Tuuma lõhustumine ja termotuumasüntees

Tuumasüntees ja tuuma lõhustumine on erinevat tüüpi reaktsioonid, mis vabastavad energiat tuumas leiduvate osakeste vahel suure võimsusega aatomsidemete olemasolu tõttu. Lõhustumisel jaguneb aatom kaheks või enamaks väiksemaks, kergemaks aatomiks. Fusioon seevastu toimub siis, kui kaks või enam väiksemat aatomit sulanduvad kokku, luues suurema, raskema aatomi.

Võrdlusdiagramm

Tuuma lõhustumise ja tuumasünteesi võrdlustabel

	Tuuma lõhustumine	Tuumasüntees
Definitsioon	Fissioon on suure aatomi jagamine kaheks või enamaks väiksemaks.	Fusioon on kahe või enama kergema aatomi sulandumine suuremaks.
Protsessi loomulik esinemine	Lõhustumisreaktsioon looduses tavaliselt ei toimu.	Tuumasüntees toimub tähtedes, näiteks päikeses.
Reaktsiooni kõrvalsaadused	Lõhustumisel tekivad paljud väga radioaktiivsed osakesed.	Termotuumasünteesi käigus toodetakse vähe radioaktiivseid osakesi, kuid kui kasutatakse lõhustumise "päästikut", tekivad sellest radioaktiivsed osakesed..
Tingimused	Vajalik on aine ja kiirete neutronite kriitiline mass.	Vajalik on kõrge tihedusega ja kõrge temperatuuriga keskkond.
Energiavajadus	Kahe aatomi lõhustumisreaktsioonis jagamiseks kulub vähe energiat.	Kahe või enama prootoni jõudmiseks piisavalt lähedale on vaja erakordselt palju energiat, et tuumajõud ületaksid nende elektrostaatilise tõrjumise.
Energia vabastatud	Lõhustumisel vabanev energia on miljon korda suurem kui keemiliste reaktsioonide käigus eralduv, kuid väiksem kui tuumasünteesi käigus eralduv energia.	Tuumasünteesil eralduv energia on kolm kuni neli korda suurem kui lõhustumisel eralduv energia.
Tuumarelv	Üks tuumarelva klass on lõhustuv pomm, tuntud ka kui aatomipomm või aatomipomm.	Üks tuumarelva klass on vesinikupomm, mis kasutab termotuumareaktsiooni "käivitamiseks" lõhustumisreaktsiooni.
Energia tootmine	Tuumaelektrijaamades kasutatakse lõhustumist.	Tuumasüntees on eksperimentaalne tehnoloogia elektrienergia tootmiseks.
Kütus	Uraan on elektrijaamades kasutatav peamine kütus.	Vesiniku isotoobid (deuteerium ja triitium) on primaarsed kütus, mida kasutatakse termotuumaelektrijaamades.

Sisu: tuuma lõhustumine ja termotuumasüntees

• 1 Mõisted
• 2 lõhustumine vs tuumasünteesifüüsika
  • 2.1 Lõhustumise ja termotuumasünteesi tingimused
  • 2.2 Ahelreaktsioon
  • 2.3 Energiasuhted
• 3 Tuumaenergia kasutamine
  • 3.1 Mured
  • 3.2 Tuumajäätmed
• 4 Looduslik esinemine
• 5 efekti
• 6 Tuumarelvade kasutamine
• 7 Maksumus
• 8 viidet

Mõisted

Deuteeriumi liitmine triitiumiga, moodustades heelium-4, vabastades neutroni ja vabastades energiat 17,59 MeV.

Tuumasüntees on reaktsioon, milles kaks või enam tuuma ühinevad, moodustades uue suurema aatomiarvuga elemendi (tuumas on rohkem prootoneid). Tuumasünteesil vabanev energia on seotud E = mc ² (Einsteini kuulus energia-massvõrrand). Maal on kõige tõenäolisem termotuumareaktsioon deuteerium-triitiumi reaktsioon. Deuteerium ja triitium on vesiniku isotoobid.

² ₁Deuteerium + ³ ₁Triitium = ⁴₂Tema + ¹₀n + 17,6 MeV

[Pilt: lõhustumisreaktsioon.svg | pöial | puudub | lõhustumisreaktsioon]]

Tuuma lõhustumine on massiivse tuuma jagunemine footoniteks gammakiirte, vabade neutronite ja muude subatomaalsete osakeste kujul. Tüüpilises tuumareaktsioonis, mis hõlmab ²³⁵U ja neutron:

²³⁵₉₂U + n = ²³⁶₉₂U

järgneb

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

Fissioon ja termotuumafüüsika

Aatomeid hoiab koos kaks looduse neljast põhijõudust: nõrgad ja tugevad tuumasidemed. Aatomite sidemetes hoitavat energia koguhulka nimetatakse siduvaks energiaks. Mida siduvam energia on sidemete sees, seda stabiilsem on aatom. Veelgi enam, aatomid püüavad muutuda stabiilsemaks, suurendades nende siduvat energiat.

Raua aatomi tuum on looduses leiduvatest kõige stabiilsematest nukleonidest ning see ei sulandu ega lõhesta. Seetõttu on raud siduva energia kõvera ülaosas. Raud- ja niklist kergemate aatomituumade jaoks saab energiat eraldada ühendamine raua- ja nikkeltuumad koos tuumasünteesi teel. Seevastu rauast või niklist raskemate aatomituumade korral saab energiat eraldada poolitamine tuuma lõhustumise kaudu rasked tuumad.

Aatomi lõhenemise mõte tekkis Uus-Meremaal sündinud Briti füüsiku Ernest Rutherfordi tööst, mis viis ka prootoni avastamiseni.

Lahustumise ja termotuumasünteesi tingimused

Fissioon võib toimuda ainult suurtes isotoopides, mille tuumades on rohkem neutroneid kui prootoneid, mis viib kergelt stabiilse keskkonnani. Ehkki teadlased ei mõista veel täielikult, miks see ebastabiilsus lõhustumisele nii kasulik on, on üldteooria kohaselt suur prootonite arv tekitanud nende vahel tugeva tõrjuva jõu ja et liiga vähe või liiga palju neutroneid tekitavad "lünki", mis põhjustavad nõrgenemist tuumaside, mis põhjustab lagunemist (kiirgus). Neid suuremaid "lünki" sisaldavaid suuri tuuma saab termiliste neutronite, nn "aeglaste" neutronite mõjul "lõhestada".

Lõhustumisreaktsiooni toimumiseks peavad tingimused olema sobivad. Et lõhustumine oleks isemajandav, peab aine saavutama kriitilise massi, mis on minimaalselt vajalik massikogus; Kui kriitilisest massist madalamale jääb, piirab reaktsiooni pikkus vaid mikrosekunditesse. Kui kriitiline mass saavutatakse liiga kiiresti, see tähendab, et nanosekundites vabaneb liiga palju neutroneid, muutub reaktsioon puhtalt plahvatusohtlikuks ja tugevat energia eraldumist ei toimu.

Tuumareaktorid on enamasti juhitavad lõhustumissüsteemid, mis kasutavad hulkuvate neutronite sisaldamiseks magnetvälju; see loob neutronite vabanemise umbes 1: 1 suhte, mis tähendab, et ühe neutroni mõjul ilmneb üks neutron. Kuna see arv varieerub matemaatilistes proportsioonides, tuleb Gaussi jaotuse all säilitada reaktori toimimiseks magnetvälja ja neutronitegevuse aeglustamiseks või kiirendamiseks tuleb kasutada kontrollvardaid.

Fusioon toimub siis, kui kaks kergemat elementi on tohutu energia (rõhu ja soojuse) abil kokku surutud, kuni need sulanduvad teise isotoobi ja vabastavad energiat. Termotuumareaktsiooni käivitamiseks vajalik energia on nii suur, et selle reaktsiooni tekitamiseks kulub aatomiplahvatus. Siiski, pärast termotuumasünteesi algust saab see teoreetiliselt jätkata energia tootmist seni, kuni seda juhitakse ja põhilisi sulamisisotoope tarnitakse.

Kõige levinumat termotuumasünteesi, mis toimub tähtedes, nimetatakse "D-T sulandumiseks", viidates kahele vesiniku isotoobile: deuteeriumile ja triitiumile. Deuteeriumil on 2 neutronit ja triitiumil on 3, rohkem kui vesiniku prootoni. See muudab sulandumisprotsessi lihtsamaks, kuna ületada tuleb ainult kahe prootoni vaheline laeng, sest neutronite ja prootoni sulandamine eeldab samasuguse laenguga osakeste loomuliku tõrjumisjõu ületamist (prootonitel on positiivne laeng, võrreldes neutronite laenguta) ) ja temperatuur - hetkega - peaaegu 81 miljonit Fahrenheiti kraadi DT sulamise jaoks (45 miljonit Kelvinit või pisut vähem Celsiuse järgi). Võrdluseks - päikese tuuma temperatuur on umbes 27 miljonit F (15 miljonit C).^[1]

Kui see temperatuur on saavutatud, peab saadud sulandumine olema piisavalt pikk, et tekitada plasma, mis on üks neljast mateeria olekust. Sellise isoleerimise tulemusel vabaneb D-T reaktsioonist energia, eraldades heeliumi (väärisgaas, mis on igale reaktsioonile inertsed) ja varu-neutroneid, kui see võib vesiniku külvata suuremateks termotuumareaktsioonideks. Praegu pole kindlaid viise termotuuma esialgse temperatuuri esilekutsumiseks ega sulamisreaktsiooni ohjeldamiseks, et saavutada püsiv plasmaseisund, kuid jõupingutused jätkuvad.

Kolmandat tüüpi reaktorit nimetatakse sordreaktoriks. See toimib lõhustumise teel plutooniumi tekitamiseks, mis võib teiste reaktorite seemneks või kütusena toimida. Aretusreaktorit kasutatakse Prantsusmaal laialdaselt, kuid see on liiga kallis ja nõuab olulisi turvameetmeid, kuna nende reaktorite väljundit saab kasutada ka tuumarelvade valmistamiseks.

Ahelreaktsioon

Fissiooni ja termotuumasünteesi tuumareaktsioonid on ahelreaktsioonid, mis tähendab, et üks tuumasündmus põhjustab vähemalt ühe teise tuumareaktsiooni ja tavaliselt rohkem. Tulemuseks on kasvav reaktsioonitsükkel, mis võib kiiresti muutuda kontrollimatuks. Seda tüüpi tuumareaktsioon võib olla raskete isotoopide mitmeks lõheks (nt. ²³⁵ U) või kergete isotoopide liitmine (nt. ²H ja ³H).

Lõhustumise ahelreaktsioonid toimuvad siis, kui neutronid pommitavad ebastabiilseid isotoope. Seda tüüpi löögi ja hajumise protsessi on raske kontrollida, kuid algtingimuste saavutamine on suhteliselt lihtne. Termotuumasünteesi ahelreaktsioon areneb ainult äärmuslikes rõhu- ja temperatuuritingimustes, mis termotuumaprotsessis eralduva energia abil püsivad stabiilsena. Nii algtingimusi kui ka stabiliseerivaid välju on praeguse tehnoloogiaga väga raske teostada.

Energia suhted

Fusioonireaktsioonid eraldavad 3-4 korda rohkem energiat kui lõhustumisreaktsioonid. Ehkki Maa peal asuvaid termotuumasünteesi süsteeme pole, on päikese väljund termotuumasünteesi tootmiseks tüüpiline, kuna see muundab vesiniku isotoope pidevalt heeliumiks, eraldades valguse ja soojuse spektreid. Lõhustumine genereerib oma energia ühe tuumajõu (tugeva) lagundamisel ja eraldades tohutul hulgal soojust, mida kasutatakse vee soojendamiseks (reaktoris), et seejärel energiat (elektrit) toota. Termotuumasüntees ületab 2 tuumajõudu (tugev ja nõrk) ning vabanenud energiat saab kasutada otse generaatori toiteks; seega ei eraldata mitte ainult rohkem energiat, vaid seda saab ka otsesemaks kasutamiseks kasutada.

Tuumaenergia kasutamine

Esimene energiatootmise eksperimentaalne tuumareaktor hakkas tööle Ontarios, Chalk Riveris 1947. aastal. Varsti pärast seda, 1951. aastal, käivitati esimene USA tuumaenergiarajatis, eksperimentaalne aretajareaktor-1; see võiks süüdata 4 pirni. Kolm aastat hiljem, 1954. aastal, käivitas USA oma esimese tuumaallveelaeva USA. Nautilus, samal ajal kui USA käivitas Obninskis maailma esimese suuremahulise elektritootmise tuumareaktori. USA avas oma tuumaelektrijaama aasta hiljem, valgustades Idaho Arco linna (1000 inimest).

Esimene tuumareaktoritega energiatootmise kommertsrajatis oli Calder Halli tehas Windscale'is (nüüd Sellafield), Suurbritannias. See oli ka esimese tuumarelvaga seotud õnnetuse koht 1957. aastal, kui kiirguslekete tõttu puhkes tulekahju.

Esimene suuremahuline USA tuumajaam avati 1957. aastal Pennsylvanias Shippingportis. Aastatel 1956–1973 käivitati USA-s ligi 40 energiatootmise tuumareaktorit, millest suurim oli Illinoisi Zioni tuumaelektrijaama esimene üksus, mille võimsus 1155 megavatti. Ühtegi teist tellitud reaktorit pole Internetti jõudnud, ehkki teised käivitati pärast 1973. aastat.

Prantslased käivitasid oma esimese tuumareaktori Phénix, mis on võimeline tootma 250 megavatti võimsust, 1973. aastal. Oregonis Trooja elektrijaamas avati 1976. aastal USA võimsaim energiat tootv reaktor (1315 MW). 1977. aastaks oli USA-s töös 63 tuumajaama, mis moodustasid 3% riigi energiavajadusest. Veel 70 oli kavandatud Internetti jõudma 1990. aastaks.

Kolmas miil saarel asunud teine ​​üksus sai osalise sulamise, eraldades keskkonda inertsed gaasid (ksenoon ja krüptoon). Tuumavastane liikumine sai tugevaks vahejuhtumi põhjustatud hirmudest. Hirmud kannustasid veelgi 1986. aastal, kui Ukrainas Tšernobõli tehase 4. üksus kannatas põgeneva tuumareaktsiooni käigus plahvatas rajatist, levitades radioaktiivseid materjale kogu piirkonnas ja suurel osal Euroopast. 1990ndatel laiendasid Saksamaa ja eriti Prantsusmaa tuumajaamu, keskendudes väiksematele ja seega paremini kontrollitavatele reaktoritele. Hiina käivitas oma kaks esimest tuumarajatist 2007. aastal, tootes kokku 1866 MW.

Ehkki tuumaenergia on söe ja hüdroenergia järgi toodetud koguvõimsuses kolmandal kohal, on tuumajaamade sulgemise tõuke koos kasvavate kuludega selliste rajatiste ehitamiseks ja käitamiseks loonud tuumaenergia kasutamise elektrienergia tootmiseks. Prantsusmaa juhib maailmas tuumareaktorite toodetud elektrienergia protsenti protsentides, kuid Saksamaal on päikeseenergia tootjad Saksamaal energia tootjana.

USA-l on endiselt töös üle 60 tuumarajatise, kuid hääletamisalgatuste ja reaktorite vanuse tõttu on Oregonis ja Washingtonis suletud tehased, protestijate ja keskkonnakaitserühmade sihtrühmaks on veel kümmekond. Praegu näib, et ainult Hiina laiendab oma tuumajaamade arvu, kuna ta soovib vähendada oma tugevat sõltuvust söest (peamine tegur selle äärmiselt kõrge saastatuse määra juures) ja otsida alternatiivi nafta impordile..

Mured

Tuumaenergia hirm tuleneb selle äärmustest nii relva kui ka jõuallikana. Reaktorist lagunemine loob jäätmematerjali, mis on olemuselt ohtlik (vt lähemalt allpool) ja võiks olla sobiv räpane pommi jaoks. Ehkki mitmel riigil, näiteks Saksamaal ja Prantsusmaal, on tuumarajatistega saavutatud suurepäraseid tulemusi, on muud vähem positiivsed näited, nagu näiteks Kolme miili saarel, Tšernobõlis ja Fukushimas, teinud paljudele vastumeelsust tuumaenergia aktsepteerimisel, ehkki on palju fossiilkütusest ohutum. Termotuumasünteesireaktorid võiksid ühel päeval olla taskukohased ja küllaga vajalikud energiaallikad, kuid ainult siis, kui termotuumasünteesi loomiseks ja juhtimiseks vajalikud ekstreemtingimused on lahendatud.

Tuumajäätmed

Lõhustumise kõrvalsaadus on radioaktiivsed jäätmed, mille ohtliku kiirgustaseme kaotamine võtab tuhandeid aastaid. See tähendab, et tuuma lõhustumise reaktoritel peavad olema ka kaitsemeetmed nende jäätmete ja nende transportimise korral asustamata ladustamis- või prügilakohtadesse. Selle kohta lisateabe saamiseks lugege radioaktiivsete jäätmete käitlemise kohta.

Looduslik esinemine

Looduses toimub sulandumine tähtedes, näiteks päikeses. Maal saavutati tuumasüntees kõigepealt vesinikupommi loomisel. Termotuumasünteesi on kasutatud ka erinevates katseseadmetes, sageli lootusega toota energiat kontrollitud viisil.

Teisest küljest on lõhustumine tuumaprotsess, mida looduses tavaliselt ei toimu, kuna see nõuab suurt massi ja langevat neutronit. Isegi nii on looduslikes reaktorites olnud tuuma lõhustumise näiteid. See avastati 1972. aastal, kui Gaboni kaevanduses Oklo asuva kaevanduse leiukohad leidsid umbes 2 miljardit aastat tagasi loodusliku lõhustumisreaktsiooni..

Efektid

Lühidalt, kui lõhustumisreaktsioon väljub kontrolli alt, kas see plahvatab või seda genereeriv reaktor sulab suureks radioaktiivsete räbuhunnikuks. Sellised plahvatused või lagunemised eraldavad õhku ja naaberpinnale (maale või veele) tonni radioaktiivseid osakesi, saastades seda iga minut, reaktsioon jätkub. Vastupidiselt kontrolli kaotanud termotuumasünteesi reaktsioon aeglustub ja langeb temperatuur seni, kuni see peatub. Nii juhtub tähtedega, kui nad põlevad vesiniku heeliumiks ja kaotavad need elemendid tuhandete sajandite vältel. Tuumasüntees tekitab vähe radioaktiivseid jäätmeid. Kahjustuste tekkimisel toimub see termotuumasünteesi reaktori vahetus ümbruses ja mujal.

Tuuma tootmiseks on palju turvalisem kasutada termotuumasünteesi, kuid lõhustumist kasutatakse seetõttu, et kahe aatomi lõhestamiseks kulub vähem energiat kui kahe aatomi sulatamiseks. Ka termotuumasünteesi reaktsioonide juhtimisega seotud tehnilised väljakutsed pole veel ületatud.

Tuumarelvade kasutamine

Kõik tuumarelvad vajavad töötamiseks tuuma lõhustumisreaktsiooni, kuid "puhtaid" lõhkemispomme, neid, mis kasutavad ainult lõhustumisreaktsiooni, nimetatakse aatomipommideks. Aatomipomme testiti esmakordselt New Mexico-s 1945. aastal, II maailmasõja ajal. Samal aastal kasutasid USA neid relvana Jaapanis Hiroshimas ja Nagasakis.

Alates aatomipommist on enamikul kavandatud ja / või konstrueeritud tuumarelvadest ühel või teisel viisil tugevdatud lõhustumisreaktsioon (id) (nt vaadake võimendatud lõhustumisrelva, radioloogilisi pomme ja neutronpomme). Termotuumarelvad - relv, mis kasutab nii lõhustumist ja vesinikul põhinev termotuumasüntees - on üks tuntumaid relvade edasiarendusi. Ehkki termotuumarelva mõiste pakuti välja juba 1941. aastal, katsetati vesinikupommi (H-pommi) alles 1950ndate alguses. Erinevalt aatomipommidest on vesinikupommidel mitte sõjapidamises kasutatud, ainult testitud (nt vt tsaar Bomba).

Praeguseks ei kasuta ükski tuumarelv ainuüksi tuumasünteesi, ehkki valitsuse kaitseprogrammid on sellise võimaluse osas märkimisväärselt uurinud.

Maksumus

Lõhustumine on võimas energiatootmise vorm, kuid sellega kaasnevad sisseehitatud ebatõhusused. Tuumakütuse, tavaliselt uraani-235, kaevandamine ja puhastamine on kallis. Lõhustumisreaktsioon tekitab soojust, mida kasutatakse auruvee keetmiseks elektrit tootva turbiini pööramiseks. See soojusenergiast elektrienergiaks muundamine on tülikas ja kallis. Kolmas ebaefektiivsuse allikas on see, et tuumajäätmete puhastamine ja ladustamine on väga kulukas. Jäätmed on radioaktiivsed, vajavad nõuetekohast kõrvaldamist ja avaliku turvalisuse tagamiseks peab turvalisus olema range.

Tuumasüntees peab aatomid olema piiratud magnetväljas ja tõsta temperatuurini 100 miljonit kelvinit või rohkem. Termotuumasünteesi käivitamiseks kulub tohutult energiat (arvatakse, et aatomipommid ja laserid annavad selle "sädeme"), kuid pikaajalise energiatootmise jaoks on vaja ka plasmavälja korralikult varjata. Teadlased püüavad endiselt nendest väljakutsetest üle saada, kuna termotuumasüntees on lõhustumisest ohutum ja võimsam energiatootmissüsteem, mis tähendab, et lõppkokkuvõttes maksaks see vähem kui lõhustumine.

Viited

• Lõhustumine ja sulandumine - Brian Swarthout YouTube'is
• Tuumaajaloo ajatelg - Hariduse andmebaas veebis
• Tuumastabiilsus ja maagilised numbrid - UC Davis ChemWiki
• Vikipeedia: tuumasüntees
• Vikipeedia: tuuma lõhustumine