Sadaļā par radioaktivitāti tika apskatīta kodolu šķelšanās, kuras rezultātā veidojās α, β un γ starojums, kā arī elements pārvērtās par kādu no blakus elementiem ķīmisko elementu periodiskajā tabulā. Šī šķelšanas notiek dabiskā ceļā, bez ārējas stimulācijas, tādēļ to sauc par dabīgo radioaktivitāti. Kodolus var šķelt, uz tiem arī ārēji iedarbojoties, tādā veidā izraisot mākslīgo radioaktivitāti. Piemēram, ja urāna-235 kodola virzienā tiek raidīts neitrons, tad pastāv iespēja, ka urāna kodols šo neitronu absorbē, tādā veidā kļūstot par izotopu urāns-236. Šis izotops ir ļoti nestabils, tādēļ drīz vien, notiekot kodolreakcijai, urāna kodols sadalās divu elementu – bārija (Ba) un kriptona (Kr) kodolos (1. att.). Kodolreakcijā rodas arī trīs brīvi neitroni, kas var tālāk izraisīt jaunas kodolreakcijas.
Apskaties DZM materiālu par urāna kodola dalīšanos!
1.att. Urāna-235 dalīšanās reakcija
Jāpiezīmē, ka Ba un Kr nav vienīgā iespējamā reakcija, iespējamas arī daudzas citas, tādēļ vispārēju urāna-235 dalīšanās reakciju var attēlot, kā tas redzams 2. att.
2.att. Vispārīga urāna-235 dalīšanās reakcija
Ja kodolreakcijas rezultātā radušies neitroni sastopas ar citiem urāna kodoliem, tad atkal var notikt kodolreakcija, kuras rezultātā urāna kodols sašķeļas divos gabalos un atkal tiek radīti vairāki brīvie neitroni. Tā kā viena urāna-235 kodola sadalīšanās rezultātā rodas līdz par trīs brīvajiem neitroniem, tad viena šāda kodola sadalīšanās var izraisīt līdz pat trīs citu kodolu sadalīšanos. Tas var izraisīt lavīnveida kodolreakciju, kas beidzas ar kodolsprādzienu.
Lai raksturotu kodolreakcijas attīstības dinamiku, lieto neitronu pavairošanas koeficientu k. Šis koeficients ir vienāds ar n-tās paaudzes neitronu skaita attiecību pretn-1 paaudzes neitronu skaitu. Ja k > 1, tad kodolreakcija attīstās nekontrolējamā lavīnveidā (3. att. a). Šādu kodolreakcijas dinamiku izmanto kodolieročos. Ja k ≈ 1, tad kodolreakcijas notiek vienmērīgi un to gaita ir vadāma (3. att. b). Šāda kodolreakciju gaita ir jāpanāk kodolreaktoros, lai kodolenerģiju pārvērstu elektroenerģijā. To panāk, izmantojot materiālus, kas absorbē neitronus. Ja k < 1, tad kodolreakcija apstājas.
Apskaties sīklietotni par kodolreakcijām!
3.att. Dažāda kodolreakciju dinamika
Kodolreakcijas nenozīmē tikai kodolu sašķelšanos, kodoli var arī saplūst, un arī šajā procesā izdalās enerģija, turklāt izdalītās enerģijas apjoms ir daudz lielāks nekā kodolu dalīšanās reakcijās. Kodolu saplūšanas reakcijas sauc par kodolsintēzes reakcijām. Šāda veida kodolreakcijas notiek zvaigžņu (arī Saules) dzīlēs un ir to starojuma enerģijas avots. Viena no kodolsintēzes reakcijām ir ūdeņraža izotopu deitērija un tritija saplūšana, veidojot hēlija kodolu, vienu neitronu un izdalot daudz enerģijas. Atšķirībā no kodolu dalīšanās reakcijām, kodolsintēze notiek tikai ļoti augsta spiediena un temperatūras apstākļos, tādēļ pagaidām enerģijas iegūšana kodolsintēzes rezultātā vēl ir attīstības stadijā.
Ielūkojies materiālā par kodolreakcijām!
4.att. Kodolsintēzes reakcija
Lai uzzinātu, vai enerģija izdalīsies kodola dalīšanās vai kodolsintēzes reakcijā, jālieto grafiks, kurā attēlota atomu kodolu īpatnējā saites enerģija uz vienu nuklonu (5. att.). Kodolreakcijas rezultātā rodas produkti, kam kodolu īpatnējā saites enerģija ir lielāka nekā pirms reakcijas. Tā kā vislielākā īpatnēja saites enerģija ir dzelzij (Fe), tad visas kodolreakcijas notiks „līdz dzelzij” (5. att.), attiecīgi, ja elementa nuklonu skaits kodolā ir lielāks nekā dzelzij, tad dzelzs virzienā notiek kodola dalīšanās reakcijas, bet kodolsintēze notiek, ja nuklonu skaits elementa kodolā ir mazāks nekā dzelzij (5. att.).
5.att. Kodolu īpatnējās saites enerģijas līkne
Lai kodolu dalīšanās reakciju rezultātā iegūto enerģiju pārvērstu elektroenerģijā, ir nepieciešami dažādi tehniskie risinājumi, kas visi apvienojas atomelektrostacijā (AES). Pirmkārt, svarīga AES sastāvdaļa ir kodolreaktors. Kodolreaktoram ir nepieciešama degviela, par kuru kalpo kāda elementa izotops, kurā var ierosināt kodolu dalīšanās reakciju. Daļa kodolreaktoru darbojas ar urāna-235 degvielu, kas pakļaujas jau 1. solī apskatītajai kodola dalīšanas reakcijai (1. att. a). Šīs dalīšanas reakcijas rezultātā tiek iegūti dalīšanās produkti, piemēram, bārijs un kriptons, kuru kodolu īpatnējā saites enerģija ir lielāka nekā urānam, bet mazāka nekā dzelzij (1. att. b).
Urāns ir dabā sastopams elements, taču dabiskais urāns pārsvarā satur urāna-238 izotopu, kas spēj absorbēt neitronus bez dalīšanās reakcijas. Dabīgajā urānā ir tikai 0,7 % urāna-235, tādēļ, pirms urānu lieto kā kodoldegvielu, notiek tā bagātināšanas process, kurā urāna-235 sastāvs tiek palielināts līdz kodoldegvielai nepieciešamajiem 4 – 7 %. Pēc tam degvielu iepilda nerūsējošā tērauda vai magnija sakausējuma caurulēs, kas reaktorā kalpo kā kodoldegvielas stieņi, kuros notiek kodolreakcijas.
1.att. Viena no iespējamām urāna-235 kodola dalīšanās reakcijām
Urāna-235 dalīšanās reakcijā var rasties arī citi produkti, piemēram, radioaktīvais jods (2. att.). Radioaktīvais jods ir ļoti kaitīgs, jo organisms to viegli absorbē un tam ir īss pussabrukšanas periods – tas ir ļoti radioaktīvs. Pēc kodolavārijām tur iesaistītajiem cilvēkiem dod joda tabletes, lai organismā radītu parastā joda piesātinājumu un tas neuzņemtu radioaktīvo izotopu, – to ķīmiskās īpašības ir faktiski identiskas.
2.att. Radioaktīvā joda veidošanās
Urāna-235 kodoli var absorbēt neitronus, ja to ātrums ir neliels, bet kodolu dalīšanās reakcijā radušos neitronu ātrums ir liels. Tādēļ, lai ķēdes reakcija turpinātos, neitronu ātrums ir jāsamazina. To panāk ar neitronu palēninātāju (3. att.). Palēninātājs ir viela ar maziem kodoliem, ar kuriem saduroties, samazinās neitronu ātrums. Kā palēninātāju var lietot, piemēram, grafītu vai ūdeni.
3.att. Neitronu palēninātājs
Lai kodolreakcija noritētu vienmērīgi un vadāmi, vidēji vienam neitronam no katras dalīšanās reakcijas ir jāizraisa jaunas dalīšanās notikums. Tas nozīmē, ka neitronu pavairošanas koeficients k ≈ 1. Neitronu skaits, kas piedalās kodolreakcijās, tiek regulēts ar vadības stieņu palīdzību (4. att.). Ja nepieciešams mazāk neitronu, tad vadības stieņi tiek iebīdīti dziļāk reakcijas zonā, bet, ja neitronu skaits jāpalielina, tad stieņi tiek pavilkti vairāk uz āru. Vadības stieņi ir veidoti no materiāla, kas absorbē neitronus, piemēram, no kadmija vai bora. Ja vadības stieņus pilnībā ielaiž reakcijas zonā, tad kodolu dalīšanās reakcija apstājas. Šādu funkciju var izmantot, ja notiek avārija un reaktors ir jāaptur.
4.att. Neitronu ceļi kodolreaktorā
Kodolreakciju zonā radusies enerģija ir jāaizvada prom, lai varētu to izmantot elektrības ražošanai. Šādam nolūkam var izmantot kontūrā plūstošu siltumnesēju, piemēram, ūdeni (5. att.). Uz kodolreakcijas aktīvo zonu tiek virzīts auksts ūdens, kas uzņem izdalīto enerģiju un pārvēršas tvaikā. Tvaiks tālāk pārvietojas ārpus aktīvās zonas un darbina elektroenerģijas ģeneratoru. Kontūrā plūstošais ūdens kļūst radioaktīvs, tādēļ tam ir jābūt pilnībā norobežotam no apkārtējās vides. Vēl par siltumnesēju var izmantot oglekļa dioksīdu vai šķidru metālu, piemēram, nātriju.
5.att. Reaktora siltumnesējs
Iepriekšminētās sastāvdaļas kopā vēl ar dažiem funkcionāliem elementiem apvienojas atomelektrostacijās (6. att.). Nozīmīga AES sastāvdaļa ir arī dzesēšanas sistēma. Kad kodolreaktorā radītais ūdens tvaiks ir iegriezis turbīnu, tas ir jāatdzesē, lai to atkal varētu nogādāt reaktorā enerģijas uzņemšanai. Šim nolūkam lieto dzesēšanas kontūru, kas dažos gadījumos sastāv no lieliem dzesēšanas torņiem. Šie torņi parasti ir neatņemama sastāvdaļa, ja jāilustrē, kāda izskatās AES.
6.att. Atomelektrostacija
Lai gan mūsdienās tehnoloģijas ir strauji attīstījušās un atomelektrostacijas līdzi tām, tomēr vēl aizvien gadās dažādi lielāki vai mazāki AES kodolnegadījumi. Tas nozīmē tikai to, ka modrību nedrīkst pazaudēt nevienā brīdī un ir stingri jāseko līdzi procesu norisei, piemēram, kodolreakcijas ātrumam, temperatūrai, spiedienam, kā arī jānodrošina, ka apkārtnē neizplūst vielas, kuras bijušas saskarsmē ar radioaktīviem elementiem, piemēram, siltumnesējs (7. att.).
7.att. Homērs seko līdzi AES notiekošajam
Diemžēl kodolreakcijās iegūtā milzīgā enerģija ir vilinājusi dažādas valstis to izmantot ne tikai enerģijas ieguvei, bet arī lai radītu jaudīgu nāvējošu ieroci – atombumbu. Lai realizētos atomsprādziens, ir jāpanāk nekontrolējama kodolreakcija, nodrošinot neitronu pavairošanas koeficientu k > 1. Lai tiktu nodrošināti ķēdes reakcijas apstākļi, ir nepieciešams pārsniegt noteiktu kodoldegvielas daudzumu vienā vietā. Ja daudzuma mērīšanai lieto, piemēram, masu, tad minimumu, kas jāpārsniedz, sauc par kritisko masu. Ja urāna ir mazāk par šo minimālo robežu, tad neitroni paspēs aizsteigties prom no reakcijas zonas un dalīšanās reakcijas apstāsies. Iepriekš tika minēts, ka kodoldegvielai nepieciešams bagātināt urānu-235, līdz tas gala produktā ir 4 – 7 %. Tad nu kodolbumbās urāna-235 saturam jābūt virs 90 %. Kodolieročos urāns tiek sadalīts pa daļām tā, lai katras daļas masa nepārsniegtu kritisko masu (8. att.). Bumbas detonācijas procesā tiek izmantota parasta sprāgstvielas, ka sastumj kopā urāna gabalus (8. att.), panākot to, ka tiek pārsniegta kritiskās masas robeža un spontāni sākas nekontrolējama kodolreakcija jeb kodolsprādziens.
8.att. Atombumbas uzbūve
Enerģijas iegūšanai kodolu dalīšanās reakcijās ir vairāki mīnusi, piemēram, urāna rūda ir vienīgā dabīgā kodoldegviela, un tās krājumi uz Zemes ir ierobežoti, turklāt reakciju rezultātā rodas kodolatkritumi, kas vēl ilgi var kaitēt apkārtējai videi. Šāds mīnuss kodolsintēzes reakcijām ir daudz mazāks. Lai varētu notikt kodolsintēzes reakcijas, elementiem jābūt ar mazāku kodolu īpatnējā saites enerģiju nekā dzelzij (1. att. a). Kā jau tika minēts 1. solī, viena no kodolsintēzes reakcijām ir deitērija un tritija saplūšana, veidojot hēlija kodolu, vienu neitronu un izdalot daudz enerģijas (1. att.). Atšķirībā no urāna krājumiem deitērija kodoli ir atrodami smagajā ūdenī. Smago ūdeni iegūst no parastā ūdens, kura krājumi uz Zemes ir lieli, bet tritiju iespējams sintezēt mākslīgi neitronu reakcijā ar litiju: 63Li + 10n → 42He + 31H.
1.att. Kodolsintēzes reakcija
Kodolsintēzes reakcijas dabīgi notiek zvaigžņu dzīlēs. Tas ir iemesls, kādēļ, paveroties naksnīgās debesīs (2. att. a), mēs varam redzēt zvaigznes, jo līdz mums ir atnākusi kodolsintēzes rezultātā izstarotā enerģija. Arī Saule ir zvaigzne un tās enerģijas avots ir kodolsintēzes reakcijas (2. att. b), tādēļ dažkārt, runājot par kodolsintēzes reaktoru izveidi, saka, ka cilvēki cenšas uz Zemes uzbūvēt vēl vienu Sauli.
2.att. Zvaigznes spīd kodolsintēzes reakciju rezultātā
Bez jau nosauktajām priekšrocībām kodolsintēzes reakcijās izdalās arī lielāka jauda uz vienu degvielas kilogramu, tomēr šim enerģijas ieguves veidam pastāv arī būtiski trūkums, kas liedz to sākt plaši izmantot enerģijas ieguvei. Kodolsintēzes reakcijas nodrošināšanai ir nepieciešami īpaši apstākļi – ap 100 miljoniem kelvinu augsta temperatūra. Zvaigžņu dzīlēs lielā gravitācijas spēka rezultātā šādi apstākļi tiek nodrošināti dabīgi, bet uz Zemes ir jābūvē sarežģītas konstrukcijas reaktora kameras (3. att.), kur uzkarsēto vielu saspiež magnētiskajā laukā.
3.att. Kodolsintēzes iekārta
Uzkarsējot vielu līdz vairākiem miljoniem grādu, tā ieņem plazmas stāvokli jeb kļūst par lādētu daļiņu kokteili. Šādā stāvoklī esoša matērija ir jānotur kodolsintēzes reaktora kamerā un jānodrošina tās izolētība no kameras sienām. To panāk, izmantojot magnētisko lauku. Ap reaktora kameru ir izvietotas toroidālas spoles, pa kurām tiek laista strāva, tādā veidā iegūstot toroidālu magnētisko lauku (4. att. a). Šajā magnētiskajā laukā esošie negatīvi lādētie elektroni un pozitīvi lādētie kodoli sajūt magnētisko Lorenca spēku (Magnētiskais spēks) un tādēļ pārvietojas pa spirālveida orbītām, ieslēgti kameras tilpumā (4. att. b). Bez 4. attēlā redzamās iekārtas ir izveidotas arī cita veida kodolsintēzes iekārtas.
4.att. Magnētiskais lauks un plazmas kustība kodolsintēzes iekārtā
Diemžēl ir izstrādātas metodes, kā kodolsintēzes reakciju izmantot ieročos. Ir radītas un izmēģinātas tā sauktās ūdeņraža bumbas, kuru sprādziena jauda ievērojami pārsniedz parastas atombumbas sprādziena jaudu. Par degvielu šādām bumbām var izmantot litija deiterīdu LiD, kuru var sintezēt reakcijā starp 21H un 63Li. Ūdeņraža bumbā ekstrēmie fizikālie apstākļi, kas veicinātu kodolu saplūšanu, ir nepieciešami tikai uz īsu brīdi, un tos panāk ar lokālu kodolsprādzienu (5. att.).
5.att. Ūdeņraža bumbas modelis