Jedrske reakcije

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:

Krajši zapis take reakcije je:

Pri vseh jedrskih reakcijah veljajo ohranitveni zakoni. Ohranja se:

Glede na energijsko bilanco lahko jedrske reakcije razdelimo na:

Spoznajmo jih.

Za eksotermne reakcije velja, da:

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 .

Najpomembnejša tipa eksotermnih reakcij sta:

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

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.

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

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

Spoznajmo podrobneje oba procesa.

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).

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).

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.

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.

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.

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.

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

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.

Verižne reakcije so lahko:

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.

Za endotermne reakcije velja, da:

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.

Primeri endotermnih reakcij so:

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