Rozszczepienie jądra atomowego

Transkrypt

1 Rozszczepienie jądra atomowego W przypadku izotopów 235 U i 239 Pu energia wzbudzenia jądra po wychwycie neutronu jest większa od wysokości bariery, którą trzeba pokonać aby nastąpiło rozszczepienie. Izotop 235 U stanowi 0,7% naturalnego uranu. Pluton jest wytwarzany sztucznie w reakcji jądrowej 238 U(n,γ) 239 U 239 Np+β - +ν e 239 Pu+β - + ν e Średnia energia wiązania na nukleon w jądrach atomowych. Energia może zostać wyzwolona, gdy nukleony zostaną silniej związane na skutek reakcji rozszczepienia lub syntezy jąder atomowych Stosunek liczby neutronów do liczby protonów wzrasta dla cięższych jąder atomowych. Podczas rozszczepienia ciężkich jąder emitowane są nadmiarowe neutrony a produkty rozszczepienia podlegają rozpadowi β przemianie neutronu w proton z emisją elektronu i anty-neutrina. 1

2 Rozkład mas nuklidów powstałych w wyniku rozszczepienia uranu 235 U Reakcja rozszczepienia reakcja łańcuchowa U + n U Xe+ Sr + 2n Izotopy nietrwałe (zawierają zbyt dużo neutronów) Wyzwalana jest energia około 200 MeV Problemy: -ucieczka neutronów z reaktora -neutrony z reakcji rozszczepienia są szybkie, trzeba je spowolnić -wychwyt neutronów przez 238 U 2

3 Reaktor jądrowy - bilans neutronów K - współczynnik mnożenia K= Liczba neutronów w danym pokoleniu Liczba neutronów w poprzednim pokoleniu K=1 stan krytyczny K>1 stan nadkrytyczny Reaktor jądrowy - historia Pierwszy reaktor grafitowy - stos atomowy Fermiego - Chicago 1942 r. Pierwszy stos atomowy podczas układania kolejnej 19 warstwy grafitu Enrico Fermi , nagroda Nobla w 1938 r. za reakcje wychwytu neutronu 3

4 Reaktor wodny wrzący z moderatorem grafitowym - typ RBMK Reaktor Bolszoj Moszcznosti Kanalnyj Awaria reaktora w Czarnobylu 1986 r. Możliwe sprzężenie zwrotne dodatnie, które destabilizuje reakcję łańcuchową: przegrzanie, odparowanie wody, zwiększenie współczynnika powielania neutronów (woda pochłania neutrony a tu nie służy jako moderator), dalsze zwiększenie mocy reaktora, stopienie rdzenia. Reaktor wodny wrzący (Boiling Water Reactor BWR) elektrownia z bezpośrednim obiegiem pary 4

5 Reaktor powielający paliwo - fast breeder reactor Konwersja 238 U do 239 Pu Reakcja jądrowa 238 U(n,γ) 239 U 239 Np+β - +ν e 239 Pu+β - + ν e wywołana szybkimi neutronami niepotrzebny moderator. Chłodzenie ciekłym sodem - dwa obiegi, bo na skutek wychwytu neutronu wytwarza się radioaktywny izotop 24 Na (T 1/2 =15 h). Temperatura rdzenia 550 o C. Elektrownia z reaktorem wodnym ciśnieniowym (Pressurized Water Reactor PWR) 5

6 Reaktor wodny ciśnieniowy WWER-440/213 (water-water energetic reactor) 440 MW Rdzeń reaktora WWER-440/213 Pastylki paliwa o średnicy 7,6 mm nisko-wzbogacony UO 2 (3,6% 235 U Sześciokątny pakiet 126 prętów paliwowych 6

7 Reaktor EPR (European Pressurized Water Reactor, europejski ciśnieniowy reaktor wodny) cztery niezależne układy awaryjnego chłodzenia, każdy wystarcza do schłodzenia reaktora po wyłączeniu, szczelna obudowa bezpieczeństwa, dodatkowa obudowa i obszar chłodzony na wypadek wydostania się stopionego rdzenia dwuwarstwowa betonowa ściana o grubości 2,6 metra ma wytrzymać uderzenie samolotu. Paliwo: tlenek uranu lekko wzbogacony 5% 235 U lub mieszane tlenki uranu i plutonu MOX. Moc elektryczna 1600 MW Reaktor jądrowy ciężkowodny ciśnieniowy CANDU Canadian Deuterium Uranium Uran naturalny niewzbogacony 0,7% izotopu 235 U Ciężka woda D 2 O lepszy moderator niż H 2 O, 7

8 Reaktor IRIS International Reactor Innovative and Secure, innowacyjny i bezpieczny, firmy Westinghouse, konfiguracja integralna: elementy obiegu pierwotnego znajdują się wewnątrz zbiornika reaktora Paliwo: UO 2 lub MOX, cykle wypalania 4 do 10 lat Energetyka jądrowa - od rudy uranu do składowania odpadów promieniotwórczych 8

9 Odpady promieniotwórcze z elektrowni jądrowych aktynowce izotop T 1/2 [lat] neptun 237 Np pluton 239 Pu pluton 240 Pu 6600 pluton 242 Pu ameryk 241 Am 432 kiur 244 Cm 18 produkty rozszczepienia izotop stront 90 Sr cyrkon 93 Zr technet 99 Tc pallad 107 Pd cez 137 Cs samar 151 Sm T 1/2 [lat] Udział państw w wytwarzaniu energii elektrycznej w elektrowniach jądrowych 9

10 Udział energetyki jądrowej w produkcji energii elektrycznej w różnych krajach 10

11 Synteza termojądrowa (fuzja) we wnętrzu Słońca n(e k ) rozkład energii protonów w jądrze Słońca p(e k ) prawdopodobieństwo zajścia reakcji syntezy deuteru w wyniku zderzenia protonów kt energia cząstek przy temperaturze w jądrze Słońca 11

12 Cykl protonowo-protonowy syntezy helu i wytwarzania energii we wnętrzu Słońca 4 1 H + 2e - 4 He +2ν +6γ Q=26,7 MeV Kontrolowana synteza termojądrowa utrzymywanie magnetyczne Gorąca plazma w toroidalnej pułapce magnetycznej Eksperymentalny reaktor termojądrowy tokamak Joint European Torus (JET) Reakcje deuter deuter Reakcja deuter tryt 2 H + 2 H 3 He + 1 n (+3,3 MeV) 2 H + 2 H 3 H + 1 H (+4,1 MeV) 2 H + 3 H 4 He + 1 n (+17,6 MeV) Warunek uzyskania energii netto w reakcji termojądrowej - kryterium Lawsona - iloczyn koncentracji jąder n i czasu uwięzienia τ plazmy musi być większy od wartości granicznej. nτ>10 20 s/m 3 dla reakcji deuter - tryt 12

13 Kontrolowana synteza termojądrowa utrzymywanie magnetyczne ITER International Thermonuclear Experimental Reactor projekt tokamak za 10 miliardów EURO Stellerator w Japonii sznur plazmowy Kontrolowana mikrosynteza termojądrowa utrzymywanie inercyjne Inertial confinement fusion (ICF) Lawrence Livermore National Laboratory USA Lasery impulsowe dużej mocy kapsułka z paliwem deuterowo-trytowym otrzymuje energię 200 kj w czasie krótszym od 1 nanosekundy 13

14 Masa krytyczna kula z materiału rozszczepialnego osiąga stan krytyczny Reflektor neutronów Bomba atomowa (rozszczepienie 235 U lub 239 Pu) Mk-45 Davy Crockett na wyrzutni M

15 Bomba termojądrowa (wodorowa) 1 n + 6 Li 3 H + 4 He (+4,8 MeV) 1 n + 7 Li 3 H + 4 He+ 1 n (-2,5 MeV) 2 H + 2 H 3 H + 1 H (+4,1 MeV) 2 H + 2 H 3 He + 1 n (+3,3 MeV) 2 H + 3 H 4 He + 1 n (+17,6 MeV) Eduard Teller Stanisław Ulam Bomba wodorowa - reakcje syntezy jądrowej deuter-deuter i deuter-tryt wywołane eksplozją ładunku rozszczepialnego A głowica przed wybuchem B eksplozja materiału wybuchowego powoduje ściśnięcie plutonowego rdzenia pierwszego członu bomby i osiągnięcie masy krytycznej C wybuch ładunku rozszczepialnego pierwszego członu promieniowanie nagrzewa piankę polistyrenową D pianka staje się plazmą i ściska drugi człon rozszczepienie Pu E w ściśniętym i rozgrzanym LiD zaczyna się reakcja syntezy termojądrowej, strumień neutronów inicjuje rozszczepienie uranu w osłonie Wybuch sowieckiej bomby termojądrowej trzystopniowej na Morzu Arktycznym w 1961 r. równoważnik trotylowy (TNT) 50 megaton energia 2,1x10 17 J 15

16 Głowice termojądrowe rakiet balistycznych Radioizotopowy generator termoelektryczny RTG Sonda Voyager Rosyjskie RTG na złomowisku 16