V této závěrečné části kapitoly se podíváme na jaderné reakce, které dokážeme záměrně vyvolat. Jedná se o transmutaci, štěpení a syntézu. Zákony zachování náboje, počtu nukleonů a energie platí i pro tyto reakce.
Transmutace
Transmutace je uměle vyvolaná přeměna jádra na jiné jádro. Původní jádro je ostřelováno proudem částic (protonů, neutronů nebo proudem α částic), a pokud se v něm některá z částic zachytí, dojde k transmutaci. Tímto způsobem lze vytvářet nové chemické prvky, nové izotopy již známých prvků, nebo aktivovat původně neradioaktivní látku. Tímto způsobem se vyrábí většina umělých zářičů pro průmyslové či lékařské účely.
Situaci si ukážeme na příkladu neptunia \({}_{93}\mathrm{Np}\) a plutonia \({}_{94}\mathrm{Pu}\), které se v přírodě nevyskytují. Vytvořit je můžeme pomocí transmutace nejstabilnějšího izotopu uranu, jak ukazují následující rovnice:
\[ {}^{238}_{\hphantom{0}92}\mathrm{U} + {}^1_0\mathrm{n} \stackrel{\mathrm{transmutace}}{\longrightarrow} {}^{239}_{\hphantom{0}92}\mathrm{U} + \gamma\;. \]Pravděpodobnost této reakce závisí na rychlosti neutronu (dokážeme ovlivnit). Vzniklé jádro uranu 239 je nestabilní a samovolně se přeměňuje radioaktivním β- rozpadem na neptunium (reakci nedokážeme ovlivnit):
\[ {}^{239}_{\hphantom{0}92}\mathrm{U} \stackrel{\beta^-}{\longrightarrow} {}^{239}_{\hphantom{0}93}\mathrm{Np} + {}^{\hphantom{-}0}_{-1}\mathrm{e} + {}^0_0\bar\nu\;. \]Vzniklé neptunium je rovněž nestabilní a přeměňuje se na plutonium (ani tuto reakci nedokážeme ovlivnit):
\[ {}^{239}_{\hphantom{0}93}\mathrm{Np} \stackrel{\beta^-}{\longrightarrow} {}^{239}_{\hphantom{0}94}\mathrm{Pu} + {}^{\hphantom{-}0}_{-1}\mathrm{e} + {}^0_0\bar\nu\;. \]Tyto reakce, včetně zachycení počátečního neutronu, probíhají v jaderném reaktoru. Jelikož se dá plutonium využít k sestavení jaderné bomby, je zacházení s vyhořelým jaderným palivem pečlivě kontrolováno.
Štěpení
Základní vlastnosti štěpení
Štěpení je jaderná reakce, kterou lze vyvolat u některých těžkých jader. Prakticky se používá uran (izotop \({}^{235}\mathrm{U}\)) a plutonium (izotop \({}^{239}\mathrm{Pu}\)). Těžké jádro zachytí neutron, tím se stane nestabilním a rozštěpí se na dvě lehčí jádra a několik dalších neutronů. Iniciační neutron musí mít malou kinetickou energii („pomalý“ neutron), neboť s rostoucí kinetickou energií klesá pravděpodobnost, že bude zachycen. Naopak uvolněné elektrony mají vysokou kinetickou energii („rychlé“ neutrony), neboť odnášejí energii uvolněnou při reakci. Příkladem reakce je
\[ {}^{235}_{\hphantom{0}92}\mathrm{U} + {}^1_0\mathrm{n} \stackrel{\mathrm{stepeni}}{\longrightarrow} {}^{139}_{\hphantom{0}54}\mathrm{Xe} + {}^{95}_{38}\mathrm{Sr} + 2\,{}^1_0\mathrm{n} \]nebo
\[ {}^{235}_{\hphantom{0}92}\mathrm{U} + {}^1_0\mathrm{n} \stackrel{\mathrm{stepeni}}{\longrightarrow} {}^{141}_{\hphantom{0}56}\mathrm{Ba} + {}^{92}_{36}\mathrm{Kr} + 3\,{}^1_0\mathrm{n}\;. \]Při štěpení se zachovává protonové a nukleonové číslo a energie. Produkty štěpení, čili to, jaká jádra v dané reakci vzniknou, nelze předpovědět ani ovlivnit vnějšími parametry. Při štěpení uranu pomalými neutrony má s velkou pravděpodobností jedno vzniklé jádro kolem 140 nukleonů a druhé kolem 90. Například vznik zlata
\[ {}^{235}_{\hphantom{0}92}\mathrm{U} + {}^1_0\mathrm{n} \stackrel{\mathrm{stepeni}}{\longrightarrow} {}^{197}_{\hphantom{0}79}\mathrm{Au} + {}^{27}_{13}\mathrm{Al} + 13\,{}^1_0\mathrm{n} \]je teoretický možný, ale velmi nepravděpodobný. Produkty štěpení jsou často radioaktivní a dál se rozpadají.
Štěpení má praktické využití v jaderných elektrárnách a je fyzikálním principem jaderných bomb.
Zdroj
Zdroj
Řetězová reakce
Základem řetězové reakce je podmínka, že neutrony vzniklé při rozštěpení jednoho jádra se (po zpomalení) stanou iniciačními neutrony pro štěpení dalších jader.
Zdroj
Řetězová reakce je znázorněna na obrázku 27.27. Pomalý neutron (a) rozštěpí jádro uranu, přičemž vzniknou tři neutrony. Některé z neutronů mohou opustit štěpný materiál (b) a pro řetězovou reakci jsou ztraceny. Některé neutrony mohou být absorbovány jiným jádrem, které se neštěpí (d). Neutrony, které zůstávají a srážkami se pouze zpomalí, mohou rozštěpit další jádro uranu (c) a přispět tak k pokračování řetězové reakce.
Pro udržení řetězové reakce v reaktoru jaderné elektrárny je naprosto zásadní, aby se postupem času neměnil počet volných neutronů. Pokud jejich počet klesá, reakce se zastavuje. Pokud jejich počet exponenciálně roste, dochází k výbuchu.
Množství neutronů, které opustí štěpitelný materiál (b), nesmí být příliš velké, čili materiál nesmí mít příliš velký povrch vzhledem k objemu. Když je hmotnost štěpitelného materiálu menší než kritická hmotnost, řetězová reakce se zastaví. Pro čistý přírodní uran a vzorek ve tvaru koule je kritická hmotnost 47 kg. Odsud plyne, že řetězovou reakci nelze provozovat „v malém měřítku“, reaktor nikdy nebude mít velikost motoru osobního auta.
Řetězovou reakci, potažmo tepelný výkon reaktoru, je možné řídit regulací počtu absorbovaných neutronů (d). Prvky, které výborně pohlcují neutrony, jsou bór a kadmium. V reaktoru se buď postupně mění koncentrace kyseliny borité nebo mnohem rychleji zasouvají a vysouvají regulační tyče.
Ke zpomalování neutronů (c) musí v reaktoru být látka zvaná moderátor. Moderátorem může být obyčejná voda, která je současně médiem odnášejícím teplo z reaktoru (v ČR všechny reaktory).
Jaderná elektrárna
Ještě než začnete číst tento článek, doporučujeme shlédnout výborně zpracované video z cyklu Nezkreslená věda,
Zdroj
Cílem jaderné elektrárny je přeměna energie uvolněné štěpením na elektrickou energii. Za účelem zvýšení bezpečnosti je samotná výroba elektřiny oddělena od jaderného provozu. Účinnost přeměny se pohybuje kolem 30 %.
Energii uvolněnou štěpením odnášejí neutrony v podobě kinetické energie. Srážejí se s molekulami vody, která slouží současně jako moderátor a jako teplonosná látka, a srážkami jim předávají energii. Voda primárního okruhu (na obrázku žlutou barvou) je radioaktivní, protože některé neutrony se zachytí v jádrech \({}^2\mathrm{H}\) a vytvoří tak radioaktivní tritium \({}^3\mathrm{H}\). Nesmí se dostat do životního prostředí, pouze se v reaktoru ohřívá, přenáší energii k parogenerátoru a čerpadlem je hnána zpět do reaktoru. Tato voda je pod vysokým tlakem, takže nevře ani při pracovní teplotě kolem 300 °C (odtud název reaktoru PWR – Pressurised Water Reactor).
V parogenerátoru se od horkých trubek s vodou primárního okruhu ohřívá neradioaktivní voda sekundárního okruhu (modrá barva), vypařuje se a vzniklá pára roztáčí lopatky turbíny. Tepelná energie vody se tak přeměňuje na tlakovou energii páry a ta následně na kinetickou energii otáčející se turbíny. Na hřídeli turbíny je namontován alternátor, ve kterém se elektromagnetickou indukcí přeměňuje kinetická energie na elektrickou.
Parní turbína je sice největší stroj v elektrárně, ovšem její účinnost se pohybuje pouze kolem 35 % a limituje tak účinnost celé elektrárny. Aby se její lopatky vůbec roztočily, musí být rozdíl tlaku páry na vstupu a tlaku na výstupu co největší. Proto je na výstupu turbíny zapojen kondenzátor, který páru zkapalní a voda je opět čerpána do parogenerátoru.
Odpadní teplo je vodou chladicího okruhu (na obrázku zelenou barvou) z kondenzátoru odváděno do chladicích věží, kde je rozptýlena na malé kapičky a přirozeným prouděním ochlazována.
Kontrolní otázka
Kontrolní otázka
Pokud byste se o energetice chtěli dozvědět více, doporučujeme:
- encyklopedii Jaderná energie a energetika, volně ke stažení na adrese https://www.cez.cz/cs/o-cez/vzdelavani-a-vyzkum/energetika-zabavne/nainstalujte-si/encyklopedie-energie-46379
- virtuální prohlídky elektráren, volně přístupné na http://virtualniprohlidky.cez.cz/
Jaderná syntéza
Jaderná syntéza, nazývaná též jaderná fúze, spočívá ve slučování lehkých jader při vysoké teplotě. Přitom se uvolňuje energie do prostředí, nejčastěji ve formě gama záření.
Při reakcích se zachovává protonové číslo, nukleonové číslo a celková energie.
Jaderná fúze ve hvězdách
Jaderná syntéza probíhá v nitrech hvězd a je zdrojem energie, kterou následně vyzařují.
Na obrázku 27.31 je znázorněn proton-protonový cyklus – série termojaderných reakcí, jimiž ze čtyř jader vodíku (čtyř protonů) postupně vzniká jádro helia. První z nich můžeme zapsat rovnicí
\[ {}^1_1\mathrm{H} + {}^1_1\mathrm{H} \stackrel{\mathrm{fuze}}{\longrightarrow} {}^2_1\mathrm{H} + {}^0_1\mathrm{e} + {}^0_0\nu\;. \]K tomu, aby se dva protony k sobě přiblížily na vzdálenost 10−15 m a začaly na sebe působit silnou interakcí, je třeba, aby překonaly vzájemné elektrické odpuzování. Proto musí mít velmi vysokou kinetickou energii, což je běžné při extrémně vysokých teplotách. Ve slunečním jádru se teplota pohybuje kolem hodnoty 1,5 ⋅ 107 K a záchyt dvou protonů je možný. V nitru Jupitera, který má velmi podobné chemické složení jako Slunce, je teplota jen 2 ⋅ 104 K a jaderná fúze neprobíhá (Jupiter není hvězda).
Zdroj
U hvězd, jejichž hmotnost přesahuje jedenapůlnásobek hmotnosti Slunce, je centrální teplota dostatečně vysoká, aby mohly probíhat jaderné reakce podle schématu 27.32. CNO cyklus je série reakcí, při nichž se opět čtyři protony postupně přemění na helium, přičemž uhlík do cyklu vstupuje jen jako katalyzátor.
Zdroj
V obou typech reakcí vznikají též dvě neutrina a dva pozitrony, které anihilují s elektrony a zvyšují tak množství uvolněné energie.
Jaderná fúze na Zemi
Přestože nám příroda ve hvězdách každodenně ukazuje, jak fúzí získávat z lehkých prvků obrovské množství energie, její realizace na Zemi naráží na značná technická úskalí. K rozběhnutí termojaderné syntézy je třeba lehká jádra zahřát na teplotu řádově 107 K. Tak horkou „kaši“ samozřejmě nelze nalít do žádné nádoby – okamžitě by se se roztavila. Proto potřebujeme speciální fúzní reaktor zvaný tokamak. Horké plazma lehkých jader musí být udržováno magnetickým polem v objemu levitujícího prstence, aby nedošlo ke kontaktu se stěnami reaktoru. Toto magnetické pole musí být velmi silné. K jeho vytvoření obyčejné cívky nestačí, protože by se velkým proudem roztavily, takže musí být použity cívky supravodivé. Jenže supravodivosti lze dosáhnout pouze při velmi nízkých teplotách. Takže kolem horkého plazmatu majícího tendenci se rozprsknout do všech stran a vyzařujícího energii máme cívky zchlazené na teplotu blízkou absolutní nule. V plazmatu navíc vznikají turbulence a nestability, takže je extrémně obtížné reaktor vyladit, aby fungoval v kontinuálním režimu.
Na koncepci fúzního reaktoru pracuje lidstvo téměř 40 let. V nejpokročilejší fázi vývoje je mezinárodní projekt ITER, jehož cílem je sestrojit fúzní reaktor, který by dokázal vyrábět energii dlouhodobě a mohl se tak stát prototypem komerčních fúzních reaktorů. Podrobný popis najdete na stránkách tohoto projektu.
Jak si můžete propočítat ve cvičení, množství energie, které lze získat fúzí z lehkých prvků, je o několik řádů vyšší, než ze stejné hmotnosti fosilních paliv. Fúzní reaktor by definitivně vyřešil energetické potřeby lidstva.
Zdroj
