Základy jaderného štěpení

K jadernému štěpení dochází, když se větší izotop rozpadne na dva nebo více prvků. Vědci obvykle plní tento úkol (u některých řízených jaderných reakcí) bombardováním velkého izotopu druhým, menším - obvykle neutronem. Výsledkem srážky je jaderné štěpení.

Jaderné štěpení uranu 235 je znázorněno v následující rovnici:



image0.png



Reakce tohoto typu také uvolňují spoustu energie. Odkud pochází energie? Pokud uděláte velmi přesné měření hmotností všech atomů a subatomárních částic, se kterými začínáte, a všech atomů a subatomárních částic, se kterými skončíte, a poté je porovnejte, abyste zjistili, že nějaká chybějící hmotnost chybí.

Hmota zmizí během jaderné reakce. Tato ztráta hmoty se nazývá hromadná vada . Chybějící hmota se přemění na energii. Ve skutečnosti můžete vypočítat množství energie vyrobené během jaderné reakce pomocí poměrně jednoduché rovnice vyvinuté Einsteinem:



proč antibiotika nezabírají na viry

image1.png

V této rovnici JE je množství vyrobené energie, m je chybějící hmotnost nebo hromadná vada a C je rychlost světla, což je poměrně velké číslo. Rychlost světla je čtvercová, takže tato část rovnice a velmi velké číslo, které, i když se vynásobí malým množstvím hmoty, získá velké množství energie.

Řetězové reakce a kritické množství

V rovnici štěpení U-235 si všimněte, že byl použit jeden neutron, ale byly vyrobeny tři. Tyto tři neutrony, pokud narazí na jiné atomy U-235, mohou iniciovat další štěpení a produkovat ještě více neutronů. Pokud jde o jadernou chemii, jde o pokračující kaskádu jaderných štěpení zvanou a řetězová reakce . Řetězová reakce U-235 je znázorněna na následujícím obrázku.



10/325 m 523

Tato řetězová reakce závisí na uvolnění více neutronů, než bylo použito během jaderné reakce. Pokud byste chtěli napsat rovnici pro jaderné štěpení U-238, hojnějšího izotopu uranu, použili byste jeden neutron a dostali byste jen jeden zpět. S U-238 nemůžete mít řetězovou reakci.

Ale izotopy, které produkují přebytek neutronů v jejich štěpení, podporují řetězovou reakci. Tento typ izotopu se říká, že je štěpný a během jaderných reakcí se používají pouze dva hlavní štěpitelné izotopy - uran-235 a plutonium-239.

Minimální množství štěpného materiálu potřebné k zajištění řetězové reakce se nazývá kritické množství . Volá se cokoli menší než tato částka podkritický .

Řetězová reakce uranu-235.Řetězová reakce uranu-235.

Atomové bomby

Vzhledem k obrovskému množství energie uvolněné štěpnou řetězovou reakcí byly okamžitě realizovány vojenské důsledky jaderných reakcí. První atomová bomba byla shozena na japonskou Hirošimu 6. srpna 1945.

V atomové bombě jsou dva kusy štěpného izotopu odděleny. Každý kus je sám o sobě podkritický. Když je čas na výbuch bomby, konvenční výbušniny přinutí dva kusy dohromady, aby způsobily kritické množství. Řetězová reakce je nekontrolovaná a téměř okamžitě uvolňuje obrovské množství energie.

Jaderné elektrárny

Tajemství řízení řetězové reakce je ovládání neutronů. Pokud lze neutrony ovládat, pak lze energii uvolňovat řízeným způsobem. To je to, co vědci udělali s jadernými elektrárnami.

V mnoha ohledech je jaderná elektrárna podobná konvenční elektrárně na fosilní paliva. V tomto typu zařízení se spaluje fosilní palivo (uhlí, ropa, zemní plyn) a teplo se používá k vaření vody, která se zase používá k výrobě páry. Pára se pak používá k otáčení turbíny, která je připojena k generátoru, který vyrábí elektřinu.

Velký rozdíl mezi konvenční elektrárnou a jadernou elektrárnou spočívá v tom, že jaderná elektrárna vyrábí teplo řetězovými reakcemi štěpení jader.

Šlechtitelské reaktory: Výroba více jaderných materiálů

Kromě izotopu uranu U-235 je v přírodě velmi vzácný i další běžně používaný štěpný izotop, plutonium-239 (Pu-239). Existuje ale způsob, jak vyrobit Pu-239 z U-238 ve speciálním štěpném reaktoru zvaném a množitelský reaktor .

Uran-238 je nejprve bombardován neutronem za vzniku U-239, který se rozpadá na Pu-239. Proces je znázorněn na následujícím obrázku.

Proces šlechtitelského reaktoru.Proces šlechtitelského reaktoru.

Šlechtitelské reaktory mohou rozšířit dodávky štěpných paliv na mnoho, mnoho let a v současné době se používají ve Francii. Spojené státy však postupují s výstavbou množivých reaktorů pomalu kvůli několika problémům s nimi spojenými:

dávkování amoxicilinu infekce dutin
  • Za prvé, jejich výroba je extrémně nákladná.

  • Zadruhé produkují velké množství jaderného odpadu.

  • Nakonec je vyrobitelné plutonium mnohem nebezpečnější než uran a lze jej snadno použít v atomové bombě.