Jadrová fyzika, energia, rádioaktivita, stavba atómu

jadrová elektráreň

Jadrová elektráreň (atómová elektráreň, u nás Temelín a Dukovany) je zariadenie, slúžiace k premene väzobné energie jadier ťažkých prvkov na elektrickú energiu. V princípe sa jedná o parné elektráreň, kde sa para vyrába energiou získanou v jadrovom reaktore. Vo svete pracuje vyše 400 atómových reaktorov. Tento je tlakovodné, ďalej ešte existuje varný (bez obehového čerp v primárnom okruhu).

súčasti:

1. Primárny okruh: Reaktorová hala, uzavretá v nepriepustnom kontajneri. Obsahuje reaktor (3), kde sú tyče z uránu 235 (7) a riadiace tyče, ktoré umožňujú reguláciu výkonu (havarijné a regulačné). Aby štiepna reakcia mohla prebiehať, je potrebné moderátora. Ako moderátor je väčšinou použitá voda (bezpečnejšie, pri havárii sa odparí a reakcia sa zastaví). Napr. v Černobyle bol použitý grafit, ktorý výkon pri havárii naopak zvyšuje. Horúca voda pod vysokým tlakom vyrába pomocou parogenerátora (6) páru v sekundárnom okruhu.

Ďalšie časti: kompenzátor objemu 5, čerpadlo.

1. Sekundárny okruh (bez radiácie): Para točí parnou turbínou (8 - vysokotlakový a nízkotlakový stupeň), ktorá roztáča elektrický generátor (9) a vyrába tak elektrický prúd, ktorý sa na transformačnej stanici (10) transformuje na vyššie napätie a je rozvádzaný vedením ďalej (pozri otázku 17). V teplotnom výmenníku (13) sa para chladí chladiacim okruhom (obehové čerpadlo čerpá vodu z rieky - 17) ochladzuje, aby mohla znovu cirkulovať do parogenerátora (6). Chladiaci okruh si udržuje teplotu pomocou chladiace veže, kde je kvapalina ochladzovaná ďalší vodou z rieky a časť sa mení na paru.

Súčasné jadrové elektrárne využívajú ako palivo prevažne obohatený urán, čo je prírodný urán, v ktorom bol zvýšený obsah izotopu 235U z pôvodných zhruba 0,5% na 2 - 5%. Prebieha štiepna reakcia - viď nižšie.

Využitie jadrovej energie

• výroba elektrickej energie v jadrových elektrárňach (asi 17% podiel na svetovej elektrine, je to najefektívnejší zdroj energie, očakáva sa termonukleárny reaktor založený na jadrovej fúzii),

• pohon lodí a ponoriek, výroba izotopov a výskum

• zároveň sa (väčšinou ako vedľajší produkt pri výrobe elektriny) využívajú na vykurovanie či ohrev vody.

Kontroverzia ohľadom jadrových elektrární - riziko katastrofy - vyvolal hlavne Černobyľ a tamojšie mestečko Pripjať (kvôli neopatrnej manipulácie a experimentovanie došlo pri odstavení bezpečnostných okruhov k explózii jedného reaktora a oblasť bola evakuovaná, katastrofa zasiahla asi 600000 osôb a zvýšila riziko rakoviny u novorodencov), tiež sa udáva, že zásoby jadrového paliva, ktoré teraz dokážeme využiť, nie sú dostačujúce.

jadrové reakcie

= Umelo vyvolaná premena jadra zrážkou s iným jadrom alebo časticou. Pri reakcii musí platiť zákon zachovania náboja a počtu nukleónov, ďalej zachovania hybnosti, hmotnosti a energie.

Jadrová syntéza (fúzia)

= Dve ľahká jadrá sa spájajú na jedno jadro a uvoľňuje sa pri tom energie.

Predvolené reakcie v cykle reakcií prebiehajúcich na Slnku
, Vzniká deutérium (ťažký vodík) a pozitrón (ďalej nič).

• Ekologicky čisté reakcie (nevzniká a, b žiarenie, ani neutróny)

• Musíme jadra zblížiť namále vzdialenosť -> prekonanie elektrostatických odpudivých síl -> dodanie aktivačný energie (zahriatím na vysokú teplotu) - tzv. Termonukleárne reakcie.

Tieto reakcie prebiehajú vo hviezdach, horúce plazma je tu udržiavané gravitačnými silami. Na Zemi prebiehajú pokusy v tokamaku - (ruský vynález, plazma je v nádobe prstencového tvaru udržiavané v úzkom lúča v stredu prstenca pôsobením silného magnetického poľa), nedarí sa ju však zatiaľ dlho udržať.

Krátkodobo prebieha jadrová syntéza vo vodíkovej bombe. Rozbuškou, ktorá poskytuje dostatočnú teplotu je jadrová bomba.

** **

štiepenie jadier

= Z 1 jadra vznikajú dve jadrá s približne rovnakým protónovým číslom, uvoľňuje sa pri tom energie

Neutron spomalený vrstvou vody alebo parafínu môže rozštiepiť jadro
na 2 približne rovnako ťažká jadra. Novovzniknutá jadrá sú nestabilné a ďalej sa rozpadajú.

, Ešte urán 235, 238

Alebo St Xe, n je neutrón - má 1 nukleón (neutrón) a 0 prot.

Novo uvoľnené neutróny môžu po spomalení štiepiť ďalšie jadrá (reťazová reakcia). Časť neutrónov sa pohltí bez štiepenie alebo sa dostane von z jadrového materiálu, preto je potrebné mať k uskutočneniu reakcie aspoň kritické množstvo rádioaktívnej látky (
tvorí len asi 0,7% prírodného uránu)

Môžu nastať nasledujúce situácie:

● Neriadená reťazová reakcia, teda že sa nechajú sa reagovať všetky vzniknuté neutróny, reakcia končí výbuchom tzv. Atómovej bomby.

● Riadená reťazová reakcia, vtedy sa nechá reagovať iba 1 neutrón. To je využité v jadrových elektrárňach.

mikrosvet

• Nevidíme ho, platia tu zákony kvantovej fyziky, vysvetlenie na fotoelektrický javu

Patrí sem fotoelektrický jav, ktorý je opísaný kvantovou fyzikou - viď. otázka 23

Využitie kvantovky: fotoelektrický jav a elektronické súčiastky na jeho princípe, jadrové elektrárne

Atom

• Z gréckeho atomos = nedeliteľný, základné časticou bežné hmoty, objektom mikrosveta

jadro ** **

• centrálna časť atómu ** **

• tvorí takmer celú hmotnosť atómu

• polomer atómu: asi 10 ^-15 M

Jadrá: 10 ^-10 M -> väčšinu rozmeru zaberá obal, väčšinu hmotnosti jadro

obsahuje častice:

• protóny - mp = 1,67 * 10-27 kg, tab. vzadu

• kladný náboj e +, značka p ⁺

- neutrón, hmotnosť rovnaká ako protón

• bez náboja, značka n ⁰

• všeobecné značenie prvkov:

• Z - protónové číslo

• A - nukleónové číslo - súčet protónov a neutrónov

• izotopy - atómy toho istého prvku s rôznym A

väzbová energia ** ** - energia potrebná na úplné rozdelenie jadra na nukleónmi ** **

obal

Elektróny - M e = 9,1 * 10 -31

Prvé modely: atóm je nedeliteľná častica, ďalšie pudingový model - všetky častice sú vnútri celistvé hmoty atómu

Bohrov model atómu ** **

• kombinácia klasické a kvantovej fyziky, vyplýva z planetárneho modelu atómu (jadro je slnko, elektróny okolo obiehajú ako planéty), obmedzuje ho

• približne platí pre vodík

• vychádza z predpokladu vlnových vlastností elektrónu - viazaný na úsečku dĺžky L (potenciálov jama)

• Bohrova postuláty: ** **

I. Atom je stabilná sústava zložená z kladne nabitého jadra, v ktorom je sústredená takmer celá hmotnosť atómu, az elektrónového obalu.

II. Atóm sa môže nachádzať len v určitých kvantových stacionárnych stavoch s určitou energiou. V takom stave atóm neprijíma ani nevydáva energiu.

III. Pri prechode zo stavu s vyššou energiou do stavu s nižšou energiou atóm vyžaruje energiu vo forme fotónu. ** **

=> Elektrón sa pohybuje okolo jadra len po dovolenkách kruhových dráhach, ktoré musia dodržiavať, môžu iba za určitých podmienok jednorazovými zmenami "preskočiť" z jednej energetickej hladiny do inej. ** **

** **

Kvantovo mechanický model

- atómový orbitál - kvantový stav elektrónu, ohraničuje oblasť, kde je najvyššia pravdepodobnosť výskytu daného elektrónu

• rozloženie elektrónov v priestore charakterizujú tzv. Kvantové čísla

• n - hlavné kvantové číslo - n = 1,2 ... 7 alebo (K, L ... Q)

• určuje energiu a veľkosť orbitále

- l - vedľajšie kvantové číslo - l = 0,1,2 ... (n-1) alebo (s, p, d, f ..)

• určuje tvar orbitále

s - guľa

p - osmička na px, py alebo pz

d - štvorlístok medzi osami

• m - magnetické kvantové číslo - m = + 0, + 1, + 2, + 3 ...

• určuje orientáciu orbitále v priestore

- s - spinovej magnetické kvantové číslo s = + - 1/2

• elektróny predstavujú malé magnety s rôznymi spiny

1) Pauliho vylučovací princíp ** **

• v elektrónu nemôžu existovať 2 e ^- s rovnakým spinovým číslom

2) Hundovo pravidlo: Orbital v jednej podslupce sa najskôr obsadia elektróny s rovnakým spinom a potom dvojicami so spinom opačným

3) výstavbové princíp ** **

Najprv sa zapĺňajú orbitály s nižšou enegie, potom s energiou vyššou

Valenčné vrstva je posledná vrstva elektrónového obalu, ktorá býva Neuplat zaplnenú elektróny.

(Vodík - 11H, čiarové spektrum vodíka - je tvorené len 4mi farbami (alfa - červená, beta modrá, gma a delta = fialová), len 4 spektrálne čiary, na iné spektrum sa nerozloží) ** **

Orbitály na strane 121 v tab aj niečo viac

rádioaktivita

• schopnosť atómového jadra sa rozpadať na viac jadier, pričom sa uvoľňuje žiarenia.

Prirodzená - všetky prvky do Z <= 92 (Urán) sú prirodzené a vyskytujú sa v prírode - Polónium, Radón

Umelá - umelo vzniknuté prvky, od uránu ďalej (93+) - Neptúnium, Plutónium, ...

• H. Becquerel - 1896 - objav prirodzenej rádioaktivity (niektoré soli Uránu spôsobili sčernanie dosiek)

• M. Sklodowska s manželom - 1897 - objav rádioaktívneho Ra a Po, poľská fyzička - nobelovej ceny

druhy žiarenia:

α

• častice α -proud jadier hélia ** **

• energeticky najvýhodnejšie

• veľké ionizačné účinky

• malá prieraznosť (vo vzduchu asi 10 cm)

• urychlovatelná a odkloniteľné v elektromagnetickom poli (má náboj)

• β ** **

• častice β - elektrón

• ovplyvniteľné v elektromagnetickom poli

• pozitrón - antičastice k elektrónu (žiarenie b +)

• γ

- častice γ - fotón

• veľká prieraznosť

• neovplyvniteľné elektromagnetickým poľom