При делении больших ядер, таких как уран-235, выделяется энергия. Откуда берется ядерная энергия о которой говорят так много?
Энергия высвобождается из эквивалентности массы при которой происходит измеримое уменьшение массы. Это означает, что часть массы превращается в способность выполнять работу.
Величина энергии в результате потери массы в процессе деления одного ядра урана равна примерно 3,20×10-11 Дж.
Этот процесс деления обычно происходит, когда на большое относительно нестабильное ядро воздействуют тепловые нейтроны с низкой энергией. В дополнение к меньшим ядрам, создаваемым при делении высвобождаются нейтроны.
Впервые ядра урана разделил итальянский физик Энрико Ферми в 1934 году. Он считал, что некоторые элементы могут быть получены путем бомбардировки урана нейтронами. Хотя он ожидал, что новые ядра будут иметь большие атомные номера, чем исходный Уран, он обнаружил, что сформированные ядра были радиоизотопами более легких элементов.
Откуда берется энергия?
Огромная способность выполнять работу, которая высвобождается из этого расщепления, происходит от того, как сильно протоны отталкиваются друг от друга с помощью кулоновской силы удерживаемой вместе сильным взаимодействием. Каждый протон толкает другой протон с силой около 20 Н, примерно силой руки, лежащей на коленях человека. Это невероятно огромная сила для таких маленьких частиц. Эта огромная сила на небольшом расстоянии приводит к значительному количеству высвобождаемых ресурсов, которые достаточно велики, чтобы вызвать измеримое уменьшение массы.
Это означает, что общая масса каждого из осколков деления оказывается меньше массы исходного ядра. Эта недостающая масса известна как дефект массы.
Удобно говорить о количестве энергии, которая связывает ядра вместе. Все ядра имеют эту связь, кроме водорода (который имеет только 1 протон и нет нейтронов). Важно отметить про энергию связи, доступную каждому нуклону (общее название протона и нейтрона). Это называется энергией связи нуклона, а, по существу, сколько работы требуется на нуклон, чтобы отделить ядро. Продукты деления более стабильны, что означает, что их труднее разделить. Поскольку энергия связи на нуклон для продуктов деления выше, их общая нуклонная масса ниже.
В результате деления энергия связи атомного топлива высвобождается, образуя более низкую массу приводя к производству способности выполнять работу.
По сути, дефект массы и энергия являются взаимозаменяемыми терминами. Дефект массы – физическая величина характеризующая устойчивость атомных ядер. Вот откуда берется ядерная энергия.
Использование цепной реакции
Деление более тяжелых элементов является экзотермической реакцией. Деление может выпустить до 200 миллионов эВ по сравнению с горящим каменным углем, который дает только несколько эВ. Только из этого числа становится очевидным, откуда берется ядерная энергия используемая в производстве электроэнергии. Кроме того, количество выделяемой способности работы намного эффективнее на массу, чем у угля.
Основная причина, по которой ядерное деление используется для производства электроэнергии, заключается в том, что при надлежащей умеренности и технологии управления выброшенные свободные нейтроны из реакции деления могут затем снова реагировать с топливом. Это создает устойчивую ядерную цепную реакцию, которая высвобождает довольно непрерывное количество необходимых ресурсов.
Одним из недостатков использования деления в качестве метода генерации электричества является то, что образующиеся дочерние ядра являются радиоактивными.
Когда ядерное деление используется для производства электроэнергии, оно называется ядерной энергией. В этом случае в качестве ядерного топлива чаще всего используется уран-235 и его деление инициируется поглощением медленно движущегося теплового нейтрона. Другие изотопы, которые могут быть делиться, как плутоний-239, Уран-233 и Торий-232.
Для элементов легче железа в периодической таблице ядерный синтез (слияние) вместо ядерного деления дает термоядерную энергию. Однако в настоящее время существуют только лабораторные методы, которые позволяют нам получить доступ, которую может произвести слияние. Первый в мире атомный международный термоядерный реактор по настоящее время будет готов к 2025 году.
