அணுசக்தியின் இயற்பியல் கருத்து

அணுசக்தியின் இயற்பியல் கருத்து

அணுசக்தி என்பது நவீன நாகரிகத்தில் மிகவும் சக்திவாய்ந்த மற்றும் சர்ச்சைக்குரிய ஆற்றல் மூலங்களில் ஒன்றாகும். ஒருபுறம், அதனால் மிகக் குறைந்த கரியமில வாயு வெளியேற்றத்துடன் பெருமளவு மின்சாரத்தை உற்பத்தி செய்ய முடியும். மறுபுறம், அணுசக்தியானது அணு உலை பாதுகாப்பு, கதிரியக்கக் கழிவுகள் மற்றும் ஆயுதப் பெருக்க அபாயம் ஆகியவை குறித்த கவலைகளை எழுப்புகிறது. அணுசக்தி ஏன் இவ்வளவு சக்தி வாய்ந்தது என்பதையும், அதை எவ்வாறு பயன்படுத்திக்கொள்ளலாம் என்பதையும் புரிந்துகொள்ள, நாம் அதன் அடிப்படையான இயற்பியல் கருத்துகளான அணுக்கருவின் அமைப்பு, அணுக்கரு விசைகள், பிணைப்பு ஆற்றல், கதிரியக்கம், மற்றும் நிறையை ஆற்றலாக மாற்றும் பிளவு மற்றும் இணைவு செயல்முறைகள் ஆகியவற்றை மீள்பார்வை செய்ய வேண்டும்.

அணு அமைப்பு மற்றும் உட்கரு

அணுக்கள், எலக்ட்ரான் மேகத்தால் சூழப்பட்ட ஒரு சிறிய, அடர்த்தியான உட்கருவைக் கொண்டுள்ளன. உட்கருவில் நேர்மின் சுமையுடைய புரோட்டான்களும் நடுநிலை நியூட்ரான்களும் உள்ளன. அணுவின் நிறையில் ஏறக்குறைய முழுமையும் உட்கருவிலேயே குவிந்துள்ளது, இது அதனை ஒரு மாபெரும் ஆற்றல் களஞ்சியமாக ஆக்குகிறது. உட்கருவானது, அணுவின் மொத்த நிறையை விட சுமார் 10.000 மடங்கு சிறியதாக இருந்தாலும், அதன் நிறை அணுவின் மொத்த நிறையில் 99,9%-க்கும் அதிகமாக உள்ளது.

சுவாரஸ்யமாக, ஒரே நேர்மின் சுமையைக் கொண்ட புரோட்டான்கள், மின்காந்த விசையின் காரணமாக ஒன்றையொன்று விலக்க வேண்டும். இருப்பினும், வலிமையான அணுக்கரு விசையின் காரணமாக அணுக்கரு நிலையாக இருக்கிறது. இந்த அடிப்படை விசை மிகக் குறுகிய தூரங்களில் (ஏறக்குறைய ஒரு ஃபெம்டோமீட்டர், 10⁻¹⁵ மீ) செயல்பட்டாலும், அந்தத் தூரங்களில் மின்காந்த விசையை விட மிகவும் வலிமையானது. இந்த வலிமையான அணுக்கரு விசைதான் புரோட்டான்களையும் நியூட்ரான்களையும் ஒரு அணுக்கருவாக "பிணைக்கிறது".

பிணைப்பு ஆற்றல் மற்றும் நிறை குறைபாடு

அணுக்கரு நிலைத்தன்மை என்பது பிணைப்பு ஆற்றல் என்ற கருத்துடன் தொடர்புடையது. பிணைப்பு ஆற்றல் என்பது ஒரு அணுக்கருவை அதன் கூறுகளான புரோட்டான்கள் மற்றும் நியூட்ரான்களாகப் பிரிப்பதற்குத் தேவைப்படும் ஆற்றலாகும். இயற்பியல் ரீதியாக, நியூக்ளியான்கள் (புரோட்டான்கள் மற்றும் நியூட்ரான்கள்) இணைந்து ஒரு அணுக்கருவை உருவாக்கும்போது, ​​உருவாகும் அணுக்கருவின் மொத்த நிறை, தனித்தனி நியூக்ளியான்களின் நிறைகளின் கூட்டுத்தொகையை விட சற்றுக் குறைவாக இருப்பதால் பிணைப்பு ஆற்றல் ஏற்படுகிறது. நிறையில் உள்ள இந்த வேறுபாடு நிறைக் குறைபாடு என்று அழைக்கப்படுகிறது.

ஐன்ஸ்டீனின் புகழ்பெற்ற சமன்பாட்டின் மூலம் நிறை குறைபாடு ஆற்றலுடன் நேரடியாகத் தொடர்புடையது:

E=m²

ஒளியின் வேகம் (c) மிக அதிகமாக இருப்பதால், மிகச் சிறிய நிறை குறைபாடு கூட மிகப்பெரிய அளவிலான ஆற்றலை உருவாக்க முடியும். எரிதல் போன்ற வேதி வினைகளை விட அணுக்கரு வினைகள் அதிக ஆற்றலை உருவாக்குவதற்கு இதுவே முக்கிய காரணமாகும். வேதி வினைகளில், அணுக்களுக்கு இடையேயான எலக்ட்ரான் பிணைப்புகளே முதன்மையாக மாறுகின்றன; ஆனால் அணுக்கரு வினைகளில், அணுக்கருவின் கட்டமைப்பே மாறுகிறது.

கதிரியக்கம்: அணுக்கரு சிதைவு

அனைத்து அணுக்கருக்களும் நிலையானவை அல்ல. நிலையற்ற அணுக்கருக்கள், அதிக நிலையான நிலையை அடைவதற்காக கதிரியக்கச் சிதைவுக்கு உள்ளாகும். இந்தச் சிதைவு பின்வரும் வடிவங்களில் நிகழலாம்:

1. ஆல்பா கதிர்வீச்சு (α): ஒரு ஹீலியம் அணுக்கருவின் (2 புரோட்டான்கள் மற்றும் 2 நியூட்ரான்கள்) வெளியீடு.
2. பீட்டா கதிர்வீச்சு (β): நியூட்ரான்கள் புரோட்டான்களாக (அல்லது நேர்மாறாக) மாறும் நிகழ்வானது, எலக்ட்ரான்கள், பாசிட்ரான்கள் மற்றும் நியூட்ரினோக்களின் உமிழ்வுடன் சேர்ந்து நிகழ்கிறது.
3. காமா கதிர்வீச்சு (γ): அணுக்கரு குறைந்த ஆற்றல் நிலைக்கு மாறுவதால் ஏற்படும் உயர் ஆற்றல் ஃபோட்டான்களின் உமிழ்வு.

அணுசக்தித் துறையில் கதிரியக்கம் முக்கியத்துவம் வாய்ந்தது, ஏனெனில் அணுப்பிளவுப் பொருட்களும் அணு எரிபொருளும் பெரும்பாலும் கதிரியக்கத் தன்மை கொண்டவையாக இருக்கின்றன. கதிர்வீச்சின் வகைகளையும், அவற்றை எவ்வாறு தடுப்பது என்பதையும் புரிந்துகொள்வது, அணு உலை பாதுகாப்பு மற்றும் கழிவு மேலாண்மைக்கு அடிப்படையானதாகும்.

கதிரியக்க அணுக்கருக்களின் எண்ணிக்கை பாதியாகக் குறைவதற்குத் தேவைப்படும் காலமான அரை ஆயுட்காலம், மற்றொரு முக்கியமான கருத்தாகும். அரை ஆயுட்காலம் ஒரு நொடியின் பின்னங்கள் முதல் மில்லியன் கணக்கான ஆண்டுகள் வரை மாறுபடும், இது கதிரியக்கக் கழிவுகளைச் சேமிக்கும் உத்திகளில் நேரடித் தாக்கங்களைக் கொண்டுள்ளது.

அணுக்கருப் பிளவு: அணுமின் நிலையங்களில் ஆற்றல் மூலம்

பெரும்பாலான அணுமின் நிலையங்கள் (NPPs) தற்போது அணுக்கருப் பிளவு அடிப்படையில் இயங்குகின்றன; இது கனமான அணுக்கருக்களை இலேசான அணுக்கருக்களாகப் பிரிக்கும் செயல்முறையாகும். இதற்கு மிகவும் பொதுவான உதாரணம் யுரேனியம்-235 (U-235) அணுக்கருவின் பிளவு ஆகும். ஒரு நியூட்ரான் U-235 அணுக்கருவால் 'கவரப்படும்போது', அந்த அணுக்கரு நிலைத்தன்மையற்றதாக (U-236) மாறி, பின்னர் இரண்டு பிளவுத் துண்டுகளாகப் பிரிகிறது. அவ்வாறு பிரியும்போது, ​​பல கூடுதல் நியூட்ரான்களையும், அத்துடன் அத்துண்டுகளின் இயக்க ஆற்றல், காமா கதிர்வீச்சு மற்றும் வெப்பம் ஆகிய வடிவங்களில் ஆற்றலையும் வெளியிடுகிறது.

ஒவ்வொரு பிளவு நிகழ்விலும் வெளியிடப்படும் ஆற்றல் சுமார் 200 MeV (மெகா-எலக்ட்ரான் வோல்ட்) ஆகும். ஒரு மூலக்கூறுக்குச் சில eV மட்டுமே உள்ள ஒரு வேதிவினையின் ஆற்றலுடன் ஒப்பிடும்போது, ​​இந்த வேறுபாடு மிகப் பெரியது.

தொடர் வினைகள் மற்றும் பெருக்கல் காரணிகள்

ஒரு அணு உலையில் பிளவு வினையைப் பயன்படுத்துவதற்கான திறவுகோல் தொடர்வினை ஆகும். ஒரு பிளவு வினையிலிருந்து வெளியிடப்படும் நியூட்ரான்கள், அடுத்தடுத்த பிளவு வினைகளைத் தூண்டக்கூடும். ஒரு தொடர்வினை நிலையாக நடைபெற, அடுத்தடுத்த பிளவு வினைகளை ஏற்படுத்தும் நியூட்ரான்களின் எண்ணிக்கை "சமநிலையில்" இருக்க வேண்டும். இந்தக் கருத்து, செயல்திறன் மிக்க பெருக்கல் காரணி (kₑff) மூலம் வெளிப்படுத்தப்படுகிறது:

– kₑff < 1 : வினை குறைகிறது (துணைநிலை) - kₑff = 1 : வினை நிலையாக உள்ளது (நிலைநிலை) - kₑff > 1 : வினை அதிகரிக்கிறது (மீநிலை)

நிலையான மற்றும் கட்டுப்படுத்தப்பட்ட முறையில் வெப்பத்தை உற்பத்தி செய்வதற்காக, ஆற்றல் அணு உலைகள் நெருக்கடி நிலைகளுக்கு (kₑff ≈ 1) முடிந்தவரை நெருக்கமாக இயக்கப்படுகின்றன.

மட்டுப்படுத்தி, கட்டுப்பாட்டுக் கம்பி மற்றும் குளிரூட்டி

பிளவு நியூட்ரான்கள் பொதுவாக உயர் ஆற்றல் கொண்டவை (வேக நியூட்ரான்கள்). இருப்பினும், மெது நியூட்ரான்களுக்கு (வெப்ப நியூட்ரான்கள்) யுரேனியம்-235 பிளவு ஏற்படுவதற்கான நிகழ்தகவு அதிகமாக உள்ளது. எனவே, பல அணு உலைகள் மோதல்கள் மூலம் நியூட்ரான்களின் வேகத்தைக் குறைப்பதற்காக மட்டுப்படுத்திகளை (எ.கா., இலகு நீர், கன நீர் அல்லது கிராஃபைட்) பயன்படுத்துகின்றன.

நியூட்ரான்களின் எண்ணிக்கையைக் கட்டுப்படுத்த, அணு உலைகள் போரான், காட்மியம் அல்லது ஹாஃப்னியம் போன்ற நியூட்ரான்களை உறிஞ்சும் பொருட்களால் செய்யப்பட்ட கட்டுப்பாட்டுக் கம்பிகளைப் பயன்படுத்துகின்றன. கட்டுப்பாட்டுக் கம்பிகளைச் செருகுவதன் மூலமோ அல்லது அகற்றுவதன் மூலமோ, இயக்குபவர்கள் பிளவு வினைகளின் வீதத்தை அதிகரிக்கவோ அல்லது குறைக்கவோ முடியும்.

அதன் விளைவாக உருவாகும் வெப்பம், பின்னர் ஒரு குளிர்விப்பான் (பெரும்பாலும் நீர்) மூலம் வெப்பப் பரிமாற்றிக்கு மாற்றப்பட்டு, நீராவி உற்பத்தி செய்யப்படுகிறது. அந்த நீராவி ஒரு விசையாழியையும் மின்னாக்கியையும் இயக்குகிறது. கருத்தியல் ரீதியாக, விசையாழி-மின்னாக்கிப் பிரிவு மற்ற அனல் மின் நிலையங்களைப் போன்றதே; வெப்ப மூலத்தில்தான் வேறுபாடு உள்ளது.

அணுக்கரு இணைவு: விண்மீன் ஆற்றலும் எதிர்கால நம்பிக்கையும்

பிளவு தவிர, குறிப்பிடத்தக்க ஆற்றலை உற்பத்தி செய்யும் மற்றொரு அணுக்கரு செயல்முறை உள்ளது: அணுக்கரு இணைவு, அதாவது இலேசான அணுக்கருக்கள் இணைந்து கனமான அணுக்கருக்களாக மாறுதல். சூரியனில், ஹைட்ரஜன் இணைந்து ஹீலியத்தை உருவாக்குகிறது, இது நட்சத்திரங்களை ஒளிரச் செய்யும் ஆற்றலை வெளியிடுகிறது.

பூமியில் ஆற்றலுக்காக அதிகம் ஆராயப்பட்ட அணுக்கரு இணைவு வினை டியூட்டீரியம்-டிரிட்டியம் (D–T) ஆகும்:

D + T → He-4 + நியூட்ரான் + ஆற்றல்

அணுக்கரு இணைவுக்கு பெரும் ஆற்றல் உள்ளது, ஏனெனில் அதன் எரிபொருள் (கடல் நீரிலிருந்து கிடைக்கும் டியூட்டீரியம்) ஏராளமாகக் கிடைக்கிறது, மேலும் இது அணுக்கரு பிளவை விட நீண்ட காலத்திற்கு நீடிக்கும் கதிரியக்கக் கழிவுகளைக் குறைவாகவே உருவாக்கும் வாய்ப்புள்ளது. இருப்பினும், சவால்கள் மிக அதிகம்: நேர்மின்னூட்டம் பெற்ற அணுக்கருக்கள் ஒன்றையொன்று விலக்குவதால், துகள்கள் கூலும் தடையைக் கடப்பதற்குத் தேவையான ஆற்றலைப் பெற, மிக அதிக வெப்பநிலை (பத்து முதல் நூறு மில்லியன் டிகிரி வரை) தேவைப்படுகிறது. இவ்வளவு சூடான பிளாஸ்மாவை எந்தவொரு பொருள் கொள்கலனாலும் அடக்க முடியாததால், காந்தக் கட்டுப்பாடு (டோகாமாக், ஸ்டெல்லரேட்டர்) அல்லது நிலைமக் கட்டுப்பாடு (மிக அதிக சக்தி வாய்ந்த லேசர்கள்) பயன்படுத்தப்படுகின்றன.

குறிப்பிடத்தக்க முன்னேற்றம் ஏற்பட்டிருந்தபோதிலும், வணிக ரீதியான மின் உற்பத்திக்கான அணுக்கரு இணைவு, பிளாஸ்மா நிலைத்தன்மை, நியூட்ரான்-எதிர்ப்புப் பொருட்கள் மற்றும் ஒட்டுமொத்த அமைப்புத் திறன் போன்ற தொழில்நுட்பச் சவால்களை இன்னும் எதிர்கொள்கிறது.

அணுசக்தியிலிருந்து மின்சாரம் வரை: வெப்ப இயக்கவியல் அம்சங்கள்

இயற்பியல் ரீதியாக, ஒரு அணுமின் நிலையம் என்பது ஒரு வெப்ப இயந்திரம் ஆகும். அணுப்பிளவு (அல்லது, பிற்காலத்தில், அணு இணைவு) மூலம் உற்பத்தி செய்யப்படும் ஆற்றல், இறுதியில் வெப்ப ஆற்றலாக மாற்றப்படுகிறது. இந்த வெப்பம், ஒரு விசையாழியைச் சுழற்றும் நீராவியை உருவாக்கப் பயன்படுத்தப்படுகிறது. வெப்ப இயக்கவியல் விதிகளின்படி, வெப்பத்தை மின்சாரமாக மாற்றும் திறனானது, வெப்ப மூலத்திற்கும் சுற்றுச்சூழலுக்கும் இடையிலான வெப்பநிலை வேறுபாட்டால் வரையறுக்கப்படுகிறது. எனவே, அதிக வெப்பநிலையில் இயங்கக்கூடிய உலை வடிவமைப்புகள் பெரும்பாலும் சிறந்த செயல்திறனை வழங்குகின்றன, ஆனால் அவற்றுக்கு மிகவும் மேம்பட்ட பொருட்கள் மற்றும் பாதுகாப்பு அமைப்புகளும் தேவைப்படுகின்றன.

பாதுகாப்பு மற்றும் கதிர்வீச்சு: ஒரு இயற்பியல் கண்ணோட்டம்

அணுசக்திப் பாதுகாப்பு என்பது கதிர்வீச்சு மற்றும் அணு உலையின் செயல்பாடு குறித்த புரிதலைச் சார்ந்துள்ளது. அயனியாக்கும் கதிர்வீச்சின் அளவு அதிகமாக இருந்தால், அது உயிரியல் திசுக்களைச் சேதப்படுத்தும். எனவே, அணுமின் நிலையங்கள் எரிபொருள் உறை, அணு உலைக் கலன், குளிரூட்டும் அமைப்பு மற்றும் பாதுகாப்பு உறைக் கட்டமைப்பு ஆகிய பாதுகாப்பு அடுக்குகளைக் கொண்ட 'ஆழமான பாதுகாப்பு' என்ற கொள்கையைப் பயன்படுத்துகின்றன. இயற்பியல் கண்ணோட்டத்தில், வினையைக் கட்டுப்பாட்டில் வைத்திருப்பதும், வெப்பத்தை முறையாக வெளியேற்றுவதும், கதிரியக்க விளைபொருட்களைத் தனிமைப்படுத்துவதும் இதன் முதன்மை நோக்கங்களாகும்.

மூடுகிறது

அணுசக்தியின் இயற்பியல் கோட்பாடுகள் அணுக்கருப் பிணைப்பு ஆற்றல், நிறைக் குறைபாடு, மற்றும் E = mc² சமன்பாட்டின் மூலம் நிறையை ஆற்றலாக மாற்றுதல் ஆகியவற்றை மையமாகக் கொண்டுள்ளன. அணுக்கருப் பிளவு என்பது கனமான அணுக்கருக்களைப் பிளப்பதையும், நெறிப்படுத்திகள் மற்றும் கட்டுப்பாட்டுக் கோல்களைக் கொண்டு ஒரு கட்டுப்படுத்தப்பட்ட தொடர்வினையையும் பயன்படுத்துகிறது. அதேசமயம், அணுக்கரு இணைவு என்பது தீவிரமான சூழ்நிலைகளில் இலேசான அணுக்கருக்களை இணைப்பதன் மூலம் விண்மீன் செயல்முறைகளைப் பின்பற்றுகிறது. இவ்விரு செயல்முறைகளுமே அணுக்கருக்களுக்குள் சேமிக்கப்பட்டுள்ள மகத்தான ஆற்றலை வெளிப்படுத்துகின்றன. இந்த அடிப்படை இயற்பியலைப் புரிந்துகொள்வது மிகவும் முக்கியமானது. அப்போதுதான் அணுசக்தி பற்றிய விவாதங்கள் அச்சம் அல்லது நம்பிக்கையால் மட்டும் உந்தப்படாமல், அத்தொழில்நுட்பம் எவ்வாறு செயல்படுகிறது, அதன் நன்மைகள் மற்றும் பொறுப்புடன் கையாளப்பட வேண்டிய அபாயங்கள் குறித்த அறிவியல் அறிவாலும் உந்தப்படும்.