FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych

Transkrypt

1 FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych Wykład 10 Energetyka jądrowa

2 Rozszczepienie A1 A2 U n 92U Z F1 Z F2 2,5n 1 2 Q liczba neutronów 0 8, średnio 2,5 najbardziej prawdopodobne liczby masowe: 95 i 139, liczby atomowe: 38 i 54 Udział procentowy fragmentów rozszczepienia w zależności od liczby masowej A U

3 Reakcja rozszczepienia wyzwala się 180 MeV rozpad - wyzwala się 5,6 MeV

4 Reakcja rozszczepienia

5

6 reakcja rozszczepienia

7

8 reakcja łańcuchowa 235 U 0,72%

9

10 bilans energia kinetyczna jąder produktów 165 MeV energia wynoszona przez neutrony 5 MeV energia natychmiastowych kwantów 7 MeV energia rozpadów jąder promieniotwórczych 25 MeV razem 200 MeV spalanie węgla: 4 ev na atom (C + O 2 = CO 2 )

11 Reaktor jądrowy Główna część energii rozszczepienia - energia kinetyczna fragmentów. wzrost temperatury Wykorzystanie ciepła generowanego w paliwie jądrowym jest głównym celem eksploatacji reaktorów energetycznych.

12 Reaktor U Przekrój czynny na rozszczepienie przez zderzenie z neutronem maleje ze wzrostem energii neutronów. Z punktu widzenia skuteczności działania neutrony dzielimy na: Neutrony prędkie o energii większej niż 0,5 MeV Neutrony pośrednie o energii 0,1 ev - 0,5 MeV Neutrony termiczne o energii ok. 0,025eV

13 235 92U Paliwo reaktora Izotop jest jedynym nuklidem występującym w stanie naturalnym w przyrodzie, który można rozszczepić neutronami termicznymi U stanowi wagowo 0,71% uranu naturalnego, 238 resztę stanowi izotop 92U wzbogacanie paliwa Neutronami prędkimi można rozszczepić także jądra izotopów U i. Pu nuklidy wytwarzane z toru i uranu 238 U Th

14 Paliwo reaktora Reakcje powielania paliwa: U 1 0 n U Np Pu izotopy paliworodne izotopy rozszczepialne Th 1 0 n Th 1 Pa U

15 Kontrola reakcji: wychwyt neutronów zahamowanie reakcji łańcuchowej. Warunki podtrzymania reakcji: masa krytyczna spowalnianie neutronów 2 MeV 0,1 ev

16 Reaktor U n 236 powoln y 92 U X Y n szybki termiczny (kt 0,025 ev) energia 2 MeV) dla 235 U: dla 239 Pu: dla 233 U: 2,43 2,87 2,48 Jądra X i Y rozpadają się dalej opóźniona emisja neutronów

17 Wydajność reakcji rozszczepienia Wydajność reakcji rozszczepienia na ile prędkich neutronów przypada 1 absorbowany powolny neutron wywołujący rozszczepienie N N 235 f N(235) liczba atomów 235 U N(238) liczba atomów 238 U N f f (235) przekrój czynny na wychwyt neutronu przez 235 U prowadzący do rozszczepienia c (235) przekrój czynny na wychwyt neutronu przez 235 U nie prowadzący do rozszczepienia c c

18 Wydajność reakcji rozszczepienia Jeśli pojawi się n neutronów, to n może spowodować rozszczepienie. Należy je spowolnić w moderatorze (jądra o małym A): H 2 O łatwo dostępna, może absorbować neutrony, D 2 O droga, mały przekrój czynny a na pochłanianie, może powstać radioaktywny, niebezpieczny tryt, C (grafit) mały przekrój czynny a, tani.

19 Wydajność reakcji rozszczepienia ale l f prędkich neutronów ucieknie, l s neutronów ucieknie po spowolnieniu, pozostanie 1 l 1 l f s neutronów. n Nieliczne neutrony spowodują rozszczepienie zanim zostaną spowolnione, co prowadzi do współczynnika efektu prędkiego (nieco większy od 1), niektóre neutrony uzyskają energię rezonansową i zostaną pochłonięte bez rozszczepienia współczynnik p < 1. Pozostanie 1 l 1 l n p f s neutronów powolnych. Tylko część z nich, f, zostanie zaabsorbowana przez paliwo: 1 l 1 l n pf f s

20 Wydajność reakcji rozszczepienia Liczba neutronów użytecznych w procesie rozszczepienia: 1 l l n kn pf 1 k - współczynnik mnożenia reaktora Dla bardzo dużego reaktora znikają czynniki związane z ucieczką neutronów: k pf = 1,33 dla uranu naturalnego = 2 dla uranu wzbogaconego (5%) = 2,08 dla czystego uranu 235 U f s > 1 p < 1 > 1 f < 1

21 Grozi wybuchem Liczba neutronów powstających w reaktorze w jednostce czasu jest większa niż liczba neutronów traconych. W reaktorze zachodzi kontrolowana, samopodtrzymująca się, reakcja łańcuchowa. Liczba neutronów powstających w reaktorze w jednostce czasu jest równa liczbie neutronów traconych. Reakcja wygasa Liczba neutronów powstających w reaktorze w jednostce czasu jest mniejsza niż liczba neutronów traconych.

22 Wydajność reakcji rozszczepienia k - współczynnik mnożenia reaktora w układzie teoretycznie nieskończonym w zależności od stosunku moderator / paliwo k pf 1,0 0,5 k maleje p Gdy temp. rośnie, moderator rozszerza się i N mod /N paliwo maleje. k rośnie k f = 1,33 = 1, N mod /N paliwo

23 Systemy hybrydowe Bezpieczny reaktor: k < 1 Do podtrzymania reakcji potrzebne dodatkowe źródło neutronów: spallacja (kruszenie) jądra bombardowane protonami o energii 1 GeV emitują neutrony. System złożony z reaktora i akceleratora.

24 Rdzeń: Reaktor paliwo jądrowe otoczone moderatorem (spowalniaczem neutronów), z odpowiednimi kanałami przepływu czynnika chłodzącego oraz kanałami dla urządzeń sterujących W rdzeniu jest wytwarzana w procesie rozszczepienia jądra energia cieplna oraz strumień neutronów, niezbędny do podtrzymywania reakcji łańcuchowej. Pozostałe główne elementy reaktora tworzą: reflektor neutronów, osłona termiczna, zbiornik reaktora i osłona biologiczna.

25 Reaktor jądrowy 1. Pręty paliwowe materiał rozszczepialny 3. Kanał chłodzenia - ciekły sód lub woda 2. Moderator ( spowalnia neutrony) - grafit lub tzw. ciężka woda 4. Pręty regulacyjne (kadm pochłania neutrony - ma spowalniać lub przyspieszać reakcję)

26 Reaktor wysokotemperaturowy Przyszłość energetyki jądrowej? Hel chłodzący reaktor osiąga temperaturę C. Moc cieplna reaktora nie przekracza kilkuset MW. Mała elektrownia jądrowa - konkurencją dla elektrowni gazowej, a nie dużej elektrowni węglowej.

27 Reaktor wysokotemperaturowy Reaktor wysokotemperaturowy do produkcji wodoru W temperaturze C wodór można produkować z wody wydajnie i bez emisji CO 2 w procesach pośrednich (np. w cyklu siarkowym): 2H H O O % wodoru wytwarza się z gazu ziemnego 2 50% stosuje się do produkcji nawozów sztucznych 40% wykorzystują rafinerie ropy naftowej wodór paliwo przyszłości 2

28 Reaktor wysokotemperaturowy Dzięki wysokiej temperaturze wydajność zamiany ciepła na pracę wynosi 45% dla elektrowni węglowych nie przekracza 40%, dla współczesnych jądrowych 35%

29 Reaktor wysokotemperaturowy przerób węgla na paliwa gazowe i płynne

30 Problem bezpieczeństwa

31 Problem bezpieczeństwa

32 Reaktor wysokotemperaturowy

33

34 bomba atomowa Hiroshima :16:02 Nagasaki

35 Synteza jądrowa

36 Synteza jądrowa d + d 3 2He + n (+3,25 MeV) d + d 3 1H + p (+4,03 MeV) d H 4 2 He + n (+17,6 MeV) Bariera kulombowska wymaga nadania deuteronom energii kinetycznej E k 0,01 MeV (T = 10 9 K) Domieszka deuteru w wodorze: 0,015% Tryt wytwarzany bombardowaniem neutronami litu (płaszcz litu otaczający plazmę)

37 Produkcja litu

38 Synteza jądrowa Reakcja termojądrowa T 10 9 K Przy temperaturze T 10 7 K materia jest w postaci całkowicie zjonizowanej plazmy U trotyl D + Li kontrolowana synteza jądrowa?

39 I.Tamm, A.Sakharov tokamak linie pola magn. uzwojenie pole toroidalne pole typu tokamak pułapka magnetyczna pole poloidalne тороидальная камера в магнитных катушках

40 tokamak

41 ITER International Thermonuclear Experimental Reactor Caradache w pobliżu Marsylii UE, Japonia, Chiny, Rosja, Korea Płd.

42 Ivy Mike Atol Enewetak

43 Atol Bikini , Castle Bravo, 15 Mton docid=