Raskete tuumade lõhustumine

Meie vaatleme selliseid tuumareaktsioone, mille käigus vabaneb energia, mida nimetatakse tuumaenergiaks. Selliseid tuumareaktsioone on kahte liiki. Ühel juhul laguneb tuum kaheks uueks tuumaks, seda nimetatakse raskete tuumade lõhustumiseks[mõiste: raskete tuumade lõhustumine – tuumareaktsioon, mille korral tuum jaguneb kaheks uueks tuumaks] (ingl fission). Teisel juhul liituvad kaks tuuma uueks tuumaks, st reaktsiooniks on kergete tuumade liitumine[mõiste: kergete tuumade liitumine – tuumareaktsioon, mille korral kaks tuuma liituvad uueks tuumaks] (ingl fusion).

Tuumad liigitatakse massiarvu (A) järgi kergeteks ja rasketeks. Kui A<50, on tegemist kerge tuumaga[mõiste: kerge tuum – tuum, mille massiarv on väiksem kui 50], ja kui A>150, on tegu raske tuumaga[mõiste: raske tuum – tuum, mille massiarv on suurem kui 150].

Raske tuuma, näiteks uraani (U) lõhustumine saab alguse sellest, kui tuuma tabab mõni vabalt liikuv neutron. See tungib tuuma, muudab selle ebastabiilseks ja tuum laguneb kaheks osaks ehk nn kildtuumaks. Mõnikord nimetatakse lagunevat tuuma ka ematuumaks ja tekkinud uusi tuumasid tütartuumadeks. Kuna kildtuumad lendavad suure kiirusega laiali, vabaneb lagunemise käigus energia ning temperatuur tõuseb.

Kui raske tuum laguneb, vabaneb alati mõni neutron, sest sellises tuumas on neutroneid rohkem kui prootoneid. Vabanenud neutronid võivad tabada uusi tuumasid ja põhjustada nende lagunemise. Iga lagunemisega vabade neutronite arv kasvab. Kui iga tuuma lõhustumise käigus tekib 2 vaba neutronit, siis kasvab neutronite arv nii: 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 jne. Selline vabade neutronite arvu kasv põhjustab ka lagunevate tuumade arvu kasvu. Nähtust, kus reaktsioon ise põhjustab selle reaktsiooni jätkumise, nimetatakse ahelreaktsiooniks[mõiste: ahelreaktsioon – nähtus, kus reaktsioon ise põhjustab selle reaktsiooni jätkumise].

Tuumade lõhustumise käigus vabaneb umbes miljon korda rohkem energiat kui sama koguse aine põletamisel. Kuna üks tuum lõhustub väga lühikese aja jooksul ja reaktsioonide arv kasvab kiiresti, toimub ahelreaktsioon plahvatusena. Sellist tuumaplahvatust rakendatakse aatomipommis[mõiste: aatomipomm – suure purustusvõimega lõhkekeha, kus energia vabaneb raskete tuumade lõhustumise tagajärjel, nimetatakse ka tuumapommiks]. Selleks, et tuumaenergia vabaneks aeglasemalt, kasutatakse vastavaid seadmeid ehk tuumareaktoreid.

Tuumareaktor[mõiste: tuumareaktor – seade, milles toimuv tuumareaktsioon muundab tuumaenergia soojusenergiaks] on seade, milles toimuv tuumareaktsioon muundab tuumaenergia soojusenergiaks. Tuumareaktoris kasutatakse tavaliselt mõne raske radioaktiivse aine, näiteks uraani ahelreaktsiooni. Et ahelreaktsioon ei väljuks kontrolli alt, tuleb vältida neutronite suurt paljunemist. Selleks kasutatakse tuumareaktoris neutroneid neelavast ainest (kaadmium[joonealune: mürgine metall (tähis Cd, järjenumber 48), mis neelab hästi neutroneid]) vardaid, mida nimetatakse juhtvarrasteks[mõiste: juhtvardad – tuumareaktori osa, neutroneid neelavast ainest vardad, mida saab reaktsiooni piirkonda rohkem või vähem sisse viia, et reaktsiooni aeglustada või peatada]. Juhtvardaid saab reaktsiooni piirkonda rohkem või vähem sisse viia ning täielikult sisseviidud vardad peatavad tuumareaktsiooni.

Tuumareaktor on tuumaelektrijaama[mõiste: tuumaelektrijaam – elektrijaam, kus elektrienergiaks muundatakse tuumade lõhustumise käigus eralduv energia] (lühend TEJ) põhiosa. Tuumareaktoris on tuumkütus, st aine, mille tuumad lagunevad (nt ${}^{235}\mathrm{U}$ või ${}^{239}\mathrm{Pu}$), ja juhtvardad, mis neelavad neutroneid ja aeglustavad sellega reaktsiooni toimumise kiirust. Kogu reaktor on ohutuse tagamiseks ümbritsetud neutronite peegeldiga ja asetatud raudbetoonkesta sisse. Reaktsiooni käigus eraldunud energia salvestatakse soojuskandjasse, tavaliselt on selleks vesi. See energia antakse soojusvahetis üle teisele süsteemile, kus on samuti vesi, millel lastakse aurustuda. Tekkinud aur juhitakse turbiini[joonealune: labadega masin, mis muudab gaasi või vedeliku voolamise energia pöörlemise energiaks], mis käivitab elektrigeneraatori. Edasi suunatakse veeaur kondensaatorisse, kus see jahutatakse, mistõttu seal muutub aur uuesti veeks ning läheb jälle soojusvahetisse.

Tuumkütus on väga efektiivne. Näiteks 1 g uraani tuumade lagunemisel vabaneb sama palju energiat kui $500 {\mathrm{m}}^3$ (u 6 raudteetsisternitäie) nafta põlemisel.