Kodoldalīšanās un kodolsintēze

Kodolsintēze un kodola skaldīšana ir dažāda veida reakcijas, kas izdala enerģiju, pateicoties kodolā atrodamajām lieljaudas atomu saitēm starp daļiņām. Sadalīšanās laikā atoms tiek sadalīts divos vai vairākos mazākos, vieglākos atomos. Saplūšana turpretī notiek, kad saplūst divi vai vairāki mazāki atomi, veidojot lielāku, smagāku atomu.

Salīdzināšanas tabula

Kodolsintēzes un kodolsintēzes salīdzināšanas tabula

	Kodolskaldīšana	Kodolsintēze
Definīcija	Sadalīšana ir liela atoma sadalīšana divos vai vairākos mazākos.	Saplūšana ir divu vai vairāku vieglāku atomu saplūšana lielākajā.
Procesa dabiska parādība	Sadalīšanās reakcija dabā parasti nenotiek.	Saplūšana notiek zvaigznēs, piemēram, saulē.
Reakcijas blakusprodukti	Sadalīšanās rada daudzas ļoti radioaktīvas daļiņas.	Saplūšanas reakcijā rodas maz radioaktīvo daļiņu, bet, ja tiek izmantots skaldīšanas "sprūds", radioaktīvās daļiņas no tā rodas.
Nosacījumi	Nepieciešama vielas kritiskā masa un ātrgaitas neitroni.	Nepieciešama augsta blīvuma, augstas temperatūras vide.
Enerģijas prasības	Neņem daudz enerģijas, lai dalīšanās reakcijā sadalītu divus atomus.	Lai sasniegtu divus vai vairākus protonus pietiekami tuvu, lai kodolieroči pārvarētu viņu elektrostatisko atgrūšanos, nepieciešama ārkārtīgi liela enerģija.
Atbrīvota enerģija	Sadalīšanās laikā atbrīvotā enerģija ir miljons reizes lielāka nekā ķīmiskajās reakcijās izdalītā enerģija, bet mazāka par enerģiju, kas izdalās kodolsintēzes laikā.	Kodolsintēzes laikā atbrīvotā enerģija ir trīs līdz četras reizes lielāka par enerģiju, ko atbrīvo skaldīšana.
Atomierocis	Viena kodolieroču klase ir skaldbumba, kas pazīstama arī kā atombumba vai atombumba.	Viena kodolieroču klase ir ūdeņraža bumba, kas sabrukšanas reakcijas "iedarbināšanai" izmanto skaldīšanas reakciju.
Enerģijas ražošana	Kodolspēkstacijās tiek izmantota skaldīšana.	Kodolsintēze ir eksperimentāla tehnoloģija enerģijas ražošanai.
Degviela	Urāns ir galvenā elektrostacijās izmantotā degviela.	Ūdeņraža izotopi (deitērijs un tritijs) ir galvenā degviela, ko izmanto eksperimentālās kodolsintēzes spēkstacijās.

Saturs: Kodolskaldīšana un kodolsintēze

• 1 Definīcijas
• 2 Sadalīšanās un saplūšanas fizika
  • 2.1. Sadalīšanās un saplūšanas nosacījumi
  • 2.2. Ķēdes reakcija
  • 2.3. Enerģijas koeficienti
• 3 Kodolenerģijas izmantošana
  • 3.1. Bažas
  • 3.2. Kodolatkritumi
• 4 Dabiska parādība
• 5 efekti
• 6 Kodolieroču izmantošana
• 7 izmaksas
• 8 atsauces

Definīcijas

Deitērija saplūšana ar tritiju, veidojot hēliju-4, atbrīvojot neitronu un atbrīvojot 17,59 MeV enerģijas.

Kodolsintēze ir reakcija, kurā divi vai vairāki kodoli apvienojas, veidojot jaunu elementu ar lielāku atomu skaitu (vairāk protonu kodolā). Saplūšanā atbrīvotā enerģija ir saistīta ar E = mc ² (Einšteina slavenais enerģijas-masas vienādojums). Uz Zemes visticamākā saplūšanas reakcija ir deitērija-tritija reakcija. Deitērijs un tritijs ir ūdeņraža izotopi.

² ₁Deitērijs + ³ ₁Tritijs = ⁴₂Viņš + ¹₀n + 17,6 MeV

[Attēls: skaldīšanas reakcija.svg | īkšķis | nav | skaldīšanas reakcija]]

Kodolskaldīšana ir masīva kodola sadalīšana fotonos gamma staru, brīvo neitronu un citu subatomisko daļiņu veidā. Tipiskā kodolreakcijā, iesaistot ²³⁵U un neitrons:

²³⁵_{92. lpp}U + n = ²³⁶_{92. lpp}U

kam seko

²³⁶_{92. lpp}U = ¹⁴⁴₅₆Ba + ⁸⁹ ₃₆Kr + 3n + 177 MeV

Sadalīšanās pret saplūšanas fiziku

Atomus kopā tur divi no četriem dabas spēkiem: vājās un spēcīgās kodolsaites. Kopējo enerģijas daudzumu, kas atrodas atomu saitēs, sauc par saistošo enerģiju. Jo saistošāka enerģija tiek turēta saitēs, jo stabilāks ir atoms. Turklāt atomi mēģina kļūt stabilāki, palielinot saistošo enerģiju.

Dzelzs atoma kodols ir visstabilākais dabā atrastais kodols, un tas ne saplūst, ne sašķeļas. Tāpēc saistošās enerģijas līknes augšpusē atrodas dzelzs. Atomu kodoliem, kas ir vieglāki par dzelzi un niķeli, enerģiju var iegūt apvienojot dzelzs un niķeļa kodoli kopā ar kodolsintēzes palīdzību. Turpretī atomu kodoliem, kas ir smagāki par dzelzi vai niķeli, enerģiju var atbrīvot sadalīšana smagie kodoli caur kodoldalīšanos.

Ideja par atoma sadalīšanu radās Jaunzēlandē dzimušā britu fiziķa Ernesta Rūterforda darbos, kuru rezultātā tika atklāts arī protons.

Sadalīšanās un saplūšanas nosacījumi

Sadalīšanās var notikt tikai lielos izotopos, kuru kodolos ir vairāk neitronu nekā protonu, kas noved pie nedaudz stabilas vides. Lai arī zinātnieki vēl pilnībā neizprot, kāpēc šī nestabilitāte ir tik noderīga skaldīšanai, vispārējā teorija ir tāda, ka lielais protonu skaits rada spēcīgu atgrūšanas spēku starp tiem un ka pārāk maz vai pārāk daudz neitronu rada “spraugas”, kas izraisa vājināšanos. kodola saite, kas noved pie sabrukšanas (starojuma). Šos lielos kodolus ar vairāk "spraugām" var "sadalīt" termisko neitronu, tā saukto "lēno" neitronu, ietekme.

Apstākļiem jābūt piemērotiem, lai notiktu skaldīšanas reakcija. Lai skaldīšana būtu pašpietiekama, vielai jāsasniedz kritiskā masa, kas ir minimālais nepieciešamais masas daudzums; neatpaliekot no kritiskās masas, ierobežo reakcijas ilgumu līdz mikrosekundēm. Ja kritiskā masa tiek sasniegta pārāk ātri, tas nozīmē, ka nanosekundēs tiek atbrīvots pārāk daudz neitronu, reakcija kļūst tīri sprādzienbīstama un nenotiek spēcīga enerģijas izdalīšanās..

Kodolreaktori lielākoties ir kontrolētas skaldīšanas sistēmas, kuras izmanto magnētiskos laukus, lai saturētu klaiņojošus neitronus; tas rada aptuveni neitronu izdalīšanās attiecību 1: 1, tas nozīmē, ka viens neitrons rodas no viena neitrona ietekmes. Tā kā šis skaitlis matemātiskās proporcijās mainīsies, zem tā dēvētā Gausa sadalījuma ir jāuztur magnētiskais lauks, lai reaktors darbotos, un, lai palēninātu vai paātrinātu neitronu aktivitāti, jāizmanto vadības stieņi..

Saplūšana notiek, kad divus šķiltavu elementus piespiež kopā milzīga enerģija (spiediens un siltums), līdz tie saplūst citā izotopā un atbrīvo enerģiju. Saplūšanas reakcijas sākšanai nepieciešamā enerģija ir tik liela, ka šīs reakcijas radīšanai nepieciešams atomu sprādziens. Tomēr tiklīdz saplūšana sākas, tā teorētiski var turpināt ražot enerģiju, kamēr tā tiek kontrolēta un tiek piegādāti pamata kausēšanas izotopi..

Visizplatītākais saplūšanas veids, kas notiek zvaigznēs, tiek saukts par "D-T saplūšanu", atsaucoties uz diviem ūdeņraža izotopiem: deitēriju un tritiju. Deitērijam ir 2 neitroni un tritijam ir 3, kas ir vairāk nekā viens ūdeņraža protons. Tas atvieglo saplūšanas procesu, jo jāpārvar tikai lādiņš starp diviem protoniem, jo ​​neitronu un protona saplūšanai ir jāpārvar līdzīgi lādētu daļiņu dabiskais atbaidīšanas spēks (protoniem ir pozitīva lādiņa, salīdzinot ar neitronu lādiņu. ) un temperatūra - vienā mirklī - gandrīz 81 miljons grādu pēc Fārenheita DT saplūšanai (45 miljoni kelvinu vai nedaudz mazāk pēc Celsija). Salīdzinājumam - saules galvenā temperatūra ir aptuveni 27 miljoni F (15 miljoni C).^[1]

Kad šī temperatūra ir sasniegta, iegūtā saplūšana ir jānovieto pietiekami ilgi, lai izveidotu plazmu, kas ir viens no četriem matērijas stāvokļiem. Šādas ierobežošanas rezultāts ir enerģijas izdalīšanās no D-T reakcijas, veidojot hēliju (cēlgāzi, inertu pret katru reakciju) un rezerves neitronus, nekā tas var “iesēt” ūdeņradi vairākām saplūšanas reakcijām. Pašlaik nav drošu veidu, kā izraisīt sākotnējo saplūšanas temperatūru vai apturēt kausēšanas reakciju, lai sasniegtu vienmērīgu plazmas stāvokli, taču centieni tiek turpināti..

Trešā tipa reaktors tiek saukts par selektorreaktoru. Tas darbojas, izmantojot skaldīšanu, lai izveidotu plutoniju, kas var sēklu izmantot vai izmantot kā kurināmo citiem reaktoriem. Sekundāros reaktorus plaši izmanto Francijā, taču tie ir pārmērīgi dārgi un prasa ievērojamus drošības pasākumus, jo šo reaktoru jaudu var izmantot arī kodolieroču ražošanai..

Ķēdes reakcija

Kodoldalīšanās un kodolsintēzes kodolreakcijas ir ķēdes reakcijas, kas nozīmē, ka viens kodolieroču notikums izraisa vismaz vienu citu kodolreakciju un parasti vairāk. Rezultāts ir pieaugošs reakciju cikls, kas var ātri kļūt nekontrolēts. Šāda veida kodolreakcija var būt vairāku smago izotopu šķelšanās (piemēram,. ²³⁵ U) vai gaismas izotopu apvienošana (piemēram,. ²Roka ³H).

Frakcijas ķēdes reakcijas notiek, kad neitroni bombardē nestabilus izotopus. Šāda veida "trieciena un izkliedes" procesu ir grūti kontrolēt, taču sākotnējos nosacījumus ir samērā vienkārši sasniegt. Kodolsintēzes ķēdes reakcija attīstās tikai ārkārtēja spiediena un temperatūras apstākļos, kas paliek stabili ar saplūšanas procesā atbrīvoto enerģiju. Gan sākotnējos apstākļus, gan stabilizējošos laukus ir ļoti grūti izpildīt ar pašreizējām tehnoloģijām.

Enerģijas koeficienti

Saplūšanas reakcijas atbrīvo 3-4 reizes vairāk enerģijas nekā skaldīšanas reakcijas. Kaut arī nav Zemes kodolsintēzes sistēmu, saules izvade ir raksturīga kodolsintēzes enerģijas ražošanai, jo tā pastāvīgi pārveido ūdeņraža izotopus hēlijā, izstarojot gaismas un siltuma spektrus. Sadalīšanās ražo savu enerģiju, sadalot vienu (spēcīgo) kodolenerģijas spēku un izdalot milzīgu siltuma daudzumu, nekā tiek izmantots ūdens sildīšanai (reaktorā), lai pēc tam ģenerētu enerģiju (elektrību). Kodolsintēze pārvar 2 kodolieročus (stiprus un vājus), un atbrīvoto enerģiju var tieši izmantot ģeneratora darbināšanai; tādējādi tiek atbrīvota ne tikai vairāk enerģijas, bet arī to var izmantot tiešākai pielietošanai.

Kodolenerģijas izmantošana

Pirmais eksperimentālais kodolreaktors enerģijas ieguvei sāka darboties Krīta upē, Ontārio, 1947. gadā. Pirmo kodolenerģijas ražošanas iekārtu ASV, Eksperimentālo selekcionāra reaktoru-1, sāka darboties neilgi pēc tam, 1951. gadā; tas varētu iedegt 4 spuldzes. Trīs gadus vēlāk, 1954. gadā, ASV uzsāka savu pirmo kodolzemūdeni - ASV. Nautilus, kamēr ASV Obninskā palaida pasaulē pirmo kodolreaktoru liela mēroga enerģijas ražošanai. Pēc gada ASV atklāja savu kodolenerģijas ražošanas iekārtu, izgaismojot Arco, Aidaho (1000 iedzīvotāju).

Pirmais komerciālais objekts enerģijas ražošanai, izmantojot kodolreaktorus, bija Calder Hall rūpnīca Vindsalā (tagad Sellafield), Lielbritānijā. Tā bija arī pirmā ar kodolenerģiju saistītā avārija 1957. gadā, kad radiācijas noplūdes dēļ izcēlās ugunsgrēks.

Pirmā plaša mēroga ASV atomelektrostacija, kas tika atvērta 1957. gadā Šenportā, Pensilvānijā. Laikā no 1956. līdz 1973. gadam ASV tika palaisti gandrīz 40 enerģijas ražošanas kodolreaktori, no kuriem lielākais bija Ilinoisas Zionas atomelektrostacijas pirmā bloka ar jauda ir 1,155 megavati. Citu kopš tā laika pasūtīto reaktoru nav bijis tiešsaistē, lai gan citi tika palaisti pēc 1973. gada.

Franči savu pirmo kodolreaktoru Phénix, kas spēj radīt 250 megavatu jaudu, uzsāka 1973. gadā. Jaudīgākais ASV energoražošanas reaktors (1315 MW) tika atvērts 1976. gadā Trojas spēkstacijā Oregonas štatā. Līdz 1977. gadam ASV darbojās 63 atomelektrostacijas, kas nodrošināja 3% no visas valsts enerģijas vajadzībām. Paredzēts, ka vēl 70 tiešsaistē nonāks tiešsaistē līdz 1990. gadam.

Otrā vienība Trīs jūdžu salā cieta daļēju sabrukumu, vidē izdalot inertas gāzes (ksenonu un kriptonu). Prettiesību kustība guva spēku no bailēm, ko izraisīja incidents. Bailes tika uzkurinātas vēl vairāk 1986. gadā, kad Černobiļas rūpnīcā Ukrainā 4. vienība cieta bēguļojošu kodolreakciju, kas eksplodēja objektā, izplatot radioaktīvos materiālus visā apgabalā un lielā Eiropas daļā. Deviņdesmito gadu laikā Vācija un it īpaši Francija paplašināja savas atomelektrostacijas, koncentrējoties uz mazākiem un tādējādi labāk kontrolējamiem reaktoriem. Ķīna uzsāka pirmās 2 kodoliekārtas 2007. gadā, kopā saražojot 1866 MW.

Kaut arī kodolenerģija ir trešajā vietā aiz ogles un hidroenerģijas saražotajā globālajā jaudā, centieni slēgt atomelektrostacijas kopā ar pieaugošajām izmaksām šādu iekārtu celtniecībai un darbībai ir radījušas atkāpšanos no kodolenerģijas izmantošanas enerģijas iegūšanai. Francija ir pasaules līdere kodolreaktoru saražotās elektroenerģijas procentos, bet Vācijā saules enerģija ir pārspējusi kodolenerģiju kā enerģijas ražotāju.

ASV joprojām darbojas vairāk nekā 60 kodoliekārtu, taču balsošanas iniciatīvas un reaktoru laikmetu dēļ ir slēgtas ražotnes Oregonas un Vašingtonas štatā, bet vēl desmitiem cilvēku ir vērsti pret protestētājiem un vides aizsardzības grupām. Pašlaik tikai Ķīna, šķiet, paplašina savu atomelektrostaciju skaitu, jo tā cenšas samazināt savu lielo atkarību no oglēm (galvenais faktors tās ārkārtīgi augstajā piesārņojuma pakāpē) un meklēt alternatīvu naftas importam..

Bažas

Bailes no kodolenerģijas rada tās galējības kā ieroča, tā arī enerģijas avots. Sadaloties no reaktora, rodas atkritumi, kas ir raksturīgi bīstami (skatīt vairāk zemāk) un varētu būt piemēroti netīrām bumbām. Lai arī vairākām valstīm, piemēram, Vācijai un Francijai, ir izcili sasniegumi ar to kodoliekārtām, citi mazāk pozitīvi piemēri, piemēram, piemēram, Trīs jūdžu salā, Černobiļā un Fukušimā, daudziem ir likuši pieņemt kodolenerģiju, kaut arī tā ir daudz drošāks nekā fosilais kurināmais. Kodolsintēzes reaktori kādu dienu varētu būt pieejamais, bagātīgais enerģijas avots, kas vajadzīgs, bet tikai tad, ja var atrisināt ārkārtējos apstākļus, kas nepieciešami kodolsintēzes radīšanai un vadīšanai..

Radioaktīvie atkritumi

Sadalīšanās blakusprodukts ir radioaktīvie atkritumi, kuru tūkstošiem gadu laikā zaudē bīstamais radiācijas līmenis. Tas nozīmē, ka kodoldalīšanās reaktoriem jābūt arī drošības pasākumiem attiecībā uz šiem atkritumiem un to transportēšanu uz neapdzīvotām glabāšanas vietām vai izgāztuvēm. Lai iegūtu papildinformāciju par to, lasiet par radioaktīvo atkritumu apsaimniekošanu.

Dabiska parādība

Dabā saplūšana notiek zvaigznēs, piemēram, saulē. Uz Zemes kodolsintēze vispirms tika panākta, izveidojot ūdeņraža bumbu. Kodolsintēze ir izmantota arī dažādās eksperimentālās ierīcēs, bieži vien ar cerību ražot enerģiju kontrolētā veidā.

No otras puses, skaldīšana ir kodolprocess, kas dabā parasti nenotiek, jo tam nepieciešama liela masa un negadījuma neitrons. Pat ja tā, ir bijuši kodola skaldīšanas piemēri dabiskajos reaktoros. Tas tika atklāts 1972. gadā, kad tika atklāts, ka urāna atradnes no Oklo (Gabonas) raktuvēm kādreiz pirms 2 miljardiem gadu ir bijušas dabiskas sabrukšanas reakcijas..

Efekti

Īsumā, ja sabrukšanas reakcija nekontrolē, tā vai nu eksplodē, vai reaktors, kas to rada, izkūst lielā radioaktīvo izdedžu kaudzē. Šādi sprādzieni vai sabrukumi gaisā un kaimiņu virsmā (zemē vai ūdenī) izdala tonnas radioaktīvo daļiņu, piesārņojot to katru minūti, reakcija turpinās. Turpretī saplūšanas reakcija, kas zaudē kontroli (kļūst nelīdzsvarota), palēninās un pazeminās temperatūra, līdz tā apstājas. Tas notiek ar zvaigznēm, kad tās sadedzina savu ūdeņradi hēlijā un tūkstošiem gadsimtu ilgas izraidīšanas laikā zaudē šos elementus. Saplūšana rada maz radioaktīvo atkritumu. Ja ir kādi bojājumi, tas notiks ar kodolsintēzes reaktora tiešo apkārtni un maz ko citu.

Ir daudz drošāk saplūšanu izmantot enerģijas ražošanai, bet skaldīšana tiek izmantota tāpēc, ka divu atomu sadalīšanai nepieciešams mazāk enerģijas nekā divu atomu sakausēšanai. Arī tehniskās problēmas, kas saistītas ar kodolsintēzes reakciju kontroli, vēl nav pārvarētas.

Kodolieroču izmantošana

Lai visi kodolieroči darbotos, nepieciešama kodolskaldīšanas reakcija, bet "tīras" skaldīšanas bumbas, tās, kuras tikai izmanto dalīšanās reakciju, ir zināmas kā atombumbas. Atomu bumbas pirmo reizi tika pārbaudītas Ņūmeksikā 1945. gadā, Otrā pasaules kara laikā. Tajā pašā gadā Savienotās Valstis tos izmantoja kā ieroci Hirosimā un Nagasaki, Japānā.

Kopš atombumbas lielākajai daļai ierosināto un / vai konstruēto kodolieroču ir vienā vai otrā veidā uzlabota dalīšanās reakcija (-as) (piemēram, sk. Pastiprinātu dalīšanās ieroci, radioloģiskās bumbas un neitronbumbas). Termisko kodolieroču ieroči - ierocis, kas izmanto abas skaldīšanas iespējas un saplūšana uz ūdeņraža bāzes - ir viens no plašāk pazīstamajiem ieroču sasniegumiem. Lai arī termoelektrostacijas ieroča jēdziens tika ierosināts jau 1941. gadā, ūdeņraža bumbu (H-bumbu) pārbaudīja tikai 1950. gadu sākumā. Atšķirībā no atombumbām, ūdeņraža bumbām ir nē tika izmantoti karadarbībā, tikai pārbaudīti (piemēram, sk. cara Bomba).

Līdz šim neviens kodolieroči neizmanto vienīgi kodolsintēzi, lai gan valdības aizsardzības programmas ir veikušas ievērojamu pētījumu par šādu iespēju.

Izmaksas

Skaldīšana ir spēcīgs enerģijas ražošanas veids, taču tai ir iebūvēta neefektivitāte. Kodoldegviela, parasti Urāns-235, ir dārga, lai to mīnētu un attīrītu. Sadalīšanās reakcija rada siltumu, ko izmanto vārot ūdeni tvaikam, lai pārvērstu turbīnu, kas ģenerē elektrību. Šī transformācija no siltumenerģijas uz elektrisko enerģiju ir apgrūtinoša un dārga. Trešais neefektivitātes avots ir tas, ka kodolatkritumu sakopšana un glabāšana ir ļoti dārga. Atkritumi ir radioaktīvi, tāpēc tos ir pareizi jālikvidē, un drošībai jābūt stingrai, lai nodrošinātu sabiedrības drošību.

Lai notiktu saplūšana, atomiem jābūt ierobežotiem magnētiskajā laukā un jāpaaugstina līdz 100 miljoniem Kelvina vai vairāk. Kodolsintēzes uzsākšanai tas prasa milzīgu enerģijas daudzumu (domājams, ka atomu bumbas un lāzeri nodrošina šo "dzirksteli"), taču ir arī nepieciešams pareizi saturēt plazmas lauku ilgtermiņa enerģijas ražošanai. Pētnieki joprojām mēģina pārvarēt šīs problēmas, jo kodolsintēze ir drošāka un jaudīgāka enerģijas ražošanas sistēma nekā skaldīšana, kas nozīmē, ka galu galā tā maksātu mazāk nekā skaldīšana.

Atsauces

• Sadalīšanās un saplūšana - Braiens Svarthouts vietnē YouTube
• Kodolenerģijas vēstures laika skala - Izglītības datu bāze tiešsaistē
• Kodolenerģijas stabilitāte un maģiskie skaitļi - UC Davis ChemWiki
• Wikipedia: Kodolsintēze
• Wikipedia: Kodolskaldīšana