Uma reacção física que provoca uma mudança no núcleo de um átomo é chamada de reacção nuclear e a energia libertada durante esta reacção é chamada de energia nuclear.
A massa do núcleo serve como fonte de energia nuclear que é libertada principalmente sob a forma de calor. Existem dois tipos de reacção nuclear. Eles são:
i) Fissão Nuclear
ii) Fusão Nuclear
Fissão Nuclear
Fissão Nuclear
O núcleo pesado de átomos radioativos como urânio, plutônio ou tório é bombardeado com nêutrons de baixa energia que dividem o núcleo em núcleos menores. Este processo é chamado de fissão nuclear. Por exemplo, quando o urânio-235 átomos são bombardeados com nêutrons, então o núcleo pesado de urânio se divide para produzir bário-139 e crípton-94 com a emissão de três nêutrons. Muita energia também é produzida nesta reação porque a massa é convertida em energia.
Também, em uma reação de fissão nuclear, os nêutrons são usados e produzidos também. Os nêutrons produzidos na reação de fissão nuclear levam a mais fissão de núcleos pesados e causam uma reação em cadeia. Se todos os nêutrons produzidos durante a fissão do urânio-235 produzem mais fissão, então tanta energia será produzida que não será controlada e levará a uma explosão chamada bomba atômica. Entretanto, a reação de fissão nuclear pode ser controlada usando barras de boro, pois o boro pode absorver os nêutrons.
Reações de fissão nuclear são feitas para gerar eletricidade em usinas nucleares.
Energia nuclear
Energia nuclear usa reações de fissão nuclear para gerar eletricidade e o combustível usado para este fim é o urânio-235.
Em uma usina nuclear, uma reação de fissão é feita em um vaso de pressão de aço, e no interior é um reator nuclear. Em um reator nuclear, as hastes de urânio-235 são inseridas em um núcleo de grafite. A grafite é chamada de moderador, pois ajuda a diminuir a velocidade dos nêutrons para que ocorra uma reação de fissão adequada. Entre as hastes de urânio-235 são colocadas hastes de boro, pois ajudam a absorver o excesso de nêutrons e a evitar a reação de fissão nuclear fora de controle. As hastes de boro são chamadas de hastes de controle. As hastes nucleares podem ser levantadas dentro ou puxadas para fora do reator conforme a demanda. O reator nuclear é encerrado em uma câmara de concreto que possui uma parede espessa para que possa absorver as radiações nucleares.
Uma usina nuclear ou usina atômica
Agora o calor produzido devido à reação de fissão no reator é resfriado usando-se gás líquido de sódio ou dióxido de carbono que também ajuda na transferência para o trocador de calor. Aqui, com a ajuda de água de refrigeração, é convertida em vapor. O vapor produzido é usado para girar turbinas e operar geradores.
Uma tremenda quantidade de energia térmica é produzida quando uma reação de fissão controlada ocorre em um reator nuclear. É por isso que o sódio líquido é bombeado continuamente através dos tubos ligados ao reactor. O sódio ajuda na absorção do calor produzido no reactor. Depois, através dos tubos, o sódio extremamente quente é passado através da água no permutador de calor. A água absorve o calor do sódio quente e ferve para formar vapor. Este vapor é então passado a alta pressão para a câmara da turbina tendo uma turbina. Este vapor faz girar a turbina, que fica mais ligada ao seu eixo e ao gerador. Assim, quando a turbina gira, seu eixo também gira e aciona o gerador. Este gerador ajuda na geração de eletricidade.
O vapor gasto saindo da câmara da turbina é passado através do condensador que contém água e esta água ajuda no resfriamento do vapor. Este vapor é então convertido em água e através de tubos é novamente enviado para o permutador de calor. O material residual produzido na reação de fissão nuclear do urânio-235 é radioativo e extremamente prejudicial ao meio ambiente.
Plantas nucleares na Índia
Existem sete usinas nucleares na Índia. Elas são:
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i) Central Atómica de Tarapur, Maharashtra
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ii) Central Atómica de Rajasthan, Rajasthan
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iii) Central Atómica de Madras, Tamil Nadu
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iv) Central Atómica de Kaiga, Karnataka
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v) Central Atómica de Kudankulam, Tamil Nadu
vi) Central Nuclear Narora Atômica, Uttar Pradesh
vii) Central Nuclear Kakrapar Atômica, Gujarat
Bomba Nuclear
Bomba Nuclear baseada na reação de fissão nuclear de urânio-235 e plutônio-239. A reação de fissão é deliberadamente autorizada a sair do controle para produzir uma grande quantidade de energia em um curto espaço de tempo.
As bombas atômicas baseadas na fissão nuclear de urânio-235 e plutônio-239 foram lançadas sobre as cidades japonesas de Hiroshima e Nagasaki em 1945 durante a Segunda Guerra Mundial. Isto causou uma tremenda perda de vidas humanas.
A Relação Massa-Energia de Einstein
De acordo com Einstein a massa é igual a energia.
E = mc2
E é a quantidade de energia produzida
M é a massa destruída
C é a velocidade da luz no vácuo
Desde que a velocidade da luz é grande, uma quantidade extremamente grande de energia é produzida, mesmo que uma pequena quantidade de massa seja destruída. Além disso, se a massa for tomada em quilogramas (kg) e a velocidade da luz em metros por segundo (m/s), a energia virá em joules (J).
Assim, se um kg de massa de qualquer matéria é destruído numa reacção nuclear, então a quantidade de energia produzida é superior à quantidade de energia produzida:
E = mc2
E = 1 * (3 * 108)2
E = 9 * 1016 J
Unidades de energia para expressar energia nuclear
A unidade SI de energia libertada nas reacções nucleares é o electrão-volt (eV) ou milhão de electrões-volt (MeV). E,
1 volt de elétron = 1,602 * 10-19 joules
E,
1 milhão de volt de elétron = 1,602 * 10-19 * 106 joules
1 MeV = 1.602 * 10-13 J
Valor da unidade de massa atômica em termos de energia
Desde que a massa absoluta da unidade de massa atômica é 1,66 * 10-27 kg e o valor exato da velocidade da luz é 2,998 * 108m/s. Quando colocamos estes valores na equação de Einstein obtemos,
1 unidade de massa atómica (u) = 1,492 * 10-10 J
Também,
1 unidade de massa atómica (u) = 931 MeV
Fusão nuclear
O significado de fusão é para unir ou combinar. Portanto, o processo no qual dois núcleos de elétrons leves são combinados para formar um núcleo pesado é a fusão nuclear. No processo de fusão nuclear também é liberada uma enorme quantidade de energia.
Os núcleos de átomos são carregados positivamente e assim se repelem um ao outro. Assim, a fim de combinar ou fundir estes dois núcleos para formar um núcleo pesado é necessária muita energia térmica e alta pressão. Isto mostra que a fusão nuclear é realizada aquecendo átomos mais leves a uma temperatura extremamente alta a alta pressão. Alguma massa também é perdida neste processo que dá uma tremenda quantidade de energia.
Por exemplo, quando átomos de deutério são aquecidos a uma temperatura extremamente alta sob alta pressão, então dois núcleos de deutério se combinam para formar hélio que tem um núcleo pesado, um nêutron é emitido e muita energia é liberada.
Uma reação de fusão nuclear é oposta à reação de fissão nuclear. A energia produzida na reação de fusão nuclear ainda não foi controlada e é muito mais que a reação de fissão nuclear.
Bomba de hidrogênio
Reações nucleares que ocorrem a temperaturas extremamente altas são chamadas reações termonucleares. Esta reação é usada na produção de bombas de hidrogênio que causam destruição em massa. Isótopos de hidrogênio, deutério (2H), e trítio (3H), juntamente com um elemento lítio-6 é usado na fabricação de uma bomba de hidrogênio. A explosão de uma bomba de hidrogênio é feita com o uso de uma bomba atômica. Isto porque quando uma bomba atômica é explodida, sua reação de fissão produz muito calor que eleva a temperatura do deutério e do trítio em alguns microssegundos. Assim, a reação de fusão ocorre e a bomba de hidrogênio é explodida produzindo uma enorme energia. A bomba de hidrogênio causa a destruição de vida.
Vantagens da energia nuclear
- Produziu uma tremenda energia a partir de uma pequena quantidade de combustível (Urânio-235).
- Não há necessidade de colocar o combustível de novo e de novo em um reator nuclear. Uma vez que o combustível (Urânio-235) é colocado no reator ele pode funcionar por dois ou três anos em um trecho.
- Não produz gases como dióxido de carbono ou dióxido de enxofre.
Desvantagens da energia nuclear
- Os produtos residuais dos reatores nucleares são radioativos e continuam emitindo radiação nociva.
- Risco de acidente em reatores nucleares que podem causar vazamento de material radioativo.
- A disponibilidade de urânio combustível é limitada.
- O alto custo de instalação de uma usina nuclear.
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