• v přírodě existují atomy, které mají nestabilní jádra, která se samovolně přeměňují
    • přeměnou takových jader vznikají jádra jiných prvků a uvolňuje se neviditelné záření
    • tento proces se nazývá radioaktivita
  • důležitým faktorem, který rozhoduje o nestabilitě jader je poměr $\frac{N}{Z}$
    • u prvků s $Z\leq 20$, jsou nejstabilnější jádra ta, u nichž $\frac{N}{Z}=1$
    • se zvyšujícím se protonovým číslem roste tolerance poměru $\frac{N}{Z}$ pro stabilnější jádra až do hodnoty $\frac{3}{2}$ (mezi těmito poměry se nachází “řeka stability")

Radioaktivní rozpady

Rozpad $\alpha$

  • je typický pro přeměny jader těžkých jader
  • rozpadem vzniklý nuklid je v periodické tabulce o dvě místa vlevo
  • obecná rovnice: $_{Z}^{A}X\rightarrow\ _{Z-2}^{A-4}Y+\ _{2}^{4}\alpha$
    • do rovnic se nezapisují náboje
    • např.: $_{88}^{226}Ra\rightarrow\ _{86}^{222}Rn+\ _{2}^{4}\alpha$

Rozpad $\beta^{-}$

  • je typický pro jádra, která vybočují z řeky stability svým počtem neutronů (např.: $^{3}H$)
  • při tomto rozpadu dochází k rozložení jednoho neutronu na proton a elektron
    • $n^{0}\rightarrow p^{+}+e^{-}$
  • rozpadem vzniklý nuklid je ve periodické soustavě o jedno místo vpravo
  • obecná rovnice:$_{Z}^{A}X\rightarrow\ _{Z+1}^{A}Y+e^{-}$
    • např.: $_{91}^{234}Pa\rightarrow\ _{92}^{234}U+e^{-}$

Rozpad $\beta^{+}$

  • vyskytuje se u laboratorně připravených nuklidů, které vybočují z řeky stability
  • v tomto případě dochází k rozpadu protonu na neutron a pozitron
    • $p^{+}\rightarrow n^{0}+e^{+}$
  • rozpadem vzniklý nuklid je v periodické soustavě o jedno místo vlevo
  • obecná rovnice $_{Z}^{A}X\rightarrow\ _{Z-1}^{A}+e^{+}$
    • např.: $_{15}^{30}P\rightarrow\ _{14}^{30}Si+e^{+}$

Elektronový záchyt

  • přebytek protonů lze řešit i tak, že proton zachtí některý elektron z elektronového obalu a přemění se na neutron
    • $e^{-}+p^{+}\rightarrow n^{0}$
  • podle vrstvy rozlišujeme záchyt K, L, M, N,…
  • vzniklý nuklid je v periodické soustavě o jedno místo vlevo
  • obecná rovnice: $_{Z}^{A}X\stackrel{e.z.}{\rightarrow}\ _{Z-1}^{A}Y$

Radiace

  • rozpad nestabilních jader bývá provázen uvolněním některých částic z prostoru jader
  • existují tři základní druhy záření: $\alpha,\beta,\gamma$

Záření $\alpha$

  • je tvořeno čísticemi $\alpha$, tedy kladně nabitým jádry helia $_{2}^{4}He^{2+}$
  • má velmí malý dosah a zachytí ho i papír

Záření $\beta$

  • záření $\beta$ můžeme rozdělit na záření $\beta^{-}$ a $\beta^{+}$
  • záření $\beta^{-}$
    • je proud záporně nabitých elektronů $e^{-}$
  • záření $\beta^{+}$
    • je proud kladně nabitých pozitronů $e^{+}$
  • je pronikavější než záření $\alpha$

Záření $\gamma$

  • je to elektromagnetické záření s velmi krátkou vlnovou délkou a vysokou energií
  • podobá se rentgenovému záření
  • je nejpronikavější

Poločas rozpadu $\tau_{\frac{1}{2}}$

  • je doba, za kterou se rozpadne polovina přítomných radioaktivnách jader
  • není závislí na původním množství a nejde ho ovlivnit
  • závisí výhradně na daném nuklidu*
  • po uplynutí $10\tau_{\frac{1}{2}}$ je množství přítomných radioaktivních nuklidů zanedbatelné
  • poločasy rozpadu jsou u každého nuklidu jiné
    • $\tau_{\frac{1}{2}}(_{84}^{212}Po)=3\cdot 10^{-7}$ sekund
    • $\tau_{\frac{1}{2}}(_{90}^{232}Th)=13.9\cdot 10^{9}$ let
  • rozlišujeme 4 základní rozpadové řady:
    • thoriová řada
      • začíná se izotopem $^{232}Th$ a končí izotopem $^{208}Pb$
    • neptuniový řada
      • začíná izotopem $^{237}Np$ a končí izotopem $^{205}Tl$
    • uranová řada
      • začíná izotopem $^{238}U$ a končí izotopem $^{206}Pb$
    • aktinová řada
      • začíná izotopem $^{235}U$ a končí izotopem $^{207}Pb$
  • poločas rozpadu se používá při určování stáří organismu (radiouhlíková metoda)
    • přírodní uhlík je tvořen třemi izotopy $^{12}C,^{13}C$ a $^{14}C$, který je radioaktivní ($\tau_{\frac{1}{2}}=5\ 730\ y$)
    • poměr těchto izotopů je konstantní
      • izotop $^{12}C$ je nejčastější
      • izotop $^{14}C$ se vyskytuje spíše ojediněle
      • z toho plyne, že všechny organismy mají tento poměr také konstantní
    • po smrti organismu se přísun uhlíku zastaví a poměr se tak mění
    • bylo zjištěno, že v $1g$ živé hmoty proběhne 16 rozpadů za minutu
      • jestliže tedy zjistíme, že v $1g$ probíhá už jen 8 rozpadů za minutu, víme, že je 5 730 let starý

Jaderná energetika

  • nuklidy mnohých aktinoidů mohou podléhat samovolnému štěpení
    • jádro při tom prochází řadou stádií deformace
    • při dosažení dostatečné deformace se jádro zaškrtí a elektrostytické děje ho rozštěpí dvě nová jádra
    • při tom se uvolní velké množství energie a dva až tři neutrony
  • při štěpení vznikají různé produkty
  • průmyslově se využívá takový rozpad izotopu $^{235}U$ nebo uměle vytvořeného $^{239}Pu$
  • štěpení se vyvolává jaderným projektilem - neutronem

Řetězová reakce

  • po iniciaci jedním neutronem začne kaskáda dalších reakcí
  • proton uvolněný štěpením jednoho jádra provede štěpení dvou až tří dalších, které udělají totéž
  • počet reakcí roste exponenciálně
  • uvolňuje se ohromné množství energie

Řízená štěpná reakce

  • v průběhu řetězové reakce se uvolní více neutronů než do ní vstoupilo
    • nuklid se spotřebuje během zlomku sekundy
    • využívá se toho v jaderných zbraních
  • pro průmyslové využití je potřeba, aby po každém štěpení byl použit jen jediný neutron na další štěpení
  • při splnění takové podmínky probíha v libovolný okamžik vždy stejný počet reakcí a počet volných neutronů je v podstatě konstantní
  • neutrony mají po štěpení různé energie
    • rychlé neturony
      • mají vysokou energii
    • pomalé neutrony
      • mají nízkou energii
    • v jaderných reaktorech se užívá pomalých neutronů

Jaderná elektrárna

Stavba klasického reaktoru

Reaktorová nádoba

  • je to vnější hranice reaktoru
  • nejčastěji má tvar válce pro výměnu paliva a další operace
  • je výrabně z ruzných ocelí s příměsemi
  • velikost je závislá na výkonu
  • obsahuje dva otvory na přívod a odvod chladivo

Aktivní zóna

  • je to prostor, ve kterém probíhá štěpná reakce
  • její velikost je vymezena objemem paliva

Palivové kazety

  • jsou to dlouhé úzké trubičky
  • v nich jsou hermeticky uzavřené paliové tablety
    • nejčastěji se jedná o kazety $UO_2$ nebo $PuO_2$, případně kovových prvků a nebo jejich směsi
      • plivo se často obohacuje a tím se zvyšuje zastoupení lehčích izotopů uranu, které jsou na štěpnou reakci vhodnější
        • je založené na difuzi plynného fluoridu uranového, který prochází skrz porézní membránu, která propouští molekuly s lehčím izotopem uranu $^{235}U$
          • je to velmi energeticky a technicky náročná metoda
          • nyní se pracuje i s centrifugami
            • těžší izotopy se koncentrují u stěn
            • lehčí izotopy vně centrifugy
            • obě frakce se potom odčerpávají
              • ta s vyšší koncentrací lehčího izotopu je potom nazýváná jako obohacený uran

Řídící orgány

Absorbátor
  • je to látka, která pohlcuje neutrony
  • jedná se o ocel s příměsí boru nebo kadmia
  • nejčastěji ve formě tyčí
    • řídící tyče
      • řídí průběh štěpné reakce a udržují ho v kontrole
      • ovlivňují výkon reaktoru
    • bezpečnostní tyče
      • obsahují mnohem větší koncentraci aborbátoru
      • v případě potřeby štěpnou reakci zastaví
Moderátor
  • je to látká, která snižuje rychlost neutronů
  • nejčastěji se používá těžká voda $D_2O$ a grafit
    • lehká voda $H_2O$ se dá použít jen v případě obohaceného paliva
Chladivo
  • odvádí generované teplo pryč z aktivní zóny a z reaktoru
  • v klasických reaktorech může jako chladivo sloužit zároveň i moderátor, primárně těžká a lehká voda, potom oxid uhličitý a helium
Další části
  • krom základních částí reaktor obsahuje také části, které slouží třeba k usměřování toku chladiva nebo jako opora paliva

Stavba rychlého reaktoru

  • rychlé reaktory fungují na stejném principu jako klasické reaktory
  • ke štěpné reakci ale používají rychlé neutrony
    • při štěpení pomalými neutrony může dojít u jader k absorbci netrony a vzniku těžších nestabilních izotopů, které se vlivem rozpadů stavají těžšími prvky
      • to platí hlavně u izotopu plutonia $^{239}Pu$
        • skoro 40% z paliva nepodléha v klasickém reaktoru štěpení
    • zároveň pomalé neutrony nefungují dobře s těžším izotopem uranu $^{238}U$
      • ten ale tvoří 99.3% z vytěženéhu uranu
      • obohacování paliva se tedy nemusí dělat v takové míře jako u klasických reaktorů
        • u klasických reaktorů se můsí obohacovat asi na 90% obsahu $^{235}U$
        • u rychlých reaktorů se musí obohacovat na přibližně 5% obsahu $^{235}U$
    • produkty štěpené rychlími neutrony mají kratší poločasy rozpadu
      • odpad je třeba skladovat přibližně 500 let
        • u klasických reaktorů to můžou být i tisíciletí
  • základní stavba je velmi podobná
  • aktivní zóna bývá o něco menší
  • neobsahují moderátor
  • jako chladivo se používají tekuté kovy
    • nejčastěji se používá sodík nebo slitiny $Pb-Bi$ a $NaK$
      • $NaK$ se momentálně ještě testuje
        • je skvělá pro svů velmi nízký bod tání
      • pracuje se i s návrhem použití čistého olova
    • aby nedošlo k zatuhnutí kovu, trubice, které ho dopravují z reaktoru pryč jsou vyhřívané
  • reaktor spotřebuje víc paliva
    • přidává se většinou v nadbytku
  • kontrolní tyče musí být mnohem efektivnější a jsou častěji používané

Další části elektrárny

Primární okruh

  • skládá se z reaktoru a parogenerátoru
    • chladivo se odvádí z reaktoru do nádoby s vodou
    • voda se vlivem tepla začně vařit a potuje dál
    • chladivo se tak ochladí a vrací se zpět do reaktoru
  • nachází se v hermeticky uzavřené betonové budově
    • kontejnment
    • musí být odolný vůči zemětřesení a jiným přírodním událostem

Sekundární okruh

  • tvoří ho druhá část parogenerátoru, turbína, generátor a kondenzátor
  • pára vytvořená v primárním okruhu roztáčí turbínu
  • kinetická energie turbíny je v generátoru (aleternátoru) kovertována na elektrickou energii
  • pára potom putuje do kondenzátoru, kde se zkapalňuje a putuje zpět do primárního okruhu

Terciární okruh

  • chladná voda putuje do kondenzátoru sekundárního okruhu, kde vodu zkapalňuje a tím sama sebe ohřívá
  • ohřátá voda putuje do chladící věže, kde je chlazena proudem vzduchu
  • ochlazená voda putuje zpět do kondenzátoru
  • případná pára stoupá z věže pryč