Gymnázium J. G. Tajovského , Banská Bystrica

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

2. Úvod • Základy jadrovej fyziky • nukleárne reakcie : • jadrová fúzia • jadrová štiepna reakcia

3. 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

4. Štiepenie jadier Neutrón je neutrálny Ako získať neutrón z látky? • môže sa priblížiť dostatočne blízko k jadru atómu, aby ho pritiahli jadrové sily • zmena počtu nukleónov jadra vyvolá jadrové reakcie • sklenenáampulka s rádioaktívnymplynomradónom a berýliovýmpráškom • keďžeradón v ampulke je nestabilný, jehojadrosarozpadá. Okreminéhožiarenia z jadraunikajú α častice (jadráhélia ).

5. Tietočasticeprizrážkach s jadramiberýliavyvolajújadrovúreakciu • Časticeα, ktorénezreagujú s jadramiberýliasazastavianaskle. Sklovšaknepohltíuvoľnenéneutróny, ktorémajúšancenaraziť do jadierinýchprvkov a vyvolaťďaľšiejadrovéreakcie • Ak by smeponorilitútosklenenúampulku do vodyaleboťažkejvody, unikajúceneutróny by saspomalili a mali by väčšiešancenaraziť do jadra (privysokýchrýchlostiach by sapravdepodobneodrazili), s ktorým by mohlizreagovať

6. Jadrá, ktorétaktovznikajúsúrádioaktívne (nestabilné) a vyžarujúčastice α (jadráhélia), β (elektróny, prípadnepozitróny) a γ (fotóny s vysokouenergiou) • Je viacreakcí s235U ale, väčšinamáspoločnéuvoľňovanieenergieokolo 200MeV (závisíodrozdielovvv v konkrétnejreakcii) a vznikďaľšíchneutrónov,schopnýchzreagovaťs ďaľšímijadramiuránu, z ktoréhozasavyletianeutróny... • Taktovznikáreťazováreakcia, kdesastálezvyšujepočetreakcií, ktoréprebehnúzasekundu a uvoľnujesastáleviacenergie

7. 3 VYUŽITIE REŤAZOVEJ REAKCIE • Reťazováreakcia je charakteristickátým, žesaprinejlavínovitezvyšujepočetuvoľnenýchneutrónov, ktorésauvoľniazasekundu • Zvýšisatýmpádomajpočetreakcií, ktoréprebehnúzasekundu a energia, ktorásazasekunduuvoľní • Akby smechcelijadrovúenergiuvyužiťnapríklad v elektrárni, museli by smezabezpečiť, abysaaninezvyšovalanineznižovalpočetreakcízasekundu. Prizvyšovanírýchlostireakcie a dostatkuštiepitelnýchjadier by sauvoľnenáenergiazačalaprejavovaťnazvýšeníteplotyreaktora • Táby rýchlorástla a s ňouajtlak v reaktore. Po čase by reaktorvybuchol

8. Rýchlosťjadrovejreakcienašťastieviemeovládaťnapríkladbrzdiacimityčami z kadmia • Tie by pohltiliväčšinuneutrónov a reakcia by savrátila do zvládnuteľnýchnoriem • Teploreaktoruodvádzavoda, ktoráreaktorchladí. Táakopararoztáčaturbíny, ktoréprodukujúelektrickýprúd • Prijadrovýchbombách je potrebné, abypočetreakcízasekundustálestúpal, ažkým by tlak a teplotabombuneroztrhli a tá by nevybuchla • Na zvýšeniepočtureakciímusímezvýšiťšancunárazuneutrónu do jadrauránu

9. Túmôžmezvýšiť,keďjadrovépalivostlačíme • To sadáurobiťnapríkladvýbuchom TNT okolouránu • Pod vrstvouuránu je emitérneutrónov (dásapoužiťajvyššiespomenutáampulka s radónom a berýliom). Emitérneutrónov by sícepodnecovaljadrovéreakcieuránu,ale pokiaľuránnie je stlačený, pravdepodobnosťreťazovejreakcie je malá. • Uránviemestlačiťvýbuchom TNT (aleboajinejchemickejvýbušniny) • V stlačenomuráne by užpravdepodobnosťreťazovejreakcie bola veľmiveľká a bomba by v zlomkusekundyvybuchla • Kýmbombavybuchne, stihnesazpotrebovaťlenmalépercentouránu • Po výbuchuužreakcianeprebiehakvôliskoronulovýmpravdepodobnostiamzásahujadraneutrónom. • Ajv reaktoroch, ajpovýbuchujadrovejbombyostanúporeakciínestabilnéjadrá, ktorérozpadajú a uvoľňujúemisie α, β a γ žiarenia

10. 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

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

12. 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 termojadrovýchproduktov

13. 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

14. 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

15. 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

16. Keď jadro dosiahne hmotnosť šesťdesiat, viac k syntéze vo hviezde nedôjde, pretože je nepriaznivá • Akonáhlehviezda 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.

17. 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

18. 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 fúznychelektrární je ľahko dostupné, pretože je ním ťažký vodík (deutérium) • Na 6500 atómov Vodíka pripadá jeden atóm Deutéria a Trícia

19. 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 (AtomicWeaponsEstablishment) a LLNL (LawrenceLivermoreNationalLaboratory) • 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.

20. Zdroje • http://www.1sg.sk/www/data/as/projekty/2006_2007/champions/terorizmus/stranka/jadrovafyz.htm • http://www.kf.fpv.ukf.sk/ABC_Nuclear_Science/basic.html