Nuklearna energija je jedan od najmoćnijih izvora energije na svijetu. Općenito, koristi se u velikim nuklearnim elektranama za proizvodnju električne energije u velikim razmjerima. Međutim, malo njih zna procese koji omogućavaju da se jezgra atoma transformiše u praktičnu energiju za svakodnevni život. Uopšteno govoreći, ova energija se proizvodi iz dva različita procesa: Nuklearna fisija y nuklearna fuzija.
U ovom članku ćemo se pozabaviti procesom Nuklearna fisija, objašnjavajući kako nastaje ova vrsta energije, koji je njen mehanizam i po čemu se razlikuje od nuklearne fuzije, među ostalim ključnim temama.
Šta je nuklearna fisija?
Nuklearna fisija je vrsta nuklearne reakcije u kojoj se jezgro teškog atoma dijeli na lakša jezgra, oslobađajući pritom veliku količinu energije. Ova energija je ono što se kasnije transformiše, uglavnom, u električnu energiju u slučaju nuklearnih elektrana.
U ovom procesu, neutron se sudara sa jezgrom nestabilnog atoma, kao npr uranijum-235 ili plutonijum-239. Hvatanjem navedenog neutrona, jezgro postaje još nestabilnije i razdvaja, oslobađajući dodatne neutrone i energiju u obliku toplote i zračenja.
Ovi dodatni neutroni mogu, zauzvrat, izazvati više reakcija fisije sudarajući se s drugim nestabilnim jezgrima, održavajući lančana reakcija koji, ako se ne kontroliše pravilno, može dovesti do masovnog oslobađanja energije na destruktivan način. Ovo je osnovni princip koji omogućava rad nuklearnog reaktora.
Jedno cijepano jezgro Može proizvesti milione puta više energije od tipične hemijske reakcije, kao što je sagorevanje uglja ili gasa. Zbog ovih impresivnih energetskih performansi nuklearna energija je tako atraktivna opcija za proizvodnju električne energije.
Lančana reakcija
Kada dođe do nuklearne fisije, oslobađa se nekoliko neutrona (obično između dva i tri). Ovi neutroni mogu nastaviti da stupaju u interakciju s drugim obližnjim jezgrima koje se cijepaju, uzrokujući više fisija i posljedično oslobađajući još više neutrona i energije. Ovo se zove lančana reakcija.
Da bi lančana reakcija bila održiva, potrebno je da barem jedan od neutrona koji se oslobodi početnom fisijom izazove novu fisiju. Ako je ovaj uslov ispunjen, reakcija se može nastaviti na kontroliran način. Ovo je princip rada nuklearnih reaktora.
Jedan od velikih izazova nuklearnih elektrana je sposobnost kontrolisanja ovog procesa. Previše fisija u nizu može uzrokovati iznenadno oslobađanje energije, dok premalo fisija onemogućuje stvaranje dovoljno energije. Nuklearni reaktori su dizajnirani da održavaju ovu ravnotežu korištenjem moderatori i kontrolne trake Po potrebi apsorbuju neutrone.
Razlike između nuklearne fisije i fuzije
I fisija i fuzija oslobađaju energiju sadržanu u jezgri atoma, ali mehanizam iza svakog od njih je vrlo različit.
u Nuklearna fisija, a teško jezgro se deli u manjim jezgrima, kao što je već spomenuto, dok je u nuklearna fuzija, proces je obrnut: laka jezgra, obično vodonik, stapaju se i formiraju teži, oslobađajući kolosalnu količinu energije.
primjer fisije:
Kada neutron udari atom uranijum-235, atom se razdvaja na dva lakša jezgra, barijum-144 i kripton-89, oslobađajući tri nova neutrona i veliku količinu energije. To je visoko kontroliran proces u nuklearnim postrojenjima.
Primjer fuzije:
Na Suncu se jezgra vodonika stalno spajaju u jezgra helijuma, oslobađajući ogromne količine energije u obliku svjetlosti i topline. Međutim, uslovi neophodni za reakciju fuzije na Zemlji izuzetno su teško ostvarivi zbog potrebe za temperaturom od milion stepeni i visokim pritiscima. Uprkos decenijama istraživanja, kontrolirana nuklearna fuzija još uvijek nije postignuta na komercijalno održiv način.
Kritična masa
La kritična masa To je minimalna količina fisionog materijala neophodna da bi se omogućila trajna lančana reakcija. Ako je upotrijebljena masa manja od kritične, neutroni oslobođeni u svakoj fisiji bit će izgubljeni prije nego što izazovu nove fisije i reakcija će prestati.
Kritična masa zavisi od različitih faktora kao npr čistoća materijala, njegovu geometriju i da li je okružen materijalima koji reflektiraju neutrone, koji smanjuju gubitke.
Primjer za to je da su nuklearni reaktori obično dizajnirani u sfernom ili cilindričnom obliku kako bi zadržali broj neutrona unutar sistema što je duže moguće i osigurali da se fisija nastavi održivo.
Spontana nuklearna fisija
spontana nuklearna fisija To je manje uobičajena, ali važna pojava u kojoj se jezgro dijeli bez intervencije upadnog neutrona. Ovo se dešava u veoma nestabilnim izotopima kao što je plutonijum-239.
Iako je vjerovatnoća da se dogodi spontano mala, ovaj fenomen ima implikacije na upravljanje nuklearnim materijalima i sigurnost reaktora.
Ova vrsta fisije može dovesti do emisije radijacije i predstavlja potencijalnu opasnost ako se ne upravlja pravilno, jer može pokrenuti neželjene reakcije ako se postignu ispravni uvjeti.
Zbog toga sigurnost u nuklearnim elektranama ključno je za izbjegavanje incidenata i katastrofa poput onih koje su se dogodile u Černobilju ili Fukušimi.
Nuklearna fisija i dalje je jedna od vodećih tehnologija za proizvodnju energije u svijetu, posebno zbog svoje sposobnosti da proizvede velike količine električne energije s ograničenim ugljičnim otiskom.