10.6: Kupasuka
- Page ID
- 175659
Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:
- Eleza mchakato wa fission nyuklia katika suala la bidhaa zake na reactants
- Tumia nguvu za chembe zinazozalishwa na mmenyuko wa fission
- Eleza dhana ya fission katika mazingira ya mabomu ya fission na athari za nyuklia
Mwaka 1934, Enrico Fermi alipiga elementi za kemikali na nyutroni ili kuunda isotopi za elementi nyingine. Alidhani kwamba bombarding uranium na nyutroni ingeifanya kuwa imara na kuzalisha elementi mpya. Kwa bahati mbaya, Fermi hakuweza kuamua bidhaa za majibu. Miaka kadhaa baadaye, Otto Hahn na Fritz Strassman walitoa tena majaribio haya na kugundua kwamba bidhaa za athari hizi zilikuwa viini vidogo. Kutokana na hili, walihitimisha kuwa kiini cha uranium kiligawanyika katika viini viwili vidogo.
Kugawanyika kwa kiini huitwa fission. Kushangaza, U-235 fission haina daima kuzalisha vipande sawa. Mfano wa athari za fission ni pamoja na:
\[\ce{_0^1n + _{92}^{235}U \rightarrow _{56}^{141}Ba + _{36}^{92}Kr + 3_0^1n + Q,} \nonumber \]
\[\ce{_0^1n + _{92}^{235}U \rightarrow _{54}^{140}Xe + _{38}^{94}Sr + 2_0^1n + Q,} \nonumber \]
\[\ce{_0^1n + _{92}^{235}U \rightarrow _{50}^{132}Sn + _{42}^{101}Mo + 3_0^1n + Q,} \nonumber \]
Katika kila kesi, jumla ya raia wa viini vya bidhaa ni chini ya raia wa reactants, hivyo fission ya uranium ni mchakato exothermic\((Q > 0)\). Hii ni wazo nyuma ya matumizi ya mitambo ya fission kama vyanzo vya nishati (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)). Nishati iliyochukuliwa na mmenyuko inachukua fomu ya chembe na nishati ya kinetic. Mavuno ya asilimia ya vipande kutoka kwa U-235 fission hutolewa katika Kielelezo\(\PageIndex{2}\).
Mabadiliko ya nishati katika mmenyuko wa nyuklia wa nyuklia yanaweza kueleweka kwa suala la nishati ya kumfunga kwa kila safu ya nucleon. Thamani ya BEN ya uranium\((A = 236)\) ni kidogo chini kuliko nuclei yake ya binti, ambayo iko karibu na kilele cha chuma (Fe). Hii ina maana kwamba nucleons katika vipande vya nyuklia ni tightly amefungwa zaidi kuliko wale katika kiini U-235. Kwa hiyo, mmenyuko wa fission husababisha kushuka kwa nishati ya wastani ya nucleon. Nishati hii inachukuliwa na neutroni za juu-nishati.
Niels Bohr na John Wheeler walitengeneza mfano wa kushuka kwa kioevu kuelewa mchakato wa fission. Kwa mujibu wa mfano huu, kukimbia neutron kwenye kiini ni sawa na kuvuruga droplet ya maji (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)). Mfano huo unafanya kazi kwa sababu vikosi vya muda mfupi kati ya nucleons katika kiini ni sawa na vikosi vya kuvutia kati ya molekuli za maji katika droplet ya maji. Hasa, nguvu kati ya nucleons kwenye uso wa kiini husababisha mvutano wa uso sawa na ule wa droplet ya maji. Neutroni iliyochomwa ndani ya kiini cha uranium inaweza kuweka kiini kuwa vibration. Ikiwa vibration hii ni vurugu ya kutosha, kiini hugawanyika katika viini vidogo na pia hutoa neutroni mbili au tatu za mtu binafsi.
U-235 fission inaweza kuzalisha mmenyuko wa nyuklia. Katika kiwanja kilicho na viini vingi vya U-235, neutroni katika kuoza kwa kiini kimoja cha U-235 kinaweza kuanzisha fission ya viini vya ziada vya U-235 (Kielelezo\(\PageIndex{4}\)). Mmenyuko huu wa mnyororo unaweza kuendelea kwa njia ya kudhibitiwa, kama katika reactor ya nyuklia kwenye mmea wa nguvu, au kuendelea bila kudhibitiwa, kama katika mlipuko.
View simulation juu ya fission nyuklia kuanza mmenyuko mnyororo, au kuanzisha isotopu nonradiotic kuzuia moja. Kudhibiti uzalishaji wa nishati katika Reactor nyuklia.
bomu la atomiki
Uwezekano wa mmenyuko wa mnyororo katika uranium, pamoja na kutolewa kwake kwa nishati kubwa mno, ulisababisha wanasayansi wa nyuklia kupata mimba ya kutengeneza bomu- bomu la atomiki. (Uvumbuzi huu ulifanyika katika miaka tu kabla ya Vita Kuu ya Pili ya Dunia na wengi wa fizikia wa Ulaya waliohusika katika uvumbuzi huu walikuja kutoka nchi ambazo zilikuwa zimeongezeka.) Uranium ya asili ina\(99.3\%\) U-238 na\(0.7\%\) U-235 pekee, na haitoi mmenyuko wa mnyororo. Ili kuzalisha mmenyuko wa kudhibitiwa, endelevu, asilimia ya U-235 inapaswa kuongezeka hadi karibu\(50\%\). Aidha, sampuli ya uranium lazima iwe kubwa ya kutosha hivyo neutroni ya kawaida ina uwezekano mkubwa wa kushawishi fission kuliko ilivyo kutoroka. Masi ya chini inahitajika kwa mmenyuko wa mnyororo kutokea inaitwa molekuli muhimu. Wakati molekuli muhimu inafikia hatua ambayo mmenyuko wa mnyororo unakuwa wa kujitegemea, hii ni hali inayojulikana kama ugumu. Mpangilio wa awali ulihitaji vipande viwili vya U-235 chini ya molekuli muhimu. Wakati kipande kimoja katika mfumo wa risasi kinafukuzwa kwenye kipande cha pili, molekuli muhimu huzidi na mmenyuko wa mnyororo huzalishwa.
Kikwazo muhimu kwa bomu la U-235 ni uzalishaji wa molekuli muhimu ya vifaa vya fissionable. Kwa hiyo, wanasayansi maendeleo plutonium-239 bomu kwa sababu Pu-239 ni zaidi fissionable U-235 na hivyo inahitaji ndogo muhimu molekuli. Bomu lilifanywa kwa namna ya nyanja na vipande vya plutonium, kila chini ya molekuli muhimu, kwenye makali ya nyanja. Mfululizo wa milipuko ya kemikali ilirusha vipande vya plutoniamu kuelekea katikati ya nyanja wakati huo huo. Wakati vipande vyote vya plutonium vilikusanyika, mchanganyiko ulizidi molekuli muhimu na kuzalisha mmenyuko wa mnyororo. Mabomu yote ya U-235 na Pu-239 yalitumiwa katika Vita Kuu ya II. Ikiwa kuendeleza na kutumia silaha za atomiki kubaki maswali mawili muhimu zaidi yanayokabiliwa na ustaarabu wa binadamu.
Tumia nishati iliyotolewa katika majibu yafuatayo ya kawaida ya fission:
\[\ce{^{238}U \rightarrow ^{95}Sr + ^{140}Xe + 3n,} \nonumber \]
Misa ya atomiki ni\(m(^{238}U) = 238.050784 \, u\)\(m(^{95}Sr) = 94.919388 \, u\),\(m(^{140}Xe) = 139.921610 \, u\),, na\(m(n) = 1.008665 \, u\).
Mkakati
Kama siku zote, nishati iliyotolewa ni sawa na nyakati zilizoharibiwa\(c^2\), kwa hiyo tunapaswa kupata tofauti kati ya mzazi\(^{238}U\) na bidhaa za fission.
Suluhisho
Bidhaa zina wingi wa jumla
\[m_{products} = 94.919388 \, u + 139.921610 \, u + 3(1.008665 \, u) \nonumber \]
\[= 237.866993 \, u. \nonumber \]
Masi waliopotea ni wingi wa\(^{238}U - m_{products}\) au
\[\Delta m = 238.050784 \, u - 237.8669933 \, u = 0.183791 \, u. \nonumber \]
Kwa hiyo, nishati iliyotolewa ni
\[E = (\Delta m)c^2 = (0.183791 \, u) \frac{931.5 \, MeV/c^2}{u}c^2 = 171.2 \, MeV. \nonumber \]
Umuhimu
Mambo kadhaa muhimu hutokea katika mfano huu. Kutolewa kwa nishati ni kubwa lakini chini ya ingekuwa kama kiini kinagawanyika katika sehemu mbili sawa, kwani nishati inachukuliwa na nyutroni. Hata hivyo, mmenyuko huu wa fission hutoa nyutroni na haugawanya kiini katika sehemu mbili sawa. Kuondolewa kwa nuclide iliyotolewa, kama vile\(^{238}U\), sio daima kuzalisha bidhaa sawa. Fission ni mchakato wa takwimu ambapo bidhaa mbalimbali zinazalishwa kwa probabilities mbalimbali. Wengi fission hutoa neutrons, ingawa idadi inatofautiana. Hii ni kipengele muhimu sana cha fission, kwa sababu neutroni zinaweza kushawishi zaidi fission, kuwezesha athari za mnyororo za kujitegemea.
Fission nyuklia mitambo
Reactor ya kwanza ya nyuklia ilijengwa na Enrico Fermi kwenye mahakama ya boga kwenye chuo cha Chuo Kikuu cha Chicago tarehe 2 Desemba 1942. Reactor yenyewe ilikuwa na U-238 iliyoboreshwa na\(3.6\%\) U-235. Neutroni zinazozalishwa na mmenyuko wa mnyororo huhamia haraka sana kuanzisha athari za fission. Njia moja ya kupunguza kasi ni kuzingatia reactor nzima katika umwagaji wa maji chini ya shinikizo la juu. Neutroni hugongana na molekuli za maji na hupungua kwa kutosha kutumika katika mchakato wa fission. Neutroni zilizopungua zimegawanyika viini zaidi vya U-235 na mmenyuko wa mnyororo hutokea. Kiwango ambacho mmenyuko wa mnyororo unaendelea hudhibitiwa na mfululizo wa fimbo za “kudhibiti” zilizofanywa kwa cadmium zilizoingizwa ndani ya reactor. Cadmium ina uwezo wa kunyonya idadi kubwa ya neutroni bila kuwa imara.
Kubuni ya reactor ya nyuklia, inayoitwa reactor ya maji yenye shinikizo, pia inaweza kutumika kuzalisha umeme (Kielelezo\(\PageIndex{5}\)). Reactor shinikizo maji (upande wa kushoto katika takwimu) ni iliyoundwa kudhibiti fission ya kiasi kikubwa cha\(^{235}U\). Nishati iliyotolewa katika mchakato huu inafyonzwa na maji yanayotembea kupitia mabomba katika mfumo (“kitanzi cha msingi”) na mvuke huzalishwa. Fimbo za kudhibiti Cadmium hubadilisha flux ya neutroni (kiwango cha mtiririko wa neutroni kupitia mfumo) na hivyo kudhibiti majibu. Ikiwa reactor inapunguza na maji hupuka, mmenyuko wa mnyororo hukoma, kwa sababu maji hutumiwa kuimarisha neutrons. (Kipengele hiki cha usalama kinaweza kuzidiwa katika hali mbaya.) Maji ya moto, ya juu-shinikizo hupita kupitia bomba kwenye tank ya pili ya maji kwa shinikizo la kawaida katika jenereta ya mvuke. Mvuke zinazozalishwa kwenye mwisho mmoja wa jenereta ya mvuke hujaza chumba kilicho na turbine. Mvuke huu una shinikizo la juu sana. Wakati huo huo, condenser ya mvuke iliyounganishwa na upande mwingine wa chumba cha turbine inao mvuke kwa shinikizo la chini. Tofauti za shinikizo husababisha mvuke kupitia chumba, ambacho kinageuka turbine. Turbine, kwa upande wake, ina nguvu ya jenereta ya umeme.
Vikwazo vikubwa kwa reactor ya fission ni taka ya nyuklia. U-235 fission inazalisha nuclei na maisha ya muda mrefu kama vile\(^{238}U\) kwamba lazima kuhifadhiwa. Bidhaa hizi haziwezi kutupwa ndani ya bahari au kushoto mahali popote ambapo zitachafua mazingira, kama vile kupitia udongo, hewa, au maji. Wanasayansi wengi wanaamini kwamba mahali pazuri zaidi ya kuhifadhi taka za nyuklia ni chini ya migodi ya zamani ya chumvi au ndani ya milima imara.
Watu wengi wanaogopa kwamba reactor nyuklia inaweza kulipuka kama bomu atomiki. Hata hivyo, reactor ya nyuklia haina U-235 ya kutosha kufanya hivyo. Pia, reactor ya nyuklia imeundwa ili kushindwa kwa utaratibu wowote wa reactor husababisha fimbo za kudhibiti cadmium kuanguka kikamilifu ndani ya reactor, kuacha mchakato wa fission. Kama inavyothibitishwa na majanga ya Fukushima na Chernobyl, mifumo hiyo inaweza kushindwa. Mifumo na taratibu za kuepuka majanga hayo ni kipaumbele muhimu kwa watetezi wa nishati ya nyuklia.
Ikiwa nguvu zote za umeme zilizalishwa na fission ya nyuklia ya U-235, hifadhi inayojulikana ya uranium ya dunia ingekuwa imeharibika chini ya karne. Hata hivyo, ugavi wa dunia wa nyenzo za fissionable zinaweza kupanuliwa kwa kiasi kikubwa kwa kutumia reactor ya breeder. Reactor breeder kazi kwa mara ya kwanza kwa kutumia fission ya U-235 kama ilivyoelezwa tu kwa reactor shinikizo maji. Lakini pamoja na kuzalisha nishati, baadhi ya neutrons haraka inayotokana na fission ya U-235 ni kufyonzwa na U-238, na kusababisha uzalishaji wa Pu-239 kupitia seti ya athari
\[\ce{_0^1n + _{92}^{238}U \rightarrow _{92}^{239}U \rightarrow _{93}^{239}Np \rightarrow _{94}^{239}Pu.} \nonumber \]
Pu-239 yenyewe yenyewe yenye fissionable na kwa hiyo inaweza kutumika kama mafuta ya nyuklia badala ya U-235. Kwa kuwa uranium\(99.3\%\) ya asili inayotokea ni isotopu ya U-238, matumizi ya mitambo ya breeder inapaswa kuongeza usambazaji wetu wa mafuta ya nyuklia kwa takribani sababu ya 100. Mitambo ya Breeder sasa inafanya kazi nchini Uingereza, Ufaransa, na Urusi. Mitambo ya Breeder pia yana vikwazo. Kwanza, reactors breeder kuzalisha plutonium, ambayo inaweza, kama kuvuja katika mazingira, kuzalisha matatizo makubwa ya afya ya umma. Pili, plutonium inaweza kutumika kujenga mabomu, hivyo kuongeza kwa kiasi kikubwa hatari ya kuenea kwa nyuklia.
Tumia kiasi cha nishati zinazozalishwa na fission ya kilo 1.00 ya\(^{235}U\) kutokana na kwamba wastani wa majibu ya fission ya\(^{235}U\) hutoa 200 MeV.
Mkakati
Nishati ya jumla inayozalishwa ni idadi ya\(^{235}U\) atomi mara nishati iliyotolewa kwa\(^{235}U\) fission. Kwa hiyo tunapaswa kupata idadi ya\(^{235}U\) atomi katika kilo 1.00.
Suluhisho
Idadi ya\(^{235}U\) atomi katika kilo 1.00 ni namba ya Avogadro mara idadi ya moles. Mole moja ya\(^{235}U\) ina wingi wa 235.04 g; hivyo, kuna\((1000 \, g)/(235.04 \, g/mol) = 4.25 \, mol\). Idadi ya\(^{235}U\) atomi ni kwa hiyo
\[(4.25 \, mol)(6.02 \times 10^{23})^{235}U/mol = (2.56 \times 10^{24})^{235}U. \nonumber \]
Hivyo, jumla ya nishati iliyotolewa ni
\[E = (2.56 \times 10^{24})^{235}U \left(\frac{200 \, MeV}{^{235}U} \right) \left(\frac{1.60 \times 10^{-13} \, J}{MeV} \right) = 8.21 \times 10^{13} \, J \nonumber \]
Umuhimu
Hii ni kiasi kingine kikubwa cha nishati, sawa na mapipa 14,000 ya mafuta yasiyosafishwa au galoni 600,000 za petroli. Hata hivyo, ni moja ya nne tu nishati zinazozalishwa na fusion ya mchanganyiko wa kilo ya deuterium na tritium. Ingawa kila mmenyuko wa fission huzalisha mara 10 nishati ya mmenyuko wa fusion, nishati kwa kilo moja ya mafuta ya fission ni ndogo, kwa sababu kuna moles chache kwa kilo ya nuclides nzito. Fission mafuta pia ni scarcer sana kuliko mafuta fusion, na chini\(1\%\) ya uranium (the\(^{235}U\)) ni urahisi inatumika.
Ambayo ina mavuno makubwa ya nishati kwa mmenyuko wa fission, sampuli kubwa au ndogo ya safi\(^{235}U\)?
- Jibu
-
sawa