8.8: Ядерний синтез і поділ

Last updated
Save as PDF

Page ID: 25619

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Перетворення речовини в енергію в ядерних реакціях

Коли вільні нуклони збираються разом, щоб зробити нуклеоїд, вони виділяють енергію, рівну енергії ядерного зв'язку. Енергія виробляється за рахунок маси нуклонів за відомим рівнянням Ейнштейна:

\(E = mc^2\)

, Де Е - енергія, m - маса, а c - швидкість світла. Іншими словами, маса нуклонів в нуклеоїдах трохи менше маси вільних нуклонів, так як частина їх маси виділяється у вигляді енергії ядерного зв'язку.

Енергія ядерного зв'язку на нуклеон різна для різних нуклеоїдів, як показано на рис.8.8.1. Склад нуклеоїдів змінюється в ході ядерної реакції, і різниця в енергії ядерного зв'язку виділяється у вигляді енергії в процесі, яка є джерелом енергії на сонці, зірках, атомних електростанціях, ядерній зброї.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Графік енергії зв'язку, що виділяється атомом як функція його нуклонів, енергія знаходиться в мегаелектронних вольтах (МеВ), де 1 Мев = 1.60218 10 ^- ¹³ Дж. Джерело: Модифікований з Fastfission/Громадське надбання

Найбільш стійким нуклеоїдом з найвищою середньою енергією зв'язування на нуклеон є залізо-56.

ядерний синтез

Більш легкі нуклеоїди, як правило, поєднуються і роблять важчі нуклеоїди, які є більш стабільними і здають в оренду величезну кількість енергії - процес, який називається ядерними зливками.

Ядерний поділ

Більш важкі нуклеоїди, особливо ті, що мають масове число вище 92, мають тенденцію розщеплюватися на два менших нуклеоїди, які є більш стабільними і здають в оренду велику кількість енергії - процес, який називається ядерним поділом.

Як процеси синтезу, так і ділення виділяють величезну кількість енергії, званої ядерною енергією або атомною енергією, що є різницею між енергією ядерного зв'язку батька і дочірнього нуклеоїда.

Ядерний синтез -джерело енергії на сонці і зірках

Всесвіт складається приблизно на 98% з водню і гелію. Сонце складається з приблизно 74% водню, 25% гелію та 1% всіх інших елементів. Легкий нуклеоїд, як водень та гелій, запобіжник, щоб зробити важчі нуклеоїди та субатомні частинки, такі як нейтрони, в процесі, який називається ядерним синтезом. Ядерний синтез виділяє енергію, тобто різниця в енергії ядерного зв'язку їх нуклонів у дочірніх і батьківських нуклеоїдів. Енергія синтезу є джерелом енергії для сонця і зірок. Деякі реакції ядерного синтезу, проілюстровані на рис. 8.1.1, такі.

\[\ce{_1^1H + _1^1H -> _2^2H + _{1}^{0}{e}}\nonumber\]

\[\ce{_1^1H + _1^2H -> _2^3H} \nonumber\]

\[\ce{_2^3H + _2^3H -> _2^4H + 2_{1}^{1}{H}}\nonumber\]

\[\ce{_2^3H + _1^1H -> _2^4H + _{1}^{0}{e}}\nonumber\]

Хоча водню в достатку на землі і потенційного джерела енергії, контрольована реакція синтезу ще не є економічно доцільною. Основна складність полягає в тому, що злиття ядер вимагає надзвичайно високої температури, більше ста тисяч Цельсія, і надзвичайно високого тиску, що перевищує сто тисяч атмосфер, щоб подолати сили відштовхування подібних зарядів ядер, перш ніж вони зможуть сплавитися. З цієї причини реакції ядерного синтезу ще називають термоядерними реакціями. Такі умови існують на сонці та зірках, де ці реакції регулярно відбуваються, але існує багато технічних проблем, які ще потрібно подолати, перш ніж енергія може бути економічно використана з реакцій ядерного синтезу на землі. Ядерний вибух може створити умови, необхідні для термоядерних реакцій, і використовуються для проведення неконтрольованих термоядерних реакцій для підвищення вибухової потужності ядерної зброї. Така ядерна зброя називається термоядерної або водневої бомбою.

Рисунок\(\PageIndex{2}\): Злиття дейтерію з тритієм, що створює гелій-4, звільняючи нейтрон і виділяючи 17,59 МеВ як кінетичну енергію продуктів, тоді як відповідна кількість маси зникає\(E = \Delta mc^2\), відповідно до кінетичної, де Δm - зменшення загальної маси спокою частинок. Джерело: Wikis (talk · contribs), Громадське надбання, через Вікісховище

Однією з потенційних реакцій-кандидатів для ядерних термоядерних реакторів є злиття дейтерію з тритієм, проілюстроване на рис. 8.8.2, що вимагає трохи менш жорстких умов. Велика частина досліджень зосереджена на пристрої під назвою Токамак, який використовує сильні магнітні поля для утримання та нагрівання матеріалів для реакції, але поки що економічно доцільно використовувати його як джерело енергії для комерційного використання.

Ядерний поділ - джерело енергії на атомних електростанціях і в ядерній зброї

Ядерний поділ - це процес радіоактивного розпаду, при якому важчий нуклеоїд розщеплюється на два або більш легкі нуклеоїди і виділяє величезну кількість енергії, що є різницею в енергії зв'язку нуклонів у дочірнього і батьківського нуклеоїдів. Нуклеоїди, які роблять спонтанне поділ, позначені зеленим кольором на рис.8.2.1.

Ядерне паливо

Індукований поділ - це поділ, який виникає при бомбардуванні нуклеоїда ядерною частинкою, як нейтрон. Наприклад, бомбардування урану-235 або плутонію-239 нейтроном викликає поділ і виділяє близько трьох нейтронів разом з меншими нуклеоїдами, як показано на рис. 8.8.3. Нейтрони, що виділяються поділом, викликають поділ іншого нуклеоїда, починаючи ядерну ланцюгову реакцію. Такі ядра, як уран-235 або плутоній-239, які виробляють нейтрони в продукті, здатні продовжувати поділ в ланцюговій реакції, називаються діляться. Розщеплюються нуклеоїди - це ядерне паливо, яке використовується на атомних електростанціях для виробництва ядерної енергії.

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Ілюстрація ланцюгової реакції ядерного поділу. Джерело: MikeRun/CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

Доля нейтронів, що вивільняються при поділі

Нейтрони, що виділяються при поділі, можуть бути втрачені, поглинені іншим ядром, таким як уран-238, яке не ділиться, або можуть бути поглинені іншим ділиться нуклеоїдом і повторити поділ, як показано на рис. 8.8.4. Можуть виникнути три ситуації, якщо, в середньому;

менше одного виділеного нейтрона викликає новий поділ, процес барвників,
один вивільнений нейтрон викликає новий поділ, поділ триває контрольованим способом, як на атомних електростанціях,
більше одного виділеного нейтрона викликає нове поділ, поділ збільшується в геометричній прогресії, що призводить до ядерного вибуху, як показано на рис. 8.8.3.

Малюнок\(\PageIndex{4}\): Схематична ланцюгова реакція ядерного поділу. Атом урану-235 поглинає нейтрон і ділиться на два нових атома (фрагменти поділу), виділяючи три нові нейтрони і деяку енергію зв'язку. Один з таких нейтронів поглинається атомом урану-238 і не продовжує реакцію. Інший нейтрон просто втрачається і ні з чим не стикається, також не продовжуючи реакцію. Однак один нейтрон стикається з атомом урану-235, який потім ділиться і вивільняє два нейтрони і деяку енергію зв'язку. Обидва ці нейтрони стикаються з атомами урану-235, кожен з яких ділиться і виділяє між одним і трьома нейтронами, які потім можуть продовжувати реакцію. Джерело: Fastfission/ Громадське надбання

Зверніть увагу, що кожна подільна поділ не обов'язково розщеплює батьківський нуклеоїд на точно такі ж дочірні нуклеоїди, він може розщеплюватися на різні комбінації дочірніх нуклеоїдів, в результаті чого утворюється суміш продуктів, які зазвичай радіоактивні, як показано на рис. 8.8.4.

Атомна бомба

Певна мінімальна маса матеріалу, що ділиться, називається критичною масою, необхідна для того, щоб подія поділу зростала в геометричній прогресії і викликала ядерний вибух. Критична маса менше для більш збагаченого розщеплюється матеріалу. Тому зазвичай збагачений уран-235 або плутоній 239 використовується як вибухівка в атомній бомбі. Маса більше критичної маси, званої надкритичною масою, розщеплюється на докритичні частини, які утримуються окремо в зброї, щоб уникнути ядерного вибуху. При необхідності звичайний хімічний вибух використовується для того, щоб змусити підкритичні частини об'єднати і зробити надкритичну масу для ядерного вибуху, як показано на рис. 8.8.5.

Малюнок\(\PageIndex{5}\): Схематичне зображення двох методів, за допомогою яких можна зібрати бомбу поділу. Джерело: Fastfission/ Громадське надбання

Атомна електростанція

Атомні електростанції, як показано на рис. 8.8.6, використовують енергію, що виділяється при поділі, для виробництва електроенергії. Розщеплюється матеріал збирається у вигляді паливних стрижнів в серцевині ядерного реактора. Важливо підтримувати ядерну ланцюгову реакцію, але дуже важливо тримати її під контролем, щоб ланцюгова реакція не зростала експоненціально і спричинила ядерний вибух. Стрижні матеріалу, як паладій або бор, які є ефективними нейтронними поглиначами, входять в конструкцію активної зони реактора. Стержні поглинання нейтронів можуть бути опущені або підняті для контролю потоку нейтронів, доступних для підтримки ланцюгової реакції поділу.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Проектування атомної електростанції з водяним реактором під тиском (PWR).
1. реакторний блок, 2. градирня, 3. реактор, 4. стрижень управління, 5. опора на тиск, 6. парогенератор, 7. паливний елемент, 8. турбіна, 9. генератор, 10. трансформатор, 11. конденсатор, 12. газоподібний, 13. рідина, 14.повітря, 15.повітря (вологий), 16. річка, 17. циркуляція охолоджуючої води, 18. первинний контур, 19. вторинний контур, 20. водяна пара, 21. насос. Джерело: Штеффен Кунтофф/CC BY-SA 2.0 DE (https://creativecommons.org/licenses...2.0/de/deed.en)

Активна зона реактора оточена теплоносієм і модератором, яким може бути звичайна вода (Н ₂ О) або важка вода (D ₂ O), або якийсь інший матеріал. Його називають теплоносієм, оскільки він забирає тепло, вироблене реакцією поділу та помірником, оскільки він також уповільнює швидкі нейтрони, що виділяються при поділі. Повільні нейтрони більш ефективні для реакції ділення. Теплоносій передає своє тепло парогенератору. Всі ці компоненти розміщені в будівлі стримування, щоб зберегти радіоактивність, що міститься, навіть якщо трапиться ядерна аварія. Пар використовується для приводу турбіни для виробництва електроенергії, а конденсована вода охолоджується за допомогою води з градирні і повертається для повторного використання, як показано на рис. 8.8.6.

Атомні електростанції виробляють близько 20% електроенергії в США. На рис. 8.8.7 показана атомна електростанція в Арканзасі. У деяких країнах внесок атомної енергетики в загальну кількість електроенергії значно вищий, наприклад, близько 70% електроенергії виробляється атомними електростанціями Франції. Атомна енергетика вважається джерелом енергії майбутнього або, принаймні, для переходу від викопного палива до наступного великого джерела енергії, коли запаси викопного палива вичерпаються.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Атомна електростанція Расселлвілл в Арканзасі, що показує градирню спереду з нерадіоактивним паром, що випаровується з неї. Джерело: Едібобб, CC BY 3.0 < https://creativecommons.org/licenses/by/3.0 >, через Вікісховище

Продукти поділу на атомних електростанціях стають радіоактивними відходами, які потрібно зберігати щонайменше 10 періодів напіврозпаду, щоб досягти прийнятного рівня радіоактивності. Виходячи з періоду напіврозпаду 28,8 років стронцію-90, який є довгоживучим і небезпечним продуктом у ядерних відходах, необхідний термін зберігання 300 років. Поводження з радіоактивними відходами викликає занепокоєння питання, пов'язане з виробництвом атомної енергії. Плутоній-239 - ще один радіоактивний ізотоп, одержуваний внаслідок поглинання нейтронів урану-238. Уран-238 є основною складовою (99,28%) в природному урані поряд з ділиться урану-235 (0,71%). Плутоній-239 має тривалий період напіврозпаду (24 000 років), але його можна видобувати на заводі з переробки палива і використовувати як ядерне паливо.