Рэакцыя дзялення

Дзяленне — адна з самых захапляльных і ўплывовых прыродных з'яў у ядзернай фізіцы. Пры расшчапленні цяжкіх атамных ядраў на лягчэйшыя, дзяленне вызваляе велізарную колькасць энергіі, якая выкарыстоўваецца ў розных сферах, ад вытворчасці энергіі да ядзернай зброі. У гэтым артыкуле будуць падрабязна разгледжаны асноўныя прынцыпы дзялення, гісторыя яго адкрыцця, механізм яго рэакцыі, яго прымяненне ў паўсядзённым жыцці, а таксама праблемы і спрэчкі, якія яго суправаджаюць.

Асноўныя прынцыпы рэакцый дзялення

Рэакцыя дзялення адбываецца, калі цяжкае атамнае ядро, такое як уран-235 або плутоній-239, паглынае нейтрон і становіцца нестабільным. Гэтая нестабільнасць прыводзіць да падзелу ядра на два ці больш меншых ядраў, якія называюцца аскепкамі дзялення, вызваляючы нейтроны і энергію. Вызваленая энергія паступае з-за дэфіцыту масы дзялімага ядра ў параўнанні з масай першапачатковага ядра, у адпаведнасці са знакамітым ураўненнем Альберта Эйнштэйна, E=mc².

Гісторыя адкрыцця рэакцый дзялення

Адкрыццё дзялення стала вынікам серыі эксперыментаў і пашырэння разумення гэтай тэорыі ў пачатку 20 стагоддзя. У 1938 годзе нямецкія навукоўцы Ота Ган і Фрыц Штрасман разам з Лізай Майтнер і Ота Робертам Фрышам правялі эксперыменты, якія прывялі да адкрыцця дзялення ядра. Яны выявілі, што пры бамбардзіроўцы ўрану-235 нейтронамі ён расшчапляецца на ядры барыю і крыптону, вызваляючы дадатковыя нейтроны і энергію.

Гэта адкрыццё праклала шлях для развіцця ядзерных тэхналогій, у тым ліку распрацоўкі ядзерных рэактараў і ядзернай зброі падчас Другой сусветнай вайны. Манхэтэнскі праект, які ўзначальвалі Злучаныя Штаты, дазволіў стварыць першую атамную бомбу, выкарыстаную ў вайне ў 1945 годзе.

Механізм рэакцыі дзялення

Рэакцыя дзялення ўключае ў сябе некалькі асноўных этапаў:

1. Паглынанне нейтронаўЦяжкае атамнае ядро, такое як уран-235 або плутоній-239, паглынае нейтрон. Гэта робіць ядро ​​нестабільным і схільным да дзялення.

2. Ядзерны дзяленнеНестабільнае ядро ​​расшчапляецца на два ці больш фрагментаў дзялення. У выніку гэтага працэсу вызваляюцца два ці тры новыя нейтроны і энергія ў выглядзе электрамагнітнага выпраменьвання і кінетычнай энергіі фрагментаў дзялення.

3. Ланцуговая рэакцыяВызваленыя нейтроны могуць паглынацца іншымі цяжкімі ядрамі, выклікаючы далейшыя рэакцыі дзялення. Калі нейтронаў выпрацоўваецца дастатковая колькасць, рэакцыі дзялення могуць працягвацца ў ланцуговай рэакцыі.

Гэтая ланцуговая рэакцыя — прынцып, які ляжыць у аснове працы ядзерных рэактараў і выбуху атамных бомб. У ядзерным рэактары ланцуговая рэакцыя кантралюецца для бесперапыннай выпрацоўкі энергіі, у той час як у ядзернай зброі ланцуговая рэакцыя паскараецца, каб выклікаць вельмі магутны выбух за вельмі кароткі час.

Прымяненне рэакцыі дзялення

Рэакцыі дзялення выкарыстоўваліся ў самых розных сферах прымянення, найбольш вядомымі з якіх з'яўляюцца вытворчасць электраэнергіі і ядзерная зброя.

1. Атамная электрастанцыяЯдзерныя рэактары выкарыстоўваюць рэакцыі дзялення для выпрацоўкі цяпла, якое затым выкарыстоўваецца для вытворчасці пары, якая прыводзіць у рух турбіны і выпрацоўвае электрычнасць. Ядзерныя рэактары выкарыстоўваюць паліва, такое як уран-235 або плутоній-239, і выкарыстоўваюць кіруючыя стрыжні для рэгулявання хуткасці рэакцыі дзялення шляхам паглынання дадатковых нейтронаў.

   • Рэактар ​​з вадой пад ціскам (PWR)У гэтым тыпе рэактара ў якасці цепланосбіта і запавольніка выкарыстоўваецца вада пад ціскам. Вада пад ціскам падтрымлівае высокую тэмпературу ў рэактары без кіпення, што забяспечвае эфектыўную цеплаперадачу.

   • Кіпячы рэактар ​​(BWR)Гэты тып рэактара дазваляе цепланосбіта кіпець непасрэдна ўнутры рэактара, выпрацоўваючы пару, якая прыводзіць у рух турбіну. Рэактары BWR маюць больш простую канструкцыю, чым PWR.

   • Хуткі рэактарГэтыя рэактары выкарыстоўваюць хуткія нейтроны для запуску рэакцый дзялення без неабходнасці выкарыстання запавольніка. Хуткія рэактары могуць больш эфектыўна выкарыстоўваць паліва і вырабляць менш адходаў.

2. Ядзерная зброяЯдзерная зброя выкарыстоўвае некантраляваныя рэакцыі дзялення для стварэння велізарных выбухаў. Першыя атамныя бомбы, якія выкарыстоўваліся ў вайне, такія як тыя, што былі скінутыя на Хірасіму і Нагасакі, выкарыстоўвалі ўран-235 і плутоній-239 у якасці паліва.

Праблемы і спрэчкі

Нягледзячы на ​​вялікі патэнцыял рэакцый дзялення ў якасці крыніцы энергіі, з імі звязана некалькі праблем і спрэчак:

1. Радыеактыўныя адходыЯдзерныя рэактары вырабляюць небяспечныя радыеактыўныя адходы, якія патрабуюць спецыяльнага абыходжання і захоўвання для прадухілення негатыўнага ўздзеяння на навакольнае асяроддзе і здароўе чалавека. Доўгатэрміновае кіраванне радыеактыўнымі адходамі застаецца сур'ёзнай праблемай.

2. Ядзерная бяспекаРызыка ядзерных аварый, такіх як Чарнобыльскія ў 1986 годзе і Фукусіма ў 2011 годзе, выклікае заклапочанасць адносна бяспекі ядзерных рэактараў. Гэтыя інцыдэнты падкрэсліваюць патэнцыйную небяспеку радыяцыі, якая можа нанесці шкоду навакольнаму асяроддзю і насельніцтву.

3. Распаўсюджванне ядзернай зброіРаспаўсюджванне ядзерных тэхналогій стварае рызыку таго, што ядзерная зброя можа трапіць у рукі безадказных дзяржаў або недзяржаўных груп. Намаганні па нераспаўсюджванні ядзернай зброі накіраваны на абмежаванне распаўсюджвання ядзерных тэхналогій і матэрыялаў, якія могуць быць выкарыстаны для стварэння ядзернай зброі.

4. Эканоміка і інвестыцыіБудаўніцтва і эксплуатацыя атамнай электрастанцыі патрабуе велізарных першапачатковых інвестыцый. Выдаткі на будаўніцтва, абслугоўванне і ўтылізацыю адходаў могуць быць значнымі эканамічнымі абмежаваннямі.

Будучыня рэакцый дзялення

Нягледзячы на ​​сур'ёзныя праблемы, будучыня рэакцый дзялення застаецца светлай, бо распрацоўваюцца розныя даследаванні і інавацыі:

1. Ядзерныя рэактары новага пакаленняНовыя рэактары праектуюцца такім чынам, каб быць больш бяспечнымі, больш эфектыўнымі і вырабляць менш адходаў. Малыя модульныя рэактары (ММР) — адна з перспектыўных інавацый, якая прапануе гнуткасць і больш нізкія выдаткі.

2. Трансмутацыя адходаўПраводзяцца даследаванні па распрацоўцы тэхналогій, якія могуць пераўтвараць радыеактыўныя адходы ў больш стабільныя і менш небяспечныя ізатопы. Гэта можа паменшыць колькасць і небяспеку ядзерных адходаў.

3. Ядзерны сінтэзНягледзячы на ​​адрозненні ад дзялення, даследаванні ў галіне ядзернага сінтэзу працягваюць развівацца. Ядзерны сінтэз мае патэнцыял для вытворчасці больш чыстай і бяспечнай энергіі, чым дзяленне, але тэхнічныя праблемы, з якімі ён сутыкаецца, застаюцца значнымі.

Выснова

Дзяленне — адно з найважнейшых адкрыццяў у ядзернай фізіцы, якое аказала значны ўплыў на вытворчасць энергіі і распрацоўку ядзернай зброі. Нягледзячы на ​​вялікі патэнцыял дзялення як крыніцы энергіі, яно таксама сутыкаецца з істотнымі праблемамі, звязанымі з бяспекай, радыеактыўнымі адходамі і рызыкай распаўсюджвання ядзернай зброі. Дзякуючы працяглым даследаванням і інавацыям, будучыня дзялення застаецца перспектыўнай, адкрываючы шлях да больш бяспечных і ўстойлівых энергетычных рашэнняў.