CORE122 Chemie a společnost Literatura Jiří Hála: Radioaktivita, ionizující záření, jaderná energie, Konvoj, Brno, 1998 Jiří Hála: Radioaktivní izotopy, Sursum, Tišnov, 2013 Aplikace Isotope Browser Náplň přednášky 1. Přirozená a umělá radioaktivita 2. Objev přirozené radioaktivity a navazující výzkum 3. Využití radionuklidů a ionizujícího záření 4. Objev štěpné reakce a následný výzkum vedoucí k válečnému a mírovému využití 5. Jaderná energetika 6. Jaderný odpad 7. Jaderná fúze 8. Legislativa a dohled nad jadernou bezpečností 1. Přirozená a umělá radioaktivita: • Přirozená radioaktivita: Objevena Henri Becquerelem v roce 1896, kdy zjistil, že uranové soli emitují záření. Přirozená radioaktivita pochází z přírodních zdrojů jako uran, thorium a radon​. • Umělá radioaktivita: Objevili ji v roce 1934 Irène Joliot-Curie a Frédéric Joliot-Curie, kteří vytvořili radioaktivní izotopy bombardováním stabilních atomů alfa částicemi​. Objev přirozené radioaktivity a navazující výzkum • Henri Becquerel objevil přirozenou radioaktivitu v roce 1896 při zkoumání fluorescenčních materiálů. Marie a Pierre Curie následně izolovali radium a polonium, což vedlo k dalšímu výzkumu radioaktivních prvků a jejich vlastností​​. 2. Využití radionuklidů a ionizujícího záření: • Radionuklidy se používají v medicíně (např. v radioterapii pro léčbu rakoviny), průmyslu (např. v radiografii pro kontrolu kvality materiálů) a ve vědeckém výzkumu (např. jako stopovací látky). Ionizující záření se využívá pro sterilizaci lékařských nástrojů a potravin​​. 3. Objev štěpné reakce: • Štěpnou reakci objevili Otto Hahn a Fritz Strassmann v roce 1938. Teoreticky ji vysvětlili Lise Meitnerová a Otto Frisch. Tento objev vedl k vývoji jaderných zbraní během druhé světové války (projekt Manhattan) a následně k mírovému využití v jaderné energetice​. 4. Jaderná energetika • Jaderná energetika využívá štěpnou reakci pro výrobu elektřiny. První komerční jaderná elektrárna byla spuštěna v roce 1954 v Obninsku, Rusko. Jaderné elektrárny poskytují významnou část světové elektřiny s nízkými emisemi CO2. 5. Jaderný odpad • Jaderný odpad vzniká při provozu jaderných elektráren a zahrnuje vyhořelé palivo a radioaktivní materiály. Tento odpad je nutné bezpečně ukládat na dlouhé období. Existují metody jako hlubinné úložiště, které poskytují bezpečné a trvalé řešení pro skladování jaderného odpadu​​. 6. Jaderná fúze: • Jaderná fúze je proces, při kterém se spojují lehčí jádra za vzniku těžšího jádra a uvolňuje se obrovské množství energie. Fúze je základem energie hvězd, včetně Slunce. V současnosti probíhají výzkumy, jako projekt ITER, zaměřené na využití fúze pro výrobu elektřiny, která by mohla poskytnout nevyčerpatelný a čistý zdroj energie​. 7. Legislativa a dohled nad jadernou bezpečností: • Legislativa a dohled nad jadernou bezpečností jsou klíčové pro zajištění bezpečného provozu jaderných zařízení. Organizace jako Mezinárodní agentura pro atomovou energii (IAEA) a národní regulační úřady stanovují a prosazují bezpečnostní normy a předpisy, monitorují jaderná zařízení a zajišťují, aby byly dodržovány bezpečnostní protokoly​. Zdroj: GPT4-omni Struktura hmoty Hmota je tvořena z hlediska vnějšíhopohledu různými látkami. Následující schéma uvádí tento pojem do souvislosti s dalším členěním Atomy jsou tvořeny elementárními částicemi (pojem původně vyhrazený pro nedělitelný útvar bez vnitřní struktury) Elementární částice dnes – cca: 100 částic 100antičástic Následující schémata naznačují zjednodušeně členění elementárních částic. Podle interakce Podle spinu Atom je nejmenší hmotnou a chemicky nedělitelnou částicí. Je tvořen jádrem, které obsahuje protony a neutrony, a elektronovým obalem. Elementárníčástice tvořící atom Elementární částice Objevitel (rok) Hmotnost Náboj Q/C Symbol m/u proton Rutherford (1920) 1,0072 +1,6021010-19 p+ nebo 𝟏 𝟏 𝐩 + neutron Chadwick (1932) 1,0086 0 n0 nebo 𝟎 𝟏 𝐧 elektron Thomson (1897) 5,485710-4 -1,6021010-19 e- nebo −𝟏 𝟎 𝐞 − protonové (atomové) číslo Z počet protonů vjádře nukleonové číslo A počet nukleonů, tj. protonů a neutronů v jádře neutronové číslo N počet neutronů v jádře A - Z 𝐙 𝐀 𝐗 Definice prvku Soubor atomů, které mají stejné atomové číslo Z (N mohou mít různé) se nazývá prvkem. Příklad: Bílý fosfor je tvořen atomy 𝟏𝟓 𝐏 𝟒. Definice nuklidu Soubor naprosto identických atomů, které mají stejné atomové číslo Z a neutronové číslo N, se nazývá nuklidem. Vykazuje-li nuklid radioaktivitu, pak jde o radionuklid. Příklad: Atomová hmotnostní jednotka je definována pomocí hmotnosti nuklidu 𝟔 𝟏𝟐 𝐂. Definice pojmu izotop Izotop je označení pro nuklid v rámci souboru nuklidů jednoho chemického prvku. Tento pojem vyjadřuje skutečnost, že prvek je tvořen několika typy jader, tedy atomy, které mají stejné Z, ale liší se počtem neutronů v jádře. Příklad: Vodík je v přírodě zastoupen třemi izotopy 𝟏 𝟏 𝐇, 𝟏 𝟐 𝐇, 𝟏 𝟑 𝐇. Prvkypolyizotopické Prvek Ar (stř.) Izotop Výskyt v přírodní izotopovésměsi (%) Ar Vodík 1,0179 1H 99,985 1,007825 2H 0,015 2,014102 Lithium 6,941 6Li 7,52 6,015126 7Li 92,48 7,016005 Uhlík 12,011 12C 98,892 12,00000 13C 1,108 13,003354 Kyslík 15,9994 16O 99,759 15,994915 17O 0,037 16,999133 18O 0,204 17,999150 Draslík 39,08 39K 93,08 38,963714 41K 6,92 40,961385 Cín 118,69 112Sn 0,96 111,904940 114Sn 0,66 113,902960 115Sn 0,35 114,903530 116Sn 14,30 115,902110 117Sn 7,61 116,903060 118Sn 24,03 117,901790 119Sn 8,58 118,903390 120Sn 32,85 119,902130 122Sn 4,72 121,903410 124Sn 5,94 123,905240 Uran 238,029 235U 0,72 235,03493 238U 99,28 238,050760 Přirozené radionuklidy Prvky monoizotopické beryllium (9Be) fosfor (31P) fluor (19F) kobalt (59Co) sodík (23Na) jod (127I) hliník (27Al) zlato (197Au) aj. Dnes je známo více než 2000 nuklidů, z nichž je pouze cca 266 stabilních. Ostatní jsou nukleárně nestabilní, a proto podléhají radioaktivní přeměně. Pojem radioaktivní prvek lze použít pouze pro prvky: • které nemají stabilní nuklidy • mohou se vyskytovat v přírodě nebo jsou připraveny uměle • neoznačují se tak prvky, které mají pouze jeden radioaktivní izotop s "malou" aktivitou. Platí Mattauchovo pravidlo, které říká, že v takové řadě izobar, bývá prostřední nuklid radioaktivní.  40K je přirozeným beta zářičem, součást přirozeného radioaktivního pozadí Izotony (příliš se nepoužívá) představují nuklidy, které mají stejný počet neutronů v jádře, např. 𝟏 𝟑 𝐇 a 𝟐 𝟒 𝐇𝐞. Pojem izobary (používá se v množném čísle) je vyhrazen nuklidům, které mají stejné nukleonové a různé protonové číslo, např.:40Ar, 40K, 40Ca Atomové jádro • Jádra běžných atomů se skládají z protonů a neutronů, mezi kterými existují silné jaderné interakce. Jaderné síly jsou nábojově nezávislé (možnost výměny mezi protonem a neutronem), krátká doba interakce (10-23 s). • Je v něm soustředěna prakticky veškerá hmotnost atomu. • Nukleony mají svůj jaderný spin rovný ½. • Mezi nukleony působí silné jaderné interakce, které jsou podstatou jaderných sil (výměna virtuálního  mezonu). Výměnné reakce nukleonů Výměna gluonu mezi dvěma nukleony Hladinový model jádra • spin protonu i neutronu je ½, • platí obdoba Pauliho principu: nukleony v potenciálové jámě obsazují postupně jednotlivé kvantové stavy a vyšší stav se obsadí tehdy, až je nižší plně obsazen, • pro výpočet energie nukleonů platí obdobné vztahy jako pro elektrony (částice mají dualistický charakter), • pro protony a neutrony existují samostatné soustavy energetických hladin. Potenciálová jáma a energetická bariéra (obdoba Coulombova zákona) Z1, Z2 – protonová čísla jádra a kladnéčástice (zde protonu) A1, A2 – jejich nukleonováčísla Poloměr jádra Působnost jaderných sil je omezena na oblast jádra – síly mají krátký dosah (cca 10-15 m). Hovoříme o poloměru jádra r = r0 A1/3 (r0 = 1,410-15 m, A je nukleonové číslo). Výška potenciálové bariéry (v MeV) 𝐵 = 𝑍1 𝑍2 𝐴1 1/3 + 𝐴2 1/3 Hmotnost a vazebná energie jádra Jestliže srovnáme hmotnost jádra atomu s hmotností částic, které jádro tvoří, dojdeme k poznání, že hmotnost jádra je menší. Rozdíl Δ = Mj – (Z mp + (A - Z) mn) se nazývá hmotnostní úbytek (hmotnostní defekt), který má zápornou hodnotu. Jemu ekvivalentní energie je podle Einsteinova vztahu rovna Ev = - Δ c2 a nazývá se vazebnou energií jádra. Je to energie, která by se hypoteticky uvolnila při vytvoření jádra z volných nukleonů. Mj < Z mp + (A - Z) mn Např. pro jádro 2 4He je: Δ = 5,000618  10-29 kg = 4,5  10-12 J/atom = 2,71  1012 J/mol = 678 TJ/kg. Toto množství tepla ohřeje 6500 tun vody z 0 °C k varu. Vazebná energie jádra vztažená na jeden nukleon vypovídá o tom, zda je jádro stabilní! ε = Ev / A Závislost střední vazebné energie jádra na počtu nukleonů v jádře Radioaktivita nukleárně stabilní (cca 266) N:Z  1:1 – 3:2 Výjimky jsou 1 1 H a 2 3 He Jádra nukleárně labilní (více než 2000) • relativní zvýšení počtu neutronů má příznivý vliv na stabilitu jádra, protože se snižuje odpuzování protonů • některá jádra jsou stabilní jen při jediné kombinaci N a Z (monoizotopické prvky) • většina prvků je však polyizotopických  existuje jisté rozmezí poměru N/Z, kdy jsou jádra stabilní • pokud je poměr N/Z mimo uvedené hranice, tj. N/Z = 1 ̶ 1,5 , je jádro s velkou pravděpodobností nestabilní a je jádrem radioaktivním. Radioaktivita je projevem nukleární nestability jader. Spočívá v jejich přeměně na jiný nuklid, přičemž dochází současně k eliminaci některé z elementárních částic, ev. jejich skupin, z prostoru rozpadajícího se jádra. Pro radioaktivní přeměnu platí následující charakteristiky: • přeměna je děj samovolný (spontánní) • nezávisí na chemickém stavu atomu • platí zákon zachování hmotnosti a energie • platí zákon zachování nukleonového a atomového čísla A = A1 + A2 Z = Z1 + Z2 • při samovolné radioaktivní přeměně se vždy uvolňuje energie (exoergický děj) Z AX → Z1 A1Y + Z2 A2částice mateřské jádro dceřinné jádro vysokoenergetická částice Štěpná reakce obecně • samovolné štěpení těžkých jader nemá z hlediska uvolňováníenergie praktický význam • v úvahu přichází pouze 238U, poločas přeměny je velký a uvolněná energie je mizivá  průmyslové využití energie jádra je založeno na štěpné reakci jiných nuklidů, a to: • děj je vyvolán jaderným projektilem (pomalé neutrony) 235U a 239 Pu Štěpení jádra popisuje kapkový model jádra. Při štěpení vznikají dvě tzv. trosky (jedna lehčí a jedna těžší – viz dále distribuční křivka), 1-2 neutrony a uvolňuje se značné množství tepla Q Účinný průřez štěpné reakce  (tj. pravděpodobnost jejího provedení) závisína energii neutronů. Z tohoto grafu plyne, že štěpení je nejúčinnější s pomalými neutrony. Jeden z mnoha způsobů štěpení je následující: 235U + 1n → 139Ba + 95Kr + 21n neb o: Distribuční křivka štěpných produktů při štěpení pomalými neutrony Tvar distribuční křivky závisí na energii neutronů, se zvyšující se energií neutronů se poloha sedla na křivce zvyšuje a nakonec přechází do tvaru „jednohrbého velblouda“. , Řízená štěpná reakce a regulace reaktoru • z obrázku plyne skutečnost, že při každém aktu štěpení se počet neutronů znásobuje minimálně 2x  při nekontrolované reakci by došlo během zlomku vteřiny k explozi • v řízeném jaderném reaktoru se ponechává k udržení jaderné reakce pouze jeden neutron, který je využit k dalšímu štěpení (ideální případ) • proto se v jednom časovém okamžiku v soustavě nachází vždy stejný počet neutronů (tj. k=1) a uvolňuje se stále stejné (řízené) množství energie I bez záměrného zasahování do neutronové bilance je však v reaktoru méně neutronů, neboť probíhají další procesy spojené se spotřebou neutronů ▪ 15 % jader 235U zachytí neutron 235U(n,) 236U ▪ část jader 238U zachytí neutron, to nakonec vede ke vzniku 239Pu ▪ 30 % jader 239Pu podlehne rekaci 239Pu(n,) 240Pu ▪ v reaktoru je mnoho materiálů a štěpných produktů, které parazitně absorbují neutrony ▪ jistý početz reaktoru unikne (proto je součástí konstrukce reaktoru tzv. reflektor) • z toho cca 175 MeV připadá na kinetickou energii primárních štěpných produktů, jejichž jádra jsou v materiálu paliva silně brzděna a kinetická energie se přemění na energii tepelnou - ta je pak využívána pro tvorbu páry pro pohon trubíny. • zbytek energie připadá na kinetickou energii neutronů, emisi fotonů a na excitační energii primárních štěpných produktů Při štěpení jednoho atomu 235U se uvolní asi 202,5 MeV (3,244·10−11 J) energie, čemuž odpovídá 19,54 TJ mol-1 nebo 83,14 TJ kg-1. Multiplikační faktor k – číslo vyjadřující poměr počtu neutronů na konci každé generace k počtu neutronů generace předchozí multiplikační faktor k kritická soustava (nutná podmínka pro udržení štěpné reakce) = 1 nadkritická soustava (nebezpečný stav – reakce se velmi rychle rozbíhá, hrozí trvalé poškození reaktoru přehřátím) >1 podkritická soustava (počet neutronů se zmenšuje, až se reakce zastaví – tento stav se vyvolá tehdy, je-li potřeba reaktor zastavit) <1 Zpomalování (moderování) neutronů se realizuje pomocí moderátorů Z ekonomických důvodů se nejčastěji používá obyčejná voda, přestože má vyšší účinný průřez pro záchyt neutronů než ostatní materiály. Voda v reaktoru plní funkci moderátoru i chladiva. Palivo Moderátor přírodní uran těžká voda uran obohacený izotopem 235U na 3-5 % obyčejná voda, s přídavkem H3BO3 uran obohacený izotopem 235U na 20 % není třebamoderovat, štěpná reakce běží i s rychlýmineutrony lehká voda těžká voda grafit Pro udržení štěpné reakce v reaktoru platí následující kombinace paliva a moderátoru: Výroba jaderného paliva U3O8 UO2(NO3)2 (NH4)2U2O7 UO2 UF4 UF6 HNO3 NH3 H2 HF F2 tzv. žlutý koláč UF6 U nebo UO2 výroba tablet (peletek) Tabletami se naplní palivové proutky, proutky jsou pak součástí palivových souborů. Laserový SILEX proces Vzhledem k malému rozdílu v hmotnostech UF6 je nutno proces dělení monohonásobněkrát opakovat – proto se konstruují kaskády centrifug pro obohacování uranu např. v Íránu) Princip centrifugy Lehčí 235UF6 se při centrifugování shromažďuje v horní části centrifugy (světle modré body), zatímco těžší 238UF6 klesá do nižších poloh centrifugy. Zařízení pro obohacování uranu Jaderné reaktory Jaderný reaktor  zařízení, ve kterém lze realizovat řízenou nepřetržitou štěpnou reakci a plynule odvádět vyvíjené teplo. Typy reaktorů: • školní, • výzkumný, • produkční (výroba izotopů), • demonstrační (reaktory menšího výkonu pro ověření určité koncepce), • energetický (viz dále). Regulace reaktoru Reaktor jako dynamický systém podléhá během provozu změnám, neboť se v něm hromadí štěpné produkty, které mají vysoké účinné průřezy pro záchyt neutronů. Dochází k tzv. otravě reaktoru • na počátku provozu se do reaktoru vkládá více paliva, než odpovídá hodnotě k=1. Tento přebytek paliva pak určuje tzv. reaktivitu reaktoru • reaktor má tedy před spuštěním jistou zásobu reaktivity, která se dá snížit pomocí kompenzačních tyčí, které jsou zhotoveny z materiálu s vysokým účinným průřezem pro neutrony, to se provádí zpravidla na začátku energetického provozu reaktoru • během provozu reaktoru se tok neutronů reguluje zasouváním řídicích tyčí do aktivní zóny reaktoru, okamžité změny toku neutronů v aktivní zóně reaktoru • kromě toho obsahuje reaktor tyče havarijní, (obsahují B, Cd nebo Hf) reaktorové jedy 133+135 Xe, 149Sm Spuštění a provoz reaktoru Tlakovodní reaktory pro energetiku • jsou nejrozšířenější, • palivem je 2-5 % obohacenýuran, obohaceno 235U, • voda v reaktoru je pod vysokým tlakem (při teplotách cca 300 °C jekapalná), • pára pro pohon turbíny vzniká v sekundárním okruhu elektrárny, • řídicí tyče se zasouvají do reaktoru shora. V ČR jde o reaktory: (jejich výkon je dnes díky novým poznatkům a režimu vyhořívání paliva poněkud vyšší, cca o 15 %) ▪ VVER 440 MW (Dukovany) – tepelný výkon je cca 3x vyšší ▪ VVER 1000 MW (Temelín) – tepelný výkon je cca 3x vyšší Tlakovodní reaktory malých rozměrů ▪ pracují s vysoce obohaceným palivem (až 90 % 235U), ▪ jsou malé, kompaktní, slouží jako pohon např. jaderných ponorek, ▪ vydrží v provozu 2-3 roky. VVER – vodou chlazený, vodou moderovaný energetický reaktor Válcová nádoba ze speciální oceli ▪ průměr cca 7 m, ▪ výška 23 - 30 m, ▪ několik set tun, ▪ mimořádné požadavky na kvalitu materiálů i konstrukci. Aktivní zóna reaktoru  prostor, ve kterém štěpení probíhá, reflektor, který snižuje úniky neutronů (voda, grafit u pomalých reaktorů; železo, ochuzený uran u reaktorů rychlých) ▪ palivo, ▪ moderátor u pomalých reaktorů, ▪ řídicí tyče, ▪ chladicí médium. Palivopro reaktor se vyrábí z přírodního nebo obohaceného uranu: kovový uran pro těžkovodní reaktory (s příměsí legujících prvků prozlepšení mechanických vlastností) má formu kovových prutů pokrytých vrstvou slitiny Mg+Al palivo z obohaceného uranu pro lehkovodní reaktory je nejčastěji v podobě UO2 (tzv. keramické palivo) a v podobě tablet o průměru 1 cm a výšce 1-2 cm, které jsou naskládány do kovového obalu délky 2-3 m, hermeticky uzavřené a zhotovené ze slitiny Zr nebo nerez oceli). Kovový obal paliva (palivová kazeta) udržuje palivo v kompaktním stavu, brání rozrušení palivového elementu. Má zpravidla tvar hranolu, zadržuje radioaktivní štěpné produkty v uzavřeném prostoru. Soubor palivových elementů tvoří palivový článek. Palivových článků je v reaktoru až několik set, do reaktoru se vkládají a z reaktoru vyjímají pomocí zavážecího stroje. Palivový článek Palivové články nemohou zůstat v reaktoru do úplného spotřebování (vyhoření) paliva, protože se snižuje reaktivita aktivní zóny, kde je vyhořívání paliva nejintenzivnější. Výrazně se také zhoršují mechanické vlastnosti palivového článku. Aby se udržoval režim rovnoměrného vyhoříváni paliva, je nutno: • v průběhu provozu reaktoru jednotlivé kazety palivových článků v důsledku nerovnoměrného vyhořívání přemísťovat na jiné místo, tedy např. z aktivní zóny do okrajových částí reaktoru (nyní 5x ročně). • nejvíce vyhořelé palivo se v pravidelných intervalech vyjímá a nahrazuje se palivem čerstvým. • vyjmuté články se skladují po jistou dobu v bazénu s vodou v primárním okruhu elektrárny, kde se chladí ve vodním bazénu. Pak se přemísťují do tzv. dočasného úložiště použitého jaderného paliva – bývá v areálu jaderné elektrárny, doba uložení až 50 let). Po této době se přemístí do hlubinného úložiště (min na cca 300 let). Po této době je reálná možnost přepracování tohoto paliva, které obsahuje mnoho uranu, a výroba paliva nového. Kontejnery CASTOR pro dočasné uložení použitého jaderného paliva v Dukovanech Požadavky na chladicí médium ▪ vysoké měrné teplo, ▪ dobrou tepelnouvodivost, ▪ tepelně i radiačně stálé, ▪ nesmí příliš absorbovat neutrony ▪ nesmí způsobovat korozi pokrytí palivových elementů pomalé reaktory voda těžká voda helium rychlé reaktory roztavenýsodík ▪ Chladicí kapalina cirkuluje mezi palivovými články a odvádí z aktivní zóny teplo. ▪ Teplo se pak předává v sekundárním okruhu elektrárny vodě v parogenerátoru, kde se pak vytváří tlaková pára pro pohon turbíny. primární okruh sekundární okruh Palivový cyklus – zahrnuje celý proces koloběhu paliva, tj. od těžby uranové rudy, použití v reaktoru, jeho uskladnění po vyhoření a jeho další zpracování. Další typy reaktorů • Varné reaktory – jsou větší než tlakovodní, voda se částečně mění v páru, řídicí tyče se zasouvají zespodu. • Těžkovodní reaktor – reaktor s tlakovými kanály, chlazen i moderován těžkou vodou, palivem je přírodní uran (Kanada – CANDU). Podobný reaktor byl i reaktor A1 v Jaslovských Bohunicích, v r. 1977 došlo k havárii a reaktor byl trvale odstaven. • Plynem chlazené grafitové reaktory (Velká Británie) – reaktor je chlazen heliem, které proudí palivovými kanály pod tlakem 3-5 MPa. Pracuje s mírně obohaceným uranem, dosahuje se teploty až 850 °C. • Grafitové reaktory chlazené vodou - provozovány pouze v zemích bývalého SSSR (např. v Černobylu). Palivem je mírně obohacený uran. • Rychlé reaktory – používají nezpomalené neutrony. Vzhledem k tomu, že účinný průřez pro rychlé neutrony je podstatně menší než pro neutrony pomalé, musí se pracovat s palivem obohaceným na 20-50 % 235U nebo palivo s odpovídajícím obsahem 239Pu. Chladí se roztavenýmsodíkem. Pracují hlavně ve Francii (Phénix, Superphénix). • Množivé (plodivé) reaktory (tzv. breeders) – rychlé reaktory s plutoniem, kdy průměrný počet neutronů při jednom aktu štěpení je 3. Jeden z neutronů je využíván (zcela záměrně) k záchytné reakci 238U(n,), která vede k plutoniu. Při provozu reaktoru vzniká více plutonia,než se spotřebuje. Vnější část reaktoru je proto obklopena tzv.plodivou zónou, která je zhotovenaz tablet z ochuzeného UO2. 238U (n, γ) → 239U (β, 23 min.) → 239Np (β, 2,4 d.) → 239Pu 232Th (n, γ) → 233Th (β, 22 min.) → 233Pa (β, 27 d.) → 233U Reaktor pro domácí využití Termojaderná fúze – získávání tepla pro energetickéúčely slučováním lehkých jader Dva základní způsoby řízené termonukleární fúze: Vlevo: Zjednodušený princip inerciální fúze a průběh termonukleární mikro-exploze. Vpravo: Zjednodušené principiální schéma tokamaku. Výhody jaderné fúze • reaktor je vnitřně bezpečný • minimální množství radioaktivních materiálů (několik kilogramů tritia) • zásoby paliva (deuterium + lithium) vystačí na tisíce let • palivo je rovnoměrně rozděleno po celé zeměkouli • náklady na dopravu paliva jsou minimální • deuterium se snadno připraví opakovanou elektrolýzou vody • produkt fúzní reakce - zcela přátelský k životnímu prostředí • fúzní elektrárna neprodukuje skleníkové plyny • zbytková radioaktivita – relativně rychle zmizí Fyzikální a technologické problémy • udržení a ohřev plazmatu • obrovský teplotní gradient 200 000 000 °C/m • obrovská tepelná a neutronová zátěž vnitřní stěny reaktoru • neutrony se musí využít na 100 % • s rostoucí teplotou klesá ohmický odpor a tedy i ohmický příkon! Radioaktivní odpady • od ostatních odpadů se tyto odpady liší tím, že jsou radioaktivní • vzniká při těžbě a zpracování uranových rud, výrobě jaderného paliva, provozu jaderných reaktorů a elektráren, přepracovávání vyhořelého jaderného paliva, likvidaci jaderných elektráren, při výrobě a používání radioaktivních látek v různých odvětvích lidské činnosti • většina radioaktivních odpadů se zpracovává a po jistou dobu uchovává izolovaně od ŽP Dělení odpadů (podle měrné aktivity a uvolňovaného tepla): • nízko aktivní krátkodobé dlouhodobé • středně aktivní krátkodobé dlouhodobé • vysoce aktivní (2 kW/m3) Nízko a středněaktivní odpady: z JE – iontoměniče, filtry, materiály z oprav a údržby, odpad z prádelen pracích oděvů, zamořené oděvy, dekontaminační materiál; ze zdravotnictví – pokusná zvířata, injekční stříkačky, nádobí, vata, chemikálie Vysoko aktivní odpady: vyhořelé palivo, odpad ze závodů na přepracovávání vyhořelého paliva (1 % hmotnosti všech odpadů ale 90 % aktivity odpadů, obsahuje dlouhodobé RN – nutno uložit po dobu tisícovek let) Úprava odpadů: zmenší se jejich objem a převedou se do stabilních nerozpustných forem: • cementování (mísení s cementem) • bitumenace (mísení s bitumenem – asfaltová živice) • vitrifikace (vysušení a vmísení do skloviny – vhodné pro vysoko aktivní odpady) Ukládání odpadů: • úložiště musí být zajištěno proti úniku radioaktivních látek do ŽP • nízko a středně aktivní odpady se ukládají do povrchových či mělkých podpovrchových úložišť (dno je mírně skloněné s jílovitým terénem, vysypané pískem, voda se odvádí do monitorované jímky, středně aktivní odpady jsou uloženy v úložištích s betonovými jímkami, na podloží ze stabilních krystalických hornin, drenáž ústí do monitorovaných jímek, po zaplnění a uzavření by měla být garantována nepřístupnost po dobu 100 let • vysoko aktivní odpady se ukládají do hlubinných úložišť, do dolů či pod hladinu (v roce 1972 zakázáno), předtím se nacházejí v meziskladu (mokrém – kontejnery v bazénu, suchém – kontejnery ve vhodné budově) V ČR • pro nakládání s nízko a středně aktivním jaderným odpadem se v ČR využívá technologie lisování a bitumenace, zaručuje produkt, který je v dlouhodobém horizontu stabilní a odolný účinkům radiace, vyznačuje se nízkou loužitelností a cca 2,5 násobnou redukcí objemu • upravené nízko a středně aktivní odpady jsou ukládány v ÚRAO v areálu JE Dukovany, od roku 2002 zde probíhá ukládání jaderného odpadu z obou českých elektráren • ke konci roku 2004 (po 20 letech provozu JE Dukovany a po čtyřech letech provozu JE Temelín) bylo zaplněno celkem 9 z celkového počtu 112 jímek o celkové kapacitě 55 000 m3 • vysokoaktivní odpady se budou ukládat do hlubinných úložišť, v ČR se plánuje s uvedením do provozu hlubinného úložiště kolem roku 2065, do té doby se odpad skladuje v areálech JE • kontejnery CASTOR (litinová válcová nádoba 4,1 m vysoká o průměru 2,7 m a tloušťce stěn 37 cm, hmotnost 131 t, trojité víko plněné heliem (sleduje se tlak), povrch je kvůli odvodu tepla žebrován • po 40 letech v meziskladu je aktivita dána především aktivitou štěpných produktů 90Sr, 137Cs a transuranů, pokud se nepřepracovává, je uloženo do konečných úložišť • po tisíci letech 90Sr a 137Cs zmizí a k aktivitě bude přispívat především 243Am, 240Pu, 239Pu a 99Tc • za 105 – 106 let bude k aktivitě přispívat 229Th a produkty jeho přeměny, (229Th vzniká z mateřského RN 237Np (2,1106 let)) Recyklace vyhořelého jaderného paliva: Používají se především extrakční metody PUREX (Plutonium and Uranium Recovery by EXtraction) • extrakce U a Pu z vodné do organické fáze • nejrozšířenější proces v průmyslu v současnosti • získává se tak i Pu pro zbraně UREX (URanium EXtraction) • zmenšení objemu vyhořelého jaderného • modifikace PUREXu, Pu se neextrahuje • odstraní se U a ten se následně přepracovává TRUEX (TRansUranic EXtraction) • získává se Am a Cm • snížení alfa aktivity odpadu, odstranění nejaktivnější části odpadu • na rozdíl od PUREXu a UREXu se nejedná o extrakční proces DIAMEX, SANEX, UNEX – vyvinutý v Rusku a ČR. Pokusné jaderné a termonukleární výbuchy Typy jaderných testů: Podle smlouvy o nešíření jaderných zbraní (1. července 1968, v roce 1970 vstoupila v platnost, v současnosti je smlouva podepsána 189 zeměmi) existuje 5 jaderných velmocí (vlastní jaderné zbraně): Spojené státy americké • první jaderný výbuch: 16. 7. 1945 • první termonukleární výbuch: 1. 11. 1952 • počet nukleárních hlavic: > 10 000 • počet testů jaderných zbraní: 1030 (24 společně s Velkou Británií) Sovětský svaz/Rusko • první jaderný výbuch: 29. 8. 1949 • první termonukleární výbuch: 12. 8. 1953 • počet nukleárních hlavic: > 10 000 • počet testů jaderných zbraní: 715 Velká Británie • první jaderný výbuch: 3. 10. 1952 • první termonukleární výbuch: 15. 5. 1957 • počet nukleárních hlavic: 185 • počet testů jaderných zbraní: 45 Francie • první jaderný výbuch: 13. 2. 1960 • první termonukleární výbuch: 24. 8. 1968 • počet nukleárních hlavic: 350 • počet testů jaderných zbraní: 210 Čína • první jaderný výbuch: 16. 10. 1964 • první termonukleární výbuch: 17. 6. 1967 • počet nukleárních hlavic: 400 • počet testů jaderných zbraní: 45 Navzdory smlouvě o nešíření jaderných zbraní provedly test jaderných zařízení další 3 státy: Indie • první jaderný výbuch: 18. 5. 1974 • počet nukleárních hlavic: > 60 • počet testů jaderných zbraní: 3 Pákistán • první jaderný výbuch: 28. 5. 1998 • počet testů jaderných zbraní: 2 Korejská lidově demokratická republika • v roce 2003 odstoupila od smlouvy o nešíření jaderných zbraní • první jaderný výbuch 9. 10. 2006 (poslední 6. 3.9.2017) Státy podezřelé z vlastnictví jaderných zbraní: Izrael • počet nukleárních hlavic: > 300 • počet testů jaderných zbraní: 1? • není signatářem smlouvy o nešíření jaderných zbraní Irán • počet nukleárních hlavic: ? • je signatářem smlouvy o nešíření jaderných zbraní Státy, které vlastnily jaderné zbraně v minulosti: Jihoafrická republika • počet nukleárních hlavic: cca 6 (dobrovolně se jich vzdala v roce 1993) Bělorusko, Ukrajina a Kazachstán • dobrovolně zničily jaderné zbraně "zděděné" po rozpadlém Sovětském svazu • celkový počet postavených nukleárních zbraní >128 000 Použití radionuklidů a iz v biologii a lékařství Izotopový indikátor – prvek, jehož přirozené izotopové složení bylo změněno (14C byl přidán k přírodnímu C, či 198Au k přírodnímu zlatu), většinou radioaktivním izotopem Indikátorová metoda – metoda využívající izotopové indikátory ke sledování různých dějů a procesů Izotopové indikátory: • sledujeme chování určité chemické látky, izotopový indikátor musí být ve stejné chemické formě, jako je sledovaná látka (př. sledování biochemických dějů) • sledujeme určitou látku či objekt, přičemž chemické vlastnosti izotopového indikátoru nejsou podstatné (sledování proudění kapalin v potrubí) Izotopicky substituované sloučeniny – sloučeniny, ve kterých je stabilní izotop nahrazen izotopem radioaktivním ve všech molekulách (2-(14C)-octová kyselina) Izotopicky značené molekuly – směs látky s přírodním izotopovým složením a látky izotopově substituované (2-[14C]-octová kyselina) Indikátory v chemii a biochemii: Reakce chloritanu s kyselinou chlornou: ClO2 - + HOCl → Cl- + HClO3 Ze stechiometrického zápisu není zřejmé, zda kyselina chlorečná vzniká oxidací chloritanu či kyseliny chlorné. Tím, že se v jednom reaktantu chlór označí, např. izotopem 36Cl, lze jednoznačně původ chlóru v kyselině chlorečné zjistit. ClO2 - + HOCl→ Cl-+ HClO3 Významným přínosem bylo použití radioaktivních indikátorů pro pochopení procesů fotosyntézy. Používá se 14CO2 (rostliny) a NaH14CO3 (řasy). Studium metabolických přeměn: Látka, jejíž metabolismus se zkoumá (A), se podá organismu ve značené formě. Po určité době se izoluje látka B (předpokládaný metabolit látky A). Je-li látka B radioaktivní, je metabolitem látky A. Metabolismus složitějších látek probíhá přes řadu mezistupňů, které je možné všechny identifikovat metodou radioaktivních indikátorů. V kombinaci s autoradiografickou detekcí bývají izotopové metabolické studie také spojeny se zjišťováním, ve kterém orgánu k metabolismu dochází, případně kde se ukládají produkty metabolismu. Autoradiogramzmrazeného řezu krysou pořízený 6 h po injekci roztoku Na2 35SO4 Receptorové studie: Zjišťuje se, ve kterých tkáních a buňkách se nacházejí receptory biochemicky a fyziologicky účinných látek. Tyto látky se ve značené formě podávají organismu a jejich lokalizace ve tkáních nebo buňkách se provádí autoradiograficky. Autoradiogram řezu ledvinou krysy, ukazující lokalizacireceptorů endothelinu Studium samodifúze – sledování pohybu částic v čisté látce vlivem tepelného pohybu (např. pohyb molekul vody ve vodě, používá se 3HHO) Studium výměnných reakcí – sledování výměny identických částí mezi jednotlivými molekulami AX + BX → AX + BX, kde dochází k výměně identických částic X. Další použití izotopových indikátorů: − stanovení rozpustnosti málo rozpustných látek (ve vodě, v jiných rozpouštědlech, kovů v roztavených solích, plynů v kapalinách apod.) − stanovení tenzí par, málo těkavých látek (vysokovroucí kapaliny, roztavené kovy) − stanovení velikosti povrchu sorbentu (sleduje se množství naadsorbovaného radioaktivního plynu) − rychlost vylučování kovů na elektrodách a sledování následných elektrodových dějů − zadržování aktivních komponent pracích prášků na vláknech tkaniny atd. Indikátory v biologii: − rozsah a směr migrace drobnějších živočichů (část jedinců se označí a po určité době se z počtu označených jedinců určuje rozsah a směr migrace) − studium pohybu a hromadění baktérií v živočišném organismu − pohyb a přenos potravy a živin (přenášení potravy uvnitř hmyzího společenství), u rostlin se autoradiograficky stanovuje rozložení přijatých živin v rostlinném těle − v molekulární biologii bylo pomocí značené DNA a RNA prokázáno že DNA slouží jako matrice pro vznik RNA − v současnosti je jednou z častých aplikací sekvenování Indikátory v lékařské diagnostice: Značené sloučeniny užívané v lékařství se nazývají radiofarmaka. Radiofarmaka – diagnostická a terapeutická – jedná se o kovy v komplexech, chelátech. Pokud se hromadí v příslušné tkáni, fungují přímo jako radiofarmaka. Scintigram zdravého srdce (vlevo) a srdce po infarktu myokardu (uprostřed); kontrola prokrvení ruky přišité pacientovi po úrazu (vpravo) Indikátory v hydrologii: − pohyb vody v různých přírodních systémech − pohyb dešťové vody a vody z tajícího sněhu v podpovrchových vodách − rychlost průtoků ve vodních tocích, pronikání vody z jezer, nádrží a kanálů − studium podzemních vod (stáří, vztah mezi povrchovými a podzemními vodami) − vztahy mezi vodonosnými vrstvami Používá se 58Co, 60Co, 51Cr. Tritium vzniklé při nadzemních pokusech jaderných a termonukleárních zbraní bylo pojato jako pulsní označení hydrosféry tritiem a bylo využito pro studium pohybu a výměny vod zejména v podzemních rezervoárech. Například nepřítomnost tritia v rozsáhlém podzemním rezervoáru pod Saharou ukázala, že v současnosti nedochází k jeho doplňování z vnějších zdrojů. Indikátory v průmyslu a výzkumu: − měření průtoku kapalin, sledování transportu surovin v technologickém zařízení, průběh procesů mísení apod. (průtok a doba setrvání odpadních vod v čistících stanicích a odkalovacích nádržích, pohyb roztaveného železa a strusky ve vysoké peci, průchod plynů vysokou pecí, netěsnosti v potrubí ropovodu, netěsnosti v potrubí plynovodu atd.) − Defektoskopie – pomocí gama záření se prozařuje materiál (sváry, potrubí, nádrže) a vhodným zobrazovacím zařízením se detekuje. − RTG fluorescenční analýza – hmota se ionizuje pomocí RTG, gama či beta, dochází k vyražení elektronů z K či L slupek a při následném zaplnění orbitalů dochází k emisi charakteristického RTG. To se měří nejlépe polovodičovými detektory. Legislativa Všechny informace naleznete na: https://www.sujb.cz/ Vše vychází z tzv. atomového zákona 263/2016 Sb. Na něj navazují příslušné vyhlášky. Nejdůležitější je vyhláška o radiační ochraně a zabezpečení radionuklidového zdroje 422/2016 Sb. Zdroj: síť X https://twitter.com/DrabovaDana/photo § 9 Povolení (1) Povolení Úřadu je nutné k vykonávání těchto činností souvisejících s využíváním jaderné energie: a) umístění jaderného zařízení, b) výstavba jaderného zařízení, c) první fyzikální spouštění jaderného zařízení s jaderným reaktorem, d) první energetické spouštění jaderného zařízení s jaderným reaktorem, e) uvádění do provozu jaderného zařízení bez jaderného reaktoru, f) provoz jaderného zařízení, g) jednotlivé etapy vyřazování z provozu jaderného zařízení a (2) Povolení Úřadu je nutné k vykonávání těchto činností v rámci expozičních situací: a) výstavba pracoviště IV. kategorie kromě pracoviště s jaderným zařízením, b) provoz pracoviště III. kategorie nebo pracoviště IV. kategorie, c) provedení rekonstrukce nebo jiných změn ovlivňujících radiační ochranu, monitorování radiační situace a zvládání radiační mimořádné události pracoviště III. kategorie a pracoviště IV. kategorie; prováděcí právní předpis stanoví výčet změn ovlivňujících radiační ochranu, monitorování radiační situace a zvládání radiační mimořádné události pracoviště III. kategorie a pracoviště IV. kategorie, d) jednotlivé etapy vyřazování z provozu pracoviště III. kategorie a pracoviště IV. kategorie, e) uvolňování radioaktivní látky z pracoviště, nestanoví-li tento zákon jinak, f) nakládání se zdrojem ionizujícího záření, g) přidávání radioaktivní látky do spotřebního výrobku při jeho výrobě nebo přípravě nebo k dovozu a vývozu takového spotřebního výrobku, h) vykonávání služeb významných z hlediska radiační ochrany …atd. § 63 Limity ozáření (1) Limitem ozáření je kvantitativní ukazatel pro omezení celkového ozáření fyzické osoby z činností v rámci plánovaných expozičních situací. (2) Limity ozáření jsou a) obecné limity pro obyvatele, b) limity pro radiační pracovníky, c) limity pro žáky a studenty. § 66 Optimalizace radiační ochrany (1) Každý, kdo vykonává činnosti v rámci expozičních situací, je povinen při optimalizaci radiační ochrany zohlednit rozsah ozáření, jeho pravděpodobnost a počet fyzických osob vystavených ozáření. § 67 Zproštění (1) Každý může vykonávat radiační činnost bez ohlášení, registrace nebo povolení, pokud je tato činnost odůvodněna a vykonávána se zdrojem ionizujícího záření, který a) je radioaktivní látkou, jejíž aktivita je nižší než hodnota zprošťovací úrovně, nebo zařízením takovou látku obsahujícím nebo uvolňujícím, b) je generátorem záření emitujícím ionizující záření s energií nepřevyšující 5 keV, c) je katodovou trubicí určenou k zobrazování nebo jiným elektrickým zařízením pracujícím při rozdílu elektrických potenciálů nepřevyšujícím 30 kV, u něhož je příkon dávkového ekvivalentu na kterémkoli přístupném místě ve vzdálenosti 0,1 m od povrchu zařízení menší než 0,001 mSv/h, nebo d) byl uvolněn z pracoviště v souladu s tímto zákonem. Vyhláška 422/2016 Sb. § 3 Obecné limity pro obyvatele (K § 63 odst. 6 atomového zákona) Obecnými limity pro obyvatele z ozáření ze všech povolených nebo registrovaných činností za jeden kalendářní rok jsou a) pro součet efektivních dávek ze zevního ozáření a úvazků efektivních dávek z vnitřního ozáření 1 mSv, b) pro ekvivalentní dávku v oční čočce 15 mSv a c) pro průměrnou ekvivalentní dávku na každý 1 cm2 kůže 50 mSv bez ohledu na velikost ozářené plochy. § 4 Limity pro radiačního pracovníka (K § 63 odst. 6 atomového zákona) (1) Limity pro radiačního pracovníka musí být použity pro omezení profesního ozáření a jsou a) pro součet efektivních dávek ze zevního ozáření a úvazků efektivních dávek z vnitřního ozáření 20 mSv za kalendářní rok nebo hodnota schválena Úřadem podle § 63 odst. 4 atomového zákona, nejvýše však 100 mSv za 5 po sobě jdoucích kalendářních let a současně 50 mSv za jeden kalendářní rok, b) pro ekvivalentní dávku v oční čočce 100 mSv za 5 po sobě jdoucích kalendářních let a současně 50 mSv v jednom kalendářním roce, c) pro průměrnou ekvivalentní dávku na každý 1 cm2 kůže 500 mSv za kalendářní rok bez ohledu na velikost ozářené plochy a d) pro ekvivalentní dávku na ruce od prstů až po předloktí a na nohy od chodidel až po kotníky 500 mSv za jeden kalendářní rok. A na závěr motto: Mírná radioaktivita nikdy neškodí. prof. Jiří Příhoda