Vypracovali: J. Horváth, B. Horváthová
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.
Pri mnohých jadrových procesoch sa mení časticové zloženie jadier. Rozlišujeme dva typy jadrových reakcií:
- Syntéza (fúzia) ľahkých jadier na ťažšie (A < 56, zvyčajne A « 56 ). Aby sa syntéza uskutočnila je nevyhnutné, aby sa kladne nabité jadrá priblížili k sebe na vzdialenosť rovnajúcu sa dosahu jadrových síl. Tomuto približovaniu bráni elektrostatické odpudzovanie jadier. Na jeho prekonanie potrebujú častice veľkú energiu. Potrebnú energiu môžu získať napr. v horúcom plyne (plazme). Hovoríme o termonukleárnej syntéze.
táto reakcia prebieha pomaly na Slnku
tieto reakcie prebiehajú ľahko, no je nedostatok trícia.
- Štiepenie ťažkých jadier na ľahké (A > 56, zvyčajne A > 200). Pri reakcii sa využíva skutočnosť, že neutrón nie je odpudzovaný od jadra. Premeny jadier vyvolané dopadom neutrónu začal študovať v roku 1934 E. Fermi. Uvedené pokusy opakovali v Nemecku Hahn a Strassmann. Zistili, že jadrá uránu sa štiepia na dve stredne ťažké jadrá.
Hviezdičkami sú označené excitované nestabilné jadrá, ktoré sa ďalej rozpadajú. Tieto reakcie majú dve spoločné vlastnosti. V každej reakcii sa uvoľňuje asi 200 MeV energie, z toho asi 80 % ako kinetická energia jadier a neutrónov v koncovom stave. Vo väčšine reakcií vznikajú opäť neutróny, ktoré vyvolávajú ďalšie štiepenie – vzniká reťazová reakcia. Na jej začatie je potrebné kritické množstvo štiepneho materiálu. Pre urán je to asi 44,5 kg. Určitému usporiadaniu vzorky zodpovedá istý stredný počet účinných neutrónov k (priemerný počet neutrónov uvoľnených z jadra pri štiepení, ktoré vyvolajú ďalšie štiepenie). Pri k > 1 sa reťazová reakcia lavínovite zväčšuje (reakcia sa využíva v jadrových bombách), pri k < 1 vyhasína, pri k = 1 je stacionárna.
Výskum štiepnej reakcie viedol k zostrojeniu amerických atómových bômb, ktoré padli 6. a 9. augusta na japonské mestá Hirošimu a Nagasaki. Prvá sovietska jadrová bomba vybuchla v septembri roku 1949.
Stacionárna reakcia prebieha v reaktore jadrovej elektrárne. Reťazovú reakciu v reaktore možno riadiť tokom účinných (pomalých) neutrónov. Tie sa spomaľujú pomocou moderátora – voda, grafit. Výkon reaktora sa ovláda pomocou regulačných tyčí, ktoré sú z materiálu, ktorý pohlcuje neutróny (B, Cd).
Niektoré typy jadrových reaktorov používaných v jadrových elektrárňach:
PWR – Tlakovodný reaktor
BWR – Varný reaktor
PHWR – Reaktor moderovaný a chladený ťažkou vodou
LWGR – Grafitom moderovaný a ľahkou vodou chladený reaktor
Najrozšírenejším je tlakovodný reaktor (PWR), pretože je najbezpečnejší a najspoľahlivejší spomedzi jadrových reaktorov.
Na obrázku vidíme zjednodušený náčrt jadrovej elektrárne.
Z bezpečnostných dôvodov sú použité tri oddelené okruhy pre zabránenie úniku rádioaktivity do okolia jadrovej elektrárne.
Primárny okruh – sa skladá z tlakovej nádoby reaktora (1) vrátane aktívnej zóny, palivových kaziet a chladiacej vody (2). Reťazová reakcia prebieha v aktívnej zóne. Chladiaca voda preteká aktívnou zónou okolo palivových kaziet a je ohrievaná. Pretože je v reaktore udržiavaný vysoký tlak, nevzniká para. Ohriata voda prechádza cez parogenerátor (3), kde sa ochladzuje a je dopravená opäť do tlakovej nádoby.
Sekundárny okruh – sa skladá z parogenerátora (3). Pretože je v parogenerátore nízky tlak, vzniká v ňom para pre pohyb turbíny (4). Turbína je spojená s generátorom (5) na výrobu elektriny. Expandovaná para (ktorá prešla turbínou) je kondenzovaná na vodu v kondenzátore (6). Voda je znova dopravená do parogenerátora.
Tretí okruh – sa skladá z kondenzátora (6). Kondenzácia vody je dosahovaná schladzovaním expandovanej pary prostredníctvom cirkulačnej chladiacej vody (7) z vonkajšieho zdroja (8) steny budovy sú tvorené hrubým betónom.
Jadrové reaktory sú významné nielen ako zdroje energie, ale aj ako zdroje neutrónov.
Použitá literatúra :
- Vladimír Lank, Miroslav Vondra : Fyzika v kocke pre SŠ
- Emanuel Svoboda : Přehled středoškolské fyziky
- Pavol Tarábek : Zmaturuj z fyziky
- Ján Pišút a kol . Fyzika pre 4. ročník gymnázia