Uvolnění jaderné energie

• energii z jádra můžeme získat dvěma způsoby:
• jaderným slučováním (= syntézou, = fúzi)
• jaderným štěpením
• vždy platí zákon zachování počtu nukleonů
• energii, která se uvolní, určíme podle Einsteinova vztahu: 

• může probíhat u lehčích jader
• dochází ke slučování lehkých jader za vzniku jader těžších
• pomocí jaderné fúze vznikají prvky chemické tabulky až do železa
• je základním zdrojem energie hvězd včetně Slunce
• v technické praxi:
• její umělé vytvoření zvládnuto pouze ve vojenském použití - vodíková bomba
• v mírovém využití je dosud ve stádiu výzkumu a pokusných zařízení
• je totiž nutné zvládnout velmi vysoké tlaky a zvláště teploty (řádově miliony °C)
• jedná se s největší pravděpodobností o základní zdroj energie v budoucnosti
• nahradí současné uhelné i jaderné elektrárny
• její výhodou je v podstatě zcela bezpečný "odpad", tedy stabilní prvky a izotopy (dlouhodobě neradioaktivní)
• s minimálním vlivem na okolní prostředí, bez jakéhokoli znečišťování
• příklady jaderné fúze v nitru hvězd na konci stránky

• probíhá u těžkých jader
• lehce štěpitelných je jen několik izotopů
• pouze jeden přírodní izotop - Uran 235
• izotopy připravené uměle (např.: U233, Pu239, Pu 241)
• u ostatních izotopů je štěpení sice možné, ale velmi obtížné a málo pravděpodobné
• při štěpení se těžké jádro rozdělí na dvě výrazně lehčí jádra
• příklad (viz obr.):
• jádro štěpného U 235 je nastřeleno pomalým neutronem, který ho pohltí
• tím vzniká těžce nestabilní U 236
• U 236 se následně s vysokou pravděpodobností rozpadá na dvě lehčí jádra - např.: Kr 89 a Ba 144
• zároveň vyletí 2 - 3 rychlé neutrony

• v praxi se využívá v jaderných reaktorech a také je základem jaderných zbraní
• vždy se jedná o tzv. řetězovou štěpnou reakci, kdy neutrony vzešlé z prvního štěpení rozštěpí další jádro dalšího U 235 atd.
• rozdíly mezi reaktorem a zbraní (viz obr.):
•  reaktor:
• řízená řetězová štěpná reakce
• v palivových článcích je pouze 3-7%  štěpného U 235, zbytek je neštěpný U238
• pro rozštěpení U 235 je nutný pomalý neutron, rychlé neutrony je potřeba zpomalit tzv. moderátorem (např. voda)
• rychlý neutron není schopen provést rozštěpení
• navíc je potřeba přebytečné neutrony pohltit
• zbraň
• lavinová - neřízená štěpná reakce
• využívá skoro 100 % čistý nuklid štěpného materiálu
• pro rozštěpení stačí rychlý neutron
• je dáno tím, že v jaderné zbrani je tzv. nadkritické množství štěpného materiálu, kde se vytvoří již dostatečné množství neutronů schopných štěpení
• kritické množství pro čistý nuklid:
• U235 je koule o průměru cca 18 cm a  hmotnosti cca 48 kg
• Pu 239 je koule o průměru 12 cm a hmotnosti 17 kg 
• apod.
• kritické množství lze výrazně snížit při obalení štěpného materiálu materiálem odrážejícím neutrony

• 
• na prvním obrázku je příklad P-P (proton protonového) řetězece
• je základní reakcích v menších a lehčích hvězdách jako je Slunce
• na počátku má řetězec dvě symetrické větve:
• nejdříve se sloučí 2 protony (vodíková jádra)
• jeden proton se β⁺ rozpadem rozpadne na neutron a uteče pozitron s neutrinem vznikne jádro deuteria (H 2)
• následně se deuterium spojí s dalším protonem
• vznikne He 3
• He 3 se spojí s jiným He 3, které vzniklo v druhé větvi
• vznikne He 4 a uvolní se 2 protony
• tedy na počátku jsou 4 protony (jádra vodíku), na konci je 1 jádro He 4
• pokud vezmeme z tabulky prvků relativní hmotnosti vodíku (1,0079) a helia (4,0026), zjistíme, že 4 · 1,0079 = 4,0316, a to je víc, než 4,0026 jádra, které vznikne, rozdíl se vyzáří v energii dle Einsteinova vztahu


• na druhém obrázku je příklad CNO řetězce - složité reakce u velkých a těžkých hvězd
• na počátku je uhlík C 12 (v schématu dle hodin na dvanáctce)
• uhlík se spojí s protonem
• vznikne dusík N 13 (dle hodin na dvojce)
• dusík se β⁺ rozpadem rozpadne na uhlík C 13 - vyletí  pozitron a neutrino
• uhlík C 13 pohltí další proton (dle hodin na čtyřce)
• vzniká dusík N 14
• dusík N 14 pohltí další (třetí) proton (dle hodin šestka)
• vzniká kyslík O 15
• kyslík O 15 se β⁺ rozpadem rozpadá na dusík N 15 - vyletí pozotron a neutrino (dle hodin na osmičce)
• dusík N 15 pohltí další (čtvrtý) proton a vzniká O 16, který se rozpadne na jádro helia a uhlík C 12 (dle hodin na desítce)
• máme uhlík C 12 a celý děj se opakuje (dle hodin na dvanáctce)
• celkově lze říci, že čím těžší hvězda, tím reakce probíhají rychleji a lépe a hvězda "žije" v hlavním cyklu života kratší dobu (Slunce cca 10 mld let, mnohonásobně těžší hvězdy třeba pouze milion let)

•  po spotřebování vodíku se začne měnit helium na uhlík
• tři helia He 4 se sloučí na uhlík C 12
• velmi výkonná reakce provázená zvětšením hvězdy na tzv. rudého obra - reakce probíhá řádově miliony let,  tedy výrazně rychleji než hodíková
• průměr Slunce ve stádiu rudého obra se odhaduje na víc jak 300 mil km - tj. až za dráhu Země (dnes 1,4 milionu)
• u těžších hvězd následují další reakce a vše končí u železa 
• u hvězd velikosti Slunce gravitační stlačení již nestačí, aby byla zapálena další reakce a hvězda končí jako bílý trpaslík (u Slunce se odhaduje průměr něco přes 10 tisíc km, tj. velikost Země)