Jadrové štiepenie: definícia, princíp, história a využitie

Komplexný prehľad jadrového štiepenia: definícia, princíp, historický objav, reťazová reakcia a praktické využitie v reaktoroch aj zbraniach. Zrozumiteľne a výstižne.

Jadrové štiepenie je druh jadrovej reakcie. Pri nej sa atóm rozdelí na menšie atómy. Pri niektorých štiepnych reakciách sa uvoľňuje veľké množstvo energie a používajú sa v jadrových zbraniach a jadrových reaktoroch. Jadrové štiepenie objavil v decembri 1938 nemecký jadrový chemik Otto Hahn a jeho asistent Fritz Strassmann v Berlíne.

Atóm je najmenšia častica, ktorá tvorí chemický prvok (napr. vodík, kyslík, horčík). Všetky atómy sú veľmi malé. Atómy sa skladajú z troch zložiek alebo častíc: Protóny, neutróny a elektróny. Protóny a neutróny sú zhromaždené v guľôčke nazývanej jadro, ktorá sa nachádza v strede každého atómu. Elektróny obiehajú okolo jadra v "elektrónovom oblaku". Prvky, ktoré majú veľké jadrá, ako napríklad urán a plutónium, sa môžu štiepiť.

Princíp štiepenia

Ak (relatívne) veľmi veľké atómové jadro zasiahne pomaly sa pohybujúci neutrón, niekedy sa stane nestabilným a rozpadne sa na dve jadrá. Keď sa jadro rozpadne (alebo štiepi), uvoľní energiu, väčšinou vo forme gama žiarenia a tepla. Takisto sa z jadra uvoľní niekoľko neutrónov.

Pri štiepení vznikajú štiepne produkty — nové, menšie atómové jadrá, ktoré sú často rádioaktívne. Okrem gamma žiarenia a neutrónov sa uvoľňuje aj kinetická energia štiepnych fragmentov, čo sa pri hromadnom štiepení prejavuje ako intenzívne zahriatie materiálu (teplo).

Reťazová reakcia a kritická hmota

Pri niekoľkých izotopoch (atóm s rovnakým počtom protónov, ale rôznym počtom neutrónov) sa pri takomto štiepení môže uvoľniť veľa neutrónov. Ak tieto neutróny dopadnú na iné atómy, spôsobia ich štiepenie. To sa môže opakovať. Nazýva sa to jadrová reťazová reakcia a môže sa pri nej veľmi rýchlo uvoľniť obrovské množstvo energie. Množstvo energie uvoľnenej pri reťazovej jadrovej reakcii sa meria v kilotónoch. Jedna kilotona je rovnaká ako energia tisíc ton TNT (trinitrotoluénu).

Preto, aby reťazová reakcia prebiehala udržateľne alebo naopak veľmi rýchlo, zohrávajú dôležitú úlohu ďalšie faktory:

• Kritická hmota – minimálne množstvo štiepiteľného materiálu potrebné na udržanie reťazovej reakcie.
• Moderátor – látka (napr. voda, ťažká voda, grafit), ktorá spomaľuje (moderuje) neutróny, čím zvyšuje pravdepodobnosť ich zachytenia štiepiteľným jadrom.
• Kontrolné tyče – obsahujú materiály pohlcujúce neutróny (napr. bórium, kadmium) a slúžia na reguláciu rýchlosti reakcie v reaktore.

Rozdiel medzi bombou a reaktorom

V jadrovej bombe sa to musí udiať veľmi rýchlo, aby došlo k veľmi veľkému výbuchu. U časti materiálu sa navodí nadkritický stav, kedy počet neutrónoch produkuje exponenciálny nárast štiepení v zlomku sekundy. V jadrovom reaktore sa to musí diať pomaly, aby sa vytvorilo teplo riadeným a bezpečným spôsobom. Teplo sa používa na varenie vody na paru, ktorá otáča parnú turbínu na výrobu elektriny.

Historické súvislosti

Objav štiepenia Otto Hahnom a Fritzom Strassmannom v roku 1938 bol kľúčový. Fyzikálno-chemické vysvetlenie procesu potom podali Lise Meitner a Otto Robert Frisch, ktorí opísali mechanizmus energetického uvoľnenia a termín "štiepenie" (fission). Objav viedol rýchlo k vývoju prvých reaktorov a následne k zbraniam počas druhej svetovej vojny.

Praktické využitie

Najdôležitejšie použitia jadrového štiepenia sú:

• Výroba elektriny v jadrových elektrárňach — stabilný zdroj veľkých množstiev energie bez priamej emisie oxidu uhličitého pri prevádzke.
• Pohon lodí a ponoriek — jadrové reaktory poskytujú dlhodobú autonómiu bez dopĺňania paliva.
• V medicíne a priemysle — výroba rádioizotopov pre diagnostiku, terapiu a priemyselné merania.
• Vojenské aplikácie — konštrukcia jadrových zbraní, kde sa štiepenie využíva pre explozívne uvoľnenie energie.

Bezpečnosť, riziká a odpad

Jadrové štiepenie produkuje rádioaktívny odpad, ktorý treba bezpečne skladovať a izolovať na dlhé obdobie, pretože niektoré produkty majú veľmi dlhé polčasy rozpadu. Medzi hlavné riziká patrí únik rádioaktívnych látok pri nehode alebo poruche (príklady: Černobyľ, Fukušima), riziko topenia paliva (meltdown) a potreba trvalého zabezpečenia skladoviska vyhoreného paliva.

Prevádzka moderných reaktorov zahŕňa viacúrovňové bezpečnostné systémy: fyzické bariéry, núdzové chladenie, automatické systémy vypnutia a prísne prevádzkové postupy. Okrem toho prebieha výskum v oblasti znižovania množstva a toxicity vyprodukovaného odpadu (napr. rýchle množiace reaktory, recyklácia paliva).

Ďalšie poznámky

• Štiepené izotopy – najpoužívanejšími štiepiteľnými izotopmi sú 235U (urán-235) a 239Pu (plutónium-239).
• Energetický výnos – jedna reakcia štiepenia uvoľní milióny-krát viac energie na jednu atómovú väzbu než bežné chemické reakcie.
• Rozdiel od fúzie – fúzia spája ľahké jadrá (napr. izotopy vodíka) a uvoľňuje energiu; fúzia je proces, ktorý prebieha v hviezdach a potenciálne by mohol byť v budúcnosti zdrojom energeticky bohatého a čistejšieho zdroja energie, ale jej usporiadanie je technicky náročné.

Jadrové štiepenie je teda fyzikálny proces s obrovským energetickým potenciálom. Jeho využitie prináša výhody (veľké množstvo energie bez priameho spaľovania fosílnych palív) aj výzvy (bezpečnosť, dlhodobé zaobchádzanie s rádioaktívnym odpadom a riziko zneužitia). Preto technológia zostáva predmetom prísnej regulácie, vedeckého výskumu a verejnej diskusie.

Otázky a odpovede

Otázka: Čo je jadrové štiepenie?

Otázka: Kto objavil jadrové štiepenie?

Otázka: Z čoho sa skladajú atómy?

Otázka: Ktoré prvky sa dajú štiepiť?

Otázka: Ako prebieha reťazová reakcia pri štiepení jadier?

Otázka: Ako sa využíva teplo vznikajúce pri štiepení jadra?

Hľadajte podľa písmena