Nuklearna fisija i fuzija

Nuklearna fuzija i nuklearna fizija su različite vrste reakcija koje oslobađaju energiju zbog prisustva snažnih atomskih veza između čestica koje se nalaze u jezgri. Pri fisiji atom se dijeli na dva ili više manjih, lakših atoma. Fuzija, za razliku od toga, događa se kada se dva ili više manjih atoma spajaju zajedno, stvarajući veći, teži atom.

Usporedni grafikon

Nuklearna fisija prema usporedbi s nuklearnom fuzijom

	Nuklearna fizija	Nuklearna fuzija
definicija	Fisija je cijepanje velikog atoma na dva ili više manjih.	Fuzija je spajanje dva ili više lakših atoma u veći.
Prirodna pojava procesa	Fisciona reakcija se u prirodi obično ne javlja.	Fuzija se događa u zvijezdama, poput sunca.
Nusproizvodi reakcije	Fisijom nastaju mnoge visoko radioaktivne čestice.	Malo radioaktivnih čestica nastaje fuzijskom reakcijom, ali ako se koristi "okidač" fisije, od toga će nastati radioaktivne čestice.
Uvjeti	Potrebna je kritična masa tvari i neutroni velike brzine.	Potrebno je okruženje visoke gustoće i visoke temperature.
Energetski zahtjev	Potrebno je malo energije za razdvajanje dva atoma u reakciji fisije.	Izuzetno velika energija potrebna je za dovođenje dva ili više protona dovoljno blizu da nuklearne sile prevladaju svoju elektrostatsku odbojnost.
Izbačena energija	Energija oslobođena cijepljenjem je milijun puta veća od one koja se oslobađa kemijskim reakcijama, ali niža od energije koja se oslobađa nuklearnom fuzijom.	Energija koja se oslobađa fuzijom je tri do četiri puta veća od energije koja se oslobađa dijeljenjem.
Nuklearno oružje	Jedna klasa nuklearnog oružja je fisiona bomba, poznata i kao atomska bomba ili atomska bomba.	Jedna klasa nuklearnog oružja je vodikova bomba, koja koristi reakciju fisije da "pokrene" fuzijsku reakciju.
Proizvodnja energije	Fisija se koristi u nuklearnim elektranama.	Fusion je eksperimentalna tehnologija za proizvodnju energije.
Gorivo	Uran je primarno gorivo koje se koristi u elektranama.	Izotopi vodika (Deuterium i Tritium) su primarno gorivo koje se koristi u eksperimentalnim fuzijskim elektranama.

Sadržaj: Nuklearna fisija i fuzija

• 1 Definicije
• 2 Fisija protiv fizike fuzije
  • 2.1 Uvjeti za fisiju i fuziju
  • 2.2 Lančana reakcija
  • 2.3 Omjer energije
• 3 Uporaba nuklearne energije
  • 3.1 Zabrinutosti
  • 3.2. Nuklearni otpad
• 4 Prirodno pojavljivanje
• 5 učinaka
• 6 Uporaba nuklearnog oružja
• 7 Trošak
• 8 Reference

definicije

Fuzija deuterija sa tritijem stvarajući helij-4, oslobađajući neutron i oslobađajući 17,59 MeV energije.

Nuklearna fuzija je reakcija u kojoj se dvije ili više jezgara kombiniraju, tvoreći novi element s većim atomskim brojem (više protona u jezgri). Energija koja se oslobađa u fuziji povezana je s E = mc ² (Einsteinova poznata jednadžba energije i mase). Na Zemlji je najvjerojatnija reakcija fuzije Deuterium-Tritium reakcija. Deuterij i tritij su izotopi vodika.

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

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

Nuklearna fisija je cijepanje masivne jezgre na fotone u obliku gama zraka, slobodnih neutrona i drugih subatomskih čestica. U tipičnoj nuklearnoj reakciji koja uključuje ²³⁵U i neutron:

²³⁵₉₂U + n = ²³⁶₉₂U

slijedi

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

Fisija protiv fizike fuzije

Atomi drže zajedno dvije od četiri temeljne sile prirode: slabe i jake nuklearne veze. Ukupna količina energije koja se nalazi unutar veza atoma naziva se veznom energijom. Što više energije vezanja drži u vezama, to je atom stabilniji. Štoviše, atomi pokušavaju postati stabilniji povećavajući svoju vezujuću energiju.

Nukleon atoma željeza najstabilniji je nukleon koji se nalazi u prirodi, i on se ne stapa niti cepa. Zbog toga se željezo nalazi na vrhu krivulje vezivne energije. Za atomska jezgra lakša od željeza i nikla, energiju se može izvući pomoću Kombinirajući jezgre željeza i nikla zajedno putem nuklearne fuzije. Suprotno tome, za atomska jezgra teža od željeza ili nikla, energija se može osloboditi cijepanje teške jezgre pomoću nuklearne fisije.

Pojam cijepanja atoma nastao je iz rada britanskog fizičara Ernesta Rutherforda rođenog na Novom Zelandu, koji je također doveo do otkrića protona.

Uvjeti za fisiju i fuziju

Fisija se može dogoditi samo u velikim izotopima koji sadrže više neutrona nego protona u svojim jezgrama, što dovodi do malo stabilnog okruženja. Iako znanstvenici još uvijek ne razumiju u potpunosti zašto je ta nestabilnost toliko korisna za fisiju, opća teorija je da veliki broj protona stvara snažnu odbojnu silu između njih i da premalo ili previše neutrona stvara „praznine“ koje uzrokuju slabljenje nuklearna veza, što dovodi do propadanja (zračenja). Ove velike jezgre s više "praznina" mogu se "podijeliti" utjecajem toplinskih neutrona, tzv. "Spori" neutroni.

Uvjeti moraju biti pravi kako bi došlo do reakcije fisije. Da bi fisija bila samoodrživa, tvar mora dostići kritičnu masu, potrebnu minimalnu količinu mase; propuštanje kritične mase ograničava dužinu reakcije na samo mikrosekunde. Ako se kritična masa postigne prebrzo, što znači da se u nanosekundi oslobađa previše neutrona, reakcija postaje čisto eksplozivna i neće se dogoditi snažno oslobađanje energije.

Nuklearni reaktori su uglavnom kontrolirani fisioni sustavi koji koriste magnetska polja da bi sadržavali zalutale neutrone; ovo stvara otprilike 1: 1 omjer oslobađanja neutrona, što znači da jedan utjecaj neutrona izlazi iz utjecaja jednog neutrona. Kako će se taj broj razlikovati u matematičkim proporcijama, pod onim što je poznato pod nazivom Gaussova raspodjela, magnetsko polje mora biti održano kako bi reaktor mogao funkcionirati, a kontrolne šipke moraju se koristiti za usporavanje ili ubrzanje aktivnosti neutrona.

Fuzija se događa kada se dva lakša elementa zajedno pritisnu ogromnom energijom (pritiskom i toplinom) dok se ne stapaju u drugi izotop i oslobađaju energiju. Energija potrebna za pokretanje fuzijske reakcije toliko je velika da je za stvaranje te reakcije potrebna atomska eksplozija. Ipak, jednom kada fuzija započne, teoretski može nastaviti proizvoditi energiju sve dok je kontrolirana i opskrbljuju se osnovnim fuzijskim izotopima.

Najčešći oblik fuzije, koji se događa u zvijezdama, naziva se "D-T fuzija", a odnosi se na dva vodikova izotopa: deuterij i tritij. Deuterij ima 2 neutrona, a tritij ima 3, više od protona vodika. To olakšava proces fuzije jer je potrebno savladati samo naboj između dva protona, jer fuzija neutrona i protona zahtijeva prevladavanje prirodne repelentne sile čestica napunjenih (protoni imaju pozitivan naboj, u usporedbi s nedostatkom naboja neutrona ) i temperatura - za trenutak - blizu 81 milijuna stupnjeva Fahrenheita za fuziju DT (45 milijuna Kelvina ili nešto manje u Celzijusu). Za usporedbu, temperatura sunčeve jezgre iznosi oko 27 milijuna F (15 milijuna C).^[1]

Nakon postizanja ove temperature, rezultirajuća fuzija mora biti sadržana dovoljno dugo da stvori plazmu, jedno od četiri stanja materije. Rezultat takvog zadržavanja je oslobađanje energije iz D-T reakcije, stvarajući helij (plemeniti plin, inertan za svaku reakciju) i rezervni neutroni nego što mogu "sijati" vodik za više reakcija fuzije. Trenutno ne postoje sigurni načini induciranja početne temperature fuzije ili obuzdavanja reakcije fuzije za postizanje stabilnog stanja plazme, ali napori su u tijeku.

Treća vrsta reaktora naziva se uzgajivač reaktora. Djeluje korištenjem fisije za stvaranje plutonija koji može sjeme ili služiti kao gorivo za druge reaktore. Uzgajivači se u Francuskoj uvelike koriste, ali su nevjerojatno skupi i zahtijevaju značajne sigurnosne mjere, jer se izlaz ovih reaktora može koristiti i za izradu nuklearnog oružja.

Lančana reakcija

Fisijska i fuzijska nuklearna reakcija su lančane reakcije, što znači da jedan nuklearni događaj uzrokuje barem jednu drugu nuklearnu reakciju, a obično više. Rezultat je sve veći ciklus reakcija koje brzo mogu postati nekontrolirane. Ova vrsta nuklearne reakcije može biti višestruka rascjepka teških izotopa (npr. ²³⁵ U) ili spajanjem lakih izotopa (npr. ²Ruka ³H).

Reakcije fisije lanca događaju se kada neutroni bombardiraju nestabilne izotope. Ovakav postupak "udara i raspršivanja" teško je kontrolirati, ali početni su uvjeti relativno jednostavni. Lančana reakcija fuzije razvija se samo pod ekstremnim tlačnim i temperaturnim uvjetima koji ostaju stabilni energijom koja se oslobađa u procesu fuzije. I početne uvjete i stabilizirajuća polja vrlo je teško izvesti s trenutnom tehnologijom.

Omjer energije

Fuzijske reakcije oslobađaju 3-4 puta više energije od reakcija fisije. Iako ne postoje zemaljski fuzijski sustavi, sunčevo izlaženje tipično je za proizvodnju fuzijske energije po tome što konstantno pretvara izotope vodika u helij, emitirajući spektar svjetla i topline. Fisija stvara svoju energiju razbijanjem jedne nuklearne sile (jake) i oslobađanjem ogromnih količina topline koja se koristi za zagrijavanje vode (u reaktoru) za dobivanje energije (električne energije). Fuzija pobjeđuje dvije nuklearne sile (jake i slabe), a oslobođena energija može se izravno koristiti za napajanje generatora; tako da se ne oslobađa više energije, već se može i iskoristiti za izravniju primjenu.

Upotreba nuklearne energije

Prvi eksperimentalni nuklearni reaktor za proizvodnju energije počeo je s radom u rijeci Chalk, Ontario, 1947. Prvo postrojenje za nuklearnu energiju u SAD-u, pokusni uzgajivač reaktor-1, pokrenuto je ubrzo nakon toga, 1951 .; mogla bi upaliti 4 žarulje. Tri godine kasnije, 1954., SAD je lansirao svoju prvu nuklearnu podmornicu, američku. Nautilus, dok je SAD pokrenuo prvi nuklearni reaktor na svijetu za veliku proizvodnju električne energije, u Obninsku. Amerika je otvorila svoje postrojenje za proizvodnju nuklearne energije godinu dana kasnije, osvjetljavajući Arco, Idaho (1.000).

Prvo komercijalno postrojenje za proizvodnju energije korištenjem nuklearnih reaktora bilo je postrojenje Calder Hall, u Windscale-u (danas Sellafield), Velika Britanija. To je mjesto bilo i prve nuklearne nesreće 1957., Kada je izbio požar zbog curenja radijacije.

Prva velika američka nuklearna elektrana otvorena je u Shipport-u, Pensilvanija, 1957. Između 1956. i 1973. u SAD-u je pokrenuto gotovo 40 nuklearnih reaktora za proizvodnju električne energije, od kojih je najveći prvi blok nuklearne elektrane Zion u Illinoisu, sa kapacitet od 1,155 megavata. Od tog trenutka nisu naručeni drugi reaktori, iako su drugi pokrenuti nakon 1973. godine.

Francuzi su svoj prvi nuklearni reaktor, Phénix, sposobni proizvesti 250 megavata snage 1973. godine. Najmoćniji reaktor za proizvodnju energije u SAD-u (1.315 MW) otvoren je 1976. godine u Trojanskoj elektrani u Oregonu. Do 1977. SAD je imao 63 nuklearne elektrane u radu, što je osiguralo 3% energetskih potreba zemlje. Još 70 trebalo je stići na mrežu do 1990. godine.

Jedinica dva na otoku Three Mile pretrpjela je djelomični pad, ispuštajući inertne plinove (ksenon i kripton) u okoliš. Anti-nuklearni pokret dobio je snagu iz strahova koji je izazvao incident. Strahovi su još više potaknuti 1986. godine, kada je jedinica 4 u postrojenju u Černobilu u Ukrajini pretrpjela bjelorusku nuklearnu reakciju koja je eksplodirala postrojenje, proširivši radioaktivni materijal po cijelom području i velikom dijelu Europe. Tijekom 1990-ih, Njemačka i posebno Francuska su proširile svoje nuklearne elektrane usredotočivši se na manje i tako više kontrolirane reaktore. Kina je 2007. godine lansirala svoja prva dva nuklearna postrojenja, proizvodeći ukupno 1866 MW.

Iako je nuklearna energija treća iza ugljena i hidroelektrane po proizvedenoj globalnoj snazi, poticaj za zatvaranje nuklearnih elektrana, zajedno s rastućim troškovima izgradnje i rada takvih postrojenja, stvorio je povlačenje u uporabi nuklearne energije za napajanje. Francuska je vodeća u svijetu u postotku električne energije proizvedene od strane nuklearnih reaktora, ali u Njemačkoj je solarna energija pretekla nuklearnu energiju.

SAD i dalje ima preko 60 nuklearnih postrojenja u radu, ali glasačke inicijative i reaktorski vijek zatvorili su postrojenja u Oregonu i Washingtonu, dok su deseci više meta meta demonstranata i skupina za zaštitu okoliša. Trenutno se čini da samo Kina proširuje svoj broj nuklearnih elektrana, jer nastoji smanjiti svoju veliku ovisnost o uglju (glavni faktor u izuzetno visokoj stopi zagađenja) i traži alternativu uvozu nafte.

zabrinutost

Strah od nuklearne energije dolazi iz njenih krajnosti, i kao oružja i kao izvora energije. Fisijom iz reaktora nastaje otpadni materijal koji je sam po sebi opasan (vidi dolje više) i koji bi mogao biti prikladan za prljave bombe. Iako nekoliko zemalja, poput Njemačke i Francuske, ima izvrsne rezultate sa svojim nuklearnim postrojenjima, drugi manje pozitivni primjeri, poput onih na Otoku Tri milje, Černobilu i Fukušimi, učinili su da mnogi nerado prihvaćaju nuklearnu energiju, iako je je mnogo sigurniji od fosilnih goriva. Fuzijski reaktori bi jednog dana mogli biti pristupačni, obilni izvor energije koji je potreban, ali samo ako se mogu riješiti ekstremni uvjeti potrebni za stvaranje fuzije i njegovo upravljanje..

Nuklearni otpad

Nusprodukt fisije je radioaktivni otpad kojem su potrebne tisuće godina da izgube opasne razine zračenja. To znači da reaktori nuklearne fisije također moraju imati zaštitne mjere za taj otpad i njegov transport do nenaseljenih skladišta ili odlagališta. Za više informacija o tome pročitajte u vezi s postupanjem s radioaktivnim otpadom.

Prirodna pojava

U prirodi se fuzija događa u zvijezdama, poput sunca. Na Zemlji je nuklearna fuzija najprije postignuta stvaranjem vodikove bombe. Fusion se također koristi u različitim eksperimentalnim uređajima, često s nadom da proizvodi energiju na kontrolirani način.

S druge strane, fisija je nuklearni proces koji se obično ne odvija u prirodi, jer zahtijeva veliku masu i upadajući neutron. Unatoč tome, postojali su primjeri nuklearne fisije u prirodnim reaktorima. To je otkriveno 1972. godine, kada je otkriveno da su nalazišta urana iz rudnika Oklo, Gabon nekoć podvrgnuta reakciji prirodne fisije prije otprilike 2 milijarde godina.

efekti

Ukratko, ako reakcija fisije izmakne kontroli, ili eksplodira ili se reaktor koji je generira otopio u veliku gomilu radioaktivne šljake. Takve eksplozije ili otapanja ispuštaju tone radioaktivnih čestica u zrak i bilo koju susjednu površinu (zemlju ili vodu), kontaminirajući ga svaki trenutak kada se reakcija nastavi. Suprotno tome, fuzijska reakcija koja gubi kontrolu (postaje neuravnotežena) usporava i spušta temperaturu dok ne prestane. To se događa zvijezdama dok oni spajaju vodik u helij i gube te elemente tijekom tisuća stoljeća protjerivanja. Fuzija stvara malo radioaktivnog otpada. Ako dođe do oštećenja, dogodit će se u neposrednom okruženju fuzijskog reaktora i nešto drugo.

Daleko je sigurnije da se fuzija koristi za proizvodnju energije, ali fisija se koristi jer je za razdvajanje dva atoma potrebno manje energije nego što je potrebno za fuziju dva atoma. Također, tehnički izazovi koji su uključeni u kontrolu reakcija fuzije još uvijek nisu prevladani.

Upotreba nuklearnog oružja

Sva nuklearna oružja zahtijevaju reakciju nuklearne fisije kako bi djelovala, ali "čiste" bombe fisije, one koje koriste samo reakciju fisije, poznate su kao atomska ili atomska bomba. Atomske bombe prvi su put testirane u Novom Meksiku 1945. godine, u jeku Drugog svjetskog rata. Iste godine Sjedinjene Države su ih koristile kao oružje u Hirošimi i Nagasakiju u Japanu.

Budući da je atomska bomba, većina nuklearnog oružja koje je predloženo i / ili proizvedeno, na jedan ili drugi način pojačala je reakciju (i) fisije (npr. Vidi pojačano oružje za fisiju, radiološke bombe i neutronske bombe). Termonuklearno oružje - oružje koje koristi obje fisije i fuzija na bazi vodika - jedno je od poznatijih dostignuća za oružje. Iako je pojam termonuklearnog oružja predložen još 1941., vodična bomba (H-bomba) prvi je put testirana tek početkom 1950-ih. Za razliku od atomske bombe, vodikove bombe ima ne koristi se u ratu, samo je testirano (npr. vidi Car Bomba).

Do danas, niti jedno nuklearno oružje ne koristi samo nuklearnu fuziju, iako su državni odbrambeni programi stavili značajna istraživanja u takvu mogućnost.

cijena

Fisija je moćan oblik proizvodnje energije, ali dolazi s ugrađenom neučinkovitošću. Nuklearno gorivo, obično Uranij-235, skupo je za miniranje i pročišćavanje. Reakcija fisije stvara toplinu koja se koristi za zagrijavanje vode za paru kako bi se pretvorila turbina koja stvara električnu energiju. Ova transformacija iz toplinske u električnu energiju je glomazna i skupa. Treći izvor neučinkovitosti je da je čišćenje i skladištenje nuklearnog otpada vrlo skupo. Otpad je radioaktivan, zahtijeva pravilno odlaganje i sigurnost mora biti stroga da bi se osigurala javna sigurnost.

Da bi došlo do fuzije, atomi se moraju zatvoriti u magnetsko polje i podići na temperaturu od 100 milijuna Kelvina ili više. Za to je potrebna ogromna količina energije za pokretanje fuzije (smatra se da atomske bombe i laseri pružaju tu "iskru"), ali postoji i potreba da se pravilno sadrži plazmo polje za dugoročno stvaranje energije. Istraživači još uvijek pokušavaju prevladati ove izazove jer je fuzija sigurniji i snažniji sustav proizvodnje energije od fisije, što znači da bi u konačnici koštao manje od fisije.

Reference

• Fisija i fuzija - Brian Swarthout na YouTubeu
• Vremenska crta nuklearne povijesti - Obrazovna baza podataka na mreži
• Nuklearna stabilnost i čarobni brojevi - UC Davis ChemWiki
• Wikipedia: Nuklearna fuzija
• Wikipedia: Nuklearna fisija