Nuklearne transformacije i nuklearna energija. Obrazovni program: Kako dobiti atomsku energiju. Povijest otkrića nuklearne energije

Nuklearna energija iz fisije atoma teških metala već se široko koristi u mnogim zemljama. U nekim zemljama udio ove vrste energije doseže 70% (Francuska, Japan). Vjerojatno će se u sljedećih 50-100 godina energija nuklearne fisije ozbiljno natjecati sa svim drugim vrstama energije koje koristi čovječanstvo. Svjetske rezerve urana, glavnog nositelja energije nuklearne fisije, iznose više od 5 milijuna tona. To znači da je rezerva nuklearne energije za red veličine veća od rezerve svih fosilnih neobnovljivih izvora energije.

Jezgre atoma sastoje se od dvije elementarne čestice, protona i neutrona. Kombinacija protona i neutrona tvori maseni broj koji se sastoji od broja protona i broja neutrona u jezgri atoma:

A = Z str + Z n ,

Gdje Z str– broj protona u jezgri, Z n– broj neutrona. Masa elementarnih čestica mjeri se u jedinicama atomske mase (am) iu kilogramima. Fizičari s velikom točnošću znaju mase glavnih elementarnih čestica. Konkretno, masa protona je:

m str= 1,007276 aem = 1,672623·10 -27 kg;

masa neutrona:

m n = 1,008664 am = 1,674928·10 -27 kg.

Razlika između mase protona i neutrona je mala, ali primjetna. Masa elektrona, od kojih određeni broj tvori elektronski oblak oko jezgre, približno je 1823 puta manja od mase protona ili neutrona, pa se njihov utjecaj obično zanemaruje, barem u grubim izračunima.

Protoni i neutroni prikupljeni u jezgri atoma tvore energiju vezanja jezgre:

E VEZE = ( m str ∙Z str + m n ∙Z n – m JEZGRA)∙ c 2 .

Ova formula daje energiju u J ako je masa dana u kilogramima. Iz formule je jasno da energija vezanja nastaje zbog razlike između mase jezgre i mase pojedinih komponenti jezgre (zbog tzv. defekta mase). Kada jezgra fisira, ta se energija oslobađa.

Jezgre svih elemenata dijele se na:

Stabilan ili pseudostabilan, s vremenom poluraspada od više od milijun godina;

Spontano fisibilan, nestabilan s vremenom poluraspada manjim od milijun godina.

Međutim, postoje elementi čije jezgre dopuštaju umjetnu fisiju ako su njihove jezgre bombardirane neutronima. Ti neutroni, prodirući u jezgru, čine je nestabilnom i uzrokuju njezinu umjetnu fisiju. Trenutno se u energetske svrhe koriste tri varijante takve umjetne podjele:

1.Korištenje U 2 35 i spori (toplinski) neutroni. Toplinski neutroni imaju brzinu ne veću od 2000 m/s.

2.Korištenje Pu 239 ili U 2 33 i spori (toplinski) neutroni. Plutonij Pu 239 i uran U 2 33 ne nalaze se u prirodi i dobivaju se umjetno primjenom treće metode.

3.Korištenje U 2 38 i brzi neutroni s brzinom od oko 30 000 m/s. Također je moguće koristiti Th 232 (torijev ciklus).

Da bi se osigurala kontinuirana nuklearna fisija, neophodna je takozvana fisijska lančana reakcija. Da bi se lančana reakcija dogodila, svaka sljedeća fisija mora uključivati ​​više neutrona od prethodne. Fisijska nuklearna goriva su jednokomponentna. Toplinske neutrone najintenzivnije apsorbiraju fisijski izotopi. Stoga se u nuklearnim reaktorima neutroni usporavaju u posebnim moderatorskim tvarima - vodi, teškoj vodi, grafitu, beriliju itd.

Prirodni uran, izvađen iz zemljine kore, sadrži samo 0,712% U 2 35, fisija nakon hvatanja toplinskih neutrona. Ostatak mase je U 2 38. To dovodi do potrebe za obogaćivanjem prirodnog urana dodavanjem U 2 35 od 1 do 5% za reaktore nuklearnih elektrana.

Razmotrimo postupak dobivanja reakcije nuklearne fisije prema prvoj opciji. Općenito, formula za izračunavanje defekta mase je sljedeća:

Gdje m U- masa jezgre urana, m D je masa svih produkata fisije, m n- masa neutrona. Ova nuklearna reakcija oslobađa energiju

W = Δ M∙ c 2 .

Teorijski proračuni i iskustvo pokazali su da pri korištenju U 2 35 i apsorpcijom jednog sporog neutrona od strane njegovog atoma, pojavljuju se dva atoma produkata fisije i tri nova neutrona. Osobito se mogu pojaviti barij i kripton. Reakcija izgleda ovako:

Defekt mase u relativnim jedinicama jednak je

.

Mase svih elemenata koji sudjeluju u reakciji su jednake: M U = 235.043915,M Ba = 140.907596,M Kr = 91.905030,m n = 1,008664, sve vrijednosti u aem. Defekt mase jednak je:

Tako se kod cijepanja 1 kg U 2 35 defekt mase će biti 0,000910 kg. Oslobođena energija u ovom slučaju jednaka je

W= 0,000910∙(3∙10 8) 2 = 8190∙10 10 J = 8,19∙10 7 MJ.

Agregat snage 1000 MW proizvodi električnu energiju godišnje W E = 10 3 ∙10 6 ∙3600∙8760 = 3,154∙10 16 J ili 3,154∙10 10 MJ.

Uz učinkovitost bloka od η = 0,4, uran-235 će biti potreban godišnje:

kg.

Za usporedbu ćemo odrediti potrebu za antracitom

2,25 milijuna tona.

Proračuni su napravljeni za čisti uran-235. Ako se prirodni uran obogati na 3%, ukupna masa urana bit će

M= 962,8/0,03 = 32 093 kg.

Osim toga, u praksi se ne koristi metalni uran, koji ima nedovoljno visoko talište, već uranov dioksid UO 2. Izračunajmo ukupnu potrebu za nuklearnim gorivom obogaćenim uranijevim dioksidom da bi se osigurao rad bloka snage 1000 MW godinu dana. Uzimajući u obzir masu kisika, čiji je udio približno jednak omjeru: 2∙16/238 = 0,134, ukupna masa nuklearnog goriva bit će:

M YT = 32093∙(1 + 0,314) = 36400 kg = 36,4 tona.

Lako je vidjeti da je razlika u masama organskog i nuklearnog goriva potrebnih za proizvodnju iste količine energije kolosalna.

Prethodno je navedeno da je većina prirodnog urana uran-238, koji praktički ne reagira na spore neutrone, ali dobro komunicira s brzim neutronima. U tom slučaju moguća je sljedeća nuklearna reakcija:

a djelomično se akumulira. Nakupljeni plutonij-239 može se koristiti kao nuklearno gorivo u reaktoru sporih (toplinskih) neutrona. Uz pomoć takve reakcije, učinkovitost korištenja prirodnog urana povećava se mnogo puta (gotovo 100 puta).

U reaktorima s brzim neutronima moguće je organizirati torijev ciklus pomoću torija-232. Rezerve torija u prirodi premašuju rezerve urana 4-5 puta. Hvatanje toplinskog neutrona prirodnim torijem-232 proizvodi fisijski izotop urana-233, koji se može spaliti na licu mjesta ili pohraniti za kasniju upotrebu u reaktorima za toplinske neutrone:

Energija torija, za razliku od energije urana, ne proizvodi plutonij i transuranijske elemente. Ovo je važno i sa stajališta zaštite okoliša i sa stajališta neširenja nuklearnog oružja.

Nuklearni reaktori koji koriste gorivo od torija sigurniji su od onih koji koriste gorivo od urana, budući da reaktori s torijem nemaju granicu reaktivnosti. Stoga nikakvo uništenje reaktorske opreme ne može izazvati nekontroliranu lančanu reakciju. Međutim, industrijska primjena reaktora s torijevim ciklusom još je daleko.

Energija fuzije. Pri spajanju lakih jezgri (vodik i njegovi izotopi, helij, litij i neke druge) masa jezgre nakon spajanja manja je od zbroja masa pojedinačnih jezgri prije spajanja. Rezultat je također defekt mase i, kao posljedica toga, oslobađanje energije. Atraktivnost korištenja ove energije je zbog praktički neiscrpnih rezervi sirovina za njezinu primjenu.

Za izvođenje termonuklearne fuzije potrebne su ultravisoke temperature reda veličine 10 7 ºK i više. Potreba za ultravisokim temperaturama proizlazi iz činjenice da se jezgre zbog jakog elektrostatskog odbijanja u procesu toplinskog gibanja mogu približiti malim udaljenostima i reagirati samo s dovoljno velikom kinetičkom energijom svog relativnog gibanja. U prirodnim uvjetima, termonuklearne reakcije odvijaju se u dubinama zvijezda, budući da su glavni izvor energije koju emitiraju. Umjetna termonuklearna reakcija dobivena je samo u obliku nekontrolirane eksplozije hidrogenske bombe. Istodobno, već se godinama radi na kontroliranoj termonuklearnoj fuziji.

Dva su pravca realizacije projekta dobivanja korisne energije temeljene na kontroliranoj reakciji termonuklearne fuzije.

Prvi smjer uključuje korištenje toroidalne komore, u kojoj magnetsko polje komprimira jezgre elemenata koji se spajaju zagrijane na nekoliko milijuna stupnjeva. Cijeli uređaj se zove TOKAMAK (skraćenica za toroidalnu komoru s magnetskim zavojnicama). Tim putem idu europske zemlje i Rusija.

Drugi smjer koristi lasere za zagrijavanje i sabijanje jezgri. Tako projekt NIF-192, koji se provodi u Nacionalnom laboratoriju Liverpool u Kaliforniji, koristi 192 lasera koji su smješteni u krug i komprimiraju deuterij i tricij svojim simultanim zračenjem.

Rezultati su ohrabrujući, ali nam ne dopuštaju izvlačenje zaključaka o određenom vremenu dobivanja energije nuklearne fuzije u praktične svrhe.

Kada je postalo jasno da su izvori ugljikovodika sirovina, poput nafte, plina, ugljena, iscrpljeni. To znači da moramo tražiti nove vrste energije. Sada se postavlja vrlo ozbiljno pitanje o mogućnosti katastrofalnih klimatskih promjena zbog činjenice da konvencionalne termoelektrane stvaraju sloj stakleničkih plinova. Kao rezultat toga, na Zemlji dolazi do globalnog zagrijavanja. Ovo je apsolutno sigurno. Moramo tražiti nove vrste energije koje ne vode tome.

Kuvšinov Vjačeslav Ivanovič:
Struktura atoma i struktura atoma (da unutra ima jezgru) postala je poznata tek u prošlom stoljeću. Kako je Drugi svjetski rat odmicao, postalo je jasno da se iz jezgre atoma može izvući kolosalna energija. Naravno, smišljena je opcija kako bi se to moglo koristiti sa stajališta oružja, sa stajališta atomske bombe.
I tek 50-ih godina postavilo se pitanje miroljubive uporabe atomske energije i pojavio se koncept "miroljubivog atoma".

U Obninsku je izgrađena prva nuklearna elektrana u Sovjetskom Savezu. Zanimljivo je da je direktor prve nuklearne elektrane bio akademik Andrej Kapitonovič Krasin, koji je, usput rečeno, kasnije postao direktor Instituta za energetska i nuklearna istraživanja Sosny.

Kuvšinov Vjačeslav Ivanovič:
Uzmimo protone i neutrone koji čine jezgru. Ako se nalaze unutar jezgre, usko su povezani nuklearnim silama. Zašto je skučeno? Budući da, na primjer, dva protona imaju isti električni naboj, trebali bi se enormno odbijati, međutim, oni su privučeni. Dakle, unutar jezgre postoje nuklearne sile. I ispada da se dio mase protona i neutrona pretvara u energiju. A postoji tako poznata formula koja je sada čak ispisana na majicama E = Mc2. E je energija, M je masa čestice, S na kvadrat je brzina svjetlosti.
Ispostavilo se da postoji i posebna energija koja je povezana s tjelesnom težinom. A ako postoji neka vrsta pohranjene energije u jezgri, ako je jezgra podijeljena, tada se ta energija oslobađa u obliku energije fragmenata. A upravo je njegova količina (E) jednaka (M) po (kvadratu brzine svjetlosti). Kao rezultat fisije jedne jezgre, dobivate nešto energije u obliku energije fragmenata.
Ovdje je zanimljivo da kada velika količina, primjerice, uranovog goriva fisira, dolazi do nuklearne lančane reakcije. To znači da jezgre fisiraju gotovo istovremeno. Time se oslobađa ogromna količina energije. Na primjer, 1,5 kg uranovog goriva može zamijeniti 1,5 vagona ugljena.

Kakvu ulogu igra brzina svjetlosti u ovoj univerzalnoj formuli?

Kuvšinov Vjačeslav Ivanovič:
Einstein je izgradio svoje formule za promjenu brzine svjetlosti iz jednog koordinatnog sustava u drugi, iz kojih proizlazi da je brzina svjetlosti konstantna, a sve ostale brzine drugih tijela i objekata se mijenjaju. Zanimljivo je da iz Einsteinove formule relativnosti proizlazi da je putovanje kroz vrijeme moguće! Leži u činjenici da će jedan od blizanaca, smješten u raketi ubrzanoj do brzine bliske brzini svjetlosti, ostarjeti manje od svog brata koji ostane na Zemlji.

Vjačeslav Ivanovič Kuvšinov, profesor, generalni direktor Zajedničkog instituta za energetska i nuklearna istraživanja Sosni:
Prema IAEA-i, samo uključivanje nuklearne energije osigurava najnižu cijenu električne energije. Bjelorusi će tu prednost vidjeti u svojoj "masti".

Prema istraživanju MGATE-a, do 2020. bit će, kako kažu, rupa u bilanci goriva i energije Bjelorusije. Stručnjaci kažu da će jaz u potrošnji energije biti moguće nadoknaditi samo uz pomoć nuklearne elektrane koja radi.

Prema IAEA-i, u svijetu radi 441 energetska jedinica. Oko Bjelorusije postoji 5 nuklearnih elektrana. U susjednoj Ukrajini nalazi se NE Rivne, u Rusiji Smolensk, Lenjingrad iu procesu izgradnje Baltička NE.

Nikolaj Gruša, direktor Odjela za nuklearnu energiju Ministarstva energetike Republike Bjelorusije:
Glavna zadaća izgradnje nuklearne elektrane, i općenito, glavna zadaća energetske politike Republike Bjelorusije je smanjenje ovisnosti o opskrbi prirodnim plinom.
Nakon puštanja u pogon nuklearne elektrane snage veće od 2 milijuna kilovata, prvo će se proizvoditi oko 27-29% ukupne električne energije proizvedene u nuklearnoj elektrani. To će omogućiti zamjenu približno 5 milijardi kubičnih metara prirodnog plina. To je gotovo četvrtina onoga što danas konzumiramo.

Ovisnost energije vezanja po nukleonu o broju nukleona u jezgri prikazana je na grafu.

Energija potrebna da se jezgra razdvoji na pojedinačne nukleone naziva se energija vezanja. Energija vezanja po nukleonu nije ista za različite kemijske elemente, pa čak ni za izotope istog kemijskog elementa. Specifična energija vezanja nukleona u jezgri u prosjeku varira od 1 MeV za lake jezgre (deuterij) do 8,6 MeV za jezgre srednje težine (A≈100). Za teške jezgre (A≈200) specifična energija vezanja nukleona je manja nego za jezgre prosječne težine, za približno 1 MeV, pa je njihova transformacija u jezgre prosječne težine (podjela na 2 dijela) popraćena oslobađanjem energije u količini od oko 1 MeV po nukleonu, odnosno oko 200 MeV po jezgri. Transformacija lakih jezgri u teže jezgre daje još veći energetski dobitak po nukleonu. Na primjer, reakcija između deuterija i tricija

1 D²+ 1 T³→ 2 He 4 + 0 n 1

praćeno je oslobađanjem energije od 17,6 MeV, odnosno 3,5 MeV po nukleonu.

Oslobađanje nuklearne energije

Poznate su egzotermne nuklearne reakcije koje oslobađaju nuklearnu energiju.

Obično se lančana reakcija nuklearne fisije jezgri urana-235 ili plutonija koristi za proizvodnju nuklearne energije. Jezgre fisiraju kada ih neutron pogodi, proizvodeći nove neutrone i fisijske fragmente. Fisijski neutroni i fisijski fragmenti imaju veliku kinetičku energiju. Kao rezultat sudara fragmenata s drugim atomima, ta se kinetička energija brzo pretvara u toplinu.

Drugi način oslobađanja nuklearne energije je nuklearna fuzija. U ovom slučaju, dvije jezgre lakih elemenata spajaju se u jednu tešku. Takvi se procesi događaju na Suncu.

Mnoge atomske jezgre su nestabilne. S vremenom se neke od tih jezgri spontano pretvaraju u druge jezgre, oslobađajući energiju. Taj se fenomen naziva radioaktivni raspad.

Primjena nuklearne energije

Energija fuzije koristi se u hidrogenskoj bombi.

Bilješke

vidi također

Linkovi

Međunarodni ugovori

• Konvencija o ranom obavještavanju o nuklearnoj nesreći (Beč, 1986.)
• Konvencija o fizičkoj zaštiti nuklearnog materijala (Beč, 1979.)
• Bečka konvencija o građanskoj odgovornosti za nuklearnu štetu
• Zajednička konvencija o sigurnosti gospodarenja istrošenim gorivom i sigurnosti gospodarenja radioaktivnim otpadom

Književnost

• Clarfield, Gerald H. i William M. Wiecek (1984). Nuklearna Amerika: Vojna i civilna nuklearna sila u Sjedinjenim Državama 1940.-1980., Harper & Row.
• Cooke, Stephanie (2009). U rukama smrtnika: upozoravajuća povijest nuklearnog doba, Black Inc.
• Cravens Gwyneth Snaga za spas svijeta: istina o nuklearnoj energiji. - New York: Knopf, 2007. - ISBN 0-307-26656-7
• Elliott, David (2007). Nuklearno ili ne? Ima li nuklearna energija mjesto u održivoj energetskoj budućnosti?, Palgrave.
• Falk, Jim (1982). Globalna fisija: bitka oko nuklearne energije, Oxford University Press.
• Ferguson, Charles D., (2007). Nuklearna energija: balansiranje koristi i rizika Vijeće za vanjske odnose.
• Herbst, Alan M. i George W. Hopley (2007). Nuklearna energija sada: Zašto je došlo vrijeme za najneshvaćeniji izvor energije na svijetu, Wiley.
• Schneider, Mycle, Steve Thomas, Antony Froggatt, Doug Koplow (kolovoz 2009.). Izvješće o stanju svjetske nuklearne industrije, njemačko Savezno ministarstvo okoliša, zaštite prirode i sigurnosti reaktora.
• Walker, J. Samuel (1992). Sadrži atom: Nuklearna regulacija u okruženju koje se mijenja, 1993.-1971.
• Walker, J. Samuel (2004). Otok tri milje: Nuklearna kriza u povijesnoj perspektivi, Berkeley: University of California Press.
• Weart, Spencer R. Uspon nuklearnog straha. Cambridge, MA: Harvard University Press, 2012. ISBN 0-674-05233-1

Zaklada Wikimedia. 2010.

Pogledajte što je "nuklearna energija" u drugim rječnicima:

- (atomska energija) unutarnja energija atomskih jezgri oslobođena tijekom nuklearnih transformacija (nuklearne reakcije). nuklearna energija vezanja. defekt mase Nukleone (protone i neutrone) u jezgri čvrsto drže nuklearne sile. Da biste uklonili nukleon iz jezgre,... ...

- (nuklearna energija), unutarnja energije pri. jezgra, koja se oslobađa tijekom nuklearnih transformacija. Energija koja se mora potrošiti da se jezgra razdvoji na sastavne nukleone naziva se. energija vezivanja jezgre?st. Ovo je max. energija prema nebu se može osloboditi... ... Fizička enciklopedija

NUKLEARNA ENERGIJA, ENERGIJA koja se oslobađa tijekom nuklearne reakcije kao rezultat prijelaza MASE u energiju kako je opisano u jednadžbi: E=mc2 (gdje je E energija, m masa, c brzina svjetlosti); izveo ga je A. EINSTEIN u svojoj TEORIJI RELATIVITETA.... ... Znanstveni i tehnički enciklopedijski rječnik

NUKLEARNA ELEKTRANA- (nuklearna energija) vidi () () ... Velika politehnička enciklopedija

Moderna enciklopedija

- (atmička energija) unutarnja energija atomskih jezgri, koja se oslobađa tijekom određenih nuklearnih transformacija. Korištenje nuklearne energije temelji se na provođenju lančanih reakcija fisije teških jezgri i reakcija termonuklearne fuzije lakih jezgri... Veliki enciklopedijski rječnik

Nuklearna elektrana- (atomska energija), unutarnja energija atomskih jezgri koja se oslobađa tijekom određenih nuklearnih reakcija. Korištenje nuklearne energije temelji se na provedbi lančanih reakcija fisije teških jezgri i reakcija termonuklearne fuzije lakih jezgri (vidi... ... Ilustrirani enciklopedijski rječnik

Unutarnja energija atomske jezgre povezana s kretanjem i interakcijom nukleona (neutrona i protona) koji tvore jezgru. Oslobađa se tijekom radioaktivnog raspada ili reakcija nuklearne fisije i fuzije. Brzo oslobađanje nuklearne energije... ...Pomorski rječnik

Uvod

Godine 1939. bilo je moguće prvi put razdvojiti atom urana. Prošle su još 3 godine, au SAD-u je stvoren reaktor za izvođenje kontrolirane nuklearne reakcije. Zatim je 1945. god Proizvedena je i testirana atomska bomba, a 1954. god. U našoj zemlji puštena je u rad prva nuklearna elektrana u svijetu. U svim tim slučajevima korištena je ogromna energija raspada atomske jezgre. Još veća količina energije oslobađa se kao rezultat spajanja atomskih jezgri. Godine 1953. u SSSR-u je prvi put testirana termonuklearna bomba, a čovjek je naučio reproducirati procese koji se odvijaju na suncu. Za sada se nuklearna fuzija ne može koristiti u miroljubive svrhe, ali ako to postane moguće, ljudi će si osigurati jeftinu energiju milijardama godina. Ovaj problem bio je jedno od najvažnijih područja moderne fizike u posljednjih 50 godina.

Nuklearna energija se oslobađa tijekom raspada ili fuzije atomskih jezgri. Svaka energija - fizikalna, kemijska ili nuklearna - očituje se svojom sposobnošću obavljanja rada, emitiranja topline ili zračenja. Energija u bilo kojem sustavu uvijek se čuva, ali se može prenijeti u drugi sustav ili promijeniti oblik.

Sve do otprilike 1800. drvo je bilo glavno gorivo. Energija drva dobiva se iz sunčeve energije pohranjene u biljkama tijekom njihova života. Od industrijske revolucije ljudi ovise o mineralima poput ugljena i nafte, čija je energija također dolazila iz pohranjene sunčeve energije. Kada se gorivo kao što je ugljen sagorijeva, atomi vodika i ugljika sadržani u ugljenu spajaju se s atomima kisika u zraku. Kada se pojavi vodik ili ugljični dioksid, oslobađa se visoka temperatura, ekvivalentna približno 1,6 kilovat-sati po kilogramu ili približno 10 elektron volti po ugljikovom atomu. Ova količina energije tipična je za kemijske reakcije koje dovode do promjena u elektronskoj strukturi atoma. Dio energije koja se oslobađa u obliku topline dovoljan je za održavanje reakcije.

Atom se sastoji od male, masivne, pozitivno nabijene jezgre okružene elektronima. Jezgra čini najveći dio mase atoma. Sastoji se od neutrona i protona (općenito zvanih nukleoni) međusobno povezanih vrlo jakim nuklearnim silama, mnogo većim od električnih sila koje vezuju elektrone za jezgru. Energija jezgre određena je koliko snažno njezine neutrone i protone drže zajedno nuklearne sile. Energija nukleona je energija potrebna za uklanjanje jednog neutrona ili protona iz jezgre. Ako se dvije lake jezgre spoje u težu jezgru ili ako se teška jezgra razdvoji na dvije lakše, obje oslobađaju velike količine energije.

Nuklearna energija, mjerena u milijunima elektron volti, nastaje fuzijom dviju lakih jezgri kada se dva izotopa vodika (deuterija) spoje u sljedećoj reakciji:

U tom slučaju nastaje atom helija mase 3 amu. , slobodni neutron i 3,2 MeV, ili 5,1 * 10 6 J (1,2 * 10 3 cal).

Nuklearna energija nastaje i kada se teška jezgra (na primjer, jezgra izotopa urana-235) rascijepi zbog apsorpcije neutrona:

Kao rezultat, raspadajući se na cezij-140, rubidij-93, tri neutrona i 200 MeV, ili 3,2 10 16 J (7,7 10 8 cal). Reakcija nuklearne fisije oslobađa 10 milijuna puta više energije od slične kemijske reakcije.

Nuklearna fuzija

Oslobađanje nuklearne energije može se dogoditi na donjem kraju energetske krivulje kada se dvije lake jezgre spajaju u jednu težu. Energija koju emitiraju zvijezde, poput sunca, rezultat je istih reakcija fuzije u njihovim dubinama.

Pri ogromnom tlaku i temperaturi od 15 milijuna stupnjeva C 0. Vodikove jezgre koje tamo postoje spajaju se prema jednadžbi (1) i kao rezultat njihove sinteze nastaje sunčeva energija.

Nuklearna fuzija je prvi put postignuta na Zemlji ranih 1930-ih. U ciklotronu - akceleratoru elementarnih čestica - izvršeno je bombardiranje jezgri deuterija. U ovom slučaju se oslobodila visoka temperatura, ali se ta energija nije mogla iskoristiti. U 1950-ima, prvo veliko, ali nekontrolirano oslobađanje fuzijske energije prikazano je u testovima termonuklearnog oružja u Sjedinjenim Državama, Sovjetskom Savezu, Velikoj Britaniji i Francuskoj. Međutim, to je bila kratkotrajna i nekontrolirana reakcija koja se nije mogla koristiti za proizvodnju električne energije.

U reakcijama raspada, neutron, koji nema električni naboj, može se lako približiti i reagirati s fisijskom jezgrom, kao što je uran-235. U tipičnoj fuzijskoj reakciji, međutim, jezgre koje reagiraju imaju pozitivan električni naboj i stoga se odbijaju prema Coulombovom zakonu, tako da se sile koje proizlaze iz Coulombovog zakona moraju nadvladati prije nego što se jezgre mogu spojiti. To se događa kada temperatura reagirajućeg plina - prilično visoka od 50 do 100 milijuna stupnjeva C 0 . U plinu teških izotopa vodika deuterija i tricija na ovoj temperaturi dolazi do reakcije sinteze:

oslobađajući približno 17,6 MeV. Energija se prvo pojavljuje kao kinetička energija helija-4 i neutrona, ali se ubrzo manifestira kao visoka temperatura u okolnim materijalima i plinu.

Ako je pri tako visokoj temperaturi gustoća plina 10 -1 atmosfera (tj. gotovo vakuum), tada aktivni helij-4 može prenijeti svoju energiju na okolni vodik. Tako se održava visoka temperatura i stvaraju uvjeti za odvijanje spontane reakcije sinteze. U tim uvjetima dolazi do "nuklearnog paljenja".

Postizanje uvjeta za kontroliranu termonuklearnu fuziju otežava nekoliko velikih problema. Prvo morate zagrijati plin na vrlo visoku temperaturu. Drugo, potrebno je kontrolirati broj jezgri koje reagiraju tijekom dovoljno dugog vremena. Treće, količina oslobođene energije mora biti veća od one koja je potrošena za zagrijavanje i ograničavanje gustoće plina. Sljedeći problem je pohranjivanje te energije i njezino pretvaranje u električnu energiju.

Na temperaturama čak i 100 000 C 0 svi atomi vodika su potpuno ionizirani. Plin se sastoji od električki neutralne strukture: pozitivno nabijenih jezgri i negativno nabijenih slobodnih elektrona. Ovo stanje se naziva plazma.

Plazma je dovoljno vruća za fuziju, ali se ne može naći u običnim materijalima. Plazma bi se vrlo brzo ohladila, a stijenke posude bile bi uništene temperaturnom razlikom. Međutim, budući da se plazma sastoji od nabijenih jezgri i elektrona koji se spiralno kreću oko linija magnetskog polja, plazma se može zadržati unutar područja ograničenog magnetskim poljem bez reakcije sa stijenkama spremnika.

U bilo kojem uređaju za kontroliranu fuziju, oslobađanje energije mora premašiti energiju potrebnu za ograničavanje i zagrijavanje plazme. Ovaj uvjet može biti ispunjen kada vrijeme zadržavanja plazme t i njezina gustoća n prelaze približno 10 14 . Odnosi tn > 10 14 naziva se Lawsonov kriterij.

Brojne sheme zadržavanja magnetske plazme testirane su od 1950. godine u Sjedinjenim Državama, SSSR-u, Velikoj Britaniji, Japanu i drugdje. Opažene su termonuklearne reakcije, ali je Lawsonov kriterij rijetko prelazio 10 12 . Međutim, jedan uređaj, "Tokamak" (ovo ime je skraćenica od ruskih riječi: TOroidalna KOMORA s magnetskim zavojnicama), koji su izvorno predložili Igor Tamm i Andrej Saharov u SSSR-u, počeo je davati dobre rezultate početkom 1960-ih.

Tokamak je toroidalna vakuumska komora koja sadrži zavojnice koje stvaraju jako toroidno magnetsko polje. Toroidalno magnetsko polje od približno 50 000 Gaussa održava se unutar ove komore pomoću snažnih elektromagneta. Zavojnice transformatora stvaraju uzdužni tok od nekoliko milijuna ampera u plazmi. Zatvorene linije magnetskog polja stabilno ograničavaju plazmu.

Na temelju uspjeha malog eksperimentalnog Tokamaka, dva velika uređaja izgrađena su u nekoliko laboratorija početkom 1980-ih, jedan na Sveučilištu Princeton u Sjedinjenim Državama i jedan u SSSR-u. U Tokamaku visoka temperatura plazme nastaje kao posljedica oslobađanja topline zbog otpora snažnog toroidalnog toka, kao i dodatnim zagrijavanjem pri uvođenju neutralnog snopa, što bi zajedno trebalo dovesti do paljenja.

Drugi mogući način dobivanja energije fuzije također su inercijska svojstva. U ovom slučaju, gorivo - tricij ili deuterij - sadržano je u sićušnoj kugli, bombardiranoj s nekoliko strana pulsirajućom laserskom zrakom. To uzrokuje eksploziju lopte, stvarajući termonuklearnu reakciju koja zapali gorivo. Nekoliko laboratorija u Sjedinjenim Državama i drugdje trenutačno istražuje ovu mogućnost. Napredak u istraživanju fuzije je obećavajući, ali izazov stvaranja praktičnih sustava za održivu fuzijsku reakciju koja proizvodi više energije nego što troši ostaje neriješen i zahtijevat će mnogo više vremena i truda.