Ľudia často berú elektrickú energiu ako samozrejmosť, no málokto sa zamýšľa nad tým, ako sa vlastne vyrába. Jedným z kľúčových spôsobov výroby elektrickej energie je riadená jadrová reakcia, ktorá prebieha v jadrových elektrárňach. Jadrová fyzika, ktorá stojí za týmto procesom, má však oveľa širšie využitie - od energetiky a medicíny až po, žiaľ, aj vojnové konflikty. V tomto článku sa pozrieme na základy jadrovej fyziky, jej využitie a potenciálne riziká.
Čo je jadrová fyzika?
Jadrová fyzika, alebo nukleárna fyzika (z latinského "nucleus" = jadro), je odvetvie fyziky, ktoré sa zaoberá javmi v jadre atómu. Jej cieľom je skúmať štruktúru jadra atómu a reakcie, ktoré v ňom prebiehajú.
Stavebné prvky jadra
Jadro atómu sa skladá z nukleónov, medzi ktoré patria protóny a neutróny. Protónové číslo (Z) udáva počet protónov v jadre, zatiaľ čo nukleónové číslo (N) predstavuje celkový počet nukleónov. Počet neutrónov v jadre sa zvyčajne rovná rozdielu nukleónového a protónového čísla a vo väčšine prípadov prevyšuje počet protónov.Atómová hmotnosť je určená počtom nukleónov v jadre.
Izotopy
Izotopy sú atómy s rovnakým protónovým číslom, ale s rôznou atómovou hmotnosťou. To znamená, že majú rovnaký počet protónov, ale rôzny počet neutrónov.
Jadrová energia: Premena hmoty na energiu
Jadrová energia vychádza zo skutočnosti, že hmota a energia sú dve formy toho istého a môžu sa navzájom premieňať. Pri jadrových reakciách, ktoré prebiehajú v jadrách atómov, sa malé množstvo hmoty mení na obrovské množstvo energie. Táto reakcia môže prebiehať dvoma spôsobmi:
Prečítajte si tiež: Hrkálka pre novorodenca podľa veku
- Štiepenie: Jadro ťažkého atómu sa rozpadne na menšie časti.
- Syntéza (fúzia): Dve ľahké jadrá sa spoja do jedného ťažšieho jadra.
Jadrová reťazová reakcia
Pri štiepení uránu 235U sa uvoľňujú neutróny, ktoré môžu vyvolať ďalšie štiepenie. Ak sa pri štiepení jedného jadra 235U uvoľní napríklad k neutrónov, tieto neutróny môžu v ideálnom prípade vyvolať štiepenie ďalších jadier, čím vznikne k2 neutrónov a tak ďalej. Počet neutrónov tak rastie geometricky, čo vedie k uvoľneniu obrovského množstva energie. Tento proces sa nazýva reťazová reakcia.
V skutočnosti je priebeh reťazovej reakcie oveľa zložitejší a ovplyvňuje ho mnoho faktorov. Niektoré neutróny sa v uráne rozptýlia alebo uniknú z neho bez toho, aby sa zúčastnili štiepenia. Na vyvolanie reťazovej štiepnej reakcie je potrebné určité kritické množstvo uránu.
Kritické množstvo uránu
Experimenty ukázali, že kritická vzdialenosť potrebná na to, aby v čistom uráne 235U nastala štiepna reťazová reakcia, je 8,4 cm. Guľa s týmto polomerom má objem 2470 cm3, čo pri hustote uránu 235U zodpovedá hmotnosti kritického množstva uránu približne 44,5 kg. To znamená, že v bloku čistého uránu 235U s hmotnosťou menšou ako 44,5 kg nemôže dôjsť k reťazovej reakcii.
Štiepenie v prírodnom uráne
Prírodný urán obsahuje 99,35 % izotopu 238U a len 0,7 % izotopu 235U. Väčšina neutrónov uvoľnených pri štiepení má energiu 1 až 2 MeV, čo nie je vhodná energia pre štiepenie 235U ani 238U. Preto v prírodnom uráne nemožno vyvolať štiepnu reťazovú reakciu rýchlymi neutrónmi.
Štiepne reťazové reakcie možno v tomto prípade dosiahnuť dvoma spôsobmi:
Prečítajte si tiež: Inšpirácie pre detskú večeru
- Obohatením prírodného uránu izotopom 235U
- Spomalením neutrónov, ktoré vznikli pri štiepení
V praxi sa zvyčajne používa kombinácia oboch postupov. Izotop 238U sa pomalými neutrónmi neštiepi, ale mení sa na izotop 239U. Jadro neptúnia je nestabilné a vyžiarením častice β- sa mení na jadro ďalšieho prvku - plutónia. Plutónium je pomerne stabilný rádioaktívny prvok, ktorý sa štiepi podobne ako urán 235U.
Jadrový výbuch
Už jediný neutrón, ktorý zasiahne nadkritické množstvo štiepneho materiálu, môže vyvolať veľmi rýchlu reťazovú reakciu spojenú s uvoľnením veľkého množstva energie. Takýto priebeh štiepnej reakcie sa nazýva jadrový výbuch.
Syntéza jadier (jadrová fúzia)
Ďalšou možnosťou uvoľnenia veľkej energie pri jadrovej premene je reakcia syntézy (skladania) ľahkých jadier. V laboratórnych podmienkach možno najlepšie realizovať syntézu deutéria a trícia. Pri štiepení jedného jadra 235U sa uvoľní zhruba energia 200 MeV. Pri syntéze jadra deutéria a trícia sa uvoľní energia 17,6 MeV. Výpočtom možno určiť, že štiepením 5 g uránu sa uvoľní energia 2,4 . 1024 MeV, kým syntézou deutéria a trícia rovnakých hmotností sa uvoľní energia 10,6 . 1024 MeV, t. j. asi štyrikrát viac.
Termonukleárne reakcie
Trvalé získavanie energie a udržiavanie jadrovej syntézy sa zásadne odlišuje od získavania energie pri štiepení jadier a od ovládania štiepnej reakcie. Reakcia nepretržitej syntézy jadier je analogická procesu horenia. Keď sa majú spojiť jadrá - jadrová syntéza, treba ich priblížiť tak, aby sa prejavili jadrové sily. Jeho vplyv možno teoreticky odstrániť dvojako: stlačením alebo zahriatím látky na vysokú teplotu, pri ktorej sa poruší elektrónový obal atómu. Prvý spôsob sa nedá v súčasnosti realizovať, lebo by bol potrebný obrovský tlak, pri ktorom by bol napríklad vodík stlačený tak, že objem 1cm3 H by mal hmotnosť 106 ton.
Druhý spôsob sa realizuje napr. na Slnku. Teplota vnútri Slnka je 10 až 20 mil. oC. Príkladom jadrovej syntézy môže byť vznik héliového jadra z dvoch jadier ťažkého vodíka. Aby nastala syntéza dvoch deuterónov, treba prekonať veľké odpudivé sily, ktorými pôsobia na seba jadrá so súhlasným nábojom. Deuteróny musia preto získať obrovskú kinetickú energiu ( t. j.deutérium musí mať veľmi vysokú teplotu) na prekonanie odpudivých síl, aby sa mohli jadrá pri vzájomných zrážkach priblížiť k sebe až na nepatrnú vzdialenosť, v ktorej pôsobia jadrové sily. Potom sa môžu obidve jadrá deutéria zlúčiť a utvoriť jadro hélia, pričom sa uvoľní veľké množstvo energie. Keďže jadrové reakcie tohto druhu sú podmienené vysokou teplotou plynu, pri ktorej táto reakcia vzniká, hovoríme o termonukleárnych reakciách.
Prečítajte si tiež: Efektívne schudnutie
Plazma
Teploty dosahujú niekoľko desiatok až stoviek miliónov stupňov, takže plyn je úplne ionizovaný, atómy sú zbavené elektrónov, vzniká zmes voľných elektrónov a jadier, ktorá sa nazýva plazma. Aby sa plazma v priestore okamžite nerozptýlila, na to treba obrovské sily. Na hviezdach (Slnku) zabraňujú rozptýleniu plazmy silné gravitačné polia. Najväčší problém zatiaľ je udržať plazmu pohromade, lebo nemožno použiť žiadnu látkovú nádobu. Zostáva len možnosť udržať plazmu vo vymedzenom priestore pomocou vhodne volených elektromagnetických polí. Na riešení tohto problému sa zatiaľ bezvýsledne pracuje na celom svete. Rýchlosť uvoľňovania energie z termonukleárnej plazmy závisí podstatne od jej teploty. Ukazuje sa, že v termonukleárnom reaktore sa bude musieť počítať s najnižšou teplotou okolo 108 K.
Termonukleárnym palivom sú rozličné prvky. Najväčšia energia na jednotku hmotnosti sa uvoľňuje pri reakcii: 1H + 3H -->4He + 10.8 MeV.
Zatiaľ najvhodnejšia je reakcia: 2H + 3H --> 4He + 17.6 MeV, ktorá prebieha pri pomerne nízkej teplote 107 K. Termonukleárne reakcie prebiehajú vo veľkom vesmíre vo vnútri hviezd a vnútri Slnka. Na Slnku vzniká termonukleárnou reakciu hélium, pričom sa uvoľňuje obrovské množstvo energie, ktorá sa vyžaruje do svetového priestoru.
V súčasnosti sa venuje veľká pozornosť riadenej termonukleárnej reakcii, ktorej sa pripisuje veľký význam pre potreby energetiky v budúcnosti, lebo zásoby paliva pre túto reakciu t.j. ťažkého vodíka (Deutéria), sú na Zemi prakticky nevyčerpateľné. Neriadená termonukleárna reakcia prebehla už vo vodíkovej bombe.
Jadrový reaktor: Kontrolované štiepenie pre energiu
Jadrový reaktor je technologické zariadenie, v ktorom prebieha riadená reťazová reakcia. Využíva fyzikálne a chemické vlastnosti vysoko nestabilných chemických prvkov na produkciu energie, ktorá sa následne mení na požadovanú napr. elektrickú. Prvý jadrový reaktor (uránovo-grafitový) bol uvedený do prevádzky v roku 1942 v Chicagu pod vedením Enrika Fermiho. Využitie jadrovej energie k pohonu lodí a ponoriek je myšlienkou Dr. Prvá energetická jadrová elektráreň na svete bola pripojená k sieti v roku 1954 v Obninsku pri Moskve. Jej tepelný výkon je 30 MW a elektrický 5 MW. Do roku 2000 bolo postavených viac ako 340 jadrových elektrárni a ďalšie sú naplánované. Jadrové elektrárne sú v podstate tepelné elektrárne, ktoré používajú namiesto parného kotla jadrový reaktor s parným generátorom. Rozdiel je iba v použitom druhu paliva a spôsobe jeho premeny na teplo.
Reaktor využíva väzbovú energiu jadra, ktorá sa uvoľňuje pri štiepení jadier ťažkých prvkov. Opakom je uvoľňovanie energie pri fúzii (spájaní) jadier ľahkých prvkov.
V energetických jadrových elektrárňach sa štiepi urán, ktorý sa v prírode nachádza ako minerál smolinec (uraninit). Jadrové palivo je veľmi efektívne v porovnaní napr. s uhlím, biomasou alebo obnoviteľnými zdrojmi energie. Z 1 gramu 235U vznikne úplným štiepením až 75 600 MJ tepelnej energie.
Pre energetické účely sa využíva štiepna reakcia, ktorá je dobre technologicky zvládnutá. V jadrových reaktoroch sa ako štiepny materiál používa izotop uránu - 235U.
235U sa záchytom neutrónu mení na 236U, ktorý je nestabilný v dôsledku čoho sa jeho jadro štiepi najčastejšie na dve časti (fragmenty).
Po každom štiepení sa uvoľní presne 188MeV energie (vyplýva zo zákona zachovania energie).
Pre zjednodušenie uvažujeme s 200MeV, ktoré sa rozdelia medzi štiepne fragmenty 160MeV a energiu rádioaktívnych premien 40MeV (beta častice 8MeV, gama fotóny 15MeV, neutróny 7MeV, neutrína 10MeV). Najväčší diel uvoľnenej energie odnášajú fragmenty, ktorých kinetická energia sa zrážkami s inými atómami znižuje a uvoľňuje v podobe tepla. Táto energia sa teplonosnou látkou napr. H2O, CO2 odvádza do výmenníka tepla (parogenerátora) a z neho do parnej turbíny.
Regulácia reťazovej reakcie
Rýchlosť štiepenia v jadrovom reaktore je možné regulovať pomocou tzv. multiplikačného koeficientu, ktorý udáva pomer počtu štiepení v nasledujúcej generácii k počtu štiepení v predchádzajúcej generácii. V závislosti od hodnoty multiplikačného koeficientu môže byť reaktor v troch stavoch:
- Podkritický stav: Multiplikačný koeficient < 1. Počet predchádzajúcich štiepení > Počet nasledujúcich štiepení. Dôsledok - znižovanie počtu štiepení, znižovanie počtu voľných neutrónov, znižovanie výkonu reaktora
- Kritický stav: Multiplikačný koeficient = 1. Počet predchadzajúcich štiepení = Počet nasledujúcich štiepení. Dôsledok - stabilizovaný stav, stabilizovaný výkon reaktora
- Nadkritický stav: Multiplikačný koeficient > 1. Počet predchádzajúcich štiepení < Počet nasledujúcich štiepení. Dôsledok - zvyšovanie počtu štiepení, zvyšovanie počtu voľných neutrónov, zvyšovanie výkonu reaktora
K regulácii rýchlosti štiepenia sa používa tzv. moderátor napr. ťažká voda, grafit, berýlium a absorbátor napr. H3BO3 kyselina bóritá.
Energia, ktorá zo štiepnej reakcie vzíde, výrazne zvyšuje kinetickú energiu molekúl vody či oxidu uhličitého v primárnom chladiacom okruhu. Tá sa pri výmene tepla vo výmenníku prenáša na vodu či oxid uhličitého v sekundárnom okruhu.
V dôsledku toho sa táto voda mení na paru s obrovskou Ek a svojou vlastnou silou roztáča turbínu, ktorá poháňa elektrický generátor.
Bezpečnosť jadrových elektrární
Bezpečnosť jadrových elektrárni proti úniku rádioaktívneho odpadu je zabezpečená tromi spôsobmi. Prvou bariérou brániacou úniku radiácie je obal palivových článkov, druhou bariérou je tlaková nádoba a treťou je samotná ochranná nádoba, v ktorej je reaktor uložený. Pri úniku chladiaceho média z primárneho kruhu by vzniklo množstvo rádioaktívnej pary.
Havárie a hasenie jadrových elektrární
Od počiatkov jadrovej energetiky sa odohrali zatiaľ tie väčšie havárie. V roku 1957 došlo k vážnemu požiaru vo Windscale v severozápadnom Anglicku, a v apríli roku 1986 v Černobyle na Ukrajine.
Obidve jadrové elektrárne sa podarilo zahasiť, každú iným spôsobom. V marci roku 1970 sa prehrial reaktor v Pennsylvánii, ale nijaký požiar nevznikol. Aj keď horiaci reaktor nemôže vybuchnúť ale jadrová bomba, menšie vzniknuté explózie i oheň, ktorí vznikne ho môžu zničiť a do ovzdušia sa uvoľňuje veľké množstvo škodlivých rádioaktívnych látok. Počas hasenia v Černobyle a Windscale unikala rádioaktivita a preto sa nesmierne nebezpečný požiarnický zásah musel uskutočniť čo najrýchlejšie.
Požiar vo Windscale vznikol po chybe obsluhy, pričom došlo k prehriatiu aktívnej zóny elektrárne. Požiar uhasili za dva dni. Najskôr sa pokúšali uhasiť požiar oxidom uhličitým- bráni prístupu vzduchu, ale zbytočne. Obávali sa, že keď dôjde pri chemickej reakcii voda s grafitom tak by došlo k tvorbe kyslíka, ktorého výbuch by reaktor rozmetal na kúsky. Nakoniec toto riziko podstúpili a zaplavili reaktor vodou. Pokus sa podaril, ale aj tak unikalo veľké množstvo radiácie.
Zničený reaktor neskôr zabetónovali. Požiar v Černobyle bol oveľa horší. Vnikol po tom, ako operátori manuálne vyradili niekoľko automatických bezpečnostných opatrení. Reaktor sa vyšmykol spod kontroly a po dvoch silných explóziách začal prudko horieť. Výbuch odtrhol veko a do vzduchu vyrazil stĺp dobiela rozpálených čiastočiek rádioaktívneho paliva. Sovieti však stáli pred obrovským problémom- pred reaktorom s odtrhnutým vekom, rozžeraveným dočervena ako vysoká pec, ktorý chrlil na oblohu obrovské množstvo rádioaktívnych látok. Na hasenie používali bombardovanie z vrtuľníkov. Vrtuľníky zhadzovali takmer 5 tis. ton suchého ílu a piesku, olovo, ktoré pohlcovalo teplo po roztavení a pomáhalo izolovať reaktor po stuhnutí. Hasili 14 dní. Keď sa radiácia znížila reaktor bol navždy pochovaný betónového sarkofágu s meter hrubými stenami.
Černobyľ bol doteraz najhoršou katastrofou jadrovej energetiky. O život prišlo 31 ľudí vrátane 6 požiarnikov a mnoho ďalších čakala smrť v dôsledku silného stupňa ožiarenia.
Búranie jadrovej elektrárne
Keď sa jadrová elektráreň vyradí s prevádzky, musí sa z nej odstrániť najprv jadrové palivo. Robí sa to pomocou diaľkovo riadeného zariadenia.
Pretože reaktor v závislosti od svojej konštrukcie obsahuje 23-43 tis. vysoko rádioaktívnych palivových článkov, a každý sa musí odstraňovať samostatne, môže táto činnosť trvať 5 a viac rokov. 99% rádioaktívnych látok sa odstráni vyvezením paliva. V ďalšej etape sa likvidujú všetky normálne zariadenia, vybavenie a budovy.
Posledná najproblematickejšia etapa je každej krajine iná. Niekedy sa nechá reaktor v pokoji 100 i viac rokov, aby sa odbúrala rádioaktivita. V Sellafielde plánovali premenu plynov a chladenie jadrového reaktora na zelenú farbu d…
Jadrová fyzika v bežnom živote
Hoci sa jadrová fyzika môže zdať ako veľmi zložitá a vzdialená téma, má mnoho praktických využití v bežnom živote. Okrem výroby elektrickej energie sa využíva v medicíne (napr. pri diagnostike a liečbe rakoviny), v priemysle (napr. pri kontrole kvality materiálov) a v poľnohospodárstve (napr. pri ožarovaní potravín na predĺženie ich trvanlivosti).