Jedrska fisija in fuzija

Jedrska fuzija in jedrska fisija so različne vrste reakcij, ki sproščajo energijo zaradi prisotnosti močnih atomskih vezi med delci, ki jih najdemo v jedru. Pri cepljenju se atom razdeli na dva ali več manjših, lažjih atomov. Zlivanje se v nasprotju s tem zgodi, kadar se dva ali več manjših atomov zliva skupaj, kar ustvarja večji, težji atom.

Primerjalna tabela

Primerjalna shema jedrske fisije proti jedrski fuziji

	Jedrska fisija	Jedrska fuzija
Opredelitev	Fisija je cepitev velikega atoma na dva ali več manjših.	Fuzija je zlivanje dveh ali več lažjih atomov v večjega.
Naravni pojav procesa	Fisijska reakcija se v naravi običajno ne pojavi.	Zlivanje se dogaja v zvezdah, kot je sonce.
Stranski produkti reakcije	Fisija proizvaja veliko visoko radioaktivnih delcev.	Malo radioaktivnih delcev nastane z fuzijsko reakcijo, vendar če uporabimo "sprožilec" cepitve, bodo iz tega nastali radioaktivni delci.
Pogoji	Potrebna je kritična masa snovi in ​​hitri nevtroni.	Zahteva se visoko gostota, visoka temperatura.
Energetska zahteva	Potrebno je malo energije za delitev dveh atomov v reakciji cepitve.	Za doseganje dveh ali več protonov je potrebno izredno veliko energije, da jedrske sile premagajo njihovo elektrostatično odbojnost.
Energija sproščena	Energija, ki se sprosti s cepljenjem, je milijon krat večja od energije, ki se sprosti pri kemijskih reakcijah, vendar je nižja od energije, ki jo sprosti jedrska fuzija.	Energija, ki se sprosti s fuzijo, je tri do štirikrat večja od energije, ki jo sprosti cepitev.
Jedrsko orožje	Eden od vrst jedrskega orožja je cepljiva bomba, znana tudi kot atomska bomba ali atomska bomba.	Eden od vrst jedrskega orožja je vodikova bomba, ki uporablja reakcijo cepitve, da "sproži" fuzijsko reakcijo.
Proizvodnja energije	Fisija se uporablja v jedrskih elektrarnah.	Fusion je eksperimentalna tehnologija za proizvodnjo energije.
Gorivo	Uran je primarno gorivo, ki se uporablja v elektrarnah.	Izotopi vodika (devterij in tritij) so glavno gorivo, ki se uporablja v poskusnih fuzijskih elektrarnah.

Vsebina: Jedrska fisija in fuzija

• 1 Opredelitve
• 2 Fisija proti fuzijski fiziki
  • 2.1 Pogoji za cepitev in fuzijo
  • 2.2 Verižna reakcija
  • 2.3 Koeficienti energije
• 3 Uporaba jedrske energije
  • 3.1 Skrbi
  • 3.2 Jedrski odpadki
• 4 Naravni pojav
• 5 Učinki
• 6 Uporaba jedrskega orožja
• 7 Strošek
• 8 Reference

Opredelitve

Fuzija devterija z tritijem ustvarja helij-4, osvobodi nevtrona in sprosti 17,59 MeV energije.

Jedrska fuzija je reakcija, v kateri se dve ali več jeder združi in tvori nov element z večjim atomskim številom (več protonov v jedru). Energija, ki se sprosti pri fuziji, je povezana z E = mc ² (Einsteinova znana enačba energije in mase). Na Zemlji je najverjetnejša fuzijska reakcija Deuterium-Tritiumova reakcija. Deuterij in tritij sta izotopa vodika.

² ₁Devterij + ³ ₁Tritij = ⁴₂On + ¹₀n + 17.6 MeV

[Slika: Fission-Reaction.svg | palec | noben | Fission Reaction]]

Jedrska cepitev je cepitev masivnega jedra na fotone v obliki gama žarkov, prostih nevtronov in drugih subatomskih delcev. V značilni jedrski reakciji, v katero sodelujejo ²³⁵U in nevron:

²³⁵₉₂U + n = ²³⁶₉₂U

sledi

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

Fisija proti fiziki fuzije

Atome združujeta dve od štirih temeljnih sil narave: šibke in močne jedrske vezi. Skupna količina energije, ki se nahaja znotraj vezi atomov, se imenuje vezna energija. Več energije, ki se zadržuje znotraj vezi, je bolj stabilen atom. Poleg tega atomi poskušajo postati stabilnejši s povečanjem svoje vezivne energije.

Nukleon železovega atoma je najbolj stabilno nukleon, ki ga najdemo v naravi, in se ne zlije niti ne cepi. Zato je železo na vrhu krivulje vezave energije. Za atomska jedra, lažja od železa in niklja, lahko energijo črpamo z kombiniranje jedra železa in niklja skupaj z jedrsko fuzijo. Nasprotno pa lahko za atomska jedra, težja od železa ali niklja, energijo sprostijo cepljenje težka jedra z jedrsko cepitvijo.

Ideja o cepljenju atoma je nastala iz dela britanskega fizika Ernesta Rutherforda, rojenega na Novi Zelandiji, ki je tudi privedlo do odkritja protona.

Pogoji za fisijo in fuzijo

Fisija se lahko pojavi le v velikih izotopih, ki vsebujejo več nevtronov kot protonov v svojih jedrih, kar vodi v nekoliko stabilno okolje. Čeprav znanstveniki še ne razumejo, zakaj je ta nestabilnost tako koristna za cepitev, je splošna teorija, da veliko število protonov med njimi ustvari močno odbojno silo in da premalo ali preveč nevtronov ustvari "vrzeli", ki povzročajo oslabitev oz. jedrska vez, kar vodi do razpada (sevanja). Ta velika jedra z več "vrzeli" se lahko "razdelijo" zaradi vpliva toplotnih nevtronov, tako imenovanih "počasnih" nevtronov.

Pogoji za nastanek cepitvene reakcije morajo biti pravi. Da bi cepitev lahko bila samostojna, mora snov doseči kritično maso, najmanjšo potrebno maso; primanjkuje kritične mase, omejuje reakcijsko dolžino na samo mikrosekunde. Če kritično maso dosežemo prehitro, kar pomeni, da se v nanosekundah sprosti preveč nevtronov, reakcija postane čisto eksplozivna in ne bo močnega sproščanja energije.

Jedrski reaktorji so večinoma nadzorovani fisioni sistemi, ki uporabljajo magnetna polja za zadrževanje potepuških nevtronov; to ustvari približno 1: 1 razmerje sproščanja nevtronov, kar pomeni, da pri vplivu enega nevtrona nastane en nevron. Ker se bo ta številka spreminjala v matematičnih razmerjih, je treba pod tako imenovano Gaussovo porazdelitev magnetno polje vzdrževati, da reaktor deluje, kontrolne palice pa je treba uporabiti za upočasnitev ali pospeševanje nevtronske aktivnosti.

Zlivanje se zgodi, ko dva lažja elementa prisili skupaj z ogromno energijo (pritisk in toplota), dokler se ne zlijeta v drug izotop in sprostijo energijo. Energija, potrebna za začetek fuzijske reakcije, je tako velika, da je za nastanek te reakcije potrebna atomska eksplozija. Ko se fuzija začne, teoretično lahko še naprej proizvaja energijo, dokler je nadzorovana in dobavljeni osnovni fuzijski izotopi.

Najpogostejša oblika fuzije, ki se pojavlja v zvezdah, se imenuje "D-T fuzija", ki se nanaša na dva vodikova izotopa: devterij in tritij. Devterij ima 2 nevtrona, tritij pa 3, več od protona vodika. To olajša postopek zlivanja, saj je treba premagati le naboj med dvema protonoma, saj je za zlivanje nevtronov in protona potrebno premagati naravno odbojno silo podobno nabitih delcev (protoni imajo pozitiven naboj v primerjavi s pomanjkanjem naboja nevtronov ) in temperatura - za trenutek - blizu 81 milijonov stopinj Fahrenheita za fuzijo DT (45 milijonov Kelvinov ali nekoliko manj v Celziju). Za primerjavo: temperatura jedra sonca je približno 27 milijonov F ​​(15 milijonov C).^[1]

Ko je ta temperatura dosežena, mora nastala fuzija vsebovati dovolj dolgo, da lahko ustvari plazmo, eno od štirih stanj snovi. Rezultat takšnega zadrževanja je sproščanje energije iz reakcije D-T, ki proizvaja helij (žlahten plin, inerten za vsako reakcijo) in rezervne nevtrone, kot lahko "seme" vodika za več fuzijskih reakcij. Trenutno ni varnih načinov, kako inducirati začetno temperaturo zlivanja ali zadrževati reakcijo taljenja, da bi dosegli stabilno plazemsko stanje, vendar prizadevanja še vedno potekajo.

Tretji tip reaktorja se imenuje rejski reaktor. Deluje s pomočjo cepitve, da ustvari plutonij, ki lahko seme ali služi kot gorivo za druge reaktorje. Vzrejni reaktorji se v Franciji veliko uporabljajo, vendar so pretirano dragi in zahtevajo pomembne varnostne ukrepe, saj se proizvodnja teh reaktorjev lahko uporablja tudi za izdelavo jedrskega orožja.

Verižna reakcija

Fisijska in fuzijska jedrska reakcija sta verižni reakciji, kar pomeni, da en jedrski dogodek povzroči vsaj še eno jedrsko reakcijo in običajno več. Rezultat je vse večji krog reakcij, ki lahko hitro postanejo nenadzorovane. Ta vrsta jedrske reakcije je lahko več delcev težkih izotopov (npr. ²³⁵ U) ali spajanje lahkih izotopov (npr. ²Roka ³H).

Rešitve fisije verige se zgodijo, ko nevtroni bombardirajo nestabilne izotope. Takšen postopek "udarcev in raztresenja" je težko nadzorovati, vendar so začetni pogoji razmeroma preprosti. Fuzijska verižna reakcija se razvije le v izjemnih tlačnih in temperaturnih pogojih, ki ostanejo stabilni zaradi energije, ki se sprosti v procesu zlivanja. Tako začetne pogoje kot stabilizirana polja je s trenutno tehnologijo zelo težko izvesti.

Koeficienti energije

Fuzijske reakcije sprostijo 3-4 krat več energije kot reakcije cepitve. Čeprav zemeljskih fuzijskih sistemov ni, je sončni izhod značilen za proizvodnjo fuzijske energije, saj nenehno pretvarja vodikove izotope v helij, ki oddaja spekter svetlobe in toplote. Fisija proizvede svojo energijo z razgradnjo ene jedrske sile (močne) in sprosti ogromne količine toplote, kot jo porabijo za segrevanje vode (v reaktorju) in nato proizvedejo energijo (elektriko). Fuzija premaga dve jedrski sili (močne in šibke), sproščena energija pa se lahko uporabi neposredno za napajanje generatorja; tako ne samo, da se sprosti več energije, temveč jo je mogoče izkoristiti tudi za bolj neposredno uporabo.

Uporaba jedrske energije

Prvi eksperimentalni jedrski reaktor za proizvodnjo energije je začel delovati v reki Chalk v Ontariu leta 1947. Prvi objekt za jedrsko energijo v ZDA, eksperimentalni rejnik reaktor-1, se je kmalu zatem začel leta 1951; lahko prižge 4 žarnice. Tri leta pozneje, leta 1954, je ZDA izstrelila svojo prvo jedrsko podmornico, ZDA. Nautilus, medtem ko je ZDA v Obninsku lansiral prvi jedrski reaktor na svetu za obsežno proizvodnjo električne energije. Leto pozneje je ZDA odprl svoj obrat za proizvodnjo jedrske energije in razsvetlil Arco v Idahu (1.000).

Prvi komercialni obrat za proizvodnjo energije z uporabo jedrskih reaktorjev je bil obrat Calder Hall v Windscaleu (danes Sellafield), Velika Britanija. Prav tako je bilo leta 1957 prvo jedrsko nesrečo, ko je požar izbruhnil zaradi sevanja.

Prva obsežna ameriška jedrska elektrarna je bila odprta v Shippingportu v Pensilvaniji leta 1957. Med letoma 1956 in 1973 so v ZDA zagnali skoraj 40 jedrskih reaktorjev za proizvodnjo električne energije, največja enota jedrske elektrarne Zion v Illinoisu z zmogljivost 1.155 megavatov. Od takrat ni bilo naročeno nobenih drugih reaktorjev, čeprav so bili drugi sproženi po letu 1973.

Francozi so svoj prvi jedrski reaktor Phénix, ki je zmožen proizvesti 250 megavatov moči, sprožili leta 1973. Najmočnejši reaktor za proizvodnjo energije v ZDA (1315 MW), ki je bil odprt leta 1976, je bil v Trojanski elektrarni v Oregonu. Do leta 1977 je imelo ZDA 63 obratovalnih jedrskih elektrarn, ki so zagotavljale 3% potreb države po energiji. Do leta 1990 naj bi na spletu prišlo še 70.

Enota dve na otoku Three Mile je pretrpela delni zlom, pri čemer so v okolje izpustili inertne pline (ksenon in kripton). Protijedrsko gibanje je dobilo moč iz strahov, ki jih je povzročil incident. Strahovi so se še bolj podžgali leta 1986, ko je enota 4 v elektrarni v Černobilu v Ukrajini pretrgala zajeto jedrsko reakcijo, ki je eksplodirala v objektu, tako da je širila radioaktivne snovi po območju in velikem delu Evrope. V 90. letih prejšnjega stoletja so Nemčija in zlasti Francija razširile svoje jedrske elektrarne, pri čemer so se osredotočile na manjše in s tem bolj nadzorovane reaktorje. Kitajska je svoja prva dva jedrska objekta začela leta 2007, proizvedla je skupno 1866 MW.

Čeprav je jedrska energija na tretjem mestu za premogom in hidroelektrarno po proizvedeni svetovni moči, je spodbuda za zapiranje jedrskih elektrarn skupaj s povečanjem stroškov za gradnjo in obratovanje takšnih objektov ustvarila zaviranje uporabe jedrske energije za proizvodnjo energije. Francija vodi v svetu po deležu električne energije, ki jo proizvedejo jedrski reaktorji, v Nemčiji pa je sončna energija prehitela jedro kot proizvajalec energije.

V ZDA še vedno deluje več kot 60 jedrskih objektov, vendar so v Oregonu in Washingtonu zaprte elektrarne in reaktorska doba, medtem ko je na desetine več tarč protestnikov in okoljskih skupin. Trenutno se zdi, da samo Kitajska širi število jedrskih elektrarn, saj si prizadeva zmanjšati močno odvisnost od premoga (glavni dejavnik njegove izjemno visoke stopnje onesnaženosti) in išče alternativo za uvoz nafte.

Skrbi

Strah pred jedrsko energijo izvira iz njenih skrajnosti, kot orožja in vira energije. Fisija reaktorja ustvarja odpadne snovi, ki so po naravi nevarne (glej več spodaj) in bi lahko bile primerne za umazane bombe. Čeprav ima več držav, kot sta Nemčija in Francija, odlične izkušnje s svojimi jedrskimi napravami, so drugi manj pozitivni primeri, kot so na primer na otoku Tri milje, Černobilu in Fukušimi, številni nenaklonjeni sprejemanju jedrske energije, čeprav je veliko varnejši od fosilnih goriv. Fuzijski reaktorji bi lahko nekega dne postali cenovno dostopen, bogat vir energije, ki pa je potreben, vendar le, če se lahko rešijo ekstremni pogoji, potrebni za ustvarjanje fuzije in za njegovo upravljanje..

Jedrski odpadki

Stranski produkt cepitve so radioaktivni odpadki, ki trajajo tisoče let, da izgubijo nevarne ravni sevanja. To pomeni, da morajo imeti reaktorji za jedrsko cepitev tudi zaščitne ukrepe za te odpadke in njihov prevoz do nenaseljenih skladišč ali odlagališč. Za več informacij o tem preberite o ravnanju z radioaktivnimi odpadki.

Naravni pojav

V naravi se zlivanje dogaja v zvezdah, kot je sonce. Na Zemlji je pri ustvarjanju vodikove bombe prvič dosežena jedrska fuzija. Fusion se uporablja tudi v različnih eksperimentalnih napravah, pogosto z upanjem, da proizvajajo energijo na kontroliran način.

Po drugi strani pa je cepitev jedrski proces, ki se v naravi običajno ne dogaja, saj zahteva veliko maso in nevtralen pojav. Kljub temu so bili primeri naravne cepitve v naravnih reaktorjih. To je bilo odkrito leta 1972, ko so ugotovili, da so nahajališča urana iz rudnika Oklo, Gabon nekoč pod vplivom naravne cepitve že pred približno dvema milijardama let.

Učinki

Na kratko, če reakcija cepitve uide izpod nadzora, ali eksplodira ali se reaktor, ki ga ustvari, stopi v velik kup radioaktivne žlindre. Takšne eksplozije ali taljenja sprostijo tone radioaktivnih delcev v zrak in katero koli sosednjo površino (zemljo ali vodo) in jo onesnažijo vsako minuto, ko se reakcija nadaljuje. V nasprotju s tem se fuzijska reakcija, ki izgubi nadzor (postane neuravnotežena), upočasni in spusti temperaturo, dokler se ne ustavi. To se zgodi zvezdam, ko sežgejo vodik v helij in izgubijo te elemente v več tisoč stoletjih izgona. Fuzija proizvaja malo radioaktivnih odpadkov. Če pride do kakršne koli škode, se bo to zgodilo v neposredni okolici fuzijskega reaktorja in malo drugega.

Bolj varno je fuzijo uporabiti za proizvodnjo moči, vendar se cepitev uporablja, ker je potrebno za delitev dveh atomov manj energije, kot pa za zlitje dveh atomov. Prav tako tehnični izzivi pri nadzoru fuzijskih reakcij še niso bili premagani.

Uporaba jedrskega orožja

Vse jedrsko orožje zahteva reakcijo jedrske cepitve, vendar so "čiste" bombe, tiste, ki uporabljajo samo fisijsko reakcijo, znane kot atomske ali atomske bombe. Atomske bombe so bile prvič preizkušene v Novi Mehiki leta 1945, v času višine druge svetovne vojne. Istega leta so jih ZDA kot orožje uporabile v Hirošimi in Nagasakiju na Japonskem.

Ker je atomska bomba večina jedrskega orožja, ki je bilo predlagano in / ali izdelano, na tak ali drugačen način izboljšala reakcijo (-e) cepitve (npr. Glej ojačano fisilno orožje, radiološke bombe in nevtronske bombe). Termouklearno orožje - orožje, ki uporablja oba cepljenja in fuzija na vodiku - je eden izmed bolj znanih napredkov orožja. Čeprav je bil pojem termonuklearno orožje predlagan že leta 1941, je bila vodikova bomba (H-bomba) prvič preizkušena šele v začetku petdesetih let. Za razliko od atomskih bomb imajo vodikove bombe ne uporabljen v vojni, preizkušen le (npr. glej Car Bomba).

Do danes nobeno jedrsko orožje ne uporablja samo jedrske fuzije, čeprav vladni obrambni programi ponujajo veliko raziskav o tej možnosti.

Cena

Fisija je močna oblika proizvodnje energije, vendar ima vgrajeno neučinkovitost. Jedrsko gorivo, ponavadi Uran-235, je drago rudarjenje in prečiščevanje. Reakcija cepitve ustvarja toploto, ki se uporablja za vrelo vodo za paro, da se turbina, ki proizvaja električno energijo. Ta pretvorba iz toplotne v električno energijo je okorna in draga. Tretji vir neučinkovitosti je čiščenje in skladiščenje jedrskih odpadkov zelo drago. Odpadki so radioaktivni, zato je treba pravilno odstranjevati in varnost mora biti stroga za zagotavljanje javne varnosti.

Za nastanek fuzije je treba atome omejiti v magnetnem polju in jih dvigniti na temperaturo 100 milijonov Kelvinov ali več. To zahteva ogromno energije za sprožitev fuzije (misli se, da atomske bombe in laserji zagotavljajo "iskrico"), vendar je treba tudi dolgoročno ustvariti plazemsko polje za pravilno proizvodnjo energije. Raziskovalci se še vedno trudijo premagati te izzive, saj je zlivanje varnejši in zmogljivejši sistem za proizvodnjo energije kot fisija, kar pomeni, da bi na koncu stalo manj kot cepitev.

Reference

• Fisija in fuzija - Brian Swarthout na YouTubu
• Časovna vrstica jedrske zgodovine - Izobraževalna baza podatkov na spletu
• Jedrska stabilnost in čarobne številke - UC Davis ChemWiki
• Wikipedija: Jedrska fuzija
• Wikipedija: Jedrska fisija