Nükleer Fisyon ve Füzyon

Nükleer füzyon ve nükleer fizyon bir çekirdek içinde bulunan parçacıklar arasında yüksek güçlü atomik bağların varlığından dolayı enerjiyi serbest bırakan farklı reaksiyon tipleridir. Fisyonda, bir atom iki veya daha fazla daha küçük, daha hafif atoma bölünür. Füzyon, aksine, iki veya daha fazla küçük atomun birlikte kaynaşması ve daha büyük, daha ağır bir atomun oluşması ile oluşur..

Karşılaştırma Tablosu

Nükleer Fisyon ve Nükleer Füzyon karşılaştırma tablosu

	Nükleer Fisyon	Nükleer füzyon
Tanım	Fisyon, büyük bir atomun iki veya daha fazla küçük atoma bölünmesidir.	Füzyon, iki veya daha fazla daha hafif atomun daha büyük bir atomun kaynaşmasıdır.
Sürecin doğal oluşumu	Fisyon reaksiyonu normal olarak doğada meydana gelmez.	Füzyon güneş gibi yıldızlarda görülür.
Reaksiyonun yan ürünleri	Fisyon çok sayıda radyoaktif parçacık üretir.	Füzyon reaksiyonu ile az sayıda radyoaktif parçacık üretilir, ancak bir fisyon "tetikleyicisi" kullanılırsa, bundan radyoaktif parçacıklar elde edilir..
Koşullar	Maddenin kritik kütlesi ve yüksek hızlı nötronlar gereklidir.	Yüksek yoğunluk, yüksek sıcaklık ortamı gereklidir.
Enerji Gereksinimi	Bir fisyon reaksiyonunda iki atomu ayırmak için çok az enerji harcar.	İki veya daha fazla protonun nükleer kuvvetlerin elektrostatik itilmesinin üstesinden gelmesine yetecek kadar yaklaşması için son derece yüksek enerji gerekmektedir..
Serbest Bırakılan Enerji	Bölünme ile açığa çıkarılan enerji, kimyasal reaksiyonlarda açığa çıkan enerjiden milyon kat daha fazladır, ancak nükleer füzyonla açığa çıkan enerjiden daha düşüktür.	Füzyon tarafından salınan enerji, fisyon tarafından salınan enerjiden üç ila dört kat daha fazladır.
Nükleer silah	Bir nükleer silah sınıfı, atom bombası veya atom bombası olarak da bilinen bir fisyon bombasıdır.	Bir nükleer silah sınıfı, bir füzyon reaksiyonunu "tetiklemek" için bir fisyon reaksiyonu kullanan hidrojen bombasıdır..
Enerji üretimi	Nükleer santrallerde fisyon kullanılır.	Fusion, güç üretmek için deneysel bir teknolojidir.
Yakıt	Uranyum enerji santrallerinde kullanılan birincil yakıttır.	Hidrojen izotopları (Deuterium ve Tritium) deneysel füzyon enerji santrallerinde kullanılan birincil yakıttır.

İçindekiler: Nükleer Fisyon ve Füzyon

• 1. Tanımlar
• 2 Bölünme ve Füzyon Fiziği
  • 2.1 Fisyon ve Füzyon Koşulları
  • 2.2 Zincir Reaksiyonu
  • 2.3 Enerji Oranları
• 3 Nükleer Enerji Kullanımı
  • 3.1 Endişeler
  • 3.2 Nükleer Atıklar
• 4 Doğal Oluşum
• 5 Efektler
• 6 Nükleer Silah Kullanımı
• 7 Maliyet
• 8 Kaynakça

Tanımlar

Döteryumun, trityum-helyum-4 oluşturan, bir nötronu serbest bırakan ve 17.59 MeV enerji serbest bırakan füzyonu.

Nükleer füzyon, iki veya daha fazla çekirdeğin birleştiği, daha yüksek atom sayısına sahip yeni bir eleman oluşturan (çekirdeğin daha fazla proton) reaksiyonudur. Füzyonda salınan enerji E = mc ile ilişkilidir. ² (Einstein'ın ünlü enerji-kütle denklemi). Dünyada, en olası füzyon reaksiyonu Deuterium-Tritium reaksiyonudur. Döteryum ve Trityum, hidrojenin izotoplarıdır.

² ₁Döteryum + ³ ₁Trityum = ⁴₂o + ¹₀n + 17.6 MeV

[Resim: Fission-Reaction.svg | thumb | none | Bölünme Reaksiyonu]]

Nükleer fizyon, büyük bir çekirdeğin gama ışınları, serbest nötronlar ve diğer atom altı parçacıkları şeklinde fotonlara bölünmesidir. İçeren tipik bir nükleer reaksiyonda ²³⁵U ve bir nötron:

²³⁵₉₂U + n = ²³⁶₉₂U

bunu takiben

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

Bölünme ve Füzyon Fiziği

Atomlar, doğanın dört temel kuvvetinden ikisi tarafından bir arada tutulur: zayıf ve güçlü nükleer bağlar. Atomların bağları içinde tutulan toplam enerji miktarına bağlayıcı enerji denir. Bağlar içinde ne kadar çok bağlanma enerjisi tutulursa, atom o kadar kararlı olur. Dahası, atomlar bağlanma enerjilerini artırarak daha kararlı hale gelmeye çalışır.

Bir demir atomunun nükleonu, doğada bulunan en kararlı nükleondur ve ne sigortalar ne de bölünmelerdir. Bu nedenle demir bağlayıcı enerji eğrisinin en üstünde yer alır. Demir ve nikelden daha hafif atom çekirdeği için, enerji birleştirme demir ve nikel çekirdekleri birlikte nükleer füzyon yoluyla. Buna karşılık, demir veya nikelden daha ağır atom çekirdeği için, enerji bölme nükleer fisyon yoluyla ağır çekirdekler.

Atomu bölme fikri, Yeni Zelanda doğumlu İngiliz fizikçi Ernest Rutherford'un çalışmalarından kaynaklandı ve bu da protonun keşfedilmesine yol açtı..

Fisyon ve Füzyon Koşulları

Fisyon sadece çekirdeklerindeki protonlardan daha fazla nötron içeren büyük izotoplarda ortaya çıkabilir ve bu da biraz kararlı bir ortama yol açar. Bilim adamları bu istikrarsızlığın neden fisyon için bu kadar yararlı olduğunu henüz tam olarak anlamasa da, genel teori, çok sayıda protonun aralarında güçlü bir itici güç oluşturması ve çok az veya çok fazla nötronun zayıflamasına neden olan "boşluklar" yaratmasıdır. çürümeye (radyasyon) yol açan nükleer bağ. Daha fazla "boşluğu" olan bu büyük çekirdekler, "yavaş" nötronlar olarak adlandırılan termal nötronların etkisi ile "bölünebilir"..

Bir fisyon reaksiyonunun meydana gelmesi için koşullar uygun olmalıdır. Fisyonun kendi kendine devam edebilmesi için, maddenin kritik kütleye, gerekli minimum kütle miktarına ulaşması gerekir; kritik kütlenin yetersiz olması reaksiyon uzunluğunu sadece mikrosaniye ile sınırlar. Kritik kütleye çok hızlı ulaşılırsa, yani nanosaniye içinde çok fazla nötron salınır, reaksiyon tamamen patlayıcı hale gelir ve güçlü bir enerji salınımı meydana gelmez.

Nükleer reaktörler çoğunlukla başıboş nötronları ihtiva etmek için manyetik alanlar kullanan kontrollü fisyon sistemleridir; bu kabaca 1: 1 oranında nötron salınımı oluşturur, yani bir nötron bir nötronun etkisinden ortaya çıkar. Bu sayı matematiksel oranlarda değişeceğinden, Gauss dağılımı olarak bilinen şeyin altında, reaktörün çalışması için manyetik alan korunmalı ve nötron aktivitesini yavaşlatmak veya hızlandırmak için kontrol çubukları kullanılmalıdır..

Füzyon, iki daha hafif eleman başka bir izotopla kaynayana ve enerjiyi serbest bırakana kadar muazzam enerji (basınç ve ısı) ile birlikte zorlandığında meydana gelir. Bir füzyon reaksiyonunu başlatmak için gereken enerji o kadar büyüktür ki, bu reaksiyonu üretmek için atomik bir patlama gerekir. Yine de, füzyon başladığında, kontrol edildiği ve temel kaynaştırma izotopları sağlandığı sürece teorik olarak enerji üretmeye devam edebilir..

Yıldızlarda meydana gelen en yaygın füzyon şekline, iki hidrojen izotopuna atıfta bulunan "D-T füzyonu" denir: döteryum ve trityum. Döteryumun 2 nötronu vardır ve trityumun bir proton hidrojenden 3'ü vardır. Bu, nötronları ve protonu kaynaştırmak, benzer yüklü parçacıkların doğal itici kuvvetinin üstesinden gelmeyi gerektirdiğinden, füzyon sürecini daha kolay hale getirir, çünkü nötronların şarj eksikliğine kıyasla protonların pozitif bir yükü vardır. ) ve DT füzyonu için 81 milyon Fahrenheit'e yakın bir sıcaklık - bir an için - (Celsius'ta 45 milyon Kelvin veya biraz daha az). Karşılaştırma için, güneşin çekirdek sıcaklığı yaklaşık 15 milyon C'dir..^[1]

Bu sıcaklığa ulaşıldığında, ortaya çıkan füzyon, maddenin dört durumundan biri olan plazma üretmek için yeterince uzun tutulmalıdır. Bu tür bir muhafazanın sonucu, daha fazla füzyon reaksiyonu için hidrojeni "tohumlayabildiğinden" helyum (her reaksiyona karşı inert bir gaz) ve yedek nötronlar üreten D-T reaksiyonundan enerji salınımıdır. Şu anda, sabit bir plazma durumuna ulaşmak için başlangıç ​​füzyon sıcaklığını indüklemek veya kaynaştırma reaksiyonunu ihtiva etmek için güvenli bir yol yoktur, ancak çabalar devam etmektedir.

Üçüncü tip bir reaktöre damızlık reaktör denir. Diğer reaktörler için tohum veya yakıt olarak kullanılabilecek plütonyum oluşturmak için fisyon kullanarak çalışır. Damızlık reaktörler Fransa'da yaygın olarak kullanılmaktadır, ancak aşırı derecede pahalıdır ve bu reaktörlerin çıktıları nükleer silahlar yapmak için de kullanılabileceğinden önemli güvenlik önlemleri gerektirir..

Zincirleme tepki

Fisyon ve füzyon nükleer reaksiyonları zincir reaksiyonlarıdır, yani bir nükleer olay en az bir diğer nükleer reaksiyona ve tipik olarak daha fazlasına neden olur. Sonuç, hızla kontrolsüz hale gelebilecek artan bir reaksiyon döngüsüdür. Bu tip nükleer reaksiyon, ağır izotopların (örn.. ²³⁵ U) veya hafif izotopların birleştirilmesi (ör.. ²El ³H).

Nötronlar kararsız izotopları bombaladığında fisyon zinciri reaksiyonları meydana gelir. Bu tip "darbe ve saçılma" sürecinin kontrol edilmesi zordur, ancak başlangıç ​​koşullarının elde edilmesi nispeten kolaydır. Bir füzyon zinciri reaksiyonu, sadece füzyon işleminde açığa çıkan enerji tarafından stabil kalan aşırı basınç ve sıcaklık koşulları altında gelişir. Hem başlangıç ​​koşullarının hem de dengeleme alanlarının mevcut teknoloji ile gerçekleştirilmesi çok zordur.

Enerji Oranları

Füzyon reaksiyonları, fisyon reaksiyonlarından 3-4 kat daha fazla enerji açığa çıkarır. Dünya tabanlı füzyon sistemleri olmamasına rağmen, güneşin çıkışı füzyon enerjisi üretiminin tipik bir örneğidir, çünkü hidrojen izotoplarını sürekli olarak helyuma dönüştürerek ışık ve ısı spektrumları yayar. Fisyon enerjisini bir nükleer kuvveti (güçlü olanı) parçalayarak ve daha sonra enerji (elektrik) üretmek için suyu (reaktörde) ısıtmak için kullanılandan muazzam miktarda ısı salarak üretir. Füzyon 2 nükleer kuvvetin (güçlü ve zayıf) üstesinden gelir ve salınan enerji doğrudan bir jeneratöre güç vermek için kullanılabilir; sadece daha fazla enerji açığa çıkarmakla kalmaz, aynı zamanda daha doğrudan uygulama için de kullanılabilir.

Nükleer Enerji Kullanımı

Enerji üretimi için ilk deneysel nükleer reaktör 1947'de Ontario, Chalk River'da çalışmaya başladı. ABD'deki ilk nükleer enerji tesisi olan Deneysel Damızlık Reaktörü-1, kısa bir süre sonra 1951'de başlatıldı; 4 ampul yakabilir. Üç yıl sonra, 1954'te ABD ilk nükleer denizaltısını ABD'yi başlattı. Nautilus, ABD Obninsk'te dünyanın büyük ölçekli enerji üretimi için ilk nükleer reaktörünü piyasaya sürdü. ABD bir yıl sonra Arco, Idaho'yu aydınlatan nükleer enerji üretim tesisini açtı (pop. 1,000).

Nükleer reaktörler kullanarak enerji üretimi için ilk ticari tesis, İngiltere'deki Windscale'deki (şimdi Sellafield) Calder Hall Fabrikasıydı. Ayrıca, radyasyon sızıntıları nedeniyle yangın çıktığı 1957'de nükleer sistemle ilgili ilk kazanın yapıldığı yerdi..

İlk büyük ölçekli ABD nükleer santrali 1957'de Pennsylvania, Shippingport'ta açıldı. 1956 ve 1973 yılları arasında ABD'de yaklaşık 40 enerji üretimi nükleer reaktörü piyasaya sürüldü; bunların en büyüğü Illinois'deki Zion Nükleer Santralinin Birinci Ünitesi 1,155 megawatt'lık kapasite. 1973'ten sonra piyasaya sürülmesine rağmen sipariş edilen başka hiçbir reaktör çevrimiçi değil.

Fransızlar ilk nükleer reaktörlerini, Phenix'i 250 megavat güç üretebilen Phenix'i 1973'te piyasaya sürdü. ABD'deki (1.315 MW) en güçlü enerji üreten reaktör 1976'da Oregon'daki Trojan Elektrik Santrali'nde açıldı. 1977'ye gelindiğinde, ABD'nin enerji ihtiyacının% 3'ünü karşılayan 63 nükleer santrali faaliyete geçti. Başka 70 kişinin 1990'a kadar çevrimiçi olması planlandı.

Three Mile Adası'ndaki İkinci Ünite kısmi bir erime yaşadı ve inert gazları (ksenon ve kripton) çevreye salıverdi. Nükleer karşıtı hareket, olayın neden olduğu korkulardan güç kazandı. Korkular 1986 yılında, Ukrayna'daki Çernobil fabrikasında Ünite 4, tesisin patlamasına neden olan ve bölgeye ve Avrupa'nın büyük bir kısmına radyoaktif materyal yayılan kaçak bir nükleer reaksiyon yaşadı. 1990'lı yıllarda Almanya ve özellikle Fransa nükleer santrallerini genişleterek daha küçük ve dolayısıyla daha kontrol edilebilir reaktörlere odaklandı. Çin ilk 2 nükleer santralini 2007 yılında toplam 1.866 MW elektrik üreterek başlattı..

Her ne kadar nükleer enerji, üretilen küresel wattta kömür ve hidroelektrik enerjinin üçüncü sırada yer alsa da, nükleer santrallerin kapanmasına yönelik itici güç, bu tür tesislerin inşası ve işletilmesi için artan maliyetlerle birlikte, nükleer enerjinin enerji kullanımı için geri çekilmesine neden oldu. Fransa nükleer reaktörler tarafından üretilen elektriğin yüzdesi olarak dünyaya öncülük ediyor, ancak Almanya'da güneş enerjisi bir enerji üreticisi olarak nükleer enerjiyi geride bıraktı.

ABD'nin halen faaliyet gösteren 60'tan fazla nükleer tesisi var, ancak oy pusulaları ve reaktör yaşları Oregon ve Washington'daki fabrikaları kapatırken, onlarca kişi protestocular ve çevre koruma grupları tarafından hedefleniyor. Şu anda, sadece Çin nükleer santral sayısını artırıyor gibi görünüyor, çünkü kömüre olan aşırı bağımlılığını azaltmaya çalışıyor (son derece yüksek kirlilik oranındaki ana faktör) ve petrol ithal etmeye alternatif arıyor.

Endişeler

Nükleer enerji korkusu, hem silah hem de güç kaynağı olarak aşırı uçlarından geliyor. Bir reaktörden fisyon, doğası gereği tehlikeli (aşağıya bakınız) ve kirli bombalar için uygun olabilecek atık malzemeler oluşturur. Almanya ve Fransa gibi birçok ülke nükleer tesisleri ile mükemmel bir geçmişe sahip olsa da, Three Mile Island, Chernobyl ve Fukushima'da görülenler gibi daha az olumlu örnekler, nükleer enerjiyi kabul etmek konusunda birçok isteksizliğe rağmen, dır-dir çok fosil yakıttan daha güvenlidir. Füzyon reaktörleri bir gün ihtiyaç duyulan uygun fiyatlı, bol enerji kaynağı olabilir, ancak sadece füzyon oluşturmak ve yönetmek için gereken aşırı koşullar çözülebiliyorsa.

Nükleer atık

Fisyonun yan ürünü, tehlikeli radyasyon seviyelerini kaybetmesi binlerce yıl süren radyoaktif atıklardır. Bu, nükleer fisyon reaktörlerinin bu atık ve ıssız depolama veya boşaltma alanlarına taşınması için de güvenlik önlemleri alması gerektiği anlamına gelir. Bununla ilgili daha fazla bilgi için, radyoaktif atıkların yönetimi hakkında bilgi edinin..

Doğal Oluşum

Doğada, füzyon güneş gibi yıldızlarda görülür. Dünya'da nükleer füzyon ilk olarak hidrojen bombasının yaratılmasında başarıldı. Füzyon ayrıca, genellikle kontrollü bir şekilde enerji üretme umuduyla farklı deney cihazlarında da kullanılmıştır..

Öte yandan, fizyon, büyük bir kütle ve bir olay nötronu gerektirdiği için normalde doğada meydana gelmeyen nükleer bir süreçtir. Yine de, doğal reaktörlerde nükleer fisyon örnekleri olmuştur. Bu, 1972'de bir Oklo, Gabon madeninin uranyum yataklarının bir zamanlar yaklaşık 2 milyar yıl önce doğal bir fisyon reaksiyonunu sürdürdüğü keşfedildi..

Etkileri

Kısacası, bir fisyon reaksiyonu kontrolden çıkarsa ya patlar ya da onu üreten reaktör büyük bir radyoaktif cüruf yığınına erir. Bu tür patlamalar veya erimeler, havaya ve komşu yüzeylere (kara veya su) tonlarca radyoaktif parçacık salar ve reaksiyonun devam ettiği her dakika onu kirletir. Buna karşılık, kontrolü kaybeden (dengesiz hale gelen) bir füzyon reaksiyonu yavaşlar ve duruncaya kadar sıcaklığı düşürür. Yıldızlara hidrojenlerini helyuma yaktıkları ve binlerce asırdan fazla süren bu elementleri kaybettikleri için olan budur. Füzyon az miktarda radyoaktif atık üretir. Herhangi bir hasar varsa, füzyon reaktörünün yakın çevresinde olur ve çok az şey olur.

Füzyonu güç üretmek için kullanmak çok daha güvenlidir, ancak fisyon kullanılır, çünkü iki atomu ayırmak, iki atomu kaynaştırmaktan daha az enerji gerektirir. Ayrıca, füzyon reaksiyonlarının kontrolündeki teknik zorluklar henüz aşılmamıştır..

Nükleer Silah Kullanımı

Tüm nükleer silahların çalışması için bir nükleer fisyon reaksiyonu gerekir, ancak yalnızca fisyon reaksiyonu kullanan "saf" fisyon bombaları atomik veya atom bombaları olarak bilinir. Atom bombaları ilk olarak 1945'te II. Dünya Savaşı sırasında New Mexico'da test edildi. Aynı yıl, ABD onları Hiroşima ve Japonya'nın Nagasaki şehrinde bir silah olarak kullandı..

Atom bombasından bu yana, önerilen ve / veya tasarlanan nükleer silahların çoğu fisyon reaksiyonlarını bir şekilde arttırmıştır (örneğin bkz. Artırılmış fisyon silahı, radyolojik bombalar ve nötron bombaları). Termonükleer silahlar - her iki fisyonu kullanan bir silah ve hidrojen bazlı füzyon - daha iyi bilinen silah ilerlemelerinden biridir. Termonükleer bir silah fikri 1941 gibi erken bir tarihte önerilmiş olsa da, 1950'lerin başına kadar hidrojen bombası (H-bombası) ilk test edilmedi. Atom bombalarının aksine, hidrojen bombaları değil savaşta kullanılmış, sadece test edilmiş (örneğin, Tsar Bomba'ya bakınız).

Bugüne kadar, hiçbir nükleer silah nükleer füzyonu tek başına kullanmıyor, ancak hükümet savunma programları böyle bir olasılığa önemli ölçüde araştırma yaptı.

Maliyet

Fisyon, enerji üretiminin güçlü bir şeklidir, ancak yerleşik verimsizliklerle birlikte gelir. Nükleer yakıt, genellikle Uranyum-235, madeni ve arındırma pahalıdır. Fisyon reaksiyonu, elektrik üreten bir türbini çevirmek için suyu buharda kaynatmak için kullanılan ısı oluşturur. Isı enerjisinden elektrik enerjisine bu dönüşüm hantal ve pahalıdır. Üçüncü bir verimsizlik kaynağı, nükleer atıkların temizlenmesi ve depolanmasının çok pahalı olmasıdır. Atık radyoaktiftir, uygun şekilde bertarafı gerektirir ve kamu güvenliğini sağlamak için güvenlik sıkı olmalıdır.

Füzyonun meydana gelmesi için, atomların manyetik alanda sınırlandırılması ve 100 milyon Kelvin veya daha yüksek bir sıcaklığa yükseltilmesi gerekir. Bu, füzyonu başlatmak için muazzam miktarda enerji gerektirir (atom bombaları ve lazerlerin bu "kıvılcım" sağladığı düşünülmektedir), ancak aynı zamanda uzun vadeli enerji üretimi için plazma alanını uygun şekilde içermeye ihtiyaç vardır. Araştırmacılar hala bu zorlukların üstesinden gelmeye çalışıyor çünkü füzyon fisyondan daha güvenli ve daha güçlü bir enerji üretim sistemi, yani sonuçta fizyondan daha az maliyetli olacak.

Referanslar

• Bölünme ve Füzyon - YouTube'da Brian Swarthout
• Nükleer Tarih Zaman Çizelgesi - Online Eğitim Veritabanı
• Nükleer Kararlılık ve Büyü Sayıları - UC Davis ChemWiki
• Vikipedi: Nükleer füzyon
• Vikipedi: Nükleer fizyon