Jadrové reakcie

1. Jadrové reakcie Reťazová štiepna reakcia

2. Snívanie pred storočím... F.Soddy, po objavoch rádioaktivity, prednáša v roku 1908: „Skutočná prosperita sveta je v dostupnej energii; týmito objavmi sa prvýkrát ukazuje že ťažký zápas ľudstva o prežitie s výlučne prírodnými zdrojmi energie nie je už jedinou možnosťou a trvalým údelom Človeka. Stáva sa reálnou nádejou, že získa moc nad zužitkovaním tých primárnych prameňov energie, ktoré Príroda teraz žiarlivo ochraňuje pre budúcnosť. Bezpochyby je to vzdialený cieľ, ale mení sa tým vzťah Človeka k jeho prostrediu a pridáva dôstojnosť k jeho spôsobu jestvovania.” F.Macášek - Jadrová chémia I

3. a pochybovanie … Vzhľadom na zriedkavosť zrážok nepredpokladali využitie exoergických jadrových reakcií ako zdrojov energie

4. 1938: Otto Hahn S Lizou Meitnerovou a Fritzom Strassmanom zistili, že urán ostreľovaný neutrónmi nedáva transurán, ale niečo ľahšie - rádioaktívny izotop bárya. Znamenalo to objavštiepenia uránu F.Macášek - Jadrová chémia I

5. 1938: Liza Meitner 109 prvok: meitnerium F.Macášek - Jadrová chémia I

6. 1944: Otto Hahn Nobelova cena za chémiu Hahnium (Hn)? F.Macášek - Jadrová chémia I

7. Štiepenie jadra hadrónmi ťažké jadrá sú pretiahle a náchylné na rozštiepenie (aj spontánne !) - náraz vyvolá štiepenie + energia odpudzo-vania „trosiek“ ! Ba Kr F.Macášek - Jadrová chémia I

8. Štiepenie jadra hadrónmi 200 MeV na jedno rozštiepené jadro = 8,46.1014 GJ na 1 kg ( 2,55.1024 atómov) rozštiepeného 235U F.Macášek - Jadrová chémia I

9. 1939: Fréderic Joliot-Curie „Les produits de fission, sont radioactifs et la fission s‘accompagne de la production de trois neutrons“ „Produkty štiepenia sú rádioaktívne a pri štiepení sa uvoľňujú tri neutróny“ F.Macášek - Jadrová chémia I

10. Štiepenie jadra hadrónmi 94Sr 200 MeV rýchle neutróny pomalý neutrón 236U* 235U 140Xe F.Macášek - Jadrová chémia I

11. Excitačné funkcie reakcie štiepenia neutrónmi pomalými neutrónmi sa štiepi z prírodných nuklidov iba 235U z umelých 239Pu a 233U F.Macášek - Jadrová chémia I

12. Excitačné funkcie reakcie štiepenia neutrónmi pomalými neutrónmisa štiepi z prírodných nuklidov iba 235U z umelých 239Pu a 233U nazývajú sa štiepiteľné nuklidy F.Macášek - Jadrová chémia I

13. Excitačné funkcie reakcie štiepenia neutrónmi štiepenie pomalými neutrónmi nie je symetrické: najpravdepodobnejší pomer nábojov štiepnych trosiek je asi 2:3(presnejšie 38:54) F.Macášek - Jadrová chémia I

14. Excitačné funkcie reakcie štiepenia neutrónmi štiepne trosky majú relatívny prebytok neutrónov a stabilizujú sa viacnásobnou rádioaktívnou premenou β- F.Macášek - Jadrová chémia I

15. N Nuklidová mapa 235U 140Xe N/Z=1,55 štiepne trosky sú presýtené neutrónmi N/Z=1,59 94Sr β- N/Z=1,47 Z F.Macášek - Jadrová chémia I

16. Výťažok a premena štiepnych produktov Logaritmus výťažku ! pod 0,1% ! Hmotnostné číslo štiepnej trosky F.Macášek - Jadrová chémia I

17. Reťazová štiepna reakcia „multiplikačný faktor“ k je pomer počtu štiepiacich neutrónov počtu pohlcovaných neutrónov ______________________ (F.Joliot-Curie, 1939) : pohybuje sa okolo 3 ! F.Macášek - Jadrová chémia I

18. Reťazová štiepna reakcia pre multiplikačný faktor k= 2 F.Macášek - Jadrová chémia I

19. Reťazová štiepna reakcia čo môže zmenšiť multiplikačný faktor k : - únik neutrónov zo štiepiteľného materiálu do okolia - radiačné zachytenie235U(n,γ)236U - absorpcia neutrónov neštiepiteľnými nuklidmi (izotopom 238U, ako aj všetkými prímesmi s vysokým účinným prierezom) F.Macášek - Jadrová chémia I

20. Reťazová štiepna reakcia únik zo sústavy (n,γ) zníženie multiplikačného faktora k zachytenie bez štiepenia F.Macášek - Jadrová chémia I

21. Reťazová štiepna reakcia z toho vyplýva pre reťazovú rekciu sú potrebné: - istý minimálny objem štiepiteľného materiálu - kritická hmotnosť - odstránenie neštiepiteľných nuklidov (jadrovo čistý alebo aspoň obohatený 235U, chemicky čistý od “neutrónových jedov”) F.Macášek - Jadrová chémia I

22. Reťazová štiepna reakcia počet rozštiepených atómov (n) rastie exponenciálne, pri strednej dobe života neutrónov τ : vhodné pre výbušnú reakciu (atómová bomba) vhodné pre regulovanú reakciu (jadrový reaktor) F.Macášek - Jadrová chémia I

23. Reťazová štiepna reakcia F.Macášek - Jadrová chémia I

24. Reťazová štiepna reakcia reťazovú reakciu podporuje: - zvyšovanie koncentrácie štiepneho nuklidu (obohacovanie štiepiteľným izotopom) - spomaľovanie neutrónov na energiu tepelného pohybu (z 1 MeV na 0,1 eV) F.Macášek - Jadrová chémia I

25. Reťazová štiepna reakcia - čisté štiepiteľné nuklidy sa používajú pre atómové bomby F.Macášek - Jadrová chémia I

26. Reťazová štiepna reakcia regulovaná reťazová reakcia v jadrových reaktoroch vyžaduje: - spomaľovanie neutrónov na energiu tepelného pohybu pridaním ľahkých nuklidov, moderátorov - obohacovanie štiepiteľným nuklidom pre zmenšenie rozmerov reaktora F.Macášek - Jadrová chémia I

27. Atómová bomba vyžaduje čistý štiepiteľný nuklid: • 235U - iba 0,7% v prírodnom uráne • 239Pu - získava sa chemicky z neštiepiteľného 238U po reakcii (n,γ) F.Macášek - Jadrová chémia I

28. Začiatok II.svetovej vojny...Začiatok pretekov...

29. Atómová bomba

30. University of Chicago - Plutónium 106 prvok Seaborgium K.W.Kennedy, A.C.Wahl, G.T. Seaborg (7.3.1941) objav štiepiteľného 94.prvku F.Macášek - Jadrová chémia I

31. University of Chicago - Plutónium B.B.Cunningham, M.Cefola, L.B.Werner (10.9.1942) 2,77 μg Pu F.Macášek - Jadrová chémia I

32. University of Chicago - Plutónium Rozhodnutie: presvedčiť firmu DuPont, aby okrem nylonu začala vyrábať plutónium ! F.Macášek - Jadrová chémia I

33. Fermiho jadrový reaktor 100 prvok: fermium Uložiť tyče veľmi čistého uránu do matrice veľmi čistého grafitu F.Macášek - Jadrová chémia I

34. Fermiho jadrový reaktor Krytá tenisová hala Univerzity Chicago, 2.december 1942 George, vysuňte kadmiovú tyč na značku 13 stôp ! Poskladaný z čistého grafitu a tyčí s oxidom uránu - spustil regulovanú reťazovú štiepnu reakciu pri tepelnom výkone asi 0,5 W F.Macášek - Jadrová chémia I

35. 2.12.1942: Reťazová štiepna reakcia Záznam toku neutrónov trvalý exponenciálny rast toku tok rastie ! iba zmena škály ! vysunutie kadmiovej tyče F.Macášek - Jadrová chémia I

36. 2.12.1942: Reťazová štiepna reakcia (telefonická správa) Compton:”Taliansky moreplavec došiel do Novej Zeme“ Conant: “A ako ho stretli domorodci ?“ Compton: “Veľmi priateľsky.“ F.Macášek - Jadrová chémia I

37. Reťazová štiepna reakcia Väčšie riziká pri prekračovaní kritickej hmotnosti koncentrovaného 235U alebo 239Pu F.Macášek - Jadrová chémia I

38. Reťazová štiepna reakcia Relatívne pomalé zväčšovanie hmotnosti síce spôsobuje prudký nárast štiepneho procesu a nebezpečných tokov rýchlych neutrónov, ale nevyvolá výbuch rozmerov atómovej bomby - v tej sa musí prekročiť kritická hmotnosť za zlomky sekundy! F.Macášek - Jadrová chémia I

39. 1945 - „Manipulačná“ havária v Los Alamos F.Macášek - Jadrová chémia I

40. Explozívne prekročenie kritickej hmotnosti implózia (Fat Man) vstrelenie (Little Boy) F.Macášek - Jadrová chémia I

41. 1945 - Preteky vyhrali ekonomicky silné USA Nemecký reaktor v Haigerlochu nebol dokončený a demontovali ho F.Macášek - Jadrová chémia I

42. Japonsko, august 1945 Little Boy Fat Man HIROŠIMA NAGASAKI F.Macášek - Jadrová chémia I

43. A day after … F.Macášek - Jadrová chémia I

44. 1945-1980 USA, ZSSR, Francia, Veľká Británia, Čína a India uskutočnili 2050 pokusných jadrových výbuchov v atmosfére s výbušnou silou 510 Mt TNT (z toho Novaya Zemlya 58 Mt v roku 1961) F.Macášek - Jadrová chémia I

45. Účinky výbuchu F.Macášek - Jadrová chémia I

46. 1945-1980 F.Macášek - Jadrová chémia I

47. 1945-1980 My model is like Bikini ! jediný pozitívny artefakt spojený so skúškou na atole Bikini Atol Bikini 1954 F.Macášek - Jadrová chémia I

48. Odhad: Menej žartovné je to, že na skladoch sa nahromadilo okolo 30 000 jadrových náloží !!!

49. V prepočte na každého žijúceho človeka je to ekvivalent najmenej 50 kg dynamitu “overkilling” !? F.Macášek - Jadrová chémia I

50. a atmosféra sa dlhodobo zamorila ...