Avtor/ica gradiva ne nudi inštrukcij.


Jedrske reakcije so reakcije, pri katerih ključno vlogo igrajo jedrske sile. S tem se razlikujejo od kemijskih reakcij, ki potekajo zaradi elektromagnetnih sil med atomi in molekulami. Jedrske reakcije so sprožene s trki z zunanjimi delci in se zato razlikujejo od radioaktivnega razpada, ki poteka brez zunanjega posega. Rezultat takih trkov so spremenjena jedra ali delci.


V splošnem opišemo jedrsko reakcijo z enačbo:




kjer sta:

  • X in Y začetno in končno jedro (jedra),

  • a in b pa sprožilci in različni produkti reakcije.

Krajši zapis take reakcije je:




Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Ohranitveni zakoni pri jedrskih reakcijah



Pri vseh jedrskih reakcijah veljajo ohranitveni zakoni. Ohranja se:


  • Skupna energija - masa


    Kot vemo, se masa in energija vsaka zase ne ohranjata (glej masni defekt jedra). A vedno se ohrani skupna (celotna) energija.


  • Električni naboj


    Skupni električni naboj vseh reaktantov je vedno enak skupnemu naboju vseh produktov.


  • Število nukleonov


    Ta zakon je na prvi pogled nenavaden. Vzrok zanj so globji ohranitveni zakoni, saj so protoni in nevtroni tudi sami sestavljeni delci.


  • Ohranitev gibalne in vrtilne količine


    Tudi pri jedrskih reakcijah veljata oba zakona, ki ju poznamo iz klasične fizike in sicer:


Pri jedrskih reakcijah se ohranjajo:

  • število nukleonov,

  • električni naboj,

  • skupna energija - masa.



Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Tipi jedrskih reakcij



Glede na energijsko bilanco lahko jedrske reakcije razdelimo na:

  • Eksotermne. Pri teh reakcijah se energija sprošča.

  • Endotermne. Pri teh reakcijah se energija porablja.

Spoznajmo jih.


Eksotermne jedrske reakcije



Za eksotermne reakcije velja, da:

  • se energija sprošča,

  • posledično je masa nastalih produktov manjša od vsote mas reaktantov.


Razliki med skupno maso produktov in skupno maso reaktantov (masni defekt reakcije) ustreza energija, ki jo imenujemo reakcijska energija. Izračunamo jo lahko s pomočjo Einsteinove energijske enačbe:




V enačbi je:



Ker je pri eksotermnih reakcijah masni defekt pozitiven, je zaradi tega pozitivna tudi reakcijska energija .


Pojem reakcijska energija je soroden pojmu vezavne energije. Vezavna energija se uporablja le za posamična jedra, reakcijska energija pa za celotne reakcije, ki lahko zajemajo več jeder.



Najpomembnejša tipa eksotermnih reakcij sta:

  • razcepi težjih jeder na lažja ali fizija

  • zlivanje lahkih jeder v težja ali fuzija

Za obe vrsti reakcij je značilno, da je masa produktov vedno manjša od mase reaktantov.


Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Eksotermne jedrske reakcije so za človeštvo zelo pomembne saj z njihovo pomočjo pridobivamo velike količine energije. Trenutno za pridobivanje energije uporabljamo jedrske reaktorje, v katerih poteka kontroliran jedrski razpad oziroma jedrska fizija. Veliko pozornosti pa se posveča razvoju novih reaktorjev, v katerih bi teklo kontrolirano jedrsko zlivanje ali fuzija. S takimi reaktorji bi lahko pridobivali še večje količine energije.


Pri eksotermnih reakcijah se sprošča energija. Masa produktov je zato manjša od mase reaktantov. Razliko mas in energijo, sproščeno pri reakciji povezuje Einsteinova energijska enačba.


K eksotermnim reakcijam prištevamo razpad težkih jeder in zlivanje lahkih jeder.



Eksotermnost zlivanja lahkih jeder in razcepa težjih lahko razberemo iz analize diagrama specifičnih vezavnih energij za različna jedra:


Slika 1: specifične vezavne energije jeder



Slika 1 prikazuje  specifično vezavno energijo glede na velikost jedra. Pomaga nam pri razumevanju dveh temeljnih in že omenjenih jedrskih pojavov:

  • fizije, to je razpad težjih jeder na lažja in

  • fuzije, to je zlivanje (združevanje) lažjih jeder v težja.

Spoznajmo podrobneje oba procesa.


Fizija ali jedrski razpad



Fizija je pojav, kjer težja jedra razpadejo na lažja. Zakaj pride do razpada? Nukleone v jedru držijo skupaj jedrske sile, ki imajo kratek doseg. Ko pa postanejo jedra prevelika, jih jedrske sile ne zmorejo več držati skupaj, zato jedra razpadejo na manjša jedra.


V majhnih jedrih so si vsi nukleoni blizu. Na kratkih medsebojnih razdaljah prevladujejo jedrske privlačne sile pred elektromagnetnimi odbojnimi (slika 2).


Slika 2: Shematski prikaz delovanja sil na en proton v lahkem jedru (helij). Levo - privlačne jedrske sile med nukleoni. Desno - odbojna električna sila drugega protona



Z vsakim dodanim nukleonom se privlačne sile še povečajo. Jedra so vezana vse močneje, kar se izrazi v naraščanju specifične vezavne energije na nukleon (slika 1). Najmočneje vezana jedra imajo okoli 60 nukleonov. To vidimo tudi iz slike 1, saj ima specifična vezavna energija na nukleon maksimum pri 60 nukleonih.


Ko se število nukleonov v atomskem jedru še povečuje, so vedno večje tudi razdalje med zunanjimi protoni. Pri večjih razdaljah pa velja, da so električne odbojne sile večje od privlačnih jedrskih sil (slika 3).


Slika 3: shematski prikaz velikosti sil med dvema oddaljenima protonoma v velikem jedru. Levo - privlačne jedrske sile. Desno - odbojne električne sile



Celotno jedro je zato povezano vedno manj čvrsto. To se pri jedrih z več kot 60 nukleoni pokaže v zmanjševanju specifične vezavne energije na nukleon (slika 1). Medtem, ko se oddaljeni protoni odbijajo, so s sosednjimi nukleoni še vedno močno povezani. Za težka jedra je zato energijsko ugodno, da razpadejo na več (ponavadi dve) manjših, a močneje vezanih jeder. Pri tem se sprošča energija.


Kot primer si poglejmo energijsko bilanco hipotetičnega razpada jedra živega srebra. To jedro ima 200 nukleonov. Predpostavimo, da razpade na dve jedri s po 100 nukleoni.


Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Večja kot je razlika med specifično vezavno energijo začetnega jedra in končnih produktov, več energije se pri razpadu sprosti.


Proces fizije zaradi sproščene energije izkoriščamo za pridobivanje elektrike v jedrskih reaktorjih. Fizija je tudi osnova za delovanje fizijskih jedrskih bomb.


Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Pri procesih razpada srednje težkih jeder v še lažja jedra pa ta energijska bilanca ni več ugodna. Ta jedra imajo večjo specifično vezavno energijo, razpadni produkti pa manjšo. Pri teh reakcijah se energija porablja.


Fuzija ali zlivanje jeder



Jedrska fuzija ali zlivanje je proces pri katerem se majhna jedra združujejo v večja. Kot smo že opisali v razdelku o fiziji, so majhna jedra z dodajanjem nukleonov vezana vse močneje. Za majhna jedra je torej energijsko ugodno, da se združujejo. Pri tem oddajo energijo.


Na konkretnem primeru zlitja dveh majhnih jeder, si poglejmo, kakšna je energijska bilanca v tej reakciji.


Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Fuzija je osnovni vir energije, ki jo seva sonce, saj v jedru sonca poteka zlivanje vodika v helij.


Jedrski reaktor v elektrarni



Princip pridobivanja električne energije v jedrskih elektrarnah je podoben tistemu v termoelektrarnah in sloni na segrevanju vode v paro. Para nato vrti turbine povezane z električnim generatorjem, ki proizvaja elektriko. Medtem, ko v termoelektrarnah za segrevanje vode uporabljamo sežig premoga (kemična reakcija), se v jedrskih elektrarnah za segrevanje vode uporablja energija jedrskih reakcij, natančneje jedrskih razpadov.


Spontani radioaktivni razpadi težkih jeder potekajo prepočasi, da bi lahko segrevali reaktorje.


Vendar pa razpad določenih jeder lahko sprožimo tudi tako, da ga obstreljujemo z nevtroni. Ko jedro absorbira tak nevtron, preide v nestabilno stanje in razpade. Takšna jedra imenujemo cepljiva.


Med produkti razpada so poleg novo nastalih jeder tudi nevtroni, ki lahko ob nadaljnih trkih sprožijo nove cepitve. Temu procesu samo-obnavljajočih se cepitev rečemo verižna reakcija.


Primera takih cepljivih jeder sta tudi uran in polonij , ki se najpogosteje uporabljata kot jedrsko gorivo v jedrskih elektrarnah.


Slika 2: Verižna reakcija, ki jo sproži zajetje nevtrona in razpad primarnega jedra. Pri vsakem razpadu nastanejo novi nevtroni, ki lahko sprožijo nadaljne cepitve.



Verižne reakcije so lahko:


  • Podkritične


    Podkritične reakcije so reakcije, ki s časom ustvarjajo vse manj in manj nevtronov, ki lahko sprožajo nove reakcije. Število cepitev se s časom zmanjšuje in reakcija ugaša.


  • Kritične


    Pri kritičnih reakcijah ostaja število cepitev na časovno enoto enako. Reakcija se sama vzdržuje in kot produkt nastaja konstantna toplotna moč.


  • Nadkritične


    Kadar se število cepitev s časom povečuje je reakcija nadkritična. Nastaja več in več nevtronov ki vedno hitreje povzročajo nove cepitve. Toplotna moč se povečuje.


V jedrskem reaktorju poteka kritična reakcija, ki se vzdržuje s primerno izbiro in obliko goriva, moderatorja in kontrolnih palic (snovi, ki nadzorujejo število in hitrost nevtronov in s tem hitrost reakcije), ter hladila in topotnega izmenjevalca.


Nadkritična reakcija pa po sprožitvi poteče v jedrskih bombah. V zelo kratkem času po začetku reakcije se število reakcij in sproščena energija poveča do te mere, da bomba eksplodira.


Endotermne jedrske reakcije



Za endotermne reakcije velja, da:

  • se energija porablja in

  • je posledično masa produktov večja od mase reaktantov.


Ker se pri reakciji energija porablja, morajo delci, ki vstopajo v reakcijo, vstopati z neko začetno energijo (navadno kinetično). S tem omogočijo sam potek reakcije. To energijo ponavadi prispevajo projektili, ki nato reagirajo z jedri in sprožijo reakcijo.


Pri endotermnih reakcijah se energija porablja. Skupna masa produktov je zato večja od vsote mas reaktantov. Potrebno energijo za začetek reakcije reaktanti ponavadi prispevajo v obliki začetne kinetične energije.



Primeri endotermnih reakcij so:

  • razcepljanje lahkih jeder in

  • fuzija težkih jeder.

V splošnem je endotermna reakcija vsak eksotermni proces, ki ga prisilimo, da steče v obratno smer.


Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »



glavni avtor in urednik gradiva: Primož Dolenc