Jadrová energia je jedným z najsilnejších zdrojov energie na svete. Vo všeobecnosti sa používa vo veľkých jadrových elektrárňach na výrobu elektriny vo veľkom meradle. Málokto však pozná procesy, ktoré umožňujú premenu jadier atómov na praktickú energiu pre každodenný život. Vo všeobecnosti sa táto energia vyrába z dvoch rôznych procesov: Jadrová štiepenie y jadrová fúzia.
V tomto článku sa ponoríme do procesu Jadrová štiepenie, ktorá okrem iných kľúčových tém vysvetľuje, ako sa tento typ energie generuje, aký je jeho mechanizmus a ako sa líši od jadrovej fúzie.
Čo je jadrové štiepenie?
Jadrové štiepenie je typ jadrovej reakcie, pri ktorej sa jadro ťažkého atómu rozdelí na ľahšie jadrá, pričom sa pri tomto procese uvoľní veľké množstvo energie. Táto energia je v prípade jadrových elektrární následne transformovaná najmä na elektrickú energiu.
Pri tomto procese sa neutrón zrazí s jadrom nestabilného atómu, ako napr urán-235 alebo plutónium-239. Zachytením uvedeného neutrónu sa jadro sa stáva ešte nestabilnejším a štiepi sa, čím sa uvoľňujú ďalšie neutróny a energia vo forme tepla a žiarenia.
Tieto extra neutróny môžu zase spustiť viac štiepnych reakcií zrážkou s inými nestabilnými jadrami, čím sa udrží reťazová reakcia ktorá, ak nie je správne kontrolovaná, môže viesť k masívnemu uvoľneniu energie deštruktívnym spôsobom. Toto je základný princíp, ktorý umožňuje prevádzku jadrového reaktora.
Jediné štiepené jadro Dokáže generovať miliónkrát viac energie ako typická chemická reakcia, ako je spaľovanie uhlia alebo plynu. Tento pôsobivý energetický výkon je dôvodom, prečo je jadrová energia takou atraktívnou možnosťou výroby elektriny.
Reťazová reakcia
Keď dôjde k jadrovému štiepeniu, uvoľní sa niekoľko neutrónov (zvyčajne medzi dvoma a tromi). Tieto neutróny môžu pokračovať v interakcii s inými blízkymi štiepiteľnými jadrami, čo spôsobuje ďalšie štiepenie a následne uvoľňuje ešte viac neutrónov a energie. Toto sa nazýva reťazová reakcia.
Aby bola reťazová reakcia udržateľná, je potrebné, aby aspoň jeden z neutrónov uvoľnených počiatočným štiepením spôsobil nové štiepenie. Ak je táto podmienka splnená, reakcia môže pokračovať kontrolovaným spôsobom. Toto je princíp práce jadrové reaktory.
Jednou z veľkých výziev jadrových elektrární je schopnosť riadiť tento proces. Príliš veľa štiepení v rade môže spôsobiť náhle uvoľnenie energie, zatiaľ čo príliš málo štiepení znemožňuje generovať dostatok energie. Jadrové reaktory sú navrhnuté tak, aby udržiavali túto rovnováhu používaním moderátorov a ovládacích panelov V prípade potreby absorbujú neutróny.
Rozdiely medzi jadrovým štiepením a fúziou
Štiepenie aj fúzia uvoľňujú energiu obsiahnutú v jadre atómu, ale mechanizmus za každým je veľmi odlišný.
V Jadrová štiepenie, ťažké jadro sa delí v menších jadrách, ako už bolo spomenuté, zatiaľ čo v jadrová fúzia, postup je opačný: ľahké jadrá, zvyčajne vodík, splynú a vytvoria ťažší, pričom sa uvoľní obrovské množstvo energie.
Príklad štiepenia:
Keď neutrón narazí na atóm urán-235atóm sa rozdelí na dve ľahšie jadrá, bárium-144 a kryptón-89, pričom sa uvoľnia tri nové neutróny a veľké množstvo energie. Ide o vysoko kontrolovaný proces v jadrových elektrárňach.
Príklad fúzie:
Na Slnku sa jadrá vodíka neustále spájajú a vytvárajú jadrá hélia, pričom sa uvoľňuje obrovské množstvo energie vo forme svetla a tepla. Podmienky nevyhnutné pre fúznu reakciu na Zemi je však mimoriadne ťažké dosiahnuť kvôli potrebe teplôt miliónov stupňov a vysokého tlaku. Napriek desaťročiam výskumu, riadená jadrová fúzia ešte nebola dosiahnutá komerčne životaschopným spôsobom.
Kritické množstvo
La kritické množstvo Je to minimálne množstvo štiepneho materiálu potrebné na umožnenie trvalej reťazovej reakcie. Ak je použitá hmotnosť menšia ako kritická, neutróny uvoľnené pri každom štiepení sa stratia skôr, ako spôsobia nové štiepenia a reakcia sa zastaví.
Kritická hmotnosť závisí od rôznych faktorov ako napr čistota materiálu, jeho geometriu a či je obklopený materiálmi odrážajúcimi neutróny, ktoré znižujú straty.
Príkladom toho je, že jadrové reaktory sú zvyčajne konštruované v guľovom alebo valcovom tvare, aby sa počet neutrónov v systéme udržal čo najdlhšie a zabezpečilo sa, že štiepenie bude pokračovať udržateľne.
Spontánne jadrové štiepenie
spontánne jadrové štiepenie Ide o menej bežný, ale dôležitý jav, pri ktorom sa jadro delí bez zásahu dopadajúceho neutrónu. K tomu dochádza vo veľmi nestabilných izotopoch, ako je plutónium-239.
Hoci pravdepodobnosť, že k nej dôjde spontánne, je nízka, tento jav má dôsledky na nakladanie s jadrovými materiálmi a bezpečnosť reaktora.
Tento typ štiepenia môže viesť k emisii žiarenia a predstavuje potenciálne nebezpečenstvo, ak nie je správne riadený, pretože môže vyvolať nežiaduce reakcie, ak sa dosiahnu správne podmienky.
To je dôvod, prečo zabezpečenia v jadrových elektrárňach je kľúčom k predchádzaniu incidentom a katastrofám, ako sú tie, ku ktorým došlo v Černobyle alebo Fukušime.
Jadrové štiepenie je aj naďalej jednou z popredných technológií výroby energie vo svete, najmä vďaka svojej schopnosti generovať veľké množstvo elektriny s obmedzenou uhlíkovou stopou.