Proces jaderné fúze. Jaderné štěpení a fúzní reakce

Je známo, že látky sestávají z molekul a atomů. Jeden atom obsahuje jádro a elementární částice - elektrony, protony a neutrony. Interakce jaderných jader mezi sebou vytváří jaderné štěpení a fúzní reakce. Tyto procesy vedou k uvolnění nebo absorpci velkého množství energie.

Historie objevů

Proces jaderné reakce byl poprvé pozorován Rutherford v roce 1919. S pomocí speciálního přístroje - kamery Wilsona - byly pořízeny fotografie těchto reakcí.

O dvacet let později bylo v Německu poprvé objeveno jaderné štěpení uranu. Tento proces se nazývá jaderný úpadek. Na základě tohoto jevu vznikl první jaderný reaktor v roce 1942.

Reverzní proces rozpadu se nazývá reakce jaderné fúze. Protože se v tomto případě vytváří těžké jádro v důsledku tepelného pohybu, proces se nazývá termonukleární fúze.

Podstata procesu

Proces jaderné fúze je následující. Dvě nebo více atomových jader jsou přiblíženy. Mezi nimi vzniká vzájemná souvislost, která převažuje nad takzvanými Coulombovými odpudivými silami. Tato interakce vede k tvorbě nových, těžších jader. V době vzniku jádra je uvolněno značné množství energie. Tato energie je následně používána člověkem.

Reakční palivo

Těžké izotopy vodíku - deuterium a tritium - se nejčastěji používají pro jadernou fúzi. Vyžadují méně energie k provádění reakce ve srovnání s energií uvolněnou během procesu fúze. Pro syntézu lze v zásadě použít jiné druhy paliva, například deuterium a helium-3, deuterium monofuel a další.

Takzvané reakce "bez neutronů" (například s heliem) jsou slibnější, jelikož jinak neutronový tok přenáší část energetického výkonu reakce. Kromě toho reakce "bez neutronů" méně přispívají k radioaktivní kontaminaci.

Reakční podmínky

Pro správný postup jaderné syntézy musí být splněny dvě podmínky.

1. Reakční směs musí být zahřátá na nejvyšší teploty. Jen dostatečné množství energie vede k procesu jaderných kolizí.
2. Tepelná izolace reakce je druhým nezbytným stavem: teplota ohřáté směsi musí být udržována konstantní po celou dobu trvání reakce.

Termonukleární reaktor

Zařízení pro provádění jaderné fúze je jaderný reaktor. Jeho hlavním účelem je zajistit stálost optimálních podmínek reakce. Výstup by měl být více energie, než bylo požadováno pro reakci.

Navzdory skutečnosti, že proces fúze jaderných jader byl studován po několik desetiletí, je termonukleární reaktor stále jen projekt. Splnění podmínek pro výskyt jaderných reakcí je dosud dosažitelné pouze v laboratorních podmínkách.

Nejlepším projektem jaderného reaktoru je v současné době ITER - ITER (mezinárodní termonukleární experimentální reaktor).

Výstavba místa pro reaktor začala v roce 2007. Bude se nacházet ve Francii ve výzkumném centru Cadarache. Konec výstavby byl původně naplánován na rok 2016, avšak finanční náklady byly vyšší, než se očekávalo. V tomto okamžiku se rok otevření reaktoru údajně nazývá 2025.

Termonukleární reaktor - mezinárodní projekt. Ve své výstavbě se účastní země EU, Rusko, Indie, Čína, USA, Japonsko a další.

Studená jaderná fúze

Jak již bylo uvedeno, termonukleární reakce jsou proveditelné pouze při vystavení vysokým teplotám. Spotřeba energie pro jejich realizaci je tedy značná. To vyvolalo spekulace o studené nukleární fúzi (CNF).

Teoreticky je NSF procesem, při kterém by jaderná fúze nebyla poskytována pod vlivem extrémních teplot, ale za normálních teplotních podmínek, například při pokojové teplotě.

Od roku 1989 je pravidelně hlášeno, že se vědecké skupině podařilo uskutečnit reakci za studenou fúzi. V tuto chvíli však byly všechna tato tvrzení nespolehlivá.

Poprvé takové tvrzení učinili vědci z University of Utah (USA) - Fleischman a Pons. Oni oznámili, že byli schopni provést reakci při pokojové teplotě. Experimentální potvrzení jejich slov nebylo odhaleno.

V budoucnu několik dalších vědců prohlásilo senzační objev, ale pokaždé, když informace nebyly vědecky potvrzeny. Reakce studené nukleární fúze je zatím vítanou perspektivou.

Termonukleární procesy ve vesmíru

Procesy jaderné syntézy hrají obrovskou roli ve vývoji vesmíru. Slunce a hvězdy jsou gigantické termonukleární reaktory. Pod vlivem vysokých teplot se v nich vyskytuje fúze jaderných atomů vodíku a objeví se hélium. Jeho jádra se také spojují a vytvářejí nové prvky. Reakce trvají po miliony let, dokud není vypálena veškerá hvězdná hmota. Během těchto procesů se vytváří velké množství energie. Energie Slunce dala život Zemi.

Použití jaderných reakcí

Energie jaderné fúze a jaderného úpadku je pro lidstvo nejdůležitější. Výsledky reakcí jsou aplikovány v různých oblastech činnosti. Níže jsou některé z nich.

1. Energie. Hlavním důsledkem jaderných reakcí je uvolňování energie. Proto v oblasti energie našli hlavní aplikaci. Jaderné reakce vyžadují poměrně malé množství paliva a energie vyrobená během procesu je obrovská. Zejména Země obsahuje velké množství uranu, které je jedním z hlavních zdrojů jaderného paliva. Jaderná energie se používá v jaderných elektrárnách, jaderných ponorech a ledoborezných zařízeních. V budoucnu může jaderné palivo používat na kosmické lodi.
2. Medicína Jaderné reakce mohou být použity v lékařských oborech, jako je kardiologie, onkologie a neurologie. Rádioizotopy se v diagnostice široce využívají. Radioaktivní prvky jsou součástí některých léků. Metoda brachyterapie se používá k dodávání malého zdroje záření do nemocného orgánu za účelem zničení patologických struktur. Radiační terapie je někdy označována jako jaderná medicína.
3. Tvorba nových chemických prvků. Jaderné reakce vedou k vzniku nových prvků, které nahradí jejich místo v periodickém systému.
4. Výzbroj. Použití jaderného štěpení a jaderné fúze ve vojenské oblasti je nejednoznačné. Vytvoření jaderných zbraní může mít vážné důsledky pro celé lidstvo.
   

Jaderná hrozba

V roce 1945 byl svět šokován tragédií japonských měst Hirošima a Nagasaki. Vláda Spojených států uvrhla do Japonska dvě atomové bomby, přičemž citovala touhu ukončit druhou světovou válku.

Důsledky této události byly šokující. Atomová bomba prokázala svou účinnost, téměř úplně zničila obě města. Síla výbuchů byla obrovská. Během válečných let byla již provedena řada testů jaderných zbraní, ale poprvé byla použita proti obyvatelstvu.

Atomová exploze nejen tvrdila obrovský počet životů. Pozůstalí po pádu bomby pocítili hrozné následky po několika letech. Záření vedlo k vzniku radiační nemoci - nemoci, která se projevovala nejen u lidí, kteří byli blízko výbuchu, ale také u dětí, které se těmto lidem později narodily.

Atomové výbuchy vedou k velkým emisím ionizujícího záření. Záření je schopno zachovat své ionizační vlastnosti po desítky a stovky let, šíří se přes atmosféru, znečišťující vodu, padající jako srážky.

Jaderné zbraně představují vážnou hrozbu. Závod ve zbrojení, který trval téměř celou druhou polovinu 20. století, postavil planetu před možnost třetí světové války. V současné době má mnoho zemí jaderné zbraně a ohrožuje životy celého lidstva.

Ne jen jaderné zbraně mohou být nebezpečné. Objekty mírového účelu mohou také vést k smutným důsledkům s nedostatečnou kontrolou. Tragédie v jaderné elektrárně v Černobylu v roce 1976 jasně ukazuje, co se může stát, pokud podceňujete jadernou energii.

Reakce jaderné fúze a jaderného úpadku jsou důležitými úspěchy vědy. Objevy v této oblasti mohou být použity jak pro zlo, tak pro dobro. Správný postoj k jaderným procesům umožňuje minimalizovat rizika využívání atomového potenciálu.