Voorbeeld van atoomenergie

Atoomenergie is het vermogen om werk te doen, verkregen uit het verval van de atomen van de radioactieve elementen. Het wordt verkregen dankzij de stimulering van deze desintegratie.

Energie in nucleaire processen

Chemische reacties gaan gepaard met een variatie van energie, meestal in de vorm van warmte, die loslaat (exotherme reacties) of wordt geabsorbeerd (endotherme reacties). Wanneer een stof wordt gevormd uit de samenstellende elementen, wordt warmte afgegeven (Positive Heat of Formation), Hoewel er in sommige gevallen, zoals bij het verkrijgen van ozon uit atomaire zuurstof, een heet.

Als dezelfde ideeën worden toegepast op de (veronderstelde) vorming van atoomkernen uit protonen en neutronen, is het duidelijk dat in deze formatie energie vrijkomt, en gezien de aard van de betrokken schakels, zal de energie die hier vrijkomt aanzienlijk groter zijn, zozeer zelfs dat het massaverlies dat met die energievariatie gepaard gaat al is denkbaar. (Volgens het principe van Einstein is de verandering in energie ΔE gelijk aan de verandering in massa Δm, zodat ΔE = Δm * C

², waarbij C de lichtsnelheid is).

Dus, bijvoorbeeld voor het element Lithium Li-7, gevormd door 3 protonen en 4 neutronen, bij de vorming van een gramatoom lithiumkernen met atoommassa 7, hebben we:

3 Protonen = 3 * 1.00756 g = 3.02268 g

4 Neutronen = 4 * 1.00893 g = 4.03572 g

Het resultaat van de som is 7.05840 g.

De atoommassa van Lithium-7 heeft een waarde van 7.01645 g

Hieruit volgt, door de waarden te vergelijken, dat de verandering in massa Δm = 0,04195 g, en ze zijn gelijk aan 9,02 * 10¹¹ calorieën, berekend met de Einstein-vergelijking ΔE = Δm * C².

De hypothetische reactie van de vorming van kernen uit protonen en neutronen geeft miljoenen keren een enorme hoeveelheid energie superieur aan die van meer exotherme gewone chemische reacties.

Elk deeltje van de kern o Nucleon (proton of neutron), omdat het deel uitmaakt van een kern, heeft het een massaverlies ervaren, dat niet constant is, maar een maximale waarde heeft voor de tussenliggende elementen van het periodiek systeem van atoomnummers 20 tot 51, daarna langzaam afnemend met toenemend aantal atomair.

De atoombom

Uranium 235 en Plutonium 239 delen zich door neutronenbombardementen en stoten enorme hoeveelheden energie uit, waarbij nieuwe neutronen vrijkomen.

De voorwaarde om het vermenigvuldigingsproces te laten plaatsvinden, is dat meer dan één neutron dat in elke splitsing wordt geproduceerd, in staat is om een ​​nieuwe splitsing of deling te produceren.

In de uranium stapel, de geproduceerde neutronen ontsnappen gedeeltelijk door het materiaaloppervlak en worden gedeeltelijk geabsorbeerd door Uranium 238 om de zware isotoop Uranium 239 te vormen, die achtereenvolgens vervalt in Neptunium en Plutonium.

Maar als het puur uranium 235 of plutonium 239 is, leidt de mogelijkheid van verlies van neutronen door het oppervlak van hetzelfde tot het kennen van de Kritieke grootte nodig is om de kettingreactie erin te laten ontstaan.

De Kritieke grootte van het monster is degene waarin de kettingreactie, het splitsen van het atoom, zich vrijwel onmiddellijk ontwikkelt.

Als het monster van splitsbaar materiaal (deelbaar door neutronenbombardement) een diameter heeft die kleiner is dan het gemiddelde pad dat een snel neutron moet afleggen om de splitsingsproces, is het duidelijk dat de neutronen die in de occasionele splitsingen door reizende neutronen worden geproduceerd, door het oppervlak zullen ontsnappen zonder andere aan te vallen kern.

Integendeel, als het monster groter is dan de kritische grootte, worden de af en toe geproduceerde neutronen op weg naar hierdoor zullen ze een grote kans hebben om nieuwe kernen te splijten, waardoor ze in een versneld tempo het proces van voortzetten divisie.

Als een monster groter is dan de kritische grootte, zal het een onmiddellijke explosie ondergaan, terwijl als het kleiner is, het een langzame splitsing zal veroorzaken die echter moet worden vermeden. Hiervoor wordt het splijtbare materiaal in dunne lagen bewaard in cadmiumcontainers die in water worden bewaard; incidentele incidentele neutronen worden door het water afgeremd en vervolgens opgevangen door cadmium voordat ze het beschermde materiaal kunnen bereiken.

Als meerdere stukken splitsbaar materiaal snel worden gemengd, elk iets kleiner dan de kritische grootte, wordt een enkele massa (atoombom) gevormd, die onmiddellijk explodeert. De snelheid waarmee de stukken splijtbaar materiaal moeten voldoen, moet zeer hoog zijn om te voorkomen dat wanneer de reactie begint Omdat de ketting heel dichtbij is, verspreidt de vrijgekomen energie de stukjes van het materiaal voordat ze volledig in contact komen.

Er zijn twee stukken splijtbaar materiaal die voldoende zijn beschermd met neutronenvangers en een paar centimeter van elkaar verwijderd zijn. Op het juiste moment wordt het ene stuk op het andere afgevuurd met de snelheid van een snel projectiel.

De details van de constructie en het mechanisme van de experimentele atoombom die in de vroege ochtend van 16 juli ontplofte, 1945 in de woestijn van New Mexico, werden ze geleid door professor Oppenheimer, een theoretisch fysicus aan de Universiteit van Californië.

De twee bommen die weken later tegen Japan werden gedropt, werden gevormd, de eerste voor uranium 235 en de tweede voor plutonium.

Hoewel de energie die vrijkomt bij de splitsing van een uraniumkern wordt berekend op ongeveer 200 miljoen elektronvolt, dat wil zeggen ongeveer 2x10¹⁰ Kilocalorieën per Kilogram gesplitst uranium blijft slechts 1-5% bruikbaar, wat overeenkomt met een beschikbare explosieve energie per kilogram U-235 equivalent aan die van ongeveer 300 ton trinitrotolueen (TNT, trilita)

Aan de explosieve golf die is ontstaan ​​bij de explosie van de atoombom zijn de verschrikkelijke brandgevaarlijke effecten toegevoegd geproduceerd door de intense gammastraling die wordt uitgezonden, die bepaalt hoe een miniatuurzon, hoewel kort looptijd.

De verwoesting veroorzaakt door geïsoleerde bommen boven de Japanse steden Hiroshima en Nagasaki zijn het bewijs van de enorme atoomenergie die vrijkomt bij atomaire desintegratie.

Gehoopt wordt echter dat atoomenergie in de toekomst voor vreedzaam gebruik kan worden toegepast, vooral in gevallen waar een grote concentratie van energie in een kleine hoeveelheid wenselijk is van materiaal.

Voorbeelden van atoomenergietoepassingen

Thermische energieopwekking

Mechanische energieopwekking

Opwekking van elektrische energie

Oorlogsdoeleinden met de atoombom

Subatomaire deeltjesbotsing

Experimenteren voor nieuwe technologieën

In de mijnbouw, voor straalmateriaal

Voor onderzoek naar nieuwe materialen