Jedrske reakcije: definicija, fuzija, cepitev in uporaba

Jedrska reakcija je proces, ki vključuje atomsko jedro ali več kot eno jedro. V jedrskih reakcijah se spreminja sestava jeder ali pride do oddajanja delcev in energije; te reakcije so temeljne za razumevanje delovanja zvezd, jedrskih reaktorjev in naravnega radioaktivnega razpada.

1. Jedrska fuzija, reakcija, pri kateri trčita dva ali več delcev. Pri tem nastanejo novi delci, ki se razlikujejo od prvih.
2. Jedrska cepitev, ko jedro razpade na koščke.
3. Radioaktivni razpad, pri katerem jedro nekaj izpljune in se spremeni v drugo vrsto jedra.

Podrobneje o vrstah jedrskih reakcij

Jedrska fuzija združuje lahko lahka jedra (npr. izotopi vodika) v težje in pri tem sprošča velike količine energije zaradi razlike v vezni energiji na nukleon. Najbolj obetavna reakcija za nadzorovano fuzijo v prihodnjih reaktorjih je združitev devterija in tricija (D–T), vendar obstajajo tudi druge poti (npr. D–D). Pri tem je treba premagati odbijanje nabojev (Coulombov upor), zato so potrebne zelo visoke temperature ali pospešeni delci; to se naravno dogaja v soncu in drugih zvezdah.

Jedrska cepitev je proces, pri katerem se težko jedro (npr. U-235 ali Pu-239) razdeli na dve ali več lažjih jeder, ob tem pa se sprostijo nevtroni in energija. Če sproščeni nevtroni povzročijo nadaljnje cepitve, lahko nastane verižna reakcija — to je temelj delovanja jedrskih reaktorjev in jedrskih eksplozivov.

Radioaktivni razpad je spontana preobrazba nestabilnega jedra v bolj stabilno obliko z oddajo delcev ali elektromagnetnega sevanja. Glavne vrste razpada so:

• alfa-razpad: iz jedra je izločen alfa-delček (jedro helija),
• beta-razpad: nevtron se spreminja v proton ali obratno z oddajo beta-delca (elektrona ali pozitrona) in nevtrina,
• gama-izsevanje: ekscitirano jedro odda energijo v obliki visokofrekvenčnega elektromagnetnega sevanja.

Energija, zakonitosti in ohranitve

Pri jedrskih reakcijah veljajo zakonitosti ohranitve: ohranjata se skupni naboj, število nukleonov (če reakcija ne vključuje emisije/absorpcije partiklov, ki spreminjajo sestavo) in energija (vključno z maso kot obliko energije po E=mc2). Energija, sproščena v jedrskih reakcijah, izvira iz razlike v vezni energiji pred in po reakciji. Pri fuziji se energija poveča z vezno energijo težjih jeder do maksimuma pri železu; pri cepitvi težkih jeder pa se tvorita dve bolj vezani jedri z večjo vezno energijo na nukleon.

Nekaj dodatnih pojmov:

• Reakcijski prag: mnoge jedrske reakcije se ne zgodijo, če vhodni delci nimajo dovolj kinetične energije.
• Presek reakcije: meri verjetnost, da bo trk privedel do določene jedrske reakcije (pomembno v pospeševalnikih in načrtovanju reaktorjev).
• Verižna reakcija: pri cepitvi lahko sproščeni nevtroni vzpodbudijo nove cepitve; nadzorovana verižna reakcija omogoča stabilno proizvodnjo toplote.

Primeri in ilustracija

Na sliki ^6Li se zlije z devterijem. Tako nastane berilij, ki nato razpade na dva delca alfa. Ta primer kaže, kako lahko fuzijski dogodki tvorijo vmesna jedra, ki se hitro razpadejo v stabilnejše sestavine in pri tem sproščajo delce ter energijo.

Kje in kako potekajo jedrske reakcije

Jedrske reakcije potekajo v mnogih okoljih: v zvezdah (soncu), v jedrskih reaktorjih, v pospeševalnikih delcev in povsod v vesolju. Razen radioaktivnega razpada se na Zemlji pojavlja zelo malo jedrskih reakcij zunaj teh posebnih mest. Jedrski reaktorji uporabljajo jedrske reakcije za pridobivanje toplote in električne energije — toplota segreje hladilno sredstvo, ki nato proizvaja paro in poganja turbine (kot v jedrski elektrarni). V pospeševalnikih včasih potekajo jedrske reakcije, pri katerih nastanejo radioaktivne snovi. Delci iz vesolja povzročajo jedrske reakcije v zemeljski atmosferi, zaradi katerih je zrak rahlo radioaktiven.

Uporabe in tveganja

Uporabe jedrskih reakcij vključujejo:

• proizvodnjo električne energije v jedrskih elektrarnah,
• medicinske aplikacije (diagnostika in terapija z radioaktivnimi izotopi),
• industrijske meritve in sterilizacijo,
• raziskave v fiziki delcev in materialih (pospeševalniki),
• vojno uporabo v jedrskih orožjih — za kar se lahko uporabi sproščena energija v bombo.

Tveganja vključujejo proizvodnjo radioaktivnih odpadkov, možnost izpustov radioaktivnih snovi pri nesrečah, in prednosti/spremljajoče vplive na zdravje in okolje. Zato je nadzor nad jedrskimi reaktorji, varnostne tehnologije in pravilno ravnanje z odpadki ključnega pomena.

Razlike med jedrskimi in kemičnimi reakcijami

Jedrske reakcije se od kemijskih razlikujejo po tem, da spremembe potekajo v jedrih atomov, ne v elektronskih oblakah. Energije, ki se sproščajo pri jedrskih procesih, so običajno milijone do milijarde krat večje kot pri kemičnih reakcijah. Nekatere jedrske reakcije (radioaktivni razpadi) so spontane in jih ni mogoče ustaviti, pospešiti ali upočasniti s kemičnimi sredstvi — njihova hitrost je določena z jedrskimi lastnostmi in verjetnostjo razpada.

Zaključek

Jedrske reakcije so temeljni pojavi v naravi in tehnologiji: omogočajo življenje na zvezdah, proizvodnjo energije in številne medicinske ter industrijske aplikacije, hkrati pa prinašajo zahteve po strogem nadzoru in odgovornem ravnanju zaradi možnih tveganj. Razumevanje principov fuzije, cepitve in radioaktivnega razpada je ključno za nadaljnji razvoj varne in učinkovite uporabe jedrske energije.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je jedrska reakcija?

V: Kako deluje jedrska fuzija?

V: Kaj nastane pri reakciji jedrske cepitve?

V: V čem se radioaktivni razpad razlikuje od drugih vrst reakcij?

V: Kje potekajo jedrske reakcije?

V: Za katere namene se uporablja energija, ki se sprosti pri jedrski reakciji?

Išči po črki