J a d e r n á e n e r g i e

Transkript

1 J a d e r n á e n e r g i e 1. Atom, co už víme o atomech Fyzika 9 Jaderná energie nejmenší částečky sloučenin molekuly nejmenší částečky prvků atomy slučují-li se dva prvky ve sloučeninu vytvářejí molekulu atom jádro + obal obal elektrony. Elektrony lze odtrhnout (kationt) ultrafialovým zářením, plamenem svíčky, posvícení na sluneční baterii z atomů se uvolňují záporně nabité elektrony, ty mohou vytvářet elektrický proud z atomů se zároveň stávají kladně nabité ionty (anionty) při vzájemném tření dvou těles přecházejí elektrony z jednoho z nich na druhé, přičemž jedno z nich se nabíjí kladně a druhé záporně proces, při němž obal atomu ztrácí nebo přibírá elektrony a stává se elektricky nabitým iontem se nazývá ionizace rozbití atomu = rozbití atomového jádra Prvním experimentem, který přinesl poznatky o vnitřní struktuře atomu, byl proslulý pokus E. Rutherforda z roku Tenká zlatá fólie byla ostřelována rychle letícími kladnými částicemi. Většina částic prolétla prakticky beze změny směru, ale některé se od původního směru více nebo méně odchýlily. Nepatrný počet částic se dokonce vracel zpět. Z toho Rutherford usoudil, že v atomu musíme rozlišovat mezi dvěma částmi. Téměř celá hmota atomu je soustředěna ve velmi malé oblasti s kladným nábojem (jádro), oblast kolem jádra má záporný náboj a zanedbatelnou hmotnost (elektronový obal). Většina objemu atomu je "prázdná", podobně jako je prázdná většina meziplanetárního prostoru. Rozměry atomu jsou nepatrné, přibližně m, tedy jedna desetimilióntina milimetru. Jádro atomu je však ještě mnohem menší - jeho "průměr" je ještě asi sto tisíckrát menší, kolem m. 2. Atomové jádro atom obsahují záporně nabité elektrony (obal), atomové jádro (kladné protony 1800*těžší než elektrony, neutrony) protony: jedná se o kladně nabité částice, náboj je stejně velký jako náboj elektronů, ale je opačný, proton je asi 1800 krát těžší než elektron počet protonů = stejný počet neutronů (aby atom nebyl kladný ani záporný) protonové číslo (udává chemické vlastnosti atomu) neutrony: jedná se o elektricky neutrální částice, tzn. částice, co nemají žádný náboj hmotnost neutronů je přibližně stejná jako hmotnost protonů protony + neutrony (přibližně stejná hmotnost) nukleony celkový počet nukleonů nukleonové číslo

2 Nuklidy, izotopy, prvek Nuklidy: jsou to látky, které jsou složeny ze zcela stejných atomů, tzn. atomů, které mají stejné protonové i nukleonové číslo Izotopy: jsou to atomy stejného prvku, které mají stejné protonové číslo, ale různé nukleonové číslo. To znamená, že se liší počtem neutronů, izotopy jednoho prvku mají stejné chemické vlastnosti. Chemický prvek: je to látka, která se skládá z atomů, které mají stejné protonové číslo, ale mohou mít různé nukleonové číslo, tzn. prvek je směs izotopů Izotopy vodíku Vodík jeden proton, jeden elektron, žádný neutron Deuterium - jeden proton, jeden elektron, jeden neutron Tritium - jeden proton, jeden elektron, dva neutrony. Izotopy uhlíku Uhlík 12 šest protonů, šest elektronů, šest neutronů. Uhlík 14 - šest protonů, šest elektronů, osm neutronů. Síly v jádře Gravitační síla: Je silou přitažlivou, protony i neutrony na sebe působí navzájem gravitační silou. Elektrická síla: Je silou odpudivou. Působí jen mezi protony, vzhledem k tomu, že mají protony kladný náboj, tak se navzájem odpuzují. Jaderná síla: Je silou přitažlivou, protony i neutrony na sebe působí jadernou silou. Jaderná síla mezi protony a neutrony je mnohonásobně větší než elektrická síla. Jaderná síla působí pouze v jádře, mimo jádro se s ní nesetkáme. Říkáme, že jaderná síla má krátký dosah. Otázky: 1) Z jakých částic se skládá atom a jak jsou v něm uspořádány? 2) Jaké vlastnosti mají protony, elektrony a neutrony? 3) Co jsou to nukleony? 4) Co je protonové a nukleonové číslo? 5) Co je to nuklid a co je to izotop? 6) Zapiš značku nuklidu uhlíku 14, kyslíku 18, železa 56, uranu 235, plutonia 239. Vysvětli, kolik protonů a neutronů mají jednotlivé nuklidy. 7) Jaké síly působí v jádře atomu a jaké mají vlastnosti? 8) Následující jádra rozděl do skupin tak, aby v každé skupině byly izotopy stejného prvku.

3 3. Radioaktivita Trochu z historie 1896 Henri Becquerel - Objevil, že uranová ruda zvaná smolinec vyzařuje neviditelné záření. Tato schopnost látek vyzařovat samovolně neviditelné pronikavé záření byla nazvána RADIOAKTIVITA. Marie a Pierre Curieovi - Ve výzkumu pokračují a zpracovávají celý vagón uranové rudy, až nacházejí po mnoha měsících nové neznámé prvky polonium a radium Jako první žena se stala Curie-Sklodowská hned dvakrát laureátem Nobelovy ceny 1903 Nobelova cena fyziku za zkoumání radiačních jevů 1911 Nobelova cena za chemii za objev radia a polonia. Co je radioaktivita Během radioaktivního záření se atomová jádra určitých prvků přeměňují na jádra prvků jiných s nižším nukleonovým číslem. RADIONUKLIDY - Látky, které jsou tvořeny atomy prvků, které vyzařují radioaktivní záření. a) Záření alfa Je tvořeno jádry atomů helia. Toto záření sice není příliš pronikavé, ale uvnitř organismu smrtelně nebezpečné. Lze pohltit již listem papíru nebo i vrstvou vzduchu. Je nebezpečné na vdechnutí. b) Záření beta Je tvořeno proudem rychle letících elektronů (beta -) nebo pozitronů (beta +). Pozitron částice s kladným nábojem, která má ale stejnou hmotnost jako elektron. Částice záření β mají rychlost blízkou rychlosti světla. Je pronikavější než záření α, ale lze odstínit slabou vrstvou hliníku. c) Záření gama Krátkovlnné elektromagnetické záření (elektromagnetická vlna). Je podobné záření rentgenovému, proto jej lze pohltit silnou vrstvou olova. d) Záření neutronové Je to proud neutronů. Je velmi pronikavé, protože částice nemají žádný elektrický náboj, a proto na ně nepůsobí odpudivé síly jader. Na ochranu je nutno volit materiály, které jsou porézní a tvořeny z lehkých jader. Např. vrstvu vody nebo beton.

4 Přehled radioaktivního záření Poločas přeměny Je to doba, za kterou se změní polovina jader v daném množství radionuklidu. Poločas rozpadu je velmi různý od několika sekund do milionů let. Některé hodnoty poločasů rozpadu: Poločas rozpadu radonu 3,8 dne, radia 1620 roků, uranu 238 4,5 miliardy let Příklad: Kolik gramů radia zbyde po 1620 letech, když na počátku je 200 g tohoto radionuklidu? Poločas rozpadu je 1620 let, to znamená, že za tuto dobu se rozpadne polovina jader. Za 1620 let zbyde tedy 100 g radia. Radionuklidy Radionuklidy jsou přirozené a umělé. Přirozené radionuklidy: V přírodě je asi 50 přirozených radionuklidů. K nejdůležitějším patří uran 238 jeho přeměnou vznikají další radionuklidy, radionuklidy vznikají tak dlouho až vznikne stabilní nuklid. Umělé radionuklidy: Tyto radionuklidy se vyrábějí v laboratořích v reaktorech nebo urychlovačích. Používají se ve vědě, technice a v lékařství. Mezi nejznámější patří plutonium 239 (poločas rozpadu let). Otázky: 1) Co je to radioaktivita? 2) Porovnej záření α, β, γ. 3) Čím je nebezpečné záření α? 4) Popiš neutronové záření a jak se lze chránit? 5) Co se děje s jádrem nuklidu při jaderné přeměně? 6) Co je poločas přeměny? 7) Jaký je rozdíl mezi přirozenými a umělými nuklidy? 8) Jak vznikají umělé radionuklidy? 9) Kolik radia zbude z 200 g za let? (poločas rozpadu radia je let) 10) Jak může v přírodě existovat radon, který má poločas rozpadu 3,8 dne? 11) Vysvětlete, proč jsou velká a těžká jádra většinou radioaktivní (sama se snadno rozpadají a vystřelují rychlé částice), kdežto malá a lehká jádra většinou radioaktivní nejsou.

5 4. Využití radioaktivity Ionizující záření našlo uplatnění v nepřeberném množství různých aplikací. Všimneme si jenom těch oblastí, které více či méně souvisí s naším denním životem. Používané radionuklidy se získávají buď z materiálů vykazujících přírodní radioaktivitu, nebo se připravují ozařováním v reaktorech nebo urychlovačích. Kromě toho je možné radionuklidy získat i z vyhořelého paliva jaderných reaktorů. Využití v průmyslu průmyslová defektoskopie: výrobek se prozařuje zářením gama a na jeho opačné straně se umístí kazeta s filmem. Skryté vady materiálu se projeví různým stupněm zčernání filmu hlásiče kouře a požáru: čidlo obsahuje radioaktivní zářič a, který v čistém vzduchu udržuje slabý proud mezi elektrodami. Kouř v prostoru způsobí změnu tohoto proudu a elektronika hlásiče na ni zareaguje měření tloušťky materiálu: záření prochází měřeným materiálem a je jím pohlcováno v závislosti na tloušťce vrstvy. Metoda se využívá např. ve válcovnách plechu nebo při výrobě plastů radiační polymerace: ozářením dojde k polymeraci materiálů, sloužících k výrobě sportovní výstroje, obuvi, čalounění apod. stopovací metody: vhodný radioizotop se přimísí např. ke zpracovávanému materiálu a umožňuje tak kontrolovat promíchávání směsí, úniky netěsnostmi v potrubí, opotřebení součástek strojů apod. Využití ve zdravotnictví Radioaktivní a rentgenové záření se začalo využívat v medicíně téměř ihned po jejich objevu a dnes patří využívání nukleární medicína k významným lékařským oborům. diagnostika: používají se např. metody obdobné stopovacím metodám v průmyslu. Do organismu jsou zavedeny vhodné radioizotopy a měří se stupeň jejich absorbování různými tkáněmi a orgány. radiofarmaka: při léčení zhoubných nádorů štítné žlázy se zářič dostane přímo do ložiska nádoru, jeho účinek se omezuje prakticky jen na ozařovaný nádor radioterapie: zhoubné nádory se ozařují zdroji, umístěnými mimo tělo pacienta. Používá se buď více nepohyblivých zdrojů (paprsky z nich jsou soustředěny do místa nádoru), nebo jednoho zdroje pohybujícího se po kružnici (ozařovaný nádor je ve středu této kružnice) radiochirurgie: k operacím, například mozku, se využívá pronikavé záření. Známý Leksellův gama nůž má v ozařovací hlavici zabudováno 201 zářičů g, jejichž paprsky jsou soustředěny do operovaného místa balneologie: používání radioaktivních koupelí má dlouhou tradici, např. v lázních Jáchymov. Léčí se zde hlavně nemoci pohybového ústrojí. sterilizace materiálu: ionizující záření ničí choroboplodné zárodky bez nutnosti zahřívání materiálu na vysokou teplotu. Takto se dá získat i sterilní strava při omezené funkci imunitního systému pacienta

6 Využití v zemědělství Moderní zemědělství a potravinářská výroba používají k různým účelům ionizující záření již několik desítek let ve výzkumu i v praxi. šlechtitelství: ozařováním semen dochází k mutacím, umožňuje získat plodiny s pozměněnými vlastnostmi nebo vytvářet odrůdy zcela nové. ochrana skladovaných potravin: ozářením potravin radiokobaltem se zničí mikroorganismy způsobující hnilobu, dojde k prodloužení doby skladovatelnosti. Ozařováním se také potlačuje nežádoucí klíčivost např. brambor. chov hospodářských zvířat: analýza záření z radioindikátorů slouží k optimalizaci krmných dávek nebo ke kontrole zdravotního stavu zvířat Využití v ochraně životního prostředí V ekologii nacházejí radionuklidy a jejich záření uplatnění především k indikaci a analýze škodlivých látek v půdě i v ovzduší. Těmito metodami je možno včas upozornit na nebezpečí poškození životního prostředí. Sledování radioaktivity v okolí jaderných elektráren a jiných zařízení jaderného průmyslu je na vysoké úrovni. Včasná kontrola radioaktivity však může přispět i k ochraně před radioaktivitou z přírodních zdrojů, např. z popílků tepelných elektráren nebo z radioaktivního plynu radonu v obytných domech. Využití v dalších oblastech Nejznámější aplikací přírodní radioaktivity v archeologii je metoda zjišťování stáří předmětů z organických materiálů měřením aktivity radioizotopu uhlíku 6C14. Neutronová a rentgenová aktivační analýza slouží k ověřování pravosti nebo zjišťování původu uměleckých předmětů. Ionizujícím zářením se ošetřují umělecké předměty, aby byly chráněny před napadením plísněmi nebo dřevokazným hmyzem. Vodohospodáři využívají radionuklidy k měření průtoků v řekách i vodovodních potrubích. Ozařováním je možno ošetřit také odpadní vody obsahující některé nebezpečné látky ještě před přivedením do běžných čističek odpadních vod. Zářiče s radiokobaltem zabraňují množení nežádoucích mikroorganizmů, které snižují kvalitu pitné vody ve studních. V geologickém průzkumu se už dávno využívá tzv. radioaktivní karotáž. Při ní se do geologického vrtu nejprve spustí sonda s neutronovým zářičem a poté se měří sekundární radioaktivita geologických vrstev, vyvolaná tokem neutronů. Měřením aktivity plynných radionuklidů v půdě se určuje stáří geologických vrstev, rozptylem neutronů se měří vlhkost půdy nebo přítomnost zdrojů podzemní vody či ropy. Ionizující záření slouží také při bezpečnostní detekci na letištích, prověřuje se jím složení materiálů ukládaných na skládky, využívá se v restaurátorských dílnách atd.

7 5. Jaderné reakce Trochu historie Již ve středověku se lidé zabývali tím, že chtěli vyrobit zlato z jiných prvků. Dnes již víme, že je to možné, neboť při přestavbě atomu, lze změnit prvky na jiné prvky. Zlato se takto ale nevyrábí, neboť by bylo mnohem dražší než přirozené. Výroba by byla velmi náročná. První jadernou reakci objevil Ernest Rutherford (narozen na Novém Zélandu v rodině skotského emigranta) Rutherford experimentálně dokázal ostřelováním částicemi dusíku získat radioaktivní vodík (ozařoval dusík částicemi alfa a získal protony s velkým doletem). - při srážkách atomových jader, letících proti sobě může docházet k jaderným reakcím. Při nich se jedno jádro může změnit v jádro jiné je možná přeměna prvku v jiný součet protonových a nukleonových čísel musí být stejný na obou stranách rovnice - elektrony a atomová jádra jsou v atomu vázána elektrickými silami. Nukleony jsou vázány v atomovém jádře milionkrát většími jadernými silami. Při chemických nebo jaderných reakcích může dojít k uvolnění energie. Uvolněná energie záření tlakové a tepelné účinky lze přeměnit na elektrickou - jaderná energie se uvolňuje buď při radioaktivní přeměně jader nebo při některých jaderných reakcích - štěpení těžké atomové jádro dvě jádra menší - slučování dvě lehká jádra jádro těžší princip uvolňování energie v nitru Slunce a hvězd (slučování H He) - Einstein rovnice E=mc 2 (E= energie, m=hmotnost látky, c=rychlost světla ve vakuu m/s) Druhy jaderných reakcí a energie Jaderné štěpení těžké atomové jádro se rozdělí na dvě lehčí. Jaderné slučování ze dvou lehkých jader vzniká jádro těžší. Energie se může uvolňovat při chemických i jaderných reakcích, neboť dochází k energetickým přeměnám. Například při chemické reakci hoření se uvolňuje energie. Milionkrát větší energie se však uvolňuje při jaderných reakcích v reaktorech elektráren nebo při výbuchu. Energie má podobu záření, tato energie potom může být přeměňována např. na elektrickou. Řetězová reakce Pomalý neutron narazí do jádra uranu 235. Jádro, do kterého přibude tento neutron je vysoce nestabilní a rozpadne se na dvě lehčí jádra a uvolní se dva až 3 neutrony.

8 Uvolněné neutrony narážejí do dalších jader uranu 235 a dochází ke štěpení. Kritické množství aby probíhala řetězová reakce, musí mít štěpný materiál určitou hmotnost, aby obsahoval dostatečné množství ke štěpení. Tuto hmotnost označujeme jako kritickou hmotnost. Štěpný materiál Řetězová reakce probíhá ve štěpných materiálech. Jediný přírodní štěpný materiál je uran 235 ( ). Přírodní uran je tvořen především uranem 238, uranu 235 je v něm jen 0,7%. Uran 235 se získává náročným způsobem. Z uranu 238 se v reaktorech uměle vyrábí plutonium 239. Z thoria 232, kterého je v přírodě dost, se získává uran 233. Ten je také štěpným materiálem. Jaderné slučování (syntéza) Sloučení lehčích jader a vznik těžšího. Například sloučení deuteria a tritia. Ke slučování jader je třeba vysoká energie. Hovoříme o termonukleární reakci. Taková teplota buď vzniká při výbuchu vodíkové bomby, nebo v nitru hvězd. Např. tato reakce je zdrojem energie našeho Slunce. Otázky: 1) Jak se liší chemická a jaderná reakce? 2) Která z níže uvedených reakcí je chemická a která jaderná. Svou odpověď zdůvodni. 3) Je možné vyrábět zlato z jiných prvků? 4) Jaké jsou druhy jaderných reakcí? 5) Co jsou štěpné materiály? 6) Jak se získává uran 235 a plutonium 239? 7) Popiš průběh řetězové reakce. 8) Co je to kritická hmotnost? 9) Vysvětli jaderné slučování. 10) Podle obrázku vysvětli, jak probíhají jaderné reakce štěpení a slučování.

9 6. Jaderný reaktor - řetězové reakce jaderný reaktor štěpení uranu 235 (palivo uranové tyče) - základní část reaktoru, kde probíhá řetězová reakce aktivní zóna - zpomalování reakce moderátorem ( řízená řetězová reakce) těžká voda, grafit - ovládání reaktoru regulační tyče kadmium, ocel pohlcují přebytečné neutrony zasouvání a vysouvání mění se výkon reaktoru, kdyby se počet neutronů začal nebezpečně zvyšovat havarijní tyče (automaticky) - reaktor se musí chladit - aby voda zůstávala v kapalném stavu při vysokých teplotách aktivní zóna umístěna v tlakové nádobě - horká voda koluje v primárním okruhu část své vnitřní energie odevzdává v parogenerátoru (vyvíječi páry), který je součástí sekundárního parního okruhu - pára vedena do turbíny výroba E pak probíhá jako u elektráren na uhlí - pára se zkapalňuje a ochlazuje vznikající teplá voda může být využita na vytápění domů 7. Jaderná energetika - jaderná část uzavřena v kontejnmentu ochranná obálka z oceli a betonu ani pád letadla nenaruší jeho těsnost - otázka likvidace vyhořelého paliva - inherentní bezpečnost v případě nebezpečí se elektrárny samy odstaví bez zásahu člověka - uvažuje se o umisťování jad. elektráren pod zem - palivový cyklus: - těžba uranové rudy drcení, mletí, slučování s kyselinou koncentrát oxidu uranu žlutý koláč jaderné palivo palivové články do jaderných elektráren jednou za rok třetina ochuzeného o štěpný materiál z reaktoru vyjímá a aktivní reaktoru se doplňuje čerstvým palivem

10 - vyhořelé palivo nejprve uchováváno ve vodním bazénu v elektrárně radioaktivita klesne mezisklad (elektrárna X vně, suchý X mokrý) ukládáno do ocelových nebo betonových obalů hledání kam to uložit nevynalezeno 8. Ochrana před zářením - draslík 40 (radioaktivní, v našem těle) - omezení rentgenů, slunění, více větrat - měření záření detektory záření (DOZIMETRY) - je-li radioaktivní záření pohlceno třeba lidským tělem, předá mu svou energii měří to dozimetry (můžeme určit, jakému záření byl člověk vystaven) - před zářením se chráníme stíněním olověných cihel, oceli, vody, betonu - záření se sčítá buď jednou ohromné, nebo dlouho malé - jaderný výbuch doprovázen teplotou a tlakovou vlnou úkryt pod hranou terénu, vrstvy olova, betonu, zeminy, užití ochranného oděvu - dlouhodobé zamoření terénu stroncium se může dostat do těla mlékem a ukládá se do kostí jako vápník. Použité zdroje 1) vlastní zdroje autora 2) materiály Základní školy Ondřejov 3) webová stránka