6 просмотров

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).

Статья в тему:  Как далеко может распространяться ядерное излучение

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.

Статья в тему:  В чем ключевое отличие химических и ядерных реакций?

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.

Статья в тему:  Какое химическое вещество способствует парниковому эффекту мозга

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

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
0
Оставьте комментарий! Напишите, что думаете по поводу статьи.x