Branduolio dalijimasis ir branduolio sintezė
Didžiulis energijos potencialas atomo branduolyje gali būti panaudotas dviem priešingais būdais: dalijimosi, kai sunkus, nestabilus atomas suskaidomas į mažesnes dalis, ir sintezės, kuri priverčia mažyčius atomus susijungti į didesnį. Nors dalijimasis maitina mūsų dabartinius elektros tinklus, sintezė yra procesas, kuris maitina žvaigždes ir simbolizuoja švarios energijos ateitį.
Akcentai
- Šiandien dalijimasis energija tiekiama tūkstančiams namų, o sintezė – visai Saulės sistemai.
- Žemėje vykti branduolių sintezei reikalinga 100 milijonų laipsnių Celsijaus temperatūra.
- Grandininės dalijimosi reakcijos kontroliuojamos naudojant boro arba kadmio strypus neutronams absorbuoti.
- Abiejų procesų energija gaunama iš garsiosios Einšteino lygties: $E=mc^2$.
Kas yra Branduolio dalijimasis?
Sunkiojo atomo branduolio padalijimo į du ar daugiau mažesnių branduolių procesas, kurio metu išsiskiria didelis energijos kiekis.
- Kaip kurą daugiausia naudojami sunkieji elementai, tokie kaip uranas-235 arba plutonis-239.
- Suveikia neutronui atsitrenkus į didelį branduolį, dėl kurio šis tampa nestabilus ir suskyla.
- Sukelia grandininę reakciją, kurios metu išsiskyrę neutronai skaido kaimyninius atomus.
- Dėl to susidaro radioaktyvios atliekos, kurios išlieka pavojingos tūkstančius metų.
- Šiuo metu tai vienintelė branduolinės energijos rūšis, komerciškai naudojama elektros energijos gamybai visame pasaulyje.
Kas yra Branduolinė sintezė?
Reakcija, kurios metu du lengvi atominiai branduoliai susijungia į vieną sunkesnį branduolį, proceso metu išskirdami didžiulę energiją.
- Paprastai kaip kurą naudoja lengvuosius elementus, tokius kaip vandenilio izotopai (deuteris ir tritis).
- Reikalinga ekstremali temperatūra ir slėgis, pavyzdžiui, Saulės šerdyje.
- Kaip šalutinį produktą susidaro helis, kuris yra netoksiškas ir neradioaktyvus.
- Iš gramo kuro gaunama beveik keturis kartus daugiau energijos, palyginti su dalijimusi.
- Komercinis gyvybingumas vis dar yra eksperimentinėje stadijoje dėl sunkumų sulaikant plazmą.
Palyginimo lentelė
| Funkcija | Branduolio dalijimasis | Branduolinė sintezė |
|---|---|---|
| Pagrindinis apibrėžimas | Sunkiojo branduolio suskaidymas | Šviesos branduolių susiliejimas |
| Kuro reikalavimai | Sunkieji izotopai (uranas, plutonis) | Šviesos izotopai (vandenilis, helis) |
| Energijos išeiga | Aukštas | Ypač didelis (3–4 kartus didesnis skilimas) |
| Susidariusios atliekos | Ilgaamžiai radioaktyvieji izotopai | Helis (inertinis/neradioaktyvus) |
| Veikimo sąlygos | Kritinės masės ir neutronų kontrolė | Ekstremalus karštis (milijonai laipsnių) |
| Saugos rizika | Galimas žlugimas, jei nebus valdomas | Suirimas neįmanomas; reakcija tiesiog sustoja |
Išsamus palyginimas
Energijos išskyrimo mechanizmas
Skilimas vyksta destabilizuojant didelius atomus; kai branduolys skyla, susidariusių fragmentų masė yra šiek tiek mažesnė už pradinio atomo masę. Ši „trūkstama masė“ paverčiama energija. Branduolių sintezė veikia panašiu masės defekto principu, tačiau ji vyksta, kai lengvi branduoliai yra taip stipriai sujungiami, kad įveikia natūralią elektrinę stūmą ir susilieja į vieną, stabilesnį darinį.
Poveikis aplinkai ir atliekos
Skilimo elektrinėse gaminami panaudoto kuro strypai, kurie turi būti saugiai laikomi tūkstantmečius, nes yra labai radioaktyvūs. Tuo tarpu branduolių sintezė laikoma žaliosios energijos „šventuoju graliu“, nes jos pagrindinis šalutinis produktas yra helis. Nors pati branduolių sintezės reaktoriaus konstrukcija laikui bėgant gali tapti šiek tiek radioaktyvi, atliekos yra daug trumpesnio amžiaus ir daug mažiau pavojingos nei skilimo šalutiniai produktai.
Kuro trūkumas ir prieinamumas
Uranas skilimui yra ribotas išteklius, kurį reikia išgauti ir kruopščiai sodrinti, o tai yra brangus ir daug energijos reikalaujantis procesas. Branduolių sintezės kuras, konkrečiai deuteris, gali būti išgaunamas iš paprasto jūros vandens, o tritis gali būti „išaugintas“ iš ličio. Dėl to potencialus branduolių sintezės kuro tiekimas yra praktiškai neišsenkantis ir, jei technologija bus tobula, jo užteks milijonams metų.
Kontrolės ir saugos standartai
Dalijimosi reaktoriui reikalinga „kritinė masė“ ir kruopštus neutronų moderavimas, kad būtų išvengta nekontroliuojamos reakcijos. Jei aušinimo sistemos sugenda, kuras gali išlikti pakankamai karštas, kad išsilydytų per savo apsauginį sluoksnį. Branduolių sintezės reaktoriai yra priešingybė; juos nepaprastai sunku palaikyti veikiančius. Jei kuri nors sistemos dalis sugenda arba plazma sutrikdoma, temperatūra akimirksniu nukrenta ir reakcija tiesiog nutrūksta, todėl didelio masto branduolių lydymasis fiziškai neįmanomas.
Privalumai ir trūkumai
Branduolio dalijimasis
Privalumai
- +Patikrinta technologija
- +Patikimas maitinimas visą parą
- +Mažas anglies dioksido išmetimas
- +Sukurta infrastruktūra
Pasirinkta
- −Radioaktyviosios atliekos
- −Kasybos poveikis
- −Nelaimingų atsitikimų rizika
- −Branduolinio branduolinio platinimo problemos
Branduolinė sintezė
Privalumai
- +Neribotas degalų tiekimas
- +Jokių ilgalaikių atliekų
- +Įgimtas saugumas
- +Didžiausias energijos tankis
Pasirinkta
- −Dar nėra komerciškai perspektyvus
- −Ekstremalūs šilumos reikalavimai
- −Labai didelės tyrimų išlaidos
- −Sudėtinga inžinerija
Dažni klaidingi įsitikinimai
Branduolių sintezės reaktorius gali sprogti kaip vandenilinė bomba.
Tai dažna baimė, tačiau branduolių sintezės reaktoriuose bet kuriuo metu yra labai mažai kuro. Įvykus gedimui, plazma išsiplečia ir atvėsta, nedelsiant sustabdydama reakciją. Ji fiziškai negali sukelti nevaldomo sprogimo.
Branduolinė energija yra pavojingiausia energijos rūšis.
Statistiškai branduolinė energija (branduolinė skilimas) sukelia mažiausią mirčių skaičių, tenkantį vienai pagamintai teravatvalandei energijos, net ir atsižvelgiant į dideles avarijas. Iš tikrųjų ji yra saugesnė nei anglis, nafta ir net kai kurie atsinaujinančios energijos įrenginiai, vertinant pagal darbo sąnaudas ir su tarša susijusias mirtis.
Branduolinės atliekos visada lieka pavojingos.
Nors „amžinai“ yra perdėta, skilimo atliekos išlieka radioaktyvios apie 10 000–250 000 metų. Tačiau kuriami naujesni reaktorių modeliai, kurie iš tikrųjų gali „deginti“ šias senas atliekas kaip kurą, taip sutrumpindami jų gyvavimo trukmę ir toksiškumą.
Branduolių sintezė visada įvyks „po 30 metų“ ir niekada neįvyks.
Nors pokštas sklando jau dešimtmečius, neseniai pasiekėme „užsidegimą“ – tašką, kai branduolių sintezės reakcija pagamino daugiau energijos nei lazeriai, naudojami jai pradėti. Šis laikotarpis trumpėja, nes privačios investicijos ir superkompiuteriai spartina tyrimus.
Dažnai užduodami klausimai
Koks procesas naudojamas atominių bombų gamyboje?
Kodėl branduolių sintezei reikalinga tokia aukšta temperatūra?
Kas yra „grandininė reakcija“ dalijimosi metu?
Ar iš branduolių sintezės reaktorių išsiskiriantis helis kelia pavojų atmosferai?
Kaip išlaikyti kažką, kas įkaitusi iki 100 milijonų laipsnių?
Ar dalijimasis prisideda prie visuotinio atšilimo?
Ar branduolių sintezė gali būti naudojama automobiliams ar lėktuvams varyti?
Kas yra „šaltoji sintezė“?
Nuosprendis
Naudoti branduolių dalijimąsi greitam ir patikimam mažai anglies dioksido išskiriančios bazinės energijos gamybai, nes tai patikrinta technologija, kurią gerai suprantame. Branduolių sintezę laikyti galutiniu ilgalaikiu švarios energijos sprendimu, jei tik įveiksime didžiules inžinerines kliūtis, trukdančias palaikyti žvaigždėms būdingą temperatūrą Žemėje.
Susiję palyginimai
Alifatiniai ir aromatiniai junginiai
Šiame išsamiame vadove nagrinėjami esminiai alifatinių ir aromatinių angliavandenilių, dviejų pagrindinių organinės chemijos šakų, skirtumai. Nagrinėjame jų struktūrinius pagrindus, cheminį reaktyvumą ir įvairų pramoninį pritaikymą, pateikdami aiškią sistemą, kaip identifikuoti ir naudoti šias skirtingas molekulines klases moksliniame ir komerciniame kontekste.
Alkanas prieš alkeną
Ši palyginimas paaiškina skirtumus tarp alkanų ir alkenų organinėje chemijoje, apimdamas jų struktūrą, formules, reaktyvumą, būdingas reakcijas, fizikines savybes ir dažniausius panaudojimus, kad parodytų, kaip anglies-anglies dvigubojo ryšio buvimas ar nebuvimas veikia jų cheminį elgesį.
Aminorūgštis ir baltymas
Nors aminorūgštys ir baltymai yra iš esmės susiję, jie atstovauja skirtingiems biologinės sandaros etapams. Aminorūgštys yra atskiri molekuliniai statybiniai blokai, o baltymai yra sudėtingos, funkcinės struktūros, susidarančios, kai šie vienetai jungiasi tam tikromis sekomis, kad įgalintų beveik kiekvieną gyvo organizmo procesą.
Angliavandeniai ir lipidai
Angliavandeniai ir lipidai yra pagrindiniai biologinio gyvenimo kuro šaltiniai, tačiau jie labai skiriasi energijos tankiu ir kaupimo savybėmis. Nors angliavandeniai suteikia greitą energijos prieigą ir struktūrinę paramą, lipidai yra labai koncentruotas, ilgalaikis energijos rezervas ir sudaro esminius vandeniui atsparius ląstelių membranų barjerus.
Atominis skaičius ir masės skaičius
Supratimas skirtumo tarp atominio skaičiaus ir masės skaičiaus yra pirmas žingsnis įvaldant periodinę elementų lentelę. Nors atominis skaičius veikia kaip unikalus pirštų atspaudas, apibrėžiantis elemento tapatybę, masės skaičius nurodo bendrą branduolio svorį, leidžiantį mums atskirti skirtingus to paties elemento izotopus.