Ядерное деление и синтез – выработка электроэнергии

Ядерная физика - это область науки, изучающая свойства и поведение атомного ядра. Понимание этого помогает нам использовать ядерные реакции для различных приложений, особенно для выработки электроэнергии. Два основных процесса в ядерной физике, которые производят энергию, это ядерное деление и ядерный синтез.

Ядерное деление

Ядерное деление - это реакция, в которой тяжелое ядро расщепляется на два меньших ядра, испуская несколько нейтронов и большое количество энергии. Этот процесс используется в атомных электростанциях для производства электроэнергии.

Как работает ядерное деление

Представьте себе тяжелый атом, такой как уран-235. Когда нейтрон ударяет по этому ядру урана, оно становится нестабильным и расщепляется на два меньших ядра. Это расщепление, или деление, выделяет дополнительные нейтроны и значительное количество энергии. Эти высвобожденные нейтроны могут затем столкнуться с другими ядрами урана, вызывая больше реакций деления. Это называется цепной реакцией.

Основная реакция деления может быть представлена как:

        ^{235}_{92}U + ^{1}_{0}n rightarrow ^{236}_{92}U rightarrow ^{140}_{56}Ba + ^{93}_{36}Kr + 3^{1}_{0}n + text{Энергия}
        ^{235}_{92}U + ^{1}_{0}n rightarrow ^{236}_{92}U rightarrow ^{140}_{56}Ba + ^{93}_{36}Kr + 3^{1}_{0}n + text{Энергия}
    

Здесь ядро урана-235 поглощает нейтрон, расщепляется на барий-140 и криптон-93, высвобождая три дополнительных нейтрона и энергию.

Цепная реакция

Цепная реакция в ядерном делении происходит тогда, когда нейтроны, высвобожденные в результате одного события деления, вызывают дальнейшие события деления. Если не контролировать, этот процесс может стать очень быстрым и взрывоопасно высвобождать огромное количество энергии, как, например, в ядерном оружии. Однако на электростанциях реакция контролируется для безопасного использования энергии.

Контрольные стержни, сделанные из таких материалов, как кадмий или бор, используются для поглощения избытка нейтронов, тем самым контролируя процесс. Это управление нейтронами помогает поддерживать необходимую скорость деления для продолжения производства энергии.

Применение ядерного деления

Энергия, полученная от ядерного деления, в основном используется для производства электроэнергии. Атомные электростанции работают так же, как и электростанции на ископаемом топливе, но используют тепло от деления вместо сжигания угля. Тепло превращает воду в пар, который затем вращает турбины, подключенные к электрогенераторам.

Ядерный синтез

Ядерный синтез - это процесс, в котором два более легких атомных ядра соединяются, образуя более тяжелое ядро, выделяя энергию. Синтез - это процесс, который питает солнце и звезды, и это обеспечивает обильный потенциальный источник энергии на Земле.

Как работает ядерный синтез?

Для синтеза необходимы чрезвычайно высокие температуры и давления, чтобы приблизить ядра двух атомов достаточно близко, чтобы преодолеть силы отталкивания между ними. При этих высоких температурах электроны отделяются, оставляя положительно заряженные ядра — ионы — свободными для столкновений. Когда ядра подходят очень близко, ядерная сила притягивает их, достигая синтеза.

Простая реакция синтеза включает изотопы водорода - дейтерий и тритий. Синтеза дейтерия и трития образует ядро гелия, нейтрон и энергию, как показано в реакции:

        ^{2}_{1}H + ^{3}_{1}H rightarrow ^{4}_{2}He + ^{1}_{0}n + text{Энергия}
        ^{2}_{1}H + ^{3}_{1}H rightarrow ^{4}_{2}He + ^{1}_{0}n + text{Энергия}
    

Возможность энергии синтеза

Энергия синтеза имеет несколько преимуществ перед делением. Во-первых, топлива, используемые в синтезе (дейтерий и тритий), более доступны, чем уран или плутоний. Вода содержит много дейтерия, а литий, из которого можно получить тритий, обилен в земной коре.

Во-вторых, синтез производит минимальное количество долгоживущих радиоактивных отходов по сравнению с делением. Также нет возможности неконтролируемой реакции, как в реакторах деления, потому что поддержание высоких температур и давлений, необходимых для синтеза, является неотъемлемо сложной задачей.

Проблемы синтеза

Основная проблема использования энергии синтеза заключается в поддержании условий, необходимых для синтеза — экстремальных температур и давлений — достаточно долго, чтобы извлечь энергию. Ученые работают над различными методами, такими как магнитное удержание (токамаки) и инерционная фиксация, чтобы достичь реакций синтеза.

Сравнение деления и синтеза

Понимание как деления, так и синтеза выявляет их сильные стороны и ограничения. Вот простое сравнение:

Аспект	Деление	Синтез
Топливо	Уран-235, Плутоний-239	Дейтерий, Тритий
Выработка энергии	Высокая	Потенциально больше
Радиоактивные отходы	Значительные	Минимальные
Контроль свыше	Возможен с помощью управляющих стержней	Сложно поддерживать на данный момент

Заключение

Как ядерное деление, так и синтез предлагают пути к производству крупномасштабной энергии. В настоящее время деление используется на атомных электростанциях по всему миру, в то время как синтез показывает обещания на будущее. Постоянно исследуя и совершенствуя эти процессы, мы стремимся найти устойчивые решения для удовлетворения наших энергетических потребностей.

Комментарии