6.2 - Tenaga Nuklear

Tenaga Nuklear

Tenaga nuklear, juga dikenali sebagai tenaga atom, dibebaskan semasa reputan radioaktif, pembelahan nukleus dan pelakuran nukleus.
Pelakuran nukleus hidrogen dalam teras Matahari membebaskan tenaga nuklear yang dipancarkan ke permukaan Matahari sebagai cahaya dan haba.
Penyelidikan nuklear di Malaysia bermula dengan penubuhan Pusat Penyelidikan Atom Tun Ismail (PUSPATI) pada 19 September 1972. Pusat ini kemudiannya dikenali sebagai Agensi Nuklear Malaysia (ANM).

Pembelahan nukleus membelah satu nukleus berat menjadi dua atau lebih nukleus yang lebih ringan serta membebaskan tenaga yang banyak.
Dalam contoh uranium-235:
1. Satu neutron membedil nukleus uranium-235.
2. Nukleus uranium-236 yang tidak stabil terbentuk.
3. Nukleus itu membelah menjadi barium-141, kripton-92 dan tiga neutron, serta membebaskan tenaga.

_{92}^{235} U +_{0}^{1} n \to_{92}^{236} U \to_{56}^{141} Ba +_{36}^{92} Kr + 3_{0}^{1} n + tenaga

Pelakuran nukleus mencantumkan nukleus kecil dan ringan untuk membentuk nukleus yang lebih berat serta membebaskan tenaga yang banyak.
Pelakuran memerlukan suhu dan tekanan yang amat tinggi.
Deuterium, $_{1}^{2} H$ , dan tritium, $_{1}^{3} H$ , bercantum untuk menghasilkan helium-4 dan satu neutron:

_{1}^{2} H +_{1}^{3} H \to_{2}^{4} He +_{0}^{1} n + tenaga

Pembelahan dan pelakuran membebaskan tenaga nuklear serta melibatkan cacat jisim.

Jisim atom sangat kecil, maka unit jisim atom (u.j.a) memberikan ukuran relatif dengan menggunakan atom karbon-12 sebagai rujukan.
Karbon-12 digunakan sebagai rujukan kerana karbon terkandung dalam banyak sebatian di Bumi. Nombor Avogadro, $N_{A}$ , ialah bilangan atom dalam satu mol karbon-12.
Jisim satu atom karbon-12 ditetapkan sebagai 12 u.j.a. Maka, 1 u.j.a bersamaan dengan satu perdua belas daripada jisim satu atom karbon-12.

1 u.j.a = 1.66 \times 1 0^{- 27} kg

Cacat jisim, $m$ , ialah pengurangan jumlah jisim semasa tindak balas nuklear atau reputan radioaktif: jumlah jisim hasil adalah kurang daripada jumlah jisim zarah asal.
Masukkan semua zarah, termasuk neutron yang membedil dan neutron yang terhasil, dalam pengiraan jumlah jisim.

m = jumlah jisim sebelum tindak balas - jumlah jisim selepas tindak balas

Bagi contoh pembelahan uranium-235, jisim neutron ialah 1.00867 u.j.a, uranium-235 235.04392 u.j.a, barium-141 140.91441 u.j.a dan kripton-92 91.92611 u.j.a.

Jisim sebelum Jisim selepas m = 1.00867 + 235.04392 = 236.05259 u.j.a = 140.91441 + 91.92611 + 3 (1.00867) = 235.86653 u.j.a = 236.05259 - 235.86653 = 0.18606 u.j.a

E = m c^{2}

$E$ : jumlah tenaga yang dibebaskan dalam joule; $m$ : cacat jisim dalam kilogram; $c$ : laju cahaya dalam vakum, $3.00 \times 1 0^{8} m s^{- 1}$ .
Tukarkan cacat jisim daripada u.j.a kepada kg sebelum menggantikan nilai dalam $E = m c^{2}$ .
Tenaga nuklear juga boleh dinyatakan dalam megaelektronvolt (MeV):

1 MeV = 1.60 \times 1 0^{- 13} J

_{88}^{226} Ra \to_{86}^{222} Rn +_{2}^{4} He

Menggunakan jisim yang diberikan, iaitu 226.54 u.j.a, 222.018 u.j.a dan 4.003 u.j.a:

m E = 226.54 - (222.018 + 4.003) = 0.519 u.j.a = 0.519 (1.66 \times 1 0^{- 27}) = 8.6154 \times 1 0^{- 28} kg = (8.6154 \times 1 0^{- 28}) (3.00 \times 1 0^{8})^{2} = 7.75 \times 1 0^{- 11} J

Pelakuran deuterium–tritium: menggunakan jisim deuterium 2.014 u.j.a, tritium 3.016 u.j.a, helium-4 4.003 u.j.a dan neutron 1.009 u.j.a:

m E = (2.014 + 3.016) - (4.003 + 1.009) = 0.018 u.j.a = 0.018 (1.66 \times 1 0^{- 27}) = 2.988 \times 1 0^{- 29} kg = (2.988 \times 1 0^{- 29}) (3.0 \times 1 0^{8})^{2} = 2.69 \times 1 0^{- 12} J

Pembelahan uranium-235 dan tindak balas berantai yang menyusul menghasilkan haba dalam teras reaktor.
Air yang dipam melalui teras menyerap haba. Penjana stim (sistem pertukaran haba) memindahkan haba kepada air untuk menghasilkan stim bertekanan tinggi.
Stim bertekanan tinggi mengalir ke turbin dan memutarkannya.
Turbin memutarkan magnet atau gegelung dalam penjana, lalu menghasilkan tenaga elektrik. Stim terkondensasi semula menjadi air dalam kondenser.
Tenaga elektrik dihantar kepada pengguna melalui sistem penghantaran bekalan kuasa.

Sistem ini mempunyai pam air, kondenser dan menara penyejuk bagi litar air dan penyejukannya.
TRIGA PUSPATI (RTP) di Bangi ialah reaktor penyelidikan untuk sains nuklear dan pendidikan. Malaysia tidak mempunyai reaktor nuklear untuk penjanaan elektrik.

Dalam tindak balas pembelahan yang ditunjukkan, satu nukleus uranium-235 menghasilkan dua nukleus anak, tiga neutron yang bergerak pantas dan tenaga.
Neutron tersebut membedil nukleus uranium-235 yang lain, menyebabkan pembelahan seterusnya dan membebaskan lebih banyak neutron. Proses berterusan ini ialah tindak balas berantai.
Tindak balas berantai dalam teras reaktor mesti dikawal, dan struktur reaktor mesti menghalang kebocoran sinaran radioaktif ke persekitaran.

Komponen reaktor	Fungsi dan bahan
Rod pengawal	Menyerap neutron berlebihan untuk mengawal kadar tindak balas; diperbuat daripada boron atau kadmium.
Moderator	Memperlahankan neutron yang bergerak pantas supaya pembelahan seterusnya boleh berlaku; diperbuat daripada grafit atau air.
Rod uranium	Bahan api yang membebaskan tenaga nuklear melalui pembelahan.
Air sebagai agen penyejuk	Menyerap haba tindak balas berantai untuk menghasilkan stim dan mengawal suhu reaktor.
Dinding konkrit tebal	Menghalang sinaran radioaktif terlepas ke persekitaran.

Arang batu, gas asli dan air digunakan untuk penjanaan elektrik di Malaysia. Tenaga nuklear digunakan untuk penjanaan elektrik di negara seperti Amerika Syarikat, Jepun, Perancis, India dan China.
Tenaga nuklear memberikan pilihan alternatif untuk memenuhi permintaan elektrik yang meningkat dan mengurangkan kebergantungan kepada bahan api fosil.
Kesesuaian loji kuasa nuklear, arang batu dan hidro bergantung pada faktor berikut:
- Kos pembinaan, operasi dan penyelenggaraan.
- Lokasi loji kuasa.
- Kesan kepada ekosistem dan jejak karbon.
- Isu keselamatan dan kesihatan.
- Teknologi dan kepakaran yang tersedia.
- Isu pengurusan sisa.