CESTA K JADERNÉ ENERGII

Lze tedy uvolnit alespoň malou část obrovské klidové energie látky, která je soustředěna v jádrech atomů - jaderné energie?
Pokusy a pozorování krátce po objevení radioaktivity v roce 1896 ukázaly, že se při rozpadu nestabilních (radioaktivních) atomů uvolňuje energie. Množství energie, které získáme při radioaktivním rozpadu; je však pro praktické využití bezvýznamné. Například přirozeným rozpadem jednoho kilogramu radia se uvolní přibližně tolik energie, kolik odpovídá spálení 60 tun uhlí. Rozpad však probíhá velmi pomalu polovina určitého počátečního množství radia se rozpadne teprve za 1620 let.
Vraťme se nyní ještě jednou k F. W. Astonovi. Jeho přesná měření na hmotnostním spektrografu ukázala, že vazebná energie je u jader jednotlivých prvků a jejich izotopů různá. Je zřejmé, že čím více nukleonů je v jádře, tím větší bude vazebná energie. Závislost vazebné energie na počtu nukleonů v jádře však není lineární. Odchylku způsobují efekty související jak se strukturou jader, tak i s elektrostatickým odpuzováním kladně nabitých protonů. Zobrazíme si graficky střední vazebnou energii (tj. vazebnou energii připadající na jeden nukleon) v závislosti na počtu nukleonů.

Graf závislosti střední vazebné energie
na nukleonovém čísle A.

Na tomto grafu lépe vyniknou všechny odchylky od lineárního průběhu hodnoty střední vazebné energie nejprve rychle rostou od 0 (pro A=1) do 8 MeV (pro A=16), pak jsou zhruba stejně velké s maximem o hodnotě 8,6 MeV (pro A=60, tj. 58Fe, 62Ni) a nakonec pomalu klesají do 7,6 MeV pro nejtěžší jádra.
Skutečnost, že těžká jádra jsou méně stabilní, je třeba vztáhnout k tomu, že při zvyšování počtu nukleonů sice přitažlivé jaderné síly v jádře narůstají, ale působí pouze mezi sousedními nukleony. Odpudivé síly mezi protony rovněž narůstají, působí však mezi všemi protony. Tím se vazba mezi částicemi poněkud uvolní.
Nejdůležitějším závěrem je však pro nás možnost využití jaderné energie: z grafu plyne, že jadernou energii můžeme uvolňovat dvěma způsoby štěpením (viz konec grafu) a slučováním (viz začátek grafu).

Štěpení

První možností je štěpení těžkých jader na středně těžká. Podle grafu jsou produkty štěpení stabilnější a celková vazebná energie (která se uvolní při jejich vzniku) je větší než vazebná energie těžkého jádra. Proto mohou těžká jádra štěpením přecházet do stavu s nižší klidovou energií a přitom se uvolňuje poměrně velká energie ve formě kinetické energie produktů štěpení kladně nabitá jádra jsou svým elektrickým polem odmrštěna od sebe a při zabrzdění těchto částic v palivu, moderátoru a v ostatních částech reaktoru přejde jejich kinetická energie postupně až na energii kmitů atomů a molekul, tedy do formy tepelné energie. Z grafu vidíme, že se přitom uvolní asi 1 MeV na nukleon. Při jednom procesu štěpení těžkého jádra se tak uvolní okolo 200 MeV, což je podle Einsteinova vztahu v jednotkách u asi 200/931,494 = 0,21 u. Z kapkového modelu atomových jader plyne, že štěpení je energeticky výhodné, je-li parametr štěpení Z2/A > 17. Tato podmínka je splněna pro všechna jádra těžší než Ag. Prakticky je však štěpení možné pouze pro jádra s A > 230 (Th, U, Pu). Největší průmyslový význam má v současné době štěpení jader uranu 235U v lehkovodních reaktorech.
Jaká část klidové energie se uvolní? Tento podíl jednoduše spočítáme, vyjádříme-li klidovou hmotnost uranu v jednotkách u. S jistou chybou lze hmotnost nukleonu považovat za 1 u. Pak 235U má hmotnost asi 235 u. Uvolněná klidová energie 0,21 u/235 u = 8,9.10-4 odpovídá asi 0,1 % klidové energie 235U.

Slučování

Druhou možností, jak získat energii, je slučování velmi lehkých jader na jádra těžší (termojaderná syntéza). Z našeho grafu je zřejmé, že sloučením dvou lehkých jader (např. 2/1H a 3/1H) s nízkou vazebnou energií vznikne stabilní jádro s vysokou vazebnou energií.


Schéma jaderného slučování (fúze). Znázorněná reakce probíhá velmi rychle. Tuto reakci budou pravděpodobně využívat první energetické termojaderné reaktory. Při jaderném slučování se uvolňuje až 1% klidové energie interagujících částic.

Jejich rozdíl se přitom uvolní. Reakci můžeme chápat tak, jakoby útvar složený původně ze dvou jader přešel do nižšího energetického stavu. Z průběhu grafu střední vazebné energie je zřejmé, že při slučování lehkých jader se může získat až několikanásobně více energie na nukleon než v případě jaderného štěpení. Reakce jaderné syntézy jsou základními procesy uvolňování energie na Slunci a ve hvězdách. Proces vzniku sluneční energie vysvětlil německý fyzik H. A. Bethe v roce 1938 jako vodíkovou syntézu, při níž se v několika krocích slučují čtyři vodíková jádra (protony) do jednoho jádra helia: 41/1 ® 4/2He + 2 e+ + 2ue + 2g + 26,72 MeV. Z hlediska našich měřítek je energetická bilance Slunce skutečně úctyhodná: každou vteřinu se jadernými silami mění 0,5 miliardy tun vodíku v helium s celkovým hmotnostním úbytkem 4 miliony tun. Celkový uvolňovaný výkon je 3,6.1026 W! A přitom je naše Slunce ve srovnání s ostatními hvězdami docela malé...
Jaká část klidové energie se při této reakci uvolňuje? Při jedné reakci syntézy se uvolní  26,7 MeV, což je v atomových hmotnostních jednotkách 26,7/931,494 = 0,029 u.
Klidová hmotnost 4 vodíkových jader 1/1H je přibližně 4 u. Pak uvolněná klidová energie 0,029 u/4 u = 7,25. 10-3 odpovídá 0,7 % klidové energie slučovaných částic.
Pro budoucí řízené uvolňování energie v termojaderných reaktorech mají význam jiné reakce, např. 2/1H + 2/1H ®   3/2He +1/0n + 3,26 MeV. Tato reakce probíhá mnohem rychleji než syntéza na Slunci, což je důležité vzhledem k nutnosti udržet v termojaderných reaktorech po určitou dobu velice horké husté plazma pro nastartování reakce. Těžký vodík 2/1H (deuterium) máme ve světových mořích k dispozici v prakticky nevyčerpatelném množství.