Nukleáris hasadás és fúzió

Nukleáris fúzió és nukleáris maghasadás különféle típusú reakciók, amelyek energiát bocsátanak ki egy atommagban található részecskék közötti nagy teljesítményű atomi kötések jelenléte miatt. A hasadás során az atom két vagy több kisebb, könnyebb atomra oszlik. A fúzió ezzel szemben akkor fordul elő, amikor kettő vagy több kisebb atom összeolvad, és így nagyobb, nehezebb atom képződik.

Összehasonlító táblázat

Nukleáris törés és a nukleáris fúzió összehasonlító diagramja

	Nukleáris maghasadás	Nukleáris fúzió
Meghatározás	A hasadás egy nagy atom két vagy több kisebbre osztása.	A fúzió két vagy több könnyebb atom fuzionálása egy nagyobbba.
A folyamat természetes előfordulása	A hasadási reakció általában nem fordul elő a természetben.	A fúzió csillagokban, például a napban fordul elő.
A reakció melléktermékei	A hasadás sok nagyon radioaktív részecskét eredményez.	Fúziós reakcióban kevés radioaktív részecske keletkezik, de ha hasadási „triggert” használnak, akkor radioaktív részecskék keletkeznek.
Körülmények	Az anyag kritikus tömegére és nagysebességű neutronokra van szükség.	Nagy sűrűségű, magas hőmérsékletű környezetre van szükség.
Energiaigény	Kevés energiát igényel két atom hasítására a hasadási reakcióban.	Rendkívül nagy energiára van szükség ahhoz, hogy két vagy több protont elég közel hozzon ahhoz, hogy a nukleáris erők legyőzzék elektrosztatikus taszításukat.
Energia felszabadult	A hasadás által felszabaduló energia milliószor nagyobb, mint a kémiai reakciók során felszabaduló energia, de alacsonyabb, mint a nukleáris fúzió során felszabaduló energia.	A fúzió során felszabaduló energia háromszor-négyszer nagyobb, mint a hasadás által kibocsátott energia.
Atomfegyver	A nukleáris fegyverek egyik osztálya a hasadó bomba, atom atombombaként vagy atombombaként is ismert.	A nukleáris fegyverek egyik osztálya a hidrogénbomba, amely egy hasadási reakciót használ a fúziós reakció "kiváltására".
Energiatermelés	A hasadást atomerőművekben használják.	A fúzió kísérleti technológia az energia előállításához.
Üzemanyag	Az urán az erőművekben használt elsődleges tüzelőanyag.	A hidrogén izotópok (deutérium és trícium) az elsődleges üzemanyag, amelyet a kísérleti fúziós erőművekben használnak.

Tartalom: Nukleáris hasadás és fúzió

• 1 Fogalommeghatározások
• 2 hasadás vs. fúziós fizika
  • 2.1 A hasadás és a fúzió feltételei
  • 2.2 Láncreakció
  • 2.3 Energiaarányok
• 3 Nukleáris energiafelhasználás
  • 3.1 Aggodalmak
  • 3.2 Nukleáris hulladék
• 4 Természetes előfordulás
• 5 hatás
• 6 Nukleáris fegyverek használata
• 7 Költség
• 8 Hivatkozások

Definíciók

A deutérium fúziója tríciummal hélium-4-et hoz létre, felszabadítja a neutront, és 17,59 MeV energiát szabadít fel.

A nukleáris fúzió az a reakció, amelyben kettő vagy több mag egyesül, és nagyobb atomszámmal rendelkező új elemet képez (több protont tartalmaz a magban). A fúzió során felszabaduló energia az E = mc-re vonatkozik ² (Einstein híres energia-tömeg egyenlete). A Földön a legvalószínűbb fúziós reakció a deutérium-trícium reakció. A deutérium és a trícium a hidrogén izotópjai.

² ₁deutérium + ³ ₁Trícium = ⁴₂Ő + ¹₀n + 17,6 MeV

[Image: Fission-Reaction.svg | hüvelykujj | nincs | Fission Reaction]]

A maghasadás a hatalmas mag megoszlása ​​fotonokká gamma-sugarak, szabad neutronok és más szubatomi részecskék formájában. Egy tipikus nukleáris reakcióban, amely magában foglalja ²³⁵U és egy neutron:

²³⁵₉₂U + n = ²³⁶₉₂U

ezt követi

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

Hasadás vs. fúziós fizika

Az atomokat a természet négy alapvető ereje közül kettő tartja össze: a gyenge és az erős atomkötések. Az atomok kötésein belül tartott teljes energiamennyiséget kötelező energiának nevezzük. Minél kötődő energia van a kötésekben, annál stabilabb az atom. Ezen túlmenően az atomok megkísérlik stabilizálódni kötő energiájuk növelésével.

A vasatom nukleonja a legstabilabb nukleon, amelyet a természetben talál, és nem olvad meg, és nem hasad. Ezért van a vas a kötési energiagörbe tetején. A vasnál és a nikkelnél könnyebb atommagok esetében az energia kivonható kombinálásával a vas- és a nikkelmagokat együtt magfúzió útján. Ezzel szemben a vason vagy nikkelnél nehezebb atommagok esetében az energia felszabadulhat hasítás a nehéz magok atommaghasadás révén.

Az atom felosztásának gondolata az új-zélandi származású brit fizikus, Ernest Rutherford munkájából merült fel, amely szintén a proton felfedezéséhez vezetett..

A hasadás és a fúzió feltételei

A hasadás csak olyan nagy izotópokon fordulhat elő, amelyek több magjában tartalmaznak neutronokat, mint protonok, ami kissé stabil környezetet eredményez. Noha a tudósok még nem értik meg teljesen, hogy miért ez az instabilitás annyira hasznos a hasadásra, az általános elmélet az, hogy a protonok nagy száma erős visszatükröző erőt hoz létre köztük, és túl kevés vagy túl sok neutron „réseket” hoz létre, amelyek a a nukleáris kötés, ami bomláshoz (sugárzás) vezet. Ezeket a nagyobb "töréseket" tartalmazó, nagyobb atommagokat a termikus neutronok, az úgynevezett "lassú" neutronok hatására "meg lehet osztani".

A hasadási reakció bekövetkezésének megfelelő feltételeknek kell lenniük. Ahhoz, hogy a hasadás önfenntartható legyen, az anyagnak el kell érnie a kritikus tömeget, a minimális szükséges tömegmennyiséget; Ha elmarad a kritikus tömegtől, a reakcióhossz csupán mikrosekundumra korlátozza. Ha a kritikus tömeget túl gyorsan érjük el, vagyis túl sok neutron szabadul fel nanosekundumban, a reakció tisztán robbanásveszélyesvé válik, és nem következik be erőteljes energiakibocsátás..

A nukleáris reaktorok többnyire szabályozott hasadási rendszerek, amelyek mágneses tereket használnak kóbor neutronok tárolására; ez körülbelül 1: 1 arányú neutronkibocsátást hoz létre, azaz egy neutron egy neutron hatásából derül ki. Mivel ez a szám matematikai arányokban változik, úgynevezett Gauss-eloszlás alatt a mágneses teret fenn kell tartani a reaktor működéséhez, és vezérlőrudakat kell használni a neutronaktivitás lelassítására vagy felgyorsítására.

A fúzió akkor történik, amikor két könnyebb elemet hatalmas energia (nyomás és hő) együttesen kényszerít, amíg egy másik izotópba nem olvadnak és energiát nem engednek fel. A fúziós reakció indításához szükséges energia annyira nagy, hogy egy atomrobbanás szükséges ennek a reakciónak az előidézéséhez. Ugyanakkor, amint a fúzió megkezdődik, elméletileg folytathatja az energiatermelést, mindaddig, amíg ellenőrzik és az alapvető olvasztó izotópokat ellátják.

A fúzió leggyakoribb formáját, amely a csillagokban fordul elő, D-T fúziónak nevezik, amely két hidrogén izotópra utal: deutérium és trícium. A deutériumnak 2 neutronja van, a tríciumnak pedig 3-at kell meghaladni, mint a hidrogén protonja. Ez megkönnyíti a fúziós folyamatot, mivel csak a két proton közötti töltést kell legyőzni, mivel a neutronok és a protonok összeolvadása megköveteli a hasonló töltésű részecskék természetes taszító erejének leküzdését (a protonok pozitív töltéssel rendelkeznek, szemben a neutronok töltöttségének hiányával) ) és a hőmérséklet - egy pillanatra - megközelíti a 81 millió Fahrenheit fokot DT-fúzióhoz (45 millió Kelvin vagy kissé kevesebb Celsius-fokban). Összehasonlításképpen: a nap maghőmérséklete körülbelül 27 millió F (15 millió C)..^[1]

Amint elérjük ezt a hőmérsékletet, a kapott fúziót elég hosszú ideig kell tartani a plazma előállításához, amely a négy anyagállapot egyike. Az ilyen elszigetelés eredményeként az energia felszabadul a D-T reakcióból, héliumot (nemesgázot állítva, amely minden reakcióhoz inert) és tartalék neutronokat hoz létre, mint amennyit a hidrogén „vethet” a további fúziós reakciókhoz. Jelenleg nincs biztonságos módszer a kezdeti fúziós hőmérséklet indukálására vagy az olvadási reakció visszatartására egy állandó plazmaállapot elérése érdekében, de az erőfeszítések folyamatban vannak.

A reaktor harmadik típusát nemesítőreaktornak nevezzük. A hasadás felhasználásával működik plutónium előállításához, amely más reaktorok számára vetőmagként szolgálhat vagy üzemanyagot jelenthet. A nemesítőreaktorokat széles körben használják Franciaországban, de meglehetősen drágák és jelentős biztonsági intézkedéseket igényelnek, mivel ezeknek a reaktoroknak a kimenete felhasználható nukleáris fegyverek gyártására is..

Láncreakció

A hasadás és a fúziós nukleáris reakciók láncreakciók, vagyis az egyik nukleáris esemény legalább egy másik nukleáris reakciót, és tipikusan többet okoz. Az eredmény egyre növekvő reakciókör, amely gyorsan ellenőrizetlenné válhat. Az ilyen típusú nukleáris reakció többféle hasadék lehet a nehéz izotópok (pl. ²³⁵ U) vagy a könnyű izotópok összeolvadása (pl. ²Kéz ³H).

A hasadási láncreakciók akkor fordulnak elő, amikor a neutronok instabil izotópokat bombáznak. Az ilyen típusú "ütés és szórás" folyamat nehéz ellenőrizni, de a kezdeti feltételek meglehetősen egyszerűen megvalósíthatók. A fúziós láncreakció csak szélsőséges nyomás és hőmérsékleti körülmények között alakul ki, amelyek stabilak maradnak a fúziós folyamat során felszabaduló energia által. Mind a kezdeti feltételeket, mind a stabilizáló területeket nagyon nehéz végrehajtani a jelenlegi technológiával.

Energia arányok

A fúziós reakciók 3-4-szer több energiát bocsátanak ki, mint a hasadási reakciók. Bár nincsenek földi fúziós rendszerek, a naptermelés jellemző a fúziós energiatermelésre, mivel folyamatosan átalakítja a hidrogén-izotópokat héliummá, fény- és hőspektrumot bocsátva ki. A hasadás energiát generál egy atommag (az erőteljes) lebontásával és óriási mennyiségű hő kibocsátásával, mint amelyet a víz melegítéséhez (egy reaktorban) az energia (villamos) előállításához használnak. A fúzió legyőzi 2 atomerőt (erős és gyenge), és a felszabadult energia közvetlenül felhasználható egy generátor táplálására; így nemcsak több energiát szabadít fel, hanem felhasználható a közvetlen felhasználáshoz is.

Nukleáris energia felhasználása

Az első energiatermelésre szolgáló kísérleti nukleáris reaktor 1947-ben kezdte meg működését az Ontario-i Chalk Riverben. Az Egyesült Államok első atomenergia-létesítménye, az 1. kísérleti tenyészreaktor, nem sokkal később, 1951-ben indult el; ez 4 izzót képes meggyújtani. Három évvel később, 1954-ben az Egyesült Államok elindította első nukleáris tengeralattjáróját, az Egyesült Államokot. A Nautilus, míg az Egyesült Államok Obninskben elindította a világ első nagyszabású energiatermelésre szolgáló atomreaktorát. Az Egyesült Államok egy évvel később megnyitotta nukleáris energiatermelő létesítményét, iraói Arco megvilágításával (1000 fő).

A nukleáris reaktorokkal történő energiatermelés első kereskedelmi létesítménye a Calder Hall üzem volt, a Nagy-Britanniában, a Windscale-ban (ma Sellafield). Ez volt az első 1957-es nukleáris baleset helye, amikor a tűz tört ki sugárzási szivárgások miatt.

Az első nagyszabású amerikai atomerőmű 1957-ben nyílt meg a pennsylvaniai Shippingportban. 1956 és 1973 között közel 40 energiát előállító nukleáris reaktor indult az Egyesült Államokban, a legnagyobb az illinoisi Zion Atomerőmű 1. blokkja, egy kapacitása 1.155 megawatt. Azóta nem rendelt más reaktor online, bár mások 1973 után indultak.

A francia 1973-ban indította el első atomreaktorát, a Phénix-et, amely képes 250 megawatt teljesítmény előállítására. Az Egyesült Államok legerősebb energiatermelő reaktorát (1315 MW) 1976-ban nyitották meg, Oregonban, a trójai erőműnél. 1977-re az Egyesült Államokban 63 atomerőmű működött, amelyek a nemzet energiaszükségletének 3% -át biztosítják. Újabb 70 tervezték online megjelenni 1990-re.

A Three Mile Island szigetén található második egység részleges olvadást szenvedett, és közömbös gázokat (xenon és kripton) bocsátott a környezetbe. Az anti-nukleáris mozgalom megerősödött az esemény okozta félelmektől. A félelmeket még fokozta 1986-ban, amikor az ukrán csernobili üzem 4. blokkja elszenvedett nukleáris reakciót szenvedett, amely felrobbantotta a létesítményt, és radioaktív anyagokat terjesztett az egész térségben és Európa nagy részén. Az 1990-es évek során Németország és különösen Franciaország kiterjesztette atomerőműveit, koncentrálva a kisebb és így jobban ellenőrizhető reaktorokra. Kína 2007-ben indította el első 2 nukleáris létesítményét, összesen 1866 MW termeléssel.

Noha az atomenergia a szén és a vízenergia mértéke után a harmadik helyen áll a megtermelt globális teljesítményben, az atomerőművek bezárására irányuló törekvés az ilyen létesítmények felépítésének és üzemeltetésének növekvő költségeivel párhuzamosan visszahúzódást eredményezett az atomenergia energiafelhasználása szempontjából. Franciaország a világon a nukleáris reaktorok által termelt villamos energia százalékos arányában él, a németországi németországi energiatermelőként pedig a nap túlteljesítette a nukleáris energiát.

Az Egyesült Államokban még mindig több mint 60 nukleáris létesítmény működik, de a szavazási kezdeményezések és a reaktor korszakai Oregonban és Washingtonban bezárták üzemüket, míg további tucatokra tüntetők és környezetvédelmi csoportok irányultak. Jelenleg csak Kína tűnik bővíteni atomerőműveinek számát, mivel igyekszik csökkenteni a széntől való függőségét (a rendkívül magas szennyeződés fő tényezője), és alternatívát keres az olajimporthoz..

aggodalmak

Az atomenergia félelme a szélsőségeiből fakad, mind fegyverként, mind energiaforrásként. A reaktorból való elválasztás során hulladékot képeznek, amely természetéből adódóan veszélyes (lásd alább), és alkalmas lehet piszkos bombákra. Bár számos ország, például Németország és Franciaország kiváló eredményeket mutat a nukleáris létesítményeivel kapcsolatban, más kevésbé pozitív példák, mint például a Three Mile Island, Csernobil és Fukushima, sokan vonakodtak a nukleáris energia elfogadásáról, annak ellenére, hogy jelentése sokkal biztonságosabb, mint a fosszilis tüzelőanyagok. A fúziós reaktorok egy nap lehetnek a megfizethető, bőséges energiaforrások, amelyekre szükség van, de csak akkor, ha megoldhatók a fúzió létrehozásához és kezeléséhez szükséges szélsőséges körülmények..

Nukleáris hulladék

A hasadás mellékterméke radioaktív hulladék, amelynek évezredeire van szükség ahhoz, hogy elveszítse veszélyes sugárzási szintjét. Ez azt jelenti, hogy a nukleáris hasadási reaktoroknak biztosítékokkal kell rendelkezniük ezen hulladék és a nem lakott tárolóhelyekre vagy hulladéklerakókra történő szállításuk számára is. Erről további információt a radioaktív hulladék kezeléséről olvashat.

Természetes előfordulás

A természetben a fúzió csillagokban, például a napban fordul elő. A Földön a magfúziót először a hidrogénbomba létrehozásával sikerült elérni. A fúziót különböző kísérleti eszközökben is használták, gyakran azzal a reménytel, hogy ellenőrzött módon termelnek energiát.

Másrészt, a hasadás olyan nukleáris folyamat, amely általában nem fordul elő a természetben, mivel nagy tömeg és egy beeső neutron szükséges. Ennek ellenére voltak példák a atommaghasadásra a természetes reaktorokban. Ezt 1972-ben fedezték fel, amikor egy gaboni Oklo-ban található uránlerakódásokról azt találták, hogy egyszer kb. 2 milliárd évvel ezelőtt természetes hasadási reakciót hajtottak végre..

Hatások

Röviden: ha a hasadási reakció kikerül az irányításból, akkor az felrobban, vagy az azt generáló reaktor nagy radioaktív salak halmozódik fel. Az ilyen robbanások vagy olvadások tonna radioaktív részecskéket bocsátanak ki a levegőbe és a szomszédos felületekre (föld vagy víz), és szennyezik azokat percenként, a reakció folytatódik. Ezzel szemben a fúziós reakció, amely elveszíti az irányítást (kiegyensúlyozatlanná válik), lelassul és csökkenti a hőmérsékletet, amíg meg nem áll. Ez történik a csillagokkal, amikor a hidrogént héliumba égetik, és elveszítik ezeket az elemeket a kiutasítás több ezer évszázadán keresztül. A fúzió kevés radioaktív hulladékot eredményez. Ha bármilyen károsodás történik, akkor ez történik a fúziós reaktor közvetlen környezetével és egyebekkel.

Sokkal biztonságosabb a fúziót felhasználni az energia előállítására, de a hasadást azért használják, mert kevesebb energiát igényel két atom megbontása, mint két atom összeolvadásához. A fúziós reakciók szabályozásával kapcsolatos technikai kihívásokat még nem sikerült legyőzni.

Nukleáris fegyverek használata

Az összes nukleáris fegyver működéséhez nukleáris hasadási reakció szükséges, de a "tiszta" hasadó bombákat, azokat, amelyek csak hasítási reakciót használnak, atom- vagy atombombáknak nevezzük. Az atombombákat először Új-Mexikóban tesztelték 1945-ben, a második világháború idején. Ugyanebben az évben az Egyesült Államok fegyverként használták őket Hirosimában és Nagasakiban, Japánban.

Az atombomba óta a javasolt és / vagy tervezett nukleáris fegyverek többsége valamilyen módon fokozta a hasadási reakció (ka) t (pl. Lásd a fokozott hasadási fegyvert, radiológiai bombákat és neutronbombákat). Termonukleáris fegyverek - olyan fegyver, amely mindkét hasadást felhasználja és hidrogén alapú fúzió - az egyik legismertebb fegyverfejlesztés. Habár a hőmagfegyver fogalmát 1941-ben javasolták, csak az 1950-es évek elején tesztelték először a hidrogénbombát (H-bomba). Az atombombákkal ellentétben a hidrogénbombáknak van nem hadviselésben használták, csak tesztelték (pl. lásd Bomba cár).

A mai napig egyetlen nukleáris fegyver sem használja magában a magfúziót, bár a kormányzati védelmi programok jelentős kutatásokat tettek ilyen lehetőségre.

Költség

A hasadás az energiatermelés hatékony formája, de beépített hatékonysággal jár. A nukleáris üzemanyag, általában uránium-235, bányászat és tisztítás költséges. A hasadási reakció hőt hoz létre, amelyet víz forralásához használnak fel a gőzt villamos energiát előállító turbina elfordításához. Ez a hőenergiáról villamos energiává történő átalakítás nehézkes és költséges. A hatékonyság harmadik forrása az, hogy a nukleáris hulladék tisztítása és tárolása nagyon költséges. A hulladék radioaktív, megfelelő ártalmatlanítást igényel, és a biztonságnak szigorúnak kell lennie a közbiztonság biztosítása érdekében.

A fúzió megvalósulásához az atomokat a mágneses mezőben kell korlátozni, és legalább 100 millió kelvin hőmérsékletre kell emelni. Ez hatalmas mennyiségű energiát igényel a fúzió elindításához (az atombombák és a lézerek gondolják, hogy ezt a „szikrát” biztosítják), de szükség van a plazmamező megfelelő tárolására a hosszú távú energiatermeléshez. A kutatók továbbra is megpróbálják leküzdeni ezeket a kihívásokat, mivel a fúzió biztonságosabb és erősebb energiatermelési rendszer, mint a hasadás, ami azt jelenti, hogy végül olcsóbb lenne, mint a hasadás.

Irodalom

• Osztódás és fúzió - Brian Swarthout a YouTube-on
• Nukleáris történelem idővonala - Online oktatási adatbázis
• Nukleáris stabilitás és mágikus számok - UC Davis ChemWiki
• Wikipedia: Nukleáris fúzió
• Wikipedia: Nukleáris hasadás