Yadro energiyasi

Energiya turlari:
	Mexanik	Potensial Kinetik
‹♦›	Ichki
	Elektromagnit	Elektr Magnit
	Kimyoviy
	Yadro
$G$	Gravitatsion
$∅︀$	Vakuum
Faraziy turlar:
	Qorong‘i
Shuningdek: Energiyaning saqlanish qonuni

Yadro energiyasi (atom energiyasi) — atom yadrolarida saqlanadigan hamda yadro reaksiyalari va radioaktiv parchalanishda ajralib chiqadigan energiya.

Tabiatda yadro energiyasi yulduzlarda ajralib chiqadi, inson esa undan asosan yadro qurolida va yadro energetikasida, xususan, atom elektr stansiyalarida.

Fizik asoslari

1932-yilda neytronning kashf etilishi (Jeyms Chedvik) zamonaviy yadro fizikasining boshlanishi deb hisoblanishi mumkin.

Borning atom modeli musbat zaryadlangan yadrodan iborat bo‘lib, atom massasining deyarli barchasi shu yerda to‘plangan (yadro neytronlar va protonlardan tashkil topgan). Yadro atrofida juda yengil, manfiy zaryadlangan zarrachalar (elektronlar) dan iborat bir necha qobiq mavjud. Atomning o‘lchami taxminan bir angstrem (10⁻¹⁰ m) bo‘lsa, yadroning o‘lchami birdan bir necha fermi (10⁻¹⁵ m) gacha yetadi, ya’ni yadro atomdan 100 000 marta.

Elektr jihatdan neytral atomlarda elektronlar va protonlar soni teng bo‘ladi. Kimyoviy element yadrodagi protonlar soni bilan aniq belgilanadi; bu son atom raqami (Z) deb ataladi. Muayyan element atomlarining yadrolaridagi neytronlar soni (N) turlicha bo‘lishi mumkin. Z kichik bo‘lgan beta-barqaror yadrolarda bu son protonlar soniga yaqin (N ≈ Z), biroq Z ortib borganda yadro barqaror qolishi uchun neytronlar soni Z ga nisbatan tezroq ortishi kerak. Yadrosidagi neytronlar soni bilangina farqlanadigan atomlar bir elementning izotoplari deb ataladi. Yadrodagi nuklonlar (ya’ni protonlar va neytronlar) umumiy soni massa soni A = Z + N.

Izotopni ifodalashda odatda kimyoviy elementning harfiy belgisi qo‘llanadi; yuqori indeksda atom massasi, ba’zan quyi indeksda esa atom raqami ko‘rsatiladi. Masalan, uran-238 izotopi quyidagicha yozilishi mumkin: $_{92}^{238} U .$

Yadrolarni tashkil qiluvchi nuklonlarning massasi nisbatan kichik (taxminan 1 a.m.b.); proton musbat elektr zaryadiga ega, neytron esa zaryadsiz. Shuning uchun faqat elektromagnit va gravitatsion kuchlarning mavjudligi hisobga olinsa, yadro beqaror bo‘lar edi (bir xil ishorali zaryadlangan zarrachalar o‘zaro itarilib, yadroni parchalardi, nuklonlarning massasi esa gravitatsiya Kulon itarilishiga qarshi tura oladigan darajada katta emas). Bunday holda moddaning mavjud bo‘lishi imkonsiz bo‘lardi. Modda haqiqatda mavjud ekanidan modelga uchinchi kuchni qo‘shish zarurligi kelib chiqadi. Bu kuch kuchli o‘zaro ta’sir deb atalgan (aniqroq aytganda, yadrodagi nuklonlar o‘rtasida bevosita kuchli o‘zaro ta’sirning o‘zi emas, balki undan kelib chiqadigan qoldiq yadro kuchlari asosan ta’sir qiladi). Ushbu kuch juda kuchli bo‘lishi, nihoyatda qisqa masofalarda (yadro o‘lchamlariga teng masofalarda) tortishi, undan ham qisqa masofalarda (nuklon o‘lchamlariga teng masofalarda) esa itarishi kerak. U muayyan masofa oralig‘ida markaziy kuch bo‘lib, spinga bog‘liq, ammo nuklon turiga (neytron yoki protonga) bog‘liq emas. 1935-yilda Xideki Yukava yangi zarracha — pion mavjudligini taxmin qilib, bu yangi kuchning birinchi modelini yaratdi. Mezonlarning eng yengili bo‘lgan pion nuklonlar orasidagi potensialning taxminan 1 fm. Yukava potensiali bo‘lib, spinlari $s_{1}$ va $s_{2}$ bo‘lgan ikkita zarrachaning o‘zaro ta’sirini yetarli darajada aniq tavsiflaydi. Uni quyidagicha yozish mumkin:

V (r) = \frac{g_{π}^{2} (m_{π} c^{2})^{3}}{3 (M c^{2})^{2} ℏ^{2}} [s_{1} s_{2} + S_{12} 1 + \frac{3 R}{r} + \frac{3 R^{2}}{r^{2}}] \frac{e^{- \frac{r}{R}}}{\frac{r}{R}} .

Yadrolar ustida o‘tkazilgan boshqa tajribalar ularning shakli taxminan shar bo‘lishi va radiusi $R = 1, 5 \cdot A^{1 / 3}$ fm ga teng bo‘lishi kerakligini ko‘rsatdi, bu yerda A — atom massasi, ya’ni nuklonlar soni. Bundan yadrolarning zichligi (hamda birlik hajmdagi nuklonlar soni) doimiy ekanligi kelib chiqadi. Haqiqatan ham, $V \sim R^{3} \sim A,$ , ya’ni hajm A ga mutanosib. Zichlik massa hajmga bo‘linib hisoblangani uchun, $ρ = \frac{A}{V} = c o n s t .$ . Bu yadro moddasini siqilmaydigan suyuqlik sifatida tasvirlashga va yadroning tomchi modelini yaratishga olib keldi. Mazkur asosiy model yadro bo‘linishini.

Bog‘lanish energiyasi

Yadro nuklonlardan tashkil topgan bo‘lsa-da, uning massasi nuklonlar massalarining oddiy yig‘indisiga teng emas. Nuklonlarni birga ushlab turuvchi energiya yadro massasi bilan uni tashkil etuvchi alohida nuklonlar massalari yig‘indisi orasidagi farq sifatida namoyon bo‘ladi; bu farq massa va energiyani bog‘lovchi c² tenglamasidagi $E = m \cdot c^{2} .$ koeffitsiyentni hisobga olgan holda aniqlanadi. Shunday qilib, atom va uning tarkibiy qismlari massalarini aniqlash orqali turli yadrolarni birga ushlab turadigan, bir nuklonga to‘g‘ri keluvchi o‘rtacha energiyani topish mumkin.

Grafikdan ko‘rinadiki, juda yengil yadrolarning bir nuklonga to‘g‘ri keladigan bog‘lanish energiyasi ulardan biroz og‘irroq yadrolarnikidan kichik (grafikning chap qismi). Shu sababli termoyadro reaksiyalarida (ya’ni yengil yadrolar qo‘shilganda) energiya ajraladi. Aksincha, grafikning o‘ng qismidagi juda og‘ir yadrolarning bir nuklonga to‘g‘ri keladigan bog‘lanish energiyasi o‘rtacha massali yadrolarnikidan kam. Shuning uchun og‘ir yadrolarning bo‘linishi ham energetik jihatdan foydali (ya’ni yadro energiyasi ajralishi bilan kechadi). Shuningdek, qo‘shilishda (chap tomonda) massa farqi bo‘linishdagiga (o‘ng tomonda) qaraganda ancha katta ekanini ta’kidlash lozim.

Yadroni alohida nuklonlarga butunlay ajratish uchun talab qilinadigan energiya yadroning bog‘lanish energiyasi E_с deb ataladi. Solishtirma bog‘lanish energiyasi (ya’ni bir nuklonga, ε = E_с/A, bu yerda A — yadrodagi nuklonlar soni yoki massa soni) turli kimyoviy elementlar va hatto bitta elementning izotoplari uchun ham har xil bo‘ladi. Yadrodagi bir nuklonning solishtirma bog‘lanish energiyasi yengil yadrolarda ( 1 MeV , masalan, deyteriy) dan o‘rtacha massali yadrolarda 8,6 MeV gacha (ularning massa soni А ≈ 100) o‘zgaradi. Og‘ir yadrolarda (А ≈ 200) nuklonning solishtirma bog‘lanish energiyasi o‘rtacha massali yadrolardagidan taxminan 1 MeV kam. Shu sababli ularning o‘rtacha massali yadrolarga aylanishi (ya’ni 2 qismga bo‘linishi) har bir nuklonga taxminan 1 MeV yoki har bir yadroga taxminan 200 MeV energiya ajralishi bilan kechadi. Yengil yadrolarning og‘irroq yadrolarga aylanishida bir nuklon hisobiga bundan ham ko‘proq energiya olinadi. Masalan, deyteriy va tritiy

_{1} D^{2} +_{1} T^{3} \to_{2} H e^{4} +_{0} n^{1}

yadrolarining qo‘shilish reaksiyasida 17,6 MeV, ya’ni bir nuklonga 3,5 MeV energiya ajraladi.

Yadrolarning bo‘linishi

E. Fermi neytron kashf etilganidan keyin turli yadrolarni yangi zarrachalar bilan bombardimon qilishga oid bir qator tajribalar o‘tkazdi. Tajribalarda past energiyali neytronlar yadro tomonidan ko‘pincha foton chiqarilishi bilan yutilishi (neytronning radiatsion tutilishi deb ataladi) aniqlandi.

Ushbu reaksiyani o‘rganish uchun tajriba davriy jadvaldagi barcha elementlar bilan tizimli ravishda takrorlandi. Natijada nishon sifatida ishlatilgan elementlarning yangi radioaktiv izotoplari aniqlandi. Biroq uran nurlantirilganda boshqa bir qator yengil elementlar ham topildi. Liza Meytner, Otto Gan va Frits Shtrassman buni uran yadrosi neytronni tutib olganda taxminan teng massali ikki qismga bo‘linishini taxmin qilish orqali tushuntirdi. Darhaqiqat, reaksiya mahsulotlari orasida bariy topildi; uning atom massasi uran massasining taxminan yarmiga teng. Keyinchalik bunday bo‘linish uranning barcha izotoplarida emas, faqat ²³⁵U izotopida sodir bo‘lishi aniqlandi. Yana keyinroq bo‘linish natijasida ko‘plab turli elementlar hosil bo‘lishi va ularning massa bo‘yicha taqsimoti tuyaning ikki o‘rkachiga o‘xshashi ma’lum bo‘ldi.

Uran issiqlik neytroni ta’sirida bo‘linganda ikkita yengilroq yadro (bo‘linish parchalari) hosil bo‘lishidan tashqari, katta kinetik energiyaga ega 2 yoki 3 ta (o‘rtacha ²³⁵U uchun 2,5 ta) neytron ham chiqariladi. Uran og‘ir yadro bo‘lganligi sababli unda yengil elementlarga xos N ≈ Z (protonlar va neytronlar sonining tengligi) munosabati bajarilmaydi. Shu bois bo‘linish mahsulotlarida neytronlar ortiqcha bo‘ladi. Natijada ular beta-radioaktiv bo‘lib qoladi: yadrodagi ortiqcha neytronlar asta-sekin protonlarga aylanadi ( beta-zarrachalar chiqariladi), yadroning massa soni esa o‘zgarmay, u izobarik zanjir bo‘ylab eng yaqin beta-barqaror yadroga yaqinlashadi. ²³⁵U yadrosining bo‘linishi 40 dan ortiq variantda yuz berishi va 80 dan ortiq turli bo‘linish mahsulotini hosil qilishi mumkin; ular ham parchalanib, parchalanish zanjirlarini yuzaga keltiradi. Natijada uran bo‘linishining mahsulotlari bevosita yoki hosila nuklidlar sifatida taxminan 200 ta nuklidni o‘z ichiga oladi.

Har bir ²³⁵U yadrosi bo‘linganda o‘rtacha taxminan 200 MeV energiya ajraladi. Uran qazib olinadigan minerallarda odatda 1 kg uran rudasi hisobiga taxminan 1 g uran bo‘ladi (uran smolkasi, masalan). Tabiiy uranda ²³⁵U izotopining ulushi atigi 0,7 % bo‘lganligi sababli, qazib olingan har kilogramm rudada 1,8·10¹⁹ ta ²³⁵U atomi bo‘ladi. Agar 1 gramm urandagi barcha ²³⁵U atomlari bo‘linsa, 3,6·10²⁷ eV = 5,8·10⁸ J energiya ajraladi. Taqqoslash uchun, 1 kg eng yuqori sifatli ko‘mir (antratsit) yondirilganda taxminan 3,3·10⁷ J energiya ajraladi. Demak, 1 kg tabiiy urandagi yadro energiyasiga teng energiya olish uchun 10 tonnadan ortiq antratsit.

yoqish kerak. Har bir bo‘linish jarayonida 2,5 ta neytron paydo bo‘lishi zanjir reaksiyani amalga oshirish imkonini beradi, agar bu 2,5 ta neytrondan kamida bittasi uran yadrosining yangi bo‘linishini keltirib chiqarsa. Odatda chiqadigan neytronlar uran yadrolarini darhol bo‘lmaydi; avval ular issiqlik tezliklarigacha (2200 m/s , T=300 K da) sekinlashtirilishi kerak. Sekinlashtirish uchun kichik A qiymatiga ega boshqa elementlarning, masalan, vodorod, uglerod va hokazolarning atomi bo‘lgan moderator (sekinlatkich) materialidan foydalanish eng samaralidir.

Ba’zi boshqa yadrolar ham sekin neytronlarni tutib olganda bo‘linishi mumkin, masalan, ²³³U yoki ²³⁹Pu. Bundan tashqari, tez neytronlar (yuqori energiyali neytronlar) ta’sirida ²³⁸U (uning miqdori ²³⁵U dan 140 marta ko‘p) yoki ²³²Th (uning Yer po‘stidagi miqdori ²³⁵U dan 400 marta ko‘p) kabi yadrolarning bo‘linishi ham mumkin.

Bo‘linishning sodda nazariyasini Nils Bor va J. Uiler yadroning tomchi modelidan.

foydalanib yaratgan. Yadrolarni tez harakatlanuvchi alfa-zarrachalar, protonlar yoki deytronlar yordamida ham bo‘lish mumkin. Biroq neytronlardan farqli ravishda, bu zarrachalar yadroning Kulon to‘sig‘idan o‘tish uchun katta energiyaga ega bo‘lishi lozim.

Yadro energiyasining ajralib chiqishi

Yadro energiyasini ajratadigan ekzotermik yadro reaksiyalari ma’lum.

Yadro energiyasini olish uchun odatda yadrolarning bo‘linishiga asoslangan zanjirli yadro reaksiyasi qo‘llanadi. Bunda asosan uran-235 yoki plutoniy yadrolari, kamroq hollarda esa boshqa og‘ir yadrolar (uran-238, toriy-232) ishlatiladi. Yadroga neytron kelib urilganda yadro bo‘linib, yangi neytronlar va bo‘linish parchalari hosil bo‘ladi. Bo‘linish neytronlari va parchalari katta kinetik energiyaga ega. Parchalar boshqa atomlar bilan to‘qnashganda bu kinetik energiya tezda issiqlikka aylanadi.

Yadro energiyasini ajratib olishning yana bir usuli — termoyadro sintezi. Bunda yengil elementlarning ikki yadrosi qo‘shilib, bitta og‘irroq yadro hosil qiladi. Tabiatda bunday jarayonlar Quyosh va boshqa yulduzlarda sodir bo‘lib, ularning asosiy energiya manbayi hisoblanadi.

Ko‘plab atom yadrolari beqaror bo‘ladi. Vaqt o‘tishi bilan bunday yadrolarning bir qismi o‘z-o‘zidan boshqa yadrolarga aylanib, energiya chiqaradi. Bu hodisa radioaktiv parchalanish.

Yadro energiyasidan foydalanish

Yadrolarning majburiy bo‘linishi

Hozirgi vaqtda yadro energiyasi manbalari orasida og‘ir yadrolar bo‘linganda ajraladigan energiya amaliy jihatdan eng keng qo‘llaniladi. Energiya resurslari taqchilligi sharoitida yadro energetikasi bo‘linish reaktorlariga asoslangani uchun yaqin o‘n yilliklarda eng istiqbolli yo‘nalishlardan biri deb hisoblanadi. Atom elektr stansiyalarida yadro energiyasidan elektr energiyasi ishlab chiqarish va isitish uchun zarur issiqlik olinadi. Yadro kuch qurilmalari suzish hududi cheklanmagan kemalar masalasini hal qildi (atom muzyorar kemalari, atom suvosti kemalari, atom aviatashuvchi kemalar).

). Uran yoki plutoniy yadrolari bo‘linishidan olinadigan energiya yadro va termoyadro qurollarida (termoyadro reaksiyasini boshlatuvchi vosita hamda termoyadro reaksiyalarida hosil bo‘ladigan neytronlar ta’sirida yadrolar bo‘linishidan olinadigan qo‘shimcha energiya manbayi sifatida) qo‘llanadi.

Tajriba tariqasida yadro raketa dvigatellari yaratilgan, biroq avariya yuz bersa radioaktiv ifloslanish xavfi tufayli ular faqat Yerda va nazorat qilinadigan sharoitlarda sinovdan o‘tkazilgan.

2012-yilda atom elektr stansiyalari jahondagi elektr energiyasining 13 % ini va umumiy energiya ishlab chiqarishning 5,7 % ini ta’minlagan. Atom energiyasi bo‘yicha xalqaro agentlik (MAGATE) hisobotiga ko‘ra, 2013-yilda 436 ta ishlayotgan yadro energetika reaktori (ya’ni foydalanish mumkin bo‘lgan elektr va/yoki issiqlik energiyasini ishlab chiqaradigan reaktorlar) dunyoning 31 mamlakatida mavjud bo‘lgan. Bundan tashqari, turli qurilish bosqichlarida yana 73 ta energetika yadro reaktori 15 mamlakatda bo‘lgan. Hozir dunyoda jami taxminan 140 ta ishlayotgan suvusti kemasi va suvosti kemasi mavjud bo‘lib, ular jami 180 ga yaqin reaktordan foydalanadi. Bir necha yadro reaktori ishlatilgan sovet va Amerika kosmik apparatlarida, ularning ayrimlari hanuz orbitada. Bundan tashqari, bir qator sohalarda reaktorsiz manbalarda (masalan, radioizotopli issiqlik generatorlarida) ishlab chiqariladigan yadro energiyasidan foydalaniladi. Shu bilan birga, yadro energiyasidan foydalanish yuzasidan bahslar davom etmoqda. Yadro energetikasiga qarshi bo‘lganlar (jumladan, «Grinpis» kabi tashkilotlar) yadro energiyasidan foydalanish insoniyat va atrof-muhitga tahdid soladi, deb hisoblaydi. Yadro energetikasi tarafdorlari (MAGATE, Butunjahon yadro assotsiatsiyasi va boshqalar) esa bu energiya turi atmosferaga issiqxona gazlari chiqarilishini kamaytirishi va odatiy ishlash sharoitida boshqa energiya ishlab chiqarish turlariga nisbatan atrof-muhit uchun ancha kam xavf tug‘dirishini ta’kidlaydi.

Termoyadro sintezi

Termoyadro sintezidan olinadigan energiya vodorod bombasida qo‘llanadi. Boshqariladigan termoyadro sintezi masalasi hozircha hal etilmagan. Biroq bu muammo yechilsa, u deyarli cheksiz arzon energiya manbayiga aylanadi.

O‘z-o‘zidan radioaktiv parchalanish

Ko‘plab nuklidlar vaqt o‘tishi bilan o‘z-o‘zidan parchalanishi mumkin. Radioaktiv parchalanishda ajraladigan energiya uzoq muddat ishlaydigan issiqlik manbalari va betavoltaik elementlarda qo‘llanadi. «Pioner» va «Voyajer» turidagi avtomatik sayyoralararo stansiyalar, shuningdek, Mars roverlari va boshqa sayyoralararo missiyalar radioizotopli termoelektr generatorlardan.

Adabiyotlar

Jerald H. Klarfild va Uilyam M. Visek (1984). Yadro Amerikasi: AQShdagi harbiy va fuqarolik yadro energetikasi, 1940—1980, Harper & Row.
Stefani Kuk (2009). Inson qo‘lida: yadro davrining ogohlantiruvchi tarixi, Black Inc.
Gvinet Kreyvens. Dunyoni qutqaruvchi energiya: yadro energiyasi haqidagi haqiqat (inglizcha). — Nyu-York: Knopf, 2007. — ISBN 0-307-26656-7.
Devid Elliott (2007). Yadro energiyasimi yoki yo‘qmi? Barqaror energetika kelajagida yadro energiyasining o‘rni bormi?, Palgrave.
Jim Folk (1982). Global bo‘linish: yadro energetikasi uchun kurash, Oksford universiteti nashriyoti.
Charlz D. Fergyuson (2007). Yadro energiyasi: foyda va xavflar muvozanati Xalqaro munosabatlar kengashi.
Alan M. Herbst va Jorj V. Xopli (2007). Yadro energiyasi hozir: dunyodagi eng noto‘g‘ri tushuniladigan energiya manbayining vaqti nega keldi?, Wiley.
Maykl Shnayder, Stiv Tomas, Entoni Froggatt, Dag Koplou (2009-yil avgust). Jahon yadro sanoatining holati to‘g‘risidagi hisobot, Germaniya Federal atrof-muhit, tabiatni muhofaza qilish va reaktorlar xavfsizligi vazirligi.
J. Semyuel Uoker (1992). Atomni jilovlash: o‘zgaruvchan sharoitda yadro faoliyatini tartibga solish, 1993—1971, Berkli: Kaliforniya universiteti nashriyoti.
J. Semyuel Uoker (2004). Tri-Mayl-Aylend: yadro inqiroziga tarixiy nazar, Berkli: Kaliforniya universiteti nashriyoti.
Spenser R. Uirt. Yadro qo‘rquvining kuchayishi. Kembrij, Massachusets: Garvard universiteti nashriyoti, 2012. ISBN 0-674-05233-1

ifazo.uz