Fission and Fusion.notebook

1

April 16, 2012

Aug 3­10:37 AM

Fission and Fusion

Goals

­ Define nuclear fission, chain reaction, and nuclear fusion and distinguish between them

­ Explain how a fission reaction is used to generate power­ Discuss the possible benefits and the current difficulty of 

controlling fusion reactions

Aug 3­10:39 AM

Nuclear Fission

In fission you start with a heavy atomic nucleus like U­235­ Bombard with smaller particles like neutrons or

or lighter nuclei­ Larger atom splits apart into smaller stable atoms­ Less nuclear binding energy is needed to hold the smaller

atoms together­ Remaining energy is released from the split nucleus

Aug 3­10:51 AM

Chain Reactions

Chain reactions are fusion reactions that run continuously­ Particles emitted from the initial reaction trigger the

continuation throughout the sample­ Particles are usually neutrons

­ Need a critical mass of the heavy element­ Need more neutrons to continue the chain 

reaction­ Those extra neutrons come from the heavy

initial element­ Control of a chain reaction depends on the speed of the

neutrons

Aug 3­11:01 AM

Aug 3­11:04 AM

Nuclear Reactors

Nuclear reactors employ a controlled chain reaction.­ Control here refers to the speed of the reaction

­ Too fast = meltdown­ Methods of control

­ Control rods: used to absorb extra neutrons­ Moderators: used to slow the speed of emitted

neutrons­ Most commonly used moderator is water

which also serves as a coolant­ Sometimes "heavy" water (D2O ­ deuterium

oxide)­ Other safety features

­ Shielding: absorbs radiation from the reaction,especially gamma rays

Aug 3­11:14 AM

Fission and Fusion.notebook

2

April 16, 2012

Aug 3­11:19 AM

Major Nuclear Reactor Accidents

Three Mile Island ­ Harrisburg, PA 1979­ Partial meltdown of a reactor core­ Caused by loss of coolant due to a relief valve that was stuck open­ Occurred 12 days after the release of the film The China Syndrome,

which was about a nuclear accident in California­ In the movie one physicist mentions that the China Syndrome

would render "an area the size of Pennsylvania" uninhabitable!­ The unaffected reactor at TMI is still operating today.

Aug 3­11:33 AM

Major Nuclear Reactor Accidents

Chernobyl ­ Soviet Union (now Ukraine) 1986

­ Reactor exploded during anexperiment

­ Worst reactor accident in history ­ Caused by a combination of human

error and lack of safety features­ Human error: most of the

control rods were removed during the test

­ Safety: lack of operatinginstructions and poor design

Aug 3­11:51 AM

Major Nuclear Reactor Accidents

Fukushima Daichii ­ Japan March 11, 2011­ Earthquake and tsunami caused the accident

­ Cooling pumps were damaged on 4 different reactors­ 3 of the 4 reactors went into meltdown

­ Second only to Chernobyl in terms scope of disaster ­ Both accidents have the highest rating on the International

Nuclear Event Scale at Level 7 (TMI is at Level 5) 

Aug 3­12:46 PM

Fusion

The opposite process of fission­ Start with light nuclei­ Combine to form a heavier nucleus that is stable­ Releases more energy that fission­ Hydrogen bonds­ Stars are essentially great big fusion reactors

Aug 3­12:49 PM

Fusion

What's the problem?­ Currently uncontrollable­ High temperature needed to start the reaction

­ About 108 K­ We're working on it

Aug 3­12:57 PM

Fusion in Stars ­ Nucleosynthesis

Start with hydrogen­ Hydrogen fuses to make helium

­ Small stars can only do this­ Covers most of the lives of all stars

­ Helium fuses to make carbon and oxygen­ The largest stars can further fuse elements to make metals

­ Include Ca, Cr, Fe, Ni, Cu­ The heaviest elements are formed when a star undergoes

supernova

Fission and Fusion.notebook

3

April 16, 2012

Aug 3­1:09 PM