Branduolio skaidymasis — kas tai, mechanizmas ir pritaikymai
Branduolio skaidymasis — kas tai, mechanizmas ir pritaikymai: aiškus paaiškinimas apie skilimo procesą, grandininę reakciją, išsiskiriančią energiją ir panaudojimą reaktoriuose bei ginkluose.
Branduolių dalijimasis yra tam tikra branduolinė reakcija. Ji vyksta, kai atomas skyla į mažesnius atomus. Kai kurių skilimo reakcijų metu išsiskiria daug energijos, todėl jos naudojamos branduoliniuose ginkluose ir branduoliniuose reaktoriuose. Branduolio dalijimąsi 1938 m. gruodžio mėn. Berlyne atrado vokiečių branduolinės chemijos chemikas Otto Hahnas ir jo asistentas Fritzas Strassmannas.
Atomas yra mažiausia cheminio elemento (pvz., vandenilio, deguonies, magnio) dalelė. Visi atomai yra labai maži. Atomai sudaryti iš trijų sudedamųjų dalių arba dalelių: Protonai, neutronai ir elektronai. Protonai ir neutronai susitelkę į rutuliuką, vadinamą branduoliu, kuris yra kiekvieno atomo centre. Elektronai skrieja aplink branduolį elektronų debesyje. Didelius branduolius turinčius elementus, pavyzdžiui, uraną ir plutonį, galima priversti dalytis.
Jei į (palyginti) labai didelį atomo branduolį patenka lėtai judantis neutronas, kartais jis tampa nestabilus ir skyla į du branduolius. Kai branduolys skyla (arba skyla), išsiskiria energija, dažniausiai gama spindulių ir šilumos pavidalu. Taip pat iš branduolio išsiskiria keletas neutronų.
Kelių izotopų (atomo, turinčio vienodą protonų, bet skirtingą neutronų kiekį) skilimo metu gali išsiskirti daug neutronų. Jei tie neutronai patenka į kitus atomus, jie priverčia kitus atomus skilti. Tai gali kartotis ir kartotis. Tai vadinama grandinine branduoline reakcija, kurios metu labai greitai gali išsiskirti didžiuliai energijos kiekiai. Branduolinės grandininės reakcijos metu išsiskiriančios energijos kiekis matuojamas kilotonais. Viena kilotona yra tokia pati kaip tūkstančio tonų trotilo (trinitrotolueno) energija.
Branduolinėje bomboje tai turi įvykti labai greitai, kad įvyktų labai didelis sprogimas. Branduoliniame reaktoriuje tai turi vykti lėtai, kad susidarytų šiluma. Šiluma naudojama vandeniui virti į garus, kurie suka garo turbiną ir gamina elektrą.
Kaip tiksliai vyksta skilimas
Branduolio skaidymosi metu sunkūs branduoliai, pavyzdžiui, urano ar plutonio, pritraukę neutroną, gali tapti energetiškai nestabilūs. Branduolys pasidalija į du ar daugiau fragmentų — vadinamus skilimo produktais — ir išskiria vidutiniškai apie 200 MeV (megaelektronvoltų) energijos vienam skilimui. Be to, kiekvieno skilimo metu paprastai išsiskiria 2–3 neutronai, kurie gali pralėkti dar į kitus branduolius ir pratęsti reakciją.
Grandininė reakcija, kritinė masė ir valdymas
Grandininė reakcija reiškia procesą, kai vieno skilimo išlaisvinti neutronai sukelia kitų branduolių skilimus. Svarbūs terminai:
- Kritinė masė — mažiausias tam tikro izotopo kiekis, kurio pakanka, kad grandininė reakcija vyktų savarankiškai ir nekintančiu greičiu (k = 1). Didesnė masė gali lemti spartesnį augimą (superkritinė), o mažesnė — reakcijos nykimą (subkritinė).
- Moderatorius — medžiaga (pvz., vanduo, sunkus vanduo, grafitas), kuri sulėtina greitus neutronus iki lėtų (terminių) neutronų, kurie efektyviau sukelia skilimą kai kuriuose izotopuose, pvz., U-235.
- Kontrolės strypai — pagaminti iš neutronus sugeriančių medžiagų (pvz., boro, kadmio), jie keičiami reaktoriaus branduolyje, kad būtų reguliuojamas neutronų skaičius ir reakcijos intensyvumas.
Pritaikymai
- Elektros energijos gamyba: dauguma branduolinių jėgainių veikia kaip šiluminiai elektrą gaminantys įrenginiai — skilimo metu išsiskirianti šiluma verčia garus, kurie suka turbiną.
- Ginklai: branduoliniai ginklai naudoja greitą nekontroliuojamą grandininę reakciją, kad per labai trumpą laiką atiberštų didžiulė energija.
- Marinistinė ir kosminė energetika: mažesni reaktoriai naudojami povandeniniuose laivuose, ledlaužiuose ir kai kuriais atvejais kosminėms misijoms.
- Moksliniai reaktoriai ir medicinos izotopai: skilimas naudojamas radioizotopams gaminti (pvz., diagnostikai ir gydymui), taip pat neutronų šaltinių moksliniams tyrimams.
- Branduolinio kuro perdirbimas ir atliekų tvarkymas: reaktoriuose naudojamas kuras vėliau apdorojamas arba saugomas kaip išmetamosios atliekos; kai kuriose technologijose rekuperuojami naudingieji izotopai.
Saugumas, atliekoms ir aplinkos poveikis
Branduolinė energetika kelia ir saugumo, ir atliekų tvarkymo iššūkių. Pagrindinės problemos:
- Avarijos ir kritiškumo kontrolė: privaloma užtikrinti tinkamą reaktoriaus aušinimą ir kontrolės sistemų patikimumą, kad nebūtų térmiškai nestabilios reakcijos ar perkaitimo (pvz., Černobyliaus ir Fukušimos avarijos pavyzdžiai).
- Radijacinės atliekos: aukšto aktyvumo panaudoti kuro elementai lieka labai radioaktyvūs ir turi būti saugomi arba perdirbami dešimtmečius ar šimtmečius. Atliekų saugojimas, ilgalaikė izoliacija ir galimos perdirbimo technologijos yra svarbūs aspektai.
- Proliferacija: branduolinės technologijos gali būti naudojamos ir taikiai, ir karinei veiklai, todėl tarptautinės sutartys ir priežiūra bei saugumo priemonės yra būtinos.
Branduolio skaidymosi mechanikos papildomi faktai
- Skilimo produktai dažnai yra nestabilūs ir greitai (ar lėtai) suyra toliau, išskirdami radioaktyvias emisijas. Šie produktai gali būti įvairūs vidutinio masės branduoliai, pavyzdžiui, bario ar kriptono izotopai urano skilimo atveju.
- Vieno urano-235 skilimo metu išlaisvinta energija (~200 MeV) sutampa su milžiniškais šilumos kiekiais masteliu, palyginti su cheminiais procesais — todėl mažas masių kiekis suteikia daug energijos.
- Skirtingi izotopai turi skirtingą polinkį skilti. Pvz., U-235 yra palankus skilimui su terminiu neutronu, o U-238 gali pasisavinti neutroną ir vėliau transformuotis į plutonį-239, kuris taip pat gali skilti.
Istorija ir tolesnės technologijos
Branduolio skaidymo atradimas 1938 m. atvėrė kelią tiek taikiai branduolinei energetikai, tiek branduoliniams ginklams. Nuo to laiko vystėsi fizikos, inžinerijos ir saugumo sritys: kuro gamyba ir praturtinimas, reaktorių konstrukcijos (grafito moderuojami, vandeniu aušinami, sunkiojo vandens reaktoriai, greitųjų neutronų reaktoriai), atliekų tvarkymas ir tarptautinė kontrolė.
Branduolio skaidymas ir branduolių sintezė
Svarbu atskirti branduolio skaidymą nuo branduolių susiliejimo (sintezės). Skilimo metu sunkus branduolys skyla, išskirdamas energiją. Sintezėje du lengvi branduoliai susilieja į sunkesnį, taip pat išskirdami energiją (kaip saulėje). Šios dvi reakcijos reikalauja skirtingų sąlygų ir technologijų; sintezė yra sudėtingesnė kontroliuojamai pritaikyti komercinei energetikai, nors ją aktyviai tyrinėja.
Apibendrinant, branduolio skaidymasis yra galingas fizikos reiškinys, turintis plačias taikymo galimybes — nuo energijos gamybos iki medicininių izotopų gamybos — bet kartu reikalaujantis didelio atsargumo, saugumo priemonių ir ilgalaikio atliekų tvarkymo planavimo.
Žiniasklaida Įvadinis vaizdo klipas apie branduolių dalijimąsi.
Branduolio dalijimosi schemoje pavaizduotas neutronas, kurį sugeria urano branduolys, kuris tampa nestabilus ir skyla į du naujus atomus, išskirdamas energiją ir dar keletą neutronų.
Klausimai ir atsakymai
K: Kas yra branduolių dalijimasis?
A: Branduolio dalijimasis - tai branduolinė reakcija, kurios metu atomas skyla į mažesnius atomus, išskiriant energiją.
K: Kas atrado branduolių dalijimąsi?
A: Branduolio dalijimąsi 1938 m. gruodį Berlyne atrado vokiečių branduolinės chemijos chemikas Otto Hahnas ir jo padėjėjas Fritzas Strassmannas.
K: Iš ko sudaryti atomai?
A: Atomai sudaryti iš trijų komponentų arba dalelių - protonų, neutronų ir elektronų. Protonai ir neutronai susitelkę į rutuliuką, vadinamą branduoliu, kuris yra kiekvieno atomo centre, o elektronai skrieja aplink branduolį elektronų debesyje.
K: Kurių elementų atomai gali dalytis?
A: Elementai, kurių branduoliai yra dideli, pavyzdžiui, uranas ir plutonis, gali dalytis.
K: Kaip vyksta grandininė reakcija branduolio dalijimosi metu?
A: Jei į (santykinai) labai didelį atomo branduolį pataiko lėtai judantis neutronas, kartais jis tampa nestabilus ir skyla į du branduolius. Taip atsitikus iš branduolio išsiskiria energija ir keletas neutronų. Jei tie neutronai pataikys į kitus atomus, jie taip pat suskils ir sukels grandininę reakciją, kurios metu gali išsiskirti didžiulis energijos kiekis.
K: Kas matuojama matuojant branduolinės bombos sprogimo metu išsiskiriančią energiją? A: Branduolinės bombos sprogimo metu išsiskyrusios energijos kiekis matuojamas kilotonais; viena kilotona atitinka tūkstančio tonų trotilo (trinitrotolueno) energiją.
K: Kaip panaudojama branduolinio dalijimosi metu išsiskirianti šiluma?
A: Branduoliniame reaktoriuje branduolių dalijimosi metu susidariusi šiluma turi vykti lėtai, kad susidarytų šiluma, kuri vėliau naudojama vandeniui virti į garus, kurie suka garo turbinas ir gamina elektros energiją.
Ieškoti