Tento článok bol zverejnený v jeho obľúbenom aperiodiku Myšlienky a fakty, v jeho 13. ročníku MaF 2007, str. 20 – 27, ISBN 978-80-969282-7-9. Opäť sa jedná o pomerne rozsiahly článok a preto som ho rozčlenil na dve časti, s obrazovou prílohou v ich závere. Táto, svojím spôsobom, predstavuje aj spomienku na plk. Pavla Šebestu – „výtvarného redaktora“ MaF – ako som o tom pri podobnej príležitosti už písal. [1]
Prvú časť článku možno nájsť v [2].
J A D R O V Á F Y Z I K A
už v druhom storočí (dokončenie)
Ľudia si uvedomili nebezpečnú moc jadrového výbuchu a tak strany, bojujúce v 2. svetovej vojne, začali podľa svojich schopností vyvíjať jadrovú bombu. Čo je druh munície, ktorej kovový obal obsahuje jadrovú nálož. Obr.6. Túto tvoria oddelené podkritické množstvá štiepneho materiálu, uránu alebo tória, ktoré sa zmiešajú výbuchom klasickej trhaviny, iniciovanej nárazom, alebo časovým spínačom. Zmiešaním oboch podkritických množstiev, vznikne nadkritické množstvo štiepneho materiálu a v jeho atómoch dôjde k reťazovej reakcii štiepenia (Obr.3) alebo k reakcii fúzie pri vodíkovej bombe (Obr.4).
V krátkom čase niekoľkých mikrosekúnd sa uvoľní veľké množstvo jadrovej energie, nastane jadrový výbuch. Táto energia sa prejaví ako svetlo, prenikavé žiarenie gama, tepelná energia nahriatím a roztavením látky obalu a okolia a šíri sa, ako jadrové žiarenie, vyvolávajúc interakciami s atómami okolitej látky jej indukovanú rádioaktivitu. Táto rádioaktívna látka sa usadí a okolie explózie na dlhú dobu, aj niekoľkých rokov, zamorí ako rádioaktívny spad. Prudkým tepelným rozopnutím okolia vznikne silná nárazová vlna, ktorá sa spočiatku šíri nadzvukovou rýchlosťou a po niekoľkých milisekundách sa prejaví ako tlaková vlna, ničiac všetko na zemskom povrchu. Elektricky nabité jadrové častice a ióny prostredia sa po jadrovej explózii šíria do okolia, čím vznikajú elektrické prúdy a následne magnetické polia. Vytvorí sa známy elektromagnetický impulz, ktorý v dosahu stoviek km vyradí elektronické zariadenia, indukujúc na anténach a kovových obaloch prepätia desiatok kV/m a prúdové nárazy v trvaní ns v hodnote stoviek A/m. Skúšky prvých jadrových zbraní, využívajúcich princíp štiepenia jadier, ktorých vývoj v USA vyprovokoval Leo Szilard, začali v USA počas ich vývoja v rokoch končiacej druhej svetovej vojny pod vedením Jacoba Oppenheimera. V Hitlerovom Nemecku sa stal v roku 1939 centrom jadrového výskumu Ústav cisára Wilhelma v Berlíne pod vedením Wernera Heisenberga. Vojnová situácia a osobné postoje zúčastnených znemožnili nemeckému tzv. U-projektu pristúpiť ku konštrukcii a testovaniu atómovej bomby. Americké pokusy v rámci projektu Manhattan sa uskutočnili na povrchu Zeme v roku 1945 v Alamogordo 16.7.1945 (Obr.5) a v Hirošime a Nagasaki 6. a 9. augusta 1945.
Tým sa možnosť použitia A-bomby stala celému svetu jasná a pre odborníkov prestalo existovať „atómové tajomstvo“, ktoré spočívalo predovšetkým v odpovedi na otázku koľko neutrónov sa uvoľní pri rozštiepení jedného atómu štiepneho materiálu, čo nebolo možné odvodiť z teórie a muselo sa určiť len experimentálne. Vojenská hegemónia Spojených štátov sa dala udržovať len neustálym zvyšovaním ničivých schopností A-bomby. Preto ešte počas vývoja štiepnej bomby upozornil maďarský emigrant Edvard Teller na možnosť využiť na konštrukciu jadrovej bomby, jadrovú reakciu fúzie ľahkých prvkov a pod jeho vedením sa podarilo vyvinúť a svetu demonštrovať tzv. vodíkovú bombu 1.11.1952.
Až v roku 1943, po priaznivých tajných informáciách z USA, vzniklo v Moskve pod vedením Igora Vasilieviča Kurčatova pracovisko nazvané Laboratórium 2. Jeho iniciátorom na báze agentúrnych správ bol šéf NKVD Lavrentij Pavlovič Berija, ktorý považoval tajné informácie za podvrh spravodajských služieb a nechcel pripustiť veľký odlev hospodárskych prostriedkov bojujúcej krajiny do neistých projektov. Do vývoja jadrových zbraní sa s celou váhou Berija vrhol až 20. augusta 1945. Práce na bombe prevzal Igor Vasilievič Kurčatov, ktorému sa podarilo 29. augusta 1949 na strelnici v Semipalatinsku odskúšať prvú sovietsku jadrovú bombu, ktorú Američania označili kódom JOE-1, podľa mena Jozefa Stalina.
Dňa 12.8.1953, rok po vodíkovej bombe Spojených štátov, odskúšali svoju termojadrovú bombu Sovieti.
V roku 1954 ako odpoveď v zbrojných pretekoch navrhol John von Neumann bombu FFF (fission – fussion – fission) štiepenie – fúzia – štiepenie. V epicentre týchto bômb prebehne reakcia termojadrovej fúzie a uvoľní sa množstvo vysokoenergetických neutrónov, ktoré vyvolajú štiepenie uránu (238,92 U) v obale a jeho transmutáciu na plutónium (239,94 Pu). Tým vznikne veľké množstvo rádioaktívnych splodín a neutrónov. Zasiahne sa tým veľká plocha a tak sa eliminuje pomerne malá presnosť dopadu jadrových balistických nosičov.
V sedemdesiatych rokoch sa odskúšala tzv. čistá bomba, známa aj pod názvom neutrónová bomba, ktorá nezamoruje krajinu rádioaktívnymi splodinami, ale ich v zasiahnutých látkach indukuje. Takéto experimenty, neraz len s cieľom zastrašovania, vnášali do atmosféry stále viac rádioaktívnych izotopov, ktoré tam vznikali aj indukciou, ako napríklad izotop uhlíka C14, ktorý rýchlo oxidoval na rádioaktívny oxid uhličitý. Medzinárodnou dohodou sa v roku 1963 prerušili všetky jadrové výbuchy v atmosfére a robia sa len obmedzene, tajne a pod povrchom Zeme. Úroveň rádioaktívneho znečistenia znečistenia troposféry vyvolané jadrovými skúškami dosiahla, ako sme namerali aj u nás na Slovensku, predvojnovú úroveň až koncom druhého tisícročia.
Na získanie pre jadrový výbuch potrebného štiepneho materiálu, sa Enrico Fermi na sklonku 2. svetovej vojny podujal skonštruovať jadrový reaktor, zariadenie v ktorom prebieha reťazová štiepna reakcia pri uvoľňovaní 2,5 neutrónov na rozštiepenie jedného atómu štiepneho materiálu, ktorým bol prírodný urán (235,92 U) a moderátorom grafit. Ukázalo sa, že reaktor bol schopný plodiť plutónium (239,94 Pu), potrebné pre bombu, pričom sa počas rozštiepenia jedného jadra uránu uvoľní asi 200 MeV energie, čo zodpovedá 3,2.10(na mínus jedenástu) J. Jadrové reaktory sa odvtedy využívajú aj na produkciu tepla, premieňaného na elektrickú energiu v jadrových elektrárňach. Jadrové reaktory využívajú ako zdroje neutrónov s maximom energie z intervalu 0,6 až 0,8 MeV pri strednej hodnote energie neutrónov 2,0 MeV. Po spomalení v neutrónových kanáloch grafitom, parafi, alebo ťažkou vodou sa vyvádzajú na povrch reaktora ako tepelné neutróny a aktivujú sa nimi materiály napr. pre rádiofarmaká - izotopy uhlík a(C11), dusíka (N13), kyslíka (O15), flóru (F18), fosforu (P32), stroncia (Sr89), jódu (I131) – alebo pre účely neutrónovej aktivačnej analýzy.
Jadrové reaktory
Vo verejnosti známejším využitím jadrových reaktorov je ich úloha ako zdrojov tepelnej energie, ktorá sa mení pomocou asi na 300°C vyhriatej vodnej pary v parných generátoroch na elektrickú energiu v tzv. jadrových elektráňach, alebo zastaralo nazývaných atómových elektrárňach, ktorých elektrický výkon u nás v Jaslovských Bohuniciach a Mochovciach je na jeden reaktor 440 MW. Princíp reaktora je jednoduchý, avšak konštrukcie sú veľmi zložité. Závisia od typu použitého paliva, chladiva a moderátora neutrónov, od očakávaného prevádzkového tlaku a teploty pary. Aby jadrový reaktor úspešne fungoval, treba ho vybaviť jadrovým palivom, spomaľovačom neutrónov – moderátorom, absorbátorom, ktorý reguluje počet neutrónov a chladivom, odvádzajúcim teplo, uvoľnené v aktívnej zóne pri štiepení jadier paliva. Podľa konfigurácie uvedených zložiek sa reaktory delia na mnoho rôznych typov. Palivo je z neveľkých valčekov, poskladaných na seba tvaru palivových prútov s priemerom asi 9 mm. Ich zväzok v počte okolo 300 tvorí palivovú kazetu.Kazety vytvárajú aktívnu zónu reaktora. Palivové prúty sú v špeciálnom povlaku, obvykle zo zliatiny zirkónia, ktorý umožní dobré odovzdanie tepla z paliva chladivu a súčasne neprepustí rádioaktívne štiepne produkty. Niektoré typy reaktorov majú palivo v tvare gulí, ktoré sa voľne ukladajú v aktívnej zóne. V reaktoroch využívajúcich na štiepenie pomalé neutróny, majú za moderátor vodu alebo grafit či ťažkú vodu. Reaktory, ktoré pracujú pomocou rýchlych neutrónov, kde je štiepny materiál urán (U 238) alebo plutónium, sa moderátor nevyužíva. Absorbátor sa do aktívnej zóny vkladá v tvare tyčí podobne ako palivo. Tepelný výkon reaktora, daný počtom štiepenie vyvolávajúcich neutrónov, sa riadi zasúvaním, alebo vyťahovaním absorpčných tyčí v aktívnej zóne. Havarijne absorpčné tyče sú vytiahnuté nad aktívnou zónou. V prípade potreby havarijný signál nechá tyče spadnúť voľným pádom do aktívnej zóny a tým sa reťazová štiepna reakcia preruší. Pri niektorých konštrukciách sa havarijné tyče do aktívnej zóny vstreľujú, takže ich zásah je rýchlejší. Chladivo neustále odvádza teplo z miest štiepnej reakcie, aby sa neroztavil povlak palivových prútov a nedošlo k úniku štiepnych produktov. V úlohe chladiva sa osvedčuje voda, ťažká voda, oxid uhličitý, hélium, sodík a niektoré soli a zliatiny. Reaktory mávajú aj viac chladiacich okruhov. Vo väčšine krajín, ktoré využívajú energiu jadra, sa používajú dvojokruhové systémy. Voda ochladzujúca reaktor koluje v primárnom okruhu, ktorý prechádza parogenerátorom, v ktorom sa ohrieva voda sekundárneho okruhu. Až v ňom vzniká para, ktorá sa vedie cez turbínu do kondenzátorov, v ktorých sa časť pary zrazí na vodu. Kondenzátory vidieť ako mohutné komíny, z ktorých uniká nekondenzovaná vodná para. Táto neprichádza do styku s reaktorom a tak neobsahuje štiepne izotopy. Reaktor je v podstate veľká nádoba alebo sústava nádob. Ich steny musia odolávať veľkým tlakom , teplotám a intenzívnemu toku neutrónov rôznej energie. Výroba reaktorových nádob je náročná a použité materiály musia byť špeciálne čisté a odolné. Základné konštrukcie sú: reaktor s tlakovou nádobou, ktorý má približne rovnaký objem paliva a moderátora. Reaktorová nádoba sa vyrába zo špeciálnej nerezovej ocele s priemerom okolo 7 m a výškou až 25 m. Jej hmotnosť je niekoľko sto ton. Reaktor s tlakovými trubicami. Výhodný je v prípadoch, v ktorých je objem moderátora omnoho väčší ako objem paliva, ktoré je rozložené v trubiciach, obklopených moderátorom. Celý systém je umiestnený v betónovej budove. Pri konštrukcii jadrového reaktora, použitej v roku 1942 Fermim v Chicagu, s grafitovým moderátorom, by pre reaktory vyšších výkonov museli byť reaktorové nádoby neúnosne veľké. Nedali by sa vyrobiť a previezť na miesto stavby elektrárne. Preto sa reaktorové nádoby budujú zo železobetónu priamo na stavenisku. Ich rozmery dosahujú desiatky metrov. Sú veľmi pevné a odolné, teda bezpečné. Vo svete dnes pracuje takmer 450 jadrových reaktorov rôznych typov. Najznámejšie sú reaktory: Tlakovodný reaktor PWR (Presurized light-Water moderated and Reaktor); VVER (Vodo-V odjanoj Energetičeskij Reaktor); BWR (Boiling Water Reaktor); Kanadský ťažkovodný reaktor (CANDU); Magnos GCR (Gas Cooled, Graphite Moderated Reaktor); AGR (Advanced Das Cooled, Graphite Moderated Reactor); Plodivý reaktor FBR (Fast Breeder Reaktor); RBMK (Reaktor Boľšoj Moščnosti Kanaľnyj); Vysokoteplotný reaktor HTGR (High Temperature Gas Cooled Reaktor). Svetové firmy vyvíjajú stále nové typy reaktorov.
Obrazová príloha
LITERATÚRA
[1] CHRAPAN, J.: Rádioenvironmentalistika na Slovensku, MaF 1-4, 2002, s. 42-46.
[2] BOBER, J.: Malá encyklopédia bádateľov a vynálezcov, Obzor, Bratislava 1973, 742 s.
[3] ZAJAC, R. – CHRAPAN, J.: Dejiny fyziky, Polygrafické stredisko UK Bratislava 1982, 264 s.
[4] SOVADINA, M. – DUFKOVÁ, M.: Energie bez kouře 2, ČEZ a.s. Praha, 1998
Pramene:
[1] Z myšlienok prof. Jána Chrapana ml., IIIa
https://cudzis.blog.sme.sk/c/513324/z-myslienok-prof-jana-chrapana-ml-iiia.html
[2] Z myšlienok prof. Jána Chrapana ml., IVa
https://cudzis.blog.sme.sk/c/513533/z-myslienok-prof-jana-chrapana-ml-iva.html
Do pozornosti stálym čitateľom mojich článkov:
Vážení priatelia, v poslednej dobe dostávam do svoje e-mailovej schránky cufr@centrum.sk od facebooku zoznamy mien ľudí, ktorí by azda chceli so mnou komunikovať cez facebook. Za všetky ponuky na tento kontakt vám srdečne ďakujem, no (predbežne) zo - subjektívnych dôvodov - nechcem pobývať na facebooku, aj keď ponúka možnosť chatu. Preto každého, kto má záujem o nejaké doplňujúce informácie k mojim myšlienkam, alebo dokonca záujem o nejakú (aj jednorázovú) formu spolupráce so mnou, nateraz odkazujem na uvedený e-mailový kontakt. Dúfam, že vás to neurazí ani neodradí od vašich zámerov v súvislosti so mnou. Ďakujem vám za porozumenie.
