πυρηνική ενέργεια

Χημεία

2022

Εξηγούμε τι είναι η πυρηνική ενέργεια και πώς λαμβάνεται. Επίσης, σε τι χρησιμεύει, πλεονεκτήματα, μειονεκτήματα και μερικά παραδείγματα.

Η ατομική ενέργεια είναι ασφαλής, αρκετά αποδοτική και ευέλικτη.

Τι είναι η πυρηνική ενέργεια;

Η πυρηνική ενέργεια ή ατομική ενέργεια είναι το αποτέλεσμα των αντιδράσεων που συμβαίνουν στους ατομικούς πυρήνες ή μεταξύ τους, είναι δηλαδή η ενέργεια που εκλύεται στις πυρηνικές αντιδράσεις. Αυτές οι αντιδράσεις μπορεί να συμβούν αυθόρμητα ή τεχνητά.

Οι πυρηνικές αντιδράσεις είναι διαδικασίες συνδυασμού ή κατακερματισμού των πυρήνων του άτομα Υ υποατομικά σωματίδια. Οι ατομικοί πυρήνες μπορούν να συνδυαστούν ή να κατακερματιστούν, απελευθερώνοντας ή απορροφώντας μεγάλες ποσότητες ενέργειας στη διαδικασία. Όταν τεμαχίζονται πυρήνες, η διαδικασία είναι γνωστή ως πυρηνική σχάση και όταν συνδυάζονται ονομάζεται πυρηνική σύντηξη.

Η πυρηνική σχάση συμβαίνει όταν ένας βαρύς ατομικός πυρήνας κατακερματίζεται σε πολλούς πυρήνες μικρότερους βάρος, έχοντας επίσης τη δυνατότητα να παράγει ελεύθερα νετρόνια, φωτόνια και θραύσματα του πυρήνα. Η πυρηνική σύντηξη συμβαίνει όταν αρκετοί ατομικοί πυρήνες με παρόμοια φορτία συνδυάζονται για να σχηματίσουν έναν νέο, βαρύτερο πυρήνα. Αυτές οι αντιδράσεις συμβαίνουν στους πυρήνες των ατόμων ορισμένων ισοτόπων του χημικά στοιχεία όπως το ουράνιο (U) ή το υδρογόνο (Η).

Η μεγάλη ποσότητα ενέργειας που εμπλέκεται στις πυρηνικές αντιδράσεις οφείλεται βασικά στο γεγονός ότι μέρος της μάζας των σωματιδίων που αντιδρούν μετατρέπεται άμεσα σε ενέργεια. Αυτή η διαδικασία υποστηρίχθηκε από τον Γερμανό φυσικό Άλμπερτ Αϊνστάιν θέτοντας την εξίσωσή του:

E = mc²

Που:

Όπως μπορείτε να δείτε, η εξίσωση που προτείνει ο Αϊνστάιν συσχετίζει τη μάζα και την ενέργεια.

Η ενέργεια που απελευθερώνεται στις πυρηνικές αντιδράσεις μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ηλεκτρική ενέργεια σε θερμοπυρηνικούς σταθμούς, στην πυρηνική ιατρική, στη βιομηχανία, στα ορυχεία, σε αρχαιολογία και σε πολλές άλλες εφαρμογές.

Η κύρια χρήση του είναι στην παραγωγή του ηλεκτρική ενέργεια, όπου η πυρηνική ενέργεια χρησιμοποιείται για τη θέρμανση μεγάλων τόμους από Νερό ή να δημιουργήσει αέρια, του οποίου θερμιδική ενέργεια Στη συνέχεια χρησιμοποιείται για την κίνηση μεγάλων στροβίλων που παράγουν ηλεκτρική ενέργεια.

Η ελεγχόμενη χρήση της πυρηνικής ενέργειας χρησιμοποιείται για φιλανθρωπικούς σκοπούς. Είναι μια πολύ σημαντική πηγή ενέργειας αλλά και, δυστυχώς, χρησιμοποιείται για στρατιωτικούς σκοπούς για την παραγωγή πυρηνικών όπλων μαζικής καταστροφής.

Πώς λαμβάνεται η πυρηνική ενέργεια;

Οι πυρηνικές αντιδράσεις παράγουν εξαιρετικά ασταθή άτομα.

Η πυρηνική ενέργεια λαμβάνεται ως αποτέλεσμα της πυρηνικής αντίδρασης σε ορισμένους ατομικούς πυρήνες ορισμένων χημικών στοιχείων. Μερικές από τις πιο σημαντικές διαδικασίες για την απόκτηση πυρηνικής ενέργειας είναι η σχάση του ισοτόπου ουρανίου-235 (235U) του στοιχείου ουρανίου (U) και η σύντηξη των ισοτόπων δευτερίου-τρίτιο (2H-3H) του στοιχείου υδρογόνο (H) , αν και επίσης Πυρηνική ενέργεια μπορεί να ληφθεί από πυρηνικές αντιδράσεις στα ισότοπα θόριο-232 (232Th), πλουτώνιο-239 (239Pu), στρόντιο-90 (90Sr) ή πολώνιο-210 (210Po).

Η σχάση του ουρανίου-235 (235U) είναι μια εξώθερμη αντίδραση, δηλαδή απελευθερώνει πολλή ενέργεια. Η απελευθερωμένη ενέργεια θερμαίνει το μέσο στο οποίο λαμβάνει χώρα η αντίδραση, το οποίο θα μπορούσε να είναι για παράδειγμα το νερό.

Για να συμβεί σχάση, το ισότοπο 235U βομβαρδίζεται με νετρόνια δωρεάν (αν και μπορεί επίσης να βομβαρδιστεί με πρωτόνια, άλλους πυρήνες ή ακτίνες γάμμα) των οποίων η ταχύτητα είναι πολύ ελεγχόμενη. Με αυτόν τον τρόπο, ένα ελεύθερο νετρόνιο μπορεί να απορροφηθεί από τον πυρήνα, με αποτέλεσμα να αποσταθεροποιηθεί και να κατακερματιστεί και να δημιουργήσει άλλους μικρότερους πυρήνες, ελεύθερα νετρόνια, άλλα υποατομικά σωματίδια και μεγάλες ποσότητες ενέργειας. Είναι σημαντικό να ελέγχεται η ταχύτητα των νετρονίων γιατί αν είναι πολύ υψηλή θα μπορούσαν απλώς να συγκρουστούν ή να περάσουν μέσα από τον πυρήνα και δεν θα απορροφώνται για να παράγουν σχάση.

Η πυρηνική σχάση δημιουργεί ελεύθερα νετρόνια και άλλα σωματίδια.

Τα σωματίδια που δημιουργούνται ως αποτέλεσμα της σχάσης ενός πυρήνα, μπορούν με τη σειρά τους να απορροφηθούν από άλλους γειτονικούς πυρήνες, οι οποίοι επίσης θα είναι σχάση, και τα σωματίδια που δημιουργούνται ως αποτέλεσμα αυτής της άλλης σχάσης, μπορούν, πάλι, να απορροφηθούν από άλλους πυρήνες, και ούτω καθεξής, παράγοντας αυτό που είναι γνωστό ως: Αλυσιδωτή αντίδραση.

Οι ελεγχόμενες πυρηνικές αλυσιδωτές αντιδράσεις έχουν πολλές ευεργετικές εφαρμογές, όπως αναφέρθηκε παραπάνω. Ωστόσο, όταν η αλυσιδωτή αντίδραση είναι ανεξέλεγκτη, συνεχίζεται έως ότου δεν υπάρχει άλλο υλικό για σχάση, κάτι που συμβαίνει σε σύντομο χρονικό διάστημα. Αυτή η ανεξέλεγκτη διαδικασία είναι η αρχή της λειτουργίας των ατομικών βομβών που έριξαν οι Ηνωμένες Πολιτείες στην Ιαπωνία στο Β' Παγκόσμιος Πόλεμος.

Από την άλλη πλευρά, η σύντηξη του ζεύγους δευτερίου-τριτίου (2H-3H) είναι η απλούστερη διαδικασία πυρηνικής σύντηξης που υπάρχει. Για να συμβεί αυτή η σύντηξη, είναι απαραίτητο να φέρουμε δύο πρωτόνια πιο κοντά μεταξύ τους (το ένα από το 2Η και το άλλο από το 3Η) έτσι ώστε οι δυνάμεις της ισχυρής πυρηνικής αλληλεπίδρασης (δυνάμεις που ενώνουν νουκλεόνια, δηλαδή πρωτόνια και νετρόνια, και που πρέπει να υπερνικήσουν η δύναμη απώθησης μεταξύ των πρωτονίων, αφού έχουν το ίδιο φορτίο) υπερβαίνει τις δυνάμεις ηλεκτροστατικής αλληλεπίδρασης, αφού τα πρωτόνια έχουν θετικό φορτίο, επομένως τείνουν να απωθούν το ένα το άλλο. Για να επιτευχθεί αυτό, εφαρμόζονται ορισμένες πιέσεις και αποσυμπιέσεις, καθώς και θερμοκρασίες πολύ συγκεκριμένο. Αυτή η διαδικασία σύντηξης παράγει έναν πυρήνα 4He, ένα νετρόνιο και μια μεγάλη ποσότητα ενέργειας.

Οι πυρηνικές αντιδράσεις παράγουν ασταθή άτομα.

Η πυρηνική σύντηξη είναι μια διαδικασία που συμβαίνει αυθόρμητα σε αστέρια, για παράδειγμα, τον Ήλιο, ο οποίος όμως έχει επίσης δημιουργηθεί τεχνητά.

Γενικά, οι πυρηνικές αντιδράσεις παράγουν ασταθή άτομα, τα οποία, για να σταθεροποιηθούν, εκπέμπουν περίσσεια ενέργειας στο περιβάλλον για καθορισμένο χρόνο. Αυτή η εκπεμπόμενη ενέργεια ονομάζεται ιονίζουσα ακτινοβολία, η οποία έχει αρκετή ενέργεια για να ιονίσει την ύλη γύρω του, γι' αυτό η ακτινοβολία είναι εξαιρετικά επικίνδυνη για όλες τις μορφές ζωής.

Σε τι χρησιμεύει η πυρηνική ενέργεια;

Οι ειρηνικές χρήσεις της πυρηνικής ενέργειας είναι πολυάριθμες, όχι μόνο για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας (η οποία είναι ήδη τεράστιας σημασίας στον σημερινό βιομηχανοποιημένο κόσμο) αλλά και για την παραγωγή χρησιμοποιήσιμης και ανασυρόμενης θερμικής ενέργειας ή μηχανική ενέργεια, ακόμη και μορφές ιονίζουσας ακτινοβολίας που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αποστείρωση ιατρικού ή χειρουργικού υλικού. Χρησιμοποιείται επίσης για την τροφοδοσία οχημάτων, όπως τα ατομικά υποβρύχια.

Πλεονεκτήματα της πυρηνικής ενέργειας

Τα πλεονεκτήματα της πυρηνικής ενέργειας είναι:

  • Ελάχιστα ρυπογόνα. Εφόσον δεν υπάρχουν ατυχήματα και τα ραδιενεργά απόβλητα απορρίπτονται σωστά, οι πυρηνικοί σταθμοί ρυπαίνουν το περιβάλλον λιγότερο από ό,τι καίγονται ορυκτά καύσιμα.
  • Ασφαλής. Εφόσον οι απαιτήσεις του ασφάλεια, η πυρηνική ενέργεια μπορεί να είναι αξιόπιστη, συνεπής και καθαρή.
  • Αποτελεσματικός. Οι ποσότητες ενέργειας που απελευθερώνονται από αυτούς τους τύπους πυρηνικών αντιδράσεων είναι τεράστιες σε σύγκριση με την ποσότητα της πρώτη ύλη απαιτούν.
  • Πολύπλευρος. Η εφαρμογή της ακτινοβολίας και άλλων μορφών πυρηνικής ενέργειας σε διάφορους τομείς της ανθρώπινης γνώσης, όπως η ιατρική, είναι σημαντική.

Μειονεκτήματα της πυρηνικής ενέργειας

Η πυρηνική ενέργεια είναι επικίνδυνη για τον άμαχο πληθυσμό, ακόμη και τη ζωή των ζώων.

Τα μειονεκτήματα της πυρηνικής ενέργειας είναι:

  • Επικίνδυνος Σε περιπτώσεις ατυχημάτων, όπως αυτό που συνέβη με τον πυρηνικό αντιδραστήρα του Τσερνομπίλ στο πρώτο Σοβιετική Ένωση, ο άμαχος πληθυσμός και ακόμη και η ζωή των ζώων διατρέχουν υψηλό κίνδυνο ραδιενεργής μόλυνσης.
  • Διάθεση. Τα ραδιενεργά παραπροϊόντα από πυρηνικούς σταθμούς είναι δύσκολο να χειριστούν και μερικά έχουν πολύ μεγάλο χρόνο ημιζωής (ο χρόνος που χρειάζεται για να αποσυντεθεί ένα ραδιενεργό άτομο).
  • Ακριβός Η δημιουργία πυρηνικών σταθμών και η χρήση αυτού τεχνολογία συνήθως είναι πολύ ακριβό.

Χαρακτηριστικά της πυρηνικής ενέργειας

Σε γενικές γραμμές, η πυρηνική ενέργεια είναι ισχυρή, αποτελεσματική, ένα πραγματικό επίτευγμα της ανθρώπινης κυριαρχίας στη φυσική. Ωστόσο, είναι επίσης μια επικίνδυνη τεχνολογία: αφού είδαμε τις καταστροφές που προκλήθηκαν από τις ατομικές βόμβες στη Χιροσίμα και το Ναγκασάκι, ή το ατύχημα του Τσερνομπίλ στην ΕΣΣΔ, είναι γνωστό ότι αυτού του είδους η τεχνολογία αποτελεί πραγματικό κίνδυνο για τη ζωή στον πλανήτη. το ξέρουμε.

Παραδείγματα πυρηνικής ενέργειας

Ένα ειρηνικό παράδειγμα χρήσης αυτής της ενέργειας είναι οποιοσδήποτε πυρηνικός σταθμός ηλεκτροπαραγωγής, όπως αυτός στο Ikata, στην Ιαπωνία. Παράδειγμα πολεμικής χρήσης του ήταν ο βομβαρδισμός του πόλεις Γιαπωνέζες από τη Χιροσίμα και το Ναγκασάκι το 1945 κατά τη διάρκεια του Β' Παγκοσμίου Πολέμου.

!-- GDPR -->