Zase nejaky zazrak?

[Thomas Shaddack]

On Mon, 31 May 2004, Petr Zapadlo wrote:

> Az na to ze to neni stepeni ale slucovani.
> Pokud ma vzniknout eneregie tak je treba slucovat prvky od vodiku az po
> zelezo.
> jestlize ma pri stepeni vznikat energie, je treba vzit naopak prvky z druheho
> konce az po zelezo.
> Proc je vsak zelezo tak vyjimecne a stoji ve stredu to nevim.

(Disclaimer: Jedu z hlavy takze nemusim byt nutne uplne presny, prestoze
budu znit odborne.)

Tady jde o vazebnou energii v prepoctu na jeden nukleon. Nejnizsi energie
je u stabilnich izotopu zeleza. Kazde jadro ma urcitou vazebnou energii,
ktera drzi nukleony (protony, neutrony) pohromade. Ta energie zavisi na
velikosti jadra a pomeru protonu/neutronu (kdyz je protonu moc, dorovnava
se to beta+ rozpadem (obvykle jenom umele izotopy), pokud je prebytek
neutronu rozpada se to beta-, pokud jsou to tezka jadra s prebytkem
neutronu muze dochazet jeste k alfa-rozpadu. Ve vsech pripadech dostaneme
ve vysledku stabilnejsi usporadani jadra (s nizsi vazebnou energii),
rozpadovy produkt (pozitron, elektron, alfa castici) a nekdy gama foton.
To co byl rozdil vazebne energie pred a po rozpadu se odnese v podobe
kineticke energie castice vyplivnute z jadra, energie gama fotonu, a
kineticke energie jadra (ktera se transformuje do mrizkovych vibraci, coz
znamena ze se nam rozpadajici se objekt postupne ohriva). Jadra
nestabilnich izotopu se nam takto postupne premenuji na jadra dalsich
izotopu, v rade ktera konci izotopem stabilnim (v pripade prirozenych
izotopu obvykle olovem). Taky nam muze jadro samovolne vyplivnout
neutron, coz se hodi pro stepeni, viz nize.

Pokud mame jadra co jsou hodne tezka nebo naopak hodne lehka, muzeme
ziskat hodne energie tim, ze je dostaneme bliz k optimalnimu zelezu.
Dostaneme pak stepny (nebo fuzni) produkt a spoustu energie ktera odpovida
rozdilu vazebne energie vstupnich a vystupnich produktu reakce, stejne
jako v pripade radioaktivniho rozpadu.

U tezkych jader muzeme tato ostrelovat neutrony. Pokud ma neutron akorat
tu spravnou energii (jadra maji ruzne velkou pravdepodobnost zachytu
neutronu v zavislosti na izotopu a energii neutronu), je pohlcen jadrem, a
toto se budto zmeni na izotop s neutronovym cislem o jednotku vetsim
(238-U -> 239-U, kterezto se pak dvakrat rozpadne, nejdriv na 239-Np a pak
na 239-Pu, ktere uz je zase dost stabilni samo o sobe), nebo rozpadne na
dva stepne produkty a uvolni spoustu energie a obvykle i 1-5 neutronu,
ktere mohou spustit stepeni dalsich jader (nebo uniknout z aktivni zony,
nebo byt pohlceny regulacnimi tycemi); jelikoz se pri stepeni 235-U
uvolnuji rychlejsi neutrony nez je optimalni pro jejich zachyt, zpomaluji
se vhodnym moderatorem (grafit, tezka voda...) coz zvysuje ucinnost
reakce. Pokud mame hustotu toku neutronu takovou, ze mnozstvi tech co
vyvolaji stepeni dalsich jader zustava konstantni, mame stabilni stepnou
reakci (prebytky se vychytavaji regulacnimi tycemi). Nekdy naopak chceme
rychlost stepeni co nejvyssi, maximalni moznou ucinnost, aby pokud mozno
kazdy neutron rozstepil jadro - to pak prinasi sirokou skalu zajimavych
problemu spojenych s konstrukci jaderne zbrane o vysoke vyteznosti
(prditko typu Little Boy je sice jednoduche, ale velke a tezke a vic nez
umrnenych 20 kt se z toho proste nedostane a nestoji to za tu namahu) kde
je potreba rozstepit co nejvic jader v dobe kdy se soustava jeste
nepromenila v prilis velkou kouli plazmatu a hustota jader diky jejimu
rozpinani prilis nepoklesla. U reaktoru mame problem opacny, kdy chceme,
aby se pri prilisnem rozjeti reakce tato sama zpomalila; toho se da
docilit kouzlenim se zpomalovanim neutronu za ruznych podminek (napr. kdyz
se chladici voda zacne varit a objevi se v ni bublinky, neutrony se v
bublinkach zpomaluji mene, a jelikoz jsou prilis rychle, nejsou tak snadno
zachycovany jadry, coz vede ke snizeni ucinnosti reakce a jejimu zpomaleni
- tzv. negativni dutinovy koeficient reaktivity). Cernobylsky reaktor mel
jako moderator grafit a voda neutrony ani tak nezpomalovala jako
zachycovala (detaily si nepamatuji), takze kdyz se v ni objevily bubliny
pary, reakce se naopak rozbehla jeste rychleji smerem k pruseru. Vyse
zmineny pebble-bed reaktor je zde velmi slibny, jelikoz mechanizmem
regulace reakce je tepelna roztaznost kouli s palivem uvnitr a grafitem
okolo nich, takze i pri totalnim selhani regulacnich mechanizmu a chlazeni
vyjede teplota na hodnotu danou konstrukci reaktoru a tam zustane, nebot
stredy kouli ve kterych je palivo se od sebe vzdali natolik, ze se
pravdepodobnost zachytu neutronu snizi. A ustanovi se rovnovaha. PBR
vypadaji jako velice slibna technologie, i kdyz zeleny breceji ze se jim
to nelibi. Krome toho palivove koule maji nekolik urovni zapouzdreni
paliva samotneho, takze unik je nepravdepodobny, a pokud nastane, bude
obvykle omezen na jedno 0.5g zrnko.

U lehkych jader je situacec podstatne slozitejsi; nestaci jenom dat tyce
(nebo v pripade pebble-bed reaktoru kulicky) paliva k sobe do vhodne
geometricke konfigurace - potrebujeme velmi vysokou teplotu a docela
slusny tlak. Coz neni problem ziskat na okamzik (viz Teller-Ulamova
konstrukce termojaderne bomby), ale udrzet to v kontrolovane forme je
docela nechutna uloha - jsou potreba supravodive magnety co drzi plazma
pohromade, je potreba ho zahrivat na potrebnou teplotu (napr.
mikrovlnami), a vubec je to po technicke strance nevesele truchlive.
Docela dost pokrocila byla sveho casu ruska konstrukce tokamaku. Ovsem
pokud si dobre pamatuji, Japonci a Evropa ted uvazuji o stavbe zatim
nejvetsiho termojaderneho reaktoru. Jelikoz cim je reaktor vetsi, tim
lepsi sance na trvalejsi reakci, ktera vyprodukuje vic energie nez sama
spotrebuje, a uz i na mensich reaktorech se na par milisekund podarilo
dosahnout pozitivni energeticke bilance, ma tenhle "drobek" docela sanci.
Delaly se i pokusy s exotictejsimi konstrukcemi, napr. dosahovani
potrebnych teplot a tlaku simultannim ozarenim zmrzle bobulky smesi
deuterium-tritium (izotopy vodiku s 1 a 2 neutrony) spoustou
vysokovykonnych laseru, ale nic moc z toho zatim nebylo.

Snad jsem toho moc nezvoral, do jaderne fyziky jsem uz par let nijak
aktivne nefusoval.