Nuclear Energy. Nuclear power is a hell of a way to boil water. - Albert Einstein

Transkrypt

1 Nuclear Energy Nuclear power is a hell of a way to boil water. - Albert Einstein

2 Struktura materii

3 Fizyka jadrowa: podstawy Fizyka jadrowa zajmuje się badaniem budowy i przemian jądra atomowego Jadro atomowe: - sklad: protony I neutrony - ladunek elektryczny: Z x ladunek protonu - rozmiar: kilka femtometrow: m - masa: masa neutronow i protonow energia wiazania - oddzialywanie: silne > slabe > elektromagn. > grawitacyjne - czas zycia: od nanosekund do nieskonczonosci Poczatki: 1911 (100 lat temu!) Rutherford publikuje artykuł o odkryciu jadra atomowego 1932 Chadwick identyfikuje neutron 1935 Yukawa postuluje, ze oddziaływanie neutronów i protonów w jadrze jest przenoszone za pomocą cząstki zwanej mezonem Nadal nie znamy wszystkich własności oddziaływania jądrowego i brak jest teorii jadra atomowego

4 Co trzyma w całości atom i dlaczego nie rozpada się jądro? p 14 N p Odpychanie el.stat. protonów w jądrze

5 Rodzaje oddziaływań Oddziaływanie Względna wartość Cząstki przenoszące oddziaływanie Występowanie Jądrowe silne ~1 8 gluonów Jądra atomów Elektromagnetycz ~10-3 ne Fotony Warstwy atomów, urządz. elektr. Jądrowe słabe ~10-5 Bozony Rozpady radioaktywne Grawitacyjne ~10-38 Grawitony(?) Ciała niebieskie

6 Rozmiary jąder eksperymenty Rutherforda Mikroskop Blok z ołowiu Ekran fluorescencyjny Próbka polonu Złota folia Do czego przydała się tu mechanika klasyczna (prawo Newtona)?

7 Masy jąder - spektrograf masowy Źródło Czy jądro (atomu) można zważyć?

8 Stanford Linear Accelerator Laboratory (SLAC) in California

9 We wnętrzu akceleratora

10 Komora pęcherzykowa

11 Energia wiązania w atomie i w jądrze Energia jonizacji 1 ev=10-19 J Energia rozpadu

12 I.D. pierwiastka (jądra) Liczba masowa (protony + neutrony) Liczba atomowa (protony) A Z X

13

14 A jednak się rozpada promieniotwórczość naturalna Tor Rad Radon Polon Ołów

15 Przemiany jąder szeregi promieniotwórcze Czasy rozpadu wewnątrz prostokątów dotyczą wszystkich możliwych ścieżek Trwały izotop Pb Układ okresowy pierwiastków

16 Dlaczego (jądro się rozpada)? E mc 2 c 3 10 m/s 2 8

17 Co siedzi w masie jądra? Energia przyciągających się nukleonów: E m 2 c ujemna! E Eo E p Masy składników Energie oddziaływania składników

18 Defekt (niedobór) masy m X Z m protonu ( A Z ) mneutronu A Z m X Z m H (A Z) m n A Z m Z m protonu ( A Z ) mneutronu m X A Z

19 Siła Coulomba hamulcem rozpadów!!! Kulombowska bariera

20 Reakcje (przemiany) jądrowe można wymuszać rozszczepienie uranu 235 powolny neutron Jeden z możliwych podziałów Jedn. Energia z 1 kg uranu 1 Jednostka to energia zużywana na rok przez obywatela USA

21 Prawie to samo, ale inaczej pokazane 215 MeV energii promienie gamma powolny neutron o energii ~1eV niestabilny izotop U-236 (oscylacje) neutrony mogące zapoczątkować reakcję łańcuchową

22 Zysk procentowy % Zysk energii z rozpadu Stabilny Produkty rozpadu U235 Liczba masowa A Stabilny

23 Rozpad radioaktywny Rozpad Beta: emisja elektronu lub pozytronu Rozpad Alfa: emisja jadra helu Emisja protonu lub neutronu Emisja innych czastek, np. 2 protonow (emisja gamma: przejscie jadra do stanu mniej wzbudzonego)

24 Masa krytyczna To minimalna masa, w której reakcja rozszczepienia przebiega w sposób łańcuchowy, czyli każde jedno rozszczepienie jądra atomowego inicjuje dokładnie jedno następne rozszczepienie. W masie mniejszej od masy krytycznej reakcja zainicjowana rozszczepieniem spontanicznym zaniknie, w masie większej od masy krytycznej reakcja będzie przebiegała w sposób lawinowy, tzn. jedno rozszczepienie wywoła więcej niż jedno rozszczepienie.

25 Bomba atomowa Energia wydziela się z reakcji rozszczepienia ciężkich jąder atomowych (np. uranu lub plutonu) na lżejsze pod wpływem bombardowania neutronami. Rozpadające się jądra emitują kolejne neutrony, które bombardują inne jądra, wywołując reakcję łańcuchową.

26

27 Synteza deuter + tryt Rozpędzone cząsteczki Zysk energii z 1kg paliwa to 676 Jednostek

28 Porównanie! Synteza Powolny neutron Rozpędzone cząsteczki 676 Jednostek Rozszczepienie Zysk energii 176 Jednostek z 1kg paliwa to 676 Jednostek

29 Kontrolowana synteza termojądrowa - reakcja termojądrowa, która miałaby podlegać kontrolowanemu przebiegowi. Główną motywacją kontrolowania syntezy termojądrowej jest wykorzystanie jej jako źródła energii. Inercyjne uwięzienie elektrostatyczne plazmy (skrót ang. IEC) to koncepcja polegająca na uwięzieniu plazmy przy użyciu pola elektrostatycznego. Pole to przyspiesza naładowane cząstki (jony albo elektrony) promieniście do wewnątrz, zwykle w geometrii sferycznej, ale niekiedy w cylindrycznej. Jony mogą być więzione przy użyciu IEC aby uzyskać kontrolowaną syntezę termojądrową w fuzorach i reaktorach typu polywell. Magnetyczne uwięzienie plazmy, pułapka magnetyczna podejście do uzyskania kontrolowanej syntezy termojądrowej, które wykorzystuje pole magnetyczne do uwięzienia paliwa dla syntezy jądrowej będącego plazmą.

30 Magnetyczne uwięzienie plazmy

31 The 100 Ton Test On May 7, 1945, 108 tons of TNT stacked and threaded with radioactive material was detonated in the White Sands desert in New Mexico. This explosion was meant to calibrate the instruments that would measure the actual nuclear bombs to be tested later.

32 Trinity The first nuclear test detonation used a device that was an exact replica of Fat Man, which would later be dropped on Nagasaki, Japan. The heat of the explosion fused the desert sands together, forming a layer of radioactive green glass.

33 Two atomic bombs were dropped during World War II Hiroshima and Nagasaki, Japan. Each had yields of kilotons of TNT. These blasts ended World War II. Hiroshima, March 1946.

34 Following World War 2, additional nuclear weapons testing was moved to part of the Marshall Islands, called the Bikini Atoll (11 N, 165 E). This testing was codenamed Operation Crossroads.

35 Two nuclear devices were detonated at sea as part of Operation Crossroads. The purpose was to study the effects of a nuclear blast on an armada of naval ships. The first blast, called Shot Able, was dropped from a plane. The second, Shot Baker, was detonated underwater, beneath the ships. Different species of lab animals were placed on several ships, to test for radiation poisoning following the blast.

36 Operation Crossroads Fallout Glenn Seaborg, chairman of the Atomic Energy Commission, called Baker the world s first nuclear disaster. The target ships of Shot Baker were all heavily contaminated with radioactive fallout. Some were so hot that they could not be safely decontaminated and had to be sunk.

37 Operation Castle In 1954, six large nuclear tests were conducted. The largest was code named Castle Bravo. This tested a new design, called a hydrogen bomb.

38 Castle Bravo Fallout Castle Bravo was a much more powerful blast than expected. Residents of nearby atolls were exposed to toxic levels of radioactive fallout. A Japanese tuna fishing boat called the Lucky Dragon 5 was also caught in the blast radius.

39 Nuclear fallout is dust and ash propelled into the atmosphere following a nuclear blast. Radiation exposure from fallout is measured in rems rems causes mild symptoms, such as nausea and vomiting rems has about a 50% mortality rate rems will usually cause death. Over 1000 rems will cause death in a few hours or less. Interior exposure of fallout, from breathing or ingesting the dust and ash, would have even more severe effects. An average person will be exposed to about 620 millirems of radiation per year from natural and man-made sources.

40 Radioactive coral dust fell on the Lucky Dragon 5. Fishermen touched the dust with their bare skin, inhaled it, and in some cases, tasted it. One crewmember died from exposure.

41 Atoms for Peace As the Bikini nuclear testing continued, President Dwight Eisenhower gave a famous speech to the United Nations: My country wants to be constructive, not destructive. the United States pledges before you its determination to help solve the fearful atomic dilemma--to devote its entire heart and mind to find the way by which the miraculous inventiveness of man shall not be dedicated to his death, but consecrated to his life."

42 Equipment and technology were provided to schools, hospitals, and research institutions to help develop nuclear technology towards more peaceful goals. The primary goal: electricity generation. Optimism for the new technology was very high. Lewis Strauss, chairman of the Atomic Energy Commission, predicted that, Our children will enjoy in their homes electrical energy too cheap to meter.

43 Nuclear Reactors The process of converting nuclear energy into electricity is similar to that of using fossil fuels. Water is boiled, the steam is passed through a turbine, which spins a generator.

44 As with nuclear bombs, the primary fuel is uranium-235. Uranium ore is enriched and formed into fuel pellets. The fuel pellets are stacked into long, cylindrical fuel rods. Control rods, made of a neutron-absorbing material, are placed amongst the fuel rods. Can be removed and inserted to adjust the rate of the chain reaction. Withdraw control rods, reaction increases Insert control rods, reaction decreases

45 One big advantage to nuclear power is that, under normal conditions, it does not release any air pollution, only steam. Cooling Tower in Byron, Illinois

46 Kinds of Reactors Both reactor vessel and steam generator are housed in a special containment building preventing radiation from escaping, and providing extra security in case of accidents. Under normal operating conditions, a reactor releases very little radioactivity.

47 Przekrój reaktora Fizyka atomowa i kwantowa

48 Summary: How Nuclear Energy Works

49 Nuclear Accidents In 1979, a movie called The China Syndrome was released. Fictional story about a California nuclear plant that experienced a nearmeltdown of its nuclear core. The title of the movie is an exaggeration of what happens during a meltdown the nuclear core becomes so hot that it melts, even melting through the floor of the reactor vessel.

50 Ten days following the movie s release, the Three Mile Island partial meltdown occurred. A relief water valve stuck open, allowing water to escape from the core. A meltdown, when the fuel and control rods physically begin to melt due to the heat surge within the reactor, partially occurred. No major leak to the environment occurred.

51 In 1986, a full meltdown occurred at the Chernobyl nuclear plant located in Ukraine (formerly Soviet Union). A test was being conducted on the reactor to see how the backup water pump generators would respond to a full power outage. The control rods were fully removed. At some point, the fission chain reaction began occurring uncontrollably. An explosion ripped apart the containment building, spreading radioactive fallout throughout the area and into the atmosphere

52 There were multiple design flaws at the Chernobyl plant: The containment building was inadequate. Graphite was used as a moderator instead of water. When the meltdown occurred, it ignited, releasing more fallout. A water storage pool was located under the reactor. If the core had melted down into this pool, an even greater explosion would have occurred.

53 The burning core was eventually extinguished. The nearby employees town, Pripyat, was permanently evacuated. A 30km radius around the plant, called the exclusion zone, has been designated as uninhabitable to people.

54 Fukushima The most recent meltdown occurred following a massive earthquake and tidal wave off the coast of Japan. The generators powering the water pumps of some of the Fukushima Daiichi reactors were flooded. Without cooling water, the core overheated and experienced a meltdown.

55 Contaminated water from the plant leaked into the Pacific. Top predators, like bluefin tuna, caught in the Pacific have positively tested for small amounts of radioactive fallout.

56 Radioactive Waste Management About 100,000 tons of low-level waste (clothing) and about 15,000 tons of high-level waste (spent-fuel) waste is stored in the U.S. from reactor usage. Spent fuel rods are temporarily placed in deep water pools while they cool down and the fission reaction slows. Waste is then moved to large casks of metal and concrete near the reactor.

57 The U.S. Department of Energy announced plans to build a high-level waste repository near Yucca Mountain, Nevada in The facility met three important criteria for long-term waste storage: Low moisture. Geologically stable. Far away from major population centers. Plans to use Yucca have since been halted, due to objections from Nevada residents. No long-term storage plan has been accepted by the U.S.

58 Some alternative methods of nuclear waste disposal have been researched. Transmutation uses the waste as fuel in a different type of reactor, which converts it to a less-dangerous waste. Geologic disposal involves depositing the waste deep below the Earth s crust in stable rock formations.