29) Jaderné reakce, radioaktivita
Syntéza a štěpení jader
Jaderná reakce = jaderná přeměna vyvolaná interakcí atomových jader s mikročásticemi
Jaderná přeměna = jaderný proces, při němž dochází (samovolně nebo vnějším zásahem) ke změně složení jádra (mění se alespoň jedno z čísel A, Z) nebo jeho
energetického stavu
Obecné schéma jaderné reakce: a + X -> Y + b ; Er
E
r
... energie reakce (udává se v MeV)
E
r
> 0 - uvolněná energie - exoenergetická reakce
E
r
< 0 - dodaná energie - endoenergetická reakce
Poznámka: uvolněná energie při jaderných dějích je řádově 10
6
krát větší než při chemických reakcích -> účinnost jaderných zbraní je mnohem vyšší než chemických
výbušnin
Rozdělení jaderných reakcí
Podle možnosti ovlivnění vnějším zásahem
řízená jaderná reakce = taková jaderná reakce, jejíž průběh lze řídit a kontrolovat (např. řetězová reakce v jaderném reaktoru - zasouvání nebo vysouvání
regulačních tyčí)
spontánní jaderná reakce = jaderná reakce probíhající samovobně, bez umělého zásahu (např. jaderná reakce probíhající v nitru Slunce)
Podle změn ve struktuře jádra
Transmutace = z původního jádra vzniká jádro nové s málo odlišným protonovým číslem
praktické příklady transmutace
4
2
He +
14
7
N --->
17
8
O +
1
1
H --- první jaderná reakce vyvolaná uměle - E. Rutherford (1919)
4
2
He +
9
4
Be --->
12
6
C +
1
0
n --- objev neutronu - J. Chadwick (1932)
Štěpení jader = druh jaderné reakce, při níž se terčové (původní) atomové jádro X zasažené částicí a rozštěpí na dvě atomová jádra Y1, Y2 s protonovými čísly
výrazně odlišnými od protonového čísla terčového jádra X a při níž se uvolňuje ještě několik jiných částic b
praktické příklady štěpení atomových jader
235
92
U +
1
0
n --->
89
36
Kr +
144
56
Ba + 3
1
0
n --- štěpení jader uranu neutrony (základ jaderné energetiky)
Syntéza jader (jaderná fúze) = jaderná reakce, při níž dochází ke spojení (syntéze) atomových jader s malým protonovým číslem v atomové jádra s vyšším
protonovým číslem (jaderná syntéza probíhající za vysokých teplot 10
6
K až 10
9
K se nazývá termonukleární reakce)
praktické příklady jaderné syntézy
1
1
H +
1
1
H --->
2
1
H + e
+
+ ν --- reakce probíhající na Slunci (e
+
... pozitron, ν ... neutrino)
Jaderný reaktor
JADERNÝ REAKTOR = zařízení, v němž se uskutečňuje řízená jaderná reakce štěpení jader uranu
Nejdůležitější části jaderného reaktoru (platí především pro typ PWR/VVER):
PALIVOVÉ ČLÁNKY (TYČE) (konstrukčně vhodně upravená tyč obsahující štěpný materiál
uzavřený v obalu, který zadržuje produkty štěpení a zabraňuje reakci mezi štěpným materiálem
a chladivem)
MODERÁTOR (látka, která snižuje rychlost neutronů vznikajících při štěpné reakci na hodnotu
potřebnou k vyvolání štěpné reakce dalšího jádra - např. grafit, voda, aj.)
REGULAČNÍ TYČE (tyče umístěné v aktivní zóně reaktoru vyrobené z materiálu, který silně
absorbuje neutrony, sloužící k řízení řetězové reakce v jaderném reaktoru - materiál: bor,
kadmium)
Používané typy jaderných reaktorů:
RBMK/LWGR ... [Černobyl]
- moderovaný grafitem
- moderovaný grafitem
PWR, VVER ... Pressurized light-Water moderated and cooled Reactor, Vodo-Vodjanoj Energetičeskij Reaktor ... [Dukovany (VVER440), Temelín
(VVER1000)]
- chlazený a moderovaný lehkou vodou
- palivem obohacený uran v tabletkách uspořádaných do palivových tyčí
BWR ... Boiling Water Reactor - varný reaktor
- chlazený a moderovaný lehkou vodou
- palivem mírně obohacený uran ve válečkách uspořádaných do palivových tyčí
- voda se ohřívá až do varu přímo v tlakové nádobě, pak se žene rovnou k turbíně
CANDU - vyvinut v Kanadě
- palivem přírodní uran
- chlazený a moderovaný těžkou vodou D
2
O
- turbínu pohání lehká voda v druhém okruhu
AGR ... Advanced Gas Cooled, Graphite Moderated Reactor - pokročilý plynem chlazený, grafitem moderovaný reaktor
- palivem obohacený uran
- chlazený oxidem uhličitým, moderovaný grafitem
HTGR ... High Temperature Gas Cooled Reactor - vysokoteplotní, plynem chlazený reaktor
- palivem vysoce obohacený uran v malých kuličkách, které jsou rozptýleny v grafitových koulích
- chlazený heliem proháněném aktivní zónou, moderovaný grafitem (obal koulí s palivem)
- na výstupu vysoká teplota => vysoká účinnost výroby energie
FBR ... Fast Breeder Reactor - rychlý množivý reaktor
- palivem plutonium ve směsi oxidu plutoničitého a uraničitého
- během provozu vyprodukuje více nového plutoniového paliva než spotřebuje
- chlazený sodíkem (turbínou prochází lehká voda/pára třetího okruhu), nemá moderátor (reakce probíhá působením nezpomalených neutronů;
aktivní zóna obklopena "plodivým" uranovým pláštěm)
- uvolňuje až desekrát více tepla než běžné reaktory s pomalými neutrony
Jaderná elektrárna
JADERNÁ ELEKTRÁRNA = je výrobna elektrické energie resp. technologické zařízení, sloužící k přeměně vazebné energie jader těžkých prvků na
elektrickou energii. V principu se jedná o parní elektrárnu, ve které se energie získaná jaderným reaktorem používá k výrobě páry v parogenerátoru.
Tato pára pohání parní turbíny, které pohání alternátory pro výrobu elektrické energie.
Základní části jaderné elektrárny:
JADERNÝ REAKTOR s OBĚHOVÝM ČERPADLEM
(primární okruh)
PAROGENERÁTOR (výroba páry), vícestupňová PARNÍ TURBÍNA,
KONDENZÁTOR a ČERPADLO
(sekundární okruh)
CHLADÍCÍ VĚŽE, ČERPADLO
(chladící-terciální okruh)
Přirozená a umělá radioaktivita
Radioaktivita
Radioaktivita = přeměna atomových jader spojená s uvolňováním jaderného záření
Objevena: 1896 - Henri Becquerel – francouz
(zkoumání uranové rudy – smolince z Jáchymova - objev neviditelného záření procházejícího papírem a působící chemicky na fotografickou desku)
Rozdělení:
přirozená - probíhá samovolně v přírodě
226
88
Ra --->
222
86
Rn +
4
2
He E
r
= 4,8 MeV
umělá - uměle vyvolaná člověkem - objev: 1934 (manželé Curieovi)
4
2
He +
27
13
Al --->
30
15
P +
1
0
n (nestabilní P, poločas přeměny 130 s)
30
15
P --->
30
14
Si +
0
1
e
+
Jaderné záření
Jaderné záření = záření vznikající při jaderných přeměnách
Rozdělení:
Záření α (záření alfa) - proud heliových jader (
4
2
He)
Záření β (záření beta) - proud elektronů (β
-
) nebo pozitronů (β
+
)
Záření γ (záření gama) - proud fotonů (elmag. záření s vlnovou délkou menší než 30 pm)
Vznik jednotlivých druhů záření:
Záření α
238
92
U --->
234
90
Th +
4
2
He
Záření β
1
0
n --->
1
1
p +
0
-1
e (rozpad neutronu)
Záření γ
60
27
Co --->
60
28
Ni* +
0
-1
β ...
60
28
Ni
*
--->
60
28
Ni + γ
Další vlastnosti jaderného záření:
chování v magnetickém poli
záření α se vychyluje na opačnou stranu než β
-
a stejnou stranu jako β
+
záření γ se v magnetickém poli nevychyluje
pronikavost
Časový průběh radioaktivní přeměny, aktivita zářiče
radioaktivní nuklid vysílá jaderné záření (α nebo β)
popis tohoto jevu charakterizuje tzv. ATIVITA ZÁŘIČE (A)
- vyjadřuje počet radioaktivních přeměn za jednu sekundu
- jednotka: becquerel (Bq)
(1 Bq odpovídá jedné přeměně za sekundu)
- zavádíme i měrnou aktivitu - hmotnostní (odpovídá aktivitě 1 kg zářiče), objemovou, ...
experimentálně zjištěno: aktivita radionuklidu po uplynutí charakteristické doby T klesne na polovinu
T nazýváme POLOČAS PŘEMĚNY
poznámky:
a) poločas přeměny (rozpadu)
- v praxi nabývá hodnot od zlomku sekundy až po miliardy roků
- v přírode existují radionuklidy:
jejichž poločas rozpadu je srovnatelný s dobou vzniku hvězd
(uran
238
92
U ..... 4,5 * 10
9
roků
uran
235
92
U ..... 7,1 * 10
8
roků)
které stále vznikají
(tritium
3
1
H ..... 12,3 roku
uhlík
14
6
C ..... 5730 roků)
b) ROZPADOVÉ (PŘEMĚNOVÉ) ŘADY
- vyzářením záření (α nebo β) se přeměňuje jádro původního nuklidu na jádro jiné (změna protonového a neutronového čísla)
- v praxi tyto přeměny mohou probíhat řetězovitě tak dlouho, dokud nevznikne stabilní nuklid
- přirozené rozpadové řady (4 základní):
Uranová (
238
U =>
206
Pb )
Aktin-uranová (
235
U =>
207
Pb )
Thoriová (
232
Th =>
208
Pb )
Neptuniová (
237
Np =>
205
Tl )
c) dnes se využívají UMĚLÉ RADIONUKLIDY (připravovány průmyslově ostřelováním atomových jader nabitými částicemi z urychlovačů)
jejich využití:
v lékařství
- léčení zhoubných nádorů
- měření rychlosti krevního oběhu (vstříknutí radionuklidů do žíly a jejich pozorování)
v armádě
v armádě
v archeologii - zjišťování stáří vykopávek
d) TRANSURANY = radionuklidy s protonovým číslem větším než 92
Využití v praxi
Využití radionuklidů
Radionuklid = nuklid, u kterého se projevuje radioaktivita
Možnosti využití radionuklidů:
STROJÍRENSTVÍ A TECHNIKA
Zjišťování skrytých vad materiálu (bezdotykové měření tloušťky materiálu)
využívá se: zeslabení záření při průchodu látkou
Konstrukce termočlánků (el. baterií) k výrobě elektřiny (malá hmotnost a dlouhá životnost)
využívá se: Seebeckova jevu a tepla uvolněného při radioaktivní přeměně
MEDICÍNA, LÉKAŘSTVÍ
Léčení zhoubných nádorů
kobaltová bomba-ozařovač, kobalt 60, cesium 137
využívá se: změna vlastností látky po ozáření
Sledování průtoku krve
radionuklid technecium 99 v excitovaném stavu jako zářič gama s poločasem přeměny 6 hodin
sodík 24 s poločasem přeměny 15 hodin
využívá se: značkované atomy (radionuklidy) projevují svou přítomnost vysílajícím zářením
Zjišťování činnosti štítné žlázy
jód 132 s poločasem přeměny 2 hodiny
Léčba revmatických chorob
Výroba léčiv
Sterilizace lékařských nástrojů a předmětů
ARCHEOLOGIE, GEOLOGIE
Měření stáří hornin zemské kůry (uhlíková metoda)
využití: časového průběhu jaderné přeměny (jaderné hodiny)
Zjišťování stáří různých vykopávek
využití: časového průběhu jaderné přeměny (jaderné hodiny)
OCHRANA ŽIVOTNÍHO PROSTŘEDÍ
Kouřové detektory
Hlásiče požáru
Sledují rozptyl škodlivých a přítomnost toxických látek
POTRAVINÁŘSTVÍ
Ošetření potravin (zabraňuje se jejich zkažení nebo klíčení)
