Vrata tlamy jeho, pochodeň tlamy jeho (NUC9)

Napsal crustgroup
Přeložil Hamilbar, převzato odtud.

„Vrata jeho tlamy kdopak rozevře?
Jeho zuby všude kolem šíří děs!

Z jeho tlamy září pochodeň,
roj jisker létá kolem něj.“

Zdá se, že v celé lidstvu známé fyzice je těžké najít oblast, která by byla zajímavější a paradoxnější, než fyzika atomového jádra. Jestliže klasická teorie gravitace čímsi připomíná lékárnu, z termodynamiky je vždy cítit lehká vůně hřbitova a optika se svými legračními čočkami, hranolky a duhou mně z jakéhosi důvodu připomíná mateřskou školku, pak jaderná fyzika – to je, zcela jistě, loterie.

Máme tam i různobarevné „kuličky“ uvnitř jádra, vyvolávající skryté asociace se „Sportkou“, máme tam i terminologii, ze které vane jakési nadpřirozeno: „podivné“ a „půvabné“ částice a absolutní počáteční nepředpověditelnost mnohých výsledků jaderné fyziky dosažených v průběhu bouřlivého XX. století. („Mno… copak nám to zase vlétlo do bublinkové komory? Pojďte, budeme o tom přemýšlet…“)

Výjimkou v tom není ani fyzika transuranů.

vrata1
Ne, to není mapa ostrova Manhattan. To je Leviathan plazící se do budoucnosti.

Až do izotopu olova Pb208 jsou všechny prvky Mendělejevovy tabulky stabilní. Dvě ukázkové výjimky z tohoto pravidla – Promethium, prvek s pořadovým číslem 61, jeden ze vzácných lanthanoidů a Technecium, prvek s pořadovým číslem 43, jenž svým nestandardním chováním přivedl do rozpaků již dědečka Mendělejeva.

Mendělejev předpověděl technecium ve formě eka-manganu, ale vzhledem k tomu, že prvek technecium je díky nevysvětlitelnému rozmaru přírody radioaktivní (jeho nejstabilnější izotopy žijí pouhých několik miliónů let), po celé XIX. století se jim nedařilo ho najít. Byla to úplná alchymie – „nacházeli“ a potom zase „ztráceli“ ten eka-mangan minimálně pětkrát. No a co? Když si to budeme moc přát, bude se černá kočka nacházet v kterékoli tmavé místnosti. Pravda, potom ta kočka může zaštěkat, ale to bude až potom.

Technecium se podařilo uměle získat až v roce 1937, na cyklotronu. Promethium syntetizovali o něco později, v roce 1945.

No a tehdy také vymysleli empirické pravidlo, proč technecium a promethium nemůže existovat ve formě stabilních izotopů. Pravidlo je to hezké, funguje, ovšem do „periodické tabulky izotopů“, která by se svoji logičností alespoň blížila „periodické tabulce prvků“, je stále stejně daleko, jako do vítězství komunismu na jedné izolované planetě.

Je jasné, že takový systém bude jednou vypracován a pravděpodobně bude obsahovat dostatečně pochopitelný a jednoduchý matematický model chování kteréhokoliv izotopu, vysvětlí varianty rozpadu existujících jader a dokáže předpovídat chování těch nově objevených, ale zatím máme to, co máme – a kdyby vás při pohledu na výše uvedený obrázek později ve spánku jako Dimitrije Ivanoviče navštívilo osvícení a vy byste začali hbitě črtat systém komplikovaných rovnic – neděste se. To není nemoc, to je prozření.  Napište třeba autorům takovýchto článků. Oni také někdy nemohou po nocích spát, vyslechnou a podpoří vás.

Ve skutečnosti jsou na tom obrázku jasně vidět všechny, díky rozmarům jaderné „loterie“ nám dostupné, kvazistabilní izotopy prvků ležících za stabilní „pevninou“ lehkých prvků.

To je těch několik „mrakodrapů“ na ostrově v popředí.

Kvazistabilní izotopy – to jsou izotopy, jejichž poločas rozpadu se počítá na stovky miliónů a miliardy let. Tedy, dolní hranice stability těchto izotopů je dána čistě dohodou – pro zařazení mezi kvazistabilní izotopy je třeba, aby se onen izotop na naší Zemi vyskytoval v přírodě v alespoň trochu podstatném množství. To technecium a promethium nakonec našli metodami superpřesné elektroskopie v uranových rudách jako výsledek rozpadu jader uranu, to ovšem jen potvrdilo fundamentální výpočty. Žádné rozumné využití tento objev neměl – v případě potřeby se tyto izotopy dají získat levněji z těch kvazistabilních v reaktoru.

Dál budeme, pokud nejste proti, pokračovat „veselými obrázky“, která mnohým pomohou, aby se, v průběhu vypravování o jaderných reakcích a izotopech, nenudili.

vrata2
Jsou vždy spolu… prostě se milují.
Ovšem my potřebujeme pouze ten izotop <del>s hezkým pevným zadečkem</del> co je menší.
Dovolte, abych vás představil: U235, U238.

Vyjmenujme si ty izotopy jeden za druhým. Všechny jsou: – uran a ten se v přírodě vyskytuje ve formě tří izotopů – U234, U235 a U238. Izotopy U238 a U235 jsou kvazistabilní a v hornině je jejich koncentrace 99,283% a 0,711%.

Izotop U234 vzniká tamtéž, přímo v uranovém ložisku, &-rozpadem (záření &) základního stabilního izotopu uranu U238 (základního, málo aktivního přírodního izotopu uranu, toho, který je na horní fotografii v těch příšerných trenclích). Protože poločas rozpadu U234 je „pouhých“ 245 tisíc let, je ho v přírodním uranu pouze velmi málo – všeho všudy 0,0055%.

vrata3
U234, pro snazší zapamatování.

Jak se říká „malý brouček, zato smrdí“. A protože tento brouček žije pouze krátce, je jeho aktivita ve srovnání s kvazistabilními „starším bratrem a sestrou“ přímo pekelná a je odpovědná za přibližně 49% celkové radioaktivity přírodního uranu. Kromě toho, z důvodů probraných zde, všechny separační metody, které oddělují U235 od uranu U238, s ještě větším gustem oddělují i našeho „smradlavého broučka“. Tudíž reaktorový a ještě daleko více zbraňový uran jsou obohaceny, nejen co se týče obsahu U235, ale i podstatně více o U234. Situaci zachraňuje pouze nepatrný obsah „smradlavého broučka“ v původní hornině, který při íobohacování stoupá sice rychleji než obsah U235, ale přesto zůstává na viceméně snesitelné úrovni.

Ovšem posuzovat jakýkoliv obohacený uran (i reaktorový a tím spíše zbraňový) je třeba s přihlédnutím k „aktivitě broučka“. A jestliže přírodní, a tím spíše ochuzený, uran si můžete, jestliže si to moc přejete, strčit na den do trenýrek a propašovat do ciziny, provozovat podobné triky se zbraňovým uranem rozhodně nestojí za to.

Zkrátka, ten tlustý hoch z horní fotografie (U238) nejen že má příšerné trenýrky, ale ještě k tomu nám do jaderného paliva vnáší parazity (U234). Jenže bez nich to nejde. Bez toho chlapce a na něm parazitujících členovců naše slečna „jaderná zápalka“ (U235) nikam nechodí.

Pomineme-li to, že slušně září, žádné další nepříjemné zvláštnosti „brouček“ už nemá – v obyčejném elektrárenském reaktoru typu VVER, pod „životodárným proudem tepelných neutronů“ se izotop U234 proměňuje ve svého staršího bratra – U235. Proto ho z hlediska získávání energie započítávají do „celkové sumy“ spolu s U235 a vás by s přihlédnutím k tomuto sakrálnímu poznatku již neměl rozhodit nesoulad v číslech tohoto materiálu s čísly o obsahu dělitelných izotopů uváděných například zde.

Ovšem na přeměnu U234 na U235 je přeci jenom nutné utratit jeden neutron navíc a vzhledem k tomu, že slečna „jaderná zápalka“ (U235) nám tyto neutrony vydává skoupě a přesně odpočítané (většinou 2-3 čísla za noc neutrony na jedno dělení), plýtvat jedním z nich na „konverzi“ broučka je mrzuté, ale nedá se nic dělat.

Když jsme si to vyjasnili s uranem, přejdeme k thoriu. Obrázek, který vidíme, je podstatně jednoduší, než v případě uranu. V přírodě se thorium vyskytuje pouze ve formě kvazistabilního izotopu – Th232, jehož poločas rozpadu, stejně jako v případě základního izotopu uranu – U238, se počítá na miliardy let. Přesně je to pro U238 4,47 miliardy let a pro Th232 – 14,05 miliardy let, což znamená, že thorium se bude na naší planetě vyskytovat i tehdy, až po nějakém uranu nebude už ani památky.

Takže „thoriový cyklus“ – to je rozhodně naše budoucnost a budoucnost jakéhokoliv jiného živočišného druhu, který bude možná díky naší hlouposti někdy za 500 miliónů let studovat lebky těch směšných a hloupých Homo nonsapiens. To nejdůležitější je však to, že bez slečny „jaderné zápalky“, tedy bez U235, ani přírodní uran, ani přírodní thorium hořet nechtějí.

Přitom, jestliže U238 lze za určitých podmínek (a konkrétně v silném proudu rychlých neutronů) donutit ke štěpení, což se s úspěchem využívá v termojaderné munici, reaktorech s rychlými neutrony (v současnosti pracuje – 1 ks, v Rusku, BN-600, Bělojarská JE) a v nepatrném stupni v reaktorech s tepelnými neutrony (kterých je v současnosti ve světě drtivá většina), pak v případě Th232 takovéto triky již nefungují. Izotop Th232 je takzvaně „sudo-sudý“ izotop (even-even nuclei), což je příčinou jeho mimořádné stability. Tyto izotopy se vůbec nedají rozštěpit na kousky. Vše, k čemu můžeme Th 232 donutit, je – „dát mu sežrat“ jeden tepelný neutron.

vrata4
To je Th232. Pro něj jsou ty vaše neutrony – jako pro slona drobečky.
Nakrm slona neutrony. Nakrm slona, kurvafix.

V důsledku krátkého řetězce proměn potom Th232 zmutuje na U233, který sice má poločas rozpadu pouhých 159 tisíc let, ale již může sloužit jako jaderné palivo. Ovšem z pochopitelných důvodů (krátká doba života izotopu, ještě kratší než u U234) takto získaný izotop září ještě intenzivněji než náš první „brouček“ – U234.

Kromě toho, mezilehlý izotop pro tvorbu izotopu U233 z původního thoria –  Protaktinium Pa233 má dostatečně dlouhý poločas rozpadu (27 dní)a protože se stále nachází v aktivní zóně produkujícího reaktoru, má dostatek času, aby si nachytalo neutronů, co hrdlo ráčí. V důsledku toho dostáváme ne U233, ale U234 a opět máme problém s tím, že U234 se nerozpadá, ale chce po nás ještě jeden neutron potřebný k proměně na krásnou slečnu – „jadernou zápalku“.

Z hlediska úpravy paliva, jehož cílem je odebrání nahromaděných „dobrot“, má thoriový cyklus v porovnání s uranovým některé nedostatky. V průběhu hoření se v palivu hromadí izotop U232, v průběhu jehož transmutace na olovo vznikají izotopy produkující v průběhu svého rozpadu kvanta záření gama. Je to vizmut Bi210 (s energií kvanta 1,6 MeV), polonium Po212 (s energií 2,6 MeV) a zvláště nepříjemný izotop thallia Tl208 (energie gama-částic 2,6 MeV).

K práci s takto radioaktivním palivem je zapotřebí vyvinout technologie dálkového přepracování a výroby paliva. Takže stejně jako v mnohých energetických projektech budoucnosti, jako je dobývání helia-3 na Měsíci nebo těžba hydrátů metanu ze dna Světového Oceánu, tak i v případě uzavřeného thoriového cyklu se na konci tunelu rýsují ohromní, bojoví, člověku podobní roboti. No a samozřejmě, pohraničník, neboť jak si vzpomínáme: „Bez člověka to nejde. Nejdůležitější je pohraničník“.

Tedy, všechny důsledky svých činů chápající personál.

vrata5

Celkově slon se jménem Th232 hodně kaká. A to je – problém.
Ale jinak vypadá dobře. Ten slon – má budoucnost.

Dobře, a co se dá dělat s upoceným tlustým hochem v nehezkých trenýrkách? Tedy, s izotopem uranu U238?

I v tomto případě nám, šťastným reprezentantům řádu primátů, padla trumfová karta.

Kromě toho, že se jádro U238 může štěpit v silném proudu rychlých neutronů (pří tom energie těchto neutronů musí být minimálně 1MeV – tlustého hocha je nutno bít velmi velkou silou), U238 může také zachycovat pomalé neutrony.

Dělá to ovšem velmi neochotně. Aniž bychom se pouštěli do detailů toho, co je to „účinný průřez zachycování tepelných neutronů“ řeknu jen tolik, že pravděpodobnosti zachycení tepelného neutronu jednotlivých izotopů uranu U234 (brouček), U235 (slečna) a U238 (hoch) se mají k sobě poměrem 98:683:2,7 , což znamená, že „slečna“ je asi šestkrát nažhavenější než „brouček“ a třistakrát nažhavenější než hoch.

„Slečna“ startuje „na první cuknutí“, kdežto chlapec má trencle a ještě k tomu je „retardovaný“.

Kromě toho, jestli při zachycení tepelného neutronu se jádro U235 (slečny „jaderné zápalky“) dělí, jádro U238 (hocha) podobně jako jádro Th232 (slona) mutuje řetězcem jaderných transmutací, na jehož konci se stane izotopem Pu239, což je plutonium, zbraňové, strašné, toxické a tak různě. Zkrátka – Joker, eso v rukávě a celkově lump. A ještě z něj dělají bomby.

vrata6
A teď si rychle uděláme bombu… Jmenuji se Pu239.
Neviděli jste někde Batmana?

Při tom apologeti thoriové energetiky, kteří často z nějakého důvodu bývají i zarytými protivníky energetiky uranové a plutoniové, neustále šíří dávno probraná fakta:

Z plutonia lze udělat bombu! Ano. Lze. I z uranu lze. Vlastně ji lze udělat z kteréhokoliv izotopu, který je možno přinutit k dělení. Bomba se dá dokonce udělat i z U238 – jasně, chlapec je tupec a špatně se aktivuje, ale když uděláte proud neutronů energetičtějším a mohutnějším – vybuchne. Právě tak dělají termojaderné střelivo.

Plutonium se od uranu dá lehce oddělit! Dá. V chemické továrně, která je co do složitosti srovnatelná s továrnou na oddělování izotopů uranu. Žádná „Al-Kaida“ takovou technologii nezvládne – k tomu je zapotřebí stát alespoň střední velikosti mající za cíl získat jadernou zbraň. Kandidaturu Řecka nebo Gabonu prosím nenavrhovat – ani ze srandy. Nebo – za „Al-Kaidou“ bude stát stát, který takovouto rádiochemickou továrnou disponuje.

V jediném plutoniovém reaktoru se nacházejí tisíce plutoniových bomb! Ano, ale ještě tam není ani gram zbraňového plutonia. Veškeré plutonium se tam nachází v pekelné směsi z plutonia, uranu a stovky dalších izotopů s krátkou i dlouhou životností, k jejichž separaci by byl zapotřebí onen závod zmíněný výše.

Thorium není vhodné pro bomby! Ovšem to by ani U233 nesměl mít vlastnost vynuceného dělení. Tudíž problém oddělení uranu od thoria není o nic horší, než problém oddělení plutonia od uranu. A co se týče toho, že U233 není pro bomby – gůglíme  „výbuch MET v operaci Teapot“. Jádro bomby bylo právě z U233.

A s tím mi dovolte odklanět se a nenucený rozhovor o izotopech uranu a thoria ukončit. Omlouvám se, jestliže jsem odborníkům nechtěně potrhal šablonu.

Prostě mně tento způsob vyprávění o izotopech uzavřeného jaderného cyklu přišel zajímavějším. I když lze, samozřejmě, vyprávět i takto. Nebo takto.  To jsou ale v každém případě poněkud serioznější materiály.

Advertisements

3 comments

  1. Jednooký

    ano dojde, a dojde aj na 238U, aj na vyhorené palivo, zatiaľ málo použiteľné kvôli obsahu 236U a izotopov plutónia. Otázka nestojí či na to dôjde, ale kedy – a či to stihneme včas rozbehnúť na energeticky použiteľnej a technologicky zvládnuteľnej úrovni. ERoEI je merítko.

    • Vlastimil

      Že by mi v kuchni bublal bezpečný reaktor a já si topil elektrikou skoro zadara, se asi brzy nedočkám, co?