はじめに
核分裂と核融合には、天然核と同位体の分散と混合が含まれます。核科学の一部では、この特異性の背後にある相互作用を理解しようとしています。いくつかのランダム成分のこれらの亜原子粒子のすべての特異質量を含めると、一般的な原子核の質量よりも顕著な質量が常に得られます.核結合エネルギーは、原子核の陽子と中性子に注意を払うことが期待されるエネルギーであり、核分裂または核融合の際に放出されるエネルギーが原子力です。いずれにせよ、いくつかの興味深い点があります。
コンポーネントの核全体の質量は、その特異な陽子と中性子の合計質量とは正確には一致しません。質量の違いは、核結合エネルギーに帰することができます。基本的に、核結合エネルギーは質量と見なされ、その質量は「欠落」します。この失われた質量は核エネルギーである質量欠陥と呼ばれます。それ以外の場合は、中性子、光子、またはその他の軌道として応答から放出される質量です。要するに、質量欠陥と核結合エネルギーは互換性のある用語です。
核分裂と核融合
核分裂は、重い原子核が 2 つの軽い原子核に分裂することです。核分裂は 1938 年にドイツの研究者、オットー ハーン、リーゼ マイトナー、フリッツ シュトラスマンによって発見されました。彼らは、Z> 92 の新しい成分を作ろうとして中性子でウランの例を包囲しました。彼らは、バリウム (Z =56) のような軽い成分が応答中に形成され、そのようなアイテムはウラン 235 の中性子誘発核分裂に由来する必要があることを理解していました:
23592U+ 10n→ 41556Ba+ 9236Kr+310n (1)
この推測は、クリプトン 92 核分裂アイテムを特定することによって確認されました。セクション 20.2 で述べたように、原子核は通常、半分になるのではなく偏って分離し、特定の核種の核分裂が必ず同様のアイテムを与えるわけではありません。
ありふれた核分裂反応では、各孤立核から複数の中性子が放出されます。これらの中性子が他の隣接する原子核と衝突して核分裂を誘発するときはいつでも、自己支持型の一連の核分裂反応が核連鎖反応として知られています。たとえば、235U の核分裂では、核分裂のたびに数個の中性子が放出されます。他の 235U 原子核に吸収されるたびに、それらの中性子は追加の核分裂機会を引き起こし、核分裂反応のペースは数学的に増加します。すべての一連の出来事は世代として知られています。暫定的に、核分裂性同位体のいくらかの基本質量が核鎖応答をサポートすると予想されることが観察されています。質量が低すぎると仮定すると、そのような多数の中性子は、捕捉されて核分裂反応を引き起こすことなく逃げることができます。核分裂をサポートするために装備された基本質量は、最小量として知られています。この合計は、材料の長所と、中性子が逃げることができる表面領域にアクセスできる量に対応する質量の状態、および同位体の特性に依存します。核分裂性同位体の質量が最小量よりも多い場合、その時点で、適切な状況下では、その後の超臨界質量が激しくエネルギーを放出する可能性があります。核連鎖反応から放出される莫大なエネルギーは、核兵器の爆発によってもたらされる大規模な消滅の原因となります。たとえば、原子力産業の基盤となる核分裂爆弾。
2 つの軽い原子核が結合して、より重く、より安定した原子核を生成する核融合は、核分裂とは正反対のものです。セクション 20.2 で調べた核変化応答のように、2 つの核の正電荷は、核融合に巨大な静電エネルギー境界をもたらします。この障害は、2 つの粒子の 1 つが静電衝撃を打ち負かすのに十分なモーター エネルギーを持っていて、2 つの原子核が核融合反応が発生するのに十分なほど近くに移動できるようになれば、生き残ることができます。スタンダードとは、辛さを加えて複合レスポンスのペースを拡大するようなものです。図21.6.3の核子あたりの核結合エネルギー対核数のプロットに示されているように、核融合反応は一般に最も軽い成分に対して発熱的です。たとえば、平均的な融合応答では、2 つの重水素分子が結合してヘリウム 3 を生成します。これは、重水素-重水素融合 (D-D 融合) として知られる相互作用です。
221U→ 32H+10n
別の応答では、重水素粒子とトリチウム イオタ回路がヘリウム 4 を送達します (図 1 )。この相互作用は、重水素-トリチウム核融合 (D-T 核融合) として知られています。
21H + 31H→ 42He+10n
ただし、これらの応答を開始するには、太陽の内部とほぼ同じ温度 (約 1.5 × 107 K) が必要です。現在、このような温度を達成するために地球上で利用できる主な技術は、核分裂爆弾の爆発です。たとえば、主張されている核爆弾 (または H 爆弾) は、重水素 - トリチウム爆弾 (D-T 爆弾) であり、核分裂反応を利用して、強力な重水素化リチウム (6LiD) の核融合を開始すると予想される例外的な高温を発生させ、放電します。中性子は、その時点で 6Li に反応し、トリチウムを供給します。重水素-トリチウム反応はエネルギーを危険なほど放出します。モデル 21.6.3 とそれに対応する活動は、核分裂と核融合反応によってもたらされる膨大な量のエネルギーを示しています。実際、核融合反応は、太陽を含むすべての星のパワー ホットスポットです。
核分裂と核融合の両方で大量消滅中に供給されるエネルギーを確認するために、エネルギーと質量を比較するアインシュタインの条件を利用します。
E=mc2
と
- m は質量 (キログラム)、
- c は光速 (メートル/秒) で、
- E はエネルギー (ジュール) です。
核分裂
核分裂は、自由な中性子と軽い核を提供する核の分離です。重い成分の核分裂は非常に発熱的であり、約 2 億 eV を放電しますが、石炭をコピーするだけで数 eV しか放電しません。元の原子核のわずか 0.1% がエネルギーに変換されることを考えると、核分裂中に供給されるエネルギーの量は、石炭のエネルギーよりも質量あたり何倍も優れています。娘原子核、エネルギー、および粒子、たとえば中性子は、応答のために送達されます。送達された粒子は、その後、他の放射性物質と反応することができ、したがって、娘核とそれに応じてより多くの粒子が送達されます。核分裂反応の注目すべき要素は、それらを鞍に乗せて連鎖反応に利用できることです。この連鎖反応が核兵器の前提です。核分裂で利用される注目すべき成分の 1 つは U235 で、中性子で包囲されると、分子ははるかに不安定な U236 に変換され、クリプトン 92 やバリウム 141 などの娘核と遊離中性子に分かれます。後続の核分裂アイテムは非常に放射性が高く、一般に β- 腐敗を経ます。
核分裂は、中性子包囲によって歓迎されたエネルギーの到着によって結合された、粒子の核のより軽い分子の核への分割です。この原子核分離の最初のアイデアは、1934 年にエンリコ フェルミによって発見されました。彼は、ベータ粒子の欠乏が核数を構築するため、ウランに中性子を集中砲火することによって、超ウラン成分が供給される可能性があることを認めました。いずれにせよ、形成された項目は、ウランよりも核数の多い成分 (Ra、Ac、Th、および Pa) の特性とは相関しませんでした。すべてが同じであれば、それらは Sr や Ba などのより軽い成分の放射性同位体でした。核分裂相互作用でどれだけの質量が失われるかは、3.20×10−11 J のエネルギーと同じです。
クリティカル マス
爆弾の爆発は、チェーン応答が臨界質量を超えた場合に発生する可能性があります。臨界質量は、核連鎖反応を維持するために必要な核分裂性物質の最小量です。
融合
核融合は、2 つの原子核が結合して、より重い原子核を形成することです。応答の後に、エネルギーの送達または吸収が続きます。鉄よりも質量の小さい原子核の核融合はエネルギーを放出し、鉄より重い原子核の核融合はエネルギーを吸収します。この特異性は、鉄の頂点として知られています。核分裂では逆のことが起こります。
核融合反応におけるエネルギーの力は、太陽と宇宙の大量の星から放出されるエネルギーを駆動します。核融合は核兵器、明示的には核爆弾にも同様に適用されます。核融合は、星のように信じられないほど高い温度で起こるエネルギー生成プロセスです。たとえば、太陽では、より控えめな原子核が結合してより大きな原子核が形成されます。このサイクルでは、異常な温度と放射線が放出されます。制御されていないときはいつでも、このサイクルは事実上無限のエネルギーの源泉を与えることができ、制御されていない鎖は水素結合の前提を与えます. ほとんどの場合、水素は絡み合っているからです.同様に、ヘリウム分子を形成するための重水素粒子の混合は、この熱核サイクルに燃料を供給します。例:
21H + 31H→ 42He+10n + エネルギー
核融合の重要な部分はプラズマです。これは、40,000,000 K 以上の温度を必要とする自立応答を開始すると予想される核と電子の組み合わせです。なぜ核融合を達成するには多くの熱が必要なのですか?いずれにせよ、水素のような軽い成分は？これは、原子核に陽子が含まれているためであり、両方の水素分子の陽子による静電嫌悪を克服するには、両方の水素原子核が非常に速い速度で移動し、核力が融合を開始するのに十分なほど接近して衝突する必要があります。核融合の後遺症は、核融合を開始するのに必要なエネルギーよりも多くのエネルギーを供給します。したがって、フレームワークの ΔG は負であり、これは応答が発熱であることを意味します。また、それは発熱性であるため、どのような場合でも融合を開始するのに十分なエネルギーがあれば、軽成分の融合は自立します。
結論
核分裂と核融合は、粒子から大量のエネルギーを生成する 2 つの物理的プロセスです。それらは、核反応を通じて、さまざまなソースよりもはるかに多くのエネルギーを生み出します。原子力は、世界の発電における主要な化石燃料副産物エネルギーのホットスポットであり、近い将来もそうであり続けることが期待されています。それにもかかわらず、原子力は保護され、強固であり、水力、風力、太陽指向、ガス状ガソリン、さらには石炭などの他のエネルギー源と財政的に対比されるべきです.
