Fyzikální reakce, při níž dochází ke změně jádra atomu, se nazývá jaderná reakce a energie uvolněná při této reakci se nazývá jaderná energie.
Hmotnost jádra slouží jako zdroj jaderné energie, která se uvolňuje především ve formě tepla. Existují dva typy jaderných reakcí. Jsou to:
i) Jaderné štěpení
ii) Jaderná fúze
Jaderné štěpení
Těžké jádro radioaktivních atomů, jako je uran, plutonium nebo thorium, je bombardováno neutrony o nízké energii, které jádro rozštěpí na menší jádra. Tento proces se nazývá jaderné štěpení. Například když jsou atomy uranu-235 bombardovány neutrony, pak se těžké jádro uranu rozštěpí za vzniku barya-139 a kryptonu-94 s emisí tří neutronů. Při této reakci také vzniká velké množství energie, protože se hmota přeměňuje na energii.
Při štěpné jaderné reakci se také spotřebovávají a vznikají neutrony. Neutrony vzniklé při štěpné jaderné reakci vedou k dalšímu štěpení těžkých jader a způsobují řetězovou reakci. Pokud všechny neutrony vzniklé při štěpení uranu-235 vyprodukují další štěpení, pak vznikne tolik energie, že ji nebude možné kontrolovat a povede k výbuchu zvanému atomová bomba. Štěpnou reakci však lze řídit pomocí bórových tyčí, protože bór dokáže neutrony pohlcovat.
Štěpná reakce probíhá za účelem výroby elektřiny v jaderných elektrárnách.
Jaderná elektrárna
Jaderné elektrárny využívají k výrobě elektřiny štěpnou reakci a palivem používaným k tomuto účelu je uran-235.
V jaderné elektrárně probíhá štěpná reakce v ocelové tlakové nádobě a uvnitř je jaderný reaktor. V jaderném reaktoru jsou tyče s uranem-235 vloženy do grafitové aktivní zóny. Grafit se nazývá moderátor, protože pomáhá zpomalit rychlost neutronů tak, aby proběhla správná štěpná reakce. Mezi tyčemi z uranu 235 jsou umístěny tyče z bóru, které pomáhají pohlcovat přebytečné neutrony a zabraňují nekontrolovatelné štěpné reakci. Bórové tyče se nazývají řídicí tyče. Jaderné tyče lze podle potřeby zvedat dovnitř reaktoru nebo je vytahovat ven. Jaderný reaktor je uzavřen v betonové komoře, která má silné stěny, aby mohla pohlcovat jaderné záření.
Jaderná elektrárna neboli Atomová elektrárna
Teplo vzniklé v důsledku štěpné reakce v reaktoru se nyní chladí pomocí kapalného sodíku nebo plynného oxidu uhličitého, což také pomáhá jeho přenosu do výměníku tepla. Zde se pomocí chladicí vody přemění na páru. Vzniklá pára se používá k roztáčení turbín a pohonu generátorů.
Při řízené štěpné reakci v jaderném reaktoru vzniká obrovské množství tepelné energie. Proto je kapalný sodík nepřetržitě čerpán potrubím připojeným k reaktoru. Sodík pomáhá absorbovat teplo vznikající v reaktoru. Poté potrubím prochází extrémně horký sodík vodou ve výměníku tepla. Voda absorbuje teplo z horkého sodíku a vaří se za vzniku páry. Tato pára je pak pod vysokým tlakem vedena do turbíny s turbínou. Tato pára pak roztáčí turbínu, která je dále spojena se svou hřídelí a generátorem. Když se tedy turbína otáčí, otáčí se i její hřídel a pohání generátor. Tento generátor pomáhá při výrobě elektřiny.
Vyčerpaná pára vycházející z komory turbíny prochází kondenzátorem, který obsahuje vodu, a tato voda pomáhá páru ochlazovat. Tato pára se pak přemění na vodu a potrubím je opět posílána do výměníku tepla. Odpadní materiál vznikající při štěpné reakci uranu-235 je radioaktivní a velmi škodlivý pro životní prostředí.
Jaderné elektrárny v Indii
V Indii je sedm jaderných elektráren. Jsou to:
i) Atomová elektrárna Tarapur, Maháráštra
ii) Atomová elektrárna Rádžasthán, Rádžasthán
iii) Atomová elektrárna Madras, Tamilnádu
iv) Atomová elektrárna Kaiga, Karnátaka
v) Atomová elektrárna Kudankulam, Tamilnádu
vi) Atomová elektrárna Narora, Uttarpradéš
vii) Atomová elektrárna Kakrapar, Gudžarát
Jaderná bomba
Jaderná bomba je založena na štěpné reakci uranu-235 a plutonia-239. Jaderná bomba se vyrábí na základě jaderného štěpení. Štěpná reakce se záměrně nechá vymknout kontrole, aby ve velmi krátké době vzniklo velké množství energie.
Atomové bomby založené na jaderném štěpení uranu-235 a plutonia-239 byly svrženy na japonská města Hirošima a Nagasaki v roce 1945 během druhé světové války. To způsobilo obrovské ztráty na lidských životech.
Einsteinův vztah hmotnosti a energie
Podle Einsteina se hmotnost rovná energii.
E = mc2
E je množství vzniklé energie
M je zničená hmota
C je rychlost světla ve vakuu
Protože rychlost světla je velká, tak vzniká extrémně velké množství energie, i když je zničeno malé množství hmoty. Také pokud se hmotnost bere v kilogramech (kg) a rychlost světla v metrech za sekundu (m/s), pak energie přijde v joulech (J).
Pokud se tedy při jaderné reakci zničí jeden kg hmotnosti libovolné látky, pak množství vzniklé energie je:
E = mc2
E = 1 * (3 * 108)2
E = 9 * 1016 J
Energetické jednotky pro vyjádření jaderné energie
Jednotkou SI pro energii uvolněnou při jaderných reakcích je elektronvolt (eV) nebo milion elektronvoltů (MeV). A,
1 elektronvolt = 1,602 * 10-19 joulů
A,
1 milion elektronvoltů = 1,602 * 10-19 * 106 joulů
1 MeV = 1.602 * 10-13 J
Hodnota atomové hmotnostní jednotky z hlediska energie
Protože absolutní hmotnost atomové hmotnostní jednotky je 1,66 * 10-27 kg a přesná hodnota rychlosti světla je 2,998 * 108 m/s. Když tyto hodnoty dosadíme do Einsteinovy rovnice, dostaneme,
1 atomová hmotnostní jednotka (u) = 1,492 * 10-10 J
Také,
1 atomová hmotnostní jednotka (u) = 931 MeV
Jaderná fúze
Význam slova fúze je spojit nebo spojovat. Proces, při kterém se dvě jádra s lehkými elektrony spojí a vytvoří těžké jádro, je tedy jaderná fúze. Při jaderné fúzi se také uvolňuje obrovské množství energie.
Jádra atomů jsou kladně nabita, a proto se navzájem odpuzují. Aby se tedy tato dvě jádra spojila nebo sloučila v jedno těžké jádro, je zapotřebí velké množství tepelné energie a vysoký tlak. Z toho vyplývá, že jaderná fúze probíhá zahříváním lehčích atomů na extrémně vysokou teplotu při vysokém tlaku. Při tomto procesu se také ztrácí určitá hmotnost, což dává obrovské množství energie.
Příklad když se atomy deuteria zahřejí na extrémně vysokou teplotu za vysokého tlaku, pak se dvě jádra deuteria spojí za vzniku helia, které má těžké jádro, vyzáří se neutron a uvolní se velké množství energie.
Jaderná fúzní reakce je opakem štěpné reakce. Energie vzniklá při jaderné fúzní reakci nebyla dosud kontrolována a je mnohem větší než při jaderné štěpné reakci.
Vodíková bomba
Jaderné reakce, které probíhají při extrémně vysoké teplotě, se nazývají termonukleární reakce. Tato reakce se využívá při výrobě vodíkových bomb, které způsobují hromadné ničení. Při výrobě vodíkové bomby se používají izotopy vodíku, deuterium (2H) a tritium (3H), spolu s prvkem lithium-6 . K výbuchu vodíkové bomby se používá atomová bomba. Při výbuchu atomové bomby totiž vzniká štěpnou reakcí velké množství tepla, které během několika mikrosekund zvýší teplotu deuteria a tritia. Tím dojde k fúzní reakci a vodíková bomba exploduje, čímž vznikne obrovská energie. Vodíková bomba způsobuje zkázu života.
Výhody jaderné energie
- Vyrábí obrovskou energii z malého množství paliva (uranu-235).
- Není třeba znovu a znovu vkládat palivo do jaderného reaktoru. Jakmile je palivo (uran-235) vloženo do reaktoru, může fungovat dva až tři roky v kuse.
- Neprodukuje plyny, jako je oxid uhličitý nebo oxid siřičitý.
Nevýhody jaderné energie
- Odpady jaderných reaktorů jsou radioaktivní a stále vyzařují škodlivé záření.
- Riziko havárie jaderných reaktorů, která může způsobit únik radioaktivního materiálu.
- Dostupnost palivového uranu je omezená.
- Vysoké náklady na instalaci jaderné elektrárny.
Obrázek se svolením: www.s4.thingpic.com
.