9.12.2016 | Svátek má Vratislav






VĚDA: Odkud a jak se bere „atomová“ energie

19.2.2016

Neviditelný pes není platformou jen pro politickou a společenskou diskuzi, objevují se na něm i příspěvky s literární, technickou a vědeckou tematikou. V poslední době jsme přímo zavalení zejména příspěvky s emigrantskou tematikou, kritikou vlády, opozice a Bruselu. Snad by za dané situace bylo vhodné poněkud rozředit takto vzniklé emoce něčím nepolitickým. Zjistil jsem, že ne každý má jasno v otázce, odkud a jak se vlastně bere „atomová“ energie. Pokud by mohl mít někdo dojem, že ta vzniká při kontrolované „explozi“ malých atomů v Temelíně či bouřlivým výbuchem v atomové bombě, tak je to mylná domněnka. Před odpovědí na uvedenou otázku by ale bylo asi vhodné krátké odbočení pro ty, kteří nedávali zcela dobrý pozor ve školních hodinách fyziky.

Pojem atom pro nejmenší částice běžné hmoty pochází ze starořeckého átomosnedělitelný. Tento výraz z pera starých Řeků převzala i moderní věda. Dnes ovšem víme, že ona nedělitelnost platí jen pro chemické reakce, které definují vlastnosti daného prvku. Fyzikálními pokusy však bylo zjištěno, že každý atom se skládá z atomového jádra, obsahujícího neutrony a protony, a obalu sestávajícího z elektronů. Elektrony jsou záporně nabité částice a v neutrálním atomu jejich počet odpovídá přesně počtu kladně nabitých protonů v jádře. Elektrony lze z atomového obalu relativně snadno vyjmout nebo i přidat, a vytvořit tak nabitý iont. Protony jsou kladně nabité částice, zhruba 1836krát hmotnější než elektrony. Jejích počet udává, jakému chemickému prvku atom patří. Neutrony jsou elektricky neutrální částice, jen o trochu hmotnější než protony. Jejich počet v atomu je zpravidla stejný nebo vyšší než počet protonů a opět určuje, o jaký izotop daného prvku se jedná. Elektrony jsou k atomovému jádru vázány elektromagnetickou silou. Protony a neutrony v jádře jsou navzájem vázány tzv. silnou jadernou silou.

Výraz „atomová energie“ - pokud se používá - není zcela správný. Za tuto energii nejsou odpovědny atomy, ale výlučně jejich jádra, tudíž by se mělo správně hovořit o jaderné (nebo též nukleární) energii, kterou lze uvolnit pomocí jaderných reakcí. Proto je zcela správné i označení „Jaderná elektrárna Temelín“. Elektrony v atomovém obalu jsou opět odpovědny za chemickou energii, kterou lze uvolňovat nebo naopak vázat pomocí chemických reakcí. Pokud tedy spalujeme benzín v autě, trávíme cukr či sádlo v potravě, pěstujeme plody na poli nebo vybíjíme či nabíjíme akumulátor v mobilním telefonu, pak jsou za to odpovědny přechody elektronů v atomovém obalu.

Atomové jádro je tedy vnitřní, kladně nabitá část atomu a tvoří jeho hmotnostní i prostorové centrum. Atomové jádro představuje asi 99,9 % hmotnosti atomu. Průměr jádra činí přibližně 10-15 m, což je přibližně stotisíckrát méně než průměr celého atomu. Tyto poměry si lze snáze představit na následujícím příkladu. Šířka Svatovítské katedrály má být 60 metrů. Pokud bychom tedy nejednodušší atom vodíku zvětšili na těchto 60 metrů, pak vodíkové jádro by bylo veliké jen asi 0,6 milimetrů – tedy asi jako muška octomilka v prostorách svatého Víta.

Po tomto kurzu školní fyziky se dostáváme k vlastní otázce odkud a jak se bere jaderná energie. Subatomární částice proton má hmotnost 1,67 x 10−27 kg, což odpovídá přibližně hmotnosti 1836 elektronů. Neutron má se svými 1,7 x 10-27 kg jen nepatrně vyšší hmotnost než proton a je 1839krát hmotnější než elektron. Pro tyto účely je však běžná váhová jednotka kilogram velmi nepohodlná. Proto se v jaderné fyzice používají jiné jednotky – například MeV/c² (kde MeV – čti megaelektronvolt – je jednotka energie běžně užívaná v jaderné fyzice). To je docela možné, pokud si vzpomeneme na známou Einstenovu rovnici E=mc². V těchto jednotkách má proton hmotnost 938 a neutron 940 MeV/c². Pokud se ale jeden proton spojí s jedním neutronem za vzniku nového izotopu vodíku, deuteronu, pak jeho hmota nečiní jednoduchý součet uvedených hodnot. Aby došlo ke vzniku většího jádra, musí jaderné síly vykonat určitou práci, ke které se spotřebuje určitá část celkové energie. Zmenšení energie ale znamená zmenšení hmotnosti a naopak. Tento rozdíl se nazývá „vazebná energie“ a ta se uvolní při vzniku složitějšího jádra. U zmíněného deuteronu to konkrétně činí 2,23 MeV, což je pouze 0,12 % celkové soustavy. To by se mohlo zdát málo, týká se to však jednoho atomu. Po přepočítání na běžně přijatelnější jednotky v kilogramech to ovšem odpovídá asi 10milionkrát víc energie, než kolik se uvolní při spalování benzínu. Při „jaderném spalování“ vodíku na helium (dva protony a dva neutrony), jak se to děje na Slunci, je tato uvolněná vazebná energie podstaně větší. Spojování protonů a neutronů na těžší atomová jádra však není jednoduché a docházet k tomu může jen za extrémně vysokých tlaků a teplot, jaké jsou možné jen v nitrech hvězd jako naše Slunce. Při tom je nutno vzít v úvahu, že volné neutrony v přírodě prakticky neexistují, neboť jsou nestabilní, na rozdíl od stabilních protonů – atomových jader vodíku. Střední doba života neutronu je 14,7 minut. Mohou se však tvořit při takzvané beta plus přeměně, transformaci protonu na neutron, pozitron a neutrino. Předpokládá se, že každou sekundu Slunce spotřebuje a přemění 700 miliónů tun vodíku na 695 miliónů tun hélia. Zbytek v podobě asi 4,5 miliónů tun (0,6 %) je přeměněn na energii. To vše se děje při teplotách kolem 15,6 milionů stupňů a tlaku asi 200 miliard barů. Na Zemi dosud došlo k této tzv. fúzi pouze při výbuchu vodíkových bomb.

Při vzniku vesmíru v době Velkého třesku před asi 13,7 miliardami let tvořil veškerou hmotu vesmíru pouze vodík s nepatrnou příměsí deuteria a helia. Všechny ostatní prvky těžší než vodík vznikaly ve hvězdách při následném vývoji vesmíru. Jaderné reakce, při kterých k tomu docházelo a dochází, jsou ale velmi komplikované, což vychází za hranice toho jednoduchého pojednání. Ve všem tom ale hraje významnou roli již zmíněná jaderná vazebná energie (čili i tzv. hmotnostní schodek). Ta se zpravidla vyjadřuje v přepočtu na jeden nukleon. Její hodnoty pro další prvky periodické soustav znázorňuje přiložený obrázek.

Obr. 1

Z něho vyplývá, že hodnota vazebné energie na jeden nukleon dosahuje svého maxima při tvorbě izotopu železa s hmotovým číslem 56 (56Fe odpovídá 26 protonům a 30 neutronům v jádře). U těžších prvků již dochází k jejímu snižování. To ovšem znamená, že za běžných podmínek ve hvězdách při fúzi se nemohou tvořit prvky těžší než železo. Zjednodušeně řečeno, v závislosti na velikosti dané hvězdy (a to znamená i v závislosti na teplotě a tlaku v jejím nitru) jednou dojde „palivo“ (čili lehčí prvky) a nastane útlum termonukleární reakce. V případě velmi masivních hvězd se začíná v jejích jádrech tvořit železo. To má ovšem za následek, že jednou dojde ke zhroucení hvězdy vlastní gravitací s následnou velmi rychlou explozí jako supernovy. Při několikavteřinovém kolapsu je značná část hvězdné hmoty rozmetána do okolního prostoru. Současně se ale vlivem vysokého toku neutronu vytvářejí prvky těžší než železo, včetně těch nejtěžších, jako je uran a transurany.

V našem organismu i v okolní přírodě se nachází prakticky celá periodická tabulka prvků. Tato skutečnost naznačuje, že veškerá hmota Země (včetně všech živých tvorů) a celé naší Sluneční soustavy minimálně jednou prošla ve svém vývoji stadiem hvězdných termonukleárních fúzí s následnou explozí jako supernova. Pouze vodík (volný i vázaný, například ve vodě a bílkovinách) pochází ještě z období Velkého třesku. Pokud se dá předpokládat, že ve zmíněné supernově vzniklo stejné množství uranu238 a uranu235, pak k její explozi mohlo dojít asi před 6 miliardami let. Tyto okolnosti ale s vlastní otázkou jaderné energie již nemají přímo nic společného.

K uvolňování popsané tzv. „termonukleární energie“ dochází v nitru našeho Slunce a všech ostatních hvězd. Na Zemi se ji podařilo uskutečnit jen nekontrolovaně ve vodíkových bombách, kde jako zdroj vysokých teplot a tlaků slouží výbuch klasické atomové bomby. Již víc jak 60 let se termonukleární energii snaží kontrolovaně produkovat fyzici a technici v řadě zemí v takzvaných fúzních elektrárnách. Zatím však bez konkrétních výsledků, ale s velikými nadějemi.

Kromě jaderné fúze se nabízí i další možnost praktického využití energie atomového jádra. Podíváme-li se na uvedenou tabulku pečlivěji, zjistíme, že počínaje železem vazebná energie na jeden nukleon postupně klesá a je nejnižší u thoria, uranu a tzv. transuranů. Pokud se ale jádro těžkého prvku rozpadne na dvě jádra lehčích prvků, pak výsledná vazebná energie musí být vyšší než u výchozího jádra. Celková uvolněná energie při takovém štěpení jednoho jádra uranu odpovídá asi 200 MeV. I v tomto případě se přemění na energii jen nepatrná část původní hmoty, zbytek představují nebezpečné štěpné produkty.

Obr. 2

To bylo skutečně poprvé pozorováno roku 1938 německými chemiky O. Hahnem a F. Strassmannem při ozařování uranu neutrony a následně vysvětleno L. Maitnerovou – jev dnes známý jako jaderné štěpení. Krátce na to se sovětským fyzikům G. Flerovi a K. Petržakovi podařilo objevit i spontánní (tj. samovolné) štěpení těžkých jader. Podstatnou je i skutečnost, že při jaderném štěpení se uvolňují i dva až tři přebytečné neutrony, tj. částice, které vlastní štěpení vyvolávají. To umožňuje tzv. „řetězovou reakci“, neboť tyto vzniklé neutrony mohou reagovat se dvěma další jádry štěpného prvku a tak dále. Tyto základní poznatky byly uveřejněny těsně před nebo v počátcích druhé světové války a mnoho evropských vědců tehdy odešlo z různých důvodů do emigrace. Všem zúčastněným ovšem byla zřejmá možnost vojenského využití tohoto zdroje energie. Proto jakékoliv další poznatky se staly brzy předmětem úzkostlivého utajování, které vyvrcholilo až výbuchem první atomové bomby 16. července 1945 v Novém Mexiku (Trinity-Test) a následně v Hirošimě a Nagasaki.

První jaderný reaktor, ve kterém probíhala štěpná reakce, byl spuštěn 2. prosince 1942 na univerzitě v Chicagu. První elektrárna, která dodávala proud do sítě, byla zprovozněna v Obninsku (SSSR) v roce 1954. V současné době je na celém světě v provozu takřka 400 energetických jaderných reaktorů a vyrobí asi 10 % světové poptávky elektřiny, v Česku asi jednu třetinu. Samotný proces získávání jaderné energie je pochopitelně velmi složitý. Důležitá ovšem v této souvislosti je skutečnost, že jak za fúzní energii, tak za její štěpnou variantu je odpovědný v podstatě nepatrný deficit hmoty při slučování protonů a neutronů v průběhu tvorby atomových jader.

Pro úplnost by bylo vhodné zmínit se zde i o možnostech využití rozpadu radioaktivních izotopů (přesnější označení by v tomto případě bylo asi nuklidy) jako zdroje energie. V přiložené tabulce jsou seřazeny všechny nuklidy chemických prvků, kterých je dnes známo asi 4000. Převážná část z nich jsou radioaktivní. Pouze několik z nich má ale praktické použití, které závisí především na typu záření, poločasu rozpadu a také na dostupnosti.

Obr. 3

Jedná se zejména o tzv. radioizotopové termoelektrické generátory jako zdroje energie. Z nich asi nevýznamnější jsou plutoniové generátory, které jako zdroje tepelné energie využívají izotop plutonia238 (alfa-zářič, poločas rozpadu 87,7 let). Ty instaluje především americká NASA v dálkových meziplanetárních satelitech, kde jsou sluneční baterie již málo výhodné. Tak například v nedávno proslavené sondě New Horizons při průzkumu trpasličí planety Pluto bylo jako zdroj energie použito 11 kg plutonia238 ve formě oxidu. Americké zásoby tohoto nuklidu se ale podstatně krátí na pouhých několik desítek kilogramů. Z dalších možných kandidátů jmenujme zde i polonium210 (alfa-zářič, poločas 138 dnů), které ovšem zřejmě víc proslavila ruská rozvědka při likvidaci nepohodlných agentů. Podstatně větší - i když málo zřetelný - význam má rozpad radioaktivních prvků (uranu, thoria a také draslíku40) jako zdroj energie v nitru Země. Předpokládá se, že asi polovina tepla, které Země vyzařuje do okolního vesmíru, pochází z uvedených radioaktivních prvků v jejím nitru. Kdo ví, jak by naše planeta vypadala, kdyby nás tyto „nebezpečné“ prvky neobklopovaly.

No a nakonec by bylo vhodné zmínit se i o energii vzniklé při anihilaci hmoty s antihmotou. Jak je dnes asi všeobecně známo, tak antihmota je druh látky, kde všechny „antičástice“ mají opačné charakteristiky (náboj a další) než částice. Při anihilaci dochází k úplné přeměně hmoty i antihmoty na energii, a ne tedy jen její nepatrné části jako u výše uvedených příkladů. Problém ovšem je, kde vzít antihmotu. Pokud je známo, tak žádná volná antihmota ve vesmíru neexistuje. Lze se domnívat, že těsně po Velkém třesku, kdy vesmír vznikl, hmota a antihmota existovaly zároveň, ale hmoty bylo nepatrně více. A to při vzájemné anihilaci způsobilo, že zbyla pouze hmota. Antihmotu lze studovat jen ve speciálních experimentech. Pokud někde v přírodě nebo i pokusech vzniká, dochází okamžitě při střetu s běžnou hmotou k anihilaci (z lat.: annihilatio – zmaření,zničení). Proto tato jistě přitažlivá možnost výroby energie bez nebezpečných produktů zůstane ještě dlouho jen námětem sci-fiction románů a filmů.



Diskuse


Š. Hašek
21:22
19.2.2016

V. Vaclavik
13:18
19.2.2016

K. Janyška
10:58
19.2.2016

M. Pivoda
10:25
19.2.2016

R. Langer
10:37
19.2.2016

V. Vaclavik
13:22
19.2.2016

M. Pivoda
16:57
19.2.2016

M. Pivoda
20:16
19.2.2016

V. Mlich
22:30
19.2.2016

M. Pivoda
9:48
20.2.2016

M. Pivoda
10:41
22.2.2016

J. Kavalír
8:49
19.2.2016

R. Langer
10:38
19.2.2016

J. Kavalír
10:59
19.2.2016

R. Gramblička
12:51
19.2.2016

P. Princ
14:19
19.2.2016

M. Mýval
15:32
19.2.2016

K. Křivan
0:45
19.2.2016

Z. Lapil
11:57
19.2.2016

K. Křivan
15:43
19.2.2016

P. Vaňura
19:38
19.2.2016

V. Mlich
23:00
19.2.2016

počet příspěvků: 30, poslední 22.2.2016 10:41









 Neviditelný pes
Toto je DENÍK: do sítě jde obvykle nejpozději do 8.00 hod. aktuálního dne. Pokud zaspím, opiji se, zešílím nebo se zastřelím, patřičně na to upozorním - neboť jen v takovém případě vyjde Pes jindy, eventuálně nikdy.
Šéfredaktor Ondřej Neff (nickname Aston), příspěvky laskavě posílejte na adresu redakce Jiřímu Wagnerovi, redaktorovi NP (nickname JAG). Rubriku Zvířetník vede Lika.