Kärnklyvning och fusion

Kärnfusion och kärnklyvning är olika typer av reaktioner som frigör energi på grund av närvaron av högdrivna atombindningar mellan partiklar som finns i en kärna. I fission delas en atom upp i två eller flera mindre, lättare atomer. Fusion, däremot, inträffar när två eller flera mindre atomer smälter samman och skapar en större, tyngre atom.

Jämförelsediagram

Nuclear Fission kontra Nuclear Fusion jämförelse diagram
Kärnfission Kärnfusion
DefinitionFission är att en stor atom delas upp i två eller flera mindre.Fusion är sammansmältningen av två eller flera lättare atomer till en större.
Naturlig förekomst av processenKlyvningsreaktion förekommer normalt inte i naturen.Fusion inträffar i stjärnor, till exempel solen.
Byprodukter av reaktionenFission producerar många mycket radioaktiva partiklar.Få radioaktiva partiklar produceras genom fusionsreaktion, men om en fission "trigger" används kommer radioaktiva partiklar att uppstå av det.
BetingelserKritisk massa av ämnet och höghastighetsneutroner krävs.Miljö med hög densitet och hög temperatur krävs.
EnergikravTar lite energi för att dela upp två atomer i en klyvningsreaktion.Extremt hög energi krävs för att få två eller flera protoner tillräckligt nära för att kärnkrafterna ska övervinna deras elektrostatiska avstötning.
Energi släpptEnergin som frigörs genom klyvning är en miljon gånger större än den som frigörs vid kemiska reaktioner, men lägre än den energi som frigörs genom kärnfusion.Energin som frigörs genom fusion är tre till fyra gånger större än den energi som frigörs genom fission.
KärnvapenEn klass med kärnvapen är en klyvningsbombe, även känd som en atombomb eller atombom.En klass med kärnvapen är vätebomben, som använder en klyvningsreaktion för att "utlösa" en fusionsreaktion.
EnergiproduktionKlyvning används i kärnkraftverk.Fusion är en experimentell teknik för att producera kraft.
BränsleUran är det primära bränslet som används i kraftverk.Väteisotoper (Deuterium och Tritium) är det primära bränslet som används i experimentella fusionskraftverk.

Definitioner

Fusion av deuterium med tritium som skapar helium-4, frigör en neutron och släpper 17, 59 MeV energi.

Kärnfusion är den reaktion där två eller flera kärnor kombineras och bildar ett nytt element med ett högre atomantal (fler protoner i kärnan). Energin som frigörs i fusion är relaterad till E = mc 2 (Einsteins berömda energimassekvation). På jorden är den mest troliga fusionsreaktionen Deuterium – Tritium-reaktion. Deuterium och Tritium är isotoper av väte.

2 1 Deuterium + 3 1 Tritium = 4 2 He + 1 0 n + 17, 6 MeV

[Bild: Fission-Reaction.svg | tummen | ingen | Fission Reaction]]

Kärnklyvning är uppdelningen av en massiv kärna i fotoner i form av gammastrålar, fria neutroner och andra subatomära partiklar. I en typisk kärnreaktion som involverar 235U och en neutron:

235 92 U + n = 236 92 U

följd av

236 92 U = 144 56 Ba + 89 36 Kr + 3 n + 177 MeV

Fission mot fusionsfysik

Atomer hålls samman av två av de fyra grundläggande krafterna i naturen: de svaga och starka kärnbindningarna. Den totala mängden energi som hålls inom atomernas bindningar kallas bindande energi. Ju mer bindande energi som hålls inom bindningarna, desto stabilare är atomen. Dessutom försöker atomer bli mer stabila genom att öka deras bindande energi.

Kärnan i en järnatom är den mest stabila nukleon som finns i naturen, och den varken smälter eller delas. Därför är järn högst upp i den bindande energikurvan. För atomkärnor som är lättare än järn och nickel kan energi utvinnas genom att kombinera järn- och nickelkärnor genom kärnfusion. Däremot, för atomkärnor som är tyngre än järn eller nickel, kan energi frigöras genom att dela de tunga kärnorna genom kärnklyvning.

Begreppet att dela upp atomen uppstod från den nyzeeländskfödda brittiska fysikern Ernest Rutherfords arbete, vilket också ledde till upptäckten av protonen.

Villkor för fission och fusion

Klyvning kan endast ske i stora isotoper som innehåller fler neutroner än protoner i deras kärnor, vilket leder till en något stabil miljö. Även om forskare ännu inte helt förstår varför denna instabilitet är så användbar för klyvning är den allmänna teorin att det stora antalet protoner skapar en stark avvisande kraft mellan dem och att för få eller för många neutroner skapar "luckor" som orsakar försvagning av kärnbindningen, vilket leder till förfall (strålning). Dessa stora kärnor med fler "luckor" kan "delas" genom påverkan av termiska neutroner, så kallade "långsamma" neutroner.

Förhållandena måste vara rätt för att en klyvningsreaktion ska kunna inträffa. För att fission ska vara självbärande måste ämnet nå kritisk massa, den minsta mängden massa som krävs; när den kritiska massan saknar begränsar reaktionslängden till bara mikrosekunder. Om kritisk massa nås för snabbt, vilket innebär att för många neutroner frigörs i nanosekunder, blir reaktionen rent explosiv och ingen kraftfull frisättning av energi kommer att inträffa.

Kärnreaktorer är mestadels kontrollerade klyvningssystem som använder magnetfält för att innehålla bortfallande neutroner; detta skapar ett ungefär 1: 1-förhållande av neutronfrisättning, vilket innebär att en neutron framträder från effekten av en neutron. Eftersom detta antal kommer att variera i matematiska proportioner, under det som kallas Gauss-distribution, måste magnetfältet upprätthållas för att reaktorn ska fungera, och styrstavar måste användas för att bromsa eller påskynda neutronaktiviteten.

Fusion händer när två lättare element tvingas samman av enorm energi (tryck och värme) tills de smälter in i en annan isotop och släpper energi. Energin som behövs för att starta en fusionsreaktion är så stor att det tar en atomexplosion att producera denna reaktion. När fusionen börjar kan den fortfarande fortsätta att producera energi så länge den kontrolleras och de grundläggande fusionsisotoperna tillhandahålls.

Den vanligaste formen av fusion, som förekommer i stjärnor, kallas "DT-fusion", med hänvisning till två väteisotoper: deuterium och tritium. Deuterium har 2 neutroner och tritium har 3, mer än en proton av väte. Detta underlättar fusionsprocessen eftersom endast laddningen mellan två protoner behöver övervinnas, eftersom sammansmältning av neutronerna och protonen kräver att man övervinner den naturliga avvisande kraften hos liknande laddade partiklar (protoner har en positiv laddning jämfört med neutronernas brist på laddning ) och en temperatur - för ett ögonblick - på nära 81 miljoner grader Fahrenheit för DT-fusion (45 miljoner Kelvin eller något mindre i Celsius). Som jämförelse är solens kärntemperatur ungefär 27 miljoner F (15 miljoner C). [1]

När denna temperatur har uppnåtts måste den resulterande fusionen innehålla tillräckligt länge för att generera plasma, ett av de fyra tillstånden av materia. Resultatet av en sådan inneslutning är en frigörelse av energi från DT-reaktionen, vilket producerar helium (en ädelgas, inert till varje reaktion) och sparar neutroner än som kan "fröa" väte för fler fusionsreaktioner. För närvarande finns det inga säkra sätt att inducera den initiala fusionstemperaturen eller innehålla smältreaktionen för att uppnå ett stabilt plasmatillstånd, men ansträngningar pågår.

En tredje reaktortyp kallas uppfödningsreaktor. Det fungerar genom att använda klyvning för att skapa plutonium som kan frö eller fungera som bränsle för andra reaktorer. Uppfödningsreaktorer används i stor utsträckning i Frankrike, men är oöverkomligt dyra och kräver betydande säkerhetsåtgärder, eftersom resultatet av dessa reaktorer också kan användas för att tillverka kärnvapen.

Kedjereaktion

Klyvningsreaktion med fission och fusion är kedjereaktioner, vilket innebär att en kärnkraftshändelse orsakar åtminstone en annan kärnreaktion, och vanligen mer. Resultatet är en ökande cykel av reaktioner som snabbt kan bli okontrollerade. Denna typ av kärnreaktion kan vara flera delningar av tunga isotoper (t.ex. 235 U) eller sammanslagning av lätta isotoper (t.ex. 2H och 3H).

Fissionskedjereaktioner inträffar när neutroner bombarderar instabila isotoper. Denna typ av "slag och spridning" -process är svår att kontrollera, men de initiala förhållandena är relativt enkla att uppnå. En fusionskedjereaktion utvecklas endast under extrema tryck- och temperaturförhållanden som förblir stabila av den energi som frigörs i fusionsprocessen. Både de initiala förhållandena och stabiliserande fält är mycket svåra att utföra med aktuell teknik.

Energiförhållanden

Fusionsreaktioner släpper 3-4 gånger mer energi än fissionreaktioner. Även om det inte finns några jordbaserade fusionssystem, är solens produktion typisk för produktion av fusionsenergi genom att den ständigt omvandlar väteisotoper till helium, och emitterar spektra av ljus och värme. Klyvning genererar sin energi genom att bryta ner en kärnkraft (den starka) och släppa enorma mängder värme än som används för att värma vatten (i en reaktor) för att sedan generera energi (el). Fusion övervinner 2 kärnkrafter (starka och svaga), och den frigjorda energin kan användas direkt för att driva en generator; så att inte bara mer energi frigörs, det kan också utnyttjas för mer direkt applikation.

Användning av kärnenergi

Den första experimentella kärnreaktorn för energiproduktion började arbeta i Chalk River, Ontario, 1947. Den första kärnkraftsanläggningen i USA, Experimental Breeder Reactor-1, lanserades kort därefter, 1951; det kunde tända 4 lampor. Tre år senare, 1954, lanserade USA sin första kärnbåtbåt, USS Nautilus, medan USSR lanserade världens första kärnreaktor för storskalig kraftproduktion, i Obninsk. USA invigde sin kärnkraftproduktionsanläggning ett år senare och lyser upp Arco, Idaho (pop. 1 000).

Den första kommersiella anläggningen för energiproduktion med kärnreaktorer var Calder Hall Plant i Windscale (nu Sellafield), Storbritannien. Det var också platsen för den första kärnkraftsrelaterade olyckan 1957, då en brand bröt ut på grund av strålningsläckor.

Den första storskaliga amerikanska kärnkraftsanläggningen öppnades i Shippingport, Pennsylvania, 1957. Mellan 1956 och 1973 lanserades nästan 40 kraftproduktionskärnreaktorer i USA, den största var Unit One av Zion Nuclear Power Station i Illinois, med en kapacitet på 1 155 megawatt. Inga andra reaktorer som har beställts sedan har kommit online, även om andra lanserades efter 1973.

Fransmännen lanserade sin första kärnreaktor, Phénix, kapabel att producera 250 megawatt kraft, 1973. Den mest kraftfulla energiproducerande reaktorn i USA (1 315 MW) öppnade 1976 vid Trojan Power Plant i Oregon. År 1977 hade USA 63 kärnkraftverk i drift, vilket tillhandahöll 3% av landets energibehov. Ytterligare 70 skulle planeras komma online 1990.

Enhet två på Three Mile Island led en delvis nedsmältning och släppte inerta gaser (xenon och krypton) i miljön. Den kärnkraftsrörelsen fick styrka av rädsla som incidenten orsakade. Rädslan brände ännu mer under 1986, när enhet 4 vid Tjernobyl-anläggningen i Ukraina led en kärnreaktion som sprängde anläggningen och spridade radioaktivt material i hela området och en stor del av Europa. Under 1990-talet utökade Tyskland och särskilt Frankrike sina kärnkraftverk med fokus på mindre och därmed mer kontrollerbara reaktorer. Kina lanserade sina första 2 kärnkraftsanläggningar 2007 och producerade totalt 1 866 MW.

Även om kärnenergi rankas som tredje bakom kol och vattenkraft i det globala producerade wattaget, har drivkraften för att stänga kärnkraftverk, i kombination med de ökande kostnaderna för att bygga och driva sådana anläggningar, skapat ett återdrag i användningen av kärnenergi för kraft. Frankrike leder världen i procent av el som produceras av kärnreaktorer, men i Tyskland har solen gått över kärnkraft som energiproducent.

USA har fortfarande över 60 kärnkraftsanläggningar i drift, men omröstningsinitiativ och reaktoråldrar har stängt anläggningar i Oregon och Washington, medan dussintals fler riktas av demonstranter och miljöskyddsgrupper. För närvarande verkar det bara Kina som expanderar sitt antal kärnkraftverk, eftersom det försöker minska sitt stora beroende av kol (den viktigaste faktorn i dess extremt höga föroreningsgrad) och söka ett alternativ till import av olja.

oro

Rädslan för kärnenergi kommer från dess ytterligheter, både som vapen och kraftkälla. Klyvning från en reaktor skapar avfallsmaterial som i sig är farligt (se mer nedan) och kan vara lämpligt för smutsiga bomber. Även om flera länder, som Tyskland och Frankrike, har utmärkta banförteckningar med sina kärnkraftsanläggningar, har andra mindre positiva exempel, som de som ses på Three Mile Island, Tjernobyl och Fukushima, gjort många motvilliga att acceptera kärnenergi, även om det är mycket säkrare än fossilt bränsle. Fusionsreaktorer kan en dag vara den prisvärda, rikliga energikällan som behövs, men bara om de extrema förhållanden som krävs för att skapa fusion och hantera den kan lösas.

Kärnavfall

Biprodukten av klyvning är radioaktivt avfall som tar tusentals år att förlora sina farliga strålningsnivåer. Detta innebär att kärnkraftsreaktorer också måste ha skyddsåtgärder för detta avfall och dess transport till obebodda lagrings- eller dumpningsplatser. För mer information om detta, läs om hantering av radioaktivt avfall.

Naturlig förekomst

I naturen förekommer fusion i stjärnor, till exempel solen. På jorden uppnåddes först kärnfusion i skapandet av vätebomben. Fusion har också använts i olika experimentella enheter, ofta med hopp om att producera energi på ett kontrollerat sätt.

Å andra sidan är klyvning en kärnkraftsprocess som normalt inte förekommer i naturen, eftersom den kräver en stor massa och en infallande neutron. Trots detta har det funnits exempel på kärnklyvning i naturliga reaktorer. Detta upptäcktes 1972 när uranavlagringar från en Oklo, Gabon, gruva befanns ha en gång haft en naturlig klyvningsreaktion för ungefär 2 miljarder år sedan.

effekter

I korthet, om en klyvningsreaktion kommer ur kontroll, exploderar den antingen eller reaktorn som alstrar den smälter ned i en stor hög med radioaktivt slagg. Sådana explosioner eller nedsmältningar frigör massor av radioaktiva partiklar i luften och eventuell angränsande yta (land eller vatten), vilket förorenar det varje minut som reaktionen fortsätter. Däremot saktar en fusionsreaktion som förlorar kontrollen (blir obalanserad) ner och sjunker temperaturen tills den slutar. Det här är vad som händer med stjärnor när de förbränner sitt väte till helium och förlorar dessa element under tusentals hundra år av utvisning. Fusion producerar lite radioaktivt avfall. Om det finns någon skada kommer det att hända med de omedelbara omgivningarna i fusionsreaktorn och lite annat.

Det är mycket säkrare att använda fusion för att producera kraft, men fission används eftersom det tar mindre energi för att dela upp två atomer än för att smälta två atomer. Dessutom har de tekniska utmaningarna för att kontrollera fusionsreaktioner ännu inte övervunnits.

Användning av kärnvapen

Alla kärnvapen kräver en kärnkraftsreaktion för att fungera, men "rena" klyvningsbomber, de som använder en klyvningsreaktion ensam, är kända som atom- eller atombomber. Atombomber testades först i New Mexico 1945, under andra världskrigets höjd. Samma år använde USA dem som ett vapen i Hiroshima och Nagasaki, Japan.

Sedan atombomben har de flesta kärnvapen som har föreslagits och / eller konstruerats förbättrat klyvningsreaktionen på ett eller annat sätt (se förstärkta klyvningsvapen, radiologiska bomber och neutronbomber). Termonukleärt vapen - ett vapen som använder både klyvning och vätebaserad fusion - är ett av de mest kända vapenutvecklingen. Även om föreställningen om ett termonukleärt vapen föreslogs redan 1941, var det först i början av 1950-talet att vätebomben (H-bomben) först testades. Till skillnad från atombomber har vätebomber inte använts i krigföring, de testades bara (t.ex. se Tsar Bomba).

Hittills använder inget kärnvapen enbart kärnfusion, även om statliga försvarsprogram har lagt betydande forskning på en sådan möjlighet.

Kosta

Klyvning är en kraftfull form av energiproduktion, men den har inbyggda ineffektivitet. Kärnbränslet, vanligtvis Uranium-235, är dyrt att bryta och rena. Klyvningsreaktionen skapar värme som används för att koka vatten för ånga för att vrida en turbin som genererar elektricitet. Denna omvandling från värmeenergi till elektrisk energi är besvärlig och dyr. En tredje ineffektivitetskälla är att sanering och lagring av kärnavfall är mycket dyrt. Avfall är radioaktivt och kräver korrekt bortskaffelse och säkerheten måste vara stram för att säkerställa allmän säkerhet.

För att fusion ska inträffa måste atomerna begränsas i magnetfältet och höjas till en temperatur på 100 miljoner Kelvin eller mer. Detta kräver en enorm mängd energi för att initiera fusion (atombomber och lasrar tros ge den "gnistan"), men det finns också behovet av att ordentligt innehålla plasmafältet för långsiktig energiproduktion. Forskare försöker fortfarande att övervinna dessa utmaningar eftersom fusion är ett säkrare och kraftfullare energiproduktionssystem än klyvning, vilket innebär att det i slutändan skulle kosta mindre än klyvning.

Relaterade Artiklar