Fisiunea nucleară și fuziunea

Fuziune nucleară și Fisiune nucleara sunt diferite tipuri de reacții care eliberează energie datorită prezenței legăturilor atomice de mare putere între particulele care se găsesc într-un nucleu. În fisiune, un atom este împărțit în doi sau mai mulți atomi mai mici, mai ușori. Fuziunea, dimpotrivă, apare atunci când doi sau mai mulți atomi mai mici se conectează, creând un atom mai mare și mai greu.

Diagramă de comparație

Nuclear Fission comparativ cu Nuclear Fusion

	Fisiune nucleara	Fuziune nucleară
Definiție	Fisiunea este împărțirea unui atom mare în două sau mai multe.	Fuziunea este fuziunea a doi sau mai mulți atomi mai ușori într-unul mai mare.
Apariția naturală a procesului	Reacția de fisiune nu apare în mod normal în natură.	Fuziunea are loc în stele, cum ar fi soarele.
Produsele secundare ale reacției	Fission produce multe particule foarte radioactive.	Puține particule radioactive sunt produse prin reacția de fuziune, dar dacă se folosește un "declanșator" al fisiunii, particulele radioactive vor rezulta din aceasta.
Condiții	Se impune masa critică a substanței și a neutronilor de mare viteză.	Este necesar un mediu cu temperaturi ridicate în înaltă densitate.
Cerința energetică	Are puțină energie pentru a împărți doi atomi într-o reacție de fisiune.	Energie extrem de mare este necesară pentru a aduce doi sau mai mulți protoni suficient de aproape încât forțele nucleare să depășească repulsia lor electrostatică.
Energie eliberată	Energia eliberată prin fisiune este de un milion de ori mai mare decât cea eliberată în reacțiile chimice, dar mai mică decât energia eliberată de fuziunea nucleară.	Energia eliberată prin fuziune este de trei până la patru ori mai mare decât energia eliberată prin fisiune.
Arme nucleare	O clasă de arme nucleare este o bomba de fisiune, cunoscută și ca o bombă atomică sau o bombă atomică.	O clasă de arme nucleare este bomba cu hidrogen, care utilizează o reacție de fisiune pentru a "declanșa" o reacție de fuziune.
Producere de energie	Fisiunea este utilizată în centralele nucleare.	Fusion este o tehnologie experimentală de producere a puterii.
Combustibil	Uraniul este combustibilul primar utilizat în centralele electrice.	Izotopii de hidrogen (deuteriu și tritiu) sunt combustibilul primar utilizat în centralele experimentale de fuziune.

Cuprins: Fisiune nucleară și fuziune

• 1 Definiții
• 2 Fission vs. Fusion Fusion
  • 2.1 Condiții pentru fisiune și fuziune
  • 2.2 Reacția lanțului
  • 2.3 Raportul energetic
• 3 Utilizarea energiei nucleare
  • 3.1 Preocupări
  • 3.2 Deșeuri nucleare
• 4 Apariția naturală
• 5 Efecte
• 6 Utilizarea armelor nucleare
• 7 Cost
• 8 Referințe

Definiții

Fuziunea de deuteriu cu tritiu care creează heliu-4, eliberând un neutron și eliberând 17,59 MeV de energie.

Fuziunea nucleară este reacția în care se combină două sau mai multe nuclee, formând un element nou cu un număr atomic mai mare (mai mulți protoni din nucleu). Energia eliberată în fuziune este legată de E = mc ² (Einstein faimoasa ecuație de masă energetică). Pe Pământ, cea mai probabilă reacție de fuziune este reacția deuteriu-tritiu. Deuteriul și tritiumul sunt izotopi ai hidrogenului.

² ₁deuteriu + ³ ₁Tritiu = ⁴₂El + ¹₀n + 17,6 MeV

[Imagine: Fission-Reaction.svg | thumb | none | Reacție fisiune]]

Fissionul nuclear este împărțirea unui nucleu masiv în fotoni sub formă de raze gama, neutroni liberi și alte particule subatomice. Într-o reacție tipică nucleară care implică ²³⁵U și un neutron:

²³⁵₉₂U + n = ²³⁶₉₂U

urmat de

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

Fizica vs. Fizica Fusion

Atomii sunt ținute împreună de două dintre cele patru forțe fundamentale ale naturii: legăturile slabe și puternice ale nucleului. Cantitatea totală de energie deținută în legăturile atomilor se numește energie obligatorie. Cu cât energia legată este mai puternică în interiorul legăturilor, cu atât atomul este mai stabil. Mai mult, atomii încearcă să devină mai stabili prin creșterea energiei lor de legare.

Nucleonul unui atom de fier este cel mai stabil nucleon găsit în natură și nici nu se sfărâmă, nici nu se descompune. Acesta este motivul pentru care fierul se află în partea de sus a curbei energiei obligatorii. Pentru nucleele atomice mai ușoare decât fierul și nichelul, energia poate fi extrasă combinând fier și nichel împreună prin fuziune nucleară. În schimb, pentru nucleele atomice mai grele decât fierul sau nichelul, energia poate fi eliberată despicare nucleele grele prin fisiune nucleară.

Noțiunea de împărțire a atomului a apărut din lucrarea fizicianului britanic născut în Noua Zeelandă, Ernest Rutherford, care a condus, de asemenea, la descoperirea protonului.

Condiții de fisiune și fuziune

Fisiunea poate apărea numai în izotopi mari care conțin mai multe neutroni decât protonii din nucleul lor, ceea ce duce la un mediu ușor stabil. Deși oamenii de știință nu înțeleg încă de ce această instabilitate este atât de utilă pentru fisiune, teoria generală este că numărul mare de protoni creează o forță puternică repulsivă între ei și că prea puține sau prea multe neutroni creează "goluri" care duc la slăbirea legătura nucleară, ducând la decădere (radiații). Aceste nuclee mari cu mai multe "goluri" pot fi "împărțite" de impactul neutronilor termici, așa-numitele neutroni "lenți".

Condițiile trebuie să fie corecte pentru a avea loc o reacție de fisiune. Pentru ca fisiunea să fie auto-susținută, substanța trebuie să atingă masa critică, cantitatea minimă de masă necesară; scăzând limitele de masă critică limitează durata reacției la doar microsecunde. Dacă masa critică este atinsă prea repede, adică prea multe neutroni sunt eliberați în nanosecunde, reacția devine pur explozivă și nu se va produce nici o eliberare puternică de energie.

Reactoarele nucleare sunt cele mai des controlate sisteme de fisiune care utilizează câmpuri magnetice pentru a conține neutronii stăpâni; aceasta creează un raport de aproximativ 1: 1 de eliberare a neutronilor, ceea ce înseamnă că un neutron iese din impactul unui neutron. Deoarece acest număr va varia în proporții matematice, sub ceea ce este cunoscut ca distribuție Gaussiană, câmpul magnetic trebuie menținut pentru ca reactorul să funcționeze și tijele de control trebuie folosite pentru a încetini sau accelera activitatea neutronilor.

Fuziunea se întâmplă atunci când două elemente mai ușoare sunt forțate împreună printr-o energie enormă (presiune și căldură) până când se topesc într-un alt izotop și se eliberează energie. Energia necesară pentru a începe o reacție de fuziune este atât de mare încât necesită o explozie atomică pentru a produce această reacție. Totuși, odată ce fuziunea începe, poate teoretic să continue să producă energie atâta timp cât este controlată și izotopii de fuziune de bază sunt furnizați.

Cea mai comună formă de fuziune, care apare în stele, se numește "fuziune D-T", referindu-se la doi izotopi de hidrogen: deuteriu și tritiu. Deuteriul are 2 neutroni, iar tritiuul are 3, mai mult decât un proton de hidrogen. Acest lucru face ca procesul de fuziune să fie mai ușor deoarece trebuie să fie depășit doar sarcina dintre doi protoni, deoarece fuziunea neutronilor și a protonului necesită depășirea forței de respingere naturală a particulelor încărcate (protonii au o încărcătură pozitivă, comparativ cu lipsa de încărcare a neutronilor ) și o temperatură - pentru o clipă - de aproape 81 milioane de grade Fahrenheit pentru fuziunea DT (45 milioane Kelvin sau puțin mai puțin în Celsius). Pentru comparație, temperatura de bază a soarelui este de aproximativ 27 milioane F (15 milioane C).^[1]

Odată ce această temperatură este atinsă, fuziunea rezultată trebuie să fie suficient de lungă pentru a genera plasmă, una dintre cele patru stări ale materiei. Rezultatul unei astfel de izolații este o eliberare a energiei din reacția D-T, producând heliu (un gaz nobil, inert la fiecare reacție) și neutronii de rezervă decât poate "sămânța" hidrogenul pentru mai multe reacții de fuziune. În prezent, nu există modalități sigure de a induce temperatura inițială de fuziune sau de a conține reacția de fuziune pentru a obține o stare de plasmă constantă, dar eforturile sunt în desfășurare.

Un al treilea tip de reactor se numește reactor de repopulare. Funcționează prin utilizarea fisiunii pentru a crea plutoniu care poate să seamănă sau să servească drept combustibil pentru alte reactoare. Reactorii de reproducție sunt folosiți pe scară largă în Franța, dar sunt prohibitiv de costisitori și necesită măsuri de securitate semnificative, deoarece producția acestor reactoare poate fi folosită și pentru producerea de arme nucleare.

Reacție în lanț

Procesele nucleare de fisiune și de fuziune sunt reacții în lanț, ceea ce înseamnă că un eveniment nuclear provoacă cel puțin o reacție nucleară și, de obicei, mai mult. Rezultatul este un ciclu tot mai mare de reacții care pot deveni rapid necontrolate. Acest tip de reacție nucleară poate fi mai multe fragmente de izotopi grei (de ex. ²³⁵ U) sau fuzionarea izotopilor ușori (de ex. ²Mână ³H).

Reacțiile în lanț de fisiune se produc atunci când neutronii bombardează izotopi instabili. Acest tip de proces "impact și împrăștiere" este dificil de controlat, dar condițiile inițiale sunt relativ simple de realizat. O reacție în lanț de fuziune se dezvoltă numai în condiții de presiune și temperatură extreme care rămân stabile de energia eliberată în procesul de fuziune. Atât condițiile inițiale, cât și câmpurile de stabilizare sunt foarte dificil de realizat cu tehnologia actuală.

Ratele de energie

Reacțiile de fuziune eliberează de 3-4 ori mai multă energie decât reacțiile de fisiune. Deși nu există sisteme de fuziune bazate pe Pământ, ieșirea soarelui este tipică pentru producerea energiei de fuziune prin aceea că transformă în mod constant izotopii de hidrogen în heliu, emițând spectrul luminii și căldurii. Fisiunea își generează energia prin destrămarea unei forțe nucleare (cea puternică) și eliberarea unor cantități extraordinare de căldură decât cele utilizate pentru încălzirea apei (într-un reactor), pentru a genera apoi energie (electricitate). Fuziunea depășește două forțe nucleare (puternice și slabe), iar energia eliberată poate fi utilizată direct pentru alimentarea unui generator; astfel încât nu numai că este eliberată mai multă energie, ci poate fi folosită și pentru o aplicare mai directă.

Utilizarea energiei nucleare

Primul reactor nuclear experimental pentru producția de energie a început să funcționeze în Chalk River, Ontario, în 1947. Prima instalație de energie nucleară din S.U.A., Experimental Breeder Reactor-1, a fost lansată la scurt timp după aceea, în 1951; ar putea lumina 4 becuri. Trei ani mai târziu, în 1954, SUA a lansat primul său submarin nuclear, U.S. Nautilus, în timp ce USSR a lansat primul reactor nuclear din lume pentru generarea de energie pe scară largă, în Obninsk. Statele Unite au inaugurat instalația de producere a energiei nucleare un an mai târziu, luminând Arco, Idaho (popul 1,000).

Prima facilitate comercială pentru producerea de energie care utilizează reactoare nucleare a fost Planta Calder Hall, în Windscale (acum Sellafield), Marea Britanie. A fost, de asemenea, locul primului accident nuclear în 1957, când un incendiu a izbucnit din cauza scurgerilor de radiații.

Prima instalație nucleară americană de mari dimensiuni a fost deschisă în 1957 în Shipport, Pennsylvania. Între 1956 și 1973, în Statele Unite au fost lansate aproape 40 de reactoare nucleare de producere a energiei, cea mai mare fiind Unitatea Unică a Centralei Nucleare din Zion din Illinois. capacitate de 1.155 megawați. Nu au fost comandate alți reactoare de când au venit online, deși altele au fost lansate după 1973.

Francezul a lansat primul reactor nuclear, Phénix, capabil să producă 250 megawați de putere, în 1973. Cel mai puternic reactor energetic din Statele Unite (1.315 MW) a fost deschis în 1976, la Trojan Power Plant din Oregon. În 1977, S.U.A. A avut în funcțiune 63 de centrale nucleare, furnizând 3% din necesarul de energie al națiunii. Alte 70 au fost programate să vină online până în 1990.

Unitatea a doua la Three Mile Island a suferit o topire parțială, eliberând gaze inerte (xenon și krypton) în mediul înconjurător. Mișcarea anti-nucleară a câștigat puterea de la temerile cauzate de incident. Temerile au fost alimentate și mai mult în 1986, când unitatea 4 de la uzina de la Cernobîl din Ucraina a suferit o reacție nucleară care a explodat, răspândind materialul radioactiv în întreaga zonă și o mare parte a Europei. În anii 1990, Germania și mai ales Franța și-au extins centralele nucleare, concentrându-se pe reactoare mai mici și, prin urmare, mai controlabile. China a lansat primele două instalații nucleare în 2007, producând un total de 1.866 MW.

Deși energia nucleară se situează pe locul trei în spatele cărbunelui și hidroenergiei în producția de energie electrică globală, împingerea la închiderea centralelor nucleare, împreună cu creșterea costurilor pentru construirea și exploatarea unor astfel de instalații, a creat o retragere a utilizării energiei nucleare pentru putere. Franța conduce lumea în procente de energie electrică produsă de reactoare nucleare, dar în Germania, soarele a depășit energia nucleară ca producător de energie.

Statele Unite au încă peste 60 de instalații nucleare în funcțiune, însă inițiativele de votare și vârstele reactoarelor au închis plante în Oregon și Washington, în timp ce alte zeci de persoane sunt vizate de protestatari și de grupurile de protecție a mediului. În prezent, numai China pare să-și extindă numărul de centrale nucleare, deoarece încearcă să reducă dependența sa severă de cărbune (factorul major al ratei de poluare extrem de ridicată) și să caute o alternativă la importul de petrol.

preocupările

Frica de energie nucleară provine din extremele sale, atât ca o armă cât și ca sursă de energie. Fissionul dintr-un reactor creează un deșeu care este inerent periculos (vezi mai jos) și ar putea fi potrivit pentru bombe murdare. Deși mai multe țări, cum ar fi Germania și Franța, au înregistrări excelente cu instalațiile lor nucleare, alte exemple mai puțin pozitive, cum ar fi cele de la Three Mile Island, Cernobîl și Fukushima, au făcut mulți reticenți în acceptarea energiei nucleare, chiar dacă este mult mai sigur decât combustibilul fosil. Reactoarele de fuziune ar putea fi într-o bună zi o sursă de energie accesibilă și disponibilă, dar numai dacă condițiile extreme necesare pentru crearea fuziunii și gestionarea acesteia pot fi rezolvate.

Deșeuri nucleare

Produsul secundar al fisiunii este deșeurile radioactive care iau mii de ani să-și piardă nivelurile periculoase de radiații. Acest lucru înseamnă că reactoarele de fisiune nucleară trebuie să aibă, de asemenea, măsuri de protecție pentru aceste deșeuri și transportul lor către unități de stocare sau depozite nefolosite. Pentru mai multe informații despre acest lucru, citiți despre gestionarea deșeurilor radioactive.

Apariția naturală

În natură, fuziunea are loc în stele, cum ar fi soarele. Pe Pământ, fuziunea nucleară a fost realizată pentru prima dată în crearea bombei cu hidrogen. Fuziunea a fost, de asemenea, utilizată în diferite dispozitive experimentale, de multe ori cu speranța de a produce energie într-un mod controlat.

Pe de altă parte, fisiunea este un proces nuclear care nu apare în mod normal în natură, deoarece necesită o masă mare și un neutron incident. Chiar și așa, au existat exemple de fisiune nucleară în reactoarele naturale. Acest lucru a fost descoperit în 1972 când depozitele de uraniu de la o mina Oklo, Gabon, s-au dovedit a fi susținut odată o reacție de fisiune naturală cu aproximativ 2 miliarde de ani în urmă.

Efecte

Pe scurt, dacă o reacție de fisiune devine sub control, fie ea explodează, fie reactorul care o generează se topește într-o grămadă mare de zgură radioactivă. Astfel de explozii sau topiri eliberează tone de particule radioactive în aer și în orice suprafață învecinată (pământ sau apă), contaminând-o în fiecare minut în care reacția continuă. În schimb, o reacție de fuziune care pierde controlul (devine neechilibrată) încetinește și scade temperatura până când se oprește. Acesta este ceea ce se întâmplă cu stelele pe care le ard hidrogenul lor în heliu și pierde aceste elemente pe parcursul a mii de secole de expulzare. Fuziunea produce puține deșeuri radioactive. Dacă există vreun prejudiciu, se va întâmpla cu împrejurimile imediate ale reactorului de fuziune și cu altceva.

Este mult mai sigur să se utilizeze fuziunea pentru a produce energie, dar se folosește fisiune deoarece este nevoie de mai puțină energie pentru a împărți doi atomi decât pentru a fuziona doi atomi. De asemenea, provocările tehnice implicate în controlul reacțiilor la fuziune nu au fost încă depășite.

Utilizarea armelor nucleare

Toate armele nucleare necesită o reacție la fisiune nucleară, dar bombe de "pure" de fisiune, cele care utilizează doar o reacție de fisiune, sunt cunoscute sub numele de bombele atomice sau atomice. Bombele atomice au fost testate pentru prima dată în New Mexico în 1945, în timpul celui de-al doilea război mondial. În același an, Statele Unite le-au folosit ca armă în Hiroshima și Nagasaki, Japonia.

Având în vedere că bomba atomică, majoritatea armelor nucleare care au fost propuse și / sau proiectate au îmbunătățit reacția (ele) de fisiune într-un fel sau altul (de exemplu, vezi arma de descompunere îmbogățită, bombe radiologice și bombe neutronice). Arma termonucleară - o armă care utilizează atât fisiune și pe bază de hidrogen, este una dintre cele mai cunoscute progrese ale armelor. Deși noțiunea de arma termonucleară a fost propusă încă din 1941, nu a fost încercată prima dată până la începutul anilor '50, bombarda cu hidrogen (bomba H). Spre deosebire de bombe atomice, au bombe cu hidrogen nu a fost folosit în război, testat doar (de exemplu, vezi Tsar Bomba).

Până în prezent, nicio armă nucleară nu folosește numai fuziunea nucleară, deși programele de apărare guvernamentală au făcut cercetări considerabile într-o astfel de posibilitate.

Cost

Fisiunea este o formă puternică de producere a energiei, dar vine cu ineficiențe încorporate. Combustibilul nuclear, de obicei Uraniu-235, este costisitor pentru mine și pentru purificare. Reacția de fisiune creează căldură utilizată pentru a fierbe apă pentru abur pentru a transforma o turbină care generează energie electrică. Această transformare de la energia termică la energia electrică este greoaie și costisitoare. O a treia sursă de ineficiență este că curățarea și depozitarea deșeurilor nucleare sunt foarte scumpe. Deșeurile sunt radioactive, necesită o eliminare adecvată, iar securitatea trebuie să fie strânsă pentru a asigura siguranța publică.

Pentru ca fuziunea să aibă loc, atomii trebuie să fie închise în câmpul magnetic și ridicate la o temperatură de 100 milioane Kelvin sau mai mult. Acest lucru necesită o cantitate enormă de energie pentru inițierea fuziunii (bombele atomice și laserele se presupune că oferă "scânteie"), dar există și nevoia de a păstra în mod corespunzător câmpul de plasmă pentru producția de energie pe termen lung. Cercetătorii încă încearcă să depășească aceste provocări, deoarece fuziunea un sistem de producție de energie mai sigur și mai puternic decât fisiunea, ceea ce înseamnă că ar costa mai puțin decât fisiunea.

Referințe

• Fisiune și fuziune - Brian Swarthout pe YouTube
• Natura istoriei nucleare - Baza de date de educație online
• Stabilitatea nucleară și numerele magice - UC Davis ChemWiki
• Wikipedia: fuziune nucleară
• Wikipedia: fisiune nucleară