Fisi dan fusi nuklir

Fusi nuklir Dan fisi nuklir adalah berbagai jenis reaksi yang melepaskan energi karena adanya ikatan atom bertenaga tinggi antara partikel yang ditemukan dalam nukleus. Dalam fisi, atom dibagi menjadi dua atau lebih atom yang lebih kecil dan lebih ringan. Fusion, sebaliknya, terjadi ketika dua atau lebih atom yang lebih kecil menyatu bersama, menciptakan atom yang lebih besar dan lebih berat.

Grafik perbandingan

Definisi

Fusi nuklir adalah reaksi di mana dua atau lebih nukleus bergabung, membentuk elemen baru dengan jumlah atom yang lebih tinggi (lebih banyak proton dalam nukleus). Energi yang dilepaskan dalam fusi terkait dengan E = MC ² (Persamaan massa energi Einstein yang terkenal). Di bumi, reaksi fusi yang paling mungkin adalah reaksi deuterium-tritium. Deuterium dan tritium adalah isotop hidrogen.

² ₁Deuterium + ³ ₁Tritium = ⁴₂Dia + ¹₀N + 17.6 Mev

[Gambar: reaksi fisi.SVG | Thumb | Tidak Ada | Reaksi Fisi]]

Fisi nuklir adalah pemisahan nukleus masif menjadi foton dalam bentuk sinar gamma, neutron bebas, dan partikel subatomik lainnya. Dalam reaksi nuklir khas yang melibatkan ²³⁵U dan neutron:

²³⁵₉₂U + N = ²³⁶₉₂U

diikuti oleh

²³⁶₉₂U = ¹⁴⁴₅₆Ba + ⁸⁹ ₃₆KR + 3N + 177 Mev

Fisi vs. Fisika fusi

Atom disatukan oleh dua dari empat kekuatan fundamental alam: ikatan nuklir yang lemah dan kuat. Jumlah total energi yang dimiliki dalam ikatan atom disebut energi pengikat. Semakin banyak energi yang mengikat di dalam ikatan, semakin stabil atom. Selain itu, atom mencoba menjadi lebih stabil dengan meningkatkan energi mengikatnya.

Nukleon atom besi adalah nukleon paling stabil yang ditemukan di alam, dan tidak ada sekering atau pemecahan. Inilah sebabnya mengapa besi berada di bagian atas kurva energi yang mengikat. Untuk inti atom lebih ringan dari besi dan nikel, energi dapat diekstraksi oleh menggabungkan Nukleus besi dan nikel bersama melalui fusi nuklir. Sebaliknya, untuk inti atom lebih berat dari besi atau nikel, energi dapat dilepaskan oleh pemisahan inti berat melalui fisi nuklir.

Gagasan membelah atom muncul dari karya fisikawan Inggris kelahiran Selandia Baru Ernest Rutherford, yang juga mengarah pada penemuan proton.

Kondisi untuk fisi dan fusi

Fisi hanya dapat terjadi dalam isotop besar yang mengandung lebih banyak neutron daripada proton di inti mereka, yang mengarah ke lingkungan yang sedikit stabil. Meskipun para ilmuwan belum sepenuhnya memahami mengapa ketidakstabilan ini sangat membantu untuk fisi, teori umum adalah bahwa sejumlah besar proton menciptakan kekuatan menjijikkan yang kuat di antara mereka dan terlalu sedikit atau terlalu banyak neutron menciptakan "celah" yang menyebabkan melemahnya dari ikatan nuklir, yang mengarah ke peluruhan (radiasi). Nukleii besar ini dengan lebih banyak "celah" dapat "dibagi" dengan dampak neutron termal, yang disebut neutron "lambat".

Kondisi harus benar untuk terjadi reaksi fisi. Agar fisi dapat mandiri, zat harus mencapai massa kritis, jumlah minimum massa yang diperlukan; Jatuh pendek membatasi massa kritis panjang reaksi menjadi mikrodetik belaka. Jika massa kritis tercapai terlalu cepat, yang berarti terlalu banyak neutron dilepaskan dalam nanoseconds, reaksi menjadi murni eksplosif, dan tidak ada pelepasan energi yang kuat yang akan terjadi.

Reaktor nuklir sebagian besar adalah sistem fisi terkontrol yang menggunakan medan magnet untuk mengandung neutron liar; Ini menciptakan rasio sekitar 1: 1 pelepasan neutron, yang berarti satu neutron muncul dari dampak satu neutron. Karena angka ini akan bervariasi dalam proporsi matematika, di bawah apa yang dikenal sebagai distribusi Gaussian, medan magnet harus dipertahankan agar reaktor berfungsi, dan batang kontrol harus digunakan untuk memperlambat atau mempercepat aktivitas neutron.

Fusi terjadi ketika dua elemen yang lebih ringan dipaksa bersama oleh energi yang sangat besar (tekanan dan panas) sampai mereka melebur ke isotop lain dan melepaskan energi. Energi yang dibutuhkan untuk memulai reaksi fusi sangat besar sehingga dibutuhkan ledakan atom untuk menghasilkan reaksi ini. Namun, begitu fusi dimulai, secara teoritis dapat terus menghasilkan energi selama dikendalikan dan isotop sekering dasar disediakan.

Bentuk fusi yang paling umum, yang terjadi pada bintang-bintang, disebut "fusi D-T," mengacu pada dua isotop hidrogen: deuterium dan tritium. Deuterium memiliki 2 neutron dan tritium memiliki 3, lebih dari satu proton hidrogen. Hal ini membuat proses fusi lebih mudah karena hanya muatan antara dua proton yang perlu diatasi, karena menggabungkan neutron dan proton membutuhkan mengatasi gaya penolak alami dari partikel yang dibebankan seperti (proton memiliki muatan positif, dibandingkan dengan kurangnya muatan neutron ' ) dan suhu - untuk instan - hampir 81 juta derajat Fahrenheit untuk fusi D -T (45 juta Kelvin atau sedikit lebih sedikit di Celcius). Sebagai perbandingan, suhu inti matahari sekitar 27 juta F (15 juta C).^[1]

Setelah suhu ini tercapai, fusi yang dihasilkan harus terkandung cukup lama untuk menghasilkan plasma, salah satu dari empat keadaan materi. Hasil dari penahanan tersebut adalah pelepasan energi dari reaksi D-T, menghasilkan helium (gas mulia, inert untuk setiap reaksi) dan neutron cadangan daripada yang dapat "biji" untuk reaksi lebih banyak fusi. Saat ini, tidak ada cara yang aman untuk menginduksi suhu fusi awal atau mengandung reaksi sekering untuk mencapai keadaan plasma yang stabil, tetapi upaya sedang berlangsung.

Jenis reaktor ketiga disebut reaktor peternak. Ini bekerja dengan menggunakan fisi untuk membuat plutonium yang dapat menyemai atau berfungsi sebagai bahan bakar untuk reaktor lain. Reaktor peternak digunakan secara luas di Prancis, tetapi sangat mahal dan membutuhkan langkah -langkah keamanan yang signifikan, karena output dari reaktor ini dapat digunakan untuk membuat senjata nuklir juga.

Reaksi berantai

Fisi dan fusi reaksi nuklir adalah reaksi berantai, yang berarti bahwa satu peristiwa nuklir menyebabkan setidaknya satu reaksi nuklir lainnya, dan biasanya lebih banyak. Hasilnya adalah siklus reaksi yang meningkat yang dapat dengan cepat menjadi tidak terkendali. Jenis reaksi nuklir ini dapat berupa beberapa split isotop berat (e.G. ²³⁵ U) atau penggabungan isotop cahaya (e.G. ²Tangan ³H).

Reaksi rantai fisi terjadi saat neutron membombardir isotop yang tidak stabil. Jenis proses "dampak dan hamburan" ini sulit dikendalikan, tetapi kondisi awalnya relatif sederhana untuk dicapai. Reaksi rantai fusi berkembang hanya di bawah tekanan ekstrem dan kondisi suhu yang tetap stabil oleh energi yang dilepaskan dalam proses fusi. Kondisi awal dan bidang penstabil sangat sulit untuk dilaksanakan dengan teknologi saat ini.

Rasio energi

Reaksi fusi melepaskan energi 3-4 kali lebih banyak daripada reaksi fisi. Meskipun tidak ada sistem fusi berbasis bumi, output matahari adalah tipikal dari produksi energi fusi karena terus-menerus mengubah isotop hidrogen menjadi helium, memancarkan spektrum cahaya dan panas. Fisi menghasilkan energinya dengan memecah satu gaya nuklir (yang kuat) dan melepaskan sejumlah panas yang luar biasa daripada yang digunakan untuk memanaskan air (dalam reaktor) untuk kemudian menghasilkan energi (listrik). Fusion mengatasi 2 kekuatan nuklir (kuat dan lemah), dan energi yang dilepaskan dapat digunakan secara langsung untuk memberi daya pada generator; Jadi tidak hanya lebih banyak energi yang dilepaskan, tetapi juga dapat dimanfaatkan untuk aplikasi yang lebih langsung.

Penggunaan energi nuklir

Reaktor nuklir eksperimental pertama untuk produksi energi mulai beroperasi di sungai kapur, Ontario, pada tahun 1947. Fasilitas energi nuklir pertama di U.S., Breeder Experimental Reactor-1, diluncurkan segera sesudahnya, pada tahun 1951; itu bisa menyalakan 4 umbi. Tiga tahun kemudian, pada tahun 1954, u.S. meluncurkan kapal selam nuklir pertamanya, U.S.S. Nautilus, saat u.S.S.R. meluncurkan reaktor nuklir pertama di dunia untuk pembangkit listrik skala besar, di Obninsk. U.S. meresmikan fasilitas produksi tenaga nuklirnya setahun kemudian, menerangi Arco, Idaho (pop. 1.000).

Fasilitas komersial pertama untuk produksi energi menggunakan reaktor nuklir adalah pabrik Calder Hall, di Windscale (sekarang Sellafield), Inggris Raya. Itu juga merupakan tempat kecelakaan terkait nuklir pertama pada tahun 1957, ketika kebakaran terjadi karena kebocoran radiasi.

U skala besar pertama.S. Pabrik Nuklir Dibuka di Shippingport, Pennsylvania, pada tahun 1957. Antara tahun 1956 dan 1973, hampir 40 reaktor nuklir produksi daya diluncurkan di U.S., yang terbesar adalah unit salah satu pembangkit listrik tenaga nuklir di Illinois, dengan kapasitas 1.155 megawatt. Tidak ada reaktor lain yang dipesan sejak online, meskipun yang lain diluncurkan setelah tahun 1973.

Prancis meluncurkan reaktor nuklir pertama mereka, Phénix, yang mampu menghasilkan 250 megawatt kekuasaan, pada tahun 1973. Reaktor penghasil energi paling kuat di U.S. (1.315 MW) Dibuka pada tahun 1976, di Trojan Power Plant di Oregon. Pada 1977, u.S. memiliki 63 pembangkit nuklir yang beroperasi, menyediakan 3% dari kebutuhan energi negara. 70 lainnya dijadwalkan online pada tahun 1990.

Unit dua di Pulau Tiga mil mengalami kehancuran parsial, melepaskan gas inert (Xenon dan Krypton) ke lingkungan. Gerakan anti-nuklir memperoleh kekuatan dari kekhawatiran yang disebabkan oleh insiden itu. Kekhawatiran semakin besar pada tahun 1986, ketika Unit 4 di pabrik Chernobyl di Ukraina mengalami reaksi nuklir yang melarikan diri yang meledak fasilitas itu, menyebarkan bahan radioaktif ke seluruh area dan sebagian besar Eropa. Selama tahun 1990 -an, Jerman dan terutama Prancis memperluas pembangkit nuklir mereka, dengan fokus pada reaktor yang lebih kecil dan lebih mudah dikendalikan. China meluncurkan 2 fasilitas nuklir pertamanya pada tahun 2007, menghasilkan total 1.866 MW.

Meskipun energi nuklir berada di peringkat ketiga di belakang batubara dan tenaga air dalam watt global yang dihasilkan, dorongan untuk menutup pembangkit listrik tenaga nuklir, ditambah dengan meningkatnya biaya untuk membangun dan mengoperasikan fasilitas tersebut, telah menciptakan punggung kembali pada penggunaan energi nuklir untuk listrik. Prancis memimpin dunia dalam persentase listrik yang diproduksi oleh reaktor nuklir, tetapi di Jerman, matahari telah menyusul nuklir sebagai produsen energi.

U.S. Masih memiliki lebih dari 60 fasilitas nuklir yang beroperasi, tetapi inisiatif pemungutan suara dan usia reaktor telah menutup pabrik di Oregon dan Washington, sementara lusinan lebih banyak ditargetkan oleh pengunjuk rasa dan kelompok perlindungan lingkungan. Saat ini, hanya Cina yang tampaknya memperluas jumlah pembangkit nuklirnya, karena berupaya mengurangi ketergantungannya pada batubara (faktor utama dalam tingkat polusi yang sangat tinggi) dan mencari alternatif untuk mengimpor minyak.

Kekhawatiran

Ketakutan akan energi nuklir berasal dari ekstremnya, baik sebagai sumber senjata dan listrik. Fisi dari reaktor menciptakan bahan limbah yang secara inheren berbahaya (lihat lebih lanjut di bawah) dan bisa cocok untuk bom kotor. Meskipun beberapa negara, seperti Jerman dan Prancis, memiliki rekam jejak yang sangat baik dengan fasilitas nuklirnya, contoh -contoh lain yang kurang positif, seperti yang terlihat di Pulau Tiga Mil, Chernobyl, dan Fukushima, telah membuat banyak orang enggan menerima energi nuklir, meskipun ia adalah banyak lebih aman dari bahan bakar fosil. Reaktor fusi suatu hari nanti bisa menjadi sumber energi yang terjangkau dan berlimpah yang diperlukan, tetapi hanya jika kondisi ekstrem yang diperlukan untuk menciptakan fusi dan mengelola itu dapat dipecahkan.

Limbah nuklir

Produk sampingan fisi adalah limbah radioaktif yang membutuhkan ribuan tahun untuk kehilangan tingkat radiasi yang berbahaya. Ini berarti bahwa reaktor fisi nuklir juga harus memiliki perlindungan untuk limbah ini dan transportasi ke tempat penyimpanan atau tempat pembuangan yang tidak berpenghuni. Untuk informasi lebih lanjut tentang ini, baca tentang pengelolaan limbah radioaktif.

Kejadian alami

Di alam, fusi terjadi di bintang, seperti matahari. Di bumi, fusi nuklir pertama kali dicapai dalam penciptaan bom hidrogen. Fusi juga telah digunakan di perangkat eksperimental yang berbeda, seringkali dengan harapan menghasilkan energi dengan cara yang terkontrol.

Di sisi lain, fisi adalah proses nuklir yang biasanya tidak terjadi di alam, karena membutuhkan massa besar dan neutron insiden. Meski begitu, ada contoh fisi nuklir di reaktor alami. Ini ditemukan pada tahun 1972 ketika deposit uranium dari Oklo, Gabon, milik saya ditemukan pernah mengalami reaksi fisi alami sekitar 2 miliar tahun yang lalu.

Efek

Singkatnya, jika reaksi fisi tidak terkendali, baik meledak atau reaktor yang menghasilkannya meleleh ke dalam tumpukan besar slag radioaktif. Ledakan atau kehancuran seperti itu melepaskan berton -ton partikel radioaktif ke udara dan permukaan tetangga apa pun (tanah atau air), yang mencemari setiap menit reaksi terus berlanjut. Sebaliknya, reaksi fusi yang kehilangan kontrol (menjadi tidak seimbang) melambat dan menjatuhkan suhu sampai berhenti. Inilah yang terjadi pada bintang saat mereka membakar hidrogen mereka menjadi helium dan kehilangan unsur -unsur ini selama ribuan abad pengusiran. Fusion menghasilkan sedikit limbah radioaktif. Jika ada kerusakan, itu akan terjadi pada lingkungan terdekat dari reaktor fusi dan sedikit lainnya.

Jauh lebih aman untuk menggunakan fusi untuk menghasilkan daya, tetapi fisi digunakan karena dibutuhkan lebih sedikit energi untuk membagi dua atom daripada memadukan dua atom. Juga, tantangan teknis yang terlibat dalam mengendalikan reaksi fusi belum diatasi.

Penggunaan senjata nuklir

Semua senjata nuklir membutuhkan reaksi fisi nuklir untuk bekerja, tetapi bom fisi "murni", yang menggunakan reaksi fisi saja, dikenal sebagai atom, atau atom, bom. Bom atom pertama kali diuji di New Mexico pada tahun 1945, selama puncak Perang Dunia II. Pada tahun yang sama, Amerika Serikat menggunakannya sebagai senjata di Hiroshima dan Nagasaki, Jepang.

Sejak bom atom, sebagian besar senjata nuklir yang telah diusulkan dan/atau direkayasa telah meningkatkan reaksi fisi dalam satu atau lain cara (e.G., Lihat senjata fisi yang ditingkatkan, bom radiologis, dan bom neutron). Persenjataan Termonuklear - Senjata yang Menggunakan Kedua Fisi Dan Fusion berbasis hidrogen-adalah salah satu kemajuan senjata yang lebih terkenal. Meskipun gagasan senjata termonuklear diusulkan pada awal 1941, baru pada awal 1950-an bom hidrogen (bom-H) pertama kali diuji. Tidak seperti bom atom, bom hidrogen memiliki bukan telah digunakan dalam peperangan, hanya diuji (e.G., Lihat Tsar Bomba).

Sampai saat ini, tidak ada senjata nuklir yang menggunakan fusi nuklir saja, meskipun program pertahanan pemerintah telah melakukan penelitian yang cukup besar tentang kemungkinan seperti itu.

Biaya

Fisi adalah bentuk produksi energi yang kuat, tetapi dilengkapi dengan inefisiensi bawaan. Bahan bakar nuklir, biasanya uranium-235, mahal untuk ditambang dan memurnikan. Reaksi fisi menciptakan panas yang digunakan untuk merebus air untuk uap untuk mengubah turbin yang menghasilkan listrik. Transformasi ini dari energi panas ke energi listrik rumit dan mahal. Sumber inefisiensi ketiga adalah pembersihan dan penyimpanan limbah nuklir sangat mahal. Limbah adalah radioaktif, membutuhkan pembuangan yang tepat, dan keamanan harus ketat untuk memastikan keselamatan publik.

Agar fusi terjadi, atom harus dikurung di medan magnet dan dinaikkan ke suhu 100 juta kelvin atau lebih. Ini membutuhkan banyak energi untuk memulai fusi (bom atom dan laser diperkirakan menyediakan "percikan"), tetapi ada juga kebutuhan untuk memuat medan plasma dengan benar untuk produksi energi jangka panjang. Para peneliti masih berusaha mengatasi tantangan ini karena fusi sistem produksi energi yang lebih aman dan lebih kuat daripada fisi, yang berarti harganya lebih murah dari fisi.