Kodolu dalīšanās reakcijas
Apskatīt video Khan Academy platformā: 
Nuclear fission
Transkripts:
00:00
- [Pasniedzējs] Atombumba
00:01
un atomelektrostacija
00:03
darbojas pēc viena un tā paša pamatprincipa,
00:05
kodolu dalīšanās ķēdes reakcijas.
00:07
Bet kas īsti tas ir?
00:09
Un, kas ir vēl svarīgāk,
00:11
ja gan bumbā,
00:13
gan kodolreaktorā notiek viens un tas pats,
00:15
kāpēc tad kodolreaktors neeksplodē kā bumba?
00:18
Kāda ir atšķirība?
00:19
Noskaidrosim.
00:21
Kas ir kodola dalīšanās?
00:24
Vārds "dalīšanās" (fission) nozīmē sašķelšanos.
00:26
Tātad kodola dalīšanās ir kodolreakcija,
00:29
kurā smags kodols sašķeļas mazākos kodolos.
00:33
Bet kā tieši tas notiek?
00:35
Viens no veidiem ir spontāna sašķelšanās.
00:38
Tā var notikt pati no sevis,
00:39
mums neko nedarot.
00:41
Bet to mēs parasti saucam par radioaktivitāti,
00:43
vai dažreiz arī par spontāno dalīšanos.
00:46
Bet, kad mēs parasti sakām "kodola dalīšanās",
00:48
mēs domājam gadījumus, kad mēs to sašķeļam,
00:50
bombardējot to ar neitronu.
00:55
Padomā, šis kodols jau ir nestabils.
00:58
Tagad tu tam pievieno vēl vienu neitronu,
01:00
tas kļūst vēl nestabilāks,
01:02
it kā piespiežot to pārkāpt robežu,
01:03
un tad tas sašķeļas mazākos kodolos.
01:06
Un, kad tas sašķeļas,
01:07
rezultātā rodas arī daži neitroni.
01:10
Parasti rodas no
01:11
1 līdz 3 neitroniem.
01:13
Aplūkosim piemēru.
01:14
Ja ņem urānu 235, urāna izotopu,
01:20
un bombardē to ar neitronu,
01:22
tas var sašķelties par stronciju 94 un ksenonu 140.
01:27
Mums nav jāatceras skaitļi vai kas cits,
01:30
par to neuztraucies.
01:31
Bet mans jautājums būtu, vai mēs varam paredzēt,
01:32
cik neitronu mēs šeit iegūsim?
01:35
Jā, varam.
01:35
Viss, kas mums jādara,
01:36
tāpat kā jebkurā kodolreakcijā,
01:38
ir sekot līdzi protonu un neitronu skaitam.
01:40
Ja es sekošu līdzi protoniem, paskatīsimies,
01:41
kreisajā pusē man ir 92 protoni.
01:44
Cik protonu man ir labajā pusē?
01:46
Tātad, 8 + 4 ir 2... tātad 12.
01:48
Tad 5 + 3.
01:49
Šeit es iegūstu 92.
01:51
Bet kā ar kopējo daļiņu skaitu?
01:53
Man ir 235 + 1, kas ir 230...
01:56
Ui, tas ir 236 kreisajā pusē.
02:00
Bet šeit, 94 + 140.
02:02
Tātad sanāk 4.
02:04
9 + 4 ir 13.
02:06
Tātad 1 prātā, sanāk 234.
02:08
Tātad šeit ir tikai 234 daļiņas,
02:11
kas nozīmē, ka ir jābūt izdalījušāmies divām daļiņām.
02:13
Un tiem jābūt diviem neitroniem,
02:15
jo visus protonus mēs jau esam saskaitījuši.
02:17
Tā es zinu,
02:19
ka šeit ir jāizdalās diviem neitroniem.
02:23
Bet zini, kas ir foršs kodolu dalīšanās reakcijās?
02:25
Ar tām pašām izejvielām,
02:26
tu vari iegūt pilnīgi citus produktus.
02:29
Piemēram, ja mēs paņemam citu urāna 235 atomu
02:32
un bombardējam to ar citu neitronu,
02:34
paskaties, tieši tās pašas izejvielas,
02:36
bet šoreiz tu vari iegūt pilnīgi citus produktus.
02:40
Tu varētu iegūt bāriju 141 un, teiksim, kriptonu 92.
02:44
Atkal mēs iegūsim kādu skaitu neitronu,
02:46
kad tu šeit nopauzēsi video
02:48
un pats pamēģināsi izdomāt,
02:49
cik neitronu mums šeit vajadzētu iegūt.
02:52
Labi, atkal mēs redzam,
02:54
ka protonu skaits ir līdzsvarā.
02:56
Tev ir 56 + 36, kas ir 92.
02:59
Bet cik daļiņu mums ir kopā?
03:01
Šeit mums atkal ir 236,
03:03
šoreiz mums ir 1 + 2, sanāk 3,
03:05
14 + 9 ir 23.
03:07
Tātad sanāk 233, kas nozīmē, paskaties,
03:09
trūkst trīs daļiņas.
03:11
Tātad šoreiz mēs iegūsim trīs neitronus.
03:15
Un tāpat kā kodolsintēzes reakcijās,
03:17
mēs redzēsim, ka arī šeit izdalās enerģija,
03:21
un enerģija parasti izdalās kā kinētiskā enerģija
03:24
produktu un neitronu veidā.
03:26
Un, tā kā enerģija izdalās,
03:28
un atceries, ka enerģija un masa ir ekvivalenti,
03:31
mēs atklāsim, ka produktu masa
03:34
būs mazāka nekā izejvielu masa.
03:38
Un, vienkārši noskaidrojot masas starpību,
03:41
tu vari izrēķināt, cik daudz enerģijas tika izdalīts.
03:43
Šī masas starpība būtībā ir tas,
03:45
kas tika atbrīvots kā enerģija.
03:46
Atkal, kaut kas, ko mēs jau esam redzējuši
03:48
kodolsintēzes reakcijās, ļoti līdzīgi.
03:50
Vai jebkurš smags kodols var piedalīties dalīšanās reakcijās?
03:53
Nē, tas nevar notikt.
03:55
Tos, kas var, mēs saucam par dalāmiem kodoliem.
03:58
Tātad urāns 235 ir dalāms,
04:01
jo tas piedalās dalīšanās reakcijā
04:03
un atbrīvo enerģiju.
04:05
Bet, ja apskata citu urāna izotopu,
04:08
kas ir, teiksim, urāns 238,
04:13
izrādās, ka tas nav dalāms.
04:18
Tas viegli nepiedalās kodola dalīšanās reakcijā.
04:21
Un, ja tu domā, kāpēc daži kodoli
04:23
ir dalāmi, bet citi nav,
04:26
tam ir zināms sakars
04:27
ar enerģiju un stabilitāti.
04:29
Izrādās, ka urānam,
04:31
kad tas dalās,
04:32
rezultātā rodas stabilāki produkti,
04:34
un tāpēc atbrīvojas enerģija.
04:36
Izrādās, ka tā nav ar urānu 238,
04:39
vai vismaz tas nenotiek tik viegli.
04:41
Bet, protams, mēs tajā pārāk neiedziļināsimies.
04:43
Bet liels jautājums, ko mēs sev varētu uzdot,
04:45
ir, cik daudz enerģijas mēs no tā iegūstam?
04:47
Ja aplūko vienu reakciju,
04:50
protams, mēs iegūsim niecīgu enerģijas daudzumu.
04:52
Bet, ja gribam iegūt izmantojamu daudzumu,
04:55
tad mums būs nepieciešams ļoti, ļoti daudz reakciju.
04:58
Bet kā to izdarīt praktiski?
05:00
Jo kodola dalīšanās
05:02
prasa bombardēt kodolu ar neitronu.
05:07
Kā nodrošināt, lai mēs iegūtu daudz,
05:09
daudz šādu reakciju?
05:11
Atbilde ir tieši mūsu priekšā.
05:13
Tā kā katra kodola dalīšanās reakcija
05:15
dod mums dažus neitronus,
05:17
ja mēs varam nodrošināt, ka šie neitroni
05:19
aiziet un trāpa citiem urāna 235 kodoliem,
05:23
tad tie atkal sašķelsies
05:25
un radīs vēl vairāk neitronu,
05:26
un katrs izraisīs vēl vairāk dalīšanās reakciju.
05:29
Lūk, kā mēs to varam parādīt.
05:30
Pāriesim uz nākamo lapu.
05:33
Aiziet.
05:34
Ja viens neitrons bombardē
05:36
urānu 235, atbrīvojot enerģiju dalīšanās reakcijā,
05:40
radot enerģiju un dažus neitronus.
05:42
Ja šie neitroni varētu aiziet
05:44
un trāpīt vēl vairāk šiem urāna 235 kodoliem,
05:49
tad tu iegūsi vēl vairāk enerģijas,
05:51
un šis process var turpināties,
05:53
un tu vari redzēt, ka ļoti ātri
05:54
tas turpinās pieaugt.
05:56
Būs viena dalīšanās, tad trīs dalīšanās,
05:59
un tad deviņas un tā tālāk, un tā joprojām.
06:01
Tātad dalīšanās reakciju skaits sekundē
06:03
vienkārši turpinās pieaugt.
06:04
To mēs saucam par ķēdes reakciju.
06:09
Kodolu ķēdes reakcijas var būt diezgan postošas.
06:12
Tu sāc ar ļoti mazu reakciju skaitu sekundē,
06:14
bet ļoti ātri, strauji šis skaitlis palielinās.
06:17
Un īsā laika sprīdī
06:19
tu vari atbrīvot milzīgu enerģijas daudzumu.
06:22
Tā ir galvenā atombumbu ideja.
06:27
Tas, kas padara atombumbas tik daudz postošākas,
06:29
salīdzinot ar tradicionālajām, parastajām bumbām,
06:32
ir tas, ka mēs strādājam ar kodolenerģiju,
06:33
kas ir par vairākām kārtām lielāka
06:35
nekā ķīmiskā enerģija,
06:37
ko mēs iegūstam no tradicionālajām bumbām.
06:38
Tātad neliels daudzums dalāmā materiāla
06:40
var dot daudz enerģijas, bet tas vēl nav viss.
06:44
Tas vēl nav viss.
06:45
Redzi, kodola dalīšanās reakciju produkti
06:47
parasti ir radioaktīvi,
06:50
kas nozīmē, ka pat pēc sprādziena
06:52
visa teritorija ir piesārņota
06:54
ar radioaktīviem izotopiem,
06:56
kas var turpināt nodarīt kaitējumu vēl gadiem ilgi,
06:58
padarot visu šo teritoriju neapdzīvojamu.
07:00
Jā, atombumbas ir patiešām postošas.
07:03
Bet, no otras puses, ja tu to izmanto,
07:05
teiksim, lai ražotu elektrību,
07:07
tad mēs iegūsim daudz vairāk enerģijas,
07:09
salīdzinot ar to, ko iegūstam no fosilā kurināmā.
07:11
Jo tur atkal mēs strādājam ar ķīmisko enerģiju.
07:13
Un, protams, vēl viena kodolenerģijas izmantošanas priekšrocība
07:16
ir tā, ka, izmantojot fosilo kurināmo,
07:18
tā kā tu izmanto degšanas reakcijas,
07:20
atmosfērā tiek izdalīts CO2.
07:23
Šeit nekas tāds nenotiek.
07:24
Bet tas mūs atgriež pie sākotnējā jautājuma.
07:26
Kā mēs izmantojam ķēdes reakcijas
07:28
atomelektrostaciju reaktoros,
07:29
lai ražotu elektrību?
07:31
Vai tie vienkārši neeksplodētu kā atombumba?
07:34
Kāda ir lielā atšķirība?
07:36
Lielā atšķirība ir šeit,
07:39
runājot par bumbām,
07:40
mēs izmantojam nekontrolētu ķēdes reakciju.
07:42
Viss, ko mēs tikko redzējām,
07:44
ir par nekontrolētu ķēdes reakciju.
07:46
Bet, runājot par jaudu...
07:48
Runājot par kodolreaktoriem,
07:49
mēs izmantojam kontrolētas ķēdes reakcijas.
07:51
Kā kontrolēt ķēdes reakcijas, tu jautā?
07:54
Viens no visizplatītākajiem veidiem
07:55
ir absorbēt daudz neitronu.
07:58
Iedomājies, ka mēs šādi absorbējam daudz neitronu.
08:01
Tad, paskaties, absorbējot neitronus,
08:03
tu kontrolē, cik daudz turpmāku
08:05
dalīšanās reakciju notiek.
08:07
Tādā veidā tu to vari kontrolēt,
08:09
tu vari nodrošināt, ka enerģija izdalās vienmērīgā ātrumā.
08:13
Un tā tu vari iegūt kontrolētu ķēdes reakciju.
08:17
Bet ir vēl viena būtiska atšķirība.
08:19
Atceries, kā mēs iepriekš teicām,
08:20
ka urāns 238 nav dalāms?
08:23
Izrādās, ja tu paņem urāna rūdu,
08:25
tad lielākā daļa no tās patiesībā ir urāns 238.
08:29
Tas nozīmē, ka tu nevari tieši izmantot urāna rūdu
08:31
ne kā bumbu, ne kā degvielu atomelektrostacijai.
08:35
Tas nozīmē, ka mums tā ir jāapstrādā procesā,
08:37
kurā mēs palielinām dalāmā materiāla daudzumu.
08:40
Un šo procesu sauc par bagātināšanu.
08:42
Un lielā atšķirība ir tā,
08:44
ka, ja tu izmanto degvielu...
08:46
Tu izmanto to bumbai,
08:48
tad mēs gribētu lielu bagātināšanas pakāpi.
08:51
Patiesībā mēs gribētu apmēram 90% bagātinātu.
08:53
Un tam ir jēga,
08:54
jo tu gribētu,
08:56
lai notiktu pēc iespējas vairāk dalīšanās reakciju
08:57
sekundē,
08:58
lai viss uzreiz eksplodētu.
09:01
Bet, runājot par kodolreaktoriem,
09:03
atomelektrostacijām,
09:04
redzi, mums ir tikai apmēram 3 līdz 5% bagātināšana.
09:06
Tas nozīmē, ka vienu urāna 235 atomu
09:08
apņem daudz nedalāmu materiālu.
09:11
Tāpēc tu...
09:13
Tāpēc kodoldegviela neeksplodēs kā bumba,
09:18
jo tā nav tik ļoti bagātināta,
09:20
kā tas būtu nepieciešams bumbai.
09:21
Lai vai kā, izmantojot kontrolētu ķēdes reakciju,
09:24
mēs iegūstam enerģiju šo produktu kinētiskās enerģijas veidā,
09:27
ko pēc tam izmanto ūdens sildīšanai.
09:29
Un tad process ir ļoti līdzīgs tam,
09:31
kā darbojas jebkura cita spēkstacija.
09:33
Uzkarsētais ūdens rada augstspiediena tvaiku,
09:37
kas griež turbīnas,
09:38
un tā tu galu galā iegūsti elektrību.
09:40
Un tad šis karstais tvaiks
09:42
tiek atdzesēts dzesēšanas tornī.
09:45
Un šajā procesā rodas daudz ūdens tvaiku,
09:48
kas tiek izlaisti šeit.
09:50
Es to pieminu, jo agrāk domāju,
09:52
ka tas pats ir kodolreaktors
09:54
un ka tas ražo daudz dūmu,
09:56
radioaktīvus dūmus, kas varētu būt bīstami,
09:58
jo tie nonāk atmosfērā.
10:00
Bet nekas no tā, jo, pirmkārt,
10:01
šis ir tikai dzesēšanas tornis,
10:03
un tas, ko tas izdala, ir ūdens tvaiks.
10:05
Un šis ūdens nekad nesaskaras
10:07
ne ar vienu no radioaktīvajiem materiāliem,
10:09
kas tev šeit ir.
10:10
Tātad tas nav bīstami,
10:11
bet paliks pāri radioaktīvi produkti,
10:15
radioaktīvie atkritumi atomelektrostacijās,
10:18
un no tiem ir jāatbrīvojas droši.
10:21
Un tas ir izaicinājums, pie kura zinātnieki
10:22
un inženieri šodien aktīvi strādā.
Eksperta komentārs
Šajā video tiek skaidrota kodolu dalīšanās – process, kurā smags atomu kodols, saduroties ar neitronu, sadalās vieglākos kodolos. Uzsvērts, ka atšķirībā no α, β vai γ sabrukšanas šis process nenotiek nejauši, bet tiek ierosināts ar neitrona triecienu.
Video parāda, ka kodolu dalīšanās laikā, līdzīgi kā kodolsintēzē, enerģija var gan izdalīties, gan tikt absorbēta, un to nosaka masas defekts. Būtiska atšķirība ir tā, ka dalīšanās rezultātā rodas arī brīvie neitroni, kas var ierosināt citu kodolu dalīšanos, veidojot ķēdes reakciju.
Tiek salīdzināta ķēdes reakcija kodolreaktoros un kodolieročos: reaktoros tā ir vadāma, ierobežojot neitronu skaitu, savukārt kodolieročos reakcija norit nekontrolēti, izraisot strauju enerģijas izdalīšanos.
Jēdzieni: atomu kodols, neitrons, masas defekts, ķēdes reakcija, kodolreaktors, kodolieroči, vadāma ķēdes reakcija, nekontrolēta ķēdes reakcija.