Kodolu dalīšanās: definīcija, process un pielietojumi

Kodola skaldīšanās ir viena no kodolreakcijām. Tās laikā atoms sadalās mazākos atomos. Dažas skaldīšanās reakcijas izdala daudz enerģijas, un tās izmanto kodolieročos un kodolreaktoros. Kodola skaldīšanu 1938. gada decembrī Berlīnē atklāja vācu kodolķīmiķis Otto Hāns un viņa asistents Frics Štrassmans.

Atoms ir mazākā daļiņa, kas veido ķīmisko elementu (piemēram, ūdeņradi, skābekli, magniju). Visi atomi ir ļoti mazi. Atomi sastāv no trim sastāvdaļām jeb daļiņām: Protoni, neitroni un elektroni. Protoni un neitroni ir sapulcējušies bumbiņā, ko sauc par kodolu un kas atrodas katra atoma centrā. Elektroni riņķo ap kodolu tā "elektronu mākonī". Elementi, kuriem ir lieli kodoli, piemēram, urāns un plutonijs, var sadalīties.

Ja (relatīvi) ļoti lielu atoma kodolu ietekmē lēni kustīgs neitrons, tas dažkārt kļūst nestabils un sadalās divos kodolos. Kad kodols sadalās (vai sadalās), tas izdala enerģiju, galvenokārt gamma staru un siltuma veidā. No kodola atbrīvojas arī daži neitroni.

Dažiem izotopiem (atoms ar vienādu skaitu protonu, bet atšķirīgu skaitu neitronu) šāda skaldīšanās var izdalīt daudz neitronu. Ja šie neitroni trāpīs uz citiem atomiem, tie liks tiem sadalīties. Tas var notikt atkal un atkal. To sauc par kodolreakciju, un tā var ļoti ātri atbrīvot milzīgu enerģijas daudzumu. Kodolreakcijas ķēdes reakcijas izdalītās enerģijas daudzumu mēra kilotonnās. Viena kilotonna ir tāda pati enerģija kā tūkstotis tonnu TNT (trinitrotoluola).

Kodolbumbā tam jānotiek ļoti ātri, lai notiktu ļoti liels sprādziens. Kodolreaktorā tam jānotiek lēni, lai radītu siltumu. Siltumu izmanto, lai ūdeni pārvērstu tvaikā, kas griež tvaika turbīnu un ražo elektroenerģiju.

Kā notiek kodolu dalīšanās — process detaļās

Kodolu dalīšanās (kodola skaldīšanās) sākas, kad smags kodols, piemēram, urāna vai plutonija izotops, absorbē brīvo neitronu. Šī absorbcija kodolu padara nestabilu — tas deformējas un sadalās divos vai vairākos vieglākos kodolos (skaldīšanās produkti). Šajā procesā izdalās liels enerģijas daudzums kā kinētiskā enerģija skaldīšanās produktiem, kā arī elektromagnētiskie gamma-stari un brīvie neitroni.

Tipiski papildus izdalītie neitroni var izraisīt jaunas skaldīšanās reakcijas, ja ir pietiekami daudz piemērotu atomu un ja neitroni tiek adekvāti lēnināti (modulēti). Tieši tā rodas ķēdes reakcija.

Ķēdes reakcija, kritiskums un moderators

• Subkritiska, kritiska un superkritiska masa: Lai ķēdes reakcija turpinātos, jābūt pietiekami daudz derīga materiāla — to sauc par kritisko masu. Ja masas ir mazāk par kritisko, reakcija apstājas (subkritiska). Ja tā ir tieši kritiska, reakcija notiek pastāvīgā, kontrolētā līmenī. Ja tā ir superkritiska, reakcija strauji pieaug (kā kodolbumbā).
• Moderatori: Dažos gadījumos nepieciešams neitronus palēnināt (piem., ūdens vai grafīts), jo lēnāki neironi (termiskie neitroni) lielākai daļai šķembu izotopu izraisa skaldīšanos efektīvāk.
• Vadība: Kodolreaktoros ķēdes reakcija tiek kontrolēta ar vadības stabiņiem (no bora, kadmija u. c.), kas absorbē liekos neitronus, un ar dzeses sistēmu, kas transportē siltumu prom no kodola.

Izotopi, kas piemēroti skaldīšanai

Biežākie skaldāmie izotopi ir urāna-235 (U-235) un plutonija-239 (Pu-239). Parasti dabīgajā urānā U-235 sastopas mazā daudzumā (~0.7%); pārējais ir galvenokārt U-238, kas nav viegli skaldāms, bet var pārvērsties par Pu-239 kodolreaktora darbības laikā.

Pielietojumi

• Elektroenerģijas ražošana: Kontrolētas ķēdes reakcijas kodolreaktoros rada siltumu, kas pārvērš ūdeni tvaikā un vada turbīnas; tā ražotā enerģija nodrošina lielu daļu no pasaules elektroenerģijas.
• Kodolieroči: Ātras, nekontrolētas ķēdes reakcijas tiek izmantotas kodolieročos, kur nepieciešama ļoti ātra enerģijas atbrīvošana.
• Medicīna un pētniecība: Kodolreaktori un radioloģiskie avoti ražo radioizotopus medicīniskai diagnostikai un ārstēšanai, kā arī pētniecības nolūkos.

Drošība un atkritumi

Kodolenerģijas izmantošana prasa stingru drošības un regulējuma sistēmu. Galvenie riski ir kodola pārkaršana (izraisot kodola kušanu), radiācijas noplūdes un ilgtermiņa kodolradioaktīvo atkritumu apsaimniekošana. Izmantotais kodoldegviela ir ļoti radioaktīva un prasa ilgtermiņa uzglabāšanu vai pārstrādi. Ir izstrādātas tehnoloģijas, lai samazinātu atkritumu radioaktivitātes ilgumu un apjomu, bet pilnīgu risinājumu vēlmeidro zinātniskos un politiskos diskursos.

Vēsturisks konteksts

Kodola skaldīšanās atklāšana 20. gadsimta beigās radīja gan iespējas (elektrība, medicīna), gan būtiskus riskus (kodolieroči). Pēc Otto Hāna un Frica Štrassmana laboratorijas eksperimentiem tika izskaidrots mehānisms (Lise Meitner un Otto Frisch devās būtisku teorētisku skaidrojumu), kas noveda pie ķēdes reakcijas izmantošanas gan miermīlīgos, gan militāros nolūkos.

Kopsavilkums

Kodolu dalīšanās ir process, kurā smagi atomu kodoli sadalās, atbrīvojot lielu enerģiju, gamma starus un neitronus. Kontrolētas ķēdes reakcijas dod enerģiju kodolreaktoros, bet nekontrolētas reakcijas var radīt sprādzienu kodolieročos. Mūsdienās kodolenerģija joprojām ir nozīmīga enerģijas avotu grupa, kas prasa rūpīgu drošību, atkritumu pārvaldību un starptautisku regulējumu.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir kodola skaldīšana?

J: Kas atklāja kodola skaldīšanu?

J: No kā sastāv atomi?

J: Kuriem elementiem var veikt kodola skaldīšanos?

J: Kā kodola skaldīšanās laikā notiek ķēdes reakcija?

J: Kā tiek izmantots kodola skaldīšanas laikā izdalītais siltums?

Meklēt pēc burta