29-6 Jadrové reaktory

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

29-5 Kritické množstvo

29-6 Jadrové reaktory

Vidíme, že pokiaľ množstvo štiepneho materiálu je menší, než je kritické množstvo, nemôže sa v ňom rozvinúť lavínovitá reťazová reakcia. Ak je rozmer presne kritický, potom v každej jednej generácii neutrónov je ich počet rovnaký, ako v predchádzajúcej generácii. Pôvodný Fermiho reaktor, aj jeho neskoršie modifikované verzie udržiavali jadrové reakcie na kritickej hladine. Musíme sa zmieniť o tom, že podmienky „kritičnosti“ sú veľmi labilné: malá odchýlka v jednom smere spôsobí zastavenie reťazovej reakcie, ale malá odchýlka v druhom smere vedie k rýchlemu rozmnoženiu štiepnych neutrónov, a k roztaveniu častí reaktoru. Udržiavanie trvalej reťazovej reakcie, ovládanie produkcie neutrónov, pomeru ich zachytenia je mimoriadne dôležité z hľadiska zániku či rozbehnutia reťazovej reakcie. Za týmto účelom sa používajú regulačné tyče, ktoré sú z materiálov veľmi ochotne zachytávajúcich neutróny (napríklad kadmium alebo bór). Tieto regulačné tyče automaticky zasunú, či povytiahnu z otvorov vytvorených v štiepnom materiáli, pokiaľ je potrebné produkciu neutrónov utlmiť, alebo naopak nechať rozbehnúť.

Reaktory s grafitovým moderátorom nie sú príliš vhodné k produkcii energie, na tieto reaktory sa pozeráme skôr ako na zariadenia produkujúce plutónium. V týchto reaktoroch vzniká viac $_{}^{239} Pu$ (z $_{}^{238} U$ ), než koľko $_{}^{235} U$ sa spotrebuje, preto ich nazývame tiež produkčné reaktory.

schéma reaktoru — Obr. 29.3:Schéma reaktoru s uzavretým chladiacim okruhom; prúdi v nej kvapalina s vysokou teplotou a prenáša teplo vyvíjané reaktorom k parným turbínam – k elektrickým generátorom.

Vo „vodných“ reaktoroch, v ktorých obohatený štiepny materiál je na dne bazéna naplneného vodou, voda prúdiaca nádržou odnáša teplo produkované pri štiepnych reakciách, a súčasne aj chráni personál od životu nebezpečného žiarenia. Voda tu žiari v modrastej farbe, čo je tzv. Čerenkovovo žiarenie pomenované po významnom ruskom fyzikovi. Tento jav prvýkrát skúmal v roku 1934 Čerenkov¹¹. Čerenkovovo žiarenie v nádrži vzniká ako dôsledok dvoch procesov: prvý je Comptonov rozptyl, druhý je samotné Čerenkovovo žiarenie, určitá „rázová vlna“. Pri Comptonovom jave sme vysvetlili, že fotóny röntgenového žiarenia sú schopné z atómu vyraziť elektróny. Vo vodnej nádrži reaktoru vysoko energetické gama častice z jadrových procesov sa zrazia s elektrónmi vodného prostredia. V tejto zrážke elektróny získajú tak veľkú rýchlosť, ktorá prekročí rýchlosť svetla vo vode.¹²

Jav sa podobá tomu, keď loď sa na hladine pohybuje rýchlejšie, než sa pohybujú povrchové vlny vznikajúce rozrážaním vodnej hladiny čelom lode (pozri obr. 9.2)

vlny na špici — Obr. 9.2:Vlny na špici lode vznikajú rýchlejšie, než akou rýchlosťou sa šíria vlny na hladine vody.

Vysvetlenie Čerenkovovho žiarenia prekračuje rámec našich cieľov.

Vo svete bolo postavených veľmi veľa jadrových reaktorov. Žiaľ, tieto elektrárne dokážu využiť jadrovú energiu len ako zdroj tepla. Generátory sú aj v týchto jadrových elektrárňach poháňané zohriatou vodnou parou, ako aj v prípade elektrární, kde sa spaľuje uhlie (obr. 29.3). Jadrové elektrárne musia preto pracovať na rovnakej teplote, ako klasické elektrárne, a účinnosť je obmedzená rovnakou tepelnou účinnosťou.

Vyvíja sa veľké úsilie, aby jadrová energia sa premenila na elektrickú priamo, bez tepelného medzičlánku.

¹¹Pavel Aleksejevič Čerenkov (28.07.1904-06.01.1990), nositeľ Nobelovej ceny za fyziku za rok 1958 „za objav a interpretáciu Čerenkovovho žiarenia“. Nobelova cena bola delená rovným dielom medzi Čerenkovovom, Frankom (Ilja Michailovič Frank) a Tammom (Igor Jevgenejevič Tamm).

¹²Vieme, že rýchlosť svetla vo vákuu ( $300 000 km/s$ ) je najvyššia možná rýchlosť. Nič sa nemôže pohybovať rýchlejšie ako svetlo vo vákuu. Ale pozor, častice sa môžu pohybovať rýchlejšie ako svetlo, pokiaľ svetlo sa pohybuje „pomaly“ – keď sa pohybuje pomalšie ako vo vákuu. Index lomu skla je bežne $n \approx 1, 60$ , a toľkokrát pomalšie sa pohybuje svetlo v skle, než vo vákuu. Index lomu vody ke $n \approx 1, 33$ , a toľkokrát pomalšie sa pohybuje svetlo vo vode, než vo vákuu (teda rýchlosťou okolo $226 000 km/s$ ). Túto rýchlosť elektróny hravo prekonajú ( $300 000 km/s$ neprekonajú nikdy, ani vo vákuu, ani vo vode).

29-7 Atómová bomba