از رآکتورهای خانگی تا موشک‌های قاره‌ای چگونه با دانش هسته‌ای گره خورده‌اند؟
جعبه ابزار هسته‌ای دانشمندان
داستان این مقاله کوتاه به یک تجربه شخصی بازمی‌گردد. چندی پیش برای انجام پت‌اسکن به بیمارستان خاتم‌الانبیا رفته بودیم. فراروند پت‌اسکن تا حدود سه ساعت به درازا می‌کشد. تا بیمار آماده شود، رادیوداروی هسته‌ای تزریق شود و اسکن انجام شود، گاهی تا چهار یا پنج ساعت هم زمان لازم است.
داستان این مقاله کوتاه به یک تجربه شخصی بازمی‌گردد. چندی پیش برای انجام پت‌اسکن به بیمارستان خاتم‌الانبیا رفته بودیم. فراروند پت‌اسکن تا حدود سه ساعت به درازا می‌کشد. تا بیمار آماده شود، رادیوداروی هسته‌ای تزریق شود و اسکن انجام شود، گاهی تا چهار یا پنج ساعت هم زمان لازم است. من همراه بیمار بودم. چند ساعتی را در سالن انتظار نشسته بودم و کتاب «عزازیل»، نوشته نویسنده نامور مصری، یوسف زیدان هم همراهم بود. درحالی‌که سعی می‌کردم ذهن آشفته‌ام را متمرکز کنم، گفت‌وگوی دو نفر از همراهان بیماری سرطانی برایم جالب بود. خانم میانسال به آقای میا‌نسال‌تر از خودش که شاید همسر یا برادرش بود، می‌گفت: «به جای اینکه پول‌ها را ببرن و برای هسته‌ای هدر کنن، بیارن باهاش دستگاه پت‌اسکن بخرن، تو مرکز هر استان یکی بگذارن تا مردم ناچار نباشن از راه دور تا تهران بیان». معلوم بود از شهرستان آمده‌اند و به گمانم از استان‌های جنوبی کشور عزیزمان. این گفت‌وگو برایم تازگی نداشت؛ اما آه از نهادم بلند شد که مردم نازنین ایران شناخت درستی از دانش و صنعت هسته‌ای ندارند و همه‌چیز را در داستان برجام و غنی‌سازی و تحریم می‌بینند و حتی باورشان نمی‌شود بحران هسته‌ای ایران بحرانی سیاسی است؛ آن‌چنان که سیاست به صنعت هم آسیب رسانده است. در خاطرم ماند تا در صفحه علم روزنامه «شرق» کمی درباره کاربردهای گسترده دانش و ساخت‌واره‌های هسته‌ای بنویسم؛ تا اینکه مردم خوب ما بدانند زندگی پر از رفاه و آرامش به دانش هسته‌ای گره خورده است؛ از مین‌روبی مناطق آلوده به مین‌گذاری تا درمان سرطان.
ابزار دانش هسته‌ای
دانش هسته‌ای با توجه به گستردگی امروزی‌اش از ابزارهای گوناگونی بهره می‌جوید. شاید اگر امروز «ماری کوری» و همسرش «پی‌یر کوری» از یک آزمایشگاه دانشگاهی یا پژوهشیِ هسته‌ای در ایران یا فرانسه بازدید می‌کردند، از فراوانی و پرگونی ابزارها شگفت‌زده می‌شدند. اگر روی میز هر پژوهشگری یک رایانه می‌دیدند و در هر یک نرم‌افزارهای برنامه‌نویسی و کدنویسی، در حیرت فرو می‌رفتند که آیا به راستی اینجا آزمایشگاه هسته‌ای است! شاید اگر فیزیک‌دان پرآوازه جهان، «انریکو فرمی» از یک نیروگاه هسته‌ای پیشرفته نسل چهارم بازدید می‌کرد، با خود می‌گفت: در جهان هسته‌ای چه انقلاب بزرگی رخ داده است؟ «آلبرت اینشتین» در نامه معروفش به رئیس‌جمهور آمریکا پیشنهاد داده بود بمب هسته‌ای با کشتی حمل شود و بعد پرتاب شود. او باور نمی‌کرد خیلی زود بمب‌افکن‌هایی خواهند بود که نه یک بمب هسته‌ای بلکه چندین بمب را پرتاب خواهند کرد. امروز هم چنین است. ما به آسانی با دستگاه پیشرفته پت‌اسکن که زیرمجموعه‌ای از فناوری‌های هسته‌ای است، به راحتی از کل بدن بیمار اسکن می‌گیریم و به زبان دانشیِ پارسی، کل بدن بیمار را با روبشگر هسته‌ای می‌روبیم و گزارشی بسیار پَرسون (دقیق) از داخل بدن به‌دست می‌آوریم. و دور نیست که در دهه‌های بعد دانش هسته‌ای با دیگر بخش‌های دانش همچون هوش مصنوعی و نانوماشین‌ها چنان دگرگونیِ فناورانه‌ای را پدید آورد که سرطان‌ها در کمتر از یک هفته مهار شوند. دانش هسته‌ای تنها رآکتور یا واکنشگاه نیست؛ بلکه رده‌ای از ابزارهایی است که کاربردهای گوناگونی دارند. از کاربرد در دانش‌های زاستاری همچون اخترفیزیک هسته‌ای تا کلاهک هسته‌ای تأخیری. این پیشرفت‌ها همواره با شتاب یکسان نبوده‌اند و برگرفته از رویدادهای سیاسی و اقتصادی کشورها و نظام بین‌الملل بوده‌اند. در بازه‌ای از زمان پیشرفت دانش و صنعت هسته‌ای شتابدار بود و در برهه‌هایی آرام. اما هر روز بر پرسونش ابزارها افزوده می‌شود.
رآکتورهای هسته‌ای
نخستین ابزاری که از جعبه‌ابزار هسته‌ای معرفی می‌کنم، رآکتور هسته‌ای است. رآکتور هسته‌ای یعنی ابزاری که در آن واکنش‌های هسته‌ای به شکل زنجیره‌ای انجام می‌گیرد. رآکتور همان‌طور که اشاره کردم برابر انگلیسی «واکنشگاه» است و درون ساختمانی غالبا گنبدی‌شکل است که به پارسی به آن «ساختمان نیروگاه» می‌گویند. ساختمان نیروگاه هم در مجموعه‌ای است که به آن و تمام تجهیزاتش «نیروگاه» می‌گویند. نیروگاه هسته‌ای در بخش‌هایی شبیه نیروگاه‌های دیگر است و در بخش‌هایی تفاوت چشمگیری دارد. یکی از مهم‌ترین موضوع‌های نیروگاه هسته‌ای مکان آن و ایمنی آن است. شاید بتوان گفت ایمنی نخستین دغدغه سازندگان نیروگاه است و به همین خاطر طراحی نیروگاه‌ها و رآکتورها هر روز بهینه می‌شود تا هم ایمنی بالا رود و هم بهره‌وری و هزینه نگهداری و هزینه بازآماد. رآکتورها دو نوع هستند: رآکتورهای شکافت که بن‌پار یا عنصر سنگین همچون اورانیوم را به بن‌پارهای کوچک‌تر می‌شکند و از دل این واکنش هسته‌ای انرژی تولید می‌شود. رآکتورهای گداخت که به خورشید کوچک شهره‌اند، مانند خورشید هیدروژن را به هلیوم تبدیل می‌کنند. حواستان باشد که اینها همگی واکنش‌های هسته‌ای‌اند و با واکنش‌های شیمیایی که در درس شیمی دبیرستان یا دانشگاه خوانده‌اید، فرق دارد. درحال‌حاضر در کشورهای بسیاری نیروگاه‌های هسته‌ای شکافت کار می‌کنند و انرژی تولید می‌کنند. گاهی دچار حادثه شده‌اند؛ مانند فوکوشیما و چرنوبیل؛ اما روی‌هم‌رفته از ایمن‌ترین نیروگاه‌های جهان هستند. نیروگاه‌های گداخت در حد پژوهش‌های صنعتی هستند و هنوز وارد مدار تولید انرژی پایدار برای کشورها نشده‌اند؛ اما دیر نیست و دور نیست که چنین اتفاقی بیفتد. این رده از رآکتورها جغراسیاست (ژئوپلیتیک) زمین را دگرگون خواهند کرد. رآکتورها یا واکنشگاه‌ها با سوخت هسته‌ای کار می‌کنند. سوخت می‌تواند غنی‌سازی شده باشد یا سوخت طبیعی باشد. اینکه سوخت رآکتورها چه باشد، یکی از مناقشه‌های کشورها و نهاد بین‌المللی انرژی اتمی است. برخی از رآکتورهای هسته‌ای میران نه‌چندان زیاد پلوتونیوم تولید می‌کنند که برای برنامه‌های جنگ‌افزاری استفاده می‌شود؛ اما این یک روی سکه است. رآکتورهای این‌چنینی به شکل گسترده‌ای رادیوایزوتوپ‌های کارا و مفید را هم تولید می‌کنند. آنها با بن‌پار کبالت-60 و تعدادی از ایزوتوپ‌هایی با عدد اتمی بالاتر از اورانیوم که برای پژوهیدن در برخی محدوده‌های جدول تناوبی یا مندلیف لازم است، تولید می‌کند. رآکتورها می‌توانند ایزوتوپ‌هایی با هدف‌های تجاری و پزشکی و دارویی تولید کنند. برای نمونه امریکیوم-241 که در شناساگرهای دود به کار می‌رود. کبالت-60 در صنایع بازرسی کیفیت جوش و نیز درمان برخی سرطان‌ها کاربرد دارد. تکتنیوم-99 که در تشخیص‌های پزشکی کارکرد مؤثر دارد. سزیم-137 هم در درمان بیماری‌های سخت‌درمان کاربرد دارد. همچنین نوترون‌های تولیدی در رآکتورهای هسته‌ای برای بررسی موادی که پراکنش از صفحه‌های بلوری دارند، بسیار اهمیت دارد. جان کلام اینکه رآکتورها فقط برای کشور برق تولید نمی‌کنند و تنها توان شیرین‌کردن آب را ندارند؛ بلکه گستره‌ای از کاربردها را دارند و اگر کشوری سیاست‌گذاری هسته‌ای‌اش درست باشد، می‌تواند به لحاظ فناوری کشور را بسنده سازد و سودآوری اقتصادی داشته باشد.
آشکارسازها
برهمکنش‌های تابش‌های آلفا، گاما و بتا با مادّه، یون‌هایی با بار مثبت و الکترون تولید می‌کند. آشکارسازها ابزارهایی هستند که این برهمکنش و این یونش را اندازه‌گیری کرده، خروجی مشاهده‌پذیری را ممکن می‌کنند. آشکارسازهای ابتدایی از صفحه‌های عکاسی استفاده می‌کردند تا خط‌هایی را که به واسطه واکنش‌های هسته‌ای ایجاد شده، شناسایی کنند. اتاقک‌های ابر که در کشف ذرات زیراتمی هم کاربرد دارند، نحوه ثبت عکاسی و اندازه‌گیری‌های طاقت‌فرسای بدون رایانه و در نهایت تفسیر فیلم‌های عکاسی، آسان نبود؛ اما دانشمندان با صبر و حوصله دانش هسته‌ای را پیش بردند. پیشرفتی در الکترونیک و به‌ویژه ساخت ترانزیستور، گسترش آشکارسازهای الکترونیکی را فراهم آورد. آشکارسازهای سوسوزن به منظور تبدیل نور به تپ یا پالس الکتریکی از لوله‌های خلأ استفاده می‌کنند که گام مهمی بود؛ اما نیاز به ابزارهای آشکارسازی با اندازه‌های کوچک در صنعت هسته‌ای و دیگر صنایع سبب شد تا آشکارسازهای گازی پدید آیند. آشکارسازهای گازی نخست به صورت آشکارساز تک‌بن‌پار تا تک‌عنصری ساخته شدند؛ اما بعدتر به شکل چند‌عنصری هم تولید شدند. از دیگر سو، پیشرفت در دانش مواد، به‌ویژه مواد فرا‌خالص یا در اصطلاح فوق‌خالص، سبب شد شاخص‌هایی به آشکارسازها افزوده شود که هم‌اکنون شرکت‌های فناوری دنیا در ساخت آن با هم رقابت دارند. همچنان که نیاز به پرسونش بیشتر، همراه با بهره‌وری و حساسیت و توان هرچه بالاتر نیاز پژوهشگران است، پیچیدگی آشکارسازها هم افزایش می‌یابد و افراد برای کار با آنها نیازمند دوره‌های تخصصی‌اند. فهرستی از انواع آشکارسازها عبارت‌اند از: شمارشگر گایگر-مولر، شمارشگر گاز یونیده، محفظه‌های چند‌مفتولی، آشکارسازهای نیمه‌رسانا، اسپکترومترهای مغناطیسی، آشکارسازهای فوتومولتی، آشکارساز پلیروسوسوزن، آشکارساز چرنکوف، آشکارساز ژرمانیوم، سوسوزن مایع، آشکارساز ذرات باردار پرانرژی و کم‌انرژی، آشکارسازهای نوترینو، آشکارساز نوترونی و گستره‌ای از انواع دیگر.
شتاب‌دهنده‌ها
یکی از مهم‌ترین ابزارهای دانش هسته‌ای شتاب‌دهنده‌های ذره است. شتاب‌دهنده ابزاری است که به باریکه‌ای از ذرات شتاب‌های لازم برای برخوردهای هسته‌ای و زیرهسته‌ای را می‌دهد. پیش از ساخت شتاب‌دهنده‌ها به سال 1932م. تنها چشمه شناخته‌شده ذرات که می‌توانست واکنش‌های هسته‌ای را شتاب بدهد، ذرات طبیعی آلفای گسیل‌شده مانند رادیوم بود. به زبان دیگر تنها واکنش هسته‌ای شناخته‌شده واکنشی بود که طی آن باریکه‌ای از ذرات آلفا یا همان هسته هلیوم با یک هسته واکنش می‌دادند یا به زبان پرسون‌تر اندرکنش هسته‌ای داشتند. طی این اندرکنش یک پروتون آزاد می‌شد. امروزه استفاده از ذره‌های زاستاری یا طبیعی آلفای گسیلشی برای شتاب‌دهی واکنش‌های هسته‌ای بسیار محدود است؛ زیرا شتاب‌دهنده‌ها ذرات آلفا و بن‌پارها یا عنصرهای میان هیدروژن و اورانیوم را با شدت و انرژی بالا، تولید می‌کنند. شتاب‌دهنده‌ها هم مانند آشکارسازها پُرگون هستند اما دو نوع آنکه بسیار به گوش افراد آشناست عبارت‌اند از: سیکلوترون و سینکروترون. پرآوازه‌ترین و یکی از موفق‌ترین تجهیزات برای شتاب‌دادن یون‌ها به مقدارهایی مانند چندین میلیون الکترون-ولت، سیکلوترون است. این ابزار کارآمد را درواقع به سال 1929م. «لاورنس» ساخت. نخستین نمونه واقعی آن به سال 1930م. پروتون‌های هشتاد الکترون-واتی تولید کرد. یک سیکلوترون و نیز یک شتاب‌دهنده خطی که به آن در اصطلاح لیناک می‌گویند، به وسیله یک میدان الکتریکی با بسامدی اندک و شتاب چندگانه کار می‌کند. یون‌ها در یک سیکلوترون به وسیله میدان مغناطیسی وادار می‌شوند تا در یک مسیر مارپیچ حرکت کنند. این یون‌ها در یک مرکز آهنربا که میان دو الکترود به شکل نیم‌دایره است، تزریق می‌شوند. سیکلوترون‌ها در انرژی‌های نسبیتی کارا نیستند و ابزاری دیگر لازم است. سینکروترون شتاب‌دهنده دیگری است که برای غلبه بر محدودیت‌های انرژی سیکلوترون ساخته شده است. سینکروترون برای سرعت‌های نسبیتی است یعنی برای سرعت‌های نزدیک سرعت نور، یعنی 300 هزار کیلومتر بر ثانیه در شرایط خلأ. در یک سینکروترون شعاع مدارها به‌واسطه یک میدان مغناطیسی که با گذر زمان افزایش می‌یابد، ثابت نگه داشته می‌شود؛ همچنان که تکانه ذره هم افزایش پیدا می‌کند. شتاب در یک سینکروترون مانند سیکلوترون توسط یک نوسانگر بسامد رادیویی برآورده می‌شود. این نوسانگر یک انرژی افزایشی را در هر زمان که ذره از یک فاصله شتاب‌ده عبور می‌کند، فراهم می‌کند. شتاب‌دهنده معروف دیگر با نام پرتو الکترونی پیوسته شناخته می‌شود. در این نوع از شتاب‌دهنده‌ها یک پرتو الکترونی از میان چندین شتاب‌دهنده خطی عبور می‌کند. شتاب‌دهنده برای تحریک الکترون‌ها برای انرژی‌های بسیار بالا با یک نیروی الکتریکی حد پایین، از فناوری بسامد رادیویی ابررساناها استفاده می‌کند. این رده از شتاب‌دهنده‌ها پرتو الکترونی پیوسته‌ای را تولید می‌کنند که نتیجه دلخواه آن چنین است که تمام واکنش‌ها امکان اندازه‌گیری داشته باشد. شتاب‌دهنده‌ها ابزارهای پیشرفته‌ای هستند که بزرگ‌ترین آنها در اروپا و در مرکز پژوهش‌های هسته‌ای، سرن، قرار دارد. ساخت شتاب‌دهنده‌های پیشرفته و پیچیده در دنیا اگر در توان دانشی یک یا دو کشور باشد، هزینه‌های اقتصادی بسیاری دارد؛ بنابراین کشورها و نهادهای دانشی بین‌المللی با همکاری هم ساخت آن را به سرانجام می‌رسانند. نمونه آن سرن است که چندین کشور در ساخت آن همکاری دارند و از بیش از صد کشور، از جمله ایران، با سرن همکاری‌های پژوهشی دارند. به‌طور کلی برخی از شاخه‌های پژوهشی دانش هسته‌ای که با ذرات بنیادی هم هم‌پوشانی دارد، به سمت همکاری بین‌المللی گام برمی‌دارد و برخی بخش‌ها به سمت هرچه محرمانه‌تر شدن.
رایانه‌ها
از آغاز دهه 70 میلادی، یعنی 10 سال پیش از رویداد انقلاب در ایران، به سال 1357ه.خ. آرام‌آرام کامپیوترها وارد فضایی شدند که نقش بسیار مهمی را ایفا کنند؛ آن‌چنان‌که نقش زیادی در پیشرفت دانش هسته‌ای و ابزارهای هسته‌ای داشتند و دارند. امروزه کار فراتر رفته و هوش مصنوعی به همراه توان محاسباتی کامپیوترها قلب تپنده نیروگاه‌های نوین هسته‌ای هستند. از پایش نیروگاه و ساختمان رآکتور و خود رآکتور گرفته تا اجرای واکنش مناسب به هنگام حادثه و کمک به مهار بحران را کامپیوترها و هوش مصنوعی برعهده دارد. از زمانی که رایانه‌ها با توان رایانشی بالا در کنار شتاب‌دهنده‌ها و آشکارسازها قرار گرفتند، آزمایش‌های هسته‌ای در اندازه‌های بزرگ، در شرایط پیچیده مانند آشکارسازی بوزون هیگز و نیز مدل‌سازی سامانه‌های پیچیده و بس-ذره‌ای گام بزرگی برداشتند. همچنین رایانه‌ها کمک شایانی کرده‌اند تا مدل‌های نظری در فیزیک هسته‌ای پیشرفته از پرسونش بالاتری برخوردار باشند. به واقع اگر رایانه‌های پرتوان نباشند، امروزه اخترفیزیک هسته‌ای نظری و نیز اخترفیزیک تجربی نمی‌تواند کاری از پیش ببرد. آزمایش‌ها صورت می‌گیرند و دریایی از داده تولید می‌شود. این داده‌ها باید با رایانه‌ها تحلیل و پردازش شوند و در‌نهایت فیزیک هسته‌ای نظری به پیش برود. بدون رایانه‌ها دانش هسته‌ای بر روی بسیاری از رویدادهای ریزمقیاس زاستار یا طبیعت نابینا خواهد بود. نکته مهم این است که فراموش نکنیم پیشرفت دانش امری زنجیری است، سرمایه‌گذاری روی رایانه‌های پرتوان که به ابررایانه معروف‌اند به بخش دیگری از دانش و صنعت یاری می‌رساند و سرمایه‌گذاری درست و هوشمندانه در دانش و صنعت هسته‌ای به کاهش هزینه درمان و به تولید انرژی و صادرات آن و به بنیه اقتصادی کشور کمک می‌کرد؛ تنها به شرط هوشمندی و تصمیم‌های درست و به‌موقع.
