În primul rând, este necesar să înțelegem că există patru tipuri separate de energie alocată:
1) energia chimică care alimentează autovehiculele noastre, precum și majoritatea dispozitivelor civilizației moderne;
2) energia fisiunii nucleare, utilizată pentru a genera aproximativ 15% din energia electrică pe care o consumăm;
3) energia fuziunii nucleare fierbinți, care alimentează soarele și majoritatea stelelor;
4) energia fuziunii nucleare reci, observată de unii experți în studii de laborator și a căror existență este respinsă de majoritatea oamenilor de știință.
Cantitatea de energie nucleară (căldură / lb. de combustibil) al tuturor celor trei tipuri este de 10 milioane de ori mai mare decât aceeași valoare pentru eliberarea energiei chimice. Care este diferența dintre aceste tipuri de energie? Pentru a înțelege această întrebare, sunt necesare cunoștințe în domeniul chimiei și fizicii.
Profitând de ofertele acestui magazin online de vânzare de bunuri pentru casa, puteți cumpăra cu ușurință orice bunuri la prețuri accesibile.
Natura ne-a dat două tipuri de particule încărcate: protoni și electroni. Protonul este o particulă greu, de obicei foarte mică, încărcată pozitiv. Electronul este de obicei ușor, mare, cu limite neclare și are o încărcătură negativă. Taxele pozitive și negative sunt atrase unul de celălalt, de exemplu, polul nord al magnetului atrage sudul. Dacă magnetul este adus la polul sudic al celuilalt magnet de către polul nordic, acestea se vor ciocni. Atunci când o coliziune este eliberată o cantitate mică de energie sub formă de căldură, dar este prea mică pentru a fi ușor de măsurat. Pentru a deconecta magneții, trebuie să faci munca, adică să cheltuiți energia. Este cam la fel ca ridicarea unei pietre înapoi pe deal.
Când piatra se rostogolește pe deal, se eliberează o cantitate mică de căldură, în timp ce procesul de ridicare a spatelui de piatră necesită un consum de energie.
În mod similar, sarcina pozitivă a protonului se ciocnește cu încărcarea negativă a electronului, "se lipesc împreună", eliberând energie. Ca rezultat, se formează un atom de hidrogen, desemnat ca N. Atomul de hidrogen nu este altceva decât un electron difuz care înconjoară un mic proton. Dacă bateți un electron de la un atom de hidrogen, veți obține un ion H + încărcat pozitiv, care nu este nimic mai mult decât protonul original. "Ion" este un nume aplicabil unui atom sau molecule care a pierdut sau a dobândit unul sau mai mulți electroni și, prin urmare, a încetat să mai fie neutru.
După cum se știe, există mai mult de un fel de atomi în natură. Avem atomi de oxigen, atomi de azot, atomi de fier, atomi de heliu și altele. Cum sunt toate acestea diferite? Toate acestea au nuclee de diferite tipuri și toate nucleele conțin cantități diferite de protoni, ceea ce înseamnă că au diferite încărcări pozitive. În nucleul de heliu există 2 protoni, înseamnă că are o încărcătură plus 2, iar pentru neutralizarea încărcării sunt necesare 2 electroni. Când doi electroni se "lipesc" de el, se formează un atom de heliu. Nucleul de oxigen conține 8 protoni și are o încărcătură de 8. Când 8 electroni "se lipesc" de el, se formează un atom de oxigen. Atomul de azot are 7 electroni, atomul de fier - aproximativ 26. Totuși, structura tuturor atomilor coincide aproximativ: un nucleu mic, încărcat pozitiv, situat într-un nor de electroni difuzați. Diferența de mărime între nucleu și electroni este imensă.
Diametrul Soarelui este de numai 100 de ori mai mare decât diametrul Pământului. Diametrul norului de electroni din atom este de 100.000 de ori mai mare decât diametrul nucleului. Pentru a obține diferența în volume, este necesar să construiți aceste numere într-un cub.
Acum suntem gata să înțelegem ce este energia chimică. Atomii, fiind neutri din punct de vedere electric, se pot conecta de fapt, eliberând mai multă energie. Cu alte cuvinte, se pot conecta la configurații mai stabile. Electronii dintr-un atom este deja încearcă să fie distribuite, astfel încât cât mai aproape posibil mai aproape de bază, dar din cauza naturii sale neclare au nevoie de un anumit spațiu. Cu toate acestea, conectarea cu electronii unui alt atom, acestea formează de obicei o configurație mai strânsă, care le permite să se apropie de nuclee. De exemplu, 2 atomi de hidrogen se pot uni într-o configurație mai compactă dacă fiecare atom de hidrogen dă electronul său unui nor de 2 electroni împărțit între doi protoni.
Astfel, ele formează un grup care constă dintr-un singur doi electroni și doi protoni nor, separate printr-un spațiu, dar, cu toate acestea, fiind în interiorul norului de electroni. Ca urmare a unei reacții chimice care are loc exotermic: H + H => NG (semnul „=>“ înseamnă „intră în“ sau „devine“). Configurația H2 este o moleculă de hidrogen; atunci când cumpărați un balon cu hidrogen, atunci obține mai mult de un N. molecula mult, care unește doi electroni și 8 atomi de electroni H2O poate forma o configurație mai compactă - o H O moleculă de apă plus căldură. De fapt, molecula de apă este un singur nor de electroni, în interiorul căruia există nuclee cu trei puncte. O astfel de moleculă este configurația energetică minimă.
Astfel, prin arderea petrolului sau a cărbunelui redistribuim electroni. Aceasta duce la formarea unor configurații mai stabile ale nucleelor punctuale din norii de electroni și este însoțită de eliberarea căldurii. Aceasta este natura energiei chimice.
În argumentul anterior, am trecut cu vederea un punct. De ce nucleele conțin inițial doi sau mai mulți protoni în natură? Fiecare proton are o încărcătură pozitivă, iar atunci când distanța dintre încărcăturile pozitive este atât de mică încât este proporțională cu spațiul din jurul nucleului, ele se repetă reciproc. Repulsia de încărcări asemănătoare este similară cu repulsia care are loc între polii de nord ai doi magneți când se încearcă să se conecteze incorect. Trebuie să existe ceva care să depășească această repulsie, altfel ar exista doar atomi de hidrogen. Din fericire, vedem că nu este așa.
Există un alt tip de forță care afectează protonul. Aceasta este energia nucleară. Datorită faptului că este foarte mare, particulele sunt fixate ferm practic unele pe altele. În plus, există un al doilea tip de particule grele care diferă de proton doar prin faptul că nu au nici o încărcătură pozitivă, nici negativă. Ei nu resping sarcina pozitivă a protonului. Aceste particule sunt numite "neutroni", deoarece sunt neutri din punct de vedere electric. Particularitatea este că starea nemodificată a particulelor este posibilă numai în interiorul nucleului. Când particula se află în afara miezului, în aproximativ 10 minute se transformă într-un proton, un electron și un anti-neutrino foarte ușor. Cu toate acestea, în interiorul nucleului, acesta poate rămâne neschimbat atâta timp cât se dorește. Fie ca atare, neutronul și protonul sunt foarte atrase unul de celălalt. Apropiind o distanță suficientă, se alătură, formând o pereche foarte puternică, așa-numitul deuteron, care este notat cu D +. Un singur deuteron, conectat cu un singur electron, formează un atom de hidrogen greu sau deuteriu, desemnat D.
A doua reacție nucleară apare atunci când doi deuteroni interacționează. Când doi deuteroni sunt forțați să interacționeze, se combină pentru a forma o particulă cu dublă încărcare. Gruparea a doi protoni și doi neutroni este chiar mai stabilă decât gruparea de neutroni protoni în deuteron. O nouă particulă, neutralizată de doi electroni, devine nucleul atomului de heliu, care este notat de El. În natură, există, de asemenea, grupuri mari care sunt nuclee de carbon, azot, oxigen, fier și alți atomi. Existența acestor grupuri este posibilă datorită puterii nucleare, care are loc între particulele atunci când interacționează între ele sau împărțit între cantitatea totală de spațiu egal cu dimensiunea nucleului.
Acum putem înțelege natura energiei nucleare obișnuite, care, de fapt, este energia fisiunii nucleare. În timpul istoriei timpurii a universului, se formează stele masive. În timpul exploziei unor astfel de stele masive, s-au format multe tipuri de nuclee și au fost din nou rupte în spațiul cosmic. Planeta și stelele, inclusiv Soarele, au fost formate din această masă.
Probabil, în procesul de explozie au apărut toate configurațiile posibile de protoni și neutroni, precum și grupuri practic stabile, cum ar fi nucleul de uraniu. De fapt, există trei tipuri de nuclee de atomi de uraniu: uraniu-234, uraniu-235 și uraniu-238. Aceste "izotopi" diferă în ceea ce privește numărul de neutroni, totuși, fiecare conține câte 92 de protoni. Nucleul atomilor de uraniu de orice tip se poate transforma în configurații de energie mai puțin prin ejectarea nucleelor de heliu, însă acest proces se întâmplă atât de rar încât uraniul terestru își păstrează proprietățile de aproximativ 4 miliarde de ani.
Cu toate acestea, există o altă modalitate de a perturba configurația nucleului de uraniu. În termeni generali, grupările protonice și neutroni sunt cele mai stabile dacă conțin aproximativ 60 de perechi de neutroni protoni. Numărul de astfel de perechi conținute în nucleul de uraniu este de trei ori mai mare decât această cifră. Din acest motiv, ea tinde să se împartă în două părți, alocând astfel o cantitate mare de căldură. Cu toate acestea, natura nu-i permite să se despartă. Pentru a face acest lucru, el trebuie mai întâi să intre într-o configurație de energie mai înaltă. Cu toate acestea, una dintre speciile de uraniu, uraniul-235, desemnat 235 U, primește energia necesară prin captarea unui neutron. Având astfel obținută energia necesară, nucleul se descompune, eliberând o cantitate imensă de energie și eliberând neutronii suplimentari. Aceste neutroni adiționali, la rândul lor, pot împărți nucleele de uraniu-235, ceea ce duce la o reacție în lanț.
Acest proces are loc la centralele nucleare, unde căldura, care este produsul final al decăderii nucleare, este utilizată pentru a fierbe apă, abur și a roti un generator electric. (Dezavantajul acestei metode este alocarea deșeurilor radioactive, care trebuie eliminate în mod fiabil).
Acum suntem gata să înțelegem esența fuziunii nucleare fierbinți. După cum sa menționat în lecția 5, protoni și neutroni grupe sunt cele mai stabile atunci când numărul de protoni și neutroni aproximează valoarea lor de atom de fier în nucleu. Ca și uraniu, care conține în mod normal prea mulți neutroni, protoni, elemente ușoare, cum ar fi hidrogen, heliu, carbon, azot și oxigen, conțin prea puțin de astfel de perechi.
Dacă vom crea condițiile necesare pentru ca aceste nuclee să interacționeze, ele se vor conecta la grupuri mai stabile cu eliberarea căldurii. Acesta este procesul de sinteză. În natură, apare în stele, cum ar fi Soarele. În natură, hidrogenul comprimat este puternic încălzit și, după un timp, apare o reacție de sinteză. Dacă procesul a apărut inițial cu deuteroane care conțin deja un proton și un neutron dublu, reacția în stele ar merge relativ ușor. Viteza cu care un atom din fiecare tip particular se mișcă în interiorul unui nor de atomi asemănători depinde direct de temperatură. Cu cât este mai mare temperatura, cu atât viteza este mai mare și cu atât atomii se apropie unul de celălalt, făcând o coliziune într-o singură etapă.
În stele, temperatura este suficient de mare pentru ca electronii să părăsească nucleul. Astfel, putem spune că în realitate avem de-a face cu un nor mixt de electroni și nuclee. La o temperatură foarte ridicată, nucleele în momentul coliziunii sunt atât de apropiate una de cealaltă încât forța nucleară este pornită, atrăgându-le unii pe alții. Din acest motiv, nucleele se pot "lipi" și se transformă într-o grupare de protoni și neutroni de energie mai joasă, eliberând căldură. Fuziunea nucleară termică este o încercare de a conduce acest proces în laborator utilizând deuteriu și hidrogen triplu (nucleul căruia conține 1 proton și 2 neutroni) sub formă de gaz. Pentru sinteza fierbinte, este necesară păstrarea temperaturii gazului la sute de milioane de grade, ceea ce se poate obține cu un câmp magnetic, dar numai timp de 1-2 secunde. Se speră că va fi posibilă păstrarea temperaturii gazului pentru o perioadă mai lungă de timp. În timp ce temperatura este suficient de mare, reacția nucleară survine în momentul coliziunii nucleelor.
Forma principală în care este eliberată energia este eliberarea de neutroni și protoni de înaltă energie. Protonii sunt transformați foarte rapid în căldură. Energia neutronică se poate transforma, de asemenea, în căldură, după care echipamentul devine radioactiv. Dezactivați echipamentul este foarte dificil, așa că sinteza caldă nu este adecvată ca metodă pentru producerea de energie comercială. În orice caz, energia sintezei calde este un vis care a existat de cel puțin 50 de ani. Cu toate acestea, majoritatea oamenilor de știință consideră sinteza caldă ca singura modalitate de a genera energie sintetică. În procesul de fuziune la cald produce mai puține radiații decât în clivaj, este ecologic și sursă practic nelimitate de combustibil din lume (în ceea ce privește energia modernă, ar fi de ajuns pentru multe milioane de ani).
În sfârșit, am ajuns la o explicație a sintezei rece. Fuziunea rece poate fi o modalitate simplă și non-radioactivă de a extrage energia sintezei. În procesul de sinteză rece, protonii și neutronii unui nucleu interacționează cu protonii și neutronii altui altfel în mod diferit.
În același timp, forța nucleară contribuie la faptul că acestea formează o configurație mai stabilă. Pentru orice reacție nucleară, este necesar ca nucleele reactive să aibă un volum total de spațiu. Această cerință se numește combinația de particule. Cu sinteza fierbinte, combinația de particule are loc pentru o perioadă scurtă de timp, când forța repulsivă a două sarcini pozitive este depășită, iar nucleele se ciocnesc. În timpul sintezei la rece, condiția de combinare a particulelor se obține prin forțarea nucleilor de deuteriu să se comporte ca niște particule fuzzy, cum ar fi electronii, mai degrabă decât ca particule mici de punct. Când hidrogenul ușor sau greu este adăugat la un metal greu, fiecare "atom" de hidrogen ocupă o poziție în care este înconjurat pe toate laturile de atomi de metale grele.
Această formă de hidrogen se numește intermediar. Electronii atomilor de hidrogen împreună cu hidrogenul intermediar fac parte din masa electronilor din metal. Fiecare nucleu de hidrogen oscilează ca un pendul, trecând printr-un nor încărcat negativ de electroni metalici. Astfel de vibrații apar chiar la o temperatură foarte scăzută, în conformitate cu postulatele mecanicii cuantice. O mișcare similară se numește mișcare cu zero puncte. În acest caz, nucleele devin obiecte neclare, cum ar fi electronii dintr-un atom. Cu toate acestea, o asemenea fuzzy nu este suficientă pentru a permite unui nucleu de hidrogen să interacționeze cu altul.
O altă condiție este că două sau mai multe nuclee de hidrogen au același spațiu comun. Curentul electric purtat de electroni din metal se comportă ca un val real vibrator, și nu ca particule de punct. Dacă electronii nu s-au comportat în solide ca undele, astăzi nu ar exista nici un tranzistor sau computere moderne. Un electron în formă de val este numit electronul funcției Bloch. Secretul sintezei la rece este necesitatea obținerii unui deuteron al funcției Bloch. Pentru ca doi sau mai mulți deuteroni să aibă un volum total de spațiu, în interiorul sau pe suprafața unui solid este necesar să se obțină deuteroane de valuri. După ce a creat funcția deutronilor Bloch începe să opereze o putere nucleară, iar protonii și neutronii, o parte din deuteroni pereorganizuyutsya funcția mai stabilă Bloch configurație heliu, care este însoțită de evoluția căldurii.
Pentru a studia sinteza rece, experimentatorul trebuie să facă deuteroanele să meargă în stare de undă și să le mențină în această stare. Experimentele privind fuziunea la rece, care demonstrează eliberarea căldurii în exces, demonstrează că acest lucru este posibil. Cu toate acestea, până acum nimeni nu știe cum să conducă un astfel de proces în cel mai fiabil mod. Utilizarea de fuziune la rece promite să obțină o sursă de energie, care va dura timp de milioane de ani, în același timp, nu va fi nici o încălzire globală, nici o radioactivitate - de aceea ar trebui să facă eforturi serioase pentru a studia acest fenomen.