3.3
Štěpná jaderná reakce 3.3
Štěpná jaderná reakce
je jadernou reakcí, při níž dochází k rozdělení (tj. rozštěpení) původního atomového jádra na nejméně dvě částice či nová lehčí jádra, tzv. fragmenty.
Poznámky
Podmínky pro uskutečnění štěpné reakce
Aby proběhlo štěpení, je nutné jádru dodat určitou minimální energii, tzv. aktivační energii štěpení. Kromě toho musí být v konkrétním případě reakce splněny další podmínky.
Podrobněji rozebereme problematiku štěpné reakce na příkladu štěpení uranu.
Štěpení uranu 235U může být vyvoláno pohlcením pomalého neutronu. Při této reakci vznikají dva fragmenty a dva až tři neutrony. Uveďme příklad dvou kanálů:
,
kde kromě neutronů vznikají i fotony gama záření. Při reakci jsou splněny příslušné zákony zachování.
Energie reakce v případě štěpení uranu je průměrně 200 MeV.
Pro štěpení jádra musí být dodána aktivační energie. Na druhou stranu se štěpení uranu uskuteční pouze tehdy, zachytí-li se neutron v jádře. To je možné pouze pro tzv. pomalé neutrony, které mají kinetické energie nižší než 0,3 eV.
Podmínkou vzniku štěpné řetězové reakce uranu je proto tzv. moderace neutronů.
moderovány (sníží se jejich kinetická energie). Ke zpomalení neutronů se používá jejich průchodu vhodnou látkou, tzv. moderátorem.
Ke zpomalování neutronů se používá například grafit, (lehká) voda H2O nebo těžká voda D2O.
Jaderné štěpení může probíhat jako řetězová reakce, hovoříme pak o štěpné řetězové reakci.
Za vhodných podmínek může probíhat řetězová reakce jako lavinovitá reakce. V případě, že vhodným způsobem zajistíme, aby počet reakcí za časovou jednotku byl v čase konstantní, případně jej ovlivňujeme žádaným směrem, hovoříme o řízení štěpné řetězové reakce.
V našem příkladu štěpení uranu máme vždy dva až tři rychlé neutrony. Pokud budou všechny moderovány, bude řetězová reakce lavinovitě narůstat.V takovém případě postačí započít u lavinovitě narůstající řetězové reakce pohlcovat nadbytečné neutrony vzniklé štěpením pomocí vhodných látek - absorbátorů neutronů.
Neutrony jsou pohlcovány například jádry bóru a kadmia. V případě bóru se řízení provádí změnou koncentrace kyseliny borité, kadmium se používá ve formě tyčí a řízení se provádí tak, že měníme počet zasunutých tyčí nebo hloubku jejich zasunutí do jaderného reaktoru.
Jaderný reaktor
je zařízení, ve kterém se uskutečňuje řízená štěpná řetězová reakce. Využívá se jako zdroj tepelné a zprostředkovaně elektrické energie (v jaderných elektrárnách), zdroj ionizujícího záření nebo jako zdroj radionuklidů. Podle různých hledisek rozlišujeme mnoho typů jaderných reaktorů.
Typy reaktorů
Štěpných jaderných reakcí se využívá v jaderné elektrárně a v jaderné bombě.
je elektrárna, ve které se jako zdroj energie používá jaderný reaktor. Teplo vzniklé při štěpení jader v reaktoru je využíváno k výrobě páry pro parní turbíny pohánějící generátor elektrické energie.
Poznámky
Úkol k zamyšlení naleznete zde.
Srovnání spotřeby paliva v jaderné a teplené elektrárně
Energie získaná z 1 kg uranu odpovídá přibližně energii, kterou bychom dostali spálením 3 000 000 kg uhlí.
Z výše uvedeného příkladu každý dokážete jistě odhadnout, že využití jaderného paliva je efektivnější než využití fosilních paliv. Určitým problémem se může zdát emise radioaktivních látek při provozu jaderné elektrárny. Ta ovšem může být kupodivu menší než v případě elektráren tepelných, které rovněž produkují určité zvýšené množství radioaktivního spadu. V každém případě je třeba vždy zvážit nakolik tyto hodnoty přesahují běžné radioaktivní pozadí (radioaktivní látky se vyskytují všude v přírodě, ale většinou v nepatrném množství). Hlavními problémy jsou nebezpečí havárie jaderné elektrárny a bezpečné uskladnění či likvidace vyhořelého paliva. Při havárii jaderné elektrárny se může uvolnit do okolí zvýšené množství radioaktivních látek. Riziko je ovlivněno především konstrukcí a dodržením pravidel provozu konkrétní jaderné elektrárny. Jedná se pak především o statistický problém, protože každé technické zařízení podléhá poruchám. Samozřejmě, že riziko havárie nelze podceňovat, už vzhledem k tomu, že k haváriím, včetně těch opravdu závažných, již došlo. Z dlouhodobého hlediska představuje závažný problém především vyhořelé jaderné palivo, které je vysoce aktivním materiálem, který musí být pokud možno bezpečně uskladněn po dobu, než dojde k snížení jeho aktivity na přípustnou mez radioaktivními přeměnami. Novou možností, která se ovšem teprve ověřuje, je využít přeměny radioaktivních látek na stabilní nuklidy cílenými jadernými reakcemi.
Úkol k zamyšlení naleznete zde.
Jaderná bomba
(též jaderná puma) je jaderná zbraň, která využívá ničivých účinků jaderného výbuchu. Mezi tyto účinky patří účinek intenzivního světelného záblesku (zapálení látek, oslepení), účinek elmg. impulsu (poškození elektronických přístrojů), účinek tlakové vlny (mechanické demoliční účinky), účinek pronikavého ionizující záření vznikajícího při jaderném výbuchu (poškození živého organismu, ať už přímé nebo genetické), zamoření radioaktivním spadem (opět poškození živého organismu ionizujícím zářením vzniklým při přeměně radionuklidů). Pod označení jaderná bomba bývá zvykem zahrnovat jen ty jaderné bomby, které využívají štěpné jaderné reakce.
Poznámky
Úkol k zamyšlení naleznete zde.
