Tuumareaktsioonide erinevus keemilistest reaktsioonidest

Keemiliste reaktsioonide käigus muunduvad ühed reaktsioonist osa võtvad ained teisteks aineteks. Reaktsioonide käigus säilivad kõik reaktsioonist osa võtnud aatomid:

Tuumareaktsioonide käigus muunduvad ühe keemilise elemendi aatomid (tuumad) teiste elementide aatomiteks (tuumadeks), säilivad kõik reaktsioonist osa võtnud nukleonid:

Tuumareaktsioonid jagunevad raskete tuumade lõhustumis- ja kergete tuumade ühinemisreaktsioonideks.

Raskete tuumade lõhustumine

Raskete tuumade lõhustumisel lagunevad tuumad mitmeks väiksema järjekorranumbri ja massiarvuga tuumaks.

Kõige klassikalisemaks näiteks on uraanituuma lõhustumine baariumiks ja krüptooniks. Kuna tekkivate „tükkide“ mass on uraanituumast väiksem, siis vabaneb selle protsessi käigus märgatav kogus tuumaenergiat.

Raskete tuumade lõhustumisel vabanevad neutronid võivad põhjustada järgmiste uraanituumade lõhustumist – seda nähtust nimetatakse ahelreaktsiooniks.

Kuna iga lõhustumisakti kohta vabaneb lisaks reaktsiooni esile kutsuvale neutronile kaks uut neutronit, suureneb ahelreaktsioonides lõhustuvate tuumade hulk ülikiiresti.

Ahelreaktsioon saab käivituda kui tuumaaine kogus ületab teatava kriitilise väärtuse nö kriitilise massi.

Ahelreaktsiooni olemuse avab hästi juuresolev videosimulatsioon:

Uraanituumade lõhustumise ahelreaktsioonis vabanevat energiat kasutatakse tuumapommis ja aatomielektrijaamade reaktorites energiaallikana.

Tuumareaktor

Tuumareaktoris toimub juhitud ahelreaktsioon ning hoitakse ära selle kasvamine plahvatuseks. Esimene tuumareaktor käivitati 1942. aasta lõpus Chicago ülikoolis (USA). Esimene tsiviilkasutuses energia tootmise tuumareaktor – AM-1 (“Атом Мирный” vene keeles „rahumeelne aatom“) – käivitati 1954. aastal Moskva lähistel (Venemaa).

Joonis tuumareaktorist

Tuumareaktori tähtsaimaks osaks on tuumakütus, mida hoitakse eriliste varrastena – igaühe mass väiksem kriitilisest, varraste mass reaktori piirkonnas kokku ületab aga kriitilise massi.

Reaktsiooni “rahulikuks” toimumiseks hoitakse ahelreaktsiooni käigus tekkivate neutronite arv kontrolli all eriliste juhtvarrastega, mis on valminud neutroneid neelavast materjalist ning aeglustist, et reaktoris tekkivad neutronid liiguksid sobiva kiirusega (liiga kiiresti liikuvad neutronid põrkuvad U-235 tuumadega ega lõhusta neid).

Reaktoris vabanev seoseenergia, mis muundub peamisel soojusenergiaks, juhitakse reaktori töötsoonist välja spetsiaalse vedeliksärgi abil – nii nagu puudega köetavatest saunaahjudestki.

Tuumareaktoreid kasutatakse peamiselt elektrijaamades (aga ka laevadel) elektri tootmiseks.

Tuumaenergia senisest laialdasema kasutusele võtmise kasuks räägib jaamade suur võimsus ning asjaolu, et tuumakütuse varud on väga-väga suured. Ära ei saa jätta märkimata ka seda, et tuumajaamad ei tekita elektrienergia tootmisel heitgaase.

Selle vastu räägivad aga tuumajäätmete utiliseerimise keerukus, uraani tootmisega seonduvad keskkonnaprobleemid ja ohud inimestele ning inimeste tohutu eelarvamus tuumaenergia suhtes, et „mis siis kui midagi läheb valesti“.

Kartus võib olla põhjendatud, sest tuumajaamas toimuval õnnetusel on ülisuur kahjulik mõju väga pikaks ajaks küllalt suurele jaama ümbritsevale piirkonnale (fotol Tšernobõli tuumaelektrijaama IV plokk pärast seal 1986. aastal toimunud plahvatust – tegu on inimkonna suurima tuumakatastroofiga Hiroshimale ja Nagasakile heidetud tuumapommide järel).

Kahtlemata ongi üheks tuumaenergia laialdasema kasutusele võtmise takistuseks ka võimalus, et tuumareaktorites tekkivatest jäätmetest valmistatakse tuumapomm või kasutatakse neid muul viisil massihävitusrelvana.

Tuumasüntees
Kui kaks aatomituuma satuvad teineteisele piisavalt lähedale, võib neist moodustuda uus ja suurema nukleonide arvuga aatomituum. Sellist kergemate tuumade ühinemist raskemateks nimetatakse tuumasünteesiks.

Ka tuumasünteesil vabaneb arvestatavas koguses tuumaenergiat, sest tekkiva tuuma mass on lähtetuumade omast alati väiksem – seetõttu peab „kaotsi mineva“ massi jagu energiat vabanema.

Taoliste sünteesireaktsioonide käivitamiseks on tarvis väga erilisi tingimusi – ülikõrget (kümnetesse, isegi sadadesse miljonitesse kraadidesse ulatuvat) temperatuuri ja/või ülisuurt rõhku. Taolised tingimused on täidetud Päikese ja teiste tähtede südames, kus kümnetesse miljonitesse kraadidesse ulatuv temperatuur ja ülisuur rõhk sunnivad vesinikuaatomi tuumi liituma heeliumi aatomi tuumadeks. Justnimelt tuumasünteesi reaktsioonides vabanev energia ongi Päikese ja teiste tähtede energia allikaks.

Maapeal osatakse täna sünteesireaktsiooni esile kutsuda vaid vesinikupommi plahvatusena. On küll olemas seadeldised – termotuumareaktorid, kus sünteesireaktsioonid saavad toimuda ka juhitult, kuid paraku kulub nendes sobivate tingimuste loomiseks oluliselt enam energiat kui reaktsiooni käigus vabaneb.

Kui võrrelda lõhustumis- ja sünteesireaktsioonides osalevate tuumaosakeste kohta vabanevat energiat, siis sünteesireaktsioonid on energeetiliselt oluliselt kasulikumad. Ehkki ühes ühinemisaktis vabaneb koguseliselt vähem energiat kui lõhustumisel, osaleb sünteesis palju vähem osakesi ning seetõttu on need osakese kohta energeetiliselt oluliselt kasulikumad.