنند. یکی از این ابزارها چنانکه اشاره شد یک فیبر نوری است که ضخامت نوک آن 40 نانومتر است و بر روی نوک نوعی پادتن جا داده شده که قادر است خود را به مولکول مورد نظر در درون سلول متصل سازد. این فیبر نوری با استفاده از فیبرهای معمولی و تراش آنها ساخته شده و بر روی فیبر پوششی از نقره اندود شده تا از فرار نور جلوگیری به عمل آورد. نحوه عمل این فیبر نوری درخور توجه است.
از آنجاکه قطر نوک این فیبر نوری، از طول موج نوری که برای روشن کردن سلول مورد استفاده قرار می گیرد به مراتب بزرگتر است، فوتونهای نور نمی توانند خود را تا انتهای فیبر برسانند، درعوض در نزدیکی نوک فیبر مجتمع می شوند و یک میدان نوری بوجود می آورند که تنها می تواند مولکولهایی را که در تماس با نوک فیبر قرار می گیرند تحریک کند. به نوک این فیبر نوری یک پادتن متصل است و محققان به این پادتن یک مولکول فلورسان می چسبانند و آنگاه نوک فیبر را به درون یک سلول فرو می کنند. در درون سلول، نمونه مشابه مولکول فلورسان نوک فیبر، این مولکول را کنار می زند و خود جای آن را می گرد. به این ترتیب نوری که از مولکول فلورسان ساطع می شد از بین می رود و فضای درون سلول تنها با نوری که به وسیله میدان موجود در فیبر نوری بوجود می آید روشن می شود و درنتیجه محققان قادر می شوند یک تک مولکول را در درون سلول مشاهده کنند.
مزیت بزرگ این روش در آن است که باعث مرگ سلول نمی شود و به دانشمندان اجازه می دهد درون سلول را در هنگام فعالیت آن مشاهده کنند. نانو تکنولوژی همچنین به محققان امکان می دهد که بتوانند رویدادهای بسیار نادر یا مولکولهای با چگالی بسیار کم را مشاهده کنند. به عنوان مثال بلورهای مینیاتوری نیمه هادیهای فلزی در یک فرکانس خاص از خود نور ساطع می کنند و از این نور می توان برای مشخص کردن مجموعه ای از مولکولهای زیستی و الصاق برچسب برای شناسایی آنها استفاده کرد. به نوشته هفته نامه علمی نیچر چاپ انگلستان یک گروه از محققان دانشگاه میشیگان نیز توانسته اند سنجنده خاصی را تکمیل کنند که قادر است حرکت اتمهای روی را در درون سلولها دنبال کند و به دانشمندان در تشخیص نقایص زیست عصبی مدد رساند.
از ابزارهای در مقیاس نانو همچنین می توان برای عرضه مؤثرتر داروها در نقاط موردنظر استفاده به عمل آورد. در آزمایشی که بتازگی به انجام رسیده نشان داده شده است که حمله به سلولهای سرطانی با استفاده از ذرات نانو 100برابر بازده عمل را افزایش می دهد. محققان امیدوارند در آینده ای نه چندان دور با استفاده از نانو تکنولوژی موفق شوند امور داخلی هر سلول را تحت کنترل خود درآورند. هم اکنون گامهای بلندی در این زمینه برداشته شده و به عنوان نمونه دانشمندان می توانند فعالیت پروتئینها و مولکول دی ان ای را در درون سلول کنترل کنند. به این ترتیب نانو تکنولوژی به محققان امکان می دهد تا اطلاعات خود را درباره سلولها یعنی اصلی ترین بخش سازنده بدن جانداران به بهترین وجه کامل سازند.

نانو تکنولوژی وکاربرد های آن

نانو تکنولوژی وکاربرد های آن

مقدمه:

در دنیا انقلاب هاى زیادى رخ داده است که عبارتند از :1)انقلاب کشاورزى 2)انقلاب صنعتى 3)انقلاب نیمه هادى ها
(کامپیوتر ها) 4) انقلاب نانو تکنولوژی . نانوتکنولوژی به نام ریز ساز مطرح بوده است.کار نانو تکنولوژی در محیط اتمی صورت میگیردو بیشتر از دو شیوه استفاده می شود.
1)جابه جایی وحرکت مولکولی(مکانیک مولکولی)
2)همانند سازی

معرفی نانو تکنولوژی

نانوتکنولوژی توانمندی تولید مواد و ابزارها وسیستمهای جدید با در دست گرفتن کنترل در سطح مولکولی و اتمی واستفاده از خواصی است که در آن سطوح ظاهر میشود . درواقع این فن آوری عبارت از کاربرد ذرات در ابعاد نانو میباشد .یک نانومتر یک میلیاردم متر است که از دو مسیر میتوان به این ابعاد دست یافت .
1) تهیه ذرات نانو باکمک تجهیزات دقیق از خرد کردن ذرات بزرگتر
2) فن آوری مولکولی که تولید ساختار اتم به اتم ویا مولکول به مولکول صورت میگیرد.
درواقع این فن آوری چیزهایی را که در اختیار داریم باخصوصیات جدید دراختیار قرار میدهد ویا آنها را از مسیرنوینی میسازد.این فن آوری موجب تولیدات جدید وتوسعه گرایانه و محصولات ارزان است.نانو تکنولوژی دارای کاربردهایی در حوزه های مختلف میباشد.

کاربرد های نانو تکنولوژی

1 ) کاربرد نانو درپزشکی و داروسازی

نانو تکنولوژی میتواند فرمولاسیون ومسیرهایی برای رهایش دارو تهیه کند که به نحو حیرت انگیزی توان درمانی دارورا افزایش دهد .شرکت Elan یکی از شرکتهایی است که با بهره گیری از ذرات نانو فرم محلول داروهایی مانند Sirolimns رابه فرم جامد تبدیل می کند که با کاهش سایز ذره سرعت انحلالSirolimns را به مقداری که بتواند به فرم قرص ارائه شود افزایش میدهد. فن آوری نانو در زمینه تشخیص بیماریهاوتصویربرداری وبراورد سریع از کارایی مصرف دارو در افراد نیز کاربرد دارد.
یکی ازکاربردهای فناوری نانو در زمینه دارو رسانی ژن هاست. به علت پیشرفت در روند های ساخت ذرات و فرمولاسیون دارویی امکان دارورسانی فراورده های جدید که عمدتا"از نوع پپتیدها وپروتئین ها میباشند امکان پذیرشده است. هم راستای این پیشرفت هاصنعت ساخت پلیمر های دارویی امکان تهیه حامل های مناسب برای دارو رسانی به محل های اثر مورد نظر را فراهم کرده است.

2)تولید محصولات صنعتی

نانو تکنولوژی تغییر بنیانی مسیری است که درآینده موجب ساخت مواد وابزارها خواهد شد.برخی مزایای نانو ساختارها از قرار ذیل میباشد.
مواد سبک تر وکاهش هزینه وعمر کاری بیشتر و....می باشد.
با توجه به تحقیقات به عمل آمده چهار ماده نانومتری هستند که کاربرد فراوانی در صنعت لاستیک سازی پیدا کرده اند. چهار ماده موردنظر عبارتنداز: اکسیدروی نانومتری (NanoZnO)، نانوکربنات کلسیم، الماس نانومتری، ذرات نانومتری خاک رس .
با اضافه کردن این مواد به ترکیبات لاستیک، به دلیل پیوندهایی که در مقیاس اتمی بین این مواد و ترکیبات لاستیک صورت می گیرد، علاوه بر این که خواص فیزیکی آنها بهبود می یابد، می توان به افزایش مقاومت سایش، افزایش استحکام، بهبود خاصیت مکانیکی، افزایش حد پارگی و حد شکستگی اشاره کرد. در زیبایی ظاهری لاستیک نیز تاثیر گذاشته و باعث لطافت، همواری، صافی و ظرافت شکل ظاهری لاستیک می گردد. همه اینها به نوبه خود باعث می شود که محصولات نهایی، مرغوب تر، با کیفیت بالا، زیبایی و در نهایت بازارپسند باشند و توانایی رقابت در بازارهای داخلی و جهانی را داشته باشند.

3)دوام پذیری منابع

این فن آوری منجر به تغییرات شگرف در استفاده از منابع طبیعی و انرژی و آب خواهد شد که پس آب وآلودگی را کاهش خواهد داد.این فن آوری امکان بازیافت و استفاده مجدداز موادو انرژی وآب را فراهم می کند. شرکتهای موادشیمیایی مواد پلیمری تقویت شده به نانو ذرات را ساخته اند که می تواند جایگزین اجزای فلزی بدنه اتومبیلها شود. استفاده گسترده از این نانو کامپوزیت ها می تواند سالانه 5/1میلیارد لیتر صرفه جویی مصرف بنزین را همراه داشته باشد.

4)هوا فضا
5)ا منیت ملی

تسلط اطلاعاتی از طریق نانو الکترونیک امکان اموزش مؤثرنیروها و کاهش خطر برای سربازها وبهبود کارایی خود روهای نظامی واستفاده بیشتر از اتوماسیون رباتیک پیشرفته برای چبران کاهش نیروی انسانی از موارد استفاده از نانو در این زمینه می باشد.

6)کاربرد نانو تکنولوژی درصنعت الکترونیک

با استفاده از این فن آوری می توان ظرفیت ذخیره سازی اطلاعات را حدود1000 برابر یا بیشترافزایش دهد ونهایتا" به ساخت ابزار های ابر محاسباتی به کوچکی ساعت مچی منتهی شود.
منابع:سایت کمیته مطالعات سیاست نانو تکنولوژی (http://www.irannano.org)
سایت کمیته نانو فناورىوابسته به بسیج دانشجویى دانشکاه صنعتی امیر کبیر
سیاستگذاری علم وتکنولوژی (مطالعه موردی نانو تکنولوزی در ایران ) دکتر قاضی نوری

بمب های اتمی، دایناسورهای قرن بیست و یکم

بمب های اتمی، دایناسورهای قرن بیست و یکم

به مناسبت 7 اوت سالگرد انفجار بمب اتمی بر فراز شهر ناکازاکی ژاپن (1945)18 مرداد امسال مصادف با 9 اوت است سالروز انفجار مهیبی که طی آن شهر ناکازاکی ژاپن به تلی از خاک تبدیل شد .60 سال پیش یعنی سال 1945 میلادی ایالات متحده برای پایان دادن به جنگ جهانی دوم اقدام به فرو ریختن دو بمب اتمی بر فراز شهرهای هیروشیما و ناکازاکی کرد که تنها در کمتر از 10 ثانیه 14 هزار انسان بی دفاع در هیروشیما به خاک وخون کشیده شدند .بمب اتمی " پسرک کوچک" که در هیروشیما در تاریخ 6 اوت 1945 منفجرشد جان 140هزار انسان یعنی نیمی از اهالی این شهر راگرفت و دومین بمب اتمی به نام " مرد چاق " که سه روز بعد یعنی 9 اوت در ناکازاکی رها شد پس از انفجار و ویرانی این شهر 70 هزار نفر کشته بر جای گذاشت .بله، درست 60 سال پیش دراین ماه جهان فیزیک و دنیای سیاست در یک راه مشترک گام بر داشتند و نتیجه این رابطه شوم هرگز از یادها نمی رود که چگونه انسان های بی گناه در موج ترسناک حاصل از انفجار بمبی که معادل انفجار نزدیک به 13 هزار تی.ان.تی انرژی داشت قربانی می شوند و چند روز بعد بمبی با قدرت نزدیک به 20 هزار تن تی.ان.تی شهری را در یک چشم به هم زدن باخاک یکسان می کند.

شهر ویران شده بعد از انفجار بمب اتمی

با در نظر گرفتن نتایج زشت این واقعه ضد انسانی همچنان کشورهای در گرداگرد جهان با صرف هزینه های هنگفت با استفاده از دانشمندان و مهندسان زیادی در حال ساخت یا آزمایش جنگ افزارهای نیرومند هسته ای می باشند کشورهایی مثل ایالات متحده با توجه به این که از سال 1990 آزمایش های هسته ای خود را متوقف کرد و همچنین در کم کردن تعداد تسلیحات اتمی در زرادخانه هایش اقدام نموده است اما با این حال هنوز هزاران کلاهک اتمی را در انبارهای استراتژیک خود نگهداری می کند که امنیت جهانی را تهدید می سازد. تنها در زرادخانه های آمریکا 1000 موشک بالستیک بین قاره ای مستقر در سطح زمین (ای سی بی ام ) که نیمی از آنها شامل کلاهک هسته ای با قدرت تخریب معادل یک ونیم میلیون تن تی.ان.تی است و نیم دیگر شامل موشک های با کلاهک های سه تایی مستقلا هدف گیرنده (ام ای آر وی ) - 33 زیر دریایی مجهز به 16 یا 24 موشک با 8 تا 10 کلاهک(ام ای آر وی ) با قدرت تخریبی معادل 100 تا 50 هزار تن تی.ان.تی و 332 بمب افکن بی 52 که هرکدام دست کم چهار کلاهک با اثر تخریبی معادل یک میلیون تن تی.ان.تی را حمل میکند و حدودا 10000 کلاهک دیگر در گستره قدرت تخریبی 3537 میلیون تن تی.ان.تی است (آمار مربوط به سال 1988 میلادی است )همچنین میراث به جا مانده از فعالیت هسته ای شوروی سابق که برای کشور روسیه به ارث مانده است شامل 7741 کلاهک اتمی است که جمعا معادل 6618 میلیون تن تی.ان.تی قدرت تخریب دارد.جنگ افزارهای اتمی همین دو کشور کافی است برای نابودی هر انسان معادل 2000 کیلو گرم تی.ان.تی اختصاص دهند ،ترسناک تر از آن کشور هایی است که بطور فزاینده به تکنولوژی ساخت این سلاح ها دست می یابند و تعداد آنها از پنج کشور آمریکا ? چین ? فرانسه ? روسیه و انگلستان اکنون به هشت و با در نظر گرفتن شواهدی به 9 کشور رسیده است که شامل هند ? پاکستان ? اسرائیل و نهایتا کره شمالی است .
کوفی عنان در مراسمی که به مناسبت سالروز بمباران اتمی هیروشیما بر پا شده بود گفت :
جهان از زمان بمباران هیروشیما پیشرفت چندانی در راه جلوگیری از گسترش جنگ افزارهای هسته ای نکرده است و امروز همه ما " هیبا کوشا " هستیم ( هیبا کوشا در زبان ژاپنی به معنای جان به در بردگان بمبارارن اتمی است )

تبعات انفجار یک بمب اتمی

اثرات انفجار یک بمب اتمی از نوع شکافت هسته ای را می توان به چهار دسته تقسیم بندی کرد
1) موج انفجار
2) تابش گرمایی
3) تابش هسته ای مستقیم
4) تابش هسته ای غیر مستقیم
*****************************

1) موج انفجار :

این اثر از انفجار بمب هسته ای موجب افزایش ناگهانی فشار هوا و سپس کاهش آن می شود که در فاصله هزار متری از محل انفجار مقدار فشار هوا به 20000 تن می رسد این فشار می تواند ساختمان های مستحکم آجری را ویران سازد و با فاصله گرفتن از محل انفجار تا شعاع دو کیلومتری ساختمان های با استحکام کمتر در اثر این موج انفجار تخریب می شوند و قطعات به جا مانده را با سرعت چند صد کیلو متر در ساعت به اطراف پرتاب می کند.

2) تابش گرمایی:

در فاصله دو کیلو متری از محل انفجار شدت تابش گرمایی معادل انفجار 20000 تن تی.ان.تی است که در زمان کمتر از دو ثانیه فاصله دو کیلو متری از محل انفجار را طی می کند و موجب آتش سوزی های شدید در ساختمان های اطراف می شود همین اثر از انفجار بمب اتمی پدیده ای به نام طوفان آتش را ایجاد می کند که در آن گرمای آتش بادهایی سوزان با سرعت 80 تا 160 کیلو متر در ساعت را بوجود می آورد.
انفجار بمب اتمی در هیروشیما موج گرمایی ایجاد کرد که حرارت آن به 4000 درجه سانتی گراد رسید و ناحیه ای به شعاع 5/4 کیلو متر را فراگرفت بمب اتمی هیروشیما که پسرک کوچک یا پسر کوچولو لقب داشت از نوع طرح تفنگی بود ،در این بمب مقدار 10 کیلو گرم اورانیوم 235 خالص (به شدت غنی شده) به کار گرفته شد،
هیروشیما بعد از انفجارکه تاثیرات ویران ساز آن تنها ناشی از شکافت 10 درصد از اورانیوم آن بود یعنی تنها یک کیلو گرم از ده کیلو گرم اورانیوم غنی شده شده در این بمب قبل از خارج شدن توده اورانیوم از حالت ابر بحرانی با انجام واکنش زنجیره ای شکافت اتم هایش دچار واپاشی شد و 9 کیلو گرم اورانیوم دیگر در تولید انرژی این انفجار شرکت نکرد.

3) تابش هسته ای مستقیم :

این اثر که ناشی از نوترون ها و پرتوهای گاما است در فاصله یک کیلو متری از انفجار بمب هسته ای سوختگی های کشنده ایجاد می کند که بلافاصله باعث مرگ افرادی می شود که در تماس مستقم با پرتوهای گاما و بارش نوترون ها ی پراکنده شده حاصل از انفجار قرار می گیرند و افرادی که در فاصله دورتر قرار دارند با دریافت دوز کمتر از این تابش های مضر دچار سرطان خون و سرطان استخوان و نقص های ژنتیکی می شوند .

4) تابش های هسته ای غیر مستقیم :

این اثر از انفجار بمب های هسته ای نوع شکافتی از واپاشی محصولات رادیواکتیو شکافت حاصل می شوند در این اثر محصولات رادیو اکتیو با عمر طولانی شکافت تبخیر شده و به صورت بارش های رادیواکتیو به روی زمین می ریزند ممکن است جمعیت هایی که دهها یا صد ها کیلو متر دورتر از محل انفجار واقع هستندتحت تاثیر این بارش ها قرار گیرند و دچار صدمات جبران ناپذیری شوند که شایع ترین آنها سرطان استخوان است.
دومی که در روز 9 اوت 1945 ناکازاکی را ویران ساخت از نوع بمب انفجار داخلی بود ، در این طرح از بمب اتمی ماده شکافت پذیر بر خلاف طرح تفنگی که اورانیوم235 است پلوتونیوم 239 می باشد ، در این نوع بمب هسته ای انفجار ماده منفجره معمولی باعث تراکم قلب پلوتونیوم 239 شده و آن را به حالت ابر بحرانی که در آن واکنش مرگبار زنجیره ای شکافت آغاز می شود می رساند . یک چکاننده در مرکز کره نوترون های لازم رابرای شروع واکنش زنجیره ای تامین می کند.
هرچه بمب شکافتی در فاصله بیشتری از سطح زمین منفجر شود اثرات زیانبار ناشی از ایجاد موج انفجار و گوی آتشین آن افزایش می یابد و تخریب در سطح وسیع تری رخ می دهد اما اگر انفجار در فاصله کمتر از سطح زمین روی دهد قدرت تخریب در یک نقطه متمرکز شده و آن مکان ویژه را با حداکثر توان ویران می سازد .از این نوع انفجار ها در نابود ساختن انبارها و تاسیسات زیر زمینی استفاده می شود.
گذشته از این نسل دوم بمب های کشتار جمعی با نام سلاح های گرما هسته ای یا بمب های همجوشی که تنها در اختیار کشورهای آمریکا و روسیه می باشد از قدرت تخریبی معادل 1000 برابر بمب های شکافتی برخوردار است . در جهانی که هنوز میلیون ها نفر در فقر و گرسنگی به سر می برند و کودکانی که در اقصا نقاط جهان از سوء تغذیه و بیماری جان می سپارند .

با زمانده انفجار اتمی ژاپن

در جهانی که شرایط بد آب و هوایی روز به روز زندگی را بر این کره خاکی سخت و سخت تر می کند هستند کشورهایی که با هزینه های چند میلیارد دلاری اقدام به ساخت سلاح های کشتار جمعی و یا توسعه انبارهای استراتژیک خود می کنند ،و این در برهه ای از تاریخ بشر اتفاق می افتد که داعیه "حقوق بشر" گوش همگان را کر کرده است به امید روزی که جهانی عاری از هرگونه سلاح کشتار جمعی داشته باشیم .
منبع:پارس اسکای

ضرورت انرژی هسته‌ای

ضرورت انرژی هسته‌ای

کاربرد روز افزون انرژی یکی از مظاهر مهم زندگی جدید است. مقدار انرژی مصرفی در ایلات متحده ، که یک کشور صنعتی پیشرفته است بین سالهای 1920 تا 1970 با ضریبی حدود 40 افزایش یافته است. این بدان معنی است که در طول این 50 سال ، مقدار مصرف انرژی تقریبا هر 10 سال دو برابر شده است. با آنکه هنوز زغال سنگ و نفت وجود دارد. آشکار شده است که حتی با کوشش‌های بیشتر برای استفاده محتاطانه و صرفه جویانه از انرژی ، بازهم منابع انرژی جدیدی لازم است، انرژی حاصل از شکافت هسته (و در دو مدت ، از همجوشی) می تواند این نیاز را مرتفع سازد.
آیا بحران انرژی حل میشود؟ نیاز برای منابع جدید انرژی در بحران انرژی که ایالات متحده ، کشورهای غربی و ژاپن در سالهای 1974- 1973 با آن مواجه بودند شدیدا احساس میشد. این کمبود ناشی از آن بود که کشورهای تولید کننده نفت در خاورمیانه حمل نفت به بعضی از کشورهای پیشرفته صنعتی را کاهش دادند. این گونه رویدادها نظرها را بر روشهای دیگر تولید انرژی متمرکز کرد. از مصرف زغال سنگ که آلودگی بیشتری دارد به انرژی خورشیدی ، و به نقش صنعت توان هسته‌ای در اقتصاد ما کشانید.
ارمغان فناوری هسته‌ای پیشرفت توان هسته‌ای در ایالات متحده از آنچه در پایان جنگ جهانی دوم انتظار می رفت، کندتر بوده است. به دلایل گوناگون ، اداری و فنی عمدتا در ارتباط با جنگ سرد با اتحاد شوروی ، کمیسیون انرژی اتمی آمریکا ( (AAEC) که امروزه مرکز انرژی Department of Energy نامیده میشود. تاکیدی بر پژوهش ، درباره سیستمهای توان الکتریکی هسته‌ای نداشت تا آنکه در 1953 آیزنهاور به این امر اقدام کرد. در طی سالهای 1960 توان الکتریکی هسته‌ای از لحاظ اقتصادی با هیدروالکتریسیته و الکتریسیته حاصل از زغال سنگ و نفت رقابت آمیز شد.
در آغاز سال 1978، 65 راکتور هسته‌ای با ظرفیتی بیش از 47 میلیون کیلووات که حدود 9% تولید توان کل الکتریکی ملی است در حال کار بود. با حدود 90 راکتور که در دست ساختمان بود انتظار میرفت که بخش هسته‌ای محصول الکتریسیته امریکا در 1980 به حدود 17% و در 1985 به حدود 28% برسد. در مابقی جهان ، در آغاز 1978 ، حدود 130 راکتور توان هسته‌ای با ظرفیتی حدود 50 میلیون کیلووات در حال کار بود ، و انتظار میرفت در سال 1995 تعداد آنها به حدود 325 راکتور برسد.
قدرت انرژی هسته‌ای روش‌های استفاده از انرژی هسته‌ای کاملا تازه تکامل یافته‌اند، اما نخستین نتایج به دست آمده از به کارگیری این روش‌ها مهم‌اند. بدون تردید ، تکامل بیشتر روش‌های تولید و کاربرد انرژی هسته‌ای فرصت‌های بی سابقه جدیدی را در پیش روی دانش ، فن و صنعت فراهم خواهد آورد. تجسم میزان کامل این فرصت‌ها در مرحله نوین دشوار است.
آزادی انرژی هسته‌ای قدرت بیکرانی را در اختیار انسان گذاشته است مشروط بر این که این انرژی در راه هدف‌های صلح آمیز به کار گرفته شود. باید این را نیز به خاطر داشت که طراحی راکتور‌های هسته‌ای یکی از نتایج بسیار مهم ساختا درونی ماده است. تابش گسیلی از اتم‌ها و هسته‌های اتمی نامرئی و نا محسوس به نتیجه عملی کاملا مرئی ، یعنی آزاد سازی و استفاده از انرژی هسته‌ای نهان در اورانیوم ، منتهی شده است. این نتیجه به یقین اثبات میکند که نظرات علمی ما درباره اتم‌ها و هسته‌های اتمی درست‌اند، یعنی واقعیت عینی طبیعت را باز تاب میدهند.
منبع: دانشنامه رشد

در باره انرژی هسته ای بیشتر بدانیم

در باره انرژی هسته ای بیشتر بدانیم
انرژی هسته ای

استفاده اصلی از انرژی هسته‌ای، تولید انرژی الکتریسته است. این راهی ساده و کارآمد برای جوشاندن آب و ایجاد بخار برای راه‌اندازی توربین‌های مولد است. بدون راکتورهای موجود در نیروگاه‌های هسته‌ای، این نیروگاه‌ها شبیه دیگر نیروگاه‌ها زغال‌سنگی و سوختی می‌شود. انرژی هسته‌ای بهترین کاربرد برای تولید مقیاس متوسط یا بزرگی از انرژی الکتریکی به‌طور مداوم است. سوخت اینگونه ایستگاه‌ها را اوانیوم تشکیل می‌دهد.
چرخه سوخت هسته‌ای تعدادی عملیات صنعتی است که تولید الکتریسته را با اورانیوم در راکتورهای هسته‌ای ممکن می‌کند.
اورانیوم عنصری نسبتاً معمولی و عادی است که در تمام دنیا یافت می‌شود. این عنصر به‌صورت معدنی در بعضی از کشورها وجود دارد که حتماً باید قبل از مصرف به صورت سوخت در راکتورهای هسته‌ای، فرآوری شود.
الکتریسته با استفاده از گرمای تولید شده در راکتورهای هسته‌ای و با ایجاد بخار برای به‌کار انداختن توربین‌هایی که به مولد متصل‌اند تولید می‌شود.
سوختی که از راکتور خارج شده، بعداز این که به پایان عمر مفید خود رسید می‌تواند به عنوان سوختی جدید استفاده شود.
فعالیت‌های مختلفی که با تولید الکتریسیته از واکنش‌های هسته‌ای همراهند مرتبط به چرخه‌ سوخت هسته‌ای هستند. چرخه سوختی انرژی هسته‌ای با اورانیوم آغاز می‌شود و با انهدام پسمانده‌های هسته‌ای پایان می‌یابد. دوبار عمل‌آوری سوخت‌های خرج شده به مرحله‌های چرخه سوخت هسته‌ای شکلی صحیح می‌دهد.

اورانیوم

اورانیوم فلزی رادیواکتیو و پرتوزاست که در سراسر پوسته سخت زمین موجود است. این فلز حدوداً 500 بار از طلا فراوان‌تر و به اندازه قوطی حلبی معمولی و عادی است. اورانیوم اکنون به اندازه‌ای در صخره‌ها و خاک و زمین وجود دارد که در آب رودخانه‌ها، دریاها و اقیانوس‌ها موجود است. برای مثال این فلز با غلظتی در حدود 4 قسمت در هر میلیون (ppm4) در گرانیت وجود دارد که 60 درصد از کره زمین را شامل می‌شود، در کودها با غلظتی بالغ بر ppm400 و در ته‌مانده زغال‌سنگ با غلظتی بیش از ppm100 موجود است. اکثر رادیو اکتیویته مربوط به اورانیوم در طبیعت در حقیقت ناشی از معدن‌های دیگری است که با عملیات رادیواکتیو به وجود آمده‌اند و در هنگام استخراج از معدن و آسیاب کردن به جا مانده‌اند.
چند منطقه در سراسر دنیا وجود دارد که غلظت اورانیوم موجود در آنها به قدر کافی است که استخراج آن برای استفاده از نظر اقتصادی به صرفه و امکان‌پذیر است. این نوع مواد غلیظ، سنگ معدن یا کانه نامیده می‌شوند.
- چرخه سوخت هسته‌ای (شکل هندسی) (عکس)

استخراج اورانیوم

هر دو نوع حفاری و تکنیک‌های موقعیتی برای کشف کردن اورانیوم به کار می‌روند، حفاری ممکن است به صورت زیرزمینی یا چال‌های باز و روی زمین انجام شود.
در کل، حفاری‌های روزمینی در جاهایی استفاده می‌شود که ذخیره معدنی نزدیک به سطح زمین و حفاری‌های زیرزمینی برای ذخیره‌های معدنی عمیق‌تر به کار می‌رود. به‌طور نمونه برای حفاری روزمینی بیشتر از 120 متر عمق، نیاز به گودال‌های بزرگی بر سطح زمین است؛ اندازه گودال‌ها باید بزرگتر از اندازه ذخیره معدنی باشد تا زمانی که دیواره‌های گودال محکم شوند تا مانع ریزش آنها شود. در نتیجه، تعداد موادی که باید به بیرون از معدن انتقال داده شود تا به کانه دسترسی پیدا کند زیاد است.
حفاری‌های زیرزمینی دارای خرابی و اخلال‌های کمتری در سطح زمین هستند و تعداد موادی که باید برای دسترسی به سنگ معدن یا کانه به بیرون از معدن انتقال داده شوند به‌طور قابل ملاحظه‌ای کمتر از حفاری نوع روزمینی است.
مقدار زیادی از اورانیوم جهانی از (ISL) (In Sitaleding) می‌آید. جایی که آب‌های اکسیژنه زیرزمینی در معدن‌های کانه‌ای پرمنفذ به گردش می‌افتند تا اورانیوم موجود در معدن را در خود حل کنند و آن را به سطح زمین آورند. (ISL) شاید با اسید رقیق یا با محلول‌های قلیایی همراه باشد تا اورانیوم را محلول نگهدارد، سپس اورانیوم در کارخانه‌های آسیاب‌سازی اورانیوم، از محلول خود جدا می‌شود.
در نتیجه انتخاب روش حفاری برای ته‌نشین کردن اورانیوم بستگی به جنس دیواره معدن کانه سنگ، امنیت و ملاحظات اقتصادی دارد.
در غالب معدن‌های زیرزمینی اورانیوم، پیشگیری‌های مخصوصی که شامل افزایش تهویه هوا می‌شود، لازم است تا از پرتوافشانی جلوگیری شود.

آسیاب کردن اورانیوم

محل آسیاب کردن معمولاً به معدن استخراج اورانیوم نزدیک است. بیشتر امکانات استخراجی شامل یک آسیاب می‌شود. هرچه جایی که معدن‌ها قرار دارند به هم نزدیک‌تر باشند یک آسیاب می‌تواند عمل آسیاب‌سازی چند معدن را انجام دهد. عمل آسیاب‌سازی اکسید اورانیوم غلیظی تولید می‌کند که از آسیاب حمل می‌شود. گاهی اوقات به این اکسیدها کیک زرد می‌گویند که شامل 80 درصد اورانیوم می‌باشد. سنگ معدن اصل شاید دارای چیزی در حدود 1/0 درصد اورانیوم باشد.
در یک آسیاب، اورانیوم با عمل سنگ‌شویی از سنگ‌های معدنی خرد شده جدا می‌شود که یا با اسید قوی و یا با محلول قلیایی قوی حل می‌شود و به صورت محلول در می‌آید. سپس اورانیوم با ته‌نشین کردن از محلول جدا می‌شود و بعداز خشک کردن و معمولاً حرارت دادن به صورت اشباع شده و غلیظ در استوانه‌های 200 لیتری بسته‌بندی می‌شود.
باقیمانده سنگ معدن که بیشتر شامل مواد پرتوزا و سنگ معدن می‌شود در محلی معین به دور از محیط معدن در امکانات مهندسی نگهداری می‌شود. (معمولاً در گودال‌هایی روی زمین).
پس‌مانده‌های دارای مواد رادیواکتیو عمری طولانی دارند و غلظت آنها کم خاصیتی سمی دارند. هرچند مقدار کلی عناصر پرتوزا کمتر از سنگ معدن اصلی است و نیمه عمر آنها کوتاه خواهد بود اما این مواد باید از محیط زیست دور بمانند.

تبدیل و تغییر

محلول آسیاب شده اورانیوم مستقیماً قابل استفاده به‌عنوان سوخت در راکتورهای هسته‌ای نیست. پردازش اضافی به غنی‌سازی اورانیوم مربوط است که برای تمام راکتورها لازم است.
این عمل اورانیوم را به نوع گازی تبدیل می‌کند و راه به‌دست آوردن آن تبدیل کردن به هگزا فلورید (Hexa Fluoride) است که در دمای نسبتاً پایین گاز است.
در وسیله‌ای تبدیل‌گر، اورانیوم به اورانیوم دی‌اکسید تبدیل می‌شود که در راکتورهایی که نیاز به اورانیوم غنی شده ندارند استفاده می‌شود.
بیشتر آنها بعداز آن که به هگزافلورید تبدیل شدند برای غنی‌سازی در کارخانه آماده هستند و در کانتینرهایی که از جنس فلز مقاوم و محکم است حمل می‌شوند. خطر اصلی این طبقه از چرخه سوختی اثر هیدروژن فلورید (Hydrogen Fluoride) است.

مزایایی استفاده از انژری هسته ای

انرژی در جهان امروز یک عامل راهبردی است و اغلب کشورهای جهان به خصوص آنها که به دنبال اعمال اراده و قدرت خود بر دیگر کشورها می باشند از همین دریچه به مقوله انرژی می نگرند.
سوخت های فسیلی مانند ذغال سنگ، مقدار قابل توجهی از انواع آلاینده ها همانند ترکیبات کربن و گوگرد را وارد محیط زیست می سازند که برای سلامت انسان زیانبار است. از سوی دیگر با توجه به افزایش مصرف برق و پایان پذیر بودن منابع سوخت فسیلی به نظر می رسد استفاده از انرژی هسته ای بهترین گزینه موجود باشد.
ایران ۳۰ هزار مگاوات نیروگاه دارد و در ده سال آینده، احتمالاً به۶۰ هزار مگاوات خواهد رسید. بالا رفتن حجم تولید گازهای گلخانه ای، هزینه های اجتماعی خاصی را ایجاد می کند که بالطبع باید جلوی تولید گازهای گلخانه ای را در نیروگاههای فسیلی گرفت،
در حال حاضر روسیه ۸ میلیون بشکه نفت در روز تولید و حدود ۵ میلیون از آن را صادر می کند. ۳۰ نیروگاه هسته ای دارد و به سرعت هم به نیروگاههای خود اضافه می کند، در حالی که اولین کشور در ذخایر گازی است و جمعیت آن هم تنها کمی بیشتر از دو برابر ماست.
در این شرایط آمریکا هم ۱۰۵ نیروگاه هسته ای دارد، لذا فقط معیارهای اقتصادی هم مطرح نیست و معیارهای مختلف فن آوری تأثیر گذار خواهد بود. در واقع تکنولوژی هسته ای، میعاد گاه تکنولوژی های دیگر است. مثل صنعت خودرو که اگر در یک کشور رونق خوبی داشته باشد، تقریباً بخش عمده ای از تکنولوژی را جلو می برد، چرا که بیشتر علوم و تکنولوژی ها مثل مکانیک، شیمی، مواد، برق و...
صنعت غنی سازی هم عمر کمی ندارد و دست کم ۴۰ سال است که این کار شروع شده است.
چون در غنی سازی اورانیوم جهت استفاده در راکتورهای هسته ای از علوم مختلف مهندسی، مکانیک، شیمی و... با نهایت دقت و قدرت استفاده می شود. به طور کلی تعریف جدید مهندسی براساس میزان دقت است و کشوری پیشرفته نامیده می شود که میزان خطای مهندسی آن کم باشد.
برای رسیدن به استقلال واقعی، باید به سمت تولید فن آوری و علم رفت. البته این روند بالطبع هزینه دارد. همه جای دنیا هم، این گونه است. به هر حال هزینه رسیدن به تکنولوژی هسته ای با این همه عظمت، کار و فعالیت همه جانبه متخصصین ایرانی و استفاده از تجربه کشورهای دارنده این صنعت را طلب می کند.
مقوله انرژی برای کشورهای سلطه طلب، نقش موتور محرکه اقتصاد و تولید ملی و تعیین کننده جایگاه آنها در نظام سرمایه داری جهان را دارد و همچنین تضمین کننده منافع و امنیت ملی آنها است، برای کشور ما نیز چگونگی سامان دهی به سیاستهای بخش انرژی، نقش کلیدی در فرآیند تحولات سیاسی، اجتماعی و اقتصادی را داراست و لذا ضروری است که برای انرژی و بخصوص نفت و گاز و به دنبال اینها انرژی هسته ای، برنامه و استراتژی اندیشیده و متناسب با شرایط واقعی موجود داخلی و جهانی داشته باشیم.
دغدغه اصلی جهان عادت کرده به مصرف انرژی، در دو دهه آینده، تولید انرژی و ساخت نیروگاه اتمی به عنوان تنها راه خروج از بحران انرژی در دهه های آینده است. در این بین از آن جا که ساخت یک نیروگاه اتمی اغلب علوم و فنون را به کار می گیرد،
نیروگاه برق اتمی، اقتصادی ترین نیروگاهی است که امروز در دنیا احداث می شود.
انرژی هسته‌ای در زمینه‌های مختلف پزشکی، موزه‌ها، شناسایی کوچکترین شکاف یا ناخالصی در مواد و موتور هواپیما و اتومبیل، پیشگیری از فساد زودرس محصولات کشاورزی و رشد گیاهان کاربرد دارد.
علم طب شناخت خود را جهت درمان و پیشگیری از بیماری اشعه وسعت داد و همزمان از اشعه به صور مختلف در تشخیص و درمان بیماری‌ها از جمله سرطان استفاده کرد. رادیوتراپی جایگاه ویژه در درمان سرطان‌ها پیدا کرد و طب هسته به عنوان یک رشته تخصصی در پزشکی روز وارد شد

پزشکی هسته ای :

تصویر برداری در پزشکی هسته ای
توموگرافی تابش پوزیترون (PET)
(SPECT) توموروگرافی با استفاده از تابش تک فوتون
تصویر برداری قلبی عروقی
اسکن استخوان

پزشکی هسته ای و درمان بیماریها

یکی از روشهای تشخیصی و درمانی ارزشمند در طب، پزشکی هسته ای می باشد. که تبلور آن از ابتدا تا کنون تلفیقی از کشفیات مهم تاریخی بوده است
اولین استفاده کلینیکی مواد رادیواکتیو، در سال 1937 جهت درمان لوسمی در دانشگاه کالیفرنیا در برکلی بود. بعــــــد از آن در 1946 با استــــــفاده از این مواد توانستند در یک بیمار مبتلا به سرطان تیروئـــــید از پیشرفت این بیماری جلوگیری کنند.
در دهه 1970 توانستند با جاروب نمودن از ارگانهای دیگر بدن مانند کبد و طحال، تومورهای مغزی و مجاری گوارشی تصاویری را تهیه نمایند.
در دهه 1980 از رادیو داروها جهت تشخیص بیماری های قلبی استفاده نمودند و هم اکنون نیز با ضریب اطمینان بسیار بالایی از پزشکی هسته ای در درمان و تشخیص و پیگیری روند درمان بیماریها استفاده می گردد.
انرژی هسته ای کاربرداری زیاد در پزشکی در علوم و صنعت و کشاورزی و... دارد. لازم به ذکر است انرژی هسته ای به تمامی انرژی های دیگر قابل تبدیل است ولی هیچ انرژی به انرژی هسته ای تبدیل نمی شود .موارد زیادی از کاربردهای انرژی هسته ای در زیر آورده می شود .

نیروگاه هسته ای (Nuclear Power Station) :

یک نیروگاه الکتریکی که از انرژی تولیدی شکست هسته اتم اورانیوم یا پلوتونیم استفاده می کند. چون شکست سوخت هسته ای اساساً گرما تولید می کند از گرمای تولید شده رآکتور های هسته ای برای تولید بخار استفاده می شود از بخار تولید شده برای به حرکت در آوردن توربین ها و ژنراتور ها که نهایتاً برای تولید برق استفاده می شود .
پیل هسته ای یا اتمی دستگاه تبدیل کننده انرژی اتمی به جریان برق مستقیم است ساده ترین پیل ها شامل دو صفحه است. یک پخش کننده بتای خالص مثل استرنیوم 90 و یک هادی مثل سیلسیوم.

کاربردهای پزشکی:

در پزشکی تشعشعات هسته ای کاربردهای زیادی دارند که اهم آنها عبارتند از:
• رادیو گرافی
• گامااسکن
• استرلیزه کردن هسته ای و میکروب زدایی وسایل پزشکی با پرتو های هسته ای
• رادیو بیولوژی
کاربرد انرژی هسته ای در بخش دامپزشکی و دامپروری :
تکنیکهای هسته ای در حوزه دامپزشکی موارد مصرفی چون تشخیص و درمان بیماریهای دامی ، تولید مثل دام ، اصلاح نژاد و دام ، تغذیه ، بهداشت و ایمن سازی محصولات دامی و خوراک دام دارد
کاربرد انرژی هسته ای در دسترسی به منابع آب :
تکنیکهای هسته ای برای شناسایی حوزه های آب زیر زمینی هدایت آبهای سطحی و زیر زمینی ، کشف و کنترل نشت و ایمنی سدها مورد استفاده قرار میگیرد. در شیرین کردن آبهای شور نیز انرژی هستهای کاربرد دارد.
کاربردهای کشاورزی:
تشعشعات هسته ای کاربرد های زیادی در کشاورزی دارد که مهم ترین آنها عبارتست از:
• موتاسیون هسته ای ژن ها در کشاورزی
• کنترل حشرات با تشعشعات هسته ای
• جلوگیری از جوانه زدن سیب زمینی با اشعه گاما
• انبار کردن میوه ها
• دیرینه شناسی )باستان شناسی) و صخره شناسی )زمین شناسی) که عمر یابی صخره ها با C14 در باستان شناسی خیلی مشهور است
کاربردهای صنعتی:
در صنعت کاربردها ی زیادی دارد از جمله مهمترین آنها عبارتند از:
• نشت یابی با اشعه
• دبی سنجی پرتویی(سنجش شدت تشعشعات ، نور و فیزیک امواج)
• سنجش پرتویی میزان سائیدگی قطعات در حین کار
• سنجش پرتویی میزان خوردگی قطعات
• چگالی سنج موادمعدنی با اشعه
• کشف عناصر نایاب در معادن
تکنیکهای هسته ای بر کشف مینهای ضد نفر نیز کاربرد دارد. بنابرین ، دانش هسته ای با این قدرت و وسعتی که دارد، هر روز بر دامنه استفاده از فناوری هسته ای و بویژه انرژی هسته ای افزوده می شود. کاربرد انرژی در بخشهای مختلف به گونهای است که اگر کشوری فناوری هسته ای را نهادینه نماید، در بسیاری از حوزه‌های علمی و صنعتی ، ارتقای پیدا می کند و مسیر توسعه را با سرعت طی می نماید.

انرژی هسته ای در پزشکی هسته ای و امور بهداشتی:

در کشورهای پیشرفته صنعتی ، از انرژی هسته ای به صورت گسترده در پزشکی استفاده می گردد. با توجه به شیوع برخی از بیماریها از جمله سرطان ، ضرورت تقویت طب هسته ای در کشورهای در حال توسعه ، هر روز بیشتر می شود. موارد زیر از مصادیق تکنیکهای هسته ای در علم پزشکی است:
تهیه و تولید کیتهای رادیو دارویی جهت مراکز پزشکی هسته ای
تهیه و تولید رادیو دارویی جهت تشخیص بیماری تیرویید و درمان آنها
تهیه و تولید کیتهای هورمونی
تشخیص و درمان سرطان پروستات
تشخیص سرطان کولون ، روده کوچک و برخی سرطانهای سینه
تشخیص تومورهای سرطانی و بررسی تومورهای مغزی ، سینه و ناراحتی وریدی
تصویر برداری بیماریهای قلبی ، تشخیص عفونتها و التهاب مفصلی ، آمبولی و لختههای وریدی
موارد دیگری چون تشخیص کم خونی ، کنترل رادیو داروهای خوراکی و تزریقی

کاربرد انرژی هسته ای در تولید برق :

یکی از مهم ترین موارد استفاده صلح آمیز از انرژی هسته ای ، تولید برق از طریق نیروگاههای اتمی است. با توم به پایان پذیر بودن منابع فسیلی و روند رو به رشد توسعه اجتماعی و اقتصادی ، استفاده از انرژی هسته ای برای تولید برق را امری ضروری و لازم می دانند و ساخت چند نیروگاه اتمی را دنبال مینماید.
ایران هر ساله حدودا به هفت هزار مگاوات برق در سال نیاز دارد. نیروگاه اتمی بوشهر 1000 مگاوات برق را در صورت راه اندازی تامین می نماید. و احداث نیروگاههای دیگر برای رفع این نیازی ضروری است. برای تولید میزان برق حدود 190 میلیون بشکه نفت خام مصرف می شود. که در صورت تامین از طریق انرژی هسته ای سالیانه 5 میلیارد دلار صرفه جویی خواهد شد.

برتری انرژی هسته ای بر سایر انرژیها:

علاوه بر صرفه اقتصادی دلایل زیر استفاده از انرژی هسته ای را ضروری مینماید. منابع فسیلی محدود بوده و متعلق به نسلهای آتی میباشد. استفاده از نفت خام در صنایع تبدیل پتروشیمی ارزش بیشتری دارد. تولید برق از طریق نیروگاه اتمی ، آلودگی نیروگاههای کنونی را ندارد. تولید هفت هزار مگاوات با مصرف 190 میلیون شبکه نفت خام ، هزارتن دیاکسید کربن ، 150 تن ذرات معلق در هوا ، 130 تن گوگرد و 50 تن اکسید نیتروژن را در محیط زیست پراکنده می کند، در حالی که نیروگاه اتمی چنین آلودگی را ندارد.
ساختار نیروگاه های اتمی جهان و نیز شرح مختصری درباره طرز غنی سازی اورانیوم
مطالبی در مورد ساختار نیروگاه های اتمی جهان و نیز شرح مختصری درباره طرز غنی سازی اورانیوم و یا سنتز عنصر پلوتونیوم :
برحسب نظریه اتمی عنصر عبارت است از یک جسم خالص ساده که با روش های شیمیایی نمی توان آن را تفکیک کرد. از ترکیب عناصر با یکدیگر اجسام مرکب به وجود می آیند. تعداد عناصر شناخته شده در طبیعت حدود ۹۲ عنصر است.
هیدروژن اولین و ساده ترین عنصر و پس از آن هلیم، کربن، ازت، اکسیژن و... فلزات روی، مس، آهن، نیکل و... و بالاخره آخرین عنصر طبیعی به شماره ۹۲، عنصر اورانیوم است. بشر توانسته است به طور مصنوعی و به کمک واکنش های هسته ای در راکتورهای اتمی و یا به کمک شتاب دهنده های قوی بیش از ۲۰ عنصر دیگر بسازد که تمام آن ها ناپایدارند و عمر کوتاه دارند و به سرعت با انتشار پرتوهایی تخریب می شوند. اتم های یک عنصر از اجتماع ذرات بنیادی به نام پرتون، نوترون و الکترون تشکیل یافته اند. پروتون بار مثبت و الکترون بار منفی و نوترون فاقد بار است.
تعداد پروتون ها نام و محل قرار گرفتن عنصر را در جدول تناوبی (جدول مندلیف) مشخص می کند. اتم هیدروژن یک پروتون دارد و در خانه شماره ۱ جدول و اتم هلیم در خانه شماره ۲، اتم سدیم در خانه شماره ۱۱ و... و اتم اورانیوم در خانه شماره ۹۲ قرار دارد. یعنی دارای ۹۲ پروتون است.

ایزوتوپ های اورانیوم

تعداد نوترون ها در اتم های مختلف یک عنصر همواره یکسان نیست که برای مشخص کردن آنها از کلمه ایزوتوپ استفاده می شود.
بنابراین اتم های مختلف یک عنصر را ایزوتوپ می گویند. مثلاً عنصر هیدروژن سه ایزوتوپ دارد: هیدروژن معمولی که فقط یک پروتون دارد و فاقد نوترون است. هیدروژن سنگین یک پروتون و یک نوترون دارد که به آن دوتریم گویند و نهایتاً تریتیم که از دو نوترون و یک پروتون تشکیل شده و ناپایدار است و طی زمان تجزیه می شود.
ایزوتوپ سنگین هیدروژن یعنی دوتریم در نیروگاه های اتمی کاربرد دارد و از الکترولیز آب به دست می آید. در جنگ دوم جهانی آلمانی ها برای ساختن نیروگاه اتمی و تهیه بمب اتمی در سوئد و نروژ مقادیر بسیار زیادی آب سنگین تهیه کرده بودند که انگلیسی ها متوجه منظور آلمانی ها شده و مخازن و دستگاه های الکترولیز آنها را نابود کردند.
غالب عناصر ایزوتوپ دارند از آن جمله عنصر اورانیوم، چهار ایزوتوپ دارد که فقط دو ایزوتوپ آن به علت داشتن نیمه عمر نسبتاً بالا در طبیعت و در سنگ معدن یافت می شوند. این دو ایزوتوپ عبارتند از اورانیوم ۲۳۵ و اورانیوم ۲۳۸ که در هر دو ۹۲ پروتون وجود دارد ولی اولی ۱۴۳ و دومی ۱۴۶ نوترون دارد. اختلاف این دو فقط وجود ۳ نوترون اضافی در ایزوتوپ سنگین است ولی از نظر خواص شیمیایی این دو ایزوتوپ کاملاً یکسان هستند و برای جداسازی آنها از یکدیگر حتماً باید از خواص فیزیکی آنها یعنی اختلاف جرم ایزوتوپ ها استفاده کرد. ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۵ شکست پذیر است و در نیروگاه های اتمی از این خاصیت استفاده می شود و حرارت ایجاد شده در اثر این شکست را تبدیل به انرژی الکتریکی می نمایند. در واقع ورود یک نوترون به درون هسته این اتم سبب شکست آن شده و به ازای هر اتم شکسته شده ۲۰۰ میلیون الکترون ولت انرژی و دو تکه شکست و تعدادی نوترون حاصل می شود که می توانند اتم های دیگر را بشکنند. بنابراین در برخی از نیروگاه ها ترجیح می دهند تا حدی این ایزوتوپ را در مخلوط طبیعی دو ایزوتوپ غنی کنند و بدین ترتیب مسئله غنی سازی اورانیوم مطرح می شود.

ساختار نیروگاه اتمی

به طور خلاصه چگونگی کارکرد نیروگاه های اتمی را بیان کرده و ساختمان درونی آنها را مورد بررسی قرار می دهیم.
طی سال های گذشته اغلب کشورها به استفاده از این نوع انرژی هسته ای تمایل داشتند و حتی دولت ایران ۱۵ 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 ۲۸ مارس ۱۹۷۹ و فاجعه چرنوبیل (Tchernobyl) در روسیه در ۲۶ آوریل ۱۹۸۶، 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 موقتاً مجبور به تجدیدنظر در برنامه های اتمی خود کرد.
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. یک نیروگاه اتمی متشکل از مواد مختلفی است که همه آنها نقش اساسی و مهم در تعادل و ادامه حیات آن را دارند. این مواد عبارت اند از:
۱ _ ماده سوخت متشکل از اورانیوم طبیعی، اورانیوم غنی شده، اورانیوم و پلوتونیم است.
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 ۲۳۵ 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 دوتکه شکست و تعدادی نوترون می شود. تعداد متوسط نوترون ها به ازای هر ۱۰۰ اتم شکسته شده ۲۴۷ 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 ۲۰۰ 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. به عنوان مثال نیروگاهی که دارای ۱۰ تن اورانیوم طبیعی است قدرتی معادل با ۱۰۰ مگاوات خواهد داشت و به طور متوسط ۱۰۵ گرم اورانیوم ۲۳۵ در روز در این نیروگاه شکسته می شود و همان طور که قبلاً گفته شد در اثر جذب نوترون به وسیله ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۸ اورانیوم ۲۳۹ به وجود می آمد که بعد از دو بار انتشار پرتوهای بتا (یا الکترون) به پلوتونیم ۲۳۹ تبدیل می شود که خود مانند اورانیوم ۲۳۵ شکست پذیر است. در این عمل ۷۰ گرم پلوتونیم 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 بودو مقدار پلوتونیم 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 پلوتونیم 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.
۲ _ 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.
۳ _ میله های مهارکننده: این میله ها از مواد جاذب نوترون درست شده اند و وجود آنها در داخل رآکتور 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 رآکتور چند برابر شده و حالت انفجاری یا دیورژانس رآکتور پیش می آید. این میله ها می توانند از جنس عنصر کادمیم و یا بور باشند.
۴ _ مواد خنک کننده یا انتقال دهنده انرژی حرارتی: این مواد انرژی حاصل از شکست اورانیوم را به خارج از رآکتور انتقال داده و توربین های مولد برق را به حرکت در می آورند و پس از خنک شدن مجدداً به داخل رآکتور 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.

غنی سازی اورانیم

سنگ معدن اورانیوم موجود در طبیعت از دو ایزوتوپ ۲۳۵ به مقدار ۷/۰ درصد و اورانیوم ۲۳۸ به مقدار ۳/۹۹ 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 (F) و به صورت مولکول اورانیوم هکزا فلوراید UF6 تبدیل می کنند که به حالت گازی است. سرعت متوسط مولکول های گازی با جرم مولکولی گاز نسبت عکس دارد این پدیده را گراهان در سال ۱۸۶۴ کشف کرد. 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. منافذ موجود در جسم متخلخل باید قدری بیشتر از شعاع اتمی یعنی در حدود ۵/۲ انگشترم (۰۰۰۰۰۰۰۲۵/۰ سانتیمتر) باشد. 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 ۱۴۰ کیلوگرم اورانیوم طبیعی به دست می آید که فقط یک کیلوگرم اورانیوم ۲۳۵ خالص در آن وجود دارد. برای تهیه و تغلیظ اورانیوم تا حد ۵ درصد حداقل ۲۰۰۰ برج از اجسام خلل و فرج دار با ابعاد نسبتاً بزرگ و پی درپی لازم است تا نسبت ایزوتوپ ها تا از برخی به برج دیگر به مقدار ۰۱/۰ درصد تغییر پیدا کند. در نهایت موقعی که نسبت اورانیوم ۲۳۵ به اورانیوم ۲۳۸ به ۵ درصد رسید باید برای تخلیص کامل از سانتریفوژهای بسیار قوی استفاده نمود. برای ساختن نیروگاه اتمی، اورانیوم طبیعی و یا اورانیوم غنی شده بین ۱ تا ۵ درصد کافی است. ولی برای تهیه بمب اتمی حداقل ۵ تا ۶ کیلوگرم اورانیوم ۲۳۵ صددرصد خالص نیاز است. عملا در صنایع نظامی از این روش استفاده نمی شود و بمب های اتمی را از پلوتونیوم ۲۳۹ که سنتز و تخلیص شیمیایی آن بسیار ساده تر است تهیه می کنند. عنصر اخیر 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 اتمی به صورت زیر است: ایزوتوپ های اورانیوم ۲۳۸ شکست پذیر نیستند ولی جاذب نوترون کم انرژی (نوترون حرارتی هستند. تعدادی از نوترون های حاصل از شکست اورانیوم ۲۳۵ را جذب می کنند و تبدیل به اورانیوم ۲۳۹ 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 ۲۳۹ 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 ۹۳ پروتون دارد نپتونیم می نامند که این عنصر نیز ناپایدار است و یکی از نوترون های آن خود به خود به پروتون تبدیل می شود و در نتیجه به تعداد پروتون ها یکی اضافه شده و عنصر جدید که ۹۴ پروتون دارد را پلوتونیم می نامند. این تجربه طی چندین روز انجام می گیرد.
چرخه سوخت هسته ای از استخراج اورانیوم تا تولید انرژی

استخراج اورانیوم از معدن

اورانیوم که ماده خام اصلی مورد نیاز برای تولید انرژی در برنامه های صلح آمیز یا نظامی هسته ای است، از طریق استخراج از معادن زیرزمینی یا سر باز بدست می آید. اگر چه این عنصر بطور طبیعی در سرتاسر جهان یافت میشود اما تنها حجم کوچکی از آن بصورت متراکم در معادن موجود است.
هنگامی که هسته اتم اورانیوم در یک واکنش زنجیره ای شکافته شود مقداری انرژی آزاد خواهد شد.
برای شکافت هسته اتم اورانیوم، یک نوترون به هسته آن شلیک میشود و در نتیجه این فرایند، اتم مذکور به دو اتم کوچکتر تجزیه شده و تعدادی نوترون جدید نیز آزاد میشود که هرکدام به نوبه خود میتوانند هسته های جدیدی را در یک فرایند زنجیره ای تجزیه کنند.

جموع جرم اتمهای کوچکتری که از تجزیه اتم اورانیوم بدست می آید ازز کل جرم اولیه این اتم کمتر است و این بدان معناست که مقداری از جرم اولیه که ظاهرا ناپدید شده در واقع به انرژی تبدیل شده است، و این انرژی با استفاده از رابطه E=MC۲ یعنی رابطه جرم و انرژی که آلبرت اینشتین نخستین بار آنرا کشف کرد قابل محاسبه است.
اورانیوم به صورت دو ایزوتوپ مختلف در طبیعت یافت میشود. یعنی اورانیوم U۲۳۵ یا U۲۳۸ که هر دو دارای تعداد پروتون یکسانی بوده و تنها تفاوتشان در سه نوترون اضافه ای است که در هسته U۲۳۸ وجود دارد. اعداد ۲۳۵ و ۲۳۸ بیانگر مجموع تعداد پروتونها و نوترونها در هسته هر کدام از این دو ایزوتوپ است.

کشورهای اصلی تولید کننده اورانیوم

استرالیا
چین
کانادا
قزاقستان
نامیبیا
نیجر
روسیه
ازبکستان
برای بدست آوردن بالاترین بازدهی در فرایند زنجیره ای شکافت هسته باید از اورانیوم ۲۳۵ استفاده کرد که هسته آن به سادگی شکافته میشود. هنگامی که این نوع اورانیوم به اتمهای کوچکتر تجزیه میشود علاوه بر آزاد شدن مقداری انرژی حرارتی دو یا سه نوترون جدید نیز رها میشود که در صورت برخورد با اتمهای جدید اورانیوم بازهم انرژی حرارتی بیشتر و نوترونهای جدید آزاد میشود.
اما بدلیل "نیمه عمر" کوتاه اورانیوم ۲۳۵ و فروپاشی سریع آن، این ایزوتوپ در طبیعت بسیار نادر است بطوری که از هر ۱۰۰۰ اتم اورانیوم موجود در طبیعت تنها هفت اتم از نوع U۲۳۵ بوده و مابقی از نوع سنگینتر U۲۳۸ است.
فراوری:
سنگ معدن اورانیوم بعد از استخراج، در آسیابهائی خرد و به گردی نرم تبدیل میشود. گرد بدست آمده سپس در یک فرایند شیمیائی به ماده جامد زرد رنگی تبدیل میشود که به کیک زرد موسوم است. کیک زرد دارای خاصیت رادیو اکتیویته است و ۶۰ تا ۷۰ درصد آنرا اورانیوم تشکیل میدهد.
دانشمندان هسته ای برای دست یابی هرچه بیشتر به ایزوتوپ نادر U۲۳۵ که در تولید انرژی هسته ای نقشی کلیدی دارد، از روشی موسوم به غنی سازی استفاده می کنند. برای این کار، دانشمندان ابتدا کیک زرد را طی فرایندی شیمیائی به ماده جامدی به نام هگزافلوئورید اورانیوم تبدیل میکنند که بعد از حرارت داده شدن در دمای حدود ۶۴ درجه سانتیگراد به گاز تبدیل میشود.

باید این گاز را دور از معرض روغن و مواد چرب کننده دیگر نگهداری کرد.

غنی سازی:

هدف از غنی سازی تولید اورانیومی است که دارای درصد بالایی از ایزوتوپ U۲۳۵ باشد.
اورانیوم مورد استفاده در راکتورهای اتمی باید به حدی غنی شود که حاوی ۲ تا ۳ درصد اورانیوم ۲۳۵ باشد، در حالی که اورانیومی که در ساخت بمب اتمی بکار میرود حداقل باید حاوی ۹۰ درصد اورانیوم ۲۳۵ باشد.
یکی از روشهای معمول غنی سازی استفاده از دستگاههای سانتریفوژ گاز است.
سانتریفوژ از اتاقکی سیلندری شکل تشکیل شده که با سرعت بسیار زیاد حول محور خود می چرخد. هنگامی که گاز هگزا فلوئورید اورانیوم به داخل این سیلندر دمیده شود نیروی گریز از مرکز ناشی از چرخش آن باعث میشود که مولکولهای سبکتری که حاوی اورانیوم ۲۳۵ است در مرکز سیلندر متمرکز شوند و مولکولهای سنگینتری که حاوی اورانیوم ۲۳۸ هستند در پایین سیلندر انباشته شوند.

کیک زرد دارای خاصیت رادیو اکتیویته است و ۶۰ تا ۷۰ درصد آنرا اورانیوم تشکیل میدهد
هگزافلوئورید اورانیوم که در صنعت با نام ساده هگز شناخته میشود ماده شیمیائی خورنده ایست که باید آنرا با احتیاط نگهداری و جابجا کرد. به همین دلیل پمپها و لوله هائی که برای انتقال این گاز در تاسیسات فراوری اورانیوم بکار میروند باید از آلومینیوم و آلیاژهای نیکل ساخته شوند. همچنین به منظور پیشگیری از هرگونه واکنش شیمیایی برگشت ناپذیر
ورانیوم ۲۳۵ غنی شده ای که از این طریق بدست می آید سپس به داخلاخل سانتریفوژ دیگری دمیده میشود تا درجه خلوص آن باز هم بالاتر رود. این عمل بارها و بارها توسط سانتریفوژهای متعددی که بطور سری به یکدیگر متصل میشوند تکرار میشود تا جایی که اورانیوم ۲۳۵ با درصد خلوص مورد نیاز بدست آید.
آنچه که پس از جدا سازی اورانیوم ۲۳۵ باقی میماند به نام اورانیوم خالی یا فقیر شده شناخته میشود که اساسا از اورانیوم ۲۳۸ تشکیل یافته است. اورانیوم خالی فلز بسیار سنگینی است که اندکی خاصیت رادیو اکتیویته دارد و از آن برای ساخت گلوله های توپ ضد زره پوش و اجزای برخی جنگ افزار های دیگر از جمله منعکس کننده نوترونی در بمب اتمی استفاده میشود.
یک شیوه دیگر غنی سازی روشی موسوم به دیفیوژن یا روش انتشاری است.
دراین روش گاز هگزافلوئورید اورانیوم به داخل ستونهایی که جدار آنها از اجسام متخلخل تشکیل شده دمیده میشود. سوراخهای موجود در جسم متخلخل باید قدری از قطر مولکول هگزافلوئورید اورانیوم بزرگتر باشد.
در نتیجه این کار مولکولهای سبکتر حاوی اورانیوم ۲۳۵ با سرعت بیشتری در این ستونها منتشر شده و تفکیک میشوند. این روش غنی سازی نیز باید مانند روش سانتریفوژ بارها و باره تکرار شود.

راکتور هسته ای:

راکتور هسته ای وسیله ایست که در آن فرایند شکافت هسته ای بصورت کنترل شده انجام میگیرد. انرژی حرارتی بدست آمده از این طریق را می توان برای بخار کردن آب و به گردش درآوردن توربین های بخار ژنراتورهای الکتریکی مورد استفاده قرار داد.
اورانیوم غنی شده ، معمولا به صورت قرصهائی که سطح مقطعشان به اندازه یک سکه معمولی و ضخامتشان در حدود دو و نیم سانتیمتر است در راکتورها به مصرف میرسند. این قرصها روی هم قرار داده شده و میله هایی را تشکیل میدهند که به میله سوخت موسوم است. میله های سوخت سپس در بسته های چندتائی دسته بندی شده و تحت فشار و در محیطی عایقبندی شده نگهداری میشوند.
در بسیاری از نیروگاهها برای جلوگیری از گرم شدن بسته های سوخت در داخل راکتور، این بسته ها را داخل آب سرد فرو می برند. در نیروگاههای دیگر برای خنک نگه داشتن هسته راکتور ، یعنی جائی که فرایند شکافت هسته ای در آن رخ میدهد ، از فلز مایع (سدیم) یا گاز دی اکسید کربن استفاده می شود.

1- هسته راکتور
2-پمپ خنک کننده
3- میله های سوخت
4- مولد بخار
5- هدایت بخار به داخل توربین مولد برق
برای تولید انرژی گرمائی از طریق فرایند شکافت هسته ای ، اورانیومی که در هسته راکتور قرار داده میشود باید از جرم بحرانی بیشتر (فوق بحرانی) باشد. یعنی اورانیوم مورد استفاده باید به حدی غنی شده باشد که امکان آغاز یک واکنش زنجیره ای مداوم وجود داشته باشد.
برای تنظیم و کنترل فرایند شکافت هسته ای در یک راکتور از میله های کنترلی که معمولا از جنس کادمیوم است استفاده میشود. این میله ها با جذب نوترونهای آزاد در داخل راکتور از تسریع واکنشهای زنجیره ای جلوگیری میکند. زیرا با کاهش تعداد نوترونها ، تعداد واکنشهای زنجیره ای نیز کاهش میابد.
حدودا ۴۰۰ نیروگاه هسته ای در سرتاسر جهان فعال هستند که تقریبا ۱۷ درصد کل برق مصرفی در جهان را تامین میکنند. از جمله کاربردهای دیگر راکتورهای هسته ای، تولید نیروی محرکه لازم برای جابجایی ناوها و زیردریایی های اتمی است.

بازفراوری:

برای بازیافت اورانیوم از سوخت هسته ای مصرف شده در راکتور از عملیات شیمیایی موسوم به بازفراوری استفاده میشود. در این عملیات، ابتدا پوسته فلزی میله های سوخت مصرف شده را جدا میسازند و سپس آنها را در داخل اسید نیتریک داغ حل میکنند.

در نتیجه این عملیات، ۱% پلوتونیوم ، ۳% مواد زائد به شدت رادیورادیو اکتیو و ۹۶% اورانیوم بدست می آید که دوباره میتوان آنرا در راکتور به مصرف رساند.
راکتورهای نظامی این کار را بطور بسیار موثرتری انجام میدهند. راکتور و تاسیسات باز فراوری مورد نیاز برای تولید پلوتونیوم را میتوان بطور پنهانی در داخل ساختمانهای معمولی جاسازی کرد. به همین دلیل، تولید پلوتونیوم به این طریق، برای هر کشوری که بخواهد بطور مخفیانه تسلیحات اتمی تولید کند گزینه جذابی خواهد بود.

بمب پلوتونیومی:

استفاده از پلوتونیوم به جای اورانیوم در ساخت بمب اتمی مزایای بسیاری دارد. تنها چهار کیلوگرم پلوتونیوم برای ساخت بمب اتمی با قدرت انفجار ۲۰ کیلو تن کافی است. در عین حال با تاسیسات بازفراوری نسبتا کوچکی میتوان چیزی حدود ۱۲ کیلوگرم پلوتونیوم در سال تولید کرد.

بمب پلوتونیومی

1- منبع یا مولد نوترونی
2- هسته پلوتونیومی
3- پوسته منعکس کننده (بریلیوم)
4- ماده منفجره پرقدرت
5- چاشنی انفجاری
کلاهک هسته ای شامل گوی پلوتونیومی است که اطراف آنرا پوسته ای موسوم به منعکس کننده نوترونی فرا گرفته است. این پوسته که معمولا از ترکیب بریلیوم و پلونیوم ساخته میشود، نوترونهای آزادی را که از فرایند شکافت هسته ای به بیرون میگریزند، به داخل این فرایند بازمی تاباند.
استفاده از منعکس کننده نوترونی عملا جرم بحرانی را کاهش میدهد و باعث میشود که برای ایجاد واکنش زنجیره ای مداوم به پلوتونیوم کمتری نیاز باشد.
برای کشور یا گروه تروریستی که بخواهد بمب اتمی بسازد، تولید پلوتونیوم با کمک راکتورهای هسته ای غیر نظامی از تهیه اورانیوم غنی شده آسانتر خواهد بود. کارشناسان معتقدند که دانش و فناوری لازم برای طراحی و ساخت یک بمب پلوتونیومی ابتدائی، از دانش و فنآوری که حمله کنندگان با گاز اعصاب به شبکه متروی توکیو در سال ۱۹۹۵ در اختیار داشتند پیشرفته تر نیست.
چنین بمب پلوتونیومی میتواند با قدرتی معادل ۱۰۰ تن تی ان تی منفجر شود، یعنی ۲۰ مرتبه قویتر از قدرتمندترین بمبگزاری تروریستی که تا کنون در جهان رخ داده است.

بمب اورانیومی:

هدف طراحان بمبهای اتمی ایجاد یک جرم فوق بحرانی ( از اورانیوم یا پلوتونیوم) است که بتواند طی یک واکنش زنجیره ای مداوم و کنترل نشده، مقادیر متنابهی انرژی حرارتی آزاد کند.
یکی از ساده ترین شیوه های ساخت بمب اتمی استفاده از طرحی موسوم به "تفنگی" است که در آن گلوله کوچکی از اورانیوم که از جرم بحرانی کمتر بوده به سمت جرم بزرگتری از اورانیوم شلیک میشود بگونه ای که در اثر برخورد این دو قطعه، جرم کلی فوق بحرانی شده و باعث آغاز واکنش زنجیره ای و انفجار هسته ای میشود.
کل این فرایند در کسر کوچکی از ثانیه رخ میدهد.
جهت تولید سوخت مورد نیاز بمب اتمی، هگزا فلوئورید اورانیوم غنی شده را ابتدا به اکسید اورانیوم و سپس به شمش فلزی اورانیوم تبدیل میکنند. انجام این کار از طریق فرایندهای شیمیائی و مهندسی نسبتا ساده ای امکان پذیر است.

درت انفجار یک بمب اتمی معمولی حداکثر ۵۰ کیلو تن است، اما با با کمک روش خاصی که متکی بر مهار خصوصیات جوش یا گداز هسته ای است میتوان قدرت بمب را افزایش داد.
در فرایند گداز هسته ای ، هسته های ایزوتوپهای هیدروژن به یکدیگر جوش خورده و هسته اتم هلیوم را ایجاد میکنند. این فرایند هنگامی رخ میدهد که هسته های اتمهای هیدروژن در معرض گرما و فشار شدید قرار بگیرند. انفجار بمب اتمی گرما و فشار شدید مورد نیاز برای آغاز این فرایند را فراهم میکند.
طی فرایند گداز هسته ای نوترونهای بیشتری رها میشوند که با تغذیه واکنش زنجیره ای، انفجار شدیدتری را بدنبال می آورند. اینگونه بمبهای اتمی تقویت شده به بمبهای هیدروژنی یا بمبهای اتمی حرارتی موسومند.

غنی سازی اورانیوم

سانتریفیوژ دستگاهی است که برای جدا سازی مواد از یکدیگر بر اساس وزن آنها استفاده می شود. این دستگاه مواد را با سرعت زیاد حول یک محور به گردش در می آورد و مواد متناسب با وزنی که دارند از محور فاصله می گیرند.
در واقع در این روش برای جدا سازی مواد از یکدیگر از شتاب ناشی از نیروی گریز از مرکز استفاده می گردد، کاربرد عمومی این دستگاه برای جداسازی مایع از مایع و یا مایع از جامد است.
سانتریفیوژ هایی که برای غنی سازی اورانیوم استفاده می شود حالت خاصی دارند که برای گاز تهیه شده اند که به آنها Hyper-Centrifuge گفته می شود. پیش از آنکه دانشمندان از این روش برای غنی سازی اورانیوم استفاده کنند از تکنولوژی خاصی بنام Gaseous Diffusion به معنی پخش و توزیع گازی استفاده می کردند.

Gaseous Diffusion

در روش Gaseous Diffusion، گاز هگزافلوراید اورانیوم (UF6) را با سرعت از صفحات خاصی که حالت ----- دارند عبور داده می شود و طی آن این صفحات می توانند به دلیل داشتن منافذ و خلل و فرج زیاد تا حدی می توانند اوانیوم 235 را از 238 جدا کنند. (به شکل بالا دقت کنید)
در این روش با تکرار استفاده از این صفحات ----- مانند، بصورت آبشاری (Cascade)، میزان اورانیوم 235 را به مقدار دلخواه بالا می بردند. این روش اولین راهکارهای صنعتی برای غنی سازی اورانیوم بود که کابرد عملی پیدا کرد.
Gaseous Diffusion از جمله تکنولوژی هایی بود که ایالات متحده طی جنگ جهانی دوم در پروژه ای بنام منهتن (Manhattan) برای ساخت بمب هسته ای، با کمک انگلیس و کانادا به آن دست پیدا کرد.
نمونه ای از سانتریفیوژهای گازی آبشاری که برای غنی سازی اورانیوم از آنها استفاده می شود. Hyper-Centrifuge
اما در روش استفاده از سانتریفیوژ برای غنی سازی اورانیوم، تعداد بسیار زیادی از این دستگاهها بصورت سری و موازی بکار می برند تا با کمک آن بتوانند غلظت اورانیوم 235 را افزایش دهند.
گاز هگزافلوراید اورانیوم (UF6) در داخل سیلندرهای سانتریفیوژ تزریق می شود و با سرعت زیاد به گردش در آورده می گردد. گردش سریع سیلندر، نیروی گریز از مرکز بسیار قوی ای تولید می کند و طی آن مولکولهای سنگین تر (آنهایی که شامل ایزوتوپ اورانیوم 238 هستند) از مرکز محور گردش دور تر می گردند و برعکس آنها که مولکول های سبک تری دارند (حاوی ایزوتوپ اورانیوم 235) بیشتر حول محور سانتریفیوژ قرار می گیرند.
در این هنگام با استفاده از روشهای خاص گازی که حول محور جمع شده است جمع آوری شده به مرحله دیگر یعنی دستگاه سانتریفیوژ بعدی هدایت می گردد. میزان گاز هگزافلوراید اورانیوم شامل اورانیوم 235 ای که در این روش از یک واحد جداسازی بدست می آید به مراتب بیشتر از مقداری است که در روش قبلی (Gaseous Diffusion) بدست می آید، به همین علت است که امروزه در بیشتر نقاط جهان برای غنی سازی اورانیوم از این روش استفاده می کنند.
بزرگترین دستگاههای آبشاری سانتریفیوژ در کشورهایی مانند فرانسه، آلمان، انگلستان و چین در حال غنی سازی اورانیوم هستد. این کشورها علاوه بر مصرف داخلی به صادرات اورانیوم غنی شده نیز می پردازند. کشور ژاپن هم دارای دستگاههای بزرگ سانتریفیوژ است اما تنها برای مصرف داخلی اورانیوم غنی شده تولید می کند.

بمب هاى هسته اى

•چرا اورانیوم و پلوتونیوم؟

ایزوتوپ معمول اورانیوم (اورانیوم ۲۳۸) براى ساخت سلاح اتمى مناسب نیست. چرا که با شلیک نوترونى به هسته این ایزوتوپ، احتمال به دام افتادن نوترون و تشکیل اورانیوم ۲۳۹ از احتمال شکافت هسته اى بسیار بیشتر است. درحالى که در اورانیوم ۲۳۵ امکان شکافت هسته اى بیشتر است. اما فقط ۷/۰ درصد اورانیوم موجود در طبیعت، ایزوتوپ ۲۳۵ است. به همین خاطر براى تهیه مقدار مورد نیاز اورانیوم ۲۳۵ براى ساخت بمب، به مقدار زیادى از اورانیوم طبیعى نیاز است. در عین حال ایزوتوپ هاى ۲۳۵ و ۲۳۹ اورانیوم به روش هاى شیمیایى قابل جداسازى نیستند؛ چرا که از لحاظ شیمیایى یکسانند. بنابراین دانشمندان پروژه منهتن قبل از ساختن بمب باید مسئله دیگرى را حل مى کردند؛ جداسازى ایزوتوپ هاى اورانیوم به روش هاى غیرشیمیایى. پژوهش ها همچنین نشان مى داد که پلوتونیوم ۲۳۹ قابلیت شکافت هسته اى بالایى دارد. گرچه پلوتونیوم ۲۳۹ یک عنصر طبیعى نیست و باید ساخته شود. رآکتورهاى هنفورد در واشینگتن به همین منظور ساخته شده اند.

• «پسربچه»:(Little boy) یک بمب شلیکى

طرح «پسربچه» شامل تفنگى است که توده اى از اورانیوم ۲۳۵ را به سمت توده دیگرى از این ایزوتوپ شلیک مى کند. به این ترتیب یک جرم فوق بحرانى تولید مى شود. نکته اساسى که حتماً باید رعایت شود این است که این توده ها باید در زمانى کوتاه تر از حدفاصل بین شکافت هاى خود به خودى در کنار هم نگه داشته شوند. به محض اینکه دو توده اورانیوم در کنار هم قرار گرفتند، ناگهان چاشنى توده اى از نوترون ها را تولید مى کند و زنجیره واکنش ها آغاز مى شود. با ادامه این زنجیره، انرژى مدام افزایش مى یابد تا بمب به سادگى و خودبه خود منفجر شود.

1- در دنباله پلیسه بردارى
۲- مخروط دم
۳- لوله هاى ورود هوا
۴- چاشنى فشار هوا
۵- محفظه پوشش محافظ سربى
۶- بازوى چاشنى
۷- سرانفجارى
۸- چاشنى انفجارى معمول
۹- اورانیوم ۲۳۵ (گلوله)
۱۰- سیلندر توپ
۱۱- اورانیوم ۲۳۵ (هدف) با مخزن
(منعکس کننده نوترون درست این بالا است)
۱۲- میله هاى کنترل فاصله
۱۳- فیوزها

• «مرد چاق»(Fat man) : بمب انفجار درونى

شکافت خودبه خودى پلوتونیوم ۲۳۹ آنقدر سریع است که بمب تفنگى (پسربچه) نمى تواند دو توده پلوتونیوم را در زمانى کوتاه تر از حد فاصل شکافت ها کنار هم نگه دارد. بنابراین براى پلوتونیوم باید نوع دیگرى از بمب طراحى شود. قبل از سوارکردن بمب، چند نوترون سرگردان رها مى شوند تا زنجیره واکنش پیش رس را آغاز کنند. این زنجیره موجب کاهش عظیم انرژى منتشر شده مى شود. «ست ندرمى یر» (دانشمندى از لس آلاموس) ایده استفاده از چاشنى هاى انفجارى را براى کمپرس بسیار سریع کره پلوتونیوم مطرح کرد و بسط داد. با این روش کره پلوتونیوم به چگالى مناسب بحرانى مى رسد و انفجار هسته اى رخ مى دهد.

1- :AN 219 فیوز تخریب
۲- :Archie آنتن رادار
۳- صفحه باترى ها
۴- واحد :Xسیستم جرقه زن کنار چاشنى
۵- لولا براى ثابت نگه داشتن دو بخش بیفوى بمب
۶- لنز پنج ضلعى با قابلیت انفجار بالا
۷- لنز شش ضلعى با قابلیت انفجار زیاد
۸- چتر نجات کالیفرنیا دنباله (آلومینیوم)
۹- حفاظ دور، قطر داخلى cm ۱۴۰
۱۰- مخروط هایى که کل کره را در بر مى گیرند
۱۱- لنزهاى انفجارى
۱۲- ماده هسته اى
۱۳- صفحه رادارها، سوئیچ هاى هوا و تایمرها
۱۴- جمع کننده لوله هوا

• بمب انفجار داخلى: بمب کثیف

انفجار درونى که در واقع عکس انفجار بیرونى است ماده و انرژى را چگال و متمرکز مى کند. ویرانى ساختمان بر اثر انفجار بیرونى باعث مى شود که ساختمان روى خودش آوار شود. اصطلاحاً گفته مى شود که «ساختمان از درون منفجر شده است.» انفجار درونى، آوار شدن از داخل است. درست مقابل انفجار بیرونى، یک کره توخالى پلوتونیوم مى تواند با چاشنى کروى انفجارى خارجى، از درون منفجر شده و به عنوان ماشه یک بمب شکافت هسته اى به کار رود. این بمب هم به نوبه خود مى تواند یک ماشه انفجار داخلى براى یک جور هم جوشى باشد. در بحث کاویتاسیون انفجار درونى یک فرآیند مکثى است که ذرات را مجبور به حرکت به سمت داخل مى کند (نه حرکت به سمت خارج که مربوط به انفجار بیرونى است) این حرکت مرکزگراى درونى، از یک مسیر مستقیم به سمت مرکز (مسیر شعاعى) پیروى نمى کند، بلکه با چرخش روى یک مسیر مارپیچى حرکتش را انجام مى دهد. این حرکت چرخشى ورتکس نام دارد. در کاویتاسیون به خاطر فشار کم، حباب هاى کوچکى از بخار آب در یک سمت پروانه تشکیل مى شود. با تخریب این حباب ها، موج هاى ناگهانى محلى شدیدى به وجود مى آید که سر و صدا تولید مى کند و منجر به شکست محلى در سطح پروانه مى شود. ادامه این روند سایش ماده را به دنبال دارد. مشخصه اصلى ورتکس این است که خارج آن کند و مرکز آن تند حرکت مى کند. در ورتکس، آب «از درون منفجر مى شود» ذرات معلقى که از آب سنگین ترند به مرکز جریان کشیده مى شوند، مقاومت اصطکاکى کاهش مى یابد و سرعت جریان زیاد مى شود.

مراحل انفجار داخلى

۱ ماده منفجر ه اى که ماده شکافت پذیر را در برگرفته است، مشتعل مى شود. ۲ یک موج ناگهانى تراکمى به سمت داخل شروع به حرکت مى کند. سرعت این موج ناگهانى از سرعت صوت بیشتر است و سبب افزایش قابل توجه شار مى رود. موج در یک لحظه به تمام نقاط روى سطح کروى ماده شکافت پذیر در هسته بمب حمله مى کند، فرآیند تراکم آغاز مى شود. ۳ با افزایش چگالى هسته، جرم به حالت بحرانى و سپس فوق بحرانى مى رود که در آن زنجیره واکنش ها به صورت نهایى زیاد مى شود. ۴ اکنون پخش شدن چاشنى به رها شدن نوترون هاى زیاد منجر مى شود. به همین دلیل خیلى از تولیدات اولیه باى پس مى شوند.۵ زنجیره واکنش ها همچنان ادامه مى یابد. تا زمانى که انرژى تولید شده در درون بمب به قدرى بزرگ شود که فشار درونى (ناشى از انرژى شکافت) به مقدارى بیش از فشار انفجار داخلى و ناشى از موج ناگهانى برسد.۶ با از هم جدا کردن بمب، انرژى منتشر شده در فرآیند شکافت، به اطراف انتقال مى یابد.

•بمب هیدروژنى

بازده هیدروژنى به وسیله مقدار لیتیوم دوتراید (deuteride) و نیز مواد شکافت پذیر اضافه کنترل مى شود. براى تامین نوترون هاى اضافه فرآیند هم جوشى (fusion) معمولاً اورانیوم ۲۳۸ در بخش هاى مختلف بمب به کار مى رود. این ماده شکافت پذیر اضافه (اورانیوم ۲۳۸) در عین حال تشعشعات اتمى باکیفیت بالا نیز تولید مى کند.

بمب نوترونى

بمب نوترونى یک بمب هیدروژنى است. بمب نوترونى به کلى با سایر سلاح هاى اتمى استاندارد تفاوت دارد. چرا که اثرهاى مهلک بمب که از تشعشعات مضر مى آید، به خاطر نوترون هایى است که خودش رها مى کند. این بمب همچنین به نام «سلاح تشعشع افزوده» (enhanced- radiation weapon) شناخته مى شود.اثرات تشعشع افزوده در بمب نوترونى بدین صورت است که آثار حرارتى و تخریبى این بمب نسبت به سایر سلاح هاى اتمى کمتر است. به همین دلیل ساختارهاى فیزیکى مثل ساختمان ها و مراکز صنعتى کمتر خسارت مى بینند و بمب بیشترین آسیب را به انسان وارد مى کند. از آنجا که اثرات تشعشع نوترون با افزایش فاصله به شدت کاهش مى یابد اثر بمب در مناطق نزدیک به آن و مراکز دور از آن به وضوح تفاوت دارد. این ویژگى کاملاً مطلوب کشورهاى عضو پیمان آتلانتیک شمالى (ناتو) است، چرا که آنها مى خواهند آمادگى نبرد در مناطق پرازدحام را داشته باشند درحالى که انواع دیگر انفجارهاى هسته اى، زندگى شهرى و دارایى ها را به خطر مى اندازند بمب نوترونى فقط با زنده ها سر و کار دارد.

سفری کوتاه به دنیای نانو فناوری

سفری کوتاه به دنیای نانو فناوری
دنیایی را تصور کنید که در آن مسئولیت محافظت از بدن انسان ها بر عهده ی پزشکان میکروسکوپی است، دنیایی که در آن پردازنده های رایانه ای به کوچکی ذرات غبار روی میز شماست، دنیایی که در آن توده ای از کاوشگرهای فضایی مینیاتوری داده ها را به جاهای خیلی دور ارسال کنند. بسیاری از خواسته های دور از باور بشر امروز، در آینده به کمک نانو فناوری به وسایل ساده ای تبدیل خواهند شد. اما سؤال این است که واقعاً نانو به چه معناست و دلیل پدیدار شدن این فناوری چیست؟
نانو فناوری یک علم و در عین حال یک مهندسی پیشرفته در مقیاس مولکول ها و اتم هاست؛ دانش تغییر دادن مواد و استفاده از آنها برای ساخت وسایل و تجهیزاتی که کوچک تر از آنها را نمی توان به وجود آورد.

چقدر کوچک؟

اندازه ی مواد نانو بین 0/1 تا 100 نانومتر است. یک نانو متر برابر است با یک میلیونیوم متر.
این مقیاسی است که در آن عملیات بنیادی زیست شناختی صورت می گیرد و مواد در این اندازه ی خواص غیرعادی فیزیکی و شیمیایی از خود نشان می دهند. کوچک شدن سطح و حجم ذرات در این مقیاس، دلیل بروز این خواص متفاوت از مواد است.
اگر یک نانومتر را به اندازه پهنای یک سر سوزن فرض کنیم، در این صورت یک متر در این مقیاس به یک هزار کیلومتر تبدیل می شود. البته یک سر سوزن یک میلیون بار بزرگ تر از یک نانو متر است.
پهنای بیشتر اتم ها بین 0/1 تا 0/2 نانومتر، پهنای یک رشته ی DNA حدود 2 نانومتر، قطر یک گلبول قرمز خون 7 هزار نانومتر، و پهنای یک رشته ی موی انسان 80 هزار نانومتر است.
از دیرباز انسان ها بدون این که بدانند، از خواص مواد در مقیاس نانو استفاده می کردند. برای مثال ذرات ریز طلا به رنگ های قرمز با سبز دیده می شوند و این خاصیتی بود که از آن در ساخت شیشه های رنگی استفاده می شد.
امروزه فناوری نانو در بخش عظیمی از زندگی انسان ها مورد استفاده قرار می گیرد، از ساخت صفحات ضخیم پنجره ها تا تولید ضد آفتاب ها و مواد آرایشی.

تولد نانو فناوری

نظریه ی فناوری نانو در سال 1959 توسط فیزیکدانی به نام "ریچارد فاینمن" ارائه شد. این فیزیکدان در پایان نامه ی خود پیرامون نظریه ی ساخت اجسام در مقیاس اتم و مولکول بحث کرده بود. او در تصورات خود گفته بود می توان تمام دایره المعارف را روی سر سوزنی جای داد.
در هر حال فناوری نانو تا سال 1981 به صورت تئوریک (نظری) باقی ماند و مورد بحث و استفاده قرار نگرفت، تا این که مؤسسه ی علمی واقع در زوریخ، سوئیس، اولین میکروسکوپ تجسس تونلی (1) را با استفاده از این فناوری ساخت. این دستگاه قدرت دیدن تک اتم ها را به دانشمندان می داد.
در سال 1990 مؤسسه ی IBM کشف کرد که چگونه می توان تک اتم های زنون را روی سطح نیکل به چرخش درآورد.
با پیشرفت علم نانو، بهره های بیشتری از آن برده شد. یکی از آنها رسیدن به فناوری عکس برداری در مقیاس اتم بود. این فناوری شامل یک میکروسکوپ قدرتمند اتمی AFR، دستگاه عکس برداری رزونانسی مغناطیسی MRI و حتی نوعی میکروسکوپ اصلاح شده ی نوری بود.
دیگر پیشرفت های قابل توجه این فناوری در سال 1985 توسط شیمی دانان ارائه شد. آنها با استفاده از این علم کشف کردند که چگونه می توانند 60 اتم کربن را کنار یکدیگر قرار داده و آنها را به شکل یک توپ درآورند.
در سال 1991 نخستین رشته ی فوق قوی از کربن ها ساخته شد که به آن نانولوله های کربنی می گویند. این نانولوله ها 6 بار سبک تر و در عین حال 100 بار قوی تر از فولاد هستند.
نانولوله ها به صورت رشته های مارپیچی بسیار بلند ساخته می شوند و در ساخت و تولید پلاستیک های سفت، تراشه های رایانه ای و هزاران وسیله ی دیگر کاربرد دارند.
دور از تصور نیست که در آینده های دور، از نانولوله ها بتوان حتی در ساختن آسانسورهای فضایی هم استفاده کرد.
دانشمندان با کار روی ذرات نانو توانسته اند تجهیزاتی مانند ترانزیستورهای بسیار کوچک، پیستون هایی در ابعاد مولکول، یک نانو قطار، نانو گیتار و ... درست کنند.

مهندسی شگفت انگیز

مهندسی در ابعاد نانو کار ساده ای نیست و دانشمندان باید با سؤالات متفاوت و راه حل های کاملاً متفاوتی دست و پنجه نرم کنند تا به نتیجه ی نهایی و البته مطلوب برسند. بعضی از مواد نانو مثل نانو سیم ها و دیگر تجهیزات ساده، در صورتی که حالت صحیح به آنها داده شود، می توانند خود به خود مونتاژ شوند؛ اما وسایل و تجهیزات بزرگ تر نمی توانند به صورت خودکار در جایگاه صحیح قرار گیرند.
محققان همچنین راه هایی برای قرار دادن پروتئین ها، DNA، ویروس ها، باکتری ها و دیگر میکروارگانیسم ها در ساختار نانو مواد یافته اند.

پتانسیل عظیم

در یک دوره ی کوتاه بزرگ ترین پیشرفت های نانو فناوری در دستگاه های جدید پزشکی و پردازنده ها مورد استفاده قرار می گیرد، همچنین در تولید کاتالیزورهای صنایع و دیگر قطعات رایانه ای.
امروزه تحقیقی در بخش پزشکی نانو در حال اجراست که راه های جدید رساندن دارو از طریق لنزهای برخوردی را بررسی می کند؛ روشی برای رساندن دارو به تومورها توسط نانو بمب ها یا نانو گلوله هایی از جنس طلا که پس از برخورد به تومورها، توسط محتویاتشان باعث نابودی آنها می شوند، همچنین تشخیص دادن بیماری ها و یا حتی مبارزه با آنها توسط روبات های فوق العاده کوچک.
زیست شیمی دان ها به این امید هستند که با استفاده از علم نانو بتوانند با استخدام ویروس ها به عنوان دوربین های ضبط کننده، از اتفاقات در حال رخ دادن در سلول باخبر شوند.
با پیشرفت بخش محاسباتی علم نانو شاید بتوان پردازنده های کوچک تر و حتی قوی تر از امروز تولید کرد. برخی از تحقیقات نشان می دهند که حتی می توان قطعات رایانه ای را تا حدی کوچک کرد که در دل یک باکتری جای گیرند.
در واقع پیشرفت بشر در زمینه های رایانه و محاسبات پیشرفته، فقط و فقط به خاطر پیشرفت فناوری نانو و تکنیک های بهره گیری از آن است.
از فناوری نانو در ارتباط با محیط زیست هم استفاده شده و به کمک آن فیلترهایی برای کشف و از بین بردن باکتری ها و آلاینده ها و سموم موجود در آب ساخته شده است. علم نانو با ساخت مبدل های کاتالیزی کمک زیادی به حفظ محیط زیست کرده است. نوآوری های علم نانو در زمینه ی محیط زیست و حفاظت از آن بی تردید بی شمار خواهد بود که از آنها می توان به ساخت باتری های مؤثرتر و کارآمدتر و همچنین پیشرفت در زمینه ی بهره بری از انرژی خورشیدی اشاره کرد.
به علاوه، تولید دیودهای نورافشان (LED) جدید و قدرتمند هم از نوآوری های علم نانو است که به صرفه جویی انرژی کمک بسیار زیادی می کند.
در زمینه ی فناوری نظامی، برای ساخت سلاح های جدید، کم وزن و قدرتمندتر، خرج های هنگفتی می شود. ساخت لباس های ضد گلوله، لباس های استتار و یا حتی ساخت تجهیزاتی برای ترمیم شکستگی استخوان ها و یا ساخت نانو حسگرهایی که شاید بتوانند مواد شیمیایی و مواد زیستی را کشف کنند، همه به دست علم نانو میسر می شود و می تواند از هزینه های اضافی بکاهد.
در یک کلام، می توان گفت که فراگیرشدن دانش نانو و محصولات تولید شده به وسیله ی نانو فناوری، آینده ی زندگی بشر را دگرگون خواهد کرد.

پی نوشت ها :

Scanning Tunneling Microscope

منبع:ماهنامه ی علمی - فنی دانشمند، شماره ی 558

فیلتراسیون مونواکسید به کمک فناوری نانو

فیلتراسیون مونواکسید به کمک فناوری نانو
مقدمه :
هوا و آلاینده ها

هوا ضروری‌ترین ماده برای ادامه حیات موجود زنده است. درصد گازهای موجود در هوا شامل 78 درصد ازت ، 19 درصد‌اکسیژن و به ترتیب 2، 1 و 3/0 درصد بخار آب، آرگون و دی‌اکسید کربن و همچنین حدود 18 پی‌پی‌ام، گاز نئون، 5 پی‌پی‌ام هلیوم، 1/5 پی‌پی‌ام متان و مجموعا 5/0 پی‌پی‌ام دی‌اکسید ازت، هیدورژن و گزنون است. به طور کلی از آلوده‌کننده‌های مهم هوا می توان "مونواکسید کربن" ،" اکسیدهای گوگرد"، "اکسیدهای ازت"، "اکسیدکننده‌های فتوشیمیایی"، "هیدروکربورها"، ذرات معلق در هوا و مواد رادیو اکتیو را نام برد که در این مقاله به بررسی خواص مونواکسید کربن می پردازیم.

بررسی خواص گاز مونواکسید کربن

با آغاز فصل سرما مردم تلاش می‌کنند، کمتر در معرض سرما قرار بگیرند و برای گرم کردن محل سکونت و کار خود از وسایل گرم کننده‌، شامل بخاری گازی با دودکش و بدون دودکش، شومینه‌های گازی یا هیزمی، چراغ‌های خوراک پزی و غیره استفاده می‌کنند که بر اثر سوختن ناقص مواد و گازها در این وسایل، گاز "مونوکسید کربن" ( CO ) تولید می‌شود که این گاز بسیار خطرناک و سمی است. از چند سال گذشته به دلیل کمبود جا در خانه‌ها؛‌ برخی از کارخانه‌ها اقدام به تولید بخاری‌های بدون دودکش کرده‌اند که جای کمتری اشغال می‌کند. بر خلاف تصورات رایج بیشتر مردم خطرات ناشی از آلاینده ها در مکانهای بسته بیشتر از محیط های باز می باشد اما از آنجا که خلاف این امر صورت می گیرد و در زمستان کلیه منافذ خانه بسته است، با تولید گاز منو اکسید کربن مسمومیت و به دنبال آن مرگ به همراه می آید.

ناقص سوزی و تولید CO

اصطلاحاً زمانی که شعله آتش زرد رنگ باشد، گفته می شود که این نوع سوخت مونواکسید کربن زیادی تولید می کند که برای محیط زیست بسیار خطرناک است و هر چه محیط محدود تر باشد قطعاً خطر آن هم بیشتر می شود. ناقص سوختن یک اصطلاح علمی است که بیشتر در شیمی به کار می رود. ابن عبارت زمانی استفاده می شود که اکسیژن کافی برای سوخت کامل یک ماده وجود نداشته باشد.

منابع و صنایع مونواکسید کربن

آلودگی هوا یکی از پنج عامل اصلی تهدید کننده سلامت بشر هستند که در چند دههء اخیر می توان با تراکم و نزدیکی بیش از حد ساختمانها، عدم تهویهء مناسب هوا به منظور جلوگیری از اصراف انرژی ، استفاده از مواد مصنوعی و شیمیائی در ساختمان ، مبلمان و وسایل شخصی همینطور استفاده از حشره کش ها، مواد شوینده، تمیز کننده و ضد عفونی کننده دانست. مونو اکسید کربن یک گاز بی رنگ و بو می باشد که در اثر سوخت ناکامل انرژی فسیلی و سوختن ترکیبات آلی هیدروکربنها تولید و منتشر می شود. این گاز در هوای داخل در اثر دود سیگار ، بسته بودن محیط و نزدیک بودن به گاراژ یا خیابان متراکم می شود. از صنایع تولید گاز مونواکسید کربن می توان به اگزوز اتومبیل ها، دودکش کارخانه جات، دود حاصل از سوختن ذغال، آتش سوزی ها، گازهای خانگی و فرآورده های نفتی اشره کرد. به طور کلی دود اتومبیل حاوی 7 درصد، بخاری نفتی 5 درصد و گاز مایع 4 درصد مونواکسید کربن هستند. منبع اصلی تولید مونواکسید در شهرها، وسایط نقلیه موتوری است. البته فعالیت‌های صنعتی و احتراق ناقص سوخت در تأسیسات تجاری و دستگاه‌های حرارتی و سوختن زباله نیز به میزان کمتر در تولید این گاز سهیم هستند.

تاثیرات نامطلوب مونواکسید کربن

مونو اکسید کربن از طریق ریه وارد خون شده، با هموگلوبین ترکیب می شود و اجازه نمی دهد که اکسیژن کافی به سلولها برسد. از علائم مونو اکسید کربن می توان آنفلوانزا، خستگی، سردرد، گیجی، حالت تهوع، ناراحتی روحی و تپش بالای قلب را نام برد. مسومیت بالای مو نو اکسید کربن می تواند به مرگ فوری منتهی شود. مسمومیت آن با میزان پائین برای خانمهای حامله می تواند عوارض جبران ناپذیری برای خانمهای حامله به جای گذارد که به دلیل دارا بودن همین خصایص، لقب قاتل پنهان گرفته است. اگر این گاز در هوا پراکنده شود، گاز گرفتگی صورت گرفته، و مسمومیت و مرگ به دنبال دارد که آمار چشم گیر این مسمومیت، توجه محققین و مخترعین را به خود جلب کرده است. جلوگیری از گسترش مضرات ناشی از آلودگی هوا در منازل ، مدارس ، مهد کودکها و محل بازی کودکان بدون کمک تمامی افراد جامعه و همکاری بخش خصوصی و سازمانهای دولتی ذیربط امکان پذیر نمی باشد.
این آلاینده تأثیر فراوانی بر سلامتی موجودات زنده بر جای می‌گذارد. لازم به ذکر است، میل ترکیبی هموگلوبین خون که عامل انتقال اکسیژن به بافت‌های بدن است، با مونواکسید کربن دویست مرتبه بیشتر از میل ترکیبی آن با اکسیژن است. در نتیجه وجود مقدار کمی از این گاز و ترکیب آن با هموگلوبین خون موجب تشکیل کربوکسی هموگلوبین می‌شود که یک ترکیب‌ پایدار است. این ترکیب از مقدار هموگلوبینی که اکسیژن را به بافت‌های بدن می‌رساند، می‌کاهد و از جدا شدن اکسیژن و هموگلوبین از یکدیگر جلوگیری می‌کند. همچنین مونواکسید کربن در خون، فشار نسبی گاز اکسیژن را کاهش داده و نیروی محرکه انتشار در بافت‌های بدن را کم می‌کند. مجموعه این تغییرات، ایجاد مسمومیت‌ها و حساسیت‌های زیادی از جمله تضعیف مرکز اعصاب، حساسیت به نور و کاهش قدرت بینایی، کاهش قوه باصره و کنترل حرکات اختیاری را فراهم می‌آورد.

آمار و نتایج مطالعات مضررات " CO "

طبق آمار سازمان بهداشت جهانی، وجود گازهای آلاینده در هوای دم، منجر به افزایش مرگ و میر به میزان بیش از 500 هزار نفر در هر سال، در سراسر جهان می شود که در این راستا گزارشی در خصوص بسیاری از اختلالات فیزیولوژیک، بیوشیمیایی و جهش مولکولی ناشی از تماس با این مواد وجود ندارد.
براساس آمارهای وزارت بهداشت میزان مرگ و میر سالانه شهروندان تهرانی براثر آلودگی هوا بیش از 7 هزار نفر است که از این تعداد 4 هزار نفر بر اثر بیماریهای ناشی از ذرات معلق در هوا و 3 هزار و 300 نفر براثر سرطان های ناشی از آلودگی هوا جان خود را از دست می دهند.آمارها نشان می دهد که هر ساله براثر آلودگی هوا از هر 100 هزار نفر 62 نفر به بیماری های قلبی و تنفسی و 52 نفر نیز به سرطان مبتلا می شوند که به هیچ وجه مطلوب نیست. لذا بایستی اصول ایمنی را جهت جلوگیری از حوادث رعایت کنیم. به گزارش سازمان جهانی بهداشت ( WHO ) سیگارنه تنها برای سیگاری‌ها بلکه برای افرادی هم که سیگاری نیستند، اما در معرض دود سیگار دیگران قرار می‌گیرند بسیار خطرناک است .براساس آمار این سازمان، سالانه نزدیک به 200هزار نفر بر اثر عواقب دود سیگار در محل کار جان می‌بازند. مونو اکسید کربن، گاز خطرناکی است که مانع انتقال اکسیژن به خون می‌شود. این گاز ازسوخت خودروهای بنزینی یا هنگام مصرف دخانیات تولید می‌شود.در اروپا قانونی به اجرا گذاشته شده که میزان مونواکسید کربن تولید شده توسط خودروها را محدود می‌کند. در مقایسه با این قانون، یک فرد سیگاری که در روز 5 نخ سیگار می‌کشد، به نسبت، مونواکسید کربن بیشتری از یک خودرو تولید می‌کند.

راه حل های موجود برای حل مشکلات گاز مونواکسید کربن

گاز CO مشکلات و مضراتی از قبیل آلودگی هوا ، مشکلات استنشاق ، بیماریهای قلبی-تنفسی و مشکلاتی دیگر پدید می آورد که در سالهای اخیر توجه مسئولین زیربط، محققین و مخترعین را به خود جلب کرده است در حالی که با توجه به آمار بهداشت جهانی همه ساله نیم میلیون نفر بر اثر عدم رعایت حوادث ایمنی و مضرات مونواکسید کربن جان می بازند. علیرغم اثرات نامطلوب آلاینده‌های هوا که به برخی از آنها اشاره شد، تأثیر هر آلاینده به غلظت و مدت تماس با آن بستگی دارد. برای مثال، یک آلاینده مانند منواکسیدکربن با غلظت زیاد، در مدت کوتاه ممکن است اثر نامطلوبی نداشته باشد، در حالی که غلظت پایین‌تری از این آلاینده به مدت طولانی‌تر می‌‌تواند باعث بروز عوارض متعددی مانند سرگیجه و تهوع شود.
بنابراین میزان تاثیر غلظت و مدت زمان تنفس گازها با یکدیگر تفاوت دارند. در شرایطی که بخواهیم مشخص کنیم کدامیک از آلاینده‌ها دارای اثر نامطلوب بیشتری است، از شاخصی به نام استاندارد آلاینده استفاده می کنیم.
بر اساس این شاخص، وضعیت آلودگی هوا به پنج دسته تقسیم‌بندی شده است. حدود استانداردی بین 5 تا 50 بیانگر وضعیت هوای پاک، 51 تا 100 نشانگر هوای مجاز و استاندارد هوا بین 101 تا 199 هوای سالم و بین 200 تا 299 و بیش از 300 وضعیت هوای خیلی ناسالم و خطرناک را نشان می‌دهند که برای سنجش میزان خطر گاز مونواکسیدکربن، باید به حدود استاندارد آن در هوا توجه نمود تا در صورت وجود خطر، علت را بر طرف کرد.
به طور کلی عدم رعایت نکات ایمنی بیشترین عامل مسمومیت و مرگ بر اثر CO بوده است که باعث ناسالم شدن هوا و عبور آن از مرز هوای مجاز است. رعایت این نکات می تواند گامی موثر برای پیشگیری از خطرات این آلاینده باشد.

پیشگیری از مسمومیت با گاز Co بسیار ساده است:

-استفاده از وسایل گرمایشی استاندارد در پیشگیری از این مسمومیت از اهمیت بالایی برخوردار است و بخاری‌های بدون دودکش به هیچ عنوان از تولید گاز Co جلوگیری نمی کند بلکه به دلیل بسته بودن منافذ در زمستان، باعث مسمومیت و آلوده شدن هوای محیط می شود.
-دقت و توجه به داغ بودن دودکش نیز بهترین آزمایش سلامت دودکش است. اگر لوله دودکش بخاری شما سرد است دلیل آن خارج نشدن حاصل احتراق و دیگر گازهای سمی مانند مونواکسید کربن، از دودکش است. در صورت سرد بودن لوله دودکش باید ضمن رفع نقص، به طور موقت با باز کردن قسمتی از درب یا پنجره، در محیط تهویه ایجاد کنید.
-رنگ شعله بخاری و وسایل پخت و پز باید آبی باشد و چنانچه رنگ شعله قرمز ،‌زرد یا نارنجی باشد، حتما نقص در سوخت رسانی و کمبود اکسیژن در محیط است که سریعا باید تعمیر و سوخت رسانی شود. همان طور که در قبل اشاره کردیم رنگ شعله زرد نشان از کمبود اکسیژن ترکیبی است که در این حالت ناقص سوزی رخ داده و مونواکسیدکربن تولید می شود
-در صورت استفاده از وسایل گرمایشی نباید تمام منافذ خانه بسته باشند زیرا خطر مسمومیت در محیط بسته و محدود بیشتر است.
-از نسب آبگرمکن در حمام و یا استفاده از شعله آشپزخانه برای گرم کردن باید خود داری نمود.
علاوه بر راههای فوق، راههای بسیاری برای کاهش خطرات CO وجود دارد که از جمله آن ها می توان به پرکاربرد ترین آنها یعنی "فیلتراسیون" اشاره نمود. امروزه نانو فیلتراسیون ها نقش بسیار مهمی در جدا سازی آلاینده های مضر موجود در هوا دارند. با فناوری نانو میتوان نقایص مواد را در مقیاس نانو متر بر طرف نمود و آنها را به شیوه مطلوب و قابل استفاده تغییر داد. در ابتدا لازم می دانیم فناوری نانو را به طوری کامل شرح داده، و به دنبال راههای اساسی برای کاهش خطرات CO باشیم.

تکنولوژی نانو ، راه برگزیده

نانو به راستی کوچک است چرا که مقیاس نانو متر به معنای یک میلیاردم متر است. (1000000000/1)
برای احساس اندازه های مادون ریز ، قطر موی سر انسان را که یک دهم میلیمتر است در نظر بگیرید ، یک نانومتر صدهزار برابر کوچکتراست 9- ^ 10متر .
در واقع تکنولوژی نانو عبارت است از به کار گیری ابزارها و سیستم ها برای کنترل، شکل و طراحی، توصیف، تولید و کاربرد ساختارها در اندازه نانومتر. اهمیت نانو مقیاس به این دلیل است که در نانو مقیاس خواص جدیدی به دست می آوردند و مواد در این مقیاس کوچک اند. مواد تولید شده در مقیاس نانو را بر اساس سه بعدی، دو بعدی و یک بعدی بودن آنها بررسی می کنند.
تکنولوژی و مهندسی در قرن پیش رو با وسایل ، اندازه گیریها و تولیداتی سروکار خواهد داشت که چنین ابعاد مادون ریزی دارند. در دو دهه اخیر، پیشرفتهای تکنولوژی وسایل و مواد با ابعاد بسیار کوچک به دست آمده است و به سوی تحولی فوق العاده که تمدن بشر را تا پایان قرن دگرگون خواهد کرد ، پیش می رود . درحال حاضر پروسه های در ابعاد چند مولکول قابل طراحی و کنترل است . همچنین خواص مکانیکی ، شیمیایی ، الکتریکی ، مغناطیسی ، نوری و... مواد در لایه ها در حدود ابعاد نانومتر قابل درک و تحلیل و سنجش است . با تکنولوژی نانو قادر به تغییر مواد در جهت مطلوب و رفع نقایص مواد هستیم. درست همان روشی که در طبیعت برای تولید کردن حاکم است. مجموعه های طبیعی ، ترکیبی از دانه های مادون ریز قابل تشخیص با خواص مشابه و یا متفاوت با اندازه های در حدود نانو می باشد.
در بیانی کوتاه نانوتکنولوژی یک فرایند تولید مولکولی است . همانطور که طبیعت مجموعه ها را بطور خودکار مولکول به مولکول ساخته و روی هم مونتاژ کرده است ، ما هم باید برای تولید محصولات جدید ، با این اعتقاد که هرچه در طبیعت تولید شده قابل تولید در آزمایشگاه نیز هست ، نظیر طبیعت راهی پیدا کنیم . البته منظور این نیست که چند هسته از مواد راپیدا کنیم و با رساندن انرژی و خوراک پس از چند سال یک نیروگاه از آن بسازیم که شهری را برق دهد . بلکه برای ترکیب و تکامل خودکار تولیدات مادون ریزکه به نحوی در مجموعه های بزرگتر مصرف دارد ، راهی بیابیم . در اندازه های مادون ریز ، روشها و ابزارآلات متعارف فیزیکی مانند تراشیدن و خم کردن و سوراخ کردن و...جوابگو نیستند .
برای ساختن ماشین های ملکولی باید روش پروسه های طبیعی را دنبال کرد .
با تهیه نقشه های ساختاری بدن یعنی آرایش ژنها و DNA که ژنم نامیده شده است و به موازات آن دست یافتن به تکنولوژی مادون ریز ، در دراز مدت تحولات بسیاری در هستی ایجاد خواهد شد . تولید مواد جدید ، گیاهان ، جانداران و حتی انسان متحول خواهد شد . اشکالات ساختاری موجودات در طبیعت رفع می شود و با ترکیب و خواص اورگانیک گیاهان و جانوران ، موجودات جدیدی با خواص فوق العاده و شخصیتهای متفاوت بوجود خواهد آمد .آینده علوم و مهندسی که چندین گرایشی ( Multi- Disciplinary ) است ، به طرف تولید ماشینهای مولکولی سوق داده خواهد شد تا در نهایت بتواند مجموعه های کارآیی از پیوندهای ارگانیک و سایبریک را عرضه نماید. استفاده از این روش به تولید و ساخت محصولات و ایجاد تکنولوژی‌های جدید با کارآیی بالا منجر می‌شود. نانوتکنولوژی این امکان را فراهم می‌کند که اجزا و ترکیبات مواد شیمیایی را در مقیاس نانو در آورده و داخل سلول‌ها قرار داده و مواد جدیدی را با استفاده از روش‌های جدید خود مونتاژ بسازیم. در این روش به هیچ وسیله‌ای مانند یک روبات یا ابزار دیگری برای سرهم کردن اجزا نیازی نیست.
هستی را به رایانه ( سخت افزار ) و برنامه ( نرم افزار ) که دو پدیده مختلف ولی ادغام شده هستند ، می توان تشبیه کرد . سخت افزار مصداق ماده ( اغلب اتم هیدروژن ) و نرم افزار یا برنامه ، قابلیت نهفته در خلقت آن است .
اتم به نظر ساده و ابتدایی هیدروژن در طی میلیاردها سال با قابلیت نهفته در خود توانسته است میلیونها نوع آرایش مختلف را در هستی بوجود آورد . بشر از بوجود آوردن اساس ماده عاجز است . ولی در برنامه ریزیهای جدید و یافتن اشکال دیگری از آنچه در طبیعت وجود دارد ، پیش خواهد رفت . طبیعت را خواهد شناخت و به اصطلاح ، قفلهای شگفت آور آن را باز خواهد کرد . احتمالا انسان در شرایط مناسبتری از درجه حرارت و فشار که درتشکیل طبیعی مواد مختلف از هیدروژن لازم است ، بتواند اتمهای مورد نباز خود را تولید کند ، سیارات دیگری را در نهایت در اختیار بگیرد و بعید نیست که نواده های دوردست ما بتوانند در نیمه های راه ابدیت در اکثر نقاط جهان هستی و کهکشانها سکنی گزینند.
به احتمال زیاد قبل از پایان هزاره سوم انسانها در بدن خود انواع لوازم مصنوعی و دیجیتالی را خواهند داشت. از بیماری ، پیری ، درد ستون فقرات ، کم حافظه ای و... رنج نخواهند برد .قابلیت فهم و تحلیل اطلاعات در مغز آنها در مقایسه با امروز بی نهایت خواهد شد. در هزاره های آینده انسانهای طبیعی مانند امروز احتمالا برای مطالعات پژوهشی نگهداری شده و به نمونه های آزمایشگاهی و بطور حتم قابل احترام تبدیل خواهند شد و مردمان آینده از اینهمه درد و ناراحتی که اجداد آنها در هزاره های قبل کشیده اند ، متعجب و متاثر خواهند بود .
اکنون جا دارد همگام با تحولات جدید در مهندسی و علوم ، دانشگاهها و مراکز تحقیقاتی بطور جدی به پژوهشهای تکنولوژی مادون ریز مشغول شوند تا حداقل ما هم بتوانیم مرزهای دانش روز را به نسلهای آینده تحویل دهیم و در تشکلهای جدید هستی سهمی داشته باشیم . باشد هرچه زودتر به خود آییم و عمق شکوهمند و معجزه آسای اندیشه بشررا دریابیم و از کوتاه بینی و افکار فرسوده موروثی فاصله بگیریم . گفته شیخ اجل سعدی در آینده مصداق واقعی تری خواهد داشت :
این تکنولوژی جدید توانایی آن را دارد که تاثیری اساسی بر کشورهای صنعتی در دهه های آینده بگذارد . در اینجا به برخی از نمونه های عملی در زمینه نانوتکنولوژی که بر اساس تحقیقات و مشاهدات بخش خصوصی به دست آمده است ، اشاره می شود .
انتظار می رود که مقیاس نانومتر به یک مقیاس با کارایی بالا و ویژگیهای منحصربفرد ، طوری ساخته خواهند شد که روش شیمی سنتی پاسخگوی این امر نمی تواند باشد .

فواید نانو تکنولوژی

مهمترین فیاده های نانوتکنولوژی عبارتند از :
1- کاهش مصرف انرژی
2-تولید انرژی تجدید پذیر یا کاراکتر(با بهره وری بیشتر)
3-کاهش مصرف منابع در فاز تولید یا مصرف
4-کاربرد در برنامه های پاکسازی زیست محیطی
5-کاهش اثرات زیست محیطی صنعت خودرو سازی
6-بهبود دادن فرآیند بازیافت

فرصت های زیست محیطی مرتبط با نانو تکنولوژی

1-تولید مواد و محصولاتی گوناگون بدون تولید محصولات جانبی و خطرناک
2-محصولات نانو تکنولوژی از عناصر ساده و فراوان مانند کربن ساخته شده اند.
3-مواد کمتری نیاز است زیرا مواد نانو قوی تر و نازک تر هستند.
4-حفاظت از منابع از طریق تولید محصولات مینیاتوری
5-صرفه جویی در مصرف انرژی و جلوگیری از اتلاف، از طریق کاهش حجم و وزن محصولات
نانوتکنولوژی می تواند باعث گسترش فروش سالانه 300 میلیارد دلار برای صنعت نیمه هادیها و 900 میلیون دلار برای مدارهای مجتمع ، طی 10 تا 15 سال آینده شود.
همچنین نانوتکنولوژی ، مراقبتهای بهداشتی ، طول عمر ، کیفیت و تواناییهای جسمی بشر را افزایش خواهد داد .
-تقریبا نیمی از محصولات دارویی در 10 تا 15 سال آینده متکی به نانوتکنولوژی خواهد بود که این امر ، خود 180 میلیارد دلار نقدینگی را به گردش درخواهد آورد .
-کاتالیستهای نانوساختاری در صنایع پتروشیمی دارای کاربردهای فراوانی هستند که پیش بینی شده است این دانش ، سالانه 100 میلیارد دلار را طی 10 تا 15 سال آینده تحت تاثیر قرار دهد .
-نانوتکنولوژی موجب توسعه محصولات کشاورزی برای یک جمعیت عظیم خواهد شد و راههای اقتصادی تری را برای تصویه و نمک زدایی آب و بهینه سازی راههای استفاده از منابع انرژیهای تجدید پذیر همچون انرژی خورشیدی ارائه نماید . بطور مثال استفاده از یک نوع انباره جریان گذرا با الکترودهای نانولوله کربنی که اخیرا آزمایش گردید ، نشان داد که این روش 10 بار کمتر از روش اسمز معکوس ، آب دریا را نمک زدایی می کند.
-انتظار می رود که نانوتکنولوژی نیاز بشر را به مواد کمیاب کمتر کرده و با کاستن آلاینده ها ، محیط زیستی سالمتر را فراهم کند . برای مثال مطالعات نشان می دهد در طی 10 تا 15 سال آینده ، روشنایی حاصل از پیشرفت نانوتکنولوژی ،مصرف جهانی انرژی را تا 10 درصد کاهش داده ، باعث صرفه جویی سالانه 100 میلیارد دلار و همچنین کاهش آلودگی هوا به میزان 200 میلیون تن کربن شود.
-در چند سال گذشته بازارچند میلیارد دلاری برپایه نانوتکنولوژی کسترش یافته اند . برای مثال در ایالات متحده ، IBM برای هد دیسکهای سخت ، یک سری حسگرهای مغناطیسی را ابداع کرده است .
بنا بر این استفاده از نانو مواد و تکنولوژی نانو در صنایع، می تواند گامی موثر در جهت صرفه جویی و پیش برد اهداف در جهت مطلوب کردن مواد، باشد.

فیلترهای نانویی

از تکنولوژی نانو در تهیه فیلتر استفاده می‌شود. این فیلترها با کاربردهای مختلف برای استفاده در یخچال، اتومبیل، محیط خانه و بیمارستان‌ها و مراکز درمانی برای حذف باکتری، قارچ، بو و ترکیبات آلی فرار مورد استفاده قرار می‌گیرند.

فیلترهای نانو نقره، فیلترهای ضدمیکروب

فیلترهای نانو نقره دارای قدرت بسیار بالایی در حذف میکروارگانیسم‌ها و میکروب‌های بیماری‌زا هستند. استفاده از این فیلترها در مکان‌هایی مانند بیمارستان و مراکز عمومی‌ که احتمال وجود آلودگی‌های میکروبی زیاد است اهمیت و کاربرد زیادی دارند:

رفع بو و مواد فرار با فیلترهای نانوکربن

علاوه بر نقره از ذرات نانویی کربن نیز برای از بین بردن بو و مواد فرار استفاده می‌شود. فیلترهای نانو کربن با دارا بودن ساختارهای نانو کربنی که دارای نسبت سطح به حجم بالایی هستند، بوها و مواد فرار را به خوبی جذب می‌کنند. قدرت جذب این فیلترها 15 برابر بیشتر از کربن فعال است و علاوه بر بو ترکیبات آلی فرار را نیز حذف می‌کنند.

فیلترهای نانو هیبرید، فیلترهای ضدقارچ

یکی دیگر از موارد کاربرد نانوتکنولوژی در ساخت فیلترهای نانو هیبرید است که فرآیند تهویه و تصفیه هوا را به خوبی انجام می‌دهند و برای از بین بردن میکروب‌ها در محیط‌های مختلف مانند محیط‌های نگهداری مواد غذایی، سرویس‌های بهداشتی، رستوران‌ها و آشپزخانه‌ها به کار برده می‌شوند. این فیلترها حاوی نانو ذرات هیبرید مواد آلی و معدنی است و پایداری خوبی دارند.

تکنولوژی نانو فیلتراسیون و استفاده از آن

یکی از کاربردهای فناوری نانو استفاده از نانو فیلترها است که گام مؤثری در حفظ محیط زیست و صرفه جویی در انرژی شناخته می شود. از تکنولوژی نانو در تهیه فیلتر استفاده می‌شود. این فیلترها با کاربردهای مختلف برای استفاده در یخچال، اتومبیل، محیط خانه و بیمارستان‌ها و مراکز درمانی برای حذف باکتری، قارچ، بو و ترکیبات آلی فرار مورد استفاده قرار می‌گیرند. گازهای مضری مانند فرمالدئید، تولوئن و بنزن که از مبلمان، موکت، فرش، لوازم چوبی و چرمی، وسایل پلاستیکی، سطوح رنگ شده، لوازم آرایش و ... متصاعد می‌شوند سبب بسیاری از سردردها، سرگیجه، سوزش چشم، مشکلات تنفسی و تشدید آسم می‌گردند و مقدار این گازها در محیط خانه 2 تا 5 برابر محیط خارج است که نانو فیلتراسیون می تواند نقش مهم و موثری در رفع این مشکلات داشته باشد.
نانوتکنولوژی نیز یکی از نمونه‌های جدید پیشرفت علم و تکنولوژی است که گسترش و کاربرد زیادی به ویژه در بهداشت و سلامت انسان‌ها داشته است. نانو فیلترها براساس منافذشان به3 گروه: میکرو، اولترا و نانوفیلترها طبقه بندی شده اند. غشاهای نانو فیلتراسیون معمولاً از2 لایه تشکیل می شود. لایه های نازک و متراکم عمل جداسازی و لایه محافظ، عمل حفاظت در برابر فشار سیستم را انجام می دهد. غشاها در اشکال مختلف مارپیچی، صفحه ای، لوله ای و فیبری هستند. نانوفیلتراسیون یک فرآیند جداسازی تحت فشار ما بین اسمز معکوس و اولترا فیلتراسیون است. نانو فیلتراسیون نسبت به اسمز معکوس و اولترا فیلتراسیون برتری دارد، چرا که در اولترا فیلتراسیون مقدار آلاینده های مصرفی نسبت به حد مجاز بالاتر بوده و در اسمز معکوس میزان خلوص آب حاصله بیشتر از حد محصول است که پیامد آن افزایش قیمت این روش است.

تولید فیلترها

دانشمندان روش ساده ای برای تولید فیلترها با استفاده از نانو لوله های کربنی ابداع کرده اند که حتی قادر به حذف هیدروکربن های سنگین از نفت خام می باشد. ساخت فیلترها از نانولوله های کربنی فوایدی مانند سهولت نظافت، افزایش استحکام، قابلیت مصرف مجدد و مقاومت آنها در برابر حرارت، دارا می باشد.
برخی از شرکت های صنعتی در حال استفاده از نانوفیلترهای اکسید آلومینیم با اندازه دو نانو متر برای تصفیه آب هستند. فیلترهای نانو سرام قادرند باکتریها، نمکها عناصر کدر کننده، مواد رادیو اکتیو و فلزات سنگین را از آب حذف کنند. این نوع فیلترها در 5 PH تا 9 بهترین عملکرد را دارند. حداکثر4 بار فشار را می توان به فیلترها اعمال کرد که منجر به شدت جریان9 تا10 لیتر بر ساعت به ازای هر سانتی متر مربع از فیلتر خواهد شد. در حال حاضر، هزینه هر مترمربع فیلتر یک دلار است که ممکن است این مقدار به3 دلار نیز برسد. بنا به گفته کارشناسان، فیلترهای نانو سرام، نیازی به تصفیه پیشین یا پسین، تمیز کردن و شارژ مجدد فیلتر ندارند.

فیلترهایی از جنس نانو الیاف

برخلاف فیلترهای معمولی ، لایه الیاف نانو توانایی فیلتراسیون ذرات در مقیاس میکرون را دارد که با استفاده از آن می توان فیلترهای ارزان قیمت و با کارایی بالا به دست آورد.
مکانیزم فیلتراسیون الیاف نانو با الیاف معمولی متفاوت است. همین ویژگی سبب گسترش محدوده کاربرد این الیاف در جوانب مختلف زندگی روزمره انسان ها شده است. با کاهش قطر الیاف پلیمری از میکرومتر به نانومتر، خواص منحصر به فردی مانند نسبت سطح به حجم بسیار بالا، انعطاف پذیری و خواص مکانیکی عالی در الیاف ایجاد می شود که سبب گسترش کاربرد آنها خواهد شد.

نانو الیاف و فیلتراسیون

در سالهای اخیر، نانو الیاف به علت دارا بودن ویژگی های منحصر به فرد در صنایع مختلف از جمله فیلتراسیون هوا مورد توجه قرار گرفته اند. در یک طرح پژوهشی دوساله ، لایه های مختلفی از الیاف نانو با قطر و ضخامت مختلف به روش الکتروریسی تهیه شده و در یک سیستم آزمایشگاهی آزمون فیلتر که برای تعیین ویژگی های فیلتر طراحی و ساخته شده بود، بررسی و آزمایش شد. نتایج به دست آمده از این طرح تحقیقاتی که از سوی محققان واحد علوم و تحقیقات دانشگاه آزاد اسلامی انجام شد، نشان می دهد فیلترهای ساخته شده از الیاف نانو قابلیت بسیار بالایی در فیلتراسیون ذرات آلوده دارند و از راندمان بالاتری در مقایسه با فیلترهای سلولزی معمولی برخوردارند.
با استفاده از الیاف نانو می توان فیلترهای تمیز شونده با راندمان بالا و وزن کمتر طراحی و تولید کرد که در نتیجه سبب می شود تفاوت محسوسی را در روش فیلتراسیون نسبت به استفاده از فیلترهای متداول الیافی ایجاد کنیم.تاکنون روشهای متعددی برای تولید الیاف نانومتری در نظر گرفته شده است که از میان آنها روش الکتروریسندگی علاوه بر سادگی از بازده بالاتری برخوردار است و در واقع می توان گفت این روش تنها روشی است که در آینده می توان از آن برای تولید نانو الیاف به صورت هم جهت و پیوسته استفاده کرد. در روشهای محصول تولید الیاف با قطر بزرگتر ابتدا مذاب پلیمری با اعمال نیروهای مکانیکی تحت کشش قرار می گیرد و از داخل حدیده خارج می شود و نهایتاً رشته ای از الیاف به دست می آید. قطر الیاف نانو به پارامترهای مختلفی مانند غلظت پلیمر، ولتاژ الکتریکی اعمال شده ، فاصله ، دبی جریان ، قطر سوزن و نوع جمع کننده بستگی دارد.

نانو الیاف در خدمت فناوری

ویژگی متمایز این الیاف سبب می شود نانو الیاف پلمیری به عنوان مواد مناسبی در زمینه های مختلف صنعتی استفاده شوند که از آن جمله می توان به کاربرد این الیاف در ساخت نانو کامپوزیت های پلیمری ، صنایع فیلتراسیون ، نظامی و پزشکی اشاره کرد.امروزه استفاده از الیاف نانو برای ساخت لباسهای محافظ در مقابل عوامل شیمیایی و بیولوژیکی ، ساخت فیلترهایی با ویژگی های متفاوت و همچنین نانو کامپوزیت های پلیمری به صورت کاربردی مطرح شده است. پیش بینی می شود استفاده از این الیاف در فیلتراسیون تحول عظیمی را در این بخش به وجود آورد.
به گفته توکلی ، اگر از یک فیلتر با کیفیت بالا در فرآیند فیلتراسیون هوا استفاده شود، ذرات تا مقیاس 300 نانومتر در این سطح محبوس خواهند شد و بازده این فرآیند به 99.97 درصد ارتقاء خواهد یافت.
هر چند اندازه منافذ قرار گرفته روی این گونه فیلترها کوچک و ضخامت فیلتر در محدوده ای است که اجزای فوق العاده کوچک را نیز به دام می اندازد؛ اما در این نوع فیلتراسیون لازم است جریان هوا با فشار وارد شود. در غیر این صورت توانایی فیلتراسیون کاهش می یابد و همانند یک فیلتر معمولی عمل می کند.با استفاده از لایه نازکی از الیاف نانو می توان فرایند فیلتراسیون را در فشار هوای معمولی و جریان هوای کم با کیفیتی مشابه فیلترهایی از جنس الیاف شیشه ای انجام داد.
قطر الیاف نانوی مورد استفاده در این نوع فیلترها به کمتر از یک میکرون می رسد که همین امر باعث زیاد شدن نسبت سطح به حجم ، کوچک شدن منافذ و در نهایت تخلخل بالا می شود. این فیلترها می توانند با وجود کارایی بسیار بالا در فیلتراسیون ذرات ریز، افت فشار را نیز به حداقل برساند. این ویژگی سبب افزایش کارایی فیلتر، کاهش افت فشار و افزایش طول عمر آن می شود.
برای مثال ، نانو فیلترهای مورد استفاده در صنایع خودروسازی سبب صرفه جویی در مصرف سوخت و انرژی ، سوختن کامل بنزین در موتور، کاهش آلودگی هوا و مشکلات زیست محیطی و کاهش هزینه ها می شود. این در حالی است که با ورود هوای تمیز به داخل موتور اتومبیل ، بازده موتور افزایش و ورود ذرات آلوده به داخل موتور کاهش می یابد.

آینده در تسخیر نانو

انسان ها در معرض یک انقلاب اجتماعی قدرتمند و تسریع شده قرار گرفته اند که تا حدودی ناشی از توسعه نانو فناوری در زمینه های مختلف زندگی است. در آینده ای نه چندان دور، دانشمندان قادر به ساخت اولین آدم آهنی در مقیاس نانو می شوند که حتی می تواند همانندسازی کند و طی چند سال با تولید 5 میلیارد تریلیون نانو روبات ، تقریبا تمامی فرآیندهای صنعتی و نیروی کار کنونی از رده خارج خواهد شد. با این تحول عظیم ، کالاهای مصرفی به وفور یافت می شود، در حالی که ارزان ، شیک و بادوام خواهد بود. دارو درمانی جهشی سریع و کوانتومی را تجربه می کند، سفرهای فضایی مقرون به صرفه خواهد شد و به طور کلی سبک زندگی در جهان به صورت زیربنایی متحول شده و الگوهای رفتاری انسان ها نیز بناچار تحت تاثیر این روند قرار خواهد گرفت. مطالعات انجام شده نشان می دهد با توجه به امکانات و قابلیت های موجود در کشور، دستیابی به دانش فنی تولید این مواد در مقیاس صنعتی و نیمه صنعتی امکان پذیر خواهد بود.

نتیجه جداسازی مونواکسید کربن به روش نانو فیلتراسیون

در محیط اطراف ما همواره انواع باکتری‌ها، قار‌چ‌ها، ویروس‌ها، گازهای مضر و بوهای نامطبوع وجود دارند. همچنین عوامل میکروبی مانند ویروس‌ها و باکتری‌ها از علل مهم سرماخوردگی و عفونت‌های تنفسی به ویژه در کودکان، سالمندان و بیماران ریوی می‌باشند. با تولید فیلترهای نانو می توان با حبس گاز CO در ابعاد نانومتر، از پخش شدن آن در هوا و نیز تنفس آن جلوگیری نمود و خطرات ان را کاهش داد. بنابراین با کاهش خطرات و مضرات این گاز روبرو خواهیم بود.
منابع:
• ‌نانو فناوری مولکولی و نانو فناوری‌ زیستی نویسنده: دکتر محسن جهانشاهی
• Nano, Quantum and Molecular Computing
Edited by Sandeep K. Shukla
Virginia Polytechnic and StateUniversity,Blacksburg, U.S.A and
R. IrisBaharBrownUniversity, Providence, U.S.A
• شبکه فیزیک هوپا http://www.hupaa.com
• سایت ستاد فناوری نانو www.nano.ir
• نانو تکنولوژی و پیدایش کاربردهای جدید
نویسنده: سیما حبیبی - مهدی محمدی شادپور ناشر: الماس دانش
• نانوتکنولوژی، آئینه تکنولوژی آفرینش . گردآوری و ترجمه: انجمن علمی دانشجویی نانوتکنولوژی دانشکده فنی دانشگاه تهران . ناشر: کمیتة مطالعات سیاست نانوتکنولوژی، دفتر همکاری‌های فن‌آوری ریاست جمهوری
• www.foresight.org
• عنوان: Nanolubricants نویسندگان: Jean Michel Martin, Nobuo Ohmae
• عنوان Commercializing Micro-Nanotechnology Products : انتشارات CRC