Atomy a jaderná fyzika

Při štěpení se jádro uranu rozdělí na dvě části, uvolní se 2–3 neutrony, gama záření a porce energie odpovídající 0,1 % klidové energie štěpeného jádra

Při štěpení se jádro uranu rozdělí na dvě části, uvolní se 2–3 neutrony, gama záření a porce energie odpovídající 0,1 % klidové energie štěpeného jádra

Cesta k jaderné energii začala v okamžiku, kdy člověk zatoužil pochopit co je to hmota a z čeho se skládá. Pokračovala objevením přírodní radioaktivity, rozbitím atomového jádra a ochočením řetězové štěpné reakce. Při hoření dostáváme ze hmoty sotva desetinu miliardtiny procenta ukryté energie. Při jaderném štěpení je to až jedna desetina procenta klidové energie štěpeného jádra. Jakmile člověk ovládne jadernou fúzi, získáme téměř 1 procento z klidové energie slučovaných částic. Dnes je těžké předpovědět, kdy člověk dosáhne stoprocentní přeměny hmoty na čistou energii reakcí zvanou anihilace.

Poznatky o atomech, na kterých staví jaderná energetika

Atom se skládá z jádra a elektronového obalu. Ve srovnání s celkovým objemem, který atom zaujímá, je jádro nesmírně malinké. Představte si zrnko hrachu uprostřed Václavského náměstí. Nejbližší elektrony by se potulovaly někde po nábřeží Vltavy. Náš svět je tedy z tohoto pohledu tvořen převážně prázdnotou. Téměř veškerá hmotnost atomu je soustředěna v jádře, které tak má obrovskou hustotu −1 cm3 „jaderné látky“ by vážil 400 milionů tun!

Lehoučká elektronová mlha, kterou si jádro kolem sebe vydržuje, je stotisíckrát lehčí. Atomové jádro se skládá z kladně nabitých protonů a neutrálních neutronů. Ani ty však nejsou nedělitelné. Skládají se z takzvaných kvarků. I kvarky mají svoji vnitřní strukturu.

Žádný ilustrační model atomu znázorňující centrální jádro, kolem kterého obíhají elektrony, nemůže z důvodu viditelnosti používat reálné poměry vzdáleností a průměrů částic

Žádný ilustrační model atomu znázorňující centrální jádro, kolem kterého obíhají elektrony, nemůže z důvodu viditelnosti používat reálné poměry vzdáleností a průměrů částic

Spojením elektronových oblaků jednotlivých atomů vznikají různé tvary molekul

Spojením elektronových oblaků jednotlivých atomů vznikají různé tvary molekul

Průměr atomu je přibližně 10−10 m, průměr atomového jádra je přibližně 10−15 m. Hmotnost protonu a neutronu je přibližně stejná (1,7.10−27 kg) a je asi 1 836krát vyšší než hmotnost elektronu (9,1.10−31 kg). Hmotnost atomu vodíku (1 proton + 1 elektron) se dá napsat takto: 0,000 000 000 000 000 000 000 001 67 g.

Prvky z první a druhé periody periodické soustavy prvků v názorném grafickém 3D zobrazení

Prvky z první a druhé periody periodické soustavy prvků v názorném grafickém 3D zobrazení

Lehoučký oblak elektronové mlhy, který se drží kolem atomového jádra, nabývá různých tvarů podle toho, k jakému jádru patří. Potkají-li se atomy, okraje jejich oblaků se mohou prolnout a nabýt společný tvar, který drží více atomů pohromadě – takto probíhá chemická reakce a vznikají molekuly a sloučeniny.

Většina atomů na Zemi se nemění, jsou stabilní. Jádra atomů některých prvků se však samovolně přeměňují nebo mění svůj energetický stav a uvolňují při tom energii ve formě záření. Tento fyzikální jev se nazývá radioaktivitou a radioaktivní atomy se nazývají radionuklidy. Některá z těchto jader procházejí celou řadou přeměn, než se dostanou až ke stabilní formě.

Vazebná energie jednoho nukleonu v jádře

Vazebná energie jednoho nukleonu v jádře

Základy jaderné a reaktorové fyziky

Jádro atomu se skládá z protonů a neutronů, jak je tedy možné, že drží pohromadě, když kladné náboje se podle Coulombova zákona vzájemně odpuzují? Ani přitažlivá gravitační síla toto nevysvětlí, protože jednoduchým výpočtem zjistíme, že je asi 1036 krát slabší než odpudivá elektrická síla. Ve světě atomových jader zkrátka působí tzv. jaderné síly. Přitažlivé jaderné síly jsou asi tisíckrát silnější než síly elektromagnetické, ale mají velmi krátký dosah. Začínají působit teprve tehdy, když jsou nukleony tak těsně u sebe, že se téměř dotýkají (je to podobné jako u lepivých bonbonů, které také drží spolu teprve tehdy, když se dotýkají). Abychom roztrhli nukleony v jádře od sebe, musíme vykonat práci, která je rovna tzv. vazbové (nebo také vazebné) energii. Když budeme trhat jádra na jednotlivé nukleony, zjistíme zajímavou věc: hmotnost atomových jader je o něco nižší než součet hmotností jednotlivých nukleonů, které jádra tvoří. Rozdílu mezi oběma hmotnostmi se říká hmotnostní schodek jádra. Vazebná energie jádra je mírou jeho stability. Čím je vazebná energie jádra větší, tím je nesnadnější rozložit ho na jednotlivé volné nukleony. Síly v mikrosvětě se řídí Einsteinovým vzorcem E=mc2. Částice, která se připojí k jádru, musí za svůj vstup zaplatit kusem své hmotnosti m=E/c2 a stejnou energii jí musíme zvnějšku dodat, když chceme, aby se opět odpoutala. A tady je klíč k uvolnění alespoň malé části obrovské klidové energie látky, která je soustředěna v jádrech atomů – jaderné energie.

Zobrazme si graficky střední vazebnou energii (tj. vazebnou energii připadající na jeden nukleon) v závislosti na počtu nukleonů. Z grafu je názorně vidět, kde jsou možnosti získání energie. Jestliže těžké jádro rozštěpíme na dvě lehčí, uvolní se energie. Při jednom procesu štěpení těžkého jádra se uvolní asi 0,1 % klidové energie těžkého jádra. Při štěpení tedy získáme ze hmoty miliardkrát více energie než při hoření. Mnohem více energie se uvolní při sloučení dvou jader lehkých (tzv. fúze) – až 1 % klidové energie hmoty.

Kresba prvního reaktoru na světě CP-1 (Chicago Pile-1) na kterém si Enrico Fermi ověřil správnost svých výpočtů ohledně řetězové štěpné reakce

Kresba prvního reaktoru na světě CP-1 (Chicago Pile-1) na kterém si Enrico Fermi ověřil správnost svých výpočtů ohledně řetězové štěpné reakce

Enrico Fermi, italský vědec, si uvědomil, že po rozštěpení jádra se mimo jiné uvolní i neutrony. Tyto neutrony za příznivých okolností rozbijí další jádra a opět z nich uvolní neutrony. Ty opět rozštěpí další jádra… Tak vznikne samovolná řetězová reakce.

První řízenou řetězovou štěpnou reakci uranu rozběhl Fermi pod chicagským univerzitním stadionem Stagg Field 2. prosince 1942. První reaktor světa reagoval přesně podle výpočtů na zasouvání regulačních kadmiových tyčí. 20 minut reaktor „běžel“ a ohřál grafitový milíř o několik stupňů Celsia.

Dnes už vypadají reaktory podstatně jinak. Uranové články mají hermetické povlaky, aktivní zóny reaktorů jsou opatřeny tzv. reflektory, odrážejícími unikající neutrony, a uzavřeny kombinovanými plášti a štíty z olova a betonu. Původně ruční řízení vytahováním regulačních tyčí zajišťuje automatika a k rychlému zastavení reakce slouží tyče havarijní ochrany, vstřelované do aktivní zóny.

Schéma řetězové štěpné reakce

Schéma řetězové štěpné reakce

Proč vzniká při jaderném štěpení teplo

Počátečním impulsem pro štěpení jádra je interakce jádra s neutronem. Štěpící se jádro se deformuje, protahuje, až odpudivé elektrické síly převáží a kladná dceřiná jádra se s odporem od sebe rozletí rychlostí asi 10 000 km/s. Mají obrovskou kinetickou energii. Cestou brzdí v okolním prostředí, srážejí se s jinými atomy, kradou jim elektrony a tvoří si z nich nové elektronové obaly. Postupně se uklidňují a jejich kinetická energie přechází až na energii kmitů atomů a molekul, tedy do formy tepelné energie.

Při štěpení jádra uranu vylétne vždy i několik neutronů, nejčastěji dva nebo tři. Mohou narazit do dalších jader uranu a vyvolat další štěpení. Vzniká řetězová reakce. Pokud jí necháme volný průběh, bude takzvaně neřízená. Můžeme ale vhodnou látkou přebytečné neutrony lapat a reakci tak řídit. Povytahováním kadmiových tyčí řídil svůj první reaktor Enrico Fermi, koncentrací kyseliny borité a vytahováním tyčí s bórem se řídí většina reaktorů dnešní doby.

Absorpční tyče jsou v kazetách tlakovodních reaktorů typu VVER 1000 rovnoměrně rozloženy mezi palivovými články a při regulování se pohybují v ochranných trubkách (JEaE-Absorbátor)

Absorpční tyče jsou v kazetách tlakovodních reaktorů typu VVER 1000 rovnoměrně rozloženy mezi palivovými články a při regulování se pohybují v ochranných trubkách

Přibližme si zjednodušeně osud jednoho neutronu v reaktoru VVER, jaké pracují u nás. Izotop uranu 235 se i v přírodě samovolně štěpí na dvě lehčí jádra a jeden nebo více volných neutronů. Neutrony ze samovolného štěpení by však v reaktoru nestačily spustit řetězovou reakci. K nastartování reaktoru se používá vnější neutronový zdroj. Neutron, který vylétne ze štěpícího se jádra, má vysokou energii. Pravděpodobnost, že při svém letu rozštěpí jádro izotopu uranu 235 je malá, spíše se při srážce s ním jen odrazí, jako by se odrazil míček od zdi. Aby mohl další jádra štěpit, musíme ho zpomalit. Nejlépe se neutron zpomalí srážkou s jádrem, které je přibližně stejně velké, tedy např. s jádrem atomu vodíku, které tvoří jediný proton. Reakci si pak můžeme představit jako srážku dvou kulečníkových koulí. Látce, která zpomaluje neutrony, se říká moderátor.

Ilustrace principu práce moderátoru neutronů

Ilustrace principu práce moderátoru neutronů

Rychlý neutron se změnil na pomalý neutron. Ten opět naráží na jádro uranu 235. Tentokrát se už ale neodrazí. S vysokou pravděpodobností jádro rozštěpí a nastává řetězová štěpná reakce. Aby se reakce nemohla rozvíjet živelně a nekontrolovaně, je v reaktoru absorbátor, který přebytečné neutrony pohlcuje.

Toto je osud neutronu v tzv. pomalých reaktorech, které jsou na světě nejrozšířenější. Štěpným materiálem v palivu těchto reaktorů je izotop uranu 235. Pro tento izotop je totiž charakteristický růst pravděpodobnosti štěpení s poklesem rychlosti (energie) neutronů.

0

Skupina ČEZ

Kontaktní informace

Máte-li k obsahu portálu jakékoliv náměty, postřehy či připomínky – prosím kontaktujte nás. Budeme vděční i za připomínky k nekorektnímu zobrazení stránek, či případnému upozornění na chybu. Děkujeme.


email:info@svetenergie.cz

Kontaktní formulář

KONTROLNÍ KÓD

kontrolní kód Opište prosím do políčka formuláře
text z obrázku

Portál Svět energie provozuje společnost ČEZ. Vyrobil Simopt, s.r.o., Copyright © 2016, Všechna práva vyhrazena

detail