En fysisk reaktion, der forårsager en ændring i et atoms kerne, kaldes en kernereaktion, og den energi, der frigives under denne reaktion, kaldes kerneenergi.
Kerneens masse tjener som kilde til kerneenergi, der hovedsageligt frigives i form af varme. Der findes to typer af kernereaktioner. De er:
i) Kernespaltning
ii) Kernefusion
Kernefission
Den tunge kerne i radioaktive atomer som uran, plutonium eller thorium bombarderes med neutroner med lav energi, som splitter kernen i mindre kerner. Denne proces kaldes kernespaltning. Når f.eks. uran-235-atomer bombarderes med neutroner, spaltes den tunge urankerne og danner barium-139 og krypton-94 under udsendelse af tre neutroner. Der produceres også meget energi ved denne reaktion, fordi masse omdannes til energi.
I en kernespaltningsreaktion bruges og produceres der også neutroner. De neutroner, der produceres i en kernespaltningsreaktion, fører til yderligere spaltning af tunge kerner og forårsager en kædereaktion. Hvis alle de neutroner, der produceres under spaltningen af uran-235, producerer yderligere spaltning, vil der blive produceret så meget energi, at det ikke kan kontrolleres og fører til en eksplosion, der kaldes en atombombe. Kernespaltningsreaktionen kan dog kontrolleres ved at bruge borstænger, da bor kan absorbere neutroner.
Kernespaltningsreaktioner udføres for at producere elektricitet på kernekraftværker.
Kernekraftværk
Kernekraftværker bruger kernespaltningsreaktioner til at producere elektricitet, og det brændsel, der bruges til dette formål, er uran-235.
I et kernekraftværk udføres en spaltningsreaktion i et trykbeholder af stål, og indeni er der en atomreaktor. I en atomreaktor er der indsat uran-235-stænger i en grafitkerne. Grafit kaldes moderator, da det er med til at sænke neutronernes hastighed, så en ordentlig fissionsreaktion kan finde sted. Mellem uran-235-stængerne er der anbragt borstænger, da de hjælper med at absorbere overskydende neutroner og forhindre, at kernespaltningsreaktionen kommer ud af kontrol. Borstængerne kaldes kontrolstænger. Atomstængerne kan hæves inde i eller trækkes ud af reaktoren, alt efter hvad der er behov for. Atomreaktoren er indkapslet i et betonkammer, der har en tyk væg, så det kan absorbere atomstrålingerne.
Et atomkraftværk eller atomkraftværk
Nu afkøles den varme, der produceres på grund af fissionsreaktionen i reaktoren, ved hjælp af flydende natrium eller kuldioxidgas, som også hjælper med at overføre den til varmeveksleren. Her omdannes vand ved hjælp af kølemiddel til damp. Den producerede damp bruges til at tænde turbiner og drive generatorer.
Der produceres en enorm mængde varmeenergi, når der finder en kontrolleret fissionsreaktion sted i en atomreaktor. Det er derfor, at flydende natrium pumpes kontinuerligt gennem de rør, der er knyttet til reaktoren. Natrium er med til at absorbere den varme, der produceres i reaktoren. Derefter ledes ekstremt varmt natrium gennem rørene gennem vand i varmeveksleren. Vandet absorberer varmen fra det varme natrium og koger og danner damp. Denne damp ledes derefter under højt tryk ind i turbinekammeret med en turbine. Dampen får så turbinen til at rotere, og den er yderligere forbundet med sin aksel og generatoren. Så når turbinen roterer, roterer dens aksel også og driver generatoren. Denne generator hjælper med at generere elektricitet.
Den brugte damp, der kommer ud af turbinekammeret, ledes gennem kondensatoren, som indeholder vand, og dette vand hjælper med at afkøle dampen. Denne damp omdannes derefter til vand og sendes gennem rør igen til varmeveksleren. Affaldsmaterialet, der produceres ved atomfissionsreaktionen af uran-235, er radioaktivt og yderst skadeligt for miljøet.
Kernekraftværker i Indien
Der findes syv kernekraftværker i Indien. De er:
i) Tarapur Atomic Power Station, Maharashtra
ii) Rajasthan Atomic Power Station, Rajasthan
iii) Madras Atomic Power Station, Tamil Nadu
iv) Kaiga Atomic Power Station, Karnataka
v) Kudankulam Atomic Power Station, Tamil Nadu
vi) Narora Atomkraftværk, Uttar Pradesh
vii) Kakrapar Atomkraftværk, Gujarat
Atombombe
En atombombe er baseret på en nuklear spaltningsreaktion af uran-235 og plutonium-239. Man lader spaltningsreaktionen gå ud af kontrol med vilje for at producere en stor mængde energi på meget kort tid.
Atombomberne, der er baseret på nuklear fission af uran-235 og plutonium-239, blev kastet over de japanske byer Hiroshima og Nagasaki i 1945 under Anden Verdenskrig. Dette forårsagede et enormt tab af menneskeliv.
Einsteins masse-energi-sammenhæng
I henhold til Einstein er masse lig med energi.
E = mc2
E er den producerede energimængde
M er den ødelagte masse
C er lysets hastighed i et vakuum
Da lysets hastighed er stor, så der produceres en ekstremt stor energimængde, selv om en lille mængde masse ødelægges. Hvis massen også angives i kilogram (kg) og lysets hastighed i meter pr. sekund (m/s), vil energien blive angivet i joule (J).
Der er derfor, hvis et kg masse af et hvilket som helst stof ødelægges i en kernereaktion, så er den producerede energimængde:
E = mc2
E = 1 * (3 * 108)2
E = 9 * 1016 J
Eenergienheder til at udtrykke kerneenergi
SI-enheden for den energi, der frigives ved kernereaktioner, er elektronvolt (eV) eller million elektronvolt (MeV). Og,
1 elektronvolt = 1,602 * 10-19 joule
Og,
1 million elektronvolt = 1,602 * 10-19 * 106 joule
1 MeV = 1.602 * 10-13 J
Værdi af atommasseenhed i form af energi
Da atommasseenhedens absolutte masse er 1,66 * 10-27 kg, og den nøjagtige værdi af lysets hastighed er 2,998 * 108m/s. Når vi sætter disse værdier ind i Einsteins ligning, får vi,
1 atommassenhed (u) = 1,492 * 10-10 J
Også,
1 atommassenhed (u) = 931 MeV
Kernefusion
Betydningen af fusion er at slutte sig sammen eller at forene. Derfor er den proces, hvor to kerner med lette elektroner kombineres for at danne en tung kerne, kernefusion. I processen med kernefusion frigøres også en enorm mængde energi.
Atomkerner er positivt ladede, og derfor støder de hinanden fra sig. Så for at kombinere eller fusionere disse to kerner til én tung kerne kræves der en masse varmeenergi og et højt tryk. Dette viser, at kernefusion foregår ved at opvarme lettere atomer til en ekstremt høj temperatur ved et højt tryk. Der går også noget masse tabt i denne proces, hvilket giver en enorm mængde energi.
For eksempel, når deuteriumatomer opvarmes til en ekstremt høj temperatur under højt tryk, kombineres to deuteriumkerner til helium, som har en tung kerne, og der udsendes en neutron, og der frigives en masse energi.
En kernefusionsreaktion er det modsatte af en kernespaltningsreaktion. Den energi, der produceres ved kernefusionsreaktionen, er endnu ikke blevet kontrolleret og er meget større end ved kernespaltningsreaktionen.
Væskevæskevæskebombe
Nukleare reaktioner, der finder sted ved ekstremt høj temperatur, kaldes termonukleare reaktioner. Denne reaktion anvendes til fremstilling af brintbomber, som forårsager masseødelæggelse. Isotoper af brint, deuterium (2H) og tritium (3H), sammen med et grundstof lithium-6 anvendes til fremstilling af en brintbombe. Eksplosionen af en brintbombe sker ved hjælp af en atombombe. Det skyldes, at når en atombombe eksploderer, så producerer dens spaltningsreaktion en masse varme, som hæver temperaturen af deuterium og tritium på få mikrosekunder. Dermed finder fusionsreaktionen sted, og brintbomben eksploderer og producerer en enorm energi. Brintbomben forårsager ødelæggelse af liv.
Fordele ved kerneenergi
- Den producerede enorm energi fra en lille mængde brændstof (uran-235).
- Der er ikke behov for at sætte brændslet igen og igen i en atomreaktor. Når først brændslet (uran-235) er sat i reaktoren, kan den fungere i to til tre år i træk.
- Den producerer ikke gasser som kuldioxid eller svovldioxid.
Ulemper ved kerneenergi
- Affaldsprodukterne fra kernereaktorer er radioaktive og bliver ved med at udsende skadelig stråling.
- Risikoen for en ulykke i atomreaktorer, som kan medføre lækage af radioaktivt materiale.
- Den begrænsede tilgængelighed af brændselsuran.
- De høje installationsomkostninger for et atomkraftværk.
Billede med venlig hilsen: www.s4.thingpic.com