Radioaktivita

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
  - užití rychlích neutronů zatím není tak běžné
    - reakce se nedá dobře udržet
  - pracuje se na konceptu reaktoru s rychlími neutrony

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