Υπολογισμός Ενέργειας σε Διάσπαση και Σύντηξη

Τι ακριβώς είναι η πυρηνική ενέργεια;

Πυρηνική ενέργεια είναι η ενέργεια που βρίσκεται στο κέντρο ενός ατόμου. Ένα άτομο είναι ένα μικροσκοπικό σωματίδιο που σχηματίζει στερεά, υγρά και αέρια. Το εσωτερικό ενός ατόμου είναι γεμάτο με νετρόνια και πρωτόνια, που περιβάλλεται από ηλεκτρόνια.

Τα πρωτόνια έχουν θετικό ηλεκτρικό φορτίο, τα ηλεκτρόνια έχουν αρνητικό φορτίο και τα νετρόνια δεν έχουν ηλεκτρικό φορτίο. Επομένως, υπάρχει άφθονη ενέργεια στον πυρήνα ενός ατόμου. Αυτή η ενέργεια απελευθερώνεται εάν το άτομο σπάσει. Είναι γνωστό ως πυρηνική σχάση.

Οι πυρηνικοί σταθμοί χρησιμοποιούν άτομα ουρανίου για να πραγματοποιήσουν πυρηνική σχάση. Σε αυτή τη διαδικασία, τα νετρόνια συγκρούονται με άτομα ουρανίου, διασπώντας τα και απελευθερώνοντας ενέργεια σε ακτινοβολία και θερμότητα.

Υπολογισμός ενέργειας πυρηνικής σχάσης

Όταν ένα νετρόνιο χτυπά έναν πυρήνα με ουράνιο-235, ο πυρήνας απορροφά το νετρόνιο. Χωρίζεται σε δύο στοιχεία και απελευθερώνει τρία ή περισσότερα νέα νετρόνια. Ωστόσο, η ποσότητα των νετρονίων που απελευθερώνονται εξαρτάται από τον τρόπο διάσπασης του ατόμου U-235. Τα δύο άτομα που χωρίζονται εκπέμπουν ακτινοβολία γάμμα όταν μεταβούν στη νέα τους κατάσταση. Υπάρχουν τρεις πτυχές της διαδικασίας επαγόμενης σχάσης που είναι αξιοσημείωτες:

1. Η πιθανότητα ένα άτομο U-235 να μπορεί να συλλάβει ένα νετρόνιο όταν αυτό κινείται είναι μεγάλη. Εάν ένας αντιδραστήρας λειτουργεί σωστά, γνωστή ως «κρίσιμη κατάσταση» στην οποία ένα νετρόνιο εκτοξεύεται από κάθε σχάση, μπορεί να προκαλέσει άλλη σχάση.
2. Η διαδικασία λήψης του νετρονίου και στη συνέχεια διάσπασής του είναι εξαιρετικά γρήγορη στο εύρος των μικροδευτερόλεπτων που είναι 1×10-12 δευτερόλεπτα.
3. Όταν ένα άτομο διασπάται, ένας τεράστιος όγκος ενέργειας απελευθερώνεται ως ακτινοβολία και θερμότητα. Τα δύο άτομα που σχηματίστηκαν από τη σχάση απελευθερώνουν στη συνέχεια την ακτινοβολία βήτα και την ακτινοβολία γάμμα. Η ενέργεια που παράγεται από μια μεμονωμένη σχάση προκύπτει αφού τα νετρόνια και τα προϊόντα σχάσης είναι και τα δύο ελαφρύτερα από το άτομο U-235 που δημιουργήθηκε. Αυτή η διαφορά μετατρέπεται σε ενέργεια σε μια διαδικασία που καθορίζεται από την εξίσωση E =mc2. Ένα άτομο U-235 απελευθερώνει τουλάχιστον 200 MeV (εκατομμύρια ηλεκτρον βολτ) από τη διάσπαση. Μια λίβρα υψηλά ενισχυμένου ουρανίου που χρησιμοποιείται για την τροφοδοσία του πυρηνικού υποβρυχίου θα μπορούσε να φτάσει το 1 εκατομμύριο γαλόνια βενζίνης.

Υπολογισμός πυρηνικής ενέργειας σύντηξης

Ο Ήλιος απελευθερώνει ενέργεια μέσω αντιδράσεων πυρηνικής σύντηξης. Η τεράστια πίεση και η θερμοκρασία του Ήλιου προκαλούν τη σύντηξη των ατόμων υδρογόνου σε δευτέριο. Το άτομο δευτερίου ενώνεται με ένα άτομο υδρογόνου για να δημιουργήσει ένα άτομο που ονομάζεται τρίτιο και συντήκεται με ένα άλλο άτομο υδρογόνου για να δημιουργήσει ένα άτομο ηλίου. Η μάζα του ατόμου ηλίου είναι μικρότερη από το άθροισμα τεσσάρων ατόμων υδρογόνου.

Τώρα, η εξίσωση E=mc2 του Αϊνστάιν μετατρέπει τη μάζα που λείπει σε ενέργεια. Η αντίδραση των πυρήνων δύο βαρέων μορφών ισοτόπων υδρογόνου, του τριτίου και του δευτερίου (D), απελευθερώνει 2,8 x 10-12 joule, δηλαδή 17,6 MeV.

Οι δύο τύποι αντιδράσεων σύντηξης που σήμερα είναι πιο υποσχόμενοι για τους αντιδραστήρες πυρηνικής σύντηξης είναι ο αντιδραστήρας δευτερίου-τριτίου (αντίδραση δευτερίου-τριτίου) και ο αντιδραστήρας δευτερίου ηλίου-3. Η σύντηξη μεταξύ δευτερίου και τριτίου αποδίδει 17,6 MeV σε ενέργεια, αλλά χρειάζεται να είναι σε θερμοκρασία 40 εκατομμυρίων Kelvin για να ανάψει το φράγμα κουλόμπ.

Η ενέργεια αλληλεπίδρασης ανά νουκλεόνιο είναι υψηλότερη για πυρήνες με μέση μάζα και φτάνει στη μέγιστη τιμή της που ισοδυναμεί με το εύρος του σιδήρου (Fe). Σημαίνει ότι απελευθερώνεται ενέργεια όταν δύο πυρήνες χαμηλής μάζας ενώνονται για να σχηματίσουν έναν μεγαλύτερο πυρήνα. Ο μεγαλύτερος πυρήνας έχει περισσότερη ενέργεια δέσμευσης και λιγότερα νουκλεόνια από τον συνδυασμένο πυρήνα καθώς απελευθερώνεται ενέργεια κατά τη διαδικασία σύντηξης, εξαλείφοντας τη μάζα. Η σύντηξη πυρήνων μικρής μάζας παρέχει ενέργεια γενικά. Οι ακριβείς λεπτομέρειες, ωστόσο, εξαρτώνται από τα εν λόγω νουκλεΐδια.

Ο Ήλιος δημιουργεί ενέργεια με τη σύντηξη πρωτονίων στους πυρήνες ηλίου (4He), γνωστούς και ως πυρήνες υδρογόνου. Είναι το μεγαλύτερο νουκλεΐδιο του Ήλιου. Η αλυσίδα πρωτονίου-πρωτονίου είναι η κύρια αλυσίδα αντιδράσεων μας δίνει:

1H + 1H → 2H + e++ ve (0,42 MeV)

1H + 2H → 3He + γ (5,49 MeV)

3He + 3He → 4He + 1H + 1H (12,86 MeV)

Στο οποίο το e+ αναφέρεται σε θετικό ηλεκτρόνιο. Το ουδέτερο ηλεκτρονίων αντιπροσωπεύεται από το Ve. Οι αντιδράσεις απελευθερώνουν την ενέργεια που περιέχεται μεταξύ των παρενθέσεων. Εδώ, οι δύο πρώτες αντιδράσεις πρέπει να επαναληφθούν τουλάχιστον δύο φορές για την τρίτη αντίδραση. Η διαδικασία παίρνει έξι πρωτόνια (1Η) και επιστρέφει δύο. Θα δημιουργηθεί μια δεύτερη θέση, και θα βρει δύο ηλεκτρόνια. Αυτά τα ηλεκτρόνια στη συνέχεια θα εκμηδενιστούν για να δημιουργηθούν άλλες τέσσερις ακτίνες γάμμα(𝞬).

Η έξοδος του κύκλου είναι η εξής: 

2e- + 41H – 4He + 2ve + 6𝛄 (26,7 MeV)

Τα 26,7 MeV εδώ περιλαμβάνουν την ενέργεια εκμηδένισης των ηλεκτρονίων και των ποζιτρονίων. Διανέμεται επίσης σε όλα τα προϊόντα αντίδρασης.

Συμπέρασμα

Στον υπολογισμό της σχάσης και της πυρηνικής ενέργειας, οι πυρήνες των ατόμων μεταβάλλονται και παράγεται ενέργεια. Ενώ έχουν κάποιες ομοιότητες, είναι αντίθετες δυνάμεις.

Πυρηνική σύντηξη σημαίνει την ένωση δύο ελαφρύτερων ατόμων μέσα σε ένα άτομο που είναι βαρύτερο. Η πυρηνική σχάση, η αντίθετη διαδικασία, είναι όταν ένα βαρύτερο άτομο χωρίζεται σε δύο μικρότερα.

Οι πυρηνικοί σταθμοί χρησιμοποιούν τα άτομα ουρανίου για να πραγματοποιήσουν πυρηνική σχάση. Μέσω αυτής της διαδικασίας, τα νετρόνια συγκρούονται με πυρηνικά άτομα ουρανίου και το διασπά. Τα δύο άτομα που χωρίζονται εκπέμπουν ακτινοβολία γάμμα όταν μεταβούν στη νέα τους κατάσταση. Υπάρχουν τρεις πτυχές της επαγόμενης διαδικασίας σχάσης που την κάνουν συναρπαστική. Ένας τεράστιος όγκος ενέργειας απελευθερώνεται μέσω της ακτινοβολίας και της θερμότητας όταν ένα άτομο χωρίζεται σε