دانلودمقاله انرژی هسته ای

 
مقدمه:
حدود 100 سال پیش که برای اولین بار مسئله استفاده از انرژی عظیم هسته ای مطرح شد، بشر نمی‌توانست درک تجربی و صحیحی نسبت به این موضوع داشته باشد. ولی دیری نپائید که دانش و تکنولوژی این انرژی در اختیار بشر قرار گرفت و توانست استفاده از آن را تجربه نماید.
دیرزمانی اگر کسی مسئله پرواز در آسمان و یا سفر به خارج این کره خاکی و گردش به دور آن را مطرح می کرد، حتماً او را خیالپرداز و مجنون قلمداد می کردند و یا به خاطر اظهار بعضی حقایق فرد را به توبه در کلیسا وا می‌داشتند!
زمانی روباتها و ابرکامپیوترها که می‌توانستند چندین محاسبه ریاضی را در چند ثانیه انجام دهند، فقط در داستانهای تخیّلی نویسندگان پیدا می شد. خلاصه همیشه در تمامی اعصار وقتی مطلبی فوق دانش و درک مردم آن زمان مطرح می‌شد در برابر مخالفتها و انتقادهای شدیدی قرار می‌گرفت ولی بعد از طی روزگاری، همگان به پیشرفتهای فوق العاده در آن زمینه مواجه می‌شدند و حتی این پیشرفت را موجب فراهم آمدن آسایش بیشتر خود می‌دیدند و حالا در عصرها بحث نانوتکنولوژی مطرح شده است، موضوعی که در تمامی ابعاد زندگی بشر و رشته های مختلف علمی ارتباط مستقیم و میسر خواهد داشت.
نانوتکنولوژی چنان روی کرد و نگرش به تکنولوژی را متحول ساخت که در صورت تحقق و رسیدن به مقصدی که ترسیم شده است، شاید بزرگترین جهش انسان برای صعود به قله های رفیع خواهد بود. اکنون جهان متوجه این رویکرد متحول کننده شده و متخصصین و دانشمندان در نقاط مختلف این کره‌ی خاکی دست به پژوهش و مطالعات وسیعی در این زمینه زده اند و طبق گفته‌ی برخی از آنان پیشرفت‌های صورت گرفته و روند رو به رشد نانو، بیش از حد انتظار و پیش‌بینی است.
نانوتکنولوژی چیست؟
نانوتکنولوژی مولکولی، نامی است که به یک نوع فن‌آوری تولیدی اطلاق می شود. همانطور که از نامش پیداست، نانوتکنولوژی مولکولی، هنگامی محقق می شود که ما توانایی ساختن چیزها را از اتمها داشته باشیم و در این صورت ما توانایی آرایش دوباره مواد را با دقت اتمی خواهیم داشت. هدف نانوتکنولوژی ساختن مولکول به مولکول آینده است. همان طور که وسایل مکانیکی به ما اجازه می دهند که چیزی فراتر از نیروی فیزیکی خود به دست آوریم، علم نانویی و تولید در مقیاس نانو هم، سبب می شود تا ما بتوانیم پا را فراتر از محدودیتهای اندازه ای که به طور طبیعی موجود است، بگذاریم و درست روی واحدهای ساختاری مواد کار کنیم، جایی که خاصیت مواد مشخص می شود و با تغییر در آن واحدها می توان تغییرات خواص را ایجاد کرد. برای کنترل ساختار مواد، باید یک سیستم کامل و ارزان قیمت در اختیار داشته باشیم. فرض اصلی در نانوتکنولوژی این است که تقریباً همه ساختارهای باثبات شیمیایی که از نظر قوانین فیزیک رد نمی‌شوند را می توان ساخت.
ماهیت نانوتکنولوژی، عبارت است از توانایی کارکردن در تراز اتمی، مولکولی و فراتر از مولکولی، در ابعاد بین 1 تا 100 نانومتر، با هدف ساخت و دخل و تصرف در چگونگی آرایش اتمها یا مولکولها با استفاده از مواد، وسایل و سیستم هایی با تواناییهای جدید و اعمال تازه که ناشی از ابعاد کوچک ساختارشان می باشد.
همه مواد و سیستم ها زیربنای ساختاری خود را در مقیاس نانو ترتیب می دهند. در اینجا مثال‌هایی را ذکر می کنیم. یک مولکول آب دارای قطری حدود یک نانومتر است. قطر یک نانوتیوب تک لایه 2/1 نانومتر می باشد. کوچکترین ترانزیستورها به اندازه 20 نانومتر می باشند. مولکول DNA، 5/2 نانومتر پهنا دارد و پروتئینها بین 1 تا 20 نانومتر هستند. قطر ATP، 10 نانومتر بوده و یک وسیله مولکولی نیز ممکن است در حدود چند نانومتر باشد. کنترل مواد در مقیاس نانویی به معنای ساختن ساختارهای بنیانی در مقیاسی است که خواص اساسی معین می شود. تا آنجایی که ما از طبیعت اطلاعات در دست داریم، این آخرین مقیاس تولید است. نانوتکنولوژی، اتحاد ساختارهای نانویی در جهت ایجاد ساختارهای بزرگتر را که می توانند در صنعت، پزشکی و حفاظت محیط زیست استفاده شوند، شامل می شود.
دانشمندان اخیراً این توانایی را پیدا کرده اند که بتوانند اتمها را به طور مستقیم مشاهده کرده و دستکاری کنند ولی این تنها بخش کوچکی از تکنیکهایی است که در علم نانویی و همچنین فن‌آوری، به دست آمده است. هنوز چند دهه به توانایی تولید محصولات تجاری باقی است ولی مدلهای تئوری کامپیوتری و محاسباتی، نشان می دهند که دستیابی به سیستم های تولید مولکولی امکان پذیر است. چرا که این مدلها، قوانین فیزیک کنونی را نقص نمی کنند. امروزه دانشمندان وسایل و تکنیکهای زیادی را که برای تبدیل نانوتکنولوژی از مدلهای کامپیوتری به واقعیت لازم است اختراع و تبدیل می کنند.
دقت به عنوان منفعت ماشینهای مولکولی مدنظر می باشد و همچنین یکی از کلیدهای مهم برای درک لزوم پیشرفت در زمینه این فن‌آوری است. دقت در اینجا به این معناست که برای هر اتم جایی وجود دارد و هر اتم در جایگاه خودش است. ما از ماشینهای دقیق برای تولید محصولات با دقت مساوی، استفاده خواهیم کرد. فن آوری تا به حال هرگز چنین کنترل دقیقی نداشته است و همه ی فن آوریهای کنونی ما، فن آوریهای بزرگی هستند. امروزه ما تکه یا توده‌ای از چیزی را در مقابل خود قرار می‌دهیم و به آن چیزی اضافه کرده و یا از آن تکه هایی را کم می کنیم و در نهایت وسیله موردنظرمان را با این اعمال ایجاد می کنیم. در واقع ما وسایلمان را از سرهم کردن قسمتهای مختلف تولید می کنیم بدون آنکه نسبت به ساختمان مولکولی آنها توجهی داشته باشیم. در گذشته ساخت با دقت اتمی، تنها در محصولات کریستالها یا در سازمان های زنده ی زیستی مانند ریبوزومها که پروتئین موردنیاز موجود زنده را فراهم می کنند و یا DNA که اطلاعات مورد نیاز برای ایجاد موجود زنده را حمل می کند، دیده شده است. ما در جریان پیشرفت نانوتکنولوژی روندی به سوی دستیابی به درجه ای از کنترل سیستمها که قبلاً تنها در طبیعت موجود بوده، در پیش‌رو داریم.
منفعتهای دیگر وقتی نمایان می شوند که اندازه‌ی وسایل قابل ساخت را مورد توجه قرار می‌دهیم. وقتی ما در مقیاس اتمی کار کنیم، می توانیم دستگاههایی بسازیم که می‌توانند به جاهای غیرقابل تصور از نظر کوچکی بروند.
دو وسیله ی بسیار حساس که هنوز ساخته نشده اند در نانوتکنولوژی عبارتند از:
1- نانوکامپیوتر 2- نانواسمبلر
نانوکامپیوتر ماشینی مولکولی است که قادر است یک رشته اعمالی را به اجرا درآورد و آنها را اداره کند و در نهایت نتیجه‌ای را تولید نماید. در عمل این وسیله تا حدی با میکروپردازشگرهای امروزی متفاوت است. اگر چه شباهتهای نادری با کامپیوترهای قدیمی و مکانیکی که توسط
Charles Babbage در دوره‌ی ویکتوریا طراحی شده بود، دارد. همچنین دارای دستگاه ثبت کننده ای است که چیزی شبیه ماشینهای جمع کننده ( Adding Machine ) به وجود می‌آورد. البته ماشین جمع کننده ای که میلیون‌ها بار کوچکتر و میلیون‌ها بار سریعتر از میکروپردازشگرهایی که تاکنون طراحی شده است. وقتی یک نانو کامپیوتر وجود داشته باشد در این صورت به وجود آوردن نانواسمبلر نیز امکان پذیر خواهد بود. نانواسمبلر وسیله ای ساخته شده در تراز اتمی است که می تواند اتمها را برای بیشتر شکلهایی که مورد نظر می باشد، دقیقاً نظم دهی و آرایش کند.
امروزه کارکردن در تراز اتمی به نیروی اتمی میکروسکوپی ارزان قیمت ( AFM ) نیاز دارد که از میدان الکتریکی برای هل دادن اتمها به سمت جایگاهشان استفاده می کند. ولی نانواسمبلر می‌تواند به سادگی اتمها را از جایگایشان خارج کرده و آنها را همانند دستگاه بافندگی صنعتی، در محل موردنظر به یکدیگر پیوند دهد. در سلولهای ما، ریبوزومها کاری شبیه به این را انجام می دهند، DNA را به صورت RNA کپی کرده و سپس آمینواسید صحیح را جهت ساخت پروتئینها جمع آوری می کنند. نانواسمبلری که یک نانوکامپیوتر را در هسته ی خود در بر دارد، تقریباً همین کار را انجام می دهد. نانواسمبلر در واقع یک هدف نهایی و مهم در نانوتکنولوژی است. وقتی یک نانواسمبلر کامل در دسترس باشد، تقریباً همه چیز ممکن می شود و این مهمترین و بزرگترین خواسته‌ی انجمن نانوتکنولوژی است.
شصت سال پیش gohn von neumann (کسی که همراه Alan turing ، زمینه علم کامپیوتر را پایه گذاری کرد.) حدس زد که روزی ساختن ماشین هایی که بتوانند خودشان را کپی کنند، ممکن خواهد شد یک نوع تکرارکننده ی خود به خودی که می تواند ما را از یک مثال ساده ی ذهنی به سمت اجتماعی از کپی‌های کامل هدایت کند. اگر چه ماشین مورد نظر von Neumann در تئوری ساده به نظر می رسد ولی هرگز ساخته نشده است. در مقیاس ماکرو مولکولی ساختن یک کپی از ماشین بسیار ساده‌تر از تهیه کردن ماشینی است که بتواند خود را کپی کند ولی در تراز مولکولی، این موازنه برعکس است یعنی تهیه کردن ماشینی که بتواند خود را کپی کند بارها ساده تر از ساختن ماشین دیگری با استفاده از تراشه‌هاست.
این مزیت بزرگی است که وقتی تنها یک اسمبلر داریم، می توانیم هر تعداد که بخواهیم، ایجاد کنیم. همچنین این بدان معناست که نانواسمبلر یک آفت کامل است. اگر به طور عمدی یا تصادفی یک نانواسمبلر در محیط آزاد شود، تنها با راهنمای چگونگی تکثیرشدن، تمام سطح سیاره یعنی گیاهان، حیوانات و سنگها و صخره ها در عرض مدتی کمتر از هفتاد و دو ساعت (72) به ماده‌ی لزج و چسبناک خاکستری رنگ ( gray goo ) از nanite ها ( nano unite ) مبدل خواهد شد.
Drexler معتقد است مشکل gray goo تا حد زیادی خیالی است ولی امکان سناریوی غبار خاکستری را تصدیق می کند که باعث برگشت یا تکرار naniteها می گردد و زمین را در روکشی که مادون میکروسکپی است، خفه می کند و در اینجا ما با یک خطر فن‌آوری که در تاریخ بی‌سابقه است، مواجهیم. علیرغم این مسائل، کسانی که روی نانوتکنولوژی مولکولی کار می کنند. در حال مطالعه برای ساختن دستگاهی در مقیاس اتمی هستند و به نظر میرسد به زودی اطلاعات کافی برای ساخت نانوکامپیوترها و نانواسمبلرها را به دست آوریم.
این مسائل اجتناب ناپذیر و مطرح شده در نانوتکنولوژی باعث شد تا Drexler ، یک زیربنای علمی و آموزشی ایجاد کند و آن انستیتو foresight است که به عنوان یک محل شناخته شده و یک مرکز تفکر در مورد نانوتکنولوژی عمل می کند. در طی 14 سال برپایی foresight، این انستیتو به صورت کانون تحقیقات نانوتکنولوژی در آمده است. در اوسط اکتبر 2000، انستیتو foresight، کنفرانس سالانه‌ی خود را در هتلی در santa clara برگزار کرد. در آنجا زمزمه‌ای جدید به گوش می رسید؛ پیشرفتهای اخیر در سازه های با مقیاس مولکولی که حاصل ابتکار در برخی ترکیبات اصلی و بنیانی که Drexler در نانوسیستم توصیف کرده است، می‌باشد. همانند ترکیباتی که در ساختمان نانوکامپیوترها و نانواسمبلرها ضروری است. چیز دیگری که در کنفرانس به دست آمد، یک کپی از داروی نانویی Robert freitas بود. طب نانویی بیش از پیش در تلاش برای جامه‌ی عمل پوشاندن به وعده های Feynman (دارنده جایزه نوبل برای طرح فن آوری در مقیاس کوچک) در مورد دکتر بسیار کوچک است و قدم به قدم موانع فن‌آوری را از سر راه برمی دارد. موانعی که برای رسیدن به وسایل نانوپزشکی باید بر آنها فائق آمد.
هم اکنون کنگره ی آمریکا نسبت به سرمایه گذاری در هر نوع تحقیق و توسعه ( R&D ) بدن سوددهی زودرس در پزشکی و ارتش مخالفت دارد ولی دولت آمریکا سرمایه‌گذاری برای تحقیقات نانوتکنولوژی را دو برابر کرده است.
قسمتی از این سرمایه برای اهداف مرکز تحقیقات ناسا در Mountain view کالیفرنیا صرف خواهد شد؛ جایی که تیم کوچکی روی طرح نانوکامپیوترها کار می کنند. حال این سوأل در ذهن نقش می‌بندد که چرا ناسا توجه خود را معطوف به نانوتکنولوژی کرده است؟ در پاسخ می‌توان گفت که اندازه، مهمترین دلیل می باشد. کامپیوترهای رایج مثل آنچه که در Mars Pathfinder پایه گذاری شده.
هم بزرگند و هم به اندازه ی کافی قدرتمند نیستند و دیگر اینکه مستعد انجام خطا هستند. با استفاده از وسیله ای نانویی به اندازه ی یک حشره که به اصطلاح حشره ی نانویی (nanobot) خوانده می شود
ناسا می تواند 100 میلیون چشم و گوش را در بسته ای به وزن چند گرم، به سطح مریخ بفرستد. حتی اگر نیمی از آن حشره های نانویی دچار اشکال شوند و یا کر نکنند، بازهم کسی چیزی از دست نمی‌دهند. چرا که هنوز 50 میلیون دیگر باقی مانده است. برای ساختن یک عدد از این حشره های نانویی، محققان باید مشکلات بر سر راه نانوکامپیوترها را حل کنند و این همان نکته‌ای است که گروه تحقیق ناسا بر آن متمرکز شده است.
بررسی‌های انجام شده حاکی از آن است که نانوتکنولوژی تمام جنبه های زندگی ما را تحت تأثیر قرار خواهد داد. یک سری اتفاقات جالب در علم پزشکی و دارویی مورد انتظار است.
نانوتکنولوژی حتی بر روی هوایی که تنفس می کنیم و آبی که می‌نوشیم نیز مؤثر است. با مطالعه بر روی پیامدهای نانوتکنولوژی می توان دریافت که این نوع فن آوری ما را به سمت پیشرفت در راه رسیدن به سیستمهایی بهتر، سریعتر، مستحکمتر، کوچکتر و ارزان تر سوق می‌دهد.
پیشگامان نانوتکنولوژی:
چهل سال پیش Richard feynman، متخصص کوانتوم نظری و دارنده ی جایزه ی نوبل، در سخنرانی معروف خود در سال 1959 با عنوان آن پایین فضای بسیاری هست به بررسی بعد رشد نیافته علم مواد پرداخت. وی در آن زمان اظهار داشت: اصول فیزیک، تا آنجایی که من توانایی فهمش را دارم، برخلاف امکان ساختن اتم به اتم چیزها حرفی نمی زنند. او فرض را بر این قرار داد که اگر دانشمندان فرا گرفته اند که چگونه ترانزیستورها و دیگر سازه ها را با مقیاسهای کوچک بسازند پس ما خواهیم توانست که آنها را کوچک و کوچک‌تر کنیم. در واقع آنها به مرزهای حقیقی‌شان در لبه های نامعلوم کوانتوم نزدیک خواهند شد و فقط هنگامی این کوچک شدن متوقف می شود که خود اتمها تا حد زیادی ناپایدار شده و غیرقابل فهم گردند. feynman فرض کرد وقتی زبان یا سبک خاص اتمها کشف گردد، طراحی دقیق مولکولها امکان پذیر خواهد بود به طوری که یک اتم را در مقابل دیگری به گونه‌ای قرار دهیم که بتوانیم کوچکترین محصول مصنوعی و ساختگی ممکن را ایجاد کنیم.
با استفاده از این فرمهای بسیار کوچک چه وسایلی می توانیم ایجاد کنیم؟
Feynman در ذهن خود یک دکتر مولکولی تصور کرد که صدها بار از یک سلول منحصر به فرد کوچکتر است و می تواند به بدن انسان تزریق شود و درون بدن برای انجام کاری یا مطالعه و تأیید سلامتی سلولها و یا انجام اعمال ترمیمی و به طور کلی برای نگهداری بدن در سلامت کامل به سیر بپردازد. در بحبوحه‌ی سالهای صنعتی کلمه‌ی بزرگ از اهمیت ویژه ای برخوردار بود. مثل علوم بزرگ، پروژه های مهندسی بزرگ و... حتی کامپیوترها در دهه 1950 تمام طبقات ساختمان را اشغال می کردند. ولی از وقتی Feynman نظرات و منطق خود را بازگو کرد، جهان روندی به سوی کوچک شدن در پیش گرفت.
Marvin Minsky تفکرات بسیار باروری داشت که می‌توانست به اندیشه‌های Feynman قوت ببخشد. Minsky – پدر یابنده‌ی هوشهای مصنوعی – دهه 70- 1960 جهان را در تفکراتی که مربوط به آینده می شد، رهبری می کرد. در اوسط دهه ی 70، Eric Drexler که یک دانشجوی فارغ التحصیل بود، Minsky را به عنوان استاد راهنما جهت تکمیل پایان نامه اش انتخاب کرد و او نیز این مسئولیت را بر عهده گرفت. Drexler نسبت به وسایل بسیار کوچک Feynman علاقه مند شده بود و قصد داشت تا در مورد تواناییهای آنها به کاوش بپردازد. Minsky نیز با وی موافقت کرد. Drexler در اوایل دهه 80، درجه استادی خود را در رشته ی علوم کامپیوتر دریافت کرده بود و گروهی از دانشجویان را به صورت انجمنی به دور خود جمع نموده بود. او افکار جوانترها را با یک سری ایده ها که خودش نانوتکنولوژی نامگذاری کرده، مشغول می‌داشت. Drexler اولین مقاله علمی خود را در مورد نانوتکنولوژی مولکولی (MNT) در سال 1981 ارائه داد.
او کتاب Engines of Creation : The Coming Era of Nanotechnology را در سال 1986 به چاپ رساند. Drexler تنها درجه‌ی دکتری در نانوتکنولوژی را در سال 1991 از دانشگاه MIT دریافت داشت. او یک پیشرو در طرح نانوتکنولوژی است و هم‌اکنورئیس‌انستیتوForesight و Research fellow می باشد.

توسعه و پیشرفت در نانوتکنولوژی
انقلابی که توسط نانوتکنولوژی در دهه‌های آینده بوجود خواهد آمد، پیشرفتهای غیرمنتظره‌ای را در عرصه‌های مختلف وعده می‌دهد. تحولات اقتصادی، صنعتی و روشهای مناسب حفظ سلامتی و ایجاد محیط دلپذیر از پیامدهای این تکنولوژی است. به خاطر ریسک بزرگ و منافع پشت پرده‌ی این تکنولوژی، طرح National Nanotechnology Initiative از حمایتهای دولتی برخوردار است. کلینتون، رئیس جمهور اسبق ایالات متحده‌ی آمریکا، در سخنرانی خود در انستیتو California Institute Tnitiative در ژانویه ی 2000، ایده هایی اظهار داشت که پس از آن، مجلس آمریکا 422 میلیون دلار بعنوان بودجه ی مالی سال 2001 نانوتکنولوژی تصویب کرد. طی نامه ی سالیانه که از طرف سازمان‌های علم و تکنولوژی و سازمان برنامه و بودجه به تمام ارگانها ارسال شد، نانوتکنولوژی بعنوان مهمترین مسأله در رأس برنامه توسعه و پیشرفت (R&D) تمام ارگانها برای سال مالی 2001 قرار داده شد.
در همین چند سال اخیر، مراکز تجاری نانوتکنولوژی با سرمایه‌ی چندین میلیون‌دلاری خود نیز پیشرفتهایی را حاصل کرده اند. بعنوان مثال در ایالات متحده، شرکت IBM سنسورهای مغناطیسی برای هدهای خواننده‌ی دیسکهای سخت تولید کرده است. Eastmankodok و BM، تکنولوژیهای تولید فیلمهای باریک با ساختارهای نانویی ایجاد کرده اند. Mobil، کریستال‌های نانویی را برای کارخانه‌های شیمیایی تولید کرده است. Merck، داروهایی با ذرات نانویی تولید نموده است. Toyota، مواد پلیمری تقویت شده با ذرات نانویی را برای ماشینهای ژاپنی ساخته است. شرکت الکترونیکی Samsung در کره‌ی، روی صفحه‌ی مسطح از کربن نانوتیوب کار می‌کند و ... حتی ما می‌بینیم که محققان با استفاده از نانوکربوتیوبها، ماهیچه‌ی مصنوعی ساخته‌اند که به زودی می‌تواند در پزشکی مورد استفاده قرار گیرد.

نانوتکنولوژی و همگرایی علمی
نانوتکنولوژی به سه شاخه جدا و در عین حال مرتبط با یکدیگر تقسیم می شود که براساس ساختارهای زیر تعریف می شوند:
1- نانوتکنولوژی مرطوب: این شاخه به مطالعه سیستم های زیست محیطی که اساساً در محیطهای آبی پیرامون وجود دارند، می‌پردازد و چگونگی مقیاس نانومتری ساختمان مواد ژنتیکی، غشاء‌ها و سایر ترکیبات سلولی را مورد مطالعه قرار می دهد. موفقیت این رشته بوسیله ساختمانهای حیاتی فراوانی که تشکیل شده اند و نحوه عملکرد ساختمانشان در مقیاس نانویی نظارت می‌شود، به اثبات رسیده است. این شاخه در بر گیرنده علوم پزشکی، دارویی، زیست محیطی و کلاً علوم مرتبط به Bio می باشد.

فرمت این مقاله به صورت Word و با قابلیت ویرایش میباشد

تعداد صفحات این مقاله  26  صفحه

پس از پرداخت ، میتوانید مقاله را به صورت انلاین دانلود کنید