Rozszczepienie (fission)

Transkrypt

1 Rozszczepienie (fission) Odkryte w 1938 r. przy naświetlaniu jąder 238 U neutronami Zaobserwowano rozpad beta produktów reakcji, przypisany początkowo radowi 226 Ra Hahn i Strassmann pokazali metodami radiochemicznymi, że to był 137 Ba (~połowa uranu) Wykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 1

2 Spontaniczne rozszczepienie Liza Meitner i Otto Frisch w 1939 r. zaproponowali wyjaśnienie tego efektu jako rozszczepienie jądra Okazało się, że takie jądra jak uran czy tor potrafią rozszczepiać się samorzutnie (spontanicznie bez bombardowania neutronami) Spontanicznemu rozszczepieniu podlegają tylko bardzo ciężkie jądra (A,Z) (A 1,Z 1 ) + (A 2,Z 2 ) + k n Z = Z 1 + Z 2 A = A 1 + A 2 + k Wykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 2

3 Wnioski z doświadczalnej zależności B(A,Z) Podział najcięższych jąder na lżejsze jest energetycznie korzystny: Rozszczepienie Rozpad alfa Wykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 3

4 Modelowanie rozszczepienia Obraz modelowy: pękanie zdeformowanej kropli cieczy jądrowej Czas zachodzenia procesu zależy od prawdopodobieństwa tunelowania przez barierę potencjału energia aktywacji Wykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 4

5 Czas procesu BARDZO silnie zależy od parametru rozszczepialności równego Z 2 /A Rozszczepialność Wykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 5

6 Model Nilsa Bohra i Johna Wheelera W 1939 r. (niezależnie od L.Meitner i O.Hahna) pokazali, że konkurencja zmiany energii powierzchniowej i energii kulombowskiej przy przejściu od kuli do elipsoidy o tej samej objętości może prowadzić do rozszczepienia (wydzielania energii) Wykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 6

7 Energia fragmentów: systematyka Violi Energia kinetyczna fragmentów odzwierciedla wysokość bariery (odpychanie kulombowskie) Parametryzacja: Rozrzut opisany funkcją Gaussa z rozmyciem Wykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 7

8 Masy fragmentów Podział masy na fragmenty rozszczepienia zależy od energii wzbudzenia rozszczepiającego się jądra: E* niska asymetryczny rozkład mas fragmentów E* wyższa przejście do rozkładu symetrycznego Wykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 8

9 Neutrony z rozszczepienia Fragmenty produkty rozszczepienia mają duży nadmiar neutronów Pozbywają się ich na dwa sposoby: Emitują neutrony natychmiastowe (prompt) Zamieniają neutrony na protony w rozpadzie β z czasem życia około kilku sekund, a produkty, które dalej są neutronowo nadmiarowe emitują neutrony opóźnione (delayed) Pierwszy typ neutronów pozwala wywołać reakcję łańcuchową, a drugi pozwala nią sterować Wykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 9

10 Rozkład liczby neutronów Dobry opis przez rozkład Gaussa średnia = 2 3, różna dla różnych jąder odchylenie standardowe = 1,08 identyczne dla wszystkich jąder Neutrony opóźnione stanowią dla 235 U tylko 0.7% wszystkich neutronów i są średnio opóźnione o 12,5 sekundy Wykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 10

11 Krzywa wzbudzenia dla rozszczepienie Przekrój czynny na rozszczepienie przy bombardowaniu 235 U neutronami silnie rośnie ze zmniejszaniem energii neutronów Dla 238 U istnieje progowa energia neutronów (kilka MeV) Wykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 11

12 Widmo neutronów z rozszczepienia Aby wykorzystać neutrony z rozszczepienia 235 U dla inicjowania kolejnych rozszczepień należy je spowolnić (moderować) do reżimu termicznego (mev) n+u-235 Wykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 12

13 Reakcja łańcuchowa W naturalnym uranie przeważa 238 U (99,3%), izotopu 235 U łatwo rozszczepialnego jest 0,7% Samopodtrzymująca się reakcja łańcuchowa następuje po osiągnięciu masy krytycznej Wykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 13

14 Kontrolowana reakcja łańcuchowa Pierwszy reaktor jądrowy: Chicago Pile One (Enrico Fermi i Leo Szilard, ) Wykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 14

15 Reaktor jądrowy Schemat 1. Osłona biologiczna 2. Osłona ciśnieniowa 3. Reflektor neutronów 4. Pręty bezpieczeństwa 5. Pręty sterujące 6. Moderator 7. Pręty paliwowe 8. Chłodziwo Wykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 15

16 Rdzeń Elementy reaktora Pręty paliwowe (np. UO 2 ) Pręty regulacyjne i bezpieczeństwa (kadm, bor) Moderator (woda, ciężka woda, grafit, ) Kanały chłodzenia (woda, ciężka woda, sód, ) Kanały badawcze Reflektor neutronów Osłona biologiczna Osłona termiczna Osłona ciśnieniowa rdzenia Wykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 16

17 Ruda uranowa, wzbogacanie Uran transformowany do postaci gazowej UF 6 Zwiększanie stosunku 235 U/ 238 U separację w szeregowo połączonych układach (3 metody) Wykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 17

18 Pręty paliwowe Postać UO 2 (zawartość 235 U około 3%); pastylki pręty elementy paliwowe Wykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 18

19 Rdzeń reaktora Wykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 19

20 Składowanie odpadów jądrowych Wykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 20

21 Klasyfikacja reaktorów Przy podziale reaktorów bierze się pod uwagę wiele różnych cech: Paliwo: Naturalny uran (zawartość 235 U = 0,72%) Wzbogacony uran (3-5%, a nawet 20%) 239 Pu, 233 U otrzymane z przeróbki wypalonego paliwa Moderator: H 2 O lekkowodne = LWR (Light Water Reactor) D 2 O ciężkowodne = HWR (Heavy Water Reactor) 12 C grafitowe Wykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 21

22 Klasyfikacja reaktorów c.d. #1 Chłodzenie Woda pod normalnym ciśnieniem = BWR (Boiling Water Reactor) Woda pod dużym ciśnieniem (aby była płynem w wysokich temperaturach) = PWR (Pressurized-Water Reactor) lub = WWER (Wodno Wodianyj Energeticzeskij Reaktor) Gaz (CO 2 lub He) = GCR (Gas Cooled Reactor) Stopione metale (Na lub Pb) Stopione sole np. fluoru = MSR (Molten Salt Reactor) Wykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 22

23 Klasyfikacja reaktorów c.d. #2 Rodzaj konstrukcji (generacje) I = prototypowe II = przemysłowe III = nowe konstr. III+ = ulepszane IV = projektowane Przeznaczenie Energetyczne (power reactor) Powielające tj. wytwarzające nowe paliwo do reaktorów lub do celów wojskowych (breeder reactor) Badawcze (research reactor) Wykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 23

24 Klasyfikacja reaktorów c.d. #3 Reaktory na neutrony termiczne konieczne spowalnianie neutronów, więc Musi być moderator Paliwo musi być wzbogacone o 235 U Ilość rozszczepialnej substancji na końcu <70% Reaktory na neutrony prędkie (E n > 100 kev) nie spowalnia się neutronów, więc Nie potrzeba moderatora, ale Potrzeba więcej paliwa (mimo to cały reaktor jest mniejszy stosowane na okrętach i łodziach podwodnych) Ilość rozszczepialnej substancji na końcu może być >100% (powielanie paliwa) Wykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 24

25 Klasyfikacja reaktorów c.d. #4 Wykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 25

26 Dynamika reaktora Współczynnik namnażania neutronów k stosunek liczby neutronów wywołujących rozszczepienia w kolejnych pokoleniach k = 1 stan krytyczny k < 1 stan podkrytyczny k > 1 stan nadkrytyczny Reaktywność stabilna praca reaktora (sterowanie przez neutrony opóźnione) dla Wykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 26

27 Zastosowania energii jądrowej Wykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 27

28 Elektrownia jądrowa a konwencjonalna Różny sposób uzyskania ciepła węglowa jądrowa Wykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 28

29 Schemat elektrowni jądrowej Wykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 29

30 Elektrownia jądrowa PWR Wykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 30

31 Elektrownia jądrowa BWR Wykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 31

32 Elektrownia jądrowa HWR Wykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 32

33 Elektrownia jądrowa Wykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 33

34 Elektrownia jądrowa Wykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 34

35 Przemysłowo stosowane reaktory Wykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 35

36 Przemysłowo stosowane reaktory Wykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 36

37 Plusy Zalety i wady energetyki jądrowej Niewielki udział kosztów paliwa stabilne ceny energii Tańsza niż inne rodzaje energetyki (gdy weźmie się WSZYSTKIE koszty pod uwagę również rekultywację środowiska) Bezpieczna i ekologiczna przy poprawnej obsłudze Minusy Konieczność składowania i/lub przeróbki odpadów Konieczność zachowania wysokich standardów przy budowie i obsłudze Efekt nagrzania środowiska (występujący także w konwencjonalnych elektrowniach węglowych) Wykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 37

38 Cykl paliwowy kompletny Wykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 38

39 Energetyka a emisja CO 2 Wykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 39

40 Naturalny reaktor w OKLO Abundancja 235 U w naturalnym U jest stała na całym świecie i wynosi (0,00720±0,00001)% W 1972 r. zaobserwowano w Oklo (Gabon), że istnieją próbki o abundancji 235 U równej (3 σ mniej), a przy dalszym poszukiwaniu znaleziono próbki Nie może to być potraktowane jako statystyczne odchylenie Logiczne wytłumaczenie polega na tym, że istniał tam naturalny reaktor jądrowy (bo taka abundancja 235 U jest typowa dla wypalonego paliwa jądrowego w reaktorze; znaleziono także produkty rozszczepienia) Wykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 40

41 Naturalny reaktor w Oklo c.d. #1 Paliwem w reaktorze były rozpuszczone w wodzie sole UO 2 Moderatorem neutronów była woda, w której znajdowały się sole oraz pewna ilość naturalnego C Położenie geologiczne zapewniło brak pierwiastków tzw. neutron poissons (pochłaniających neutrony) Aby mogła zachodzić reakcja łańcuchowa to abundancja 235 U musiała wynosić przynajmniej 3% Stąd można oszacować, że reaktor istniał około 2 miliardy lat temu Z ilości wypalonego paliwa wynika, że miał on moc rzędu 100 kw i działał od do lat Stąd ilość wyprodukowanej energii ~ GWh Wykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 41

42 Naturalny reaktor w Oklo c.d. #2 Reaktor sam się regulował wydzielanie ciepła związane z reakcją łańcuchową powodowało wyparowanie wody moderatora niezbędnego dla podtrzymania reakcji łańcuchowej wtedy reaktor przestawał działać aż do następnych opadów Okazało się, że reaktor ten spalał także 239 Pu, który sam produkował; był więc (częściowo) reaktorem powielającym (breeder reactor) Wykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 42

43 Formacja geologiczna Oklo Produkty rozszczepienia nie zostały przez te 2 miliardy lat rozrzucone w dużym obszarze Wniosek: przechowywanie wypalonego paliwa z reaktora w stabilnych geologicznie utworach skalnych jest możliwe i wydaje się rozsądnym rozwiązaniem Wykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 43

44 Podstawy Fizyki Jądrowej Do zobaczenia za tydzień Wykład 12 Podstawy Fizyki Jądrowej - St. Kistryn 44