Ядерная энергия – определение, виды, применение

Ядерная энергия, также известная как атомная энергия , представляет собой энергию, высвобождаемую в больших количествах в результате операций, влияющих на атомные ядра, плотные центры атомов. Она отличается от энергии других атомных явлений, таких как типичные химические реакции, в которых участвуют исключительно орбитальные электроны атомов. Управляемое деление ядер в реакторах, которые в настоящее время используются для выработки электроэнергии во многих частях земного шара, является одним из способов высвобождения ядерной энергии. Управляемый ядерный синтез, еще один способ получения ядерной энергии, показал себя многообещающим, но не будет реализован к 2020 году. И ядерный синтез, и ядерное деление высвобождают огромное количество ядерной энергии.

Ядерная энергия

The energy obtained from the conversion of nuclear mass is known as nuclear energy. Binding energy per nucleon of light nuclei and heavy nuclei is small as compared to the binding energy per nucleon of intermediate nuclei. 

Когда тяжелое ядро распадается на два более легких ядра, тогда энергия связи на нуклон света и ядра больше, чем энергия связи на нуклон исходного тяжелого ядра. Таким образом, в процессе расщепления ядра выделяется большая энергия. Этот процесс известен как ядерное деление.

Например, 1 кг урана при делении дает 10 ¹⁴ Дж энергии, тогда как 1 кг угля при сгорании дает 10 ⁷ Дж энергии. С другой стороны, когда два легких ядра сливаются или объединяются вместе, образуя относительно тяжелое ядро, энергия связи на нуклон увеличивается. Большая энергия высвобождается в процессе, известном как ядерный синтез.

Ядерные реакции

Atomic nuclei undergo changes as a result of nuclear reactions, which result in changes in the atom itself. Nuclear reactions change one element into something wholly other. 

Если ядро взаимодействует с другими частицами, а затем разделяется без изменения свойств других ядер, то этот процесс называется ядерным рассеянием, а не ядерной реакцией. Это не имеет ничего общего с радиоактивным распадом. Ядерный синтез, который происходит в делящихся материалах и приводит к вынужденному ядерному делению, является одной из наиболее заметных ядерных реакций.

Типы ядерных реакций

• Неупругое рассеяние: Когда энергия передается, это явление называется неупругим рассеянием. Это происходит, когда уровень энергии выше порога. то есть

Et ₌ ((A+1)/A)×ε1

где Et — неупругая пороговая энергия, а ε ₁ — энергия первого возбужденного состояния.

• Упругое рассеяние: Упругое рассеяние происходит, когда энергия передается от частицы к ее предполагаемому ядру. Это самый важный шаг в замедлении нейтронов. Вся кинетическая энергия любой системы сохраняется при упругом рассеянии.
• Реакции переноса: Реакции переноса определяются как поглощение частицы с последующим испусканием одной или двух частиц.
• Реакции захвата: Реакции захвата происходят, когда ядра захватывают нейтральные или заряженные частицы с последующим испусканием -лучей. Процессы захвата нейтронов создают радиоактивные нуклиды.

Why Nuclear fusion is known as a thermonuclear reaction

Nuclear fusion cannot take place so easily. When two light nuclei are brought closer to each other, they exert a repulsive force on each other due to their positive charges. As such, these nuclei cannot fuse together. These nuclei confuse together if they have enough kinetic energy to overcome the force of repulsion between them. High kinetic energy implies a high temperature. Thus, nuclear fusion can be achieved at a very high temperature and hence is known as a thermonuclear fusion reaction. in fact, the temperature of the order of 10⁷ K is required to trigger nuclear fusion. This much temperature is available in the core of the sun and other stars, so nuclear fusion is possible in the sun and other stars.

Применение ядерной энергии

• Делящийся материал (топливо): Делящийся материал, используемый в реакторе, называется топливом реактора. Изотоп урана (U ²³⁵ ), изотоп тория (Th ²³² ) и изотопы плутония (Pu ²³⁹ , Pu ²⁴⁰ и Pu ²⁴¹ ) являются наиболее часто используемым топливом в реакторе.
• Модератор : Модератор используется для замедления быстродвижущихся нейтронов. Наиболее часто используемыми замедлителями являются графит, вода и тяжелая вода. когда в качестве замедлителя используется тяжелая вода, то в качестве топлива можно использовать обычный или необогащенный уран, потому что в тяжелой воде больше нейтронов для деления. В случае обычной воды в качестве замедлителя (имеющей мало электронов) в качестве топлива используется обогащенный уран.
• Контрольный материал : контрольный материал используется для контроля цепной реакции и поддержания стабильной скорости реакции. Этот материал контролирует количество нейтронов, доступных для деления. Например, в активную зону реактора вставляют кадмиевые стержни, потому что они могут наблюдать нейтроны. Нейтроны, доступные для деления, контролируются перемещением кадмиевых стержней в активную зону реактора или из нее.
• Хладагент : Хладагент представляет собой охлаждающий материал, который отводит тепло, выделяемое в результате деления в реакторе. Обычно используемыми хладагентами являются вода, азот CO ₂ и т. д.
• Защитный экран : Защитный экран в виде толстой бетонной стены окружает активную зону реактора, чтобы защитить людей, работающих вокруг реактора, от опасного излучения.

Примеры проблем

Вопрос 1: Рассчитайте энергию, выделяющуюся в следующей реакции:

₃ Li ⁶ + ₀ n ¹ ⇢ ₂ He ⁴ + ₁ H ³

где масса ₃ Li ⁶ =6,015126 а.е.м., масса ₁ H ³ =3,016049 а.е.м., масса ₂ He ⁴ =4,002604 а.е.м., масса ₀ n ¹ =1,008665 а.е.м.

Отвечать:

Total mass of reactants = 6.015126 + 1.008665 = 7.023791 amu

Total mass of products = 4.002604 + 3.016049 = 7.018653 amu

Mass difference = (7.023791 – 7.018653) = 0.005138 amu

Energy released = 0.005138 × 931  MeV = 4.783MeV.

Вопрос 2: Ядро атома ₉₂ Y ²³⁵ изначально находится в состоянии покоя, распадается, испуская α-частицу в соответствии с уравнением:

₉₂ Y ²³⁵ ⇢ ₉₀ X ²³¹ + ₂ He ⁴ + Энергия

Приведено , что энергия связи на нуклон родительского и дочернего ядер составляет 7,8 МэВ и 7,835 МэВ соответственно, а энергия связи α-частицы составляет 7,07 МэВ/нуклон. Считая дочернее ядро образующимся в невозбужденном состоянии и пренебрегая его долей в энергии реакции. Вычислите скорость вылетевшей α-частицы. Примем массу α-частицы равной 6,68 × 10 ^-27 кг.

Отвечать:

Q = (7.835 ×231) + (7.07 × 4) – (7.8 × 235 )MeV

   = 5.18 MeV

   = 5.18 ×1.6 ×10^-13J

This entire kinetic energy is taken by  α particle as given

1/2 mv² = 5.18 × 1.6×10^-13

1/2 × 6.68 ×10^-27 v² = 5.18 × 1.6 ×10^-13

v = 1.57 × 10⁷ m/s.

Вопрос 3: Возможно ли деление железа ( ₂₆ Fe ⁵⁶⁾ на алюминий ( ₁₃ Al ²⁸⁾ , как указано ниже?

₂₆ Fe ⁵⁶ ⇢ ₁₃ Al ²⁸ + ₁₃ Al ²⁸ +Q

Дано: Масса ₂₆ Fe ⁵⁶ = 55,934940 u и масса ₁₃ Al ²⁸ = 27,98191 u.

Отвечать:

Q value =mass of ₂₆Fe⁵⁶ – 2 ×mass of ₁₃Al²⁸ 

              = (55.934940 – 2 ×27.98191) ×931.5 MeV/u

             = -0.02892u × 931.5 MeV/u

             = -26.94 MeV. 

Вопрос 4: При реакции синтеза выделяется энергия 20 МэВ.

₁ H ² + ₁ H ² ⇢ ₂ He ⁴ + ₀ n ¹

Рассчитайте массу ₁ H ² , израсходованную в термоядерном реакторе мощностью 1 МВт за 1 сутки.

Отвечать:

P =1 MW =10⁶ W =10⁶ Js-1

t =1 day  =24 × 60 × 60 = 86400 s

Energy released in 1 day = 86400× 10⁶ J

Energy released per fusion = 20MeV

                                           = 20 × 1.6 ×10^-13 = 3.2 × 10^-12 J

Mass of ₁H² consumed in one fusion (₁H² + ₁H²) = 4u

                                                                              = 4 ×1.66 ×10^-27 kg = 6.64 ×10^-27

                                                                              = 6.64 × 10^-27/ 3.2 × 10^-12 × 86400 ×10⁶

                                                                             = 1.79 × 10^-4 kg

Вопрос 5: Рассчитайте энергию, выделяющуюся при слиянии трех α-частиц ( ₂ He ⁴ ) с образованием ядра углерода ( ₆ C ¹² ), учитывая m ( ₂ He ⁴ ) = 4,002603 а.е.м.

Решение:

₂He⁴ ⇢ ₆C¹² +Q

Q = m(3 ₂He⁴) – m(₆C¹²)

   = 12.0078 – 12 = 0.007809

Energy released = 0.007809 × 931 MeV

                          = 7.27MeV