MASARYKOVA UNIVERZITA

FAKULTA PEDAGOGICKÁ

ŠTĚPENÍ ATOMOVÝCH JADER

ŠTĚPENÍ ATOMOVÝCH JADER

Transmutace prvků neutrony

Neutrony se osvědčily jako velmi účinné střely k účelům transmutačním. Je známa řada transmutací, které mohou neutrony způsobit při některých jaderných reakcích. Tyto neutrony mají obvykle značnou energii (několika MeV), a proto je nazýváme rychlými. V některých případech jsou jádrem prostě pohlceny bez uvolnění nějaké částice, takže vznikne izotop ostřelovaného prvku, nejčastěji radioaktivní. Například reakcemi

vznikne radioaktivní bróm (2 izonéry o poločasech rozpadu 4,4 hod a 18 min ) a stříbro (2,3 min). Jak zjistil Fermi v roce 1933, lze ostřelováním neutrony přeměnit téměř všechny prvky na jejich radioizotopy.

Kromě pohlcení neutronu bez emise částic, které je pravidlem, je někdy vniknutí neutronu do jádra provázeno uvolněním částice a nebo protonu:

Poslední reakce je důležitá tím, že dává vznik radiouhlíku , který vysílá záření a se značným poločasem (řádu 10⁴ let), a proto je výborným indikátorem

v biologii i v botanice.

Tato reakce může proběhnout také podle schématu

Schéma ukazuje, že se místo jednoho pohlceného neutronu uvolní dva neutrony, které by mohly vyvolat stejné reakce a dát vznik čtyřem neutronům atd. Takto přicházíme

k teoretické možnosti tzv. řetězové (lavinové) reakce.

Štěpení jader

Některé těžké radioaktivní nuklidy jeví zvláštní vlastnost, že jejich jádra pohlcují pomalé neutrony a přitom se rozpadají na dvě skoro stejně těžké části a na 2 - 3 rychlé neutrony. Takovou reakci, která byla poprvé pozorována u uranu nazýváme štěpením jádra. Objev tohoto dříve neznámého způsobu transmutace byl výsledkem velkého počtu prací, na kterých se v letech 1934 - 1939 podílela celá řada badatelů (Fermi, Maitnerová, Strassmann, Hahn, Joliot, Dunning, Savitch, Frisch ...). Dnes víme, že lze pomocí neutronů rozštěpit tři nuklidy: izotopy uranu a transuran plutonium. Štěpení izotopu může probíhat různým způsobem, který se dá obecně vyjádřit reakcí

dva těžké fragmenty + neutrony + 200 MeV,

přitom těžké produkty rozpadu jsou jádra prvků mezi selenem a lanthanem. Větší část uvolněné energie připadá na kinetickou energii obou těžkých jader. Uvádějí se dvě hlavní reakce:

(2 až 3) , (A₁ + A₂ = 233 až 234),

(2 až 3) , (A₁ + A₂ = 233 až 234).

Při první reakci vznikají izotopy barya a kryptonu, při druhé izotopy stroncia a xenonu, jejihž zaokrouhlené relativní atomové hmotnosti mají součet 233 až 234. K tomu je nutné dodat, že přírodní uran je směsí tří izotopů s nukleonovými čísly 234, 235, 239, z nichž nejčastější jsou hlavní izotop 238 (99,274%) a izotop 235 (0,720%), zbytek tvoří izotop 234 (0,006%). Hlavní izotop reaguje s neutrony podle schématu

.

Vzniká totiž radioaktivní izotop uranu 239, který se mění v neptunium Np, které

s poločasem 23 minut přechází v plutonium:

Plutonium 239 vysílá záření a a mění se s poločasem asi 24 000 let v izotop uranu 235:

Plutonium 239 má stejnou důležitou vlastnost jako uran 235, a to, že se štěpí působením neutronů za uvolňování značné energie. Kromě toho lze z něho a

z některých izotopů uranu získat další dva transurany americium a curium.

Štěpná řetězová reakce

Atomová jádra mají velmi malý průměr vzhledem k velikosti atomu (asi 10⁴ krát menší).

Máme-li tedy posoudit možnost skutečného získávání jaderné energie, musíme kromě množství energie uvolněné při přeměně jednoho jádra mít na zřeteli, kolika skutečných přeměn opravdu dosáhneme daným množstvím střel. Proto zavádíme účinnost nebo též výtěžek příslušné reakce, což je poměr počtu skutečných přeměn k počtu použitých střel. Posuzujeme ji podle účinného průřezu ostřelovaných jader. Účinný průřez je větší než jeho „geometrický“ průřez p, pokud je střela jádrem přitahována. Odpuzuje-li jádro střelu, která s ním má reagovat, je jeho účinný průřez pro příslušnou reakci menší než průřez geometrický. Z těchto důvodů byla za jednotku (barn) účinného průřezu zvolena ploška, jejíž velikost je přibližně rovna geometrickému průřezu středně těžkého jádra.

Interakce neutronů s jádrem přírodního uranu (i jiných těžkých prvků) může mít různou povaho podle děje, který při přiblížení neutronu k jádru proběhne, a pro každý z těchto dějů má jádro jiný účinný průřez s.

a) štěpení (účinný průřez s_f)

b) zachycení s vysíláním nabité částice nebo fotonu (s_r)

c) pružný rozptyl (s_e)

d) nepružný rozptyl (s_i)

Rozptylem částice na jiné částice rozumíme takové vzájemné silové působení, při němž si obě částice zachovávají svou povahu, nemění se v jinou částici. Zůstává-li přitom celková kinetická energie nezměněna (změní se jen směr pohybu částic jako při pružném rázu dvou koulí), nazýváme rozptyl pružným. Změní-li se však energie

v excitační energii jádra nazýváme rozptyl nepružným, protože se jeho celková energie zmenší (jako při rázu nedokonale pružných koulí. Pro rychlé neutrony s energií větší než 1,1 MeV má přírodní uran účinné průřezy viz tabulka (1)

Tabulka (1)

Účinné průřezy přírodního uranu pro rychlé neutrony

Výsledný průřez Ss rovný součtu všech čtyř průřezů má hodnotu menší než dvojnásobek geometrického průřezu 2,5 bn uranového jádra. Uvážíme-li však, že pružný rozptyl nevyžaduje těsnější styk neutronu s jádrem (směr pohybu neutronu se změní působením silového pole v okolí jádra), vidíme, že pro přímou interakci má účinný průřez hodnotu

s = s_f + s_r + s_i = 3,07 bn,

prakticky rovnu geometrickému průřezu jádra.

Účinné průřezy uranových jader pro termické neutrony s energií kolem 0,025 eV = 4.10^-21 J (rovnu přibližně energii molekuly jednoatomového plynu při teplotě 300 K) jsou sestaveny v tabulce (2), mají pro přírodní uran několikanásobně větší hodnoty než pro neutrony pomalé.

Tabulka (2)

Účinné průřezy uranových jader pro termické neutrony

Nuklid U 235 má zvláště veliký účinný průřez 590 bn pro štěpení termickými neutrony, kdežto U 238 má s_f = 0 v souhlase s tím, že se pomalými neutrony s energií < 1,1 MeV vůbec neštěpí. Tyto vlastnosti obou hlavních izotopů uranu určily dosavadní vývoj jaderné techniky. Brzy po objevu štěpení uranu zjistil Fermi, že ostřelování neutrony bylo až desetkrát účinnější, byl-li zdroj neutronů obklopen vodou, parafínem nebo jinou látkou bohatou na vodík. Neutrony se totiž opakovanými srážkami s protony, které jsou stejně lehké jako neutrony, zpomalí až na rychlost přibližně 2 000 ms^-1 a stanou se z nich termické neutrony, které jsou snadněji vychylovány ze svých drah přitažlivými silami jader než neutrony rychlé, které proletí kolem jádra aniž by s ním reagovali.

Tohoto poznatku použil Fermi ke konstrukci prvního zařízení k uvolňování jaderné energie, v němž se mu podařilo uskutečnit řetězovou reakci, bez níž není využití jaderné energie myslitelné. Kdybychom totiž každou střelu, kterou bychom se pokoušeli vyvolat exotermickou jadernou reakci, museli připravit v nějakém zařízení, spotřebovali bychom vzhledem k malé účinnosti takových jaderných zařízení nepoměrně více energie, než bychom štěpením získali. Proto byly před objevem štěpení uranu názory fyziků na možnost prakticky užitečného uvolňování jaderné energie velmi skeptické. Avšak při rozštěpení každého jádra vzniknou náhradou za každý neutron pohlcený jádrem další dva až tři neutrony, které mohou rovněž způsobit štěpení a uvolnit další neutrony. Kdyby skutečně každý z nově vzniklých neutronů vyvolal štěpení, rostl by počet neutronů exponenciálně. Energie by se uvolňovala se stále rostoucí intenzitou. Ve štěpitelné látce by proběhla lavinová reakce, která má explozívní charakter. Taková reakce byla uskutečněna v atomové bombě, není však vhodná pro nedestruktivní využití jaderné energie.

Neutrony vzniklé štěpením se mohou ve směsi izotopů U 238 a U 235 uplatnit čtyřmi způsoby:

1 - uniknou z látky schopné reakce

2 - jsou pohlceny přimíšenými látkami

3 - jsou pohlceny jádry U 238 nebo U 235 bez štěpení

4 - vyvolají štěpení U 235

Počet případů 2 se dá zmenšit jen užitím co nejčistšího uranu, naproti tomu poměrný počet ztracených neutronů závisí na tvaru, a hlavně na rozměrech látky v níž probíhá reakce. Počet uniklých neutronů roste totiž úměrně s povrchem látky, kdežto počet pohlcených neutronů (jejichž další osud je dán případy 2, 3, 4) roste úměrně

s objemem, tedy s hmotností uranu. Z toho můžeme vidět, že je především vhodné uspořádat látku do tvaru koule nebo aspoň do tvaru krychle, a mimo to, že s rostoucí velikostí této koule nebo krychle se poměr počtu uniklých k počtu pohlcených neutronů bude zmenšovat, protože objem roste se třetí mocninou lineárních rozměrů, kdežto povrch jen se čtvercem. Lze tedy očekávat, že existuje jakési kritické množství uranu, které má tu vlastnost, že se v menším množství reakce sama neudrží a ve větším množství probíhá lavinovitě - explozívně.

Při řešení problému řetězové reakce má velký význam skutečnost zřejmá z tab. (1) a (2) a to, že účinný průřez přírodního uranu je pro termické neutrony třináctkrát větší než pro rychlé, při čemž však neutrony uvolněné štěpením mají energii řádu kolem 2 MeV, a jsou tedy rychlé. Kdybychom tyto rychlé neutrony zpomalili, zvýšili bychom pravděpodobnost případů 4 a snížili počet unikajících neutronů. Látky, které mají tu vlastnost, že účinně zpomalují rychlé neutrony a že je zároveň znatelně nepohlcují, nazýváme moderátory. Na moderátory jsou velmi vhodné lehké prvky, jestliže ovšem ne příliš absorbují neutrony. Nejvhodnější moderátory jsou těžká voda, lehká voda a uhlík. Musí ovšem být velmi čisté a nesmí obsahovat ani stopy prvků značně absorbujících neutrony, jako jsou např. bór a kadmium.

Zpomalením neutronů v moderátoru se mnohonásobně zvýší s_f uranu 235, zatímco s_f uranu 238 klesne na nulovou hodnotu. Tento pokles však nemá praktický význam, protože i bez užití moderátoru se v přírodním uranu (vzhledem k jeho poměrně velkému průřezu s_i pro nepružný rozptyl) nově vznikající rychlé neutrony zpomalí na energii menší než 1,1 MeV, při které již nemohou štěpit U 238. Tato jádra se působením pomalých neutronů mění podle obr. (1) v neptunium a plutonium.

Schéma řetězové reakce, probíhající ve směsi U 235 a U 238 za působení moderátoru nám ukazuje obr. (1). Případ, kdy neutron reaguje s izotopem U 238, je označen šipkou a značkou Pu. Zařízení v nichž se udržuje řetězová reakce a v nichž se uvolňuje jaderná energie nazýváme jaderné reaktory.

Ačkoli Joliot již v roce 1939 předložil návrh patentu uranového reaktoru, který měl mít modrátorem těžkou vodu, byl první „atomový milíř“ jak se tehdy jaderné reaktory běřně nazývaly, uveden v činnost teprve 2. prosince 1942. Tento den se někdy označuje jako počátek „atomového věku“.

Použitá literatura:

Fyzika, Z. Horák, F. Krupka, SNTL 1966

Atómová fyzika, J. Vanovič, SNTL 1980

Prehľad stredoškolskej fyziky, J. Zámečník, SNTL 1984 46313hgl47nev6k

Atom, I. Asimov, JOTA 1997