Reťazová reakcia štiepenia jadra a jadrová fúzia

V jadrových reakciách, ktoré uvoľňujú energiu, vstupujú do popredia dva procesy: fúzia a štiepenie. Jadrová fúzia je svetlom nádeje a potenciálu v našom hľadaní udržateľných ekologických a energetických riešení. Fúzia spája atómové jadrá, zatiaľ čo štiepenie ich štiepi.

Schéma štiepenia jadra.

Jadrová fúzia

Jadrová fúzia je vo svojej podstate proces, pri ktorom sa dve ľahšie atómové jadrá spoja a vytvoria ťažšie jadro. Tento pozoruhodný jav nie je len zázrakom prírody, ktorý poháňa hviezdy, ako je naše Slnko. Termonukleárna fúzia je prírodný spôsob pohonu hviezd vrátane nášho Slnka. Zahŕňa spájanie jadier vodíka a hélia za vzniku obrovského tepla a tlaku, čo je kľúčové pre životné cykly hviezd.

Pri zlúčení ľahších jadier je hmotnosť výsledného jadra o niečo menšia ako súčet jeho častí. Ako vysvetľuje slávna Einsteinova rovnica E = mc^2, táto "chýbajúca" hmotnosť sa premení na obrovské množstvo energie. Základom jadrovej fúzie je defekt hmoty a väzbová energia.

Fúzia vs. Fúzia, proces, ktorý je neoddeliteľnou súčasťou vesmíru, sa na Zemi prejavuje v rôznych formách. Termonukleárna fúzia kopíruje silu Slnka a vytvára energiu zlučovaním vodíka a hélia. Inerciálna fúzia, laboratórny zázrak, využíva intenzívne lasery na stlačenie a zahriatie paliva, čím sa iniciuje fúzia. Magnetická fúzia využíva silné magnetické polia na kontrolu horúcej plazmy, ktorá je kľúčovým prvkom pre jadrovú syntézu.

Inerciálna fúzia sa zameriava na dosiahnutie fúzie nasmerovaním intenzívnych laserových lúčov na malú palivovú peletu. Touto metódou sa palivo rýchlo stlačí a zohreje, čím sa iniciujú fúzne reakcie. Zariadenia ako National Ignition Facility ukazujú potenciál tejto techniky. Magnetická fúzia využíva silné magnetické polia na zadržiavanie a kontrolu horúcej plazmy, stavu hmoty nevyhnutného pre fúzne reakcie. Príkladom tohto prístupu sú zariadenia ako tokamaky a stelarátory, ktorých cieľom je udržať stabilnú plazmu počas dlhšieho obdobia.

Fúzna energia je čistá, pretože neprodukuje žiadne emisie skleníkových plynov a produkuje minimum rádioaktívneho odpadu. Na rozdiel od svojho náprotivku, jadrovejštiepnej energie, neprodukuje fúzna energia dlhodobý rádioaktívny odpad. Predstavte si svet poháňaný zdrojom energie s bohatými zásobami paliva pochádzajúceho predovšetkým z vody a lítia. Fúziaenergie predstavuje budúcnosť bez emisií skleníkových plynov, čím sa eliminuje významný faktor prispievajúci k zmene klímy.

Využívanie energie jadrovej syntézy nie je ani zďaleka jednoduché. Dosiahnutie fúzie si vyžaduje vytvorenie podmienok extrémnych teplôt a tlakov podobných tým, ktoré sa nachádzajú v jadrách hviezd. To je potrebné na prekonanie prirodzených odpudivých síl medzi kladne nabitými atómovými jadrami.

Honba za zlomom a vznietením: Vedci usilovne pracujú na dosiahnutí bodu, keď sa pri fúzii uvoľní toľko energie, koľko sa spotrebuje, tzv. bodu zlomu. Fúzna energia nie je len vedeckým snom, ale potenciálnou zmenou pre náš svet. Ekonomické a sociálne faktory: Fúzne technológie sú teraz drahé, ale sľubujú veľkú návratnosť: svet s dostatkom čistej energie.

Samozrejme Fúzia je skvelá téma na hodiny prírodných vied. Preto je diskusia o jadrovej syntéze dôležitá aj na doučovaní a hodinách prírodovedných predmetov. Fúzii nemusia rozumieť len vedci a inžinieri, je to téma pre študentov, učiteľov a všetkých, ktorých zaujíma budúcnosť našej planéty.

Štiepenie jadra

Štiepenie funguje na inom princípe; ide o neutrónom indukované štiepenie ťažkých jadier, ako je urán-235 alebo plutónium-239. Keď neutrón zasiahne jadro týchto atómov, rozštiepi sa na menšie jadrá, čím sa uvoľní energia z ďalších neutrónov a spustí sa reťazová reakcia. Táto reakcia, ktorá sa opäť riadi E = mc^2, ukazuje, ako môže malá zmena hmotnosti viesť k uvoľneniu významnej energie.

Reťazová reakcia je charakteristická tým, že sa pri nej lavínovite zvyšuje počet uvoľnených neutrónov, ktoré sa uvoľnia za sekundu. Zvýši sa tým pádom aj počet reakcií, ktoré prebehnú za sekundu a energia, ktorá sa za sekundu uvoľní.

Rýchlosť jadrovej reakcie našťastie vieme ovládať napríklad brzdiacimi tyčami z kadmia. Tie by pohltili väčšinu neutrónov a reakcia by sa vrátila do zvládnuteľných noriem. Teplo reaktoru odvádza voda, ktorá reaktor chladí. Tá ako para roztáča turbíny, ktoré produkujú elektrický prúd.

Pri jadrových bombách je potrebné, aby počet reakcí za sekundu stále stúpal, až kým by tlak a teplota bombu neroztrhli a tá by nevybuchla. Na zvýšenie počtu reakcií musíme zvýšiť šancu nárazu neutrónu do jadra. Tú môžme zvýšiť keď jadrové palivo stlačíme. To sa dá urobiť napríklad výbuchom TNT okolo uránu.

Pod vrstvou uránu je emitér neutrónov (dá sa použiť aj vyššie spomenutá ampulka s radónom a berýliom). Emitér neutrónov by síce podnecoval jadrové reakcie uránu ale pokiaľ urán nie je stlačený, pravdepodobnosť reťazovej reakcie je malá. Urán vieme stlačiť výbuchom TNT (alebo aj inej chemickej výbušniny). V stlačenom uráne by už pravdepodobnosť reťazovej reakcie bola veľmi veľká a bomba by v zlomku sekundy vybuchla. Kým bomba vybuchne, stihne sa zpotrebovať len malé percento uránu. Po výbuchu už reakcia neprebieha kvôli skoro nulovým pravdepodobnostiam zásahu jadra neutrónom.

Ak zasiahne neutrón jadro nestabilného uránu ²³⁵₉₂U, jadro sa rozštiepi na dva ľahšie jadrá. Súčasne sa uvoľnia tri nové neutróny a energia. Nové uvoľnené neutróny bombardujú ostatné jadrá, čím vzniká reťazová jadrová reakcia.

Porovnanie fúzie a štiepenia

Oba procesy prinášajú značné množstvo energie, ale líšia sa zdrojmi paliva, vplyvom na životné prostredie, bezpečnosťou a nákladmi. Fúzia sa môže pochváliť takmer neobmedzenými zásobami paliva z vody a lítia, minimálnym ekologickým vplyvom a zvýšenou bezpečnosťou bez rizika roztavenia. Hoci je v súčasnosti technologicky rozvinutejšie, štiepenie jadier sa stretáva s problémami, ako je rádioaktívny odpad, vyššie bezpečnostné riziká a obmedzené palivo na báze uránu alebo plutónia.

V tabuľke sú zhrnuté hlavné rozdiely medzi jadrovou fúziou a štiepením:

Pokračujeme, ale do praktického využitia energie z jadrovej fúzie zostávajú ešte roky.

tags: #reťazová #reakcia #štiepenia #jadra

Populárne príspevky:

• Bedľa Pečeňák: Recepty
• Recept na hovädzie s červeným vínom
• Recept na teľacie dusené
• Recept na francúzske zemiaky
• Ako dlho vydržia žĺtkové rezy