Ядрен делене и синтез

Ядрен синтез и ядрен делене са различни видове реакции, които освобождават енергия поради наличието на мощни атомни връзки между частици, открити в ядрото. При делене атом се разделя на два или повече по-малки, по-леки атома. Сплавянето, за разлика от тях, се случва, когато два или повече по-малки атома се сливат заедно, създавайки по-голям, по-тежък атом.

Сравнителна диаграма

Сравнителна таблица за ядрен делене срещу ядрен синтез

	Ядрен делене	Ядрен синтез
дефиниция	Деленето е разделяне на голям атом на два или повече по-малки.	Fusion е сливането на два или повече по-леки атома в по-голям.
Естествено възникване на процеса	Реакцията на делене обикновено не се среща в природата.	Сливането се случва в звезди, като слънцето.
Странични продукти на реакцията	При разделянето се получават много силно радиоактивни частици.	Малко радиоактивни частици се получават чрез реакция на синтез, но ако се използва "спусък" на делене, радиоактивни частици ще се получат от това.
условия	Необходима е критична маса на веществото и високоскоростни неутрони.	Изисква се среда с висока плътност, висока температура.
Изискване за енергия	Отнема малко енергия за разделяне на два атома при реакция на делене.	Необходима е изключително висока енергия, за да се приближат два или повече протона достатъчно близо, че ядрените сили да преодолеят своето електростатично отблъскване.
Издадена енергия	Енергията, отделена чрез делене, е милион пъти по-голяма от тази, отделена при химически реакции, но по-ниска от енергията, отделена при ядрен синтез.	Енергията, отделена чрез синтез, е три до четири пъти по-голяма от енергията, отделена чрез делене.
Ядрено оръжие	Един клас ядрено оръжие е деляща се бомба, известна още като атомна бомба или атомна бомба.	Един клас ядрено оръжие е водородната бомба, която използва реакция на делене, за да "предизвика" реакция на синтез.
Производство на енергия	Физията се използва в атомните електроцентрали.	Fusion е експериментална технология за производство на енергия.
гориво	Уранът е основното гориво, използвано в електроцентралите.	Изотопите на водород (Deuterium и Tritium) са основното гориво, използвано в експерименталните термоядрени централи.

Съдържание: ядрен делене и синтез

• 1 Определения
• 2 Физия срещу физика на синтез
  • 2.1 Условия за делене и синтез
  • 2.2 Верижна реакция
  • 2.3 Коефициенти на енергия
• 3 Използване на ядрената енергия
  • 3.1 Притеснения
  • 3.2 Ядрени отпадъци
• 4 Естествено възникване
• 5 ефекти
• 6 Използване на ядрени оръжия
• 7 Цена
• 8 Позовавания

Дефиниции

Сливане на деутерий с тритий създава хелий-4, освобождава неутрон и освобождава 17,59 МеВ енергия.

Ядреният синтез е реакцията, при която две или повече ядра се комбинират, образувайки нов елемент с по-голям атомен брой (повече протони в ядрото). Енергията, отделена при синтеза, е свързана с Е = mc ² (Известното уравнение на енергия-маса на Айнщайн). На Земята най-вероятната реакция на синтез е реакцията на Деутерий-Тритий. Деутерий и тритий са изотопи на водород.

² ₁деутерий + ³ ₁Триций = ⁴₂Той + ¹₀н + 17.6 МеВ

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

Ядреното делене е разделянето на масивно ядро ​​във фотони под формата на гама лъчи, свободни неутрони и други субатомни частици. При типична ядрена реакция ²³⁵U и неутрон:

²³⁵₉₂U + н = ²³⁶₉₂U

следван от

²³⁶₉₂U = ¹⁴⁴₅₆Ба + ⁸⁹ ₃₆Кр + 3н + 177 МеВ

Физия срещу физика на синтез

Атомите се държат заедно от две от четирите основни сили на природата: слабите и силни ядрени връзки. Общото количество енергия, задържано в рамките на връзките на атомите, се нарича свързваща енергия. Колкото повече енергия на свързване се държи в рамките на връзките, толкова по-стабилен е атома. Освен това атомите се опитват да станат по-стабилни чрез увеличаване на енергията си на свързване.

Нуклеонът на железен атом е най-стабилният нуклон, открит в природата, и той нито се слива, нито се разделя. Ето защо желязото е в горната част на кривата на свързваща енергия. За атомните ядра, по-леки от желязото и никела, енергията може да бъде извлечена чрез комбиниране железни и никелови ядра заедно чрез ядрен синтез. За разлика от това, за атомните ядра, по-тежки от желязото или никела, енергията може да бъде освободена от цепене тежките ядра чрез ядрен делене.

Идеята за разделянето на атома възникна от работата на родения в Нова Зеландия британски физик Ърнест Ръдърфорд, която също доведе до откриването на протона.

Условия за делене и синтез

Деленето може да се случи само в големи изотопи, които съдържат повече неутрони, отколкото протоните в техните ядра, което води до леко стабилна среда. Въпреки че учените все още не разбират напълно защо тази нестабилност е толкова полезна за деленето, общата теория е, че големият брой протони създава силна отблъскваща сила между тях и че твърде малко или твърде много неутрони създават "пропуски", които причиняват отслабване на ядрената връзка, водеща до гниене (радиация). Тези големи ядра с повече "пропуски" могат да бъдат "разделени" от въздействието на топлинните неутрони, така наречените "бавни" неутрони.

Условията трябва да са правилни, за да възникне реакция на делене. За да може деленето да бъде самоподдържащо се, веществото трябва да достигне критична маса, необходимото минимално количество маса; отпадане на критичната маса ограничава продължителността на реакцията до обикновени микросекунди. Ако критичната маса се достигне твърде бързо, което означава, че твърде много неутрони се освобождават за наносекунди, реакцията става чисто експлозивна и няма да възникне мощно освобождаване на енергия.

Ядрените реактори са предимно контролирани делящи се системи, които използват магнитни полета, за да съдържат бездомни неутрони; това създава приблизително 1: 1 съотношение на освобождаване на неутрони, което означава, че един неутрон излиза от въздействието на един неутрон. Тъй като това число ще варира в математически пропорции, при това, което е известно като Гаусово разпределение, магнитното поле трябва да се поддържа, за да може реакторът да функционира, а контролните пръти трябва да се използват за забавяне или ускоряване на активността на неутроните.

Сливането се случва, когато два по-леки елемента се принудят заедно с огромна енергия (налягане и топлина), докато се слеят в друг изотоп и освободят енергия. Енергията, необходима за стартиране на реакция на синтез, е толкова голяма, че е необходима атомна експлозия, за да се получи тази реакция. Все пак, след като започне синтезът, теоретично може да продължи да произвежда енергия, докато се контролира и се доставят основните синтезиращи изотопи..

Най-често срещаната форма на сливане, която се среща в звезди, се нарича "D-T fusion", отнасяща се до два водородни изотопа: деутерий и тритий. Деутерият има 2 неутрона, а тритийът има 3, повече от този на водорода. Това прави процеса на синтез по-лесен, тъй като трябва да се преодолее само зарядът между два протона, тъй като сливането на неутроните и протона изисква преодоляване на естествената отблъскваща сила на подобни заредени частици (протоните имат положителен заряд, в сравнение с липсата на заряд на неутроните ) и температура - за миг - близо 81 милиона градуса по Фаренхайт за DT синтез (45 милиона Келвина или малко по-малко в Целзий). За сравнение температурата на сърцевината на слънцето е приблизително 27 милиона F (15 милиона C).^[1]

След достигане на тази температура, полученият синтез трябва да се съдържа достатъчно дълго, за да генерира плазма, едно от четирите състояния на материята. Резултатът от такова сдържане е освобождаване на енергия от D-T реакцията, като се получава хелий (благороден газ, инертен към всяка реакция) и резервни неутрони, отколкото може да "посява" водород за повече реакции на синтез. Понастоящем няма сигурни начини за индуциране на началната температура на термоядрен синтез или задържане на реакцията на сливане за постигане на стабилно плазмено състояние, но усилията продължават.

Трети тип реактор се нарича реактор за развъждане. Той работи, като използва деленето, за да създаде плутоний, който може да семе или служи като гориво за други реактори. Във Франция широко се използват развъдните реактори, но са изключително скъпи и изискват значителни мерки за сигурност, тъй като продукцията на тези реактори може да се използва и за производство на ядрени оръжия.

Верижна реакция

Ядрените реакции на делене и синтез са верижни реакции, което означава, че едно ядрено събитие причинява поне една друга ядрена реакция и обикновено повече. Резултатът е увеличаващ се цикъл от реакции, които бързо могат да станат неконтролирани. Този тип ядрена реакция може да бъде множество разцепления на тежки изотопи (напр. ²³⁵ U) или сливането на леки изотопи (напр. ²Н и ³Н).

Реакциите на делене на веригата се случват, когато неутроните бомбардират нестабилни изотопи. Този тип „удар и разсейване“ процес е трудно контролируем, но първоначалните условия са сравнително прости. Физичната верижна реакция се развива само при екстремни условия на налягане и температура, които остават стабилни от енергията, отделена в процеса на синтеза. Както първоначалните условия, така и стабилизиращите полета са много трудни за изпълнение с настоящата технология.

Коефициенти на енергия

Реакциите на синтез отделят 3-4 пъти повече енергия от реакциите на делене. Въпреки че няма термоядрени системи, базирани на Земята, изходът на слънцето е типичен за производството на синтезирана енергия по това, че той непрекъснато превръща водородните изотопи в хелий, излъчвайки спектри от светлина и топлина. Физията генерира своята енергия, като разрушава една ядрена сила (силната) и освобождава огромни количества топлина, отколкото се използва за загряване на вода (в реактор), след което се генерира енергия (електричество). Fusion преодолява 2 ядрени сили (силни и слаби) и освободената енергия може да се използва директно за захранване на генератор; така че не само се отделя повече енергия, но и може да се използва за по-директно приложение.

Използване на ядрена енергия

Първият експериментален ядрен реактор за производство на енергия започва да работи в река Крек, Онтарио през 1947 г. Първото съоръжение за ядрена енергия в САЩ, експерименталният селекционер реактор-1, стартира скоро след това, през 1951 г .; може да запали 4 крушки. Три години по-късно, през 1954 г., САЩ пуска първата си ядрена подводница, САЩ. Nautilus, докато САЩ пуснаха първия в света ядрен реактор за широкомащабно производство на енергия в Обнинск. Съединените щати откриха съоръжението си за производство на ядрена енергия година по-късно, осветявайки Арко, Айдахо (поп. 1000).

Първото търговско съоръжение за производство на енергия с помощта на ядрени реактори беше заводът Calder Hall, в Уиндскел (сега Селафийлд), Великобритания. Той е бил и мястото на първата авария, свързана с ядрената енергия през 1957 г., когато е избухнал пожар поради течове на радиация.

Първата мащабна ядрена централа в САЩ е открита в Шиппорт, Пенсилвания, през 1957 г. Между 1956 и 1973 г. в САЩ са пуснати близо 40 ядрени реактори за производство на електроенергия, като най-големият е единица първа от атомната електроцентрала Zion в Илинойс, с капацитет от 1,155 мегавата. От този момент не са поръчани други реактори, въпреки че други са пуснати след 1973 г..

През 1973 г. французите пуснаха първия си ядрен реактор "Феникс", способен да произвежда 250 мегавата мощност. Най-мощният реактор за производство на енергия в САЩ (1315 MW), открит през 1976 г., в ТЕЦ в Орегон. До 1977 г. в САЩ работят 63 ядрени централи, осигуряващи 3% от енергийните нужди на нацията. Други 70 бяха планирани да бъдат онлайн до 1990 г..

Част втора на остров Три мили е претърпяла частичен срив, отделяйки инертни газове (ксенон и криптон) в околната среда. Противоядреното движение набра сила от страховете, предизвикани от инцидента. Страховете се подхранваха още повече през 1986 г., когато блок 4 в централата в Чернобил в Украйна претърпя явна ядрена реакция, която взриви съоръжението, разпространявайки радиоактивни материали в района и голяма част от Европа. През 90-те години Германия и особено Франция разширяват ядрените си централи, съсредоточавайки се върху по-малки и по-контролируеми реактори. Китай пусна първите си 2 ядрени съоръжения през 2007 г., произвеждайки общо 1866 MW.

Въпреки че ядрената енергия е на трето място след производството на въглища и водноелектрическа енергия в световната произведена мощност, стремежът за затваряне на ядрените централи, в съчетание с нарастващите разходи за изграждане и експлоатация на такива съоръжения, създаде отдръпване на използването на ядрената енергия за захранване. Франция води в света по процент на електроенергия, произведена от ядрени реактори, но в Германия слънчевата енергия е изпреварила ядрената енергия като производител.

САЩ все още има над 60 ядрени съоръжения в експлоатация, но инициативите за гласуване и възрастта на реакторите са затворили централите в Орегон и Вашингтон, докато десетки повече са насочени от протестиращи и групи за защита на околната среда. Понастоящем само Китай разширява броя на атомните си централи, тъй като се стреми да намали силната си зависимост от въглищата (главният фактор в изключително високата му степен на замърсяване) и търси алтернатива на вноса на нефт.

Загрижеността

Страхът от ядрената енергия идва от нейните крайности, като оръжие и източник на енергия. Деленето от реактор създава отпадъци, които са по своята същност опасни (вижте повече по-долу) и биха могли да бъдат подходящи за мръсни бомби. Въпреки че няколко държави, като Германия и Франция, имат отлични резултати със своите ядрени съоръжения, други по-малко положителни примери, като тези, наблюдавани в остров Три мили, Чернобил и Фукушима, накараха много от тях да не приемат ядрената енергия, въпреки че е много по-безопасен от изкопаеми горива. Един ден термоядрените реактори могат да бъдат достъпният и изобилен енергиен източник, но само ако могат да бъдат решени екстремните условия, необходими за създаването на синтез и за неговото управление.

Ядрени отпадъци

Страничният продукт от деленето е радиоактивни отпадъци, на които са необходими хиляди години, за да загубят опасните си нива на радиация. Това означава, че реакторите за ядрено делене също трябва да имат предпазни мерки за тези отпадъци и транспортирането им до необитаеми складове или сметища. За повече информация относно това прочетете за управлението на радиоактивни отпадъци.

Естествено възникване

В природата сливането се случва в звезди, като слънцето. На Земята първо е постигнат ядрен синтез при създаването на водородна бомба. Fusion също се използва в различни експериментални устройства, често с надеждата да произвежда енергия по контролиран начин.

От друга страна, деленето е ядрен процес, който обикновено не протича в природата, тъй като изисква голяма маса и падащ неутрон. Въпреки това в естествените реактори е имало примери за ядрено делене. Това е открито през 1972 г., когато урановите находища от рудник Окло, Габон веднъж са поддържали реакция на естествено делене преди около 2 милиарда години.

вещи

Накратко, ако реакцията на делене излезе извън контрол, или тя избухва или реакторът, който я генерира, се стопява в голяма купчина радиоактивна шлака. Подобни експлозии или стопи освобождават тонове радиоактивни частици във въздуха и всяка съседна повърхност (земя или вода), замърсявайки го всяка минута реакцията продължава. За разлика от него, реакция на синтез, която губи контрол (става неуравновесена), се забавя и намалява температурата, докато спре. Това се случва с звездите, когато изгарят водорода си в хелий и губят тези елементи в продължение на хиляди векове на изгонване. Fusion произвежда малко радиоактивни отпадъци. Ако има някаква повреда, това ще се случи с непосредственото обкръжение на термоядрения реактор и малко други.

Далеч по-безопасно е да се използва синтез за производство на енергия, но деленето се използва, тъй като за разделянето на два атома е необходимо по-малко енергия, отколкото за сливането на два атома. Освен това техническите предизвикателства, свързани с контролирането на реакциите на синтез, все още не са преодолени.

Използване на ядрено оръжие

Всички ядрени оръжия изискват реакция на ядрен делене, но „чистите“ бомби за делене, тези, които използват само реакция на делене, са известни като атомни или атомни бомби. Атомните бомби бяха тествани за първи път в Ню Мексико през 1945 г., по време на разгара на Втората световна война. През същата година САЩ ги използват като оръжие в Хирошима и Нагасаки, Япония.

Тъй като атомната бомба, повечето от ядрените оръжия, които са предложени и / или проектирани, подобряват реакцията (ите) на делене по един или друг начин (например, вижте усилено оръжие за делене, радиологични бомби и неутронни бомби). Термоядрено оръжие - оръжие, което използва и двете делене и синтез на основата на водород - е един от по-известните постижения на оръжието. Въпреки че понятието за термоядрено оръжие е предложено още през 1941 г., едва в началото на 50-те години водородната бомба (Н-бомба) е била изпробвана за първи път. За разлика от атомните бомби, водородните бомби имат не се използва в бойни действия, само тествани (например, вижте Цар Бомба).

Към днешна дата никое ядрено оръжие не използва само ядрения синтез, въпреки че правителствените програми за отбрана поставят значителни проучвания за такава възможност.

цена

Деленето е мощна форма на производство на енергия, но идва с вградена неефективност. Ядреното гориво, обикновено Уран-235, е скъпо за мина и пречистване. Реакцията на делене създава топлина, която се използва за кипене на вода за пара, за да се превърне турбина, която генерира електричество. Тази трансформация от топлинна в електрическа енергия е тромава и скъпа. Трети източник на неефективност е, че почистването и съхранението на ядрени отпадъци е много скъпо. Отпадъците са радиоактивни, изискват правилно изхвърляне и сигурността трябва да е строга, за да се гарантира обществената безопасност.

За да се случи сливането, атомите трябва да бъдат затворени в магнитното поле и да се повишат до температура от 100 милиона келвина или повече. Това отнема огромно количество енергия, за да започне синтез (смята се, че атомните бомби и лазерите осигуряват тази "искра"), но има и необходимостта от правилно съдържане на плазменото поле за дългосрочно производство на енергия. Изследователите все още се опитват да преодолеят тези предизвикателства, тъй като сливането е по-безопасна и по-мощна система за производство на енергия от деленето, което означава, че в крайна сметка това ще струва по-малко от деленето.

Препратки

• Делене и синтез - Brian Swarthout в YouTube
• Времева линия на ядрената история - Образователна база данни онлайн
• Ядрена стабилност и магически числа - UC Дейвис ChemWiki
• Уикипедия: Ядрен синтез
• Уикипедия: Ядрен делене