INOVACE ODBORNÉHO VZDĚLÁVÁNÍ NA STŘEDNÍCH ŠKOLÁCH ZAMĚŘENÉ NA VYUŽÍVÁNÍ ENERGETICKÝCH ZDROJŮ PRO 21. STOLETÍ A NA JEJICH DOPAD NA ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ

Transkript

1 INOVACE ODBORNÉHO VZDĚLÁVÁNÍ NA STŘEDNÍCH ŠKOLÁCH ZAMĚŘENÉ NA VYUŽÍVÁNÍ ENERGETICKÝCH ZDROJŮ PRO 21. STOLETÍ A NA JEJICH DOPAD NA ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ CZ.1.07/1.1.00/ ENERGIE PŘEHLED Mgr. DAGMAR AUTERSKÁ, Ph.D. TENTO DOKUMENT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY

2 1 Atom V SRDCI HMOTY: ATOMY CHEMICKÉ PRVKY A IZOTOPY ČTYŘI ZÁKLADNÍ INTEREAKCE NUKLEÁRNÍ FYZIKA Od velkého k malému nekonečnu 1

3 Str. 2 Obsah V srdci hmoty:atomy 4 Složení atomů 5 Velikost atomu a jeho jádra 5 Hmota atomu 6 Elektrický náboj atomu 6 Chemické prvky a izotopy 8 Chemické prvky 9 Izotopy 9 Každý atom se skládá z jádra obklope- Mendělejevova tabulka 11 ného elektrony Čtyři základní interakce 12 Silná 13 Elektromagnetická 13 Slabá 14 Gravitace 14 Nukleární fyzika 15 Stručný popis jádra 16 Mikrochirurgie jádra 16 Nukleární horko (žár) 19 Str. 3 Úvod Elektrostatický výboj Fotografie : zleva doprava- Joseph Thompson, Ernest Rutherford a James Chadwick ÚVOD Za objevení atomu vděčíme takovým filozofům jako jsou Leucippus nebo Demokritos, kteří při hledání odpovědi na otázky týkající se počátku a konce vesmíru, jedinečnosti a rozdílnosti materielních forem života, našli společný jmenovatel, kterým je pro všechny bytosti i pro celý Vesmír atom. Během let a století přispěla tato touha porozumět vzniku světa k tomu, že fyzikové začali považovat atom za fyzický předmět. Tato malá jednotka hmoty umožnila udělat velký krok vpřed k pochopení našeho Vesmíru, je stále předmětem mnohých bádání a zatím ještě neřekla své poslední slovo. 2

4 Exkurz do historie Už v pátém století před naším letopočtem, Leuccipus a posléze Demokritos nazvou tuto malou jednotku hmoty, nekonečnou, nelimitovanou a neustále se rychle pohybující slovem atom (z řeckého atomos, nelze jej rozdělit). Bude zapotřebí let, než dojde k prohloubení těchto znalosti. V roce 1897 Joseph John Thompson objevuje jednu ze složek atomu, elektron. V roce 1904 si představuje atomy jako koule naplněné elektropozitivní substancí a mající uvnitř negativně nabité elektrony. V roce 1911 si anglický vědec Ernest Rutherford všimne, že částice, kterými bombarduje hmotu, jí procházejí, jako kdyby to bylo vzduchoprázdno, s výjimkou velmi malého počtu těch, které se odchylují nebo i odrazí jako kulky ze zbraně vystřelené proti široké a vysoké zdi. Dospěl k vysvětlení, že hmota atomu je soustředěna převážně v jádře a to je stotisíckrát menší než atom. Poté je objeveno, že četné malé částice, protony, nesou kladný elektrický náboj jádra. A v roce 1932 objevuje James Chadwick neutron, neutrální částici jádra. Když je neutron samotný, rozkládá se na protony a elektrony, a když se nachází uvnitř atomového jádra, je stabilní. V roce 1969 bombardují fyzici jádra paprskem elektronů, které jsou dostatečně zrychlené, aby pronikly do srdce jaderných částic. A Rutherfordův příběh se opakuje, tentokrát přímo uvnitř jaderných částic, kde se některé elektrony odrážejí zdánlivě podivným způsobem. Může se to vysvětlit pouze tím, že existují ještě menší částice. A tak byly objeveny kvarky. V každé jaderné částici jsou tři. Posledním objevem je tedy kvark. Možná se jednoho dne objeví uvnitř kvarku ještě menší částice. K tomu bude zapotřebí mít ještě výkonnější urychlovače částic. Čím menší částice chceme vidět, tím větší mikroskopy k tomu potřebujeme. 3

5 Str. 4 ATOM SE SKLÁDÁ Z JÁDRA OSAHUJÍCÍHO PROTONY A NEUTRONY A OBALU, KTERÝ TVOŘÍ ELEKTRONY. V srdci hmoty atomy 4

6 Str.5 Složení atomů Planety, vzduch, voda, kameny, živí tvorové všechna tato tělesa se skládají z atomů nebo ze spojení atomů (molekul ). Na rozdíl od svého etymologického významu je atom dělitelný. Jak je vystavěn? Atom se skládá: Z atomového jádra, které je tvořeno protony a neutrony. Protony a neutrony představují jaderné částice (z řeckého slova nukleus znamenajícího jádro). Z elektronového obalu, ve kterém elektrony rotují neuvěřitelnou rychlostí kolem jádra. Je nemožné si představit jejich dráhu pohybu; pouze matematické vzorce nám umožní předvídat v obalu, který obklopuje jádro atomu, zóny, kde máme větší či menší šanci elektrony potkat. Existuje hodně různých atomů, ale všechny se skládají ze stejných částic, to je z protonů, neutronů a elektronů Velikost atomu a jeho jádra Průměr elektronového kulovitého obalu je řádově metru. Je to skutečně miniaturní rozměr. Abychom se dostali na jeden centimetr bylo by zapotřebí spojit sto milionů atomů. Jádro je ještě mnohem menší. Představuje kouli o středním průměru metru, což je téměř sto tisíckrát menší velikost než má celý atom s elektronovým obalem. Zobrazení obalu elektronů atomu lithia. Atom lithia má 3 protony, 4 neutrony a tři elektrony. Nemůžeme určit přesnou pozici elektronů v obalu atomu. Na tomto zobrazení se elektrony nacházejí nejpravděpodobněji v nejtemnějších zónách. Tento obrázek vznikl na základě matematického vzorce. Str. 6 Prostor mezi jádrem a obalem elektronů je prázdný 5

7 Hmota atomu Hmota není v atomu rozložena homogenním způsobem. Protony a neutrony mají přibližně stejnou hmotu a jsou přibližně dvou tisíckrát těžší než elektron, takže v jádru je soustředěna téměř celá hmota atomu. Látka, která tvoří jádro, je milion miliardkrát hustší než obyčejná látka. Kdyby se všechna jádra Země spojila, naše planeta by měla v průměru sotva víc než sto metrů a zrnko písku by vážilo více než jednu tunu. Pro lepší představu o velikosti hmoty jádra postačí, když se dozvíme, jaký je počet jaderných částic (nazývaný rovněž hmotné číslo). Když víme, že hmota jaderné částice přibližně 1, kg, bude už snadné si vypočítat přibližnou hmotu atomu. Přesto je výsledek výpočtu pouze přibližným odhadem. (viz brožura: Fusion a Fission) Elektrický náboj atomu Ze třech prvků, které tvoří atom, jediný neutron nemá elektrický náboj, je neutrální a odtud pochází i jeho název. Proton má kladný náboj a elektron záporný. Atom v normálním stavu obsahuje stejný počet protonů jako elektronů. Je tudíž elektricky negativní. Přesto při určitých podmínkách (chemické reakce), může atom ztratit čí získat jeden či více elektronů a stát se tak kladně nebo záporně nabitým. V tom případě se nazývá iont. V přírodě jsou všechna tělesa (látky) složena z atomů a jejich spojení (molekul) 6

8 Str. 8 V ZÁVISLOSTI NA POČTU PRVKŮ, KTERÉ JE TVOŘÍ, SE ATOMY ŘADÍ DO RŮZNÝCH KATEGORIÍ. Chemické prvky a izotopy 7

9 Str. 9 Chemické prvky Chemický prvek je souborem atomů, které mají stejný počet protonů. Je označován symbolem skládajícím se z jednoho nebo ze dvou písmen. (např. 1 H je vodík mající pouze jeden proton, 26 Fe je železo, které má 26 protonů). Atomy, které se momentálně přirozeně vyskytují na Zemi, patří k 90 chemickým prvkům obsahujícím jeden až k 92 protonů. Chemické prvky technecium (Tc) se 43 protony a promethium (Pm) se 61 protony neexistují v přírodním stavu. Mohou být vyrobeny uměle stejně jako ostatní chemické prvky mající více jak 92 protonů jako například plutonium (Pu) s 94 protony. Izotopy V jádrech se kromě protonů nacházejí i neutrony. Atomy chemického prvku, které mají různý počet neutronů, se nazývají izotopy tohoto prvku. Například: Všechny izotopy vodíku mají jeden proton a žádný, jeden nebo dva neutrony. Jsou to lehký vodík (nazývaný často pouze vodík, neboť je nejrozšířenější), (pokračování na straně 10) 8

10 Str. 10 Izotopy jsou v podstatě atomy - bratři, které mají stejné chemické vlastnosti, ale rozdílný počet neutronů. Izotopy Vodík 1 H Deuterium 2 H nebo D Tritium 3 H nebo T 1 elektron 1 elektron 1 elektron Jádro : 1 proton Jádro : 1 proton, 1 neutron Jádro : 1 proton, 2 neutrony těžké vodíky neboli deuterium a tritium (viz schéma nahoře) Všechny izotopy uhlíku mají 6 protonů. Nejvíce je těch, kteří mají 6, 7, 8 neutronů. Atom je nazván podle svého chemického názvu a za ním se udává počet jeho jaderných částí : uhlík 12, uhlík 13, uhlík 14. Chemické vlastnosti atomu závisejí pouze na počtu a rozmístění elektronů v obalu, všechny izotopy jednoho prvku mají stejné chemické vlastnosti. Nicméně malý rozdíl v hmotě jejich jádra způsobí, že se jejich fyzikální vlastnosti trochu liší. Pojmenování atomů (text v modrém rámečku) Každý atom je charakterizován počtem protonů (který je shodný s počtem elektronů) a počtem neutronů. Jeho jméno tvoří chemická značka (symbol), za níž se udává absolutní počet jeho jaderných částic (hmotové číslo). Například kyslík 16, železo 59. 9

11 Chemický název umožní poznat počet jeho protonů. A z počtu jeho jaderných částic po odečtení počtu protonů vypočteme počet jeho elektronů. Str. 11 Mendělejevova tabulka Vysvětlivky (legenda): Atomové číslo 1 Symbole (značka) H Atomová hmota 1,

12 Str 12 V PŘÍRODĚ KAŽDÝ PŘEDMĚT PŮSOBÍ NA JINÝ (REAGUJE S JINÝM), MLUVÍME O TAKZVANÉ INTERAKCI. Čtyři základní interakce 11

13 Str. 13 Busola za bouřky přestává ukazovat. Je to jeden z projevů magnetické síly, která je výsledkem pohybu elektrických nábojů. V přírodě podléhají předměty různým silám, které působí na dálku. Například, dvě tělesa se přitahují, dva elektrické náboje se přitahují nebo odpuzují podle znaménka. Předměty působí jeden na druhý a dochází tak k interakci. Podle povahy předmětů rozlišujeme čtyři základní interakce: silnou, elektromagnetickou, slabou interakci a gravitaci. Silná interakce Silná interakce neboli silná nukleární síla drží pohromadě nukleony (jaderné částice) v jádře. Působí pouze na velmi krátké vzdálenosti, na několik průměrů jádra. Při stejné vzdálenosti je stokrát až tisíckrát intenzivnější než elektromagnetická interakce. Elektromagnetická interakce Elektromagnetická interakce má dvojí podobu, elektrickou a magnetickou sílu. První se podílí na elektrických fenoménech jako je blesk, vlasy vstávající na hlavě při přítomnosti elektřiny ve vzduchu a druhá ovládá magnetické jevy jako je buzola, elektromagnety a pod. Magnetickou sílu vyvolává pohyb elektrických částic, rovněž tak správná funkce buzoly je narušena bleskem vzniklým v bouřce. Při této interakci se odpuzují dva elektrické náboje stejného znaménka (např. dva protony) a přitahují dva náboje s opačným znaménkem. (elektron a jádro). Je nekonečná, ale ubývá se čtvercem vzdálenosti. Podílí se na chemických vlastnostech prvku. Obrázek Elektrická síla má pod dohledem jevy jako je blesk a je spojená s elektromagnetickými interakcemi. 12

14 Str. 14 Gravitace se mění se vzdáleností: Když padáme z výšky, ublížíme si! Slabá interakce Slabá interakce neboli slabá jaderná síla je zodpovědná za některé projevy radioaktivity. (například radioaktivity beta). Její dosah je extrémně slabý, řádově několik setin nukleonu, ale účastní se termonukleární reakce, které umožňují Slunci a hvězdám produkovat energii. Je přibližně sto tisíckrát slabší než silná jaderná síla. Text k fotografii : Gravitace, která při srovnání s jinými druhy síly patří spíše k těm slabým, je paradoxně tou, kterou cítíme nejvíce. Gravitace Gravitace je zodpovědná za přitažlivost těles o velké hmotnosti, vysvětluje gravitační sílu a pohyb vesmírných těles. Mění se v závislosti na vzdálenosti podle stejného zákona jako elektromagnetická síla. Je zdaleka nejslabší ze všech čtyř : krát slabší než elektromagnetická síla. Přesto ji při pádu cítíme ze všech sil nejvíce! Neboť hmota, která nás přitahuje, je obrovská a je to hmota Země. Ale jestliže si zlomíme někdy nohu, nezlomíme si nikdy atom a už vůbec ne jádro 13

15 Str. 15 STUDOVAT ATOMOVÉ JÁDRO A JEHO SOUČÁSTI, TO JE PRÁVĚ TO, ČÍM SE ZABÝVÁ NUKLEÁRNÍ FYZIKA. Nukleární fyzika 14

16 Str. 16 V srdci atomu se pohybují protony a neutrony rychlostí větší než km/s. Přesto se díky nukleární síle nerozptýlí. Stručný popis jádra Atom je vlastně takový miniaturní sluneční systém : mini-planety, elektrony, obíhají kolem mini-slunce, jádra. Nukleární fyzika se zabývá studiem atomového jádra a obrovské síly silné jaderné interakce která drží pohromadě jeho jednotlivé jaderné části, nukleony (protony a neutrony). Jádro má velkou hustotu, je komplexní a malé. Je jako ruská matrjoška, která se skládá z čím dál menších panenek poskládaných jedna do druhé: jádro obsahuje nukleony a každý nukleon má tři kvarky. Existují dva druhy nukleonů: kladně nabité protony a neutrální neutrony. V tomto miniaturním prostoru se odpuzují nejenom protony, které jsou nositeli elektrického náboje stejného znamínka, ale protony a neutrony roztáčejí závratný balet rychlostí větší než km/s (více než desetina rychlosti světla, což znamená cestu kolem zeměkoule za 1, 34 sekundy)! Přesto se jádro nerozpadne na svazek nukleonů a zachová si svoji soudržnost. Tato kolosální síla vyvolává přitažlivost mezi nukleony o hodně vyšší než je elektrická síla, která protony odděluje. Tato nukleární síla neboli silná interakce, která drží jádro pohromadě je nejsilnější ze všech čtyř základních interakcí či sil v přírodě. Obrázek : Urychlovač částic CERN ve Švýcarsku. Mikrochirurgie jádra. Jedná se o studium jádra jakožto sbírky nukleonů, které jsou v neustálém pohybu, přitahují se, rovněž tak se studují vnitřní mechanismy jejich přitažlivosti a vlivu kvarků na jejich vlastnosti a chování. Proto se k jejich prozkoumávání používá skutečný mikroskalpel uzpůsobený jejich rozměrům. Používá se svazek urychlených částic (viz rámeček na straně 18), který umožní zjistit, jaké jsou rozměry částic odchýlených nebo absorbovaných. Umožní rovněž uvidět, jak reagují (pokračování na stránce 19) 15

17 Str

18 Charakteristiky elementárních částic Atom jádro (proton (3 kvarky)/ neutron) elektron Leptony se mohou volně pohybovat Kvarky jsou uvězněny ve větších částicích a nelze je pozorovat individuelně Záhlaví tabulky dle orig. První rodina Druhá rodina Třetí rodina Elektron Zodpovědný za elektřinu a chemické reakce. Jeho náboj je -1 Mion Jeden z masivnějších společníků elektronu Tautonické Ještě těžší společník Neutrino elektron bez elektrického náboje velice zřídka je v interakci s okolním prostředím Mionické neutrino stejné vlastnosti jako má neutrino elektron Tautonické neutrino stejné vlastnosti jako má neutrino elektron Bas d jeho elektrický náboj je -1/3. proton obsahuje jeden bas, neutron dva. Étrange (podivný) Společník než bas s těžší Beauté b (krása) Ještě těžší Haut u Jeho elektrický náboj je +2/3. proton obsahuje dva, neutron jeden. Charme c Společník těžší než haut Top t Částice vektory Základní částice, které zajišťují předávání 4 silových interakcí Foton Elementární částice světla, nositel elektromagnetické síly Gluon Elementární částice zprostředkující silné síly působící mezi kvarky W+, W- ZO Nosiči slabé síly zodpovědní za některé formy radioaktivního rozpadu Graviton hypotetická částice, která by měla zprostředkovávat gravitační sílu mezi tělesy. Higgsovy bosony? Zodpovědné za rozpad elektricky slabé symetrie Str

19 Str. 18 Jak vidět jádra a částice? Ve skutečnosti jádra nelze vidět. Můžeme určit pouze jejich velikost a tvar, když je ostřelujeme proudem urychlených částic. Poté sledujeme, jak se tyto částice rozptylují nebo jsou absorbovány a jak reaguje jádro. Tento proces se příliš neliší od vidění. Předměty odrážejí k našemu oku světlo, které je osvětluje a zároveň z něj absorbují určitou část. Vidíme rovněž jejich velikost, barvu atd. Takže světlo je současně sbírkou zářících částic - fotonů, a zároveň vibrací - vln stejných jako na moři. Čím rychleji tato vlna vibruje, a čím sevřenější jsou její vibrace, tím více energie přenáší (transportuje). Vzdálenost mezi dvěma po sobě jdoucími vrcholy se nazývá vlnovou délkou. Čím je délka vlny menší, tím má více energie. A tím je možné vidět hlouběji do hmoty. Pro viditelné světlo se udává vlnová délka od 0,4 do 0,8 mikrometru (milióntina metru). Je to přibližně velikost mikrobu. A takový objekt lze pozorovat optickým mikroskopem. Pro menší částice ale už optický mikroskop nestačí. Abychom uviděli atomy, je třeba mít elektronový mikroskop, ve kterém svazek urychlených elektronů hraje úlohu světla, neboť se chová jako vlna. Ale vlna, jejíž délka je řádově zlomkem nanometru (miliardtiny metru). Je to přibližně průměr atomu (deset tisíckrát menší než průměr mikrobu), který můžeme vidět elektronovým mikroskopem, jehož elektronická vlna má deset tisíckrát více energie než viditelné světlo. Abychom uviděli jádro, je třeba dosáhnout minimálně faktoru v přesnosti pozorování a to znamená využít svazek nejméně sto tisíckrát energetičtější než je svazek nejsilnějšího elektronového mikroskopu. To je možné díky urychlovačům částic. CERN v Ženevě, ve spolupráci s CEA dostane brzy 1 Large Hadron Collider LHC (velký hadronový urychlovač). Tento urychlovač částic, největší na světě, bude vybaven 400 magnety se čtyřmi póly (supravodivé, 8 tesla překl.), které budou fokalizovat (soustředí) svazky protonů, aby vyvolaly kolizi, energie srážky bude 14 TeV (což je miliard elektronvoltů). Jedním z cílů je odkrýt Higgsovy částice. Text k obrázku-přemístit Nahoře vlevo: magnet se 4 póly pro Velký hadronový urychlovač LHC Nahoře vpravo: analytický mikroskop SIMS umožňující lokalizovat radionuklidy vyzařující slabé záření. Funguje na principu mikroskopu s elektronovým (elektronickým) prozkoumáváním a nahrazuje svazky primárních elektronů svazkem iontů umožňujícím elementární analýzu pevných ploch (povrchů). 1 Začal pracovat , poznámka překladatele. 18

20 Str.19 Aby mohli studovat atomy uskutečňují někteří cestu proti proudu času a vytvářejí tak extrémní podmínky podobné těm, které existovaly při vzniku Vesmíru. jádra: vystřelení nukleonů, tvorba dalších částic atd. Podaří se nám uskutečnit výjimečné pozorování: uvidět rozdíl mezi velikostí izolovaného protonu a velikostí protonu ponořeného do svého jádra a nebo dokonce změřit vliv rotace kvarků na rotaci nukleonů, jejichž jsou součástí. To znamená determinovat, jak tři malé káči, nepřetržitě se točící v gluonovém plazmatu, uzavřené v káče tisíckrát větší (a přesto tak miniaturní) mohou částečně vyvolat její rotaci. Nukleární pec (výheň) Je to globální analýza jádra jako vzorku nukleární látky s vysokou hustotou, jejíž vlastnosti dostatečně neznáme. Abychom se o tom dozvěděli více, zkoumáme ji v extrémních podmínkách shodnými s těmi, za kterých vznikal Vesmír. Je to skutečná cesta zpátky v čase. Metoda spočívá v tom, že se srazí shluky jader, které zrychlíme až na rychlost blízkou rychlosti světla. Nárazy jsou neskutečně prudké. Nukleární hmota se nachází ve stavu extrémní teploty, tlaku, deformace a nestability. Jádra jedno v druhém roztávají, tvoří nová jádra, z nichž většina na Zemi neexistuje, praskají a od určité teploty vybuchují a při vypařování se mění doslova na svazek nukleónů. Je to fantastický dar z nebes pro fyziky, protože tato teplota není jiná než ta, při které se jádra mohla tvořit během ochlazování prvotní hmoty vzešlé z Velkého Třesku. Mohou ji tak změřit o 15 miliard roků později. Ještě dále se zařízením Spiral. (Text v modrém rámečku) Spiral je zařízení, které pracuje v Caen, ve Velkém národním akcelerátoru těžkých iontů. (Ganil Grand accélérateur national d ions lourds) a které umožňuje vyrábět a zrychlovat lehká a středně těžká jádra, přezdívaná exotická jádra, která neexistují na Zemi. Jejich výzkum je důležitý pro četné oblasti nukleární fyziky, ale také pro astrofyziku, zvláště pro porozumění vzniku jader atomů na hvězdách a supernovách. Jestliže už fyzikové umějí syntetizovat exotická jádra v laboratoři, instalace Spiralu jim umožní jak jejich výrobu ve velkém množství, tak jejich urychlování a pozorování při kolizích s druhými jádry a rovněž tak umožní poznání jejich struktury. Při srovnání s jinými existujícími zařízeními Spiral umožňuje kromě jiného rozšířit významným způsobem škálu vyrobených exotických prvků a oblast dostupné energie. V září 2001, Spiral vyrobil svůj první svazek exotického jádra: Neón 18. Díky pozorování kolize tohoto svazku s cílovým stabilním vodíkem, Spiral umožnil odhalit strukturu sodíku 19, jádra na zemi neznámého, a tím pochopit některé termonukleární reakce, při kterých vznikají prvky ve vesmíru. 19

21 2 Radioaktivita DEFINICE RADIOAKTIVITY PŮVOD RADIOAKTIVNÍCH PRVKŮ VYUŽITÍ RADIOAKTIVITY CEA Radioaktivní prvky slouží vědeckému využití. 20

22 Str. 2 Obsah Definice radioaktivity 4 Radioaktivita, přirozená vlastnost některých atomů 5 Měření radioaktivity 6 Ubývání radioaktivity 7 Různé typy rozpadu 9 Původ radioaktivních prvků 11 Přírodní radioizotopy 12 Izotopy s umělou radioaktivitou 13 Využití radioaktivity 14 Radioaktivní stopovač 15 Datování 19 Obr. 1 Obrázek mozku získaný díky emisní tomografii - snímání z různých pozic úhlů. Obr. 2 Radioaktivity bylo využito při datování historických a prehistorických stop. 21

23 Str. 3 Úvod Fotografie zleva doprava: Henri Becquerel, Wilhelm Röntgen, Pierre a Marie Curie Radioaktivita nebyla vymyšlena člověkem. Je to přírodní fenomén, k jehož objevu došlo na konci 19. století. Úvod Radioaktivitu si člověk nevymyslel. Byla objevena před více než jedním stoletím, v roce 1896, francouzským fyzikem Henri Becquerelem. Tento vědec se snažil dozvědět, zda paprsky, které vyzařovaly fluorescenční soli urania, jsou stejné povahy jako paprsky X objevené v roce 1895 německým fyzikem Wilhelmem Röntgenem. Myslel si, že jsou to pouze soli uranu, které poté, co byly vystaveny světlu, vyzařují tyto paprsky X. Jaké bylo jeho překvapení, když v Paříži v březnu roku 1896 zjistil, že fotografický film (fotografická deska) byl vyvolán, aniž by byl vystaven dennímu světlu. Vyvodil z toho, že uran vysílá spontánně a samovolně neviditelné paprsky, lišící se od paprsků X. Tento objevený fenomén byl nazván radioaktivitou (z latinského radius: paprsek). V práci Henri Bequerela pokračovali Pierre a Marie Curieovi, kteří v roce 1898 izolovali polonium a radium, neznámé radioaktivní prvky, které se nacházejí v uranové rudě. 22

24 Str. 4 RADIOAKTIVITA JE TRANSFORMACE ATOMU DOPROVÁZENÁ SOUČASNĚ VYZAŘOVÁNÍM Definice radioaktivity 23

25 Str. 5 RADIOAKTIVITA, PŘIROZENÁ VLASTNOST NĚKTERÝCH ATOMŮ V přírodě je většina radioaktivních jader stabilních. Přesto mají některé atomy nestabilní jádra, což je způsobeno nadbytkem protonů či neutronů a nebo obou dvou. Jsou radioaktivní a nazýváme je radio-izotopy nebo radionuklidy. Jádra radioaktivních atomů se spontánně přeměňují na jiná atomová jádra, radioaktivní či nikoliv. Tak se přemění radioaktivní jádro na jiné radioaktivní jádro, uran 238 má tendenci se přeměnit na stabilní formu na olovo 206. Tato nevratná transformace radioaktivního atomu na jiný se nazývá radioaktivní rozpad. Je doprovázena emisí různého druhu záření. Chemický prvek může mít současně radioaktivní i neradioaktivní izotopy. Atomy mající stejný počet protonů a různý počet neutronů, patří ke stejnému chemickému prvku (viz brožura l Atome) Uhlík 12 (6 neutronů) a uhlík 14 (8 neutronů) představují dva izotopy uhlíku. Vodík 1 H Deuterium 2 H nebo D Tritium 3 H nebo T Jádro 1 elektron jádro 1 elektron jádro 1 elektron 1 proton 1 proton 1 proton 1 neutron 2 neutrony Např. uhlík 12 není radioaktivní, zatímco uhlík 14 ano. Radioaktivita týkající se pouze jádra a ne elektronů, způsobí, že chemické vlastnosti Chemické vlastnosti prvku jsou určeny radioaktivních izotopů jsou stejné jako vlastnosti počtem elektronů (viz brožura L Atome) stabilních izotopů. 24

26 Chemické vlastnosti Str. 6 K měření radioaktivity používáme různé jednotky: : becquerel, gray, sievert a curie. Jednotky radioaktivity Becquerel (Bq) Charakteristickým znakem radioaktivního vzorku je jeho aktivita, která je udávána počtem rozpadů, které proběhnou uvnitř radioaktivních jader za sekundu. Jednotkou této aktivity je becquerel, symbol Bq. 1 Bq = 1 rozpad za sekundu Tato jednotka je velmi malá. Radioaktivita radioaktivního zdroje se velmi často vyjadřuje v jeho násobcích. kilobecquerel (kbq) = Bq, megabecquerel (MBq) = 1 milion Bq, gigabecquerel (GBq) = 1 miliarda Bq, terabecquerel (TBq) = miliard Bq. Obrázek: Jednotky měření radioaktivity Tento obrázek umožňuje symbolicky vyjádřit vztah mezi třemi jednotkami měření radioaktivity: dítě hází předměty svému spolužákovi. Počet hozených předmětů se může přirovnat k becquerelovi (počet rozpadů za sekundu); počet předmětů chycených spolužákem k jednotce gray (absorbovaná dávka), a stopy zanechané na jeho těle v závislosti na předmětu, těžké nebo lehké k jednotce sievert (vzniklý účinek). 25

27 Str. 7 Gray (Gy) Tato jednotka umožňuje měřit množství záření (energie), které organismus nebo předmět, který je vystaven záření, absorbuje. Jednotka gray nahradila jednotku rad v roce gray = 100 rad = 1joule na kilogram ozářené látky. Sievert (Sv) Biologické účinky na organismus vystavený záření (podle povahy a druhu orgánů vystavených záření) se měří v sievertech a vyjadřují se rovněž dávkovým ekvivalentem. Nejběžnější jednotkou je milisievert neboli tisícina sievertu. Curie (Ci) Bývalou jednotkou měření radioaktivity je jeden curie (Ci). Veličina Curie byla definována jako aktivita jednoho gramu přírodního prvku rádia, který se nachází v půdě společně s uranem. Tato jednotka je mnohem větší než becquerel, neboť v jednom gramu radia dojde k 37 miliardám rozpadů za sekundu, tudíž se jeden curie rovná 37 miliardám becquerelů. K detekci a měření záření vysílaného radioaktivními izotopy používáme různé typy detektorů, mezi které patří detekční (odečítací) trubice s plynovou náplní (proporcionální detektory, Geiger-Müllerovy detektory, ionizační komory) scintilátory s fotomultiplikátory, polovodiče (křemík, germanium). Tyto detektory jsou extrémně citlivé a běžně měří aktivitu milionkrát nižší než je ta, která by mohla mít dopad na naše zdraví. Text v modrém rámečku: Pokles aktivity radioaktivního vzorku v závislosti na čase 1 Bq = 1 rozpad za sekundu. Postupně, jak se jádra rozpadem přeměňují, aktivita vzorku klesá. Podle zákona náhody, který řídí fenomén radioaktivity, je na konci času T nazývaného poločasem rozpadu, aktivita vzorku poloviční. Na konci dvou poločasů rozpadu zůstává ještě čtvrtina jader radioaktivních. Na konci tří poločasů rozpadu zůstává ještě osmina jader radioaktivních. Na konci deseti poločasů rozpadu zůstává tisícina jader radioaktivních. Zákony radioaktivity 26

28 Pokles radioaktivity Aktivita radioaktivního vzorku se snižuje v závislosti na čase, protože dochází k postupnému mizení nestabilních jader, která tento vzorek obsahuje. Radioaktivní rozpad daného jádra je jev nahodilý (má pravděpodobnostní charakter). Str. 8 V závislosti na jádrech trvá radioaktivita několik sekund, pár dní nebo i miliardy let. 27

29 Tabulka rozpadu některých radioaktivních prvků Chemický Doba - poločas Původ Výskyt Příklad použití prvek rozpadu tritium 12,3 roku umělý - Termonukleární syntéza (fúze), biologické popiskyznačkovače Uhlík 11 20,4 minuty umělý - Lékařské zobrazovací metody Uhlík let přírodní atmosféra uhlíkové sloučeniny Datování, určování stáří Kyslík 15 2, 02 min umělý - Lékařské zobrazovací metody Fosfor 32 14,3 dne umělý - Biologický výzkum Síra 35 87, 4 dne umělý - Biologický výzkum Draslík 40 1,3 miliardy let přírodní Horniny - bohaté na draslík, kostra Kobalt 60 5,27 roku umělý - Radioterapie, průmyslové ozařování, gamadefektoskopie Stroncium 28,8 roku umělý Produkty Měřidlo, dozimetr 90 jaderných reaktorů Jód ,2 hod umělý - Nukleární medicína Jód 131 8, 05 dne umělý Produkty jaderných reaktorů - Césium ,2 roku umělý Produkty Curieterapie (ozařování jaderných nádorů z těsné blízkosti) reaktorů Thalium 3,04 dne umělý - Nukleární medicína 201 Radon 222 3, 82 dne přírodní Plyny, - které vycházejí ze žulových hornin Radium let přírodní Zemské horniny obsahující - Thorium 232 uran 14 miliard let přírodní - Určování stáří nerostů, potencionální palivo 28

30 Uran milionů let přírodní Některé zemské horniny, žulové horniny Uran 238 4,47 miliard let přírodní Některé zemské horniny, žulové Plutonium 239 horniny let umělý Produkt jaderných reaktorů Nukleární zastrašování, palivo Palivo pro reaktory s rychlými neutrony Nukleární palivo zastrašování, Str.9 Každý radioaktivní izotop má specifický poločas rozpadu. Je to doba, za kterou polovina z původně přítomných radioaktivních atomů vymizí prostřednictvím spontánní transformace. V závislosti na druhu radioaktivních jader je tento poločas velmi různorodý: několik sekund, hodin, několik dní, stovky let, miliardy let. Různé typy rozpadu Radioaktivita alfa Záření alfa se skládá z jádra hélia obsahujícího 2 protony a 2 neutrony. Nese dva kladné náboje. Atomy, v jejichž radioaktivních jádrech je příliš protonů a neutronů vyzařují často záření alfa ( ). Přeměňují se na jiný chemický prvek, jehož jádro je lehčí. Například uran 238 je radioaktivní částicí alfa a přemění se na thorium 234. Radioaktivita alfa ( ) obrázek Helium 4 Thorium 234 Uran 238 Radioaktivita beta mínus Záření beta mínus se skládá z jednoho záporně nabitého elektronu. 29

31 Některé atomy, jejichž jádra jsou příliš zatížena neutrony, vysílají záření beta mínus. Jeden z neutronů v jádře se rozpadá na jeden proton a jeden elektron, který je vymrštěn. Atom se tak transformuje na jiný chemický prvek. Například thorium 234 představuje radioaktivní částici beta minus a přeměňuje se na protactinium 234. Radioaktivita beta Elektron Thorium 234 protactinium 234 Radioaktivita se měří počtem rozpadů atomových jader za sekundu. Str. 10 Radioaktivita beta plus Záření beta plus se skládá z pozitronu (částice se stejnou hmotností jako elektron ale nabitá kladně = antičástice k elektronu). Mnohé atomy, jejichž jádra jsou příliš zatížena protony, vyzařují záření beta plus. Jeden z protonů v jádře se rozpadne na neutron a pozitron, který je vymrštěn. A tak se atom transformuje na jiný chemický prvek. Například jód 122 je radioaktivní částice beta plus a transformuje se na telur 122. Všimněme si, že pro oba dva typy rozpadu beta si jádro uchovává stejný počet nukleonů (tudíž stejnou atomovou hmotu). Radioaktivita gama Záření gama je také elektromagnetické vlnění, stejné jako u světla nebo paprsků X, ale je energetičtější. Toto záření následuje často po rozpadu alfa nebo beta. Po vyslání částice alfa nebo beta, je jádro stále excitované, neboť jeho protony a neutrony nenalezly ještě rovnováhu. Tudíž se rychle zbavuje příliš velkého množství energie vysíláním paprsků gama. A tomu se říká radioaktivita gama. Například kobalt 60 se transformuje rozpadem beta na nikl 60, který dosáhne stabilního stavu tím, že vyšle záření gama. Fotografie : Babyline je přístroj (dozimetr), velmi citlivý na záření, který se využívá během kontroly (radioaktivního) odpadu. 30

32 Záření gama Schéma 31

33 Str. 11 RADIOAKTIVITA AŤ UŽ PŘIROZENÁ ČI UMĚLÁ JE VŠUDYPŘÍTOMNÁ Původ radioaktivních prvků Str

34 Přírodní radioizotopy Během vzniku Země, přibližně před pěti miliardami let, hmota obsahovala stabilní i nestabilní atomy. Ale od té doby se většina nestabilních atomů působením radioaktivity rozpadla a většina z nich dosáhla stability. I přes to existuje stále několik atomů s přirozenou radioaktivitou: radioizotopy charakterizované velmi dlouhým poločasem rozpadu jako jsou uran 238 (4,5 miliardy roků), draslík 40 (1,3 miliardy let). Od doby svého vzniku se ještě nestačily rozpadnout. radioaktivní prvky pocházející z předchozích jako je např. radium 226, které permanentně vzniká po rozpadu uranu 238. Radium 226 se pomalu transformuje na plyn, radon, který je rovněž radioaktivní. radioizotopy vzniklé působením kosmického záření kosmické záření k nám přichází bez přestání z Vesmíru a je někdy velmi energetické viz brožura Člověk a záření na některá atomová jádra. Je tomu tak v případě uhlíku 14, který neustále vzniká v atmosféře. Přirozená radioaktivita pochází z radioaktivních prvků, které vznikly v hvězdné soustavě před miliardami let. Text k fotografii: Několik příkladů aktivity radioaktivních vzorků v našem životním prostředí žula: becquerelů na kilogram lidské tělo: člověk vážící 70 kg má radioaktivitu rovnající se řádově becquerelů, z nichž přibližně má na svědomí draslík 40 obsažený v kostech mléko 80 becquerelů na litr mořská voda 10 becqurelů na litr 33

35 Str. 13 Tyto přírodní radioizotopy se nacházejí na naší planetě v atmosféře (uhlík 14, radon 222), v zemské kůře (uran 238 a uran 235, radium 226) a v naší stravě (draslík 40). To je tedy ten důvod, proč je všechno kolem nás radioaktivní. Odpradávna byly Země i živé bytosti silně ovlivněny radioaktivitou. A není to tak dlouho, něco málo přes sto let, co se díky Henrimu Becquerelovi prokázalo, že člověk vždy žil v tomto radioaktivním prostředí. Umělé radioizotopy Umělé radioizotopy se vyrábějí prostřednictvím cyklotronu (cyklický vysokofrekvenční urychlovač) nebo jaderného reaktoru a používají se k četným aplikacím. Některé radioizotopy (kobalt 60, iridium 192 ) mohou být použity jako zdroj záření pro radiografii gama (gamagrafii) nebo jako zdroj ozáření pro radioterapii nebo pro průmyslové využití. Takové zdroje jsou běžně používány v lékařství i průmyslu (viz brožura Člověk a záření). Ke vzniku dalších umělých radioizotopů dochází v jaderných reaktorech (stroncium 90, cesium 137 ). Některé z nich nejsou člověkem využívány jako například jaderný odpad. Jsou silně radioaktivní a musejí být uskladněny co nejbezpečněji a izolovaně od lidí (viz brožura Cyklus paliva). Pro potřeby lékařství a průmyslu člověk vytváří umělou radioaktivitu. Text k fotografii: Afrodita v podřepu, vystavená v oddělení starověkých řeckých, etruských a římských památek v Louvru. Gamagrafie umožnila odhalit předchozí zpevnění této sochy z mramoru a přesně určit, kde se nacházejí vložené kovové díly a dutiny. 34

36 Str. 14 RADIOAKTIVITA JE VYJÍMEČNÝM PROSTŘEDKEM K PROZKOUMÁNÍ ČLOVĚKA A PROSTŘEDÍ. Využití radioaktivity Str

37 Radioaktivní stopovače Díky radioaktivnímu záření je možné sledovat pohyb chemické látky v lidském těle Princip Chemické vlastnosti radioaktivního izotopu jsou shodné s vlastnostmi stabilního izotopu až na jeden rozdíl, který spočívá v tom, že radioizotop je nestabilní. Tato nestabilita vyvolává rozpad, který se projevuje vyzařováním. Stačí tudíž vlastnit detekční nástroje uzpůsobené ke sledování (stopování) těchto radioizotopů. Například draslík 40, který je smíchán se stabilním draslíkem v naší potravě, se bude v našem těle držet stejné trasy jako jeho stabilní izotopy. Detekce záření vysílaného draslíkem 40 umožní tudíž vystopovat pohyb veškerého draslíku. Za pomoci vhodných detekčních přístrojů tak radioizotop může sloužit jako stopovač (stopovací nebo kontrastní látka). Stejným způsobem je možné také určit lokalizaci molekuly. Označení může být provedeno dvěma způsoby: nahrazením jednoho atomu molekuly jedním z jeho radioaktivních izotopů nebo zavěšením radioaktivního atomu na molekulu. Označená molekula se tak stává stopovačem. Obrázky mozku vytvořené pomocí kontrastní látky Str. 16 Této metody se využívá hlavně v lékařství, aby se mohlo sledovat např. působení léku, nebo při studiu přesunu zplodin do okolního prostředí Je nezbytné připomenout, že v konkrétním případě je kontrastní látka používána ve velmi malém množství, které je však dostačující, protože přístroje detekující záření jsou velmi citlivé. Účinky radioaktivního záření nejsou tudíž v těchto malých dávkách nebezpečné. (viz brožura Člověk a záření.) Kromě toho je poločas rozpadu těchto izotopů velmi krátký (od několika minut do několika dnů) a izotopy zmizí velmi rychle jak z našeho organizmu, tak ze životního (okolního) prostředí. 36

38 Aplikace stopovačů v lékařství Možnosti nabízené aplikací stopovačů a radioaktivity v biologickém a lékařském výzkumu byly jedním z rozhodujících faktorů pokroku v medicíně v průběhu 20. století. Rovněž tak například v Avery v roce 1943 izotopy umožnily prokázat, že DNA je nositelem dědičnosti. V následujících letech vedly k nástupu molekulární biologie, ke stanovení genetického kódu, k charakteristice chemických reakcí zajišťujících buněčné fungování nebo také k pochopení energetických mechanizmů. Ostatně techniky používající radioaktivitu rozšiřují možnosti diagnostiky za účelem správného stanovení diagnózy a lepšího léčení nemocí. Místo aby (pokračování na další str.) Str. 17 Radioaktivita přispěla k rozvoji výzkumu v biologii a pokroku v lékařství ve 20. století. záření procházelo lidským tělem jako je tomu u radiografie, zavede se do organismu malé množství látky se stopami radioizotopu vysílajícího záření gama nebo beta plus, které se nakonec také přemění na záření gama. Tento produkt rozpozná určité buňky organismu a určí, zda fungují správně. Například thalium 201 umožní pozorovat přímo činnost srdce a vidět, zda vykazuje známky slabosti. Jiné druhy zkoušek odhalí přítomnost nádorů v kostech. Vědci využívají rovněž nukleární medicínu k pochopení funkce orgánů. Například techniky, se kterými se pracuje při zkoumání mozku, umožní přímé pozorování částí mozku, které kontrolují vidění, memorování, učení se jazykům nebo počítání. Ve výzkumu umožní radioaktivní označení molekuly (léky, energetické produkty ) sledovat, jak se bude buňka nebo organismus chovat v budoucnosti. To vše pomáhá při koncepci nových léků. 37

39 Použití radioaktivních stopovačů při zkoumání životního prostředí Míra absorpce záření vysílaného velmi slabým zdrojem umožní měřit hustotu prostředí, kterým prochází. Rovněž tak můžeme průběžně sledovat rozpuštěné látky neboli suspenze (pevné látky rozpuštěné v kapalném prostředí) ve vodách řek jako je (pokračování na další str.) Text k fotografii: Přírodní nebo umělé radioizotopy jsou stopovače (kontrastní látky), které se kromě jiného používají i při sledování vývoje masy vzduchu nebo vody 38

40 Str. 18 Rhona a regulovat čištění přehrady tak, aby se nepřekročila úroveň, která by ohrozila faunu a flóru řeky. Rovněž tak se může sledovat radioaktivně označený sediment nebo znečišťující prvek. To umožní optimalizovat trasy silnic a dálnic, aby se minimalizovalo riziko znečištění, nebo kontrolovat skládky odpadu, zda neinfiltrují půdu. Vědci využívají rovněž přemisťování přirozených či umělých radioizotopů při sledování přesunů mas vzduchu nebo vody Využití radioaktivních stopovačů v průmyslu Průmysl využívá četné komplexní reaktory, přes jejichž neprůhlednou stěnu mohou být vstříknuty radioaktivní stopovače. (pokračování na str. 19) Text k fotografii 1/ Stopovače jsou využívány v průmyslovém prostředí zvláště v petrochemii. 2/ Využití jaderných technologií pro vědecké účely Text v rámečku Využití radioaktivních stopovačů v průmyslové výrobě Vstřikování stopovačů do průmyslového reaktoru musí být co možná nejkratší, aby funkce zaznamenaná v bodech vybraných k měření mohla být považovaná za Distribuci doby prodlení (DTS) fáze označené radioizotopy. Na základě DTS se mohou vyvodit parametry transferu označené fáze v systémech, jakými jsou např. rychlost proudění, průtok, mrtvý objem, krátké obvody Tato měření umožní optimalizovat výrobu tím, že se ušetří základní surovina a sníží její vypouštění do okolního prostředí 39

41 Umožní prostudovat chování tekutin (chladiva) uvnitř těchto reaktorů. Týká se to četných průmyslových odvětví: chemie, ropy a petrochemie, výroby cementu, hnojiv, papírové hmoty, chloru, uhličitanu sodného (sody), výbušnin, metalurgie, energetiky Operace spočívá v tom, že se označí malý kousek látky při vstupu do přístroje a že bude zkoumána a pozorována křivka restituce a koncentrace stopovače na různých místech a v závislosti na čase. (text v rámečku) Text k fotografii: bizon z jeskyně v Niveaux (Arriège) namalovaný před lety. Přímé určení stáří fresky pomocí uhlíku 14 Určování stáří datování Některé přirozené radioaktivní prvky představují skutečné chronometry, se kterými se můžeme vracet do minulosti. Metody určování stáří založené na úbytku radioaktivity obsažené v předmětech nebo ve zkoumaných stopách byly dovedeny k dokonalé přesnosti. Můžeme se tudíž s uhlíkem 14 ponořit do minulosti staré desítky tisíc let, s metodami jako je termoluminiscence nebo metoda uran-thorium dokonce i dále. Určování stáří pomocí uhlíku 14 umožní zabývat se historií Člověka a prostředím, ve kterém žil, v době před až do lety. Uhlík je velice rozšířený v našem prostředí a je součástí molekuly kysličníku uhličitého, který se vyskytuje v atmosféře. Tento uhlík je v přírodním stavu tvořen hlavně uhlíkem 12, ale z části obsahuje i radioaktivní uhlík 14. Během života každého jedince je poměr C14/C12 v rovnováze mezi atmosférou a živým světem (živočišným a rostlinným) díky nezbytným výměnám jakou jsou dýchání, fotosyntéza, výživa. Po smrti organismu už nedochází k obnově uhlíku 14 s okolním světem. Jeho dávka v organismu klesá, neboť se pomalu rozkládá. Poměr vztahu mezi uhlíkem 14 a uhlíkem 12 umožní určit dobu smrti. Čím méně uhlíku 14 zůstane ve fosílii, jejíž stáří se má určit, tím je jeho smrt dávnější. Radioaktivita je využívána pro stanovení stáří historických a prehistorických stop (pozůstatků) 40

42 3 Člověk a záření RŮZNORODOST ZÁŘENÍ BIOLOGICKÉ ÚČINKY ZÁŘENÍ OCHRANA PROTI RADIAKTIVNÍMU ZÁŘENÍ PŘÍKLADY VYUŽITÍ ZÁŘENÍ CEA Od radiologie k ochraně před radioaktivním zářením 41

43 Str. 2 OBSAH RŮZNORODOST ZÁŘENÍ 4 Náš svět je zaplaven záření m 5 Různá ionizující záření 6 Prostupování záření hmotou (látkou) 7 Energie absorbovaná látkou 7 BIOLOGICKÉ DOPADY ZÁŘENÍ 8 Studium účinků záření 9 Okamžité účinky 10 Dlouhodobé účinky 10 Druhy expozice záření 11 Člověk vystavený záření 13 Přirozená expozice 13 Umělá expozice 14 Text k fotografii: Hlavním zdrojem přírodní radiace je radon 222, přírodní radioaktivní plyn; jeho koncentrace stoupá tam, kde se nachází žulové podloží. OCHRANA PROTI RADIOAKTIVNÍMU ZÁŘENÍ 15 Pravidla ochrany proti radioaktivnímu záření 16 Mezinárodní normy ochrany proti radioaktivnímu záření 17 Ochrana na národní úrovni 17 PŘÍKLADY APLIKACE ZÁŘENÍ 18 Radiografie a radioterapie v lékařství 19 Sterilizace předmětů prostřednictvím záření gama 20 Využití záření v průmyslu 22 42

44 Str. 3 Text k obrázku: Různé aspekty záření: záření vysílané Sluncem, radiografie a zkoumání uměleckých předmětů Jakmile se člověk objevil na Zemi, už byl vystaven velkému množství záření. Tento jev odhalil na konci 19. století. Úvod Poprvé si člověk uvědomil, že je obklopen neviditelným zářením v roce 1895, kdy Wilhelm Roentgen ukázal, že fotografická deska může být ozářena neviditelným zářením, které prochází látkou. Toto neznámé záření pojmenuje paprsky X. Lékaři okamžitě pochopí výhody, které přináší, a používají jej ve svých lékařských výzkumech: to je začátek radiologie. Během této doby praktičtí lékaři i radiologové využívají hojně toto záření pro nemocné pacienty. Člověk si ale zároveň uvědomuje, že ozáření velkými dávkami je nebezpečné a že je třeba se před ním chránit. Od 20. let XX. století vznikají mezinárodní komise, které určují předpisy týkající se využívání záření a ochrany proti jeho účinkům. 43

45 Str. 4 ZDROJE ZÁŘENÍ JSOU NESČETNÉ: SLUNCE, KOSMICKÝ PROSTOR, RADIOAKTIVNÍ PRVKY Diverzita záření Str. 5 44

46 Elektromagnetické záření Částice Záření je všude kolem nás (náš svět je zaplaven zářením) Člověk je vystaven záření od svých prvopočátků na Zemi. Je to například sluneční viditelné záření pocházející ze Slunce, které je doprovázeno neviditelným zářením známým pod názvem ultrafialové a infračervené paprsky. Tato záření jsou elektromagnetické vlny, stejně jako je tomu např. u radiových vln, záření X a paprsků gama. Člověk je současně vystaven i jinému neviditelnému záření, které pochází z kosmického prostoru a ze Slunce a které se nazývá kosmické. Tato záření s velkou energií (vlny i částice) jsou schopna procházet silnými vrstvami hornin. Radioaktivní prvky v našem životním prostředí vysílají záření alfa, beta a gama (viz brožura Radioaktivita). Paprsky gama jsou elektromagnetické vlny, zatímco paprsky alfa (pokračování na další straně) Záření kosmické Neutrony Záření alfa a beta Záření gama Paprsky X Ultrafialové záření IONIZUJÍCÍ ZÁŘENÍ Radiové vlny Mikrovlny Infračervené záření Viditelné záření NEIONIZUJÍCÍ ZÁŘENÍ 45

47 Str. 6 Možnost pronikání ionizujícího záření se liší v závislosti na jeho povaze a beta jsou částicemi, představované jádrem helia a elektronem. Aktivita radioaktivního prvku, to znamená počet rozpadů za sekundu v dané hmotě tohoto prvku, je měřena v becquerelech. Do korpuskulárního (částicového) záření patří rovněž neutronové záření. Různorodé ionizující záření Nejenergetičtější záření předávají hodně energie elektronům v látce (hmotě), aby se mohly snáze odtrhnout od svých atomů. Takže se atomy zbavené některých ze svých elektronů stávají kladně nabitými. Sousední atomy, které přijmou elektrony, se stanou záporně nabitými. Atomy s kladným nebo záporným nábojem se nazývají ionty. Záření schopné vyvolat takové reakce se nazývá ionizujícím. Viz schéma. Ionizující záření zahrnuje kosmické záření elektromagnetické vlny, které jsou nejenergetičtější, a to paprsky X a gama Paprsky X mohou vzniknout, když je svazek elektronů vyslán ke kovovému cíli. Tyto elektrony vzájemně reagují s elektrony atomů kovu, donutí je změnit energii a vyslat záření X. Paprsky gama jsou vysílány radioaktivními atomy během jejich rozpadu. záření alfa, beta plus a beta mínus (částice vysílané radioaktivními atomy během jejich rozpadu) volné neutrony, které se vyskytují hlavně v jaderných reaktorech, jsou vysílány např. během štěpení atomu uranu 235 (viz brožura Provoz jaderného reaktoru). Jsou nepřímo ionizující, buď jsou zachyceny jádry nebo s nimi interagují, což vyvolá záření gama a /nebo korpuskulární záření (různé částice). Neutrony se rovněž nacházejí v letových výškách dopravních letadel. Představují 30% dávky, kterou dostane letecký personál. Aktivní zóna reaktoru Osiris, kde dochází ke štěpení atomů 46

48 Str. 7 Ostatní záření se nazývají neionizující a zahrnují méně energetické elektromagnetické vlny. Str. 7 Text k obrázku Částice alfa Částice beta mínus: elektrony Záření X a gama Neutrony SCHOPNOST PRONIKÁNÍ IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ Částice alfa. Slabé pronikání do vzduchu. Jádra hélia stačí zastavit list papíru. Částice beta mínus: elektrony. Penetrace slabá. Na vzduchu urazí vzdálenost pouze několika metrů. Několikamilimetrový hliníkový plech tyto elektrony zastaví. Záření X a gama. Penetrace velmi silná, na vzduchu urazí několik stovek metrů. Ochránit před zářením může silná vrstva betonu nebo olova. Neutrony. Penetrace závisí na jejich energii. Zastaví je silná vrstva betonu, vody nebo parafínu. Prostupování záření hmotou Energie ionizujícího záření umožňuje jejich pronikání penetraci, to znamená prostupování látkou. Nicméně schopnost pronikání je u každého z nich jiná, což se odráží ve stanovení tloušťky ochranných materiálů. 47

49 Připomeňme, že pozitrony (záření beta plus) jsou prakticky absorbovány na místě: pozitron zanikne při setkání s prvním elektronem a vytvoří dva fotony gama. Toto záření gama má výše zmiňované problémy (viz schéma nahoře). Energie absorbovaná hmotou Když záření proniká hmotou, navzájem s ní reaguje a předává jí energii. Tento transfer energie je charakterizován dávkou energie, kterou látka absorbuje. Jednotkou absorbované dávky je jeden gray (Gy), který je ekvivalentem joulu absorbovaného na kilogram látky. Str. 8 jednotka energie, viz brožura L Énergie IONIZUJÍCÍ ZÁŘENÍ V SILNÉ DÁVCE JE PRO ČLOVĚKA NEBEZPEČNÉ. Biologické účinky záření 48

50 Str. 9 Studie o účincích záření Účinky ultrafialového slunečního záření jsou široké veřejnosti dobře známé. Jestliže se zdá při malých dávkách neškodné, při silných dávkách může být velmi nebezpečné. Dlouhé pobývání na slunci vyvolá úpal, úžeh, spáleniny způsobené ultrafialovým zářením. Při dlouhodobém působení může být příčinou rakoviny. 49

51 Ionizující záření přispívá k ionizaci molekul přítomných v živých organizmech. V závislosti na obdržené dávce a typu záření mohou být jejich účinky více čí méně zhoubné pro organismus. Pří zkoumání jejich rozdílných biologických účinků se používají dva postupy: epidemiologie a experimentování s molekulami nebo buňkami živých organizmů. Epidemiologie se zabývá pozorováním účinků na populaci již vystavené záření, ať už bylo přirozené nebo umělé (populace Hirošimy a Nagasaki, první radiologové, pracovníci v uranových dolech ) Díky experimentování tak mohli vědci pozorovat zvláště škody a poruchy vyvolané ionizujícím ozařováním na DNA (dlouhá molekula živých buněk nesoucí genetickou informaci). Účinky spojené s celkovým ozářením 0 až 0,25 gray Bez patologických symptomů shledaných ve spojitosti s ozářením 0,25 až 1 gray nucení k zvracení lehkého průběhu, pokles bílých krvinek 1 až 1,25 graye Zvracení, zřetelná změna krevního obrazu 2,25 až 5 grayů Smrtelná dávka pro každého druhého člověka, povinná hospitalizace Nad 5 grayů Jistá smrt Str. 10 Účinky se mění v závislosti na jedinci, dávce a zdrojích expozice (vnitřní nebo vnější) Analyzují se také mechanizmy přestavby, které je buňka schopna mobilizovat, když byla její molekula DNA zničena. Epidemiologie a experimentování umožňují lépe poznat účinky ionizujícího záření, aby se mohla lépe určit pravidla a normy 50

52 ochrany před radioaktivním zářením a pečovat o osoby, které byly zasaženy havarijním zářením. Okamžité účinky Silná radiace ionizujícího záření má okamžité účinky na živé organizmy, jako například více či méně vážné popáleniny. Absorbovaná dávka (v gray) se používá pro charakteristiku okamžitých účinků, které následují po silném ozáření (v případě havárie nebo terapie při léčbě rakoviny). Například radioterapeuti používají absorpční dávku, aby změřili energii předanou nádoru, který je léčen radiací. Dlouhodobé účinky Vystavení slabšímu nebo silnějšímu ionizujícímu záření může mít dlouhodobé účinky v podobě rozvoje rakoviny nebo leukémie. Tyto účinky nelze předpovídat pro konkrétní osobu, vznikají náhodně. Záření alfa, velké částice (jádra helia) jsou rychle pohlceny uvnitř materiálu nebo živé látky a předávají svou energii lokálně. Tak jsou při stejné absorpční dávce škodlivější než záření gama nebo X, která pronikají hlouběji do látky a předávají zde rovněž svoji energii. Aby se vyčíslila škodlivost menšího či většího záření stejné absorpční dávky, (pokračování na str. 11) JEDNOTKY RADIOAKTIVITY text v modrém rámečku BECQUEREL Radioaktivní vzorek je charakteristický svojí aktivitou, která se rovná počtu rozpadů radioaktivních jader za sekundu, ke kterým dochází v jádře. Jednotkou aktivity je becquerel symbol Bq 1Bq= jeden rozpad za sekundu GRAY Jednotka, která umožňuje změřit množství absorbovaného záření absorpční dávkuorganismem nebo předmětem, který je vystavený záření, se nazývá jeden gray. (Gy). Gray nahradil jednotku rad v roce SIEVERT Biologické účinky na organizmus vystavený záření se měří v sievertech a vyjadřují v dávkovém ekvivalentu. Nejčastěji užívanou jednotkou je milisievert, milióntina sievertu (viz brožura La radioactivité) Str. 11 bylo zapotřebí zavést pro každé z nich váhový (jakostní) faktor. Když se vynásobí absorbovaná dávka (v gray) tímto faktorem, získá se jednotka biologického účinku obdrženého záření, která se nazývá dávkovým ekvivalentem. Jednotkou dávkového ekvivalentu používanou pro měření účinků záření na organické látky živé organismy-tkáně je sievert (Sv). Nicméně, biologické riziko není stejné pro všechny organismy. Závisí na citlivosti ozářeného orgánu k záření a tak specialisté definovali novou takzv. účinnou dávku 51

53 (vyjádřenou rovněž v sievertech), která počítá s těmito rozdíly v citlivosti orgánů a definuje dlouhodobé riziko vzniku rakoviny v celém organismu. Druhy expozice záření Podle způsobu záření, které zasáhne organismus, rozdělujeme expozici na vnější a vnitřní. vnější (externí) expozice člověka k záření vyvolává vnější ozáření. Dochází k němu, když je člověk vystaven zdrojům záření, které se nacházejí mimo něj (radioaktivní látky ve formě mraku, úložiště na zemi, zdroje používané v průmyslu nebo v lékařství ).Vnější expozice se může týkat jak celého organismu tak pouze jeho části. Přestává v okamžiku, kdy už se člověk nenachází ve vlivu tohoto záření (například rentgen plic) k vnitřní expozici (interní kontaminaci) dochází tehdy, když radioaktivní substance pronikne dovnitř organismu. Ty pak vyvolávají vnitřní ozáření. Mohly být vdechnuty, přijaty potravou, vniknout přes poraněnou kůži a pak se rozšířily do celého organismu. Tato radiace přestane až v okamžiku, kdy radioaktivní substance po kratší či delší době zmizí z organismu přirozenou eliminací, poklesem radioaktivity (viz brožura Radioaktivita) nebo léčbou. Text k obrázku: záření může zasáhnout lidské tělo jak zevnitř tak zvenku 52

54 Str. 12 Biologické účinky záření Zdroje expozice a jejich účinek Působení záření na lidský organismus je různé v závislosti na druhu záření. Tato dávka se vyjadřuje v sievertech (Sv) a mluvíme o ekvivalentní dávce. Přirozená radioaktivita Průměrná dávka v msv za rok Umělá radioaktivita 53

55 Jihozápad Indie, Brazílie Ve m nadmořské výšky Ve Francii přirozená průměrná radioaktivita Zpáteční let Paříž New- York 50mSv 12 msv Břišní tomografie 3,6 msv 2,4 msv 1 msv Průměrná lékařská expozice (tomografie, rentgen) 0, 06 0, 017 Důsledky vojenských pokusů v 60. letech 0, 06 Zubní panoramatický rentgen 0, 002 Nehody v elektrárnách Str. 13 Ať už je zdroj ionizujícího záření přirozený nebo umělý, vyvolává v živých organismech (organických látkách) stejné účinky. Poločasy rozpadu následující radioaktivních izotopů jsou - pro jód 131 : 8 dnů - pro uhlík 14 : let - pro draslík 40 : 1,3 miliardy let Všechny radioaktivní prvky nejsou eliminovány z těla (močí ) stejně rychle. Některé se mohou shromažďovat ve specifických orgánech (kosti, játra ) před jejich vyloučením z organismu. Pro každý radioaktivní prvek se definuje kromě radioaktivního období ještě období biologické, čas, po jehož uplynutí je polovina aktivity radioaktivní substance vyloučena z těla přirozenou cestou. Expozice (vystavení) člověka záření Aby se zvážila skutečná hodnota rizika spojeného s ionizujícím zářením, je nezbytné sledovat přirozenou expozici člověka, které je vždy vystaven. Všechny živé organismy se na ni adaptovaly a zdá se, že jsou schopny korigovat až do určitého stupně škody vzniklé radiací. Ve Francii je hodnota roční průměrné expozice ionizujícímu záření přibližně dva milisieverty. Kromě této přirozené radioaktivity jsme vystaveni ještě záření pocházejícímu z umělých zdrojů. Tato záření jsou stejného druhu jako ta, která jsou vyzařována z přirozených zdrojů a jejich účinky na živé organismy jsou při stejných dávkách identické. Jedná se zvláště o lékařskou a zubní radiografii. Jenom 1,5 % 54

56 pochází z jiných zdrojů jako jsou vzdušné pokusy jaderných zbraní a dopady havárií jaderných elektráren. Přirozená expozice Ionizující záření, které se dostává do našeho organismu z přirozených zdrojů, má různý původ a rozdělujeme ho na tři druhy Kosmické záření Pochází z mimozemského prostoru, zvláště ze Slunce. V Evropě to představuje pro všechny, kteří žijí v nadmořské výšce blízké hladině moře, úroveň roční průměrné radiace přibližně 0,30 milisievertů. S rostoucí nadmořskou výškou expozice stoupá. Radioaktivní prvky vyskytující se v půdě Jedná se zvláště o uran, thorium a draslík. Tyto prvky vyvolávají pro každého obyvatele ve Francii záření přibližně 0,35 milisievertů za rok. Je třeba poznamenat, že v některých oblastech Francie i světa, jejichž půda obsahuje horninu jako je žula, jsou tato záření mnohem silnější. Radioaktivní prvky, které vstřebáváme při dýchání nebo s přijímáním potravy Uvolňování plynů některých látek vzniklých při rozpadu uranu v půdě jako je třeba radon, nebo draslík v potravě, který je zachycen v našem organismu předávají (pokračování na další straně) Str % radioaktivity, které jsme vystaveni je přirozeného původu. Zdroje radioaktivity ve Francii (zdroj CEA/RSN) 55

57 24,5% 8,2% Kosmické záření (10,9%) Lidské tělo Telurové záření (z radioteluru) (13,6) 0,3% ostatní 34,3% Ostatní (průmyslový odpad, atmosférické dopady) Radon 32,7% Lékařské aplikace každému z nás průměrnou roční dávku radiace 1,55 milisievertů. Hlavním zdrojem přirozené radiace je radon 222, přírodní radioaktivní plyn. Představuje přibližně třetinu získaného ozáření a vzrůstá v oblastech, kde je přítomná žula. Žula je hornina bohatá na uran. Radon vzniká opakovanými (po sobě jdoucími) rozpady z uranu. Umělá expozice Roční průměrná expozice pocházející ze zdrojů umělé radioaktivity je na každého obyvatele přibližně jeden milisievert. Jsou to především: Lékařská radiace Jedná se hlavně o lékařskou a zubní radiografii, které vyvolají vnější ozáření přibližně jednoho milisievertu za rok (průměrná hodnota ve Francii) Průmyslové nejaderné aktivity Spalování uhlí, používání fosfátových hnojiv, televize, hodinky se svítícím číselníkem vyvolávají průměrné ozáření asi 0,01 milisievertu za rok Průmyslové jaderné aktivity Jaderné elektrárny, podniky na zpracování odpadu, dopady bývalých jaderných atmosférických pokusů a Černobylu atd. vystavují každého jedince průměrnému ozáření 0,002 milisievertu za rok. 56

58 Str. 15 PRO OCHRANU POPULACE A LIDÍ PRACUJÍCÍCH V RADIOAKTIVNÍM PROSTŘEDÍ BYLY STANOVENY PŘÍPUSTNÉ HODNOTY NA MEZINÁRODNÍ I NÁRODNÍ ÚROVNI Ochrana proti radioaktivnímu záření 57

59 Str. 16 Pravidla radiologické ochrany Ochrana proti záření je souborem opatření určených k zajištění zdravotní ochrany populace a pracujících, kteří jsou v kontaktu radioaktivním prostředím. Tři základní pravidla ochrany před všemi zdroji záření jsou: vzdálit se od zdroje záření, neboť jeho intenzita se zmenšuje se vzdáleností 58

60 vložit mezi osoby a zdroj záření jednu nebo více clon (například v jaderném průmyslu chrání lidi vícečetné clony. Jsou to betonové stěny, olověné stěny (příčky, přepážky) a speciální skla na bázi olova.) snížit co nejvíce dobu expozice záření Jednotky radiologické ochrany mohou být srovnány s těmi, které se dodržují při ochraně před ultrafialovými paprsky: používání opalovacího krému, který působí jako clona a snížení doby vystavení se slunečnímu záření. Pro radioaktivní zdroje vyzařující záření se doporučuje přidat ke stávajícím ještě další opatření počkat, pokud je to možné, až se přirozeným způsobem sníží radioaktivita prvků využít rozředění, pokud máme co do činění s radioaktivním plynem Například jaderná zařízení nejsou rozebrána hned po jejich odstávce, neboť se čeká na pokles radiace v daných zónách. V podzemních dolech s uranem je velmi účinná ventilace, která umožní udržovat slabou koncentraci radonu ve vzduchu, který dýchají horníci. Pracovníci, kteří mohou být vystaveni ionizujícímu záření během své práce (jaderný průmysl, lékaři, radiologové ), nosí při sobě filmový dozimetr nebo digitální dozimetr, který měří úroveň radiace, které byli vystaveni. Tyto přístroje změří, zda osoba nedostala vyšší dávku než je tolerovaná norma, nebo určí její velikost. Text k fotografii: dozimetr umožňuje měřit množství záření, kterému je pracovník vystaven. Str

61 Četné nezávislé komise přiměly úřady stanovit závazné normy pro limity dávek. Mezinárodní normy radiologické ochrany Uvědomění si možného nebezpečí z nadměrné expozice ionizujícímu záření přimělo úřady stanovit závazné normy pro limitní dávky. Tyto limity odpovídají minimálnímu doplňkovému riziku ve vztahu k přirozenému riziku, což je činí přijatelnými. Od roku 1928, jsou v Mezinárodní komisi pro radiologickou ochranu (CIPR) lékaři, fyzikové, biologové ze všech zemí. Představují nezávislou vědeckou autoritu, která zveřejňuje přesné informace a doporučení v oblasti ochrany před zářením, aby si každý stát mohl stanovit vlastní předpisy. UNSCEAR (United Nations Scientific Comittee on the Effect Atomic Radiation) spojuje vědce, kteří pocházejí z jednadvaceti států. Byla vytvořena v roce 1955 při OSN s cílem shromáždit maximum údajů o úrovni expozice vyvolané různými zdroji ionizujícího záření včetně údajů o jeho biologických a zdravotních účincích a dopadech na životní prostředí. Jedná se o pravidelnou bilanci těchto údajů, ale zároveň se hodnotí účinky na základě zkoumání experimentálních výsledků, posouzením dávek a údajů o člověku. Na evropské úrovni, Evropská unie začleňuje tato doporučení do svých vlastních norem a direktiv. Zákonné normy ochrany proti záření udávají: Limit účinné dávky pro běžnou populaci je stanoven na 1mSv za rok a pro osoby, které přijdou do bezprostředního styku s ionizujícím zářením při své práci (jaderný průmysl, lékařská radiologie) průměrně 20 msv za rok po dobu pěti let. Ekvivalentní dávka je 150 msv pro oční čočku a 500 msv pro kůži, ruce. Zákonodárce vydělí dvaceti hodnotu dávky ozáření stanovenou pro pracující a tato dávka platí pro celou populaci bez ohledu na jejich věk, zdraví i úroveň lékařského sledování. Na národní úrovni Ve Francii spadá radiologická ochrana pod Institut pro radiologickou ochranu a jadernou bezpečnost (IRSN) a pod společnou záštitu pověřených ministrů Obrany, Životního prostředí, Průmyslu, vědy a Zdraví. Institut byl vytvořen v únoru 2002 spojením Institutu ochrany a nukleární bezpečnosti (PSN) a Úřadu ochrany proti ionizujícímu záření (OPRI). IRSN provádí výzkum, expertízy a práce v oblasti jaderné bezpečnosti, ochrany před ionizujícím zářením, kontroly a ochrany jaderných produktů a ochrany před nepřátelskými činy (sabotáž). 60

62 Str. 18 ZÁŘENÍ JE VELMI UŽITEČNÉ V LÉKAŘSTVÍ A V PRŮMYSLU Příklady využití záření Str. 19 Lékařská radiografie využívá schopnosti paprsků X procházet lidským tělem. 61

63 RADIOGRAFIE A RADIOTERAPIE V LÉKAŘSTVÍ Lékařská radiografie využívá schopnosti paprsků X procházet lidským tělem. Různé tkáně (kosti, svaly) nenechávají procházet paprsky stejným způsobem: kosti jsou neprostupnější a svaly jsou transparentnější. Radiografie umožňuje vidět kontrastně kostru a prohlédnout si například zlomeninu, aby se mohla lépe ošetřit. Rovněž tak umožní pozorovat tkáně, které jsou poškozené nemocí: běžně prováděný rentgen plic poskytne lékaři důležité informace o zdraví pacienta. Počítačová tomografie pracující s paprsky X je zařízení, které prostřednictvím velkého množství zobrazení (několik stovek až několik tisíc) na lineárním detektoru a za pomoci počítače a programu na obrazovou rekonstrukci umožní získat řezy ať už celého těla nebo jeho částí (mozku ) a je používané pro přesnou lokalizaci poškození a nádorů Jiným přístrojem využívajícím paprsky X je morfometr (morfometrie a 3D zobrazení), sestrojený vědci CEA ve spolupráci s General Electric MSE (Medical Systém Europe). Tento přístroj umožnil poprvé získat a vizualizovat v nesrovnatelné kvalitě trojrozměrného zobrazení kompletní orgán. Konečně je tak možné vizualizovat a prostřednictvím výpočetní techniky manipulovat s kompletním cévním řečištěm nebo stavbou kosti. Text k fotografii: Morfometr umožní získat a vizualizovat celý orgán ve 3D zobrazení. Str.20 Ozáření umožní zničit za studena mikroorganismy jako jsou plísně, bakterii nebo viry Snaha o neustálé snižování přijaté dávky pro pacienty přivedla Georgese Charpaka, nositele Nobelovy ceny za fyziku v roce 1992, k vymyšlení velmi citlivého detektoru záření, který umožní dvakrát až třikrát snížit tuto dávku, přičemž získané informace jsou stejné jako u tradičního detektoru. 62

64 Další významnou aplikací záření v lékařství je radioterapie neboli léčení ionizujícím zářením. Několik měsíců po objevení paprsků X více než před sto lety bylo zjištěno, že biologické působení záření může být využito ve velkých dávkách pro léčbu rakoviny. Nádorové buňky, které se dělí rychleji, jsou citlivější než ostatní na ionizující záření. Vysláním ionizujícího záření na tyto buňky můžeme nádor zničit úplně nebo ho eliminovat. Dnes je téměř polovina lidí, kteří byli léčení na rakovinu, uzdravena díky radioterapii (terapii ozařováním). Text k fotografii: Výroba radioaktivních prvků v jednom z výzkumných reaktorů CEA v Osiris, které se používají v nukleární medicíně při léčení rakoviny STERILIZACE PŘEDMĚTŮ PAPRSKY GAMA Ozařování chirurgického materiálu a potravin Ozáření je preferovaným prostředkem ke zničení mikroorganismů (plísní, bakterií, virů ) za studena. Proto existují četné aplikace sterilizace předmětů. Například většina lékařského materiálu (injekční stříkačky na jedno použití, atd. ) jsou dnes sterilizovány gama paprsky a to odborníky z průmyslu. Stejně tak se ozařují i potravinové ingredience, což zlepšuje hygienu potravin: sterilizace koření, eliminace salmonely v krevetách nebo žabích stehýnkách tato technika se rovněž nazývá ionizací potravin. Ozařování uměleckých předmětů Ošetření paprsky gama umožní zabít larvy, hmyz a bakterie nacházející se uvnitř předmětů a tím předměty chránit před poškozením. Této techniky se využívá při konzervování a restaurovaní uměleckých, etnologických a archeologických předmětů Může se aplikovat na různý materiál: dřevo, kámen, kůže Jiná technika umožňuje zakonzervovat velká poškození: sochy zdevastované dřevokazným hmyzem, staré trosky z rozmáčeného dřeva atd. V těchto případech impregnace fotosenzitivní pryskyřicí, po které následuje vytvrzení (polymerizace) za 63

65 pomoci záření, umožní zacelit a posléze restaurovat tato díla (tento postup se nazývá nucléart ) Ošetření paprsky gama umožní ochránit umělecká díla před poškozením. Text k obrázkům: Ozáření paprsky gama umožní sterilizovat koření Pohled okénkem do radiační komory určené pro umělecké předměty Str. 22 Schopnost záření procházet hmotou je využívána v průmyslu VYUŽITÍ ZÁŘENÍ V PRŮMYSLU Výroba materiálů 64

66 Záření vyvolává za určitých podmínek chemickou reakci, která umožní výrobu materiálů, které jsou odolnější, lehčí nebo lépe uzpůsobené pro vyšší výkony. Aplikace této chemie společně s ozařováním jsou hojné v lékařství a v průmyslu (např. izolanty, kabely, obaly (ochranné pláště, pouzdra) reagující na teplo v elektroprůmyslu ) Na letištích se paprsky X používají k zviditelnění předmětů uvnitř zavazadel. Radiografie a neutronografie Používáním různých zdrojů záření nebo částic (korpuskulární) můžeme pozorovat vnitřek hmoty: Průmyslová radiografie (X nebo gama) je velmi užívaná při výrobě kotlů, ve svařovaných konstrukcích, v konstrukcích loďařského průmyslu, v petrochemii, v leteckém průmyslu, při výstavbě atomových elektráren, ve strojírenství (v ocelových nosných konstrukcích střechy, v konstrukcích z přepjatého betonu ) Tyto radiografické zkoušky spočívají, stejně jako v lékařství, v tom, že se zaznamená odezva svazku záření X nebo gama v závislosti na stavu kontrolovaného předmětu, kterým záření prochází. To umožní, aniž by se poškodil materiál, odkrýt vady. Záření X slouží rovněž na letištích k zviditelnění předmětů nacházejících se uvnitř zavazadel. Neutronografie, pro určitý typ zkoušek se používají neutrony jakožto zdroj záření. V podstatě, a na rozdíl od paprsků X, neutrony mohou snadno procházet materiály s velkou hustotou (ocel nebo olovo) a jsou vhodné na zobrazování materiálů bohatých na vodík. Například neutronografie umožní pozorovat přes ocelovou stěnu uspořádání a spojitost prachu s nebezpečím exploze. Rovněž tak je kontrolována touto technikou ve firmě CEA kvalita pyrotechnického zařízení používaného v raketě Ariane. Připomeňme, že neutron nemá radioaktivní původ a vzniká v jaderných reaktorech a interakcí kosmického záření s atmosférou 65

67 Radiografie X a neutronografie si nekonkurují, ale navzájem se doplňují. Str. 23 Radiometrická měřidla Radiometrická měřidla používají zapečetěné radioaktivní zdroje, vysílající záření gama, částice beta nebo neutrony. Slouží ke kontrole úrovně (hladiny) naplnění podle hustoty kapalin v kanalizaci, podle tloušťky nebo gramáže (od listu papíru k ocelovému plechu), k analýze minerálů nebo sloučenin Text k obrázkům: Konvertor a nahoře jeho neutronografické zobrazení 66

68 4 Energie CO JE ENERGIE? RŮZNÉ DRUHY ENERGIE. CHARAKTERISTICKÉ ZNAKY RŮZNÝCH DRUHŮ ENERGIÍ CEA Od výzkumu k průmyslu. Výroba stojí na přírodních zdrojích. 67

69 Str. 2 OBSAH Co je energie? Více čí méně energie 5 Energie se transformuje 5 Energie se uchovává 6 Energie se měří 6 Síla 7 Různé formy energie 8 Kinetická energie 9 Energie gravitace 9 Elastická energie 9 Práce 9 Tepelná energie 10 Elektrická energie 10 Radiační energie 10 Chemická energie 10 Atomová energie 10 Charakteristiky různých druhů energií 12 Energie se slabým a vysokým tokem 12 Tepelná ztráta 15 Uchovávání, skladování 16 Transport energie 17 Zásoby 17 Škody 18 Text pod fotografií: Vítr je jedním z nesčetných zdrojů energie. Str. 3 Obrázek : Energie se projevuje v pohybu. Ať už je to chemická energie, vyzařování nebo uvolňování tepla, elektrický systém nebo štěpení atomu. 68

70 Energie je pro člověka nepostradatelná. Představuje nejvyšší strategický potenciál v oblasti politiky, ekonomiky, vědy a oblasti životního prostředí. Úvod Člověk odjakživa potřeboval energii k tomu, aby se nasytil, aby se mohl přemisťovat. Energie existuje v různých podobách. Současné technologie umožňují vyrábět energii ve velkém a využívat k tomu veškeré možné zdroje (fosilní zdroje, vodu, vítr, slunce ). Na počátku 21. století zůstává energie nejdůležitější strategickou výzvou jak na úrovni politické, ekonomické, vědecké tak i v oblasti životního prostředí Vlastnictví energie patří k těm nejdůležitějším, zároveň však nejabstraktnějším typům vlastnictví materielních objektů, protože není hmatatelné. Tato publikace předkládá některé poznatky o fyzikálních vlastnostech energie. 69

71 Str. 4 ENERGIE POCHÁZÍ Z ŘECKÉHO SLOVA ENERGIA, JEHOŽ VÝZNAM JE AKČNÍ SÍLA. Co je energie? 70

72 Str. 5 Více či méně energie Existence energie se může projevovat v nejrozličnějších formách a člověk může pozorovat, do jaké míry závisí na situaci. Čím rychleji auto jede, tím větší množství energie spotřebuje. Tato spotřeba je však nižší než spotřeba kamionu, který jede stejnou rychlostí. Stlačená pružina skrývá větší množství energie než uvolněná. Energie elektrického monočlánku je před použitím větší než, když je vybitý. Energie hrnce s vodou stoupá při jeho zahřívání. Energie tudíž existuje ve velmi různých podobách. Provedená srovnání pro každou z těchto energií ukazují, že energie jakéhokoli fyzikálního systému závisí na stavu, ve kterém se nachází. Ve výše zmíněných příkladech je tento stav charakterizován rychlostí a hmotou vozidla, deformací pružiny, nabitím/vybitím baterie. Uvidíme, jak se různé druhy energie mohou, i když někdy pouze částečně, přeměňovat. Tato transformace energie je využívána v běžném životě, ale u každé z nich dochází ke ztrátám. Text k fotografii: V žárovce se elektrická energie přeměňuje na světelnou a tepelnou energii Energie se přeměňuje Energie může přejít z jednoho systému do druhého: v podobě tepla přechází z radiátoru do vzduchu v místnosti. Může se také transformovat a změnit povahu. Pružina v mechanické hračce se uvolní a vyvolá pohyb. Energie spojená s pohybem kola se přemění v okamžiku brzdění na teplo předané na brzdící čelisti a ráfek kola. Energie nashromážděná v baterii kapesní svítilny se v okamžiku uzavření obvodu přemění na elektrickou energii. Tato se poté v žárovce přemění na energii světelnou a tepelnou. V tepelných elektrárnách je energie nashromážděná v palivu (chemická v uhlí a ropě a jaderná v uranu) přeměněna (prostřednictvím spalování nebo jaderné reakce) na teplo; pak je část tohoto tepla (pokračování na další straně) Str. 6 Energie se zachovává: ani se neztrácí ani nevzniká. Tato poučka je prvním principem termodynamiky. přivedena do turbíny v mechanické podobě; tam je tato mechanická energie přeměněna alternátory na energii elektrickou. Energie se nám prezentuje prostřednictvím těchto transferů a transformací. 71

73 Zachování energie Nejvýraznějším charakteristickým znakem energie je, že se její celkové množství neztrácí. Když se předává z jednoho systému do druhého nebo se transformuje, nedochází nikdy k její produkci nebo destrukci. Jestliže jeden předmět ztratil energii, druhý předmět, který je ve spojení s prvním, stejné množství energie získal. Stejně tak, když se energie přemění, je bilance vždy přesně vyvážená. Takže rétorika novinářů, ekonomů nebo politiků o výrobě a ztrátách energie je nesprávná, neboť energie nemůže být ani vyrobena ani ztracena. Ve skutečnosti se v tepelných elektrárnách energie nevyrábí, ale transformuje z chemické nebo jaderné energie na energii elektrickou nebo tepelnou. Celkový výsledek této konverze je charakterizován účinností. Při účinnosti 33 %, to znamená, aby se do sítě mohlo poslat 33 jednotek elektrické energie, bylo zapotřebí použít 100 jednotek jaderné energie, ze které se uvolnilo 67 jednotek tepelné energie, která byla vypuštěna do okolí, jako například pára z chladírenských věží, a tím pádem pro nás nenávratně ztracena. Některé elektrárny využívají část tohoto tepla pro vytápění bytů nebo skleníků. Uvidíme dále, že i když platí zákon zachování energie, nemohou se její formy měnit libovolně jedna v druhou. Některé procesy probíhají jednosměrně (nevratně) a zpětný proces (vratnost) je nerealizovatelný. Energie se měří Právě schopnost energie se uchovávat nám umožňuje ji měřit pomocí stejné jednotky pro všechny druhy energie. Energie, zvaná kinetická Výroba-produkce elektrárny zde elektrárna EDF v Penty (Seine-Maritime) - spočívá v přeměně jaderné energie. Str. 7 Američan spotřebuje v průměru dvakrát více elektřiny než Francouz, a ten spotřebuje čtrnáctkrát větší množství elektřiny než Afričan. přiřazená k pohybu hmoty m a rychlosti v se rovná E=1/2mv 2. Když je hmota vyjádřená v kilogramech a rychlost v metrech za sekundu, tento vzorec udává energii v joulech (J), které jsou jednotkou mezinárodního systému. (SI). Kdysi, když ještě teplo nebylo považováno za formu energie, byla zavedena při studování tepelných výměn 1 kalorie, definovaná jako množství tepla, které je 72

74 zapotřebí k ohřátí jednoho gramu vody o jeden stupeň Celsia. Zkušenost ukázala, že přeměna mechanické energie na teplo a rovněž tak opačně se uskutečňuje se stejným koeficientem, a to 1 kalorie se rovná 4, 18 joulu. Takže existuje rovnost mezi oběma formami energie (mechanickou a tepelnou). To umožnilo opustit kalorii a měřit teplo a všechny ostatní druhy energie v joulech.. Výkon Přeměny energie jsou charakterizovány nejenom množstvím energie předané nebo přeměněné ale také délkou trvání procesu. Pojem výkonu je rovněž definován jako množství energie vyměněné za jednotku času. Jednotka výkonu, watt, je tudíž joulem za sekundu. Elektrický radiátor s výkonem W spotřebuje každou sekundu elektrickou energii o velikosti J a tím pádem každou hodinu (3 600 sekund) je elektrická energie x 1 500= J přeměněna na tepelnou. Tento příklad ukazuje, že joule je příliš malá jednotka pro běžný život. V praxi používáme často kilowatthodinu (kwh), množství energie, které vytvoří přístroj o výkonu W za 1 hodinu. Takže 1kWh se rovná x J = J. Výše zmíněný radiátor spotřebuje za hodinu používání 1, 5kWh a vyzáří (předá) za stejnou dobu tepelnou energii 1, 5 kwh. Průměrná roční spotřeba elektřiny na jednoho Francouze je více než kwh, ve Spojených státech je dvojnásobná, kwh, a v Africe jen o málo větší než 500 kwh. Tři čtvrtiny elektřiny vyrobené ve Francii pochází z jaderných elektráren, poslední čtvrtinu si mezi sebe rozdělí vodní elektrárny a tepelné (uhlí, nafta). Ale tato elektřina představuje sama o sobě méně než polovinu francouzské spotřeby. Zbytek využívá přímo naftu (benzín a topný olej), plyn a uhlí; třetina francouzských potřeb se v podstatě týká vytápění místností a čtvrtina transportu. 73

75 Str. 8 ENERGIE SE PROJEVUJE V POHYBU - JAKO CHEMICKÁ REAKCE, ZÁŘENÍ, UVOLŇOVÁNÍ TEPLA, ELEKTRICKÝ SYSTÉM NEBO ŠTĚPENÍ ATOMU. Různé formy energie 74

76 Str. 9 Kinetická energie Je to energie spojená s pohybem nějakého předmětu. Viděli jsme, že je úměrná hmotě m a čtverci rychlosti (rychlosti na druhou) v předmětu (za podmínky, že tato rychlost by byla nižší než rychlost světla, km/s) Gravitační energie Dvě masívní tělesa se přitahují. Tato síla, která se nazývá gravitační je slabá pro malé objekty a silná pro hvězdy. Stejně tak se přitahují Slunce a Země, Země a Měsíc. Zemská tíže není nic jiného než gravitační síla Země, která se projevuje vzhledem k objektům, které se nacházejí v její blízkosti. Této síle odpovídá gravitační energie, tím větší, čím jsou objekty vzdálenější jeden od druhého. Gravitační energie je potenciální, protože ji můžeme vnímat pouze tehdy, když se přemění na jinou formu energie. Potenciální energie kabiny výtahu je větší v šestém patře než v přízemí, protože je výtah více vzdálený od středu Země, který ho přitahuje. Kdybychom uřízli kabel a vyřadili tak bezpečnostní brzdy, kabina by padala zrychleným pádem, její potencionální energie by se přeměnila na kinetickou, která je viditelnější. Stejně tak je energie 1 kg vody na hladině přehradního jezera vyšší než energie vody u odtoku z přehrady. V podstatě při výškovém rozdílu sta metrů, je rozdíl potencionálních energií 981 joulů. Je to právě tato energie, která je využívána ve vodních elektrárnách, kde pád vody uvádí do pohybu turbíny a ty pak alternátory. zdroj i uskladnění energie Přehrady mají tu výhodu, že jsou současně využívány jako Elastická energie Znovu se jedná o energii potenciální spojenou tentokrát s deformacemi elastických předmětů, např. s napětím pružiny nebo stlačením vzduchu. Práce Tento termín označuje transfer energie vytvořené působením síly, jejíž místo působení se přemisťuje. Při zvedání nějakého břemene, např. vody, kterou potřebujeme dostat z nejnižšího bodu až na vrchol přehrady, dodáváme vodě práci, která jí umožní získat vyšší potencionální energii: práce dodaná čerpadlu, které stlačuje plyn, zvyšuje jeho elastickou energii a přispívá k jeho zahřívání. Doposud vyjmenované energie se nazývají energiemi mechanickými. 75

77 Str. 10 Energie může změnit svůj stav. Například, spalováním nafty vzniká teplo. Tepelná energie Na úrovni atomů se teplo definuje jako neuspořádaný, různě rychlý pohyb molekul. Na naší úrovni představuje formu energie, která vstupuje do hry, když se mění teplota nebo když látka mění stav (tání ledu, vypařování vody). Může přejít postupně, aniž by se transformovala, v jinou formu energie (vedení tepla). Může se rovněž přeměnit na mechanickou energii v turbíně, v parním stroji nebo v tryskovém letadle, ale uvidíme, že tato přeměna může být pouze částečná. Elektrická energie Nabité částice, které na sebe vzájemně působí, vykazují elektrickou sílu. Stejně tak jako potencionální gravitační síla je spjata s gravitační silou či tíží, potenciální elektrická energie je spojena s elektrickými silami působícími mezi náboji. Jejich přemisťování v rámci obvodu je doprovázeno rychlejším či pomalejším transferem energie měřeným jako elektrická síla. Elektrická energie se může transformovat na teplo v odporu (radiátor, vařič) nebo na práci v motoru. Radiační energie (tepelné sálání) Záření přenáší energii dokonce i ve vzduchoprázdnu. Slunce předává Zemi energii řádově 1 kw na metr čtvereční v podobě viditelného světla a infračerveného záření. Radiátor předává své teplo prostřednictvím okolního vzduchu, ale také přímo ve formě infračerveného záření. Ve vlákně elektrické žárovky se elektrická energie přeměňuje na teplo a poté se toto teplo šíří v podobě radiační, světelné a infračervené. V mikrovlnné troubě se teplo předává potravinám. Na začátku je energie elektrická, takzv. mikrovlnné záření, podobné tomu v radarech. Jde to i opačně, můžeme přeměnit část sluneční světelné energie pomocí slunečních fotočlánků na energii elektrickou. Radiové vlny přenáší také energii, samozřejmě slabou, ale dostačující pro přenos zvuku, obrazu, informace. Chemická energie Chemická energie se váže na spojení atomů v molekulách. Je větší, když jsou atomy v molekule odděleny a ne spojeny. Tato rozdíl je tím větší, čím je spojení pevnější. Protože modifikuje chemickou energii látek, je chemická reakce doprovázena transformací jedné energie na druhou, v tomto případě nejčastěji na teplo. Plynový vařič produkuje určité množství tepelné energie, (pokračování na další straně) 76

78 Str. 11 Obrázek Transformace energie Jako příklad uvedeme přeměnu energie v automobilu. Chemická energie benzínu a vzduchu je přeměněna spalováním na teplo. Toto teplo je předáno prostřednictvím vzniklého teplého plynu válcům a pístům. V tomto stádiu se přeměňuje na mechanickou energii, která uvede auto do pohybu a to získává určitou kinetickou energii. Tření vzduchu a karoserie a tření kol a podložky přeměňuje tuto energii kompletně na teplo (na rovný povrch! a konstantní rychlost) Část energie vzniklé v motoru je přeměněna na elektrickou energii, která zásobuje alternátor. Takto vzniklý proud slouží ke vzniku jiskry ve svíčkách a následnému spalování a zároveň dobíjí baterii, jejíž chemická energie se zvyšuje. Slouží rovněž k rozsvícení světel a vyzařování světelné energie. Takže spotřebujeme při stejné rychlosti o něco více benzínu v noci než ve dne. která se rovná rozdílu mezi chemickou energií plynu a spotřebovaného kyslíku a energií produktů spalování (vodní pára a kysličník uhličitý). V tepelné elektrárně na uhlí nebo topný olej je zlomek tepla vzniklého spalováním přeměněn na elektrickou energii. V akumulátoru nebo monočlánku je část chemické energie, která se uvolní při reakci, využita v elektrické podobě. Ačkoliv jsou zdánlivě rozdílné, mají tepelná, 77

79 elektrická, radiační a chemická energie stejný původ: v mikroskopickém měřítku jsou všechny spojeny s elektrickou silou, která existuje mezi nabitými částicemi. Jaderná energie Jaderná energie se nachází v jádru atomů. Tato jádra, stotisíckrát menší než samotné atomy, jsou složena z ještě menších částic protonů a neutronů které jsou mezi sebou velmi silně spojeny. Stejně tak jako je spojení atomů v molekule zdrojem energie chemické, je spojení protonů a neutronů v jádře prostřednictvím jaderných sil zdrojem energie jaderné. Jaderná reakce měnící stavbu atomových jader je provázena velkým uvolňováním tepla. Stejným mechanismem vzniká ve slunečním nitru slučováním jader vodíku na jádra hélia energie, která je následně vyzařována. V jaderných elektrárnách využíváme jinou jadernou reakci, jedná se o štěpení jader uranu, při kterém se každé uranové jádro přemění na dvě další jádra přibližně dvakrát menší; část vzniklého tepla (33%, jak bylo již dříve uvedeno) je přeměněna na elektrickou energii. Str. 12 VÝKON, TEPELNÉ ZTRÁTY, KAPACITA OBNOVOVÁNÍ TYTO CHARAKTERISTIKY URČUJÍ I POUŽITÍ RŮZNÝCH DRUHŮ ENERGIÍ. Charakteristiky různých druhů energií 78

80 Str. 13 Ačkoliv energie představuje jedinou a stále stejnou fyzikální veličinu, její různé formy mají rozdílné charakteristiky. V praxi výběr určitého druhu energie závisí na cíli, ke kterému směřujeme. Pro daný cíl, např. výrobu elektrické energie je důležité zvážit podle okolností všechna pro i proti každého navrhovaného plánovaného řešení, přičemž kritéria výběru jsou nesčetná. 79

81 Energie méně a více koncentrované Stejně jako nám 50 bankovka umožní nakoupit stejné množství zboží, jako když platíme 50 mincemi po 1, mají některé energie větší či menší potenciál. Z tohoto hlediska můžeme rozlišit tři kategorie, které odpovídají třem výše zmíněným typům síly. Gravitační energie O významu gravitační energie se dá mluvit až v okamžiku, kdy do hry vstupuje velká hmotnost. Viděli jsme, že 1 kg vody padající ze 100 metrů dodá pouze 981 J (viz str. 9) a že 1 kwh se rovná J (viz str. 7). Abychom uvolnili pouze 1 kwh, bylo by zapotřebí nechat padat ( J/ 981 J /kg) což je 3,67 tuny vody z výšky 100 metrů. Vodní elektrárny jsou tudíž z tohoto pohledu málo účinné. Mechanická energie, se kterou se setkáváme v našem každodenním životě, má rovněž slabý efekt. Kinetická energie auta vážícího 1 tunu a jedoucího rychlostí 100km/h je pouze 0, 1 kwh. Přechodná kategorie energií zředěných nebo koncentrovaných je představována energií tepelnou, elektrickou, radiační a chemickou. Př: Spalovaní ropy nebo plynu Tepelná, elektrická, radiační a chemická energie V přechodné kategorii figurují energie tepelná, elektrická, radiační a chemická, které se pro běžné použití měří v řádu kwh na 1kg hmoty. Je třeba dodat 0,1 kwh, abychom rozpustili 1 kg ledu, 0,7 kwh abychom přeměnili 1kg vody na páru (100 C). Elektrické domácí spotřebiče spotřebují elektřinu mají příkon od 0,1 do 5 kw. Spalování 1 kg nafty nebo plynu poskytne 12 kwh. Člověk vytvoří biochemickou energii vzniklou z trávení potravy a vdechnutého vzduchu. Používá ji k tomu, aby si udržel teplotu do 37 C a vykonával činnosti; Str. 14 vydaná síla při odpočinku je 100 W a při plné fyzické aktivitě 500 W. Rozdíl, který panuje mezi prvními dvěmi kategoriemi, si můžeme uvědomit na příkladu, kdy mechanická energie jednoho vajíčka padajícího z Eiffelovky přeměněná na teplo k jeho uvaření by zvýšila teplotu pouze o 0, 7 C. 80

82 Jaderná energie Jaderná energie je nejkoncentrovanější formou energie, protože z 1 kg přírodního uranu získáme v běžné elektrárně (většina francouzských jaderných elektráren používá tlakovodní reaktory) množství tepla rovnající se kwh, zatímco 1 kg uhlí dodá při spalování 8 kwh. A to je důvodem, proč se manipuluje pouze s malým množstvím jaderného paliva pro výrobu elektřiny: jaderná elektrárna o výkonu MW (10 9 W) spotřebuje 27 tun obohaceného uranu za rok, čtvrtinu své náplně, zatímco tepelná elektrárna stejného výkonu spotřebuje tun nafty ročně. V podstatě umíme průmyslově extrahovat pouze malou část jaderné energie ukryté v surovině. Na Slunci, 1kg vodíku přeměněný jadernou reakcí na helium, produkuje 180 milionů kwh. Sestavování paliva (palivového článku) energií Jaderná energie představuje jednu z nejkoncentrovanějších Str. 15 Příroda nám umožňuje přeměnit pouze malý zlomek tepla na jinou formu energie. Text v rámečku Výpočet celkové energie Na Slunci 1 kg helia vyprodukuje 18 milionů kwh. Pro energie, které jsou srovnatelně velké, dokazujeme správnost slavné Einsteinovy rovnice E=mc 2, která vyjadřuje, že absolutní energie tělesa E je úměrná své hmotě m, ale převodní koeficient je velice vysoký, protože rychlost světla c se rovná km/s. Rovněž tak hmota pouze 1mg je ekvivalentní energii kwh; v jaderné elektrárně přeměna 1 kg přírodního uranu na jiné prvky snižuje jadernou energii paliva o kwh a tudíž jeho hmotnost o 4 mg. 81

83 Degradace tepelné ztráty Ze zkušenosti víme, že fyzikální systém sám o sobě směřuje spontánně k čím dál větší neuspořádanosti. Mezi různými druhy energií právě teplo koresponduje s neuspořádaným pohybem molekul. Naopak jiné druhy energie, které můžeme nazvat ušlechtilými, jsou uspořádány mikroskopicky. Mají tudíž tendenci se měnit v teplo. Tento fenomén se nazývá disipace (nevratná přeměna např. části celkové energie v jiné druhy energie, zejm. teplo) a říká se, že teplo je degradovaná forma energie. Je jednoduché vyrábět teplo na základě ekvivalentního množství ušlechtilé energie např. v pecích (troubách) a kotlích, elektrických nebo spalovacích, nebo ve slunečních kolektorech pro ohřev vody. Obrácený druh transformace je ale nemožný. Jestliže máme určité množství tepla, nemůžeme ho zcela přeměnit na energii mechanickou, elektrickou nebo chemickou pomocí přístroje, který pracuje v uzavřeném cyklu a vrací se periodicky ke svému původnímu stavu. Tento zákon je jedním ze základních zákonů fyziky a je potvrzený nesčetnými pokusy. Příroda nám umožní přeměnit pouze malý zlomek disponibilního tepla na jiný druh energie a zároveň tento zlomek nesmí překročit určitou maximální hodnotu. A to je právě to, co limituje výkon parních turbín v elektrárnách, v motorech automobilu a letadla a ve všech zařízeních, která vytvářejí mechanickou energii na základě kalorické energie teplého plynu. Teplo se často objevuje jako ztráta, když používáme jiné druhy energie (samozřejmě kromě případu, kdy se jedná o vytápění domů či průmyslových objektů). Abychom mohli využívat jadernou nebo chemickou energii v elektrárně nebo v automobilu, musíme nejdříve vyrobit teplo prostřednictvím jaderné nebo chemické reakce; pouze část tohoto tepla může být poté přeměněna na energii elektrickou nebo mechanickou. Nejpříznivější situace nastává v případě přímé konverze mechanické energie na elektrickou a naopak. Ale i v tomto případě je obtížné vyhnout se v praxi tomu, aby se část ušlechtilé energie nepřeměnila na teplo. Jestliže hřídel motoru uvádí do chodu hřídel alternátoru, motor přeměňuje energii elektrickou na mechanickou a alternátor ji poté přeměňuje na energii elektrickou. Ale v konečném součtu získáme méně elektrické energie než jsme jí dodali; Str. 16 rozdíl spočívá v uvolňování tepla (Joulův efekt) v cívkách nebo třením v ložiskách, které nelze stoprocentně eliminovat. Tato rovnováha mezi energiemi se může srovnat s konvertibilitou měn, např. 1 dolar má hodnotu 0,98 eura. Disipace tepla hraje stejnou roli jako bankovní poplatky, které nám neumožní vymáhat původní hodnotu při výměně eur na dolary nebo obráceně. Hodnota peněz stejně jako množství energie jsou vcelku dobře zachovány, ale pro nás již nevyužitelné. Skladování Skladování ve větším množství je možné pouze u některých druhů energií. Její uložení do zásoby a opětovné použití se týká transformací a posléze disipace. Elektrická 82

84 energie může být uložena v akumulátorech v podobě chemické energie. Při výdeji však dostaneme menší množství energie než byl původní stav, protože elektrochemické reakce jsou doprovázeny dosti značnými tepelnými ztrátami. Navíc, akumulátory jsou drahé a těžké, protože mohou uchovat pouze 0,1 kwh na kilogram, což představuje společně s cenou největší omezení při rozvoji elektromobilů. Naše potřeba výkonu při dodávce elektrické energie se mění v závislosti na hodinách, například večer se rapidně zvyšuje, a pro jaderné elektrárny je obtížné se těmto změnám přizpůsobovat. Vzhledem k této slabé stránce, způsobené tepelnými ztrátami při elektro-mechanických přeměnách, se počítalo s využitím přehrad nejen jako zdroje vodní energie, ale i jako zásobárny energie. Při malém odběru je voda čerpána zpět do přehrady prostřednictvím jaderné energie, a ve špičce tato voda znovu sestupuje, uvádí do chodu turbíny elektrárny a tím získáváme elektřinu. Protože při této formě uchovávání (skladování) se postupuje přes mechanickou energii, je nezbytné uvést do pohybu velkou masu vody, několik tun, na 1 uskladněnou kwh. V chemických či jaderných palivech je efektivně uložená energie. Ale v podobném případě ji neumíme získat jinak než v podobě tepla. Studie simulovaných tepelných výměn Baterie způsob jak uskladnit elektrickou energii prostřednictvím chemické energie Str.17 Transport energie Relativně snadné skladování uhlí, ropy a plynu a rovněž i jeho snadná doprava na dlouhé vzdálenosti se staly jedním ze základních faktorů rozvoje průmyslu v posledních dvou stoletích. Možnost vézt s sebou dostatečné množství paliva, se kterým by se dalo ujet několik set kilometrů, přispěla k rozvoji automobilů. Ale 83

85 elektřina je jediná forma energie schopná být současně téměř celá transformována na kteroukoli jinou energii a být transportována na velkou vzdálenost a ve velkém množství za relativně nízkou cenu. Tepelné ztráty v linkách vysokého napětí a transformátorech dosahují 8 %. Elektřina se téměř celá transformuje na jakýkoliv druh energie, která se přenáší (dopravuje) za relativně nízkou cenu Zásoby Rozlišujeme energie fosilní a obnovitelné. První skupina využívá nerosty a paliva, které vznikly během vývoje Země a jejichž množství je omezené. Vzhledem k vývoji spotřeby a určité naději, že se odhalí nová naleziště, můžeme odhadnout světové zásoby nafty na několik desítek let, plynu a uranu asi na sto let a uhlí na několik století. Technický rozvoj, jak ho sledujeme třeba u obřích množivých reaktorů by stačil znásobit naše zásoby jaderné energie více než stokrát. Str. 18 Text u obrázku Větrné elektrárny patří mezi obnovitelné druhy energie, ale jejich výkon zůstává limitován. Obnovitelné energie Obnovitelnými energiemi nazýváme ty, které se k nám dostanou přímo nebo nepřímo ze Slunce, které nám nepřetržitě posílá své záření. Jedná se o energii sluneční, vodní, větrnou, ale také chemickou energii, která se akumuluje v látkách rostlinného původu a kterou lze využít jako paliva (dřevo, odpad, alkohol). Celkové množství energie, 84

86 které můžeme získat z těchto obnovitelných energií, je limitované. Například lesy by se neměly pálit rychlejším tempem, než stačí růst. Ačkoliv jsou obnovitelné energie důležitým zdrojem, asi budou umět nahradit pouze malou část fosilních energií. Škody Využívání všech druhů energií má více či méně zhoubný dopad na životní prostředí a je nutné umět posoudit případ od případu. Při špatném spalování uhlí, nafty, benzínu nebo plynu, vznikají zplodiny, které mohou být pro člověka škodlivé. Je to hlavně kysličník uhličitý, který se uvolňuje a hromadí v atmosféře a může ovlivnit naše podnebí zesíleným skleníkovým efektem. Str.19 Obnovitelné energie jsou ty, které se k nám dostanou přímo nebo nepřímo ze Slunce, větru Při jaderných reakcích vzniká radioaktivní odpad, který je třeba zpracovat nebo redukovat, zvláště když má dlouhou dobu rozpadu. Vodní elektrárny mají na svědomí zatopená údolí. Větrné elektrárny jsou hlučné a nezajistí průběžnou výrobu. Navíc zabírají hodně prostoru při malé efektivitě výkonu. U fotovoltaických panelů existuje stejný problém a jsou drahé, protože transformace sluneční energie na elektřinu je určena pouze pro spotřebu izolovaných obydlí nebo pro napájení malých přenosných přístrojů jako jsou např. kalkulačky. Navíc je výroba fototočlánků náročná na energii. Tepelné znečištění Společným důsledkem využívání všech neobnovitelných energií je tepelné znečištění. Velká část fosilních energií, které používáme, se mění na teplo. Viděli jsme např. celkový dopad provozu automobilu, který spočívá v přeměně chemické energie benzínu na teplo, které je předáno okolnímu prostředí (vypuštěno do vzduchu). Přestože je tepelné znečištění příliš malé na to, aby ovlivnilo podnebí, může se projevit lokálně: teplota vody z řeky, kterou tepelná nebo atomová elektrárna využívá k ochlazovaní, se pod elektrárnou značně zvýší, což může změnit její ekologickou rovnováhu. Mohli bychom velmi ušetřit, kdyby se nám podařilo využít toto nevyužité teplo. Polovina energie, kterou používáme, je v podstatě určena na vytápění domů či průmyslových objektů a pochází z uhlí, plynu, topných olejů nebo elektřiny. Tento typ spotřeby by mohl být snížen lepším využitím tepla unikajícího z elektráren. Ve skutečnosti průměrná spotřeba energie na obyvatele odráží nejenom životní úroveň ale i míru plýtvání. Tento příklad ilustruje důležitý fakt: četnost zdrojů odpovídá rozmanitosti jejího použití a proto je nezbytný globální přístup k řešení energetických problémů. 85

87 6 Provoz jaderného reaktoru JADERNÉ ŠTĚPENÍ KOMPONENTY JADERNÉHO REAKTORU RŮZNÉ TYPY REAKTORŮ CEA Od štěpení k řetězové reakci 86

88 Str. 2 Obsah Štěpení jádra 4 Štěpné atomy 5 Energie uvolněná štěpením 5 Neutrony a řetězová reakce 6 Komponenty jaderného reaktoru 7 Palivo 8 Kontrolní tyče, past na neutrony 9 Chladící kapalina, přenášeč tepla 9 Moderátor, zpomalovač neutronů 10 Parogenerátor, výměník tepla 10 Různé typy reaktorů 11 Různé druhy reaktorů 12 Tlakovodní reaktory (REP, PWR) 15 Reaktory s rychlými neutrony, rychlé množivé reaktory (RNR, FBR) 15 Reaktory chlazené plynem (RCG, GCR) 15 Detail aktivní zóny reaktoru Text k větší fotografii: Zavážka paliva do reaktoru a uzavření víka nádoby reaktoru v Centre national de production d électricité CNPE (Národní centrum pro výrobu elektřiny) v Civaux (blok 1) Str.3 Úvod Tvůrci prvního zkušebního reaktoru: Lew Kowarski (vlevo) a Fréderic Joliot-Curie ( vpravo) Obrázek vedle : budova, ve které byl umístěn první zkušební reaktor Zoé. 87

89 První jaderný reaktor byl sestrojen v roce 1942 ve Spojených státech. O šest let později byl podobný reaktor uveden do provozu ve Francii. Úvod Elektrárna je továrna, která vyrábí elektřinu. Existují tepelné elektrárny, vodní elektrárny a jaderné elektrárny. Všechny jsou založeny na stejném principu: roztočit turbínu spojenou s alternátorem, který vyrábí elektřinu. Rozdíly ve fungování se nacházejí na úrovni pohybu turbíny. Ve vodních elektrárnách je to voda z přehrady, která uvádí turbínu do chodu. V klasických tepelných elektrárnách se spalováním fosilního paliva (uhlí, přírodní plyn nebo ropa) přeměňuje voda na páru a ta je schopná roztočit turbínu. V jaderných elektrárnách je fosilní palivo nahrazeno jádrem uranu. Při rozbíjení tato velká jádra uvolňují jadernou energii, která se využívá při výrobě vodní páry, která stejným způsobem jako v tepelných elektrárnách může roztočit turbínu. První jaderný reaktor byl postaven ve Spojených státech Enricem Fermi. Tvoří ho milíř ze 6 tun kovového uranu, 34 tun kysličníku uranu a 400 tun grafitu. Atomový milíř Enrica Fermiho odvozený od slova empilement nahromadění (naskládání na sebe) generuje výkon pouze 0,5W. Ve Francii je první zkušební reaktor Zoe sestrojen ve výzkumném středisku Komise pro atomovou energii (CEA) ve Fontenay-aux-Roses. Tento reaktor je poprvé uveden do provozu 15. prosince V roce 1953 jeho výkon dosahuje až 150 kw a z provozu je vyřazen v roce Od tohoto okamžiku je budova Zoe přeměněna na Muzeum atomu. Dnes mají francouzské atomové elektrárny reaktory s elektrickým výkonem od 900 do 1450 MW. Základní částí atomové elektrárny je jaderný reaktor, který dodává teplo nezbytné k výrobě vodní páry. Ostatní prvky (turbína, alternátor atd.) jsou společné všem elektrárnám. 88

90 Str. 4 Štěpením atomu vzniká energie, která se přeměňuje na teplo: principem jaderného reaktoru je pojmout (získat) toto teplo a vyrobit z něj elektřinu. Atomové štěpení 89

91 Str.5 Při každém štěpení se uvolní 2 až tři neutrony vysoké energie s rychlostí km/s Štěpné atomy Jádro některých velkých atomů má schopnost rozdělit se na dvě části na základě kolize s dobře vybraným projektilem. Za těchto okolností je zvláště dobře adaptovaným projektilem neutron. Tato částice bez elektrického náboje má schopnost přiblížit se dostatečně blízko k jádru, nabitému pozitivně, aniž by byla odpuzována elektrickými silami. Neutron tak může proniknout dovnitř jádra a rozdělit ho na dvě části. Nejedná se o explozi jádra pod vlivem mechanické srážky s neutronem, ale o vnitřní rozštěpení jádra, které spustil příchod nadbytečného neutronu. Je to výsledek otřesu vyvolaného během integrace neutronu s jádrem, za působení jaderné síly (viz brožura Jaderná energie: štěpění a fúze). Rozdělení jádra se nazývá štěpná reakce. Atom, který má schopnost se rozdělit na dvě části během kolize, je nazýván štěpitelným. Nejznámějším z nich je uran 235 a plutonium 239. Dvě části vzniklé štěpením velkého jádra jsou produkty štěpení. Jsou většinu času radioaktivní. Atomy, jejichž jádra jsou nestabilní se nazývají radioaktivní. Tato jádra se přirozeně přeměňují na jiná jádra a vysílají záření (viz Radioaktivita). Energie uvolněná štěpením Reakce štěpení atomu je doprovázena uvolňováním velkého množství energie. Oba dva produkty štěpení odnáší velkou část této energie v podobě kinetické energie (kinetická energie je energie tělesa v pohybu. Stoupá s jeho hmotou a s jeho rychlostí. Auto jedoucí velmi rychle má více kinetické energie než stejné auto jedoucí pomalu. Jestliže první auto narazí do nějakého předmětu, škody budou větší než u druhého auta. Stejně tak má malé auto méně energie než kamion jedoucí stejnou rychlostí): jsou vystřeleny s velkou rychlostí (8 000 km/s). Prorazí si cestu mezi jinými atomy tím, že do nich narážejí, protože vlastně představují velké projektily. Během těchto srážek ztrácejí rychle svoji rychlost (tudíž svoji energii) a zahřívají okolní látku (prostředí) a zastavují se v hmotě uranu. Jejich energie na startu se nakonec přemění na teplo: místně teplota uranu stoupá. Str.6 Princip jaderného reaktoru spočívá v tom, že se získané teplo přemění na elektřinu. Obrázek. Kontrolovaná řetězová reakce v jaderných reaktorech 90

92 V jaderném reaktoru je řetězová reakce řízena, aby se dosáhlo konstantního tempa štěpení. Neutrony a řetězová reakce Při každém štěpení se zrodí v průměru dva až tři neutrony s vysokou energií, které se přemisťují velmi vysokou rychlostí ( km/h) mezi atomy uranu. Energie, kterou s sebou neutrony odnáší, představuje malou část celkové energie uvolněné během štěpení, hlavní část této energie byla odnesena produkty štěpení. Ale neutrony, jejichž hmota je malá při srovnání s produkty štěpení, mají rychlost velmi vysokou. Neutrony, projektily malých rozměrů, elektricky neutrální se budou šířit relativně daleko, než se dostanou do vzájemné interakce s jiným jádrem atomu. Jestliže se bude jednat o atomové jádro uranu 235, dojde eventuelně k novému štěpení. Dva nebo tři uvolněné neutrony během jednoho štěpení budou moci vyvolat zase nové štěpení a uvolnění nových neutronů a tak pořád dále a to se nazývá řetězová reakce. V jaderném reaktoru je řetězová reakce řízena, aby se udrželo konstantní tempo reakcí. (jedná se o řízené štěpení). To znamená, že ze dvou až tří uvolněných neutronů během štěpení pouze jeden z nich vyvolá nové, ostatní jsou zachyceny. Musí být dosaženo rovnováhy: jedno štěpení vyvolá pouze jedno nové, které opět vyvolá pouze jedno štěpení atd. (a ne aby z jednoho štěpení vzešly dvě a z nich poté čtyři, které dají vzniknout osmi atd.). Množství tepla uvolněné z hmoty uranu je tak každou sekundu dokonale kontrolováno. 91

93 Str. 7 DÍKY SVÝM RŮZNÝM KOMPONENTÁM JADERNÝ REAKTOR PŘÍMO VYUŽÍVÁ TEPLO A ZÁROVEŇ HO PŘEMĚŇUJE. Komponenty jaderného reaktoru 92

94 Str.8 Zatímco řídící tyče pohlcují neutrony, chladící kapalina odvádí teplo z reaktoru. Tlaková nádoba reaktoru Je to nepropustná ocelová nádoba, ve které je aktivní zóna reaktoru, podpůrné systémy a kontrolní systémy. Vodící trubka řídící tyče prim. okruhu Víko vstup vody primárního okruhu Výstup vody prim.okruhu Palivové proutky obsahují kysličník uranu Palivo Palivo jaderné elektrárny obsahuje štěpné atomy, z nichž se získává energie prostřednictvím štěpení. Hlavními štěpnými atomy jsou uran 233, uran 235, plutonium 239 a plutonium 241. Pouze uran 235 existuje v přírodním stavu. Proto se také nejčastěji používá v atomových elektrárnách jako palivo. Jaderné palivo je umístěno v aktivní zóně reaktoru. (viz brožura Cyklus jaderného paliva). nádoba reaktoru Řídící tyč Palivový soubor Vnitřní nástroje str.9 93

95 Řídící tyče se zachycováním neutronů V reaktoru je permanentní kontrola řetězové reakce zajištěna díky řídícím tyčím (takzv. klastrům), které jsou rovněž nazývány kontrolními tyčemi, které pohlcují neutrony a jsou např. na bázi bóru.tyto tyče uvnitř reaktoru jsou posuvné. Lze je zasunovat a vysunovat v závislosti na počtu neutronů, které je třeba absorbovat. Umožňují řídit reaktor. Navíc, v případě nehody, jejich úplné zasunutí nebo pád dovnitř zastaví téměř okamžitě řetězovou reakci. Schéma Aktivní zóna jaderného reaktoru Barre de kontrole Řídící (kontrolní tyč) výstup teplé chladící kapaliny palivová uranová tyč Moderátor Vstup studené chladící kapaliny Chladivo, přenašeč tepla Energie uvolněná v podobě tepla během štěpení jader uranu 235 musí být z aktivní zóny odvedena, aby posloužila k výrobě elektřiny. Tento úkol zajišťuje chladící médium. Jak naznačuje jeho jméno (ve francouzštině caloporteur nosič tepla), jedná se o médium, která přenáší teplo. Médium proudící kolem uranových tyčí má dva úkoly: odebrat teplo palivu, aby ho mohlo odvést mimo aktivní zónu reaktoru, a zároveň udržet teplotu paliva na hodnotě slučitelné s chováním materiálů. Obrázky Nakládka aktivní zóny reaktoru. Simulace pohybu neutronů Palivo se nachází v kovovém obalu v podobě nepropustné schránky, která izoluje vnitřek od chladící kapaliny. Toto opatření zabrání tomu, že se palivo, které je horké nedostane do přímého kontaktu s chladícím médiem, a tudíž nemůže mezi nimi dojít k chemickým reakcím. Brání rovněž tomu, aby se částice paliva nedostaly do chladící kapaliny a tak neunikly z nádoby reaktoru. V podstatě to ani tak nejsou částice uranu, které by nás měly nejvíce znepokojovat, kdyby unikly do chladící kapaliny, ale spíše produkty štěpení, které jsou radioaktivní. Transport parogenerátoru 94

96 Str.10 Moderátor zpomaluje neutrony tak, aby po setkání s atomy vyvolaly štěpení. Moderátor, zpomalovač neutronů Kromě paliva v hermetickém obalu, chladícího média a řídící tyče většina reaktorů obsahuje zařízení, které nazýváme moderátor. (viz schéma str. 9) Role moderátoru spočívá ve zpomalení neutronů, které jsou často příliš energetické pro účinné vyvolání nového štěpení. Tyto neutrony, s ohledem na jejich velkou energii, se pohybují velkou rychlostí (20 000km/s). Protože tyto rychlé neutrony míjejí velkou rychlostí atomy uranu v blízkosti, je těžké uskutečnit štěpné reakce. Tyto reakce jsou velmi vzácné. Aby k štěpným reakcím docházelo snadněji a ve větším množství, je třeba významně zpomalit neutrony, z rychlosti km/s až na rychlost řádově 2 km/s. Takové neutrony se pak nazývají pomalé nebo tepelné. Neutrony jsou brzděny při procházení látkou, která se skládá z atomů, jejichž jádra je neabsorbují. Neutrony ztrácejí rychlost při srážkách s jádry stejně jako se koule srážejí na kulečníkovém stole. Proces zpomalení je rychlejší, když rychlé neutrony naráží do lehkých jader, jako je například jádro vodíku. Látka skládající se z těchto atomů se nazývá moderátor. Aby reaktor dobře fungoval, musí se palivo a moderátor střídat: palivo, moderátor, palivo, moderátor Parogenerátor, tepelný výměník Chladící kapalina se zahřívá při kontaktu s palivem. Opouští aktivní zónu s velmi vysokou teplotou, mezi C. Toto chladivo je poté využito v zařízení, kterému se říká parogenerátor, k ohřevu vody na páru. Tato pára potom uvádí do pohybu turbínu spojenou s alternátorem, který vyrábí elektřinu. Při výstupu z turbíny se pára kondenzuje na vodu v kondenzátoru ochlazovaném vodou z řeky. Parogenerátory se nenacházejí v elektrárnách s varným reaktorem (REB, BWR), kde je pára vyráběna přímo v aktivní zóně reaktoru. Tento druh elektráren ve Francii neexistuje. 95

97 Str. 11 VŠECHNY MOŽNÉ KOMBINACE MEZI PALIVEM, CHLADIVEM A MODERÁTOREM URČUJÍ KATEGORII, KE KTERÉ PATŘÍ DANÁ ELEKTRÁRNA. Různé typy reaktorů 96

98 Jaderná elektrárna v Civaux (département Vienne) Str.12 Různé typy reaktorů Atomová elektrárna je předurčena k tomu, aby vyráběla elektřinu na základě jaderného paliva. Přestože je tento princip provozu společný pro všechny atomové elektrárny, existují různé typy reaktorů. Pro koncepci aktivní zóny reaktoru jsou nezbytné čtyři základní prvky: palivo, ve kterém probíhá štěpení chladící kapalina, která transportuje teplo mimo reaktor moderátor (kromě reaktoru s rychlými neutrony), který umožňuje zpomalit neutrony řídící tyče, které kontrolují řetězovou reakci Pro tyto prvky, zvláště pak pro tři první existuje více možností. Např. chladivem může být plyn (CO 2 oxid uhličitý), nebo tekutina (voda). Ze všech možných kombinací mezi různým palivem, chladivem a moderátorem byly vybrány pouze ty, které se realizovaly v průmyslu. Základní typy jsou popsány v tabulce na další stránce. Princip fungování je stejný ve všech jaderných elektrárnách, ale existuje více druhů jaderných elektráren. Str. 13 Ve Francii je téměř polovina jaderné elektřiny vyprodukována tlakovodními reaktory. 97

99 Různé druhy reaktorů Druh (kategorie) Palivo Moderátor Chladivo Reaktor UNGG (přírodní Přírodní uran Pevný uhlík Oxid uhličitý uran, grafit, plyn) GCR (0,7% uranu 235) (grafit) (angl) První kategorie uvedená do provozu ve Francii. Všechny reaktory tohoto typu byly ve Francii odstaveny, poslední v roce Těžkovodní reaktor Přírodní uran Těžká voda Těžká voda CANDU typ reaktoru pod tlakem vyvinutý v Kanadě Reaktor RBMK tyto Obohacený uran Grafit Vroucí voda reaktory představují 40% na 1,8% uranu jaderného parku bývalého 235 Sovětského svazu (např. Černobyl) Varný reaktor (REB) BWR (angl) nejvíce rozšířený v USA, v Japonsku a Švédsku Obohacený uran na 3 % uranu 235 Obyčejná (lehká) voda, která se v aktivní zóně zahřeje až k bodu varu 98

100 Tlakovodní reaktor (REP), nejrozšířenější v západním světě. Rovněž je využíván v bývalém SSSR pod názvem VVER Rychlý množivý reaktor (RNR- réacteur à neutrons rapides) ang FBR Charakteristickým znakem těchto reaktorů je, že nemají moderátor. Neutrony zůstanou rychlé. Prototypem ve Francii je reaktor Phénix (250 MWe) Obohacený uran na 3 % uranu 235 Obohacený uran nebo plutonium Voda pod tlakem udržovaná v tekutém stavu. Voda pod tlakem je současně moderátorem i chladivem Žádné Tekutý sodík. Nezpomaluje neutrony Těžká voda se skládá se z molekul vody, v nichž je obsažen atom vodíku a jeden atom deuteria, těžký izotop vodíku. (viz brožura L atome) Str

101 Schéma principu tlakovodního reaktoru Jaderný reaktor Řídící (regulační) tyč Nádoba reaktoru Kompenzátor objemu Parogenerátor (výměník tepla) vodní pára Chladící médium teplé(320 C) vroucí voda Aktivní zóna Oběhové čerpadlo primárního okruhu Studené chladící médium (280 C) Oběhové čerpadlo sekundárního okruhu Turbína Alternátor Kondenzátor Ochlazování řeka, moře, chladící věž CNPE Cruas budova reaktoru - sonda nakládání (založení) palivových článků do otevřené nádoby 100

102 Str. 15 Některé reaktory používají helium jako chladivo, které transportuje teplo mimo reaktor a stabilizuje teplotu. Tlakovodní reaktory (REP) Generace tlakovodních reaktorů je ve světě nejrozšířenější. Tyto reaktory vyrobí přibližně polovinu světové produkce jaderné elektřiny. Ve Francii jsou všechny jaderné reaktory, s výjimkou Phénixu, tlakovodní REP. 34 elektráren má reaktory o výkonu 900 MWe (megawatů elektrických), 20 reaktorů s MWe a 4 s výkonem MWe. Rychlé množivé reaktory (RNR, s rychlými neutrony) Rychlé množivé reaktory byly koncipovány tak, aby se využila štěpná látka (uran nebo plutonium) kompletněji než v reaktorech pracujících na bázi tepelných (pomalých) neutronů. Chladivem může být tekutý kov jako např. sodík (Phénix) nebo plyn (hélium). Jejich výhodou je, že mohou vyrobit štěpný materíál (množívý reaktor) nebo naopak spálit odpad (aktinidy), který má dlouhou životnost (dlouhou dobu rozpadu). Rychlé množivé reaktory nepoužívají moderátor. Reaktory chlazené plynem Použítí hélia jako chladiva umožňuje uvažovat o škále reaktorů s přímým cyklem (vysokoteplotní helium zásobuje přímo, bez výměníku, skupinu turbo-alternátoru) se zvýšeným termodynamickým výkonem. Byly již studovány v minulosti, ale dnes těží z pokroku učiněného v oblasti plynových turbín. Jsou schopny umožnit realizaci malých jednotek (od 100 do 300 MWe), ekonomických a bezpečných. Tento druh reaktoru je rovněž schopen fungovat na bázi rychlých neutronů a představovat tudíž doplňkové výhody reaktorů s rychlými neutrony. 101

103 7 Cyklus jaderného paliva PŘED VLOŽENÍM DO REAKTORU: PŘÍPRAVA PALIVA V REAKTORU: SPOTŘEBA PALIVA PO VYJMUTÍ Z REAKTORU: OPĚTNÉ ZPRACOVÁNÍ JADERNÉHO ODPADU CEA Od uranových dolů k uskladnění odpadu 102

104 Str. 2 Použité palivo uložené do chladícího bazénu přímo na místě. Zůstane tam tři roky. Obsah Před vložením do reaktoru: příprava paliva 4 Těžba uranu z rudy 5 Koncentrace a rafinace (čištění) uranu 6 Obohacování uranu 6 Různé metody obohacování 8 V reaktoru: Spotřeba paliva 9 Příprava vazby, smontování paliva 10 Spotřebování uranu 10 Degradace paliva 11 Zpracování po vyjmutí z reaktoru 12 Předměty zpracování 13 Extrakce produktů štěpení 13 Recyklace paliva 14 Jaderný odpad 16 Produkce jaderného odpadu ve Francii 17 Třídění a skladování radioaktivního odpadu 18 Výzkum v oblasti odpadu s dlouhou dobou rozpadu

105 Str. 3 Úvod Těžba uranové rudy se uskutečňuje buď v povrchových dolech na fotografii doly Mc Clear v Kanadě nebo v hlubinných. Cyklus jaderného paliva, který začíná těžbou uranu a končí uskladněním radioaktivního odpadu, zahrnuje velké množství průmyslových operací. Palivo je látka, která při vlastním hoření dodává teplo. Nejznámějšími palivy jsou dřevo, uhlí, přírodní plyn nebo nafta. Analogicky je tudíž uran, používaný v jaderných elektrárnách, nazván jaderným palivem, neboť také uvolňuje teplo, i když to tentokrát není spalováním, ale štěpením. Jaderné palivo může být po svém využití v jaderném reaktoru znovu zpracováno s cílem extrahovat z něj energetické recyklovatelné látky. Z tohoto důvodu mluvíme o uzavřeném cyklu jaderného paliva. Tento cyklus zahrnuje následující etapy: těžbu uranu z horniny výrobu paliva jeho použití v reaktoru zpracování vyhořelého paliva zpracování a uskladnění odpadu Jaderné palivo dodává na jednotku nebo hmotnost, např. na kilogram, mnohem více energie než fosilní palivo (uhlí nebo ropa). Jeden kilogram uranu použitý v tlakovodních reaktorech vyprodukuje krát více energie než kilogram uhlí nebo ropy v tepelné elektrárně. Navíc palivo zůstane dlouho (více let) v reaktoru na rozdíl od klasických paliv, které shoří rychle. Jaderné palivo se liší i tím, že uran musí projít řadou operací mezi vytěžením a použitím v reaktoru. Pro zjednodušení se budeme na následujících stránkách zabývat jaderným palivem používaným v tlakovodních elektrárnách (REP). V podstatě jsou jaderné elektrárny tvořené jedním či několika bloky REP ve světě nejrozšířenější. (viz tematická brožura Provoz jaderného reaktoru). 104

106 Str. 4 PO VYTĚŽENÍ V DOLE JE URAN VYČIŠTĚN, KONCENTROVÁN OBOHACEN. Před vložením do reaktoru: Příprava paliva A 105

107 Str. 5 Zjednodušený aktuální cyklus nukleárního paliva ve Francii Přírodní uran-těžba rudy- zahuštění- konverze- obohacení-ochuzený uran na U235 červený okruh uskladnění- výroba paliva-palivo Max-uskladnění paliva Max modrý okruh: palivo UO 2 tlakovodní reaktor s tepelnými neutrony-použité palivo UO 2 jeden výstup továrna na zpracování-odpad-definitivní úložiště (3% použitého paliva, 0,5% přírodního vytěženého paliva- 2. výstup-úložiště ZÍSKÁNÍ URANU Z NEROSTU Uran je kov relativně hodně rozšířený v zemské kůře (50krát více než např. rtuť). Jako většina kovů, se uran netěží přímo v čisté podobě, protože v přírodní stavu se v hornině nachází v kombinaci s jinými chemickými prvky. Nejbohatší horniny na uran jsou uranové rudy (to znamená ty, co obsahují uran) jako například uraninit a smolinec. Palivový cyklus tudíž začíná těžbou uranové rudy v povrchových nebo hlubinných dolech. Nejznámější naleziště se nacházejí v Austrálii, ve Spojených státech, v Kanadě, Africe, Rusku. Str. 6 Pro zvýšení obsahu uranu jsou nerosty rozdrceny a jemně rozemlety. Získaný koncentrát je nazýván yellow cake-žlutý koláč. 106

108 TVORBA KONCENTRÁTU A RAFINACE URANU Obsah uranu v rudě je obecně dosti nízký. Například ve Francii každá tuna nerostu obsahuje od 1 do 5kg uranu (nebo mezi 0,1 až 0,5%). Je tedy nezbytné vytvořit koncentrát uranu z těchto nerostů, což se nejčastěji provádí přímo na místě. Nerosty jsou nejdříve rozdrceny a pak jemně rozemlety a z této směsi se různými chemickými procesy získá uran. Vyrobený koncentrát má vzhled žlutého těsta nazývaného yelow cake. Obsahuje téměř 75% oxidu uranu (což představuje 750 kg na tunu). Uran je kov, který v kontaktu se vzdušným kyslíkem rychle oxiduje a přeměňuje se na oxid uranu Koncentrát uranu jako takový nemůže být v jaderném reaktoru používán. Oxid uranu musí být nejdříve zbaven nečistot prostřednictvím různých etap čištění (rafinace). Vyčištěný je poté přeměněn na fluorid uraničitý (UF 4 ) skládající se ze 4 atomů fluoru a z jednoho atomu uranu. OBOHACOVÁNÍ URANU K zásobení tlakovodních reaktorů je třeba mít palivo, v němž se podíl uranu 235 nachází mezi 3-5%, neboť pouze u tohoto izotopu uranu může dojít k jadernému štěpení uvolňujícímu energii (viz brožura Provoz jaderného reaktoru.) Str. 7 Hloubení ve zmrzlém terénu v dole MCArthur (Canada) Avšak ve 100 kg přírodního uranu se nachází 99, 3 kg uranu 238 a 0,7 kg uranu 235, což představuje pouze 0,7% štěpného uranu 235. Operace, při které dochází ke zvýšení podílu uranu 235, se nazývá obohacování uranu. Abychom mohli dodat jaderné palivo reaktoru, přírodní uran musí být obohacen o uran 235. Obohacování je poměrně náročná operace, protože jako všechny izotopy jednoho prvku tak i uran 235 a uran 238 se navzájem hodně podobají a mají téměř stejné 107

109 chemické vlastnosti. (Viz brožura Atom). Přesto je ale možné je odlišit díky malému rozdílu v hmotnosti. Uran 235 je o něco málo lehčí než uran 238. A proto je v současnosti obohacování založeno na rozdílu v pohyblivosti, způsobené malým rozdílem jejich hmotností. Ze všech procesů obohacování, které byly až dodnes zkoumány, se používají pouze dva v průmyslovém měřítku: plynná difúze uranu 235 a 238 a centrifugální separace. Továrna Cominak na zpracování rudy v Nigeru Str. 8 RŮZNÉ METODY OBOHACOVÁNÍ Plynná difúze Před obohacováním, které se uskuteční prostřednictvím tohoto procesu, bude fluorid uraničitý extrahovaný z nerostu a rafinovaný přeměněn na fluorid uranový (hexafluorid uranu), který má schopnost se od 56 C přeměnit na plyn. Proces difúze plynných sloučenin spočívá v tom, že se plynný hexafluorid uranu nechá projít přes množství bariér, které tvoří membrána s miniaturními dírkami. Molekuly hexafluoridu uranu 235 projdou bariérou rychleji, čímž dojde k malému obohacení uranu. Ale vzhledem k velké blízkosti hmotností obou izotopů, zpomalení uranu 238 je velmi slabé ve srovnání s uranem 235. Z tohoto důvodu se ve Francii v továrně na obohacování uranu (továrna Eurodif v Tricastin v údolí Rhony produkuje více než třetinu světové spotřeby uranu) musí tato operace opakovat 1400x, aby se dosáhlo požadovaného efektu v obohacování uranu 235, který se používá ve všech klasických jaderných elektrárnách. Centrifugové obohacování (Ultracentrifuga) Jiným způsobem obohacení uranu, který je však evropskou skupinou Urenco (Německo, Nizozemí, Velká Británie) méně využíván, je centrifugové obohacování. 108

110 Tento princip separace využívá centrifugu, druh odstředivky, která se točí velkou rychlostí, přičemž se ke stěnám dostane rychleji hexafluorid uranu 238 než hexafluorid uranu 235, který zůstává spíše uprostřed. Velmi malý rozdíl v hmotnosti mezi oběma molekulami umožní tudíž zvyšovat po malých částech koncentraci uranu 235. I v tomto případě je zapotřebí opakování cyklu, aby bylo obohacení dostačující. 109

111 Str. 9 DOBA POUŽITÍ PALIVA V JADERNÝCH REAKTORECH JE OMEZENA NA TŘI AŽ ČTYŘI ROKY. Spotřeba paliva v reaktoru 110

112 Str. 10 Pro jednu elektrárnu se připravuje více než tyčí, spojených do svazků a ty do palivových kazet (palivových článků). PŘÍPRAVA PALIVOVÝCH ČLÁNKŮ Po obohacení je hexafluorid uranu přeměněn na oxid uranu, který vypadá jako černý pudr. Poté co je zkomprimován a upečen v troubě, jsou z něj vytvořeny malé centimetrové válečky vypadající jako malé kousky křídy, jimž se říká pastilky (tabletky). Přestože váha každé pastilky nepřesahuje 7g, může uvolnit tolik energie jako tuna uhlí (milion gramů). Těmito válečky jsou naplněny kovové zirkoniové čtyřmetrové trubky, konce těchto pouzder jsem neprodyšně uzavřeny a tím se vytvoří palivové tyče. Pro jednu elektrárnu se připravuje více než tyčí, spojených do svazků a tyto svazky tvoří palivové kazety. Každá palivová kazeta se skládá z 264 palivových tyčí. K náplni reaktoru o výkonu 900 megawattů (miliony wattů) je zapotřebí 157 palivových kazet, které obsahují celkem 11 milionů pastilek (tabletek). Spotřeba uranu 235 Palivové články umístěné přesně geometricky tvoří aktivní zónu reaktoru. Každý tam zůstane tři až čtyři roky. Během této doby se štěpením uranu bude vytvářet nezbytné teplo k výrobě páry a poté elektřiny. Uran 235 se štěpí. To znamená, že pod vlivem srážky s neutronem se jádro rozbije na štěpné radioaktivní Atomy, jejichž jádra nejsou stabilní jsou nazývány radioaktivními. Tato jádra se přeměňují na jiná jádra a přitom vysílají záření (viz brožura Radioaktivita) produkty za současného uvolňování energie. 111

113 Naproti tomu uran 238, který představuje 97% hmoty obohaceného uranu, se neštěpí během zachycení neutronu. Nicméně některá jádra uranu 238 zachytí jeden neutron a přemění se na plutonium 239, které je štěpné stejně jako uran 235. Proto se říká, že je uran 238 plodivý. Část plutonia 239 může dodávat energii štěpením jader. Malá část se transformuje na jiné izotopy plutonia zachycením neutronů. Str. 11 Obrázek: Příprava palivového článku 1/ palivová tyč: výška 4 m, na obou koncích přivařená zátka, uvnitř válečky oxidu uranu 2/ mřížka, která drží tyče 3/ palivová kazeta sestava palivových článků DEGRADACE PALIVA Časem podléhá palivo různým transformacím, které ho činí méně výkonným: postupné spotřebovávání uranu 235 vznik štěpných produktů (absorbujících neutrony, tyto produkty naruší řetězovou reakci) Po určité době tedy musí být palivo vyjmuto z reaktoru i když ještě obsahuje značné množství energetických látek, které se dají rekuperovat (opět použít), kterými jsou především uran a plutonium.toto použité palivo je rovněž velmi radioaktivní, protože jsou v něm přítomny štěpné produkty. Při záření vysílaném těmito radioaktivními atomy se uvolňuje velké množství tepla, takže použité palivo musí být umístěno na tři roky do chladících bazénů, nacházejících se u reaktorů, aby se snížila jeho aktivita. (viz brožura Radioaktivita). Použité palivo je na místě uloženo do chladících bazénů. Zůstane tam tři roky. 112

114 Str. 12 ZPRACOVÁNÍM PALIVA SE ROZUMÍ ODDĚLENÍ LÁTEK, KTERÉ SE DAJÍ ZNOVU VYUŽÍT, PLUTONIA A URANU, OD NEREKUPEROVATELNÉHO RADIOAKTIVNÍHO ODPADU. Zpracování po vyjmutí z reaktoru 113

115 Str. 13 Některé země si samy zpracovávají jaderný odpad, jiné přenechávají tuto činnost jiným zemím, zvláště pak Francii. CÍLE ZPRACOVÁNÍ Zpracování se skládá z následujících etap získat látku ještě použitelnou, plutonium a uran, pro další výrobu elektřiny. Jedná se o recyklaci energetických látek obsažených v použitém palivu třídit nepoužitelný radioaktivní odpad. Některé země, jako například Švédsko nebo Spojené státy, odpad nezpracovávají. Použité palivo je považováno za odpad a po vyjmutí z reaktoru je hned uskladněno. Mezi země, které se rozhodly pro postavení továrny na zpracování, patří Francie, Velká Británie, Rusko a Japonsko. Jiné země jako Německo, Švýcarsko a Belgie si nechávají recyklovat odpad v jiných zemích (zvláště pak ve Francii). Extrahování štěpných produktů Po převezení do továrny na zpracování jsou palivové články znovu umístěny do bazénu. Poté jsou rozstříhány na malé kousky, které jsou vloženy do chemického roztoku, který rozpustí palivo, ale kovové části (pouzdra ) zůstanou nedotčeny. Ty pak budou uskladněny jako radioaktivní odpad. Následné chemické zpracování paliva v roztoku umožní separovat plutonium a uran od štěpných produktů. Štěpné produkty budou zataveny do speciálního skla (vitrifikace) a uloženy jako jaderný odpad. Uran a plutonium, které představují 96% celku, jsou odděleny a upraveny zvlášť. Štěpné produkty se po oddělení zataví do speciálního skla a jsou uloženy jako jaderný odpad. Str

116 RECYKLACE PALIVOVÝCH LÁTEK Použití plutonia vzešlého ze zpracování je předmětem mnoha studií, zvláště v CEA. Nové palivo složené ze směsi oxidu uranu a oxidu plutonia (nazývané MOX z anglického Mixed Oxides ) je již využíváno v některých reaktorech (REP) společnosti EDF. Co se týče uranu vzešlého z rekuperace, který už je o něco bohatší než přírodní uran, (přibližně 1% uranu 235 a může být ještě obohacen na více než 3%), může projít stejnou cestou jako normální palivo. Barevný řez palivem MOX Naplňování aktivní zóny reaktoru v elektrárně Daya Bay v Číně. Uran získaný z rekuperace bude moci být ještě obohacen na víc než 3% a projít stejnou cestou jako normální palivo. 115

117 ZPŮSOB USKLADNĚNÍ JADERNÉHO ODPADU JE ZÁVISLÝ NA DOBĚ JEHO RADIOAKTIVITY. Jaderný odpad 116

118 Výroba jaderného odpadu ve Francii Každá lidská činnost produkuje odpad. Demografický i průmyslový rozvoj je doprovázen nárůstem objemu odpadu, který se musí zpracovat, upravit, recyklovat nebo uskladnit, když recyklace není možná. Jaderný průmysl není výjimkou. Nicméně jaderný odpad představuje pouze minimální část odpadu vyprodukovaného společností. Pro srovnání, roční množství průmyslového odpadu vyprodukovaného ve Francii činí na obyvatele 2 500kg (z čehož je 100 kg toxického odpadu proti přibližně 1 kg jaderného odpadu. V tomto kilogramu je pouze 10g vysoce aktivního odpadu.) Množství samozřejmě není jediným kriteriem. Toxicita je velmi důležitá. Proto je bádání v oblasti zpracování a uskladnění předmětem četných výzkumů. TŘI KATEGORIE JADERNÉHO ODPADU Kategorie A odpad s krátkou životností (méně než 30 let), slabé nebo střední aktivity - záření beta a gama - za dalších 300 let bude radioaktivita srovnatelná s přírodní radioaktivitou zdroj: laboratoře, nukleární medicína, průmysl (zemědělskopotravinářský, metalurgický atd.), jaderné elektrárny (kontaminované předměty : rukavice, filtry, atd.) 117

119 Kategorie B odpad s dlouhou životností (desítky tisíc let) se slabou a střední aktivitou - záření alfa Kategorie C odpad s dlouhou životností, s vysokou aktivitou a uvolňováním tepla po dobu několika set let - záření alfa, beta, gama zdroj: zpracování použitého paliva z atomových elektráren (popel z paliva) str. 18 Po uplynutí tří set let 90% odpadu ztrácí svoji radioaktivitu. Jaderný odpad vzniká při všech etapách palivového cyklu: při těžbě v dolech, při obohacování uranu, při výrobě palivových článků, při provozu reaktoru i při zpracování odpadu. Tvoří se i při rozebírání jaderných celků. K tomu se může připočíst odpad vyprodukovaný výzkumnými středisky (CEA ), průmyslem a nemocnicemi, které používají radioaktivní prvky. TŘÍDĚNÍ A UKLÁDÁNÍ RADIOAKTIVNÍHO ODPADU Z hlediska uskladnění je nestejnorodý radioaktivní odpad klasifikován podle dvou následujících kritérií Podle úrovně jeho aktivity, to znamená intenzity záření, která podmiňuje důležitost použité ochrany proti záření Jeho radioaktivním obdobím poločas rozpadu Poločas rozpadu radioaktivního prvku: čas na jehož konci se polovina atomů radioaktivního prvku rozpadne umožní definovat dobu, po kterou může prvek potencionálně škodit. Rozlišujeme tedy odpad v závislosti na délce jeho života a podle jeho aktivity. Odpad s krátkou dobou života a slabou a střední radioaktivitou. Představuje 90% radioaktivního odpadu vyprodukovaného ve Francii. Po uplynutí tří set let ztratil téměř všechnu svoji radioaktivitu. (viz brožura Radioaktivita). Jeho objem je redukován v sudech z olova nebo z betonu, které jsou uskladněny v úložištích na povrchu. Ve Francii jsou tato centra dvě, v Hague (département Manche) a v Soulaines (département Aube). Správa je zajištěna Národní agenturou pro nakládání s radioaktivním odpadem Andra. Odpad s dlouhou dobou života a/nebo vysokou aktivitou (10% celkového objemu). K radioaktivnímu úbytku dochází v rozmezí několika tisíc nebo dokonce stovek tisíc let. Je zalit do betonu nebo skla. Ve Francii je jeho budoucnost uzákoněna zákonem přijatým v roce Jednou z předpokládaných možností je uskladnění hluboko pod zemí. Tato možnost bude detailně zkoumána díky vybudování dvou podzemních laboratoří. Dalším 118

120 řešením může být transformace odpadu na radioaktivní odpad s kratší dobou života přímo v jaderném reaktoru Úprava odpadu v betonové matrici. (tato operace se nazývá transmutace) a rovněž se zkoumají procedury upravování a uskladnění na povrchu nebo těsně pod povrchem (několik desítek metrů pod zemí). Než se tento problém vyřeší, je odpad dočasně uskladněn na povrchu, v Hague a v Marcoule. VÝZKUM TÝKAJÍCÍ SE ODPADU S DLOUHOU ŽIVOTNOSTÍ Prvořadým cílem výzkumu a vývoje je redukce objemu i aktivity u pevného i tekutého odpadu. Tyto cíle zahrnují: výzkum, vedený v CEA, zabývající se hledáním řešením, které by umožnilo separaci a transmutaci radioaktivních prvků obsažených v odpadu s dlouhou životností studium metod úpravy a dlouhodobého uskladnění na povrchu nebo těsně pod povrchem (CEA) studium možnosti vratného a nevratného uskladnění hluboko pod zemí, a to především díky vytvoření dvou podzemních laboratoří (Andra). Ochrana člověka a životního prostředí je nedílnou a nejdůležitější součástí výzkumných prací vědců a inženýrů v CEA, kteří věnují zvláštní péči vývoji technologických postupů zabývajících se neustálým snižováním rizika spojeného s radioaktivitou. 119

121 Stíněná linka vitrifikace štěpných produktů ZDROJ 120