Čeprav je v zadnjih letih v fiziki atomskih jeder največ pozornosti deležno raziskovanje zlivanja atomskih jeder, ki bi lahko nekoč pripeljalo do razvoja tako imenovanih fuzijskih reaktorjev, veliko neznank ostaja tudi na področju cepitev atomskih jeder, kar je fizikalni proces, ki napaja obstoječe jedrske reaktorje.
Jelena Vesić, Aleksandra Cvetinović, Tilen Brecelj in Isabela Tišma z Instituta Jožef Stefan sodelujejo pri raziskovalnem projektu inštituta Fair v Dramstadu, ki se je ukvarjal z raziskovanjem cepitev nenavadnih jeder s pomanjkanjem nevtronov, ki jih v naravi ne srečamo, se pa pojavijo v jedrskih reaktorjih.
Kaj so jedra s pomanjkanjem nevtronov?
Atomska jedra sestavljajo protoni, v katerih se nahaja skoraj vsa masa atomov. Imajo pozitiven električni naboj. Okoli jedra kroži oblak elektronov, ki ima negativen električni naboj in skoraj nimajo mase.
Število elektronov je enako številu protonov in to število definira posamezni element. Elektroni so odgovorni za tvorjenje vezi z drugimi atomi n s tem molekul.
Ker imajo protoni enak električni naboj, se med seboj odbijajo. Obstajati mora torej neke vrste "lepilo", ki atomska jedra kljub temu medsebojnemu odboju drži skupaj. To "lepilo" so nevtroni.
Nevtroni so delci, ki imajo takšno maso kot protoni, a nimajo električnega naboja, zato ne vplivajo na kemijske lastnosti atomov. Posamezni element ima lahko tako atome z različnim številom nevtronov. Ogljik ima v svojem jedru na primer šest protonov ter od dveh pa vse do 16 nevtronov. Tem "različicam" atomov pravimo izotopi.
Izotopi se med seboj kemijsko ne razlikujejo in tvorijo povsem enake molekule. Imajo pa zelo različne lastnosti v jedrski fiziki.
Če je nevtronov preveč ali premalo, bo jedro hitro razpadlo, zato se običajno srečujemo le s stabilnim izotopi. Praktično vsi ogljikovi atomi imajo tako na primer šest ali sedem nevtronov.
Ko jedro razpade, se pri tem lahko sprosti velika količina energije. Energija, potrebna za povezovanje velikega jedra, je zaradi seštevka vseh sil odbijanja med pozitivnimi potoni večja od energije, ki skupaj drži dve manjši jedri. Ta presežek energije se pri razpadu atomskega jedra sprosti večinoma v obliki toplotne energije, kar izrabljajo jedrski reaktorji.
Energija, ki se sprošča pri cepitvi jedra, je izredno velika, zato na primer lahko Nuklearna elektrarna Krško z gorivom, ki ga pripelje en tovornjak, proizvede toliko energije kot Termoelektrarna Šoštanj iz več tisoč železniških vagonov premoga.
Kaj nastaja v jedrskem reaktorju?
Cepitev atomskih jeder si lahko predstavljamo podobno kot cepitev kapljice vode, ki jo skupaj drži površinska napetost. To primerjavo je prvi predlagal slavni danski fizik Niels Bohr in je bila ključno spoznanje, ki je omogočilo razvoj atomske bombe.
"Poznavanje porazdelitve mase in naboja cepitvenih fragmentov je pomembno za ocenjevanje kritičnosti v jedrskih reaktorjih, saj lahko nekateri cepitveni fragmenti zajamejo nevtrone in prekinejo jedrsko verižno reakcijo," so navedli v Inštitutu Jožef Stefan.
Nepričakovani izotopi so presenetili že znanstvenike, ki so razvijali ameriško atomsko bombo v projektu Manhattan. Šele ko so zagnali velike reaktorje v Hanfordu v zvezni državi Washington, so ugotovili, da se pri cepitvi uranovih jeder tvori izotop plina ksenon, ki je ustavil delovanje reaktorja. V reaktorje je bilo potrebno vložiti bistveno več urana, da je verižna reakcija ponovno stekla.
Kaj so raziskovali slovenski znanstveniki
Potek cepitvenih procesov na atomski ravni je izredno zapleteno in je bilo predmet raziskav, v katerih sodelovali slovenski znanstveniki. Specifično so raziskovali cepitve jeder, ki imajo manj nevtronov, kot je to običajno.
Šlo je torej za izotope elementov, ki jih v naravi ne srečamo, saj niso stabilni in hitro razpadejo. A taki elementi se lahko tvorijo pri ekstremnih pogojih, ki vladajo v jedrskem reaktorju.
Raziskovalci so predstavili meritve porazdelitve naboja cepitvenih fragmentov za 100 eksotičnih cepitvenih sistemov, od katerih jih 75 še ni bilo izmerjenih. Tako so zapolnili luknjo v poznavanju elementov z višjim atomskim številom, kot je svinec, in manjšim, so kot elementi skupine aktinoidi, kamor spadajo tudi uran in plutonij.
Novi raziskovalni center v Darmstadtu
Evropski center za raziskave z ioni in antiprotoni, poimenovan s kratico Fair v Darmstadtu v nemški zvezni državi Hesse, je eden najnovejših centrov za raziskovanje jedrske fizike na svetu in ena največjih skupnih evropskih raziskovalnih institucij v zadnjem desetletju. Gradnja se je začela leta 2017 in naj bi se končala letos. Celotna investicija je vredna več kot dve milijardi evrov.
Sodelovanje in projekti znanstvenikov iz različnih držav v zadnjih letih postajajo vse pomembnejši, njihova spoznanja pa na različne načine prelomna, so zapisali na Inštitutu Jožef Stefan. Pri načrtovanju in izvedbi znanstvenega programa in eksperimentalnih objektov sodeluje približno 3000 znanstvenikov iz več kot 50 držav. V njem sodeluje trenutno devet polnopravnih članic, tudi Slovenija.
