21.5: Transmutation na Nishati ya nyuklia

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Eleza awali ya nuclides za transuranium
• Eleza michakato ya nyuklia na fusion
• Kuhusiana dhana ya molekuli muhimu na athari nyuklia mnyororo
• Muhtasari mahitaji ya msingi kwa fission nyuklia na mitambo fusion

Baada ya ugunduzi wa radioactivity, uwanja wa kemia ya nyuklia iliundwa na kuendelezwa haraka wakati wa karne ya ishirini mapema. Kuuawa kwa uvumbuzi mpya katika miaka ya 1930 na 1940, pamoja na Vita Kuu ya II, pamoja na kukaribisha Umri wa Nuclear katikati ya karne ya ishirini. Wanasayansi walijifunza jinsi ya kuunda vitu vipya, na isotopu fulani za vipengele fulani zilipatikana kuwa na uwezo wa kuzalisha kiasi kikubwa cha nishati, na uwezo wa kusababisha uharibifu mkubwa wakati wa vita, na pia kuzalisha kiasi kikubwa cha nguvu kwa mahitaji ya jamii wakati wa amani.

Muhtasari wa Nuclides

Ubadilishaji wa nyuklia ni uongofu wa nuclide moja hadi nyingine. Inaweza kutokea kwa kuoza kwa mionzi ya kiini, au mmenyuko wa kiini na chembe nyingine. Kiini cha kwanza cha manmade kilizalishwa katika maabara ya Ernest Rutherford mwaka 1919 na mmenyuko wa mabadiliko, bombardment ya aina moja ya viini na viini vingine au kwa neutroni. Rutherford alimfukuza atomi za nitrojeni yenye chembe α za kasi kutoka isotopu ya mionzi ya asili ya radiamu na aliona protoni zinazosababishwa na mmenyuko:

$${}_7^{14}\text{N}+{}_2^4\text{Yeye}⟶{}_8^{17}\text{O}+{}_1^1\text{H}$$

Ya${}_8^{17}\text{O}$na${}_1^1\text{H}$viini kwamba ni zinazozalishwa ni imara, hivyo hakuna mabadiliko zaidi (nyuklia) kutokea.

Ili kufikia nguvu za kinetic zinazohitajika kuzalisha athari za mabadiliko, vifaa vinavyoitwa accelerators ya chembe hutumiwa. Vifaa hivi hutumia mashamba magnetic na umeme ili kuongeza kasi ya chembe za nyuklia. Katika kasi zote, chembe huhamia katika utupu ili kuepuka migongano na molekuli za gesi. Wakati neutroni zinahitajika kwa athari za ubadilishaji, kwa kawaida hupatikana kutokana na athari za kuoza mionzi au kutokana na athari mbalimbali za nyuklia zinazotokea katika mitambo ya nyuklia. Kipengele cha Kemia katika Everyday Life kinachofuata kinajadili kasi ya chembe maarufu iliyofanya habari duniani kote.

Kemia katika Maisha ya Kila siku

CERN Chembe Acceler

Iko karibu na Geneva, CERN (“Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire,” au Baraza la Ulaya kwa ajili ya Utafiti wa Nyuklia) Maabara ni kituo cha Waziri duniani kwa ajili ya uchunguzi wa chembe za msingi ambazo hufanya jambo. Ina urefu wa kilomita 27 (maili 17), mviringo Kubwa Hadron Collider (LHC), kasi kubwa ya chembe duniani (Kielelezo 21.13). Katika LHC, chembe zinaongezeka kwa nguvu za juu na kisha zinafanywa kugongana na kila mmoja au kwa malengo ya stationary kwa karibu kasi ya mwanga. Electromagnets superconducting hutumiwa kuzalisha shamba kali la magnetic linaloongoza chembe karibu na pete. Maalumu, detectors kujengwa kusudi kuchunguza na kurekodi matokeo ya migongano haya, ambayo ni kisha kuchambuliwa na wanasayansi CERN kutumia kompyuta nguvu.

Kielelezo 21.13 Sehemu ndogo ya LHC inavyoonyeshwa na wafanyakazi wanaosafiri pamoja nayo. (mikopo: Christophe Delaere)

Mwaka 2012, CERN ilitangaza kuwa majaribio katika LHC yalionyesha uchunguzi wa kwanza wa bosoni ya Higgs, chembe ya msingi inayosaidia kueleza asili ya molekuli katika chembe za msingi. Ugunduzi huu uliotarajiwa kwa muda mrefu ulifanya habari duniani kote na kusababisha tuzo ya Nobel ya Fizikia ya 2013 kwa François Englert na Peter Higgs, ambaye alikuwa ametabiri kuwepo kwa chembe hii karibu miaka 50 hapo awali.

Unganisha na Kujifunza

Mwanafizikia maarufu Brian Cox anazungumzia kazi yake juu ya Kubwa Hadron Collider katika CERN, kutoa ziara ya burudani na ya kujishughulisha ya mradi huu mkubwa na fizikia nyuma yake.

Tazama video fupi kutoka kwa CERN, akielezea misingi ya jinsi kasi za chembe zake zinavyofanya kazi.

Kabla ya 1940, elementi iliyojulikana sana ilikuwa uranium, ambayo namba atomia yake ni 92. Sasa, vipengele vingi vya bandia vimeunganishwa na kutengwa, ikiwa ni pamoja na kadhaa kwa kiwango kikubwa ambacho wamekuwa na athari kubwa kwa jamii. Moja kati ya hizi elementi 93, neptunium (Np) —ilitengenezwa mara ya kwanza mwaka 1940 na McMillan na Abelson kwa kupiga uranium-238 kwa nyutroni. Mmenyuko hujenga uranium-239 imara, na nusu ya maisha ya dakika 23.5, ambayo huharibika kuwa neptunium-239. Neptunium-239 pia ni mionzi, yenye nusu ya maisha ya siku 2.36, na huharibika kuwa plutonium-239. Athari za nyuklia ni:

$$\begin{array}{l}{}_{92}^{238}\text{U}+{}_0^1\text{n}⟶{}_{92}^{239}\text{U}\\ \\ \\ {}_{92}^{239}\text{U}⟶{}_{93}^{239}\text{Hapana}+{}_{-1}^0\text{e}\text{nusu ya maisha}=\text{23.5 min}\\ {}_{93}^{239}\text{Hapana}⟶{}_{94}^{239}\text{Pu}+{}_{-1}^0\text{e}\text{nusu ya maisha}=\text{siku 2.36}\end{array}$$

Plutonium sasa inaundwa zaidi katika mitambo ya nyuklia kama byproduct wakati wa fission ya U-235. Neutroni za ziada zinatolewa wakati wa mchakato huu wa fission (angalia sehemu inayofuata), ambazo baadhi yake huchanganya na viini vya U-238 kuunda uranium-239; hii inakabiliwa β kuoza kuunda neptunium-239, ambayo kwa upande inakabiliwa β kuoza kuunda plutonium-239 kama ilivyoonyeshwa katika milinganyo mitatu iliyotangulia. Michakato hii ni muhtasari katika equation:

$${}_{92}^{238}\text{U}+{}_0^1\text{n}⟶{}_{92}^{239}\text{U}\stackrel{{\text{β}}^{\text{-}}}{\to }{}_{93}^{239}\text{Hapana}\stackrel{{\text{β}}^{\text{-}}}{\to }{}_{94}^{239}\text{Pu}$$

Isotopi nzito za plutonium—PU-240, Pu-241, na PU-242—zinazalishwa pia wakati viini vya plutoniamu nyepesi vinapokamata nyutroni. Baadhi ya plutonium hii yenye mionzi hutumiwa kuzalisha silaha za kijeshi, na wengine hutoa tatizo kubwa la kuhifadhi kwa sababu wana nusu ya maisha kutoka maelfu hadi mamia ya maelfu ya miaka.

Ingawa hazijaandaliwa kwa kiasi sawa na plutonium, viini vingine vingi vya synthetic vimezalishwa. Dawa za nyuklia zimeendelea kutokana na uwezo wa kubadilisha atomi za aina moja kuwa aina nyingine za atomi. Isotopu za mionzi ya mambo kadhaa kadhaa kwa sasa hutumiwa kwa ajili ya matumizi ya matibabu. Mionzi inayozalishwa na kuoza kwao hutumiwa kutengeneza au kutibu viungo mbalimbali au sehemu za mwili, kati ya matumizi mengine.

Mambo zaidi ya kipengele 92 (uranium) huitwa vipengele vya transuranium. Kufikia mwandiko huu, elementi 22 za transuranium zimezalishwa na kutambuliwa rasmi na IUPAC; elementi nyingine kadhaa zina madai ya malezi ambayo yanasubiri idhini. Baadhi ya mambo haya yanaonyeshwa katika Jedwali 21.3.

Maandalizi ya Baadhi ya Vipengele vya Transuranium

Jina	Mkono	Idadi Atomiki	Mmenyuko
americium	Am	95	${}_{94}^{239}\text{Pu}+{}_0^1\text{n}⟶{}_{95}^{240}\text{Am}+{}_{-1}^0\text{e}$
curium	Cm	96	${}_{94}^{239}\text{Pu}+{}_2^4\text{Yeye}⟶{}_{96}^{242}\text{Cm}+{}_0^1\text{n}$
californium	cf	98	${}_{96}^{242}\text{Cm}+{}_2^4\text{Yeye}⟶{}_{98}^{245}\text{cf}+{}_0^1\text{n}$
einsteinium	Es	99	${}_{92}^{238}\text{U}+15{}_0^1\text{n}⟶{}_{99}^{253}\text{Es}+7{}_{-1}^0\text{e}$
mendelevium	Md	101	${}_{99}^{253}\text{Es}+{}_2^4\text{Yeye}⟶{}_{101}^{256}\text{Md}+{}_0^1\text{n}$
nobeliamu	Hapana	102	${}_{96}^{246}\text{Cm}+{}_6^{12}\text{C}⟶{}_{102}^{254}\text{Hapana}+4{}_0^1\text{n}$
rutherfordium	Rf	104	${}_{98}^{249}\text{cf}+{}_6^{12}\text{C}⟶{}_{104}^{257}\text{Rf}+4{}_0^1\text{n}$
seaborgium	Sg	106	$\begin{array}{l}{}_{82}^{206}\text{Pb}+{}_{24}^{54}\text{Cr}⟶{}_{106}^{257}\text{Sg}+3{}_0^1\text{n}\\ {}_{98}^{249}\text{cf}+{}_8^{18}\text{O}⟶{}_{106}^{263}\text{Sg}+4{}_0^1\text{n}\end{array}$
metinerium	Mt.	107	${}_{83}^{209}\text{Bi}+{}_{26}^{58}\text{Fe}⟶{}_{109}^{266}\text{Mt.}+{}_0^1\text{n}$

Jedwali 21.3

nyuklia fission

Mambo mengi nzito na nguvu ndogo kisheria kwa nucleon inaweza kuoza katika mambo imara zaidi kuwa na idadi ya kati wingi na nguvu kubwa kisheria kwa nucleon-yaani, idadi ya wingi na nguvu kisheria kwa nucleon ambayo ni karibu na “kilele” ya grafu ya nishati kisheria karibu 56 (tazama Kielelezo 21.3). Wakati mwingine neutroni pia huzalishwa. Uharibifu huu unaitwa fission, kuvunja kiini kikubwa katika vipande vidogo. Kuvunja ni badala ya random na kuundwa kwa idadi kubwa ya bidhaa tofauti. Fission kawaida haitokei kwa kawaida, lakini husababishwa na bombardment na neutroni. Fission ya kwanza iliyoripotiwa nyuklia ilitokea mwaka wa 1939 wakati wanasayansi watatu wa Ujerumani, Lise Meitner, Otto Hahn, na Fritz Strassman, walipiga atomi za uranium-235 na nyutroni zenye kusonga polepole ambazo ziligawanya viini vya U-238 kuwa vipande vidogo ambavyo vilikuwa na nyutroni kadhaa na elementi karibu katikati ya mara kwa mara meza. Tangu wakati huo, fission imeonekana katika isotopi nyingine nyingi, ikiwa ni pamoja na isotopi nyingi za actinidi ambazo zina idadi isiyo ya kawaida ya neutroni. Majibu ya kawaida ya nyuklia ya nyuklia yanaonyeshwa kwenye Kielelezo 21.14.

Kielelezo 21.14 Wakati neutron polepole inapiga kiini cha U-235 cha fissionable, kinachukuliwa na huunda kiini cha U-236 kisicho na uhakika. Kiini cha U-236 kisha huvunja haraka kuwa viini viwili vidogo (katika kesi hii, Ba-141 na Kr-92) pamoja na nyutroni kadhaa (kwa kawaida mbili au tatu), na hutoa kiasi kikubwa sana cha nishati.

Miongoni mwa bidhaa za Meitner, Hahn, na mmenyuko wa fission wa Strassman walikuwa bariamu, kryptoni, lanthanum, na cerium, zote ambazo zina viini ambavyo ni imara zaidi kuliko uranium-235. Tangu wakati huo, mamia ya isotopu tofauti yamezingatiwa kati ya bidhaa za vitu vya fissionable. Baadhi ya athari nyingi zinazotokea kwa U-235, na grafu inayoonyesha usambazaji wa bidhaa zake za fission na mavuno yao, zinaonyeshwa kwenye Mchoro 21.15. Athari za fission zinazofanana zimeonekana na isotopi nyingine za uranium, pamoja na isotopi nyingine mbalimbali kama zile za plutoniamu.

Kielelezo 21.15 (a) Fission ya nyuklia ya U-235 inazalisha bidhaa mbalimbali za fission. (b) Bidhaa kubwa za fission za U-235 ni kawaida isotopu moja yenye idadi kubwa karibu 85—105, na isotopu nyingine yenye idadi kubwa ambayo ni karibu 50% kubwa, yaani, takriban 130—150.

Unganisha na Kujifunza

View kiungo hiki kuona simulation ya fission nyuklia.

Kiasi kikubwa cha nishati kinazalishwa na fission ya mambo nzito. Kwa mfano, wakati mole moja ya U-235 inakabiliwa na fission, bidhaa zina uzito wa gramu 0.2 chini ya reactants; molekuli hii “iliyopotea” inabadilishwa kuwa kiasi kikubwa cha nishati, karibu 1.8$\times$¹⁰ KJ kwa mole ya U-235. Athari za fission za nyuklia huzalisha kiasi kikubwa cha nishati ikilinganishwa na athari za kemikali. Kupasuka kwa kilo 1 ya uranium-235, kwa mfano, hutoa karibu mara milioni 2.5 nishati nyingi kama inavyozalishwa na kuchoma kilo 1 ya makaa ya mawe.

Kama ilivyoelezwa hapo awali, wakati unapofanywa fission U-235 hutoa viini viwili vya “ukubwa wa kati”, na neutroni mbili au tatu. Neutroni hizi zinaweza kusababisha fission ya atomi nyingine za uranium-235, ambazo kwa upande hutoa nyutroni zaidi zinazoweza kusababisha fission ya viini zaidi, na kadhalika. Ikiwa hutokea, tuna mmenyuko wa mnyororo wa nyuklia (angalia Mchoro 21.16). Kwa upande mwingine, ikiwa nyutroni nyingi zinatoroka nyenzo nyingi bila kuingiliana na kiini, basi hakuna mmenyuko wa mnyororo utatokea.

Kielelezo 21.16 Kupasuka kwa kiini kikubwa, kama vile U-235, hutoa neutroni mbili au tatu, ambayo kila mmoja anaweza kusababisha fission ya kiini kingine kwa athari zilizoonyeshwa. Ikiwa mchakato huu unaendelea, mmenyuko wa mnyororo wa nyuklia hutokea.

Nyenzo ambayo inaweza kuendeleza nyuklia fission mnyororo mmenyuko inasemekana kuwa fissile au fissionable. (Kitaalam, vifaa vya kugawanyika kwa fissile vinaweza kupasuka kwa neutroni za nishati yoyote, wakati nyenzo za fissionable zinahitaji neutroni za nishati za juu.) Fission nyuklia inakuwa kujitegemea wakati idadi ya nyutroni zinazozalishwa na fission inalingana au kuzidi idadi ya nyutroni kufyonzwa na kugawanya viini pamoja na idadi inayotoroka katika mazingira. Kiasi cha nyenzo za fissionable ambazo zitasaidia mmenyuko wa mnyororo wa kujitegemea ni molekuli muhimu. Kiasi cha nyenzo za fissionable ambazo haziwezi kuendeleza mmenyuko wa mnyororo ni molekuli ndogo. Kiasi cha nyenzo ambazo kuna kiwango cha kuongezeka kwa fission kinajulikana kama molekuli supercritical. Masi muhimu inategemea aina ya nyenzo: usafi wake, joto, sura ya sampuli, na jinsi athari za neutron zinavyodhibitiwa (Kielelezo 21.17).

Kielelezo 21.17 (a) Katika molekuli ndogo, nyenzo za uharibifu ni ndogo sana na inaruhusu neutroni nyingi kuepuka nyenzo, hivyo mmenyuko wa mnyororo haufanyi. (b) Katika molekuli muhimu, idadi kubwa ya kutosha ya neutroni katika nyenzo za kugawanya husababisha fission kuunda mmenyuko wa mnyororo.

Bomu la atomiki (Kielelezo 21.18) lina paundi kadhaa za vifaa vya fissionable,${}_{92}^{235}\text{U}$au${}_{94}^{239}\text{Pu},$chanzo cha neutroni, na kifaa cha kulipuka kwa kuimarisha haraka kwa kiasi kidogo. Wakati nyenzo za fissionable ziko katika vipande vidogo, uwiano wa neutroni ambao hutoroka kupitia eneo kubwa la uso ni kubwa, na mmenyuko wa mnyororo haufanyi. Wakati vipande vidogo vya nyenzo fissionable vinaletwa pamoja haraka ili kuunda mwili wenye masi kubwa kuliko molekuli muhimu, idadi ya jamaa ya nyutroni za kukimbia hupungua, na mmenyuko wa mnyororo na matokeo ya mlipuko.

Kielelezo 21.18 (a) Bomu la nyuklia lililoharibu Hiroshima Agosti 6, 1945, lilikuwa na raia mbili ndogo za U-235, ambapo mabomu ya kawaida yalitumiwa kwa moto mmoja wa raia wa subcritical ndani ya nyingine, na kujenga molekuli muhimu kwa mlipuko nyuklia. (b) Bomu la plutoniamu lililoharibu Nagasaki tarehe 9 Agosti 1945, lilikuwa na nyanja ya mashimo ya plutoniamu iliyokuwa imesisitizwa haraka na mabomu ya kawaida. Hii ilisababisha mkusanyiko wa plutoniamu katikati iliyokuwa kubwa kuliko molekuli muhimu kwa mlipuko wa nyuklia.

Mitambo ya kugawa

Athari za mlolongo wa vifaa vya fissionable zinaweza kudhibitiwa na kudumishwa bila mlipuko katika reactor ya nyuklia (Mchoro 21.19). Reactor yoyote ya nyuklia inayozalisha nguvu kupitia fission ya uranium au plutonium kwa bombardment na neutroni lazima iwe na vipengele angalau tano: mafuta ya nyuklia yenye vifaa vya fissionable, msimamizi wa nyuklia, reactor coolant, fimbo za kudhibiti, na ngao na mfumo wa containment. Tutazungumzia vipengele hivi kwa undani zaidi baadaye katika sehemu hiyo. Reactor hufanya kazi kwa kutenganisha nyenzo za nyuklia zinazoweza kufutwa kama vile molekuli muhimu haiwezi kuundwa, kudhibiti flux na ngozi ya nyutroni ili kuruhusu kufunga athari za fission. Katika reactor nyuklia kutumika kwa ajili ya uzalishaji wa umeme, nishati iliyotolewa na athari fission ni trapped kama nishati ya joto na kutumika kwa kuchemsha maji na kuzalisha mvuke. Mvuke hutumiwa kugeuka turbine, ambayo inasababisha jenereta kwa ajili ya uzalishaji wa umeme.

Kielelezo 21.19 (a) Diablo Canyon Nuclear Power Plant karibu na San Luis Obispo ni tu nguvu za nyuklia kupanda sasa katika operesheni katika California. Domes ni miundo containment kwa mitambo ya nyuklia, na jengo kahawia nyumba turbine ambapo umeme ni kuzalishwa. Maji ya bahari hutumiwa kwa baridi. (b) Diablo Canyon inatumia shinikizo maji Reactor, moja ya miundo kadhaa tofauti fission Reactor katika matumizi duniani kote, kuzalisha umeme. Nishati kutoka kwa athari za nyuklia za nyuklia katika msingi huponya maji katika mfumo uliofungwa, uliofungwa. Joto kutoka kwa mfumo huu hutoa mvuke inayoendesha turbine, ambayo hutoa umeme. (mikopo a: mabadiliko ya kazi na “Mike” Michael L. Baird; mikopo b: mabadiliko ya kazi na Tume ya Udhibiti wa Nyuklia)

Nuclear Mafuta

Mafuta ya nyuklia yana isotopu ya fissionable, kama vile uranium-235, ambayo lazima iwepo kwa kiasi cha kutosha ili kutoa mmenyuko wa mnyororo wa kujitegemea. Nchini Marekani, ores ya uranium ina kutoka 0.05— 0.3% ya oksidi ya uranium U ₃ O ₈; uranium katika madini ni karibu 99.3% isiyo ya kawaida U-238 na 0.7% tu ya fissionable U-235. Mitambo ya nyuklia yanahitaji fueli yenye mkusanyiko mkubwa wa U-235 kuliko inavyopatikana katika asili; kwa kawaida hutajiriwa kuwa na asilimia 5 ya molekuli ya uranium kama U-235. Katika mkusanyiko huu, haiwezekani kufikia molekuli supercritical muhimu kwa mlipuko wa nyuklia. Uranium inaweza kuimarishwa na usambazaji wa gesi (njia pekee inayotumiwa sasa nchini Marekani), kwa kutumia centrifuge ya gesi, au kwa kutenganishwa kwa laser.

Katika kiwanda cha utajiri wa gesi ambako mafuta ya U-235 yanatayarishwa, gesi ya UF ₆ (uranium hexafluoride) kwenye shinikizo la chini hupitia vikwazo ambavyo vina mashimo tu vigumu sana kwa UF ₆ kupita. Molekuli kidogo nyepesi ²³⁵ UF ₆ huenea kupitia kizuizi kidogo kwa kasi zaidi kuliko molekuli nzito ²³⁸ UF ₆. Utaratibu huu unarudiwa kupitia mamia ya vikwazo, hatua kwa hatua kuongeza mkusanyiko wa ²³⁵ UF ₆ hadi kiwango kinachohitajika na reactor ya nyuklia. Msingi wa mchakato huu, sheria ya Graham, inaelezwa katika sura ya gesi. Gesi ya UF ₆ yenye utajiri hukusanywa, kilichopozwa mpaka ikaimarisha, na kisha ikapelekwa kwenye kituo cha utengenezaji ambapo hufanywa katika makusanyiko ya mafuta. Kila mkutano wa mafuta huwa na viboko vya mafuta ambavyo vina vidonge vingi vya thimble, kauri-encased, utajiri wa uranium (kawaida UO ₂) pellets za mafuta. Mitambo ya nyuklia ya kisasa inaweza kuwa na pellets nyingi za mafuta milioni 10. Kiasi cha nishati katika kila moja ya pellets hizi ni sawa na kwamba karibu tani ya makaa ya mawe au galoni 150 za mafuta.

Wasimamizi wa nyuklia

Neutrons zinazozalishwa na athari za nyuklia hoja haraka mno kusababisha fission (rejea kwenye Kielelezo 21.17). Lazima kwanza zipunguzwe kufyonzwa na mafuta na kuzalisha athari za nyuklia za ziada. Msimamizi wa nyuklia ni dutu inayopunguza nyutroni hadi kasi ambayo ni ya chini ya kutosha kusababisha fission. Reactors mapema kutumika high-usafi grafiti kama msimamizi. Mitambo ya kisasa nchini Marekani hutumia tu maji nzito$({{}_1^2\text{H}}_2\text{O})$au maji nyepesi (kawaida H ₂ O), ambapo baadhi ya mitambo katika nchi nyingine hutumia vifaa vingine, kama vile dioksidi kaboni, berilliamu, au grafiti.

Reactor coolants

Mchanganyiko wa nyuklia wa nyuklia hutumiwa kubeba joto lililozalishwa na mmenyuko wa fission kwa boiler ya nje na turbine, ambako hubadilishwa kuwa umeme. Mara nyingi hutumiwa loops mbili zinazoingiliana; hii inakabiliana na uhamisho wa radioactivity kutoka kwa reactor hadi kitanzi cha msingi cha baridi. Mimea yote ya nyuklia nchini Marekani hutumia maji kama baridi. Baridi nyingine ni pamoja na sodiamu iliyoyeyuka, risasi, mchanganyiko wa risasi-bismuth, au chumvi zilizoyeyushwa.

kudhibiti fimbo

Mitambo ya nyuklia hutumia viboko vya kudhibiti (Kielelezo 21.20) kudhibiti kiwango cha fission cha mafuta ya nyuklia kwa kurekebisha idadi ya nyutroni za polepole zilizopo ili kuweka kiwango cha mmenyuko wa mnyororo katika ngazi salama. Vipande vya udhibiti hufanywa kwa boroni, cadmium, hafniamu, au vipengele vingine vinavyoweza kunyonya nyutroni. Boron-10, kwa mfano, inachukua nyutroni kwa mmenyuko unaozalisha chembe za lithiamu-7 na alpha:

$${}_5^{10}\text{B}+{}_0^1\text{n}⟶{}_3^7\text{Li}+{}_2^4\text{Yeye}$$

Wakati kudhibiti fimbo makanisa ni kuingizwa katika kipengele mafuta katika msingi Reactor, wao kunyonya sehemu kubwa ya nyutroni polepole, na hivyo kupunguza kasi ya mmenyuko fission na kupunguza nguvu zinazozalishwa. Kinyume chake, ikiwa viboko vya udhibiti vinaondolewa, nyutroni chache zinachukuliwa, na kiwango cha fission na ongezeko la uzalishaji wa nishati. Katika dharura, mmenyuko wa mnyororo unaweza kufungwa kwa kuingiza kikamilifu viboko vyote vya kudhibiti ndani ya msingi wa nyuklia kati ya viboko vya mafuta.

Kielelezo 21.20 nyuklia Reactor msingi inavyoonekana katika (a) ina mafuta na kudhibiti fimbo mkutano inavyoonekana katika (b). (mikopo: mabadiliko ya kazi na E. Generalic, http://glossary.periodni.com/glossar...en=control+rod)

Shield na Containment System

Wakati wa operesheni yake, reactor nyuklia hutoa nyutroni na mionzi mingine. Hata wakati wa kufungwa, bidhaa za kuoza ni mionzi. Aidha, reactor ya uendeshaji ni joto sana, na shinikizo kubwa hutokea kutokana na mzunguko wa maji au baridi nyingine kwa njia hiyo. Hivyo, reactor lazima kuhimili joto la juu na shinikizo, na lazima kulinda wafanyakazi wa uendeshaji kutoka mionzi. Reactors zina vifaa vya containment (au ngao) ambayo ina sehemu tatu:

1. Chombo cha Reactor, shell ya chuma ambayo ni nene ya sentimita 3—20 na, pamoja na msimamizi, inachukua kiasi kikubwa cha mionzi zinazozalishwa na reactor
2. Ngao kuu ya mita 1—3 ya saruji ya juu-wiani
3. Ngao ya wafanyakazi ya vifaa nyepesi ambayo inalinda waendeshaji kutoka mionzi γ na X-rays

Aidha, mitambo mara nyingi kufunikwa na chuma au saruji kuba kwamba ni iliyoundwa na vyenye vifaa yoyote mionzi inaweza kutolewa na ajali Reactor.

Unganisha na Kujifunza

Bonyeza hapa kutazama video ya dakika 3 kutoka Taasisi ya Nishati ya Nuclear kuhusu jinsi mitambo ya nyuklia inavyofanya kazi.

Mimea ya nguvu za nyuklia imeundwa kwa namna ambayo haiwezi kuunda molekuli supercritical ya nyenzo fissionable na kwa hiyo haiwezi kuunda mlipuko wa nyuklia. Lakini kama historia imeonyesha, kushindwa kwa mifumo na ulinzi kunaweza kusababisha ajali mbaya, ikiwa ni pamoja na milipuko ya kemikali na migogoro ya nyuklia (uharibifu wa msingi wa reactor kutoka kwenye joto la juu). Kipengele kinachofuata cha Kemia katika Everyday Life kinachunguza matukio matatu mabaya ya mgogoro.

Kemia katika Maisha ya Kila siku

ajali nyuklia

Umuhimu wa baridi na containment ni mfano kwa kiasi kikubwa na ajali kuu tatu zilizotokea na mitambo ya nyuklia katika vituo vya kuzalisha nguvu za nyuklia nchini Marekani (Three Mile Island), Umoja wa zamani wa Kisovyeti (Chernobyl), na Japan (Fukushima).

Mnamo Machi 1979, mfumo wa baridi wa Reactor Unit 2 katika Kituo cha Uzalishaji wa Nuclear Three Mile Island huko Pennsylvania ulishindwa, na maji ya baridi yaliyomwagika kutoka kwenye Reactor kwenye sakafu ya jengo la containment. Baada ya pampu kusimamishwa, reactors overheated kutokana na high mionzi kuoza joto zinazozalishwa katika siku chache za kwanza baada ya reactor nyuklia kufungwa. Joto la msingi lilipanda hadi angalau 2200 °C, na sehemu ya juu ya msingi ilianza kuyeyuka. Aidha, ukingo wa alloy ya zirconium ya fimbo za mafuta ulianza kuguswa na mvuke na kuzalisha hidrojeni:

$$\text{Zr}(s)+{\text{2H}}_2\text{O}(g)⟶{\text{Zro}}_2(s)+{\text{2H}}_2(g)$$

Hidrojeni ilikusanya katika jengo la kifungo, na ikaogopa kuwa kulikuwa na hatari ya mlipuko wa mchanganyiko wa hidrojeni na hewa katika jengo hilo. Kwa hiyo, gesi ya hidrojeni na gesi za mionzi (hasa krypton na xenon) zilipigwa kutoka jengo hilo. Ndani ya wiki, mzunguko wa maji ya baridi ulirejeshwa na msingi ulianza kupendeza. Mti huo ulifungwa kwa karibu miaka 10 wakati wa mchakato wa kusafisha.

Ingawa kutokwa kwa sifuri kwa nyenzo za mionzi ni muhimu, kutokwa kwa krypton ya mionzi na xenon, kama vile ilitokea kwenye mmea wa Kisiwa cha Mile Tatu, ni kati ya kuvumiliwa zaidi. Gesi hizi zinaenea kwa urahisi katika anga na hivyo hazizalishi maeneo yenye mionzi. Aidha, ni gesi nzuri na haziingiziwi katika suala la mimea na wanyama katika mlolongo wa chakula. Kwa ufanisi hakuna mambo nzito ya msingi wa reactor yalitolewa katika mazingira, na hakuna usafi wa eneo nje ya jengo la containment ilikuwa muhimu (Kielelezo 21.21).

Kielelezo 21.21 (a) Katika picha hii ya 2010 ya Tatu Mile Island, miundo iliyobaki kutoka kwenye Reactor ya Unit 2 iliyoharibiwa inaonekana upande wa kushoto, ambapo Reactor tofauti ya Unit 1, isiyoathiriwa na ajali, inaendelea kuzalisha nguvu hadi leo (kulia). (b) Rais Jimmy Carter alitembelea chumba cha kudhibiti Unit 2 siku chache baada ya ajali mwaka 1979.

Ajali nyingine kubwa ya nyuklia inayohusisha Reactor ilitokea Aprili 1986, kwenye Plant Chernobyl Nuclear Power nchini Ukraine, ambayo bado ilikuwa sehemu ya Umoja wa zamani wa Kisovyeti. Wakati wa kufanya kazi kwa nguvu ndogo wakati wa jaribio lisiloidhinishwa na baadhi ya vifaa vyake vya usalama vilifungwa, moja ya mitambo kwenye mmea ikawa imara. Mmenyuko wake wa mnyororo ulikuwa hauwezi kudhibitiwa na kuongezeka hadi kiwango cha mbali zaidi ya kile reactor kilichoundwa kwa ajili ya. Shinikizo la mvuke katika reactor limeongezeka hadi kati ya mara 100 na 500 shinikizo la nguvu kamili na kupasuka kwa reactor. Kwa sababu Reactor haikuwa iliyoambatanishwa katika jengo la containment, kiasi kikubwa cha nyenzo za mionzi kilichotolewa, na bidhaa za ziada za fission zilitolewa, kama msimamizi wa grafiti (carbon) wa msingi wa moto na kuchomwa moto. Moto ulidhibitiwa, lakini wafanyakazi zaidi ya 200 wa mimea na wapiganaji wa moto walitengeneza ugonjwa wa mionzi ya papo hapo na angalau 32 hivi karibuni walikufa kutokana na madhara ya mionzi. Inatabiriwa kuwa vifo zaidi vya 4000 vitatokea miongoni mwa wafanyakazi wa dharura na wakazi wa zamani wa Chernobyl kutokana na kansa ya mionzi na leukemia. Reactor tangu wakati huo umewekwa katika chuma na saruji, muundo wa sasa unaoharibika unaojulikana kama sarcophagus. Karibu miaka 30 baadaye, matatizo makubwa ya mionzi bado yanaendelea katika eneo hilo, na Chernobyl kwa kiasi kikubwa bado ni nyika.

Mwaka 2011, Plant ya Nuclear Power ya Fukushima Daiichi nchini Japan iliharibiwa sana na tetemeko la ardhi la ukubwa wa 9.0 na kusababisha tsunami. Mitambo mitatu juu na kukimbia wakati huo walikuwa imefungwa moja kwa moja, na jenereta za dharura zilikuja mtandaoni ili kuimarisha umeme na mifumo ya baridi. Hata hivyo, tsunami ilijaa mafuriko haraka jenereta za dharura na kukata nguvu kwa pampu zilizosambaza maji baridi kwa njia ya mitambo. Mvuke wa joto la juu katika mitambo ilijibu na alloy ya zirconium kuzalisha gesi ya hidrojeni. Gesi ilitoroka ndani ya jengo la containment, na mchanganyiko wa hidrojeni na hewa ulilipuka. Vifaa vya mionzi vilitolewa kutoka vyombo vya containment kama matokeo ya venting makusudi ili kupunguza shinikizo la hidrojeni, kutokwa kwa makusudi ya maji baridi ndani ya bahari, na matukio ya ajali au yasiyodhibitiwa.

Eneo la uokoaji karibu na mmea ulioharibiwa limeongezeka zaidi ya maili 12.4, na wastani wa watu 200,000 walihamishwa kutoka eneo hilo. All 48 ya mitambo ya nguvu za nyuklia Japan hatimaye ilifungwa, iliyobaki kufungwa kama Desemba 2014. Tangu maafa, maoni ya umma ina kubadilishwa kutoka kwa kiasi kikubwa neema kwa kiasi kikubwa kupinga kuongeza matumizi ya mitambo ya nyuklia, na kuanzisha upya wa mpango wa nishati ya atomiki Japan bado umesitishwa (Kielelezo 21.22).

Kielelezo 21.22 (a) Baada ya ajali, taka zilizochafuliwa zilipaswa kuondolewa, na (b) eneo la uokoaji lilianzishwa karibu na mmea katika maeneo ambayo yalipata dozi nzito za kuanguka kwa mionzi. (mikopo a: mabadiliko ya kazi na “Live Action Hero” /Flickr)

Nishati zinazozalishwa na reactor fueled na uranium utajiri matokeo kutoka fission ya uranium na pia kutoka fission ya plutonium zinazozalishwa kama Reactor kazi. Kama ilivyojadiliwa hapo awali, plutoniamu inaunda kutokana na mchanganyiko wa nyutroni na uranium katika fueli. Katika reactor yoyote ya nyuklia, tu kuhusu 0.1% ya wingi wa mafuta hubadilishwa kuwa nishati. Nyingine 99.9% hubakia katika viboko vya mafuta kama bidhaa za fission na mafuta yasiyotumiwa. Bidhaa zote za fission zinachukua neutroni, na baada ya kipindi cha miezi kadhaa hadi miaka michache, kulingana na reactor, bidhaa za fission zinapaswa kuondolewa kwa kubadilisha fimbo za mafuta. Vinginevyo, mkusanyiko wa bidhaa hizi za fission ingeongezeka na kunyonya nyutroni zaidi mpaka mtambo haukuweza tena kufanya kazi.

Fimbo za mafuta zilizotumiwa zina bidhaa mbalimbali, zenye viini visivyo na uhakika vinavyoanzia namba atomia kutoka 25 hadi 60, baadhi ya vipengele vya transuranium, ikiwa ni pamoja na plutonium na americium, na isotopu za uranium zisizofanywa. Nuclei isiyo na uhakika na isotopu za transuranium hutoa mafuta yaliyotumiwa kiwango cha juu cha radioactivity. Isotopi zilizoishi kwa muda mrefu zinahitaji maelfu ya miaka kuoza hadi kiwango salama. Hatima ya mwisho ya reactor ya nyuklia kama chanzo kikubwa cha nishati nchini Marekani pengine hutegemea kama mbinu ya kisiasa na kisayansi ya kuridhisha kwa ajili ya usindikaji na kuhifadhi vipengele vya viboko vya mafuta vilivyotumika vinaweza kuendelezwa.

Unganisha na Kujifunza

Kuchunguza taarifa katika kiungo hiki ili ujifunze kuhusu mbinu za usimamizi wa taka za nyuklia.

Fusion ya nyuklia na Mitambo ya

Mchakato wa kubadili nuclei nyepesi sana katika nuclei nzito pia unaongozana na uongofu wa wingi kwa kiasi kikubwa cha nishati, mchakato unaoitwa fusion. Chanzo kikuu cha nishati katika jua ni mmenyuko wa fusion wavu ambapo nuclei nne za hidrojeni zinafyuka na kuzalisha kiini kimoja cha heliamu na positroni mbili. Hii ni mmenyuko wavu wa mfululizo ngumu zaidi wa matukio:

$$4{}_1^1\text{H}⟶{}_2^4\text{Yeye}+2{}_{\mathrm{+1}}^0{\text{e}}^{+}$$

Kiini cha heliamu kina masi ambayo ni chini ya 0.7% kuliko ile ya viini vinne vya hidrojeni; masi hii iliyopotea inabadilishwa kuwa nishati wakati wa fusion. Majibu haya yanazalisha kuhusu 3.6$\times$10 ¹¹ kJ ya nishati kwa mole ya${}_2^4\text{Yeye}$zinazozalishwa. Hii ni kubwa zaidi kuliko nishati zinazozalishwa na fission ya nyuklia ya mole moja ya U-235 (1.8$\times$¹⁰ kJ), na zaidi ya mara milioni 3 kubwa kuliko nishati zinazozalishwa na mwako (kemikali) wa mole moja ya octane (5471 kJ).

Imeamua kwamba nuclei ya isotopu nzito ya hidrojeni, deuteron,${}_1^2\text{H}$na triton,${}_1^3\text{H},$kupitia fusion katika joto la juu sana (fusion ya nyuklia). Wanaunda kiini cha heliamu na neutroni:

$${}_1^2\text{H}+{}_1^3\text{H}⟶{}_2^4\text{Yeye}+{}_0^1\text{n}$$

Mabadiliko haya yanaendelea na hasara kubwa ya 0.0188 amu, sawa na kutolewa kwa 1.69$\times$10 ⁹ kilojoules kwa mole ya${}_2^4\text{Yeye}$imeundwa. Joto la juu sana ni muhimu kutoa nuclei nishati ya kutosha ya kinetic ili kuondokana na nguvu kali sana za kupuuza kutokana na mashtaka mazuri kwenye nuclei zao ili waweze kugongana.

Athari za fusion muhimu zinahitaji joto la juu sana kwa uanzishaji-kuhusu 15,000,000 K au zaidi. Katika joto hizi, molekuli zote hutengana ndani ya atomi, na atomi ionize, kutengeneza plasma. Hali hizi hutokea katika idadi kubwa sana ya maeneo kote ulimwengu—nyota zinaendeshwa na fusion. Wanadamu tayari wameamua jinsi ya kuunda joto juu ya kutosha kufikia fusion kwa kiwango kikubwa katika silaha za nyuklia. Silaha ya nyuklia kama vile bomu la hidrojeni ina bomu la nyuklia la nyuklia ambalo, lilipilipuka, hutoa nishati ya kutosha ili kuzalisha joto la juu sana linalohitajika kwa fusion kutokea.

Njia nyingine ya manufaa zaidi ya kuunda athari za fusion ni katika reactor ya fusion, reactor ya nyuklia ambayo athari za fusion za nuclei za mwanga hudhibitiwa. Kwa sababu hakuna vifaa vyenye imara katika joto la juu sana, vifaa vya mitambo haviwezi kuwa na plasma ambayo athari za fusion hutokea. Mbinu mbili zenye plasma katika wiani na joto muhimu kwa ajili ya majibu fusion sasa lengo la juhudi kubwa utafiti: containment na shamba magnetic na kwa matumizi ya mihimili ililenga laser (Kielelezo 21.23). Miradi mikubwa kadhaa inafanya kazi ili kufikia mojawapo ya malengo makubwa katika sayansi: kupata mafuta ya hidrojeni kuwaka na kuzalisha nishati zaidi kuliko kiasi kinachotolewa ili kufikia joto la juu sana na shinikizo ambazo zinahitajika kwa fusion. Wakati wa kuandika hii, hakuna mitambo ya kujitegemea ya fusion inayofanya kazi duniani, ingawa athari ndogo za kudhibitiwa za fusion zimeendeshwa kwa muda mfupi sana.

Kielelezo 21.23 (a) Mfano huu ni wa International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) Reactor. Hivi sasa chini ya ujenzi katika kusini ya Ufaransa na inatarajiwa kukamilika tarehe ya 2027, ITER itakuwa kubwa duniani majaribio Tokamak nyuklia fusion Reactor kwa lengo la kufikia kiasi kikubwa endelevu uzalishaji wa nishati. (b) Mwaka 2012, Kituo cha National Ignition katika Lawrence Livermore National Laboratory kilizalisha kwa ufupi zaidi ya watts 500,000,000,000 (terawatts 500, au 500 TW) ya nguvu ya kilele na kutoa joules 1,850,000 (1.85 MJ) ya nishati, nishati kubwa ya laser iliyowahi kuzalishwa na mara 1000 matumizi ya nguvu ya United nzima Amerika katika wakati wowote. Ingawa kudumu tu bilioni chache ya pili, 192 lasers kupatikana hali zinahitajika kwa ajili ya nyuklia fusion moto. Picha hii inaonyesha lengo kabla ya risasi laser. (mikopo a: muundo wa kazi na Stephan Mosel)