O reacție fizică care provoacă o schimbare în nucleul unui atom se numește reacție nucleară, iar energia eliberată în timpul acestei reacții se numește energie nucleară.
Masa nucleului servește ca sursă de energie nucleară care este eliberată în principal sub formă de căldură. Există două tipuri de reacții nucleare. Acestea sunt:
i) fisiunea nucleară
ii) fuziunea nucleară
Fisiunea nucleară
Nucleul greu al atomilor radioactivi, cum ar fi uraniul, plutoniul sau toriul, este bombardat cu neutroni de energie joasă care scindă nucleul în nuclee mai mici. Acest proces se numește fisiune nucleară. De exemplu, atunci când atomii de uraniu-235 sunt bombardați cu neutroni, atunci nucleul greu de uraniu se divizează pentru a produce bariu-139 și kripton-94 cu emisie de trei neutroni. În această reacție se produce, de asemenea, multă energie, deoarece masa este transformată în energie.
De asemenea, într-o reacție de fisiune nucleară se consumă și se produc și neutroni. Neutronii produși în reacția de fisiune nucleară duc la o nouă fisiune a nucleelor grele și provoacă o reacție în lanț. Dacă toți neutronii produși în timpul fisiunii uraniului-235 produc alte fisiuni, atunci se va produce atât de multă energie încât aceasta nu va putea fi controlată și va duce la o explozie numită bombă atomică. Cu toate acestea, reacția de fisiune nucleară poate fi controlată prin utilizarea barelor de bor, deoarece borul poate absorbi neutronii.
Reacțiile de fisiune nucleară se fac pentru a genera electricitate la centralele nucleare.
Centralele nucleare utilizează reacții de fisiune nucleară pentru a genera electricitate, iar combustibilul utilizat în acest scop este uraniul-235.
Într-o centrală nucleară, reacția de fisiune se realizează într-un vas sub presiune din oțel, iar în interior se află un reactor nuclear. Într-un reactor nuclear, barele de uraniu-235 sunt introduse într-un miez de grafit. Grafitul se numește moderator, deoarece ajută la încetinirea vitezei neutronilor, astfel încât să aibă loc o reacție de fisiune corespunzătoare. Între barele de uraniu-235 sunt plasate barele de bor, deoarece acestea ajută la absorbția neutronilor în exces și previn ca reacția de fisiune nucleară să scape de sub control. Barele de bor se numesc bare de control. Barele nucleare pot fi ridicate în interiorul sau trase în afara reactorului, în funcție de cerere. Reactorul nuclear este închis într-o cameră de beton care are un perete gros, astfel încât să poată absorbi radiațiile nucleare.
O centrală nucleară sau o centrală atomică
Acum, căldura produsă datorită reacției de fisiune în reactor este răcită cu ajutorul sodiului lichid sau al dioxidului de carbon gazos, ceea ce ajută, de asemenea, la transferul ei către schimbătorul de căldură. Aici, cu ajutorul agentului de răcire, apa este transformată în abur. Aburul produs este utilizat pentru a porni turbinele și a face să funcționeze generatoarele.
O cantitate enormă de energie termică este produsă atunci când are loc o reacție de fisiune controlată într-un reactor nuclear. Acesta este motivul pentru care sodiul lichid este pompat continuu prin conductele atașate la reactor. Sodiul ajută la absorbția căldurii produse în reactor. Apoi, prin conducte, sodiul extrem de fierbinte este trecut prin apa din schimbătorul de căldură. Apa absoarbe căldura de la sodiul fierbinte și fierbe pentru a forma abur. Acest abur este apoi trecut la presiune ridicată în camera turbinei care are o turbină. Acest abur face apoi să se rotească turbina, care este atașată în continuare la arborele său și la generator. Astfel, atunci când turbina se rotește, arborele acesteia se rotește și el și antrenează generatorul. Acest generator ajută la generarea de energie electrică.
Vaporul uzat care iese din camera turbinei este trecut prin condensatorul care conține apă, iar această apă ajută la răcirea aburului. Acest abur se transformă apoi în apă și, prin conducte, este trimis din nou la schimbătorul de căldură. Materialul rezidual produs în reacția de fisiune nucleară a uraniului-235 este radioactiv și extrem de nociv pentru mediu.
Centralele nucleare din India
Există șapte centrale nucleare în India. Acestea sunt:
i) Centrala atomică Tarapur, Maharashtra
ii) Centrala atomică Rajasthan, Rajasthan
iii) Centrala atomică Madras, Tamil Nadu
iv) Centrala atomică Kaiga, Karnataka
v) Centrala atomică Kudankulam, Tamil Nadu
vi) Centrala atomică Narora, Uttar Pradesh
vii) Centrala atomică Kakrapar, Gujarat
Bomba nucleară
O bombă nucleară se bazează pe reacția de fisiune nucleară a uraniului-235 și a plutoniului-239. Reacția de fisiune este lăsată în mod deliberat să scape de sub control, astfel încât să producă o cantitate mare de energie într-un timp foarte scurt.
Bombele atomice bazate pe fisiunea nucleară a uraniului-235 și a plutoniului-239 au fost lansate asupra orașelor japoneze Hiroshima și Nagasaki în 1945, în timpul celui de-al Doilea Război Mondial. Acest lucru a cauzat o pierdere imensă de vieți omenești.
Relația masă-energie a lui Einstein
Potrivit lui Einstein masa este egală cu energia.
E = mc2
E este cantitatea de energie produsă
M este masa distrusă
C este viteza luminii în vid
Din moment ce viteza luminii este mare, deci se produce o cantitate extrem de mare de energie chiar dacă se distruge o cantitate mică de masă. De asemenea, dacă masa este luată în kilograme (kg) și viteza luminii în metri pe secundă (m/s), atunci energia va veni în jouli (J).
Prin urmare, dacă într-o reacție nucleară se distruge un kg de masă din orice materie, atunci cantitatea de energie produsă este:
E = mc2
E = 1 * (3 * 108)2
E = 9 * 1016 J
Unități energetice pentru exprimarea energiei nucleare
Unitatea SI de energie eliberată în reacțiile nucleare este electron-voltul (eV) sau milionul de electron-volți (MeV). Și,
1 electron volt = 1,602 * 10-19 jouli
Și,
1 milion de electroni volți = 1,602 * 10-19 * 106 jouli
1 MeV = 1.602 * 10-13 J
Valoarea unității de masă atomică în termeni de energie
Din moment ce masa absolută a unității de masă atomică este de 1,66 * 10-27 kg, iar valoarea exactă a vitezei luminii este de 2,998 * 108m/s. Când punem aceste valori în ecuația lui Einstein obținem,
1 unitate de masă atomică (u) = 1,492 * 10-10 J
De asemenea,
1 unitate de masă atomică (u) = 931 MeV
Fuziune nucleară
Semnificația fuziunii este de a se uni sau de a se combina. Prin urmare, procesul în care două nuclee de electroni ușori se combină pentru a forma un nucleu greu este fuziunea nucleară. În procesul de fuziune nucleară se eliberează, de asemenea, o cantitate imensă de energie.
Nucleii atomilor sunt încărcați pozitiv și, astfel, se resping unul pe celălalt. Astfel, pentru a combina sau a fuziona aceste două nuclee pentru a forma un nucleu greu sunt necesare multă energie termică și o presiune ridicată. Acest lucru arată că fuziunea nucleară se realizează prin încălzirea atomilor mai ușori la o temperatură extrem de ridicată și la o presiune ridicată. În acest proces se pierde și o parte din masă, ceea ce generează o cantitate enormă de energie.
De exemplu, atunci când atomii de deuteriu sunt încălziți la o temperatură extrem de ridicată sub presiune mare, atunci două nuclee de deuteriu se combină pentru a forma heliu, care are un nucleu greu, se emite un neutron și se eliberează o cantitate mare de energie.
Reacția de fuziune nucleară este opusă reacției de fisiune nucleară. Energia produsă în reacția de fuziune nucleară nu a fost încă controlată și este mult mai mare decât în cazul reacției de fisiune nucleară.
Bomba cu hidrogen
Reacțiile nucleare care au loc la temperaturi extrem de ridicate se numesc reacții termonucleare. Această reacție este folosită la producerea bombelor cu hidrogen care provoacă distrugeri în masă. La fabricarea unei bombe cu hidrogen se folosesc izotopi de hidrogen, deuteriu (2H) și tritiu (3H), împreună cu un element litiu-6. Explozia unei bombe cu hidrogen se face cu ajutorul unei bombe atomice. Acest lucru se datorează faptului că, atunci când o bombă atomică este explodată, reacția de fisiune a acesteia a produs multă căldură care ridică temperatura deuteriului și a tritiului în câteva microsecunde. Astfel, are loc reacția de fuziune și bomba cu hidrogen explodează, producând o energie enormă. Bomba cu hidrogen provoacă distrugerea vieții.
Avantajele energiei nucleare
- A produs o energie enormă dintr-o cantitate mică de combustibil (Uraniu-235).
- Nu este nevoie să se pună combustibilul din nou și din nou într-un reactor nuclear. Odată ce combustibilul (Uraniu-235) este pus în reactor, acesta poate funcționa timp de doi-trei ani la rând.
- Nu produce gaze precum dioxidul de carbon sau dioxidul de sulf.
Dezavantajele energiei nucleare
- Deșeurile reactoarelor nucleare sunt radioactive și continuă să emită radiații nocive.
- Riscul unui accident în reactoarele nucleare care poate provoca scurgeri de material radioactiv.
- Disponibilitatea uraniului combustibil este limitată.
- Costul ridicat de instalare a unei centrale nucleare.
Imagine din curtoazie: www.s4.thingpic.com
.