Fysiikka 8 - luku 7 Energiaa ytimestä
7.1 Ydinreaktiot
Ydinvoimalaitoksissa
energiantuotanto perustuu raskaiden ydinten halkeamiseen. Ydinreaktioissa
atomien ytimet muuttuvat toisiksi ytimiksi. Alkuaine voi muuttua toiseksi
alkuaineeksi vain ydinreaktioissa. Ydinreaktion massavaje saadaan laskemalla
reaktioon osallistuvien hiukkasten massojen erotus. Ydinreaktion reaktioenergia
on
Q = ∆mc2
jossa
∆m on lähtö- ja tulosydinten massojen erotus ja c valon nopeus tyhjiössä. Eksoerginen
reaktio on energiaa vapauttava. Siinä energia ja massavaje ovat positiivisia.
Spontaanit radioaktiiviset reaktiot ovat aina eksoergisiä. Niissä osa massasta
muuttuu reaktiotuotteiden liike-energiaksi ja gammasäteilyn energiaksi.
Endoerginen reaktio vaatii syntyäkseen energiaa. Endoergisen
reaktion massavaje ja reaktioenergia ovat negatiivisia. Tulosydinten massojen
summa on suurempi kuin lähtöydinten massojen summa. Endoergisessä reaktiossa
pommittavan ytimen liike-energiaa muuntuu syntyvien ytimien sisäiseksi
energiaksi eli massaksi. Kynnysenergia on pienin mahdollinen energia, jolla
reaktio tapahtuu.
7.2 Fissio ja fuusio
Fissio
Ydinenergiaa
vapautuu fissioissa, kun raskaat ytimet halkeavat keskiraskaiksi ytimiksi. Hitaan
(termisen) neutronin aiheuttama U-235:n fissio on paljon todennäköisempi kuin
nopean neutronin aiheuttama fissio. Nopeat neutronit eivät yleensä aiheuta
uraaniytimen halkeamista. On myös ytimiä, jotka eivät halkea hitaiden
neutroneiden pommituksessa, vaan halkeamiseen tarvitaan nopeiden neutronien
suuri energia.
Kun
terminen neutroni törmää U-235-ytimeen, uraaniydin sieppaa hitaan neutronin.
Tällöin syntyy lyhytikäinen väliydin U-236 ja massavajetta vastaava
reaktioenergia ylittää ytimen halkeamiseen tarvittavan energian. Halkeamiseen
ei tarvita neutronin liike-energiaa. Siksi hitaatkin neutronit aiheuttavat
halkeamisen.
Fuusio
Fuusiossa
kaksi kevyttä ydintä liittyy yhteen yhdeksi ytimeksi. Energiantuotannossa
toimivan fuusioreaktorin etuja olisivat suuri energiantuotto, polttoaineen
riittävyys (luonnon veden deuterium) ja edullisuus sekä se, ettei
radioaktiivista polttoainejätettä synny. Auringon ja muiden tähtien energia on
peräisin niiden sisuksissa tapahtuvista fuusioista, joissa vetyä fuusioituu
heliumiksi.
7.3 Ydinenergia
Fissiovoimalaitos
Ydinvoimalaitoksen
energiantuotanto perustuu uraanipolttoaineessa tapahtuvaan fissioon ja
hallittuun ketjureaktioon. Fissiossa neutroni törmää U-235-isotoopin ytimeen ja
halkaisee sen. Halkeamisen yhteydessä vapautuu 2–3 uutta neutronia ja
fissiotuotteita. Osa vapautuneista neutroneista jatkaa ketjureaktiota. Jokaisen
halkeamisen seurauksena vapautuu runsaasti energiaa.
Ydinreaktorissa
fissioiden määrää ja samalla reaktorin lämpötilaa ja tehoa säädellään
neutroneita absorboivilla säätösauvoilla, jotka ovat osittain reaktorin sisällä
ja osittain ulkopuolella. Säätösauvoja voidaan siirtää reaktoriin tai
reaktorista pois tarpeen mukaan. Mitä enemmän sauvat ovat reaktorin sisällä
lomittain polttoainesauvojen kanssa, sitä vähemmän on vapaita neutroneita ja
fissioita ja sitä alhaisempia ovat reaktorin lämpötila ja teho.
Ennen
ydinjätteen loppusijoitusta käytettyä polttoainetta säilytetään 40-60 vuotta
vesialtaissa. Jätteen lämpötila ja aktiivisuus vähenevät niin, että jätettä on
helpompi käsitellä. Sitä käsitellään kauko-ohjattavilla laitteilla.
Loppusijoitusta varten polttoainesauvaniput pakataan loppusijoituskapseleihin.
Ydinvoimalaitostyypit
Reaktorityyppejä
ovat mm. painevesireaktori, kiehutusvesireaktori sekä hyötöreaktori. Painevesireaktorissa
reaktiosydämen jäähdytinaineena ja neutronien hidastimena käytettävän veden eli
primääripiirin veden paine pidetään niin korkeana, ettei se kiehu, vaikka sen
lämpötila on n. 3000 C.
Kuuma
vesi luovuttaa energiansa höyrystimessä sekundääripiirin vedelle. Näissä
putkistoissa virtaavat vedet eivät sekoitu keskenään. Toisiopiiriin muodostuva
höyry pyörittää turbiineja, jotka pyörittävät generaattoreita.
Kiehutusvesireaktorissa
sydämen jäähdytysaineena käytettävä vesi kiehuu ja syntyvä höyry johdetaan
pyörittämään turbiinia.
Hyötöreaktori
tuottaa halkeamiskelpoista polttoainetta enemmän kuin itse kuluttaa. Siinä
nopeat neutronit muuttavat U-238:aa ydinreaktioiden avulla neptuniuksi, joka
muuttuu edelleen halkeamiskelpoiseksi plutoniumiksi. Toimintavarma
hyötöreaktori olisi eräs helpotus maailmaa uhkavaan energiapulaan, joten sitä
kehitetään edelleen, kuten myös fuusioreaktoria.
Ei kommentteja:
Lähetä kommentti