דער פיזישער באַגריף פון נוקלעאַרער ענערגיע
נוקלעארע ענערגיע איז איינע פון די מערסט שטארקע און קאנטראווערסיאלע ענערגיע קוועלער אין דער מאדערנער ציוויליזאציע. פון איין זייט, קען עס שאפן ריזיגע מאסן עלעקטריע מיט זייער נידעריגע קוילן-שטאף אויסשטויסן. פון דער אנדערער זייט, ברענגט נוקלעארע ענערגיע ארויף זארגן וועגן רעאקטאר זיכערהייט, ראדיאאקטיווער אפפאל, און דעם ריזיקע פון וואפן פארשפרייטונג. כדי צו פארשטיין פארוואס נוקלעארע ענערגיע איז אזוי שטארק און ווי אזוי מען קען עס אויסניצן, דארפן מיר איבערקוקן די אונטערליגענדע פיזישע קאנצעפטן: די סטרוקטור פון דעם אטאם-קערן, נוקלעארע כוחות, בינדונגס-ענערגיע, ראדיאאקטיוויטעט, און די פראצעסן פון צעשפאלטונג און פוסיע וואס פארוואנדלען מאסע אין ענערגיע.
אַטאָמישע סטרוקטור און קערן
אטאמען באשטייען פון א קליינעם, געדיכטן קערן ארומגענומען מיט א וואלקן פון עלעקטראנען. דער קערן אנטהאלט פאזיטיוו געלאדענע פראטאנען און נייטראלע נעיטראנען. כמעט די גאנצע מאסע פונעם אטאם איז קאנצענטרירט אין דעם קערן, מאכנדיג עס א ריזיקן ענערגיע רעזערוו. דער קערן איז בערך 10.000 מאל קלענער ווי דער גאנצער אטאם, אבער זיין מאסע איז מער ווי 99,9% פון דער גאנצער מאסע פונעם אטאם.
אינטערעסאנט, פּראָטאָנען, מיט דער זעלבער פּאָזיטיווע לאָדונג, זאָלן אָפּשטויסן איינער דעם אַנדערן צוליב דער עלעקטראָמאַגנעטישער קראַפט. אָבער, דער קערן בלייבט סטאַביל צוליב דער שטאַרקער קערן-קראַפט, אַ יסודותדיקע קראַפט וואָס אַקטירט איבער זייער קורצע דיסטאַנצן (אין דער גרייס פון אַ פעמטאָמעטער, 10⁻¹⁵ מעטער) אָבער איז פיל שטאַרקער ווי די עלעקטראָמאַגנעטישע קראַפט ביי יענע דיסטאַנצן. די שטאַרקע קערן-קראַפט איז וואָס "קליבט" פּראָטאָנען און נעיטראָנען אין אַ קערן.
בינדינג ענערגיע און מאַסע דעפעקט
נוקלעארע סטאביליטעט איז פארבונדן מיטן קאנצעפט פון בינדינג ענערגיע, וואס איז די ענערגיע וואס איז נויטיג צו צעטיילן א קערן אין זיינע באשטאנדטיילן פראטאנען און נעיטראנען. פיזיש, קומט בינדינג ענערגיע ארויס ווייל ווען נוקלעאנען (פראטאנען און נעיטראנען) פארבינדן זיך צו פארמירן א קערן, איז די גאנצע מאסע פונעם רעזולטירנדיקן קערן עטוואס ווייניגער ווי די סומע פון די מאסן פון די יחידישע נוקלעאנען. דער חילוק אין מאסע ווערט גערופן דער מאסע דעפעקט.
דער מאַסע דעפעקט איז גלייך פֿאַרבונדן מיט ענערגיע דורך איינשטיין'ס באַרימטע גלייכונג:
E = מק²
ווייל די שנעלקייט פון ליכט (c) איז אזוי גרויס, קען אפילו א גאר קליינער מאסע-דעפעקט פראדוצירן ריזיגע מאסן ענערגיע. דאס איז די הויפט סיבה פארוואס נוקלעארע רעאקציעס פראדוצירן פיל מער ענערגיע ווי כעמישע רעאקציעס (ווי למשל פארברענונג). אין כעמישע רעאקציעס, וואס ענדערט זיך הויפטזעכליך זענען די עלעקטראן בינדונגען צווישן אטאמען; משא"כ אין נוקלעארע רעאקציעס, וואס ענדערט זיך איז די סטרוקטור פון דעם קערן אליין.
ראַדיאָאַקטיוויטעט: נוקלעאַרע פאַרפוילן
נישט אַלע אַטאָם קערנס זענען סטאַביל. נישט-סטאַבילע קערנס וועלן דורכגיין ראַדיאָאַקטיווע פאַרפוילן צו דערגרייכן אַ מער סטאַבילן צושטאַנד. די פאַרפוילן קען נעמען די פאָרעם פון:
1. אַלפֿאַ ראַדיאַציע (α): די באַפֿרײַונג פֿון אַ העליום קערן (2 פּראָטאָנען און 2 נעיטראָנען).
2. ביתא שטראַלונג (β): די ענדערונג פון נעיטראָנען אין פּראָטאָנען (אָדער פֿאַרקערט) באַגלייט דורך די ימישאַן פון עלעקטראָנען אָדער פּאָזיטראָנען און נעיטרינאָס.
3. גאַמאַ שטראַלונג (γ): אויסשטראַלונג פון הויך-ענערגיע פאָטאָנען צוליב דעם איבערגאַנג פון דעם קערן צו אַ נידעריקער ענערגיע לעוועל.
ראַדיאָאַקטיוויטעט איז וויכטיק אין דעם קאָנטעקסט פון נוקלעאַרער ענערגיע ווייל שפּאַלטונג פּראָדוקטן און נוקלעאַרער ברענשטאָף זענען אָפט ראַדיאָאַקטיוו. פֿאַרשטיין די טיפּן ראַדיאַציע און ווי זיי צו באַשיצן איז יסודותדיק פֿאַר רעאַקטאָר זיכערקייט און אָפּפאַל פאַרוואַלטונג.
נאך א וויכטיגע קאנצעפט איז האלב-לעבן, די צייט וואס איז נויטיג פאר די צאל ראדיאאקטיווע קערנס צו פארקלענערן זיך מיט האלב. האלב-לעבנס וועריירן פון ברוכטיילן פון א סעקונדע ביז מיליאנען יארן, וואס האט דירעקטע אימפליקאציעס פאר ראדיאאקטיווע אפפאל סטאָרידזש סטראטעגיעס.
נוקלעארע שפּאַלטונג: ענערגיע מקור אין נוקלעארע קראַפטווערק
רובֿ נוקלעאַרע קראַפטווערק (NPPs) אַרבעטן איצט אויף דער באַזע פון נוקלעאַרער שפּאַלטונג, דאָס שפּאַלטן פון שווערע קערנס אין לייכטערע. דער מערסט געוויינטלעכער בייַשפּיל איז די שפּאַלטונג פון אוראַניום-235 (U-235). ווען אַ נעיטראָן ווערט "געכאפט" דורך אַ U-235 קערן, ווערט דער קערן נישט סטאַביל (U-236) און שפּאַלט זיך דאַן אין צוויי שפּאַלטונגס-פֿראַגמענטן, וואָס באַפֿרייט עטלעכע נאָך נעיטראָנען ווי אויך ענערגיע אין דער פֿאָרעם פון די פֿראַגמענטן'ס קינעטישע ענערגיע, גאַמאַ ראַדיאַציע, און היץ.
די ענערגיע וואָס ווערט באַפרייט פּער שפּאַלטונג געשעעניש איז אין דער סדר פון 200 MeV (מעגאַ-עלעקטראָן וואָלטס). קאַמפּערד צו דער ענערגיע פון אַ כעמישער רעאַקציע, וואָס איז בלויז אַ פּאָר eV פּער מאָלעקול, איז דער חילוק ריזיק.
קייט רעאַקציעס און מולטיפּליקאַציע פאַקטאָרן
דער שליסל צו נוצן שפּאַלטונג אין אַ רעאַקטאָר איז די קייט רעאַקציע. נעיטראָנען וואָס ווערן באַפֿרײַט פֿון איין שפּאַלטונג קענען אויסרופֿן נאָכפֿאָלגנדיקע שפּאַלטונגען. כּדי אַ קייט רעאַקציע זאָל סטאַביל פֿאָרגיין, מוז די צאָל נעיטראָנען וואָס פֿאַראורזאַכן נאָכפֿאָלגנדיקע שפּאַלטונגען זײַן "באַלאַנסירט". דער באַגריף ווערט אויסגעדריקט דורך דעם עפֿעקטיוון מאַלטיפּליקאַציע פֿאַקטאָר (kₑff):
– kₑff < 1 : רעאַקציע פאַרקלענערט זיך (אונטערקריטיש) - kₑff = 1 : רעאַקציע איז סטאַביל (קריטיש) - kₑff > 1 : רעאַקציע פאַרגרעסערט זיך (סופּערקריטיש)
קראַפט רעאַקטאָרן ווערן אַפּערירט אַזוי נאָענט ווי מעגלעך צו קריטישע באַדינגונגען (kₑff ≈ 1) צו פּראָדוצירן היץ אויף אַ קאָנסטאַנטן און קאָנטראָלירטן שטייגער.
מאָדעראַטאָר, קאָנטראָל שטאַנג, און קילער
שפּאַלטונגס-נייטראָנען זענען טיפּיש הויך-ענערגיע (שנעלע נייטראָנען). אָבער, די וואַרשיינלעכקייט פון U-235 שפּאַלטונג איז העכער פֿאַר לאַנגזאַמע נייטראָנען (טערמישע נייטראָנען). דעריבער, נוצן פילע רעאַקטאָרן מאַדעראַטאָרן (למשל, לייכט וואַסער, שווער וואַסער, אָדער גראַפיט) צו פאַרלאַנגזאַמען די נייטראָנען דורך קאָליזיעס.
צו קאנטראלירן די צאל נעיטראנען, ניצן רעאקטארן קאנטראל שטאנגען געמאכט פון נעיטראן-אבזארבענדיקע מאטעריאלן ווי באָר, קאַדמיום, אדער האַפניום. דורך אריינשטעלן אדער ארויסנעמען די קאנטראל שטאנגען, קענען אפעראטארן פארגרעסערן אדער פארקלענערן די ראטע פון די שפּאַלטונג רעאקציעס.
די רעזולטירנדיקע היץ ווערט דעמאָלט איבערגעפירט דורך אַ קילער - אָפט וואַסער - צו אַ היץ-אויסטוישער צו פּראָדוצירן דאַמף וואָס דרייט אַ טורבינע און גענעראַטאָר. קאָנצעפּטועל, איז די טורבינע-גענעראַטאָר סעקציע ענלעך צו אַנדערע טערמישע קראַפטווערק; דער חילוק ליגט אין דער היץ-מקור.
נוקלעארע פוסיאָן: שטערן ענערגיע און צוקונפטיגע האפענונג
חוץ שפּאַלטונג, איז דאָ נאָך אַ נוקלעאַרער פּראָצעס וואָס פּראָדוצירט באַדייטנדיקע ענערגיע: נוקלעאַרע פֿוזיע, די פֿאַראייניקונג פֿון ליכטיקע קערנס אין שווערערע. אין דער זון, פֿאַרשמעלצט זיך וואַסערשטאָף צו פֿאָרמירן העליום, און באַפֿרײַט די ענערגיע וואָס מאַכט שטערן שײַנען.
די פיוזשאַן רעאַקציע וואָס מען שטודירט מערסטנס פֿאַר ענערגיע אויף דער ערד איז דעוטעריום-טריטיום (D–T):
ד + ט → הע-4 + נעיטראָן + ענערגיע
פיוזשאַן האט גרויס פּאָטענציאַל ווייל איר ברענשטאָף איז שעפעדיק (דעוטעריום פֿון ים־וואַסער) און עס פּראָדוצירט פּאָטענציעל ווייניקער לאַנג־טערמין ראַדיאָאַקטיוו אָפּפֿאַל ווי שפּאַלטונג. אָבער, די שוועריקייטן זענען ריזיק: פּאָזיטיוו געלאָדענע קערנס שטויסן זיך אָפּ איינער דעם אַנדערן, וואָס פֿאָדערט גאָר הויכע טעמפּעראַטורן (צענדליקער ביז הונדערטער מיליאָנען גראַד) כּדי די פּאַרטיקלען זאָלן האָבן גענוג ענערגיע צו איבערקומען די קולאָמב באַריערע. ווייל קיין מאַטעריאַלער קאַנטיינער קען נישט אַנטהאַלטן אַזאַ הייסע פּלאַזמע, ווערן מאַגנעטישע פֿאַרהאַלטונג (טאָקאַמאַק, סטעלעראַטאָר) אָדער אינערציעלע פֿאַרהאַלטונג (זייער הויך־פּאַוערד לאַזערס) גענוצט.
כאָטש באַדייטנדיקע פּראָגרעס איז געמאַכט געוואָרן, פיוזשאַן פֿאַר קאמערציעלע מאַכט דזשענעריישאַן שטייט נאָך פֿאַר טעכנישע טשאַלאַנדזשיז ווי פּלאַזמע סטאַביליטעט, נעיטראָן-קעגנשטעליק מאַטעריאַלס, און קוילעלדיק סיסטעם עפעקטיווקייַט.
פֿון נוקלעאַרער ענערגיע ביז עלעקטריע: טערמאָדינאַמישע אַספּעקטן
פיזיש, איז א נוקלעארע קראפטווערק א היץ מאטאר. די ענערגיע וואס ווערט פראדוצירט דורך צעשפאלטונג (אדער, שפעטער, פיוזשאן) ווערט עווענטועל פארוואנדלט אין טערמישע ענערגיע. די היץ ווערט גענוצט צו שאפן פארע וואס דרייט א טורבינע. צוליב די געזעצן פון טערמאדינאמיק, איז די עפעקטיווקייט פון פארוואנדלען היץ אין עלעקטריע באגרעניצט דורך דעם טעמפעראטור אונטערשייד צווישן דער היץ מקור און דער סביבה. דעריבער, רעאקטאר דיזיינס וואס קענען ארבעטן ביי העכערע טעמפעראטורן פאָרשלאָגן אָפט בעסערע עפעקטיווקייט, אָבער דאַרפן אויך מער פארגעשריטענע מאַטעריאַלן און זיכערהייט סיסטעמען.
זיכערהייט און ראַדיאַציע: אַ פיזישע פּערספּעקטיוו
נוקלעארע זיכערהייט רוט אויף א פארשטאנד פון ראדיאציע און רעאקטאר אויפפירונג. יאניזירנדע ראדיאציע קען שאטן ביאלאגישע געוועב אויב די דאזע איז גרויס גענוג. דעריבער, נוקלעארע קראפטווערק נוצן דעם טיפקייט-פארטיידיקונג פרינציפ, באשטייענדיק פון שיכטן פון שוץ: די ברענשטאף באדעקונג, די רעאקטאר געפעס, די קיל סיסטעם, און די איינהאלטונג סטרוקטור. פון א פיזישער פערספעקטיוו, איז די הויפט ציל צו האלטן די רעאקציע אונטער קאנטראל, היץ פארשפרייט ריכטיק, און ראדיאאקטיווע פראדוקטן אפגעזונדערט.
קלאָוזינג
די פיזישע קאנצעפטן פון נוקלעארע קראפט קאנצענטרירן זיך אויף נוקלעארע בינדינג ענערגיע, דעם מאסע דעפעקט, און די קאנווערזיע פון מאסע צו ענערגיע דורך E = mc². צעשפאלטונג ניצט אויס די צושפאלטונג פון שווערע קערנס און א קאנטראלירטע קייט רעאקציע מיט מאדעראטארן און קאנטראל שטאנגען, בשעת פיוזשאן נאכמאכט שטערן פראצעסן דורך פארשמעלצן לייכטע קערנס אונטער עקסטרעמע באדינגונגען. ביידע פראצעסן דעמאנסטרירן די ריזיגע ענערגיע וואס איז סטארעד אין אטאם קערנס. פארשטיין די פונדאמענטאלע פיזיק איז קריטיש כדי דיסקוסיעס וועגן נוקלעארע ענערגיע זאלן נישט ווערן געטריבן נאר דורך מורא אדער האפענונג, נאר אויך דורך וויסנשאפטלעכע וויסן וועגן ווי אזוי די טעכנאלאגיע ארבעט, אירע בענעפיטן, און די ריזיקעס וואס דארפן ווערן פארוואלטעט מיט אחריות.
