Jaderná energie. Obrázek atomů železa pomocí řádkovacího tunelového mikroskopu

Transkript

1 Jaderná energie Atom Všechny věci kolem nás se skládají z atomů. Atom obsahuje jádro (tvořené protony a neutrony) a obal tvořený elektrony. Protony a elektrony jsou částice elektricky nabité, neutron je částice elektricky neutrální (bez náboje). Proton má kladný elektrický náboj a elektron stejně velký záporný elektrický náboj. Velikost náboje je u těchto částic velice malá Q = 1, C. Počet elektronů v obalu neutrálního atomu je stejný jako počet protonů v jádru atomu. Záporný elektrický náboj obalu je tedy stejně velký jako kladný elektrický náboj jádra atomu. Obrázek atomů železa pomocí řádkovacího tunelového mikroskopu Antičástice Ke každé částici existuje i částice s opačným elektrickým nábojem, tzv. antičástice. Antičástice má stejné vlastnosti, jen má opačný elektrický náboj. Hmota složená z těchto částic se nazývá antihmota. Pozitron má kladný elektrický náboj, je to opačná částice k elektronu Antiproton má záporný elektrický náboj, je to opačná částice k protonu Antineutron je to opačná částice k neutronu Atomová jádra Jádro atomu se skládá z protonu (mají kladný náboj +) a neutronů, které nemají elektrický náboj. Protonové číslo udává počet protonů v jádře atomu Nukleony společný název pro protony a neutrony (mají přibližně stejnou hmotnost) Nukleonové číslo počet protonů a neutronů v jádře atomu Nuklidy látky složené z atomů, které mají stejné nukleonové a protonové číslo nuklid uhlíku 6 12C (6 protonů a 6 neutronů) Izotopy jsou atomy prvku, které mají stejné protonové číslo, ale různé nukleonové číslo. nuklid uhlíku 6 14C (6 protonů a 8 neutronů)

2 Radioaktivita Radioaktivita je vyzařování jaderného záření nestabilními jádry atomů. Při radioaktivní vyzařování se atomová jádra přeměňují na jádra jiná. Látky tvořené těmito atomy nazýváme radionuklidy. Jaderné (radioaktivní) záření přesahující určitou mez je pro lidský organizmus nebezpečné. Při určité hodnotě záření dochází ke změně v živých buňkách a může dojít i k jejich odumírání. Proto je potřebné se před radioaktivním zářením chránit. Záření α (alfa) - je tvořeno částicemi α (jádra atomů hélia složená ze dvou protonů a dvou neutronů), pohlcováno je papírem nebo vzduchem Záření β (beta) - je tvořené proudem elektronů nebo pozitronů, pohlcováno je i slabým hliníkovým plechem Záření γ (gama) - je velmi pronikavé krátkovlnné elektromagnetické záření, pohlcováno je vrstvou olova Neutronové záření - je nejpronikavější záření tvořeno proudem letících neutronů, pohlcováno je vodou nebo betonem Poločas rozpadu Je to čas, za který se rozpadne polovina radionuklidů. Využití jaderného záření Určování stáří organických látek Radiouhlíková metoda se používá k určování stáří organických látek. Metoda využívá toho, že v živém rostlinném nebo živočišném organizmu se ukládá radioaktivní izotop uhlíku C14, který má poločas rozpadu let. Se zánikem organizmu se izotop uhlíku C14 přestane v organizmu ukládat a začne se přeměňovat na jiné nuklidy. Porovnáním podílu izotopu uhlíku C14 ve zkoumaném a živém organizmu můžeme určit stáří předmětu. Lékařství V lékařství se radionuklidy používají k diagnostice nemocí, kde se sleduje průchod radioaktivních látek organizmem. Radioaktivní záření se také využívá k ozařování zhoubných nádorů pomocí Leksellova gamanože. Ten umožňuje ozářením i malých nádorů a tím odumírání těchto rakovinových buněk. Štěpení jader atomu Při jaderné reakci se mohou přeměňovat jádra jednoho nuklidu v jádra jiných nuklidů. Proniknutím neutronu do jádra atomu dojde k rozštěpení jádra na dvě části. Při tom se uvolňuje ohromné množství energie v podobě tepla a radioaktivního záření.

3 Průběh děje můžeme schematicky vyjádřit takto: neutron + jádro atomu uranu = atomové jádro 1 + atomové jádro 2 + neutrony + energie Štěpení se podle svého průběhu dělí do 4 druhů: Podkritické jádro se rozpadne, každý neutron je zachycen a nemůže štěpit další jádra (přirozený rozpad). Kritické jeden neutron není zachycen, štěpí další jádra, v průměru unikne právě jeden neutron (řízená řetězová reakce). Řízená řetězová reakce se vyžívá v jaderných elektrárnách. První řízenou řetězovou reakci s použitím moderátoru provedl italský fyzik Enrico Fermi 2. prosince Nadkritické 2 neutrony nejsou zachyceny a mohou se podílet na štěpení dalších jader. Superkritické neřízená řetězová reakce. Neřízená řetězová reakce, tedy že se nechají reagovat všechny vzniklé neutrony, se využívá u atomové bomby. K výrobě se používají izotopy 235U, 233U, 239Pu. Slučování jader atomu Při jaderné fůzi dochází za velké teploty (několik set milionů stupňů Celsia) a tlaku ke slučování dvou lehkých jader v jádra těžší. Tímto způsobem se uvolňuje ještě mnohem větší energie než při štěpení jader atomu. Tímto způsobem se uvolňuje energie ze Slunce, kde dochází ke slučování jader vodíku H v jádra hélia He. 2 1 H + 2 1H = 4 2He + 1 0n Jaderná elektrárna V jaderné elektrárně slouží k výrobě elektrické energie teplo uvolněné při štěpení jader uranu U235. Štěpení probíhá tak, že po průniku pomalého (tepelného) neutronu do jádra se toto jádro rozpadne na 2 přibližně stejně těžké části, při tom dojde k uvolnění 2 až 3 volných neutronů. Tyto neutrony se mohou postupně zpomalovat srážkami s okolními částicemi a ztrácet tak svoji pohybovou energii až mohou vyvolat štěpení dalšího jádra uranu U235. Štěpnou reakci lze znázornit rovnicí: Poprvé bylo štěpení pozorováno roku 1938 něm. chemiky Otto Hahnem a Fritz Strassmannem u izotopu uranu 235.

4 Schéma jaderné elektrárny Jadernou elektrárnu můžeme rozdělit do 3 částí. Primární okruh 1. Reaktor 2. Regulační tyče 3. Aktivní zóna kde jsou umístěny palivové tyče 4. Ocelová tlaková nádoba reaktoru 5. Primární okruh s radioaktivní vodou 6. Primární čerpadlo 7. Parogenerátor Sekundární okruh 8. Nasycená pára sekundárního okruhu 9. Kontejment 10. Parní turbína 11. Kondenzátor 12. Generátor 13. Transformátor Chladící (terciální) okruh 14. Chladící věže 15. Rozvod elektrické energie Kontejment Ochranný železobetonový obal primární části jaderné elektrárny. Ten v případě vážné havárie (poškození reaktoru) zabraňuje úniku radioaktivity do okolí. Jaderný reaktor Je zařízení, ve kterém probíhá řetězová reakce štěpení uranu 235 při teplotě několika set stupňů Celsia. Palivo se vkládá do reaktoru v podobě palivových článků (uranových tyčí), které jsou umístěny v aktivní zóně reaktoru, a probíhá v nich štěpená reakce. Výkon reaktoru je regulován množstvím moderátoru (kyseliny borité) přidávaného do vody primárního okruhu, nebo zasouváním a vysouvání regulačních tyčí s příměsí boru. Bor pohlcuje volné neutrony a tím znemožňuje další štěpení jader uranu. V případě potřeby je možné tímto způsobem štěpnou reakci úplně zastavit. Parogenerátor Horká voda primárního okruhu ohřívá v parogenerátoru vodu sekundárního okruhu. Protože v sekundárním okruhu je mnohem menší tlak, vzniká v parogenerátoru nasycená pára, která je vedena na turbínu. K turbíně je připojen generátor elektrické energie.

5 Jaderné záření a ochrana před ním Jaderné záření je přirozenou součástí našeho života. Jeho zdrojem jsou přírodní látky na povrchu země i v atmosféře. Podobné účinky jako jaderné záření má i záření rentgenové (X záření), kosmické a sluneční. V malém množství není pro lidský organizmus škodlivé, ve velkém množství však může způsobit vážné zdravotní problémy (rakovinu) nebo i smrt. Člověk svými smysly radioaktivní záření není schopen vnímat, proto se pro jeho měření používaje speciální přístroje, dozimetry. Na nebezpečí radioaktivního záření upozorňuje tato značka. Radioaktivní zářiče Uzavřený zářič je takový radioaktivní zářič, jehož konstrukce zabezpečuje těsnost a vylučuje únik radioaktivních látek do okolí. Otevřený zářič nesplňuje podmínky pro uzavřený zářič jsou to zejména radioaktivní roztoky, plyny, aerosoly, prášky atd. Podle závažnosti radiačního rizika se dále zdroje ionizujícího záření dělí na 5 kategorií: - nevýznamné zdroje - drobné zdroje - jednoduché zdroje (rentgen v nemocnici, nebo zařízení na zjišťování vad v materiálu) - významné zdroje (např. uzavřené zářiče pro radioterapii, urychlovače částic, vysoce aktivní otevřené zářiče) - velmi významné zdroje (jako jsou jaderné reaktory nebo zařízení pro výrobu radionuklidů). Aktivita radioaktivní látky je definována středním počtem jaderných přeměn (rozpadů) ve zdroji za jednotku času. Jednotkou aktivity je 1 Becquerel (1 Bq), což je 1 rozpad za 1 sekundu. Absorbovaná dávka ionizujícího záření je množství energie ionizujícího záření pohlcené jednotkou hmotnosti ozářené látky v uvažovaném místě. Jednotkou je 1 Gray (Gy), představující absorbovanou energii záření 1 Joule na 1 kilogram látky. Absorbované dávce je přímo úměrné riziko poškození organismu. Dávkový ekvivalent (ekvivalentní dávka), jednotkou je 1 Sievert (Sv). Dávka 1 Sv jakéhokoli záření má stejné biologické účinky jako dávka 1 Gy rentgenového záření. Nynější hodnota ročního limitu pro obyvatelstvo jsou stanoveny ve výši 1 msv / rok. Základní způsoby ochrany před zářením Čas: Obdržená dávka záření je přímo úměrná době, po kterou jsme vystaveni záření. Čím je tato doba kratší, tím je pravděpodobnost zdravotních problémů menší. Vzdálenost:

6 Intenzita záření je nepřímo úměrné druhé mocnině vzdálenosti od zdroje záření. Je proto třeba se zdržovat co nejdále od zdrojů záření. Stínění : Záření α (alfa) - je tvořeno částicemi α (jádra atomů hélia složená ze dvou protonů a dvou neutronů), pohlcováno je papírem nebo vzduchem Záření β (beta) Záření γ (gama) - je tvořené proudem elektronů nebo pozitronů, pohlcováno je i slabým hliníkovým plechem - je velmi pronikavé krátkovlnné elektromagnetické záření, pohlcováno je vrstvou olova Neutronové záření - je nejpronikavější záření tvořeno proudem letících neutronů, pohlcováno je vodou nebo betonem Zabránění kontaminace : Povrchová kontaminace radioaktivní látky jsou jen na kůži. Vnitřní kontaminace radioaktivní látky se dostanou do organizmu Vnitřní kontaminace je nejnebezpečnější, protože při ní je organismus zářením zatěžován dlouhodobě a zevnitř. K vnitřní kontaminaci může docházet zažívacím ústrojím, dýchacím ústrojím nebo průnikem přes pokožku. Měření radioaktivity K měřením dávek ionizujícího záření u pracovníků, kteří pracují s radioaktivním materiálem, slouží dozimetr. K měření povrchové kontaminaci pracovních ploch, pomůcek nebo osob se používají především radiometry s velkoplošnými sondami.