Rozszczepienie i synteza jądrowa

Fuzja nuklearna i rozszczepienia jądrowego są różnymi rodzajami reakcji, które uwalniają energię ze względu na obecność wiązań atomowych o dużej mocy między cząsteczkami znajdującymi się w jądrze. W rozszczepieniu atom dzieli się na dwa lub więcej mniejszych, lżejszych atomów. Natomiast synteza zachodzi, gdy dwa lub więcej mniejszych atomów stapi się ze sobą, tworząc większy, cięższy atom.

Wykres porównania

Tabela porównawcza rozszczepienia jądra atomowego w porównaniu do syntezy jądrowej

	Rozszczepienia jądrowego	Fuzja nuklearna
Definicja	Rozszczepienie polega na podziale dużego atomu na dwa lub więcej mniejszych.	Fuzja to fuzja dwóch lub więcej lżejszych atomów w jeden większy.
Naturalne występowanie procesu	Reakcja rozszczepienia zwykle nie występuje w naturze.	Fuzja występuje w gwiazdach, takich jak słońce.
Produkty uboczne reakcji	Rozszczepienie wytwarza wiele wysoce radioaktywnych cząstek.	W wyniku reakcji syntezy powstaje niewiele cząstek radioaktywnych, ale jeśli zastosuje się „wyzwalacz” rozszczepienia, powstają cząstki radioaktywne.
Warunki	Wymagana jest masa krytyczna substancji i neutrony o dużej prędkości.	Wymagane jest środowisko o wysokiej gęstości i wysokiej temperaturze.
Zapotrzebowanie na energię	Zajmuje niewiele energii, aby rozdzielić dwa atomy w reakcji rozszczepienia.	Niezwykle wysoka energia jest wymagana, aby zbliżyć dwa lub więcej protonów na tyle blisko, aby siły jądrowe przezwyciężyły odpychanie elektrostatyczne.
Uwolniona energia	Energia uwalniana przez rozszczepienie jest milion razy większa niż energia uwalniana w reakcjach chemicznych, ale mniejsza niż energia uwalniana przez syntezę jądrową.	Energia uwalniana przez fuzję jest trzy do czterech razy większa niż energia uwalniana przez rozszczepienie.
Broń nuklearna	Jedną klasą broni jądrowej jest bomba rozszczepialna, znana również jako bomba atomowa lub bomba atomowa.	Jedną klasą broni jądrowej jest bomba wodorowa, która wykorzystuje reakcję rozszczepienia w celu „wywołania” reakcji syntezy jądrowej.
Produkcja energii	Rozszczepienie stosuje się w elektrowniach jądrowych.	Fusion to eksperymentalna technologia wytwarzania energii.
Paliwo	Uran jest podstawowym paliwem stosowanym w elektrowniach.	Izotopy wodoru (deuter i tryt) są podstawowym paliwem stosowanym w eksperymentalnych elektrowniach termojądrowych.

Treść: Rozszczepienie i synteza jądrowa

• 1. Definicje
• 2 Rozszczepienie vs. fizyka syntezy jądrowej
  • 2.1 Warunki rozszczepienia i syntezy jądrowej
  • 2.2 Reakcja łańcuchowa
  • 2.3 Wskaźniki energii
• 3 Wykorzystanie energii jądrowej
  • 3.1 Obawy
  • 3.2 Odpady nuklearne
• 4 Naturalne występowanie
• 5 efektów
• 6 Korzystanie z broni jądrowej
• 7 Koszt
• 8 referencji

Definicje

Fuzja deuteru z trytem tworzy hel-4, uwalniając neutron i uwalniając 17,59 MeV energii.

Fuzja jądrowa to reakcja, w której dwa lub więcej jąder łączy się, tworząc nowy pierwiastek o wyższej liczbie atomowej (więcej protonów w jądrze). Energia uwolniona podczas fuzji jest związana z E = mc ²⁾ (Słynne równanie Einsteina energia-masa). Na Ziemi najbardziej prawdopodobną reakcją syntezy jądrowej jest reakcja Deuterium-Tryt. Deuter i tryt są izotopami wodoru.

²⁾ ₁Deuter + ³⁾ ₁Tryt = ⁴₂₎On + ¹₀n + 17,6 MeV

[Zdjęcie: Fission-Reaction.svg | thumb | none | Fission Reaction]]

Rozszczepienie jądrowe polega na rozszczepieniu masywnego jądra na fotony w postaci promieni gamma, wolnych neutronów i innych cząstek subatomowych. W typowej reakcji nuklearnej z udziałem ²³⁵U i neutron:

²³⁵₉₂U + n = ²³⁶₉₂U

śledzony przez

²³⁶₉₂U = ¹⁴⁴₅₆Ba + ⁸⁹ ₃₆Kr + 3n + 177 MeV

Rozszczepienie vs. fizyka syntezy jądrowej

Atomy są trzymane razem przez dwie z czterech podstawowych sił natury: słabe i silne wiązania nuklearne. Całkowita ilość energii utrzymywanej w wiązaniach atomów nazywa się energią wiązania. Im więcej energii wiązania utrzymuje się w wiązaniach, tym bardziej stabilny jest atom. Ponadto atomy próbują stać się bardziej stabilne poprzez zwiększenie ich energii wiązania.

Nukleon atomu żelaza jest najbardziej stabilnym nukleonem występującym w naturze i nie łączy się ani nie rozszczepia. Właśnie dlatego żelazo znajduje się na szczycie krzywej wiązania energii. W przypadku jąder atomowych lżejszych od żelaza i niklu energia może być wydobywana przez łączenie jądro żelaza i niklu razem poprzez syntezę jądrową. W przeciwieństwie do jąder atomowych cięższych niż żelazo lub nikiel, energia może zostać uwolniona przez rozdzielać ciężkie jądra poprzez rozszczepienie jądrowe.

Pomysł podziału atomu zrodził się z pracy urodzonego w Nowej Zelandii brytyjskiego fizyka Ernesta Rutherforda, który również doprowadził do odkrycia protonu.

Warunki rozszczepienia i syntezy jądrowej

Rozszczepienie może nastąpić tylko w dużych izotopach, które zawierają więcej neutronów niż protonów w swoich jądrach, co prowadzi do nieco stabilnego środowiska. Chociaż naukowcy jeszcze nie w pełni rozumieją, dlaczego ta niestabilność jest tak pomocna dla rozszczepienia, ogólna teoria jest taka, że ​​duża liczba protonów wytwarza między nimi silną siłę odpychającą i że zbyt mało lub zbyt wiele neutronów tworzy „luki”, które powodują osłabienie wiązanie jądrowe, prowadzące do rozpadu (promieniowania). Te duże jądra z większą liczbą „szczelin” można „rozdzielić” na skutek działania neutronów termicznych, tzw. „Wolnych” neutronów.

Warunki muszą być odpowiednie, aby nastąpiła reakcja rozszczepienia. Aby rozszczepienie było samowystarczalne, substancja musi osiągnąć masę krytyczną, minimalną wymaganą masę; przekroczenie masy krytycznej ogranicza długość reakcji do zaledwie mikrosekund. Jeśli masa krytyczna zostanie osiągnięta zbyt szybko, co oznacza, że ​​w nanosekundach uwalnia się zbyt wiele neutronów, reakcja staje się czysto wybuchowa i nie nastąpi silne uwolnienie energii.

Reaktory jądrowe są w większości kontrolowanymi układami rozszczepiającymi, które wykorzystują pola magnetyczne do zatrzymywania zbłąkanych neutronów; tworzy to stosunek w przybliżeniu 1: 1 uwalniania neutronów, co oznacza, że ​​jeden neutron wyłania się z uderzenia jednego neutronu. Ponieważ liczba ta będzie się zmieniać w proporcjach matematycznych, w ramach tak zwanego rozkładu Gaussa, pole magnetyczne musi być utrzymane, aby reaktor mógł działać, a pręty kontrolne muszą być użyte do spowolnienia lub przyspieszenia aktywności neutronów.

Fuzja ma miejsce, gdy dwa lżejsze pierwiastki są ze sobą zmuszane przez ogromną energię (ciśnienie i ciepło), dopóki nie połączą się z innym izotopem i uwolnią energię. Energia potrzebna do rozpoczęcia reakcji syntezy jądrowej jest tak duża, że ​​do jej przeprowadzenia potrzeba eksplozji atomowej. Jednak po rozpoczęciu fuzji teoretycznie może ona nadal wytwarzać energię, o ile jest kontrolowana i dostarczane są podstawowe izotopy topiące.

Najczęstszą formą fuzji występującą w gwiazdach jest „fuzja D-T”, odnosząca się do dwóch izotopów wodoru: deuteru i trytu. Deuter ma 2 neutrony, a tryt ma 3, więcej niż jeden proton wodoru. Ułatwia to proces syntezy, ponieważ trzeba pokonać tylko ładunek między dwoma protonami, ponieważ łączenie neutronów i protonu wymaga pokonania naturalnej siły odpychającej podobnie naładowanych cząstek (protony mają ładunek dodatni w porównaniu z brakiem ładunku neutronów ) i temperatura - na chwilę - prawie 81 milionów stopni Fahrenheita dla fuzji DT (45 milionów Kelwinów lub nieco mniej w stopniach Celsjusza). Dla porównania temperatura jądra Słońca wynosi około 27 milionów F (15 milionów C).^[1]

Po osiągnięciu tej temperatury powstałe fuzje muszą być utrzymywane wystarczająco długo, aby wytworzyć plazmę, jeden z czterech stanów materii. Wynikiem takiego powstrzymywania jest uwolnienie energii z reakcji D-T, wytwarzanie helu (gaz szlachetny, obojętny dla każdej reakcji) i oszczędzanie neutronów, niż może „zaszczepić” wodór dla większej liczby reakcji syntezy jądrowej. Obecnie nie ma bezpiecznych sposobów na wywołanie początkowej temperatury topnienia lub powstrzymanie reakcji topnienia w celu osiągnięcia stałego stanu plazmy, ale wysiłki są w toku.

Trzeci typ reaktora nazywa się reaktorem rozpłodowym. Działa poprzez zastosowanie rozszczepienia do wytworzenia plutonu, który może zaszczepić lub służyć jako paliwo dla innych reaktorów. Reaktory hodowlane są szeroko stosowane we Francji, ale są wyjątkowo drogie i wymagają znacznych środków bezpieczeństwa, ponieważ moc wyjściowa tych reaktorów może być również wykorzystana do produkcji broni jądrowej.

Reakcja łańcuchowa

Reakcje jądrowe rozszczepienia i syntezy jądrowej są reakcjami łańcuchowymi, co oznacza, że ​​jedno zdarzenie jądrowe powoduje co najmniej jedną inną reakcję jądrową i zazwyczaj więcej. Rezultatem jest rosnący cykl reakcji, które mogą szybko stać się niekontrolowane. Ten rodzaj reakcji jądrowej może być wielokrotnym rozszczepieniem ciężkich izotopów (np. ²³⁵ U) lub łączenie lekkich izotopów (np. ²⁾H i ³⁾H).

Reakcje łańcuchowe rozszczepienia zachodzą, gdy neutrony bombardują niestabilne izotopy. Tego rodzaju proces „uderzenia i rozproszenia” jest trudny do kontrolowania, ale warunki początkowe są stosunkowo łatwe do osiągnięcia. Reakcja łańcuchowa syntezy jądrowej rozwija się tylko w ekstremalnych warunkach ciśnienia i temperatury, które pozostają stabilne dzięki energii uwalnianej w procesie syntezy. Zarówno warunki początkowe, jak i pola stabilizujące są bardzo trudne do zrealizowania przy użyciu obecnej technologii.

Wskaźniki energii

Reakcje fuzji uwalniają 3-4 razy więcej energii niż reakcje rozszczepienia. Chociaż nie ma ziemskich systemów syntezy jądrowej, moc wyjściowa Słońca jest typowa dla wytwarzania energii syntezy jądrowej, ponieważ stale przekształca izotopy wodoru w hel, emitując widma światła i ciepła. Rozszczepienie wytwarza swoją energię poprzez rozbicie jednej siły jądrowej (tej silnej) i uwolnienie ogromnych ilości ciepła, które są wykorzystywane do podgrzewania wody (w reaktorze), a następnie generowania energii (elektryczności). Fuzja pokonuje 2 siły jądrowe (silną i słabą), a uwolniona energia może zostać wykorzystana bezpośrednio do zasilania generatora; dzięki czemu nie tylko uwalnia więcej energii, ale można go również wykorzystać do bardziej bezpośredniego zastosowania.

Wykorzystanie energii jądrowej

Pierwszy eksperymentalny reaktor jądrowy do produkcji energii zaczął działać w Chalk River, Ontario, w 1947 r. Pierwszy obiekt energii jądrowej w USA, Experimental Breeder Reactor-1, został uruchomiony wkrótce potem, w 1951 r .; może zapalić 4 żarówki. Trzy lata później, w 1954 r., USA uruchomiły swój pierwszy atomowy okręt podwodny, USA Nautilus, podczas gdy ZSRR uruchomił pierwszy na świecie reaktor jądrowy do wytwarzania energii na dużą skalę w Obnińsku. Rok później USA zainaugurowały budowę elektrowni jądrowej, zapalając Arco, Idaho (pop. 1000).

Pierwszym komercyjnym obiektem do produkcji energii z wykorzystaniem reaktorów jądrowych była Calder Hall Plant w Windscale (obecnie Sellafield) w Wielkiej Brytanii. Było to także miejsce pierwszego wypadku jądrowego w 1957 r., Kiedy wybuchł pożar z powodu wycieków promieniowania.

Pierwsza wielkoskalowa elektrownia jądrowa w USA została otwarta w Shipport w Pensylwanii w 1957 r. W latach 1956–1973 w USA uruchomiono prawie 40 reaktorów jądrowych do produkcji energii, z których największą jest jednostka pierwsza elektrowni jądrowej Zion w Illinois, z pojemność 1155 megawatów. Od tamtej pory nie zamówiono żadnych innych reaktorów, jednak inne zostały uruchomione po 1973 r.

W 1973 r. Francuzi uruchomili swój pierwszy reaktor jądrowy, Phénix, zdolny do wytworzenia 250 megawatów energii. Najmocniejszy reaktor wytwarzający energię w USA (1315 MW) został otwarty w 1976 r. W elektrowni Trojan w Oregonie. Do 1977 r. W USA działały 63 elektrownie jądrowe, co zapewniało 3% krajowego zapotrzebowania na energię. Kolejnych 70 miało wejść do sieci do 1990 roku.

Jednostka druga na Three Mile Island uległa częściowemu rozpadowi, uwalniając gazy obojętne (ksenon i krypton) do środowiska. Ruch antynuklearny zyskał na sile ze strachu wywołanego tym incydentem. Strach podsycono jeszcze bardziej w 1986 r., Kiedy Jednostka 4 w elektrowni w Czarnobylu na Ukrainie uległa niekontrolowanej reakcji nuklearnej, która wybuchła w obiekcie, rozprzestrzeniając materiał radioaktywny na całym obszarze i dużej części Europy. W latach 90. Niemcy, a zwłaszcza Francja, rozbudowały swoje elektrownie jądrowe, koncentrując się na mniejszych, a tym samym bardziej kontrolowanych reaktorach. Chiny uruchomiły pierwsze 2 elektrownie jądrowe w 2007 r., Wytwarzając łącznie 1 866 MW.

Mimo że energia jądrowa zajmuje trzecie miejsce za węglem i energią wodną w wytwarzanej globalnej mocy, pchnięcie do zamknięcia elektrowni jądrowych, w połączeniu z rosnącymi kosztami budowy i eksploatacji takich obiektów, spowodowało wycofanie się z wykorzystania energii jądrowej do wytwarzania energii. Francja przoduje w świecie pod względem procentu energii elektrycznej wytwarzanej przez reaktory jądrowe, ale w Niemczech energia słoneczna wyprzedziła energię jądrową jako producent energii.

W USA nadal działa ponad 60 obiektów jądrowych, ale inicjatywy wyborcze i wiek reaktorów zamknęły zakłady w Oregonie i Waszyngtonie, a dziesiątki innych są celem protestujących i grup ochrony środowiska. Obecnie wydaje się, że tylko Chiny powiększają liczbę elektrowni jądrowych, ponieważ starają się zmniejszyć silną zależność od węgla (główny czynnik wyjątkowo wysokiego poziomu zanieczyszczenia) i szukać alternatywy dla importu ropy naftowej.

Obawy

Strach przed energią jądrową pochodzi z jej skrajności, zarówno jako broni, jak i źródła energii. Rozszczepienie z reaktora tworzy odpady, które są z natury niebezpieczne (patrz więcej poniżej) i mogą być odpowiednie dla brudnych bomb. Chociaż kilka krajów, takich jak Niemcy i Francja, ma doskonałe osiągnięcia w zakresie swoich obiektów jądrowych, inne mniej pozytywne przykłady, takie jak te na Wyspie Three Mile, Czarnobylu i Fukushimie, niechętnie przyjmują energię jądrową, mimo że jest wiele bezpieczniejsze niż paliwo kopalne. Reaktory termojądrowe mogą pewnego dnia stać się niedrogim, bogatym źródłem energii, które jest potrzebne, ale tylko wtedy, gdy można rozwiązać ekstremalne warunki potrzebne do tworzenia syntezy jądrowej i zarządzania nią.

Odpady nuklearne

Produktem ubocznym rozszczepienia są odpady radioaktywne, których utrata przez niebezpieczne poziomy promieniowania zajmuje tysiące lat. Oznacza to, że reaktory rozszczepienia jądrowego muszą również posiadać zabezpieczenia dla tych odpadów i ich transportu do niezamieszkanych składowisk lub składowisk. Aby uzyskać więcej informacji na ten temat, przeczytaj o gospodarowaniu odpadami radioaktywnymi.

Naturalne występowanie

W naturze fuzja zachodzi w gwiazdach, takich jak słońce. Na Ziemi po raz pierwszy dokonano syntezy jądrowej podczas tworzenia bomby wodorowej. Fuzję zastosowano również w różnych urządzeniach eksperymentalnych, często z nadzieją na wytwarzanie energii w kontrolowany sposób.

Z drugiej strony rozszczepienie jest procesem jądrowym, który normalnie nie występuje w naturze, ponieważ wymaga dużej masy i padającego neutronu. Mimo to istnieją przykłady rozszczepienia jądrowego w naturalnych reaktorach. Odkryto to w 1972 r., Kiedy odkryto, że złoża uranu z kopalni Oklo w Gabonie zachowały naturalną reakcję rozszczepienia około 2 miliardów lat temu.

Efekty

W skrócie, jeśli reakcja rozszczepienia wymknie się spod kontroli, albo wybuchnie, albo wytwarzający go reaktor stopi się w duży stos radioaktywnego żużla. Takie eksplozje lub stopienia powodują uwalnianie ton radioaktywnych cząstek do powietrza i każdej sąsiedniej powierzchni (ziemi lub wody), zanieczyszczając je co minutę reakcji. Natomiast reakcja syntezy jądrowej, która traci kontrolę (staje się niezrównoważona), spowalnia i obniża temperaturę aż do zatrzymania. Tak dzieje się z gwiazdami, które spalają swój wodór w hel i tracą te pierwiastki w ciągu tysięcy stuleci wygnania. Fuzja wytwarza niewiele odpadów radioaktywnych. Jeśli dojdzie do uszkodzenia, nastąpi to w bezpośrednim otoczeniu reaktora termojądrowego i niewiele więcej.

O wiele bezpieczniej jest używać syntezy jądrowej do wytwarzania energii, ale stosuje się rozszczepienie, ponieważ potrzeba mniej energii do rozdzielenia dwóch atomów niż do stopienia dwóch atomów. Ponadto problemy techniczne związane z kontrolowaniem reakcji syntezy jądrowej nie zostały jeszcze rozwiązane.

Wykorzystanie broni jądrowej

Cała broń nuklearna wymaga do działania reakcji rozszczepienia jądrowego, ale „czyste” bomby rozszczepiające, które wykorzystują samą reakcję rozszczepienia, są znane jako bomby atomowe lub atomowe. Bomby atomowe po raz pierwszy przetestowano w Nowym Meksyku w 1945 r., Podczas szczytu II wojny światowej. W tym samym roku Stany Zjednoczone wykorzystały je jako broń w Hiroszimie i Nagasaki w Japonii.

Od czasu bomby atomowej większość broni jądrowej, która została zaproponowana i / lub skonstruowana, wzmocniła reakcję (reakcje) rozszczepienia w taki czy inny sposób (np. Zobacz wzmocnioną broń rozszczepienia, bomby radiologiczne i bomby neutronowe). Broń termojądrowa - broń, która wykorzystuje oba rozszczepienia i synteza wodorowa - jest jednym z bardziej znanych ulepszeń broni. Chociaż pojęcie broni termojądrowej zostało zaproponowane już w 1941 r., Dopiero na początku lat 50. XX wieku po raz pierwszy przetestowano bombę wodorową (H-bombę). W przeciwieństwie do bomb atomowych, bomby wodorowe mają nie był używany w wojnie, tylko testowany (np. patrz Car Bomba).

Do chwili obecnej żadna broń nuklearna nie wykorzystuje samej syntezy jądrowej, chociaż rządowe programy obrony wprowadziły znaczne badania nad taką możliwością.

Koszt

Rozszczepienie jest potężną formą produkcji energii, ale ma wbudowaną nieefektywność. Paliwo jądrowe, zwykle Uran-235, jest drogie do wydobywania i oczyszczania. Reakcja rozszczepienia wytwarza ciepło, które jest wykorzystywane do zagotowania wody dla pary w celu obrócenia turbiny wytwarzającej energię elektryczną. Ta transformacja z energii cieplnej w energię elektryczną jest uciążliwa i kosztowna. Trzecim źródłem nieefektywności jest to, że oczyszczanie i składowanie odpadów jądrowych jest bardzo drogie. Odpady są radioaktywne, wymagają odpowiedniego usuwania, a bezpieczeństwo musi być szczelne, aby zapewnić bezpieczeństwo publiczne.

Aby nastąpiła fuzja, atomy muszą być zamknięte w polu magnetycznym i podniesione do temperatury 100 milionów Kelwinów lub więcej. Do zainicjowania syntezy potrzeba ogromnej ilości energii (uważa się, że bomby atomowe i lasery zapewniają tę „iskrę”), ale istnieje również potrzeba odpowiedniego ograniczenia pola plazmy w celu uzyskania długoterminowej produkcji energii. Naukowcy wciąż próbują przezwyciężyć te wyzwania, ponieważ fuzja jest bezpieczniejszym i wydajniejszym systemem produkcji energii niż rozszczepienie, co oznacza, że ​​ostatecznie kosztowałby mniej niż rozszczepienie.

Bibliografia

• Rozszczepienie i synteza - Brian Swarthout na YouTube
• Oś czasu historii jądrowej - Baza danych edukacji online
• Stabilność jądrowa i magiczne liczby - UC Davis ChemWiki
• Wikipedia: synteza jądrowa
• Wikipedia: Rozszczepienie jądrowe