Jaderné štěpení

Rozbalit box

Obsah boxu

Jaderné štěpení je jaderná reakce, při níž dochází k rozbití jádra těžkého atomu na dvě lehčí, přibližně stejně velká jádra, známá jako štěpné produkty. Tento proces je typicky vyvolán zásahem subatomární částice, nejčastěji pomalého neutronu. Při štěpení se uvolňuje obrovské množství energie, mnohonásobně větší než při chemických reakcích, a také dva až tři další neutrony, které mohou vyvolat štěpení dalších jader a spustit tak řetězovou reakci.

Nejznámějším a v praxi nejvyužívanějším štěpným materiálem je izotop uranu-235 ([[²³⁵U]]). Štěpení je základním principem fungování jaderných elektráren, které využívají řízenou řetězovou reakci k výrobě elektrické energie. Naopak neřízená, lavinovitá řetězová reakce je principem jaderných zbraní. Objev jaderného štěpení v roce 1938 německými chemiky Otto Hahnem a Fritzem Strassmannem a jeho následné teoretické vysvětlení Lise Meitnerovou a Otto Frischem otevřelo dveře do atomového věku.

⚛️ Princip a mechanismus

Jaderné štěpení začíná, když jádro těžkého prvku, jako je uran-235, pohltí neutron. Tímto pohlcením vznikne vysoce nestabilní složené jádro (v případě uranu-235 je to uran-236). Toto jádro má přebytek energie, což ho nutí k silným vibracím a deformacím, podobně jako kapku vody. Během zlomku sekundy (cca 10^-14 s) se protáhlý tvar jádra zaškrtí a elektrostatické odpudivé síly mezi protony převládnou nad přitažlivými silnými jadernými silami.

Výsledkem je rozdělení jádra na dvě menší, lehčí jádra (štěpné produkty) a uvolnění několika (obvykle 2 až 3) volných neutronů. Štěpné produkty jsou často radioaktivní, protože mají přebytek neutronů oproti stabilním izotopům stejných prvků. Příkladem typické štěpné reakce je: $^{235}_{92} U +^{1}_{0} n \to^{141}_{56} B a +^{92}_{36} K r + 3^{1}_{0} n + E$ kde E představuje uvolněnou energii. Produkty štěpení (v tomto případě baryum a krypton) nejsou vždy stejné; může vzniknout více než 100 různých izotopů jako přímý produkt štěpení.

⛓️ Řetězová reakce a kritické množství

Klíčovým aspektem jaderného štěpení je uvolnění nových neutronů. Každý z těchto neutronů může potenciálně zasáhnout další jádro uranu a vyvolat další štěpení. Tento proces se může opakovat a vést k samoudržitelné řetězové reakci. Průběh této reakce je popsán pomocí multiplikačního koeficientu (k), který udává poměr počtu neutronů v jedné generaci k počtu neutronů v generaci předchozí.

Podkritický stav (k < 1): Počet štěpení v čase klesá a reakce postupně vyhasíná. K tomuto dochází, když příliš mnoho neutronů unikne z materiálu nebo je pohlceno bez vyvolání štěpení.
Kritický stav (k = 1): Počet štěpení je konstantní. Každé štěpení vyvolá v průměru právě jedno další štěpení. Tento stav je udržován v jaderných reaktorech pro stabilní výrobu energie.
Nadkritický stav (k > 1): Počet štěpení exponenciálně roste. Pokud není tento stav kontrolován, vede k uvolnění obrovského množství energie v krátkém čase, což je princip atomové bomby.

Aby mohla řetězová reakce proběhnout, musí mít štěpný materiál dostatečnou hmotnost a správný tvar (ideálně kouli, která má nejmenší povrch k objemu), aby se minimalizoval únik neutronů. Minimální množství materiálu potřebné k udržení řetězové reakce se nazývá kritické množství. Pro čistý uran-235 je kritická hmotnost přibližně 50 kg. Tuto hodnotu lze snížit použitím moderátoru (látky, která zpomaluje neutrony) nebo reflektoru neutronů, který odráží unikající neutrony zpět do štěpného materiálu.

⏳ Historie objevu

Cesta k objevu štěpení začala ve 30. letech 20. století experimenty s ozařováním prvků neutrony. Italský fyzik Enrico Fermi při ostřelování uranu neutrony v roce 1934 předpokládal, že vytváří nové, těžší prvky, tzv. transurany.

Skutečný průlom přišel na konci roku 1938 v Berlíně. Chemici Otto Hahn a Fritz Strassmann při opakování Fermiho experimentů s velkou pečlivostí identifikovali ve vzorku ozařovaného uranu stopy mnohem lehčího prvku – barya. Tento výsledek byl v rozporu s tehdejším chápáním jaderné fyziky a Hahn o něm v dopise informoval svou dlouholetou kolegyni Lise Meitnerovou, která byla nucena kvůli svému židovskému původu uprchnout z nacistického Německa do Švédska.

Meitnerová spolu se svým synovcem, fyzikem Otto Frischem, během zimní procházky o Vánocích 1938 formulovala teoretické vysvětlení. Na základě kapkového modelu jádra Nielse Bohra dospěli k závěru, že jádro uranu se po pohlcení neutronu chová jako nestabilní kapka, která se rozkmitá a rozdělí na dvě menší kapky. Tento proces, který Frisch přirovnal k dělení biologických buněk, nazvali štěpení (anglicky fission). Svůj objev publikovali v časopise Nature v únoru 1939. Za objev štěpení obdržel Otto Hahn v roce 1944 Nobelovu cenu za chemii; podíl Meitnerové a Strassmanna nebyl Nobelovým výborem plně zohledněn.

⚡ Uvolněná energie

Obrovské množství energie uvolněné při štěpení pochází z přeměny malé části klidové hmotnosti jádra na energii. Tento jev popisuje slavná rovnice Alberta Einsteina E = mc², kde E je energie, m je hmotnostní úbytek (hmotnostní defekt) a c je rychlost světla.

Součet hmotností štěpných produktů a uvolněných neutronů je o něco menší než hmotnost původního jádra uranu a pohlceného neutronu. Tento "ztracený" díl hmotnosti se přemění na energii, především ve formě kinetické energie rozlétajících se štěpných fragmentů. Tato pohybová energie se následně srážkami s okolními atomy mění na teplo. Při štěpení jednoho jádra uranu-235 se uvolní přibližně 200 MeV (megaelektronvoltů) energie. Pro srovnání, při spálení jednoho atomu uhlíku v uhlí se uvolní pouze asi 4 eV, tedy zhruba 50milionkrát méně.

🏭 Využití jaderného štěpení

Jaderná energetika

Řízená řetězová štěpná reakce je základem pro výrobu elektřiny v jaderných elektrárnách. Srdcem elektrárny je jaderný reaktor, kde v aktivní zóně probíhá štěpení v palivových článcích (obvykle obohacený uran). Uvolněné teplo ohřívá chladivo (nejčastěji vodu), které v parogenerátoru vytváří páru. Pára pohání turbínu spojenou s generátorem, jenž vyrábí elektrickou energii.

Pro řízení reakce se používají:

Moderátor: Látka (např. voda, grafit), která zpomaluje rychlé neutrony uvolněné při štěpení, protože pomalé neutrony mají mnohem vyšší pravděpodobnost vyvolat další štěpení ²³⁵U.
Regulační a havarijní tyče: Jsou vyrobeny z materiálů pohlcujících neutrony (např. bor, kadmium) a jejich zasouváním do aktivní zóny se reguluje výkon reaktoru nebo se reakce úplně zastaví.

Nejběžnější typy reaktorů ve světě jsou tlakovodní reaktor (PWR, v ruském provedení VVER) a varný reaktor (BWR).

Jaderné zbraně

Neřízená řetězová reakce v nadkritickém množství štěpného materiálu (vysoce obohacený uran nebo plutonium) je principem jaderné zbraně. Cílem je v co nejkratším čase rozštěpit co nejvíce jader. Toho se dosahuje jedním ze dvou základních způsobů:

Dělový princip (Gun-type): Dvě podkritická množství štěpného materiálu jsou pomocí konvenční výbušniny "vystřeleny" proti sobě, čímž dojde k vytvoření jednoho nadkritického celku. Tento princip byl použit u bomby svržené na Hirošimu.
Implozní princip (Implosion-type): Podkritická koule štěpného materiálu je obklopena konvenčními výbušninami. Jejich synchronizovaná detonace vytvoří rázovou vlnu, která kouli stlačí, zvýší její hustotu a tím ji převede do nadkritického stavu. Tento design je účinnější a byl použit u bomby svržené na Nagasaki.

Ostatní využití

Jaderný pohon: Kompaktní jaderné reaktory slouží jako zdroj energie pro ponorky, letadlové lodě a ledoborce, kde umožňují velmi dlouhý provoz bez nutnosti doplňování paliva.
Výroba radioizotopů: Jaderné reaktory se používají k výrobě radioaktivních izotopů pro lékařství (diagnostika, radioterapie), průmysl (defektoskopie) a výzkum.

☢️ Bezpečnost a rizika

Využití jaderného štěpení je spojeno s významnými riziky, která vyžadují přísná bezpečnostní opatření.

Jaderný odpad: Štěpné produkty jsou vysoce radioaktivní a zůstávají nebezpečné po tisíce let. Vyhořelé jaderné palivo se nejprve skladuje v bazénech u reaktorů a poté v meziskladech v masivních kontejnerech. Dlouhodobým řešením má být trvalé uložení do hlubinného geologického úložiště.
Jaderné havárie: Přestože jsou moderní reaktory vybaveny několika nezávislými bezpečnostními systémy, existuje riziko havárie s únikem radioaktivních látek do okolí. Historie zaznamenala vážné havárie, jako byla ta v Černobylu (1986) a ve Fukušimě I (2011).
Šíření jaderných zbraní: Technologie a materiály (zejména obohacený uran a plutonium) mohou být zneužity pro výrobu jaderných zbraní. Mezinárodní kontrolu provádí Mezinárodní agentura pro atomovou energii (MAAE).

💡 Pro laiky: Jak funguje jaderný "biliár"?

Představte si velký stůl plný pastiček na myši, přičemž na každé natažené pastičce leží dva pingpongové míčky. Celý tento systém je v klidu.

Nyní na stůl hodíte jeden pingpongový míček – to je náš první neutron. Míček dopadne na jednu z pastiček ('jádro uranu). Pastička sklapne (proběhne štěpení) a vymrští do vzduchu své dva vlastní míčky (uvolněné neutrony).

Tyto dva nové míčky letí dál a každý z nich dopadne na další pastičku. Každá z těchto dvou pastiček sklapne a vymrští další dva míčky. Najednou už vzduchem letí čtyři míčky. Ty dopadnou na další čtyři pastičky a za chvíli už jich letí osm, pak šestnáct, třicet dva...

Během zlomku sekundy se spustí ohromná lavina sklapnutých pastiček a létajících míčků po celém stole. Toto je řetězová reakce. V jaderné elektrárně si představte, že mezi pastičkami jsou houby, které část míčků zachytí, takže reakce běží stále stejnou, kontrolovanou rychlostí. V atomové bombě naopak žádné brzdy nejsou a všechny "pastičky" sklapnou téměř najednou.

🌐 Současný výzkum a budoucnost

Výzkum v oblasti jaderného štěpení se v současnosti (k roku 2025) zaměřuje především na zvýšení bezpečnosti, efektivity a snížení množství odpadu. Mezi klíčové směry patří:

Malé modulární reaktory (SMR): Menší, továrně vyráběné reaktory s pasivními bezpečnostními prvky, které by mohly být flexibilnějším a bezpečnějším zdrojem energie pro menší města nebo průmyslové komplexy.
Reaktory IV. generace: Koncepty budoucích reaktorů, které slibují vyšší účinnost, schopnost "spalovat" jaderný odpad (transmutace) a produkovat vodík. Mezi ně patří například plynem chlazené rychlé reaktory (GFR) nebo reaktory chlazené tekutými kovy.
Využití thoria: Thorium je hojnější prvek než uran a jeho využití v palivovém cyklu by mohlo produkovat méně dlouhožijícího jaderného odpadu.

Jaderné štěpení zůstává kontroverzním, ale zároveň významným zdrojem nízkoemisní energie, který hraje roli v debatách o boji proti klimatickým změnám.

갤러리

Pracovní stůl Otty Hahna v Deutsches Museum v Mnichově, kde bylo v roce 1938 objeveno štěpení.

Pracovní stůl Otty Hahna v Deutsches Museum v Mnichově, kde bylo v roce 1938 objeveno štěpení.
Nákres prvního jaderného reaktoru Chicago Pile-1, spuštěného Enricem Fermim v roce 1942.

Nákres prvního jaderného reaktoru Chicago Pile-1, spuštěného Enricem Fermim v roce 1942.
Zničený 4. blok Černobylské jaderné elektrárny po havárii v roce 1986.

Zničený 4. blok Černobylské jaderné elektrárny po havárii v roce 1986.
Schéma tlakovodního reaktoru (PWR), nejběžnějšího typu v jaderných elektrárnách.

Schéma tlakovodního reaktoru (PWR), nejběžnějšího typu v jaderných elektrárnách.

🔗 Zdroje