Pembelahan nuklear dan gabungan

Gabungan nuklear dan pembelahan nuklear adalah pelbagai jenis tindak balas yang melepaskan tenaga kerana kehadiran ikatan atom berkuasa tinggi antara zarah yang terdapat dalam nukleus. Dalam pembelahan, atom dibahagikan kepada dua atau lebih kecil, atom yang lebih ringan. Sebaliknya, gabungan berlaku apabila dua atau lebih atom kecil bersatu bersama, mewujudkan atom yang lebih besar dan lebih berat.

Carta Perbandingan

Definisi

Gabungan nuklear adalah tindak balas di mana dua atau lebih nukleus menggabungkan, membentuk elemen baru dengan nombor atom yang lebih tinggi (lebih banyak proton dalam nukleus). Tenaga yang dikeluarkan dalam Fusion berkaitan dengan E = MC ² (Persamaan Tenaga Terkenal Einstein). Di Bumi, reaksi gabungan yang paling mungkin adalah reaksi deuterium-tritium. Deuterium dan tritium adalah isotop hidrogen.

² ₁Deuterium + ³ ₁Tritium = ⁴₂Dia + ¹₀n + 17.6 MeV

[Imej: reaksi fisi.svg | ibu jari | tiada | reaksi fisi]]]

Pembelahan nuklear adalah pemisahan nukleus besar -besaran ke dalam foton dalam bentuk sinar gamma, neutron bebas, dan zarah subatom lain. Dalam tindak balas nuklear biasa yang melibatkan ²³⁵U dan neutron:

²³⁵₉₂U + n = ²³⁶₉₂U

diikuti oleh

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

Pembelahan vs. Fizik Fusion

Atom dipegang bersama oleh dua daripada empat daya asas alam: ikatan nuklear yang lemah dan kuat. Jumlah tenaga yang dipegang dalam ikatan atom dipanggil tenaga mengikat. Tenaga yang lebih mengikat yang dipegang dalam ikatan, semakin stabil atom. Selain itu, atom cuba menjadi lebih stabil dengan meningkatkan tenaga mengikat mereka.

Nukleon atom besi adalah nukleon yang paling stabil yang terdapat dalam alam semula jadi, dan ia tidak fius atau pecahan. Inilah sebabnya mengapa besi berada di bahagian atas lengkung tenaga yang mengikat. Untuk nukleus atom lebih ringan daripada besi dan nikel, tenaga boleh diekstrak oleh menggabungkan Besi dan nikel nukleus bersama melalui gabungan nuklear. Sebaliknya, untuk nukleus atom lebih berat daripada besi atau nikel, tenaga boleh dikeluarkan oleh pemisahan nukleus berat melalui pembelahan nuklear.

Pengertian pemisahan atom timbul dari karya fizik British yang dilahirkan oleh New Zealand Ernest Rutherford, yang juga membawa kepada penemuan proton.

Syarat untuk pembelahan dan gabungan

Pembelahan hanya boleh berlaku di isotop besar yang mengandungi lebih banyak neutron daripada proton dalam nukleus mereka, yang membawa kepada persekitaran yang sedikit stabil. Walaupun saintis belum memahami sepenuhnya mengapa ketidakstabilan ini sangat membantu untuk pembelahan, teori umum adalah bahawa sejumlah besar proton mewujudkan daya menjijikkan yang kuat di antara mereka dan terlalu sedikit atau terlalu banyak neutron membuat "jurang" yang menyebabkan kelemahan ikatan nuklear, yang menyebabkan kerosakan (radiasi). Nukleus besar ini dengan lebih banyak "jurang" boleh "berpecah" dengan kesan neutron haba, yang dipanggil "lambat" neutron.

Keadaan mesti sesuai untuk tindak balas pembelahan berlaku. Untuk pembelahan untuk mengekalkan diri, bahan mesti mencapai jisim kritikal, jumlah minimum jisim yang diperlukan; Jatuh Jisim Kritikal Had Panjang Reaksi ke Microseconds semata -mata. Sekiranya jisim kritikal tercapai terlalu cepat, bermakna terlalu banyak neutron dilepaskan dalam nanosecond, tindak balas menjadi murni letupan, dan tidak ada pelepasan tenaga yang kuat akan berlaku.

Reaktor nuklear kebanyakannya sistem pembelahan yang dikawal yang menggunakan medan magnet untuk mengandungi neutron sesat; Ini menghasilkan nisbah 1: 1 pelepasan neutron kira -kira 1: 1, yang bermaksud satu neutron muncul dari kesan satu neutron. Oleh kerana bilangan ini akan berbeza dalam perkadaran matematik, di bawah apa yang dikenali sebagai pengedaran Gaussian, medan magnet mesti dikekalkan untuk reaktor berfungsi, dan rod kawalan mesti digunakan untuk melambatkan atau mempercepat aktiviti neutron.

Fusion berlaku apabila dua elemen yang lebih ringan dipaksa bersama dengan tenaga yang besar (tekanan dan haba) sehingga mereka memusnahkan isotop lain dan melepaskan tenaga. Tenaga yang diperlukan untuk memulakan tindak balas fusion sangat besar sehingga memerlukan letupan atom untuk menghasilkan reaksi ini. Namun, apabila gabungan bermula, secara teorinya boleh terus menghasilkan tenaga selagi ia dikawal dan isotop asas yang dibekalkan.

Bentuk gabungan yang paling biasa, yang berlaku di bintang, dipanggil "d-t fusion," merujuk kepada dua isotop hidrogen: deuterium dan tritium. Deuterium mempunyai 2 neutron dan tritium mempunyai 3, lebih daripada satu proton hidrogen. Ini menjadikan proses gabungan lebih mudah kerana hanya pertuduhan antara dua proton perlu diatasi, kerana menggabungkan neutron dan proton memerlukan mengatasi daya penghalau semulajadi zarah-zarah yang dikenakan (proton mempunyai caj positif, berbanding dengan kekurangan neutron ) dan suhu - seketika - hampir 81 juta darjah Fahrenheit untuk gabungan D -T (45 juta kelvin atau sedikit kurang di Celsius). Sebagai perbandingan, suhu teras matahari adalah kira -kira 27 juta F (15 juta c).^[1]

Sebaik sahaja suhu ini dicapai, gabungan yang dihasilkan perlu dikandung cukup lama untuk menjana plasma, salah satu daripada empat negeri perkara. Hasil pembendungan sedemikian adalah pelepasan tenaga dari reaksi D-T, menghasilkan helium (gas mulia, tidak aktif kepada setiap reaksi) dan neutron ganti daripada boleh "benih" hidrogen untuk lebih banyak reaksi gabungan. Pada masa ini, tidak ada cara yang selamat untuk mendorong suhu gabungan awal atau mengandungi tindak balas yang menggabungkan untuk mencapai keadaan plasma yang mantap, tetapi usaha sedang berjalan.

Jenis reaktor ketiga dipanggil reaktor pembiak. Ia berfungsi dengan menggunakan pembelahan untuk membuat plutonium yang boleh benih atau berfungsi sebagai bahan bakar untuk reaktor lain. Reaktor pembiak digunakan secara meluas di Perancis, tetapi sangat mahal dan memerlukan langkah -langkah keselamatan yang signifikan, kerana output reaktor ini dapat digunakan untuk membuat senjata nuklear juga.

Tindakbalas berantai

Reaksi nuklear pembelahan dan gabungan adalah tindak balas rantai, yang bermaksud bahawa satu peristiwa nuklear menyebabkan sekurang -kurangnya satu tindak balas nuklear lain, dan biasanya lebih banyak lagi. Hasilnya adalah kitaran reaksi yang semakin meningkat yang dapat dengan cepat menjadi tidak terkawal. Jenis tindak balas nuklear ini boleh berbilang perpecahan isotop berat (e.g. ²³⁵ U) atau penggabungan isotop cahaya (e.g. ²H dan ³H).

Reaksi rantai pembelahan berlaku apabila neutron membombardir isotop yang tidak stabil. Proses "kesan dan penyebaran" jenis ini sukar dikawal, tetapi keadaan awal agak mudah untuk dicapai. Reaksi rantai gabungan hanya berkembang di bawah tekanan dan keadaan suhu yang melampau yang kekal stabil oleh tenaga yang dikeluarkan dalam proses gabungan. Kedua -dua keadaan awal dan bidang penstabilan sangat sukar untuk dilaksanakan dengan teknologi semasa.

Nisbah tenaga

Reaksi Fusion melepaskan 3-4 kali lebih banyak tenaga daripada tindak balas pembelahan. Walaupun tidak ada sistem gabungan berasaskan bumi, output matahari adalah tipikal pengeluaran tenaga gabungan kerana ia sentiasa menukarkan isotop hidrogen ke dalam helium, memancarkan spektrum cahaya dan panas. Pembelaan menjana tenaganya dengan memecahkan satu daya nuklear (yang kuat) dan melepaskan sejumlah besar haba daripada yang digunakan untuk memanaskan air (dalam reaktor) untuk menghasilkan tenaga (elektrik). Fusion mengatasi 2 daya nuklear (kuat dan lemah), dan tenaga yang dikeluarkan boleh digunakan secara langsung untuk menguasai penjana; Jadi bukan sahaja lebih banyak tenaga yang dikeluarkan, ia juga boleh dimanfaatkan untuk lebih banyak aplikasi langsung.

Penggunaan tenaga nuklear

Reaktor nuklear percubaan pertama untuk pengeluaran tenaga mula beroperasi di Sungai Chalk, Ontario, pada tahun 1947. Kemudahan tenaga nuklear pertama di u.S., Breeder Eksperimental Reactor-1, dilancarkan tidak lama kemudian, pada tahun 1951; ia boleh menyalakan 4 mentol. Tiga tahun kemudian, pada tahun 1954, u.S. melancarkan kapal selam nuklear yang pertama, U.S.S. Nautilus, sementara u.S.S.R. melancarkan reaktor nuklear pertama di dunia untuk penjanaan kuasa berskala besar, di Obninsk. U.S. merasmikan kemudahan pengeluaran kuasa nuklearnya setahun kemudian, menyalakan Arco, Idaho (Pop. 1,000).

Kemudahan komersil pertama untuk pengeluaran tenaga menggunakan reaktor nuklear adalah kilang Calder Hall, di Windscale (sekarang Sellafield), Great Britain. Ia juga merupakan tapak kemalangan yang berkaitan dengan nuklear pertama pada tahun 1957, ketika kebakaran berlaku akibat kebocoran radiasi.

U berskala besar pertama.S. Loji nuklear dibuka di Shippingport, Pennsylvania, pada tahun 1957. Antara tahun 1956 dan 1973, hampir 40 reaktor nuklear pengeluaran kuasa dilancarkan di U.S., unit terbesar adalah salah satu stesen janakuasa nuklear Zion di Illinois, dengan kapasiti 1,155 megawatt. Tiada reaktor lain yang diperintahkan sejak datang dalam talian, walaupun yang lain dilancarkan selepas tahun 1973.

Perancis melancarkan reaktor nuklear pertama mereka, Phénix, yang mampu menghasilkan 250 megawatt kuasa, pada tahun 1973. Reaktor penghasil tenaga yang paling kuat di u.S. (1,315 MW) dibuka pada tahun 1976, di Loji Kuasa Trojan di Oregon. Menjelang tahun 1977, u.S. mempunyai 63 loji nuklear yang beroperasi, menyediakan 3% keperluan tenaga negara. 70 lagi dijadualkan akan datang dalam talian pada tahun 1990.

Unit dua di Pulau Tiga Mile mengalami kemerosotan separa, melepaskan gas lengai (Xenon dan Krypton) ke alam sekitar. Pergerakan anti-nuklear mendapat kekuatan dari ketakutan kejadian yang disebabkan. Ketakutan lebih banyak didorong pada tahun 1986, ketika Unit 4 di kilang Chernobyl di Ukraine mengalami reaksi nuklear yang meledak yang meletupkan kemudahan itu, menyebarkan bahan radioaktif di seluruh kawasan dan sebahagian besar Eropah. Pada tahun 1990 -an, Jerman dan terutamanya Perancis memperluaskan loji nuklear mereka, memberi tumpuan kepada reaktor yang lebih kecil dan lebih terkawal. China melancarkan 2 kemudahan nuklearnya yang pertama pada tahun 2007, menghasilkan sejumlah 1,866 mw.

Walaupun tenaga nuklear menduduki tempat ketiga di belakang arang batu dan kuasa hidro di watt global yang dihasilkan, dorongan untuk menutup loji nuklear, ditambah pula dengan peningkatan kos untuk membina dan mengendalikan kemudahan tersebut, telah mencipta pull-back mengenai penggunaan tenaga nuklear untuk kuasa. Perancis memimpin dunia dalam peratusan elektrik yang dihasilkan oleh reaktor nuklear, tetapi di Jerman, solar telah mengatasi nuklear sebagai pengeluar tenaga.

U.S. Masih mempunyai lebih daripada 60 kemudahan nuklear yang beroperasi, tetapi inisiatif undi dan usia reaktor telah menutup tumbuhan di Oregon dan Washington, sementara berpuluh -puluh lebih banyak disasarkan oleh penunjuk perasaan dan kumpulan perlindungan alam sekitar. Pada masa ini, hanya China nampaknya mengembangkan jumlah loji nuklearnya, kerana ia bertujuan untuk mengurangkan pergantungan beratnya terhadap arang batu (faktor utama dalam kadar pencemaran yang sangat tinggi) dan mencari alternatif untuk mengimport minyak.

Kebimbangan

Ketakutan tenaga nuklear berasal dari ekstremnya, kerana kedua -dua senjata dan sumber kuasa. Pembelahan dari reaktor mencipta bahan sisa yang sememangnya berbahaya (lihat lebih lanjut di bawah) dan boleh sesuai untuk bom kotor. Walaupun beberapa negara, seperti Jerman dan Perancis, mempunyai rekod jejak yang sangat baik dengan kemudahan nuklear mereka, contoh lain yang kurang positif, seperti yang dilihat di Pulau Tiga Mile, Chernobyl, dan Fukushima, telah membuat banyak keberatan untuk menerima tenaga nuklear, walaupun ia adalah banyak lebih selamat daripada bahan bakar fosil. Reaktor Fusion boleh suatu hari menjadi sumber tenaga yang berpatutan dan banyak yang diperlukan, tetapi hanya jika keadaan yang melampau diperlukan untuk membuat gabungan dan menguruskannya dapat diselesaikan.

Sisa nuklear

Produk sampingan pembelahan adalah sisa radioaktif yang mengambil ribuan tahun untuk kehilangan tahap radiasi yang berbahaya. Ini bermakna reaktor pembelahan nuklear juga mesti melindungi sisa ini dan pengangkutannya ke tapak penyimpanan atau tempat pembuangan yang tidak berpenghuni. Untuk maklumat lanjut mengenai ini, baca mengenai pengurusan sisa radioaktif.

Kejadian semula jadi

Secara semula jadi, gabungan berlaku di bintang, seperti matahari. Di Bumi, gabungan nuklear pertama kali dicapai dalam penciptaan bom hidrogen. Fusion juga telah digunakan dalam peranti eksperimen yang berbeza, selalunya dengan harapan menghasilkan tenaga dalam fesyen terkawal.

Sebaliknya, pembelahan adalah proses nuklear yang biasanya tidak berlaku dalam alam semula jadi, kerana ia memerlukan jisim yang besar dan neutron kejadian. Walaupun begitu, terdapat contoh pembelahan nuklear dalam reaktor semula jadi. Ini ditemui pada tahun 1972 apabila deposit uranium dari Oklo, Gabon, lombong didapati pernah mengalami reaksi pembelahan semula jadi kira -kira 2 bilion tahun yang lalu.

Kesan

Ringkasnya, jika tindak balas pembelahan tidak terkawal, sama ada ia meletup atau reaktor yang menjana ia mencairkan ke dalam timbunan besar Slag Radioaktif. Ledakan atau kemelut seperti itu melepaskan banyak zarah radioaktif ke udara dan mana -mana permukaan jiran (tanah atau air), mencemarkannya setiap minit reaksi berterusan. Sebaliknya, tindak balas gabungan yang kehilangan kawalan (menjadi tidak seimbang) melambatkan dan menurunkan suhu sehingga ia berhenti. Inilah yang berlaku kepada bintang -bintang ketika mereka membakar hidrogen mereka ke helium dan kehilangan unsur -unsur ini beribu -ribu abad pengusiran. Fusion menghasilkan sedikit sisa radioaktif. Sekiranya terdapat kerosakan, ia akan berlaku kepada persekitaran terdekat reaktor fusion dan sedikit lagi.

Jauh lebih selamat untuk menggunakan gabungan untuk menghasilkan kuasa, tetapi pembelahan digunakan kerana ia memerlukan tenaga yang kurang untuk memecah dua atom daripada yang dilakukan untuk menggabungkan dua atom. Juga, cabaran teknikal yang terlibat dalam mengawal tindak balas gabungan belum diatasi.

Penggunaan senjata nuklear

Semua senjata nuklear memerlukan tindak balas pembelahan nuklear untuk bekerja, tetapi bom pembelahan "tulen", yang menggunakan tindak balas pembelahan sahaja, dikenali sebagai atom, atau atom, bom. Bom Atom pertama kali diuji di New Mexico pada tahun 1945, semasa ketinggian Perang Dunia II. Pada tahun yang sama, Amerika Syarikat menggunakannya sebagai senjata di Hiroshima dan Nagasaki, Jepun.

Sejak bom atom, sebahagian besar senjata nuklear yang telah dicadangkan dan/atau direkayasa telah meningkatkan reaksi pembelahan (s) dalam satu cara atau yang lain (e.g., Lihat senjata pembelahan, bom radiologi, dan bom neutron). Senjata Thermonuclear - Senjata yang menggunakan kedua -dua pembelahan dan Fusion berasaskan hidrogen-adalah salah satu kemajuan senjata yang lebih terkenal. Walaupun tanggapan senjata termonuklear dicadangkan seawal tahun 1941, tidak sampai awal 1950-an bahawa bom hidrogen (b-bom) pertama kali diuji. Tidak seperti bom atom, bom hidrogen mempunyai tidak digunakan dalam peperangan, hanya diuji (e.g., Lihat Tsar Bomba).

Sehingga kini, tiada senjata nuklear menggunakan gabungan nuklear sahaja, walaupun program pertahanan kerajaan telah meletakkan penyelidikan yang besar ke dalam kemungkinan seperti itu.

Kos

Pembelahan adalah bentuk pengeluaran tenaga yang kuat, tetapi ia dilengkapi dengan ketidakcekapan terbina dalam. Bahan api nuklear, biasanya uranium-235, mahal untuk saya dan membersihkan. Reaksi pembelahan menghasilkan haba yang digunakan untuk mendidih air untuk stim untuk menghidupkan turbin yang menjana elektrik. Transformasi ini dari tenaga haba ke tenaga elektrik adalah rumit dan mahal. Sumber ketiga ketidakcekapan ialah pembersihan dan penyimpanan sisa nuklear sangat mahal. Sisa adalah radioaktif, memerlukan pelupusan yang betul, dan keselamatan mesti ketat untuk memastikan keselamatan awam.

Untuk gabungan berlaku, atom mesti terkurung di medan magnet dan dinaikkan kepada suhu 100 juta kelvin atau lebih. Ini memerlukan banyak tenaga untuk memulakan gabungan (bom atom dan laser dianggap memberikan "percikan"), tetapi ada juga keperluan untuk mengandungi medan plasma untuk pengeluaran tenaga jangka panjang. Penyelidik masih berusaha mengatasi cabaran ini kerana gabungan sistem pengeluaran tenaga yang lebih selamat dan lebih kuat daripada pembelahan, yang bermaksud ia akhirnya akan kos kurang daripada pembelahan.