Reakcja fizyczna, która powoduje zmianę w jądrze atomu nazywana jest reakcją jądrową, a energia uwalniana podczas tej reakcji nazywana jest energią jądrową.
Masa jądra służy jako źródło energii jądrowej, która uwalniana jest głównie w postaci ciepła. Istnieją dwa typy reakcji jądrowych. Są to:
i) rozszczepienie jądra
ii) synteza jądrowa
Rozszczepienie jądra
Ciężkie jądro atomów promieniotwórczych, takich jak uran, pluton lub tor, jest bombardowane niskoenergetycznymi neutronami, które rozszczepiają jądro na mniejsze jądra. Proces ten nazywany jest rozszczepieniem jądra atomowego. Na przykład, gdy atomy uranu-235 są bombardowane neutronami, ciężkie jądro uranu rozszczepia się, tworząc bar-139 i krypton-94 z emisją trzech neutronów. W tej reakcji powstaje również dużo energii, ponieważ masa jest zamieniana na energię.
W reakcji rozszczepienia jądra atomowego neutrony są również zużywane i produkowane. Neutrony wyprodukowane w reakcji rozszczepienia jądra prowadzą do dalszego rozszczepienia ciężkich jąder i powodują reakcję łańcuchową. Jeśli wszystkie neutrony powstałe podczas rozszczepienia uranu-235 spowodują dalsze rozszczepienia, to wytworzy się tyle energii, że nie będzie można jej kontrolować i dojdzie do wybuchu zwanego bombą atomową. Jednak reakcja rozszczepienia jądra atomowego może być kontrolowana przez użycie prętów borowych, ponieważ bor może pochłaniać neutrony.
Reakcje rozszczepienia jądra atomowego są przeprowadzane w celu wytworzenia energii elektrycznej w elektrowniach jądrowych.
Elektrownia jądrowa
Elektrownie jądrowe wykorzystują reakcje rozszczepienia jądra atomowego do wytwarzania energii elektrycznej, a paliwem używanym do tego celu jest uran-235.
W elektrowni jądrowej reakcja rozszczepienia jest przeprowadzana w stalowym zbiorniku ciśnieniowym, a wewnątrz znajduje się reaktor jądrowy. W reaktorze jądrowym pręty z uranu-235 są umieszczone w grafitowym rdzeniu. Grafit nazywany jest moderatorem, ponieważ pomaga on w spowolnieniu prędkości neutronów, dzięki czemu zachodzi prawidłowa reakcja rozszczepienia. Pomiędzy prętami z uranu-235 umieszcza się pręty z boru, ponieważ pomagają one w pochłanianiu nadmiaru neutronów i zapobiegają wymknięciu się reakcji rozszczepienia spod kontroli. Pręty borowe nazywane są prętami kontrolnymi. Pręty te mogą być w zależności od potrzeb podnoszone do wewnątrz lub wyciągane na zewnątrz reaktora. Reaktor jądrowy jest zamknięty w betonowej komorze, która ma grube ściany, dzięki czemu może pochłaniać promieniowanie jądrowe.
Elektrownia jądrowa lub elektrownia atomowa
Teraz ciepło wytwarzane w wyniku reakcji rozszczepienia w reaktorze jest chłodzone za pomocą ciekłego sodu lub gazu dwutlenku węgla, co pomaga również w przeniesieniu go do wymiennika ciepła. Tutaj za pomocą chłodziwa woda zamieniana jest w parę. Wyprodukowana para jest wykorzystywana do obracania turbin i zasilania generatorów.
W reaktorze jądrowym, w którym zachodzi kontrolowana reakcja rozszczepienia, powstaje ogromna ilość energii cieplnej. Dlatego też ciekły sód jest stale pompowany przez rury podłączone do reaktora. Sód pomaga w pochłanianiu ciepła wytwarzanego w reaktorze. Następnie przez rury bardzo gorący sód przepuszczany jest przez wodę w wymienniku ciepła. Woda absorbuje ciepło z gorącego sodu i wrze tworząc parę wodną. Para ta jest następnie przepuszczana pod wysokim ciśnieniem do komory turbinowej, w której znajduje się turbina. Para ta następnie obraca turbinę, która jest dalej połączona z jej wałem i generatorem. Tak więc, gdy turbina się obraca, jej wał również się obraca i napędza generator. Generator ten pomaga w wytwarzaniu energii elektrycznej.
Zużyta para wychodząca z komory turbiny przechodzi przez kondensator, który zawiera wodę, a ta woda pomaga w chłodzeniu pary. Para ta następnie zamienia się w wodę i poprzez rury jest ponownie przesyłana do wymiennika ciepła. Odpady powstające w reakcji rozszczepienia jądra atomowego uranu-235 są radioaktywne i niezwykle szkodliwe dla środowiska.
Elektrownie jądrowe w Indiach
W Indiach znajduje się siedem elektrowni jądrowych. Są to:
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
Bomba jądrowa
Bomba jądrowa jest oparta na reakcji rozszczepienia jądra atomowego uranu-235 i plutonu-239. Reakcja rozszczepienia celowo wymyka się spod kontroli, aby w bardzo krótkim czasie wytworzyć dużą ilość energii.
Bomby atomowe oparte na reakcji rozszczepienia jądrowego uranu-235 i plutonu-239 zostały zrzucone na japońskie miasta Hiroszima i Nagasaki w 1945 r. podczas II wojny światowej. Spowodowało to ogromne straty w ludziach.
Związek masy i energii Einsteina
Według Einsteina masa jest równa energii.
E = mc2
E jest ilością wyprodukowanej energii
M jest masą zniszczoną
C jest prędkością światła w próżni
Ponieważ prędkość światła jest duża, więc bardzo duża ilość energii jest produkowana nawet jeśli mała ilość masy jest zniszczona. Również, jeśli masa jest brana w kilogramach (kg) i prędkość światła w metrach na sekundę (m/s), wtedy energia będzie w dżulach (J).
W związku z tym, jeśli jeden kg masy dowolnej materii zostanie zniszczony w reakcji jądrowej, ilość wyprodukowanej energii wynosi:
E = mc2
E = 1 * (3 * 108)2
E = 9 * 1016 J
Jednostki energii służące do wyrażania energii jądrowej
Jednostką energii wydzielanej w reakcjach jądrowych w układzie SI jest elektronowolt (eV) lub milion elektronowoltów (MeV). I,
1 elektronowolt = 1,602 * 10-19 dżuli
I,
1 milion elektronowoltów = 1,602 * 10-19 * 106 dżuli
1 MeV = 1.602 * 10-13 J
Wartość atomowej jednostki masy w przeliczeniu na energię
Ponieważ masa bezwzględna atomowej jednostki masy wynosi 1.66 * 10-27 kg a dokładna wartość prędkości światła wynosi 2.998 * 108m/s. Kiedy umieścimy te wartości w równaniu Einsteina otrzymamy,
1 atomowa jednostka masy (u) = 1.492 * 10-10 J
Również,
1 atomowa jednostka masy (u) = 931 MeV
Fuzja jądrowa
Słowo fuzja oznacza łączenie się lub łączenie. Dlatego proces, w którym dwa jądra z lekkimi elektronami łączą się, tworząc ciężkie jądro, jest fuzją jądrową. W procesie fuzji jądrowej uwalniana jest również ogromna ilość energii.
Jądra atomów są naładowane dodatnio i dlatego odpychają się od siebie. Tak więc, aby połączyć lub stopić te dwa jądra, aby utworzyć jedno ciężkie jądro, potrzebna jest duża ilość energii cieplnej i wysokie ciśnienie. Wynika z tego, że synteza jądrowa odbywa się poprzez podgrzanie lżejszych atomów do bardzo wysokiej temperatury przy wysokim ciśnieniu. W tym procesie traci się również pewną masę, co daje ogromną ilość energii.
Na przykład, gdy atomy deuteru są podgrzewane do bardzo wysokiej temperatury pod wysokim ciśnieniem, dwa jądra deuteru łączą się w hel, który ma ciężkie jądro, emitowany jest neutron i uwalniana jest duża ilość energii.
Reakcja syntezy jądrowej jest przeciwieństwem reakcji rozszczepienia jądra atomowego. Energia wytwarzana w reakcji syntezy jądrowej nie została jeszcze opanowana i jest znacznie większa niż w reakcji rozszczepienia jądra atomowego.
Bomba wodorowa
Reakcje jądrowe, które zachodzą w bardzo wysokiej temperaturze, nazywane są reakcjami termojądrowymi. Reakcja ta jest wykorzystywana do produkcji bomb wodorowych, które powodują masowe zniszczenia. Izotopy wodoru, deuter (2H) i tryt (3H), wraz z pierwiastkiem lit-6, są używane do produkcji bomby wodorowej. Eksplozja bomby wodorowej odbywa się za pomocą bomby atomowej. Dzieje się tak dlatego, że kiedy bomba atomowa eksploduje, reakcja rozszczepienia wytwarza dużo ciepła, które podnosi temperaturę deuteru i trytu w ciągu kilku mikrosekund. W ten sposób zachodzi reakcja fuzji i bomba wodorowa eksploduje wytwarzając ogromną energię. Bomba wodorowa powoduje zniszczenie życia.
Wady energii jądrowej
- Wytworzyła ogromną energię z niewielkiej ilości paliwa (Uran-235).
- Nie ma potrzeby umieszczania paliwa ponownie i ponownie w reaktorze jądrowym. Po umieszczeniu paliwa (Uranu-235) w reaktorze może on działać przez dwa do trzech lat na raz.
- Nie wytwarza gazów takich jak dwutlenek węgla czy dwutlenek siarki.
Wady energii jądrowej
- Odpadowe produkty reaktorów jądrowych są radioaktywne i nadal emitują szkodliwe promieniowanie.
- Ryzyko wypadku w reaktorach jądrowych, który może spowodować wyciek materiałów radioaktywnych.
- Dostępność paliwa uranowego jest ograniczona.
- Wysoki koszt instalacji elektrowni jądrowej.
Zdjęcie dzięki uprzejmości: www.s4.thingpic.com
.