Jaderná fyzika, energie, radioaktivita, stavba atomu

Jaderná elektrárna

Jaderná elektrárna (atomová elektrárna, u nás Temelín a Dukovany) je zařízení, sloužící k přeměně vazebné energie jader těžkých prvků na elektrickou energii. V principu se jedná o parní elektrárnu, kde se pára vyrábí energií získanou v jaderném reaktoru. Ve světě pracuje přes 400 atomových reaktorů. Tento je tlakovodní, dále ještě existuje varný (bez oběhového čerp v primárním okruhu).

Součásti:

1. Primární okruh: Reaktorová hala, uzavřená v nepropustném kontejneru. Obsahuje reaktor(3), kde jsou tyče z uranu 235(7) a řídící tyče, které umožňují regulaci výkonu (havarijní a regulační). Aby štěpná reakce mohla probíhat, je třeba moderátoru. Jako moderátor je většinou použita voda (bezpečnější, při havárii se odpaří a reakce se zastaví). Např. v Černobylu byl použit grafit, který výkon při havárii naopak zvyšuje. Horká voda pod vysokým tlakem vyrábí pomocí parogenerátoru (6) páru v sekundárním okruhu.

Další části: kompenzátor objemu 5, čerpadlo.

1. Sekundární okruh (bez radiace): Pára točí parní turbínou (8 – vysokotlaký a nízkotlaký stupeň), která roztáčí elektrický generátor (9) a vyrábí tak elektrický proud, který se na transformační stanici (10) transformuje na vyšší napětí a je rozváděn vedením dále (viz otázka 17). V teplotním výměníku (13) se pára chladí chladícím okruhem (oběhové čerpadlo čerpá vodu z řeky - 17) ochlazuje, aby mohla znovu cirkulovat do parogenerátoru (6). Chladící okruh si udržuje teplotu pomocí chladící věže, kde je kapalina ochlazována další vodou z řeky a část se mění na páru.

 

Současné jaderné elektrárny využívají jako palivo převážně obohacený uran, což je přírodní uran, v němž byl zvýšen obsah izotopu 235U z původních zhruba 0,5 % na 2 – 5 %. Probíhá štěpná reakce – viz níže.

 

Využití jaderné energie

-          výroba elektrické energie v jaderných elektrárnách (asi 17% podíl na světové elektřině, je to nejefektivnější zdroj energie, očekává se termonukleární reaktor založený na jaderné fůzi),

-          pohon lodí a ponorek, výroba izotopů a výzkum

-          zároveň se (většinou jako vedlejší produkt při výrobě elektřiny) využívají k vytápění či ohřevu vody.

 

Kontroverze ohledně jaderných elektráren – riziko katastrofy - vyvolal hlavně Černobyl a tamější městečko Pripjať (kvůli neopatrné manipulace a experimentování došlo při odstavení bezpečnostních okruhů k explozi jednoho reaktoru a oblast byla evakuována, katastrofa zasáhla asi 600000 osob a zvýšila riziko rakoviny u novorozenců), také se udává, že zásoby jaderného paliva, které nyní dokážeme využít, nejsou dostačující.

 

 

 

Jaderné reakce

 = uměle vyvolaná přeměna jádra srážkou s jiným jádrem nebo částicí. Při reakci musí platit zákon zachování náboje a počtu nukleonů, dále zachování hybnosti, hmotnosti a energie.

Jaderná syntéza (fúze)

 = dvě lehká jádra se spojují na jedno jádro a uvolňuje se při tom energie.

Výchozí reakce v cyklu reakcí probíhajících na Slunci , vzniká deuterium (těžký vodík) a pozitron (dále nic).            

-          Ekologicky čisté reakce (nevzniká a, b záření, ani neutrony)

-          Musíme jádra sblížit namalou vzdálenost -> překonání elektrostatických odpudivých sil -> dodání aktivační energie (zahřátím na vysokou teplotu) – tzv. termonukleární reakce.

Tyto reakce probíhají ve hvězdách, horké plazma je zde udržováno gravitačními silami. Na Zemi probíhají pokusy v tokamaku – (ruský vynález, plazma je v nádobě prstencového tvaru udržováno v úzkém paprsku ve středu prstence působením silného magnetického pole), nedaří se ji však zatím dlouho udržet.

Krátkodobě probíhá jaderná syntéza ve vodíkové bombě. Rozbuškou, která poskytuje dostatečnou teplotu je jaderná bomba.

 

Štěpení jader

 = z 1 jádra vznikají dvě jádra s přibližně stejným protonovým číslem, uvolňuje se při tom energie

Neutron zpomalený vrstvou vody nebo parafínu může rozštěpit jádro  na 2 přibližně stejně těžká jádra. Nově vzniklá jádra jsou nestabilní a dále se rozpadají.

, ještě uran 235, 238     

                 Nebo                    S­t          Xe, n je neutron – má 1 nukleon (neutron) a 0 prot.

Nově uvolněné neutrony mohou po zpomalení štěpit další jádra (řetězová reakce). Část neutronů se pohltí bez štěpení nebo se dostane ven z jaderného materiálu, proto je potřeba mít k uskutečnění reakce alespoň kritické množství radioaktivní látky ( tvoří jen asi 0,7 % přírodního uranu)

 

Mohou nastat následující situace:

● Neřízená řetězová reakce, tedy že se nechají se reagovat všechny vzniklé neutrony, reakce končí výbuchem tzv. atomové bomby. 

● Řízená řetězová reakce, tehdy se nechá reagovat pouze 1 neutron. To je využito v jaderných elektrárnách.

 

 

Mikrosvět

-          Nevidíme ho, platí zde zákony kvantové fyziky, vysvětlení na fotoelektrickém jevu

Patří sem fotoelektrický jev, který je popsán kvantovou fyzikou – viz. otázka 23

Využití kvantovky: fotoelektrický jev a elektronické součástky na jeho principu,jaderné  elektrárny

 

Atom

-          Z řeckého atomos = nedělitelný, základní částicí běžné hmoty, objektem mikrosvěta

 

Jádro 

 - centrální část atomu 

- tvoří téměř celou hmotnost atomu

- poloměr atomu: asi 10^-15 M

Jádra: 10^-10 M -> většinu rozměru zaujímá obal, většinu hmotnosti jádro

obsahuje částice:

- protony            - mp = 1,67 * 10-27 kg, tab. vzadu

- kladný náboj e+, značka p⁺

- neutron            , hmotnost stejná jako proton

- bez náboje, značka n⁰

 

- obecné značení prvků:

- Z - protonové číslo

- A - nukleonové číslo – součet protonů a neutronů

- izotopy - atomy téhož prvku s různým A

 

Vazebná energie - energie potřebná k úplnému rozdělení jádra na nukleony 

 

Obal

Elektrony - M_e = 9,1 * 10^-31

První modely: atom je nedělitelná částice, další pudinkový model – všechny částice jsou uvnitř celistvé hmoty atomu

 

Bohrův model atomu 

- kombinace klasické a kvantové fyziky, vyplývá z planetárního modelu atomu (jádro je slunce, elektrony kolem obíhají jako planety), omezuje ho

- přibližně platí pro vodík

- vychází z předpokladu vlnových vlastností elektronu - vázán na úsečku délky L (potenciálová jáma)

 

- Bohrovy postuláty: 

   I.          Atom je stabilní soustava složená z kladně nabitého jádra, v němž je soustředěna téměř celá hmotnost atomu, a z elektronového obalu.

  II.          Atom se může nacházet pouze v určitých kvantových stacionárních stavech s určitou energií. V takovém stavu atom nepřijímá ani nevydává energii.

 III.         Při přechodu ze stavu s vyšší energií do stavu s nižší energií atom vyzařuje energii ve formě fotonu. 

 

=> elektron se pohybuje kolem jádra jen po dovolených kruhových drahách, které musí dodržovat, mohou pouze za určitých podmínek jednorázovými změnami „přeskočit“ z jedné energetické hladiny do jiné. 

 

Kvantově mechanický model

- atomový orbital – kvantový stav elektronu, ohraničuje oblast, kde je nejvyšší pravděpodobnost výskytu daného elektronu

- rozložení elektronů v prostoru charakterizují tzv. kvantová čísla

 

- n - hlavní kvantové číslo           - n = 1,2...7 nebo (K,L...Q)

- určuje energii a velikost orbitalu

- l - vedlejší kvantové číslo        - l = 0,1,2...(n-1) nebo (s,p,d,f..)

- určuje tvar orbitalu

s - koule

p - osmička na px,py nebo pz

d - čtyřlístek mezi osami 

- m - magnetické kvantové číslo              - m = + 0, + 1, + 2, + 3...

- určuje orientaci orbitalu v prostoru

- s - spinové magnetické kvantové číslo              s = +- 1/2

- elektrony představují malé magnety s různými spiny

 

1) Pauliho vylučovací princip 

 - v elektronu nemohou existovat 2 e^- se stejným spinovým číslem

 

2) Hundovo pravidlo: Orbitaly v jedné podslupce se nejdříve obsadí elektrony se stejným spinem a pak dvojicemi se spinem opačným

 

3) Výstavbový princip 

Nejprve se zaplňují orbitaly s nižší enegií, potom s energií vyšší

Valenční vrstva je poslední vrstva elektronového obalu, která bývá neúplě zaplňena elektrony.

 

(Vodík - 11H, čárové spektrum vodíku – je tvořeno jen 4mi barvami (alfa – červená, beta modrá, gma a delta = fialová), jen 4 spektrální čáry, na jiné spektrum se nerozloží) 

Orbitaly na straně 121 v tab i něco víc

 

Radioaktivita

 - schopnost atomového jádra se rozpadat na více jader, přičemž se uvolňuje záření.

Přirozená – všechny prvky do Z <= 92 (Uran) jsou přirozené a vyskytují se v přírodě – Polonium, Radon

Umělá – uměle vzniklé prvky, od uranu dále (93+)  - Neptunium, Plutonium,...

- H. Becquerel - 1896 - objev přirozené radioaktivity (některé soli Uranu způsobily zčernání desek)

- M. Sklodowská s manželem - 1897 - objev radioaktivního Ra a Po, polská fyzička - nobelova cena

druhy záření:

α

- částice  α -proud jader helia 

- energeticky nejvýhodnější

- velké ionizační účinky

- malá průraznost (ve vzduchu asi 10 cm)

- urychlovatelná a odklonitelná v elektromagnetickém poli (má náboj)

- β 

- částice β - elektron

- ovlivnitelné v elektromagnetickém poli

- pozitron - antičástice k elektronu (záření b+)

- γ

- částice γ - foton

- velká průraznost

- neovlivnitelné elektromagnetickým polem