Atomenergia

A nukleáris energia ( atomenergia ) az atommagokban található energia, amely magreakciók és radioaktív bomlás során szabadul fel .

A természetben az atomenergia a csillagokban szabadul fel , az ember pedig főként atomfegyverekben és atomenergiában használja fel , különösen atomerőművekben .

Fizikai alapok

A neutron 1932-es felfedezése ( James Chadwick ) a modern magfizika kezdetének tekinthető . [egy]

Az atom Bohr-modellje egy pozitív töltésű mag , ahol az atom szinte teljes tömege koncentrálódik (neutronokból és protonokból áll ), körülvéve számos nagyon könnyű, negatív töltésű részecskék ( elektronok ) héjával. Egy atom mérete angström nagyságrendűnek (10 -10 m ), míg az atommag mérete egytől több fermiig (10 -15 m) terjed, vagyis az atommag 100 000-szer kisebb . mint egy atom .

Az elektromosan semleges atomok ugyanannyi elektront és protont tartalmaznak. Egy kémiai elemet egyértelműen az atommagban lévő protonok száma határoz meg, ezt a számot atomszámnak ( Z ) nevezzük . Egy adott elem atommagjaiban a neutronok száma ( N ) változhat. Kis Z esetén ez a szám a béta-stabil atommagoknál közel van a protonok számához ( N ≈ Z ), de ahogy Z növekszik, ahhoz, hogy az atommag stabil maradjon, a neutronok számának gyorsabban kell növekednie, mint Z. Azokat az atomokat, amelyek csak a magjukban lévő neutronok számában különböznek egymástól, ugyanazon elem izotópjainak nevezzük. Az atommagban lévő nukleonok (vagyis protonok és neutronok) teljes számát A = Z + N tömegszámnak nevezzük.

Az izotóp nevére a kémiai elem betűjelét általában felső index - atomtömeg és (néha) alsó index - atomszám mellett használják; például az urán-238 izotóp így írható fel

Az atommagokat alkotó nukleonok viszonylag kis tömegűek (kb. 1 amu ), a proton elektromos töltése pozitív, a neutron nem töltődik. Ezért, ha csak az elektromágneses és gravitációs erőket vesszük figyelembe, akkor az atommag instabil lesz (hasonló töltésű részecskék taszítják, tönkretéve az atommagot, és a nukleonok tömege nem elég nagy ahhoz, hogy a gravitáció ellensúlyozza a Coulomb-taszítást), ami lehetetlenné tenné az anyag létezését. Az anyag létezésének nyilvánvaló tényéből következik, hogy a modellhez egy harmadik erőt is hozzá kell adni, amit erős kölcsönhatásnak neveznek (szigorúan véve nem maga az erős kölcsönhatás hat a magban lévő nukleonok között, hanem az erős kölcsönhatás miatti maradék nukleáris erők). Ennek az erőnek különösen nagyon intenzívnek kell lennie, nagyon kis távolságokon vonzónak (a mag nagyságrendjéhez tartozó távolságokon), és még rövidebb távolságokon (a nukleon nagyságrendjéhez képest) taszítónak kell lennie, központinak kell lennie egy bizonyos távolságok, a spintől függően és a nukleon típusától (neutronok vagy protonok) függetlenül. 1935 -ben Hideki Yukawa megalkotta ennek az új erőnek az első modelljét egy új részecske, a pion létezésének feltételezésével . A mezonok közül a legkönnyebb, ez felelős a nukleonok közötti potenciál nagy részéért körülbelül 1 fm távolságban . A Yukawa-potenciál , amely megfelelően leírja két részecske kölcsönhatását spinekkel és , a következőképpen írható fel:

Más atommagokon végzett kísérletek azt mutatták, hogy alakjuk megközelítőleg gömb alakú kell legyen, sugara fm, ahol A  az atomtömeg, vagyis a nukleonok száma. Ez azt jelenti, hogy az atommagok sűrűsége (és az egységnyi térfogatra jutó nukleonok száma) állandó. Valójában a hangerő arányos A -val. Mivel a sűrűséget úgy számítják ki, hogy elosztják a tömeget a térfogattal, ez vezetett a nukleáris anyag összenyomhatatlan folyadékként való leírásához, és az atommag cseppmodelljének megjelenéséhez, mint a maghasadás leírásához szükséges alapvető modellhez .

Bond energy

Bár az atommag nukleonokból áll , az atommag tömege azonban nem csupán a nukleonok tömegének összege. Az ezeket a nukleonokat összetartó energiát az atommag tömegének és az egyes nukleonok tömegének különbségeként figyeljük meg, egészen egy c 2 tényezőig, amely a tömeget és az energiát az egyenlet alapján kapcsolja össze. Így az atom tömegének és az komponenseinek tömege, meghatározható a különböző atommagokat egy nukleonra jutó átlagos energia.

A grafikonon látható, hogy a nagyon könnyű magoknak kisebb az egy nukleonra jutó kötési energiája, mint a valamivel nehezebb magoknak (a grafikon bal oldalán). Ez az oka annak, hogy a termonukleáris reakciók (vagyis a könnyű atommagok fúziója) energiát szabadítanak fel. Ezzel szemben a grafikon jobb oldalán lévő nagyon nehéz magoknak kisebb az egy nukleonra jutó kötési energiája, mint a közepes tömegű magoknak. Ebből a szempontból a nehéz atommagok hasadása energetikailag is kedvező (vagyis atomenergia felszabadulásával történik). Azt is meg kell jegyezni, hogy a fúzió során (a bal oldalon) a tömegkülönbség sokkal nagyobb, mint a hasadás során (a jobb oldalon).

Az atommag egyes nukleonokra való teljes felosztásához szükséges energiát a magból származó E kötési energiának nevezzük . A fajlagos kötési energia (vagyis az egy nukleonra jutó kötési energia , ε = E c / A , ahol A  a nukleonok száma az atommagban, vagy tömegszám ) nem azonos a különböző kémiai elemeknél , sőt az izotópoknál sem azonos . ugyanaz a kémiai elem. A magban lévő nukleon fajlagos kötési energiája átlagosan 1 M eV ( deutérium ) és közepes tömegű ( A ≈ 100 tömegszámú ) magok esetében 8,6 MeV között változik . Nehéz magoknál ( A ≈ 200 ) a nukleon fajlagos kötési energiája körülbelül 1 MeV -tal kisebb, mint a közepes tömegű atommagoké , így átlagos tömegű magokká való átalakulásuk (hasadás 2 részre ) felszabadulással jár. nukleononként körülbelül 1 MeV vagy magonként körülbelül 200 MeV . A könnyű atommagok nehezebb magokká való átalakulása még nagyobb energianyereséget eredményez nukleononként. Tehát például a deutérium és trícium atommagok kombinációjának reakciója

17,6 MeV , azaz nukleononként 3,5 MeV energia felszabadulásával jár együtt [2] .

Atommaghasadás

E. Fermi a neutron felfedezése után kísérletsorozatot végzett, amelyben különféle atommagokat bombáztak ezek az új részecskék. Ezekben a kísérletekben azt találták, hogy az alacsony energiájú neutronokat gyakran foton kibocsátásával nyeli el az atommag (úgynevezett radioaktív neutronbefogás).

Ennek a reakciónak a vizsgálatára a kísérletet szisztematikusan megismételték a periódusos rendszer összes elemére . Ennek eredményeként a célelemek új radioaktív izotópjait fedezték fel. Az urán besugárzásakor azonban számos más könnyű elemet fedeztek fel. Lise Meitner , Otto Hahn és Fritz Strassmann ezt azzal tudták magyarázni, hogy feltételezték, hogy az uránmag két nagyjából egyenlő tömegre hasad egy neutron befogásakor. Valójában a reakciótermékekben olyan báriumot találtak , amelynek atomtömege körülbelül fele az uránénak . Később kiderült, hogy ez a hasadás nem minden uránizotópban, hanem csak 235 U-ban fordult elő. És még később vált ismertté, hogy ez a hasadás sok különböző elemhez vezethet, amelyek tömegeloszlása ​​egy teve kettős púpjához hasonlít. .

Az urán termikus neutronos hasadása során nemcsak két könnyebb atommag (hasadási töredék) jelenik meg, hanem 2 vagy 3 ( 235 U esetén átlagosan 2,5) neutron is kibocsátódik, amelyek nagy mozgási energiával rendelkeznek. Az uránra, mint nehéz magra a könnyebb elemekre fellépő N ≈ Z (azonos számú proton és neutron) reláció nem áll fenn, így a hasadási termékek neutrontúlsúlyosak. Ennek eredményeként ezek a hasadási termékek béta-radioaktívnak bizonyulnak : az atommag felesleges neutronjai fokozatosan protonokká alakulnak ( béta-részecskék kibocsátásával ), és maga az atommag, miközben megtartja tömegszámát, az izobár lánc mentén a a legközelebbi béta-stabil mag. A 235 U hasadása több mint 40 módon történhet, amiből több mint 80 különböző hasadási termék keletkezik, amelyek viszont bomlással bomlási láncokat alkotnak , így végső soron az urán hasadási termékei mintegy 200 nuklidot tartalmaznak (közvetlenül ill. mint leánynuklidok) .

Az egyes 235 U méretű magok hasadása során felszabaduló energia átlagosan körülbelül 200 MeV . Az uránbányászathoz használt ásványok általában körülbelül 1 g/kg uránércet ( például nasturánt ) tartalmaznak. Mivel a természetes urán 235 U izotóptartalma csak 0,7%, azt találtuk, hogy minden kilogramm bányászott ércben 1,8 10 19 235 U atom lesz. Ha ezt a 235 U atomot elosztjuk 1 gramm uránból, akkor 3 szabadul fel, 6 10 27 eV = 5,8 10 8 J energia. Összehasonlításképpen: 1 kg legjobb minőségű szén ( antracit ) elégetésekor körülbelül 4 10 7 J energia szabadul fel, vagyis ahhoz, hogy 1 kg természetes uránban lévő atomenergiát nyerjünk, több mint 10 szénatomot kell elégetni. tonna antracit .

Ha hasadási eseményenként 2,5 neutron jelenik meg, akkor láncreakció léphet fel , ha a 2,5 neutron közül legalább az egyik képes az uránmag új hasadását előidézni. Normális esetben a kibocsátott neutronok nem hasadják fel azonnal az uránmagokat, hanem előbb le kell lassítani őket termikus sebességre ( 2200 m/s T = 300 K mellett). A késleltetést leghatékonyabban egy másik alacsony A elem , például hidrogén , szén stb. körülvevő atomjaival érik el, a moderátornak nevezett anyag.

Néhány más atommag is hasadhat lassú neutronok befogásával, például 233 U vagy 239 Pu . Ugyanakkor lehetséges a 238 U (140-szer nagyobb, mint 235 U) vagy a 232 Th (ez 400-szor több, mint 235 U a földkéregben ) gyors neutronokkal (nagy energiájú) történő hasadása is lehetséges .

A maghasadás elemi elméletét Niels Bohr és J. Wheeler alkotta meg az atommag cseppmodelljének felhasználásával .

Az atommaghasadás gyors alfa részecskékkel , protonokkal vagy deuteronokkal is megvalósítható . Ezeknek a részecskéknek azonban – a neutronokkal ellentétben – nagy energiával kell rendelkezniük ahhoz, hogy leküzdjék az atommag Coulomb-gátját.

Az atomenergia felszabadítása

Ismeretes, hogy az exoterm nukleáris reakciók nukleáris energiát szabadítanak fel.

A nukleáris energia előállításához általában urán-235 vagy plutónium atommagok , ritkábban más nehéz atommagok ( urán-238 , tórium-232 ) hasadási láncreakcióját alkalmazzák . Az atommagok felosztódnak, amikor egy neutron eltalálja őket , és új neutronok és hasadási töredékek keletkeznek. A hasadási neutronok és a hasadási töredékek nagy kinetikus energiával rendelkeznek . A töredékek más atomokkal való ütközésének eredményeként ez a mozgási energia gyorsan hővé alakul.

A nukleáris energia felszabadításának másik módja a termonukleáris fúzió . Ebben az esetben két könnyű elem magja egyesül egy nehéz elemmé. A természetben az ilyen folyamatok a Napon és más csillagokban fordulnak elő, amelyek energiaforrásuk fő forrása.

Sok atommag instabil. Idővel ezeknek a magoknak egy része spontán átalakul más magokká, és energiát szabadít fel. Ezt a jelenséget radioaktív bomlásnak nevezik .

Az atomenergia alkalmazásai

Kényszerített maghasadás

Jelenleg az összes nukleáris energiaforrás közül a nehéz atommagok hasadása során felszabaduló energiának van a legnagyobb gyakorlati alkalmazása. Az energiaforrások szűkössége mellett a maghasadásos reaktorok nukleáris energiáját tartják a legígéretesebbnek a következő évtizedekben. Az atomerőművekben az atomenergiát villamosenergia- és fűtési hőtermelésre használják. Az atomerőművek megoldották a korlátlan hajózási területtel rendelkező hajók problémáját ( nukleáris jégtörők , nukleáris tengeralattjárók , nukleáris repülőgép-hordozók ).

Az urán vagy plutónium maghasadásának energiáját nukleáris és termonukleáris fegyverekben használják fel (termonukleáris reakció kiváltójaként és további energiaforrásként a termonukleáris reakciók során keletkező neutronok maghasadásánál).

Voltak kísérleti rakétahajtóművek, de ezeket kizárólag a Földön és ellenőrzött körülmények között tesztelték, baleset esetén fennáll a radioaktív szennyeződés veszélye.

Az atomerőművek 2012-ben a világ villamosenergia-termelésének 13%-át és a világ teljes energiatermelésének 5,7%-át termelték [3] [4] . A Nemzetközi Atomenergia Ügynökség (NAÜ) jelentése szerint 2013-ban [5] 436 működő (vagyis újrahasznosítható elektromos és/vagy hőenergiát termelő) nukleáris reaktor [6] a világ 31 országában [7 ] ] . Ezen túlmenően 15 országban további 73 atomreaktor áll az építkezés különböző szakaszaiban [5] . Jelenleg mintegy 140 felszíni hajó és tengeralattjáró is üzemel a világon, amelyek összesen mintegy 180 reaktort használnak [8] [9] [10] . Számos atomreaktort használtak szovjet és amerikai űrhajókban, amelyek közül néhány még mindig pályán van. Ezenkívül számos alkalmazás nem reaktorban (például termoizotóp-generátorokban) előállított nukleáris energiát használ. Ugyanakkor az atomenergia felhasználásáról folyó vita nem szűnik meg [11] [12] . Az atomenergia ellenzői (különösen az olyan szervezetek, mint a Greenpeace ) úgy vélik, hogy az atomenergia használata veszélyezteti az emberiséget és a környezetet [13] [14] [15] . A nukleáris energia védelmezői (NAÜ, Nukleáris Világszövetség stb.) pedig azzal érvelnek [16] , hogy ez a fajta energia lehetővé teszi az üvegházhatású gázok légkörbe történő kibocsátásának csökkentését, és normál működés közben lényegesen kevesebb kockázatot jelent a környezetre, mint egyéb energiatermelési típusok [17] .

Fusion

A hidrogénbombában fúziós energiát használnak fel . A szabályozott termonukleáris fúzió problémája még nem megoldott, de ha ez a probléma megoldódik, akkor az olcsó energia szinte korlátlan forrásává válik.

Spontán radioaktív bomlás

Sok nuklid idővel spontán elbomolhat. A radioaktív bomlás során felszabaduló energiát a hosszú élettartamú hőforrások és a béta-voltaikus cellák hasznosítják. A Pioneer és a Voyager típusú automatizált bolygóközi állomások , valamint a roverek és más bolygóközi küldetések radioizotópos termoelektromos generátorokat használnak . Izotópos hőforrást használtak a szovjet Lunokhod-1 és Lunokhod-2 holdmissziók , amelyek 1970. november 17. és 1971. szeptember 14. között zajlottak, a második Lunokhod küldetésre 1973. januárjában került sor.

Lásd még

• Atombomba
• Termonukleáris fúzió
• Radioaktivitás

Jegyzetek

1. ↑ Settle, Frank (2005), Nukleáris kémia. A neutron felfedezése (1932) Archiválva : 2009. július 5. a Wayback Machine -nél  (a link 2013. 05. 22. óta nem érhető el [3442 nap] - történelem ,  másolat ) , Általános kémiai esettanulmányok
2. ↑ Rövid Enciklopédia "Atomenergia", Állami Tudományos Kiadó "Nagy Szovjet Enciklopédia", 1956
3. ↑ Kulcsfontosságú világ energiastatisztika 2012 (határozatlan idejű) . - Nemzetközi Energiaügynökség , 2012.  
4. ↑ Nukleáris Világszövetség . Újabb visszaesés a nukleáris termelésben Archiválva : 2012. november 1. a Wayback Machine World Nuclear News -ban, 2010. május 5.
5. ↑ 1 2 PRIS - Kezdőlap
6. ↑ Az energia mellett kutatási és néhány más atomreaktor is működik.
7. ↑ A világ atomerőművi reaktorai 2007-2008 és az urán követelményei . Nukleáris Világszövetség (2008. június 9.). Letöltve: 2008. június 21. Az eredetiből archiválva : 2008. március 3.. (határozatlan)
8. ↑ Mi az Atomerőmű - Hogyan működnek az atomerőművek | Mi az atomerőmű reaktor - Az atomerőművek típusai - EngineersGarage (nem elérhető link) . Letöltve: 2013. május 12. Az eredetiből archiválva : 2013. október 4.. (határozatlan) 
9. ↑ Nukleáris meghajtású hajók | nukleáris tengeralattjárók
10. ↑ http://www.ewp.rpi.edu/hartford/~ernesto/F2010/EP2/Materials4Students/Misiaszek/NuclearMarinePropulsion.pdf Archivált : 2015. február 26., Wayback Machine Naval Nuclear Propulsion, Magdi Ragheb. 2001-ben 235 hajófedélzeti atomreaktort építettek, amelyek közül néhányat már le is szereltek.
11. ↑ Union-Tribune szerkesztőbizottság. A nukleáris vita (nem elérhető link) . Union-Tribune (2011. március 27.). Letöltve: 2012. szeptember 28. Az eredetiből archiválva : 2011. november 19.. (határozatlan) 
12. ↑ James J. MacKenzie. Arthur W. Murphy áttekintése The Nuclear Power Controversy - ről The Quarterly Review of Biology , Vol. 52. sz. 4 (1977. december), pp. 467-468.
13. ↑ Megosztás. Nukleáris hulladékmedencék Észak-Karolinában (nem elérhető link) . Projectcensored.org. Letöltve: 2010. augusztus 24. Az eredetiből archiválva : 2017. október 19. (határozatlan) 
14. ↑ N.C. Figyelmeztetés "Atomenergia"
15. ↑ Sturgis, Sue Nyomozás: A Three Mile Island-i katasztrófával kapcsolatos felfedések kétségeket ébresztenek az atomerőművek biztonságával kapcsolatban (a link nem érhető el) . Southernstudies.org. Letöltve: 2010. augusztus 24. Az eredetiből archiválva : 2010. február 9.. (határozatlan) 
16. ↑ Az Egyesült Államok energiajogszabályai „reneszánszukat” jelenthetik az atomenergia számára .
17. ↑ PRIS - Reaktorállapot jelentések - Működési és hosszú távú leállás - Országonként . pris.iaea.org. Letöltve: 2019. december 8. (határozatlan)

Irodalom

• Clarfield, Gerald H. és William M. Wiecek (1984). Nukleáris Amerika: Katonai és polgári atomenergia az Egyesült Államokban 1940-1980 , Harper & Row.
• Cooke, Stephanie (2009). Halandó kezekben: A nukleáris kor figyelmeztető története , Black Inc.
• Cravens, Gwyneth. Erő a világ megmentésére: az igazság az atomenergiáról  (angol) . – New York: Knopf, 2007. - ISBN 0-307-26656-7 .
• Elliott, David (2007). Nukleáris vagy nem? Van-e helye az atomenergiának a fenntartható energia jövőjében? , Palgrave.
• Falk, Jim (1982). Global Fission: The Battle Over Nuclear Power , Oxford University Press.
• Ferguson, Charles D., (2007). Nukleáris energia: Az előnyök és kockázatok kiegyensúlyozása Külügyi Tanács .
• Herbst, Alan M. és George W. Hopley (2007). Nukleáris energia most: Miért jött el az idő a világ leginkább félreértett energiaforrására , Wiley.
• Schneider, Mycle, Steve Thomas, Antony Froggatt, Doug Koplow (2009. augusztus). A nukleáris ipar világméretű helyzetjelentése , Német Szövetségi Környezetvédelmi, Természetvédelmi és Reaktorbiztonsági Minisztérium .
• Walker, J. Samuel (1992). Containing the Attom: Nuclear Regulation in a Changing Environment, 1993-1971 , Berkeley: University of California Press.
• Walker, J. Samuel (2004). Three Mile Island: A Nuclear Crisis in Historical Perspective , Berkeley: University of California Press.
• Weart, Spencer R. A nukleáris félelem felemelkedése . Cambridge, MA: Harvard University Press, 2012. ISBN 0-674-05233-1
• Atomenergia: Első ismerkedés. - M .: Kucskovói Muzeon, 2020. - 128 p. : ill. ISBN 9 78-5-907174-38-2

Linkek

Nemzetközi megállapodások

• Nyilatkozat a nukleáris katasztrófa megelőzéséről (1981)
• Az atomenergia felhasználási körei és irányai
• Egyezmény a nukleáris balesetek korai bejelentéséről (Bécs, 1986)
• Egyezmény a nukleáris biztonságról (Bécs, 1994)
• Egyezmény a nukleáris anyagok fizikai védelméről (Bécs, 1979)
• Bécsi Egyezmény a nukleáris károkért való polgári jogi felelősségről
• Közös Egyezmény a kiégett fűtőelemek kezelésének biztonságáról és a radioaktív hulladékok kezelésének biztonságáról

Szótárak és enciklopédiák	Nagy orosz Britannica (online) Britannica (online) Modern Ukrajna