PRAKTICKÁ VÝUKA PŘÍRODOVĚDNÝCH PŘEDMĚTŮ NA ZŠ A SŠ CZ.1.07/1.1.30/02.0024 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
Oborová exkurze FYZIKA
Téma: JADERNÝ VÝZKUM Autor: Mgr. Robert Kunesch
JADERNÝ VÝZKUM 1
ÚVOD Jaderný výzkum není na první pohled atraktivním tématem. Pokud se ale vezme v úvahu jeho propojení s pojmy, jakými jsou jaderná elektrárna nebo CERN, rázem se téma vyšplhá do nejvyšších pater zájmu populace. Je třeba přiznat, že popularizace se zmiňovaným záležitostem dostalo medializací spíše v negativním smyslu. Havárie jaderných elektráren ve světě a s tím související bezpečnost jaderných elektráren na jedné straně a náhled odpůrců Evropské organizace pro jaderný výzkum na tuto organizaci jakožto na černou díru na peníze (nehledě na náboženské radikály) na straně druhé… Toť bezesporu velmi choulostivá a frekventovaná témata. Je nezbytně nutné, aby měl každý student možnost získat dostatečné informace, a to formou nejen odborného výkladu, co možná nejpregnantněji podaného, ale také podpořit teoretický výklad názornou ukázkou přímo v provozu a umožnit tím studentům, aby si udělali co možná nejobjektivnější náhled na danou problematiku. Jaderná fyzika je jedním z nejobtížnějších oborů fyziky a tento předmět sám o sobě je mezi studenty vnímán jako jedna z nejméně oblíbených věd. Formou exkurze lze snáze poukázat na fakt, že se nejedná o cosi suchopárného či odtrženého od reality. Exkurzi bude předcházet výuka zaměřená na základní poznatky z jaderné fyziky, jaderné energetiky a urychlování částic. Výuka bude provedena formou dvou seminářů. V Ústavu jaderného výzkumu v Řeži u Prahy se účastníci exkurze budou moci seznámit s některými zařízeními, které slouží jako základní pilíře jaderného výzkumu nejen pro Českou republiku. Studenti uvidí v provozu výzkumný reaktor a experimenty související se skladováním vyhořelého paliva z jaderných elektráren a s perspektivními směry v jaderné energetice plus další reaktor, vhodný pro realizaci fyzikálních experimentů. Žáci se seznámí s urychlovači částic. V ÚJV jsou to jednak tandetron, což je typ lineárního urychlovače iontů, který dovoluje urychlovat prvky od toho nejlehčího – vodíku – až k tomu nejtěžšímu – zlatu (k urychlování se používá elektrostatické pole), a jednak cyklotron, který slouží k přípravě radioaktivních atomů, jimiž se připravují radioaktivní léčiva. Součástí sekce jsou specializované laboratoře, na nichž se provádí kontrola vyrobených léčiv. HISTORIE JADERNÉHO VÝZKUMU Historie jaderného výzkumu začíná přirozeně historií výzkumu atomu, respektive historií prvních představ o atomu. Domněnky starověkých filozofů – Leukippa a Démokrita – o atomárním složení hmoty byly po dlouhá staletí jednou z alternativ složení hmoty. Dle jmenovaných myslitelů nešlo hmotu dělit do nekonečna a atom byl právě onou nejmenší nedělitelnou částicí.
2
2
JADERNÝ VÝZKUM První experimenty a poznatky, které tyto domněnky vyzdvihly na úroveň hypotézy, shrnul v roce 1808 význačný chemik John Dalton do zákonu stálých poměrů slučovacích: Prvky se sloučí ve sloučeninu beze zbytku jen tehdy, jsou-li poměry hmotností prvků v poměru malých celých čísel. To vedlo k specifikaci pojmu molekula – útvar složený z vázaných atomů. V roce 1811 vypočítal Amadeo Avogadro počet molekul v jednom molu jakéhokoli prvku či sloučeniny. Dnes se toto číslo nazývá Avogadrovým číslem. Atomy byly v té době stále ještě považovány za – v souladu s původním významem slova atomos – nedělitelné a bez vnitřní struktury. První náznaky toho, že atomy mohou mít vnitřní strukturu, naznačovaly už pokusy Michaela Faradaye. K elektrolytickému vyloučení 1 valu (mol dělený vazností) je třeba vždy stejného náboje. Faradayův náboj naznačuje, že všem atomům je společná jistá struktura elektrického náboje. Dalším významným objevem na cestě do nitra hmoty byl objev katodových paprsků. Jsou to paprsky, které vycházejí z katody, která je spolu s anodou ve skleněné trubici s vyčerpaným vzduchem. Šíří se přímočaře, vyvolávají zelené světélkování skla, neprocházejí kovem a odchylují se v magnetickém poli. Přenášejí hybnost, ve speciální trubici mohou roztáčet lehký mlýnek. O vysvětlení podstaty katodových paprsků usiloval Joseph John Thomson. Provedl velké množství pokusů, při kterých dokázal, že paprsky mohou projít i tenkým sklem mimo trubici. Pokus s magnetickým polem naznačoval, že katodové záření by mohlo být tvořeno svazkem záporných částic. Nedařilo se ale vychylovat katodové paprsky elektrickým polem. Pokus nebyl úspěšný vinou zbytkového plynu v trubici. Katodové paprsky jsou obaleny kladnými ionty, které vznikají ionizací zbytkového plynu v trubici, proto se jako celek jeví paprsek neutrálním. Až ve chvíli, kdy Thomson zlepšil činnost vývěv, podařilo se mu v trubicích s nižším tlakem vychylování elektrickým polem prokázat. V roce 1898 oznámil Thomson svůj objev částic, které jsou záporné, vycházejí z katody, jsou velmi malé a velmi lehké. Nazval je korpuskulemi. Z kvantitativního vyhodnocení vychylování katodových paprsků v elektrickém a magnetickém poli lze vypočítat poměr elektrického náboje a hmotnosti těchto částic. V roce 1900 vyjádřil svoje přesvědčení o tom, že Thomsonovy korpuskule jsou totožné s částicemi vedoucími elektrický proud, George Johnstone Stoney tím, že je nazval elektrony. Thomson svoje částice nazýval dále korpuskulemi více než dalších deset let. Protože elektrony vystupují z látky, jsou principiálně dvě možnosti, jak jsou uloženy v hmotě složené z atomů. Buď jsou součástí atomů, pak ale atomy nejsou nedělitelné, nebo jsou atomy kladné a záporné elektrony poletují v prostoru mezi nimi. Kdyby byla pravdivá druhá možnost, byly by všechny látky elektricky vodivé. Existence izolantů tuto možnost vylučuje. Elektrony jsou proto součástí atomů. J. J. Thomson se pokusil o první model atomu s elektrony.
3
JADERNÝ VÝZKUM
Obr. 1 Pudinkový model atomu Představoval si atom jako kouli s rozměrem řádově 10-10 m z řídké kladné hmoty, ve které plavou záporné elektrony. Správně usoudil, že počet elektronů v neutrálním atomu je roven pořadí prvku v periodické tabulce. Model byl nazván pudinkový, protože připomínal pudink s rozinkami. K dalším objevům směrem do nitra atomu bylo nutné mít částici, která je ale menší než atom a těžší než elektron. Takové částice už ale byly známy od roku 1896, kdy H. Becquerel objevil radioaktivitu a právě toto odhalení bylo prvním krokem k mnoha dalším významným objevům. Velmi dobře se pro zkoumání atomu hodí částice alfa, které jsou téměř desettisíckrát těžší než elektron, mají kladný elektrický náboj, jsou velmi malé a z radioaktivních prvků vyletují obrovskými rychlostmi – až 20 000 km/s. Právě těchto částic se rozhodl E. Rutherford využít k ověření platnosti pudinkového modelu. Částice alfa vycházející z radia nechal ve vakuu procházet velmi tenkou zlatou fólií a pozoroval částice, které fólií prošly. Očekával, že tak prudké střely, jakými částice alfa jsou, projdou řídkými atomy bez nějaké významné změny směru. Prošlé částice se zjišťovaly spintariskopem. To je velmi jednoduchý přístroj, který je tvořen vrstvičkou sulfidu zinečnatého, ve kterém částice alfa při dopadu vyvolávají záblesky. Ty je možné pozorovat lupou. Pokus měl ale nečekaný průběh. Drtivá většina alfa částic skutečně prošla fólií bez znatelné změny směru. Některé částice ale změnily svůj směr velmi výrazně, dokonce se vyskytly částice, které se odrazily zpět. Matematickým rozborem experimentu dokázal Rutherford, že kladná část atomu není rozprostřena v celém objemu atomu s rozměrem 10-10 m, ale vyplňuje jen velmi malou část s rozměrem téměř 10 000krát menším – 10-15 m. V této malé části je soustředěna také téměř veškerá hmotnost atomu. Poměr velikostí této části atomu – dnes jí říkáme jádro atomu – a celého atomu je asi ve stejném poměru jako zrnko máku a koule o průměru 100 m. Pokud alfa částice prolétá atomem ve velké
4
JADERNÝ VÝZKUM vzdálenosti od jádra, neodchýlí se. Teprve při průletu těsně vedle jádra začnou působit odpudivé síly mezi kladným jádrem a kladnou alfa částicí. Protože jádro zlata má mnohem větší hmotnost než částice alfa, částice se odchýlí. Úhel bude tím větší, čím blíže k jádru částice prolétá. Rutherford nazval nový model atomu planetárním. Dále Rutherford zjistil (roku 1919), že ozařováním dusíku částicemi alfa vznikají protony. Tento jev vysvětlil tím, že při zásahu jádra dusíku částicí alfa dojde k jaderné reakci, při níž vznikne jádro kyslíku 17O a uvolní se proton 1H: Tak byla provedena první jaderná přeměna prvků. Dalekosáhlý význam měl však především objev jaderných reakcí, při nichž vznikal umělý, v přírodě se nevyskytující radioaktivní izotop - radioizotop. Takový děj byl nazván „umělá radioaktivita" a o jeho objev se zasloužili F. Joliot-Curie a jeho žena I. Curie v roce 1934. Příprava radioizotopů se stala prakticky významnou, když italský fyzik E. Fermi prokázal, že pomocí neutronů lze umělé radioizotopy získat téměř u všech prvků. Ve dvacátých letech se obecně přijímal názor, že jádra atomů jsou tvořena pouze protony. Ruský atomový fyzik G. Gamov navrhl, aby se jádra atomů nebombardovala částicemi alfa, ale aby se k tomuto účelu použilo protonů. To vedlo ke konstrukci částicových urychlovačů podle návrhu G. Gamova. Britský atomový fyzik J. D. Cockroft a E. T. S. Valton postavili roku 1929 první urychlovač částic. Urychloval protony tak silně, že mohly vyvolávat jaderné reakce. Při zkoumání látky alfa částicemi, které použil Rutherford ke svému novému modelu atomu, se přesto nalezl ještě jeden významný objev. V roce 1932 objevil novou částici Chadwick na základě předpovědi dalších fyziků. Touto částicí je neutron, vedle již známého protonu a elektronu třetí částice, za kterých se skládá atom. Chadwick tak vysvětlil podivné chování berylia při pokusech, které již dříve prováděli manželé Curieovi – při ozařování berylia částicemi alfa se projevily účinky ve větší vzdálenosti, než jakou jsou schopny urazit částice alfa. Jádro berylia se spojí s částicí alfa, vznikne nový prvek – uhlík – a částice, která má téměř stejnou hmotnost jako proton, je ale elektricky neutrální – neutron. Pro W. Heisenberga byl objev neutronů impulsem k teorii, podle které se atomová jádra neskládají pouze z protonů, jak se dosud předpokládalo, nýbrž z protonů a neutronů. Jeho teorie vysvětlila, proč je velká část atomových jader stabilní. Kladně nabité protony by se musely silně vzájemně odpuzovat. Podle Heisenberga jsou spolu drženy pomocí neutronů. Přitom musí být u lehkých atomů v jádře na jeden proton nejméně jeden neutron, u těžkých atomů musí neutrony dokonce převažovat. U velmi těžkých prvků se vyskytuje menší počet neutronů, jejich jádra jsou však radioaktivní a rozpadají se. Pomocí nové Heisenbergovy teorie bylo možno také lépe vysvětlit a popsat izotopy. Objev neutronu otevřel cestu k největšímu objevu jaderné fyziky 20. století - ke štěpení jader atomů. K objevu štěpných reakcí vedly práce, které zahájil v Římě E. Fermi se svými spolupracovníky. Štěpení jader
5
JADERNÝ VÝZKUM provázelo uvolnění velkého množství energie, ale praktické uplatnění se začalo jevit reálné až tehdy, když se prokázalo, že při štěpení jádra uranu se uvolňuje několik rychlých neutronů. Každý z těchto neutronů po zpomalení může vyvolat štěpení dalších jader atomů uranu a může tak být vyvolána řetězová štěpná reakce. Další vývoj v této oblasti však ovlivnily politické události (2. světová válka). Nové objevy byly prohlášeny za přísně tajné a přestaly se zveřejňovat. Někteří vědci museli ze svých vlastí uprchnout před fašismem (například A. Einstein, E. Fermi, M. Born, L. Meitnerová, L. Szilard, N. Bohr). Existovala reálná obava, že fašistické Německo bude usilovat o vývoj atomové zbraně. Proto z popudu některých fyziků začali na její výrobě pracovat i v USA. Již v roce 1939 A. Einstein referoval prezidentu Spojených států amerických F. D. Rooseveltovi o možném vývoji atomové bomby. Práce se rozběhly v roce 1942 ustavením projektu Manhattan (krycí název pro utajený vývoj atomové bomby). Byl sestaven vědecký tým a bylo vybudováno výzkumné středisko v Los Alamos, továrna na výrobu a obohacování uranu. V čele vědců stál R. Oppenheimer, považovaný za „otce americké atomové pumy". Když bylo zřejmé, že se Němcům nepodaří vyrobit atomovou zbraň, někteří vědci navrhovali, aby byly práce na výrobě atomové bomby zastaveny nebo aby nebylo výsledků tohoto úsilí dále použito. Tyto snahy však nebyly vyslyšeny a atomová bomba byla svržena 6. a 9. srpna 1945 na japonská města Hirošima a Nagasaki, která byla prvními a dodnes jedinými cíli atomových bomb. Jen několik dní předtím (16. července) vyzkoušeli nukleární zbraň američtí vědci na poušti White Sands poblíž města Alamogordo v Novém Mexiku. ÚJV ŘEŽ Akciová společnost ÚJV Řež má dlouhodobou vizi být špičkovou vědecko-výzkumnou a inženýrskou společností se zaměřením na využití jaderných technologií v různých oborech a na dlouhodobě udržitelnou energetiku se šetrným vlivem na životní prostředí. Služby poskytované provozovatelům jaderných elektráren v Dukovanech a Temelíně významně přispívají k bezpečnému, spolehlivému a ekonomickému provozu jaderných elektráren, a k bezpečnému nakládání s radioaktivními odpady. Ústav se rovněž významně podílí projekčněinženýrskou činností na obnově klasických elektráren a přípravě výstavby jaderných elektráren. Nukleární medicína je dalším nosným oborem činnosti Ústavu zejména v oblasti diagnostiky různých onemocnění. Všechny prováděné činnosti a poskytované služby jsou dodávány v nejlepší kvalitě. Ta je zabezpečena tradicí, vynikajícími referencemi a udržováním a rozvíjením znalostního potenciálu zaměstnanců. Principy bezpečnosti, jakosti a ochrany životního prostředí jsou základními pilíři pracovních postupů a jsou potvrzeny příslušnými certifikáty. Ústav se účastní 3
6
JADERNÝ VÝZKUM řady mezinárodních projektů v oblasti jaderného výzkumu, u nichž uplatňuje své odborné kvality a posiluje svoji mezinárodní prestiž a významně se podílí na výchově mladých odborníků na vysokých školách. Ekonomická situace společnosti je dlouhodobě konsolidovaná. Ústav tvoří jeden z význačných pilířů české jaderné energetiky.
Obr. 2 Ústav jaderného výzkumu Řež Skupina ÚJV je uskupení organizací výzkumu a vývoje, projekčních a inženýrských služeb, technického inženýringu, výroby speciálních produktů a zařízení a expertních činností v oblastech energetiky, průmyslu a zdravotnictví. Hlavním posláním Skupiny ÚJV je: •
být klíčovou technicko-inženýrskou a výzkumnou organizací přispívající k rozvoji dlouhodobě udržitelné energetiky v ČR,
•
být významnou součástí Evropského výzkumného prostoru v oblasti energetiky a své znalosti promítat do služeb zákazníkům v EU a v oblastech strategických zájmů EU,
•
znalosti získané v oblasti energetiky zhodnocovat v ostatních průmyslových oblastech. Skupina má několik členů, z nichž je pro naši exkurzi nejvýznamnější Centrum výzkumu Řež s.r.o. Výzkumná organizace je zaměřená na výzkum a vývoj zejména v oblasti jaderné energetiky, provozuje výzkumný reaktor LVR-15 a experimentální reaktor LR-0, je součástí velké infrastruktury výzkumu a vývoje ČR, spolupracuje s vysokými školami na výchově nových odborníků pro energetiku, vytváří kapacity pro odbornou technickou podporu státnímu dozoru.
7
JADERNÝ VÝZKUM 4
JADERNÝ REAKTOR
4.1 Historie Při jaderném výzkumu na podkladu spontánní štěpné reakce kromě vývoje zbraní začaly i práce na využití štěpné reakce kontrolované. V USA se tímto problémem zabývala skupina vedená E. Fermim. Té se podařilo 2. prosince 1942 na fotbalovém hřišti chicagské univerzity spustit první atomový reaktor. Palivem byl přírodní uran moderovaný grafitem a reakce probíhala 28 minut. S mírovým využíváním jaderné energie se začalo brzy po válce. První jaderný reaktor v Evropě postavil v Paříži F. Joliot-Curie v roce 1948. Jaderný reaktor je "srdcem" jaderné elektrárny. Jde o zařízení, v němž probíhá štěpná reakce. K hlavním komponentám, které umožňují provoz reaktoru, patří palivo, moderátor, absorbátor a chladivo.
Obr. 3 Jaderný reaktor 4.2 Jaderné palivo Vsázka paliva do reaktoru typu VVER představuje dané množství UO2 ve tvaru válečků (pelet). Ty jsou uloženy v palivových proutcích sdružených do palivových souborů (kazet). Energetický obsah jedné pelety (v reaktoru jsou jich řádově desítky milionů) nahradí 1,6 t hnědého uhlí. Tato energie se z pelety získává v průběhu 4 let. Palivo se vkládá do aktivní zóny reaktoru. Palivové proutky jsou chráněny povlakem ze speciální slitiny, nejčastěji
8
JADERNÝ VÝZKUM na bázi zirkonia. Tento povlak zaručuje předání tepla z paliva chladivu a zároveň nepropustí radioaktivní štěpné produkty. 4.3 Chladivo Štěpící se materiál vyžaduje neustálé ochlazování tak, aby nedošlo k roztavení povlaku jaderného proutku, úniku štěpných produktů a aby byla zajištěna bezpečnost reaktoru. To zajišťuje chladivo, které odvádí teplo tam, kde ho lze využít. Jako chladivo se nejlépe osvědčuje obyčejná voda, těžká voda, oxid uhličitý, helium, v rychlých reaktorech také sodík, olovo a některé soli nebo slitiny. 4.4 Regulace – moderátor, absorbátor K nastartování reaktoru se používá vnější neutronový zdroj. Pravděpodobnost, že při svém letu neutron rozštěpí jádro izotopu uranu 235, je malá, spíše se při srážce s ním jen odrazí, aniž by předal část své velké energie. Je třeba ho zpomalit. Látkou, která neutrony zpomaluje, je tzv. moderátor. Moderátorem bývá u reaktoru, kde štěpení obstarávají pomalé neutrony, nejčastěji voda, ale také grafit nebo těžká voda (D2O). U reaktorů, které pracují na bázi rychlých neutronů, moderátor chybí. Živelnému štěpení zabraňuje tzv. absorbátor, který zachycuje přebytečné neutrony. Absorbátor se do aktivní zóny vkládá také ve formě tyčí, podobně jako palivo. Výkon reaktoru se reguluje výškou vytažení nebo zasunutí regulačních tyčí do aktivní zóny. 4.5 Bezpečnost jaderného reaktoru Při konstrukci jaderné elektrárny se klade hlavní důraz na bezpečnost reaktoru. Pro případ okamžitého zastavení reaktoru jsou připraveny havarijní tyče. V nich bývá mnohem vyšší koncentrace absorbátoru než v tyčích regulačních. Havarijní tyče jsou vysunuty nad aktivní zónu, kde je drží elektromagnety. V případě nebezpečné havárie elektrárny havarijní signál vypne elektromagnety a tyče spadnou do aktivní zóny reaktoru a štěpnou reakci zastaví. 4.6 Konstrukce jaderného reaktoru Reaktor je v podstatě veliká nádoba nebo soustava nádob, která musí odolávat vysokým tlakům, teplotám a intenzivnímu toku neutronů. V současnosti se používají tři typy nádob reaktoru: •
Reaktor s tlakovou nádobou je vhodný tam, kde je objem paliva přibližně stejně velký jako objem moderátoru. Reaktorová nádoba je vyrobena ze speciální nerezavějící oceli, průměr bývá okolo 7 metrů a výška až 23 metrů.
9
JADERNÝ VÝZKUM •
Reaktory s nádobou ze železobetonu se používají v elektrárnách, kde se ke zpomalování neutronů využívá grafit. Vnitřní rozměry takových železobetonových nádob dosahují desítek metrů. Jsou velmi odolné proti tlaku.
•
Reaktor s tlakovými trubkami je vhodný v případech, kde objem moderátoru je mnohem větší než objem paliva. Palivo je umístěno v trubkách obklopených bloky moderátoru. Celý systém je uzavřen v betonové budově.
4.7 Bezpečnost jaderných reaktorů Nejdůležitějšími faktory sledovanými u projektů jaderných reaktorů jsou bezpečnost, ekonomická výhodnost provozu a vyloučení vojenského zneužití. Většina projektů budoucích jaderných elektráren navazuje na dnešní osvědčené typy, které zpravidla využívají tlakovodní reaktory (viz "typy reaktoru"). Jejich projekty vycházejí ze dvou bezpečnostních principů: •
tzv. inherentní bezpečnost využívá základní fyzikální principy, které samy vyloučí nebezpečí havárie atomové elektrárny,
•
tzv. pasivní bezpečnost zmírňuje následky případných havárií; ta spolu s bariérami zabrání uniku nebezpečných látek i v případě, že by aktivní bezpečnostní a havarijní technika selhaly.
5
URYCHLOVAČE ČÁSTIC V přírodě se vyskytují částice s obrovskými energiemi – jsou to částice kosmického záření, které neustále dopadá na Zemi z vesmíru. V kosmickém záření byla objevena další částice – pozitron. Je to částice téměř totožná s elektronem, má pouze opačný – kladný – náboj. Patří do velké skupiny, kterým říkáme antičástice. K pozorování a zkoumání vlastností částic používají fyzikové různé detektory, některé z nich mohou zobrazovat i trajektorie částic. Často jsou detektory doplňovány magnetickým polem, které umožňuje zjistit energie a elektrické náboje částic. Kosmické záření sice obsahuje částice velkých energií, ty jsou ale vzácné a přilétají v náhodných směrech v náhodných časových okamžicích. Pro pokusy potřebovali fyzikové zdroj částic s velkou energií, kterou by mohli řídit a směrovat podle potřeby. Tak vznikly urychlovače částic. Základem nejjednoduššího urychlovače je Van de Graafův zdroj vysokého napětí. Využívá se toho, že pokud má částice elektrický náboj Q a proletí mezi body s elektrickým napětím U, získá energii E = Q ⋅ U . Pokud má částice náboj rovný náboji elektronu nebo protonu, získá při průletu napětím 1 voltu energii, kterou označujeme
10
JADERNÝ VÝZKUM 1 elektronvolt. Je to energie velmi malá: 1,6 ⋅ 10 −19 J. Při průletu napětím 10 milionů voltů je to ale už 10 MeV a to je víc, než mají částice alfa z radioaktivní přeměny. Van de Graafův zdroj vysokého napětí je poměrně jednoduché zařízení, které se používá i při pokusech z fyziky na základní škole. Větší generátory dosahují napětí několika desítek tisíc až několika desítek milionů voltů. Skutečné provedení urychlovače obsahuje kromě nezbytných součástí Van de Graafova zdroje ještě další zařízení. Protože by v atmosféře hrozilo vybití konduktoru jiskrovým výbojem do země, umisťuje se celý urychlovač do nádoby se stlačeným plynem, která má velkou odolnost proti průrazu výbojem. Urychlovačem, kterým je možné získat částice s podstatně větší energií, je lineární urychlovač. Ten umožňuje urychlovat částice opakovaným průletem mezi elektrodami s vysokým napětím. Základem je soustava elektrod ve tvaru válcových plášťů se společnou osou, které jsou umístěny ve vakuové nádobě. Liché i sudé elektrody jsou propojeny a je na ně připojeno vysoké střídavé napětí.
Obr. 4 Lineární urychlovač Před první elektrodou je v ose umístěn zdroj částic, které chceme urychlovat. Jsou-li například tyto částice kladné, vypustí se v okamžiku, kdy je první (současně i 3., 5., 7. ad.) elektroda záporná. Záporná elektroda přitáhne částice. Vlétnou-li částice dovnitř válce, přestane na ně působit elektrické pole, protože to je uvnitř vodiče nulové. První válec má výšku (délku), která je vypočítána tak, aby doba rovnoměrného přímočarého pohybu částic uvnitř válce byla rovná půlperiodě střídavého napětí. Proto je v okamžiku, kdy částice vylétají z první elektrody druhá elektroda záporná a opět částice v mezeře mezi první a druhou
11
JADERNÝ VÝZKUM elektrodou urychlí. Uvnitř druhé elektrody je elektrické pole opět nulové a částice se pohybují rovnoměrně přímočaře. Protože ale mají už větší rychlost, druhá elektroda musí být delší. Do mezery mezi druhou a třetí elektrodou vyjdou částice opět v okamžiku, kdy je třetí elektroda záporná. Je-li proto mezer mezi elektrodami n, částice mají náboj Q a amplituda střídavého napětí je U, mají částice na konci energii E = 2 ⋅ n ⋅ Q ⋅ U . Dvojka je tam proto, že částice je v každé mezeře urychlována napětím 2U (zadní elektroda má napětí + U , přední − U ). V současnosti je největším lineárním urychlovačem urychlovač v Kalifornii s označením SLAC. Collider je označení pro urychlovače, ve kterých se urychlují dva svazky částic. Ty se pak nasměrují do opačných směrů a srážejí se. Energie při srážce je mnohem větší, než energie při nárazu do klidné částice – důkaz bude na dalším obrázku. Na urychlovači SLAC bylo objeveno několik nových částic. Již v roce 1969 to bylo potvrzení kvarkové struktury hadronů, význam má tento urychlovač dodnes. Například v roce 2003 byla objevena zajímavá částice složená ze 4 kvarků. Důvodem, proč se stále častěji staví urychlovače, ve kterých se srážejí částice letící proti sobě, je relativita. Částice s tak obrovskými energiemi se pohybují téměř rychlostí světla ve vakuu. Proto s energií již neroste jejich rychlost, ale hmotnost. Elektrony urychlené ve SLACu mají například hmotnost, která je stotisíckrát větší než hmotnost v klidu. Jsou asi 60x těžší než proton. Takovou částici již nemá smysl nechat narážet na jinou částici, která je v klidu. Podobalo by se to nárazu automobilu na mouchu. Energie srážky by byla nepatrná. Matematickým rozborem je možné vypočítat energii srážky pohybující se a klidné částice. Urychlíme-li například proton na energii 200 GeV, uvolní se při srážce s klidným protonem energie jen 20 GeV. Srazí-li se protony s energií 200 GeV, bude energie srážky 400 GeV, což je 20x více než při terčíkové metodě. Collidery mají samozřejmě také nevýhodu: částice jsou nesmírně malé a pravděpodobnost, že se neminou, je daleko menší než při terčíkové metodě, při které je klidných částic mnohonásobně více. Existuje projekt na obrovský lineární urychlovač – TESLA. Měl být u výzkumného centra DESY v Hamburku. V tunelu délky 33 km měly být postaveny dva lineární urychlovače, které by umožnily urychlovat a srážet elektrony s energií až 250 GeV. Tento projekt se však zatím neuskutečnil pro veliké náklady. V našich končinách je díky velké medializaci nejvíce znám komplex urychlovačů CERN se sídlem v Ženevě. Vědečtí pracovníci z ÚJF v Řeži spolupracují právě s Evropskou organizací pro jaderný výzkum CERN.
12
JADERNÝ VÝZKUM
Obr. 5 Komplex urychlovačů CERN Výzkum se zde provádí na cyklotronu, což je kruhový urychlovač. Jeden z druhů kruhových urychlovačů – synchrotron, což byl mj. první urychlovač v CERNU, je druh urychlovače částic, ve kterém je magnetické pole a elektrické pole určitým způsobem synchronizováno s "prolétajícími" částicemi.
13
JADERNÝ VÝZKUM 6
PRACOVIŠTĚ ÚJV ŘEŽ - JADERNÉ REAKTORY A URYCHLOVAČE ČÁSTIC
6.1 Výzkumný reaktor LR-0 Poskytuje vědecko-technickou základnu pro experimenty v oblasti fyziky aktivní zóny a stínění lehkovodních reaktorů typu VVER (stejně jako Temelín, Dukovany), PWR („západní“ konstrukce) a experimenty související se skladováním vyhořelého paliva z jaderných elektráren a s perspektivními směry v jaderné energetice. Reaktor LR-0 je řešen univerzálním způsobem, vhodným pro realizaci fyzikálních experimentů na aktivních zónách typu VVER. 6.2 Výzkumný reaktor LVR-15 Reaktor LVR-15 je výzkumný lehkovodní reaktor tankového typu umístěný v beztlakové nerezové nádobě pod stínicím víkem, s nuceným chlazením, s palivem typu IRT-4M (obohacení do 20 % U-235) a s provozním tepelným výkonem do 10 MW. Reaktor slouží pro potřeby materiálového výzkumu a k výrobě radioizotopů. Na zkoumaných objektech analyzuje, z jakých materiálů je tvořen a proč.
Obr. 6 Výzkumný reaktor LVR-15
14
JADERNÝ VÝZKUM
Obr. 7 Mapa jaderného reaktoru LVR-15 6.3 Urychlovač tandetron Tandetron je typ lineárního urychlovače iontů, který dovoluje urychlovat od toho nejlehčího vodíku až k tomu nejtěžšímu, kterým je v našem případě zlato. K urychlování se používá elektrostatické pole. Tento moderní urychlovač se využívá hlavně k výzkumu vlastností různých materiálů nebo k jejich úpravám. Může velice přesně měřit povrchové vlastnosti a chemické složení materiálu i jejich změny, a to s hloubkou pod povrchem. 6.4 PET Centrum PET Centrum je moderní specializované pracoviště, na kterém se připravují radioaktivní léčiva. Jedná se o nejnovější budovu v areálu, dokončenou v dubnu 2012. Srdcem unikátního vybavení je cyklotron, který slouží k přípravě radioaktivních atomů. Součástí jsou specializované laboratoře, na nichž se provádí kontrola připravených léčiv.
15
JADERNÝ VÝZKUM 6.5 Laboratoř borové chemie „Aplikace základního výzkumu“ Chemie klastrových hydridů boru má na Ústavu anorganické chemie AV ČR dlouhou tradici. Za dobu své existence si díky úspěchům v oblasti základního výzkumu a aplikací těchto poznatků získal respekt široké světové vědecké komunity. ZÁVĚR Absolvování této exkurze by mělo přiblížit studentům praktický náhled na různé oblasti jaderného výzkumu a na problematiku jaderné energie, tedy na oblasti, které jsou v současné době hojně medializovány a které dosud měli možnost poznat pouze v teoretických aspektech. Nedílnou součástí studia fyziky je pozorování probíhajících procesů za účelem komplexního chápání podstaty přírodních dějů. Názornější představu o jaderném výzkumu, jaderné bezpečnosti a budoucnosti jaderné energie by účastníci neměli možnost získat jinde než právě v Ústavu jaderného výzkumu v Řeži u Prahy, jelikož zde se nachází naprosto unikátní zařízení, která jsou ojedinělá v rámci ČR. 7
LITERATURA 1. RAUNER, Karel, Václav HAVEL a Miroslav RANDA. NAKLADATELSTVÍ FRAUS. Fyzika 9: učebnice pro základní školy a víceletá gymnázia. 1. vydání. Plzeň: Fraus, 2007. ISBN 97880-7238-617-8. 2. http://www.ped.muni.cz/wchem/sm/hc/hist/tov/jadernaenergie.html 3. http://www.mensagymnazium.cz/pdf/prace-studentu/atomova-energie.pdf 4. http://www.firmy.cz/detail/293140-ujv-rez-husinec-rez.html 5. http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Rutherford_Scattering.svg&filetimesta mp=20100309190247 6. http://www.cez.cz/edee/content/microsites/nuklearni/k35.htm 7. http://fyzika.jreichl.com/main.article/view/857-linearni-urychlovac 8. http://jakub.serych.cz/book/export/html/40 9. http://cvrez.cz 10. http://www.ujv.cz/cz/pro-verejnost
16
