Eine physikalische Reaktion, die eine Veränderung des Atomkerns bewirkt, wird als Kernreaktion bezeichnet, und die bei dieser Reaktion freigesetzte Energie wird als Kernenergie bezeichnet.
Die Masse des Atomkerns dient als Quelle der Kernenergie, die hauptsächlich in Form von Wärme freigesetzt wird. Es gibt zwei Arten von Kernreaktionen. Sie sind:
i) Kernspaltung
ii) Kernfusion
Kernspaltung
Der schwere Kern radioaktiver Atome wie Uran, Plutonium oder Thorium wird mit energiereichen Neutronen beschossen, die den Kern in kleinere Kerne spalten. Dieser Vorgang wird als Kernspaltung bezeichnet. Wenn zum Beispiel Uran-235-Atome mit Neutronen beschossen werden, spaltet sich der schwere Urankern unter Aussendung von drei Neutronen in Barium-139 und Krypton-94. Auch bei dieser Reaktion wird viel Energie erzeugt, weil Masse in Energie umgewandelt wird.
Auch bei einer Kernspaltungsreaktion werden Neutronen verbraucht und erzeugt. Die in der Kernspaltungsreaktion erzeugten Neutronen führen zu einer weiteren Spaltung von schweren Kernen und verursachen eine Kettenreaktion. Wenn alle bei der Spaltung von Uran-235 erzeugten Neutronen eine weitere Spaltung bewirken, wird so viel Energie erzeugt, dass sie nicht mehr kontrolliert werden kann und zu einer Explosion führt, die als Atombombe bezeichnet wird. Die Kernspaltungsreaktion kann jedoch durch die Verwendung von Borstäben kontrolliert werden, da Bor Neutronen absorbieren kann.
Kernspaltungsreaktionen werden zur Stromerzeugung in Kernkraftwerken durchgeführt.
Kernkraftwerk
Kernkraftwerke verwenden Kernspaltungsreaktionen zur Stromerzeugung, und der Brennstoff, der zu diesem Zweck verwendet wird, ist Uran-235.
In einem Kernkraftwerk wird eine Spaltungsreaktion in einem Druckbehälter aus Stahl durchgeführt, und darin befindet sich ein Kernreaktor. In einem Kernreaktor werden Uran-235-Stäbe in einen Graphitkern eingesetzt. Graphit wird als Moderator bezeichnet, da er dazu beiträgt, die Geschwindigkeit der Neutronen zu verlangsamen, damit eine ordnungsgemäße Spaltungsreaktion stattfinden kann. Zwischen den Uran-235-Stäben befinden sich Borstäbe, die dazu beitragen, überschüssige Neutronen zu absorbieren und zu verhindern, dass die Kernspaltungsreaktion außer Kontrolle gerät. Die Borstäbe werden als Kontrollstäbe bezeichnet. Die Kernstäbe können je nach Bedarf innerhalb des Reaktors angehoben oder aus dem Reaktor herausgezogen werden. Der Kernreaktor ist in einer Betonkammer eingeschlossen, die eine dicke Wand hat, so dass sie die nukleare Strahlung absorbieren kann.
Ein Kernkraftwerk oder Atomkraftwerk
Nun wird die Wärme, die durch die Spaltungsreaktion im Reaktor erzeugt wird, mit Hilfe von flüssigem Natrium oder Kohlendioxidgas abgekühlt, was auch dazu beiträgt, dass sie an den Wärmetauscher übertragen wird. Hier wird das Wasser mit Hilfe des Kühlmittels in Dampf umgewandelt. Der erzeugte Dampf wird zum Antrieb von Turbinen und Generatoren verwendet.
Bei einer kontrollierten Spaltungsreaktion in einem Kernreaktor wird eine enorme Menge an Wärmeenergie erzeugt. Deshalb wird ständig flüssiges Natrium durch die Rohrleitungen des Reaktors gepumpt. Natrium hilft dabei, die im Reaktor erzeugte Wärme zu absorbieren. Durch die Rohre wird das extrem heiße Natrium dann durch das Wasser im Wärmetauscher geleitet. Das Wasser nimmt die Wärme des heißen Natriums auf und kocht, so dass Dampf entsteht. Dieser Dampf wird dann unter hohem Druck in die Turbinenkammer mit einer Turbine geleitet. Dieser Dampf treibt die Turbine an, die wiederum mit ihrer Welle und dem Generator verbunden ist. Wenn sich also die Turbine dreht, dreht sich auch ihre Welle und treibt den Generator an. Dieser Generator hilft bei der Stromerzeugung.
Der aus der Turbinenkammer austretende Dampf wird durch den Kondensator geleitet, der Wasser enthält, und dieses Wasser hilft bei der Kühlung des Dampfes. Dieser Dampf wandelt sich dann in Wasser um und wird durch Rohre wieder zum Wärmetauscher geleitet. Die Abfälle, die bei der Kernspaltung von Uran-235 entstehen, sind radioaktiv und äußerst umweltschädlich.
Kernkraftwerke in Indien
In Indien gibt es sieben Kernkraftwerke. Sie sind:
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) Atomkraftwerk Narora, Uttar Pradesh
vii) Atomkraftwerk Kakrapar, Gujarat
Nuklearbombe
Eine Atombombe basiert auf der Kernspaltungsreaktion von Uran-235 und Plutonium-239. Die Spaltreaktion wird absichtlich außer Kontrolle geraten lassen, um in kürzester Zeit eine große Energiemenge zu erzeugen.
Die Atombomben, die auf der Kernspaltung von Uran-235 und Plutonium-239 basieren, wurden 1945 während des Zweiten Weltkriegs auf die japanischen Städte Hiroshima und Nagasaki abgeworfen. Dies verursachte einen enormen Verlust an Menschenleben.
Einsteins Masse-Energie-Relation
Nach Einstein ist die Masse gleich der Energie.
E = mc2
E ist die erzeugte Energiemenge
M ist die zerstörte Masse
C ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum
Da die Lichtgeschwindigkeit groß ist, wird eine extrem große Energiemenge erzeugt, auch wenn eine kleine Menge an Masse zerstört wird. Wenn man die Masse in Kilogramm (kg) und die Lichtgeschwindigkeit in Meter pro Sekunde (m/s) angibt, dann erhält man die Energie in Joule (J).
Wenn also ein kg Masse einer beliebigen Materie in einer Kernreaktion zerstört wird, dann ist die Menge der erzeugten Energie:
E = mc2
E = 1 * (3 * 108)2
E = 9 * 1016 J
Energieeinheiten zur Angabe der Kernenergie
Die SI-Einheit der in Kernreaktionen freigesetzten Energie ist Elektronenvolt (eV) oder Millionen Elektronenvolt (MeV). Und,
1 Elektronenvolt = 1,602 * 10-19 Joule
Und,
1 Million Elektronenvolt = 1,602 * 10-19 * 106 Joule
1 MeV = 1.602 * 10-13 J
Wert der atomaren Masseneinheit in Bezug auf die Energie
Da die absolute Masse der atomaren Masseneinheit 1,66 * 10-27 kg beträgt und der genaue Wert der Lichtgeschwindigkeit 2,998 * 108m/s ist. Wenn wir diese Werte in Einsteins Gleichung einsetzen, erhalten wir,
1 atomare Masseneinheit (u) = 1,492 * 10-10 J
Auch,
1 atomare Masseneinheit (u) = 931 MeV
Kernfusion
Die Bedeutung von Fusion ist, sich zu verbinden oder zu kombinieren. Der Vorgang, bei dem sich zwei Kerne mit leichten Elektronen zu einem schweren Kern verbinden, heißt also Kernfusion. Bei der Kernfusion wird auch eine enorme Menge an Energie freigesetzt.
Die Atomkerne sind positiv geladen und stoßen sich daher gegenseitig ab. Um diese beiden Kerne zu einem schweren Kern zu verbinden oder zu verschmelzen, sind also viel Wärmeenergie und hoher Druck erforderlich. Dies zeigt, dass die Kernfusion durch Erhitzen leichterer Atome auf eine extrem hohe Temperatur bei hohem Druck erfolgt. Bei diesem Prozess geht auch etwas Masse verloren, was eine enorme Menge an Energie liefert.
Wenn zum Beispiel Deuteriumatome auf eine extrem hohe Temperatur unter hohem Druck erhitzt werden, verbinden sich zwei Deuteriumkerne zu Helium, das einen schweren Kern hat, ein Neutron wird emittiert und eine Menge Energie wird freigesetzt.
Eine Kernfusionsreaktion ist das Gegenteil einer Kernspaltungsreaktion. Die bei der Kernfusionsreaktion erzeugte Energie ist noch nicht kontrolliert worden und ist viel größer als bei der Kernspaltungsreaktion.
Wasserstoffbombe
Kernreaktionen, die bei extrem hohen Temperaturen ablaufen, nennt man thermonukleare Reaktionen. Diese Reaktion wird zur Herstellung von Wasserstoffbomben verwendet, die Massenvernichtung verursachen. Für die Herstellung einer Wasserstoffbombe werden die Wasserstoffisotope Deuterium (2H) und Tritium (3H) zusammen mit dem Element Lithium-6 verwendet. Die Explosion einer Wasserstoffbombe erfolgt mit Hilfe einer Atombombe. Denn bei der Explosion einer Atombombe wird durch die Spaltreaktion viel Wärme erzeugt, die die Temperatur von Deuterium und Tritium in wenigen Mikrosekunden erhöht. So kommt es zur Fusionsreaktion, und die Wasserstoffbombe explodiert unter Erzeugung enormer Energie. Die Wasserstoffbombe verursacht die Zerstörung von Leben.
Vorteile der Kernenergie
- Sie erzeugt enorme Energie aus einer kleinen Menge Brennstoff (Uran-235).
- Es besteht keine Notwendigkeit, den Brennstoff immer wieder in einen Kernreaktor zu geben. Wenn der Brennstoff (Uran-235) einmal im Reaktor ist, kann er zwei bis drei Jahre am Stück funktionieren.
- Es entstehen keine Gase wie Kohlendioxid oder Schwefeldioxid.
Nachteile der Kernenergie
- Die Abfallprodukte von Kernreaktoren sind radioaktiv und geben weiterhin schädliche Strahlung ab.
- Das Risiko eines Unfalls in Kernreaktoren, bei dem radioaktives Material austreten kann.
- Die Verfügbarkeit des Brennstoffs Uran ist begrenzt.
- Die hohen Installationskosten eines Kernkraftwerks.
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