Nukleær fisjon og fusjon

Kjernefysisk fusjon og atomfisjon er forskjellige typer reaksjoner som frigjør energi på grunn av tilstedeværelsen av høydrevne atomobligasjoner mellom partikler som finnes i en kjernen. Ved fisjon deles et atom i to eller flere mindre, lettere atomer. Fusjon skjer derimot når to eller flere mindre atomer smelter sammen, og skaper et større, tyngre atom.

Sammenligningstabell

Nuclear Fission versus Nuclear Fusion sammenligning diagram

	Atomfisjon	Kjernefysisk fusjon
Definisjon	Fisjon er splittelsen av et stort atom i to eller flere mindre.	Fusjon er fusjon av to eller flere lettere atomer til en større.
Naturlig forekomst av prosessen	Fissjonsreaksjon forekommer normalt ikke i naturen.	Fusjon oppstår i stjerner, for eksempel solen.
Biprodukter av reaksjonen	Fission produserer mange høyt radioaktive partikler.	Få radioaktive partikler produseres ved fusjonsreaksjon, men hvis en fisjon "trigger" blir brukt, vil radioaktive partikler skyldes det.
Forhold	Kritisk masse av stoffet og høyhastighets nøytroner kreves.	Høy tetthet, høy temperatur miljø er nødvendig.
Energikrav	Tar liten energi til å dele to atomer i en fissionsreaksjon.	Ekstremt høy energi er nødvendig for å bringe to eller flere protoner nær nok til at atomkraftene overvinne deres elektrostatiske avstøtning.
Energi utgitt	Energien som frigjøres av fisjon er en million ganger større enn den som frigjøres i kjemiske reaksjoner, men lavere enn energien som frigjøres ved atomfusjon.	Energien som frigjøres ved fusjon er tre til fire ganger større enn energien som frigjøres av fisjon.
Atomvåpen	En klasse av atomvåpen er en fisjonsbombe, også kjent som en atombombe eller atombombe.	En klasse av atomvåpen er hydrogenbomben, som bruker en fissionsreaksjon til å "utløse" en fusjonsreaksjon.
Energiproduksjon	Fisjon brukes i atomkraftverk.	Fusion er en eksperimentell teknologi for å produsere kraft.
Brensel	Uran er det primære drivstoffet som brukes i kraftverk.	Hydrogenisotoper (Deuterium og Tritium) er det primære drivstoffet som brukes i eksperimentelle fusjonskraftverk.

Innhold: Nuclear Fission and Fusion

• 1 Definisjoner
• 2 Fission vs Fusjonsfysikk
  • 2.1 Krav til fisjon og fusjon
  • 2.2 Kjedereaksjon
  • 2.3 Energiforhold
• 3 Bruk av atomkraft
  • 3.1 Bekymringer
  • 3.2 Kjernefjerning
• 4 naturlig forekomst
• 5 effekter
• 6 Bruk av atomvåpen
• 7 Kostnad
• 8 referanser

definisjoner

Fusion av deuterium med tritium som oppretter helium-4, frigjør et nøytron og frigjør 17,59 MeV av energi.

Nukleær fusjon er reaksjonen der to eller flere kjerner kombinerer, danner et nytt element med et høyere atomnummer (flere protoner i kjernen). Energien utgitt i fusjon er relatert til E = mc ² (Einsteins berømte energimasseekvasjon). På jorda er den mest sannsynlige fusjonsreaksjonen deuterium-tritiumreaksjonen. Deuterium og Tritium er isotoper av hydrogen.

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

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

Nukleær fisjon er splittelsen av en massiv kjerne i fotoner i form av gammastråler, frie neutroner og andre subatomære partikler. I en typisk atomreaksjon som involverer ²³⁵U og et nøytron:

²³⁵₉₂U + n = ²³⁶₉₂U

etterfulgt av

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

Fisjon vs Fusjonsfysikk

Atomer holdes sammen av to av de fire grunnleggende kreftene i naturen: de svake og sterke atomobligasjoner. Den totale mengden energi som holdes innenfor atomobåndene, kalles bindingsenergi. Jo mer bindende energi som holdes inne i bindingene, jo mer stabil er atomet. Videre forsøker atomer å bli mer stabile ved å øke sin bindende energi.

Nucleon av et jernatom er det mest stabile nukleon funnet i naturen, og det verken sikringer eller splittelser. Derfor er jern på toppen av bindende energikurven. For atomkjerner lettere enn jern og nikkel, kan energi utvinnes av kombinere jern- og nikkelkjerner sammen gjennom atomfusjon. I motsetning til at atomkjerner tyngre enn jern eller nikkel, kan energi frigjøres av splitting de tunge kjernene gjennom nukleær fisjon.

Begrepet splittelse av atomet oppsto fra den nynorskefødte britiske fysikeren Ernest Rutherfords arbeid, noe som også førte til oppdagelsen av protonen.

Forhold for fisjon og fusjon

Fisjon kan bare forekomme i store isotoper som inneholder mer nøytroner enn protoner i kjernene, noe som fører til et litt stabilt miljø. Selv om forskerne ennå ikke forstår hvorfor denne ustabiliteten er så nyttig for fisjon, er den generelle teorien at det store antallet protoner skaper en sterk motstridende kraft mellom dem, og at for få eller for mange nøytroner skaper "hull" som forårsaker svekkelse av Nukleærbinding, som fører til forfall (stråling). Disse store kjernene med flere "hull" kan "splittes" av virkningen av termiske nøytroner, såkalte "sakte" nøytroner.

Forutsetninger må være riktige for at en fisjonreaksjon skal oppstå. For at fisjon skal være selvbærende, må stoffet nå kritisk masse, minimumsmengden masse som kreves. Mangelfull kritisk masse grenser reaksjonslengde til bare mikrosekunder. Hvis kritisk masse blir nådd for fort, betyr det for mange nøytroner frigjort i nanosekunder, reaksjonen blir rent eksplosiv, og ingen kraftig energiutslipp vil oppstå.

Kjernereaktorer er for det meste kontrollerte fissjonssystemer som bruker magnetfelter til å inneholde svarte nøytroner; Dette skaper et forhold på 1: 1 av neutronfrigivelse, noe som betyr at et nøytron kommer frem av virkningen av ett nøytron. Da dette tallet vil variere i matematiske proporsjoner, under den såkalte gaussiske fordeling, må magnetfeltet opprettholdes for at reaktoren skal fungere, og kontrollstenger må brukes til å bremse eller øke hastigheten på nøytronaktiviteten.

Fusjon skjer når to lettere elementer tvinges sammen av enorm energi (trykk og varme) til de smelter inn i en annen isotop og frigjør energi. Energien som trengs for å starte en fusjonsreaksjon er så stor at det tar en atomeksplosjon for å produsere denne reaksjonen. Likevel, når fusjonen begynner, kan den teoretisk fortsette å produsere energi så lenge den styres og de grunnleggende fusingisotoper leveres.

Den vanligste formen av fusjon, som forekommer i stjerner, kalles "D-T-fusjon", og refererer til to hydrogenisotoper: deuterium og tritium. Deuterium har 2 nøytroner og tritium har 3, mer enn det ene protonet av hydrogen. Dette gjør fusjonsprosessen enklere da bare ladningen mellom to protoner må overvinnes, fordi fiksering av nøytronene og protonet krever å overvinne den naturlige avstøtende kraften av like ladede partikler (protoner har en positiv ladning sammenlignet med nøytronens mangel på ladning ) og en temperatur - for øyeblikket - på nær 81 millioner grader Fahrenheit for DT-fusjon (45 millioner Kelvin eller litt mindre i Celsius). Til sammenligning er solens kjernetemperatur omtrent 27 millioner F (15 millioner C).^[1]

Når denne temperaturen er nådd, må den resulterende fusjonen være inneholdt lenge nok til å generere plasma, en av de fire tilstandene av stoffet. Resultatet av slik inneslutning er frigjøring av energi fra D-T-reaksjonen, som produserer helium (en edelgass, inert for hver reaksjon) og ekstra nøytroner enn kan "frø" hydrogen for mer fusjonsreaksjoner. For tiden er det ingen sikre måter å indusere den innledende fusjonstemperaturen eller inneholde fusjonsreaksjonen for å oppnå en jevn plasmastatus, men innsats pågår.

En tredje type reaktor kalles en avlesereaktor. Det fungerer ved å bruke fisjon for å lage plutonium som kan frø eller tjene som drivstoff til andre reaktorer. Oppdrettere reagerer mye i Frankrike, men er uoverkommelig dyrt og krever betydelige sikkerhetsforanstaltninger, da utgangene fra disse reaktorene kan brukes til å lage atomvåpen også.

Kjedereaksjon

Kjernereaksjoner av fusjon og fusjon er kjedereaksjoner, noe som betyr at en kjernefysisk begivenhet forårsaker minst en annen kjernefysisk reaksjon, og vanligvis mer. Resultatet er en økende syklus med reaksjoner som raskt kan bli ukontrollert. Denne typen kjernereaksjon kan være flere delinger av tunge isotoper (f.eks. ²³⁵ U) eller sammenslåing av lysisotoper (f.eks. ²Hånd ³H).

Fisjonskjedereaksjoner skjer når neutroner bombarderer ustabile isotoper. Denne typen prosess "påvirkning og spredning" er vanskelig å kontrollere, men de opprinnelige forholdene er relativt enkle å oppnå. En fusionkjedereaksjon utvikler seg bare under ekstreme trykk- og temperaturforhold som forblir stabile av energien som frigjøres i fusjonsprosessen. Både de innledende forholdene og stabiliseringsfeltene er svært vanskelig å utføre med dagens teknologi.

Energiforhold

Fusjonsreaksjoner gir 3-4 ganger mer energi enn fiksjonsreaksjoner. Selv om det ikke finnes jordbaserte fusjonssystemer, er solens utgang typisk for fusjonsenergiproduksjon ved at den hele tiden omdanner hydrogenisotoper til helium, og utsender spektra av lys og varme. Fisjon genererer sin energi ved å bryte ned en atomkraft (den sterke) og frigjøre enorme mengder varme enn det som brukes til å varme vannet (i en reaktor) for deretter å generere energi (elektrisitet). Fusjonen overvinter 2 atomkraft (sterk og svak), og den frigjorte energien kan brukes direkte til å drive en generator; så ikke bare er mer energi utgitt, det kan også utnyttes for mer direkte bruk.

Bruk av atomkraft

Den første eksperimentelle atomreaktoren for energiproduksjon begynte å operere i Chalk River, Ontario, i 1947. Den første atomkraftanlegget i USA, Experimental Breeder Reactor-1, ble lansert kort tid etterpå, i 1951; det kan tennes 4 pærer. Tre år senere, i 1954, lanserte USA sin første atom ubåt, USA. Nautilus, mens U.S.S.R. lanserte verdens første atomreaktor for storskala kraftproduksjon, i Obninsk. USA innviet sitt kjernefysiske produksjonsanlegg et år senere, lyser opp Arco, Idaho (tusen tusen).

Det første kommersielle anlegget for energiproduksjon ved bruk av atomreaktorer var Calder Hall Plant, i Windscale (nå Sellafield), Storbritannia. Det var også stedet for den første atomulykken i 1957, da en brann brøt ut på grunn av strålingslekkasjer.

Den første store amerikanske atomkraftverket ble åpnet i Shippingport i Pennsylvania i 1957. Mellom 1956 og 1973 ble nesten 40 kraftproduksjon kjernereaktorer lansert i USA, den største er Unit One på Zion Nuclear Power Station i Illinois, med en kapasitet på 1,155 megawatt. Ingen andre reaktorer bestilt siden har kommet på nettet, selv om andre ble lansert etter 1973.

Franskene lanserte sin første atomreaktor, Phénix, som kunne produsere 250 megawatt makt i 1973. Den kraftigste energiproduserende reaktoren i USA (1.315 MW) ble åpnet i 1976, på Trojan Power Plant i Oregon. I 1977 hadde USA 63 kjernefysiske anlegg i drift, og gir 3% av nasjonens energibehov. En annen 70 var planlagt å komme online i 1990.

Enhet to på Three Mile Island led en delvis nedsmelting, og frigjorde inerte gasser (xenon og krypton) i miljøet. Den anti-nukleare bevegelsen fikk styrke fra frykten hendelsen forårsaket. Fryktene ble drevet enda mer i 1986, da enhet 4 på Tsjernobyl-anlegget i Ukraina led en kjernefysisk kjernereaksjon som eksploderte anlegget, spredte radioaktivt materiale i hele området og en stor del av Europa. I løpet av 1990-tallet utvidet Tyskland og spesielt Frankrike sine atomkraftverk, med fokus på mindre og dermed mer kontrollerbare reaktorer. Kina lanserte sine første 2 kjernefysiske anlegg i 2007, og produserte totalt 1.866 MW.

Selv om kjernefysisk energi er rangert tredje etter kull og vannkraft i global watt, har presset for å lukke kjernefysiske anlegg kombinert med de økende kostnadene for å bygge og drive slike anlegg, skapt en tilbaketrekking av bruken av kjernekraft for kraft. Frankrike leder verden i prosent av elektrisitet produsert av atomreaktorer, men i Tyskland har solenergi overtaket atomkraft som energiprodusent.

USA har fremdeles over 60 kjernefysiske anlegg, men stemmesedler og reaktortider har lukket fabrikker i Oregon og Washington, mens dusinvis flere er målrettet mot demonstranter og miljøverngrupper. For tiden ser bare Kina ut til å utvide sitt antall kjernefysiske anlegg, da det søker å redusere sin sterke avhengighet av kull (den viktigste faktoren i sin ekstremt høye forurensningsgrad) og søke et alternativ til å importere olje.

bekymringer

Frykten for atomenergi kommer fra dens ekstremer, som både et våpen og en kraftkilde. Fisjon fra en reaktor skaper avfallsmateriale som er iboende farlig (se mer nedenfor) og kan være egnet for skitne bomber. Selv om flere land som Tyskland og Frankrike har gode track records med sine kjernefysiske anlegg, har andre mindre positive eksempler, som de som er sett på Three Mile Island, Tsjernobyl og Fukushima, gjort mange motvillige til å godta atomenergi, selv om det er mye sikrere enn fossilt brensel. Fusjonsreaktorer kan en dag være en rimelig, rikelig energikilde som trengs, men bare hvis de ekstreme forholdene som trengs for å skape fusjon og administrere det, kan løses.

Atomavfall

Biproduktet av fisjon er radioaktivt avfall som tar tusenvis av år å miste sine farlige nivåer av stråling. Dette innebærer at kjernefysjonsreaktorer også skal ha sikkerhetskontroll for dette avfallet og transporten til ubebodde lagringsplasser eller dumpningssteder. For mer informasjon om dette, les om håndtering av radioaktivt avfall.

Naturlig forekomst

I naturen skjer fusjon i stjerner, som for eksempel solen. På jorden ble atomfusjon først oppnådd i hydrogenbombenes oppbygging. Fusjon har også blitt brukt i ulike eksperimentelle enheter, ofte med håp om å produsere energi på en kontrollert måte.

På den annen side er fisjon en kjernefysisk prosess som ikke normalt forekommer i naturen, da det krever en stor masse og en hendelsesnutron. Likevel har det vært eksempler på atomfisjon i naturlige reaktorer. Dette ble oppdaget i 1972 da uranforekomster fra en Oklo, Gabon, ble funnet å ha en gang opprettholdt en naturlig fissjonsreaksjon for 2 milliard år siden.

effekter

Kort sagt, hvis en fissionsreaksjon kommer ut av kontroll, eksploderer den enten, eller reaktoren som genererer den, smelter ned i en stor haug med radioaktivt slagg. Slike eksplosjoner eller smeltefeil frigjør tonn radioaktive partikler i luften og eventuelle nærliggende overflater (land eller vann), forurenser det hvert minutt, fortsetter reaksjonen. I motsetning henger en fusjonsreaksjon som mister kontrollen (blir ubalansert), og senker temperaturen til den stopper. Dette er hva som skjer med stjerner som de brenner sitt hydrogen inn i helium og mister disse elementene over tusenvis av århundrer med utvisning. Fusjon produserer lite radioaktivt avfall. Hvis det er noen skader, vil det skje med fusjonsreaktorens umiddelbare omgivelser og lite annet.

Det er langt sikrere å bruke fusjon for å produsere kraft, men fisjon blir brukt fordi det tar mindre energi å dele to atomer enn det som er å fuse to atomer. Også de tekniske utfordringene som er involvert i å kontrollere fusjonsreaksjoner, har ikke blitt overvunnet ennå.

Bruk av atomvåpen

Alle atomvåpen krever en kjernefysjonsreaksjon til arbeid, men "rene" fissionsbomber, de som bruker en fissionsreaksjon alene, er kjent som atom- eller atombomber. Atombomber ble først testet i New Mexico i 1945, under høyde av andre verdenskrig. I samme år brukte USA dem som et våpen i Hiroshima og Nagasaki, Japan.

Siden atombomben har de fleste kjernevåpen som er foreslått og / eller konstruert, forbedret fissjonsreaksjon (er) på en eller annen måte (for eksempel se forsterkede fissjonsvåpen, radiologiske bomber og neutronbomber). Termonuclear våpen - et våpen som bruker både fisjon og hydrogenbasert fusjon - er en av de bedre kjente våpenfremskrittene. Selv om begrepet et termonukleært våpen ble foreslått allerede i 1941, var det ikke før tidlig på 1950-tallet at hydrogenbomben (H-bombe) ble først testet. I motsetning til atombomber har hydrogenbomber ikke blitt brukt i krigføring, kun testet (for eksempel se Tsar Bomba).

Til nå benytter ikke atomvåpen bare kjernekraftfusjon alene, selv om statlige forsvarsprogrammer har lagt betydelig forskning på en slik mulighet.

Koste

Fisjon er en kraftig form for energiproduksjon, men den kommer med innebygde ineffektiviteter. Nukleærbrenselet, vanligvis Uran-235, er dyrt å minne og rense. Fissjonsreaksjonen skaper varme som brukes til å koke vann til damp for å slå en turbin som genererer elektrisitet. Denne transformasjonen fra varmeenergi til elektrisk energi er tungvint og kostbart. En tredje kilde til ineffektivitet er at opprydding og lagring av kjernefysisk avfall er svært dyrt. Avfall er radioaktiv, krever riktig avhending, og sikkerheten må være stram for å sikre offentlig sikkerhet.

For fusjon skal forekomme, må atomene være begrenset i magnetfeltet og hevet til en temperatur på 100 millioner Kelvin eller mer. Dette tar en enorm mengde energi til å starte fusjon (atombomber og lasere antas å gi den "gnist"), men det er også behov for riktig å inneholde plasmafeltet for langsiktig energiproduksjon. Forskere forsøker fortsatt å overvinne disse utfordringene fordi fusjon et sikrere og kraftigere energiproduksjonssystem enn fisjon, noe som betyr at det til slutt ville koste mindre enn fisjon.

referanser

• Fisjon og fusjon - Brian Swarthout på YouTube
• Nuclear History Timeline - Utdanning Database Online
• Nuclear Stability and Magic Numbers - UC Davis ChemWiki
• Wikipedia: Kjernefusion
• Wikipedia: Nukleær fisjon