Een fysische reactie die een verandering in de kern van een atoom veroorzaakt, wordt een kernreactie genoemd en de energie die bij deze reactie vrijkomt, wordt kernenergie genoemd.
De massa van de kern dient als bron van kernenergie, die voornamelijk in de vorm van warmte vrijkomt. Er zijn twee soorten kernreacties. Deze zijn:
i) Kernsplijting
ii) Kernfusie
Kernsplijting
De zware kern van radioactieve atomen zoals uranium, plutonium, of thorium wordt gebombardeerd met neutronen met lage energie die de kern in kleinere kernen splitsen. Dit proces wordt kernsplijting genoemd. Wanneer bijvoorbeeld uranium-235-atomen met neutronen worden gebombardeerd, splitst de zware uraniumkern zich en worden barium-139 en krypton-94 gevormd door de emissie van drie neutronen. Ook bij deze reactie wordt veel energie geproduceerd omdat massa in energie wordt omgezet.
Ook bij een kernsplijtingsreactie worden neutronen opgebruikt en geproduceerd. De neutronen die bij de kernsplijtingsreactie worden geproduceerd, leiden tot verdere splijting van zware kernen en veroorzaken een kettingreactie. Als alle neutronen die tijdens de splijting van uranium-235 worden geproduceerd, nog meer splijtingen veroorzaken, dan wordt er zoveel energie geproduceerd dat deze niet onder controle kan worden gehouden en tot een explosie leidt die een atoombom wordt genoemd. De kernsplijtingsreactie kan echter worden beheerst door boorstaven te gebruiken, aangezien boor neutronen kan absorberen.
Kernsplijtingsreacties worden uitgevoerd om elektriciteit op te wekken in kerncentrales.
Kerncentrales gebruiken kernsplijtingsreacties om elektriciteit op te wekken en de brandstof die voor dit doel wordt gebruikt is uranium-235.
In een kerncentrale wordt een splijtingsreactie uitgevoerd in een stalen drukvat, en binnenin bevindt zich een kernreactor. In een kernreactor worden staven uranium-235 in een grafietkern geplaatst. Grafiet wordt de moderator genoemd, omdat het helpt de snelheid van de neutronen te vertragen, zodat een goede splijtingsreactie plaatsvindt. Tussen de uranium-235 staven worden boriumstaven geplaatst, aangezien deze helpen bij het absorberen van overtollige neutronen en voorkomen dat de kernsplijtingsreactie uit de hand loopt. Boriumstaven worden regelstaven genoemd. De controlestaven kunnen naar gelang van de behoefte binnen of buiten de reactor worden gebracht. De kernreactor is ingesloten in een betonnen kamer met een dikke wand, zodat hij de nucleaire straling kan absorberen.
Een kerncentrale of Atoomcentrale
Nu wordt de warmte die door de splijtingsreactie in de reactor wordt geproduceerd, gekoeld met vloeibaar natrium of kooldioxidegas, dat ook helpt bij de overdracht naar de warmtewisselaar. Hier wordt met behulp van koelvloeistof water omgezet in stoom. De geproduceerde stoom wordt gebruikt om turbines te laten draaien en generatoren te laten draaien.
Er wordt een enorme hoeveelheid warmte-energie geproduceerd wanneer een gecontroleerde splijtingsreactie in een kernreactor plaatsvindt. Daarom wordt voortdurend vloeibaar natrium door de aan de reactor bevestigde leidingen gepompt. Natrium helpt bij het absorberen van de warmte die in de reactor wordt geproduceerd. Vervolgens wordt het zeer hete natrium via pijpen door water in de warmtewisselaar geleid. Het water absorbeert de warmte van het hete natrium en kookt om stoom te vormen. Deze stoom wordt dan onder hoge druk doorgegeven aan de turbinekamer met een turbine. Deze stoom roteert dan de turbine die verder verbonden is met zijn schacht en de generator. Wanneer de turbine roteert, roteert zijn schacht ook en drijft de generator aan. Deze generator helpt bij het opwekken van elektriciteit.
De afgewerkte stoom die uit de turbinekamer komt, wordt door de condensator geleid die water bevat en dit water helpt bij het koelen van de stoom. Deze stoom wordt dan omgezet in water en door pijpen weer naar de warmtewisselaar gestuurd. Het afvalmateriaal dat vrijkomt bij de kernsplijtingsreactie van uranium-235 is radioactief en uiterst schadelijk voor het milieu.
Kerncentrales in India
Er zijn zeven kerncentrales in India. Het zijn:
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 Atomic Power Station, Uttar Pradesh
vii) Kakrapar Atomic Power Station, Gujarat
Nucleaire bom
Een nucleaire bom is gebaseerd op de kernsplijtingsreactie van uranium-235 en plutonium-239. De splijtingsreactie wordt opzettelijk uit de hand laten lopen om in zeer korte tijd een grote hoeveelheid energie te produceren.
De atoombommen op basis van kernsplitsing van uranium-235 en plutonium-239 werden in 1945 tijdens de Tweede Wereldoorlog op de Japanse steden Hiroshima en Nagasaki afgeworpen. Dit veroorzaakte een enorm verlies aan mensenlevens.
Einstein’s Massa-Energie Relatie
Volgens Einstein is massa gelijk aan energie.
E = mc2
E is de hoeveelheid geproduceerde energie
M is vernietigde massa
C is de lichtsnelheid in een vacuüm
Omdat de lichtsnelheid groot is, wordt een extreem grote hoeveelheid energie geproduceerd, zelfs als een kleine hoeveelheid massa wordt vernietigd. Ook, als de massa in kilogrammen (kg) wordt genomen en de snelheid van licht in meters per seconde (m/s) dan zal de energie in joules (J) komen.
Wanneer dus één kg massa van om het even welke materie in een kernreactie wordt vernietigd, dan is de hoeveelheid geproduceerde energie:
E = mc2
E = 1 * (3 * 108)2
E = 9 * 1016 J
Energie-eenheden voor het uitdrukken van kernenergie
De SI-eenheid van energie die vrijkomt bij kernreacties is elektronvolt (eV) of miljoen elektronvolt (MeV). En,
1 elektronvolt = 1,602 * 10-19 joule
En,
1 miljoen elektronvolt = 1,602 * 10-19 * 106 joule
1 MeV = 1.602 * 10-13 J
Waarde van atoommassa-eenheid in termen van energie
Omdat de absolute massa van atoommassa-eenheid 1,66 * 10-27 kg is en de exacte waarde van de snelheid van het licht 2,998 * 108m/s is. Wanneer we deze waarden in Einsteins vergelijking zetten krijgen we,
1 atoommassa-eenheid (u) = 1,492 * 10-10 J
Ook,
1 atoommassa-eenheid (u) = 931 MeV
Nucleaire fusie
De betekenis van fusie is samenvoegen of samenvoegen. Daarom is het proces waarbij twee kernen van lichte elektronen worden gecombineerd tot een zware kern kern kernfusie. Bij het proces van kernfusie komt ook een enorme hoeveelheid energie vrij.
De atoomkernen zijn positief geladen en stoten elkaar dus af. Om deze twee kernen te combineren of te laten samensmelten tot één zware kern is dus veel warmte-energie en hoge druk nodig. Hieruit blijkt dat kernfusie wordt uitgevoerd door lichtere atomen te verhitten tot een extreem hoge temperatuur bij hoge druk. Hierbij gaat ook wat massa verloren, wat een enorme hoeveelheid energie oplevert.
Bij voorbeeld, wanneer deuteriumatomen worden verhit tot een extreem hoge temperatuur onder hoge druk dan combineren twee deuteriumkernen zich tot helium dat een zware kern heeft, er wordt een neutron uitgezonden en er komt veel energie vrij.
Een kernfusiereactie is tegengesteld aan een kernsplijtingsreactie. De energie die vrijkomt bij de kernfusiereactie is nog niet gecontroleerd en is veel meer dan bij de kernsplijtingsreactie.
Waterstofbom
Nucleaire reacties die bij extreem hoge temperatuur plaatsvinden, worden thermonucleaire reacties genoemd. Deze reactie wordt gebruikt bij de productie van waterstofbommen die massavernietiging veroorzaken. Isotopen van waterstof, deuterium (2H), en tritium (3H), samen met een element lithium-6 wordt gebruikt bij het maken van een waterstofbom. De explosie van een waterstofbom gebeurt met behulp van een atoombom. Dit komt omdat wanneer een atoombom wordt geëxplodeerd, de splijtingsreactie veel hitte produceert die de temperatuur van deuterium en tritium in een paar microseconden doet stijgen. Aldus vindt de fusiereactie plaats en de waterstofbom wordt geëxplodeerd waarbij enorme energie wordt geproduceerd. De waterstofbom veroorzaakt de vernietiging van het leven.
Voordelen van kernenergie
- Het produceerde enorme energie uit een kleine hoeveelheid brandstof (Uranium-235).
- Het is niet nodig om de brandstof steeds opnieuw in een kernreactor te stoppen. Zodra de brandstof (Uranium-235) in de reactor is gestopt, kan deze twee tot drie jaar achtereen functioneren.
- Het produceert geen gassen zoals kooldioxide of zwaveldioxide.
Nadelen van kernenergie
- De afvalproducten van kernreactoren zijn radioactief en blijven schadelijke straling uitzenden.
- Risico van een ongeluk in kernreactoren waardoor radioactief materiaal kan lekken.
- De beschikbaarheid van brandstof uranium is beperkt.
- De hoge installatiekosten van een kerncentrale.
Image Courtesy: www.s4.thingpic.com