En fysikalisk reaktion som orsakar en förändring i en atomkärna kallas kärnreaktion och den energi som frigörs under denna reaktion kallas kärnenergi.
Kärnans massa fungerar som källa för kärnenergin som frigörs främst i form av värme. Det finns två typer av kärnreaktioner. De är:
i) Kärnklyvning
ii) Kärnfusion
Kärnklyvning
Den tunga kärnan i radioaktiva atomer som uran, plutonium eller torium bombarderas med neutroner med låg energi som delar kärnan i mindre kärnor. Denna process kallas kärnklyvning. När till exempel uran-235-atomer bombarderas med neutroner splittras den tunga urankärnan och bildar barium-139 och krypton-94 med utsläpp av tre neutroner. Mycket energi produceras också i denna reaktion eftersom massa omvandlas till energi.
I en kärnklyvningsreaktion förbrukas och produceras också neutroner. De neutroner som produceras i kärnklyvningsreaktionen leder till ytterligare klyvning av tunga kärnor och orsakar en kedjereaktion. Om alla neutroner som produceras under klyvningen av uran-235 ger upphov till ytterligare klyvning produceras så mycket energi att den inte kan kontrolleras och leder till en explosion som kallas atombomb. Kärnklyvningsreaktionen kan dock kontrolleras genom att använda borstänger eftersom bor kan absorbera neutroner.
Kärnklyvningsreaktioner görs för att generera elektricitet i kärnkraftverk.
Kärnkraftverk
Kärnkraftverk använder kärnklyvningsreaktioner för att generera elektricitet och bränslet som används för detta ändamål är uran-235.
I ett kärnkraftverk sker en klyvningsreaktion i ett tryckkärl av stål, och inuti finns en kärnreaktor. I en kärnreaktor sätts uran-235-stänger in i en grafitkärna. Grafiten kallas moderator eftersom den hjälper till att bromsa neutronernas hastighet så att en riktig fissionsreaktion äger rum. Mellan uran-235-stängerna placeras borstänger som hjälper till att absorbera överflödiga neutroner och förhindra att kärnklyvningsreaktionen blir okontrollerbar. Borstängerna kallas kontrollstänger. Kärnkraftsstavarna kan höjas inuti eller dras ut utanför reaktorn beroende på behovet. Kärnreaktorn är innesluten i en betongkammare som har en tjock vägg så att den kan absorbera kärnstrålningen.
Ett kärnkraftverk eller atomkraftverk
Nu kyls värmen som produceras på grund av klyvningsreaktionen i reaktorn med hjälp av flytande natrium eller koldioxidgas, vilket också hjälper till att överföra den till värmeväxlaren. Här omvandlas vattnet med hjälp av kylmedlet till ånga. Den producerade ångan används för att driva turbiner och generatorer.
En enorm mängd värmeenergi produceras när en kontrollerad klyvningsreaktion äger rum i en kärnreaktor. Därför pumpas flytande natrium kontinuerligt genom rören som är kopplade till reaktorn. Natrium hjälper till att absorbera den värme som produceras i reaktorn. Genom rören leds sedan extremt hett natrium genom vatten i värmeväxlaren. Vattnet absorberar värmen från det heta natriumet och kokar för att bilda ånga. Ångan leds sedan med högt tryck in i turbinkammaren med en turbin. Ångan roterar sedan turbinen som är kopplad till sin axel och generatorn. När turbinen roterar roterar också dess axel och driver generatorn. Generatorn hjälper till att generera elektricitet.
Den förbrukade ångan som kommer ut ur turbinkammaren leds genom kondensorn som innehåller vatten och detta vatten hjälper till att kyla ångan. Denna ånga omvandlas sedan till vatten och genom rör skickas återigen till värmeväxlaren. Det avfallsmaterial som produceras vid kärnklyvningsreaktionen av uran-235 är radioaktivt och ytterst skadligt för miljön.
Kärnkraftverk i Indien
Det finns sju kärnkraftverk i Indien. De är:
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
Kärnvapenbomb
En kärnvapenbomb bygger på kärnklyvningsreaktionen mellan uran-235 och plutonium-239. Man låter avsiktligt klyvningsreaktionen gå överstyr för att producera en stor mängd energi på mycket kort tid.
Atombomberna som bygger på kärnklyvning av uran-235 och plutonium-239 släpptes över de japanska städerna Hiroshima och Nagasaki 1945 under andra världskriget. Detta orsakade en enorm förlust av människoliv.
Einsteins massa-energirelation
Enligt Einstein är massa lika med energi.
E = mc2
E är den producerade energimängden
M är den förstörda massan
C är ljusets hastighet i ett vakuum
Då ljusets hastighet är stor så produceras en extremt stor mängd energi även om en liten mängd massa förstörs. Om massan tas i kilogram (kg) och ljusets hastighet i meter per sekund (m/s) kommer energin i joule (J).
Om ett kg massa av vilken materia som helst förstörs i en kärnreaktion är därför den producerade energimängden:
E = mc2
E = 1 * (3 * 108)2
E = 9 * 1016 J
Energienheter för att uttrycka kärnenergi
SI-enheten för den energi som frigörs i kärnreaktioner är elektronvolt (eV) eller miljon elektronvolt (MeV). Och,
1 elektronvolt = 1,602 * 10-19 joule
Och,
1 miljon elektronvolt = 1,602 * 10-19 * 106 joule
1 MeV = 1.602 * 10-13 J
Atommassaenhetens värde i termer av energi
Då atommassaenhetens absoluta massa är 1,66 * 10-27 kg och det exakta värdet av ljusets hastighet är 2,998 * 108m/s. När vi sätter in dessa värden i Einsteins ekvation får vi,
1 atommassenhet (u) = 1,492 * 10-10 J
Och,
1 atommassenhet (u) = 931 MeV
Kärnfusion
Begreppet fusion innebär att man förenar sig eller kombinerar. Därför är kärnfusion den process där två kärnor med lätta elektroner kombineras för att bilda en tung kärna. I processen för kärnfusion frigörs också en enorm mängd energi.
Atomkärnorna är positivt laddade och stöter därför bort varandra. För att kombinera eller fusionera dessa två kärnor till en tung kärna krävs mycket värmeenergi och högt tryck. Detta visar att kärnfusion sker genom att lättare atomer värms upp till en extremt hög temperatur vid högt tryck. En del massa går också förlorad i denna process, vilket ger en enorm mängd energi.
Till exempel, när deuteriumatomer värms upp till en extremt hög temperatur under högt tryck kombineras två deuteriumkärnor för att bilda helium, som har en tung kärna, en neutron avges och mycket energi frigörs.
En kärnfusionsreaktion är motsatsen till en kärnklyvningsreaktion. Den energi som produceras i kärnfusionsreaktionen har ännu inte kunnat kontrolleras och är mycket större än kärnklyvningsreaktionen.
Vätgasbomb
Kärnreaktioner som sker vid extremt hög temperatur kallas termonukleära reaktioner. Denna reaktion används för att framställa vätebomber som orsakar massförstörelse. Isotoper av väte, deuterium (2H) och tritium (3H), tillsammans med grundämnet litium-6 används för att tillverka en vätebomb. Explosionen av en vätebomb sker med hjälp av en atombomb. Detta beror på att när en atombomb exploderar så producerar dess klyvningsreaktion mycket värme som höjer temperaturen på deuterium och tritium på några mikrosekunder. På så sätt sker fusionsreaktionen och vätebomben exploderar och producerar enorm energi. Vätgasbomben orsakar förstörelse av liv.
Fördelar med kärnenergi
- Den producerade enorm energi från en liten mängd bränsle (Uran-235).
- Det finns inget behov av att sätta in bränslet om och om igen i en kärnreaktor. När bränslet (Uran-235) väl har satts i reaktorn kan den fungera i två till tre år i sträck.
- Den producerar inte gaser som koldioxid eller svaveldioxid.
Nackdelar med kärnenergi
- Avfallsprodukterna från kärnkraftsreaktorer är radioaktiva och fortsätter att sända ut skadlig strålning.
- Risken för en olycka i kärnreaktorer som kan orsaka läckage av radioaktivt material.
- Tillgången till bränslet uran är begränsad.
- Den höga installationskostnaden för ett kärnkraftverk.
Bild med tillstånd från: www.s4.thingpic.com
.