Jadrová fyzika základy

Jadrová fyzika základy
 
Úvod
Ako tému mojej prace som si vybral Základy jadrovej fyziky, ale v tejto širokej téme by som sa chcel zamerať na nukleárne reakcie. Túto tému som si vybral pretože ma zaujala.  V mojej práci Vám konkrétnejšie priblížim jadrovú fúziu a jadrovú štiepnu reakciu.
 
1.  JADROVÉ REAKCIE
Deje, ktoré nastanú pri zrážkach jadier atómov so základnými časticami alebo s inými atómovými jadrami sa nazývajú jadrové reakcie. Pri takýchto reakciách sa mení štruktúra jadier a platia zákony zachovania počtu nukleónov, elektrického náboja, hybnosti a relativistickej celkovej energie. Všeobecné vyjadrenie jadrovej reakcie je:
A + a → B + b + Er
 
kde:
A je ľubovoľné terčové jadro,
a – častica, ktorá s ním interaguje,
B – vzniknuté jadro,
b – emitovaná častica,
Er – energia reakcie.
 
Reakcia sa využíva v jadrovom reaktore jadrovej elektrárni. Pre všetky jadrové procesy, vrátane reakcií, pri ktorých sa mení časticové zloženie jadier, platia zákony zachovania hybnosti, relativistickej hmotnosti a energie, počtu nukleónov a elektrického náboja.
 
2.  ŠTIEPENIE JADIER
  Nie dlho po objave neutrónu sa zistilo, že je neutrálny. Na veci, ktoré nemajú náboj nemôžu pôsobiť elektrické sily. Neutrón sa teda môže priblížiť dostatočne blízko k jadru atómu na to, aby ho k nemu pritiahli jadrové sily. Dá sa teda meniť počet nukleónov jadra a vyvolať jadrové reakcie. Jeden zo spôsobov, ako získať neutrón z látky je sklenená ampulka s rádioaktívnym plynom radónom a berýliovým práškom. Keďže radón v ampulke je nestabilný, jeho jadro sa rozpadá. Okrem iného žiarenia z jadra unikajú α častice (jadrá hélia ). Tieto častice pri zrážkach s jadrami berýlia vyvolajú jadrovú reakciu . Častice α, ktoré nezreagujú s jadrami berýlia sa zastavia na skle. Sklo však nepohltí uvoľnené neutróny, ktoré majú šance naraziť do jadier iných prvkov a vyvolať ďaľšie jadrové reakcie.  Ak by sme ponorili túto sklenenú ampulku do vody alebo ťažkej vody, unikajúce neutróny by sa spomalili a mali by väčšie šance naraziť do jadra (pri vysokých rýchlostiach by sa pravdepodobne odrazili), s ktorým by mohli zreagovať.

Takto uvoľnené neutróny môžme použiť napríklad na ostrelovanie nestabilného jadra uránu . Jadrová reakcia, ktorá prebehne má viacero možných produktov, napríklad  alebo Jadrá, ktoré takto vznikajú sú rádioaktívne (nestabilné) a vyžarujú častice α (jadrá hélia), β (elektróny, prípadne pozitróny) a γ (fotóny s vysokou energiou). Je viac reakcí s ale väčšina má spoločné uvoľňovanie energie okolo 200MeV (závisí od rozdielov v konkrétnej reakcii) a vznik ďaľších neutrónov schopných zreagovať s ďaľšími jadrami uránu , z ktorého zasa vyletia neutróny... Takto vzniká reťazová reakcia, kde sa stále zvyšuje počet reakcií, ktoré prebehnú za sekundu a uvoľnuje sa stále viac energie.
 
3  VYUŽITIE REŤAZOVEJ  REAKCIE
Reťazová reakcia je charakteristická tým, že sa pri nej lavínovite zvyšuje počet uvoľnených neutrónov, ktoré sa uvoľnia za sekundu. Zvýši sa tým pádom aj počet reakcií, ktoré prebehnú za sekundu a energia, ktorá sa za sekundu uvoľní. Ak by sme chceli jadrovú energiu využiť napríklad v elektrárni, museli by sme zabezpečiť, aby sa ani nezvyšoval ani neznižoval počet reakcí za sekundu. Pri zvyšovaní rýchlosti reakcie a dostatku štiepitelných jadier by sa uvoľnená energia začala prejavovať na zvýšení teploty reaktora. Tá by rýchlo rástla a s ňou aj tlak v reaktore. Po čase by reaktor vybuchol. Rýchlosť jadrovej reakcie našťastie vieme ovládať napríklad brzdiacimi tyčami z kadmia. Tie by pohltili väčšinu neutrónov a reakcia by sa vrátila do zvládnuteľných noriem. Teplo reaktoru odvádza voda, ktorá reaktor chladí. Tá ako para roztáča turbíny, ktoré produkujú elektrický prúd. Pri jadrových bombách je potrebné, aby počet reakcí za sekundu stále stúpal, až kým by tlak a teplota bombu neroztrhli a tá by nevybuchla. Na zvýšenie počtu reakcií musíme zvýšiť šancu nárazu neutrónu do jadra . Tú môžme zvýšiť keď jadrové palivo stlačíme. To sa dá urobiť napríklad výbuchom TNT okolo uránu. Pod vrstvou uránu je emitér neutrónov (dá sa použiť aj vyššie spomenutá ampulka s radónom a berýliom). Emitér neutrónov by síce podnecoval jadrové reakcie uránu ale pokiaľ urán nie je stlačený, pravdepodobnosť reťazovej reakcie je malá. Urán vieme stlačiť výbuchom TNT (alebo aj inej chemickej výbušniny). V stlačenom uráne by už pravdepodobnosť reťazovej reakcie bola veľmi veľká a bomba by v zlomku sekundy vybuchla. Kým bomba vybuchne, stihne sa zpotrebovať len malé percento uránu. Po výbuchu už reakcia neprebieha kvôli skoro nulovým pravdepodobnostiam zásahu jadra neutrónom. Aj v reaktoroch, aj po výbuchu jadrovej bomby ostanú po reakcií nestabilné jadrá, ktoré rozpadajú a uvoľňujú emisie α, β a  γ žiarenia.
 
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.

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 termojadrových produktov.  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. 

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.

 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. Keď jadro dosiahne hmotnosť šesťdesiat, viac k syntéze vo hviezde nedôjde, pretože je nepriaznivá. Akonáhle hviezda 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. 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.
 
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 fúznych elektrárni je ľahko dostupné, pretože je ním ťažký vodík (deutérium). Na 6500 atómov Vodíka pripadá jeden atóm Deutéria a Trícia.
 
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 (Atomic Weapons Establishment) a LLNL (Lawrence Livermore National Laboratory). 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