15.6: Атомна енергетика

Цілі навчання

• Поясніть, звідки береться атомна енергія.
• Опишіть різницю між поділом і зрощенням.

Ядерні зміни відбуваються з одночасним вивільненням енергії. Звідки береться ця енергія? Якби ми могли точно виміряти маси реагентів і продуктів ядерної реакції, ми б помітили, що кількість маси трохи падає при перетворенні з реагентів в продукти. Розглянемо наступне ядерне рівняння, в якому молярна маса кожного виду вказана до чотирьох знаків після коми:

\[_{235.0439}^{235}\textrm{U}\rightarrow _{138.9088}^{139}\textrm{Ba}+_{93.9343}^{94}\textrm{Kr}+_{2\times 1.0087}^{2^{1}}\textrm{n}\nonumber \]

Якщо порівняти масу реагента (235.0439) з масами продуктів (сума = 234.8605), то помічаємо різницю в масі -0,1834 г або -0,0001834 кг. Куди поділася ця маса?

Згідно теорії відносності Альберта Ейнштейна, енергія (Е) і маса (м) пов'язані наступним рівнянням:

\[E = mc^2\nonumber \]

де c - швидкість світла, або\[c=3.00\times 10^{8}\, m/s\nonumber \]

В ході хімічної реакції на уран різниця мас перетворюється в енергію, яка виділяється реакцією:

\[E=(-0.0001834\, kg)(3.00\times 10^{8}\, m/s)^{2}=-1.65\times 10^{13}J=-1.65\times 10^{10}kJ\nonumber \]

(Щоб одиниці відпрацювали, маса повинна виражатися в одиницях кілограмів.) Тобто 16,5 млрд кДж енергії віддається кожен раз, коли 1 моль урану-235 піддається цій ядерній реакції. Це надзвичайна кількість енергії. Порівняйте його з реакціями горіння вуглеводнів, які виділяють близько 650 кДж/моль енергії на кожну одиницю СН ₂ в вуглеводні, близько сотень кілоджоулів на моль. Ядерні реакції виділяють мільярди кілоджоулів на моль.

Якби цю енергію можна було б правильно зібрати, вона була б значним джерелом енергії для нашого суспільства. Ядерна енергія передбачає контрольований збір енергії з реакцій поділу. Реакцію можна контролювати, оскільки поділ урану-235 (та кількох інших ізотопів, таких як плутоній-239) може бути штучно ініційований шляхом введення нейтрона в ядро урану. Загальне ядерне рівняння, з енергією, включеною як добуток, виглядає наступним чином:

\[_{}^{235}\textrm{U}\: +\: _{ }^{1}\textrm{n}\rightarrow \: _{ }^{139}\textrm{Ba}\: +\: _{ }^{94}\textrm{Kr}\: +\: 3_{ }^{1}\textrm{n}\nonumber \]

Таким чином, шляхом ретельного додавання додаткових нейтронів до зразка урану, ми можемо контролювати процес поділу та отримувати енергію, яку можна використовувати для інших цілей. (Штучна або індукована радіоактивність, при якій нейтрони вводяться у зразок речовини, що згодом спричиняє поділ, вперше була продемонстрована в 1934 році Ірен Жоліо-Кюрі та Фредерік Жоліо, дочка і зять Марії Кюрі.)

 

Плутоній-239 може поглинати нейтрон і піддаватися реакції поділу, щоб зробити атом золота-204 і атом фосфору-31. Напишіть збалансоване ядерне рівняння для процесу і визначте кількість нейтронів, що видаються в рамках реакції.

Рішення

Використовуючи наведені дані, ми можемо записати наступне початкове рівняння:

\[_{0}^{1}\textrm{n}\: +\: _{94}^{239}\textrm{Pu}\rightarrow \: _{79}^{204}\textrm{Au}\: +\: _{15}^{31}\textrm{P}\: +\: ?_{0}^{1}\textrm{n}\nonumber \]

У збалансованих ядерних рівняннях суми індексів з кожного боку рівняння однакові, як і суми надскриптів. Індекси вже збалансовані:

0 + 94 = 94 і 79 + 15 = 94.

Надскрипти ліворуч дорівнюють 240 (1 + 239), але рівні 235 (204 + 31) праворуч. Нам потрібно ще п'ять одиниць масового числа праворуч. П'ять нейтронів повинні бути продуктами процесу, щоб маса чисел збалансувала. (Оскільки атомний номер нейтрона дорівнює нулю, включаючи п'ять нейтронів праворуч не змінює загальну суму індексів.) Таким чином, збалансоване ядерне рівняння виглядає наступним чином:

\[_{0}^{1}\textrm{n}\: +\: _{94}^{239}\textrm{Pu}\rightarrow \: _{79}^{204}\textrm{Au}\: +\: _{15}^{31}\textrm{P}\: +\: 5_{0}^{1}\textrm{n}\nonumber \]

Прогнозуємо, що загальний процес видасть п'ять нейтронів.

Вправа\(\PageIndex{1}\)

Уран-238 може поглинати нейтрон і піддаватися реакції поділу для отримання атома цезію-135 і атома рубідію-96. Напишіть збалансоване ядерне рівняння для процесу і визначте кількість нейтронів, що видаються в рамках реакції.

Відповідь

\[_{0}^{1}\textrm{n}\: +\: _{92}^{238}\textrm{U}\rightarrow \: _{37}^{96}\textrm{Rb}\: +\: _{55}^{135}\textrm{Cs}\: +\: 8_{0}^{1}\textrm{n}\nonumber \]

вісім нейтронів

 

Одна збалансована ядерна реакція для поділу плутонію-239 виглядає наступним чином:

\[\underset{1.0087}{_{0}^{1}\textrm{n}}\: +\: \underset{239.0522}{_{94}^{239}\textrm{Pu}}\rightarrow \: \underset{203.9777}{_{79}^{204}\textrm{Au}}\: +\: \underset{30.9738}{_{15}^{31}\textrm{P}}\: +\: \underset{5\times 1.0087}{5_{0}^{1}\textrm{n}}\nonumber \]

Молярна маса в грамах кожного виду дається для кожної частинки. Яка енергетична зміна цієї реакції поділу?

Рішення

Почнемо з додавання мас усіх видів з кожного боку ядерного рівняння. Потім визначаємо різницю в масі в міру протікання реакції і перетворюємо це в еквівалентну кількість енергії. Загальна маса реагентів виглядає наступним чином:

1,0087 + 239.0522 = 240.0609 г

Загальна маса виробів виглядає наступним чином:

203,9777 + 30,9738 + (5 × 1,0087) = 239.9950 г

Зміна маси визначається шляхом віднімання маси реагентів з маси продуктів:

зміна маси = 239.9950 − 240.0609 = −0.0659 г

Ця зміна маси повинна бути перетворена в кілограмові одиниці:

\[-0.0659g\times \frac{1kg}{1,000g}=-0.0000659kg\nonumber \]

Тепер ми можемо використовувати рівняння Ейнштейна для визначення енергетичної зміни ядерної реакції:

Е = (−0.0000659 кг) (3.00 × 10 ^{8 м/с) 2 = −5.93 × 10 12 Дж}

 

Це майже 6 трильйонів джоулів.

 

Вправа\(\PageIndex{2}\)

Ядерне рівняння для поділу урану-238 виглядає наступним чином:

\[\underset{1.0087}{_{0}^{1}\textrm{n}}\: +\: \underset{238.0508}{_{92}^{238}\textrm{U}}\rightarrow \: \underset{95.9342}{_{37}^{96}\textrm{Rb}}\: +\: \underset{134.9060}{_{55}^{135}\textrm{Cs}}\: +\: \underset{8\times 1.0087}{8_{0}^{1}\textrm{n}}\nonumber \]

Молярна маса в грамах кожного виду дається для кожної частинки. Яка енергетична зміна цієї реакції поділу?

Відповідь

−1,35 × 10 ¹³ Дж

Ядерний реактор - це апарат, призначений для ретельного контролю за ходом ядерної реакції і отримання отриманої енергії в корисних цілях. \(\PageIndex{1}\)На малюнку показана спрощена схема ядерного реактора. Енергія від контрольованої ядерної реакції перетворює воду в пар високого тиску, який використовується для запуску турбін, які виробляють електроенергію.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Діаграма атомної електростанції для виробництва електроенергії. Двома основними компонентами електростанції є сам ядерний реактор та парова турбіна та генератор електроенергії.

Схема атомної електростанції включає захисну оболонку, керуючі стрижні, реактор, воду, насос, парогенератор і електричний вихід.

Хоча поділ великих ядер може виробляти різні продукти, в середньому при діленні урану утворюється на два більше вільних нейтронів, ніж були присутні для початку. Ці нейтрони самі можуть стимулювати інші ядра урану піддаватися поділу, виділяючи ще більше енергії та ще більше нейтронів, що, в свою чергу, може викликати ще більше поділу урану. Таким чином, один нейтрон може почати процес, який зростає експоненціально в явищі, званому ланцюговою реакцією.

1 → 2 → 4 → 8 → 16 → 32 → 64 → 128 → 256 → 512 → 1,024 → 2,048 → 4 096 → 8 192 → 16 384 →...

Оскільки енергія виробляється з кожною подією поділу, енергія також виробляється експоненціально і неконтрольовано. Швидке виробництво енергії створює вибух. Це механізм, що стоїть за атомною бомбою. (Перша контрольована ланцюгова реакція була досягнута 2 грудня 1942 року в експерименті під керівництвом Енріко Фермі в лабораторії під футбольним стадіоном Чиказького університету.)

Хоча досить проста в теорії, атомна бомба важко виробляти, частково тому, що уран-235, ізотоп, який піддається поділу, становить лише 0,7% природного урану; решта - здебільшого уран-238, який не піддається поділу. (Пам'ятайте, що радіоактивний процес, який проходить ядро, характерний для ізотопу.) Щоб уран був корисним для ядерних реакторів, уран в урані-235 повинен бути збагачений приблизно до 3%. Збагачення урану - трудомістка і дорога серія фізико-хімічних розділень. Щоб бути корисним в атомній бомбі, уран повинен бути збагачений до 70% і більше. При менших концентраціях ланцюгова реакція не може витримати себе, тому вибух не виробляється.

Fusion - ще один ядерний процес, який можна використовувати для отримання енергії. У цьому процесі більш дрібні ядра об'єднуються, утворюючи більші ядра, з супутнім вивільненням енергії. Одним із прикладів є синтез водню, який робить гелій:

\[4^{1}H\rightarrow _{ }^{4}\textrm{He}+2.58\times 10^{12}\: J\nonumber \]

Зверніть увагу, що кількість енергії, що виділяється на моль реагенту, становить лише одну десяту частину кількості, що виділяється поділом 1 моль урану-235. Однак на основі маси (на грам) синтез водню дає в 10 разів більше енергії, ніж поділ. Крім того, продуктом плавлення є гелієвий газ, а не широкий спектр ізотопів (деякі з яких також радіоактивні), що утворюються при поділі.

Злиття відбувається в природі: сонце та інші зірки використовують злиття як своє кінцеве джерело енергії. Фьюжн також є основою дуже руйнівної зброї, яка була розроблена кількома країнами по всьому світу. Однак однією з поточних цілей є розробка джерела керованого синтезу для використання в якості джерела енергії. Практична проблема полягає в тому, що для виконання плавлення необхідні надзвичайно високі тиску і температури. В даний час єдиними відомими стійкими системами, що зазнають злиття, є інтер'єри зірок. Необхідні для синтезу умови можна створити за допомогою атомної бомби, але отриманий синтез неконтрольований (і основа для іншого виду бомби - водневої бомби). В даний час дослідники шукають безпечні, контрольовані способи отримання корисної енергії за допомогою синтезу.

Резюме

• Ядерна енергія походить від крихітних масових змін ядер, коли відбуваються радіоактивні процеси.
• При поділі великі ядра розпадаються і виділяють енергію; при злиття дрібні ядра зливаються разом і виділяють енергію.