Una reacción física que provoca un cambio en el núcleo de un átomo se llama reacción nuclear y la energía liberada durante esta reacción se llama energía nuclear.
La masa del núcleo sirve como fuente de energía nuclear que se libera principalmente en forma de calor. Hay dos tipos de reacción nuclear. Son:
i) Fisión nuclear
ii) Fusión nuclear
Fisión nuclear
El núcleo pesado de los átomos radiactivos como el uranio, el plutonio o el torio es bombardeado con neutrones de baja energía que dividen el núcleo en núcleos más pequeños. Este proceso se llama fisión nuclear. Por ejemplo, cuando los átomos de uranio-235 son bombardeados con neutrones, el núcleo de uranio pesado se divide para producir bario-139 y criptón-94 con la emisión de tres neutrones. En esta reacción también se produce mucha energía porque la masa se convierte en energía.
Además, en una reacción de fisión nuclear también se utilizan y producen neutrones. Los neutrones producidos en la reacción de fisión nuclear conducen a más fisiones de núcleos pesados y provocan una reacción en cadena. Si todos los neutrones producidos durante la fisión del uranio-235 producen más fisiones, se producirá tanta energía que no se podrá controlar y se producirá una explosión llamada bomba atómica. Sin embargo, la reacción de fisión nuclear puede ser controlada mediante el uso de varillas de boro, ya que el boro puede absorber neutrones.
Las reacciones de fisión nuclear se realizan para generar electricidad en las centrales nucleares.
Central nuclear
Las centrales nucleares utilizan las reacciones de fisión nuclear para generar electricidad y el combustible utilizado para este fin es el uranio-235.
En una central nuclear, la reacción de fisión se lleva a cabo en una vasija de presión de acero, y en su interior hay un reactor nuclear. En un reactor nuclear, las barras de uranio-235 se insertan en un núcleo de grafito. El grafito se denomina moderador, ya que ayuda a ralentizar la velocidad de los neutrones para que se produzca una reacción de fisión adecuada. Entre las varillas de uranio-235 se colocan varillas de boro, ya que ayudan a absorber el exceso de neutrones y evitan que la reacción de fisión nuclear se descontrole. Las barras de boro se denominan barras de control. Las varillas nucleares pueden elevarse dentro o salirse del reactor según la demanda. El reactor nuclear está encerrado en una cámara de hormigón que tiene una pared gruesa para que pueda absorber las radiaciones nucleares.
Una planta de energía nuclear o planta de energía atómica
Ahora el calor producido debido a la reacción de fisión en el reactor se enfría mediante el uso de sodio líquido o gas de dióxido de carbono que también ayuda a transferir al intercambiador de calor. Aquí, con la ayuda del agua de refrigeración, se convierte en vapor. El vapor producido se utiliza para hacer girar las turbinas y hacer funcionar los generadores.
Cuando se produce una reacción de fisión controlada en un reactor nuclear se produce una enorme cantidad de energía térmica. Por eso se bombea continuamente sodio líquido a través de las tuberías conectadas al reactor. El sodio ayuda a absorber el calor producido en el reactor. Luego, a través de las tuberías, el sodio extremadamente caliente pasa por el agua en el intercambiador de calor. El agua absorbe el calor del sodio caliente y hierve para formar vapor. Este vapor pasa entonces a alta presión a la cámara de la turbina que tiene una turbina. Este vapor hace girar la turbina, que a su vez está unida a su eje y al generador. Así, cuando la turbina gira, su eje también gira e impulsa el generador. Este generador ayuda a generar electricidad.
El vapor gastado que sale de la cámara de la turbina pasa a través del condensador que contiene agua y este agua ayuda a enfriar el vapor. Este vapor se convierte en agua y, a través de tuberías, se envía de nuevo al intercambiador de calor. El material de desecho producido en la reacción de fisión nuclear del uranio-235 es radiactivo y extremadamente dañino para el medio ambiente.
Centrales nucleares en la India
Hay siete centrales nucleares en la India. Son:
i) Central Atómica de Tarapur, Maharashtra
ii) Central Atómica de Rajastán, Rajastán
iii) Central Atómica de Madrás, Tamil Nadu
iv) Central Atómica de Kaiga, Karnataka
v) Central Atómica de Kudankulam, Tamil Nadu
vi) Central atómica de Narora, Uttar Pradesh
vii) Central atómica de Kakrapar, Gujarat
Bomba nuclear
Una bomba nuclear se basa en la reacción de fisión nuclear del uranio-235 y el plutonio-239. La reacción de fisión se deja deliberadamente fuera de control para producir una gran cantidad de energía en muy poco tiempo.
Las bombas atómicas basadas en la fisión nuclear del uranio-235 y el plutonio-239 fueron lanzadas sobre las ciudades japonesas de Hiroshima y Nagasaki en 1945 durante la Segunda Guerra Mundial. Esto causó una tremenda pérdida de vidas humanas.
La relación masa-energía de Einstein
Según Einstein la masa es igual a la energía.
E = mc2
E es la cantidad de energía producida
M es la masa destruida
C es la velocidad de la luz en el vacío
Como la velocidad de la luz es grande se produce una cantidad de energía extremadamente grande aunque se destruya una pequeña cantidad de masa. Además, si la masa se toma en kilogramos (kg) y la velocidad de la luz en metros por segundo (m/s) entonces la energía vendrá en julios (J).
Por lo tanto, si un kg de masa de cualquier materia se destruye en una reacción nuclear que la cantidad de energía producida es:
E = mc2
E = 1 * (3 * 108)2
E = 9 * 1016 J
Unidades de energía para expresar la energía nuclear
La unidad del SI de la energía liberada en las reacciones nucleares es el electrón voltio (eV) o el millón de electrones voltios (MeV). Y,
1 electrón voltio = 1,602 * 10-19 julios
Y,
1 millón de electrones voltios = 1,602 * 10-19 * 106 julios
1 MeV = 1.602 * 10-13 J
Valor de la unidad de masa atómica en términos de energía
Dado que la masa absoluta de la unidad de masa atómica es 1,66 * 10-27 kg y el valor exacto de la velocidad de la luz es 2,998 * 108m/s. Cuando ponemos estos valores en la ecuación de Einstein obtenemos,
1 unidad de masa atómica (u) = 1,492 * 10-10 J
También,
1 unidad de masa atómica (u) = 931 MeV
Fusión nuclear
El significado de fusión es unir o combinar. Por lo tanto, el proceso en el que dos núcleos de electrones ligeros se combinan para formar un núcleo pesado es la fusión nuclear. En el proceso de fusión nuclear también se libera una enorme cantidad de energía.
Los núcleos de los átomos están cargados positivamente y por lo tanto se repelen entre sí. Así que para combinar o fusionar estos dos núcleos para formar un núcleo pesado se requiere mucha energía calorífica y alta presión. Esto demuestra que la fusión nuclear se lleva a cabo calentando los átomos más ligeros a una temperatura extremadamente alta y a alta presión. También se pierde algo de masa en este proceso, lo que proporciona una enorme cantidad de energía.
Por ejemplo, cuando los átomos de deuterio se calientan a una temperatura extremadamente alta bajo alta presión, entonces dos núcleos de deuterio se combinan para formar helio, que tiene un núcleo pesado, se emite un neutrón y se libera mucha energía.
Una reacción de fusión nuclear es opuesta a la reacción de fisión nuclear. La energía producida en la reacción de fusión nuclear aún no ha sido controlada y es mucho más que la reacción de fisión nuclear.
Bomba de hidrógeno
Las reacciones nucleares que se producen a una temperatura extremadamente alta se llaman reacciones termonucleares. Esta reacción se utiliza para producir bombas de hidrógeno que causan destrucción masiva. Para fabricar una bomba de hidrógeno se utilizan isótopos de hidrógeno, deuterio (2H) y tritio (3H), junto con el elemento litio-6. La explosión de una bomba de hidrógeno se realiza utilizando una bomba atómica. Esto se debe a que cuando se explota una bomba atómica, su reacción de fisión produce mucho calor que eleva la temperatura del deuterio y el tritio en unos pocos microsegundos. Así se produce la reacción de fusión y la bomba de hidrógeno explota produciendo una enorme energía. La bomba de hidrógeno provoca la destrucción de la vida.
Ventajas de la energía nuclear
- Produce una enorme energía a partir de una pequeña cantidad de combustible (Uranio-235).
- No es necesario poner el combustible una y otra vez en un reactor nuclear. Una vez que el combustible (Uranio-235) se coloca en el reactor, puede funcionar durante dos o tres años seguidos.
- No produce gases como el dióxido de carbono o el dióxido de azufre.
Desventajas de la energía nuclear
- Los residuos de los reactores nucleares son radiactivos y siguen emitiendo radiaciones nocivas.
- Riesgo de que se produzca un accidente en los reactores nucleares que pueda provocar una fuga de material radiactivo.
- La disponibilidad de uranio combustible es limitada.
- El elevado coste de instalación de una central nuclear.
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