Atomové jádro, jaderné reakce a reaktory, radioaktivita

 

   Otázka: Atomové jádro, jaderné reakce a reaktory, radioaktivita

   Předmět: Chemie

   Přidal(a): Tomáš

 

 

Stavba atomového jádra, jaderné reakce, jaderné reaktory, radioaktivita, využití radionuklidů

 

I) Stavba atomového jádra

Základní informace:

• Jádro atomu se skládá z množství nukleonů (A); ty se dělí na určitý počet protonů (Z) a neutronů (N), z kterých oba dva patří mezi fermiony.
• Ke zkratce atomu se píše vlevo dole protonové číslo a nad něj číslo nukleonové

 

a) Fermiony:

• Všechny elementární částice jsou buď fermiony, nebo bosony.
• Fermiony jsou částice s poločíselným spinem (1/2,3/2,5/2). Díky tomu při jejich rotaci o 360° se změní znaménko jejich vlnové funkce ψ.
• Částice složena z lichého počtu fermionů má pořád poloviční spin a chová se jako fermion, kdežto částice složena z sudého počtu má celý spin a chová se jako boson.
• Druhy fermionů:
  • Elementární částice látky:
    • leptony: elektron, mion, tauon, elektronové neutrino, tau neutrino, mion neutrino
    • kvarky: dolů (d), nahoru (u), podivný (s), půvabný (c), spodní (b), svrchní (t
  • Baryony:
    • nukleony: proton, neutron
    • hypertony: Λ, Ξ, Σ, Ω
    • pentakvarky
  • Atomová jádra s poločíselným spinem:
    • triton (jádro tritia)
    • helion (jádro He-3)
  • Hypotetické částice
  • Ke všem částicím jsou i antičástice s opačným elektrickým nábojem.

 

b) Proton:

• Značení:
• i) p⁺
• ii) Z (protonové číslo atomu)
• m(p) = 1,672 648 · 10^-27 kg
• Q(p) = 1,6 · 10^-19 C
• Informace:
  • Proton je baryon s kladným nábojem +1e a hmotností o trochu lehčí než neutron. Je složen z dvou u kvarků a jednoho d
  • Je stabilní částicí s teoretickým poločasem rozpadu přes 10³⁵
  • V chemii a biochemii je proton označení pro iont vodíku.

 

c) Neutron:

• Značení:
• i) n⁰
• ii) N (neutronové číslo atomu)
• m(n) = 1,674 954 · 10^-27 kg
• Q(n) = 0 C
• Informace:
  • Neutron je baryon s nulovým nábojem 0e a hmotností o trochu těžší než proton. Je složen z dvou d kvarků a jednoho u
  • Neutron je mimo atomové jádro nestabilní částicí s poločasem rozkladu 881,5 ± 1,5 sekund (zhruba 14,7 minut). Rozpadá se na proton, elektron a elektronové antineutrino.

 

Modely atomového jádra:

• a) kapkový model
  • Předpokládá se, že jaderné síly působí na nukleony na velmi krátkou vzdálenost (tzn. že na každý nukleon působí stejnou silou jen jeho bezprostřední sousedé).
  • Na nukleony na povrchu jádra působí silné síly jen směrem do jádra (podobně jako s povrchovým napětím kapalin).
  • Využití modelu: vysvětlení štěpení jader atomů.
  • Nedostatky: nevysvětluje stabilitu atomu při dosažení „kouzelných čísel“ protonů a neutronů.

 

• b) slupkový model
  • Předpokládá se, že nukleony jsou v jádře uspořádány v určitých energetických hladinách/ slupkách (obdobně jako elektrony v elektronovém obalu).
  • Jednotlivé energetické hladiny se postupně zaplňují dvěma protony a dvěma neutrony se spiny ½. Prvky s plně obsazenými slupkami jsou relativně stabilní ¹²₆C  ¹⁶₈O  ²⁰₁₀Ne
  • U lehkých jader (Z < 20) se jádra atomů skládají z přibližně stejného počtu protonů i neutronů.
  • U těžších jader (20 ≤ Z ≤ 83) se začíná uplatňovat elektrostatické odpuzování protonů a k udržení stability jádra se musí e.-st. síly kompenzovat silnými jadernými silami většího počtu neutronů. S rostoucím protonovým číslem je zapotřebí čím dál více neutronů. Nejtěžší stálý nuklid je izotop bizmutu²⁰⁹₈₃Bi.
  • U ostatních jader (83 ≤ Z) jsou odpudivé síly protonů tak velké, že je nedokáže úplně stabilizovat libovolný počet neutronů. Toto vede k postupnému samovolnému rozkladu, který se nazývá radioaktivita.

 

II) Jaderné reakce

a) Syntéza jader

• Jádra lehčích prvků se spojují v těžší jádro jiného prvku.
• Příklad: Terčík obsahující deuterium je bombardován urychlenými jádry deuteria (deuterony). Některé deuterony zasáhnou terčík a proběhne jaderná syntéza.
  • Produkty:
    • ³₂He (izotop lehkého helia) + n⁰
    • ³₁He (tricium) + p⁺
  • V obou případech se uvolní přibližně 50 000 kWh energie na gram použitého deuteria, stejné množství energie, jako při spálení 3 tun kvalitního černého uhlí.
  • ³₁He je radioaktivní s poločasem rozpadu 12 let. Rozpadá se na ³₂He , ß- a na antielektronové neutrino.

 

b) Štěpení jader

• Jádra těžšího prvku zasaženého částicí se rozštěpí v několik jader jiných prvků a uvolní se určité množství jiných částic.

 

III) Jaderný reaktor

   Základy:

• Jaderný reaktor vyrábí a moderuje uvolněnou jadernou energii získanou rozkladem atomů určitých prvků. Ta se přemění na teplo které tvoří páru na pohon elektrického generátoru.
• Většina jaderné elektřiny (kolem 13% celkové světové) je produkována jen dvěma druhy jaderných reaktorů, které se vyvinuly v 50. letech 19. století a byly dosud vylepšovány. Postupně se tvoří nové modely kvůli postupnému snižování funkčnosti starších.

 

Stavba:

• Pohonná hmota: Uran ve formě UO₂ se aranžuje do formy palivových tyčí, které se naaranžují do palivových článků v reaktorovém jádru.
• Moderátor: Materiál v jádře, který zpomaluje neutrony vypuštěné jaderném štěpením aby mohly nadále štěpit. Většinou jím bývá voda, ale může se použít i těžká voda nebo grafit
• Řídící tyče: Složeny z materiálu, který absorbuje neutrony (např. kadmium, hafnium, bor). Jejich vsouváním/vysouváním z jádra se řídí rychlost štěpné reakce nebo se může dokonce i zastavit.
• Chladivo: Kapalina cirkulující jádrem která z něj přemisťuje teplo. V lehkovodních reaktorech má vodní moderátor také funkci primárního chladiva. S výjimkou varných reaktorů je v reaktoru i chladící obvod ve kterém se voda přeměňuje na páru.
• Tlakové nádoby nebo trubice reaktorů: Většinou robustní ocelové nádoby obsahující reaktorové jádro a moderátor/chladivo, může ale být i několik trubic které obsahují palivo a převádí chladivo přes obklopující moderátor.
• Parogenerátor: Část chladícího systému natlakovaných vodních reaktorů (PWR a PHWR) kde se využívá vysoce natlakované primární chladivo, již přivádějící teplo z reaktoru, k vytvoření páry pro turbínu v sekundárním obvodu. Reaktory mají až 6 „oblouků“, každý s parogenerátorem.
• Ochranná nádoba: Struktura kolem reaktoru a parogenerátorů s účelem chránit jak reaktor od vnějších vlivů, tak okolí od účinků radiace při možnosti vážní nehody uvnitř. Typicky se skládá z metru široké betonové stěny a z oceli.

 

Doplnění paliva:

Aby se doplnilo palivo v jaderném reaktoru, musí se nejdříve otevřít tlakové nádoby. Proto se mění

jednou za 1 až 2 roky; obměňuje se čtvrtina až třetina palivových tyčí.

Přírodní uran (0.7% U-235, přes 99.2% U-238) se využívá, když se jako moderátor používá těžká voda

nebo grafit; jinak se musí využívat rafinovanější palivo s větším obsahem U-235 (lehká voda jako

moderátor).

 

Typy reaktorů:

• Tlakovodní reaktor:
  • Voda je natlakována na zhruba 150× atmosférický tlak, aby voda, zahřívána na teploty kolem 325°C, se nevařila.

 

• Varný reaktor:
  • Voda je podobně jako u tlakovodního reaktoru natlakována, ale to jen na 75× atmosférický tlak. Voda zde přichází k varu v teplotách kolem 285°C. Obvod je jen jeden, turbína se musí chránit od radioaktivity vody. Radioaktivita z vody vyprchá za kratší časové období, tím pádem je bezpečné dělat opravy na turbíně když se reaktor vypne.
  • Voda se využívá jako moderátor: může se snížit nebo zvýšit tlak a vznikne pára.

 

• CANDU:
  • Reaktor (CANada Deuterium-Uranium) vznikl v Kanadě.
  • Reaktor využívá jako moderátor těžká voda (D₂O). Jako palivo je využita uranová ruda (0,7% U-235).
  • Těžká voda je pod vysokým tlakem a dosahuje teplot kolem 290°C.

 

•    Pokročilý plynem chlazený reaktor

• Jako moderátor se používá grafit, chladivem je CO₂ (sekundárním chladivem je stále voda).
• CO₂ se zahřívá k teplotám kolem 650°C.

 

• Další reaktory:
  • RBMK
  • Pokročilé reaktory
  • Rychloneutronový reaktor
  • Plovoucí jaderné reaktory (Antarktida)

 

IV) Radioaktivita

• Základy:
  • Radioaktivita je jev, při němž dochází k samovolné vnitřní přeměně složení nebo energetického stavu atomového jádra daného nuklidu (nazýván radionuklidem). Zpravidla je emitováno vysokoenergetické (ionizující) záření. Když dojde k změně počtu protonů v jádře atomu, změní se na (většinou nestabilní) atom prvku s nižší hmotností.

 

• Důvod:
  • Jaderné síly neutronů už jsou příliš slabé aby udržely jádro s příliš velkým počtem protonů v stabilitě (viz 2).
  • Poznámka: Z důvodů jaderných sil jsou nuklidy do určité hmotnosti relativně stabilní. Sami o  sobě jsou ale obsažené nukleony méně stabilní. Proton je sice stabilní (je sice vypočítán poločas rozpadu na 10³⁵ let, to je však jen teorie, protože se nedá s dnešními vědomostmi dokázat), neutron má ale i přes podobné složení (1u 2d oproti 2u 1d (1)) poločas rozpadu podstatně menší, tj. zhruba 611 vteřin. Neutron se dále rozpadá na proton a přeměna d kvarku do u kvarku uvolní jeden elektron a antielektronové neutrino. Tato přeměna se nazývá přeměna beta minus.

 

• Druhy radioaktivního záření:
  • Ionizační záření:
    • Obecná charakteristika: Záření nesoucí dostatečnou energii, aby uvolnilo elektrony od atomů či molekul a tímto je zionizovalo.
    • Záření α a α-rozklad:
      • Proud jader He (částice α). Protože jsou to jen jádra o dvou protonech a neutronech, mají docela kladný náboj.
      • Protože mají α-částice relativně vysokou hmotnost, kladný náboj (+2) a nízké rychlosti (jen 5% rychlosti světla), mají tendenci se slučovat s jinými atomy a ztrácet svou energii. Proto je jejich prostupnost minimální a zastaví je i pouhý list papíru.

 

• Výskyt: Jakýkoliv radioaktivní prvek s jádrem většího nebo rovného jádru telluru (s těžkým jádrem a nízkou vazebnou energií).

 

• Využití: Detektory kouře (Americium, α-částice ionizují vzduch v malém otvoru, kterým se pak pouští malý elektrický proud. Částečka kouře sníží tok a spustí se poplach), RTG generátory (α-rozklad, bezpečný zdroj energie, jelikož na odstínění stačí 2.5 mm vrstva Pb), protistatické zařízení (α-částice ionizují vzduch a statická elektřina rychleji vymizí) a zatím experimentální radioterapie (bombarduje nádor α-částicemi, tím zastaví růst nádoru).

 

• Nebezpečí: Protože se α-částice šíří jen několika cm vzduchu a mají malou prostupnost, jejich nebezpečí je značně omezené. Zdroje α-záření se může i dotýkat, kůže před ním chrání. Problém nastává při prostoupení přes dermis díky poranění, vdechnuty, nebo pozřeny. V tom případě může způsobovat defekty funkčnosti buněk (neovladatelné dělení, tj. rakovinu, nebo smrt buňky) nebo dokonce i ionizační škody.
• Stínění: List papíru.

 

• Záření β a β-rozklad:
  • Proud elektronů či pozitronů. Je vydán přeměnou neutronu na proton a naopak. Toto se děje, aby se atom dostal do optimálního poměru mezi nukleony (z důvodů vyšší stability).
• β^– rozklad: Neutron se přemění na proton, uvolní se W^– Ten je velmi nestabilní (poločas rozkladu 3×10^-25 s), rozkládá se na elektron a elektronové antineutrino.
  • Výskyt: Jen tam, kde je vazebná energie atomu, který vznikne, větší, než atomu původního (dosáhne nižší energie a entropie).

• β⁺ rozklad: Proton se přemění na neutron, uvolní se W⁺ Ten je velmi nestabilní (poločas rozkladu 3×10^-25 s), rozkládá se na pozitron a elektronové neutrino.
  • Výskyt: V produktech jaderných reakcí, které vždy mají nadměrný počet neutronů. Nejčastější záření v radioaktivním odpadu.

 

• Využití: Léčení rakoviny očí a kostí, kontrola kvality (rovnoměrné tloušťky) papíru při jeho výrobě, radioterapie, beta světlo (rozkládající tricium ve světle vyzařuje β-částice; ty dopadají na fosfor, který svítí. Poločas rozkladu tricia je 12.32 let, to je také doba, za kterou svítí světlo o polovinu méně. Světlo nepotřebuje externí zdroj energie a samozřejmě se nedá vypnout) a výroba pozitronů pro PET tomografii.

 

• Nebezpečí: Mění strukturu molekul, kterými proletí, dokonce způsobuje mutace když proletí DNA. Způsobuje v extrémních případech rakovinu až smrt. Paradoxně se využívá v radioterapii k zahubení rakovinných buněk.
• Stínění: Hliníková folie.

 

• Záření γ a γ-rozklad:
  • Proud vysokoenergetických protonů.
  • γ-rozklad: Potom, co jádro atomu podlehne buď α nebo β-rozkladu, často zůstane v excitovaném stavu. Dodatečná energie se uvolní ve formě γ-částic atom klesne do normálního stavu.

 

• Výskyt: V jaderném odpadu, občasně při úderu blesku (zrychlené elektrony X pomalé atomy atmosféry), je emitováno různými kosmickými objekty (,pulsary, magnetary, kvasary, aktivní galaxie, hypernovy) a gama záblesky (kolize dvou neutronových hvězd nebo neutronové hvězdy a černé díry).

 

• Nebezpečí: Sice není tak ionizující jako α nebo β-záření, zato je ale mnohem pronikavější. Nízké dávky způsobují různou pravděpodobnost ničení DNA a tvorby rakoviny, zato vysoké dávky už přímo poškozují tkáně. Může způsobovat nevolnost, ztrátu vlasů a vnitřní krvácení. Dávka nad 7.5–10 Sv po celém těle způsobí smrt, která se zatím nedá nijak odvrátit, dokonce ani transplantacemi kostní dřeně.

 

• Využití: Zisk informací o kosmu přístroji, molekulární změny polodrahokamů (např. topaz→ modrý topaz), průmysl (měření tloušťky, rovně a hustoty), CSI (Container Security Initiative, skenování obsahu kontejnerů, samozřejmě USA), odstranění živých organizmů a bakterií, radiochirurgie a pro účely diagnózy v jaderné medicíně.

 

IV) Využití radionuklidů

• Röntgenové záření
• Celistvost výrobků
• Nalezení a léčení rakoviny
• Výzkum genetiky (identifikace biochemických a buněčných změn)
• Struktura materiálů
• Vlhkost materiálů