Nuclear fusion and fission · Fusion et fission nucléaires
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|---|---|
| nuclear fusion/ˈnjuːklɪə ˈfjuːʒn/ | fusion nucléaire |
| nuclear fission/ˈnjuːklɪə ˈfɪʃn/ | fission nucléaire |
| kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ | énergie cinétique |
| electrostatic/ɪˌlektrəʊˈstætɪk/ | électrostatique |
| strong nuclear force/strɒŋ ˈnjuːklɪə fɔːs/ | force nucléaire forte |
| chain reaction/tʃeɪn rɪˈækʃn/ | réaction en chaîne |
| critical mass/ˈkrɪtɪkl mæs/ | masse critique |
Two opposite processes, one rule
- Joining two tiny nuclei releases energy. Splitting one enormous nucleus releases energy. Those sound like contradictory statements.
- They are not, because both are the same move: climbing the binding-energy-per-nucleon curve towards its peak.
- A nucleus already sitting at the peak, iron-56, can release energy by neither process. That is where a star's fusion stops.
- This lesson is nuclear fusion 核聚变, nuclear fission 核裂变, and how to calculate what they give out.
Both arrows point at iron
Deux processus opposés, une seule règle
- Assembler deux noyaux minuscules libère de l'énergie. Fissurer un noyau énorme libère de l'énergie. Ces affirmations semblent contradictoires.
- Elles ne le sont pas, car les deux correspondent au même mouvement : grimper sur la courbe de l'énergie de liaison par nucléon vers son sommet.
- Un noyau déjà situé au sommet, le fer-56, ne peut libérer de l'énergie par aucun des deux processus. C'est là que s'arrête la fusion stellaire.
- Cette leçon porte sur la fusion nucléaire 核聚变, la fission nucléaire 核裂变, et comment calculer ce qu'elles dégagent.
Les deux flèches pointent vers le fer
Why moving towards the peak releases energy
- On the curve, a higher position means each nucleon is more tightly bound.
- In both processes the products lie higher than the reactants, so the total binding energy increases.
- That extra binding energy is released, as the kinetic energy of the products and as photons.
- Equivalently, the total mass of the products is less than that of the reactants, by exactly $\Delta E/c^2$. Those are two descriptions of one event, and an answer wants both.
Pourquoi se déplacer vers le sommet libère de l'énergie
- Sur la courbe, une position plus élevée signifie que chaque nucléon est plus fermement lié.
- Dans les deux processus, les produits se situent plus haut que les réactifs, donc l'énergie de liaison totale augmente.
- Cette énergie de liaison supplémentaire est libérée, sous forme d'énergie cinétique des produits et de photons.
- De manière équivalente, la masse totale des produits est inférieure à celle des réactifs, exactement de $\Delta E/c^2$. Ce sont deux descriptions d'un même événement, et une réponse demande les deux.
Nuclear fission chain reaction · Réaction en chaîne de fission nucléaire
A neutron splits a heavy nucleus, releasing energy and more neutrons — which split more nuclei. · Un neutron fend un noyau lourd, libérant de l'énergie et plus de neutrons — qui fendent plus de noyaux.
Energy is released when nuclei move: · De l'énergie est libérée lorsque les noyaux se déplacent :
Climbing the B/A curve toward iron means the products are more tightly bound, so energy is released. · Monter la courbe B/A vers le fer signifie que les produits sont plus liés, donc de l'énergie est libérée.
Put the explanation of why fusion and fission both release energy in order. · Mettez l'explication du pourquoi la fusion et la fission libèrent toutes deux de l'énergie dans l'ordre.
The mass loss and the binding-energy gain are the same event described two ways, and a full answer says both. · La perte de masse et le gain d'énergie de liaison sont le même événement décrit de deux manières, et une réponse complète mentionne les deux.
An iron-56 nucleus can release energy by either fusion or fission. · Un noyau de fer-56 peut libérer de l'énergie par fusion ou fission.
It sits at the peak, so every move takes it DOWN the curve and would need energy put in. This is why fusion inside a star stops at iron. · Il se situe au sommet, donc tout mouvement l'amène VERS LE BAS de la courbe et nécessiterait de l'énergie fournie. C'est pourquoi la fusion dans une étoile s'arrête au fer.
Fusion
- Fusion joins two light nuclei into one heavier nucleus:
- The product has greater binding energy per nucleon than the reactants, so energy comes out. This is what powers every star.
- It needs millions of kelvin, and the reason is specific: the nuclei are both positive, so they must have enough kinetic energy 动能 to overcome their electrostatic 静电 repulsion and get close enough for the strong nuclear force 强核力 to take over.
- "It needs high temperature" alone is half an answer. Name the repulsion being beaten and the force taking over.
Fusion
- La fusion assembler deux noyaux légers en un seul noyau plus lourd :
- Le produit possède une énergie de liaison par nucléon supérieure à celle des réactifs, donc de l'énergie est libérée. C'est ce qui alimente toutes les étoiles.
- Elle nécessite des millions de kelvins, et la raison est spécifique : les noyaux sont tous deux positifs, ils doivent donc posséder assez d'énergie cinétique 动能 pour vaincre leur répulsion électrostatique 静电 et se rapprocher suffisamment pour que la force nucléaire forte 强核力 prenne le relais.
- Dire simplement « elle a besoin d'une haute température » ne constitue que la moitié d'une réponse. Nommez la répulsion vaincue et la force qui prend le relais.
Fusion needs very high temperatures to overcome the electrostatic repulsion between nuclei. · La fusion nécessite des températures très élevées pour vaincre la répulsion électrostatique entre les noyaux.
The nuclei must get close enough for the strong force to act, despite repelling — hence the millions of kelvin in stars. · Les noyaux doivent s'approcher suffisamment pour que la force forte agisse, malgré la répulsion — d'où les millions de kelvins dans les étoiles.
Why does fusion need millions of kelvin? Select all · tout that apply. · Pourquoi la fusion nécessite-t-elle des millions de kelvins ? Sélectionnez toutes les options applicables.
"It needs high temperature" is half an answer. Name the electrostatic repulsion being beaten and the strong nuclear force taking over. · "Il faut haute température" est une réponse partielle. Nommez la répulsion électrostatique vaincue et la force nucléaire forte qui prend le relais.
Fission
- Fission splits a heavy nucleus into two lighter ones, usually after it absorbs a neutron:
- The products sit higher on the curve than uranium-235, so energy is released.
- The extra neutrons can trigger further fissions: a chain reaction 链式反应, which sustains itself only in a large enough mass of fuel, the critical mass 临界质量.
- Below the critical mass too many neutrons escape from the surface before finding a nucleus, and the reaction dies out.
One neutron in, three out
Fission
- La fission scie un noyau lourd en deux noyaux plus légers, généralement après avoir absorbé un neutron :
- Les produits se situent plus haut sur la courbe que l'uranium-235, donc de l'énergie est libérée.
- Les neutrons supplémentaires peuvent déclencher d'autres fissions : une réaction en chaîne 链式反应, qui ne se soutient que dans une masse de combustible suffisamment grande, la masse critique 临界质量.
- En dessous de la masse critique, trop de neutrons s'échappent de la surface avant de trouver un noyau, et la réaction s'éteint.
Un neutron entre, trois sortent
The extra neutrons released in fission can trigger a ____ reaction. · Les neutrons supplémentaires libérés lors de la fission peuvent déclencher une réaction de ____.
Each fission releases neutrons that cause more fissions — a chain reaction in a critical mass of fuel. · Chaque fission libère des neutrons qui provoquent d'autres fissions — une réaction en chaîne dans une masse critique de combustible.
A sustained chain reaction needs a critical mass of fuel. · Une réaction en chaîne soutenue nécessite une masse critique de combustible.
Below the critical mass too many neutrons escape, and the reaction dies out. · En dessous de la masse critique, trop de neutrons s'échappent et la réaction s'arrête.
The marked contrast
- Fission: a heavy nucleus, large $A$, splits into two lighter nuclei of roughly similar mass, usually after absorbing a neutron, and releases further neutrons.
- Fusion: two light nuclei, small $A$, join into one heavier nucleus, and it needs very high temperature and pressure to overcome the electrostatic repulsion.
- Both release energy, but per kilogram of fuel, fusion releases more.
- Write the contrast in matched pairs: heavy against light, splits against joins, absorbs a neutron against needs high temperature. A list of facts about only one of them scores half.
Le contraste marqué
- Fission : un noyau lourd, grand $A$, se scie en deux noyaux plus légers de masses à peu près similaires, généralement après avoir absorbé un neutron, et libère d'autres neutrons.
- Fusion : deux noyaux légers, petit $A$, s'assemblent en un noyau plus lourd, et cela nécessite une très haute température et pression pour vaincre la répulsion électrostatique.
- Les deux libèrent de l'énergie, mais par kilogramme de combustible, la fusion libère plus.
- Rédigez le contraste en paires correspondantes : lourd contre léger, scie contre assemble, absorbe un neutron contre nécessite une haute température. Une liste de faits sur seulement l'un d'eux rapporte la moitié des points.
Match each process to what it does. · Associez chaque processus à ce qu'il fait.
Both move toward the iron peak, so both can release energy. · Les deux se déplacent vers le pic du fer, donc les deux peuvent libérer de l'énergie.
Match each feature to the process it describes. · Associez chaque caractéristique au processus qu'elle décrit.
Write the contrast in matched pairs. A list of facts about only one process collects half the marks. · Écrivez le contraste en paires associées. Une liste de faits sur un seul processus rapporte la moitié des points.
Worked example: energy from a mass change
- In a nuclear reaction the total mass decreases by $0.020\ \text{u}$. Find the energy released.
- $\Delta E = \Delta m\,(\text{u}) \times 931 = 0.020 \times 931 = 19\ \text{MeV}$.
- The recipe is always the same four moves: total mass of reactants, total mass of products, $\Delta m = m_{\text{reactants}} - m_{\text{products}}$, then $\Delta E = c^2\Delta m$.
- A positive $\Delta m$ means energy is released. If you get a negative answer you have subtracted the wrong way round, not discovered a reaction that absorbs energy.
Exemple résolu : énergie provenant d'un changement de masse
- Dans une réaction nucléaire, la masse totale diminue de $0.020\ \text{u}$. Trouvez l'énergie libérée.
- $\Delta E = \Delta m\,(\text{u}) \times 931 = 0.020 \times 931 = 19\ \text{MeV}$.
- La recette est toujours les mêmes quatre étapes : masse totale des réactifs, masse totale des produits, $\Delta m = m_{\text{reactants}} - m_{\text{products}}$, puis $\Delta E = c^2\Delta m$.
- Un $\Delta m$ positif signifie que de l'énergie est libérée. Si vous obtenez une réponse négative, c'est que vous avez fait la soustraction dans le mauvais sens, et non trouvé une réaction qui absorbe de l'énergie.
A reaction has a mass change of $0.020\ \text{u}$. How much energy is released, in MeV? · Une réaction présente un changement de masse de $0.020\ \text{u}$. Combien d'énergie est libérée, en MeV ?
$\Delta E = \Delta m\,(\text{u}) \times 931 = 0.020 \times 931 \approx 18.6\ \text{MeV}$.
Worked example: fusing two deuterium nuclei
- The mass defect of $^{2}_{1}\text{H}$ is $0.002388\ \text{u}$ and that of $^{4}_{2}\text{He}$ is $0.030377\ \text{u}$. Find the energy released when two deuterium nuclei fuse into one helium-4 nucleus.
- Work with binding energies, since mass defects are given. Before: $2 \times 0.002388 = 0.004776\ \text{u}$ of defect. After: $0.030377\ \text{u}$.
- The defect has increased by $0.030377 - 0.004776 = 0.025601\ \text{u}$, and an increase in mass defect is energy given out.
- $\Delta E = 0.025601 \times 931 = 23.8\ \text{MeV}$.
- Note the shape of it: you may work either from the masses of the nuclei or from their mass defects, but never mix the two in one sum.
Exemple résolu : fusion de deux noyaux de deutérium
- La perte de masse de $^{2}_{1}\text{H}$ est $0.002388\ \text{u}$ et celle de $^{4}_{2}\text{He}$ est $0.030377\ \text{u}$. Calculez l'énergie libérée lorsque deux noyaux de deutérium fusionnent en un noyau d'hélium-4.
- Travaillez avec les énergies de liaison, puisque les pertes de masse sont données. Avant : $2 \times 0.002388 = 0.004776\ \text{u}$ de perte de masse. Après : $0.030377\ \text{u}$.
- La perte de masse a augmenté de $0.030377 - 0.004776 = 0.025601\ \text{u}$, et une augmentation de la perte de masse correspond à de l'énergie libérée.
- $\Delta E = 0.025601 \times 931 = 23.8\ \text{MeV}$.
- Notez la logique : vous pouvez travailler soit à partir des masses des noyaux, soit à partir de leurs pertes de masse, mais jamais mélanger les deux dans une même somme.
Two deuterium nuclei (mass defect 0.002388 u each) fuse into helium-4 (mass defect 0.030377 u). How much energy is released, in MeV? (931 MeV per u.) · Deux noyaux de deutérium (défaut de masse 0.002388 u chacun) fusionnent en hélium-4 (défaut de masse 0.030377 u). Quelle quantité d'énergie est libérée, en MeV ? (931 MeV par u.)
The mass defect increases by 0.030377 - 2(0.002388) = 0.025601 u, and an increase in defect is energy released: 23.8 MeV. Work from masses OR from defects, never a mixture. · La masse manquante augmente de 0.030377 - 2(0.002388) = 0.025601 u, et une augmentation de la masse manquante correspond à une énergie libérée : 23.8 MeV. Travaillez soit à partir des masses, soit à partir des défauts de masse, mais jamais un mélange des deux.
Marks that slip away
- Explaining the energy release needs the curve: the products are higher, so the total binding energy increases and mass is lost.
- For fusion, name what the temperature is for: overcoming electrostatic repulsion so the strong nuclear force can act.
- A chain reaction needs a critical mass, otherwise too many neutrons escape.
- Fission usually absorbs a neutron first and releases more. Say how many if the equation shows them.
- Iron-56 releases energy by neither process. That is a fact worth a mark, and it is the reason stellar fusion stops there.
Pièges qui font perdre des points
- Expliquer la libération d'énergie nécessite la courbe : les produits sont plus hauts, donc l'énergie de liaison totale augmente et de la masse est perdue.
- Pour la fusion, nommez ce que la température sert à : vaincre la répulsion électrostatique afin que la force nucléaire forte puisse agir.
- Une réaction en chaîne nécessite une masse critique, sinon trop de neutrons s'échappent.
- La fission absorbe généralement un neutron en premier et libère d'autres. Dites combien il y en a si l'équation les montre.
- Le fer-56 ne libère d'énergie par aucun des deux processus. C'est un fait valant une note, et c'est la raison pour laquelle la fusion stellaire s'y arrête.
You've got it
- energy is released whenever nuclei move towards the iron peak, because the products are more tightly bound and the total mass falls by $\Delta E/c^2$
- fusion joins two light nuclei and needs millions of kelvin so the nuclei can beat their electrostatic repulsion and let the strong nuclear force act
- fission splits a heavy nucleus after absorbing a neutron, releasing more neutrons that can sustain a chain reaction above the critical mass
- to find the energy: total reactant mass, total product mass, $\Delta m$, then $\Delta E = c^2\Delta m$, or $\Delta m\,(\text{u}) \times 931$ in MeV
Vous avez compris
- de l'énergie est libérée chaque fois que les noyaux se déplacent vers le pic du fer, car les produits sont plus fermement liés et la masse totale chute de $\Delta E/c^2$
- fusion assembler deux noyaux légers et nécessite des millions de kelvins pour que les noyaux puissent vaincre leur répulsion électrostatique et laisser la force nucléaire forte agir
- fission scie un noyau lourd après avoir absorbé un neutron, libérant d'autres neutrons qui peuvent maintenir une réaction en chaîne au-dessus de la masse critique
- pour trouver l'énergie : masse totale des réactifs, masse totale des produits, $\Delta m$, puis $\Delta E = c^2\Delta m$, ou $\Delta m\,(\text{u}) \times 931$ en MeV