El núcleo atómico del elemento metálico pesado uranio-235 absorbe un neutrón, lo que da como resultado una reacción nuclear que divide el núcleo pesado en dos (raramente tres) núcleos más ligeros y 2-3 neutrones libres. así como rayos beta, gamma y neutrinos, liberando enormes cantidades de energía. Este proceso se llama fisión nuclear.
Cuando los neutrones bombardean núcleos de uranio-235, algunos núcleos de uranio-235 absorben los neutrones y sufren fisión. Si los neutrones producidos por la fisión nuclear del uranio-235 bombardean otro uranio-235, se provocará una nueva fisión, que es una reacción en cadena de la fisión. La condición (o estado) para que esta reacción en cadena de fisión nuclear se mantenga, o mantenga su reacción en cadena de fisión nuclear autosostenida, es que haya al menos un neutrón de cada fisión a otra fisión, y no más de un neutrón. Este estado se llama "estado crítico".
La reacción en cadena autosostenida entre neutrones y núcleos de uranio-235 se puede controlar artificialmente. El método de control más comúnmente utilizado en la actualidad es colocar o retirar materiales absorbentes de neutrones del material fisionable que produce la reacción en cadena (como el uranio-235). Durante el funcionamiento normal, el material fisionable se encuentra en un estado crítico, manteniendo así una reacción en cadena de fisión nuclear estable y manteniendo así una liberación estable de energía nuclear. Si es necesario detener la reacción en cadena, se deben colocar más materiales absorbentes de neutrones; si es necesario liberar más energía nuclear, se pueden eliminar algunos materiales absorbentes de neutrones. Este tipo de dispositivo que puede mantener y controlar la fisión nuclear para lograr la conversión de energía nuclear a energía térmica se llama reactor.
1. La composición de los átomos
Los átomos están compuestos por protones, neutrones y electrones. Todo en el mundo está formado por átomos, y cualquier átomo está compuesto por un núcleo cargado positivamente y electrones cargados negativamente que giran alrededor del núcleo. Un átomo de uranio-235 tiene 92 electrones y su núcleo consta de 92 protones y 143 neutrones. 500.000 átomos dispuestos igual al diámetro de un cabello. Si se compara el átomo con un enorme palacio, su núcleo tiene sólo el tamaño de una semilla de soja y sus electrones equivalen a la punta de una aguja. Una central térmica de 10.000 kilovatios quema alrededor de 3,3 millones de toneladas de carbón cada año y requiere muchos trenes para transportarlo. Una central nuclear de la misma capacidad utiliza sólo 30 toneladas de combustible al año.
2. La estructura del núcleo atómico
El núcleo atómico suele estar compuesto por protones y neutrones. El núcleo de hidrógeno más simple tiene un solo protón. El número de protones en el núcleo de un átomo (el número atómico) determina a qué elemento pertenece un átomo. El número total de protones y neutrones se llama número másico de un átomo.
Isótopos
Algunos átomos con el mismo número de protones p pero diferente número de neutrones n, o algunos átomos con el mismo número atómico z pero diferente número de masa atómica, ocupan la tabla periódica de sustancias químicas. elementos Las mismas posiciones se llaman isótopos. Por tanto, el término “isótopo” se utiliza para referirse a varios átomos de un elemento que tienen las mismas propiedades químicas. Los isótopos suelen dividirse por masa en isótopos pesados (como el uranio-238, uranio-235, uranio-234 y uranio-233) e isótopos ligeros (como los isótopos de hidrógeno, como el deuterio y el tritio).
4. Energía nuclear
Hace más de 50 años, los científicos descubrieron que el núcleo de uranio-235 puede dividirse tras absorber un neutrón, liberando 2-3 neutrones y una gran cantidad de energía al mismo tiempo. Las reacciones químicas liberan mucha más energía. Esta es la energía de fisión nuclear, que es lo que llamamos energía nuclear.
Las bombas atómicas utilizan la energía liberada por la fisión nuclear para matar y destruir, y los reactores nucleares también utilizan este principio para obtener energía. La diferencia es el control.
5. Fusión nuclear ligera
Dos núcleos más ligeros se fusionan en un núcleo más pesado, liberando una enorme energía al mismo tiempo. Esta reacción se llama reacción de fusión nuclear ligera. Es una de las formas importantes de obtener energía nuclear. En el Sol y otras estrellas, debido a la presión y temperatura extremadamente altas, los núcleos ligeros tienen suficiente energía cinética para superar la repulsión electrostática y continuar la fusión. Las reacciones de fusión nuclear autosostenidas deben llevarse a cabo a presión y temperatura extremadamente altas, por lo que se denominan "reacciones de fusión termonuclear".
Las bombas de hidrógeno utilizan la reacción de fusión de núcleos de deuterio y tritio para liberar instantáneamente una enorme energía para matar y destruir. Los reactores de fusión termonuclear controlados también aplican este principio básico. La mayor diferencia entre esta y una bomba de hidrógeno es que la energía que libera se puede controlar.
6.Características del uranio y su liberación de energía
El uranio es el elemento con mayor número atómico de la naturaleza. El uranio natural se compone de varios isótopos: excepto un 0,71% de uranio-235 (235 es el número másico) y trazas de uranio-234, el resto es uranio-238.
La energía liberada por la fisión completa de los núcleos de uranio-235 es 2.700.000 veces la energía liberada por la combustión completa de la misma cantidad de carbón. En otras palabras, la energía liberada por la fisión completa de 1 g de U-235 equivale a la energía liberada por la combustión completa de 2 toneladas de carbón de calidad media.
7. ¿Cómo liberar energía nuclear?
Hay dos formas principales de obtener energía nuclear: la fisión nuclear pesada y la fusión nuclear ligera. El U-235 tiene la característica de que cuando un neutrón bombardea su núcleo, puede dividirse en dos núcleos de menor masa, produciendo simultáneamente 2-3 neutrones y rayos beta y gamma, liberando una energía de unos 200 mev.
Si un neutrón recién generado bombardea otro núcleo de uranio-235, provocará una nueva fisión, y así sucesivamente, de modo que la reacción de fisión continúe. Esta es la reacción en cadena de fisión, donde se libera energía nuclear continuamente.
8. Liberación de energía de fusión nuclear
La energía liberada por la fusión nuclear ligera con la misma cantidad de uranio es varias veces mayor que la del uranio. Por ejemplo, la reacción completa de 1 g de deuteruro de litio (Li-6) produce aproximadamente tres veces la energía de 1 g de uranio-235. Las condiciones para la fusión nuclear son muy duras, lo que significa que los núcleos de hidrógeno deben mantenerse a una temperatura alta de decenas de millones de grados para que los núcleos relativamente grandes puedan tener la energía cinética necesaria para lograr la polimerización.
9. Las centrales nucleares son energía limpia.
Actualmente, la mayoría de los problemas de contaminación ambiental están provocados por el uso de combustibles fósiles. La combustión de combustibles fósiles libera grandes cantidades de hollín, dióxido de carbono, dióxido de azufre, óxidos de nitrógeno, etc. El "efecto invernadero" causado por gases nocivos como el dióxido de carbono aumentará la temperatura de la Tierra, provocará anomalías climáticas, acelerará el proceso de desertificación de la tierra y tendrá un impacto catastrófico en el desarrollo sostenible de la economía social. Las centrales nucleares no emiten estas sustancias nocivas y no provocan el "efecto invernadero". En comparación con las centrales térmicas, las centrales nucleares no provocan el "efecto invernadero".
Alrededor de las centrales nucleares extranjeras, la gente vive, nada, pastorea ganado vacuno y ovino y pesca. Algunas centrales nucleares están ubicadas cerca de las grandes ciudades y otras en zonas turísticas. Las centrales nucleares son fuentes de energía seguras, económicas y limpias, más respetuosas con el medio ambiente que las centrales térmicas.
10. Las centrales nucleares son energía económica.
Muchos años de estadísticas de países con energía nuclear en el mundo muestran que, aunque la inversión específica en centrales nucleares es mayor que la de las centrales alimentadas con carbón, el costo del combustible nuclear es significativamente menor. de las centrales eléctricas alimentadas con carbón, y el combustible es un factor a largo plazo. El coste total de generar electricidad a partir de una central nuclear es menor que el de una central alimentada por carbón.
11. La energía nuclear es una fuente de energía para el desarrollo sostenible.
Las reservas probadas de uranio en el mundo son aproximadamente 4,9 millones de toneladas, y las reservas de torio son aproximadamente 2,75 millones de toneladas. Estos combustibles de fisión son suficientes para su uso en la era de la energía de fusión. Los combustibles de fusión son principalmente deuterio y litio. El contenido de deuterio en el agua de mar es de 0,034 g/L. Se estima que el volumen total de agua en la Tierra es de aproximadamente 654,38+03,8 mil millones de metros cúbicos, de los cuales el deuterio en la Tierra es de 4 billones de toneladas y el de litio es de más de 200 mil millones. montones. El litio se puede utilizar para producir tritio, que es suficiente para uso humano en la era de la energía de fusión. Según el nivel actual de consumo de energía mundial, el deuterio y el tritio disponibles en la Tierra para la fusión nuclear pueden ser utilizados por los humanos durante cientos de miles de millones de años. Por lo tanto, algunos expertos en energía creen que mientras se resuelva la tecnología de fusión nuclear, la humanidad resolverá fundamentalmente el problema energético.
Reacción en cadena de fisión
Reacción de fisión autosostenida mediada por neutrones. Por ejemplo, la fisión nuclear de 235U se produce después de absorber un neutrón, mientras se libera un promedio de 2 a 3 neutrones para eliminar la pérdida. Si otro neutrón puede provocar la fisión de otro núcleo de 235U, la fisión puede proceder por sí sola. La energía liberada por una sola fisión nuclear es de sólo 3,4×10-11 julios (J), cantidad insignificante en comparación con la energía utilizada habitualmente. Para que la fisión nuclear alcance niveles prácticos, debe ocurrir una gran cantidad de fisión nuclear, lo que requiere mantener la reacción en cadena de la fisión. En una reacción de fisión, los neutrones tienen tres destinos posibles: provocar fisión, ser absorbidos y escapar del combustible nuclear. Los principales componentes del uranio natural son el 238U y el 235U, y el 235U representa sólo el 0,71%. El 235U es un buen combustible de fisión. Puede ser fisionado por neutrones de cualquier energía y tiene una gran sección transversal de fisión para neutrones térmicos; sin embargo, los neutrones térmicos no pueden causar la fisión del 238U, pueden absorber neutrones térmicos y sufrir (n, γ). reacciones. Los neutrones absorbidos y escapados del combustible nuclear son pérdidas. Para realizar la reacción en cadena de fisión, estas dos pérdidas deben reducirse de modo que la relación entre el número de neutrones obtenidos en el proceso de fisión posterior y el número de neutrones causados por la generación anterior, es decir, el coeficiente de multiplicación de neutrones k ≥ 1.