Branduolinė energija yra vienas galingiausių energijos šaltinių pasaulyje. Paprastai jis naudojamas didelėse atominėse elektrinėse gaminant elektrą dideliu mastu. Tačiau tik nedaugelis žino procesus, leidžiančius atomų branduolius paversti praktine kasdienio gyvenimo energija. Apskritai ši energija gaunama iš dviejų skirtingų procesų: Branduolio skilimas y branduolio sintezė.
Šiame straipsnyje mes pasigilinsime į procesą Branduolio skilimas, kuriame, be kitų pagrindinių temų, paaiškinama, kaip generuojama šios rūšies energija, koks jos mechanizmas ir kuo ji skiriasi nuo branduolių sintezės.
Kas yra branduolio dalijimasis?
Branduolio dalijimasis yra branduolinės reakcijos rūšis, kai sunkiojo atomo branduolys suskyla į lengvesnius branduolius, kurių metu išsiskiria daug energijos. Ši energija vėliau paverčiama daugiausia į elektros energiją atominėse elektrinėse.
Šiame procese neutronas susiduria su nestabilaus atomo branduoliu, pvz uranas-235 arba plutonis-239. Užfiksavus minėtą neutroną, šerdis tampa dar nestabilesnė ir skyla, išskirdami papildomus neutronus ir energiją šilumos ir spinduliuotės pavidalu.
Šie papildomi neutronai, savo ruožtu, gali sukelti daugiau dalijimosi reakcijų, susidurdami su kitais nestabiliais branduoliais, išlaikydami grandininė reakcija kurios, tinkamai nekontroliuojamos, gali sukelti masinį destruktyvų energijos išsiskyrimą. Tai yra pagrindinis principas, leidžiantis veikti branduoliniam reaktoriui.
Vienas suskilęs branduolys Jis gali generuoti milijonus kartų daugiau energijos nei įprasta cheminė reakcija, pvz., deginant anglį ar dujas. Dėl šio įspūdingo energinio naudingumo branduolinė energija yra tokia patraukli elektros gamybos galimybė.
Grandininė reakcija
Kai įvyksta branduolio dalijimasis, išsiskiria keli neutronai (dažniausiai nuo dviejų iki trijų). Šie neutronai gali ir toliau sąveikauti su kitais netoliese esančiais dalijančiais branduoliais, sukeldami daugiau dalijimosi ir dėl to išskirdami dar daugiau neutronų ir energijos. Tai vadinama grandininė reakcija.
Kad grandininė reakcija būtų tvari, būtina, kad bent vienas iš neutronų, išsiskiriančių pradinio dalijimosi metu, sukeltų naują skilimą. Jei ši sąlyga įvykdoma, reakcija gali tęstis kontroliuojamu būdu. Tai yra darbo principas branduoliniai reaktoriai.
Vienas iš didžiausių atominių elektrinių iššūkių yra gebėjimas kontroliuoti šį procesą. Per daug dalijimosi iš eilės gali sukelti staigų energijos išsiskyrimą, o per mažas dalijimasis neleidžia generuoti pakankamai energijos. Branduoliniai reaktoriai yra skirti išlaikyti šią pusiausvyrą naudojant moderatoriai ir valdymo juostos Prireikus jie sugeria neutronus.
Branduolio dalijimosi ir sintezės skirtumai
Tiek dalijimasis, tiek sintezė išskiria atomo branduolyje esančią energiją, tačiau jų mechanizmas yra labai skirtingas.
Į Branduolio skilimas, Vienas sunkusis branduolys dalijasi mažesniuose branduoliuose, kaip minėta anksčiau, tuo tarpu branduolio sintezė, procesas yra atvirkštinis: lengvieji branduoliai, dažniausiai vandenilis, jie susilieja ir sudaro sunkesnį, išskirdami milžinišką energijos kiekį.
Skilimo pavyzdys:
Kai neutronas atsitrenkia į atomą uranas-235, atomas skyla į du lengvesnius branduolius, baris-144 ir kriptonas-89, išskirdamas tris naujus neutronus ir daug energijos. Tai labai kontroliuojamas procesas atominėse elektrinėse.
Sintezės pavyzdys:
Saulėje vandenilio branduoliai nuolat susilieja, sudarydami helio branduolius, išskirdami milžiniškus energijos kiekius šviesos ir šilumos pavidalu. Tačiau sintezės reakcijai Žemėje būtinas sąlygas pasiekti itin sunku, nes reikia milijonų laipsnių temperatūros ir didelio slėgio. Nepaisant dešimtmečių tyrimų, kontroliuojama branduolių sintezė dar nebuvo pasiekta komerciškai perspektyviu būdu.
Kritinė masė
La kritinė masė Tai yra mažiausias skiliosios medžiagos kiekis, reikalingas ilgalaikei grandininei reakcijai užtikrinti. Jei naudojama masė yra mažesnė už kritinę, kiekvieno dalijimosi metu išsiskiriantys neutronai bus prarasti prieš sukeldami naujus skilimus ir reakcija sustos.
Kritinė masė priklauso nuo įvairių veiksnių, pvz medžiagos grynumas, jo geometrija ir ar jis yra apsuptas neutronus atspindinčių medžiagų, kurios sumažina nuostolius.
To pavyzdys yra tai, kad branduoliniai reaktoriai paprastai yra suprojektuoti sferinės arba cilindrinės formos, kad kuo ilgiau išlaikytų neutronų skaičių sistemoje ir užtikrintų, kad dalijimasis tęstųsi tvariai.
Spontaniška branduolio dalijimasis
savaiminis branduolio dalijimasis Tai rečiau paplitęs, bet svarbus reiškinys, kai branduolys dalijasi be krintančio neutrono įsikišimo. Tai vyksta labai nestabiliuose izotopuose, tokiuose kaip plutonis-239.
Nors tikimybė, kad tai įvyks savaime, yra maža, šis reiškinys turi įtakos branduolinių medžiagų valdymui ir reaktorių saugai.
Šio tipo dalijimasis gali sukelti spinduliuotės išmetimą ir kelti potencialų pavojų, jei jis netinkamai valdomas, nes gali sukelti nepageidaujamas reakcijas, jei pasiekiamos tinkamos sąlygos.
Štai kodėl saugumas Atominėse elektrinėse labai svarbu išvengti incidentų ir nelaimių, tokių kaip Černobylyje ar Fukušimoje.
Branduolio dalijimasis ir toliau yra viena iš pirmaujančių energijos gamybos technologijų pasaulyje, ypač dėl jos gebėjimo gaminti didelius elektros energijos kiekius su ribotu anglies pėdsaku.