Die Grundlagen der Kernspaltung
Kernspaltung tritt auf, wenn ein größerer Isotop auseinander bricht in zwei oder mehr Elemente. Wissenschaftler erreichen in der Regel diese Aufgabe (für einige kontrollierten Kernreaktionen) durch einen großen Isotop mit einem zweiten bombardieren, kleinere - häufig ein Neutron. Die Kollision führt zu einer Kernspaltung.
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Der Kernspaltung von Uran-235 ist in der folgenden Gleichung gezeigt ist:
Reaktionen dieser Art lösen auch viel Energie. Woher kommt die Energie? Wenn Sie machen sehr eine genaue Messung der Massen aller Atome und subatomaren Teilchen Sie beginnen mit und alle Atome und subatomaren Teilchen werden Sie am Ende, und vergleichen dann die beiden, finden Sie, dass es einige gibt # 147 fehlenden # 148- Masse.
Die Materie verschwindet während der Kernreaktion. Dieser Verlust der Materie heißt das Massendefekt. Die fehlende Materie in Energie umgewandelt. Sie können tatsächlich die Menge an Energie, die während einer Kernreaktion mit einer ziemlich einfachen Gleichung entwickelt von Einstein hergestellt berechnen:
In dieser Gleichung, E hergestellt ist die Menge an Energie, m ist der # 147 fehlenden # 148- Masse oder der Massendefekt, und c ist die Lichtgeschwindigkeit, die eine ziemlich große Zahl ist. Die Lichtgeschwindigkeit wird quadriert, dass ein Teil der Gleichung a machen sehr große Zahl, die, auch wenn sie von einer geringen Menge an Masse multipliziert, eine große Menge an Energie ergibt.
Kettenreaktionen und eine kritische Masse
In der Gleichung für die Spaltung von U-235, feststellen, dass ein Neutron verwendet wurde, sondern drei hergestellt. Diese drei Neutronen, wenn sie andere U-235-Atome auftreten, können andere fissions initiieren, produziert noch mehr Neutronen. In Bezug auf die Kernchemie ist es eine Fortsetzung Kaskade von Kernspaltungen a genannt Kettenreaktion. Die Kettenreaktion von U-235 ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Diese Kettenreaktion hängt von der Freisetzung von mehr Neutronen als während der Kernreaktion eingesetzt wurden. Wenn Sie die Gleichung für die Kernspaltung von U-238, das reichlicher Isotop Uran zu schreiben, würde man ein Neutron verwenden und nur eine wieder heraus zu bekommen. Sie können eine Kettenreaktion mit U-238 haben.
Aber Isotope, die einen Überschuss an Neutronen in ihrer Spaltung erzeugen unterstützen eine Kettenreaktion aus. Diese Art von Isotop wird gesagt, dass spaltbares, und es gibt nur zwei Haupt spaltbaren Isotope während der Kernreaktionen verwendet - Uran-235 und Plutonium-239.
Die minimale Menge an spaltbarem Material erforderlich, um sicherzustellen, dass eine Kettenreaktion erfolgt die aufgerufen kritische Masse. Alles, was weniger als diesen Betrag genannt wird subkritischen.
Atombomben
Aufgrund der enormen Menge an Energie in einer Spaltungskettenreaktion freigesetzt, die militärischen Auswirkungen von Kernreaktionen wurden sofort umgesetzt. Die erste Atombombe wurde am 6. August 1945 auf Hiroshima, Japan, fallen gelassen.
In einer Atombombe, zwei Stücke eines spaltbaren Isotop auseinander gehalten. Jedes Stück, von selbst, ist subkritischen. Wenn es Zeit ist für die Bombe explodiert, zwingen konventionellem Sprengstoff die beiden Teile zusammen, um eine kritische Masse zu verursachen. Die Kettenreaktion ist unkontrolliert, fast augenblicklich eine enorme Menge an Energie freigesetzt.
Atomkraftwerke
Das Geheimnis um eine Kettenreaktion zu kontrollieren, ist die Neutronen zu steuern. Werden die Neutronen gesteuert werden kann, dann kann die Energie in einer kontrollierten Weise freigesetzt werden. Das ist, was Wissenschaftler mit Kernkraftwerken getan haben.
In vielerlei Hinsicht ist ein Kernkraftwerk ähnlich einem herkömmlichen fossilen Brennstoffen betriebene Kraftwerke. Bei dieser Art von Pflanze, ein fossiler Brennstoff (Kohle, Erdöl, Erdgas) wird verbrannt, und die Wärme wird verwendet, um Wasser zu kochen, die wiederum verwendet wird, um Dampf zu bilden. Der Dampf wird dann verwendet, um eine Turbine zu drehen, die mit einem Generator, der Strom erzeugt, angeschlossen ist.
Der große Unterschied zwischen einem konventionellen Kraftwerk und ein Kernkraftwerk ist, dass das Kernkraftwerk Wärme durch Kernspaltung Kettenreaktionen erzeugt.
Züchter-Reaktoren: mehr Kern Sachen machen
Neben der U-235-Isotop Uran, das andere häufig verwendete spaltbare Isotop Plutonium-239 (Pu-239), ist sehr selten in der Natur. Aber es gibt einen Weg, Pu-239 von U-238 in einem speziellen Spaltungsreaktor zu machen genannt Brüter.
Uran 238 wird zunächst mit einem Neutronen bombardiert herzustellen U-239, die an Pu-239 zerfällt. Der Prozess wird in der folgenden Abbildung dargestellt.
Züchter-Reaktoren können die Lieferung von spaltbarem Brennstoffe für viele, viele Jahre zu verlängern, und sie sind derzeit in Frankreich eingesetzt. Aber die Vereinigten Staaten bewegt sich langsam mit dem Bau von Brutreaktoren wegen mehrerer Probleme mit ihnen verbunden sind:
Erstens sind sie sehr teuer zu bauen.
Zweitens produzieren sie große Mengen an nuklearer Abfälle.
Und schließlich das Plutonium, das produziert wird ist viel gefährlicher als Uran zu handhaben und lässt sich leicht in einer Atombombe verwendet werden.