9.4 Tenaga Nuklear

PELAJARAN 4 Tenaga Nukleur (a) Teori Einstein (Prinsip Kesetaraan Jisim dan Tenaga) Menurut Albert Eintein,apabila berlaku suatu tindakbalas nukleus,jisim nukleus menyusut. Penyusutan jisim ini bertukar menjadi tenaga haba.Jumlah tenaga haba yang dibebaskan diberi oleh rumus, E = m c2 di mana E = tenaga haba m = jisim nukleus yang susut c = halaju cahaya, 3 x 108 -1 ms Contoh 1 210 Po ➜ tenaga 82

206 Pb + 84

4 He + 2

Jisim Po = 209.982 u.j.a. Jisim Pb = 205.969 u.j.a Jisim He= 4.004 u.j.a 1 u.j.a = 1.66 x 10 -27kg c = 3 x 108 ms-1 Berdasarkan persamaan dan maklumat di atas,tentukan, (a) Kehilangan jisim (b) Tenaga terhasil (c) Kuasa yang dijanakan dalam masa 2 saat. Penyelesaian

(b) Jenis-Jenis Tindakbalas Nukleus Terdapat dua jenis iaitu Pembelahan Nukleus dan Pelakuran Nukleus. Pembelahan Nukleus Ialah proses pemecahan suatu nukleus berat kepada dua nukleus yang lebih ringan diikuti penghasilan neutron pembebasan tenaga yang besar. Contohnya: 1 235 141 92 1 n + U ➜ Ba + Kr + 3 n + tenaga 0 92 56 36 0 Pembelahan nukleus adalah berlaku secara berterusan dan dipanggil tindakbalas berantai kerana bilangan terhasil berganda dengan cepat.

Pembelahan nukleus digunakan dalam reaktor nukleur dan pembuatan bom atom. (c)Reaktor Nukleur

Penukar haba

Perisai Pelindung Konkrit@dDindi ng Plumbum

Menggunakan haba daripada cecair yang panas untuk mendidihkan air supaya terhasil stim dan seterusnya memutarkan turbin Mencegah sinran radioaktif daripada terkena pada pekerja

(d) Pelakuran Nukleus

Komponen Bahan api (U235)

Teras Grafit

Rod Pengawal(Boro n @ Kadmium)

CO2 atau air

Fungsi Untuk menjalankan proses pembelahan nukleus dan seterusnya membebaskan haba yang banyak Sebagai moderator untuk memperlahankan gerakan neutron Untuk menyerap neutron-neutron berlebihan supaya tindakbalas berantai dapat dikawal.Apabila rod ke atas t/balas berlaku dengan cepat dan sebaliknya bila rod ke bawah tindakbalas berlaku lebih perlahan Dialirkan pada tekanan tinggi melalui teras reaktor bagi menyejukkannya

Proses percantuman nukleus-nukleus ringan untuk membentuk satu nukleus yang lebih berat diikuti dengan pembebasan neutron dan tenaga haba yang besar. Contoh: 2 3 4 1 H + H ➜ He + n + tenaga 1 1 suhu tinggi 2 0 Tindakbalas pelakuran biasanya berlaku di permukaan matahari. Tindakbalas pelakuran adalah asas pembuatan bom hidrogen. Bom hidrogen mengandungi satu bom atom di dalamnya,untuk menghasilkan suhu yang tinggi terlebih dahulu sebelum proses pelakuran berlaku.

(e)Kesamaan di antara tindakbalas pembelahan dan pelakuran (1) Kedua-dua menghasilkan jumlah tenaga yang besar. (2) Kedua-duanya menghasilkan neutron (3) Kedua-duanya menghasilkan sinaran radioaktif (4) Kedua-duanya mengalami penyusutan jisim nukleus

(f)Perbezaan di antara tindakbalas pembelahan dan pelakuran Pembelahan Pelakuran proses Proses pemecahan suatu percantuman nukleus berat nukleus-nukleus kepada dua ringan untuk nukleus yang membentuk lebih ringan diikuti satu nukleus penghasilan yang lebih berat neutron diikuti dengan pembebasan pembebasan tenaga neutron dan tenaga haba yang besar. Contohnya: 1 235 141 n + U Ba + 0 92 56

➜

92 1 Kr + 3 n + tenaga 36 0 Berlaku tindakbalas berantai Tidak memerlukan neutron laju Aplikasinya dalam reaktor nukleur dan bom atom

Contohnya: 2 3 H + H 1 1 4 1 ➜ He + n 2 0 + tenaga Tidak berlaku Memerlukan suhu tinggi Aplikasinya dalam pembuatan bom hidrogen

(g)Isu dan Implikasi Tenaga Nukleur (1) Krisis tenaga yang utama ialah kebanyakan sumber tenaga seperti bahan api fosil tidak boleh diperbaharui.Tenaga nukleur dapat mengurangkan krisis tenaga ini. (2) Bahan api fosil menimbulkan kesan pencemaran udara.Begitu juga dengan tenaga nukleur sekiranya tidak diurus dengan betul bahan sisa radioaktif akan

mengancam keselamatan,habukhabuk radioaktif yang berada di udara oleh angin dan jatuh ke bumi menyebabkan pelbagai penyakit . Oleh itu langkah-langkah keselamatan dan pengendalian bahan nukleur perlukan diperlukan dengan teliti. (3) Sebarang penyalahgunaan tenaga neukleur dalam bentuk senjata api atau bom neukleur haruslah dielakkan. (4) Dalam perlombongan bahan api nukleur kadar kemalangan adalah rendah jika dibandingkan dengan perlombongan lain.Walau bagaimana pun jika berlaku kebocoran reaktor nukleur,kesanya adalah bukan sahaja pada jangkamasa pendek tetapi wujud juga kesan jangkamasa yang panjang.

4

Kesamaan-kesamaan yang terdapat antara proses pembelahan dan pelakuran adalah seperti berikut kecuali, A B C

TUTORIA 1

17 17

D

Dalam satu tindak balas nukleus 2 x 10 -3 kg jisim atom didapati hilang. Jumlah tenaga yang dibebaskan adalah A

1.8 x 10

14

J

B

1.8 x 10

C

1.6 x 10

14

J

D

1.6 x 10

E

1.6 x 10

18

J

J J

2

Dalam proses penyusutan bagi suatu unsur radioaktif,didapati 0.005 u.j.a. jisim telah hilang.Berapakah tenaga yang setara dengan jisim itu? (1 u.j.a. = 1.7 x 10 -27 kg , Halaju cahaya = 3.0 x 10 8 ms-1 ) A

2.55 x 10 -21J

B

5.10 x 10

C

3.83 x 10

D

7.65 x 10

E

8.97 x 10 -13 J

5

-13J

Pernyataan yang manakah berikut adalah benar fungsi beberapa komponen utama dalam sebuah reaktor nukleur kecuali ? Kompon en A Rod pengaw al B Dinding konkrit

-19 J -13 J

3

Kedua-dua proses mengalami kehilangan jisim Kedua-dua proses membebaskan tenaga yang besar Kedua-dua proses menghasilkan nukleus baru Kedua-dua proses memerlukan suhu yang sangat tinggi

Dalam satu letupan bom atom,0.0002 kg uranium telah ditukarkan kepada tenaga dalam masa 1.0 µ s.Hitungkan kuasa yang terhasil dalam letupan bom atom itu. (Halaju cahaya = 3.0 x 10 8 ms-1

C Moderat or

) 19 13

A W C W E

2.1 x 10 1.0 x 10 1.0 x 10

20

W B

1.8 x 10

19

W D

1.8 x 10

13

W

D Cecair

6

Fungsi mengawal kadar tindak balas mencegah sinaran radioaktif semula jadi masuk ke dalam reaktor memperlahankan gerakan neutron yang berhalaju tinggi menyerap tenaga haba hasil daripada tindak balas berantai

Pembebasan tenaga yang banyak dalam reaktor nukleur

7

adalah melalui proses perubahan tenaga

(c) Nyatakan satu aplikasi tindak balas di atas.

A Tenaga mekanik B Tenaga haba ➜ C Tenaga nukleur D Tenaga keupayaan

..................................................... .....................

2

haba ➜ Tenaga ➜Tenaga nukleur nukleur ➜Tenaga Tenaga elektrik haba ➜ Tenaga ➜Tenaga elektrik mekanik ➜Tenaga ➜Tenaga elektrik

2 H + H + ➜ + tenaga 1

1

3

He +

2

1

n

2

H

(ii) eV

0

Persamaan di atas menunjukkan satu tindak balas nukleus.Maklumat-maklumat mengenai zarah yang terlibat dalam persamaan ini adalah seperti berikut:Jisim

(d) Tentukan tenaga yang dibebaskan dalam unit (i) Joule

(e) Jika tindak balas selama 5 µs tentukan jumlah kuasa yang terjana.

= 2.015 u.j.a

1

Jisim

3

He

= 3.017 u.j.a

2

Jisim

1

n

= 1.009 u.j.a

0

1 u.j.a

= 1.66 x 10-27 kg

Halaju cahaya = 3 x 10 1 ev

8

ms

-1

= 1.6 x 10-19 J

(a) Namakan jenis tindakbalas. ..................................................... ..................... (b) Nyatakan maksud tindakbalas yang anda nyatakan dalam(a) ..................................................... ..................... ..................................................... .....................

8 Rajah menunjukkan sebuah reaktor nukleur . (a) (i) Namakan dua bahan yang boleh digunakan sebagai moderator. ............................................... .................. (ii) Nyatakan fungsi moderator. ............................................... ..................

(b) (i) Namakan dua bahan yang digunakan sebagai rod pengawal. ............................................... .................. (ii) Bagaimanakah rod mengawal kuantiti haba yang dihasilkan dalam reaktor? ............................................... .................. ............................................... .................. (c) Dalam reaktor ini tindak balas berantai berlaku.Tindak balas berantai berlaku apabila jisim sampel melebihi jisim genting.Apakah yang dimaksudkan dengan jisim genting? ............................................... .................. ............................................... .................. (d) Pada kebiasaannya reaktor nukleur didirikan di kawasan berhampiran dengan sungai.Nyatakan sebabnya. ............................................... .................. ............................................... .................. (e) Nyatakan satu aplikasi lain selain daripada reaktor nukleur yang berlaku tindak balas berantai. ............................................... .................. 9 (a) Nyatakan maksud pembelahan dan pelakuaran nukleus.

(b) Nyatakan perbezaanperbezaan dan kesamaankesamaan yang terdapat antara pembelahan dan pelakuran nukleur. (c) Huraikan struktrur dan fungsi komponen- komponen penting dalam sebuah reaktor nukleur (d) Nyatakan isu dan implikasi tenaga nukleur