Branduolio dalijimasis ir sintezė

Branduolių sintezė ir branduolio dalijimasis yra skirtingos reakcijų rūšys, kurios išskiria energiją dėl didelio galingumo atominių ryšių tarp dalelių, esančių branduolyje. Dalijimosi metu atomas yra padalijamas į du ar daugiau mažesnių, lengvesnių atomų. Susiliejimas, priešingai, įvyksta, kai du ar daugiau mažesnių atomų susilieja kartu, sukurdami didesnį, sunkesnį atomą.

Palyginimo diagrama

Branduolio dalijimosi ir branduolio sintezės palyginimo lentelė

	Branduolio dalijimasis	Branduolių sintezė
Apibrėžimas	Dalijimasis yra didelio atomo padalijimas į du ar daugiau mažesnių.	Susiliejimas yra dviejų ar daugiau lengvesnių atomų susiliejimas į didesnį.
Natūralus proceso atsiradimas	Skilimo reakcija gamtoje paprastai nevyksta.	Susiliejimas vyksta žvaigždėse, tokiose kaip saulė.
Šalutiniai reakcijos produktai	Dėl dalijimosi susidaro daug labai radioaktyvių dalelių.	Branduolio sintezės reakcijos metu susidaro nedaug radioaktyvių dalelių, tačiau jei naudojamas dalijimosi „trigeris“, radioaktyviosios dalelės susidarys dėl to.
Sąlygos	Būtina kritinė medžiagos masė ir greitaeigiai neutronai.	Būtina didelio tankio, aukštos temperatūros aplinka.
Energijos poreikis	Nereikia daug energijos, kad dalijimosi reakcija galėtų suskaidyti du atomus.	Norint priartinti du ar daugiau protonų pakankamai arti, reikia atominės energijos, kad branduolinės jėgos įveiktų jų elektrostatinę atbaidymą.
Išleista energija	Skilimo metu išsiskirianti energija yra milijoną kartų didesnė nei išsiskirianti cheminių reakcijų metu, tačiau mažesnė už energiją, išsiskiriančią branduolių sintezės metu.	Susiliejus skleidžiama energija yra tris keturis kartus didesnė už energiją, išsiskiriančią dalijimosi metu.
Atominis ginklas	Viena branduolinio ginklo klasė yra dalijimosi bomba, dar vadinama atomine bomba arba atomine bomba.	Viena branduolinio ginklo klasė yra vandenilio bomba, kuri naudoja skilimo reakciją „suaktyvinti“ sintezės reakciją.
Energijos gamyba	Skilimas naudojamas atominėse elektrinėse.	Sintezė yra eksperimentinė energijos gamybos technologija.
Kuras	Uranas yra pagrindinis kuras, naudojamas elektrinėse.	Vandenilio izotopai (deuteris ir triis) yra pagrindinis kuras, naudojami eksperimentinėse sintezės jėgainėse.

Turinys: Branduolio dalijimasis ir sintezė

• 1 Apibrėžimai
• 2 Dalijimasis ir sintezės fizika
  • 2.1 Suskaidymo ir sintezės sąlygos
  • 2.2 Grandininė reakcija
  • 2.3 Energijos santykis
• 3 Branduolinės energijos naudojimas
  • 3.1 Rūpesčiai
  • 3.2 Branduolinės atliekos
• 4 Natūralus įvykis
• 5 efektai
• 6 Branduolinių ginklų naudojimas
• 7 Kaina
• 8 literatūros sąrašas

Apibrėžimai

Deuterio susiliejimas su tričiu, sukuriant helį-4, atlaisvinant neutroną ir išleidžiant 17,59 MeV energijos.

Branduolio sintezė yra reakcija, kurios metu sujungiami du ar daugiau branduolių, sudarydami naują elementą su didesniu atomų skaičiumi (daugiau protonų branduolyje). Susiliejusi energija yra susijusi su E = mc ² (Garsioji Einšteino energijos ir masės lygtis). Žemėje labiausiai tikėtina sintezės reakcija yra deuterio ir tričio reakcija. Deuteris ir triis yra vandenilio izotopai.

² ₁Deuteris + ³ ₁Triis = ⁴₂Jis + ¹₀n + 17,6 MeV

[Paveikslėlis: skilimo reakcija.svg | nykštis | jokio | skilimo reakcija]]

Branduolio dalijimasis yra didžiulio branduolio suskaidymas į fotonus gama spindulių, laisvųjų neutronų ir kitų subatominių dalelių pavidalu. Įprastoje branduolinėje reakcijoje dalyvauja ²³⁵U ir neutronai:

²³⁵₉₂U + n = ²³⁶₉₂U

sekė

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

Dalijimasis palyginti su sintezės fizika

Atomus laiko dvi iš keturių pagrindinių gamtos jėgų: silpni ir stiprūs branduoliniai ryšiai. Bendras energijos kiekis, esantis atomų jungtyse, vadinamas rišamąja energija. Kuo ryškesnė energija laikoma ryšiuose, tuo stabilesnis yra atomas. Be to, atomai bando tapti stabilesni padidindami savo surišimo energiją.

Geležies atomo branduolys yra stabiliausias gamtoje randamas branduolys, jis nei sulyja, nei suskyla. Štai kodėl geležis yra rišamosios energijos kreivės viršuje. Atominių branduolių, lengvesnių nei geležis ir nikelis, energiją galima išgauti derinant geležies ir nikelio branduoliai kartu branduolių sintezės būdu. Atominiams branduoliams, sunkesniems nei geležis ar nikelis, energiją gali išlaisvinti padalijimas sunkieji branduoliai per branduolio dalijimąsi.

Atomo padalijimo idėja kilo iš Naujosios Zelandijoje gimusios britų fiziko Ernesto Rutherfordo darbo, kuris taip pat paskatino protono atradimą.

Skilimo ir sintezės sąlygos

Skilimas gali vykti tik dideliuose izotopuose, kurių branduoliuose yra daugiau neutronų nei protonų, o tai lemia šiek tiek stabilią aplinką. Nors mokslininkai dar nevisiškai supranta, kodėl šis nestabilumas yra toks naudingas dalijimui, bendroji teorija yra tokia, kad didelis protonų skaičius sukuria stiprią atstumiančiąją jėgą tarp jų ir kad per mažai ar per daug neutronų sukuria „tarpus“, dėl kurių susilpnėja branduolinis ryšys, sukeliantis skilimą (radiacija). Šie dideli branduoliai, turintys daugiau „tarpų“, gali būti „suskaldyti“ dėl šiluminių neutronų, vadinamųjų „lėtųjų“ neutronų, poveikio.

Turi būti sudarytos tinkamos sąlygos skilimo reakcijai atsirasti. Kad dalijimasis būtų ilgalaikis, medžiaga turi pasiekti kritinę masę, mažiausią reikiamą masės kiekį; nesiekdamas kritinės masės, riboja reakcijos trukmę iki mikrosekundžių. Jei kritinė masė pasiekiama per greitai, tai reiškia, kad per nanosekundžius išsiskiria per daug neutronų, reakcija tampa visiškai sprogstamoji ir neįvyks galingas energijos išsiskyrimas..

Branduoliniai reaktoriai dažniausiai yra kontroliuojamos dalijimosi sistemos, kurios naudoja magnetinius laukus, kad būtų pasklidę neutronai; tai sukuria apytiksliai 1: 1 neutronų išsiskyrimo santykį, tai reiškia, kad vienas neutronas atsiranda iš vieno neutrono smūgio. Kadangi šis skaičius skiriasi matematinėmis proporcijomis, vadinamuoju Gauso paskirstymu, reaktoriui veikti turi būti palaikomas magnetinis laukas, o neutronų aktyvumui sulėtinti arba pagreitinti reikia naudoti valdymo strypus..

Susiliejimas įvyksta, kai du lengvesni elementai yra verčiami kartu didžiulės energijos (slėgio ir šilumos), kol jie sulieja kitą izotopą ir išskiria energiją. Sintezės reakcijai pradėti reikia tiek energijos, kad šiai reakcijai sukelti reikia atominio sprogimo. Vis dėlto, prasidėjus sintezei, ji teoriškai gali toliau gaminti energiją, kol ji yra kontroliuojama ir tiekiami pagrindiniai lydymosi izotopai..

Labiausiai paplitusi žvaigždžių sintezės forma, vadinama „D-T sinteze“, siejama su dviem vandenilio izotopais: deuteriu ir tričiu. Deuteris turi 2 neutronus, o triis - 3, daugiau nei vienas vandenilio protonas. Tai palengvina sintezės procesą, nes reikia įveikti tik krūvį tarp dviejų protonų, nes norint sulieti neutronus ir protoną, reikia įveikti natūraliai įkraunamų dalelių repelentinę jėgą (protonai turi teigiamą krūvį, palyginti su neutronų krūviu. ), o DT suliejimo temperatūra akimirksniu yra beveik 81 milijonas laipsnių pagal Fahrenheitą (45 milijonai kelvinų arba šiek tiek mažiau Celsijaus). Palyginimui, saulės šerdies temperatūra yra maždaug 27 mln. F (15 mln. C).^[1]

Pasiekus šią temperatūrą, susiliejimas turi būti pakankamai ilgas, kad susidarytų plazma, viena iš keturių materijos būsenų. Tokio sulaikymo rezultatas yra energijos išsiskyrimas iš D-T reakcijos, sukuriant helį (taurias dujas, inertiškas kiekvienai reakcijai) ir atsarginius neutronus, nei gali „pasėti“ vandenilis daugiau sintezės reakcijų. Šiuo metu nėra jokių saugių būdų, kaip indukuoti pradinę sintezės temperatūrą ar sustabdyti lydymosi reakciją, kad būtų pasiekta pastovi plazmos būsena, tačiau dedamos pastangos.

Trečiojo tipo reaktoriai yra vadinami selektyviaisiais reaktoriais. Jis veikia dalijimąsi sukurdamas plutonį, kuris gali pasėti arba tarnauti kaip kuras kitiems reaktoriams. Selekciniai reaktoriai yra plačiai naudojami Prancūzijoje, tačiau yra pernelyg brangūs ir reikalauja didelių saugumo priemonių, nes šių reaktorių išvestis gali būti naudojama ir branduoliniams ginklams gaminti..

Grandininė reakcija

Skilimo ir branduolio sintezės branduolinės reakcijos yra grandininės reakcijos, tai reiškia, kad vienas branduolinis įvykis sukelia bent vieną kitą, paprastai daugiau, branduolinę reakciją. Rezultatas - didėjantis reakcijų ciklas, kuris greitai gali tapti nekontroliuojamas. Šio tipo branduolinė reakcija gali būti daugybė sunkiųjų izotopų skilimų (pvz. ²³⁵ U) arba lengvųjų izotopų suliejimas (pvz. ²H ir ³H).

Skilimo grandinės reakcijos įvyksta, kai neutronai bombarduoja nestabilius izotopus. Šio tipo „smūgio ir išsibarstymo“ procesą sunku kontroliuoti, tačiau pradines sąlygas pasiekti gana paprasta. Lydymosi grandininė reakcija vystosi tik esant ekstremaliam slėgiui ir temperatūrai, kuri išlieka stabili dėl energijos, išsiskiriančios lydymosi procese. Tiek pradines sąlygas, tiek stabilizuojančius laukus labai sunku atlikti naudojant šiuolaikines technologijas.

Energijos santykis

Sintezės reakcijos išskiria 3–4 kartus daugiau energijos nei dalijimosi reakcijos. Nors nėra žemėje esančių sintezės sistemų, saulės spinduliuotė yra būdinga sintezės energijos gamybai tuo, kad ji nuolat paverčia vandenilio izotopus heliu, skleidžiant šviesos ir šilumos spektrus. Dalijimasis generuoja savo energiją, suskaidydamas vieną branduolinę jėgą (stipriąją) ir išskirdamas milžinišką kiekį šilumos, nei sunaudojama vandeniui pašildyti (reaktoriuje), kad būtų galima gaminti energiją (elektrą). Sintezė įveikia 2 branduolines jėgas (stipriąsias ir silpnąsias), o išleista energija gali būti panaudota tiesiogiai generatoriaus energijai tiekti; taigi ne tik išleidžiama daugiau energijos, bet ir panaudojama tiesioginiam naudojimui.

Branduolinės energijos naudojimas

Pirmasis eksperimentinis branduolinis reaktorius energijos gamybai pradėjo veikti Chalk upėje, Ontarijuje, 1947 m. Netrukus po to, 1951 m., Buvo paleistas pirmasis atominis energijos įrenginys JAV - eksperimentinis selekcinis reaktorius-1; jis galėtų uždegti 4 lemputes. Po trejų metų, 1954 m., JAV pradėjo savo pirmąjį branduolinį povandeninį laivą - JAV. „Nautilus“, o JAV Obninske paleido pirmąjį pasaulyje branduolinį reaktorių didelio masto energijai gaminti. JAV po metų atidarė savo branduolinės energijos gamybos įrenginį, apšviesdama Arco, Aidahas (1 000 gyventojų).

Pirmasis komercinis energijos gamybos iš branduolinių reaktorių objektas buvo Calder Hall gamykla Vindskalyje (dabar Sellafield), Didžiojoje Britanijoje. Tai taip pat buvo pirmoji 1957 m. Su branduoline avarija susijusi vieta, kai dėl radiacijos nutekėjimo kilo gaisras.

Pirmoji didelio masto JAV atominė jėgainė atidaryta 1957 m. Shippingport mieste, Pensilvanijos valstijoje. 1956–1973 m. JAV buvo paleista beveik 40 energijos gamybos branduolinių reaktorių, iš kurių didžiausias buvo Ilinojaus „Zion“ atominės elektrinės pirmasis blokas su 1 155 megavatų talpa. Jokių kitų nuo šiol užsakytų reaktorių nebuvo internete, nors kiti buvo pradėti eksploatuoti po 1973 m.

Prancūzai 1973 m. Paleido savo pirmąjį branduolinį reaktorių „Phénix“, galintį pagaminti 250 megavatų galią. 1973 m. Trojos elektrinėje Oregone atidarytas galingiausias energiją gaminantis JAV reaktorius (1 315 MW). Iki 1977 m. JAV veikė 63 atominės elektrinės, kurios patenkino 3% visos šalies energijos poreikių. Buvo numatyta, kad dar 70 internete bus paskelbta iki 1990 m.

Antrasis padalinys Trijų mylių saloje iš dalies subyrėjo ir išleido į aplinką inertines dujas (ksenoną ir kriptoną). Kovos su branduoliu judėjimas sustiprėjo dėl baimių, kurias sukėlė incidentas. Baimė dar labiau sustiprėjo 1986 m., Kai Černobylio gamykloje Ukrainoje 4-asis blokas patyrė pabėgusią branduolinę reakciją, kuri sprogo įrenginiui ir pasklido radioaktyviosios medžiagos visame rajone ir didelėje Europos dalyje. Dešimtajame dešimtmetyje Vokietija ir ypač Prancūzija išplėtė savo atomines elektrines, sutelkdamos dėmesį į mažesnius ir tokiu būdu labiau kontroliuojamus reaktorius. Kinija 2007 m. Atidarė savo pirmuosius 2 branduolinius objektus, iš viso pagamindama 1866 MW galios.

Nors branduolinė energija užima trečią vietą po anglies ir hidroenergijos pagal pagamintą bendrą galią, pastūmė uždaryti atomines elektrines kartu su didėjančiomis tokių įrenginių statybos ir eksploatavimo sąnaudomis paskatino branduolinės energijos naudojimą energijai. Prancūzija pirmauja pasaulyje pagal branduolinių reaktorių pagamintos elektros energijos procentą, tačiau Vokietijoje saulės energija aplenkė branduolinę energiją kaip energijos gamintoja.

JAV vis dar veikia daugiau nei 60 branduolinių objektų, tačiau balsavimo iniciatyvos ir reaktorių amžius uždarė gamyklas Oregone ir Vašingtone, o dar dešimtys jų nukreipti protestuotojų ir aplinkos apsaugos grupių. Šiuo metu tik Kinija plečia savo atominių elektrinių skaičių, nes ji siekia sumažinti savo didelę priklausomybę nuo anglių (pagrindinis veiksnys, lemiantis ypač aukštą taršos lygį) ir ieškoti alternatyvos naftos importui..

Rūpesčiai

Branduolinės energijos baimė kyla dėl kraštutinumų, nes tai yra ir ginklas, ir energijos šaltinis. Dalijantis iš reaktoriaus, susidaro pavojingos atliekos (žr. Daugiau žemiau) ir gali būti tinkamos nešvarioms bomboms. Nors kelios šalys, tokios kaip Vokietija ir Prancūzija, turi puikius savo branduolinės energetikos objektus, kiti ne tokie teigiami pavyzdžiai, kaip antai Trijų mylių saloje, Černobylyje ir Fukušimoje, privertė daugelį nenorėti priimti branduolinę energiją, nors yra daug saugesnis nei iškastinis kuras. Branduolio sintezės reaktoriai vieną dieną galėtų būti prieinamas, gausus energijos šaltinis, kurio reikia, tačiau tik tuo atveju, jei bus įmanoma išspręsti ekstremalias sąlygas, reikalingas sintezės sukūrimui ir jos valdymui..

Radioaktyvios atliekos

Šaldymo šalutinis produktas yra radioaktyviosios atliekos, kurioms tūkstančius metų reikia prarasti pavojingą radiacijos lygį. Tai reiškia, kad branduolio dalijimosi reaktoriuose taip pat turi būti saugiklių už šias atliekas ir jų gabenimą į negyvenamas saugyklas ar sąvartynus. Norėdami gauti daugiau informacijos apie tai, skaitykite apie radioaktyviųjų atliekų tvarkymą.

Natūralus įvykis

Gamtoje susiliejimas vyksta žvaigždėse, tokiose kaip saulė. Žemėje branduolių sintezė pirmiausia buvo pasiekta sukūrus vandenilio bombą. Sintezė taip pat buvo naudojama įvairiuose eksperimentiniuose prietaisuose, dažnai tikintis, kad valdoma energija bus gaminama.

Kita vertus, dalijimasis yra branduolinis procesas, kuris paprastai nevyksta gamtoje, nes tam reikalinga didelė masė ir kritęs neutronas. Netgi yra branduolio dalijimosi natūraliuose reaktoriuose pavyzdžių. Tai buvo atrastas 1972 m., Kai buvo nustatyta, kad urano telkiniai iš Oklo (Gabono) kasyklos kažkada vykdė natūralią skilimo reakciją prieš maždaug 2 milijardus metų..

Efektai

Trumpai tariant, jei dalijimosi reakcija nekontroliuojama, ji arba sprogsta, arba ją generuojantis reaktorius ištirpsta į didelę radioaktyvių šlakų krūvą. Tokie sprogimai ar tirpsmai išmeta į orą ir bet kurį gretimą paviršių (žemę ar vandenį) daugybę radioaktyvių dalelių, užteršdami ją kiekvieną minutę, o reakcija tęsiasi. Brandinimo sintezės reakcija, prarandanti kontrolę (tampa nesubalansuota), priešingai, sulėtėja ir krenta temperatūra, kol sustos. Taip nutinka žvaigždėms, kai jie sudegina savo vandenilį į helį ir praranda šiuos elementus per tūkstančius amžių trėmimo. Suliejus susidaro mažai radioaktyviųjų atliekų. Jei bus padaryta žala, tai įvyks artimiausioje branduolių sintezės reaktoriaus aplinkoje ir mažai kitoje vietoje.

Energijai gaminti yra daug saugiau naudoti sintezę, tačiau dalijimasis naudojamas, nes norint suskaidyti du atomus reikia mažiau energijos, nei norint susilieti su dviem atomais. Taip pat dar nebuvo įveikti techniniai iššūkiai, susiję su sintezės reakcijų valdymu.

Branduolinių ginklų naudojimas

Visiems branduoliniams ginklams reikalinga branduolio dalijimosi reakcija, tačiau „grynos“ dalijimosi bombos, tos, kurios naudoja vien skilimo reakciją, yra žinomos kaip atominės arba atominės bombos. Atominės bombos pirmą kartą buvo išbandytos Naujojoje Meksikoje 1945 m., Per Antrąjį pasaulinį karą. Tais pačiais metais JAV juos panaudojo kaip ginklą Hirosimoje ir Nagasakyje, Japonijoje.

Nuo atominės bombos dauguma pasiūlytų ir (arba) sukonstruotų branduolinių ginklų vienaip ar kitaip sustiprino dalijimosi reakciją (-as) (pvz., Žr. Padidintą dalijimosi ginklą, radiologines bombas ir neutronų bombas). Termobranduolinė ginkluotė - ginklas, naudojantis tiek dalijimąsi ir sintezė vandenilio pagrindu - yra vienas iš labiau žinomų ginklų pasiekimų. Nors termobranduolinio ginklo sąvoka buvo pasiūlyta dar 1941 m., Vandenilio bomba (H-bomba) buvo išbandyta tik šeštojo dešimtmečio pradžioje. Skirtingai nuo atominių bombų, vandenilio bombos turi ne buvo naudojamas karyboje, tik išbandytas (pvz., žr. caras Bomba).

Iki šiol nė vienas branduolinis ginklas nenaudoja vien tik branduolių sintezės, nors vyriausybės gynybos programose numatyta daug galimybių ištirti tokią galimybę.

Kaina

Dalijimasis yra galinga energijos gamybos forma, tačiau ji susijusi su įmontuotu neefektyvumu. Branduolinis kuras, paprastai Uranas-235, yra brangus iškasti ir išgryninti. Skilimo reakcija sukuria šilumą, naudojamą virinant vandenį garui, kad pasisuktų turbina, gaminanti elektrą. Ši šilumos energijos transformacija į elektros energiją yra sudėtinga ir brangi. Trečias neveiksmingumo šaltinis yra tai, kad branduolinių atliekų sutvarkymas ir saugojimas yra labai brangūs. Atliekos yra radioaktyvios, jas reikia tinkamai pašalinti, o saugumas turi būti griežtas, kad būtų užtikrintas visuomenės saugumas.

Kad įvyktų sintezė, atomai turi būti apriboti magnetiniame lauke ir pakelti iki 100 milijonų kelvinų ar aukštesnės temperatūros. Branduolio sintezei inicijuoti reikia milžiniškos energijos (manoma, kad atominės bombos ir lazeriai suteikia tą „kibirkštį“), tačiau taip pat reikia tinkamai laikyti plazmos lauką ilgalaikiam energijos gamybai. Tyrėjai vis dar bando įveikti šiuos iššūkius, nes sintezė yra saugesnė ir galingesnė energijos, nei dalijimasis, energijos gamybos sistema, tai reiškia, kad ji galiausiai kainuotų mažiau nei dalijimasis..

Nuorodos

• Dalijimasis ir sintezė - Brianas Swarthoutas „YouTube“
• Branduolinės istorijos laiko juosta - Švietimo duomenų bazė internete
• Branduolinis stabilumas ir stebuklingi skaičiai - UC Davis ChemWiki
• Vikipedija: Branduolių sintezė
• Vikipedija: Branduolio dalijimasis