Gymnázium J. G. Tajovského, Banská Bystrica Základy jadrovej fyziky Richard Beer, 3. F 2012/2013

Úvod Základy jadrovej fyziky nukleárne reakcie : jadrová fúzia jadrová štiepna reakcia

Jadrové reakcie deje, ktoré nastanú pri zrážkach jadier atómov so základnými časticami alebo inými atómovými jadrami mení sa štruktúra jadier pri zachovaní počtu nukleónov, elektrického náboja, hybnosti a relativistickej celkovej energie A + a → B + b + Er reakcia sa využíva v jadrovom reaktore

Štiepenie jadier Ako získať neutrón z látky? Neutrón je neutrálny môže sa priblížiť dostatočne blízko k jadru atómu, aby ho pritiahli jadrové sily zmena počtu nukleónov jadra vyvolá jadrové reakcie sklenená ampulka s rádioaktívnym plynom radónom a berýliovým práškom keďže radón v ampulke je nestabilný, jeho jadro sa rozpadá. Okrem iného žiarenia z jadra unikajú α častice (jadrá hélia ).

Tieto častice pri zrážkach s jadrami berýlia vyvolajú jadrovú reakciu Častice α, ktoré nezreagujú s jadrami berýlia sa zastavia na skle. Sklo však nepohltí uvoľnené neutróny, ktoré majú šance naraziť do jadier iných prvkov a vyvolať ďaľšie jadrové reakcie Ak by sme ponorili túto sklenenú ampulku do vody alebo ťažkej vody, unikajúce neutróny by sa spomalili a mali by väčšie šance naraziť do jadra (pri vysokých rýchlostiach by sa pravdepodobne odrazili), s ktorým by mohli zreagovať

Jadrá, ktoré takto vznikajú sú rádioaktívne (nestabilné) a vyžarujú častice α (jadrá hélia), β (elektróny, prípadne pozitróny) a γ (fotóny s vysokou energiou) Je viac reakcí s 235U ale, väčšina má spoločné uvoľňovanie energie okolo 200MeV (závisí od rozdielov vv v konkrétnej reakcii) a vznik ďaľších neutrónov, schopných zreagovať s ďaľšími jadrami uránu, z ktorého zasa vyletia neutróny... Takto vzniká reťazová reakcia, kde sa stále zvyšuje počet reakcií, ktoré prebehnú za sekundu a uvoľnuje sa stále viac energie

3 VYUŽITIE REŤAZOVEJ REAKCIE Reťazová reakcia je charakteristická tým, že sa pri nej lavínovite zvyšuje počet uvoľnených neutrónov, ktoré sa uvoľnia za sekundu Zvýši sa tým pádom aj počet reakcií, ktoré prebehnú za sekundu a energia, ktorá sa za sekundu uvoľní Ak by sme chceli jadrovú energiu využiť napríklad v elektrárni, museli by sme zabezpečiť, aby sa ani nezvyšoval ani neznižoval počet reakcí za sekundu. Pri zvyšovaní rýchlosti reakcie a dostatku štiepitelných jadier by sa uvoľnená energia začala prejavovať na zvýšení teploty reaktora Tá by rýchlo rástla a s ňou aj tlak v reaktore. Po čase by reaktor vybuchol

Rýchlosť jadrovej reakcie našťastie vieme ovládať napríklad brzdiacimi tyčami z kadmia Tie by pohltili väčšinu neutrónov a reakcia by sa vrátila do zvládnuteľných noriem Teplo reaktoru odvádza voda, ktorá reaktor chladí. Tá ako para roztáča turbíny, ktoré produkujú elektrický prúd Pri jadrových bombách je potrebné, aby počet reakcí za sekundu stále stúpal, až kým by tlak a teplota bombu neroztrhli a tá by nevybuchla Na zvýšenie počtu reakcií musíme zvýšiť šancu nárazu neutrónu do jadra uránu

Tú môžme zvýšiť, keď jadrové palivo stlačíme To sa dá urobiť napríklad výbuchom TNT okolo uránu Pod vrstvou uránu je emitér neutrónov (dá sa použiť aj vyššie spomenutá ampulka s radónom a berýliom). Emitér neutrónov by síce podnecoval jadrové reakcie uránu ,ale pokiaľ urán nie je stlačený, pravdepodobnosť reťazovej reakcie je malá. Urán vieme stlačiť výbuchom TNT (alebo aj inej chemickej výbušniny) V stlačenom uráne by už pravdepodobnosť reťazovej reakcie bola veľmi veľká a bomba by v zlomku sekundy vybuchla Kým bomba vybuchne, stihne sa zpotrebovať len malé percento uránu Po výbuchu už reakcia neprebieha kvôli skoro nulovým pravdepodobnostiam zásahu jadra neutrónom. Aj v reaktoroch, aj po výbuchu jadrovej bomby ostanú po reakcií nestabilné jadrá, ktoré rozpadajú a uvoľňujú emisie α, β a γ žiarenia

4 JADROVÁ FÚZIA Fúzia je jadrový proces, pri ktorom sa dve ľahké jadrá zlučujú na ťažšie jadrá Napríklad, fúzia je veľmi dôležitá pri termonukleárnych zbraniach a v budúcnosti budú jadrové reaktory pracovať na princípe reakcie medzi dvoma izotopmi vodíka, ktoré utvoria izotop hélia.    2H + 3H ----> 4He + n

(MATIS, J. 2003. Glossary of Nuclear Science, [online], 2003. [Cit (MATIS, J. 2003. Glossary of Nuclear Science, [online], 2003. [Cit. 2009-09- 10]. Dostupné na:<http://ie.lbl.gov/education/glossary/AnimatedDecays/Fusion.html>)

Táto reakcia uvoľní miliónkrát viac energie ako typická chemická reakcia Pri termojadrovej reakcií sa uvoľní také veľké množstvo energie, pretože, keď dve ľahké jadrá zreagujú, hmotnosť produktov je menšia ako súčet hmotností jadier vstupujúcich do reakcie Einsteinova rovnica E=mc2 nám opäť vysvetľuje, že hmotnosť, ktorá sa stratila, sa vlastne premenila na energiu termojadrových produktov

Fúzia je energicky priaznivá reakcia ľahkých jadier, ktoré sa nevyskytujú v bežných podmienkach tu na Zemi, pretože vyžadujú veľké dávky energie na ich prebehnutie Vzhľadom k tomu, že reagujúce jadrá sú kladne nabité, sú medzi nimi veľké odpudzujúce elektrostatické sily pokiaľ sa nachádzajú v tesnej blízkosti Iba v prípade, že sú veľmi blízko, pôsobí na obidve jadrá silná jadrová sila, ktorá môže prekonať elektrostatické odpudzovanie a spôsobiť fúziu

Termonukleárne reakcie boli deje prebiehajúce už miliardy rokov v našom vesmíre V skutočnosti je to jadrová termonukleárna reakcia, ktorá je zodpovedná za energetický výkon väčšiny hviezd, vrátane nášho Slnka Vedci na Zemi sú schopní zabezpečiť termonukleárne reakcie len  posledných šesťdesiat rokov Spočiatku prichádzalo k termonukleárnym reakciám iba v malom meradle Avšak tieto prvé pokusy neskôr viedli k vývoju zbraní pracujúcich na báze jadrovej fúzií (vodíková bomba)       Fúzia je proces, ktorý prebieha vo hviezdach ako je naše Slnko. Kedykoľvek cítime teplo zo slnka a vidíme jeho svetlo, pozorujeme produkty jadrovej fúzie. Vieme, že všetok život na Zemi existuje, pretože svetlo generované Slnkom produkuje potraviny a ohrieva našu planétu. Môžeme preto povedať, že fúzia je základom nášho života

Keď sa hviezdy tvoria, pôvodne pozostávajú z vodíka a hélia vytvorených vo veľkom tresku (Big Bang)- procesu, ktorý vytvoril náš svet Izotopy vodíka sa zrážajú vo hviezde a pomocou fúzie sa vytvárajú jadrá hélia Neskôr sa jadrá hélia dostávajú tiež do kolízie a tvoria sa ťažšie prvky Fúzia je jadrová reakcia, v ktorej sa spájajú jadrá do väčšieho celku a tvoria ťažšie jadrá To je základná reakcia, ktorá prebieha v Slnku Ľahšie prvky vstupujú do fúzie a tvoria ťažšie prvky Tieto reakcie pokračujú, pokiaľ sa z jadra nestane železo (hmotnosť asi šesťdesiat), jadro s najväčšou väzbovou energiou na jeden nuklid jadra

Keď jadro dosiahne hmotnosť šesťdesiat, viac k syntéze vo hviezde nedôjde, pretože je nepriaznivá Akonáhle hviezda má prevedenú veľkú časť svojej hmotnosti jadra na železo, je takmer na konci svojho života   Fúzia nemôže pokračovať pokiaľ sa všetko palivo vyčerpá Niektoré hviezdy sa zmenšujú, až sa postupne skladajú iba zo železa Avšak, ak je hviezda dostatočne masívna, veľká, môže nastať explózia Hviezda sa náhle rozšíri a začne produkovať vo veľmi krátkom čase viac energie ako by vyrábalo naše Slnko po celý svoj život Pri tomto úkaze nazývame danú hviezdu supernovou  Zatiaľ, čo je hviezda vo fáze supernovy, dochádza k veľa dôležitým reakciám Jadrá sú urýchlené na oveľa vyššiu rýchlosť akú mali, kým vo hviezde prebiehala len fúzia.

S dodanou energiou, spôsobenou ich rýchlosťami, môžu jadrá vyprodukovať prvky ťažšie ako železo Extra energia je napájaná gravitačným kolapsom hviezdy pred výbuchom Slúži na prekonanie coulombovskej bariéry i chýbajúcej energie endotermických reakcií Ťažšie prvky vznikajú výhradne v endotermických reakciách Prvky ako sú olovo, zlato a striebro sa objavili na Zemi, až po výbuchu supernovy ako jej pozostatky Prvok železo, ktorý nájdeme po celej zemeguli a i v jej strede je priamym pozostatkom supernov a vyhasnutých hviezd

Dnes sa zameriava výskum jadrovej fúzie najmä na získanie lacného zdroja energie so zreteľom na mierové využitie Atómové elektrárne, fungujúce na princípe štiepenia ťažkých a nestabilných jadier Uránu a iných typov transuránových prvkov zas narážajú na probémy s odpadom a bezpečnosťou a aktuálne je verejná mienka v mnohých krajinách naladená voči nim negatívne Opačným procesom k štiepeniu (rozbíjaniu jadier) je fúzia (spájanie) ľahkých prvkov na ťažšie Pri tomto procese sú problémy s odpadom menšie a zdroje ich paliva sú v podstate nevyčerpateľné Palivo do týchto fúznych elektrární je ľahko dostupné, pretože je ním ťažký vodík (deutérium) Na 6500 atómov Vodíka pripadá jeden atóm Deutéria a Trícia

5 ZÁVER Nedávno sa vo fúznom svete odohrala dôležitá udalosť, pravdepodobne dôležitý krok vo výskume fúzie, keď sa dve veľké laboratóriá zaoberajúce sa fúziou, spolu fúzovali Ide konkrétne o AWE (Atomic Weapons Establishment) a LLNL (Lawrence Livermore National Laboratory) Je to dobré znamenie a spolupráca hádam prinesie nové a hlavne pozitívne správy do budúcnosti Fúzia nám ukazuje, ako využiť samotnú podstatu existencie hmoty (väzbovú energiu, ktorá drží jadrá atómu pohromade) na výrobu energie pre milióny ľudí na celom svete Táto technológia ešte len čaká na úplné využitie potenciálu, ktorej výsledky budú slúžiť ľudskému pokoleniu mnoho rokov k spríjemneniu a uľahčeniu života.

Zdroje http://www.1sg.sk/www/data/as/projekty/2006_2007/ch ampions/terorizmus/stranka/jadrovafyz.htm http://www.kf.fpv.ukf.sk/ABC_Nuclear_Science/basic.h tml