Fisión nuclear:
Es un cambio físico para que el hielo se convierta en agua al calentarse, y es un cambio químico para que el hidrógeno y el oxígeno reaccionen para formar agua, pero en estas cambia, el hidrógeno que forma el agua. Ni el átomo ni el núcleo del átomo de oxígeno cambian. De hecho, los núcleos atómicos también pueden cambiar. En la actualidad, la gente ya sabe que los núcleos atómicos pueden sufrir dos cambios: la fisión nuclear y la fusión nuclear.
La fisión nuclear es la división de un núcleo atómico en varios núcleos. Sólo algunos núcleos con masas muy grandes, como el uranio (yóu) y el torio (tǔ), pueden sufrir fisión nuclear. Tras absorber un neutrón, los núcleos de estos átomos se dividirán en dos o más núcleos de menor masa, y al mismo tiempo liberarán de dos a tres neutrones y una gran cantidad de energía, lo que también puede provocar que otros núcleos sufran fisión nuclear. .. para continuar el proceso, que se llama reacción en cadena. Cuando un núcleo atómico sufre una fisión nuclear, libera una enorme cantidad de energía llamada energía nuclear, comúnmente conocida como energía atómica. La energía liberada tras la fisión nuclear completa de 1 gramo de uranio-235 equivale a la energía producida al quemar 2,5 toneladas de carbón.
La fisión nuclear se descubrió en 1938. Debido a las necesidades de la Segunda Guerra Mundial en ese momento, la fisión nuclear se utilizó por primera vez para crear un arma atómica poderosa: la bomba atómica. El enorme poder de la bomba atómica proviene de la enorme energía generada por la fisión nuclear. En la actualidad, además de utilizar la fisión nuclear para fabricar bombas atómicas, la gente también está trabajando arduamente para utilizar la enorme energía generada por la fisión nuclear en beneficio de la humanidad, de modo que la fisión nuclear siempre se lleve a cabo bajo el control de la gente. Las centrales nucleares son dispositivos de este tipo. .
Fusión nuclear:
Las bombas de hidrógeno, armas nucleares más poderosas que las bombas atómicas, utilizan la fusión nuclear para funcionar. El proceso de fusión nuclear es lo opuesto a la fisión nuclear. Es el proceso de fusionar varios núcleos atómicos en un solo núcleo. Sólo los núcleos más ligeros pueden sufrir fusión nuclear, como los isótopos de hidrógeno, el deuterio (dao), el tritio (chuan), etc. La fusión nuclear también libera una enorme cantidad de energía, y la energía liberada es mayor que la de la fisión nuclear. El proceso de fusión del hidrógeno en helio se produce continuamente en el interior del sol, y su luz y calor se producen mediante fusión nuclear.
La fusión nuclear puede liberar enormes cantidades de energía, pero actualmente la gente sólo puede lograr una fusión nuclear artificial
incontrolada en el momento en que explota una bomba de hidrógeno. Para utilizar la enorme energía generada por la fusión nuclear artificial al servicio de la humanidad, la fusión nuclear debe llevarse a cabo bajo el control de la gente. Esto es una fusión nuclear controlada.
La perspectiva de lograr una fusión nuclear controlada es extremadamente atractiva. No sólo porque la fusión nuclear puede liberar una enorme energía, sino también porque la materia prima necesaria para la fusión nuclear, el deuterio, el isótopo del hidrógeno, puede extraerse del agua de mar. Según los cálculos, la energía liberada por la fusión nuclear del deuterio extraído de 1 litro de agua de mar equivale a la energía liberada por la combustión de 100 litros de gasolina. El agua de mar del mundo es casi "inagotable", por lo que una investigación exitosa sobre la fusión nuclear controlada liberará a la humanidad de la crisis energética.
Pero la gente aún no puede realizar una fusión nuclear controlada, principalmente porque las condiciones requeridas para la fusión nuclear son muy duras.
La fusión nuclear requiere una temperatura alta de 100 millones de grados para que se produzca, por lo que también se le llama reacción termonuclear. Como podrás imaginar,
Ningún material puede soportar una temperatura elevada de 100 millones de grados. Además, hay muchas dificultades inimaginables que superar.
A pesar de las muchas dificultades, la gente ha logrado avances gratificantes gracias a la investigación continua. Los científicos han ideado muchos métodos ingeniosos, como el uso de potentes campos magnéticos para limitar las reacciones y el uso de potentes láseres para calentar átomos. Se puede esperar que la gente llegue a dominar el método de controlar la fusión nuclear para que la fusión nuclear pueda servir a la humanidad.
La fusión nuclear es la síntesis de dos átomos de baja masa en un átomo de mayor tamaño
La fisión nuclear es la división de un átomo de gran masa en dos átomos más pequeños
>Se liberará una enorme energía durante este proceso de cambio, y el primero libera una energía aún mayor.
Cada sustancia en el mundo está en un estado inestable, a veces dividiéndose o sintetizándose, convirtiéndose en otra sustancia. Ya sea que la materia se divida o se sintetice, se produce energía. La combinación de dos átomos de hidrógeno en un átomo de helio se llama fusión nuclear y así es como el sol libera una enorme energía.
La conocida bomba atómica se fabrica utilizando el principio de fisión, y las centrales nucleares actuales también utilizan la fisión nuclear para generar electricidad.
Aunque la fisión nuclear puede producir una enorme energía, es muy inferior a la fusión nuclear. Las reservas de combustible nuclear de los reactores de fisión son extremadamente limitadas, lo que no sólo produce una radiación poderosa y daña el cuerpo humano, sino que también deja atrás. una gran cantidad de desechos durante miles de años es difícil de procesar y la radiación de la fusión nuclear es mucho menor. Se puede decir que el combustible de la fusión nuclear es inagotable.
La fusión nuclear debe llevarse a cabo a una temperatura elevada, cercana a los 100 millones de grados. Esta temperatura se puede alcanzar cuando explota una bomba atómica en la Tierra. La bomba de hidrógeno creada utilizando el principio de fusión nuclear se basa en el alto calor generado por la primera explosión de una bomba atómica de fisión nuclear para activar el encendedor de fusión nuclear, lo que permite que la bomba de hidrógeno explote. Sin embargo, el uso de una bomba atómica para desencadenar la fusión nuclear solo puede provocar la explosión de una bomba de hidrógeno, pero no es adecuado para la generación de energía de fusión nuclear, porque la planta de energía no requiere una fuerza de explosión asombrosa, sino una liberación lenta de energía eléctrica.
En cuanto al problema de la "ignición" de la fusión nuclear, el desarrollo de la tecnología láser ha permitido solucionar el problema de la "ignición" de la fusión nuclear controlable. Actualmente, la potencia de salida de láser más grande del mundo alcanza los 100 billones de vatios, lo que es suficiente para "encender" la fusión nuclear. Además del láser, la temperatura de "ignición" también se puede alcanzar mediante el método de calentamiento por microondas ultra alto. Muchos países del mundo están investigando activamente la teoría y la tecnología de las reacciones termonucleares controladas. Las investigaciones en los Estados Unidos, Rusia, Japón y los países de Europa occidental han logrado avances gratificantes.
A las 17:21 del 9 de noviembre de 1991, los físicos utilizaron el Reactor Europeo de Fusión de Anillo Conjunto para recrear el "sol" en 1,8 segundos, logrando por primera vez una reacción de fusión nuclear, con una temperatura tan alta como 2× 108°C, 10 veces la temperatura interna del Sol, genera casi 2 megavatios de energía eléctrica, acercando así a la realidad el viejo sueño científico de la humanidad de obtener energía nuclear suficiente y libre de contaminación.
El dispositivo experimental de fusión nuclear controlada más grande diseñado y desarrollado por mi país, "China Circulator No. 1", fue construido en el área de Leshan en la provincia de Sichuan y lanzado con éxito en septiembre de 1984. Marca el Los métodos experimentales para estudiar la fusión nuclear controlada han logrado nuevos avances y mejoras y contribuirán a la exploración de nuevas energías por parte de la humanidad. En 1993 y 1994, científicos de Estados Unidos y China lograron nuevos resultados en investigaciones y experimentos en este campo, respectivamente.
Actualmente, Estados Unidos, Gran Bretaña, Rusia, Alemania, Francia, Japón y otros países compiten para desarrollar plantas de energía de fusión nuclear. Los científicos estiman que las plantas de energía de fusión nuclear no se pondrán en funcionamiento comercial hasta 2025. . Alrededor de 2050, la generación controlada de energía de fusión nuclear beneficiará ampliamente a la humanidad.
El combustible para las reacciones de fusión nuclear son los isótopos de hidrógeno, el deuterio, el tritio y el gas inerte 3He (helio-3). Según las mediciones, cada litro de agua de mar contiene 30. miligramos de deuterio, y la energía producida por la fusión de 30 miligramos de deuterio equivale a 300 litros de gasolina. Esto significa que 1 litro de agua de mar puede producir la energía equivalente a 300 litros de gasolina. Una central de fusión nuclear de 1 millón de kilovatios consume sólo 304 kilogramos de deuterio al año.
El poder calorífico del deuterio equivale a 20 millones de veces el del carbón. Hay 4.500 millones de toneladas de deuterio que existen de forma natural en el agua de mar. El agua de mar se convierte en energía mediante la fusión nuclear. nivel, puede proporcionar Los humanos lo han utilizado durante cientos de millones de años. El litio es un "combustible" auxiliar de transición para que la fusión nuclear logre reacciones de deuterio puro. Hay suficiente litio en la Tierra para entre 10.000 y 20.000 años. Las reservas de mineral de litio de la meseta de Qiangtang de mi país representan la mitad de las del mundo.
Los científicos han descubierto que la reacción de fusión nuclear que utiliza 3He como combustible es más limpia y más eficiente que la fusión de deuterio y tritio. Además, a diferencia del deuterio y el tritio radiactivos, el 3He es un gas inerte y su funcionamiento es seguro. El científico ganador del Premio Nobel Borg y el asesor presidencial de control de armas de Estados Unidos, Paul Nitze, escribieron en 1991 que ninguna otra fuente de energía está tan libre de contaminación como el 3He.
A principios del próximo siglo, los humanos extraerán en la Luna depósitos minerales de 3He que no existen en la Tierra para reemplazar el tritio, de modo que las reacciones de fusión experimentales que se están construyendo actualmente en todo el mundo puedan superar dificultades clave. y hacerlos uso comercial es posible. No hay 3He natural en la Tierra. Como subproducto de la investigación sobre armas nucleares, Estados Unidos produce unos 20 kilogramos al año, pero un reactor experimental requiere al menos 40 kilogramos. El mineral de titanio en la luna contiene abundantes recursos de 3He.
El metal titanio de la superficie lunar puede absorber partículas de 3He arrastradas por el viento solar. Se estima que durante los 4 mil millones de años transcurridos desde el nacimiento de la Luna, el mineral de titanio absorbió aproximadamente 1 millón de toneladas de 3He, lo que equivale a más de 10 veces la energía de todos los combustibles fósiles jamás desarrollados en la Tierra.
En 1994, Japón anunció un plan para desarrollar 3He en la luna. Japón invirtió 100 veces más que Estados Unidos en el proyecto de fusión de 3He.
Desde 1986, Madison, Wisconsin, EE. UU. se ha convertido en un centro de investigación de 3He. Con sólo transportar 25 toneladas de 3He desde la Luna, las necesidades energéticas de Estados Unidos pueden satisfacerse durante aproximadamente un año. En la actualidad, el consumo anual de energía en el mundo es de unos 10 millones de megavatios. Según las cifras anunciadas por las Naciones Unidas en 1990, aumentará a 30 millones de megavatios en 2050. La extracción de 1.500 toneladas de 3He de la Luna cada año puede satisfacer las necesidades. la demanda mundial de energía.
Según el volumen de extracción mencionado anteriormente, el 3He de la Luna se puede utilizar en la Tierra durante al menos 700 años. Pero el 3He de Júpiter y Saturno es casi inagotable. En resumen, se puede ver que la fusión nuclear muestra una brillante perspectiva para que la humanidad escape de la crisis energética.
Fisión nuclear y fusión nuclear
La energía nuclear es un nuevo miembro de la familia energética, que incluye dos formas principales de energía de fisión y energía de fusión. La energía de fisión es la enorme energía liberada por la fisión de protones de elementos metálicos pesados que se ha comercializado. Debido a que los elementos metálicos pesados como el uranio necesarios para la fisión son escasos en la Tierra y los reactores de fisión convencionales producen desechos nucleares altamente radiactivos y de larga vida, estos factores limitan el desarrollo de la energía de fisión. Otra forma de energía nuclear es la energía de fusión, que aún no está disponible comercialmente.
La fusión nuclear es el proceso en el que dos núcleos más ligeros se fusionan para formar un núcleo más pesado y liberar energía. La reacción de fusión más sencilla que se produce en la naturaleza es la fusión de los isótopos de hidrógeno, deuterio y tritio. Esta reacción se produce en el Sol desde hace 15 mil millones de años. El deuterio abunda en el agua de mar de la Tierra, con hasta 40 billones de toneladas. Si todo se utilizara en reacciones de fusión, la energía liberada sería suficiente para el uso humano durante decenas de miles de millones de años, y el producto de la reacción sería helio sin radiactivos. contaminación. Además, debido a que la fusión nuclear requiere temperaturas extremadamente altas, una vez que ocurre un problema en un determinado enlace y la temperatura del combustible cae, la reacción de fusión se detendrá automáticamente. En otras palabras, el reactor de fusión es un reactor subcrítico y nunca sufrirá un accidente como el de la central nuclear (de fisión) de Chernobyl en la ex Unión Soviética. Por tanto, la energía de fusión es una nueva fuente de energía ilimitada, limpia y segura. Es por eso que los países de todo el mundo, especialmente los países desarrollados, no escatiman esfuerzos para investigar y desarrollar la energía de fusión.
De hecho, la humanidad ha logrado la explosión de una bomba de hidrógeno de fusión de deuterio y tritio, pero ese tipo de liberación instantánea e incontrolable de energía solo traerá un desastre para la humanidad. Lo que la humanidad necesita es realizar una fusión nuclear controlada para resolver el problema. crisis energética. El primer paso en la fusión es poner el combustible en estado de plasma, es decir, entrar en el cuarto estado de la materia. El plasma es un gas totalmente ionizado y eléctricamente neutro. En el plasma, debido a la alta temperatura, los electrones han ganado suficiente energía para escapar de los grilletes del núcleo atómico, y el núcleo atómico queda completamente expuesto, preparando las condiciones para la colisión de los nucleones. Cuando la temperatura del plasma alcanza decenas de millones o incluso cientos de millones de grados, los núcleos pueden superar la fuerza repulsiva y unirse. Si hay suficiente densidad y un tiempo de confinamiento de energía térmica lo suficientemente largo, esta reacción de fusión puede continuar de manera estable. . El producto de la temperatura, la densidad y el tiempo de confinamiento de la energía térmica del plasma se denomina "producto triple de fusión". Cuando alcanza 1022, la potencia de salida de la reacción de fusión es igual a la potencia de entrada para impulsar la reacción de fusión. Se debe exceder el valor para que la fusión se realice. La reacción puede desarrollarse de forma autónoma. Debido a los estrictos requisitos del triple producto, la realización de una fusión nuclear controlada es extremadamente difícil y la construcción real de reactores de fusión comerciales tendrá que esperar hasta mediados del siglo XXI. Como fuente de energía alternativa ideal en el siglo XXI, la investigación y el desarrollo de la fusión nuclear tienen una importancia estratégica particularmente importante para los países y regiones en desarrollo como China y Asia con enormes demandas de energía y recursos insuficientes de combustibles fósiles.
La investigación sobre la energía de fusión termonuclear controlada se puede dividir en dos enfoques: confinamiento inercial y confinamiento magnético. El confinamiento inercial utiliza láseres de intensidad ultraalta para irradiar una placa objetivo en un período de tiempo muy corto para producir fusión. El confinamiento magnético utiliza la característica de que un campo magnético fuerte puede restringir partículas cargadas para construir un contenedor magnético especial y construir un reactor de fusión, en el que el material de fusión se calienta a una temperatura alta de cientos de millones de grados Celsius para lograr una reacción de fusión. . En la segunda mitad del siglo XX, se lograron avances significativos en la investigación de la energía de fusión, y la investigación sobre el confinamiento magnético tipo tokamak estaba por delante de otros enfoques.
Un gran avance en la investigación de la energía de fusión termonuclear controlada es la aplicación exitosa de la tecnología superconductora a la bobina que genera el fuerte campo magnético de un tokamak, y la construcción de un tokamak superconductor, que permite el confinamiento magnético continuo. y el funcionamiento en estado estable de la forma se convierte en una realidad.
El tokamak superconductor se reconoce como la forma más eficaz de explorar y resolver los problemas físicos y de ingeniería de los futuros reactores de fusión con núcleos superconductores. Actualmente, sólo cuatro países del mundo, Rusia, Japón, Francia y China, tienen tokamak superconductores. El volumen del tokamak superconductor francés Tore-supra es 17,5 veces mayor que el del HT-7. Es el primer dispositivo del mundo que realmente logra un funcionamiento casi estable de alto parámetro bajo la condición de un tiempo de descarga de hasta 120 segundos. temperatura del plasma Es de 20 millones de grados, la densidad central es de 1,5x10 elevado a 19 por metro cúbico y el tiempo de descarga es cientos de veces el tiempo de confinamiento de energía térmica.