Näidisküsimused tuumareaktsioonide (lõhustumise ja termotuumasünteesi) kohta
Tuumareaktsioonid on teaduse ja tehnoloogia arengus, eriti energeetikasektoris, ülioluline füüsikaline nähtus. Tuumareaktsioone on kahte peamist tüüpi: lõhustumine ja termotuumasünteesi reaktsioonid. Selles artiklis käsitleme nii lõhustumise kui ka termotuumasünteesiga seotud põhimõisteid, erinevusi ning mitmeid näidisprobleeme ja nende lahendusi.
Sissejuhatus lõhustumis- ja termotuumasünteesi reaktsioonidesse
Lõhustumine on protsess, mille käigus suur ja raske aatomituum, näiteks uraan-235 või plutoonium-239, jaguneb väiksemateks ja kergemateks tuumadeks. See protsess vabastab suure hulga energiat, kuna osa algse tuuma massist muundatakse energiaks vastavalt Albert Einsteini kuulsale võrrandile \(E=mc^2\). Lõhustumisreaktsioone kasutatakse laialdaselt tuumaelektrijaamades ja tuumarelvades.
Seevastu on termotuumasüntees protsess, mille käigus kergemad tuumad ühinevad raskemateks tuumadeks. Termotuumasünteesireaktsiooni kõige levinum näide on vesiniku tuumade ühinemine heeliumiks, nagu see toimub päikesel ja teistel tähtedel. Termotuumasünteesi käigus toodetakse massiühiku kohta rohkem energiat kui lõhustumisel ning see on universumi peamine energiaallikas.
Näidisküsimused ja arutelu
Nende kahe tuumareaktsioonitüübi paremaks mõistmiseks arutame mõningaid näiteid küsimustest, mis sageli tuumafüüsika tundides esinevad.
Küsimus 1: Uraani-235 lõhustumisreaktsioon
Üks levinumaid lõhustumisreaktsioone on see, kui uraan-235 püüab kinni neutroni ja jaguneb baarium-141-ks ja krüptoon-92-ks, vabastades kolm täiendavat neutronit. Kirjutage selle reaktsiooni valem ja arvutage vabaneva energia hulk, kui uraan-235 tuumamass on 235,0439 u, baarium-141 on 140,9144 u ja krüptoon-92 on 91,9262 u. Neutronimass on 1,0087 u.
Arutelu:
Tekkiva tuumareaktsiooni saab kirjutada järgmiselt:
\[
\text{^{235}_{92}U} + \text{n} \rightarrow \text{^{141}_{56}Ba} + \text{^{92}_{36}Kr} + 3\text{n}
\]
Vabaneva energia arvutamiseks peame teadma massidefitsiiti, mis on algmassi ja saaduste massi vahe:
1. Algmass = uraan-235 mass + neutronite mass = 235,0439 u + 1,0087 u = 236,0526 u
2. Saaduse mass = baarium-141 mass + krüptoon-92 mass + 3. Neutroni mass = 140,9144 u + 91,9262 u + 3(1,0087 u) = 235,8607 u
3. Massi defitsiit (Δm) = algmass – produkti mass = 236,0526 u – 235,8607 u = 0,1919 u
Vabanevat energiat saab arvutada valemi \(E=mc^2\) abil, kus 1 u võrdub 931.5 MeV-ga:
\[
\ΔE = \Δm × 931.5 \, \text{MeV} = 0.1919 × 931.5 \, \text{MeV} \um 178.8 \, \text{MeV}
\]
Seega on selles lõhustumisreaktsioonis vabanev energia umbes 178.8 MeV.
Küsimus 2: Vesiniku fusioonireaktsioon
Näitena termotuumasünteesi reaktsioonist vaatleme reaktsiooni kahe deuteeriumi tuuma (\( \text{^2_1H} \)) vahel, mille käigus moodustub heelium-3 tuum (\( \text{^3_2He} \)) ja üks neutron. Arvutage vabanev energia, kui deuteeriumi mass on 2,0141 u, heelium-3 mass on 3,0160 u ja neutroni mass on 1,0087 u.
Arutelu:
Tekkiva tuumareaktsiooni saab kirjutada järgmiselt:
\[
\text{^2_1H} + \text{^2_1H} \rightarrow \text{^3_2He} + \text{n}
\]
Arvutage reaktsioonis tekkiv massidefitsiit:
1. Algmass = 2(2,0141 u) = 4,0282 u
2. Saaduse mass = heelium-3 mass + neutronimass = 3,0160 u + 1,0087 u = 4,0247 u
3. Massi defitsiit (Δm) = algmass – produkti mass = 4,0282 u – 4,0247 u = 0,0035 u
Vabaneva energia saab arvutada:
\[
\ΔE = \Δm × 931.5 \, \text{MeV} = 0.0035 × 931.5 \, \text{MeV} \um 3.26 \, \text{MeV}
\]
Selle termotuumasünteesi reaktsiooni käigus vabanev energia on umbes 3.26 MeV.
Võrdlus ja rakendamine
Nendest kahest näitest võime järeldada, et kuigi termotuumasünteesi reaktsioonid toodavad sündmuse kohta veidi vähem energiat kui lõhustumisreaktsioonide käigus vabanev energia, on termotuumasünteesi peamine eelis selle palju suurem energiapotentsiaal suurtes kogustes, näiteks termotuumasünteesi reaktoris, mis ideaalis võiks lahendada maailma energiaprobleeme puhtamalt ja ohutumalt.
Lõhustumisreaktsioone kasutatakse praegu laialdaselt tuumaelektrijaamades, kuid need seisavad silmitsi ohutuse ja tekkivate radioaktiivsete jäätmetega seotud väljakutsetega. Samal ajal on päikese- ja täheenergia aluseks olevad termotuumasünteesi reaktsioonid väljatöötamisel ning sellised projektid nagu ITER Prantsusmaal püüavad demonstreerida tuumasünteesi elujõulisust tulevase puhta energiaallikana.
Järeldus
Tuumareaktsioonide, nii lõhustumise kui ka termotuumasünteesi, mõistmine on tehnoloogilise ja teadusliku arengu kontekstis ülioluline. Lisaks annab see teadmine sügavama ülevaate universumi toimimisest ja selle potentsiaalsetest rakendustest säästvate energiaallikate pakkumisel. Tuumareaktsioonide uurimisel aitavad eespool käsitletud harjutusülesanded süvendada meie arusaamist tuumaenergia kontseptsioonidest ja rakendustest.
