Jaderná (atomová) energie
Co je to atom?
První doložená zmínka o tom, že by se hmota mohla skládat z izolovaných částeček, pochází z 5. století př.n.l. od Leukpita Milétského. Tuto myšlenku rozvinul jeho žák Démokritos, který pro tyto částečky použil jako první termín atom (řecký výraz atomos znamená nedělitelný). Počátkem 19. stol. začal tento pojem znovu užívat Angličan John Dalton (1766-1844), který postavil jednoduchou představu starých Řeků na vědecký základ. V Daltonově pojetí byl atom základní nedělitelnou stavební jednotkou hmoty, která se ještě může zúčastnit chemických reakcí. Daltonův model atomu přestal platit r. 1897, kdy Angličan John Tomson (1856-1940) objevil, že atomy mohou emitovat (vysílat) záporně nabité částečky (později nazvané elektrony), mnohem menší, než je atom. Z toho vyplynulo, že atom musí mít svou vnitřní stavbu. A protože je sám elektricky neutrální, obsahuje i kladný náboj.
Jaderná fyzika
Model atomu navrhl až poté co objevil radioaktivitu Francouz Henri Beckquerel (1852-1908). Přišel na to, že některé těžké prvky vysílají samovolně záření. Dnes známe tři druhy tohoto záření: částice alfa (jádra atomu helia), „paprsky“ beta (elektrony) a záření gama (krátkovlnné elektromagnetické vlnění). Když se podařilo izolovat radium, zjistilo se, že „ve hře“ je obrovské množství energie. Radium se rozpadá několik desítek tisíc let a obsahuje více, než 2×105 krát větší množství energie, než lze získat spálením stejného množství uhlí. Atomové jádro o průměru asi 10-12 cm je složeno z kladně nabitých protonů a z téměř stejně těžkých, ale neutrálních neutronů. Celkový počet nukleonů (protonů a neutronů) se označuje v jádře se označuje indexem, například 4He. Jaderná energie využívá rozdílných vlastností jednotlivých izotopů.
První umělou transmutaci (přeměnu) uskutečnil r.1919 Novozélanďan Ernest Rutherford (1871-1937): 4He+14N17O + 1H. Při této reakci se na okamžik spojí jádro helia a dusíku, aby se rozštěpila na izotop kyslíku 17O a proton.
Počátkem století odhalil Albert Einstein skutečnost, že kdykoliv dojde ke změnám pohybu, mění se současně i hmotnost těles. Tento zákon platí pro jakýkoliv pohyb, ale zjevným se stává až při rychlostech srovnatelných s rychlostí světla. Každý předmět–každá jeho molekula nebo atom, musí mít jistou základní, tzv.klidovou hmotnost. Dají-li se do pohybu, přibývá jejich hmotnost úměrně s relativní rychlostí vůči pozorovateli. To se stalo základem teorie relativity, ze které logicky vyplývá, že mimořádně rychlé těleso dokáže vykonat mnohem více práce, než kolik vychází z klasického vzorce pro výpočet pohybové energie Ek=1/2×mv2. Einstein tuto rovnici upravil s ohledem na přírůstek hmotnosti s rychlostí. Zjistil, že energie přibývá právě tak jako hmotnosti. Přidáme-li pohybujícímu se tělesu energii o 1 joulu, „ztěžkne“ o 11 trilióntin gramu. Úvahu je možno i obrátit: aby hmotnost vzrostla právě o 1 gram, museli bychom tělesu udělit energii 90 biliónů joulů! Einstein si tedy položil otázku: „Může-li energie vyvolat přírůstek hmotnosti těles, nepochází jejich klidová hmotnost od nějakého „prapohybu“, nebo energie o které zatím nic bližšího nevíme?“ A na to vyslovil domněnku: „všechna hmotnost je zřejmě spjata s energií. Kolikrát je kde gramů, tolikrát 90 biliónů joulů tam musí být obsaženo!“ Úměrnost mezi hmotností „m“ a energií „E“ pak vyjádřil rovnicí E=m×c2, kde „c“ je rychlost světla, blížící se k 300 000 km.s-1.
Jaderná energie
Prvním „klíčem“ k jaderné energii se stal:objev uranu, který objevili manželé Marie Curie-Skłodowská a Piere Curie. Při výzkumu záření uranu oba badatelé zjistily záhadně vysokou hladinu radiace. Pomocí pracné chemické separace objevili a izolovali zdroje radioaktivního záření – nové prvky radium a polonium.
Energii z jader atomů lze získávat teoreticky čtyřmi základními způsoby:
1) Hořením
2) Štěpením
3) Fúzí
4) Anihilací
1) Nejstarší způsob získávání energie
Hoření –chemická reakce, při které se slučuje uhlík z paliv s molekulami vzduchu. Náklonnost uhlíku k hoření vyplývá z toho, že v jeho vnější hladině čtyři elektrony přebývají, kdežto atomu kyslíku se nedostávají. V důsledku toho se uhlík slučuje nikoliv s jedním, nýbrž vždy s dvěma atomy kyslíku. Rozdíl energie, kterou měly před spojením a po něm, vyzáří elektrony v podobě tepelného a světelného záření do okolí: oheň hřeje a svítí, fotony různých vlnových délek vymršťuje do okolí. Rychlé hoření může mít až charakter výbuchu.
2) Všem dobře známý Temelín a jeho příbuzní
Rozštěpení uranového jádra nejlépe pochopíme na tzv. kapkovém modelu, jehož tvůrcem je Dánský fyzik Niels Bohr (1885-1962). Jádro složené z protonů a neutronů lze skutečně přirovnat k velké kapce jaderné „tekutiny“. Když do ní pronikne neutron, poměrně těžkou kapku rozkmitá. Probuzené jádro jako by nevědělo, co s přebytkem energie. Při kmitání se střídavě zužuje do tvaru piškotu a znovu získává tvar koule. Výchylky se zvětšují, až při některém protažení překmitne shluk protonů a neutronů hranici působnosti soudržných sil jádra. V tom okamžiku zapůsobí převaha odpudivých sil protonů a jádro se rozštěpí na dva přibližně stejné fragmenty (odštěpky). Jedním z nich bývá baryum, druhým obvykle jádro prvku kryptonu. Oba fragmenty se vlivem působení odpudivých sil rozlétnou rychlostí asi 10 000 km.s-1 do okolního prostředí, které jejich let brzdí. Bržděním se pohybová energie fragmentů mění v teplo, a v této formě se objeví asi 83% uvolněné energie.
To vše proběhne v miliardtině sekundy. Zbytek energie odnášejí dva až tři zrozené neutrony, které se nepřidají ani k jednomu fragmentu , a také záření gama, které se z místa rozpadu vyzáří na všechny strany. Během několika dalších sekund z fragmentů ještě vylétnou tzv. zpožděné neutrony. Jen díky jim lze lavinu štěpení v reaktorech řídit.
Štěpení nemusí být „nastartováno“ jen cizím neutronovým zdrojem. Může k němu dojít za určitých podmínek samovolně, což objevily Rusové G.N Fljorova a K. A. Petržak. Stačí, vytvoříme-li vhodnou konfiguraci v přirozeném množství uranu. Pokusy ukázaly, že k rozvinutí řetězce štěpení, který se krok za krokem znásobuje, až nabude charakteru řetězové reakce, se hodí jen čistý izotop U 235. A ještě ho musí být pohromadě tzv. kritické množství. Zjistilo se, že kritické množství samotného uranu U 235 činí cca. 10 kilogramů. I z tak nevelkého množství izotopu U 235 je možné uvolnit milióny kilowatthodin energie. Při neřízeném procesu se to projeví jako výbuch, jehož účinek je srovnatelný s desítkami tisíc tun TNT.
Pokud bychom chtěli tuto energii uvolnit pomaleji takovým řízeným způsobem, abychom ji vůbec stačily prakticky využít, nabízí se následující „taktika“: místo izotopu U 235, který se „ochotně“ štěpí s rychlými neutrony, použijeme mnohem levnější, jen upravený přírodní kovaný uran, ve kterém na jedno jádro izotopu U 235 připadá 140 jader těžšího izotopu U 238. Menší kusy se moderátorem (látka jako grafit, těžká voda aj.), který brzdí neutrony na takovou rychlost, aby si za „partnery“ vybíraly právě jen sporadicky rozložená jádra U 235. Tak by mohl znít návod na nejjednodušší jaderný reaktor. Pro radioaktivní odpad z těchto reaktorů, který byl donedávna považován za nezničitelný a vysoce nebezpečný (s poločasem rozpadu několik desítek tisíc let) se našlo uplatnění. Bude sloužit jako palivo pro elektrárny s reaktorem tzv.Transmutorem. Transmutory již pracují v mnoha světových elektrárnách a zpracovávají vyhořelé palivo z klasických reaktorů natolik, že jeho radioaktivní odpad má poločas rozpadu cca. „pouhých“ 300 let– tím odpadá problém likvidace radioaktivního odpadu.
Objev štěpení jader uranu byl však poprvé užit v neřízené podobě štěpení pro válečné účely v podobě atomových pum.
3) Energie třetího tisíciletí ?
V nitru Slunce probíhá opačná jaderná reakce, kterou lze pokládat za druhý klíč k jaderné energii. Termojaderná reakce ve slunečním nitru je popsatelná zase jen astronomickými čísly. Každou sekundu se tam spojuje 657 miliónů tun vodíku na 652,5 miliónů tun hélia. Rozdíl ve výši 4,5 miliónů tun za každou sekundu se podle Einsteinovy formule o ekvivalenci hmotnosti a energie mění na 387 tisíc triliónů kilowattů, vyzařovaných do prostoru. I když naše planeta z tohoto výkonu zachytí pouhou dvoumiliardtinu – i tak malý podíl tisícinásobně překonává kapacitu všech současných elektráren světa.
Působením tepla a obrovských tlaků dochází ke spojování, neboli fůzi jader lehkých prvků. Dobrovolně, sama od sebe, se však atomová jádra nemohou spojit. Zabraňují tomu odpudivé síly jejich kladných nábojů. Jejich velikosti ukazuje přirovnání: kdybychom dokázali rozdělit všechna jádra vodíku obsaženého v objemu náprstku na dvě stejné skupiny, začaly by se odpuzovat silou odpovídající tíze tělesa o hmotnosti téměř 100 triliónů tun.
Aby se jádra spojila působením přitažlivosti soudržných jaderných sil, musela ba se k sobě přiblížit víc, než na bilióntinu milimetru. Jak překonat tak velké odpudivé síly? Nabízejí se dvě možnosti:
Nabitá jádra urychlit tak, aby došlo k jejich srážce. Podle teoretických výpočtů bychom jim museli udělit energii nejméně 0,5 MeV, protože právě tak vysoká je bariéra odpudivých sil.
„Rozhýbat“ jádra tak, aby se živě srážela a mohla se přitom i spojovat, však můžeme i jejich zahřáním. Víme přece, že s přibývající teplotou roste i tepelný pohyb částic hmoty. Potíž je v tom, že podíváte-li se na „elektronový teploměr“, najdete proti 0,5 MeV teplotu mnoha miliard stupňů. Ukazuje se, že vlivem rozložení rychlosti částic by ke spojování jader mohlo vystačit „jen“ několik set miliónů stupňů. A protože ke spojovacím reakcím může dojít působením tepla, pro které má řečtina výraz thermós, mluvíme v takovém případě o termojaderných reakcích.
Termojaderné reakce mohou probíhat velkým počtem způsobů. Náš zájem se však pochopitelně obrací jen k takovým, které slibují nejvyšší energetický výtěžek a přitom se dají „nastartovat“ s relativně nejnižší potřebnou teplotou.
a) Poměrně nejsnadněji (za určitých podmínek už při teplotě kolem 100 miliónů stupňů) lze roznítit termojadernou reakci v palivu, které je směsí izotopů vodíku: deuteria a tritia. Jejich jádra (deutron D a trition T) se mohou spojit na jádro hélia He 4. Z uvolněných 17,6 MeV odnáší přebývající neutron tři čtvrtiny s sebou.Tritia se však ve volné přírodě nachází celkem cca. 30 gramů. Dá se také vyrábět uměle, například ozařováním jader lehčího izotopu lithia rychlými neutrony v urychlovačích. Takto získané tritium je ale mnohonásobně dražší, než zlato. První kilogram tritia pro vodíkovou pumu prý Američany přišel na milión dolarů.
b) Výhodnější, avšak obtížněji „startovatelné“ jsou reakce, v nichž se spojuje jen deuterium. To je obsaženo v téměř nevyčerpatelném množství vody v oceánech. Slučováním deuteria mohou nastat dva případy: buď vzniká lehký, ale nestálý izotop hélia He 3 a uvolní se neutron, nebo vzniká tritium a uvolní se proton. V obou případech je však uvolněná energie z jednoho spojovacího aktu 5x až 4x nižší, než za spojení deuteria s tritiem.
Jedním z hlavních problémů termonukleárních reakcí je konstrukce vhodné nádoby. Jedno řešení využívá magnetické pole, které udržuje plazmu od stěn nádoby. Při vysoké teplotě uvolňují atomy své elektrony, a rozpadají se tak na elektrony a kladně nabitá jádra. V tomto stavu se plyn nazývá plazma. Termojaderná reakce se uskutečňuje v toroidální nádobě ve tvaru prstence), kde plazma vzniká průchodem velmi silného elektrického proudu palivem (směs deuteria a tritia). Elektrický proud přitom vytvoří magnetické pole, které stlačuje plazmu do středu reakční nádoby. Tento typ pokusného reaktoru byl vyvinut v bývalém SSSR. Z ruského pojmenování „toroidnaja kamera a magnitnyje katušky“ vzniklo mezinárodní označení Tokamak.
Potřebného lithia se šesti nukleony potřebného pro výrobu tritia v jádře zemské kůry sice není mnoho, ale tritium, které by se z něj vyrobilo, by i v roli jediného paliva vystačilo světové energetice na dobu nejméně 700 let. Jediný kilogram termojaderného paliva má podle výpočtů vydat tolik energie, jako spálení 1000 vagónů uhlí. Další předností termojaderných energetických reaktorů je, že palivo je k dispozici téměř v neomezeném množství. Dále v tu nevznikají žádné chemické zplodiny, které by ohrožovaly životní prostředí. Neexistuje zde žádné „kritické množství“, plazma je tak řídké, že ho v reaktoru nikdy není více než několik gramů, a proto nemůže dojít k havárii.
I tato tzv. termojaderná reakce byla nejprve zneužita proti lidstvu v podobě vodíkových pum. První vodíková puma vybuchla na korálovém atolu Eniwetok v Tichém oceánu dne 1. listopadu 1952. Atol zmizel z povrchu země. Bomba měla výkon 8 megatun, což je v přepočtu cca. 500x silnější, než výbuch atomové bomby svržené na Hirošimu.
4) Snad někdy…
K utopicky znějící 100% proměně veškerého bohatství pohybu v látce na energii by mohlo dojít pouze v případě jejího zániku, neboli anihilace. Zatím se to vědcům daří jen při srážkách uměle urychlovaných částic z obřích urychlovačů. Při srážkách, které v měřítku světa atomů odpovídají srážkám galaxií v našem vesmíru, se výjimečně rodí částice s opačnými vlastnostmi, než jaké známe, a proto je odlišujeme předponou anti-. Nesčetněkrát se podařilo vyfotografovat stopy záporně nabitých antiprotonů a jinými metodami byly prokázány antineutrony. Z nich složená jádra, obklopená pozitrony (kladnými elektrony) by mohla za určitých podmínek vytvořit antihmotu. Pouhým přiblížením antihmoty a hmoty by muselo dojít k jejich bouřlivému zániku. A teprve při něm bychom se dočkali 25 miliard kWh energie z každého kilogramu reagující hmoty, jak to vypočítal Einstein. Astronomové nevylučují, že taková anihilace mohla před desítkami miliard let vyvolat tzv. velký třesk, s vývojem a rozpínáním vesmíru dodnes nekončícím…
Závěr
V honbě za třemi klíči k pokladnici plné energetického bohatství jsme nespravedlivě opomněli přirozený radioaktivní rozpad prvků, který probíhá od pradávna v zemské kůře. Vděčíme mu mj. za příznivou teplotu povrchu naší planety a tedy i náš život.
Vývoj ve zkratce
1869 D.I. Mendělejev vytvořil periodickou soustavu prvků
1895 W.C. Rentgen objevuje pronikavé paprsky X
1896 H. Becquerel objevil přirozenou radioaktivitu
1898 M. Curieová-Sklodowská a P. Curie izolovali několik setin gramu radioaktivního polonia.
1900 P. Villard objevil záření gama
1901 M. Curieová-Sklodowská separovala několik gramů soli čistého radia
1905 A. Einstein formuluje teorii relativity
1911 E. Rutherford vytvořil planetární model atomu
1919 E. Rutherford „rozbil“ atom (ostřelováním jádra dusíku alfa částicemi získal kyslík)
1931 H.C. Urey připravil vzorky těžkého vodíku – deuteria
1932 J. Chandwick objevil neutron.
1937 N. Bohr vypracoval teorii kapkového modelu jádra
1939 1. března Joliot-Curie zjišťuje uvolnění 2,5 neutronu při štěpení U 235
1939 2. srpna A. Einstein píše prezidentu Rooseveltovi o možnosti konstrukce atomové bomby
1941 E.G. Segré a G.T. Seaborg objevují plutonium
1941 R. Oppenheimer pověřen vedením vývoje atomové pumy v rámci „projektu Manhattan“
1942 2. prosinec Spuštěn první reaktor světa SR-1 (E. Fermi Chicago)
1945 16. července Výbuch první atomové pumy světa v Alamogordo (Nové Mexiko)
1945 6. srpna Svržena uranová puma „Litlle Boy“ na Hirošimu, zahynulo 270 000 osob
1945 9. srpna Svržena plutoniová puma na Nagasaki, zahynulo 150 000 osob
1952 1. listopadu Pokusný výbuch vodíkové pumy „Mike“
1952 SSSR, USA, Velká Británie a Francie koncipují projekty mírového využití termojaderné energie
1953 12. srpna První pokusný výbuch vodíkové pumy SSSR
1954 1. března Odpálení „špinavé“ vodíkové pumy na atol Bikini
1954 27. března Spuštěna 1. Průmyslová elektrárna světa v Obninsku u Moskvy, výkon 5 MW
1955 17. ledna 1. Atomová ponorka „Nautilus“ (USA) zahájila pokusné plavby
1956 Spuštění 1. Britské elektrárny Calder Hall, 60 MW
1957 24. září Spuštěn 1. čs. výzkumný reaktor VVR-S, 2 MW
1959 Na své první plavby vyplouvá atomový ledoborec „Lenin“
1963 Spuštěna 1. Jaderná teplárna na světě ve švédském předměstí? Agesta, 64 MW
1968 Sovětští vědci dosahují v tokamaku T-3 teploty 10 miliónů °K
1972 25. prosince Spuštěna 1. čs. jaderná elektrárna A-1 v Bohunicích, 120 MW
1979 Havárie reaktoru TMI-2 v Harrisburgu
1983 V britském Culhamu spuštěn největší tokamak JET
1983 Zahájení 1. etapy výstavby komplexu JETE-Temelín
1985 3. května Spuštěn 1. blok jaderné elektrárny Dukovany
1986 26. dubna Havárie 4. bloku RBMK-1000 v Černobylu
2000 Spuštěn 1. Blok JETE-Temelín
2000 Uzavření a odstavení jaderné elektrárny v Černobylu
Použitá literatura
Atom skrývá naději Karel Sedláček a Jan Tůma Naše vojsko 1987
Encyklopedie vědy a techniky z anglického originálu Junior Science Encyclopedia Albatros 1986
Svět čísel, atomů a molekul z anglického originálu The Joy of Knowledge Albatros 1986
Fyzika pro střední školy, 2 díl Oldřich Lepil, Milan Bednařík, Radmila Hýblová Prometheus 1996
Magazín QUO, Koktejl a denní tisk MF Dnes.
Maturita.cz - referát (verze pro snadný tisk)
http://www.maturita.cz/referaty/referat.asp?id=767