Kodolenerģija ir viens no spēcīgākajiem enerģijas avotiem pasaulē. Parasti to izmanto lielās atomelektrostacijās, lai plašā mērogā ražotu elektroenerģiju. Tomēr tikai daži zina procesus, kas ļauj atomu kodolus pārveidot par ikdienas dzīves praktisko enerģiju. Kopumā šī enerģija tiek iegūta no diviem dažādiem procesiem: Kodolenerģija y kodolsintēze.
Šajā rakstā mēs iedziļināsimies procesā Kodolenerģija, paskaidrojot, kā šāda veida enerģija tiek ģenerēta, kāds ir tās mehānisms un kā tā atšķiras no kodolsintēzes, kā arī citas galvenās tēmas.
Kas ir kodola skaldīšana?
Kodola dalīšanās ir kodolreakcijas veids, kurā smagā atoma kodols sadalās vieglākos kodolos, šajā procesā atbrīvojot lielu daudzumu enerģijas. Šī enerģija pēc tam tiek pārveidota galvenokārt par elektroenerģiju atomelektrostaciju gadījumā.
Šajā procesā neitrons saduras ar nestabila atoma kodolu, piemēram urāns-235 vai plutonijs-239. Uztverot minēto neitronu, kodols kļūst vēl nestabilāks un sadalās, izdalot papildu neitronus un enerģiju siltuma un starojuma veidā.
Šie papildu neitroni savukārt var izraisīt vairāk dalīšanās reakciju, saduroties ar citiem nestabiliem kodoliem, saglabājot ķēdes reakcija kas, ja netiek pareizi kontrolēts, var izraisīt milzīgu enerģijas izdalīšanos postošā veidā. Tas ir pamatprincips, kas ļauj darboties kodolreaktoram.
Viens sašķelts kodols Tas var radīt miljoniem reižu vairāk enerģijas nekā tipiska ķīmiska reakcija, piemēram, sadedzinot ogles vai gāzi. Šī iespaidīgā energoefektivitāte ir iemesls, kāpēc kodolenerģija ir tik pievilcīga iespēja elektroenerģijas ražošanai.
Ķēdes reakcija
Kad notiek kodola skaldīšana, tiek atbrīvoti vairāki neitroni (parasti no diviem līdz trim). Šie neitroni var turpināt mijiedarboties ar citiem tuvumā esošajiem skaldīšanas kodoliem, izraisot vairāk skaldīšanas un līdz ar to atbrīvojot vēl vairāk neitronu un enerģijas. To sauc ķēdes reakcija.
Lai ķēdes reakcija būtu ilgtspējīga, ir nepieciešams, lai vismaz viens no sākotnējās skaldīšanas atbrīvotajiem neitroniem izraisītu jaunu skaldīšanu. Ja šis nosacījums ir izpildīts, reakcija var turpināties kontrolētā veidā. Tas ir darbības princips kodolreaktori.
Viens no lielākajiem atomelektrostaciju izaicinājumiem ir spēja kontrolēt šo procesu. Pārāk daudz skaldīšanas pēc kārtas var izraisīt pēkšņu enerģijas izdalīšanos, savukārt pārāk maz skaldīšanas padara neiespējamu pietiekami daudz enerģijas ģenerēšanu. Kodolreaktori ir paredzēti, lai saglabātu šo līdzsvaru, izmantojot moderatori un vadības joslas Vajadzības gadījumā tie absorbē neitronus.
Atšķirības starp kodola skaldīšanu un kodolsintēzi
Gan dalīšanās, gan saplūšana atbrīvo enerģiju, kas atrodas atoma kodolā, taču mehānisms aiz katra ir ļoti atšķirīgs.
Jo Kodolenerģija, Viena smagais kodols sadalās mazākos kodolos, kā minēts iepriekš, savukārt kodolsintēze, process ir apgriezts: vieglie kodoli, parasti ūdeņradis, tie saplūst, veidojot smagāku, atbrīvojot kolosālu enerģijas daudzumu.
Dalīšanās piemērs:
Kad neitrons ietriecas atomā urāns-235, atoms sadalās divos vieglākos kodolos, bārijs-144 un kriptons-89, atbrīvojot trīs jaunus neitronus un lielu enerģijas daudzumu. Tas ir ļoti kontrolēts process atomelektrostacijās.
Kodolsintēzes piemērs:
Saulē ūdeņraža kodoli pastāvīgi saplūst, veidojot hēlija kodolus, izdalot milzīgu enerģijas daudzumu gaismas un siltuma veidā. Tomēr apstākļus, kas nepieciešami kodolsintēzes reakcijai uz Zemes, ir ārkārtīgi grūti sasniegt, jo ir nepieciešama miljoniem grādu temperatūra un augsts spiediens. Neskatoties uz gadu desmitiem ilgajiem pētījumiem, kontrolēta kodolsintēze vēl nav panākta komerciāli izdevīgā veidā.
Kritiskā masa
La kritiskā masa Tas ir minimālais skaldāmā materiāla daudzums, kas nepieciešams, lai nodrošinātu ilgstošu ķēdes reakciju. Ja izmantotā masa ir mazāka par kritisko, katrā skaldīšanās laikā atbrīvotie neitroni tiks zaudēti pirms jaunu skaldīšanas un reakcija apstāsies.
Kritiskā masa ir atkarīga no dažādiem faktoriem, piemēram materiāla tīrība, tā ģeometriju un to, vai to ieskauj neitronus atstarojoši materiāli, kas samazina zudumus.
Piemērs tam ir tāds, ka kodolreaktori parasti ir konstruēti sfēriskā vai cilindriskā formā, lai pēc iespējas ilgāk uzturētu neitronu skaitu sistēmā un nodrošinātu ilgtspējīgu skaldīšanas turpināšanos.
Spontāna kodola dalīšanās
spontāna kodola skaldīšanās Tā ir mazāk izplatīta, bet svarīga parādība, kurā kodols sadalās bez krītoša neitrona iejaukšanās. Tas notiek ļoti nestabilos izotopos, piemēram, plutonija-239.
Lai gan varbūtība, ka tas notiks spontāni, ir maza, šī parādība ietekmē kodolmateriālu pārvaldību un reaktoru drošību.
Šāda veida skaldīšana var izraisīt starojuma emisiju un ir potenciāls apdraudējums, ja tas netiek pareizi pārvaldīts, jo tas var izraisīt nevēlamas reakcijas, ja tiek sasniegti pareizi apstākļi.
Tas ir iemesls, kāpēc drošība kodolspēkstacijās ir galvenais, lai izvairītos no incidentiem un katastrofām, piemēram, tiem, kas notika Černobiļā vai Fukušimā.
Kodola skaldīšana joprojām ir viena no vadošajām enerģijas ražošanas tehnoloģijām pasaulē, jo īpaši pateicoties tās spējai saražot lielu daudzumu elektroenerģijas ar ierobežotu oglekļa emisiju.