Už desaťročia využíva ľudstvo na svoju škodu aj úžitok princíp štiepnej jadrovej reakcie uránu.
Jej objav, ktorý 6. januára 1939 zverejnili nemeckí chemici Otto Hahn a Fritz Strassmann, stál pri zrode jadrových elektrární aj atómových bômb. Z pohľadu vtedajšej fyziky dával článok vydaný v časopise Die Naturwissenschaften asi rovnaký zmysel ako tvrdenie, že sa biela biliardová guľa môže po zásahu tágom rozpadnúť na červenú kocku a zelený ihlan.
Lenže Otto Hahn, vedúci oddelenia chémie Spoločnosti cisára Wilhelma a jeho asistent Strassmann niečo podobné prinajmenšom naznačovali. Ba čo viac, pre možnosť rozpadu jedného prvku na dva iné mali aj dôkazy, ktoré sa nedali vybaviť mávnutím ruky.
Následné potvrdenie správnosti ich objavu znamenalo významný krok pre fyziku a stálo na začiatku neskoršieho praktického využitia energie skrytej v atómoch.
Objav štiepnej reakcie bezprostredne nadväzoval na prácu vedcov, ktorí v 30. rokoch experimentovali s ostreľovaním jadier chemických prvkov prúdom neutrónov. Výsledkom takých pokusov býval vznik izotopu, teda atómu rovnakého prvku, ktorý sa od originálu odlišoval počtom neutrónov v jadre.
Z toho, čo vyzeralo ako pravidlo, existovala jedna výnimka, 92. člen periodickej sústavy prvkov - urán. V jeho prípade nevznikal len jeden izotop, ale hneď niekoľko nových prvkov. Aká je ich podstata, o tom sa mohli vtedajší vedci len dohadovať.
Prevládlo viac-menej presvedčenie, že ide o tzv. transurány, teda prvky s protónovým číslom vyšším než
má urán. Prebleskla síce aj hypotéza, že v skutočnosti je to naopak, lenže takú možnosť považovali vedci za nereálnu.
Jasno do celej veci pomohli vniesť až Otto Hahn, rešpektovaný spoluobjaviteľ radioaktívneho prvku protaktínium a jeho asistent Fritz Strassmann. Tí na konci roku 1938 identifikovali vo vzorke vzniknutej po ožarovanie uránu prúdom neutrónov stopy omnoho ľahšieho bárya. Tým sa teória transuránov vyvrátila, ale revolučný objav postrádal teoretické objasnenie.
To hneď poskytla Hahnova bývalá kolegyňa Lise Meitnerová, ktorú nacistický režim pre jej židovské korene prinútil k úteku do Švédska. Meitnerová a jej synovec Otto Frisch dospeli k záveru, že pokým neutrón narazí do jadrá uránu, ktoré je samo o sebe veľmi nestabilné, dôjde k rozštiepeniu jadra a to zvyčajne na dve menšie, nerovnako veľké časti. Pritom sa uvoľní veľké množstvo energie a zároveň dôjde k "vystreleniu" niekoľkých
neutrónov z jadra do okolia, kde môžu naraziť do susedných atómov a vyšše popísaná reakcia sa tak ďalej lavínovito šíri.
História vie byť niekedy nespravodlivá. Zatiaľ čo Hahn získal za svoj objav v roku 1945 Nobelovu cenu za chémiu, Strassmann, Frisch i Meitnerová vyšli z rozdeľovania plakiet s podobizňou vynálezca dynamitu naprázdno. Istým odškodnením pre Meitnerovú môže byť, že jej meno nesie 109. prvok periodickej tabuľky.
Zľava Fritz Strassmann, Lise Meitner, Otto Hahn.
FOTO - www.acs.lbl.gov
Hahnovi však jeho revolučný poznatok šťastie nepriniesol. Na konci vojny, ktorú prežil v rodnom Nemecku, padol do zajatia a Nobelovu cenu si mohol prevziať až po skončení konfliktu. V tom čase už tiež vedel, ako ničivé dôsledky jeho objav môže mať.
Informácie o výsledkoch výskumu sa dostali do Spojených štátov amerických, kde sa v tom čase nachádzalo mnoho známych atómových fyzikov, vyhnaných z Európy prízrakom nacizmu. Niektorí z nich dali počas vojny svoje znalosti do služieb supertajného projektu Manhattan, ktorého cieľom bolo skonštruovať zbraň fungujúcu na princípe štiepnej jadrovej reakcie.
Keď prvá atómová bomba v auguste 1945 zrovnala japonskú Hirošimu so zemou, prepadol Hahn zúfalstvu a to aj napriek tomu, že sa na vývoji bomby nepodieľal. Celý zvyšok života sa potom venoval boju proti zneužitiu svojho objavu.
Little boy.
FOTO - www.gregornot.wordpress.com
Video: Hirošima
Energia ukrytá v atómoch môže pomáhať aj zabíjať
Mimoriadne ničivá explózia, alebo výroba elektrickej energie, tak rôznorodé výsledky môže mať aplikácia štiepnej jadrovej reakcie uránu.
Či už ide o bombu, alebo energetický reaktor, základný princíp fungovania je rovnaký. Neutrón vrazí do nestabilného jadra uránu či plutónia, ktoré sa v dôsledku toho rozpadne zvyčajne na dve takzvané štiepne trosky. Pritom vzniká veľké množstvo energie a zároveň sa z jadra pri zrážke uvoľnia dva až tri neutróny. Tie môžu vraziť do ďalších atómov v okolí, čím sa celý proces ďalej šíri, a ak nie je regulovaný, stále mohutnie.
K pramalej radosti záujemcov o mierové aj vojenské využitie jadra však nie je urán ako urán.
Tento 92. prvok periodickej sústavy sa v prírode vyskytuje prevažne v podobe izotopu 238U, ktorý sa na štiepnu reakciu príliš nehodí. Len asi 0,7 percenta uránu tvorí prakticky využiteľný izotop 235U.
Preto je potrebné urán obohacovať, teda v ňom koncentráciu izotopu 235U umelo navýšiť. Pri použití v reaktoroch stačí obohatenie na približne tri percentá 235U, pri zbraniach môže presiahnuť viac než 90 percent. Ide o technologicky veľmi náročnú operáciu, ktorá je jednou z prekážok šírenia jadrových zbraní.
Podobne komplikované je aj získanie ďalšieho vhodného štiepneho materiálu, izotopu plutónia 239Pu, ktoré sa z uránu vyrába.
Objav štiepnej reakcie najprv aplikovali v oblasti vojenstva. Prvú pokusnú atómovú bombu, ktorá bola výsledkom tajného amerického projektu Manhattan, odpálili 16. júla 1945 pri mestečku Alamogordo v štáte
Nové Mexiko.
Premiéra "ostrého" nasadenia atómovej bomby sa uskutočnila 6. augusta 1945 nad japonskou Hirošimou. Bomba s názvom Little Boy (Chlapček) v tomto prípade pracovala s uránom, zatiaľ čo Fat Mana (Tlsťoch), zhodili o tri dni neskôr na Nagasaki, obsahoval plutónium.
Princíp jednoduchej jadrovej bomby pritom nie je zložitý. Štiepny materiál je vnútri bomby rozdelený na viac častí, ktoré sa v určený okamih spoja. Tým vznikne takzvané nadkritické množstvo a dôjde k odštartovaniu reakcie. Výsledkom je rýchle uvoľnenie tepelnej energie, rádioaktívne žiarenie a silná tlaková vlna.
Sila ukrytá v atómoch sa však dá využiť aj mierumilovnejším spôsobom, totiž na výrobu elektriny. Prvý praktický krok k jadrovému reaktoru urobil taliansky fyzik Enrico Fermi so svojimi kolegami 2. decembra 1942. Športový štadión v Chicagu sa v ten deň stal svedkom prvej umelo vyvolanej kontrolovanej štiepnej reakcie.
Cesta od Fermiho jednoduchého "prístroja" k funkčnej elektrárni sa však predĺžila. Prvýkrát elektrinu z jadra vyrobil v roku 1951 experimentálny systém EBR-1 v americkom štáte Idaho. Jeho výkon však stačil len na rozsvietenie štyroch žiaroviek. S dodávkami elektriny do siete začala ako prvá na svete na konci júna 1954 sovietska jadrová elektráreň v Obninsku.
Zatiaľ čo pri bombách je potrebný rýchly priebeh štiepnej reakcie, v prípade jadrových elektrární ide naopak o proces riadený tak, aby sa energia uvoľňovala postupne. Na reguláciu sa používajú riadiace tyče vyrobené z látok pohlcujúcich neutróny. Ich zasúvaním či vysúvaním z aktívnej zóny reaktoru sa dá meniť počet zrážok neutrónov s jadrami a tým ovplyvňovať intenzitu reakcie.
Tepelná energia vzniknutá pri štiepení jadier sa následne mení na paru, ktorá prostredníctvom turbíny roztáča alternátor vyrábajúci elektrinu. Jadrové reaktory však nemusia slúžiť len v elektrárňach.
V januári 1954 spustili na vodu prvú ponorku s jadrovým pohonom, americký Nautilus. Stroj svoje schopnosti prakticky demonštroval v auguste roku 1958, keď dokázal bez vynorenia podplávať severný pól. Prvým hladinovým plavidlom s nukleárnym pohonom sa potom v roku 1957 stal sovietsky ľadoborec Lenin.
čtk
