Rychlokurz chemie
Rychlokurz chemie (37/43) · 10:35

Nukleární chemie - štěpení a fúze Druhý díl o nukleární chemii nám lépe objasní, co se skrývá pod pojmy nukleární štěpení a fúze. Jaké jsou jejich principy a jaká zajímavá využití tyto procesy mají?

Stejně jako u mnoha věcí v našem životě, i v chemii se snažíme najít stabilitu. V minulém díle jsme se bavili o radioaktivním rozpadu. Při něm se jádra zbavují částic, aby se stabilizovala. Co to ale vlastně je ta stabilita, po které všichni touží? V jaderné chemii jde o to udržet jádro pohromadě. Pokud hrozí, že se jádro rozpadne, pak není stabilní a dlouho nevydrží. Stabilita nám vlastně říká, jestli takto jádro může existovat. Množství energie, které drží protony a neutrony u sebe v jádře, je stejné jako to, které by bylo uvolněno, pokud by byly vyraženy. Říkáme jí vazebná energie a tvoří jeden ze základních principů jaderné chemie. Pokud mluvíme o jaderné energii, je to vlastně tato energie. Nebudu vám lhát, jaderná chemie je velmi složitá. Pojďme si jí alespoň základně vysvětlit na vzorci, který jste již jistě někdy viděli. Vazebná energie se vypočítá jako E se rovná mc na druhou. Toto je asi nejznámější rovnice na světě. Vymyslel ji mladý vědecký nadšenec Albert Einstein, a tím si vysloužil titul génia. Částečně je známá pro to, že logika za ní je elegantně jednoduchá. Ale hlavně je slavná, jelikož je velmi důležité, co s ní dokážeme vypočítat. Vysvětluje totiž jeden z nejmocnějších lidstvu známých zdrojů energie. Jaderné štěpení a fúze E se rovná mc na druhou je vztahem mezi hmotou a energií. Říká, že lze přeměnit hmotu na energii a naopak. Dobře, říká toho ve skutečnosti mnohem více. Tak například si vezměme jádro kyslíkového atomu s 8 protony a 8 neutrony. Tyto jaderné částice se souhrnně nazývají nukleony. Pokud bychom sečetli jednotlivé hmotnosti všech 16 nukleonů, dostali bychom jiné číslo, než je celková hmotnost kyslíkového jádra. Takové jádro má konkrétně hmotnost 15,99 atomové hmotnostní konstanty. A to je méně než součet všech jednotlivých hmotností, který je 16,13 atomové hmotnostní konstanty. Část hmoty se někam vypařila. Tato chybějící hmota, neboli hmotnostní úbytek, se přeměnila na energii. Je to vlastně energie, která drží jádro pohromadě. Hmotnostní úbytek pro kyslíkový atom je 2,269 krát 10 na minus 28 kilogramu. Pro výpočet příslušné vazebné energie použijeme Einsteinův vztah. Ten vztah je vlastně jednoduchou přímou úměrou. Díky Einsteinovi známe konstantu úměrnosti, kterou je rychlost světla umocněná na druhou. Stačí jen dosadit a zjišťujeme, že E, neboli vazebná energie jádra, je 2,04 krát 10 na minus 11 joulu. Před hodnotou se píše záporné znaménko, jelikož energie je vyzářena. 2,04 krát 10 na minus 11 joulu je velmi malé číslo. Nesmíme však zapomínat na to, že se to vztahuje pouze k jedinému jádru. Když to vynásobíme Avogradrovou konstantou, dostaneme hodnotu pro jeden mol jader. Tedy pro 16 gramů kyslíku už je to energie rovna 1,23 krát 10 na 13 joulů. Pro srovnání bychom museli spálit 420 000 kilogramů uhlí pro tolik energie. A o této energii je řeč, když se bavíme o jaderné energii. Je to vazebná energie, která se uvolní, pokud odebereme nukleon z jádra. Abychom tuto energii uvolnili odebráním nukleonu, lze použít dva různé procesy: Jeden z nich je štěpení a druhý je fúze. Štěpení nastává, pokud se těžké jádro rozdělí na dvě lehká. Fúze je naopak spojení dvou lehkých jader v jedno těžké. V obou případech jsou produkty reakce stabilnější než reaktanty. A to je také poháněcí silou celé reakce. Zde vidíme graf vazebné energie prvků seřazená podle jejich protonového čísla. Prvky s vysokou vazebnou energií, jako je železo-56, jsou velmi stabilní a nepodléhají jaderným reakcím. Na druhé straně prvky s nižší vazebnou energií reagují ochotně. Pokud je jádro těžší než železo-56, má tendenci se štěpit na dvě menší jádra. Pokud je ale lehčí, spíše bude podléhat fúzi, kdy se dvě jádra spojí, a vytvoří tak těžší jádro. Důležité je ale si uvědomit, že jak štěpení, tak fúze stabilitu zvyšují. Štěpení je ale využíváno mnohem častěji, jelikož jej, alespoň prozatím, dokážeme lépe spouštět a také ovládat. Ať už se jedná o jaderné elektrárny nebo o bomby, nejběžnějším palivem je uran-238. Je hned několik způsobů, jak může reagovat. Reakce je téměř vždy spouštěna ostřelováním neutrony z jiného zdroje. Tímto je se uran rozštěpí na dvě menší jádra. Takový zdroj je třeba reakce, při které vzniká krypton-92... ...ano, krypton je opravdu prvek... ...spolu s bariem-141, třemi volnými neutrony a spoustou energie. Tato energie je uvolněna ve formě kinetické energie vyletujících částic. Okamžitě je ale předána do okolí ve formě tepla. Někdy se energie může uvolnit ve formě elektromagnetického záření, jako je viditelné světlo, rentgenové paprsky, či gama záření. Jaderné elektrárny využívají této energie k přeměně kapalné vody na páru, která dále pohání turbíny, které roztáčejí generátor a ten vyrábí tu elektřinu. Tyto reakce však mohou uvolňovat neskutečné množství energie, a proto mají jaderné elektrárny možnost vyrábět spoustu elektrické energie. Má to ale i své mouchy, o kterých jste se již možná doslechli. Zaprvé, atomy většinou neexistují jednotlivě izolované. Každou reakci jsme psali pro jeden oddělený atom, ale ve skutečném světě je každý atom obklopen mnoha a mnoha dalšími. Pokud stačí jeden neutron na spuštění reakce a my jich máme na začátku tři, tak myslím, že si dokážete představit, co se může stát. Pokud reakci nijak neregulujeme, vznikají z každé reakce další tři neutrony. Zároveň každá reakce uvolňuje stejné množství energie a to se rychle sčítá. Jedná se o řetězovou reakci, což je vlastně základem pro atomovou zbraň. Stejný typ reakce se ale objevuje i v atomových elektrárnách. Tyto reakce se ale regulují a to hned několika způsoby. Ve skutečnosti by tyto řetězové reakce dokázaly vyrobit mnohem více energie, dokonce tak moc, že by se zvýšela teplota na kritickou hodnotu, při které taje uran. Mohl by tak roztát reaktor. K zamezení tohoto jsou reaktory naplněné vodou, která přebytečné teplo vstřebává. To ale samo o sobě nestačí, abychom měli situaci pod kontrolou. Pokud běží řetězová reakce samovolně, voda v jakémkoli množství sama o sobě nedokáže zamezit tání reaktoru. Jaderné reakce se typicky regulují s pomocí řídících tyčí. Jsou z materiálů, které dokáží absorbovat neutrony. Umisťují se mezi tyče s palivem, aby usměrnili neutrony, a tím zpomalili reakci. Mohou být spuštěné více pokud chceme větší zpomalení a naopak. Další nepříjemností spojenou se štěpnými reakcemi je jaderný odpad. Produkty jaderných reakcí jsou také reaktivní, zároveň se jich vytvoří mnoho a několik různých druhů. Minule jsme si ukázali, že uran může podstoupit různé typy jaderného štěpení. Tedy produktem nejsou jen izotopy kryptonu a bromu, ale i spousta dalších izotopů jiných prvků. Tato nově vzniklá jádra se mohou dále rozpadat a uvolňovat další neutrony, stejně tak jako nestabilní produkty a pokračuje to dál. Ze všech reakcí nakonec vznikne stabilní produkt. Poločasy rozpadu těchto produktů jsou od několika do desítek milionů let. Produkty s nižšími poločasy rozpadu se sice stabilizují rychleji, ale v průběhu toho produkují nebezpečné částice a energii. Pokud mají delší poločasy rozpadu, štěpí se pomaleji s nižší uvolněnou energií. Na druhou stranu to znamená, že to trvá opravdu dlouho než se stabilizují. Z pohledu lidského života to můžeme považovat za věčnost. Z toho plyne, že budou celou dobu zátěží pro životní prostředí a je vždy nutné hledat způsoby, jak je skladovat a uchovávat mimo civilizaci. Fúzní reakce se od těch štěpných velmi liší. Zaprvé energie uvolněná při fúzi zahanbí i velké množství uvolněné při štěpení. Možná že víte, že tyto reakce probíhají například na Slunci. Z těchto reakci je slunce živo. Jedná se převážně o fúzi lehkých jader, jako je například vodík nebo helium. Celé to začne tím, že se 2 vodíková jádra při neskutečné teplotě a tlaku spojí, a vytvoří tak deuterium, což je izotop vodíku. Touto fúzí vzniká pozitron a tepelná energie. Poté se k deuteriu přidá další atom vodíku, a vznikne tak hélium-3. V tomto kroku se uvolní spousta energie ve formě gama záření. Pokud se spojí dva atomy hélia-3, vznikne hélium-4 spolu se dvěma vodíky, které mohou celý proces zahájit znovu od začátku. V tomto posledním kroku je uvolněno velké množství energie ve formě gama záření. I když se jedná též o řetězovou reakci, nepohání se sama, tím je jiná. Celý proces si žádá 6 vodíkových jader, vyprodukuje ale pouze 2. A nakonec se přebytečná hmota uvolní ve formě helia. Z tohoto důvodu musíme dodávat palivo. A proto zhruba za 5 a půl miliardy let Slunci dojdou vodíky. Na Zemi se dá fúze dělat též, ale zatím nejsou moc užitečné, jelikož je neumíme regulovat. Hodily by se možná tak, pokud bychom chtěli nechat vybouchnout město, to jen tak na okraj, abychom netvrdili, že jsou na nic. Na nám již známém grafu vidíme, že lehká jádra při fúzi podstupují mnohem větší energetické změny než je to v případě štěpení těžkých jader. To naznačuje, že fúzí získáme mnohem více energie než štěpením. O tolik více, že je skoro nemožné ji smysluplně zpracovávat. Fúze je zároveň založená na spojování jader, čímž je nutné překonat silné odpuzování kladných nábojů obou jader. Z toho důvodu lze fúzi dělat jen za vysokých rychlostí částic a velkého tlaku. Za těchto vysokých rychlostí se kinetickou energií částic vytvoří neskutečné teploty, řekněme v řádu 100 milionů kelvinů. Materiál, ve kterém urychlujeme částice, je proto ve skupenství plazmy. Nejen, že tyto rychlosti jsou složité dosáhnout, ale jak je můžeme regulovat? I když by to bylo super, z tohoto důvodu nelze použít fúzi k produkci elektřiny. Zatím jediné použití nachází v jaderných zbraních, kde není regulace potřeba. Zde vidíte, že je v rámci jaderné chemie spousta prostoru k vynalézání. Fúze je potenciálně skvělá k produkci velkého množství energie, Navíc byste mohli získávat spoustu hélia, se kterým je zábava! Jak můžeme ale radioaktivní látky využívat efektivněji? Existuje způsob, jak dosáhnout extrémních rychlostí částic a poradit si s teplotou? A jak tohle celé provést bez toho, aby nám to vybouchlo pod rukama? První krok, naučit se základy, je nyní za vámi. Je jen na vás, jak daleko se odvážíte jít. Možná to budete vy, kdo vymyslím novou geniální rovnici a posunete vědění dál.
video