Az atommagban változást okozó fizikai reakciót magreakciónak nevezzük, az e reakció során felszabaduló energiát pedig atomenergiának.
A mag tömege szolgál az atomenergia forrásául, amely főként hő formájában szabadul fel. A magreakciónak két típusa van. Ezek:
i) Maghasadás
ii) Magfúzió
Maghasadás
A radioaktív atomok, például az urán, a plutónium vagy a tórium nehéz atommagját kis energiájú neutronokkal bombázzák, amelyek az atommagot kisebb atommagokra hasítják. Ezt a folyamatot nevezzük maghasadásnak. Például amikor az urán-235 atomokat neutronokkal bombázzák, akkor a nehéz uránmag három neutron kibocsátásával bárium-139 és kripton-94 keletkezik. Ebben a reakcióban is sok energia keletkezik, mert a tömeg energiává alakul át.
A maghasadási reakcióban neutronok is elhasználódnak és keletkeznek. A maghasadási reakcióban keletkező neutronok a nehéz atommagok további hasadásához vezetnek, és láncreakciót okoznak. Ha az urán-235 hasadása során keletkező összes neutron további hasadást eredményez, akkor annyi energia keletkezik, hogy az nem lesz szabályozható, és atombombának nevezett robbanáshoz vezet. A maghasadási reakciót azonban bórrudak használatával lehet szabályozni, mivel a bór képes elnyelni a neutronokat.
A maghasadási reakciókat az atomerőművekben villamos energia előállítására használják.
Az atomerőműben
Az atomerőművekben a maghasadási reakciókat használják villamos energia előállítására, és az ehhez használt üzemanyag az urán-235.
Az atomerőműben a maghasadási reakciót egy acél nyomástartó edényben végzik, és belül van egy atomreaktor. Az atomreaktorban az urán-235 rudakat egy grafitmagba helyezik. A grafitot moderátornak nevezik, mivel segít lelassítani a neutronok sebességét, hogy megfelelő hasadási reakció mehessen végbe. Az urán-235 rudak közé bórrudakat helyeznek, mivel ezek segítenek elnyelni a felesleges neutronokat, és megakadályozzák a maghasadási reakció elszabadulását. A bórrudakat vezérlő rudaknak nevezik. A nukleáris rudakat igény szerint a reaktoron belül fel lehet emelni vagy kívülre lehet húzni. Az atomreaktort egy betonkamra zárja körül, amelynek vastag a fala, hogy elnyelje a nukleáris sugárzást.
Egy atomerőmű vagy atomerőmű
A reaktorban a hasadási reakció következtében keletkező hőt folyékony nátrium vagy széndioxid gáz használatával hűtik, ami szintén segít a hőcserélőbe való átjutásban. Itt a hűtőközeg segítségével a víz gőzzé alakul. A keletkező gőzt turbinák forgatására és generátorok működtetésére használják.
Az atomreaktorban lezajló szabályozott hasadási reakció során óriási mennyiségű hőenergia keletkezik. Ezért folyékony nátriumot pumpálnak folyamatosan a reaktorhoz csatlakozó csöveken keresztül. A nátrium segít elnyelni a reaktorban keletkező hőt. Ezután a csöveken keresztül a rendkívül forró nátriumot a hőcserélőben lévő vízen keresztül vezetik át. A víz elnyeli a forró nátrium hőjét, és gőzt képezve felforr. Ezt a gőzt ezután nagy nyomáson a turbinával ellátott turbinakamrába vezetik. Ez a gőz forgatja a turbinát, amely tovább kapcsolódik a tengelyéhez és a generátorhoz. Így amikor a turbina forog, a tengelye is forog, és meghajtja a generátort. Ez a generátor segít a villamosenergia-termelésben.
A turbinakamrából kilépő elhasznált gőz a vizet tartalmazó kondenzátoron halad át, és ez a víz segít a gőz hűtésében. Ez a gőz ezután vízzé alakul, és csöveken keresztül ismét a hőcserélőbe kerül. Az urán-235 maghasadási reakciójában keletkező hulladékanyag radioaktív és rendkívül káros a környezetre.
Atomerőművek Indiában
Indiában hét atomerőmű található. Ezek a következők:
i) Tarapur atomerőmű, Maharashtra
ii) Rajasthan atomerőmű, Rajasthan
iii) Madras atomerőmű, Tamil Nadu
iv) Kaiga atomerőmű, Karnataka
v) Kudankulam atomerőmű, Tamil Nadu
vii) Narora Atomerőmű, Uttar Pradesh
vii) Kakrapar Atomerőmű, Gujarat
Az atombomba
Az atombomba az urán-235 és a plutónium-239 maghasadási reakcióján alapul. A hasadási reakciót szándékosan hagyják elszabadulni, hogy nagyon rövid idő alatt nagy mennyiségű energiát termeljenek.
Az urán-235 és plutónium-239 maghasadásán alapuló atombombákat 1945-ben, a második világháborúban dobták le Hirosima és Nagaszaki japán városokra. Ez óriási emberveszteséget okozott.
Einstein tömeg-energia összefüggése
Einstein szerint a tömeg egyenlő az energiával.
E = mc2
E a keletkezett energia mennyisége
M a megsemmisült tömeg
C a fény sebessége vákuumban
Mivel a fény sebessége nagy, így rendkívül nagy mennyiségű energia keletkezik akkor is, ha kis mennyiségű tömeg megsemmisül. Továbbá, ha a tömeget kilogrammban (kg), a fénysebességet pedig méter/másodpercben (m/s) vesszük, akkor az energiát joule-ban (J) kapjuk.
Ezért, ha egy nukleáris reakcióban egy kg tömegű anyag megsemmisül, akkor a keletkező energia mennyisége:
E = mc2
E = 1 * (3 * 108)2
E = 9 * 1016 J
Energiaegységek az atomenergia kifejezésére
A magreakciókban felszabaduló energia SI-egysége az elektronvolt (eV) vagy millió elektronvolt (MeV). És,
1 elektronvolt = 1,602 * 10-19 joule
És,
1 millió elektronvolt = 1,602 * 10-19 * 106 joule
1 MeV = 1.602 * 10-13 J
Az atomi tömegegység értéke az energia szempontjából
Mivel az atomi tömegegység abszolút tömege 1,66 * 10-27 kg és a fénysebesség pontos értéke 2,998 * 108m/s. Ha ezeket az értékeket betesszük Einstein egyenletébe, akkor azt kapjuk,
1 atomi tömegegység (u) = 1,492 * 10-10 J
Ezeken kívül,
1 atomi tömegegység (u) = 931 MeV
Nukleáris fúzió
A fúzió jelentése: egyesülés vagy egyesülés. Ezért az a folyamat, amelyben két könnyű elektronokkal rendelkező atommag egyesül egy nehéz atommaggá, az magfúzió. A magfúzió során szintén hatalmas mennyiségű energia szabadul fel.
Az atommagok pozitív töltésűek, ezért taszítják egymást. Ahhoz tehát, hogy ez a két atommag egyesüljön vagy összeolvadjon egyetlen nehéz atommaggá, sok hőenergiára és nagy nyomásra van szükség. Ez azt mutatja, hogy a magfúzió a könnyebb atomok rendkívül magas hőmérsékletre és nagy nyomásra történő hevítésével valósul meg. Ebben a folyamatban némi tömeg is elvész, ami óriási mennyiségű energiát ad.
Például, amikor deutériumatomokat nagy nyomáson rendkívül magas hőmérsékletre hevítünk, akkor két deutérium atommag egyesül héliummaggá, amely egy nehéz atommaggal rendelkezik, neutron keletkezik, és sok energia szabadul fel.
A magfúziós reakció a maghasadási reakció ellentéte. A magfúziós reakcióban keletkező energiát még nem sikerült szabályozni, és sokkal nagyobb, mint a maghasadási reakcióban.
Hidrogénbomba
A rendkívül magas hőmérsékleten lejátszódó nukleáris reakciókat termonukleáris reakcióknak nevezzük. Ezt a reakciót használják a tömegpusztítást okozó hidrogénbombák előállítására. A hidrogén izotópjait, a deutériumot (2H) és a tríciumot (3H), valamint a lítium-6 elemet használják a hidrogénbomba előállításához. A hidrogénbomba felrobbantása atombombával történik. Ennek az az oka, hogy amikor egy atombombát felrobbantanak, akkor a hasadási reakció nagy mennyiségű hőt termel, amely néhány mikroszekundum alatt megemeli a deutérium és a trícium hőmérsékletét. Így bekövetkezik a fúziós reakció, és a hidrogénbomba felrobban, hatalmas energiát termelve. A hidrogénbomba az élet pusztulását okozza.
A nukleáris energia előnyei
- Egy kis mennyiségű üzemanyagból (urán-235) óriási energiát állít elő.
- Az üzemanyagot nem kell újra és újra betenni az atomreaktorba. Ha az üzemanyagot (uránium-235) egyszer betették a reaktorba, az két-három évig is működhet egyhuzamban.
- Nem termel olyan gázokat, mint a szén-dioxid vagy a kén-dioxid.
A nukleáris energia hátrányai
- A nukleáris reaktorok hulladékai radioaktívak, és továbbra is káros sugárzást bocsátanak ki.
- A nukleáris reaktorokban bekövetkező baleset kockázata, amely radioaktív anyagok szivárgását okozhatja.
- A fűtőanyag urán korlátozottan áll rendelkezésre.
- Az atomerőmű magas telepítési költsége.
A kép jóvoltából: www.s4.thingpic.com
.