Kärnklyvning och fusion

Kärnfusion och Kärnfission är olika typer av reaktioner som släpper ut energi på grund av närvaron av högdrivna atomobindningar mellan partiklar som finns i en kärna. Vid fission delas en atom i två eller flera mindre, lättare atomer. Fusion sker däremot när två eller flera mindre atomer smälter samman, vilket skapar en större, tyngre atom.

Jämförelsediagram

Kärnfission mot kärnfusion jämförelseskarta

	Kärnfission	Kärnfusion
Definition	Klyvning är splittringen av en stor atom i två eller flera mindre.	Fusion är smältningen av två eller flera lättare atomer till en större.
Naturlig förekomst av processen	Klyvningsreaktionen uppträder normalt inte i naturen.	Fusion förekommer i stjärnor, såsom solen.
Biprodukter av reaktionen	Fission producerar många högt radioaktiva partiklar.	Få radioaktiva partiklar produceras genom fusionsreaktion, men om en fission "trigger" används, kommer radioaktiva partiklar att härröra från det.
Betingelser	Kritisk massa av ämnet och höghastighetsnutroner krävs.	Hög densitet, hög temperatur är nödvändig.
Energikrav	Tar liten energi att dela upp två atomer i en fissionsreaktion.	Extremt hög energi krävs för att få två eller flera protoner tillräckligt nära att kärnkrafterna övervinner sin elektrostatiska repulsion.
Energi släppt	Den energi som frigörs av fission är en miljon gånger större än den som frigörs i kemiska reaktioner, men lägre än den energi som frigörs genom kärnfusion.	Den energi som släpps genom fusion är tre till fyra gånger större än den energi som frigörs av fission.
Kärnvapen	En klass av kärnvapen är en klyvbom, även känd som en atombom eller en atombomb.	En klass av kärnvapen är vätebomben, som använder en fissionsreaktion på att "utlösa" en fusionsreaktion.
Energiproduktion	Klyvning används i kärnkraftverk.	Fusion är en experimentell teknik för att producera kraft.
Bränsle	Uran är det primära bränslet som används i kraftverk.	Väteisotoper (deuterium och tritium) är det primära bränslet som används i experimentella fusionskraftverk.

Innehåll: Kärnklyvning och fusion

• 1 Definitioner
• 2 Fission vs Fusionsfysik
  • 2.1 Villkor för klyvning och fusion
  • 2.2 Kedjereaktion
  • 2.3 Energiförbrukning
• 3 Kärnkraftsanvändning
  • 3.1 Bekymmer
  • 3.2 Kärnavfall
• 4 naturlig förekomst
• 5 Effekter
• 6 Användning av kärnvapen
• 7 Kostnad
• 8 referenser

Definitioner

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

Kärnfusion är reaktionen i vilken två eller flera kärnor kombinerar, som bildar ett nytt element med ett högre atomnummer (fler protoner i kärnan). Den energi som släpps i fusion är relaterad till E = mc ² (Einsteins berömda energimassekvation). På jorden är den mest sannolika fusionsreaktionen deuterium-tritiumreaktion. Deuterium och Tritium är isotoper av väte.

² ₁deuterium + ³ ₁Tritium = ⁴₂han + ¹₀n + 17,6 MeV

[Bild: Fission-Reaction.svg | thumb | none | Fission Reaction]]

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

²³⁵₉₂U + n = ²³⁶₉₂U

följd av

²³⁶₉₂U = ¹⁴⁴₅₆Ba + ⁸⁹ ₃₆Kr + 3n + 177 MeV

Fission vs Fusionsfysik

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

Nucleon av en järnatom är den mest stabila nukleon som finns i naturen, och det är inte heller säkringar eller splittringar. Därför är järn högst upp i den bindande energikurvan. För atomkärnor lättare än järn och nickel kan energi extraheras av kombinerande järn- och nickelkärnor tillsammans genom kärnfusion. I motsats till att atomkärnor tyngre än järn eller nickel kan energi släppas av delning de tunga kärnorna genom kärnfission.

Begreppet splittring av atomen härrörde från Nya Zeelandsfödda brittiska fysiker Ernest Rutherfords arbete, vilket också ledde till upptäckten av protonen.

Villkor för klyvning och fusion

Klyvning kan endast ske i stora isotoper som innehåller mer neutroner än protoner i kärnorna, vilket leder till en något stabil miljö. Även om forskare ännu inte helt förstår varför denna instabilitet är så bra för fission, är den allmänna teorin att det stora antalet protoner skapar en stark motståndskraft 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 splittras av effekten av termiska neutroner, så kallade "långsamma" neutroner.

Villkoren måste vara korrekta för att en fissionsreaktion ska uppstå. För att klyvning ska vara självhäftande måste ämnet nå kritisk massa, den minsta mängd massa som krävs som saknar kritisk massa begränsar reaktionslängden till bara mikrosekunder. Om kritisk massa uppnås för snabbt betyder att för många neutroner släpps i nanosekunder blir reaktionen rent explosiv och ingen kraftfull energiutsläpp kommer att uppstå.

Kärnreaktorer är mestadels kontrollerade fissionssystem som använder magnetfält för att innehålla strängnutroner; detta skapar ett förhållande om neutronfrigörelsen 1: 1, vilket innebär att en neutron kommer fram från effekten av en neutron. Eftersom detta antal kommer att variera i matematiska proportioner, under vad som är känd som Gaussfördelning, måste magnetfältet bibehållas för att reaktorn ska fungera, och styrstavar måste användas för att sakta ner eller påskynda neutronaktivitet.

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

Den vanligaste formen av fusion, som förekommer i stjärnor, kallas "D-T-fusion", med hänvisning till två väteisotoper: deuterium och tritium. Deuterium har 2 neutroner och tritium har 3, mer än det ena protonet av väte. Detta gör fusionsprocessen enklare eftersom endast laddningen mellan två protoner måste övervinnas, eftersom smältning av neutronerna och protonen kräver att den naturliga avstörande kraften av likadana laddade partiklar överensstämmer (protoner har en positiv laddning jämfört med neutronernas brist på laddning ) och en temperatur - för en stund - på nära 81 miljoner grader Fahrenheit för DT-fusion (45 miljoner Kelvin eller något mindre i Celsius). För jämförelse är solens kärntemperatur cirka 27 miljoner F (15 miljoner C).^[1]

När denna temperatur har uppnåtts måste den resulterande fusionen finnas tillräckligt länge för att alstra plasma, en av de fyra tillstånden av materia. Resultatet av en sådan inneslutning är en frisättning av energi från D-T-reaktionen, som producerar helium (en ädelgas, inert mot varje reaktion) och extra neutroner än kan "frö" väte för mer fusionsreaktioner. För närvarande finns inga säkra sätt att inducera den initiala fusionstemperaturen eller innehålla fusionsreaktionen för att uppnå ett stadigt plasmastatus, men ansträngningar pågår.

En tredje typ av reaktor kallas en uppfödningsreaktor. Det fungerar genom att använda fission för att skapa plutonium som kan frö eller fungera som bränsle för andra reaktorer. Uppfödare reaktorer används i stor utsträckning i Frankrike, men är orimligt dyra och kräver väsentliga säkerhetsåtgärder, eftersom utgången från dessa reaktorer kan användas för att tillverka kärnvapen också.

Kedjereaktion

Klyvningsreaktioner för klyvning och fusion är kedjereaktioner, vilket innebär att en kärnhändelse orsakar minst en annan kärnreaktion och vanligtvis mer. Resultatet är en ökande reaktionscykel som snabbt kan bli okontrollerad. Denna typ av kärnreaktion kan vara flera splittringar av tunga isotoper (t.ex.. ²³⁵ U) eller sammanslagningen av ljusisotoper (t.ex.. ²H och ³H).

Fissionskedjereaktioner inträffar när neutroner bombarderar instabila isotoper. Denna typ av "slag och spridning" -process är svår att styra, 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 ursprungliga förhållandena och stabiliseringsfälten är mycket svåra att utföra med nuvarande teknik.

Energiförbrukning

Fusionsreaktioner frigör 3-4 gånger mer energi än fissionsreaktioner. Även om det inte finns några jordbaserade fusionssystem, är solens produktion typiskt för fusionsenergiproduktion genom att den ständigt omvandlar väteisotoper till helium och avger ljus- och värmespektra. Fission genererar sin energi genom att bryta ner en kärnkraft (den starka) och frigöra enorma mängder värme än vad som används för att värma vatten (i en reaktor) för att sedan generera energi (el). Fusion övervinner 2 nukleära styrkor (stark och svag), och den frigjorda energin kan användas direkt för att driva en generator. så inte bara är mer energi släppt, det kan också utnyttjas för mer direkt applikation.

Kärnkraftsanvändning

Den första experimentella kärnreaktorn för energiproduktion började fungera 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 atomubåt, U.S.S. Nautilus, medan U.S.S.R. lanserade världens första kärnreaktor för storskalig kraftproduktion, i Obninsk. USA invigde sin kärnkraftproduktionsanläggning ett år senare, upplyst Arco, Idaho (pop 1000).

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

Den första storskaliga kärnkraftverket i USA öppnade i Shippingport, Pennsylvania, 1957. Mellan 1956 och 1973 lanserades nästan 40 kraftproducerande kärnreaktorer i USA, den största som är Enhet i Zion Nuclear Power Station i Illinois med en kapacitet på 1,155 megawatt. Inga andra reaktorer beställda sedan har kommit online, även om andra lanserades efter 1973.

Franskan lanserade sin första kärnreaktor, Phénix, som kunde producera 250 megawatt kraft, 1973. Den kraftfullaste energiproducerande reaktorn i USA (1.315 MW) öppnade 1976 vid Trojan Power Plant i Oregon. Vid 1977 hade USA 63 kärnkraftverk i drift, vilket gav 3% av landets energibehov. En annan 70 var planerad att komma online 1990.

Enhet två på Three Mile Island led en partiell smältning, som släppte inerta gaser (xenon och krypton) i miljön. Den anti-nukleära rörelsen fick styrka från rädslan som händelsen orsakade. Rädslan föddes ännu mer 1986, när enhet 4 vid Tjernobylväxten i Ukraina drabbades av en kärnreaktion som sprängde anläggningen, sprider radioaktivt material i hela området och en stor del av Europa. Under 1990-talet utvidgade Tyskland och särskilt Frankrike sina kärnkraftverk med inriktning på mindre och därmed mer kontrollerbara reaktorer. Kina lanserade sina första 2 kärnanläggningar under 2007 och producerade totalt 1.866 MW.

Trots att kärnkraften ligger tredje bakom kol och vattenkraft i global watt, har trycket att stänga kärnkraftverk, i kombination med de ökade kostnaderna för att bygga och driva sådana anläggningar, skapat en återgång till användningen av kärnkraft 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 kärntekniska anläggningar, men omröstningsinitiativ och reaktorålder har stängt fabriker i Oregon och Washington, medan dussintals mer riktas mot demonstranter och miljöskydd. För närvarande verkar endast Kina öka antalet kärnkraftverk, eftersom det syftar till att minska sitt stora beroende av kol (den största faktorn i sin extremt höga föroreningsgrad) och söka ett alternativ till import av olja.

oro

Rädslan för kärnenergi kommer från dess ytterligheter, som både ett vapen och en kraftkälla. Klyvning från en reaktor skapar avfallsmaterial som är naturligt farligt (se mer nedan) och kan vara lämpliga för smutsiga bomber. Även om flera länder, som Tyskland och Frankrike, har utmärkta track records med sina kärntekniska anläggningar, har andra mindre positiva exempel, såsom de som ses i 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 överkomliga, rikliga energikällan som behövs, men endast om de extrema förhållanden som behövs för att skapa fusion och hantera det kan lösas.

Kärnavfall

Biprodukten av fission är radioaktivt avfall som tar tusentals år för att förlora sina farliga strålningsnivåer. Det innebär att kärnklyvningsreaktorer måste också ha skyddsåtgärder för detta avfall och dess transport till obebodda förvaringsplatser eller dumpningsplatser. För mer information om detta, läs om hanteringen av radioaktivt avfall.

Naturlig förekomst

I naturen förekommer fusion i stjärnor, såsom solen. På jorden uppnåddes nukleär fusion först i växtbombens skapande. Fusion har också använts i olika experimentella anordningar, ofta med hopp om att producera energi på ett kontrollerat sätt.

Å andra sidan är klyvning en kärnprocess som normalt inte uppstår i naturen, eftersom det kräver en stor massa och en incidentnutron. Det har dock varit exempel på kärnklyvning i naturliga reaktorer. Detta upptäcktes 1972 när uranavlagringar från en Oklo, Gabon, min befanns ha haft en gång en naturlig fissionsreaktion för omkring 2 miljarder år sedan.

effekter

I korthet, om en fissionsreaktion blir out of control, exploderar den antingen eller reaktorn som genererar den smälter ner i en stor hög av radioaktiv slagg. Sådana explosioner eller smältningar släpper ut massor av radioaktiva partiklar i luften och någon angränsande yta (land eller vatten), förorenar det varje minut, fortsätter reaktionen. Däremot sänks en fusionsreaktion som förlorar kontrollen (blir obalanserad) och sjunker temperaturen tills den stannar. Detta är vad som händer med stjärnor som de bränner deras väte till helium och förlorar dessa element över tusentals århundraden av utvisning. Fusion producerar litet radioaktivt avfall. Om det finns skada kommer det att hända med fusionsreaktorns närmaste omgivning och lite annat.

Det är mycket säkrare att använda fusion för att producera kraft, men fission används eftersom det tar mindre energi att dela upp två atomer än att smälta två atomer. De tekniska utmaningarna som är inblandade i kontrollen av fusionsreaktioner har inte övervinnats än.

Användning av kärnvapen

Alla kärnvapen kräver en kärnfissionreaktion på jobbet, men "rena" fissionbomber, de som använder en fissionsreaktion ensam, är kända som atom- eller atombomber. Atombomber testades först i New Mexico år 1945 under höjden av andra världskriget. 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 förbättrad fissionreaktion (er) på ett eller annat sätt (t ex se förstärkta fissionsvapen, radiologiska bomber och neutronbomber). Termonuclear weaponry - ett vapen som använder både fission och vätebaserad fusion - är en av de bättre kända vapenutvecklingarna. Trots att termen av ett termonukleärt vapen föreslogs redan 1941, var det inte förrän i början av 1950-talet att vätebomben (H-bomb) testades först. Till skillnad från atombomber har vätebomber inte har använts i krigföring, endast testad (t ex se Tsar Bomba).

Hittills använder inget kärnvapen endast kärnfusion, trots att statliga försvarsprogram har lagt stor undersökning om en sådan möjlighet.

Kosta

Klyvning är en kraftfull form av energiproduktion, men det kommer med inbyggda ineffektiviteter. Kärnbränslet, vanligtvis uran-235, är dyrt att gruva och rena. Fissionsreaktionen skapar värme som används för att koka vatten för ånga för att vrida en turbin som genererar el. Denna omvandling från värmeenergi till elektrisk energi är besvärlig och dyr. En tredje ineffektivitetskälla är att rening och lagring av kärnavfall är mycket dyrt. Avfall är radioaktivt, kräver korrekt bortskaffande, och säkerheten måste vara tät för att säkerställa allmän säkerhet.

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

referenser

• Klyvning och fusion - Brian Swarthout på YouTube
• Kärnhistoria Tidslinje - Utbildningsdatabas Online
• Kärnstabilitet och magnummer - UC Davis ChemWiki
• Wikipedia: Kärnfusion
• Wikipedia: Kärnklyvning