Kernspaltung und Fusion

Kernfusion Und Kernspaltung sind verschiedene Arten von Reaktionen, die Energie aufgrund des Vorhandenseins von atomaren Bindungen zwischen Partikeln in einem Kern freisetzen. In der Spaltung wird ein Atom in zwei oder mehr kleinere, leichtere Atome aufgeteilt. Im Gegensatz dazu tritt Fusion auf, wenn zwei oder mehr kleinere Atome zusammen verschmelzen und ein größeres, schwereres Atom erzeugen.

Vergleichstabelle

Definitionen

Kernfusion ist die Reaktion, bei der sich zwei oder mehr Kerne kombinieren und ein neues Element mit einer höheren Atomzahl bilden (mehr Protonen im Kern). Die in Fusion freigesetzte Energie hängt mit E = MC zusammen ² (Einsteins berühmte Energie-Masse-Gleichung). Auf der Erde ist die wahrscheinlichste Fusionsreaktion die Deuterium-Tritium-Reaktion. Deuterium und Tritium sind Wasserstoffisotope.

² ₁Deuterium + ³ ₁Tritium = ⁴₂Er + ¹₀N + 17.6 mev

[Bild: Spaltreaktion.Svg | Daumen | Keine | Spaltreaktion]]

Kernspaltung ist die Aufteilung eines massiven Kerns in Photonen in Form von Gammastrahlen, freien Neutronen und anderen subatomaren Partikeln. In einer typischen nuklearen Reaktion mit ²³⁵U und ein Neutron:

²³⁵₉₂U + N = ²³⁶₉₂U

gefolgt von

²³⁶₉₂U = ¹⁴⁴₅₆Ba + ⁸⁹ ₃₆KR + 3N + 177 mev

Spaltung vs. Fusionsphysik

Atome werden von zwei der vier grundlegenden Kräfte der Natur zusammengehalten: den schwachen und starken nuklearen Bindungen. Die Gesamtmenge an Energie, die innerhalb der Atome -Bindungen gehalten wird, wird als Bindungsenergie bezeichnet. Je bindenderen Energie innerhalb der Bindungen gehalten werden, desto stabiler das Atom. Darüber hinaus versuchen Atome, stabiler zu werden, indem sie ihre Bindungsenergie erhöhen.

Der Nucleon eines Eisenatoms ist das stabilste Nukleon, das in der Natur vorkommt, und es verschmilzt weder. Aus diesem Grund befindet sich Eisen oben auf der Bindungsenergiekurve. Für Atomkerne leichter als Eisen und Nickel kann Energie extrahiert werden Kombinieren Eisen- und Nickelkerne zusammen durch nukleare Fusion. Im Gegensatz dazu kann für Atomkerne schwerer als Eisen oder Nickel von Energie freigesetzt werden Aufteilung die schweren Kerne durch Kernspaltung.

Die Vorstellung, das Atom aufzuteilen.

Bedingungen für Spaltung und Fusion

Die Spaltung kann nur in großen Isotopen auftreten, die mehr Neutronen als Protonen in ihren Kernen enthalten, was zu einer leicht stabilen Umgebung führt. Obwohl Wissenschaftler noch nicht vollständig verstehen, warum diese Instabilität für die Spaltung so hilfreich ist, ist die allgemeine Theorie, dass die große Anzahl von Protonen eine starke abstoßende Kraft zwischen ihnen erzeugt und dass zu wenige oder zu viele Neutronen "Lücken" erzeugen, die eine Schwächung verursachen die nukleare Bindung, die zum Zerfall führt (Strahlung). Diese großen Kern mit mehr "Lücken" können durch den Einfluss von thermischen Neutronen, sogenannte "langsame" Neutronen, "gespalten" werden.

Die Bedingungen müssen richtig sein, damit eine Spaltreaktion auftritt. Damit die Spaltung sich selbst transportiert, muss die Substanz eine kritische Masse erreichen, die Mindestmenge an Masse erforderlich ist. Die Reaktionslänge der kritischen Massengrenzen auf bloße Mikrosekunden abfällt. Wenn eine kritische Masse zu schnell erreicht wird, was bedeutet.

Kernreaktoren sind hauptsächlich kontrollierte Spaltsysteme, die Magnetfelder verwenden, um streunende Neutronen zu enthalten. Dies schafft ein Verhältnis von Neutronenfreisetzung von ungefähr 1: 1, was bedeutet, dass ein Neutron aus dem Einfluss eines Neutrons entsteht. Da diese Zahl in mathematischen Proportionen variiert, muss das Magnetfeld unter so bekanntem Gaußschen Verteiler aufrechterhalten werden, damit der Reaktor die Funktionen hat, und Kontrollstangen müssen verwendet werden, um die Neutronenaktivität zu verlangsamen oder zu beschleunigen.

Fusion tritt auf, wenn zwei leichtere Elemente durch enorme Energie (Druck und Wärme) zusammengezwungen werden, bis sie zu einem anderen Isotop und Energie freigesetzt werden. Die Energie, die zum Starten einer Fusionsreaktion erforderlich ist, ist so groß, dass eine atomare Explosion erforderlich ist, um diese Reaktion zu erzeugen. Sobald die Fusion beginnt.

Die häufigste Form der Fusion, die in Sternen vorkommt, wird als "D-T-Fusion" bezeichnet und bezieht sich auf zwei Wasserstoffisotope: Deuterium und Tritium. Deuterium hat 2 Neutronen und Tritium hat 3, mehr als das einzige Wasserstoffproton. Dies erleichtert den Fusionsprozess, da nur die Ladung zwischen zwei Protonen überwunden werden muss ) und eine Temperatur - für einen Moment - von fast 81 Millionen Grad Fahrenheit für D -T -Fusion (45 Millionen Kelvin oder etwas weniger in Celsius). Zum Vergleich: Die Kerntemperatur der Sonne beträgt ungefähr 27 Millionen F (15 Millionen C).^[1]

Sobald diese Temperatur erreicht ist. Das Ergebnis einer solchen Eindämmung ist eine Freisetzung von Energie aus der D-T-Reaktion, die Helium (ein edles Gas, inerte für jede Reaktion) und Ersatzneutronen erzeugt, als können Wasserstoff für mehr Fusionsreaktionen "Samen". Gegenwärtig gibt es keine sicheren Möglichkeiten, um die anfängliche Fusionstemperatur zu induzieren oder die Schmuckreaktion zu enthalten, um einen stetigen Plasmazustand zu erreichen, aber die Anstrengungen sind fortgesetzt.

Eine dritte Art von Reaktor wird als Züchterreaktor bezeichnet. Es funktioniert mit Spaltung, um Plutonium zu erzeugen, das für andere Reaktoren säen oder als Kraftstoff dienen kann. Züchterreaktoren werden in Frankreich ausgiebig eingesetzt, sind jedoch unerschwinglich teuer und erfordern erhebliche Sicherheitsmaßnahmen, da die Ausgabe dieser Reaktoren auch zur Herstellung von Atomwaffen verwendet werden kann.

Kettenreaktion

Spalt- und Fusionskernreaktionen sind Kettenreaktionen, was bedeutet, dass ein nukleares Ereignis mindestens eine andere Kernreaktion verursacht und typischerweise mehr. Das Ergebnis ist ein zunehmender Zyklus von Reaktionen, der schnell unkontrolliert werden kann. Diese Art der Kernreaktion kann mehrere Spaltungen von schweren Isotopen sein (e.G. ²³⁵ U) oder die Verschmelzung von leichten Isotopen (e.G. ²Hand ³H).

Spaltungskettenreaktionen treten auf, wenn Neutronen instabile Isotope bombardieren. Diese Art von "Auswirkungen und Streuung" ist schwer zu kontrollieren, aber die Anfangsbedingungen sind relativ einfach zu erreichen. Eine Fusionskettenreaktion entwickelt sich nur unter extremen Druck- und Temperaturbedingungen, die durch die im Fusionsprozess freigesetzte Energie stabil bleiben. Sowohl die Anfangsbedingungen als auch die stabilisierenden Felder sind sehr schwer mit der aktuellen Technologie durchzuführen.

Energieverhältnisse

Fusionsreaktionen füllen 3-4-mal mehr Energie frei als Spaltreaktionen. Obwohl es keine Erdbasis-Fusionssysteme gibt, ist der Sonnenausgang typisch für die Produktion von Fusionsenergie, als sie ständig Wasserstoffisotope in Helium umwandelt und Spektren von Licht und Wärme emittieren. Die Spaltung erzeugt seine Energie, indem eine Kernkraft (die starke) abgebaut und enorme Wärmeabschnitte freigesetzt werden, als zum Erhitzen von Wasser (in einem Reaktor) verwendet werden, um dann Energie (Elektrizität) zu erzeugen (Elektrizität). Fusion überwindet 2 Kernkräfte (stark und schwach), und die freigesetzte Energie kann direkt verwendet werden, um einen Generator zu betreiben. Daher wird nicht nur mehr Energie freigesetzt, sondern auch für direktere Anwendung genutzt werden.

Kernenergieverbrauch

Der erste experimentelle Kernreaktor für die Energieerzeugung begann 1947 in Chalk River, Ontario, in Betrieb. Die erste Kernenergieanlage in der U.S., Der experimentelle Züchterreaktor-1 wurde kurz darauf 1951 auf den Markt gebracht; Es könnte 4 Glühbirnen anzünden. Drei Jahre später, 1954, die u.S. startete sein erstes Atom -U -Boot, das u.S.S. Nautilus, während die u.S.S.R. startete den weltweit ersten Kernreaktor für die groß angelegte Stromerzeugung in Obninsk. Das U.S. Eröffnete ein Jahr später seine Kernkraftwerkeanlage und beleuchtete Arco, Idaho (Pop. 1.000).

Die erste Handelsanlage für die Energieerzeugung mit Kernreaktoren war das Calder Hall -Werk in Windscale (jetzt Sellafield), Großbritannien, Großbritannien. Es war auch der Standort des ersten Nuklearunfalls im Jahr 1957, als ein Feuer aufgrund von Strahlungslecks ausbrach.

Das erste groß angelegte u.S. Nuklearanlage in Shippingport, Pennsylvania, 1957 eröffnet. Zwischen 1956 und 1973 wurden in der U fast 40 Kernreaktoren der Energieerzeugung gestartet.S., Das größte ist die Einheit eines der Zion -Kernkraftwerke in Illinois mit einer Kapazität von 1.155 Megawatt. Keine anderen Reaktoren, die seitdem bestellt wurden, sind online gekommen, obwohl andere nach 1973 gestartet wurden.

Die Franzosen starteten 1973 ihren ersten Kernreaktor, den Phénix, der 250 Megawatt Macht produzieren konnte. Der leistungsstärkste Energie-produzierende Reaktor der u.S. (1.315 MW) 1976 im Trojanischen Kraftwerk in Oregon eröffnet. Bis 1977 das u.S. Hatte 63 Kernkraftwerke in Betrieb und lieferte 3% des Energiebedarfs der Nation. Weitere 70 sollten bis 1990 online kommen.

Einheit zwei bei Three Mile Island erlitt einen teilweisen Zusammenbruch, in dem Inertgase (Xenon und Krypton) in die Umwelt freigelassen wurden. Die Anti-Nuklear-Bewegung erlangte aus den Befürchtungen, die der Vorfall verursachte. Die Befürchtungen wurden 1986 noch mehr angeheizt, als die Einheit 4 im Tschernobylwerk der Ukraine eine außer Kontrolle geratene nukleare Reaktion erlitt, die die Anlage explodierte und radioaktives Material im gesamten Gebiet und einen großen Teil Europas verbreitete. In den neunziger Jahren erweiterten Deutschland und insbesondere Frankreich seine Kernkraftwerke und konzentrierten sich auf kleinere und damit kontrollierbare Reaktoren. China startete 2007 seine ersten 2 Nuklearanlagen und produzierte insgesamt 1.866 MW.

Obwohl die Kernenergie in der produzierten globalen Leistung auf dem dritten Platz hinter Kohle und Wasserkraft liegt. Frankreich führt die Welt im Prozentsatz des von Kernreaktoren erzeugten Elektrizität.

Das U.S. Noch über 60 nukleare Einrichtungen in Betrieb, aber Wahlinitiativen und Reaktoralter haben in Oregon und Washington die Pflanzen geschlossen, während Dutzende weitere von Demonstranten und Umweltschutzgruppen gezielt werden. Gegenwärtig scheint nur China seine Anzahl von Kernkraftwerken zu erweitern, da es versucht, seine starke Abhängigkeit von Kohle (der Hauptfaktor in seiner extrem hohen Verschmutzungsrate) zu verringern und eine Alternative zum Importieren von Öl zu suchen.

Anliegen

Die Angst vor Kernenergie kommt von ihren Extremen, sowohl als Waffe als auch als Stromquelle. Die Spaltung von einem Reaktor erzeugt Abfallmaterial, das von Natur aus gefährlich ist (siehe mehr unten) und für schmutzige Bomben geeignet sein könnte. Obwohl mehrere Länder, wie Deutschland und Frankreich, mit ihren nuklearen Anlagen hervorragende Erfolgsakten haben Ist viel sicherer als fossiler Brennstoff. Fusionsreaktoren könnten eines Tages die erschwingliche, reichliche Energiequelle sein, die benötigt wird, jedoch nur, wenn die extremen Bedingungen für die Schaffung von Fusion und das Management erforderlich sind.

Atommüll

Das Nebenprodukt der Spaltung ist radioaktiv. Dies bedeutet, dass Kernspaltreaktoren auch Schutz für diesen Abfall und seinen Transport zu unbewohnten Lager- oder Dump -Standorten haben müssen. Weitere Informationen dazu finden Sie über das Management von radioaktivem Abfall.

Natürliches Ereignis

In der Natur tritt Fusion in Sternen wie der Sonne auf. Auf der Erde wurde die Kernfusion erstmals bei der Schaffung der Wasserstoffbombe erreicht. Fusion wurde auch in verschiedenen experimentellen Geräten verwendet, oft in der Hoffnung, kontrollierte Energie zu produzieren.

Auf der anderen Seite ist Spaltung ein nuklearer Prozess, der normalerweise nicht in der Natur auftritt. Trotzdem gab es Beispiele für die Kernspaltung bei natürlichen Reaktoren. Dies wurde 1972 entdeckt, als Uranablagerungen aus einem Oklo, Gabon, Mine, einst vor etwa 2 Milliarden Jahren eine natürliche Spaltreaktion erhalten haben.

Auswirkungen

Kurz gesagt, wenn eine Spaltreaktion außer Kontrolle gerät, explodiert sie entweder oder der Reaktor, der erzeugt, schmilzt zu einem großen Stapel radioaktiver Schlacke. Solche Explosionen oder Kernschmelzen füllen Tonnen von radioaktiven Partikeln in die Luft und jede benachbarte Oberfläche (Land oder Wasser), wodurch sie jede Minute kontaminiert, die die Reaktion fortsetzt. Im Gegensatz dazu verlangsamt sich eine Fusionsreaktion, die die Kontrolle verliert (unausgeglichen) und fällt die Temperatur ab, bis sie gestoppt wird. Dies ist, was mit Sternen passiert, wenn sie ihren Wasserstoff in Helium verbrennen und diese Elemente über Tausende von Jahrhunderten des Ausstoßes verlieren. Fusion erzeugt wenig radioaktives Abfall. Wenn es Schäden gibt, geschieht es in der unmittelbaren Umgebung des Fusionsreaktors und etwas anderes.

Es ist weitaus sicherer, Fusion zu verwenden, um Strom zu erzeugen, aber die Spaltung wird verwendet. Außerdem wurden die technischen Herausforderungen bei der Kontrolle von Fusionsreaktionen noch nicht überwunden.

Einsatz von Atomwaffen

Alle Atomwaffen erfordern eine Kernspaltreaktion, um zu arbeiten, aber "reine" Spaltbomben, die allein eine Spaltreaktion verwenden, sind als Atom oder Atom bezeichnet, Bomben. Atombomben wurden erstmals 1945 in New Mexico während des Höhepunkts des Zweiten Weltkriegs getestet. Im selben Jahr benutzten die Vereinigten Staaten sie als Waffe in Hiroshima und Nagasaki, Japan, als Waffe.

Seit der Atombombe haben die meisten Atomwaffen, die vorgeschlagen und/oder konstruiert wurden.G., Siehe gestärkte Spaltwaffe, radiologische Bomben und Neutronenbomben). Thermonuklearische Waffen - eine Waffe, die beide Spaltung verwendet Und Fusion auf Wasserstoffbasis-ist eine der bekannteren Waffenförderungen. Obwohl bereits 1941 der Begriff einer thermonuklearen Waffe vorgeschlagen wurde. Im Gegensatz zu Atombomben haben Wasserstoffbomben nicht wurde in Kriegsführung verwendet, nur getestet (e.G., Siehe Zarenbomba).

Bisher nutzt keine Atomwaffe die nukleare Verschmelz.

Kosten

Spaltung ist eine starke Form der Energieerzeugung, aber sie verfügt über integrierte Ineffizienzen. Der Kernbrennstoff, normalerweise Uranium-235, ist teuer, um abzubauen und zu reinigen. Die Spaltreaktion erzeugt Wärme, die zum Kochen von Wasser für Dampf verwendet wird, um eine Turbine zu drehen, die Strom erzeugt. Diese Umwandlung von Wärmeenergie zu elektrischer Energie ist mühsam und teuer. Eine dritte Quelle der Ineffizienz ist, dass die Reinigung und Lagerung von Atomabfällen sehr teuer ist. Abfall ist radioaktiv und erfordert eine ordnungsgemäße Entsorgung, und die Sicherheit muss eng sein, um die öffentliche Sicherheit zu gewährleisten.

Damit Fusion auftritt, müssen die Atome im Magnetfeld eingesperrt und auf eine Temperatur von 100 Millionen Kelvin oder mehr angehoben werden. Dies erfordert eine enorme Menge an Energie, um Fusion zu initiieren (Atombomben und Laser sollen diesen "Funken" liefern), aber es besteht auch die Notwendigkeit, das Plasmafeld für die langfristige Energieerzeugung richtig einzudämmen. Forscher versuchen immer noch, diese Herausforderungen zu bewältigen, weil Fusion ein sichereres und leistungsfähigeres Energieproduktionssystem als Spaltung.