Kodolreakcija: definīcija, kodolsintēze, šķelšanās un pielietojumi
Kodolreakcija: definīcija, kodolsintēze, šķelšanās un pielietojumi — skaidrojums par enerģijas ražošanu, kodolspēkstacijām, drošību un kodoltehnoloģiju risinājumiem.
Kodolreakcija ir process, kurā piedalās atoma kodols vai vairāki kodoli. Šo procesu rezultātā mainās daļiņu sastāvs un enerģija, un tas var notikt spontāni vai tikt izraisīts mākslīgi.
Galvenie veidi
- Kodolsintēze — reakcija, kurā saduras divas vai vairākas daļiņas un saplūst vienā jaunā kodolā. Šajā procesā parasti tiek atbrīvota liela enerģija, kā tas notiek Saules kodolā (protonu-protonu ķēde vai CNO cikls) vai plazmas eksperimentālos apstākļos.
- Kodola skaldīšanās — kodola sadalīšanās divos vai vairākos mazākos kodolos (un brīviem neitroniem). Šo procesu izmanto kodolenerģijas ražošanā un dažos sprādzienbīstamos ierīču veidos; tipisks piemērs ir smaga kodola, piemēram, 235U, sadalīšanās, kad tas uzņem neitronu.
- Radioaktīvā sabrukšana — process, kad nestabils kodols spontāni izstaro daļiņu vai starojumu un pārvēršas citā elementā vai izotopā. Šis process ir spontāns un raksturīgs noteiktiem izotopiem.
Spontānas un izraisītas reakcijas
Radioaktivitātes gadījumā reakcija ir spontāna — to nekontrolē ārēji. Savukārt šķelšanās un kodolsintēze var notikt arī mērķtiecīgi, ja kodoli ir pakļauti piemērotiem apstākļiem (piemēram, tiek pievadīts neitrons, augsta temperatūra vai spiediens). Mērķtiecīgi izraisītas nukleāras reakcijas izmanto enerģijas iegūšanā, medicīnā un zinātnē.
Enerģijas atbrīvošana un pielietojumi
Šajā procesā atbrīvotā enerģija rodas, jo masas defekts kodolu reakcijās pārvēršas enerģijā (slavenā E = mc² ideja). To enerģiju var izmantot dažādos veidos:
- Tvaika ražošanai un elektroenerģijas ražošanai: tvaika ģenerēšana kodolspēkstacijās (kodolspēkstacijā), kur siltums no ķēdes reakcijām silda ūdeni.
- Medicīnā: radioaktīvie izotopi, ko iegūst daļiņu paātrinātājos vai reaktoros, izmanto diagnostikā un terapijā.
- Rūpniecībā un zinātnē: daļiņas no kosmosa un mākslīgi iegūti radioaktīvie avoti tiek izmantoti materiālu pārbaudēm, attīrīšanai un pētniecībai.
- Militārie pielietojumi: kodolenerģiju var izmantot arī bumbai, kas ir cilvēces drošības, ētikas un starptautisko līgumu jautājums.
Piemēri un procesi
Piemērā attēlā 6Li saplūst ar deitēriju. Tādējādi rodas berilijs, kas sadalās divās alfa daļiņās. Šādas reakcijas ilustrē, kā sākotnējie kodoli var pārvērsties citā veidā un radīt sekundāras daļiņas.
Saulē notiek intensīvas kodolsintēzes ķēdes (skat. Saule), bet uz Zemes praktiskai kodolsintēzei cilvēki izmanto eksperimentālos reaktorus un plazmas ierīces. Kodolreaktori un daļiņu paātrinātāji ir galvenās laboratorijas, kur notiek kontrolētas kodolreakcijas. Reaktoru primārais mērķis ir iegūt siltumu, ko pārvērš elektrībā (elektrību).
Kur tās notiek dabā un cilvēka radītās vietās
Kodolreakcijas notiek saulē, kodolreaktoros, daļiņu paātrinātājos un kosmosā. Izņemot radioaktīvo sabrukšanu, uz Zemes notiek samērā maz spontānu kodolreakciju — lielākoties tās ir koncentrētas speciālās ierīcēs vai notiek, kad augstas enerģijas daļiņas no kosmosa mijiedarbojas ar Zemes gaisu, kas atmosfērā rada nelielu, taču pastāvīgu radioaktivitātes fonu (gaisu padara nedaudz radioaktīvu).
Atšķirības no ķīmiskajām reakcijām
Kodolreakcijas atšķiras no ķīmiskajām reakcijām ar to, ka tām galvenais notikums ir izmaiņas atomu kodolos, nevis elektronapvalkos. Tāpēc:
- Enerģijas mērogs ir daudz lielāks (MeV līmenī) nekā ķīmiskajām reakcijām (eV līmenī).
- Tām parasti nav nepieciešams ķīmisks katalizators; radioaktīvo sabrukšanu parasti nevar apturēt, paātrināt vai palēnināt. (Ir speciāli, sarežģīti mehānismi, piemēram, muonu katalizēta sintēze, kas ir izņēmums eksperimentālajā zinātnē, bet tas nav praktisks ģenerālai katalīzei kodolreakcijās.)
Drošība, atkritumi un regulācija
Kodolreakcijas un ar tām saistītie produkti prasa rūpīgu drošības un apkopes nodrošināšanu. Galvenie aspekti:
- Radioaktīvie atkritumi var saglabāt radiācijas risku gados vai pat gadsimtos, tāpēc nepieciešamas ilgtermiņa uzglabāšanas un izolācijas metodes.
- Kodolreaktoru darbība ietver kritiskuma vadību (ķēdes reakcijas kontrole ar vadstieņiem, moderatoriem un dzesi) un stingru regulāciju, lai novērstu ārkārtas situācijas.
- Sabiedrības veselības un vides aizsardzība prasa monitoringu un starptautisko standartu ievērošanu.
Kopsavilkums
Kodolreakcija ir plašs jēdziens, kas ietver kodolsintēzi, šķelšanos un radioaktīvo sabrukšanu. Tās galvenā iezīme ir to notikšana kodolā un saistītās lielās enerģijas izmaiņas. Kodolreakcijas sniedz gan lielas iespējas (enerģijas ražošana, medicīna, zinātne), gan būtiskus riskus (radiācijas bīstamība, atkritumu apsaimniekošana, militārie pielietojumi), tāpēc tām pievērš lielu uzmanību tiesību akti, tehnoloģiskā drošība un sabiedrības debates.
Par to, kā litijs reaģē ar deiteriju.
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir kodolreakcija?
A: Kodolreakcija ir process, kurā piedalās atoma kodols vai vairāki kodoli. Tā var būt kodolsintēze, kodola skaldīšanās un radioaktīvā sabrukšana.
Q: Kā notiek kodolsintēze?
A: Kodolsintēze notiek, saduroties divām vai vairākām daļiņām, un rezultātā rodas jaunas daļiņas, kas atšķiras no pirmajām.
J: Kāds ir kodola skaldīšanās reakcijas rezultāts?
A: Kodola skaldīšanās reakcijā kodols sadalās daļiņās.
J: Ar ko radioaktīvā sabrukšana atšķiras no citiem reakciju veidiem?
A: Radioaktīvā sabrukšana ir spontāna, un tai nav nepieciešams katalizators, kā tas ir ķīmisko reakciju gadījumā. Turklāt radioaktīvo sabrukšanu nevar apturēt, paātrināt vai palēnināt.
J: Kur notiek kodolreakcijas?
A: Kodolreakcijas notiek saulē, kodolreaktoros, daļiņu paātrinātājos un kosmosā. Uz Zemes tās galvenokārt notiek tikai šajās īpašajās vietās.
J: Kādi ir daži kodolreakcijas izdalītās enerģijas izmantošanas veidi?
A: Kodolreakcijas izdalīto enerģiju var izmantot tvaika ražošanai (kā kodolspēkstacijās) vai kā enerģiju bumbām.
Meklēt