Нуклеарна фисија и фузија

Нуклеарна фузија и Нуклеарна фисија су различите врсте реакција које ослобађају енергију због присуства моћних атомских веза између честица које се налазе у језгру. При дељењу атом се дели на два или више мањих, лакших атома. Фузија, за разлику од тога, настаје када се два или више мањих атома стапају заједно, стварајући већи, тежи атом.

Упоредни графикон

Нуклеарна фисија према упоредној табели нуклеарне фузије

	Нуклеарна фисија	Нуклеарна фузија
Дефиниција	Фисија је цепање великог атома на два или више мањих.	Фузија је спајање два или више лакших атома у већи.
Природна појава процеса	Фисциона реакција се у природи обично не јавља.	Фузија се дешава у звездама, као што је сунце.
Нуспродукти реакције	Фисијом настају многе високо радиоактивне честице.	Мало радиоактивних честица настаје фузијском реакцијом, али ако се користи „окидач“ фисије, од тога ће настати радиоактивне честице.
Услови	Потребна је критична маса материје и неутрони велике брзине.	Захтева се окружење високе густине и високе температуре.
Енергетски захтев	Потребно је мало енергије за поделу два атома у реакцији фисије.	Изузетно велика енергија је потребна да се два или више протона приближе довољно да нуклеарне силе превазиђу електростатичко одбијање.
Енерги Релеасед	Енергија ослобођена дељењем је милион пута већа од енергије која се ослобађа у хемијским реакцијама, али мања од енергије која се ослобађа нуклеарном фузијом.	Енергија која се ослобађа фузијом је три до четири пута већа од енергије која се ослобађа дељењем.
Нуклеарно оружје	Једна класа нуклеарног оружја је фисиона бомба, позната и као атомска бомба или атомска бомба.	Једна класа нуклеарног оружја је водоник-бомба, која користи реакцију фисије да „покрене“ фузиону реакцију.
Производња енергије	Фисија се користи у нуклеарним електранама.	Фусион је експериментална технологија за производњу електричне енергије.
Гориво	Уранијум је примарно гориво које се користи у електранама.	Изотопи водоника (Деутериум и Тритиум) су примарно гориво које се користи у експерименталним фузионим електранама.

Садржај: Нуклеарна фисија и фузија

• 1 Дефиниције
• 2 Фиссион вс. Фусион Пхисицс
  • 2.1 Услови за дељење и фузију
  • 2.2 Ланчана реакција
  • 2.3 Коефицијенти енергије
• 3 Употреба нуклеарне енергије
  • 3.1 Забринутости
  • 3.2 Нуклеарни отпад
• 4 Природно појављивање
• 5 ефеката
• 6 Употреба нуклеарног оружја
• 7 Цена
• 8 Референце

Дефиниције

Фузија деутеријума са тритијумом ствара хелијум-4, ослобађа неутрон и ослобађа 17,59 МеВ енергије.

Нуклеарна фузија је реакција у којој се две или више језгара комбинују, формирајући нови елемент са већим атомским бројем (више протона у језгру). Енергија ослобођена фузијом повезана је са Е = мц ² (Еинстеинова чувена једнаџба енергије и масе). На Земљи је највероватнија реакција фузије Деутериум-Тритиум реакција. Деутеријум и тритијум су изотопи водоника.

² ₁Деутериум + ³ ₁Тритијум = ⁴₂Он + ¹₀н + 17.6 МеВ

[Слика: Фиссион-Реацтион.свг | тхумб | ноне | Фиссион Реацтион]]

Нуклеарна фисија је цепање масивног језгра на фотоне у облику гама зрака, слободних неутрона и других субатомских честица. У типичној нуклеарној реакцији која укључује ²³⁵У и неутрон:

²³⁵₉₂У + н = ²³⁶₉₂У

затим

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

Фиссион вс. Фусион Пхисицс

Атоме држе заједно две од четири основне силе природе: слабе и јаке нуклеарне везе. Укупна количина енергије која се налази унутар веза атома назива се везном енергијом. Што је већа енергија везана унутар веза, атом је стабилнији. Штавише, атоми покушавају постати стабилнији повећањем енергије везивања.

Нуклеон атома гвожђа је најстабилнији нуклеон који се налази у природи, и он се ни стапа ни цепа. Због тога се гвожђе налази на врху кривуље везивања енергије. За атомска језгра лакша од гвожђа и никла, енергија се може извлачити помоћу комбиновање језгра гвожђа и никла заједно помоћу нуклеарне фузије. Супротно томе, за атомска језгра тежа од гвожђа или никла, енергија се може ослободити цепање тешка језгра нуклеарном фисијом.

Идеја о цепању атома настала је из рада британског физичара Ернеста Рутхерфорда рођеног на Новом Зеланду, који је такође довео до открића протона.

Услови за фисију и фузију

Фисија се може догодити само у великим изотопима који садрже више неутрона него протона у својим језграма, што доводи до благо стабилног окружења. Иако научници још увек не разумију зашто је та нестабилност толико корисна за фисију, општа теорија је да велики број протона ствара јаку одбојну силу између њих и да премало или превише неутрона ствара „празнине“ које узрокују слабљење нуклеарна веза, што доводи до пропадања (зрачења). Ова велика језгра са више „празнина“ могу се „раздвојити“ утицајем термичких неутрона, такозваним „спорим“ неутронима.

Услови морају бити прави како би дошло до реакције фисије. Да би се цепање самоодржило, твар мора достићи критичну масу, потребну минималну количину масе; пропуштање критичне масе ограничава дужину реакције на само микросекунде. Ако се критична маса постигне пребрзо, што значи да се превише неутрона ослобађа у наносекунди, реакција постаје чисто експлозивна и неће се догодити моћно ослобађање енергије.

Нуклеарни реактори су углавном контролисани дељени системи који користе магнетна поља да би се задржали залутали неутрони; ово ствара отприлике 1: 1 однос ослобађања неутрона, што значи да један удар неутрона настаје од утицаја једног неутрона. Како ће се тај број разликовати у математичким пропорцијама, под оним што је познато под називом Гауссова расподјела, магнетско поље мора бити одржано како би реактор могао функционирати, а контролне шипке морају се користити за успоравање или убрзање активности неутрона.

Фузија се дешава када два лакша елемента спојени огромном енергијом (притиском и топлином) све док се не стапају у други изотоп и ослобађају енергију. Енергија потребна за покретање фузијске реакције је толико велика да је за стварање ове реакције потребна атомска експлозија. Ипак, једном када фузија почне, теоретски може и даље производити енергију све док је контролисана и снабдевају се основни фузионишући изотопи..

Најчешћи облик фузије, који се јавља у звездама, назива се "Д-Т фузија", а односи се на два водоника изотопа: деутеријум и тритијум. Деутеријум има 2 неутрона, а тритијум 3, више него онај протона водоника. То олакшава процес фузије јер је потребно савладати само набој између два протона, јер фузија неутрона и протона захтева превазилажење природне репелентне силе честица наелектрисаних (протони имају позитиван набој, у поређењу са недостатком набоја неутрона ) и температура - за тренутак - близу 81 милиона степени Фаренхеита за фузију ДТ (45 милиона Келвина или нешто мање у Целзијусу). За поређење, температура сунчевог језгра је приближно 27 милиона Ф (15 милиона Ц).^[1]

Једном када се та температура достигне, добијена фузија мора да се држи довољно дуго да се створи плазма, једно од четири стања материје. Резултат таквог задржавања је ослобађање енергије из Д-Т реакције, стварајући хелијум (племенити гас, инертан за сваку реакцију) и резервне неутроне, него што могу да „семе“ водоника за више реакција фузије. Тренутно не постоје сигурни начини за индуковање почетне температуре фузије или задржавање реакције фузије како би се постигло стабилно стање плазме, али напори су у току.

Трећи тип реактора назива се узгајивач реактора. Дјелује употребом фисије да би створио плутонијум који може сјеме или послужити као гориво за друге реакторе. Бреедер реактори се увелико користе у Француској, али су изузетно скупи и захтевају значајне мере безбедности, јер се излаз ових реактора може користити и за прављење нуклеарног оружја.

Ланчана реакција

Фисијска и фузијска нуклеарна реакција су ланчане реакције, што значи да један нуклеарни догађај изазива најмање једну другу нуклеарну реакцију, а обично више. Резултат је све већи циклус реакција које брзо могу постати неконтролисане. Ова врста нуклеарне реакције може бити вишеструко разбити тешке изотопе (нпр. ²³⁵ У) или спајањем лаких изотопа (нпр. ²Х и ³Х).

Реакције ланчаног раста настају када неутрони бомбардирају нестабилне изотопе. Ову врсту „удара и расипања“ тешко је контролисати, али почетни услови су релативно једноставни за постизање. Ланчана реакција фузије развија се само под екстремним условима притиска и температуре који остају стабилни енергијом која се ослобађа у процесу фузије. И почетни услови и стабилизирајућа поља су веома тешки извршити са тренутном технологијом.

Количине енергије

Фузијске реакције ослобађају 3-4 пута више енергије од реакција фисије. Иако не постоје земаљски фузиони системи, сунчево излажење је типично за производњу енергије фузије по томе што стално претвара изотопе водоника у хелијум, емитујући спектар светлости и топлоте. Фисија ствара своју енергију разбијањем једне нуклеарне силе (јаке) и ослобађањем огромних количина топлоте него што се користи за загревање воде (у реактору), а затим генерирање енергије (електричне енергије). Фузија превладава две нуклеарне силе (јаке и слабе), а ослобођена енергија може се директно користити за напајање генератора; тако да се не ослобађа више енергије, већ се може искористити и за директнију примену.

Употреба нуклеарне енергије

Први експериментални нуклеарни реактор за производњу енергије почео је са радом у реци Цхалк, Онтарио, 1947. Прво постројење за нуклеарну енергију у САД-у, експериментални узгајивач реактора-1, покренуто је убрзо након тога, 1951 .; може да запали 4 сијалице. Три године касније, 1954., САД је лансирао своју прву нуклеарну подморницу, америчку. Наутилус, док је САД покренуо први нуклеарни реактор на свету за производњу велике енергије у Обнинску. Америка је отворила своје постројење за производњу нуклеарне енергије годину дана касније, осветливши Арцо, Идахо (1.000).

Прво комерцијално постројење за производњу енергије помоћу нуклеарних реактора било је постројење Цалдер Халл, у Виндсцале-у (данас Селлафиелд), Велика Британија. То је такође место прве нуклеарне несреће 1957, када је избио пожар због цурења радијације.

Прва велика америчка нуклеарна електрана отворена је у Шпортпорту, Пенсилванија, 1957. Између 1956. и 1973. у САД је покренуто готово 40 нуклеарних реактора за производњу електричне енергије, од којих је највећи први део нуклеарне електране Зион у Илиноису, са капацитета 1,155 мегавата. Ниједан други наручени реактор није стигао на мрежу, мада су други покренути након 1973. године.

Французи су први нуклеарни реактор, Феникс, способни да произведу 250 мегавата снаге 1973. Најмоћнији реактор за производњу енергије у Сједињеним Државама (1.315 МВ) отворен је 1976. године у Тројанској електрани у Орегону. До 1977., САД су имале у функцији 63 нуклеарна постројења, обезбеђујући 3% енергетских потреба државе. Још 70 требало је да стигне на мрежу до 1990. године.

Јединица два на острву Три миље претрпела је делимични пад, испуштајући инертне гасове (ксенон и криптон) у околину. Анти-нуклеарни покрет добио је снагу из страхова које је инцидент изазвао. Страхови су још више подстакнути 1986. године, када је јединица 4 у електрани у Чернобилу у Украјини претрпела одбегле нуклеарне реакције које су експлодирале у објекту, ширећи радиоактивни материјал широм подручја и великог дела Европе. Током 1990-их, Немачка и нарочито Француска су проширили своје нуклеарне електране, фокусирајући се на мање и тако контролисане реакторе. Кина је 2007. године лансирала своја прва два нуклеарна постројења, производећи укупно 1866 МВ.

Иако је нуклеарна енергија трећа иза угља и хидроелектране по произведеној глобалној снази, притисак да се нуклеарне електране затворе, заједно са све већим трошковима изградње и рада таквих постројења, створио је повлачење у кориштењу нуклеарне енергије за напајање. Француска предводи свет у проценту електричне енергије произведене од стране нуклеарних реактора, али у Немачкој је соларна енергија претекла нуклеарну енергију.

САД још увек има преко 60 нуклеарних постројења у функцији, али гласачке иницијативе и реакторски век су затворили постројења у Орегону и Вашингтону, док су још десетине мета мета демонстраната и група за заштиту животне средине. Тренутно изгледа да само Кина проширује свој број нуклеарних електрана, јер настоји да смањи своју снажну зависност од угља (главни фактор у изузетно високој стопи загађења) и тражи алтернативу увозу нафте.

Забринутости

Страх од нуклеарне енергије долази из њених крајности, и као оружја и као извора енергије. Фисија из реактора ствара отпадни материјал који је сам по себи опасан (види даље у даљем тексту) и може бити погодан за прљаве бомбе. Иако неколико земаља, попут Немачке и Француске, има изванредне резултате са својим нуклеарним постројењима, други мање позитивни примери, попут оних на острвима Три миље, Чернобилу и Фукушими, учинили су да многе нерадо прихватају нуклеарну енергију, иако је је много сигурнији од фосилних горива. Фузијски реактори би једног дана могли бити приступачни, обилни извор енергије који је потребан, али само ако се могу ријешити екстремни услови потребни за стварање фузије и његово управљање..

Нуклеарни отпад

Нуспроизвод фисије је радиоактивни отпад коме су потребне хиљаде година да изгубе опасне нивое зрачења. То значи да реактори нуклеарне фисије морају такође имати заштитне мере за овај отпад и његов транспорт до ненасељених складишта или депонија. За више информација о томе, прочитајте више о управљању радиоактивним отпадом.

Природно појављивање

У природи се фузија дешава у звездама, као што је сунце. На Земљи је нуклеарна фузија прво постигнута стварањем водоничне бомбе. Фусион се такође користи у различитим експерименталним уређајима, често са надом да ће производити енергију на контролисан начин.

Са друге стране, фисија је нуклеарни процес који се обично не одвија у природи, јер захтева велику масу и упадајући неутрон. Упркос томе, постојали су примери нуклеарне фисије у природним реакторима. Ово је откривено 1972. године када је откривено да су налазишта урана из рудника Окло, Габон некоћ подстакла реакцију природне фисије пре око 2 милијарде година.

Ефекти

Укратко, ако реакција фисије измакне контроли, или експлодира или се реактор који ствара, растопи у велику гомилу радиоактивне шљаке. Такве експлозије или растопи ослобађају тонове радиоактивних честица у ваздух и било коју суседну површину (земљу или воду), контаминирајући га сваки минут када се реакција настави. Супротно томе, фузијска реакција која губи контролу (постаје неуравнотежена) успорава и смањује температуру док не престане. То се догађа звездама док они сагоревају водоник у хелијум и губе те елементе током више хиљада векова протеривања. Фузија ствара мало радиоактивног отпада. Ако дође до оштећења, десиће се непосредном окружењу фузијског реактора и мало чему другом.

Далеко је сигурније да се фузија користи за производњу енергије, али се цепање користи јер је за раздвајање два атома потребно мање енергије него што је то да се стапају два атома. Такође, технички изазови који су укључени у контролу реакција фузије још увек нису превазиђени.

Употреба нуклеарног оружја

Сва нуклеарна оружја захтевају реакцију нуклеарне фисије да делују, али "чисте" бомбе дељења, оне које користе само реакцију фисије, познате су као атомска или атомска бомба. Атомске бомбе су први пут тестиране у Новом Мексику 1945. године, у јеку Другог светског рата. Исте године, Сједињене Државе су их користиле као оружје у Хирошими и Нагасакију у Јапану.

Будући да је атомска бомба, већина нуклеарног оружја које је предложено и / или конструисано, на овај или онај начин појачали су реакције дељења (нпр. Погледајте појачано оружје за дељење, радиолошке бомбе и неутронске бомбе). Термонуклеарно оружје - оружје које користи обе фисије и фузија на бази водоника - једно је од познатијих унапређења оружја. Иако је појам термонуклеарног оружја предложен још 1941., водична бомба (Х-бомба) је први пут тестирана. За разлику од атомских бомби, водоничне бомбе имају не коришћен је у рату, само тестиран (нпр. види Цар Бомба).

До данас, ниједно нуклеарно оружје не користи само нуклеарну фузију, мада су државни одбрамбени програми ставили значајна истраживања у такву могућност.

Трошак

Фисија је моћан облик производње енергије, али долази са уграђеном неефикасношћу. Нуклеарно гориво, обично уранијум-235, скупо је за минирање и пречишћавање. Реакција фисије ствара топлоту која се користи да би се вода за пару скухала да би се претворила турбина која ствара електричну енергију. Ова трансформација из топлотне у електричну енергију је гломазна и скупа. Трећи извор неефикасности је да је чишћење и складиштење нуклеарног отпада веома скупо. Отпад је радиоактиван, захтијева правилно одлагање и сигурност мора бити строга да би се осигурала јавна сигурност.

Да би дошло до фузије, атоми се морају затворити у магнетно поље и подићи на температуру од 100 милиона Келвина или више. За то је потребна огромна количина енергије да би се покренула фузија (сматра се да атомске бомбе и ласери пружају ту "искру"), али постоји и потреба да се правилно садржи плазмо поље за дугорочну производњу енергије. Истраживачи још увек покушавају да превазиђу ове изазове, јер је фузија сигурнији и снажнији систем за производњу енергије од фисије, што значи да би на крају коштао мање од фисије.

Референце

• Фисија и фузија - Бриан Свартхоут на ИоуТубе-у
• Временска линија нуклеарне историје - Образовна база података на мрежи
• Нуклеарна стабилност и магични бројеви - УЦ Давис ЦхемВики
• Википедија: Нуклеарна фузија
• Википедија: Нуклеарна фисија