29-4 Fermiho jadrový reaktor

29-1 Objav štiepenia jadier; 29-2 Štiepne neutróny; 29-3 Štiepny U-235 ; 29-4 Fermiho jadrový reaktor; 29-5 Kritické množstvo; 29-6 Jadrové reaktory; 29-7 Atómová bomba; 29-8 Fúzne reaktory;

Úlohy

29-3 Štiepny U-235

29-4 Fermiho jadrový reaktor

Hovorí sa, že šikovný táborník dokáže zapáliť táborák aj z mokrého dreva. Podobnú úlohu hral taliansky fyzik Enrico Fermi v projekte jadrovej energie, ktorý ako prvý zapálil jadrovú vatru „mokrými uránovými polenami“. Fermi využil fakt, ktorý sme spomenuli, že pravdepodobnosť štiepenia $_{}^{235} U$ sa výrazne zvýši, ak štiepne neutróny spomalíme. Pri veľmi pomalých neutrónoch, tzv. tepelných neutrónoch , $_{}^{238} U$ už nerobí problémy, lebo ich pohlcuje len v nepatrnej miere oproti miere, akou vzrastie pravdepodobnosť, že vyvolá štiepenie $_{}^{235} U .$ Neutróny, ktoré sa rodia pri štiepení $_{}^{235} U$ majú vysokú energiu, a ich spomalenie vyžaduje moderátor, hmotu z takých atómov, ktoré odrazia neutróny a prevezmú časť ich energie bez toho, aby ich pohltili.

Zo zákona zachovanie energie a hybnosti vyplýva, že pokiaľ sa častica (u nás neutrón) zrazí s inou, ktorá má výrazne menšiu hmotnosť, spomalí len veľmi málo, stratí len nepatrnú časť svojej kinetickej energie. Elektróny atómových obalov teda nespomalia významne neutróny (spomeňme si na to, že elektróny nespomalili ani častice alfa v rozptylových experimentoch Rutherforda).

Druhý krajný prípad je, že neutrón sa zrazí s časticou, ktorá má výrazne väčšiu hmotnosť, než on sám: odrazí sa od nej a ani jej rýchlosť, ani jej energia sa nijako významne nezmení. Neutróny vieme spomaliť najefektívnejšie tak, že moderátor bude z atómov, ktorých hmotnosť je blízka hmotnosti neutrónu, a pri zrážke ho nepohltí. Preto sa Fermi rozhodol, že prírodnú uránovú rudu (ktorá obsahuje prevažne $_{}^{238} U$ ) obložia blokmi grafitu – moderátor bol uhlíkový atóm.

Čisto z technického pohľadu je najlepším moderátorom vodík, alebo voda či iná látka bohatá na vodík. Pri zrážke neutrónu s vodíkovým atómom je spomalenie skutočne veľmi efektívne (pri vzácnej čelnej zrážke sa neutrón prakticky zastaví, a jeho kinetickú energiu prevezme protón), ale z nukleárneho hľadiska je veľká pravdepodobnosť, že neutrón bude protónom zachytený a vznikne deutérium ( $2 H$ ).

n +_{1}^{1} H \to_{1}^{2} H .

Tento ťažký izotop vodíku je bežnou látkou jadrového výskumu a preto má svoj vlastný symbol, chemickú značku: D. Jeho jadro, ktoré pozostáva z jedného protónu a z jedného neutrónu, nazývame deuteron. Nie je v prírode až taký vzácny. Jeden zo 6400 atómov vodíka je v prírode deutérium. Tzv. ťažká voda $D_{2} O$ je výborný moderátor, a dá sa získať z obyčajnej vody mnohonásobne opakovanou elektrolýzou alebo destiláciou (tiež proces obohacovania). Molekuly $H_{2} O$ sú ľahšie, a preto sú pohyblivejšie, než molekuly $D_{2} O$ ťažkej vody – rýchlejšie sa odparujú pri varu, a tiež rýchlejšie disociujú na ióny.⁸

Vedci programu jadrovej energetiky USA sa však rozhodli použiť ako moderátor grafit, ktorý je ľahko dostupný. Postavili obrovskú „hranicu“ z grafitových blokov, a v určitej presne určenej štruktúre do nej umiestnili malé kusy uránovej rudy. Všetko sa to udialo vo veľkej tajnosti v Chicagu, pod hľadiskom športovej haly Chicagskej univerzity. 2-ho decembra 1942 Compton zatelefonoval svojmu kolegovi Conantovi na Harvardskú univerzitu: „Taliansky námorník sa úspešne vylodil. Domorodci sú priateľský.“ Táto kódovaná správa znamenala: „Fermiho jadrový reaktor pracuje. Uskutočnila sa prvá úspešná jadrová reťazová reakcia.“

Jadrový reaktor začal pracovať a reťazová reakcia prirodzenej uránovej rudy bola bezpečne stabilná. Uránova ruda však bola do takej miery „zriedená“ grafitom (moderátorom), že nebol schopný väčšieho energetického výkonu. V dôsledku prítomnosti $_{}^{238} U,$ ktorý reakcie brzdil, nemohlo dôjsť k obrovskému jadrovému výbuchu, ale reaktor nebol schopný ani významnejšej produkcie energie.⁹ K čomu bol dobrý tento reaktor, okrem toho, že ukázal možnosť vytvoriť stabilnú jadrovú reťazovú reakciu, ktorá sa sama udržuje? Už samotný vedecký prínos bol dôležitý, ale táto drahá jadrová „vatra“ sa postavila uprostred nebezpečnej vojny, keď akékoľvek výdavky boli opodstatnené, pokiaľ mali vojenské poslanie.

Fermiho reaktor obstál aj v tejto skúške. Síce energiu zo štiepenia $_{}^{235} U$ zatiaľ nevedeli zužitkovať a doslovne ju odvial prievan, počas činnosti reaktoru vznikol v reaktore ďalší prvok schopný štiepenia. Tie neutróny, ktoré sa nezužitkovali v reťazovej reakcii $_{}^{235} U$ a boli zachytené jadrami $_{}^{238} U$ , vytvorili nový izotop uránu

n +_{92}^{238} U \to_{92}^{239} U + γ .

V dôsledku prebytku neutrónov v jadre, $_{92}^{239} U$ prešiel dvomi beta rozpadmi po sebe. Vznikli tak dva také prvky, ktorých atómové číslo bolo 93 a 94. Tieto dva prvky, ktoré sa na Zemi nevyskytujú, sú umelým výtvorom človeka – neptúnium a plutónium.¹⁰ Spomínaná dvojica dvoch beta rozpadov nasledujúcich po záchyte neutrónu sú

\begin{array}{rcl} _{92}^{239} U & \to & _{93}^{239} Np + e^{-}, \\ _{93}^{239} Np & \to & _{94}^{239} Pu + e^{-} . \end{array}

Plutónium sa chemicky líši od uránu, a jeho oddelenie od uránu či čistenie je výrazne menej náročné, než rozdelenie ľahšieho a ťažšieho izotopu uránu. Okrem toho sa ukázalo, že plutónium $_{94}^{239} Pu$ je zrovna tak schopný štiepenia ako $_{92}^{235} U$ – kým však priemerný počet štiepnych neutrónov je v prípade $_{92}^{235} U$ 2,5, v prípade $_{94}^{239} Pu$ je 2,7.

⁸Ťažká voda $D_{2} O$ pri normálnom tlaku vrie pri teplote $101, 4 °C$ , tzv. poloťažká voda $H D O$ vrie pri teplote $100, 7 °C$ , kým bežná voda $H_{2} O$ pri $100 °C$ .

⁹Reaktor mal skoro 400 ton. 330 ton predstavovali bloky grafitu, 4,9 ton kovového uránu a 49 ton oxidu uraničitého ( ${UO}_{2}$ ). Výkon reaktoru bol len niečo okolo $0, 5 W$ . Reaktor nemal žiadne tienenie ani žiadne chladenie. Postavili ho za necelý mesiac. Tento Fermiho projekt dokázal, že reťazová reakcia sa dá vyvolať, a dá sa riadiť. Až po tomto úspechu „talianskeho námorníka“ sa rozbehol projekt Manhattan na plné obrátky.

¹⁰Polčas rozpadu $_{92}^{239} U$ je $23, 45 minút$ , neptúnia $_{93}^{239} Np$ $2, 36 dní$ a plutónia $_{94}^{239} Pu$ je $24 110 rokov$ .

29-5 Kritické množstvo