Jaderná reakce

Rozbalit box

Obsah boxu

Jaderná reakce je jaderná přeměna vyvolaná vzájemným působením atomových jader nebo částic. Na rozdíl od chemických reakcí, při kterých dochází pouze k přeskupování elektronů a změně chemických vazeb, se při jaderných reakcích mění struktura samotných atomových jader, což často vede ke vzniku nových nuklidů. Tyto reakce jsou doprovázeny uvolňováním nebo spotřebováváním obrovského množství energie, které je řádově milionkrát větší než energie uvolněná při chemických reakcích.

⚛️ Co je jaderná reakce?

Jaderná reakce je proces, při kterém dochází ke změně složení nebo energetického stavu atomového jádra. Může probíhat samovolně (například při radioaktivním rozpadu) nebo být vyvolána vnějším zásahem, například srážkou s jiným jádrem nebo částicí, včetně fotonu. Během reakce se mění jak struktura zúčastněných jader, tak i jejich pohybový stav. Pro jaderné reakce platí několik zákonů zachování, mezi něž patří zákon zachování energie, zákon zachování hybnosti, zákon zachování elektrického náboje a zákon zachování počtu nukleonů. Z energetického hlediska se rozlišují dva hlavní typy jaderných reakcí:

• Exoenergetické reakce: Při těchto reakcích se energie uvolňuje do okolí. Příkladem jsou jaderné štěpení a jaderná fúze.
• Endoenergetické reakce: Tyto reakce vyžadují dodání energie z vnějšího okolí, aby mohly proběhnout.

Uvolněná energie se projevuje jako kinetická energie rozlétávajících se částic nebo jako elektromagnetické záření (například záření gama).

🔬 Typy jaderných reakcí

Jaderné reakce lze klasifikovat podle různých kritérií, například podle počtu reagujících částic, účastníků srážky nebo průběhu. Mezi nejdůležitější typy patří:

Fúze (syntéza jader)

Jaderná fúze je proces, při kterém se dvě lehká atomová jádra slučují za vzniku jednoho těžšího jádra a zároveň se uvolňuje obrovské množství energie. Tento proces je zdrojem energie na Slunci a dalších hvězdách. Pro její nastartování jsou nutné extrémně vysoké teploty (řádově 100–200 milionů °C) a tlaky, aby se překonaly odpudivé elektrostatické síly mezi kladně nabitými jádry. Látka se při takových podmínkách nachází ve stavu plazmatu.

Nejčastěji se zvažuje fúze izotopů vodíku, deuteria (²H) a tritia (³H), při které vzniká helium (⁴He) a neutron. Výzkum řízené jaderné fúze na Zemi probíhá v zařízeních zvaných tokamaky nebo stellarátory, které mají za cíl udržet horké plazma magnetickým polem, aby nedošlo ke kontaktu se stěnami reaktoru. Cílem je vytvořit bezpečný a téměř neomezený zdroj energie.

Štěpení (štěpná reakce)

Jaderné štěpení je proces, při kterém se těžké atomové jádro (například uran 235 nebo plutonium 239) po zasažení neutronem rozdělí na dvě menší jádra a uvolní se přitom dva až tři další rychlé neutrony a značné množství energie. Tyto nově uvolněné neutrony mohou následně vyvolat štěpení dalších jader, což vede k řetězové reakci.

• Řízená řetězová reakce je využívána v jaderných elektrárnách pro výrobu elektrické energie. V jaderném reaktoru se počet neutronů řídí pomocí moderátoru a regulačních tyčí, které absorbují přebytečné neutrony, aby se udržel stabilní výkon.
• Neřízená řetězová reakce probíhá nekontrolovaně a vede k prudkému uvolnění energie ve formě výbuchu, což je princip atomových bomb.

První pozorování štěpení uranu 235 provedli roku 1938 němečtí chemici Otto Hahn a Fritz Strassmann. První řízenou řetězovou reakci uskutečnil Enrico Fermi v roce 1942.

Radioaktivní rozpad

Radioaktivní rozpad (nebo též radioaktivní přeměna) je samovolná jaderná přeměna nestabilních atomových jader, při které dochází k vnitřní změně jejich složení nebo energetického stavu, a zároveň je emitováno ionizující záření. Tento jev je statistický a nelze předpovědět, které konkrétní jádro se kdy rozpadne. Čas, za který se rozpadne polovina jader daného radionuklidu, se nazývá poločas rozpadu. Mezi základní typy radioaktivního rozpadu patří:

• Alfa rozpad (α-rozpad): Emitují se částice alfa (jádra helia).
• Beta rozpad (β-rozpad): Emitují se elektrony (β^-) nebo pozitrony (β⁺).
• Gama rozpad (γ-rozpad): Emituje se elektromagnetické záření s vysokou energií (fotony gama).

Radioaktivní rozpad je základem pro radiometrické datování, které se využívá k určování stáří hornin, fosilií a dalších materiálů.

Transmutace (přeměna prvků)

Transmutace je jaderná reakce, při které dochází k uměle vyvolané přeměně jednoho jádra na jiné jádro. Původní jádro je ostřelováno proudem částic (jako jsou protony, neutrony nebo částice alfa). Pokud se některá z těchto částic zachytí, dojde k transmutaci. Tímto způsobem lze vytvářet nové chemické prvky, nové izotopy již známých prvků nebo aktivovat původně neradioaktivní látky, čímž vznikají umělé radionuklidy.

První umělou jadernou reakci (transmutaci) provedl Ernest Rutherford v roce 1919, kdy ozařoval dusík částicemi alfa, čímž vznikl kyslík a proton. Přestože transmutace umožňuje uskutečnit dávný sen alchymistů o přeměně prvků (například rtuti na zlato), praktická výtěžnost je velmi nízká a ekonomicky nevýhodná ve srovnání s těžbou.

Tříštění (spallation) je specifický typ jaderné reakce, při níž se výrazně snižuje protonové číslo i nukleonové číslo, protože se uvolňuje velké množství protonů a neutronů.

💡 Fyzikální principy

Hmotnostní defekt a vazebná energie

Základním principem uvolňování energie při jaderných reakcích je takzvaný hmotnostní defekt a vazebná energie. Hmotnostní defekt (Δm) představuje rozdíl mezi součtem klidových hmotností jednotlivých nukleonů (tj. protonů a neutronů) v atomovém jádře a skutečnou naměřenou hmotností celého jádra. Skutečná hmotnost jádra je vždy menší než součet hmotností jeho volných složek.

Tento úbytek hmotnosti je důsledkem Einsteinova vztahu mezi hmotností a energií (E = mc²), podle kterého se část klidové energie nukleonů přeměnila na vazebnou energii jádra. Vazebná energie jádra je energie, která drží nukleony pohromadě v jádře a je nutné ji dodat, aby se jádro rozložilo na jednotlivé nukleony. Zároveň je to energie, která se uvolní při vzniku jádra z jednotlivých nukleonů. Čím větší je vazebná energie na jeden nukleon, tím stabilnější je jádro. Jádra s nejvyšší vazebnou energií na nukleon (například železo) jsou nejstabilnější.

Zachování energie a hybnosti

Při každé jaderné reakci platí zákon zachování energie a zákon zachování hybnosti. Tyto zákony jsou vzájemně propojeny v rámci teorie relativity jako zákon zachování relativistické energie. Kromě toho platí také zákon zachování elektrického náboje a zákon zachování počtu nukleonů (hmotnostního čísla A). To znamená, že součet protonových a nukleonových čísel na obou stranách rovnice jaderné reakce musí být stejný.

🛠️ Využití jaderných reakcí

Jaderné reakce mají široké spektrum využití v mnoha oblastech, od energetiky po medicínu a výzkum.

Jaderná energetika

Jaderná energetika využívá řízené štěpení těžkých atomových jader (především uranu 235 a plutonia 239) v jaderných reaktorech k výrobě tepelné energie, která se následně přeměňuje na elektrickou energii. V polovině roku 2025 bylo v provozu 408 jaderných reaktorů ve 31 zemích. Globální výroba jaderné energie dosáhla v roce 2024 rekordních 2 677 TWh. V roce 2025 USA oživují jadernou energetiku a zavádějí pokročilé reaktory, včetně mobilních mikroreaktorů.

Výzkum jaderné fúze jako zdroje energie pokračuje s cílem vyvinout bezpečný a téměř nevyčerpatelný zdroj energie, který by neprodukoval dlouhodobý radioaktivní odpad. V roce 2022 se v USA podařilo poprvé dosáhnout čistého zisku energie z fúzní reakce. V roce 2025 se očekává spuštění prvních testů reaktoru ITER ve Francii, který má být plně funkční pro fúzi v roce 2035. Německo v říjnu 2025 přijalo akční plán s investicemi přesahujícími 2 miliardy euro do roku 2029 s cílem postavit první fúzní elektrárnu na světě.

Jaderné zbraně

Neřízená řetězová reakce při štěpení těžkých jader je principem atomových bomb, zatímco jaderná fúze deuteria a tritia je základem vodíkových bomb. Tyto zbraně představují obrovskou destruktivní sílu.

Medicína a průmysl

V medicíně se jaderné reakce využívají k výrobě radionuklidů pro nukleární medicínu, která slouží k diagnostice (např. scintigrafie) a terapii různých chorob. Nejčastěji se používají radioizotopy jako technecium-99m, jod-123, jod-131 nebo thallium-201.

V průmyslu a výzkumu se radionuklidy získané transmutací využívají například pro defektoskopii, sterilizaci materiálů nebo jako indikátory v různých procesech.

Výzkum a datování

Radioaktivní datování je metoda pro určování stáří organických i anorganických materiálů, založená na měření poměru radioaktivních izotopů a jejich stabilních produktů rozpadu s využitím známých poločasů rozpadu. Nejznámější je radiouhlíkové datování (¹⁴C metoda), která se používá pro datování biologických materiálů do stáří přibližně 50 000 let. Pro delší časové úseky se využívají jiné izotopy, například draslík-argonové nebo uranové datování.

Jaderné reakce jsou také klíčové pro výzkum v jaderné fyzice a částicové fyzice, kde se studují vlastnosti atomových jader a elementárních částic pomocí urychlovačů částic.

📈 Aktuální vývoj a výzvy

V roce 2025 je patrné oživení zájmu o jadernou energetiku v některých zemích, jako jsou USA, které usilují o vyšší produkci z jádra a zavádění pokročilých reaktorů. Čína je jednou z mála zemí, která aktivně rozvíjí nové jaderné projekty, zatímco ve zbytku světa výstavba často vázne nebo se odkládá. Od roku 2020 do poloviny roku 2025 bylo 44 z 45 zahájených staveb reaktorů po celém světě iniciováno čínskými nebo ruskými státními firmami.

Výzkum jaderné fúze pokračuje s velkými investicemi, zejména v Evropě a Německu, které usiluje o výstavbu první fúzní elektrárny do roku 2030. Projekt ITER ve Francii by měl do konce roku 2025 zahájit první testy. Česká republika se také podílí na výzkumu fúze v rámci konsorcia EUROfusion, s vývojem nového tokamaku COMPASS Upgrade, který by měl být dokončen do konce tohoto desetiletí.

Mezi hlavní výzvy patří zajištění bezpečnosti jaderných reaktorů, řešení problému radioaktivního odpadu a vysoké náklady a zdlouhavé licenční procesy při výstavbě nových zařízení.

👶 Pro laiky

Představte si, že atom je jako malá stavebnice. Uprostřed má těžké jádro, které je složeno z malých kuliček – protonů a neutronů. Kolem jádra krouží ještě menší kuličky, elektrony.

Jaderná reakce je, jako když se tohle jádro změní. Není to jen, že by se přesunuly elektrony kolem, jako když mícháte Lego kostky a vytvoříte něco nového (to je chemická reakce). Tady se mění přímo ty kuličky uvnitř jádra! Může se stát, že se jádro rozbije na menší kousky (to je štěpení, jako když rozbijete talíř) nebo se dvě malá jádra spojí dohromady a vytvoří jedno větší (to je fúze, jako když slepíte dva malé kousky dohromady).

Při těchto změnách se uvolní obrovské množství energie, mnohem víc, než když spálíte dřevo nebo benzín. Je to proto, že kuličky v jádře jsou k sobě vázány ohromnou silou. Když se tato vazba změní, část jejich "váhy" se promění v energii.

Tuhle energii pak můžeme využít. Třeba v elektrárně "rozbíjením" jader uranu vyrábíme elektřinu. Nebo se snažíme "slepit" lehká jádra dohromady, jako to dělá Slunce, abychom získali ještě víc energie a měli jí dostatek pro všechny. Některé jaderné reakce se dějí i samy od sebe, to je radioaktivita, a tu zase používáme třeba k určování stáří starých předmětů nebo v lékařství k léčbě nemocí.