Proces jedrske fuzije. Jedrske fisije in fuzijske reakcije

Znano je, da snovi sestavljajo molekule in atomi. Atom pa vsebuje jedro in elementarne delce - elektrone, protone in nevtrone. Medsebojno delovanje atomskih jeder ustvarja jedrske fisije in fuzijske reakcije. Ti procesi vodijo k sproščanju ali absorpciji velike količine energije.

Zgodovina odkrivanja

Postopek jedrske reakcije je najprej opazil Rutherford leta 1919. S pomočjo posebne naprave - kamere Wilsona - so bile posnete fotografije teh reakcij.

Dvajset let kasneje je bila jedrska fisija urana prvič odkrita v Nemčiji. Ta proces se imenuje jedrski razpad. Na podlagi tega pojava je bil leta 1942 zgrajen prvi jedrski reaktor.

Obratni proces razpadanja se imenuje reakcija jedrske fuzije. Ker se v tem primeru težka jedra oblikujejo zaradi toplotnega gibanja, se proces imenuje termonuklearna fuzija.

Bistvo procesa

Postopek jedrske fuzije je naslednji. Dve ali več atomskih jeder se zbližata. Med njimi nastane interakcija, ki prevlada nad tako imenovanimi Coulombovimi odbojnimi silami. Ta interakcija vodi v nastanek novih, težjih jeder. V času nastanka jedra se sprosti znatna količina energije. To energijo pozneje uporablja človek.

Reakcijska goriva

Za jedrsko fuzijo se najpogosteje uporabljajo težki izotopi vodika - devterij in tritij. Za izvedbo reakcije potrebujejo manj energije v primerjavi z energijo, ki se sprosti med postopkom fuzije. Načeloma se lahko za sintezo uporabijo druge vrste goriva, na primer devterij in helij-3, devterijev monofuel in drugi.

Tako imenovane "nevtronske" reakcije (na primer s helijem) so bolj obetavne, saj drugače nevtronski tok odnaša del energije iz reakcije. Poleg tega so reakcije brez nevtronov manj ugodne za radioaktivno kontaminacijo.

Reakcijski pogoji

Da bi proces jedrske fuzije potekal pravilno, morata biti izpolnjena dva pogoja.

1. Reaktant je treba segreti na najvišje temperature. Samo zadostna količina energije vodi v proces jedrskih trkov.
2. Toplotna izolacija reakcije je drugi nujni pogoj: temperatura segrete mešanice mora biti ves čas trajanja reakcije konstantna.

Termonuklearni reaktor

Naprava za izvajanje jedrske fuzije je fuzijski reaktor. Njen glavni namen je zagotoviti stalnost optimalnih pogojev za reakcijo. Izhod mora biti več energije, kot je bila potrebna za reakcijo.

Kljub temu, da je proces fuzije atomskih jeder raziskan že več desetletij, je termonuklearni reaktor še vedno samo projekt. Skladnost s pogoji za pojav jedrskih reakcij je doslej dosegljiva le v laboratorijskih pogojih.

Najbolj obetaven projekt fuzijskega reaktorja je ITER - ITER (mednarodni termonuklearni poskusni reaktor).

Gradnja lokacije za reaktor se je začela leta 2007. Nahajal se bo v Franciji, v raziskovalnem centru Cadarache. Konec gradnje je bil prvotno načrtovan za leto 2016, finančni stroški pa so bili višji od pričakovanih. Trenutno naj bi bilo leto odprtja reaktorja leta 2025.

Termonuklearni reaktor - mednarodni projekt. Pri gradnji sodelujejo države EU, Rusija, Indija, Kitajska, ZDA, Japonska in druge države.

Hladna jedrska fuzija

Kot smo že omenili, so termonuklearne reakcije izvedljive le, če so izpostavljene visokim temperaturam. Tako je poraba energije za njihovo izvajanje precej velika. To je povzročilo špekulacije o hladni jedrski fuziji (CNF).

Teoretično je NSF proces, v katerem bi se jedrska fuzija zagotovila ne pod vplivom ekstremnih temperatur, ampak pod normalnimi termičnimi pogoji, na primer pri sobni temperaturi.

Od leta 1989 se redno poroča, da je znanstveni skupini uspelo izvesti hladno fuzijsko reakcijo. Vendar so bile vse te izjave trenutno nezanesljive.

Takšno izjavo so prvič podali znanstveniki Univerze v Utahu (ZDA) - Fleischman in Pons. Napovedali so, da so lahko reakcijo izvedli pri sobni temperaturi. Eksperimentalna potrditev njihovih besed ni bila razkrita.

V prihodnosti so številni drugi znanstveniki razglasili senzacionalno odkritje, vendar vsakič, ko se podatki niso znanstveno potrdili. Do danes je reakcija hladne jedrske fuzije še naprej dobrodošla možnost.

Termonuklearni procesi v prostoru

Procesi jedrske fuzije imajo veliko vlogo pri razvoju vesolja. Sonce in zvezde so ogromni termonuklearni reaktorji. Pod vplivom visokih temperatur se v njih pojavi fuzija jeder vodikovih atomov in pojavi se helij. Njeni jedri se prav tako združujejo in tvorijo nove elemente. Reakcije trajajo milijone let, dokler ne izgorejo vse zvezdne snovi. Med temi procesi nastaja velika količina energije. Energija Sonca je dala življenje Zemlji.

Uporaba jedrskih reakcij

Energija jedrske fuzije in jedrskega razpada je izrednega pomena za človeštvo. Rezultati reakcij se uporabljajo na različnih področjih dejavnosti. Spodaj je nekaj od njih.

1. Energija. Glavna posledica jedrskih reakcij je sproščanje energije. Zato so na področju energije našli glavno aplikacijo. Jedrske reakcije zahtevajo precej majhno količino goriva, energija, proizvedena med procesom, pa je ogromna. Predvsem Zemlja vsebuje veliko količino urana, ki je eden glavnih virov jedrskega goriva. Jedrska energija se uporablja v jedrskih elektrarnah, jedrskih podmornicah in ledolomcih. V prihodnosti se lahko jedrsko gorivo uporablja na vesoljskih plovilih.
2. Medicina Jedrske reakcije se lahko uporabljajo na področjih medicine kot kardiologija, onkologija in nevrologija. Radioizotopi se pogosto uporabljajo pri diagnozi. Radioaktivni elementi so del nekaterih zdravil. Metoda brahiterapije se uporablja za dostavo majhnega vira sevanja bolnemu organu, da se uničijo patološke strukture. Radioterapija se včasih imenuje tudi nuklearna medicina.
3. Ustvarjanje novih kemijskih elementov. Jedrske reakcije vodijo v nastanek novih elementov, ki imajo svoje mesto v periodičnem sistemu.
4. Oborožitev. Uporaba jedrske fisije in jedrske fuzije na vojaškem področju je dvoumna. Oblikovanje jedrskega orožja lahko povzroči resne posledice za vse človeštvo.
   

Jedrska grožnja

Leta 1945 je bil svet pretresen zaradi tragedije japonskih mest Hirošima in Nagasaki. Ameriška vlada je na Japonsko izpustila dve atomski bombi, pri čemer je navedla željo, da bi končala drugo svetovno vojno.

Posledice tega dogodka so bile šokantne. Atomska bomba je dokazala svojo učinkovitost, skoraj popolnoma uničila obe mesti. Moč eksplozij je bila ogromna. V vojnih letih je bila že izvedena vrsta testov jedrskega orožja, vendar je bila prvič uporabljena proti prebivalstvu.

Atomska eksplozija ni zahtevala le ogromnega števila življenj. Preživeli po padcu bombe so občutili strašne posledice po nekaj letih. Sevanje je pripeljalo do pojava sevalne bolezni - bolezni, ki se je pokazala ne samo pri ljudeh, ki so bili blizu eksplozije, ampak tudi pri otrocih, ki so se kasneje rodili tem ljudem.

Atomske eksplozije povzročajo velike emisije ionizirajočega sevanja. Sevanje je sposobno obdržati svoje ionizacijske lastnosti že desetletja in stoletja, širi se skozi ozračje, onesnažuje vodo in pada kot padavine.

Jedrsko orožje je resna grožnja. Dirka v orožju, ki je trajala skoraj celotno drugo polovico 20. stoletja, je planet postavila pred možnostjo tretje svetovne vojne. Trenutno imajo številne države jedrsko orožje, ki ogroža življenja vsega človeštva.

Ne samo jedrsko orožje je lahko nevarno. Predmeti miroljubnega namena lahko povzročijo tudi žalostne posledice s pomanjkanjem nadzora. Tragedija v jedrski elektrarni Černobil leta 1976 jasno kaže, kaj se lahko zgodi, če podcenjujemo jedrsko energijo.

Reakcije jedrske fuzije in jedrskega razpada so pomembni dosežki znanosti. Odkritja na tem področju se lahko uporabijo tako za zlo kot za dobro. Pravilen odnos do jedrskih procesov omogoča zmanjšanje tveganja uporabe atomskega potenciala.