Jadrové štiepenie a fúzia

Jadrová fúzia a jadrové štiepenie sú rôzne typy reakcií, ktoré uvoľňujú energiu v dôsledku prítomnosti vysoko výkonných atómových väzieb medzi časticami nachádzajúcimi sa v jadre. Pri štiepení je atóm rozdelený na dva alebo viac menších ľahších atómov. Fúzia naopak nastáva, keď sa dva alebo viac menších atómov spoja, čím sa vytvorí väčší, ťažší atóm.

Porovnávacia tabuľka

Porovnávacia tabuľka jadrového štiepenia verzus jadrová fúzia

	Jadrové štiepenie	Jadrová fúzia
definícia	Štiepenie je rozdelenie veľkého atómu na dva alebo viac menších.	Fúzia je fúzia dvoch alebo viacerých ľahších atómov na väčší.
Prirodzený výskyt procesu	Štiepna reakcia sa v prírode bežne nevyskytuje.	K fúzii dochádza v hviezdach, napríklad na slnku.
Vedľajšie produkty reakcie	Štiepenie produkuje veľa vysoko rádioaktívnych častíc.	Pri fúznej reakcii vzniká len málo rádioaktívnych častíc, ale ak sa použije štiepna „spúšť“, výsledkom budú rádioaktívne častice..
podmienky	Vyžaduje sa kritická hmotnosť látky a vysokorýchlostné neutróny.	Vyžaduje sa prostredie s vysokou hustotou a vysokou teplotou.
Energetická požiadavka	Na štiepenie dvoch atómov pri štiepnej reakcii je potrebné málo energie.	Na priblíženie dvoch alebo viacerých protónov natoľko, aby jadrové sily prekonali elektrostatický odpor, je potrebná mimoriadne vysoká energia.
Uvoľnená energia	Energia uvoľnená štiepením je miliónkrát vyššia ako energia uvoľnená pri chemických reakciách, ale nižšia ako energia uvoľnená pri jadrovej fúzii.	Energia uvoľnená fúziou je trikrát až štyrikrát vyššia ako energia uvoľnená štiepením.
Jadrová zbraň	Jednou triedou jadrovej zbrane je štiepna bomba, tiež známa ako atómová bomba alebo atómová bomba.	Jednou triedou jadrovej zbrane je vodíková bomba, ktorá používa štiepnu reakciu na „spustenie“ fúznej reakcie.
Výroba energie	Štiepenie sa používa v jadrových elektrárňach.	Fusion je experimentálna technológia na výrobu energie.
palivo	Urán je primárne palivo používané v elektrárňach.	Izotopy vodíka (deutérium a trícium) sú primárnym palivom používaným v experimentálnych fúznych elektrárňach.

Obsah: Jadrové štiepenie a fúzia

• 1 Definície
• 2 Fyzika štiepenia vs. fúzia
  • 2.1 Podmienky štiepenia a fúzie
  • 2.2 Reťazová reakcia
  • 2.3 Pomery energie
• 3 Využitie jadrovej energie
  • 3.1 Obavy
  • 3.2 Jadrový odpad
• 4 Prírodný výskyt
• 5 efektov
• 6 Použitie jadrových zbraní
• 7 Náklady
• 8 Referencie

definícia

Fúzia deutéria s tríciom za vzniku hélia-4, uvoľnenia neutrónu a uvoľnenia 17,59 MeV energie.

Jadrová fúzia je reakcia, v ktorej sa kombinujú dve alebo viac jadier, čím sa vytvára nový prvok s vyšším atómovým číslom (v jadre viac protónov). Energia uvoľnená pri fúzii súvisí s E = mc ² (Einsteinova známa rovnica energie a hmotnosti). Na Zemi je najpravdepodobnejšou fúznou reakciou reakcia deutéria a trícia. Deutérium a trícium sú izotopy vodíka.

² ₁deutérium + ³ ₁Tritium = ⁴₂on + ¹₀n + 17,6 MeV

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

Jadrové štiepenie je rozdelenie mohutného jadra na fotóny vo forme gama lúčov, voľných neutrónov a ďalších subatomárnych častíc. Pri typickej jadrovej reakcii ²³⁵U a neutrón:

²³⁵₉₂U + n = ²³⁶₉₂U

nasledovaný

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

Fyzika štiepenia vs. fúzia

Atómy držia pohromade dve zo štyroch základných prírodných síl: slabé a silné jadrové väzby. Celkové množstvo energie držané vo väzbách atómov sa nazýva väzbová energia. Čím viac väzbovej energie je vo väzbách, tým je atóm stabilnejší. Atómy sa navyše snažia byť stabilnejšie zvýšením ich väzbovej energie.

Nukleón atómu železa je najstabilnejší nukleón nachádzajúci sa v prírode, a nie je ani fúzovaný, ani štiepny. Preto je železo na vrchu krivky väzbovej energie. V prípade atómových jadier ľahších ako železo a nikel sa energia môže získavať pomocou kombinovanie jadrá železa a niklu spolu prostredníctvom jadrovej fúzie. Naopak, pre atómové jadrá ťažšie ako železo alebo nikel sa energia môže uvoľňovať pomocou delenie ťažké jadrá štiepením.

Pojem rozdelenia atómu vznikol z práce britského fyzika Ernesta Rutherforda narodeného na Novom Zélande, čo tiež viedlo k objaveniu protónu..

Podmienky štiepenia a fúzie

Štiepenie sa môže vyskytnúť iba vo veľkých izotopoch, ktoré obsahujú vo svojich jadrách viac neutrónov ako protónov, čo vedie k mierne stabilnému prostrediu. Hoci vedci ešte úplne nechápu, prečo je táto nestabilita taká prospešná pre štiepenie, všeobecná teória je taká, že veľké množstvo protónov medzi nimi vytvára silnú odpudivú silu a že príliš málo alebo príliš veľa neutrónov vytvára „medzery“, ktoré spôsobujú oslabenie jadrová väzba, ktorá vedie k rozkladu (žiarenie). Tieto veľké jadrá s väčším počtom „medzier“ sa môžu „rozdeliť“ pôsobením tepelných neutrónov, tzv. „Pomalých“ neutrónov..

Podmienky štiepnej reakcie musia byť správne. Aby bolo štiepenie sebestačné, musí látka dosiahnuť kritické množstvo, čo je minimálne požadované množstvo; nedosiahnutie kritickej hmotnosti obmedzuje reakčnú dĺžku na iba mikrosekundy. Ak sa kritická hmota dosiahne príliš rýchlo, čo znamená, že v nanosekundách sa uvoľní príliš veľa neutrónov, reakcia sa stane výbušnou a nedôjde k žiadnemu silnému uvoľneniu energie..

Jadrové reaktory sú väčšinou riadené štiepne systémy, ktoré používajú magnetické pole na zadržiavanie rozptylových neutrónov; to vytvára zhruba 1: 1 pomer uvoľňovania neutrónov, čo znamená, že jeden neutrón sa vynára z dopadu jedného neutrónu. Pretože toto číslo sa bude líšiť v matematických pomeroch, podľa toho, čo je známe ako gaussovské rozdelenie, musí byť magnetické pole udržiavané, aby reaktor fungoval, a regulačné tyče sa musia používať na spomalenie alebo urýchlenie neutrónovej aktivity..

K fúzii dochádza, keď sú dva ľahšie elementy tlačené dokopy obrovskou energiou (tlak a teplo), kým sa neroztavia do iného izotopu a neuvoľnia energiu. Energia potrebná na začatie fúznej reakcie je taká veľká, že na uskutočnenie tejto reakcie vyžaduje atómovú explóziu. Akonáhle sa fúzia začne, môže teoreticky pokračovať vo výrobe energie, pokiaľ je kontrolovaná a dodávané základné izotopy fúzie..

Najbežnejšia forma fúzie, ktorá sa vyskytuje v hviezdach, sa nazýva „fúzia D-T“, ktorá sa vzťahuje na dva izotopy vodíka: deutérium a trícium. Deutérium má 2 neutróny a trícium má 3, viac ako jeden protón vodíka. Toto uľahčuje proces fúzie, pretože je potrebné prekonať iba náboj medzi dvoma protónmi, pretože fúzia neutrónov a protónov vyžaduje prekonanie prirodzenej repelentnej sily podobne nabitých častíc (protóny majú kladný náboj v porovnaní s nedostatkom náboja neutrónov) ) a teplota - na okamih - takmer 81 miliónov stupňov Fahrenheita pre fúziu DT (45 miliónov Kelvinov alebo o niečo menej v stupňoch Celzia). Pre porovnanie, teplota jadra slnka je približne 27 miliónov F ​​(15 miliónov C).^[1]

Po dosiahnutí tejto teploty musí byť výsledná fúzia dostatočne dlhá, aby sa vytvorila plazma, jeden zo štyroch stavov hmoty. Výsledkom takéhoto zadržania je uvoľnenie energie z D-T reakcie, vytvorenie hélia (vzácny plyn, inertný ku každej reakcii) a náhradné neutróny, ako môže „očkovať“ vodík pre viac fúznych reakcií. V súčasnosti neexistujú žiadne bezpečné spôsoby, ako indukovať počiatočnú teplotu tavenia alebo obsahovať fúzovaciu reakciu na dosiahnutie stabilného stavu plazmy, ale stále pokračuje úsilie.

Tretí typ reaktora sa nazýva šľachtiteľský reaktor. Funguje tak, že štiepením sa vytvorí plutónium, ktoré môže naočkovať alebo slúžiť ako palivo pre iné reaktory. Šľachtiteľské reaktory sa vo Francúzsku vo veľkej miere používajú, sú však neúmerne drahé a vyžadujú si značné bezpečnostné opatrenia, keďže výstup z týchto reaktorov možno použiť aj na výrobu jadrových zbraní..

Reťazová reakcia

Štiepenie a syntéza jadrových reakcií sú reťazové reakcie, čo znamená, že jedna jadrová udalosť spôsobuje najmenej jednu ďalšiu jadrovú reakciu a zvyčajne viac. Výsledkom je zvyšujúci sa cyklus reakcií, ktoré môžu byť rýchlo nekontrolované. Tento typ jadrovej reakcie môže byť viacnásobným rozdelením ťažkých izotopov (napr. ²³⁵ U) alebo zlúčenie izotopov svetla (napr. ²H a ³H).

Štiepne reťazové reakcie sa vyskytujú, keď neutróny bombardujú nestabilné izotopy. Tento typ procesu „nárazu a rozptylu“ je ťažké kontrolovať, ale počiatočné podmienky sa dajú relatívne ľahko dosiahnuť. Fúzna reťazová reakcia sa vyvíja iba za extrémnych tlakových a teplotných podmienok, ktoré zostávajú stabilné pri energii uvoľnenej vo fúznom procese. Počiatočné podmienky aj stabilizačné polia sa pri súčasnej technológii veľmi ťažko uskutočňujú.

Pomery energie

Fúzne reakcie uvoľňujú 3-4 krát viac energie ako štiepne reakcie. Hoci neexistujú žiadne fúzne systémy založené na Zemi, slnečný výstup je typický pre výrobu energie jadrovej syntézy tým, že neustále premieňa izotopy vodíka na hélium, pričom vyžaruje spektrá svetla a tepla. Štiepenie generuje svoju energiu tým, že rozbije jednu jadrovú silu (silnú) a uvoľní obrovské množstvo tepla, ako sa používa na ohrev vody (v reaktore) na výrobu energie (elektrina). Fúzia prekonáva 2 jadrové sily (silné a slabé) a uvoľnená energia sa môže použiť priamo na pohon generátora; takže nielenže sa uvoľňuje viac energie, ale je možné ju využiť aj na priamejšiu aplikáciu.

Využitie jadrovej energie

Prvý experimentálny jadrový reaktor na výrobu energie začal fungovať v rieke Chalk River v štáte Ontario v roku 1947. Krátko nato, v roku 1951, bolo spustené prvé zariadenie na výrobu jadrovej energie v USA, Experimental Breeder Reactor-1; mohla rozsvietiť 4 žiarovky. O tri roky neskôr, v roku 1954, USA uviedli na trh svoju prvú jadrovú ponorku U.S.S. Nautilus, zatiaľ čo U.S.S.R. spustil v Obninsku prvý jadrový reaktor na svete pre výrobu energie vo veľkom meradle. USA otvorili svoje zariadenie na výrobu jadrovej energie o rok neskôr a rozsvietili Arco, Idaho (pop. 1 000)..

Prvým komerčným zariadením na výrobu energie pomocou jadrových reaktorov bola Calder Hall Plant vo Windscale (dnes Sellafield) vo Veľkej Británii. Bolo to tiež miesto prvej jadrovej havárie v roku 1957, keď vypukol požiar v dôsledku úniku žiarenia.

Prvá veľká americká jadrová elektráreň bola otvorená v meste Shipport v Pensylvánii v roku 1957. V rokoch 1956 až 1973 bolo v USA začatých takmer 40 jadrových reaktorov na výrobu energie, z ktorých najväčšia bola jedna z jadrových elektrární Zion v štáte Illinois. kapacita 1 155 megawattov. Od tej doby sa neprihlásili žiadne iné reaktory, hoci iné boli spustené po roku 1973.

Francúzi v roku 1973 uviedli na trh prvý jadrový reaktor, Phénix, ktorý je schopný vyrábať 250 megawattov energie. Najvýkonnejší reaktor na výrobu energie v USA (1 315 MW) bol otvorený v roku 1976 v elektrárni Trojan v Oregone. Do roku 1977 bolo v USA v prevádzke 63 jadrových elektrární, ktoré zabezpečovali 3% energetických potrieb krajiny. Ďalších 70 bolo naplánovaných na online pripojenie do roku 1990.

Druhý blok na ostrove Three Mile Island utrpel čiastočné roztavenie a uvoľnil inertné plyny (xenón a kryptón) do životného prostredia. Protijadrové hnutie získalo silu zo strachu, ktorý incident spôsobil. Obavy boli ešte viac podporené v roku 1986, keď 4. blok v Černobyľskom závode na Ukrajine utrpel utečeneckú jadrovú reakciu, ktorá explodovala v zariadení a rozšírila rádioaktívny materiál do celej oblasti a do veľkej časti Európy. V priebehu 90. rokov Nemecko a najmä Francúzsko rozšírili svoje jadrové elektrárne so zameraním na menšie a teda kontrolovateľnejšie reaktory. Čína v roku 2007 uviedla na trh prvé 2 jadrové zariadenia s celkovou produkciou 1 866 MW.

Napriek tomu, že jadrová energia je na treťom mieste za uhlím a vodnou energiou v celosvetovom produkovanom príkone, tlak na zatvorenie jadrových elektrární v spojení so zvyšujúcimi sa nákladmi na výstavbu a prevádzku takýchto zariadení priniesol brzdenie využívania jadrovej energie na výrobu energie. Francúzsko je svetovým lídrom v percentách elektriny vyrobenej jadrovými reaktormi, ale v Nemecku predstihla solárna energia jadrovú energiu ako výrobca energie.

USA majú stále v prevádzke viac ako 60 jadrových zariadení, ale iniciatívy volieb a vek reaktorov zatvorili elektrárne v Oregone a Washingtone, zatiaľ čo desiatky ďalších sú zamerané na demonštrantov a skupiny na ochranu životného prostredia. V súčasnosti sa zdá, že iba Čína rozširuje svoj počet jadrových elektrární, pretože sa snaží znížiť svoju silnú závislosť od uhlia (hlavný faktor jej extrémne vysokej miery znečistenia) a hľadať alternatívu k dovozu ropy..

obavy

Strach z jadrovej energie pochádza z jej extrémov ako zdroja zbraní a energie. Štiepenie z reaktora vytvára odpadový materiál, ktorý je vo svojej podstate nebezpečný (pozri nižšie) a ktorý by mohol byť vhodný pre špinavé bomby. Aj keď niekoľko krajín, ako napríklad Nemecko a Francúzsko, majú vynikajúce výsledky vo svojich jadrových zariadeniach, iné menej pozitívne príklady, ako napríklad tie, ktoré sa nachádzajú na ostrove Three Mile Island, Černobyľ a Fukušima, sa mnohým zdráhajú akceptovať jadrovú energiu, hoci je veľa bezpečnejšie ako fosílne palivo. Fúzne reaktory by sa jedného dňa mohli stať dostupným a veľkým potrebným zdrojom energie, ale iba vtedy, ak by bolo možné vyriešiť extrémne podmienky potrebné na vytvorenie a riadenie fúzie..

Jadrový odpad

Vedľajším produktom štiepenia je rádioaktívny odpad, ktorý stratí svoje nebezpečné úrovne žiarenia tisíce rokov. To znamená, že jadrové štiepne reaktory musia mať tiež záruky na tento odpad a jeho prepravu na neobývané úložiská alebo skládky. Viac informácií nájdete v tomto článku o nakladaní s rádioaktívnym odpadom.

Prirodzený výskyt

V prírode dochádza k fúzii v hviezdach, napríklad na slnku. Na Zemi sa jadrová fúzia prvýkrát dosiahla pri výrobe vodíkovej bomby. Fúzia sa tiež používa v rôznych experimentálnych zariadeniach, často s nádejou na výrobu energie kontrolovaným spôsobom.

Na druhej strane, štiepenie je jadrový proces, ktorý sa v prírode bežne nevyskytuje, pretože vyžaduje veľkú hmotu a dopadajúci neutrón. Napriek tomu existujú príklady jadrového štiepenia v prírodných reaktoroch. Toto bolo objavené v roku 1972, keď sa zistilo, že ložiská uránu z bane Oklo v Gabone mali pred dvoma miliardami rokov kedysi prirodzenú štiepnu reakciu..

účinky

Stručne povedané, ak sa štiepna reakcia vymkne spod kontroly, exploduje alebo sa reaktor, ktorý ju vyrába, roztopí na veľkú hromadu rádioaktívnej trosky. Takéto explózie alebo roztavenie uvoľňujú tony rádioaktívnych častíc do vzduchu a na akýkoľvek susedný povrch (pôdu alebo vodu) a každú minútu ju kontaminujú. Reakcia pokračuje. Naopak fúzna reakcia, ktorá stráca kontrolu (stáva sa nevyváženou), spomaľuje a klesá teplota, až kým sa nezastaví. Toto sa stane hviezdam, keď spaľujú vodík na hélium a strácajú tieto prvky po tisíce storočí vyhostenia. Fúzia produkuje málo rádioaktívneho odpadu. Ak dôjde k akémukoľvek poškodeniu, stane sa to v bezprostrednom okolí fúzneho reaktora a málo iného.

Je oveľa bezpečnejšie používať fúziu na výrobu energie, ale štiepenie sa používa, pretože rozdelenie dvoch atómov vyžaduje menej energie ako fúzovanie dvoch atómov. Technické problémy spojené s riadením fúznych reakcií ešte neboli prekonané.

Používanie jadrových zbraní

Všetky jadrové zbrane vyžadujú, aby fungovala jadrová štiepna reakcia, ale „čisté“ štiepne bomby, tie, ktoré používajú iba štiepnu reakciu, sú známe ako atómové alebo atómové bomby. Atómové bomby boli prvýkrát testované v Novom Mexiku v roku 1945, počas obdobia druhej svetovej vojny. V tom istom roku ich USA použili ako zbraň v japonskom Hirošime a Nagasaki.

Od atómovej bomby má väčšina navrhovaných a / alebo skonštruovaných jadrových zbraní vylepšenú štiepnu reakciu (reakcie) takým spôsobom (napr. Pozri zosilnenú štiepnu zbraň, rádiologické bomby a neutrónové bomby). Termonukleárne zbrane - zbraň, ktorá využíva štiepenie a fúzia na báze vodíka - je jedným z najznámejších pokrokov v oblasti zbraní. Aj keď pojem termonukleárna zbraň bol navrhnutý už v roku 1941, až na začiatku 50-tych rokov sa vodíková bomba (H-bomba) prvýkrát otestovala. Na rozdiel od atómových bômb majú vodíkové bomby nie boli použité vo vojne, iba testované (napr. pozri Tsar Bomba).

Doteraz žiadna jadrová zbraň nevyužíva jadrovú fúziu, hoci vládne obranné programy túto možnosť značne skúmajú.

náklady

Štiepenie je silnou formou výroby energie, ale prichádza so zabudovanou neefektívnosťou. Ťažba a čistenie jadrového paliva, zvyčajne uránu 235, je nákladné. Štiepna reakcia vytvára teplo, ktoré sa používa na vrenie vody na výrobu pary na premenu turbíny na výrobu elektriny. Táto premena z tepelnej energie na elektrickú energiu je ťažkopádna a nákladná. Tretím zdrojom neefektívnosti je to, že čistenie a skladovanie jadrového odpadu sú veľmi drahé. Odpad je rádioaktívny, vyžaduje si riadne zneškodnenie a bezpečnosť musí byť prísna, aby sa zaistila verejná bezpečnosť.

Aby došlo k fúzii, musia byť atómy uzavreté v magnetickom poli a zvýšené na teplotu 100 miliónov Kelvinov alebo vyššiu. To si vyžaduje enormné množstvo energie na zahájenie fúzie (atómové bomby a lasery sú považované za „iskru“), ale na dlhodobú výrobu energie je tiež potrebné správne zachytiť plazmové pole. Vedci sa stále snažia tieto výzvy prekonať, pretože fúzia je bezpečnejší a výkonnejší systém výroby energie ako štiepenie, čo znamená, že by to nakoniec stálo menej ako štiepenie..

Referencie

• Štiepenie a fúzia - Brian Swarthout na YouTube
• Časová os jadrovej histórie - Vzdelávacia databáza online
• Jadrová stabilita a magické čísla - UC Davis ChemWiki
• Wikipedia: Jadrová fúzia
• Wikipedia: Jadrové štiepenie