Fysikaalista reaktiota, joka aiheuttaa muutoksen atomin ytimessä, kutsutaan ydinreaktioksi ja reaktiossa vapautuvaa energiaa kutsutaan ydinenergiaksi.
Ytimen massa toimii ydinenergian lähteenä, joka vapautuu pääasiassa lämmön muodossa. Ydinreaktioita on kahdenlaisia. Ne ovat:
i) Ydinfissio
ii) Ydinfuusio
Ydinfissio
Ydinfissio
Radioaktiivisten atomien, kuten uraanin, plutoniumin tai toriumin raskasta ydintä pommitetaan matalaenergisillä neutroneilla, jotka pilkkovat ytimen pienemmiksi ytimiksi. Tätä prosessia kutsutaan ydinfissioksi. Kun esimerkiksi uraani-235-atomia pommitetaan neutroneilla, raskas uraaniydin halkeaa ja tuottaa barium-139:ää ja krypton-94:ää, jolloin syntyy kolme neutronia. Tässä reaktiossa syntyy myös paljon energiaa, koska massa muuttuu energiaksi.
Ydinfissioreaktiossa kuluu ja syntyy myös neutroneja. Ydinfissioreaktiossa tuotetut neutronit johtavat raskaiden ydinten lisähajoamiseen ja aiheuttavat ketjureaktion. Jos kaikki uraani-235:n fissiossa syntyneet neutronit tuottavat lisää fissiota, syntyy niin paljon energiaa, että sitä ei voi hallita ja se johtaa atomipommiksi kutsuttuun räjähdykseen. Ydinfissioreaktiota voidaan kuitenkin hallita käyttämällä boorisauvoja, koska boori voi absorboida neutroneita.
Ydinfissioreaktioita tehdään sähkön tuottamiseksi ydinvoimaloissa.
Ydinvoimalat
Ydinvoimalat käyttävät ydinfissioreaktioita sähkön tuottamiseen ja polttoaineena käytetään uraani-235:tä.
Ydinvoimalassa ydinfissioreaktio tapahtuu teräksisessä painesäiliössä, jonka sisällä on ydinreaktori. Ydinreaktorissa uraani-235-sauvat on asetettu grafiittiytimeen. Grafiittia kutsutaan moderaattoriksi, koska se auttaa hidastamaan neutronien nopeutta, jotta fissioreaktio tapahtuisi kunnolla. Uraani-235-sauvojen väliin sijoitetaan boorisauvoja, sillä ne auttavat absorboimaan ylimääräisiä neutroneita ja estävät ydinfissioreaktiota karkaamasta käsistä. Boorisauvoja kutsutaan säätösauvoiksi. Ydinsauvoja voidaan nostaa reaktorin sisälle tai vetää reaktorin ulkopuolelle tarpeen mukaan. Ydinreaktori on suljettu betonikammioon, jossa on paksu seinämä, jotta se voi absorboida ydinsäteilyä.
Ydinvoimalaitos tai Atomivoimalaitos
Nyt reaktorissa tapahtuvan fissioreaktion tuottama lämpö jäähdytetään nestemäisen natriumin tai hiilidioksidikaasun avulla, mikä myös auttaa sen siirtymisessä lämmönsiirtimeen. Täällä jäähdytysveden avulla vesi muutetaan höyryksi. Tuotettua höyryä käytetään turbiinien pyörittämiseen ja generaattoreiden pyörittämiseen.
Ydinreaktorissa tapahtuvan hallitun fissioreaktion yhteydessä syntyy valtava määrä lämpöenergiaa. Siksi nestemäistä natriumia pumpataan jatkuvasti reaktoriin liitettyjen putkien läpi. Natrium auttaa absorboimaan reaktorissa tuotettua lämpöä. Tämän jälkeen erittäin kuuma natrium johdetaan putkien kautta veden läpi lämmönvaihtimessa. Vesi imee lämpöä kuumasta natriumista ja kiehuu muodostaen höyryä. Tämä höyry johdetaan sitten korkeassa paineessa turbiinikammioon, jossa on turbiini. Tämä höyry pyörittää turbiinia, joka on edelleen kiinnitetty akseliinsa ja generaattoriin. Kun turbiini pyörii, myös sen akseli pyörii ja pyörittää generaattoria. Tämä generaattori auttaa sähköntuotannossa.
Turbiinikammiosta tuleva käytetty höyry johdetaan lauhduttimen läpi, joka sisältää vettä, ja tämä vesi auttaa höyryn jäähdyttämisessä. Tämä höyry muuttuu sitten vedeksi ja lähetetään putkien kautta jälleen lämmönvaihtimeen. Uraani-235:n ydinfissioreaktiossa syntyvä jätemateriaali on radioaktiivista ja erittäin haitallista ympäristölle.
Ydinvoimalat Intiassa
Intiassa on seitsemän ydinvoimalaa. Ne ovat:
i) Tarapurin ydinvoimala, Maharashtra
ii) Rajasthanin ydinvoimala, Rajasthan
iii) Madrasin ydinvoimala, Tamil Nadu
iv) Kaigan ydinvoimala, Karnataka
v) Kudankulamin ydinvoimala, Tamil Nadu
vii) Naroran ydinvoimalaitos, Uttar Pradesh
vii) Kakraparin ydinvoimalaitos, Gujarat
Ydinpommi
Ydinpommi perustuu uraani-235:n ja plutonium-239:n ydinfissioreaktioon. Fissioreaktio päästetään tarkoituksella karkaamaan käsistä, jotta saadaan tuotettua suuri määrä energiaa hyvin lyhyessä ajassa.
Uraani-235:n ja plutonium-239:n ydinfissioon perustuvat atomipommit pudotettiin japanilaisiin Hiroshiman ja Nagasakin kaupunkeihin vuonna 1945 toisen maailmansodan aikana. Tämä aiheutti valtavia ihmishenkien menetyksiä.
Einsteinin massa-energiasuhde
Einsteinin mukaan massa on yhtä suuri kuin energia.
E = mc2
E on tuotettu energiamäärä
M on tuhoutunut massa
C on valon nopeus tyhjiössä
Koska valon nopeus on suuri, niin syntyy erittäin suuri määrä energiaa, vaikka tuhoutuu pieni määrä massaa. Myös jos massa otetaan kilogrammoina (kg) ja valon nopeus metreinä sekunnissa (m/s), niin energiaa saadaan jouleina (J).
Jos siis yksi kg massaa mitä tahansa ainetta tuhoutuu ydinreaktiossa, niin tuotettu energiamäärä on:
E = mc2
E = 1 * (3 * 108)2
E = 9 * 1016 J
Energiayksiköt ydinenergian ilmaisemiseen
Ydinreaktioissa vapautuvan energian SI-yksikkö on elektronivoltti (eV) tai miljoona elektronivolttia (MeV). Ja,
1 elektronivoltti = 1,602 * 10-19 joulea
Ja,
1 miljoona elektronivoltti = 1,602 * 10-19 * 106 joulea
1 MeV = 1.602 * 10-13 J
Aatomimassayksikön arvo energiana
Sillä atomimassayksikön absoluuttinen massa on 1,66 * 10-27 kg ja valonnopeuden tarkka arvo on 2,998 * 108m/s. Kun laitamme nämä arvot Einsteinin yhtälöön, saamme,
1 atomimassayksikkö (u) = 1,492 * 10-10 J
Samoin,
1 atomimassayksikkö (u) = 931 MeV
Ydinfuusio
Fuusion merkitys on liittyä tai yhdistyä. Siksi prosessi, jossa kaksi kevyiden elektronien muodostamaa ydintä yhdistyy raskaaksi ytimeksi, on ydinfuusio. Ydinfuusiossa vapautuu myös valtava määrä energiaa.
Atomien ytimet ovat positiivisesti varautuneita ja siten ne hylkivät toisiaan. Jotta nämä kaksi ydintä voitaisiin yhdistää tai sulattaa yhdeksi raskaaksi ytimeksi, tarvitaan siis paljon lämpöenergiaa ja korkeaa painetta. Tämä osoittaa, että ydinfuusio tapahtuu kuumentamalla kevyempiä atomeja erittäin korkeaan lämpötilaan korkeassa paineessa. Tässä prosessissa menetetään myös jonkin verran massaa, mikä antaa valtavan määrän energiaa.
Kun esimerkiksi deuteriumatomeja kuumennetaan erittäin korkeaan lämpötilaan korkeassa paineessa, kaksi deuteriumydintä yhdistyy heliumiksi, jolla on raskas ydin, neutroni emittoituu ja vapautuu paljon energiaa.
Ydinfuusioreaktio on vastakohta ydinfissioreaktiolle. Ydinfuusioreaktiossa syntyvää energiaa ei ole vielä pystytty hallitsemaan ja se on paljon suurempi kuin ydinfissioreaktiossa.
Vetypommi
Ydinreaktioita, jotka tapahtuvat erittäin korkeassa lämpötilassa, kutsutaan termoydinreaktioiksi. Tätä reaktiota käytetään joukkotuhoa aiheuttavien vetypommien valmistuksessa. Vetypommin valmistuksessa käytetään vedyn isotooppeja, deuteriumia (2H) ja tritiumia (3H) sekä alkuainetta litium-6. Vetypommi räjäytetään atomipommin avulla. Tämä johtuu siitä, että kun atomipommi räjäytetään, sen fissioreaktio tuottaa paljon lämpöä, joka nostaa deuteriumin ja tritiumin lämpötilaa muutamassa mikrosekunnissa. Näin tapahtuu fuusioreaktio ja vetypommi räjähtää tuottaen valtavasti energiaa. Vetypommi aiheuttaa elämän tuhoutumisen.
Ydinenergian edut
- Se tuotti valtavasti energiaa pienestä polttoainemäärästä (uraani-235).
- Polttoainetta ei tarvitse laittaa uudelleen ja uudelleen ydinreaktoriin. Kun polttoaine (uraani-235) on kerran laitettu reaktoriin, se voi toimia kaksi-kolme vuotta putkeen.
- Se ei tuota kaasuja, kuten hiilidioksidia tai rikkidioksidia.
Ydinenergian haitat
- Ydinreaktoreiden jätteet ovat radioaktiivisia, ja ne säteilevät edelleen haitallista säteilyä.
- Ydinreaktoreiden onnettomuusriski, joka voi aiheuttaa radioaktiivisten aineiden vuotoja.
- Polttoaineena käytettävän uraanin saatavuus on rajallista.
- Ydinvoimalan korkeat asennuskustannukset.
Kuva kohteliaisuus: www.s4.thingpic.com