Kärnkraft

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 25 april 2021; kontroller kräver 14 redigeringar .

Kärnenergi ( atomenergi ) är den energi som finns i atomkärnor och som frigörs under kärnreaktioner och radioaktivt sönderfall .

I naturen frigörs kärnenergi i stjärnor , och av människan används den främst i kärnvapen och kärnenergi , i synnerhet vid kärnkraftverk .

Fysiska grunder

Upptäckten av neutronen 1932 ( James Chadwick ) kan betraktas som början på modern kärnfysik . [ett]

Bohr-modellen av atomen är en positivt laddad kärna , där nästan hela atommassan är koncentrerad (den består av neutroner och protoner ), omgiven av flera skal av mycket lätta negativt laddade partiklar ( elektroner ). Storleken på en atom visar sig vara i storleksordningen en ångström (10 −10 m ), medan storleken på kärnan sträcker sig från en till flera fermi (10 −15 m), det vill säga kärnan är 100 000 gånger mindre än en atom .

Elektriskt neutrala atomer innehåller samma antal elektroner och protoner. Ett kemiskt grundämne bestäms unikt av antalet protoner i kärnan, detta antal kallas atomnumret ( Z ). Antalet neutroner ( N ) i kärnorna av atomer i ett givet grundämne kan variera. För små Z är detta antal för betastabila kärnor nära antalet protoner ( N ​​≈ Z ), men när Z ökar, för att kärnan ska förbli stabil måste antalet neutroner öka snabbare än Z. Atomer som bara skiljer sig åt i antalet neutroner i deras kärna kallas isotoper av samma grundämne. Det totala antalet nukleoner (det vill säga protoner och neutroner) i en kärna kallas masstalet A = Z + N.

För namnet på en isotop används vanligen bokstavsbeteckningen för ett kemiskt element med en upphöjd - atommassa och (ibland) ett nedsänkt - atomnummer; till exempel kan isotopen uran-238 skrivas som

Nukleonerna som utgör kärnorna har en relativt liten massa (ca 1 amu ), protonens elektriska laddning är positiv och neutronen är inte laddad. Därför, om vi bara tar hänsyn till förekomsten av elektromagnetiska och gravitationskrafter , kommer kärnan att vara instabil (lika laddade partiklar kommer att stöta bort, förstöra kärnan, och massorna av nukleoner är inte tillräckligt stora för att gravitationen ska motverka Coulomb-avstötningen), vilket skulle göra materiens existens omöjlig. Det följer av det uppenbara faktumet att materia finns att det är nödvändigt att lägga till en tredje kraft till modellen, som kallas den starka interaktionen (strängt taget är det inte den starka interaktionen i sig som verkar mellan nukleoner i kärnan, utan de kvarvarande kärnkrafterna på grund av den starka växelverkan). Denna kraft måste i synnerhet vara mycket intensiv, attraktiv på mycket korta avstånd (vid avstånd av storleksordningen på kärnan) och frånstötande på ännu kortare avstånd (i storleksordningen av nukleonen), central över en visst intervall av avstånd, beroende på spinn och oberoende av typen nukleon (neutroner eller protoner). 1935 skapade Hideki Yukawa den första modellen för denna nya kraft genom att postulera existensen av en ny partikel, pionen . Den lättaste av mesonerna, den är ansvarig för det mesta av potentialen mellan nukleoner på ett avstånd av cirka 1 fm . Yukawa-potentialen , som på ett adekvat sätt beskriver interaktionen mellan två partiklar med spins och , kan skrivas som:

Andra experiment utförda på kärnor visade att deras form borde vara ungefär sfärisk med en radie fm, där A  är atommassan, det vill säga antalet nukleoner. Detta innebär att densiteten av kärnor (och antalet nukleoner per volymenhet) är konstant. Faktum är att volymen är proportionell mot A. Eftersom densiteten beräknas genom att dela massa med volym, ledde detta till beskrivningen av kärnämne som en inkompressibel vätska och till uppkomsten av droppmodellen av kärnan som den grundläggande modellen som behövs för att beskriva kärnklyvning .

Bond energi

Även om kärnan består av nukleoner , är kärnans massa inte bara summan av nukleonernas massor. Energin som håller samman dessa nukleoner observeras som skillnaden i massan av kärnan och massorna av dess individuella nukleoner, upp till en faktor c 2 som relaterar massa och energi genom ekvationen. Genom att bestämma massan av en atom och massan av dess komponenter, kan man bestämma medelenergin per nukleon som håller ihop de olika kärnorna.

Det kan ses av grafen att mycket lätta kärnor har mindre bindningsenergi per nukleon än kärnor som är något tyngre (på vänster sida av grafen). Detta är anledningen till att termonukleära reaktioner (det vill säga fusionen av lätta kärnor) frigör energi. Omvänt har mycket tunga kärnor på höger sida av grafen lägre bindningsenergier per nukleon än medelstora kärnor. I detta avseende är klyvningen av tunga kärnor också energetiskt gynnsam (det vill säga den sker med frigörandet av kärnenergi). Det bör också noteras att under fusion (på vänster sida) är massaskillnaden mycket större än under fission (på höger sida).

Den energi som krävs för att helt dela upp kärnan i enskilda nukleoner kallas bindningsenergin E från kärnan. Den specifika bindningsenergin (det vill säga bindningsenergin per nukleon , ε = E c / A , där A  är antalet nukleoner i kärnan, eller massantal ), är inte densamma för olika kemiska grundämnen och även för isotoper av samma kemiska grundämne. Den specifika bindningsenergin för en nukleon i en kärna varierar i genomsnitt från 1 M eV för lätta kärnor ( deuterium ) till 8,6 MeV för kärnor med medelmassa (med ett masstal A ≈ 100 ). För tunga kärnor ( A ≈ 200 ) är nukleonens specifika bindningsenergi mindre än den för medelstora kärnor med ungefär 1 MeV , så att deras omvandling till kärnor med medelvikt (klyvning i 2 delar ) åtföljs av frisättningen energi i en mängd av cirka 1 MeV per nukleon, eller cirka 200 MeV per kärna. Omvandlingen av lätta kärnor till tyngre kärnor ger en ännu större energivinst per nukleon. Så till exempel reaktionen av kombinationen av deuterium- och tritiumkärnor

åtföljd av frigöring av energi 17,6 MeV , dvs 3,5 MeV per nukleon [2] .

Kärnklyvning

E. Fermi, efter upptäckten av neutronen, genomförde en serie experiment där olika kärnor bombarderades av dessa nya partiklar. I dessa experiment fann man att lågenergineutroner ofta absorberas av kärnan med emission av en foton (så kallad radioaktiv neutroninfångning).

För att undersöka denna reaktion upprepades experimentet systematiskt för alla grundämnen i det periodiska systemet . Som ett resultat upptäcktes nya radioaktiva isotoper av målelement. Men när uran bestrålades upptäcktes ett antal andra lätta element. Lise Meitner , Otto Hahn och Fritz Strassmann kunde förklara detta genom att anta att kärnan av uran skulle delas i två ungefär lika stora massor vid infångning av en neutron. I själva verket hittades barium med en atommassa på ungefär hälften av uran i reaktionsprodukterna . Senare upptäcktes att denna klyvning inte förekom i alla isotoper av uran, utan först i 235 U. Och även senare blev det känt att denna klyvning kan leda till många olika grundämnen, vars massfördelning liknar den dubbla puckeln hos en kamel .

Under klyvningen av uran av en termisk neutron uppstår inte bara två lättare kärnor (klyvningsfragment), utan 2 eller 3 (i genomsnitt 2,5 för 235 U) neutroner emitteras också, som har en hög kinetisk energi. För uran, som en tung kärna, håller inte relationen N ≈ Z (lika antal protoner och neutroner), som sker för lättare grundämnen, så att fissionsprodukter är neutronöverdrivna. Som ett resultat visar sig dessa klyvningsprodukter vara beta-radioaktiva : överskott av neutroner i kärnan förvandlas gradvis till protoner (med utsläpp av beta-partiklar ), och själva kärnan, med bibehållen massnummer, rör sig längs den isobariska kedjan till närmaste beta-stabila kärna på den. Klyvningen av 235 U kan ske på mer än 40 sätt, vilket ger upphov till mer än 80 olika klyvningsprodukter, som i sin tur sönderfaller, bildar sönderfallskedjor , så att klyvningsprodukterna av uran i slutändan inkluderar cirka 200 nuklider (direkt eller som dotternuklider).

Energin som frigörs under klyvningen av varje 235 U kärna är i genomsnitt cirka 200 MeV . Mineraler som används för uranbrytning innehåller som regel cirka 1 g per kg uranmalm ( till exempel nasturan ). Eftersom isotophalten av 235 U i naturligt uran endast är 0,7 %, finner vi att det för varje kilogram bruten malm kommer att finnas 1,8 10 19 atomer av 235 U. Om alla dessa 235 U-atomer delas från 1 gram uran, då 3 kommer att släppas, 6 10 27 eV = 5,8 10 8 J energi. Som jämförelse, vid förbränning av 1 kg kol av bästa kvalitet ( antracit ), frigörs cirka 4 10 7 J energi, det vill säga för att erhålla kärnenergi som finns i 1 kg naturligt uran, är det nödvändigt att bränna mer än 10 ton antracit .

Uppkomsten av 2,5 neutroner per fissionshändelse tillåter en kedjereaktion att inträffa om åtminstone en av dessa 2,5 neutroner kan producera en ny fission av urankärnan. Normalt klyver de emitterade neutronerna inte omedelbart urankärnorna utan måste först bromsas ner till termiska hastigheter ( 2200 m/s vid T = 300 K). Fördröjning uppnås mest effektivt med de omgivande atomerna i ett annat låg - A -element , såsom väte , kol , etc., ett material som kallas moderator.

Vissa andra kärnor kan också klyvas genom att fånga långsamma neutroner, såsom 233 U eller 239 Pu . Men klyvning av snabba neutroner (hög energi) av sådana kärnor som 238 U (det är 140 gånger mer än 235 U) eller 232 Th (det är 400 gånger mer än 235 U i jordskorpan ) är dock också möjligt .

Den elementära teorin om fission skapades av Niels Bohr och J. Wheeler med hjälp av droppmodellen av kärnan .

Kärnklyvning kan också uppnås med snabba alfapartiklar , protoner eller deuteroner . Dessa partiklar måste dock, till skillnad från neutroner, ha en hög energi för att övervinna kärnans Coulomb-barriär.

Utsläpp av kärnenergi

Exotermiska kärnreaktioner är kända för att frigöra kärnenergi.

Vanligtvis, för att erhålla kärnenergi, används en kärnkedjereaktion av klyvning av uran-235 eller plutoniumkärnor , mindre ofta andra tunga kärnor ( uran-238 , torium-232 ). Kärnor delas när en neutron träffar dem och nya neutroner och fissionsfragment erhålls. Fissionsneutroner och fissionsfragment har hög kinetisk energi . Som ett resultat av kollisioner av fragment med andra atomer omvandlas denna kinetiska energi snabbt till värme.

Ett annat sätt att frigöra kärnenergi är genom termonukleär fusion . I detta fall kombineras två kärnor av lätta element till en tung. I naturen sker sådana processer på solen och i andra stjärnor, och är den huvudsakliga energikällan.

Många atomkärnor är instabila. Med tiden förvandlas några av dessa kärnor spontant till andra kärnor och frigör energi. Detta fenomen kallas radioaktivt sönderfall .

Tillämpningar av kärnenergi

Påtvingad kärnklyvning

För närvarande, av alla kärnenergikällor, har den energi som frigörs vid klyvning av tunga kärnor den största praktiska tillämpningen. Under förhållanden med brist på energiresurser anses kärnkraften på fissionsreaktorer vara den mest lovande under de kommande decennierna. I kärnkraftverk används kärnenergi för att generera värme som används för att generera el och värme. Kärnkraftverk löste problemet med fartyg med ett obegränsat navigeringsområde ( kärn isbrytare , kärnubåtar , atomflygplansfartyg ).

Energin från kärnklyvning av uran eller plutonium används i kärn- och termonukleära vapen (som en utlösande faktor för en termonukleär reaktion och som en källa till ytterligare energi vid klyvning av kärnor av neutroner som uppstår i termonukleära reaktioner).

Det fanns experimentella raketmotorer, men de testades uteslutande på jorden och under kontrollerade förhållanden, på grund av risken för radioaktiv kontaminering i händelse av en olycka.

Kärnkraftverk producerade 2012 13 % av världens elektricitet och 5,7 % av världens totala energiproduktion [3] [4] . Enligt rapporten från Internationella atomenergiorganet (IAEA) fanns det 2013 [5] 436 kärnkraftsreaktorer (det vill säga som producerar återvinningsbar elektrisk och/eller termisk energi) [6] reaktorer i 31 länder i världen [7] ] . Dessutom befinner sig 73 fler kärnkraftsreaktorer i 15 länder i olika konstruktionsstadier [5] . För närvarande finns det också cirka 140 fartyg och ubåtar i drift i världen, med totalt cirka 180 reaktorer [8] [9] [10] . Flera kärnreaktorer har använts i sovjetiska och amerikanska rymdfarkoster, av vilka några fortfarande är i omloppsbana. Dessutom använder ett antal tillämpningar kärnenergi som genereras i icke-reaktorkällor (till exempel i termoisotopgeneratorer). Samtidigt upphör inte debatten om användningen av kärnenergi [11] [12] . Motståndare till kärnenergi (särskilt organisationer som Greenpeace ) anser att användningen av kärnenergi hotar mänskligheten och miljön [13] [14] [15] . Kärnenergiförsvarare (IAEA, World Nuclear Association , etc.) hävdar i sin tur [16] att denna typ av energi gör det möjligt att minska utsläppen av växthusgaser till atmosfären och, under normal drift, medför betydligt färre risker för miljön än andra typer av kraftproduktion [17] .

Fusion

Fusionsenergi används i vätebomben . Problemet med kontrollerad termonukleär fusion är ännu inte löst, men om detta problem löses kommer det att bli en nästan obegränsad källa till billig energi.

Spontant radioaktivt sönderfall

Många nuklider kan spontant sönderfalla med tiden. Den energi som frigörs vid radioaktivt sönderfall används i långlivade värmekällor och beta-voltaiska celler. Pioneer och Voyager -typ automatiserade interplanetära stationer , såväl som rovers och andra interplanetära uppdrag, använder radioisotop termoelektriska generatorer . En isotopisk värmekälla användes av de sovjetiska månuppdragen Lunokhod-1 och Lunokhod-2 , som ägde rum från 17 november 1970 till 14 september 1971, det andra Lunokhod- uppdraget ägde rum i januari 1973.

Se även

Anteckningar

  1. ↑ Settle, Frank (2005), Nuclear Chemistry. Discovery of the Neutron (1932) Arkiverad 5 juli 2009 på Wayback Machine  (länk ej tillgänglig sedan 2013-05-22 [3442 dagar] - historia ,  kopia ) , General Chemistry Case Studies
  2. ↑ Brief Encyclopedia "Atomic Energy", State Scientific Publishing House "Great Soviet Encyclopedia", 1956
  3. ↑ Nyckelstatistik för världsenergi 2012 (obestämd) . - Internationella energibyrån , 2012.  
  4. ^ World Nuclear Association . Ytterligare en nedgång i kärnkraftsgenerationen Arkiverad 1 november 2012 på Wayback Machine World Nuclear News 5 maj 2010.
  5. ↑ 1 2 PRIS - Hem
  6. ↑ Förutom energi finns det även forskning och en del andra kärnreaktorer.
  7. ↑ Världskärnkraftsreaktorer 2007-08 och urankrav . World Nuclear Association (9 juni 2008). Hämtad 21 juni 2008. Arkiverad från originalet 3 mars 2008.
  8. ↑ Vad är kärnkraftverk - hur kärnkraftverk fungerar | Vad är kärnkraftsreaktorer - Typer av kärnkraftsreaktorer - Ingenjörsgarage (inte tillgänglig länk) . Hämtad 12 maj 2013. Arkiverad från originalet 4 oktober 2013. 
  9. ↑ Kärnkraftsdrivna fartyg | atomubåtar
  10. ↑ http://www.ewp.rpi.edu/hartford/~ernesto/F2010/EP2/Materials4Students/Misiaszek/NuclearMarinePropulsion.pdf Arkiverad 26 februari 2015 på Wayback Machine Naval Nuclear Propulsion, Magdi Ragheb. Under 2001 byggdes 235 kärnreaktorer ombord, varav några redan har tagits ur drift.
  11. ↑ Union-Tribune Editorial Board. Kärnkraftskontroversen (inte tillgänglig länk) . Union-Tribune (27 mars 2011). Hämtad 28 september 2012. Arkiverad från originalet 19 november 2011. 
  12. ↑ James J. MacKenzie. Recension av The Nuclear Power Controversy av Arthur W. Murphy The Quarterly Review of Biology , Vol. 52, nr. 4 (dec., 1977), sid. 467-468.
  13. ↑ Dela. Kärnavfallspooler i North Carolina (inte tillgänglig länk) . Projectcensored.org. Hämtad 24 augusti 2010. Arkiverad från originalet 19 oktober 2017. 
  14. ↑ N.C. Warn "Kärnkraft"
  15. ↑ Sturgis, Sue Investigation: Avslöjanden om Three Mile Island-katastrofen väcker tvivel om kärnkraftssäkerheten (länk otillgänglig) . Southernstudies.org. Hämtad 24 augusti 2010. Arkiverad från originalet 9 februari 2010. 
  16. ↑ USA:s energilagstiftning kan vara "renässans" för kärnkraft .
  17. ↑ PRIS - Reaktorstatusrapporter - Drifts- och långtidsavstängning - Efter land . pris.iaea.org. Hämtad: 8 december 2019.

Litteratur

Länkar

Internationella avtal

  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk