Rozszczepienie jądrowe i fuzja

Fuzja nuklearna I rozszczepienia jądrowego są różne rodzaje reakcji, które uwalniają energię z powodu obecności wiązań atomowych o dużej mocy między cząsteczkami występującymi w jądrze. W rozszczepieniu atom jest podzielony na dwa lub więcej mniejszych, lżejszych atomów. Natomiast fuzja występuje, gdy dwa lub więcej mniejszych atomów łączy się razem, tworząc większy, cięższy atom.

Wykres porównania

Definicje

Fuzja jądrowa to reakcja, w której dwa lub więcej jąder łączą się, tworząc nowy element o wyższej liczbie atomowej (więcej protonów w jądrze). Energia uwalniana w fuzji jest związana z E = MC ² (Słynne równanie Einsteina Massa Einsteina). Na Ziemi najbardziej prawdopodobną reakcją fuzyjną jest reakcja deuteru-letnia. Deuter i tritium to izotopy wodoru.

² ₁Deuter + ³ ₁Tritium = ⁴₂On + ¹₀N + 17.6 Mev

[Zdjęcie: reakcja rozszczepienia.svg | kciuk | Brak | Reakcja rozszczepienia]]]

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

²³⁵₉₂U + N = ²³⁶₉₂U

śledzony przez

²³⁶₉₂U = ¹⁴⁴₅₆BA + ⁸⁹ ₃₆KR + 3N + 177 Mev

Rozszczepienie vs. Fizyka fuzji

Atomy są utrzymywane razem przez dwie z czterech podstawowych sił natury: słabe i silne wiązania nuklearne. Całkowita ilość energii utrzymywana w wiązaniach atomów nazywa się energią wiązania. Im bardziej wiążąca energia utrzymywana w wiązaniach, tym bardziej stabilny atom. Ponadto atomy starają się stać się bardziej stabilne, zwiększając ich energię wiążącą.

Nucleon atomu żelaza jest najbardziej stabilnym nukleonem występującym w naturze i nie łączy się ani nie rozdziela. Właśnie dlatego żelazo znajduje się na szczycie krzywej energii wiązania. W przypadku jąder atomowych lżejszych niż żelazo i nikiel energia może być wyodrębniana przez Łączenie jądra żelaza i niklu razem poprzez fuzję nuklearną. Natomiast w przypadku jąder atomowych cięższych niż żelazo lub nikiel energia może być uwalniana przez rozdzielać ciężkie jądra poprzez rozszczepienie nuklearne.

Pojęcie podziału atomu powstało z urodzonego w Nowej Zelandii brytyjskiego fizyka Ernesta Rutherforda, co doprowadziło również do odkrycia protonu.

Warunki rozszczepienia i fuzji

Rozszczepienie może wystąpić tylko w dużych izotopach, które zawierają więcej neutronów niż protony w ich jądrach, co prowadzi do nieco stabilnego środowiska. Chociaż naukowcy nie w pełni nie rozumieją w pełni, dlaczego ta niestabilność jest tak pomocna dla rozszczepienia, ogólna teoria polega na tym, że duża liczba protonów tworzy silną siłę odpychającą między nimi a zbyt mało lub zbyt wiele neutronów tworzy „luki”, które powodują osłabienie wiązanie jądrowe, prowadzące do rozkładu (promieniowanie). Te duże jądra z większą liczbą „luk” można „podzielić” przez wpływ neutronów termicznych, tak zwane „wolne” neutrony.

Warunki muszą być odpowiednie, aby reakcja rozszczepienia wystąpiła. Aby rozszczepienie było samowystarczalne, substancja musi osiągnąć masę krytyczną, wymaganą minimalną ilość masy; brak ograniczeń masy krytycznej długość reakcji do zwykłych mikrosekund. Jeśli masa krytyczna zostanie osiągnięta zbyt szybko, co oznacza, że ​​zbyt wiele neutronów jest uwalnianych w nanosekundach, reakcja staje się czysto wybuchowa i nie nastąpi potężne uwalnianie energii.

Reaktory jądrowe to głównie kontrolowane systemy rozszczepienia, które wykorzystują pól magnetycznych do zawierania bezpańskich neutronów; Tworzy to około 1: 1 stosunek uwalniania neutronów, co oznacza, że ​​jeden neutron wyłania się z wpływu jednego neutronu. Ponieważ liczba ta będzie się różnić pod względem proporcji matematycznych, pod tak zwanym rozkładem Gaussa, pole magnetyczne musi być utrzymywane dla reaktora w celu funkcjonowania, a pręty kontrolne należy użyć do spowolnienia lub przyspieszenia aktywności neutronowej.

Fuzja ma miejsce, gdy dwa lżejsze elementy są zmuszone do łączenia ogromnej energii (ciśnienie i ciepło), aż połączą się w inny izotop i uwolnią energię. Energia potrzebna do rozpoczęcia reakcji fuzyjnej jest tak duża, że ​​wymaga eksplozji atomowej, aby wytworzyć tę reakcję. Jednak po rozpoczęciu fuzji może teoretycznie nadal wytwarzać energię, o ile jest ona kontrolowana i dostarczane są podstawowe izotopy łączące.

Najczęstszą formą fuzji, która występuje w gwiazdach, nazywa się „fuzja D-T”, odnosząc się do dwóch izotopów wodoru: deuter i tritium. Deuterium ma 2 neutrony, a tritium ma 3, więcej niż jeden proton wodoru. Ułatwia to proces fuzji, ponieważ należy pokonać tylko ładunek między dwoma protonami, ponieważ łączenie neutronów i protonu wymaga przezwyciężenia naturalnej siły odstraszającej cząstek podobnych (protony mają ładunek dodatni ) i temperatura - za chwilę - blisko 81 milionów stopni Fahrenheita dla fuzji D -T (45 milionów Kelvin lub nieco mniej w Celsjuszu). Dla porównania temperatura rdzenia Słońca wynosi około 27 milionów F (15 milionów c).^[1]

Po osiągnięciu tej temperatury powstały fuzja musi być wystarczająco długa, aby wygenerować plazmę, jeden z czterech stanów materii. Rezultatem takiego powstrzymania jest uwalnianie energii z reakcji D-T, wytwarzające hel (szlachetny gaz, bezwładny do każdej reakcji) i zapasowe neutrony niż „wodór z nasion” w celu dalszych reakcji fuzyjnych. Obecnie nie ma bezpiecznych sposobów indukcji początkowej temperatury fuzyjnej lub powstrzymania reakcji łączącej w celu osiągnięcia stałego stanu w osoczu, ale trwają wysiłki.

Trzeci rodzaj reaktora nazywa się reaktorem hodowlanym. Działa przy użyciu rozszczepienia do tworzenia plutonu, który może nas zaszczepić lub służyć jako paliwo dla innych reaktorów. Reaktory hodowców są szeroko stosowane we Francji, ale są zbyt drogie i wymagają znacznych miar bezpieczeństwa, ponieważ wyjście tych reaktorów można użyć również do wytwarzania broni jądrowej.

Reakcja łańcuchowa

Reakcje jądrowe rozszczepienia i fuzyjne 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 niekontrolować. Ten rodzaj reakcji jądrowej może być wieloma podziałami ciężkich izotopów (e.G. ²³⁵ U) lub połączenie światła izotopów (e.G. ²Ręka ³H).

Reakcje łańcuchowe rozszczepienia zdarzają się, gdy neutrony bombardują niestabilne izotopy. Ten rodzaj procesu „uderzenia i rozproszenia” jest trudny do kontrolowania, ale warunki początkowe są stosunkowo proste do osiągnięcia. Reakcja łańcucha fuzyjnego rozwija się tylko w ekstremalnych warunkach ciśnienia i temperatury, które pozostają stabilne przez energię uwalnianą w procesie fuzji. Zarówno początkowe warunki, jak i pola stabilizujące są bardzo trudne do wykonania z obecną technologią.

Współczynniki energii

Reakcje fuzyjne uwalniają 3-4 razy więcej energii niż reakcje rozszczepienia. Chociaż nie ma ziemskich systemów fuzyjnych, wyjście Słońca jest typowe dla produkcji energii fuzyjnej, ponieważ stale przekształca izotopy wodoru w hel, emitujące widma światła i ciepła. Rozszczepienie generuje swoją energię poprzez rozkładanie jednej siły jądrowej (silna) i uwalnianie ogromnych ilości ciepła niż są używane do podgrzewania wody (w reaktorze) w celu wygenerowania energii (energii elektrycznej). Fuzja pokonuje 2 siły jądrowe (silne i słabe), a uwalnioną energię można wykorzystać bezpośrednio do zasilania generatora; Więc nie tylko jest uwalniana energia, ale można go również wykorzystać do bardziej bezpośredniej aplikacji.

Zużycie energii jądrowej

Pierwszy eksperymentalny reaktor jądrowy do produkcji energii rozpoczął się w Chalk River, Ontario, w 1947 roku. Pierwszy obiekt energii jądrowej w U.S., Eksperymentalny reaktor hodowcowy-1 został wystrzelony wkrótce potem, w 1951 r.; może oświetlić 4 żarówki. Trzy lata później, w 1954 r., U.S. uruchomił swoją pierwszą łódź podwodną nuklearną, U.S.S. Nautilus, podczas gdy u.S.S.R. W OBNINSU uruchomił pierwszy na świecie reaktor nuklearny do generowania energii na dużą skalę. U.S. Zainaugurował swój zakład produkcji energii jądrowej rok później, oświetlenie ARCO, Idaho (Pop. 1000).

Pierwszym komercyjnym obiektem produkcji energii z wykorzystaniem reaktorów jądrowych była fabryka Calder Hall, w wiatrze (obecnie Selfield), Wielka Brytania. Było to również miejsce pierwszego wypadku związanego z jądrem w 1957 r., Kiedy wybuchł pożar z powodu wycieków promieniowania.

Pierwszy na dużą skalę u.S. Elektrownia jądrowa otwarta w Shipportport w Pensylwanii w 1957 roku. W latach 1956–1973 w U wprowadzono prawie 40 reaktorów nuklearnych.S., Największa to jednostka pierwsza z elektrowni jądrowej Syjonu w Illinois, o pojemności 1155 megawatów. Od tego czasu żadne inne reaktory nie zostały dostarczone online, choć inne zostały uruchomione po 1973 roku.

Francuzi wystrzelili swój pierwszy reaktor nuklearny, Phénix, który jest w stanie wyprodukować 250 megawatów władzy, w 1973 roku. Najpotężniejszy reaktor produkujący energię w U.S. (1315 MW) otwarty w 1976 roku w elektrowni trojańskiej w Oregonie. W 1977 r. U.S. działało 63 rośliny nuklearne, zapewniając 3% potrzeb energetycznych w kraju. Kolejne 70 miało pojawić się online do 1990 roku.

Jednostka druga na Three Mile Island doznała częściowego krachu, uwalniając gazy obojętne (Xenon i Krypton) do środowiska. Ruch antynuklearny zyskał siłę z obaw spowodowanych incydentem. Obawy zostały napędzane jeszcze bardziej w 1986 r., Kiedy jednostka 4 w zakładzie Czarnobyl na Ukrainie doznała niekontrolowanej reakcji jądrowej, która eksplodowała obiekt, rozprzestrzeniając materiał radioaktywny na całym obszarze i dużą część Europy. W latach 90. Niemcy, a zwłaszcza Francja, rozszerzyły swoje rośliny nuklearne, koncentrując się na mniejszych, a tym samym bardziej kontrolowanych reaktorach. Chiny wprowadziły pierwsze 2 obiekty nuklearne w 2007 r., Produkując łącznie 1866 MW.

Chociaż energia jądrowa zajmuje trzecie miejsce za węglem i energią wodną w globalnej produkowanej mocy, pchanie do zamykania roślin jądrowych, w połączeniu z rosnącymi kosztami budowania i obsługi takich obiektów, stworzył pobieranie zużycia energii jądrowej do energii do energii. Francja prowadzi świat pod względem odsetka energii elektrycznej wytwarzanej przez reaktory jądrowe, ale w Niemczech słone.

U.S. Działa nadal ponad 60 obiektów jądrowych, ale inicjatywy głosowania i wiek reaktora mają zamknięte rośliny w Oregonie i Waszyngtonie, a dziesiątki kolejnych są celem protestujących i grup ochrony środowiska. Obecnie wydaje się, że tylko Chiny zwiększają liczbę roślin nuklearnych, ponieważ stara się zmniejszyć swoją dużą zależność od węgla (główny czynnik jego wyjątkowo wysokiego wskaźnika zanieczyszczenia) i szukać alternatywy dla importowania ropy naftowej.

Obawy

Strach przed energią jądrową pochodzi z jego skrajności, zarówno jako broń, jak i źródło zasilania. Rozszczepienie z reaktora tworzy odpady, które są z natury niebezpieczne (patrz więcej poniżej) i może być odpowiednie dla brudnych bomb. Chociaż kilka krajów, takich jak Niemcy i Francja, ma doskonałe osiągnięcia z ich obiektami nuklearnymi, inne mniej pozytywne przykłady, takie jak te obserwowane na Three Mile Island, Chernobyl i Fukushima, sprawiły, że wielu niechętnie akceptuje energię jądrową, mimo że IT Jest dużo bezpieczniejsze niż paliwo kopalne. Reaktory fuzyjne mogą pewnego dnia być przystępnym, obfitym źródłem energii, które jest potrzebne, ale tylko wtedy, gdy ekstremalne warunki potrzebne do tworzenia fuzji i zarządzania można go rozwiązać.

Odpady nuklearne

Produkt uboczny rozszczepienia to odpady radioaktywne, których utrata niebezpiecznego poziomu promieniowania zajmuje tysiące lat. Oznacza to, że reaktory nuklearne muszą również mieć zabezpieczenia dla tych odpadów i jego transportu do niezamieszkanych miejsc do przechowywania lub zrzutu. Aby uzyskać więcej informacji na ten temat, przeczytaj o zarządzaniu odpadami radioaktywnymi.

Naturalne występowanie

W naturze fuzja występuje w gwiazdach, takich jak słońce. Na Ziemi po raz pierwszy osiągnięto fuzję nuklearną w tworzeniu bomby wodorowej. Fuzja była również stosowana w różnych urządzeniach eksperymentalnych, często z nadzieją na produkcję energii w kontrolowany sposób.

Z drugiej strony rozszczepienie jest procesem jądrowym, który zwykle nie występuje w naturze, ponieważ wymaga dużej masy i incydentu neutronowego. Mimo to pojawiły się przykłady rozszczepienia jądrowego w naturalnych reaktorach. Zostało to odkryte w 1972 r., Kiedy depozyty uranu z Oklo, Gabon, stwierdzono, że kiedyś podtrzymywała naturalną reakcję rozszczepienia około 2 miliardy lat temu.

Efekty

W skrócie, jeśli reakcja rozszczepienia wymyka się spod kontroli, albo eksploduje, albo reaktor generujący go topi się w dużym stosie radiozeaktywnej żużla. Takie wybuchy lub krach uwalniają tony radioaktywnych cząstek w powietrze i każdej sąsiedniej powierzchni (ziemi lub woda), zanieczyszczając ją co minutę, reakcja trwa. W przeciwieństwie do tego, reakcja fuzyjna, która traci kontrolę (staje się niezrównoważona) zwalnia i spada temperatura, aż się zatrzyma. Tak dzieje się z gwiazdami, gdy spalają wodór w helium i tracą te pierwiastki na tysiącach wieków wydalenia. Fusion wytwarza niewielkie odpady radioaktywne. Jeśli wystąpi jakiekolwiek szkody, zdarzy się to w bezpośrednim otoczeniu reaktora fuzyjnego i niewiele więcej.

O wiele bezpieczniej jest używać fusion do wytworzenia mocy, ale rozszczepienie jest używane, ponieważ wymaga mniej energii, aby podzielić dwa atomy niż łączenie dwóch atomów. Również wyzwania techniczne związane z kontrolowaniem reakcji fuzji nie zostały jeszcze przezwyciężone.

Użycie broni nuklearnej

Wszystkie broń nuklearną wymagają działania rozszczepienia jądrowego, ale „czyste” bomby rozszczepienia, te, które używają samej reakcji rozszczepienia, są znane jako atomowe lub atomowe bomby. Bomby atomowe zostały po raz pierwszy przetestowane w Nowym Meksyku w 1945 r., Podczas szczytu II wojny światowej. W tym samym roku Stany Zjednoczone wykorzystały je jako broń w Hiroshima i Nagasaki w Japonii.

Od czasu bomby atomowej większość zaproponowanej i/lub/lub zaprojektowanej broni jądrowej zwiększyła reakcję rozszczepienia w taki czy inny sposób (e.G., Patrz wzmocniona broń rozszczepienia, bomby radiologiczne i bomby neutronowe). Broń termojądrowa - broń, która wykorzystuje oba rozszczepienie I Fuzja na bazie wodoru-jest jednym z bardziej znanych postępów w zakresie broni. Chociaż pojęcie broni termojądrowej zaproponowano już w 1941 r., Dopiero na początku lat 50. XX wieku najpierw przetestowano. W przeciwieństwie do bomb atomowych, bomby wodorowe mają nie był używany tylko w wojnie, przetestowany (e.G., patrz csar Bomba).

Do tej pory żadna broń nuklearna nie wykorzystuje samotnie fuzji nuklearnej, chociaż rządowe programy obrony wprowadziły znaczne badania nad taką możliwością.

Koszt

Rozwód jest potężną formą produkcji energii, ale ma wbudowaną nieefektywność. Paliwo jądrowe, zwykle uran-235, jest kosztowne w wydobywaniu i oczyszczaniu. Reakcja rozszczepienia tworzy ciepło używane do gotowania wody do pary, aby obrócić turbinę, która wytwarza energię elektryczną. Ta transformacja z energii cieplnej na energię elektryczną jest uciążliwa i droga. Trzecim źródłem nieefektywności jest to, że czyszczenie i przechowywanie odpadów nuklearnych jest bardzo drogie. Odpady są radioaktywne, wymagające odpowiedniego usuwania, a bezpieczeństwo musi być napięte, aby zapewnić bezpieczeństwo publiczne.

Aby fuzja miało miejsce, atomy muszą być ograniczone w polu magnetycznym i podnieść do temperatury 100 milionów Kelvin lub więcej. Potrzeba to ogromnej ilości energii w celu inicjowania fuzji (uważa się, że bomby atomowe i lasery zapewniają „iskrę”), ale istnieje również potrzeba prawidłowego zawierania pola plazmy do długoterminowej produkcji energii. Naukowcy wciąż próbują przezwyciężyć te wyzwania, ponieważ fuzja bezpieczniejszego i silniejszego systemu produkcji energii niż rozszczepienie, co oznacza, że ​​ostatecznie kosztowałby mniej niż rozszczepienie.