அணுக்கரு ஆற்றல் (பிளவு, இணைவு)

ஒரு சிறு துண்டு யுரேனியம் எப்படி ஒரு நகரத்துக்கு மின்சாரம் தர முடிகிறது? சூரியன் கோடிக்கணக்கான ஆண்டுகளாக எப்படி எரிகிறது? இவ்விரண்டுக்கும் விடை அணுக்கருவில் (nucleus) சேமிக்கப்பட்ட பேராற்றலில் உள்ளது — E = mc² மூலம் வெளிப்படுகிறது.

1. திணிவு–ஆற்றல் சமானம்

Mass–energy

E = mc² (c = 3×10⁸ m s⁻¹)

ஒரு அணுக்கருவின் உண்மைத் திணிவு, அதன் தனித் துகள்களின் கூட்டுத் திணிவை விடச் சிறிது குறைவு — இந்த வேறுபாடே திணிவுக் குறை (mass defect, Δm). இக்குறைந்த திணிவே பிணைப்பு ஆற்றலாக (binding energy = Δmc²) வெளிப்பட்டுள்ளது — கருவை ஒன்றாக வைத்திருக்கும் ஆற்றல்.

ஒரு நியூக்ளியானுக்கான பிணைப்பு ஆற்றல் இரும்பு (Fe-56) அளவில் உச்சம். அதனால் இரும்பைவிடக் கனமானவை பிளவால், இலேசானவை இணைவால் ஆற்றலை வெளியிடுகின்றன.

2. அணுக்கருப் பிளவு (Nuclear fission)

ஒரு கனமான கரு (எ.கா U-235) ஒரு நியூத்திரனை உறிஞ்சி, இரு சிறிய கருக்களாகப் பிளவுபடுகிறது, மேலும் நியூத்திரன்களையும் பேராற்றலையும் வெளியிடுகிறது. வெளியாகும் நியூத்திரன்கள் மேலும் பிளவுகளைத் தூண்டி சங்கிலித் தாக்கம் (chain reaction) ஏற்படுத்துகின்றன — அணுமின் நிலையங்கள், அணுகுண்டு.

3. அணுக்கரு இணைவு (Nuclear fusion)

இரு இலேசான கருக்கள் (எ.கா ஐதரசன்) இணைந்து ஒரு கனமான கருவாகி (ஹீலியம்) பேராற்றலை வெளியிடுகின்றன. சூரியனின் ஆற்றல் மூலம் இதுவே. பிளவை விட அதிக ஆற்றல், கழிவு குறைவு — ஆனால் மிக உயர் வெப்பநிலை தேவை.

4. தீர்க்கப்பட்ட எடுத்துக்காட்டு

எ.கா. தரப்பட்ட தரவுகள்: Δm = 0.2 u = 3.32×10⁻²⁸ kg; c = 3×10⁸. வெளியாகும் ஆற்றல்?

படி 1: E = Δmc².

படி 2: E = 3.32×10⁻²⁸ × (3×10⁸)².

இறுதி முடிவு: E ≈ 3.0×10⁻¹¹ J (ஒரே மாற்றத்தில்! — வேதியியல் தாக்கத்தை விட மில்லியன் மடங்கு).

தேர்வாளர் குறிப்பு

பிளவு = கனமான கரு பிரிதல்; இணைவு = இலேசான கருக்கள் சேர்தல்.
இரண்டிலும் திணிவுக் குறை → E = Δmc² ஆற்றல்.
1 u = 1.66×10⁻²⁷ kg என மாற்ற நினைவில் கொள்.

5. தேர்வுப் பாணி வினா

வினா

இரும்பை (Fe-56) பிளந்தாலோ இணைத்தாலோ ஆற்றல் கிடைக்காது — ஏன்?

விடையைக் காண்க

Fe-56-இல் நியூக்ளியானுக்கான பிணைப்பு ஆற்றல் உச்சம் (மிக நிலையானது). எந்தத் திசையில் மாற்றினாலும் நிலைப்புத்தன்மை குறையும், எனவே ஆற்றல் வெளிவராது, மாறாக தேவைப்படும்.

🎯 MCQ பயிற்சி — 20 கேள்விகள்

விடையைத் தெரிவுசெய்யவும் — பின்னர் ஒவ்வொரு விருப்பத்துக்கும் ஏன் சரி / தவறு எனும் விளக்கமும் ஆழமான விளக்கமும் (deep explanation) தோன்றும்.

Q1 / 20 ★★★★★

நிறை-ஆற்றல் சமமாதல் (mass-energy equivalence)?

(1) E = mv

அலகு.

(2) E = mc²

சரி — ஐன்ஸ்டீன்.

(3) E = ½mc²

½ எங்கிருந்து?

(4) E = m/c²

அலகு.

(5) E = m+c

கூட்டல்.

ஆழமான விளக்கம் (Deep): E = mc² (c = 3×10⁸ m/s). சிறு m பெரிய E-ஆக மாறும். 1 u = 931 MeV. அணு அளவிலான சிதைவில் ~MeV ஆற்றல் வெளியேறும்.

Q2 / 20 ★★★★★

நிறை குறைவு (mass defect) Δm?

(1) Z·m_p − N·m_n

தவறு வரிசை.

(2) கருவின் நிறை − (புரோத்தான்கள் + நியூட்ரான்களின் சம தனியான நிறை); எப்போதும் நேர் / nucleus mass − sum of free p,n masses; positive

சரி.

(3) கருவின் நிறை மட்டும்

போதாது.

(4) m_e

இல்லை.

(5) அதிகம்

அழித்தியம்.

ஆழமான விளக்கம் (Deep): Δm = (Z·m_p + N·m_n) − m_nucleus > 0. காணாமல் போன நிறை = கருவின் பிணைப்பு ஆற்றலாக மாறியது (E = Δmc²).

Q3 / 20 ★★★★★

பிணைப்பு ஆற்றல் (binding energy) E_B?

(1) ΔE = Δm·c²

சரி.

(2) ΔE = Δm/c

அலகு.

(3) ΔE = m+E

கூட்டல்.

(4) ΔE = mc

அலகு.

(5) கணக்கிட முடியாது

கணக்கிடலாம்.

ஆழமான விளக்கம் (Deep): E_B = Δm·c² = ஒரு கருவை அதன் நிறுத்தினை nucleon-களாகப் பிரிக்க தேவையான ஆற்றல். அதிக E_B = அதிக நிலைப்புத்தன்மை. ஒரு nucleon-க்கு E_B/A 8.8 MeV (இரும்பு-56-இல் உச்சம்).

Q4 / 20 ★★★★★

E_B/A vs A வளைவின் உச்சம்?

(1) Hydrogen (A=1)

மிக சிறிது.

(2) Iron (A≈56)

சரி — ≈8.8 MeV.

(3) Uranium (A=238)

குறை.

(4) Carbon (A=12)

மிதம்.

(5) Lead (A=207)

குறை.

ஆழமான விளக்கம் (Deep): E_B/A இரும்பு-56 (Fe-56)-இல் உச்சம் ~8.8 MeV → மிக நிலையான கரு. சிறிய A → fusion → Fe அளவை நோக்கி ஆற்றல் வெளியீடு. பெரிய A → fission → Fe அளவை நோக்கி → ஆற்றல் வெளியீடு. இரண்டும் சாத்தியம் ஆனால் வெவ்வேறு வகை.

Q5 / 20 ★★★★★

அணு பிளவு (fission) என்பது?

(1) சிறிய கருக்கள் ஒன்றாகச் சேர்தல் / small nuclei combining

அது fusion.

(2) கனமான கரு (உ-ம். U-235) நியூட்ரான் தாக்கினால் இரு இணை-பகுதிகளாக சிதைய + நியூட்ரான்கள் + ஆற்றல் / heavy nucleus (e.g. U-235) absorbs n and splits into 2 fragments + neutrons + energy

சரி.

(3) போட்டான் வெளியீடு

அல்ல.

(4) α decay மட்டும்

போதாது.

(5) மின்னூட்டம் சேர்த்தல்

இல்லை.

ஆழமான விளக்கம் (Deep): U-235 + n → Ba-141 + Kr-92 + 3n + 200 MeV (சராசரி). வெளியீட்டு நியூட்ரான்கள் அடுத்த U அணுக்களைப் பிளந்து → சங்கிலித் தாக்கம் (chain reaction). அணு உலை (reactor), அணுகுண்டின் (atomic bomb) அடிப்படை.

Q6 / 20 ★★★★★

அணு இணைவு (fusion) என்பது?

(1) கனமான கருவின் பிளவு

அது fission.

(2) இரு சிறிய கருக்கள் (H, D, T) சேர்ந்து பெரிய கரு உருவாதல் + ஆற்றல் / small nuclei (H, D, T) combine to form a larger nucleus + energy

சரி.

(3) போட்டான் சேர்த்தல்

இல்லை.

(4) α decay

இல்லை.

(5) புரோத்தான் இழப்பு

இல்லை.

ஆழமான விளக்கம் (Deep): D + T → He-4 + n + 17.6 MeV (deuterium + tritium → ஹீலியம் + நியூட்ரான்). சூரியனின் ஆற்றலின் மூலம் (p-p chain). மிக அதிக T (≈10⁸ K) தேவை — Coulomb தடையைக் கடக்க → பெரும் கட்டுப்படுத்தப்பட்ட fusion சவால்.

Q7 / 20 ★★★★☆

சங்கிலித் தாக்கம் தொடர்வதற்கு (sustained chain reaction)?

(1) ஒவ்வொரு பிளவிலும் சராசரியாக ≥1 நியூட்ரான் அடுத்த பிளவை ஏற்படுத்த வேண்டும் / each fission, on average, must trigger ≥1 further fission

சரி.

(2) நியூட்ரான் இல்லாமல்

நிற்கும்.

(3) γ வெளியீடு

இல்லை.

(4) மட்டும் α

இல்லை.

(5) மட்டும் β

இல்லை.

ஆழமான விளக்கம் (Deep): k = ஒரு பிளவில் இருந்து அடுத்த பிளவைத் தூண்டும் சராசரி நியூட்ரான்கள் (multiplication factor). k=1 → critical (reactor); k<1 → subcritical (மற்றது); k>1 → supercritical (குண்டு). Control rods k-ஐ சரிசெய்ய.

Q8 / 20 ★★★★☆

அணு உலையில் "moderator" பணி?

(1) அணுவைத் தாக்க

அல்ல.

(2) வேகமான நியூட்ரான்களை தாமதப்படுத்த (slow neutrons) — U-235 எளிதாகப் பிளவுபடுத்த / slow fast neutrons → U-235 absorbs better

சரி.

(3) ஆற்றல் வெளியீடு

reactor வெளியீடு.

(4) γ வெளியீடு

போதாது.

(5) γ-ஐ உறிஞ்ச

அது shielding.

ஆழமான விளக்கம் (Deep): பிளவில் வெளிவரும் fast நியூட்ரான்களை (~MeV) thermal (~0.025 eV) என்ற மெதுவான வேகம் வரை குறைக்க graphite, கனநீர் (D₂O) அல்லது சாதாரண நீர் moderator-ஆகப் பயன்படும். மெதுவான நியூட்ரான்கள் U-235-ஆல் எளிதாக உறிஞ்சப்படும்.

Q9 / 20 ★★★★☆

அணு உலையில் "control rods" — material & பணி?

(1) ஈயம், shielding

இல்லை.

(2) cadmium/boron — நியூட்ரான்களை உறிஞ்சி k-ஐ கட்டுப்படுத்த / cadmium/boron — absorb neutrons to control k

சரி.

(3) U-235

அது fuel.

(4) ஹீலியம்

இல்லை.

(5) நீர் மட்டும்

அது coolant.

ஆழமான விளக்கம் (Deep): cadmium அல்லது boron rods நியூட்ரான்-உறிஞ்சிகள். உள்ளே செலுத்தினால் k↓ → reactor மெதுவாக; வெளியே இழுத்தால் k↑ → வேகம். அவசர நிலை: rods விரைவாக கீழ்தள்ளப்பட்டு SCRAM → சிதைவை நிறுத்த.

Q10 / 20 ★★★★☆

அணு உலையில் "coolant" பணி?

(1) நியூட்ரான்களை உறிஞ்ச

அது control rod.

(2) reactor-இல் இருந்து வெப்பத்தைக் கடத்திய பின் நீராவியாக்கி turbine-ஐ இயக்க / carry heat from core to drive a steam turbine

சரி.

(3) நியூட்ரான்களை மெதுவாக்க

அது moderator.

(4) sealed

போதாது.

(5) மட்டும் safety

போதாது.

ஆழமான விளக்கம் (Deep): நீர் (H₂O), கனநீர், அல்லது உருகிய சோடியம் reactor core-இலிருந்து வெப்பத்தைக் கடத்தி heat exchanger வழியே நீராவி உருவாக்கி turbine-மின்னியற்றியை இயக்கி மின்சாரம் உற்பத்தி.

Q11 / 20 ★★★★☆

1 அணு U-235 fission-இல் ஆற்றல்?

(1) ≈ 1 eV

அது chemistry.

(2) ≈ 200 MeV

சரி.

(3) ≈ 13.6 eV

அது அணு.

(4) ≈ 1 J

மிக.

(5) ≈ 10 keV

அது X-ray.

ஆழமான விளக்கம் (Deep): U-235 fission ≈ 200 MeV/நிகழ்வு — 1 g U-235 ≈ 3 ton கல்நிலக்கரிக்குச் சமம். chemistry (eV) vs nuclear (MeV) → 10⁶ மடங்கு வேற்று.

Q12 / 20 ★★★★☆

fusion (சூரியனின் ஆற்றல் மூலம்) — பாதைகள்?

(1) CNO cycle மட்டும்

அதிக mass stars.

(2) புரோத்தான்-புரோத்தான் (p-p) chain — 4 புரோத்தான்கள் → He-4 + 26.7 MeV / p-p chain — 4 H → He-4 + 26.7 MeV

சரி.

(3) D-T மட்டும்

reactor.

(4) α decay

இல்லை.

(5) γ வெளியீடு

போதாது.

ஆழமான விளக்கம் (Deep): சூரியன் mostly p-p chain (T ≈ 1.5×10⁷ K): 4 p → He + 2 e⁺ + 2 ν + 26.7 MeV. அதிக-mass நட்சத்திரம் CNO cycle. கட்டுப்படுத்தப்பட்ட reactor fusion D+T → He + n + 17.6 MeV (மிகச் சுலபம்).

Q13 / 20 ★★★★☆

fission vs fusion — ஆற்றல் / nucleon?

(1) சமம்

இல்லை.

(2) fusion > fission (per nucleon) / fusion > fission per nucleon

சரி — ~3.5 MeV/n vs ~0.85 MeV/n.

(3) fission >>

இல்லை.

(4) fission மட்டும்

போதாது.

(5) fusion 0

இல்லை.

ஆழமான விளக்கம் (Deep): D+T → He+n: 17.6 MeV/5 nucleons ≈ 3.5 MeV/n. U-235 fission: 200 MeV/236 ≈ 0.85 MeV/n. Fusion ~4× அதிக ஆற்றல் density; ஆனால் தொழில்நுட்ப ரீதியில் கட்டுப்படுத்தப்பட்ட fusion இன்னும் சவால்.

Q14 / 20 ★★★☆☆

fusion-க்கு தேவையான வெப்பநிலை?

(1) 100 K

மிகக் குறை.

(2) 10⁸ K (≈100 MK)

சரி.

(3) 1 K

மிகக் குறை.

(4) 10⁴ K

சூரிய வெளி.

(5) 10⁻⁴ K

மிகக் குறை.

ஆழமான விளக்கம் (Deep): D + T fusion-க்கு ~10⁸ K (சூரியனின் கருவின் வெப்பநிலையை விட அதிகம்! சூரியனில் அதிக அழுத்தம் ஈடுசெய்கிறது). Tokamak/inertial confinement தேவை.

Q15 / 20 ★★★☆☆

அணு உலையின் கழிவு (waste) — பெரிய சவால்?

(1) சாதாரண நிலக்கரி கழிவு

இல்லை.

(2) நீண்ட t₁/₂ (1000–10000 ஆண்டுகள்) radioactive கழிவு பாதுகாப்பாக சேமிக்க / long-half-life radioactive waste must be safely stored for 1000s of years

சரி.

(3) மட்டும் ஒளி

போதாது.

(4) மட்டும் வாயு

போதாது.

(5) மட்டும் வெப்பம்

போதாது.

ஆழமான விளக்கம் (Deep): Fission products (Cs-137, Sr-90 - 30 yr; plutonium 24000 yr). High-level waste-க்கு deep geological storage (cooled, glassified — vitrification). சமூக/அரசியல் சிக்கல்.

Q16 / 20 ★★★☆☆

fusion-உடன் (compared with fission) — சுற்றுச்சூழல் நன்மை?

(1) ஒன்றும் இல்லை

உள்ளது.

(2) கழிவு மிகக் குறை (He nucleus harmless), நீண்ட-t₁/₂ radioactive கழிவு இல்லை, சங்கிலித் தாக்கம் இல்லை → ஓடிய பாதுகாப்பு / very little waste (He is harmless), no long-half-life waste, no chain reaction → inherent safety

சரி.

(3) அதிக CO₂

(4) அதிக radiation

மிக சிறிது.

(5) அதிக T தேவை மட்டும்

போதாது.

ஆழமான விளக்கம் (Deep): Fusion main வெளியீடு: He-4 (nontoxic, nonradioactive). சில neutron activation steel-இல் கட்டிடம் கழிவு (50–100 yr). சிதைவின் இயல்பால் "runaway" சாத்தியமில்லை → ஓடிய பாதுகாப்பு.

Q17 / 20 ★★★★☆

Δm = 0.2 u → ஆற்றல் (1 u = 931 MeV)?

(1) 186 MeV

சரி.

(2) 100 MeV

தோராயம்.

(3) 931 MeV

அது 1 u.

(4) 19 MeV

தவறு.

(5) 19 keV

அலகு.

ஆழமான விளக்கம் (Deep): E = Δmc² = 0.2 × 931 = 186 MeV. (1 u = 931.5 MeV/c²; சாதாரண fission-இன் range.)

Q18 / 20 ★★★☆☆

critical mass — என்ன?

(1) fuel அதிக நிறை

அல்ல.

(2) sustained chain reaction-க்கான குறைந்தபட்ச fissile material நிறை / minimum fissile mass to sustain a chain reaction

சரி.

(3) reactor வெளியீடு

போதாது.

(4) மட்டும் U-238

U-235.

(5) மிக சிறிய துகள்

அல்ல.

ஆழமான விளக்கம் (Deep): குறைந்த நிறையில் நியூட்ரான்கள் வெளியேறி தப்பிச்செல்லும் → chain reaction நிற்கும். critical mass-ஐக் கடந்தால் (U-235 ~ 50 kg sphere, reflector-உடன் குறை) sustained. weapons design அல்லது reactor geometry-இல் கீழ்க்கட்டுப்பாடு.

Q19 / 20 ★★★☆☆

1 u-இன் ஆற்றல் சமம் (energy equivalent of 1 u)?

(1) 931 MeV

சரி.

(2) 1 MeV

மிக சிறிது.

(3) 931 keV

மிக சிறிது.

(4) 1 GeV

மிக.

(5) 1 eV

மிகச்சிறிது.

ஆழமான விளக்கம் (Deep): 1 u = 1.66×10⁻²⁷ kg → E = uc² = 1.66×10⁻²⁷×(3×10⁸)² = 1.49×10⁻¹⁰ J = 931 MeV (கூடுதலாக 931.494 MeV). Nuclear ஆற்றல் கணக்கீட்டில் அடிப்படை மாற்றம் — Δm (u) × 931 → MeV.

Q20 / 20 ★★★☆☆

fusion-க்கு Coulomb barrier என்ன?

(1) நியூட்ரான் ஈர்ப்பு

இல்லை.

(2) நேர் கருக்களுக்கு இடையேயான electrostatic விலக்கம் — மெய்வேறு ஆற்றலில் கடக்க / electrostatic repulsion between positive nuclei — needs high energy to overcome

சரி.

(3) γ வெளியீடு

போதாது.

(4) மட்டும் β

போதாது.

(5) தற்செயல்

அல்ல.

ஆழமான விளக்கம் (Deep): Fusion-இல் இரு + கருக்கள் (D, T) Coulomb (1/4πε₀) விலக்கத்தை கடந்து nuclear strong force range (~1 fm) வரை நெருங்க வேண்டும். quantum tunnelling சிறிது உதவினாலும் T ≈10⁸ K தேவை.

📝 கட்டமைக்கப்பட்ட வினாக்கள் — 3

கட்டமைப்பு வினா 1 8 புள்ளி

பிணைப்பு ஆற்றல்.

(a) நிறை குறைவு Δm-ஐ வரையறுத்து, E_B = Δm·c² எனத் தருவிக்க.

விடை

Δm = (Z·m_p + N·m_n) − m_nucleus > 0; nucleon-கள் கருவாக சேரும்போது இவ்வளவு நிறை "காணாமல்" போய் ஆற்றலாக வெளியேறுகிறது. ஐன்ஸ்டீனின் E = mc² மூலம் E_B = Δm·c².

(b) He-4: Z=2, N=2; m_p=1.00728 u, m_n=1.00867 u, m_He = 4.00260 u. Δm & E_B (1 u = 931 MeV).

விடை

Σ = 2×1.00728 + 2×1.00867 = 4.0319 u; Δm = 4.0319 − 4.00260 = 0.0293 u

E_B = 0.0293 × 931 ≈ 27.3 MeV

(c) E_B/A-ஐக் கணக்கிட்டு, இது நிலையான கரு என ஏன் எனக் கூறுக.

விடை

E_B/A = 27.3/4 ≈ 7.1 MeV/nucleon

— மிக அதிக உச்சம் (Fe-56 ~8.8 MeV/n). He-4 "double magic" (Z=2, N=2) — மிக நிலையான ஒளி கரு; α particle இதனாலேயே.

கட்டமைப்பு வினா 2 6 புள்ளி

அணு உலை.

(a) fuel, moderator, control rod, coolant — ஒவ்வொன்றின் பணியை ஒரு வாக்கியத்தில் கூறுக.

விடை

Fuel (U-235 அல்லது Pu-239): fission-க்கான nuclide. Moderator (graphite/H₂O/D₂O): fast நியூட்ரான்களை மெதுவாக்க → பிளவு எளிதாக. Control rods (Cd/B): நியூட்ரான்களை உறிஞ்சி k-ஐ கட்டுப்படுத்த. Coolant (H₂O/Na): வெப்பத்தை core-இலிருந்து கடத்தி turbine-ஐ இயக்க.

(b) multiplication factor k-இன் மூன்று மதிப்புகள் (1, <1, >1) என்ன என்ன?

விடை

k = 1 → critical (சீர் reactor); k < 1 → subcritical (chain மறையும், startup/shutdown); k > 1 → supercritical (வளர்ந்து செல்லும், bomb அல்லது இடைக்கால reactor ramp-up).

கட்டமைப்பு வினா 3 5 புள்ளி

fission vs fusion.

(a) இரண்டையும் வேறுபடுத்தி, ஒவ்வொன்றுக்கும் ஓர் எடுத்துக்காட்டுக் கூறுக.

விடை

Fission: கனமான கரு + n → இரு பகுதி + ~200 MeV. உ-ம். U-235 + n → Ba-141 + Kr-92 + 3n. Fusion: இரு சிறு கருக்கள் → பெரிய கரு + ஆற்றல். உ-ம். D + T → He-4 + n + 17.6 MeV (சூரியன்/H-bomb/reactor).

(b) fusion-க்கு ஏன் மிகவும் அதிக T தேவை எனக் கூறுக.

விடை

நேர் கருக்கள் Coulomb electrostatic விலக்கத்தைக் கடந்து strong-force range-க்கு (~1 fm) நெருங்க வேண்டும். kT அளவிலான ஆற்றல் ≈ விலக்கத்தைக் கடக்கப் போதுமாக ~10⁸ K தேவை.

✍️ கட்டுரை வினாக்கள் — 4

கட்டுரை வினா 1 10 புள்ளி

(a) E = mc² & நிறை குறைவு Δm-ஐ வரையறுத்து பிணைப்பு ஆற்றல் E_B = Δm·c²-ஐக் கூறுக. (b) E_B/A vs A வளைவை வரைந்து, இரும்பு உச்சம் இருப்பதன் தாக்கம் — fusion & fission ஏன் சாத்தியம் எனக் கூறுக. (c) Δm = 0.215 u உள்ள fission-இல் ஆற்றல் (1 u = 931 MeV).

மாதிரி விடையைக் காண்க

(a) ஐன்ஸ்டீன்: E = mc² — நிறை ஒரு வடிவ ஆற்றல். Δm = (Z·m_p + N·m_n) − m_nucleus = "காணாமல்" போன நிறை = கருவின் E_B = Δm·c² = அதை nucleon-களாகப் பிரிக்கத் தேவையான ஆற்றல்.
(b) E_B/A வளைவு: H-இல் 0-இலிருந்து தொடங்கி, He-4-இல் உச்சம், திட்டமாக Fe-56-இல் சிகரம் (~8.8 MeV/n), பின் மெதுவாக U-238 வரை இறங்கும். குறை A → fusion → Fe அளவை நோக்கி → Δ(E_B/A) > 0 → ஆற்றல் வெளியீடு. அதிக A → fission → Fe அளவை நோக்கி → ஆற்றல் வெளியீடு. இரண்டும் Fe-ஐ நோக்கி நகர்வதே ஆற்றலை வெளியிடுகின்றன.
(c)

E = 0.215 × 931 ≈ 200 MeV

(சாதாரண U-235 fission).

கட்டுரை வினா 2 10 புள்ளி

(a) U-235 fission reaction-ஐக் கூறி, சங்கிலித் தாக்கத்தை விளக்குக. (b) ஒரு அணு உலையின் முக்கிய நான்கு கூறுகள் (fuel, moderator, control rods, coolant) & அவற்றின் பணியைக் கூறுக. (c) k-இன் முக்கியத்துவத்தைக் கூறுக.

மாதிரி விடையைக் காண்க

(a) ²³⁵U + ¹n → ¹⁴¹Ba + ⁹²Kr + 3¹n + ~200 MeV. வெளியிடப்பட்ட நியூட்ரான்கள் அடுத்த U-235-ஐப் பிளவுபடுத்தி, இது தன்னை-தொடரும் சங்கிலித் தாக்கம் ஆகிறது. ஒரு பிளவில் இருந்து k நியூட்ரான்கள் அடுத்த பிளவை ஏற்படுத்தினால் தாக்கம் தொடரும்.
(b) Fuel (U-235/Pu-239): பிளவுபடுத்தக்கூடிய nuclide. Moderator (graphite/D₂O/H₂O): fast நியூட்ரான்களை மெதுவாக்கி, அவை U-235-ஆல் எளிதாக உறிஞ்சப்பட. Control rods (Cd/B): நியூட்ரான்களை உறிஞ்சி k-ஐ சரிசெய்ய; SCRAM-இல் அவசர நிறுத்தம். Coolant (H₂O/D₂O/Na): வெப்பத்தைக் கடத்தி நீராவியாக்கி turbine-மின்னியற்றியை இயக்கி மின்சாரம்.
(c) k = ஒரு பிளவில் இருந்து தூண்டப்படும் அடுத்த பிளவுகளின் சராசரி எண். k=1 → critical (சீர் reactor); k<1 → மறையும் (subcritical); k>1 → வளரும் (supercritical, bomb அல்லது ramp-up). Control rods k-ஐ துல்லியமாக ≈1-ஆக வைக்கின்றன.

கட்டுரை வினா 3 10 புள்ளி

(a) Fusion-ஐ வரையறுத்து சூரிய ஆற்றலின் மூலம் என விளக்குக (p-p chain அல்லது D-T reaction). (b) கட்டுப்படுத்தப்பட்ட fusion (tokamak) ஏன் கடினம் எனக் கூறுக. (c) fusion vs fission — மூன்று வேறுபாடுகள்.

மாதிரி விடையைக் காண்க

(a) Fusion = இரு சிறிய கருக்கள் ஒன்றாகச் சேர்ந்து பெரிய கருவை உருவாக்க — Fe-ஐ நோக்கி நகர்ந்து E_B/A-ஐ கூட்டி ஆற்றல் வெளியிடுகிறது. சூரியனின் p-p chain: 4 புரோத்தான்கள் → ⁴He + 2e⁺ + 2 ν_e + 26.7 MeV (T ≈ 1.5×10⁷ K, அதிக அழுத்தம்). Reactor: ²H + ³H → ⁴He + n + 17.6 MeV.
(b) கடின காரணங்கள்: (1) Coulomb தடையைக் கடக்க T ≈10⁸ K தேவை — பெரும் plasma. (2) ~m³ plasma-ஐ caged in magnetic field (tokamak) அல்லது laser inertial confinement-உடன் pinhead-அளவில் வைக்க. (3) plasma instabilities, divertor heat load, tritium breeding. (4) net energy gain Q>1 ஐ எட்டியதோடு வணிக reactor-க்கு long burn, durable materials தேவை. ITER, NIF சாதனைகள் ஆனாலும் grid reactor இன்னும் இல்லை.
(c) (1) Mechanism: fusion = சேர்த்தல்; fission = பிளத்தல். (2) Fuel: fusion = H-isotopes (கடல்நீரில் D ஏராளம், Li → T); fission = U-235 (~0.7% இயற்கை U), Pu-239. (3) Waste: fusion = He (harmless) + சிறிய neutron-activated steel (~50–100 yr); fission = நீண்ட-t₁/₂ radioactive products (Pu-239 24000 yr). (4) Safety: fusion runaway செய்ய முடியாது (plasma cool ஆனால் fusion நிற்கும்); fission supercritical → பெரும் accident-க்கு வழி.

கட்டுரை வினா 4 10 புள்ளி

(a) ஒரு அணு உலையின் சக்தி வெளியீட்டை எவ்வாறு கணக்கிடுவது எனக் கூறுக (fission rate × ~200 MeV). (b) ஒரு 1 GW (electrical) plant 33% திறன் கொண்டது → வெப்ப வெளியீடு 3 GW; ஒரு நாளில் fission-களின் எண்/U-235 nuclei-இன் தினசரி நுகர்வை மதிப்பீடு செய்க.

மாதிரி விடையைக் காண்க

(a) Reactor வெளியீடு P (thermal) = R × E_fission, R = வினாடிக்கு fission எண், E_fission ≈ 200 MeV = 3.2×10⁻¹¹ J. R = P/E_fission. மின் வெளியீடு P_e = η·P (η ≈ 33% — Carnot-வரம்பு). வருடாந்தர U-235 நுகர்வு = R × t × m(U-235)/N_A.
(b)

R = 3×10⁹/3.2×10⁻¹¹ ≈ 9.4×10¹⁹ fissions/s

தினசரி (86400 s): ≈ 8.1×10²⁴ fissions

U-235 nuclei = 8.1×10²⁴; mass = (8.1×10²⁴/6×10²³) × 235 g/mol ≈ 3.2 kg/day

(வருடம்: ≈ 1.2 ton U-235; ~3-5% enriched fuel ⟹ ~25-50 ton fuel/yr.) — ஒப்பீடு: 1 GW(e) நிலக்கரி plant ~10000 ton coal/day.