Jaderné štěpení a fúze

Jaderná fůze a jaderné štěpení jsou různé typy reakcí, které uvolňují energii v důsledku přítomnosti vysoce výkonných atomových vazeb mezi částicemi v jádru. Při štěpení je atom rozdělen na dva nebo více menších, lehčích atomů. Naopak k fúzi dochází, když se dva nebo více menších atomů spojí dohromady a vytvoří větší, těžší atom.

Srovnávací tabulka

Srovnávací tabulka jaderného štěpení proti jaderné fúzi

	Jaderné štěpení	Jaderná fůze
Definice	Štěpení je rozdělení velkého atomu na dva nebo více menších.	Fúze je roztavení dvou nebo více lehčích atomů na větší.
Přirozený výskyt procesu	Štěpná reakce se v přírodě normálně nevyskytuje.	K fúzi dochází ve hvězdách, jako je slunce.
Vedlejší produkty reakce	Štěpení produkuje mnoho vysoce radioaktivních částic.	Fúzní reakcí se produkuje jen málo radioaktivních částic, ale pokud se použije štěpná „spoušť“, výsledkem budou radioaktivní částice.
Podmínky	Vyžaduje se kritická hmotnost látky a vysokorychlostních neutronů.	Vyžaduje se prostředí s vysokou hustotou a vysokou teplotou.
Energetický požadavek	Rozštěpení dvou atomů při štěpné reakci vyžaduje jen malou energii.	K tomu, aby dva nebo více protonů byly dostatečně blízko, aby jaderné síly překonaly elektrostatický odpor, je zapotřebí extrémně vysoká energie.
Energie uvolněna	Energie uvolněná štěpením je milionkrát větší než energie uvolněná při chemických reakcích, ale nižší než energie uvolněná jadernou fúzí.	Energie uvolněná fúzí je třikrát až čtyřikrát větší než energie uvolněná štěpením.
Jaderná zbraň	Jedna třída jaderné zbraně je štěpná bomba, také známá jako atomová bomba nebo atomová bomba.	Jednou třídou jaderné zbraně je vodíková bomba, která používá štěpnou reakci k „spuštění“ fúzní reakce.
Výroba energie	Štěpení se používá v jaderných elektrárnách.	Fusion je experimentální technologie pro výrobu energie.
Palivo	Uran je primární palivo používané v elektrárnách.	Izotopy vodíku (Deuterium a Tritium) jsou primární palivo používané v experimentálních fúzních elektrárnách.

Obsah: Jaderné štěpení a fúze

• 1 Definice
• 2 Fyzika štěpení vs. fúze
  • 2.1 Podmínky štěpení a fúze
  • 2.2 Řetězová reakce
  • 2.3 Poměry energie
• 3 Využití jaderné energie
  • 3.1 Obavy
  • 3.2 Jaderný odpad
• 4 Přirozený výskyt
• 5 efektů
• 6 Použití jaderných zbraní
• 7 Náklady
• 8 Reference

Definice

Fúze deuteria s tritiem vytváří helium-4, uvolňuje neutron a uvolňuje 17,59 MeV energie.

Jaderná fúze je reakce, ve které se kombinují dvě nebo více jader a tvoří nový prvek s vyšším atomovým číslem (více protonů v jádru). Energie uvolněná při fúzi souvisí s E = mc ² (Einsteinova slavná rovnice energie a hmoty). Na Zemi je nejpravděpodobnější fúzní reakcí reakce Deuterium-Tritium. Deuterium a tritium jsou izotopy vodíku.

² ₁Deuterium + ³ ₁Tritium = ⁴₂On + ¹₀n + 17,6 MeV

[Obrázek: Fission-Reaction.svg | thumb | none | Fission Reaction]]

Nukleární štěpení je rozdělení masivního jádra na fotony ve formě paprsků gama, volných neutronů a dalších subatomárních částic. Při typické jaderné reakci ²³⁵U a neutron:

²³⁵₉₂U + n = ²³⁶₉₂U

následován

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

Fyzika štěpení vs. fúze

Atomy drží pohromadě dvě ze čtyř základních přírodních sil: slabé a silné jaderné vazby. Celkové množství energie držené uvnitř svazků atomů se nazývá vazebná energie. Čím více vazebné energie má uvnitř vazeb, tím stabilnější je atom. Atomy se navíc pokoušejí být stabilnější zvýšením své vazebné energie.

Nukleon atomu železa je nejstabilnější nukleon, který se nachází v přírodě, a neuzavírá ani nerozděluje. Proto je železo na vrcholu křivky vazebné energie. Pro atomová jádra lehčí než železo a nikl lze energii extrahovat pomocí kombinující jádra železa a niklu dohromady prostřednictvím jaderné fúze. Naproti tomu pro atomová jádra těžší než železo nebo nikl může být energie uvolněna rozdělení těžká jádra štěpením.

Představa o rozdělení atomu vznikla z práce britského fyzika Ernesta Rutherforda narozeného na Novém Zélandu, což také vedlo k objevu protonu.

Podmínky pro štěpení a fúzi

Štěpení může nastat pouze u velkých izotopů, které obsahují více neutronů než protonů v jejich jádrech, což vede k mírně stabilnímu prostředí. Ačkoli vědci dosud plně nechápou, proč je tato nestabilita pro štěpení tak užitečná, obecná teorie je taková, že velké množství protonů mezi nimi vytváří silnou odpudivou sílu a že příliš málo nebo příliš mnoho neutronů vytváří „mezery“, které způsobují oslabení jaderná vazba vedoucí k rozkladu (záření). Tato velká jádra s více „mezerami“ mohou být „rozdělena“ vlivem tepelných neutronů, tzv. „Pomalých“ neutronů.

Podmínky pro štěpnou reakci musí být správné. Aby bylo štěpení soběstačné, musí látka dosáhnout kritického množství, minimálního požadovaného množství; nedosažení kritické hmotnosti omezuje délku reakce na pouhé mikrosekundy. Pokud je kritické množství dosaženo příliš rychle, což znamená, že v nanosekundách je uvolněno příliš mnoho neutronů, reakce se stává čistě výbušnou a nedochází k žádnému mocnému uvolňování energie..

Jaderné reaktory jsou většinou řízené štěpné systémy, které používají magnetická pole k zachycení zbloudilých neutronů; to vytváří zhruba 1: 1 poměr uvolňování neutronů, což znamená, že jeden neutron se vynoří z dopadu jednoho neutronu. Protože toto číslo se bude lišit v matematických proporcích, pod tím, co je známé jako Gaussovo rozdělení, musí být magnetické pole udržováno, aby reaktor fungoval, a regulační tyče musí být použity ke zpomalení nebo urychlení neutronové aktivity..

K fúzi dochází, když jsou dva lehčí elementy přinuceny obrovskou energií (tlak a teplo), dokud se nerozpojí do jiného izotopu a neuvolní energii. Energie potřebná k zahájení fúzní reakce je tak velká, že k vytvoření této reakce vyžaduje atomovou explozi. Přesto, jakmile začne fúze, může teoreticky pokračovat v produkci energie, pokud je řízena a jsou dodávány základní fixační izotopy.

Nejběžnější forma fúze, která se vyskytuje ve hvězdách, se nazývá „D-T fúze“, která odkazuje na dva izotopy vodíku: deuterium a tritium. Deuterium má 2 neutrony a tritium má 3, více než jeden proton vodíku. To usnadňuje proces fúze, protože je třeba překonat pouze náboj mezi dvěma protony, protože roztavení neutronů a proton vyžaduje překonání přirozené repelentní síly podobně nabitých částic (protony mají kladný náboj, ve srovnání s nedostatkem náboje neutronů) ) a teplota - na okamžik - téměř 81 milionů stupňů Fahrenheita pro fúzi DT (45 milionů Kelvinů nebo mírně méně ve stupních Celsia). Pro srovnání, teplota jádra Slunce je zhruba 27 milionů F (15 milionů C).^[1]

Jakmile je tato teplota dosažena, musí být výsledná fúze uzavřena dostatečně dlouho, aby se vytvořila plazma, jeden ze čtyř stavů hmoty. Výsledkem takového zadržení je uvolnění energie z D-T reakce, vytvoření helia (vzácný plyn, inertní ke každé reakci) a náhradní neutrony, než může „očkovat“ vodík pro více fúzních reakcí. V současné době neexistují žádné bezpečné způsoby, jak vyvolat počáteční fúzní teplotu nebo udržet fúzní reakci k dosažení stabilního stavu plazmy, ale úsilí stále pokračuje.

Třetí typ reaktoru se nazývá chovatelský reaktor. Funguje tak, že se štěpením vytvoří plutonium, které může osivo nebo sloužit jako palivo pro jiné reaktory. Šlechtitelské reaktory se ve Francii hojně používají, jsou však neúměrně drahé a vyžadují významná bezpečnostní opatření, protože výstup těchto reaktorů lze použít i pro výrobu jaderných zbraní..

Řetězová reakce

Štěpné a fúzní jaderné reakce jsou řetězové reakce, což znamená, že jedna jaderná událost způsobuje alespoň jednu další jadernou reakci a obvykle více. Výsledkem je zvyšující se cyklus reakcí, které mohou být rychle nekontrolovatelné. Tento typ jaderné reakce může být vícenásobné rozdělení těžkých izotopů (např. ²³⁵ U) nebo sloučení izotopů světla (např. ²Ruka ³H).

Štěpné řetězové reakce nastávají, když neutrony bombardují nestabilní izotopy. Tento typ procesu „nárazu a rozptylu“ je obtížně kontrolovatelný, ale počáteční podmínky jsou relativně jednoduché. Fúzní řetězová reakce se vyvíjí pouze za podmínek extrémního tlaku a teploty, které zůstávají stabilní energií uvolněnou ve fúzním procesu. Při současných technologiích je velmi obtížné provádět počáteční podmínky i stabilizační pole.

Energetické poměry

Fúzní reakce uvolňují 3-4krát více energie než štěpné reakce. Ačkoli neexistují žádné fúzní systémy založené na Zemi, je sluneční produkce typická pro produkci fúzní energie v tom, že neustále přeměňuje izotopy vodíku na helium, emitující spektra světla a tepla. Štěpení generuje svou energii tím, že rozbije jednu jadernou sílu (silnou) a uvolní ohromné ​​množství tepla, než jaké se používá k ohřevu vody (v reaktoru), a pak k výrobě energie (elektřina). Fúze překonává 2 jaderné síly (silné a slabé) a uvolněná energie může být použita přímo k napájení generátoru; takže se nejen uvolňuje více energie, ale lze ji využít i pro přímější aplikaci.

Využití jaderné energie

První experimentální jaderný reaktor pro výrobu energie začal fungovat v Chalk River v Ontariu v roce 1947. První jaderné energetické zařízení v USA, Experimental Breeder Reactor-1, bylo zahájeno krátce poté v roce 1951; mohl rozsvítit 4 žárovky. O tři roky později, v roce 1954, USA zahájilo svou první jadernou ponorku, U.S.S. Nautilus, zatímco U.S.S.R. zahájil v Obninsku první jaderný reaktor na světě pro výrobu velké energie. USA slavnostně otevřely své zařízení na výrobu jaderné energie o rok později a rozsvítily Arco, Idaho (pop. 1 000).

Prvním komerčním zařízením pro výrobu energie pomocí jaderných reaktorů byla Calder Hall Plant ve Windscale (nyní Sellafield) ve Velké Británii. Bylo to také místo první jaderné havárie v roce 1957, kdy vypukl požár kvůli únikům záření.

První velká americká jaderná elektrárna byla otevřena v Shipportu v Pensylvánii v roce 1957. Mezi lety 1956 a 1973 bylo v USA zahájeno téměř 40 jaderných reaktorů na výrobu energie, největší z nich byla jednotka jedna z jaderné elektrárny Zion v Illinois s kapacita 1 155 megawattů. Od té doby nebyly připojeny žádné další reaktory, i když ostatní byly spuštěny po roce 1973.

Francouzi spustili v roce 1973 svůj první jaderný reaktor, Phénix, schopný produkovat 250 megawattů energie. Nejvýkonnější reaktor vyrábějící energii v USA (1 315 MW) byl otevřen v roce 1976 v elektrárně Trojan v Oregonu. V roce 1977 mělo USA v provozu 63 jaderných elektráren, které zajišťovaly 3% energetických potřeb země. Dalších 70 bylo naplánováno na online připojení do roku 1990.

Jednotka dva na ostrově Three Mile Island utrpěla částečné zhroucení a uvolnila inertní plyny (xenon a krypton) do životního prostředí. Protijaderné hnutí získalo sílu ze strachu, který incident způsobil. Obavy byly ještě více podporovány v roce 1986, když 4. blok v černobylské továrně na Ukrajině utrpěl útěk z jaderné reakce, která explodovala zařízení a šířila radioaktivní materiál do celé oblasti a do velké části Evropy. Během 90. let Německo a zejména Francie rozšířily své jaderné elektrárny se zaměřením na menší a tedy kontrolovatelnější reaktory. Čína zahájila v roce 2007 první dvě jaderná zařízení, která vyrobila celkem 1 866 MW.

Ačkoli se jaderná energie řadí na třetím místě za uhlí a vodní energii v celosvětově vyráběném příkonu, tlak na uzavření jaderných elektráren spojený s rostoucími náklady na výstavbu a provoz těchto zařízení vedl k omezení využití jaderné energie pro energii. Francie zaujímá světový podíl v procentech elektřiny vyrobené v jaderných reaktorech, ale v Německu solární energie předstihla jadernou energii jako výrobce energie.

USA mají stále v provozu více než 60 jaderných zařízení, ale iniciativy hlasování a stáří reaktorů uzavřely elektrárny v Oregonu a Washingtonu, zatímco desítky dalších jsou zaměřeny protestujícími a skupinami na ochranu životního prostředí. V současné době se zdá, že pouze Čína rozšiřuje svůj počet jaderných elektráren, protože usiluje o snížení své velké závislosti na uhlí (hlavní faktor její extrémně vysoké míry znečištění) a hledá alternativu k dovozu ropy..

Obavy

Strach z jaderné energie pochází z jejích extrémů, jako zdroje zbraní a energie. Štěpení z reaktoru vytváří odpadní materiál, který je ze své podstaty nebezpečný (viz níže) a může být vhodný pro špinavé bomby. Ačkoli několik zemí, jako je Německo a Francie, mají vynikající výsledky ve svých jaderných zařízeních, jiné méně pozitivní příklady, jako například ty, které vidíme na ostrově Three Mile Island, Černobylu a Fukušimě, učinily mnoho neochotných přijmout jadernou energii, i když je hodně bezpečnější než fosilní palivo. Fúzní reaktory by se jednoho dne mohly stát dostupným a dostatečným zdrojem energie, který je potřebný, ale pouze v případě, že lze vyřešit extrémní podmínky potřebné k vytvoření a správě jaderné syntézy..

Jaderný odpad

Vedlejším produktem štěpení je radioaktivní odpad, který ztratí tisíce let nebezpečnou úroveň záření. To znamená, že jaderné štěpné reaktory musí mít také záruky pro tento odpad a jeho přepravu na neobývaná úložiště nebo skládky. Další informace o tomto tématu naleznete v tématu nakládání s radioaktivním odpadem.

Přirozený výskyt

V přírodě dochází k fúzi ve hvězdách, jako je slunce. Na Zemi byla jaderná fúze poprvé vytvořena při tvorbě vodíkové bomby. Fúze byla také použita v různých experimentálních zařízeních, často s nadějí na výrobu energie kontrolovaným způsobem.

Na druhé straně, štěpení je jaderný proces, který se v přírodě normálně nevyskytuje, protože vyžaduje velkou hmotu a dopadající neutron. Přesto existují příklady jaderného štěpení v přírodních reaktorech. Toto bylo objeveno v roce 1972, kdy bylo zjištěno, že depozity uranu z okla, Gabonu, kdysi před dvěma miliardami let zachovaly přirozenou štěpnou reakci..

Efekty

Stručně řečeno, pokud se štěpná reakce vymkne z kontroly, exploduje nebo se reaktor, který ji vytváří, roztaví do velké hromady radioaktivní strusky. Takové exploze nebo roztavení uvolňují tuny radioaktivních částic do vzduchu a na jakýkoli sousední povrch (půdu nebo vodu) a každou minutu kontaminaci kontaminují. Naopak fúzní reakce, která ztratí kontrolu (stává se nevyváženou), se zpomaluje a klesá teplota, dokud se nezastaví. To se děje hvězdám, když spalují vodík na helium a ztratí tyto prvky po tisíce staletí vyhoštění. Fúze produkuje málo radioaktivního odpadu. Pokud dojde k jakémukoli poškození, stane se to v bezprostředním okolí fúzního reaktoru a málo dalšího.

Je mnohem bezpečnější použít fúzi k výrobě energie, ale štěpení se používá, protože rozštěpení dvou atomů vyžaduje méně energie, než roztavení dvou atomů. Také technické výzvy spojené s řízením fúzních reakcí nebyly dosud překonány.

Použití jaderných zbraní

Všechny jaderné zbraně vyžadují reakci jaderného štěpení, ale „čisté“ štěpné bomby, ty, které používají samotnou štěpnou reakci, jsou známé jako atomové nebo atomové bomby. Atomové bomby byly poprvé testovány v Novém Mexiku v roce 1945, během vrcholu druhé světové války. Ve stejném roce je Spojené státy použily jako zbraň v japonském Hirošimě a Nagasaki.

Od atomové bomby má většina jaderných zbraní, které byly navrženy a / nebo zkonstruovány, vylepšené štěpné reakce (reakce) v jednom nebo druhém směru (např. Viz zesílené štěpné zbraně, radiologické bomby a neutronové bomby). Termonukleární zbraně - zbraň, která používá obě štěpení a fúze na bázi vodíku - je jedním z nejznámějších vylepšení zbraní. Ačkoli představa o termonukleární zbrani byla navržena již v roce 1941, teprve na počátku padesátých let byla nejprve testována vodíková bomba (H-bomba). Na rozdíl od atomových bomb mají vodíkové bomby ne byly použity ve válce, pouze testovány (např. viz Tsar Bomba).

Dosud žádná jaderná zbraň nevyužívá jadernou fúzi sama, ačkoli vládní obranné programy tuto možnost značně prozkoumaly.

Náklady

Štěpení je výkonná forma výroby energie, ale přichází se zabudovanou neefektivitou. Jaderné palivo, obvykle uran-235, je drahé těžit a čistit. Štěpná reakce vytváří teplo, které se používá k vaření vody na páru k přeměně turbíny, která vyrábí elektřinu. Tato přeměna z tepelné energie na elektrickou energii je těžkopádná a nákladná. Třetím zdrojem neefektivnosti je to, že čištění a skladování jaderného odpadu je velmi drahé. Odpad je radioaktivní, vyžaduje správnou likvidaci a bezpečnost musí být přísná, aby byla zajištěna veřejná bezpečnost.

Aby došlo k fúzi, musí být atomy uzavřeny v magnetickém poli a zvýšeny na teplotu 100 milionů Kelvinů nebo více. To vyžaduje enormní množství energie k zahájení fúze (atomové bomby a lasery jsou považovány za "jiskru"), ale je zde také potřeba správně udržovat plazmatické pole pro dlouhodobou výrobu energie. Vědci se stále snaží tyto výzvy překonat, protože fúzí bezpečnějšího a výkonnějšího systému výroby energie než štěpení, což znamená, že by nakonec stálo méně než štěpení.

Reference

• Štěpení a fúze - Brian Swarthout na YouTube
• Časová osa jaderné historie - Vzdělávací databáze online
• Jaderná stabilita a magická čísla - UC Davis ChemWiki
• Wikipedia: Jaderná fúze
• Wikipedia: Jaderné štěpení