Promieniowanie jonizujące

Transkrypt

1 Promieniowanie jonizujące Wykład IV Krzysztof Golec-Biernat Promieniotwórczość naturalna Uniwersytet Rzeszowski, 22 listopada 2017 Wykład IV Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 1 / 21

2 Reakcja rozszczepienia jąder W latach trzydziestych XX w. prowadzono badania wychwytu neutronów przez bardzo ciężkie jądra. Produkowano w ten sposób nowe jądra transuranowe, np. neptun i pluton 1 0n U U + γ U + γ Np + e + ν Np Pu + e + ν Bombardowanie uranu neutronami prowadzi też do powstania lżejszych pierwiastków (Otto Hahn, Lisa Meitner, Fritz Strassman- 1938) n U U 89 36Kr Ba + 3n + γ Interpretacja - rozszczepienie jądra uranu na dwa jądra o średniej masie Wykład IV Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 2 / 21

3 Rozkład liczby masowej produktów rozpadu 235 U Wykład IV Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 3 / 21

4 Model rozszczepienia jądra Model kroplowy jądra Jądro U absorbuje neutron termiczny o E k 0.04 ev Rozszczepienie uwalnia kilka szybkich neutronów o E k 1 MeV Neutrony szybkie rozszczepiają jądra 238 U, a termiczne 235 U Wykład IV Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 4 / 21

5 Reakcja łańcuchowa Trzy powstające neutrony mogą zainicjować reakcję łańcuchową. W każdej reakcji uwalniania jest energia około 200 MeV do wykorzystania. Wykład IV Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 5 / 21

6 Masa krytyczna materiału rozszczepialnego Współczynnik k - stosunek liczby neutronów w kolejnych "pokoleniach". Masa podkrytyczna (k<1) - większość neutronów ucieka i proces zamiera. Masa nadkrytyczna (k>1) - większość neutronów zostaje w materiale i reakcje rozszczepienia narastają lawinowo. Masa krytyczna (k=1) - graniczna wartość masy gdy reakcja jest stabilna. czysty 238 U kg, kula o średnicy 13.5 cm czysty 239 Pu kg, kula o średnicy 8.2 cm Wykład IV Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 6 / 21

7 Energia jądrowa Reakcja łańcuchowa zachodzi przy wystarczającej ilości izotopu uranu 235 U w paliwie, która przekracza masę krytyczną. W uranie naturalnym 238 U znajduje się 0.72 % uranu 235 U. Paliwo reaktorowe to uran wzbogacony z zawartością % 235 U. Wzbogacanie w wirówkach poprzez oddzielenie dwóch izotopów uranu. W uranowych bombach jądrowych zawartość 235 U dochodzi do 95 %. Bomby plutonowe z produktu rozpadu paliwa jądrowego, plutonu 239 Pu 238 U + n 239 U β 239 Np β 239 Pu (T 1/2 = 2.4 d) Marzenie ludzkości - kontrolowana energia z syntezy lekkich jąder deuteru 6 2 1H 2 4 2He + 2p + 2n MeV Problem z utrzymaniem zjonizowanej plazmy w ograniczonej objętości w tokamakach lub stellaratorach - projekt ITER realizowany w Cadarache. Wykład IV Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 7 / 21

8 Reaktor jądrowy Paliwo jądrowe w moderatorze (woda, grafit) spowalniającym neutrony. Liczba neutronów regulowana przez kontrolne pręty kadmowych. Wyprodukowane ciepło odprowadza chłodziwo (woda, hel, ciekły sód). Wykład IV Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 8 / 21

9 Rdzeń reaktora jądrowego Wykład IV Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 9 / 21

10 Wady i zalety energetyki jądrowej Radioaktywne odpady i konieczność ich zabezpieczenia. Reaktor wodny o mocy 1 GW wytwarza 21 ton zużytego paliwa na rok. 20 ton 238 U z 0.9% 235 U 200 kg plutonu 21 kg lżejszych aktynowców (neptun, ameryk, kiur) 760 kg produktów rozszczepienia zawierających izotopy promieniotwórcze (np. 9 kg cezu-135, 3 kg jodu 129). Pluton daje 50% promieniowania na początku i 90% po kilku tysiącach lat. We Francji 96% odpadów jest recyklingowana i ponownie użyta (U,Pu). Tylko 1% odpadów po recyklingu stanowi zagrożenie. Problem transmutacji odpadów przy pomocy silnych wiązek neutronowych. Wykład IV Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 10 / 21

11 Emisja uranu i toru z elektrowni weglowych Ilość uranu i toru emitowanych w elektrowni węglowych znacznie przekracza ilość paliwa zużywanego w w elektrowniach jądrowych. Wykład IV Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 11 / 21

12 Promieniotwórczość naturalna Na Ziemi istnieją szeregi promieniotwórcze ciężkich jąder z rozpadów supernowych o liczbach A zmieniających się co 4 ze względu na rozpady α. Nazwa szeregu A Izotop począt. Izotop końc. T 1/2, lat torowy 4n neptunowy 4n+1 uranowo-radowy 4n+2 uranowo-aktynowy 4n Th Np U U Pb Bi Pb Pb Szeregi rozpadów alfa i beta, kończące się na jądrze stabilnym. Produkty rozpadów są izotopami pierwiastków o liczbie atomowej 81 Z 92. W przyrodzie nie występują już naturalne izotopy szeregu neptunowego, gdyż czas jego połowicznego rozpadu T 1/ lat (wiek Ziemi). Energia cieplna wnętrza Ziemi pochodzi z naturalnych rozpadów promieniotwórczych. Wykład IV Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 12 / 21

13 Szereg promieniotwórczy torowy Wykład IV Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 13 / 21

14 Szereg promieniotwórczy uranowo-radowy Niebezpieczny jest najcięższy gaz radon i produkty jego rozpadu. Wykład IV Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 14 / 21

15 Szereg promieniotwórczy uranowo-aktynowy Wykład IV Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 15 / 21

16 Sztuczna promieniotwórczość Lżejsze jądra promieniotwórcze powstają w zderzeniach promieni kosmicznych ze składnikami atmosfery - N, O, Ar. Najlżejszym jądrem promieniotwórczm jest tryt 3 1H 3 2He + e + γ e, (T 1/2 = 12.5 y) Promieniotwórcze nuklidy wytwarza się też sztucznie naświetlając stabilne izotopy cząstkami α lub neutronami w reaktorach n Co 60 27Co 60 28Ni + e + + γ e + γ, (T 1/2 = 5.3 y) Sztuczna promieniotwórczość została odkryta przez Irenę Joliot-Curie (córkę Marii Curie) i Fryderyka Joliot w 1937 roku. Wykład IV Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 16 / 21

17 Podsumowanie Reakcja rozszczepienia uranu 235 U jest źródłem energii w elektrowniach jądrowych i bombach atomowych. W naszym otoczeniu występuje promieniotwórczość naturalna - szeregi promieniotwórcze. Radionuklidy wytwarza się też sztucznie. Wykład IV Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 17 / 21

18 Materiały do ćwiczeń Wykład IV Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 18 / 21

19 Radionuklidy wytwarzane w NCBJ w Świerku Wykład IV Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 19 / 21

20 Wytwarzanie energii 1 toe = 42 GJ = MWh Wykład IV Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 20 / 21

21 Problemy do rozwiązania 1. Oblicz energię wydzieloną w reakcji rozszczepienia uranu 235 U. 2. Ile energii (w MWh) dostarczają elektrownie jądrowe na świecie? 3. Izotopy jakich pierwiastków są produktami rozpadu szeregów promieniotwórczych? Wykład IV Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 21 / 21