Nuklearne reakcije to je jezgra blie jezgri eljeza

Nuklearne reakcije Što je jezgra bliže jezgri željeza srednja nukleonska masa joj je manja Te jezgre mogu nastati spajanjem lakših jezgara ili cijepanjem težih jezgara Nastajanjem tih jezgara smanjuje se srednja nukleonska masa i na račun toga oslobađa se energija

Nuklearna fuzija – spajanje jezgara fuzija Nuklearna fisija – cijepanje jezgara fisija Defekt mase je veći pri fuziji nego pri fisiji, pa i oslobođena energija

Nuklearna fisija Nukleatna fisija je cijepanje jezgre na dvije manje uz oslobađanje određene količine energije i emisije neutrona. E. Fermi, 1936. prva nukleatna fisija Jezgra urana nakon apsorpcije neutrona postaje nestabilna i cijepa se. Kada se 235 U bombardira neutronima nastaje pobuđena jezgra koja se raspada na dvije jezgre, tri neutrona i ogromnu energiju. Jezgra 236 U* u pobuđenom stanju živi 10 -12 sekundi.

Lančana reakcija

Da bi izazvali cijepanje jezgre neutroni moraju imati brzine kao molekule pri termičkom gibanju. To su spori ili termalni neutroni Za lančanu reakciju, neutroni nastali fisijom moraju se usporiti. Tvari koje usporavaju neutrone zovu se moderatori. Koltrolirana lančana fisija događa se u nuklearnim reaktorima. Nekontrolirana lančana fisija događa se u atomskoj bombi. Uporabu energije dobivene fisijom prati problem skladištenja radioaktivnog otpada, koji ima dugo vrijeme poluraspada!

Fisijsko gorivo Većina reaktora danas koristi uran kao fisijsko gorivo u formi uranovog oksida UO 2 Prirodni uran sadrži 99. 3% 238 U i 0. 7% 235 U 238 U nije podložan fisiji termalnim sporim neutronima Da bi se prirodni uranov dioksid UO 2 mogao koristiti kao fisijsko gorivo potrebno je povećati koncentraciju 235 U do nekoliko postotaka – to je tzv. obogaćivanje urana Moderator usporava brze neutrone a kontrolni štapovi (kadmij, bor) apsorbiraju spore neutrone.

Nuklearna fuzija Da bi se jezgre spojile moramo ih dovoljno približiti, a to je moguće samo uz veliku kinetičku energiju. Jezgre imaju veliku kinetičku energiju pri visokim temperaturama. Fuzija pri visokim temperaturama zove se termonuklearna fuzija. Termonuklearna fuzija odvija se na Suncu (i u zvijezdama) pri temperaturi 107 K gdje se 4 jezgre 1 H spajaju u jezgru 4 He uz oslobađanje goleme energije. Sunce

Termonuklearna fuzija (nekontrolirana) ostvarena je u hidrogenskoj bombi spajanjem jezgre 2 H i 3 H u jezgru 4 He. Hidrogenska bomba Visoku temperaturu smjese deuterona i tritona za fuziju osiguravamo eksplozijom atomske bombe. Za sada se istražuju mogućnosti kontrolirane termonuklearne fuzije.

Energija koja je oslobođena tokom fuzije je posljedica defekta mase. Atomska masa novonastalog helija je 4, 00386, dok je zbroj dviju atomskih masa 4, 03414, razlika tih masa koja iznosi 0, 03028 je defekt mase koji se oslobodio u obliku energije.

Zadatak 1 : Izračunajmo energiju koja se oslobodi fisijom 1 g 235 U prema: Rješenje: mn = 1, 008665 u m(235 U) = 234, 99193 u m(139 Xe) = 138, 88874 u m(94 Sr) = 93, 89457 u m=1 g E(1 g) = ? m = mn + m(235 U) – (m(139 Xe) + m(94 Sr) + 3 mn) = 1, 008665 u + 234, 99193 u – (138, 88874 u + 93, 89457 u + 3 1, 008665 u) m = 0, 19129 u

E = mc 2 = 0, 19129 uc 2 = 0, 19129 931, 5 Me. V E = 178, 2 Me. V E(1 g) = 4, 6 1023 Me. V = 4, 6 1023 1, 6 10 -13 J E(1 g) = 7, 4 1010 J

Zadatak 2: Izračunajte energiju koja se oslobodi fuzijom jezgara 2 H i 3 H u jezgru 4 He prema: Kolika se energija oslobodi pri nastanku 1 g 4 He? Rješenje: m(2 H) = 2, 01410 u m (4 He) = 4, 00260 u m=1 g m(3 H) = 3, 01605 u m(n) = 1, 00866 u M = 4 g mol-1 m = m(2 H) + m(3 H) – (m (4 He) + m(n)) = 2, 01410 u + 3, 01605 u – (4, 00260 u + 1, 00866 u) m = 0, 01889 u

E 1 = mc 2 = 0, 01889 uc 2 = 0, 01889 931, 5 Me. V E 1 = 17, 6 Me. V N = 1, 5 1023 E = NE 1 = 1, 5 1023 17, 6 Me. V = 2, 64 1024 1, 6 10 -13 J E = 4, 2 1011 J

Koliko bi nafte moralo izgorjeti da se oslobodi toliki iznos energije, ako je specifična toplina izgaranja nafte (količina topline koja se oslobodi izgaranjem kilograma nafte) q = 46 MJ kg-1? E = qm q = 46 MJ kg-1 = 46 106 J kg-1 = 9130 kg m 9 t

Zadatak 1: Prosječno kućanstvo troši mjesečno 2000 k. Wh električne energije. Kolika masa urana 235 U bi zadovoljila prosječnu godišnju potrebu kućanstva ako se pri svakoj fisiji urana oslobodi 208 Me. V energije? Pretpostavite da je pretvorba nuklearne energije u električnu potpuna. Rješenje: E = 2000 k. Wh = 2000 103 W 3600 s = 7, 2 109 J E 1 = 208 Me. V = 208 1, 6 10 -13 J = 3, 33 10 -11 J M = 235 g mol-1 m=? godišnja potrošnja = broj fisija · E 1 12 E = NE 1 m = 1, 01 g

Zadatak 2: Kolika je električna snaga nuklearne elektrane koja dnevno troši 150 g 235 U ? Korisnost pretvorbe nuklearne energije u električnu je 20 %. Srednja energija koja se oslobodi fisijom jedne jezgre iznosi 200 Me. V Rješenje: m = 150 g t = 24 h = 86400 s M = 235 g mol-1 = 20 % = 0, 20 E 1 = 200 Me. V Pi = ? Pi = 2, 85 107 W = 28, 5 MW