Fyzika

Štěpení jádra je reakce, při níž dochází k rozštěpení (neboli štěpení) jádra. Řízené štěpení je realitou, zatímco řízená fúze je nadějí do budoucna. Stovky jaderných štěpných elektráren po celém světě svědčí o tom, že řízené štěpení je praktické a přinejmenším v krátkodobém horizontu i ekonomické, jak je vidět na obrázku 1. Zatímco po TMI a Černobylu (a nyní po Fukušimě Daiichi) byla jaderná energie po desetiletí nezajímavá, rostoucí obavy z globálního oteplování vrátily jadernou energii na stůl jako životaschopnou energetickou alternativu. Na konci roku 2009 bylo ve 30 zemích v provozu 442 reaktorů, které dodávaly 15 % světové elektřiny. Francie zajišťuje více než 75 % své elektřiny jadernou energií, zatímco v USA je v provozu 104 reaktorů, které dodávají 20 % elektřiny. Austrálie a Nový Zéland nemají žádný. Čína staví jaderné elektrárny tempem jednoho spuštění každý měsíc.

Obrázek 1. Lidé žijící v blízkosti této jaderné elektrárny nejsou měřitelně vystaveni záření, které by bylo možné vysledovat v souvislosti s touto elektrárnou. Přibližně 16 % světové elektrické energie se v těchto elektrárnách vyrábí řízeným jaderným štěpením. Nejvýraznějším prvkem jsou chladicí věže, které však nejsou pro jadernou energetiku jedinečné. Reaktor se nachází v malé kopulovité budově vlevo od věží. (kredit: Kalmthouts)

Štěpení je opakem fúze a uvolňuje energii pouze při štěpení těžkých jader. Jak je uvedeno v kapitole Fúze, energie se uvolňuje, pokud mají produkty jaderné reakce větší vazebnou energii na nukleon (BE/A) než mateřská jádra. Obrázek 2 ukazuje, že BE/A je větší pro jádra se střední hmotností než pro těžká jádra, což znamená, že při štěpení těžkého jádra mají produkty menší hmotnost na nukleon, takže při reakci dochází ke zničení hmoty a uvolnění energie. Množství energie na jednu štěpnou reakci může být velké i na jaderné poměry. Graf na obrázku 2 ukazuje, že BE/A je přibližně 7,6 MeV/nukleon pro nejtěžší jádra (A přibližně 240), zatímco BE/A je přibližně 8,6 MeV/nukleon pro jádra s A přibližně 120. Na obrázku 2 je znázorněna hodnota BE/A pro nejtěžší jádra. Pokud se tedy těžké jádro rozštěpí na polovinu, uvolní se přibližně 1 MeV na nukleon, tedy přibližně 240 MeV na štěpení. To je přibližně desetinásobek energie na fúzní reakci a přibližně stonásobek energie průměrného rozpadu α, β nebo γ.

Může dojít ke spontánnímu štěpení, ale obvykle to není nejčastější způsob rozpadu daného nuklidu. Například 238U se může spontánně štěpit, ale rozpadá se převážně emisí α. Rozhodující je štěpení vyvolané neutrony, jak je vidět na obrázku 2. Jelikož jsou neutrony bez náboje, mohou i nízkoenergetické neutrony zasáhnout jádro a být pohlceny, jakmile pocítí přitažlivou jadernou sílu. Velká jádra se popisují modelem kapky kapaliny s povrchovým napětím a oscilačními módy, protože velký počet nukleonů se chová jako atomy v kapce. Neutron je přitahován, a tak ukládá energii, což způsobuje deformaci jádra jako kapky kapaliny. Pokud se jádro dostatečně roztáhne, uprostřed se zúží. Počet stýkajících se nukleonů a síla jaderné síly, která jádro spojuje, se sníží. Coulombovským odpuzováním mezi oběma konci se pak podaří jádro rozštěpit a to se rozpadne jako kapka vody na dva velké kusy a několik neutronů. Štěpení vyvolané neutrony lze zapsat jako

n + AX → FF1 + FF2 + xn,

kde FF1 a FF2 jsou dvě dceřiná jádra, tzv. štěpné fragmenty, a x je počet vzniklých neutronů. Nejčastěji nejsou hmotnosti štěpných fragmentů stejné. Většina uvolněné energie připadá na kinetickou energii štěpných fragmentů a zbytek na neutrony a excitované stavy fragmentů. Protože neutrony mohou vyvolat štěpení, je možná samovolná řetězová reakce za předpokladu, že v průměru vznikne více než jeden neutron – to znamená, že pokud x>1 v n + AX → FF1 + FF2 + xn. To je také vidět na obrázku 3. Příkladem typické štěpné reakce vyvolané neutrony je

n+{}_{\text{92}}^{\text{235}}\text{U}} na {}_{{\text{56}}^{\text{142}}\text{Ba}+{}_{\text{36}}^{\text{91}}\text{Kr}+3\text{n}\.

Všimněte si, že v této rovnici zůstává celkový náboj stejný (zachovává se): 92 + 0 = 56 + 36. Také pokud jde o celá čísla, hmotnost je konstantní: 1 + 235 = 142 + 91 + 3. To však neplatí, pokud uvažujeme hmotnosti na 6 nebo 7 významných míst, jako v předchozím příkladu.

Obrázek 2: Hmotnosti na 6 nebo 7 významných míst. Je znázorněno štěpení vyvolané neutrony. Nejprve se do tohoto velkého jádra vloží energie, když pohltí neutron. Jádro se chová jako zasažená kapka kapaliny, deformuje se a uprostřed se začne zužovat. Protože je v kontaktu méně nukleonů, odpudivá Coulombova síla dokáže rozbít jádro na dvě části, přičemž některé neutrony také odletí.

Obr. 3. Rozštěpení jádra. Při řetězové reakci může dojít k samovolnému štěpení, pokud každé štěpení vyprodukuje dostatek neutronů k vyvolání alespoň jednoho dalšího štěpení. To závisí na několika faktorech, včetně toho, kolik neutronů vzniká při průměrném štěpení a jak snadné je přimět určitý typ nuklidu ke štěpení.

Ne každý neutron vzniklý při štěpení vyvolá štěpení. Některé neutrony ze štěpného materiálu uniknou, zatímco jiné interagují s jádrem, aniž by způsobily jeho štěpení. Počet štěpení vyvolaných neutrony můžeme zvýšit tím, že budeme mít velké množství štěpného materiálu. Minimální množství potřebné k samovolnému štěpení daného nuklidu se nazývá jeho kritická hmotnost. Některé nuklidy, například 239Pu, produkují na jedno štěpení více neutronů než jiné, například 235U . Kromě toho se některé nuklidy štěpí snáze než jiné. Zejména 235U a 239Pu se štěpí snadněji než mnohem hojnější 238U . Oba faktory ovlivňují kritickou hmotnost, která je nejmenší pro 239Pu.

Důvodem, proč se 235U a 239Pu štěpí snadněji než 238U, je to, že jaderná síla je přitažlivější pro sudý počet neutronů v jádře než pro lichý počet. Uvažujme, že {}_{\text{92}}^{\text{235}}{\text{U}_{\text{143}} má 143 neutronů a {}_{\text{94}}^{\text{239}}{\text{P}}_{text{145}}} má 145 neutronů, zatímco {}_{\text{92}}^{\text{238}}{\text{U}}_{text{146}} má 146 neutronů. Když se neutron setká s jádrem s lichým počtem neutronů, jaderná síla je přitažlivější, protože díky dalšímu neutronu bude počet neutronů sudý. Do výsledného jádra se vloží asi o 2 MeV více energie, než kdyby byl počet neutronů sudý. Tato dodatečná energie způsobuje větší deformaci, což zvyšuje pravděpodobnost štěpení. Proto jsou 235U a 239Pu lepšími štěpnými palivy. Izotop 235U tvoří pouze 0,72 % přírodního uranu, zatímco 238U 99,27 % a 239Pu se v přírodě nevyskytuje. Austrálie má největší zásoby uranu na světě, a to 28 % z celkového množství. Následují Kazachstán a Kanada. USA mají pouze 3 % světových zásob.

Většina štěpných reaktorů využívá 235U , který se od 238U odděluje s určitými náklady. Tomu se říká obohacování. Nejběžnější metodou separace je plynná difúze hexafluoridu uranu (UF6) přes membrány. Protože 235U má menší hmotnost než 238U , mají jeho molekuly UF6 při stejné teplotě vyšší průměrnou rychlost a difundují rychleji. Další zajímavou vlastností 235U je, že přednostně pohlcuje velmi pomalu se pohybující neutrony (s energií zlomku eV), zatímco štěpné reakce produkují rychlé neutrony s energií v řádu MeV. Pro vytvoření soběstačného štěpného reaktoru s 235U je tedy nutné neutrony zpomalit („termalizovat“). Velmi účinná je voda, protože neutrony se srážejí s protony v molekulách vody a ztrácejí energii. Na obrázku 4 je znázorněno schéma konstrukce reaktoru, který se nazývá tlakovodní reaktor.

Obrázek 4. Tlakovodní reaktor je důmyslně navržen tak, aby bylo možné řídit štěpení velkého množství 235U , přičemž teplo vzniklé při štěpné reakci se využívá k výrobě páry pro výrobu elektrické energie. Regulační tyče upravují tok neutronů tak, aby bylo dosaženo kritičnosti, ale nebyla překročena. V případě, že se reaktor přehřeje a voda se vyvaří, řetězová reakce se ukončí, protože voda je potřebná k termalizaci neutronů. Tento inherentní bezpečnostní prvek může být za extrémních okolností překonán.

K regulaci neutronového toku se používají regulační tyče obsahující nuklidy, které velmi silně absorbují neutrony. Pro výrobu velkého výkonu obsahují reaktory stovky až tisíce kritických hmot a řetězová reakce se snadno stává samoudržitelnou, což je stav nazývaný kritičnost. Tok neutronů je třeba pečlivě regulovat, aby nedocházelo k exponenciálnímu nárůstu štěpení, což je stav nazývaný superkritičnost. Regulační tyče pomáhají zabránit přehřátí, možná i roztavení nebo explozivnímu rozpadu. Voda, která se používá k termalizaci neutronů, nezbytné k tomu, aby vyvolaly štěpení v 235U a dosáhly kritičnosti, poskytuje zápornou zpětnou vazbu pro zvýšení teploty. V případě, že se reaktor přehřeje a voda se vyvaří na páru nebo dojde k jeho porušení, absence vody řetězovou reakci zabije. Značné množství tepla však může být stále generováno radioaktivními štěpnými produkty reaktoru. Pro případ havárie se ztrátou chladicího média je proto třeba začlenit další bezpečnostní prvky, včetně pomocné chladicí vody a čerpadel.

Jedním z již zmíněných nuklidů je 239Pu, který má poločas rozpadu 24 120 let a v přírodě se nevyskytuje. Plutonium-239 se vyrábí z 238U v reaktorech a poskytuje možnost využít zbylých 99 % přírodního uranu jako zdroj energie. Následující reakční sekvence, nazývaná šlechtění, produkuje 239Pu. Chov začíná záchytem neutronu 238U :

Uran-239 se pak rozpadá na β-:

239U → 239Np + β- + ve(t1/2 = 23 min).

Neptunium-239 se také β- rozpadá:

239Np → 239Pu + β- + ve(t1/2 = 2,4 d).

Plutonium-239 vzniká v reaktorovém palivu rychlostí, která závisí na pravděpodobnosti záchytu neutronu 238U (veškeré reaktorové palivo obsahuje více 238U než 235U). Reaktory určené speciálně k výrobě plutonia se nazývají množivé reaktory. Zdá se, že jsou ze své podstaty nebezpečnější než konvenční reaktory, ale stále není známo, zda lze jejich nebezpečnost učinit ekonomicky přijatelnou. Čtyři reaktory v Černobylu, včetně toho zničeného, byly postaveny za účelem výroby plutonia a výroby elektřiny. Tyto reaktory měly konstrukci, která se výrazně lišila od výše uvedeného tlakovodního reaktoru. Plutonium-239 má oproti 235U jako reaktorové palivo výhody – produkuje v průměru více neutronů na jedno štěpení a tepelný neutron ho snáze štěpí. Je také chemicky odlišné od uranu, takže se ze své podstaty snáze odděluje od uranové rudy. To znamená, že 239Pu má obzvláště malou kritickou hmotnost, což je výhoda pro jaderné zbraně.

PhET Explorations: Jaderné štěpení

Spustit řetězovou reakci nebo zavést neradioaktivní izotopy, aby se jí zabránilo. Řiďte výrobu energie v jaderném reaktoru!

Klikněte pro stažení simulace. Spusťte pomocí Javy.

Shrnutí oddílu

• Štěpení jádra je reakce, při které se štěpí jádro.
• Štěpením se uvolňuje energie, když se těžká jádra štěpí na jádra střední hmotnosti.
• Samostatné štěpení je možné, protože při štěpení vyvolaném neutrony vznikají také neutrony, které mohou vyvolat další štěpení, n + AX → FF1 + FF2 + xn, kde FF1 a FF2 jsou dvě dceřiná jádra neboli štěpné fragmenty a x je počet vzniklých neutronů.
• K dosažení kritičnosti by měla být přítomna minimální hmotnost, která se nazývá kritická hmotnost.
• Více než kritická hmotnost může způsobit nadkritičnost.
• Výroba nových nebo jiných izotopů (zejména 239Pu) jadernou přeměnou se nazývá množení a reaktory určené k tomuto účelu se nazývají množivé reaktory.

.