Hungary

A Nap és a csillagok kimeríthetetlennek tűnő energiaforrások. Az anyagot magreakciók segítségével energiává alakítják át. Ehhez hasonló folyamatokat nekünk is sikerült az uralmunk alá hajtani és energiát termelni. Jeleneg a nukleáris energia a világ elektromos áramtermelésének 16%-át adja.

A csillagokkal ellentétben az atomreaktoraink nem a fúziót, hanem a maghasadást használják fel. Azonban a kutatók éjt nappallá téve dolgoznak azon, hogy az ipari fúziós reaktort megvalósítsák, amely a hasadási reaktornál több energiát szolgáltatna, és kevesebb hátránnyal járna.

Az ábrákon egy hagyományos atomreaktort és a Tokamak fúziós reaktor kamráját lehet látni.
Az atommagok energiát adnak le, ha erre lehetőségük kínálkozik. Például egy radioaktív izotóp spontán módon elbomolhat, ami energiakibocsátással jár. Azonban néha valamilyen külső hatásra van szükség ahhoz, hogy egy atommag energiát bocsásson ki.

A maghasadás (atommagok szétszakadása) és a magfúzió (atommagok egyesülése) olyan magfizikai folyamatok, amelyek a keletkező atommag számára a magreakciók végbemenetele után már szükségtelen energia leadásával járnak.

Az a nukleáris energia, amely a magfizikai folyamat során kibocsátódik kiszámolható az eredeti atommag(ok) és a keletkező atommag(ok) tömegének különbségéből. Einstein híres tömeg-energia ekvivalenciát leíró képletéből (E=mc2) a ∆E energiaváltozást megkaphatjuk, ha a ∆m tömegváltozást megmérjük.

A hasadás kifejezés szétszakításra utal, tehát a maghasadás során egy atommag két vagy három darabra esik szét. Azt találták, hogy a maghasadáskor keletkező reakciótermékek tömege a kiinduló atommag vagy az egymással reakcióba lépő atommagok tömegénél kisebb, ami ennek az eredeti atommagot összetartó energiának a kibocsátáshoz vezet. Ez a folyamat játszódhat le a nehéz elemek esetén (például urániumnál).

Ehhez hasonlóan a fúzió szó atommagok egyesülésére utal. A magfúzió során a reakciótermékek (másként leánymagok) teljes tömege kisebb, mint az eredeti atommag vagy az egymással reakcióba lépő atommagok tömege, annak ellenére, hogy itt egyesülésről van szó. Ez azért van így, mert a könnyű atommagoknak (például a héliumnak) több energiára van szükségük az egyedülálló létezéshez, mint ha másokkal egyesülve élnek tovább. Így két könnyű atommag egyesülésekor energiakibocsátás történik. A magfúzió sokkal gyakoribb a természetben, mint a maghasadás, és a legkönnyebb elemek (hidrogén, hélium, szén) esetén a legjellemzőbb.

Általánosan azt mondhatjuk, hogy ha egy atommagot nukleonok egymáshoz "ragasztásával" hozunk létre, akkor kisebb lesz a keletkező atommag tömege, mint az eredeti, különálló nukleonok össztömege. Ezt a jelenséget tömeghiánynak nevezzük.

A nukleáris energia a keletkezett részecskék mozgási energiájaként és elektromágneses sugárzásként (gamma-sugárzás) jelenik meg. A nagy energiájú részecskék a környező anyag atomjaival ütköznek, energiájuk egy részét átadják és lelassulnak, ami felmelegíti a körülöttük lévő anyagot. Ez az oka annak, hogy a radioaktív anyagok általában melegebbek, mint a környezetük.

Az energia SI egysége a Joule (J), de ez túl nagy ahhoz, hogy egy atommag által kibocsátott energiát megadjuk. Rendszerint a MeV (millió elektronvolt) egységet használjuk erre a célra, ahol 1MeV = 106eV és 1eV = 1.602177x10-19J.

Az a magfizikai folyamat, amelyben nagy mennyiségű energia kerül kibocsátásra a nehéz atommagok hasadása. Például egy 235U hasadó atommag körülbelül 200 MeV energiát ad le. Ez jelentős mennyiségű energia, ami a következő összehasonlításból is kiderül:
  1. egy szénatomnak a levegőben történő elégetése 4eV (nem MeV) energiafelszabadulással jár, amely 50 milliószor kisebb a hasadási értéknél!
  2. az alfa- és a béta-bomláskor felszabaduló energia néhány MeV körüli
  3. magfúzió során a kibocsátott energia körülbelül 20MeV
A legjelentősebb összehasonlításhoz akkor jutunk, ha az atomi/molekuláris és a nukleáris energiákat összevetjük. Az előbbi mindig kb. milliószor kisebb az utóbbinál. Ebből következik, hogy miért tudunk milliószor akkora energiát nyerni urániumból, mint ugyanakkora mennyiségű szénből.