Nuclear Fission and Nuclear Fusion

• Both are nuclear reactions that release large amounts of energy.

• Work in very different ways:

  • Fission: Splitting of a heavy, unstable nucleus into smaller nuclei.

  • Fusion: Combining of two light nuclei to form a heavier nucleus.

• Fission is widely used today in nuclear reactors.

• Fusion is still being researched as a future clean energy option.

Nuclear Fusion

What is Nuclear Fusion?

• Process that powers the Sun and other stars.

• First understood in the 1920s when Arthur Eddington suggested that hydrogen nuclei fuse into helium in stars.

Process of Nuclear Fusion

• Two light nuclei (such as hydrogen isotopes) combine to form a heavier nucleus.

• Most studied reaction: Deuterium-Tritium (DT) fusion, which produces a helium nucleus and a neutron.

• Requires a plasma state:

  • Gas becomes so hot that electrons are free.

  • Nuclei move at very high speeds.

• Nuclei must overcome electrostatic repulsion, possible only at extremely high temperatures (about 100 million °C).

• Releases far more energy than chemical reactions because nuclear binding forces are much stronger.

Applications of Fusion

• Energy generation: Potential source of abundant and clean power if controlled.

• Weapons: Used in hydrogen bombs, where a fission reaction triggers fusion.

Harnessing Fusion Energy

• Devices used: Tokamaks (doughnut-shaped reactors) and Stellarators.

Advantages of Nuclear Fusion

• Produces far more energy than coal, oil, gas, or even fission.

• No greenhouse gas emissions like carbon dioxide.

• Does not create long-lasting radioactive waste.

• Limited risk of weapon proliferation as it does not use uranium or plutonium.

Challenges of Nuclear Fusion

• Requires extremely high temperatures (hundreds of millions of degrees).

• Plasma is unstable and difficult to confine.

• Materials must withstand high-energy neutron bombardment for decades.

• No full-scale facility yet for long-term fusion energy.

International Efforts

• ITER Project (France, 2007)

  • World’s largest experimental fusion reactor.

  • Aims to generate 500 MW with ten times more energy output than input.

  • Members: India, China, European Union, Japan, South Korea, Russia, United States.

• International Fusion Materials Irradiation Facility (Japan)

  • European-Japanese project to test materials for future reactors.

Nuclear Fission

What is Nuclear Fission?

• Discovered in 1938 by Otto Hahn and Fritz Strassmann.

• Occurs when the nucleus of a heavy atom (like uranium-235) absorbs a neutron and splits into two lighter nuclei, releasing energy and neutrons.

Process of Nuclear Fission

• A neutron strikes uranium-235, making it unstable.

• Nucleus splits into two smaller nuclei.

• Releases energy as heat and radiation, plus additional neutrons.

• Extra neutrons can cause further fission, creating a chain reaction.

Applications of Fission

• Energy generation: Controlled fission powers nuclear reactors.

• Weapons: Uncontrolled fission forms the basis of atomic bombs.

Harnessing Fission Energy

• Chain reaction in reactors is controlled using cadmium rods and moderators (heavy water or graphite).

• Critical mass: Minimum amount of fissile material required for a self-sustaining chain reaction.

Advantages of Nuclear Fission

• Provides about 10 percent of the world’s electricity.

• Once operational, plants are efficient and cost-effective.

• No greenhouse gas emissions like coal or gas plants.

• Uranium reserves available for decades.

Disadvantages of Nuclear Fission

• Produces harmful radioactive waste requiring safe management.

• Can be misused for nuclear weapons.

• Risk of accidents and radiation leakage (examples: Chernobyl, Fukushima).

• Very high cost of building safe nuclear power plants.

 नाभिकीय संलयन:

नाभिकीय विखंडन और नाभिकीय संलयन

• दोनों नाभिकीय अभिक्रियाएँ हैं जो बड़ी मात्रा में ऊर्जा उत्सर्जित करती हैं।

• काम करने के तरीके अलग हैं:

  • विखंडन: भारी और अस्थिर नाभिक का छोटे नाभिकों में विभाजन।

  • संलयन: दो हल्के नाभिकों का मिलकर भारी नाभिक बनाना।

• विखंडन का प्रयोग वर्तमान में नाभिकीय रिएक्टरों में होता है।

• संलयन को भविष्य की स्वच्छ ऊर्जा के विकल्प के रूप में शोध किया जा रहा है।

नाभिकीय संलयन

नाभिकीय संलयन क्या है?

• यह प्रक्रिया सूर्य और अन्य तारों को ऊर्जा देती है।

• 1920 के दशक में आर्थर एडिंग्टन ने सुझाव दिया कि तारे चमकते हैं क्योंकि हाइड्रोजन नाभिक मिलकर हीलियम बनाते हैं।

नाभिकीय संलयन की प्रक्रिया

• दो हल्के नाभिक (जैसे हाइड्रोजन समस्थानिक) मिलकर भारी नाभिक बनाते हैं।

• सबसे अधिक अध्ययन की गई प्रतिक्रिया: ड्यूटेरियम-ट्रिटियम (DT) संलयन, जिसमें हीलियम नाभिक और न्यूट्रॉन बनते हैं।

• संलयन के लिए प्लाज़्मा अवस्था की आवश्यकता:

  • गैस इतनी गर्म हो जाती है कि इलेक्ट्रॉन स्वतंत्र हो जाते हैं।

  • नाभिक बहुत तेज गति से चलते हैं।

• नाभिकों को उनके प्राकृतिक विद्युत प्रतिकर्षण को पार करना होता है, जो केवल अत्यधिक उच्च तापमान (लगभग 100 मिलियन °C) पर संभव है।

• यह रासायनिक अभिक्रियाओं से कहीं अधिक ऊर्जा उत्सर्जित करता है क्योंकि नाभिकीय बल, परमाणु या आणविक बलों से बहुत अधिक मजबूत होते हैं।

संलयन के उपयोग

• ऊर्जा उत्पादन: नियंत्रित होने पर प्रचुर और स्वच्छ ऊर्जा उपलब्ध करा सकता है।

• हथियार: हाइड्रोजन बम में उपयोग, जिसमें संलयन प्रक्रिया शुरू करने के लिए विखंडन किया जाता है।

संलयन ऊर्जा का उपयोग

• प्रयुक्त उपकरण: टोकामक (डोनट-आकार के रिएक्टर) और स्टेलरेटर।

नाभिकीय संलयन के लाभ

• कोयला, तेल, गैस या विखंडन से कहीं अधिक ऊर्जा पैदा करता है।

• कार्बन डाइऑक्साइड जैसी ग्रीनहाउस गैसों का उत्सर्जन नहीं करता।

• लंबे समय तक चलने वाला रेडियोधर्मी कचरा उत्पन्न नहीं करता।

• इसमें यूरेनियम या प्लूटोनियम का उपयोग नहीं होता, इसलिए हथियार बनाने का जोखिम सीमित है।

नाभिकीय संलयन की चुनौतियाँ

• अत्यधिक उच्च तापमान (सैकड़ों मिलियन °C) की आवश्यकता।

• प्लाज़्मा अस्थिर होता है और इसे नियंत्रित करना कठिन है।

• सामग्री को दशकों तक उच्च-ऊर्जा न्यूट्रॉन विकिरण सहना पड़ता है।

• अभी तक दीर्घकालिक संलयन ऊर्जा के लिए कोई पूर्ण पैमाने की सुविधा मौजूद नहीं है।

अंतर्राष्ट्रीय प्रयास

• आईटीईआर परियोजना (फ्रांस, 2007)

  • विश्व का सबसे बड़ा प्रायोगिक संलयन रिएक्टर।

  • 500 मेगावाट ऊर्जा उत्पादन का लक्ष्य, जिसमें इनपुट से दस गुना अधिक आउटपुट।

  • सदस्य: भारत, चीन, यूरोपीय संघ, जापान, दक्षिण कोरिया, रूस, अमेरिका।

• अंतर्राष्ट्रीय संलयन सामग्री विकिरण सुविधा (जापान)

  • यूरोप-जापान की संयुक्त परियोजना, भविष्य के रिएक्टरों के लिए सामग्री परीक्षण हेतु।

नाभिकीय विखंडन

नाभिकीय विखंडन क्या है?

• 1938 में ओटो हान और फ्रिट्ज स्ट्रास्मैन द्वारा खोजा गया।

• तब होता है जब भारी परमाणु (जैसे यूरेनियम-235) का नाभिक न्यूट्रॉन अवशोषित करता है और दो हल्के नाभिकों में विभाजित होकर ऊर्जा और अतिरिक्त न्यूट्रॉन उत्सर्जित करता है।

नाभिकीय विखंडन की प्रक्रिया

• न्यूट्रॉन यूरेनियम-235 से टकराता है जिससे यह अस्थिर हो जाता है।

• नाभिक दो छोटे नाभिकों में विभाजित हो जाता है।

• ऊर्जा ऊष्मा और विकिरण के रूप में उत्सर्जित होती है, साथ ही अतिरिक्त न्यूट्रॉन भी निकलते हैं।

• ये अतिरिक्त न्यूट्रॉन अन्य यूरेनियम परमाणुओं में और विखंडन शुरू कर सकते हैं, जिससे श्रृंखला अभिक्रिया होती है।

विखंडन के उपयोग

• ऊर्जा उत्पादन: नियंत्रित विखंडन नाभिकीय रिएक्टरों को चलाता है।

• हथियार: अनियंत्रित विखंडन परमाणु बम का आधार है।

विखंडन ऊर्जा का उपयोग

• रिएक्टरों में श्रृंखला अभिक्रिया को कैडमियम रॉड और नियंत्रकों (भारी जल या ग्रेफाइट) से नियंत्रित किया जाता है।

• न्यूनतम द्रव्यमान (क्रिटिकल मास): स्व-धारणीय श्रृंखला अभिक्रिया के लिए आवश्यक न्यूनतम विखंडनीय पदार्थ।

नाभिकीय विखंडन के लाभ

• विश्व की लगभग 10 प्रतिशत बिजली प्रदान करता है।

• एक बार संयंत्र शुरू हो जाने के बाद, ऊर्जा उत्पादन कुशल और किफायती होता है।

• कोयला या गैस संयंत्रों की तरह ग्रीनहाउस गैस उत्सर्जन नहीं करता।

• यूरेनियम भंडार दशकों तक उपलब्ध रहेंगे।

नाभिकीय विखंडन की हानियाँ

• हानिकारक रेडियोधर्मी कचरा उत्पन्न होता है, जिसे सुरक्षित रूप से प्रबंधित करना पड़ता है।

• परमाणु हथियार बनाने के लिए दुरुपयोग किया जा सकता है।

• दुर्घटनाओं और विकिरण रिसाव का खतरा (उदाहरण: चेरनोबिल, फुकुशिमा)।

• सुरक्षित नाभिकीय संयंत्र बनाने की बहुत अधिक लागत।