Transformasi nuklir dan energi nuklir. Program edukasi: Cara memperoleh energi atom. Sejarah penemuan energi nuklir

Energi nuklir dari fisi atom logam berat sudah banyak digunakan di banyak negara. Di beberapa negara pangsa energi jenis ini mencapai 70% (Prancis, Jepang). Mungkin dalam 50-100 tahun ke depan, energi fisi nuklir akan bersaing secara serius dengan semua jenis energi lain yang digunakan umat manusia. Cadangan uranium dunia, pembawa utama energi fisi nuklir, berjumlah lebih dari 5 juta ton. Artinya, cadangan energi nuklir jauh lebih besar dibandingkan cadangan semua sumber energi fosil yang tidak terbarukan.

Inti atom terdiri dari dua partikel elementer, proton dan neutron. Gabungan proton dan neutron membentuk nomor massa, yang terdiri dari jumlah proton dan jumlah neutron dalam inti atom:

A = Z P + Z N ,

Di mana Z P– jumlah proton dalam inti, Z N– jumlah neutron. Massa partikel elementer diukur dalam satuan massa atom (am) dan dalam kilogram. Fisikawan mengetahui dengan sangat akurat massa partikel elementer utama. Secara khusus, massa proton adalah:

M P= 1,007276 aem = 1,672623·10 -27 kg;

massa neutron:

M N = 1,008664 pagi = 1,674928·10 -27 kg.

Perbedaan antara massa proton dan neutron kecil, namun nyata. Massa sebuah elektron, yang sejumlah tertentu membentuk awan elektron di sekitar inti, kira-kira 1823 kali lebih kecil dari massa proton atau neutron, sehingga pengaruhnya biasanya diabaikan, setidaknya dalam perhitungan kasar.

Proton dan neutron yang terkumpul dalam inti atom membentuk energi ikat inti:

E KONEKSI = ( M P ∙Z P + M N ∙Z N – M INTI)∙ C 2 .

Rumus ini memberikan energi dalam J jika massa dinyatakan dalam kilogram. Dari rumus tersebut jelas bahwa energi ikat terbentuk karena perbedaan antara massa inti dan massa masing-masing komponen inti (akibat apa yang disebut cacat massa). Ketika sebuah inti membelah, energi ini dilepaskan.

Inti semua unsur dibagi menjadi:

Stabil atau pseudostabil, dengan waktu paruh lebih dari satu juta tahun;

Fisil spontan, tidak stabil dengan waktu paruh kurang dari satu juta tahun.

Namun, ada unsur-unsur yang intinya memungkinkan terjadinya fisi buatan jika intinya dibombardir oleh neutron. Neutron ini, menembus ke dalam inti, menjadikannya tidak stabil dan menyebabkan fisi buatan. Saat ini, tiga varian pembelahan buatan tersebut digunakan untuk keperluan energi:

1. Penggunaan kamu 2 35 dan neutron lambat (termal). Neutron termal memiliki kecepatan tidak lebih dari 2000 m/s.

2. Penggunaan Pu 239 atau kamu 2 33 dan neutron lambat (termal). Plutonium Pu 239 dan uranium kamu 2 33 tidak ditemukan di alam dan diperoleh secara artifisial dengan menerapkan metode ketiga.

3. Penggunaan kamu 2 38 dan neutron cepat dengan kecepatan sekitar 30.000 m/s. Dimungkinkan juga untuk digunakan Th 232 (siklus torium).

Untuk memastikan fisi nuklir berkelanjutan, diperlukan apa yang disebut reaksi berantai fisi. Agar reaksi berantai dapat terjadi, setiap peristiwa fisi berikutnya harus melibatkan lebih banyak neutron dibandingkan peristiwa sebelumnya. Bahan bakar nuklir fisil merupakan bahan bakar satu komponen. Neutron termal diserap paling intensif oleh isotop fisil. Oleh karena itu, dalam reaktor nuklir, neutron diperlambat dalam zat moderator khusus - air, air berat, grafit, berilium, dll.

Uranium alami, yang ditambang dari kerak bumi, hanya mengandung 0,712% kamu 2 35, fisi saat menangkap neutron termal. Sisa massanya adalah kamu 2 38. Hal ini menyebabkan perlunya memperkaya uranium alam dengan menambahkan kamu 2 35 dari 1 hingga 5% untuk reaktor pembangkit listrik tenaga nuklir.

Mari kita perhatikan proses memperoleh reaksi fisi nuklir menurut pilihan pertama. Secara umum rumus menghitung cacat massa adalah sebagai berikut:

Di mana M kamu- massa inti uranium, M D adalah massa semua produk fisi, M N- massa neutron. Reaksi nuklir ini melepaskan energi

W = Δ M∙ C 2 .

Perhitungan teoritis dan pengalaman menunjukkan hal itu saat menggunakan kamu 2 35 dan penyerapan satu neutron lambat oleh atomnya, muncul dua atom hasil fisi dan tiga neutron baru. Secara khusus, barium dan kripton mungkin muncul. Reaksinya terlihat seperti ini:

Cacat massal dalam satuan relatif sama dengan

.

Massa semua unsur yang berpartisipasi dalam reaksi adalah sama: M kamu = 235.043915,M Ba = 140.907596,M Kr = 91.905030,M N = 1.008664, semua nilai di aem. Cacat massal sama dengan:

Jadi, saat membelah 1 kg kamu 2 35 cacat massa akan menjadi 0,000910 kg. Energi yang dilepaskan dalam hal ini sama dengan

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

Sebuah unit pembangkit berkapasitas 1000 MW menghasilkan energi listrik per tahun W E = 10 3 ∙10 6 ∙3600∙8760 = 3,154∙10 16 J atau 3,154∙10 10 MJ.

Dengan efisiensi blok = 0,4, dibutuhkan uranium-235 per tahun:

kg.

Sebagai perbandingan, kami akan menentukan kebutuhan antrasit

2,25 juta ton.

Perhitungan dilakukan untuk uranium-235 murni. Jika uranium alam diperkaya hingga 3%, maka total massa uranium akan menjadi

M= 962,8/0,03 = 32.093kg.

Selain itu, dalam praktiknya, yang digunakan bukanlah logam uranium yang memiliki titik leleh kurang tinggi, melainkan uranium dioksida UO 2. Mari kita hitung total kebutuhan bahan bakar nuklir yang diperkaya menggunakan uranium dioksida untuk menjamin pengoperasian unit listrik 1000 MW selama setahun. Dengan memperhitungkan massa oksigen, yang porsinya kira-kira sama dengan rasio: 2∙16/238 = 0,134, maka massa total bahan bakar nuklir adalah:

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

Sangat mudah untuk melihat bahwa perbedaan massa bahan bakar organik dan bahan bakar nuklir yang dibutuhkan untuk menghasilkan jumlah energi yang sama sangatlah besar.

Telah diketahui sebelumnya bahwa sebagian besar uranium alam adalah uranium-238, yang praktis tidak bereaksi terhadap neutron lambat, tetapi berinteraksi dengan baik dengan neutron cepat. Dalam hal ini, reaksi nuklir berikut menjadi mungkin:

dan sebagian terakumulasi. Akumulasi plutonium-239 dapat digunakan sebagai bahan bakar nuklir dalam reaktor neutron lambat (termal). Dengan bantuan reaksi seperti itu, efisiensi penggunaan uranium alam meningkat berkali-kali lipat (hampir 100 kali lipat).

Dalam reaktor neutron cepat, siklus torium dapat diatur menggunakan torium-232. Cadangan torium di alam melebihi cadangan uranium sebanyak 4-5 kali lipat. Penangkapan neutron termal oleh thorium-232 alam menghasilkan isotop fisil uranium-233, yang dapat dibakar di lokasi atau disimpan untuk digunakan nanti dalam reaktor neutron termal:

Energi torium, tidak seperti energi uranium, tidak menghasilkan unsur plutonium dan transuranium. Hal ini penting baik dari sudut pandang lingkungan hidup maupun dari sudut pandang non-proliferasi nuklir.

Reaktor nuklir yang menggunakan bahan bakar thorium lebih aman dibandingkan dengan yang menggunakan bahan bakar uranium, karena reaktor thorium tidak memiliki cadangan reaktivitas. Oleh karena itu, tidak ada kerusakan pada peralatan reaktor yang dapat menyebabkan reaksi berantai yang tidak terkendali. Namun, penerapan reaktor siklus torium dalam industri masih jauh.

Energi fusi. Ketika inti ringan (hidrogen dan isotopnya, helium, litium, dan beberapa lainnya) bergabung, massa inti setelah penggabungan lebih kecil dari jumlah massa masing-masing inti sebelum penggabungan. Akibatnya juga terjadi cacat massal dan, sebagai konsekuensinya, pelepasan energi. Daya tarik pemanfaatan energi ini disebabkan oleh cadangan bahan baku yang hampir tidak ada habisnya untuk pelaksanaannya.

Untuk melakukan fusi termonuklir, diperlukan suhu sangat tinggi sekitar 10 7 ºK dan lebih tinggi. Kebutuhan akan suhu yang sangat tinggi disebabkan oleh fakta bahwa, karena tolakan elektrostatis yang kuat, inti atom dalam proses gerak termal dapat mendekat pada jarak yang kecil dan hanya bereaksi dengan energi kinetik yang cukup besar dari gerak relatifnya. Dalam kondisi alami, reaksi termonuklir terjadi di kedalaman bintang, menjadi sumber energi utama yang dipancarkannya. Reaksi termonuklir buatan hanya diperoleh dalam bentuk ledakan bom hidrogen yang tidak terkendali. Pada saat yang sama, pengerjaan fusi termonuklir terkendali telah dilakukan selama bertahun-tahun.

Ada dua arah pelaksanaan proyek untuk memperoleh energi yang berguna berdasarkan reaksi fusi termonuklir yang terkendali.

Arah pertama melibatkan penggunaan ruang toroidal, di mana medan magnet menekan inti elemen yang bergabung yang dipanaskan hingga beberapa juta derajat. Seluruh perangkat disebut TOKAMAK (singkatan dari ruang toroidal dengan kumparan magnet). Negara-negara Eropa dan Rusia mengikuti jalur ini.

Arah kedua menggunakan laser untuk memanaskan dan mengompres inti. Misalnya, proyek NIF-192, yang dilaksanakan di Laboratorium Nasional Liverpool di California, menggunakan 192 laser yang ditempatkan dalam lingkaran dan memampatkan deuterium dan tritium dengan radiasi simultan.

Hasilnya menggembirakan, namun tidak memungkinkan kita untuk menarik kesimpulan tentang waktu spesifik untuk memperoleh energi fusi nuklir untuk tujuan praktis.

Ketika menjadi jelas bahwa sumber bahan baku hidrokarbon, seperti minyak, gas, batu bara, semakin menipis. Artinya kita harus mencari jenis energi baru. Kini muncul pertanyaan yang sangat serius tentang kemungkinan terjadinya bencana perubahan iklim karena pembangkit listrik tenaga panas konvensional menciptakan lapisan gas rumah kaca. Akibatnya terjadi pemanasan global di Bumi. Ini adalah hal yang pasti. Kita harus mencari jenis energi baru yang tidak mengarah pada hal ini.

Kuvshinov Vyacheslav Ivanovich:
Struktur atom dan struktur atom (yang mempunyai inti di dalamnya) baru diketahui pada abad terakhir. Ketika Perang Dunia II berlangsung, menjadi jelas bahwa energi yang sangat besar dapat diekstraksi dari inti atom. Tentu saja, sebuah pilihan telah dipikirkan tentang bagaimana hal ini dapat digunakan dari sudut pandang senjata, dari sudut pandang bom atom.
Dan baru pada tahun 50-an, pertanyaan tentang penggunaan energi atom secara damai muncul, dan konsep “atom damai” muncul.

Pembangkit listrik tenaga nuklir pertama di Uni Soviet dibangun di Obninsk. Sangat mengherankan bahwa direktur Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir pertama adalah akademisi Andrei Kapitonovich Krasin, yang kemudian menjadi direktur Institut Penelitian Energi dan Nuklir Sosny.

Kuvshinov Vyacheslav Ivanovich:
Mari kita ambil proton dan neutron yang menyusun inti atom. Jika mereka berada di dalam inti, maka mereka terhubung erat oleh gaya nuklir. Kenapa sempit? Karena, misalnya, dua proton mempunyai muatan listrik yang sama, mereka seharusnya tolak menolak dengan kuat, namun mereka tertarik menjadi satu. Jadi ada kekuatan nuklir di dalam inti. Dan ternyata sebagian massa proton dan neutron berubah menjadi energi. Dan ada formula terkenal yang kini bahkan tertulis di kaos oblong E = Mc2. E adalah energi, M adalah massa partikel, DENGAN kuadrat adalah kecepatan cahaya.
Ternyata ada juga energi khusus yang berhubungan dengan berat badan. Dan jika ada semacam energi yang tersimpan di dalam inti, jika inti tersebut terbelah, maka energi tersebut dilepaskan dalam bentuk energi pecahannya. Dan besarannya (E) sama dengan (M) per (kuadrat kecepatan cahaya). Sebagai hasil dari pembelahan satu inti, Anda memperoleh sejumlah energi dalam bentuk energi pecahan.
Hal yang menarik di sini adalah ketika sejumlah besar bahan bakar uranium, misalnya fisi, akan terjadi reaksi berantai nuklir. Artinya inti atom mengalami pembelahan hampir bersamaan. Ini melepaskan sejumlah besar energi. Misalnya, 1,5 kg bahan bakar uranium dapat menggantikan 1,5 gerbong batu bara.

Apa peran kecepatan cahaya dalam rumus universal ini?

Kuvshinov Vyacheslav Ivanovich:
Einstein membuat rumusnya untuk mengubah kecepatan cahaya dari satu sistem koordinat ke sistem koordinat lainnya, yang berarti kecepatan cahaya adalah konstan, dan semua kecepatan benda dan benda lain berubah. Anehnya, dari rumus relativitas Einstein ternyata perjalanan waktu itu mungkin terjadi! Ini menyiratkan apa yang disebut “paradoks kembar”. Hal ini terletak pada kenyataan bahwa salah satu dari si kembar, yang berada di dalam roket yang dipercepat hingga mendekati kecepatan cahaya, akan berusia lebih muda dari saudaranya yang tersisa di Bumi.

Vyacheslav Ivanovich Kuvshinov, profesor, direktur umum Institut Gabungan Sosny untuk Penelitian Energi dan Nuklir:
Menurut IAEA, hanya penyertaan energi nuklir yang memberikan biaya listrik terendah. Orang Belarusia akan melihat keuntungan ini dalam “kegemukan” mereka.

Menurut penelitian MGATE, pada tahun 2020, seperti yang mereka katakan, akan ada lubang dalam keseimbangan bahan bakar dan energi Belarus. Para ahli mengatakan bahwa kesenjangan konsumsi energi hanya dapat ditutup dengan bantuan pembangkit listrik tenaga nuklir yang beroperasi.

Menurut IAEA, terdapat 441 unit pembangkit listrik yang beroperasi di dunia. Ada 5 pembangkit listrik tenaga nuklir di sekitar Belarus. Di negara tetangga Ukraina ada PLTN Rivne, di Rusia - PLTN Smolenya, Leningrad dan PLTN Baltik yang sedang dalam proses pembangunan.

Nikolai Grusha, Direktur Departemen Energi Nuklir Kementerian Energi Republik Belarus:
Tugas utama pembangunan pembangkit listrik tenaga nuklir, dan secara umum tugas utama kebijakan energi di Republik Belarus, adalah mengurangi ketergantungan pada pasokan gas alam.
Ketika pembangkit listrik tenaga nuklir dengan kapasitas lebih dari 2 juta kilowatt dioperasikan, pertama-tama, sekitar 27-29% dari seluruh listrik yang dihasilkan di pembangkit listrik tenaga nuklir akan dihasilkan. Hal ini akan memungkinkan penggantian sekitar 5 miliar meter kubik gas alam. Itu hampir seperempat dari apa yang kita konsumsi saat ini.

Ketergantungan energi ikat per nukleon terhadap jumlah nukleon dalam inti ditunjukkan pada grafik.

Energi yang diperlukan untuk memecah inti menjadi nukleon individu disebut energi ikat. Energi ikat per nukleon tidak sama untuk unsur kimia yang berbeda dan bahkan isotop dari unsur kimia yang sama. Energi ikat spesifik suatu nukleon dalam inti rata-rata bervariasi dari 1 MeV untuk inti ringan (deuterium) hingga 8,6 MeV untuk inti berbobot sedang (A≈100). Untuk inti berat (A≈200), energi ikat spesifik suatu nukleon lebih kecil daripada inti berbobot rata-rata, sekitar 1 MeV, sehingga transformasinya menjadi inti berbobot rata-rata (pembagian menjadi 2 bagian) disertai dengan pelepasan energi dalam jumlah sekitar 1 MeV per nukleon, atau sekitar 200 MeV per inti. Transformasi inti ringan menjadi inti yang lebih berat memberikan perolehan energi per nukleon yang lebih besar. Misalnya reaksi antara deuterium dan tritium

1 D²+ 1 T³→ 2 Dia 4 + 0 N 1

disertai dengan pelepasan energi 17,6 MeV, yaitu 3,5 MeV per nukleon.

Pelepasan energi nuklir

Reaksi nuklir eksotermik yang melepaskan energi nuklir telah diketahui.

Biasanya, reaksi berantai fisi nuklir inti uranium-235 atau plutonium digunakan untuk menghasilkan energi nuklir. Fisi inti ketika sebuah neutron mengenainya, menghasilkan neutron baru dan fragmen fisi. Neutron fisi dan fragmen fisi memiliki energi kinetik yang tinggi. Akibat tumbukan pecahan dengan atom lain, energi kinetik ini dengan cepat diubah menjadi panas.

Cara lain untuk melepaskan energi nuklir adalah fusi nuklir. Dalam hal ini, dua inti unsur ringan bergabung menjadi satu inti unsur berat. Proses serupa terjadi di Matahari.

Banyak inti atom yang tidak stabil. Seiring waktu, beberapa inti ini secara spontan berubah menjadi inti lain dan melepaskan energi. Fenomena ini disebut peluruhan radioaktif.

Penerapan energi nuklir

Energi fusi digunakan dalam bom hidrogen.

Catatan

Lihat juga

Tautan

Perjanjian internasional

• Konvensi tentang Pemberitahuan Dini Kecelakaan Nuklir (Wina, 1986)
• Konvensi Perlindungan Fisik Bahan Nuklir (Wina, 1979)
• Konvensi Wina tentang Tanggung Jawab Sipil atas Kerusakan Nuklir
• Konvensi Bersama tentang Keamanan Pengelolaan Bahan Bakar Bekas dan Keamanan Pengelolaan Limbah Radioaktif

literatur

• Clarfield, Gerald H. dan William M. Wiecek (1984). Amerika Nuklir: Tenaga Nuklir Militer dan Sipil di Amerika Serikat 1940-1980, Harper & Baris.
• Masak, Stephanie (2009). Di Tangan Fana: Sejarah Perhatian di Era Nuklir, Hitam Inc.
• Cravens Gwyneth Kekuatan untuk Menyelamatkan Dunia: Kebenaran tentang Energi Nuklir. - New York: Knopf, 2007. - ISBN 0-307-26656-7
• Elliott, David (2007). Nuklir atau Tidak? Apakah Tenaga Nuklir Memiliki Tempat dalam Masa Depan Energi Berkelanjutan?, Palgrave.
• Falk, Jim (1982). Fisi Global: Pertarungan Perebutan Tenaga Nuklir, Pers Universitas Oxford.
• Ferguson, Charles D., (2007). Energi Nuklir: Menyeimbangkan Manfaat dan Risiko Dewan Hubungan Luar Negeri.
• Herbst, Alan M. dan George W. Hopley (2007). Energi Nuklir Sekarang: Mengapa Saatnya Telah Tiba untuk Sumber Energi yang Paling Disalahpahami di Dunia, Wiley.
• Schneider, Mycle, Steve Thomas, Antony Froggatt, Doug Koplow (Agustus 2009). Laporan Status Industri Nuklir Dunia, Kementerian Lingkungan Hidup, Konservasi Alam, dan Keamanan Reaktor Federal Jerman.
• Walker, J.Samuel (1992). Mengandung Atom: Regulasi Nuklir dalam Lingkungan yang Berubah, 1993-1971
• Walker, J.Samuel (2004). Three Mile Island: Krisis Nuklir dalam Perspektif Sejarah, Berkeley: Pers Universitas California.
• Ayolah, Spencer R. Bangkitnya Ketakutan Nuklir. Cambridge, MA: Harvard University Press, 2012. ISBN 0-674-05233-1

Yayasan Wikimedia. 2010.

Lihat apa itu “Energi nuklir” di kamus lain:

- (energi atom) energi internal inti atom yang dilepaskan selama transformasi nuklir (reaksi nuklir). energi pengikatan nuklir. cacat massa Nukleon (proton dan neutron) di dalam inti terikat kuat oleh gaya nuklir. Untuk mengeluarkan nukleon dari inti,... ...

- (energi nuklir), internal energi di. inti, dilepaskan selama transformasi nuklir. Energi yang harus dikeluarkan untuk memecah inti menjadi nukleon penyusunnya disebut. energi pengikat nuklir? Ini maks. energi menuju surga dapat dilepaskan.… … Ensiklopedia fisik

ENERGI NUKLIR, ENERGI yang dilepaskan selama reaksi nuklir akibat peralihan MASSA menjadi energi sebagaimana dijelaskan dalam persamaan: E=mс2 (di mana E adalah energi, m adalah massa, c adalah kecepatan cahaya); itu diturunkan oleh A. EINSTEIN dalam TEORI RELATIVITASnya.... ... Kamus ensiklopedis ilmiah dan teknis

DAYA NUKLIR- (energi nuklir) lihat () () ... Ensiklopedia Politeknik Besar

Ensiklopedia modern

- (energi atmik) energi dalam inti atom, yang dilepaskan selama transformasi nuklir tertentu. Pemanfaatan energi nuklir didasarkan pada pelaksanaan reaksi berantai fisi inti berat dan reaksi fusi termonuklir inti ringan... Kamus Ensiklopedis Besar

Daya nuklir- (energi atom), energi internal inti atom yang dilepaskan selama reaksi nuklir tertentu. Pemanfaatan energi nuklir didasarkan pada pelaksanaan reaksi berantai fisi inti berat dan reaksi fusi termonuklir inti ringan (lihat... ... Kamus Ensiklopedis Bergambar

Energi dalam inti atom berhubungan dengan pergerakan dan interaksi nukleon (neutron dan proton) yang membentuk inti. Dilepaskan selama peluruhan radioaktif atau reaksi fisi dan fusi nuklir. Pelepasan energi nuklir secara cepat... ...Kamus Bahari

Perkenalan

Pada tahun 1939, atom uranium dapat dipecah untuk pertama kalinya. 3 tahun berikutnya berlalu, dan sebuah reaktor diciptakan di AS untuk melakukan reaksi nuklir terkendali. Kemudian pada tahun 1945 Bom atom diproduksi dan diuji, dan pada tahun 1954. Pembangkit listrik tenaga nuklir pertama di dunia dioperasikan di negara kita. Dalam semua kasus ini, energi peluruhan inti atom yang sangat besar digunakan. Lebih banyak lagi energi yang dilepaskan sebagai akibat dari fusi inti atom. Pada tahun 1953, sebuah bom termonuklir diuji untuk pertama kalinya di Uni Soviet, dan manusia belajar mereproduksi proses yang terjadi di Matahari. Untuk saat ini, fusi nuklir tidak dapat digunakan untuk tujuan damai, tetapi jika hal ini memungkinkan, manusia akan menyediakan energi murah untuk miliaran tahun. Masalah ini telah menjadi salah satu bidang terpenting dalam fisika modern selama 50 tahun terakhir.

Energi nuklir dilepaskan selama peluruhan atau fusi inti atom. Energi apa pun - fisik, kimia, atau nuklir - dimanifestasikan oleh kemampuannya untuk melakukan kerja, memancarkan panas, atau radiasi. Energi dalam sistem apa pun selalu kekal, namun dapat ditransfer ke sistem lain atau diubah bentuknya.

Hingga sekitar tahun 1800, kayu merupakan bahan bakar utama. Energi kayu diperoleh dari energi matahari yang tersimpan pada tumbuhan selama hidupnya. Sejak Revolusi Industri, masyarakat bergantung pada mineral seperti batu bara dan minyak, yang energinya juga berasal dari energi matahari yang tersimpan. Ketika bahan bakar seperti batu bara dibakar, atom hidrogen dan karbon yang terkandung dalam batu bara bergabung dengan atom oksigen di udara. Ketika hidro atau karbon dioksida terjadi, suhu tinggi dilepaskan, setara dengan sekitar 1,6 kilowatt-jam per kilogram atau sekitar 10 elektron volt per atom karbon. Jumlah energi ini khas untuk reaksi kimia yang menyebabkan perubahan struktur elektronik atom. Sebagian energi yang dilepaskan dalam bentuk panas cukup untuk menjaga agar reaksi tetap berjalan.

Sebuah atom terdiri dari inti kecil, masif, bermuatan positif yang dikelilingi oleh elektron. Inti merupakan penyusun sebagian besar massa atom. Ia terdiri dari neutron dan proton (umumnya disebut nukleon) yang terikat bersama oleh gaya nuklir yang sangat kuat, jauh lebih besar daripada gaya listrik yang mengikat elektron ke inti. Energi suatu inti ditentukan oleh seberapa kuat neutron dan protonnya diikat oleh gaya nuklir. Energi nukleon adalah energi yang diperlukan untuk melepaskan satu neutron atau proton dari suatu inti. Jika dua inti ringan bergabung membentuk inti yang lebih berat, atau jika inti berat terpecah menjadi dua inti yang lebih ringan, keduanya akan melepaskan energi dalam jumlah besar.

Energi nuklir, diukur dalam jutaan elektron volt, dihasilkan oleh fusi dua inti ringan ketika dua isotop hidrogen (deuterium) bergabung dalam reaksi berikut:

Dalam hal ini terbentuk atom helium dengan massa 3 sma. , satu neutron bebas, dan 3,2 MeV, atau 5,1 * 10 6 J (1,2 * 10 3 kal).

Energi nuklir juga dihasilkan ketika inti berat (misalnya, inti isotop uranium-235) terbelah akibat penyerapan neutron:

Akibatnya meluruh menjadi cesium-140, rubidium-93, tiga neutron, dan 200 MeV, atau 3,2 · 10 16 J (7,7 · 10 8 kal). Reaksi fisi nuklir melepaskan energi 10 juta kali lebih banyak dibandingkan reaksi kimia serupa.

Fusi nuklir

Pelepasan energi nuklir dapat terjadi di ujung bawah kurva energi ketika dua inti ringan bergabung menjadi satu inti yang lebih berat. Energi yang dipancarkan bintang, seperti matahari, adalah hasil reaksi fusi yang sama di kedalamannya.

Pada tekanan dan suhu yang sangat besar 15 juta derajat C 0. Inti hidrogen yang ada di sana digabungkan menurut persamaan (1) dan sebagai hasil sintesisnya, energi matahari terbentuk.

Fusi nuklir pertama kali dicapai di Bumi pada awal tahun 1930-an. Dalam siklotron - akselerator partikel elementer - inti deuterium dibombardir. Dalam hal ini, suhu tinggi dilepaskan, namun energi ini tidak dapat digunakan. Pada tahun 1950-an, pelepasan energi fusi dalam skala besar namun tidak terkendali pertama kali ditunjukkan dalam uji coba senjata termonuklir oleh Amerika Serikat, Uni Soviet, Inggris Raya, dan Prancis. Namun, ini adalah reaksi jangka pendek dan tidak terkendali yang tidak dapat digunakan untuk menghasilkan listrik.

Dalam reaksi peluruhan, neutron yang tidak bermuatan listrik dapat dengan mudah mendekat dan bereaksi dengan inti fisi, seperti uranium-235. Namun, dalam reaksi fusi biasa, inti-inti yang bereaksi mempunyai muatan listrik positif dan oleh karena itu ditolak oleh hukum Coulomb, sehingga gaya-gaya yang disebabkan oleh hukum Coulomb harus diatasi sebelum inti-inti tersebut dapat bergabung. Hal ini terjadi ketika suhu gas yang bereaksi - cukup tinggi dari 50 hingga 100 juta derajat C 0 . Dalam gas isotop hidrogen berat deuterium dan tritium pada suhu ini, terjadi reaksi sintesis:

melepaskan sekitar 17,6 MeV. Energi tersebut pertama kali muncul sebagai energi kinetik helium-4 dan neutron, namun segera terwujud sebagai suhu tinggi pada material dan gas di sekitarnya.

Jika pada suhu setinggi itu kerapatan gas adalah 10 -1 atmosfer (hampir vakum), maka helium-4 aktif dapat mentransfer energinya ke hidrogen di sekitarnya. Dengan demikian, suhu tinggi dipertahankan dan kondisi diciptakan untuk terjadinya reaksi sintesis spontan. Dalam kondisi ini, “penyalaan nuklir” terjadi.

Pencapaian kondisi untuk fusi termonuklir terkendali terhambat oleh beberapa masalah besar. Pertama, Anda perlu memanaskan gas hingga suhu yang sangat tinggi. Kedua, jumlah inti yang bereaksi perlu dikontrol dalam waktu yang cukup lama. Ketiga, jumlah energi yang dilepaskan harus lebih besar dari energi yang dikeluarkan untuk panas dan membatasi kepadatan gas. Masalah selanjutnya adalah menyimpan energi ini dan mengubahnya menjadi listrik.

Pada suhu genap 100.000 C 0 semua atom hidrogen terionisasi sempurna. Gas terdiri dari struktur yang netral secara listrik: inti bermuatan positif dan elektron bebas bermuatan negatif. Keadaan ini disebut plasma.

Plasma cukup panas untuk melakukan fusi, tetapi tidak dapat ditemukan pada bahan biasa. Plasma akan mendingin dengan sangat cepat, dan dinding bejana akan hancur karena perbedaan suhu. Namun, karena plasma terdiri dari inti bermuatan dan elektron yang berputar mengelilingi garis medan magnet, plasma dapat terkandung dalam wilayah yang dibatasi medan magnet tanpa bereaksi dengan dinding wadah.

Dalam perangkat fusi terkontrol apa pun, pelepasan energi harus melebihi energi yang dibutuhkan untuk membatasi dan memanaskan plasma. Kondisi ini dapat dipenuhi bila waktu pengurungan plasma t dan kepadatannya n melebihi kira-kira 10 14 . Hubungan tn > 10 14 disebut kriteria Lawson.

Banyak skema pengurungan plasma magnetik telah diuji sejak tahun 1950 di Amerika Serikat, Uni Soviet, Inggris Raya, Jepang, dan tempat lain. Reaksi termonuklir diamati, namun kriteria Lawson jarang melebihi 10 12 . Namun, satu perangkat, “Tokamak” (nama ini merupakan singkatan dari kata Rusia: TOroidal CHAMBER with Magnetic Coils), yang awalnya diusulkan di Uni Soviet oleh Igor Tamm dan Andrei Sakharov, mulai memberikan hasil yang baik pada awal 1960-an.

Tokamak adalah ruang vakum toroidal yang berisi kumparan yang menciptakan medan magnet toroidal yang kuat. Medan magnet toroidal sekitar 50.000 Gauss dipertahankan di dalam ruangan ini oleh elektromagnet yang kuat. Aliran longitudinal beberapa juta ampere dibuat dalam plasma oleh kumparan transformator. Garis medan magnet tertutup membatasi plasma secara stabil.

Berdasarkan keberhasilan eksperimen kecil Tokamak, dua perangkat besar dibuat di beberapa laboratorium pada awal 1980-an, satu di Universitas Princeton di Amerika Serikat dan satu lagi di Uni Soviet. Di Tokamak, suhu plasma yang tinggi muncul sebagai akibat pelepasan panas akibat hambatan aliran toroidal yang kuat, serta melalui pemanasan tambahan ketika sinar netral dimasukkan, yang bersama-sama akan menyebabkan penyalaan.

Cara lain yang mungkin untuk memperoleh energi fusi juga melalui sifat inersia. Dalam hal ini, bahan bakar - tritium atau deuterium - terkandung dalam bola kecil, dibombardir dari beberapa sisi oleh sinar laser yang berdenyut. Hal ini menyebabkan bola meledak, menciptakan reaksi termonuklir yang memicu bahan bakar. Beberapa laboratorium di Amerika Serikat dan negara lain sedang menyelidiki kemungkinan ini. Kemajuan dalam penelitian fusi cukup menjanjikan, namun tantangan untuk menciptakan sistem praktis untuk reaksi fusi berkelanjutan yang menghasilkan lebih banyak energi daripada yang dikonsumsi masih belum terselesaikan dan akan memerlukan lebih banyak waktu dan upaya.