Co je jaderné štěpení? Je pro lidstvo bezpečné?

Foto: MasterTux/Pixabay

Jaderné štěpení je proces štěpení velkých atomových jader na menší atomová jádra za uvolnění velkého množství energie. Proces se obvykle provádí tak, že jádra přinutí absorbovat neutrony – částice, které se obvykle nachází v atomovém jádře s protony. Tento fenomén lidstvo využilo k poskytování energie prostřednictvím jaderných elektráren, ale také k pohonu jaderných zbraní, napsal Galaxy Concerns.

Štěpení je forma jaderné transmutace, což znamená, že výchozí atomy nejsou stejné prvky jako výsledné – nebo dceřiné – atomy produktu. Proces štěpení může nastat spontánně jako druh radioaktivního rozpadu, ale je vzácný, neuvěřitelně pomalý a omezený na velmi těžké chemické prvky. 

Jaderné štěpení

Jaderné štěpení je proces štěpení atomových jader na menší jádra, čímž se uvolňuje velké množství energie. Jaderné štěpení může lidstvu pomoci splnit jeho energetické potřeby, když jsou řetězové reakce řízeny v reaktorech. Jaderná energie nyní poskytuje odhadem 85 procent elektřiny, kterou používáme. 

Když je však tento proces ponechán běžet nekontrolovaně, dává vzniknout mocné a destruktivní síle. 

Výbuch takzvaných „atomových bomb“ znamená pohled na houbový mrak – strašlivou připomínku síly atomu a samotného štěpení.

Kdy bylo objeveno jaderné štěpení?

Objev indukovaného štěpení by nebyl možný bez kroků, které učinili Ernest Rutherford a Niels Bohr směrem k ucelenému obrazu atomu během 10. let 20. století. To vedlo k objevu Henri Becquerela, Marie Curie, Pierra Curieho a Rutherforda, že atomy prvků se mohou „rozpadnout“ a přeměnit se na jiný prvek prostřednictvím emise částice alfa.

Dva roky po objevu neutronu v roce 1932 Jamesem Chadwickem, začali Enrico Fermi a jeho kolegové v Římě házet tyto nově nalezené částice do uranu a další fyzikové také dospěli k závěru, že částice by byla dobrou sondou atomového jádra. 

V roce 1933 maďarský fyzik Leó Szilárd poprvé formalizoval myšlenku, že neutrony řízené štěpení těžkých atomů by mohlo být použito k vytvoření jaderné řetězové reakce, která vygenerovala energii pomocí protonů k štěpení lithia o rok dříve.

Nakonec si v prosinci 1938 fyzici Lise Meitner a Otto Frisch uvědomili, že izotopy barya, které se záhadně objevily během experimentů s bombardováním neutronem a uranem, které provedl kolega Otto Hann, byly výsledkem štěpení jader uranu. 

Jak jaderné štěpení vyrábí energii?

K indukovanému jadernému štěpení dochází, když částice – obvykle neutron – prochází velkým cílovým atomovým jádrem a je jím zachycena. V jaderných reaktorech je to izotop — atom s jiným počtem neutronů v jádře — těžkých prvků uranu nebo plutonia. 

Energie potřebná k nastartování štěpení je kolem 7 až 8 milionů elektronvoltů (MeV), a když neutron nesoucí tuto úroveň energie nebo více narazí na cílové jádro, energie, kterou předá, deformuje jádro do dvoulaločného tvaru podobného arašídu.

Mezera mezi laloky vytvořená záchytem neutronů nakonec přesahuje bod, ve kterém je silná jaderná síla, která váže protony a neutrony dohromady v atomovém jádru a je silná pouze v ohromně malých vzdálenostech, je dokáže udržet pohromadě.

V důsledku toho se jádro rozpadne na menší fragmenty, obvykle kolem poloviny hmotnosti výchozí částice, přičemž se také uvolní nejméně dva, někdy i tři neutrony. 

Dceřiné částice jsou rychle odtlačovány od sebe v důsledku jejich vzájemného odpuzování kladných nábojů. Uvolněné neutrony, které se pohybují rychlostí přibližně 33 milionů stop za sekundu (10 milionů metrů za sekundu, neboli asi tři procenta rychlosti světla) – dále zasáhnou další dvě jádra, což způsobí, že se rozdělí a uvolní čtyři neutrony. Tyto neutrony jsou pak vyvrženy a narážejí na další jádra.

To vede k řetězové reakci štěpení jader, která produkuje zdvojnásobení štěpných reakcí pokaždé, když je jádro rozděleno. To znamená, že u desáté „generace“ je 1024 štěpení a u generace 80 je 6 x 10²³ štěpných reakcí. 

Důvod, proč tento proces uvolňuje energii, souvisí s objevem Alberta Einsteina, že hmota a energie jsou vzájemně zaměnitelné. Ve své nejjednodušší podobě je to zapouzdřeno pravděpodobně nejslavnější rovnicí na světě: energie se rovná hmotnosti krát rychlost světla na druhou neboli e=mc². 

Když štěpný materiál pohltí neutron a rozpadne se, hmota vstupující do reakce je o něco vyšší než hmota, která z ní vychází. Rozdíl v hmotnosti mezi počáteční částicí a jejími dceřinými částicemi je nepatrný – asi 0,1 procenta původní hmotnosti. 

Tehdy se termín c² stává důležitým, protože nám říká, že i malé množství hmoty uvolňuje spoustu energie. 

Přibližně 85 procent této energie uvolněné při štěpných reakcích se uvolní jako kinetická energie udělená dceřiným jádrům. Tato energie se následně přemění na teplo. Zbytek energie je předán jako kinetická energie uvolněným neutronům nebo odveden vysokoenergetickým zářením ve formě gama záření.

Přesné dceřiné produkty vytvořené při štěpení nelze přesně předpovědět, protože proces podléhá vysokému stupni náhody a variací. Ve skutečnosti natolik, že neexistuje žádná pevná záruka, že k zachycení neutronu dojde nebo že to povede dokonce ke štěpení. 

Jedna jistá věc je, že počet protonů a neutronů, které vstoupí do procesu, bude zachován na jeho konci. 

Jednou z běžných reakcí v jaderných reaktorech je zachycení neutronu uranem-235, který vytvoří dva dceřiné neutrony a atomová jádra barya-144 a kryptonu-90. Tato reakce uvolňuje asi 200 megaelektronvoltů (MeV), což odpovídá pouze 0,000000000032 Joulům.

Jsou to ty vytvořené neutrony, které jsou zodpovědné za to, že se štěpení stane životaschopným mechanismem generujícím energii. To se ale musí přísně kontrolovat.

Řetězové reakce a kritická hmotnost

Ne všechny neutrony vytvořené při štěpení jsou k dispozici pro řízení dalších reakcí, protože některé mohou být ztraceny, jak štěpení pokračuje. Pokud je však možné udržet dostatek neutronů, štěpná reakce se stane soběstačná s tímto bodem označovaným jako „kritická hmotnost“.

Tento samoudržující se kritický hmotnostní bod při jaderném štěpení je určen několika faktory v samotném štěpném materiálu, včetně jeho složení, hustoty, čistoty a dokonce i fyzického tvaru, ve kterém je uspořádán.

Bylo zjištěno, že koule minimalizují ztráty neutronů, které mohou zabránit dosažení kritické hmotnosti, což lze také snížit obklopením štěpného materiálu „neutronovým reflektorem“, který odrazí všechny zbloudilé neutrony. 

Jedním z klíčových aspektů bezpečného štěpení je kontrola řetězové reakce a rychlosti štěpení. Pokud méně než jeden neutron ze štěpné reakce způsobí další reakci, může to vést k tomu, že se štěpení vymkne kontrole a explozi. 

To znamená omezit počet neutronů, které jsou k dispozici pro další štěpné reakce. V mnoha reaktorech se to děje tak, že se zavádí materiál, který dokáže „nasávat“ neutrony, což umožňuje udržení řetězové reakce a zároveň brání tomu, aby se štěpení vymklo kontrole.

„Řídící tyče“ složené z boru nebo kadmia – prvků, které jsou silnými absorbéry neutronů – nebo jejich kombinace jsou běžným mechanismem pro řízení úrovní výkonu ve štěpných reaktorech. Výkon lze zvýšit mírným vytažením regulačních tyčí a umožněním neutronů vyvolat reakce. když je dosaženo požadované úrovně výkonu, mohou být ovládací tyče znovu vloženy, aby se reakce stabilizovaly. 

V některých reaktorech se jako chladivo používá voda napuštěná bórem, jejíž koncentrace se snižuje, protože štěpením vznikají vedlejší produkty absorbující neutrony. 

Voda může být také použita k odstranění energie z rychlých neutronů uvolněných s příliš velkou kinetickou energií. To zvyšuje pravděpodobnost, že tyto neutrony spustí štěpení nebo budou absorbovány regulačními tyčemi.

Zpožděné neutrony – vytvořené kdykoli po štěpení v rozsahu od několika milisekund až po minuty – jsou také důležité pro zabránění tomu, aby se řetězové reakce vymkly kontrole. 

Zpožděné neutrony, produkované v malých množstvích, mají méně energie než okamžitě emitované „pohotové neutrony“ a bez nich by štěpná řetězová reakce byla nevyvážená, což by vedlo k prakticky okamžitému a nekontrolovatelnému nárůstu nebo poklesu populace neutronů.

Atomové bomby jsou poháněny množstvím štěpných jader, které se shromáždily okamžitě a držely pohromadě asi miliontinu sekundy. To umožňuje, aby se řetězová reakce rychle šířila štěpným materiálem, což ukazuje, co se stane, když řetězové reakce nejsou řízeny.

Foto: FPG/Getty Images

Je jaderné štěpení bezpečné?

Poté, co byl svět svědkem detonace atomových bomb a zničení a ztrát na životech, které způsobily při bombových útocích na Hirošimu a Nagasaki v srpnu 1945, není divu, že se široká veřejnost obává jaderné energie. 

Navzdory významným a slavným příkladům havárií jaderného štěpení v historii, jako byly ty na Three Mile Island, Černobyl a Fukušima, je tento zdroj energie bezpečnější než kdy předtím. 

V roce 2022 časopis Our World in Data oznámil, že na každou terawatthodinu energie generované štěpením připadá pouze 0,07 úmrtí ve srovnání s 32,7 úmrtími při stejném množství energie vyrobené fosilními palivy. 

Dokonce i tyto nechvalně známé nehody samy o sobě si mohly vyžádat méně obětí, než by si většina z nás myslela, že jejich strašná skvrna v historii.

Světová jaderná asociace uvádí, že havárie ve Fukušimě v roce 2011, která byla způsobena zemětřesením o síle 9 stupňů, což vyvolalo 15metrovou vlnu tsunami, která vyřadila napájení elektrárny a chladicí mechanismy, si vyžádala nulové oběti v důsledku úniku radioaktivního materiálu.

Stejně tak podle Světové jaderné asociace nezpůsobila havárie na Three Mile Island v Pensylvánii v roce 1979 žádné úmrtí v důsledku úniku radioaktivního plynu způsobeného poruchou chlazení.

Pravděpodobně nejslavnější jaderná havárie na světě se odehrála v černobylské jaderné elektrárně poblíž města Pripjať na Ukrajině v roce 1986 v důsledku chybné konstrukce reaktoru, který byl provozován s nedostatečně vyškoleným personálem. 

To vedlo k zabití dvou dělníků při explozi a dalších 28 lidí zemřelo během týdnů po nehodě. Světová jaderná asociace také připisuje nehodě více než 5 000 případů rakoviny štítné žlázy, včetně 15 úmrtí. Dodnes kolem bývalého závodu zůstává neobydlená uzavřená zóna o rozloze 2 600 čtverečních kilometrů.

Foto: German Meyer/Getty Images

Jedním z důvodů působivé bezpečnosti současných štěpných elektráren je to, že nehody s vysokým profilem, jako jsou ty uvedené výše, podnítily vývoj vylepšených konstrukcí a bezpečnostních prvků. 

Současnou iterací štěpných elektráren jsou reaktory III . generace. Ty se vyznačují několika vlastnostmi, zejména sníženou možností havárií při tavení aktivní zóny. 

Konstrukce těchto reaktorů neodmyslitelně patří k mnoha bezpečnostním prvkům, například reaktory s rychlými neutrony fungují pomocí systému, který se zpomaluje s rostoucí teplotou. 

Foto: Romilly Lockyer/Getty Images

A co jaderný odpad?

Jedním z běžných mýtů o jaderné energii je, že „jaderný odpad“, radioaktivní vedlejší produkty štěpných procesů, trvá věčně.

I když není pochyb o tom, že bezpečné skladování a likvidace vedlejších produktů štěpení je problémem, velká část tohoto materiálu je ve skutečnosti recyklovatelná a od počátku civilní jaderné energetiky se s ním nakládá zodpovědně. 

Světová jaderná asociace (WNA) říká, že štěpné reaktory vytvářejí malé množství odpadu, který se vyskytuje ve třech typech, seřazených podle úrovně jejich radioaktivity od nízké, přes střední až po vysokou úroveň.

Organizace dodává, že 90 procent odpadu ze štěpení patří do první kategorie s nízkou radioaktivitou. Vysoce aktivní jaderný odpad tvoří 3 procenta celkového odpadu, ale uvolňuje 95 procent radioaktivity štěpného odpadu.

Navzdory obrazu nebezpečného jaderného odpadu, který zpopularizovali „The Simpsons“ a další stálice popkultury, tento odpad není zářící zelený sliz. Většina z toho je spíše „vyhořelé palivo“ ve formě kovových tyčí obsahujících keramické pelety obohaceného uranu.

Vyhořelé jaderné palivo lze recyklovat za účelem vytvoření nového paliva a vedlejších produktů, přičemž Úřad pro jadernou energetiku navrhuje, aby si zachovalo 90 procent své potenciální energie, i půl desetiletí po použití v reaktoru.

V současné době, zatímco země jako Francie recyklují vyhořelé jaderné palivo, Spojené státy to nedělají, ačkoli se připravují plány na reaktory, které by mohly pracovat s vyhořelým palivem. 

Ve Spojených státech jsou použité palivové tyče uzavřeny v ocelových betonových nádržích s vodou nebo jsou uzavřeny v ocelových a betonových kontejnerech a poté skladovány na 76 různých místech reaktorů ve 34 státech. Toto vyhořelé palivo zde čeká na trvalé řešení uložení. 

Dodatek

Lidstvo by nikdy nemělo zapomenout na potenciál ničení, který představuje jaderné štěpení. Otec John A. Siemes, profesor moderní filozofie na Katolické univerzitě v Tokiu, podává svědectví výbuchu atomové bomby nad Hirošimou. 

Poslední boson standardního modelu, který byl objeven, Higgsův boson, určuje, jak ostatní částice získávají svou hmotnost.

Zdroj: Galaxy Concerns