Jedrska energija je eden najmočnejših virov energije na svetu. Na splošno se uporablja v velikih jedrskih elektrarnah za proizvodnjo električne energije v velikem obsegu. Vendar le redki poznajo procese, ki omogočajo, da se atomska jedra pretvorijo v praktično energijo za vsakdanje življenje. Na splošno ta energija nastane iz dveh različnih procesov: Jedrska fisija y jedrska fuzija.
V tem članku se bomo poglobili v postopek Jedrska fisija, ki med drugimi ključnimi temami pojasnjuje, kako nastane ta vrsta energije, kakšen je njen mehanizem in kako se razlikuje od jedrske fuzije.
Kaj je jedrska fisija?
Jedrska fisija je vrsta jedrske reakcije, pri kateri se jedro težkega atoma razcepi na lažja jedra, pri čemer se sprosti velika količina energije. Ta energija se kasneje v jedrskih elektrarnah pretvori predvsem v elektriko.
Pri tem procesu nevtron trči v jedro nestabilnega atoma, kot je npr uran-235 ali plutonij-239. Z zajetjem omenjenega nevtrona se jedro postane še bolj nestabilno in se razcepi, pri čemer se sprostijo dodatni nevtroni in energija v obliki toplote in sevanja.
Ti dodatni nevtroni lahko po drugi strani sprožijo več cepitvenih reakcij s trčenjem z drugimi nestabilnimi jedri in ohranjajo verižna reakcija ki lahko, če ni ustrezno nadzorovana, povzroči množično sproščanje energije na uničujoč način. To je osnovni princip, ki omogoča delovanje jedrskega reaktorja.
Eno samo razcepljeno jedro Ustvari lahko milijonkrat več energije kot običajna kemična reakcija, kot je sežiganje premoga ali plina. Zaradi te impresivne energetske učinkovitosti je jedrska energija tako privlačna možnost za proizvodnjo električne energije.
Verižna reakcija
Ko pride do jedrske cepitve, se sprosti več nevtronov (običajno med dvema in tremi). Ti nevtroni lahko še naprej sodelujejo z drugimi bližnjimi cepljivimi jedri, kar povzroči več cepitev in posledično sprošča še več nevtronov in energije. To se imenuje verižna reakcija.
Da bi bila verižna reakcija vzdržna, je nujno, da vsaj eden od nevtronov, ki se sprostijo ob začetni cepitvi, povzroči novo cepitev. Če je ta pogoj izpolnjen, se lahko reakcija nadaljuje na nadzorovan način. To je načelo delovanja jedrski reaktorji.
Eden od velikih izzivov jedrskih elektrarn je nadzor nad tem procesom. Preveč zaporednih cepitev lahko povzroči nenadno sprostitev energije, medtem ko premalo cepitev onemogoča ustvarjanje dovolj energije. Jedrski reaktorji so zasnovani tako, da vzdržujejo to ravnovesje z uporabo moderatorji in nadzorne vrstice Po potrebi absorbirajo nevtrone.
Razlike med jedrsko fisijo in fuzijo
Tako cepitev kot fuzija sproščata energijo, ki jo vsebuje jedro atoma, vendar je mehanizem, ki stoji za vsakim, zelo drugačen.
V Jedrska fisija, En težko jedro se deli v manjših jedrih, kot že omenjeno, medtem ko v jedrska fuzija, postopek je obraten: lahka jedra, običajno vodik, se zlijejo v težjo in pri tem sprostijo gromozansko količino energije.
Primer fisije:
Ko nevtron zadene atom uran-235, se atom razcepi na dve lažji jedri, barij-144 in kripton-89, pri čemer se sprostijo trije novi nevtroni in velika količina energije. To je zelo nadzorovan proces v jedrskih elektrarnah.
Primer fuzije:
Na Soncu se vodikova jedra nenehno zlivajo v jedra helija, pri čemer se sproščajo ogromne količine energije v obliki svetlobe in toplote. Vendar pa je pogoje, ki so potrebni za fuzijsko reakcijo na Zemlji, izjemno težko doseči zaradi potrebe po temperaturah na milijone stopinj in visokih pritiskih. Kljub desetletjem raziskav, nadzorovana jedrska fuzija še ni bila dosežena na komercialno uspešen način.
Kritična masa
La kritična masa To je najmanjša količina cepljivega materiala, ki je potrebna za dolgotrajno verižno reakcijo. Če je uporabljena masa manjša od kritične, se bodo nevtroni, sproščeni pri vsaki cepitvi, izgubili, preden bodo povzročili nove cepitve in reakcija se bo ustavila.
Kritična masa je odvisna od različnih dejavnikov kot npr čistost materiala, njegovo geometrijo in ali je obdan z materiali, ki odbijajo nevtrone, kar zmanjšuje izgube.
Primer tega je, da so jedrski reaktorji običajno zasnovani v sferični ali valjasti obliki, da ohranijo število nevtronov v sistemu čim dlje in zagotovijo trajnostno nadaljevanje cepitve.
Spontana jedrska cepitev
spontana jedrska cepitev Je manj pogost, a pomemben pojav, pri katerem se jedro deli brez posredovanja vpadnega nevtrona. To se zgodi pri zelo nestabilnih izotopih, kot je plutonij-239.
Čeprav je verjetnost, da se pojavi spontano, nizka, ima ta pojav posledice za ravnanje z jedrskimi materiali in varnost reaktorja.
Ta vrsta cepitve lahko povzroči emisijo sevanja in predstavlja potencialno nevarnost, če z njo ne upravljate pravilno, saj lahko sproži neželene reakcije, če so doseženi pravi pogoji.
To je razlog varnost v jedrskih elektrarnah je ključnega pomena za izogibanje incidentom in katastrofam, kakršni so se zgodili v Černobilu ali Fukušimi.
Jedrska fisija je še naprej ena vodilnih tehnologij za proizvodnjo energije na svetu, zlasti zaradi svoje zmožnosti generiranja velikih količin električne energije z omejenim ogljičnim odtisom.