Как сохраняется энергия при делении ядер

1 — Ядерная связь и доступная энергия

Развиваем дальше то, что начали обсуждать в прошлый раз. Давайте рассмотрим, что мы знаем о том, как ядра с разной атомной массой (А) связываются друг с другом. Для удобства определим как легкие ядра те, у которых А намного меньше 60, что мы выражаем символически как А > 60.

Самые легкие ядра, такие как дейтерий и тритий, имеют наименьшую энергию связи. Наибольшая энергия связи имеет место для средних ядер. Железо-56 является наиболее прочно связанным ядром. Самые тяжелые ядра связаны не так слабо, как самые легкие ядра, но связаны менее прочно, чем ядра с А ~ 60.

Давайте рассмотрим некоторые важные моменты. Синтез — это процесс объединения двух легких ядер с образованием более прочно связанного более тяжелого ядра с высвобождением частицы. обычно нейтрон. Деление — это процесс, при котором тяжелое ядро ​​распадается на два средних ядра с высвобождением двух или более нейтронов. Далее следуют два из множества примеров:
Слияние. H-2 + H-3 —> He-4 + n
Деление. н + У-235 —> Хе-134 + Sr-100 + 2н

Обратите внимание на упрощенную запись выше. H-2 и H-3 обозначают изотопы водорода A=2 и A=3. He-4 – это гелий с A=4. Нейтроны обозначены как n. Химические символы используются для урана (U), ксенона (Xe) и стронция (Sr).

И при делении, и при синтезе сумма масс исходных ядер больше суммы масс конечных продуктов. С энергиями связи все наоборот. Сумма начальных энергий связи меньше суммы конечных энергий связи. Это два взаимодополняющих взгляда на одно и то же. сохранение энергии. Энергия принимает форму массы, кинетической энергии или потенциальной энергии. И при делении, и при синтезе энергия в форме массы превращается в энергию в форме движения. кинетическая энергия. Энергия связи является формой потенциальной энергии.

2 — Ядерные реакторы деления

Ядерное деление является эффективным источником энергии. Чтобы произвести поток выходной энергии или мощности, цепная реакция должно произойти. Цепная ядерная реакция в реакторе деления имеет следующий вид:
n + X —> Y + Z + быстрые нейтроны.
Медленный нейтрон (n) захватывается делящимся тяжелым ядром, обозначаемым X. X делится на два более легких, но более тесно связанных ядра Y и Z, и испускаются быстрые нейтроны. Реактор содержит достаточный источник расщепляющегося материала для продолжения цепных реакций. Слишком мало расщепляющегося материала можно охарактеризовать как подкритический. т. е. не в состоянии поддерживать цепную реакцию. Реактор также содержит Модератор, обычно вода, которая используется для замедления быстрых нейтронов и облегчения их поглощения. так что цепная реакция будет продолжаться. (Быстрые нейтроны проникают в тяжелое ядро ​​X, не поглощаются и не вызывают его деления.) Стержни управления используются для поглощения нейтронов, чтобы предотвратить слишком быстрое развитие цепной реакции, вызывающее сверхкритический или ситуация бегства.Говорят, что реактор, работающий нормально, поддерживает критический цепная реакция.

Типичный ядерный реактор использует кинетическую энергию нейтронов, образующихся в результате цепной реакции, для нагрева воды, производства пара и привода генератора, вырабатывающего электричество.

3 — Ядерный синтез: энергия Солнца и надежда на будущее

Ядерных термоядерных реакторов не существует, потому что мы не знаем, как использовать термоядерный синтез для создания практического реактора. то есть тот, который генерирует больше энергии с помощью своего топлива, чем количество энергии, необходимое для запуска процесса синтеза. Однако существует большой интерес к использованию термоядерного синтеза в качестве источника энергии, поскольку это чистая и распространенная форма энергии. Но остается задача создать практичный термоядерный реактор, который вырабатывает больше энергии, чем потребляет.

Ядерный синтез постоянно происходит в звездах, в том числе и в нашей собственной звезде, Солнце. Для слияния ядер необходимо преодолеть электростатическое отталкивание одного ядра другим. В звездах из-за огромной накопленной массы ядра водорода сливаются между собой за счет гравитационного притяжения. Однако синтезировать ядра в лаборатории на Земле очень сложно. Чтобы смоделировать ситуацию в звездах, необходимо достичь огромных температур. Помните, что температура является мерой кинетической энергии, поэтому необходимо, чтобы ядра с достаточной кинетической энергией столкнулись друг с другом, чтобы вызвать синтез. В настоящее время исследуются два основных метода ядерного синтеза: магнитное удержание и инерционное удержание. В магнитном удержании горячая плазма удерживается магнитным полем в устройстве, называемом Токамак. Внутреннее заключение включает в себя стрельбу лазерными лучами по крошечным гранулам материала. Исследования в области термоядерного синтеза продолжаются, но предстоит пройти долгий путь, прежде чем будет найдено практическое решение.

Взгляните на веб-сайт, который я создал для Принстонской лаборатории физики плазмы.Это дает ясное и простое обсуждение ядерного синтеза и надежду на строительство практического термоядерного реактора в качестве источника энергии в будущем. Также см. Веб-сайт II для моделирования, которое иллюстрирует принцип Токамака, устройства, которое в конечном итоге может обеспечить практическую термоядерную энергию.

4 — Практические соображения: ядерное деление против ядерного синтеза — плюсы и минусы

Ядерное деление
Плюсы Технология существует и хорошо работает.
Минусы При делении образуются вредные отходы, которые необходимо где-то хранить; запасы делящегося материала ограничены, хотя практичным решением могут быть реакторы-размножители, создающие делящийся материал; распространение расщепляющихся материалов увеличивает угрозу выхода ядерного оружия из-под контроля.

Термоядерная реакция
Плюсы Ядерный синтез чист; существует практически безграничный запас плавящегося материала. изотопы водорода. Токамак или что-то подобное — это своего рода реактор, который в конечном итоге может стать практическим источником термоядерной энергии.
Минусы Технологии не существует, и некоторые думают, что никогда не будет. Токамак — хорошая идея, но еще предстоит показать, что им можно управлять таким образом, чтобы он производил непрерывный источник энергии.

Р.С. Панвини
3/22/2003