Jadrová energia Nezačaté

0. Kľúčové fakty

1. Atómové jadro — Jadro je hustá kladne nabitá časť atómu zložená z protónov a neutrónov, ktoré spoločne nazývame nukleóny. Protóny majú kladný náboj a určujú, o aký chemický prvok ide (protónové číslo Z), kým neutróny sú bez náboja a ovplyvňujú hmotnosť a stabilitu jadra. Hoci je jadro asi 100-tisíckrát menšie než celý atóm, je v ňom sústredená takmer všetka jeho hmotnosť.

2. Nukleóny a jadrové sily — Protóny sa navzájom elektricky odpudzujú, lebo majú rovnaký náboj, a predsa jadro drží pohromade. Spôsobuje to silná jadrová sila, ktorá pôsobí len na veľmi krátku vzdialenosť medzi nukleónmi a je oveľa silnejšia ako elektrické odpudzovanie. Práve súboj medzi týmto priťahovaním a odpudzovaním rozhoduje o tom, či je jadro stabilné alebo sa rozpadáva.

3. Izotopy — Izotopy sú jadrá toho istého prvku, ktoré majú rovnaký počet protónov, ale rôzny počet neutrónov. Napríklad urán má izotopy U-235 a U-238, ktoré sa chemicky správajú rovnako, ale líšia sa hmotnosťou a jadrovými vlastnosťami. Niektoré izotopy sú stabilné, iné sú rádioaktívne a samovoľne sa rozpadajú.

4. Rádioaktivita — Rádioaktivita je samovoľná premena nestabilného jadra, pri ktorej jadro vyžiari časticu alebo energiu a zmení sa na iné jadro. Objavil ju v roku 1896 Henri Becquerel a podrobne ju skúmali manželia Pierre a Marie Curie-Sklodowska. Je to prirodzený jav — rádioaktívne látky sú aj v horninách, vode či v ľudskom tele.

5. Žiarenie alfa, beta a gama — Pri rádioaktívnom rozpade vzniká trojaké žiarenie: alfa (jadrá hélia, zastaví ho list papiera), beta (rýchle elektróny, zastaví ho hliníkový plech) a gama (elektromagnetické vlnenie, tlmí ho len hrubá vrstva olova alebo betónu). Líšia sa prenikavosťou aj nebezpečnosťou pre živé organizmy. Toto delenie pomáha pochopiť, prečo sa pri ochrane pred žiarením používajú rôzne materiály.

6. Polčas rozpadu — Polčas rozpadu je čas, za ktorý sa rozpadne práve polovica jadier rádioaktívnej látky. Pre každý izotop je iný — od zlomkov sekundy až po miliardy rokov (napr. U-238 má polčas asi 4,5 miliardy rokov). Vďaka polčasu rozpadu vieme určiť vek hornín či archeologických nálezov metódou rádiokarbónového datovania.

7. Štiepenie jadra (jadrová fisia) — Štiepenie je rozdelenie ťažkého jadra (najčastejšie U-235) na dve ľahšie jadrá po tom, čo ho zasiahne neutrón. Pri tomto deji sa uvoľní veľké množstvo energie a zároveň vyletia ďalšie 2–3 neutróny. Práve premena malého úbytku hmotnosti na energiu je zdrojom obrovskej energie jadra, čo opisuje vzťah E = m·c².

8. Reťazová reakcia — Neutróny uvoľnené pri jednom štiepení môžu zasiahnuť ďalšie jadrá a vyvolať ich štiepenie, takže reakcia sa sama lavínovito šíri. Ak ju neriadime, prebehne výbušne (atómová bomba); ak ju riadime, získavame rovnomerný a využiteľný tepelný výkon. Schopnosť reťazovú reakciu spustiť a udržať je základom celej jadrovej energetiky.

9. Jadrový reaktor a jeho riadenie — Reaktor je zariadenie, v ktorom prebieha riadená reťazová reakcia. Reguluje ju pomocou regulačných (riadiacich) tyčí, ktoré pohlcujú prebytočné neutróny, a moderátora (najčastejšie voda), ktorý neutróny spomaľuje, aby ľahšie spôsobovali štiepenie. Tým sa udržiava reakcia v bezpečnom, ustálenom stave a zabráni sa nekontrolovanému nárastu výkonu.

10. Princíp jadrovej elektrárne — V jadrovej elektrárni teplo z riadeného štiepenia ohrieva vodu a mení ju na paru, ktorá poháňa turbínu spojenú s generátorom vyrábajúcim elektrinu. Princíp je teda podobný tepelnej elektrárni, len zdrojom tepla nie je spaľovanie uhlia, ale jadrová reakcia. Na Slovensku takto vyrábajú elektrinu elektrárne v Jaslovských Bohuniciach a v Mochovciach, ktoré pokrývajú veľkú časť spotreby krajiny.

11. Premena hmotnosti na energiu (E = m·c²) — Albert Einstein v roku 1905 ukázal, že hmotnosť a energia sú navzájom premeniteľné podľa vzťahu E = m·c², kde c je rýchlosť svetla. Pri štiepení sa nepatrný úbytok hmotnosti jadra mení na veľké množstvo energie, lebo c² je obrovské číslo. Tento vzťah vysvetľuje, prečo z malého množstva jadrového paliva získame toľko energie ako z mnohonásobne väčšieho množstva uhlia.

12. Jadrový odpad a bezpečnosť — Pri prevádzke jadrovej elektrárne vzniká rádioaktívny odpad, ktorý zostáva nebezpečný aj tisícky rokov a musí sa bezpečne skladovať v špeciálnych úložiskách. Výhodou jadrovej energie je, že pri výrobe neprodukuje skleníkové plyny, nevýhodou riziko havárie (napr. Černobyľ 1986, Fukušima 2011) a problém s odpadom. Preto je pri jadrovej energetike kľúčová prísna kontrola a ochrana pred žiarením.

1. Poučka

Atómové jadro je zložené z protónov (kladný náboj) a neutrónov (bez náboja), ktoré spoločne nazývame nukleóny. Niektoré jadrá sú nestále a samovoľne sa premieňajú — vysielajú žiarenie. Tento jav voláme rádioaktivita. Pri štiepení sa ťažké jadro (napr. urán) rozpadne na ľahšie jadrá a uvoľní sa veľké množstvo energie. Túto energiu využíva jadrová elektráreň na výrobu elektriny.

2. Vysvetlenie

Poďme po krokoch:

1. Stavba jadra — v strede atómu je drobné jadro, okolo neho obiehajú elektróny. V jadre sú protóny a neutróny. Počet protónov určuje, o aký prvok ide (protónové číslo).
2. Izotopy — atómy toho istého prvku, ktoré majú rovnaký počet protónov, ale rôzny počet neutrónov.
3. Rádioaktivita — nestále jadrá sa samovoľne premieňajú a pritom vyžarujú tri druhy žiarenia: alfa (α), beta (β) a gama (γ). Žiarenie α zastaví list papiera, β tenký plech, γ až hrubý betón alebo olovo.
4. Štiepenie jadra — keď do jadra uránu vletí neutrón, jadro sa rozdelí na dve menšie jadrá, uvoľní ďalšie neutróny a veľa energie.
5. Reťazová reakcia — uvoľnené neutróny rozštiepia ďalšie jadrá, tie ďalšie… V elektrárni sa táto reakcia riadi, v jadrovej bombe prebieha nekontrolovane.
6. Jadrová elektráreň — teplo zo štiepenia ohrieva vodu na paru, para roztáča turbínu a turbína poháňa generátor, ktorý vyrába elektrinu.

3. Príklady a prečo je to dôležité

Príklad 1 — stavba jadra: Jadro atómu uhlíka má 6 protónov a 6 neutrónov. Koľko má nukleónov a koľko elektrónov má neutrálny atóm?
Nukleóny sú protóny aj neutróny spolu: 6 + 6 = 12.
Neutrálny atóm má toľko elektrónov ako protónov.
→ 12 nukleónov a 6 elektrónov

Príklad 2 — izotopy: Uhlík-12 a uhlík-14 sú izotopy. Uhlík má vždy 6 protónov. Koľko neutrónov má každý z nich?
Číslo za názvom je počet nukleónov, neutróny dostaneme odčítaním protónov.
Uhlík-12: 12 − 6 = 6 neutrónov
Uhlík-14: 14 − 6 = 8 neutrónov

Príklad 3 — polčas rozpadu: Máme 80 g rádioaktívneho jódu-131 s polčasom rozpadu 8 dní. Koľko ho ostane po 24 dňoch?
Počet polčasov: 24 : 8 = 3
Po každom polčase ostane polovica: 80 g → 40 g → 20 g → 10 g
Ostane 10 g

Príklad 4 — ochrana pred žiarením (prax): Čím sa dá zastaviť žiarenie alfa, beta a gama?
Alfa (jadrá hélia) zastaví list papiera alebo koža.
Beta (rýchle elektróny) zastaví hliníkový plech.
Gama (elektromagnetické vlnenie) zoslabí až hrubá vrstva olova alebo betónu.
→ papier, hliník, olovo či betón; najprenikavejšie je gama

Príklad 5 — reťazová reakcia: Čo sa stane, keď neutrón vletí do jadra uránu-235?
Jadro sa rozštiepi na dve menšie jadrá a uvoľní veľa energie.
Pritom vyletia 2 až 3 nové neutróny, ktoré môžu rozštiepiť ďalšie jadrá.
V reaktore riadiace tyče pohlcujú nadbytočné neutróny, aby reakcia nebola lavínová.
→ jedno štiepenie vyvolá ďalšie, vzniká reťazová reakcia

Príklad 6 — Mochovce (prax): Ako sa v jadrovej elektrárni mení energia až na elektrinu?
Štiepením jadier vzniká teplo, ktoré ohrieva vodu na paru.
Para roztáča turbínu, turbína otáča generátor.
Generátor vyrába elektrinu.
→ jadrová energia sa mení na teplo, pohyb a nakoniec na elektrickú energiu

Príklad 7 — vek kosti (prax): V starej kosti ostala štvrtina pôvodného množstva uhlíka-14. Jeho polčas rozpadu je 5730 rokov. Aká stará je kosť?
Štvrtina je polovica z polovice, teda uplynuli 2 polčasy.
Vek = 2 · 5730 = 11 460 rokov

Prečo je to dôležité: jadrová energia dáva veľa elektriny z malého množstva paliva a bez vypúšťania oxidu uhličitého, no zároveň vzniká nebezpečný rádioaktívny odpad. Pochopiť ju znamená vedieť rozumne rozhodovať o energii, zdraví aj ochrane pred žiarením.

Precvič si

1. Jadro kyslíka má 8 protónov a 8 neutrónov. Koľko má nukleónov?
2. Urán-235 má 92 protónov. Koľko má neutrónov?
3. Ktoré žiarenie zastaví už list papiera?
4. Látka má polčas rozpadu 2 hodiny. Koľko zo 100 g ostane po 6 hodinách?
5. Množstvo rádioaktívnej látky kleslo za 20 dní zo 64 g na 4 g. Aký je jej polčas rozpadu?
6. Prečo sú v jadrovom reaktore riadiace tyče a čo by sa stalo bez nich?