Σημειώσεις για τις αντιδράσεις σχάσης και σύντηξης

Εισαγωγή

Η σχάση και η σύντηξη περιλαμβάνουν τη διασπορά και το μείγμα φυσικών πυρήνων και ισοτόπων. Ένα μέρος της πυρηνικής επιστήμης προσπαθεί να κατανοήσει την αλληλεπίδραση πίσω από αυτή την ιδιαιτερότητα. Η συμπερίληψη των μοναδικών μαζών καθενός από αυτά τα υποατομικά σωματίδια κάποιου τυχαίου συστατικού θα σας δίνει συνεχώς μια πιο εμφανή μάζα από τη μάζα του πυρήνα γενικά. Η ενέργεια πυρηνικής δέσμευσης είναι η ενέργεια που αναμένεται να προσέχει τα πρωτόνια και τα νετρόνια ενός πυρήνα και η ενέργεια που παρέχεται κατά τη διάρκεια της πυρηνικής σχάσης ή σύντηξης είναι η πυρηνική ενέργεια. Υπάρχουν μερικά ενδιαφέροντα σημεία σε κάθε περίπτωση.

Η συνολική μάζα του πυρήνα ενός συστατικού δεν είναι ακριβώς η συνολική μάζα των μοναδικών πρωτονίων και νετρονίων του. Η διάκριση στη μάζα μπορεί να αποδοθεί στην πυρηνική δεσμευτική ενέργεια. Βασικά, η πυρηνική δεσμευτική ενέργεια θεωρείται ως μάζα, και αυτή η μάζα «λείπει». Αυτή η μάζα που λείπει ονομάζεται ελάττωμα μάζας, που είναι η πυρηνική ενέργεια. Διαφορετικά, είναι η μάζα που βγαίνει από την απόκριση ως νετρόνια, φωτόνια ή κάποιες άλλες τροχιές. Εν ολίγοις, το ελάττωμα μάζας και η πυρηνική δεσμευτική ενέργεια είναι συμβατοί όροι.

Πυρηνική σχάση και σύντηξη

Η πυρηνική σχάση είναι ο χωρισμός ενός βαρύ πυρήνα σε δύο ελαφρύτερους. Η σχάση βρέθηκε το 1938 από τους Γερμανούς ερευνητές Otto Hahn, Lise Meitner και Fritz Strassmann, οι οποίοι πολιόρκησαν ένα παράδειγμα ουρανίου με νετρόνια προσπαθώντας να δημιουργήσουν νέα συστατικά με Z> 92. Είδαν ότι ελαφρύτερα συστατικά όπως το βάριο (Z =56) σχηματίστηκαν κατά τη διάρκεια της απόκρισης και κατάλαβαν ότι τέτοια αντικείμενα έπρεπε να προέρχονται από τη σχάση του ουρανίου-235 που προκλήθηκε από νετρόνια:

23592U+ 10n→ 41556Ba+ 9236Kr+310n     (1)

Αυτή η εικασία επιβεβαιώθηκε με τον εντοπισμό του στοιχείου σχάσης κρυπτόν-92. Όπως αναφέρθηκε στην Ενότητα 20.2, ο πυρήνας γενικά χωρίζεται λοξά παρά σε μισά, και η σχάση ενός δεδομένου νουκλεϊδίου δεν δίνει παρόμοια στοιχεία χωρίς αποτυχία.

Σε μια απρόσκοπτη απόκριση πυρηνικής σχάσης, περισσότερα από ένα νετρόνια παρέχονται από κάθε απομονωμένο πυρήνα. Κάθε φορά που αυτά τα νετρόνια συγκρούονται και υποκινούν τη σχάση σε άλλους γειτονικούς πυρήνες, μια αυτό-υποστηριζόμενη σειρά αποκρίσεων πυρηνικής σχάσης είναι γνωστή ως απόκριση πυρηνικής αλυσίδας. Για παράδειγμα, η σχάση του 235U παρέχει λίγα νετρόνια για κάθε περίσταση σχάσης. Όποτε απορροφώνται από άλλους πυρήνες 235U, αυτά τα νετρόνια προκαλούν επιπλέον περιπτώσεις σχάσης και ο ρυθμός της απόκρισης της σχάσης αυξάνεται μαθηματικά. Κάθε σειρά περιστάσεων είναι γνωστή ως γενιά. Δοκιμαστικά, παρατηρείται ότι κάποια βασική μάζα ενός σχάσιμου ισοτόπου αναμένεται να υποστηρίξει μια απόκριση πυρηνικής αλυσίδας. Υποθέτοντας ότι η μάζα είναι πολύ χαμηλή, ένας τόσο μεγάλος αριθμός νετρονίων μπορεί να διαφύγει χωρίς να πιαστεί και να προκαλέσει μια απόκριση σχάσης. Η βασική μάζα που είναι εξοπλισμένη για την υποστήριξη της σχάσης είναι γνωστή ως η ελάχιστη ποσότητα. Αυτό το άθροισμα βασίζεται στην αρετή του υλικού και στην κατάσταση της μάζας, η οποία αντιστοιχεί στο πόση περιοχή επιφάνειας είναι προσβάσιμη από την οποία μπορούν να διαφύγουν τα νετρόνια, και στην προσωπικότητα του ισοτόπου. Στην περίπτωση που η μάζα του σχάσιμου ισοτόπου είναι πιο εμφανής από την ελάχιστη ποσότητα, τότε, σε εκείνο το σημείο, υπό τις κατάλληλες συνθήκες, η επόμενη υπερκρίσιμη μάζα μπορεί να αποδώσει ενέργεια βίαια. Η τεράστια ενέργεια που εκλύεται από τις αντιδράσεις της πυρηνικής αλυσίδας είναι υπεύθυνη για τη μαζική εξάλειψη που επιφέρει η έκρηξη των πυρηνικών όπλων. Για παράδειγμα, οι βόμβες σχάσης, που αποτελούν τη βάση της βιομηχανίας πυρηνικής ενέργειας.

Η πυρηνική σύντηξη, στην οποία δύο ελαφροί πυρήνες ενώνονται για να παράγουν έναν βαρύτερο, πιο σταθερό πυρήνα, είναι κάτι αντίθετο με την πυρηνική σχάση. Όπως και στις αποκρίσεις πυρηνικής αλλαγής που εξετάστηκαν στην Ενότητα 20.2, το θετικό φορτίο στους δύο πυρήνες φέρνει ένα τεράστιο όριο ηλεκτροστατικής ενέργειας στη σύντηξη. Αυτό το εμπόδιο μπορεί να επιβιώσει στην περίπτωση που ένα από τα δύο σωματίδια έχει επαρκή ενέργεια κινητήρα για να νικήσει τα ηλεκτροστατικά σοκ, επιτρέποντας στους δύο πυρήνες να κινηθούν αρκετά κοντά ώστε να συμβεί μια απόκριση σύντηξης. Το πρότυπο είναι σαν να προσθέτουμε ζεστασιά για να επεκτείνουμε τον ρυθμό μιας σύνθετης απόκρισης. Όπως φαίνεται στο διάγραμμα της ενέργειας πυρηνικής δέσμευσης ανά νουκλεόνιο έναντι του πυρηνικού αριθμού στο Σχήμα 21.6.3, οι αποκρίσεις σύντηξης είναι γενικά εξώθερμες για το ελαφρύτερο συστατικό. Για παράδειγμα, σε μια μέση απόκριση σύντηξης, δύο μόρια δευτερίου ενώνονται για να δημιουργήσουν ήλιο-3, μια αλληλεπίδραση γνωστή ως σύντηξη δευτερίου-δευτερίου (σύντηξη D-D)

221U→ 32H+10n

Σε μια άλλη απόκριση, ένα σωματίδιο δευτερίου και ένα κύκλωμα τριτίου γιώτα για την παροχή ηλίου-4 (Εικόνα 1 ), μια αλληλεπίδραση γνωστή ως σύντηξη δευτερίου-τριτίου (σύντηξη D-T):

21H + 31H→ 42He+10n

Η έναρξη αυτών των αποκρίσεων, παρά ταύτα, απαιτεί μια θερμοκρασία πρακτικά ίδια με αυτή στο εσωτερικό του ήλιου (περίπου 1,5 × 107 K). Αυτή τη στιγμή, η κύρια τεχνική που είναι προσβάσιμη στη Γη για να επιτευχθεί μια τέτοια θερμοκρασία είναι η έκρηξη μιας βόμβας σχάσης. Για παράδειγμα, η υποτιθέμενη πυρηνική βόμβα (ή βόμβα H) είναι μια βόμβα δευτερίου-τριτίου (μια βόμβα D-T), η οποία χρησιμοποιεί μια απόκριση πυρηνικής σχάσης για να κάνει τις εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες που αναμένεται να ξεκινήσουν τη σύντηξη ισχυρού δευτεριδίου λιθίου (6LiD), η οποία εκκενώνει νετρόνια που στη συνέχεια, σε εκείνο το σημείο, ανταποκρίνονται με 6Li, αποδίδοντας τρίτιο. Η απόκριση δευτερίου-τριτίου εκφορτώνει ενέργεια επικίνδυνα. Το μοντέλο 21.6.3 και η αντίστοιχη δραστηριότητά του δείχνουν τα τεράστια μέτρα ενέργειας που παρέχεται από αποκρίσεις πυρηνικής σχάσης και σύντηξης. Πράγματι, οι αποκρίσεις σύντηξης είναι τα δυναμικά hotspot για όλα τα αστέρια, συμπεριλαμβανομένου του ήλιου μας.

Για να εξακριβώσουμε την ενέργεια που παρέχεται κατά τη διάρκεια της εξάλειψης μάζας τόσο στην πυρηνική σχάση όσο και στη σύντηξη, χρησιμοποιούμε την συνθήκη του Αϊνστάιν που συγκρίνει την ενέργεια και τη μάζα:

E=mc2

με

• μ είναι μάζα (κιλά),
• c είναι η ταχύτητα του φωτός (μέτρα/δευτερόλεπτο) και
• Το E είναι ενέργεια (Joules).

Διάσπαση

Η σχάση είναι ο διαχωρισμός ενός πυρήνα που παρέχει ελεύθερα νετρόνια και ελαφρύτερους πυρήνες. Η σχάση των βαρέων συστατικών είναι βαθιά εξώθερμη που εκφορτώνει περίπου 200 εκατομμύρια eV σε αντίθεση με τον άνθρακα αντιγραφής που δίνει μόλις μερικά eV. Το πόση ενέργεια που παραδίδεται κατά τη διάρκεια της πυρηνικής σχάσης είναι πολλές φορές πιο αποτελεσματική ανά μάζα από εκείνη του άνθρακα, λαμβάνοντας υπόψη ότι μόλις το 0,1 τοις εκατό των αρχικών πυρήνων μετατρέπεται σε ενέργεια. Ο θυγατρικός πυρήνας, η ενέργεια και τα σωματίδια, για παράδειγμα, τα νετρόνια απελευθερώνονται λόγω της απόκρισης. Τα σωματίδια που απελευθερώνονται μπορούν στη συνέχεια να ανταποκριθούν με άλλα ραδιενεργά υλικά τα οποία έτσι θα παραδώσουν θυγατρικούς πυρήνες και περισσότερα σωματίδια αναλόγως, και ούτω καθεξής. Το αξιοσημείωτο στοιχείο των αποκρίσεων πυρηνικής σχάσης είναι ότι μπορούν να τοποθετηθούν και να χρησιμοποιηθούν σε αλυσιδωτές αποκρίσεις. Αυτή η αλυσιδωτή απάντηση είναι η υπόθεση των πυρηνικών όπλων. Ένα από τα αξιοσημείωτα συστατικά που χρησιμοποιούνται στην πυρηνική σχάση είναι το U235, το οποίο όταν πολιορκείται με ένα νετρόνιο, το μόριο μετατρέπεται σε U236 που είναι πολύ πιο ασταθές και μέρη σε θυγατρικούς πυρήνες, για παράδειγμα, Κρυπτόν-92 και Βάριο-141 και ελεύθερα νετρόνια. Τα επόμενα στοιχεία σχάσης είναι εξαιρετικά ραδιενεργά, συνήθως περνούν από β− σήψη.

Η πυρηνική σχάση είναι ο χωρισμός του πυρήνα ενός σωματιδίου σε πυρήνες ελαφρύτερων μορίων, που ενώνονται με την άφιξη της ενέργειας, που υποδέχεται μια πολιορκία νετρονίων. Η αρχική ιδέα αυτού του διαχωρισμού πυρήνων βρέθηκε από τον Enrico Fermi το 1934 - ο οποίος δέχθηκε ότι τα συστατικά του υπερουρανίου μπορεί να παραδοθούν με φραγμό ουρανίου με νετρόνια, επειδή η ανεπάρκεια των σωματιδίων βήτα θα δημιουργούσε τον πυρηνικό αριθμό. Σε κάθε περίπτωση, τα στοιχεία που σχηματίστηκαν δεν συσχετίστηκαν με τις ιδιότητες συστατικών με υψηλότερους πυρηνικούς αριθμούς από το ουράνιο (Ra, Ac, Th και Pa). Όντας όλα ίσα, ήταν ραδιοϊσότοπα πολύ ελαφρύτερων συστατικών όπως το Sr και το Ba. Πόση μάζα χάνεται στην αλληλεπίδραση σχάσης είναι ίδια με ενέργεια 3,20×10−11 J.

Κρίσιμη μάζα

Η έκρηξη μιας βόμβας μπορεί να συμβεί στην περίπτωση που η αλυσιδωτή απόκριση ξεπεράσει την κρίσιμη μάζα της. Η κρίσιμη μάζα είναι η ελάχιστη ποσότητα σχάσιμου υλικού που απαιτείται για τη διατήρηση μιας πυρηνικής αλυσιδωτής αντίδρασης.

Fusion

Η πυρηνική σύντηξη είναι η ένωση δύο πυρήνων για να σχηματιστεί ένας βαρύτερος πυρήνας. Η απόκριση ακολουθείται είτε από παροχή είτε απορρόφηση ενέργειας. Η σύντηξη πυρήνων με μικρότερη μάζα από τον σίδηρο αποδίδει ενέργεια ενώ η σύντηξη πυρήνων βαρύτερων από τον σίδηρο απορροφά ενέργεια. Αυτή η ιδιαιτερότητα είναι γνωστή ως η σιδερένια κορυφή. Το αντίστροφο συμβαίνει με την πυρηνική σχάση.

Η δύναμη της ενέργειας σε μια απόκριση σύντηξης οδηγεί την ενέργεια που απελευθερώνεται από τον ήλιο και έναν τόνο αστεριών στο σύμπαν. Η πυρηνική σύντηξη εφαρμόζεται επίσης στα πυρηνικά όπλα, ρητά, μια πυρηνική βόμβα. Η πυρηνική σύντηξη είναι η διαδικασία παραγωγής ενέργειας που συμβαίνει σε απίστευτα υψηλές θερμοκρασίες όπως στα αστέρια, για παράδειγμα, στον ήλιο, όπου πιο μέτριοι πυρήνες ενώνονται για να δημιουργήσουν έναν μεγαλύτερο πυρήνα, έναν κύκλο που εκπέμπει εξαιρετικά μέτρα θερμότητας και ακτινοβολίας. Όποτε είναι ανεξέλεγκτος, αυτός ο κύκλος μπορεί να δώσει πρακτικά απεριόριστες πηγές ενέργειας και μια ανεξέλεγκτη αλυσίδα δίνει την προϋπόθεση για έναν δεσμό υδρογόνου, αφού συνήθως το υδρογόνο είναι αλληλένδετο. Ομοίως, το μείγμα σωματιδίων δευτερίου για να σχηματίσει μόρια ηλίου τροφοδοτεί αυτόν τον θερμοπυρηνικό κύκλο. Για παράδειγμα:

21H + 31H→ 42He+10n + ενέργεια

Ένα σημαντικό μέρος της πυρηνικής σύντηξης είναι το πλάσμα, το οποίο είναι ένας συνδυασμός πυρηνικών πυρήνων και ηλεκτρονίων που αναμένεται να ξεκινήσουν μια αυτό-υποστηριζόμενη απόκριση που απαιτεί θερμοκρασία μεγαλύτερη από 40.000.000 K. Γιατί χρειάζεται πολλή θερμότητα για να πραγματοποιηθεί η πυρηνική σύντηξη Εν πάση περιπτώσει, για ελαφριά συστατικά όπως το υδρογόνο; Αυτό συμβαίνει επειδή ο πυρήνας περιέχει πρωτόνια και για να καταπολεμηθεί η ηλεκτροστατική αποστροφή από τα πρωτόνια και των δύο μορίων υδρογόνου, και οι δύο πυρήνες υδρογόνου πρέπει να κινηθούν με πολύ γρήγορη ταχύτητα και να πλησιάσουν αρκετά και να συγκρουστούν ώστε η πυρηνική δύναμη να ξεκινήσει τη σύντηξη. Το μετέπειτα αποτέλεσμα της πυρηνικής σύντηξης παρέχει περισσότερη ενέργεια από όση χρειάζεται για να ξεκινήσει η σύντηξη. Άρα, το ΔG του πλαισίου είναι αρνητικό που σημαίνει ότι η απόκριση είναι εξώθερμη. Και επειδή είναι εξώθερμη, η σύντηξη ελαφρών συστατικών είναι αυτο-υποστηριζόμενη δεδομένου ότι υπάρχει αρκετή ενέργεια για να ξεκινήσει η σύντηξη σε κάθε περίπτωση.

Συμπέρασμα

Η σχάση και η σύντηξη είναι δύο φυσικές διεργασίες που παράγουν τεράστια μέτρα ενέργειας από σωματίδια. Αποδίδουν πολύ περισσότερη ενέργεια από διαφορετικές πηγές μέσω πυρηνικών αντιδράσεων. Η πυρηνική ενέργεια είναι ένα σημαντικό ενεργειακό σημείο υποπροϊόντων χαμηλής κατανάλωσης ορυκτών καυσίμων για την παραγωγή ενέργειας στον κόσμο και στηρίζεται ότι θα παραμείνει έτσι στο άμεσο μέλλον. Ωστόσο, η πυρηνική ενέργεια θα πρέπει να προστατεύεται, να είναι σταθερή και να αντιπαραβάλλεται οικονομικά με τις άλλες πηγές ενέργειας, όπως η υδροηλεκτρική, η αιολική, η ηλιακή, η αέρια βενζίνη, ακόμη και ο άνθρακας.