WSTĘP DO FIZYKI JADRA ATOMOWEGOO Wykład 11. IV ROK FIZYKI - semestr zimowy Janusz Braziewicz - Zakład Fizyki Atomowej IF AŚ



Podobne dokumenty
Fizyka jądrowa cz. 2. Reakcje jądrowe. Teraz stałem się Śmiercią, niszczycielem światów. Robert Oppenheimer

Promieniowanie jonizujące

Reakcje syntezy lekkich jąder

Reakcje syntezy lekkich jąder

Elementy Fizyki Jądrowej. Wykład 8 Rozszczepienie jąder i fizyka neutronów

Reakcje rozszczepienia jądra i ich wykorzystanie

Reakcje rozszczepienia jądra i ich wykorzystanie

FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych

Reakcja rozszczepienia

Energetyka jądrowa. Energetyka jądrowa

Podstawowe własności jąder atomowych

Podstawowe własności jąder atomowych

Fizyka współczesna. Jądro atomowe podstawy Odkrycie jądra atomowego: 1911, Rutherford Rozpraszanie cząstek alfa na cienkich warstwach metalu

Rozpad gamma. Przez konwersję wewnętrzną (emisję wirtualnego kwantu gamma, który przekazuje swą energię elektronom z powłoki atomowej)

Reakcje rozszczepienia i energetyka jądrowa

Elementy Fizyki Jądrowej. Wykład 9 Fizyka neutronów i reakcja łańcuchowa

ODKRYCIE PROMIENIOTWÓRCZOŚCI PROMIENIOWANIE JĄDROWE I JEGO WŁAŚCIWOŚCI

Promieniowanie jonizujące

Rozszczepienie jądra atomowego

Energetyka konwencjonalna odnawialna i jądrowa

2008/2009. Seweryn Kowalski IVp IF pok.424

pobrano z serwisu Fizyka Dla Każdego - - zadania z fizyki, wzory fizyczne, fizyka matura

Fizyka jądrowa. Podstawowe pojęcia. Izotopy. budowa jądra atomowego przemiany promieniotwórcze reakcje jądrowe. jądra atomowe (nuklidy) dzielimy na:

Fizyka jądrowa. Podstawowe pojęcia

Rozszczepienie (fission)

Energetyka Jądrowa. Wykład 3 14 marca Zygmunt Szefliński Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów

Zadanie 3. (2 pkt) Uzupełnij zapis, podając liczbę masową i atomową produktu przemiany oraz jego symbol chemiczny. Th... + α

Fizyka atomowa i jądrowa

r. akad. 2012/2013 Wykład IX-X Podstawy Procesów i Konstrukcji Inżynierskich Fizyka jądrowa Zakład Biofizyki 1

NEUTRONOWA ANALIZA AKTYWACYJNA ANALITYKA W KONTROLI JAKOŚCI PODSTAWOWE INFORMACJE O REAKCJACH JĄDROWYCH - NEUTRONOWA ANALIZA AKTYWACYJNA

NATURALNY REAKTOR JĄDROWY

PODSTAWY FIZYCZNE ENERGETYKI JĄDROWEJ

FUZJA LASEROWA JAKO PRZYSZŁE ŹRÓDŁO ENERGII

Widma atomowe. Fizyka atomowa i jądrowa. Dawne modele atomu. Widma atomowe. Linie emisyjne kwantowanie poziomów energetycznych

przyziemnych warstwach atmosfery.

ELEKTROWNIE. Czyste energie Energetyka jądrowa. Damazy Laudyn Maciej Pawlik Franciszek Strzelczyk

I etap ewolucji :od ciągu głównego do olbrzyma

OCHRONA RADIOLOGICZNA PACJENTA. Promieniotwórczość

Promieniowanie w środowisku człowieka

Jądro atomowe Wielkości charakteryzujące jądro atomowe

Podstawy Fizyki Jądrowej

Oddziaływanie cząstek z materią

FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych

A - liczba nukleonów w jądrze (protonów i neutronów razem) Z liczba protonów A-Z liczba neutronów

Model elektrowni jądrowej

Czyste energie. Energetyka jądrowa. wykład 13. dr inż. Janusz Teneta. Wydział EAIiIB Katedra Automatyki i Inżynierii Biomedycznej

Energetyka konwencjonalna odnawialna i jądrowa

KONKURS Z FIZYKI I ASTRONOMII. Fuzja jądrowa. dla uczniów gimnazjum i uczniów klas I i II szkół ponadgimnazjalnych

doświadczenie Rutheforda Jądro atomowe składa się z nuklonów: neutronów (obojętnych elektrycznie) i protonów (posiadających ładunek dodatni +e)

Podstawy fizyki subatomowej. 3 kwietnia 2019 r.

Promieniowanie w naszych domach. I. Skwira-Chalot

Fizyka promieniowania jonizującego. Zygmunt Szefliński

VIII-Energia fuzji termojądrowej nadzieją świata

Foton, kwant światła. w klasycznym opisie świata, światło jest falą sinusoidalną o częstości n równej: c gdzie: c prędkość światła, długość fali św.

Rozpad alfa. albo od stanów wzbudzonych (np. po rozpadzie beta) są to tzw. długozasięgowe cząstki alfa

SYMULACJA GAMMA KAMERY MATERIAŁ DLA STUDENTÓW. Szacowanie pochłoniętej energii promieniowania jonizującego

Wykres Herzsprunga-Russela (H-R) Reakcje termojądrowe - B.Kamys 1

Od Wielkiego Wybuchu do Gór Izerskich. Tomasz Mrozek Instytut Astronomiczny UWr Zakład Fizyki Słońca CBK PAN

FIZYKA IV etap edukacyjny zakres podstawowy

CHEMIA LEKCJA 1. Budowa atomu, Izotopy Promieniotwórczość naturalna i sztuczna. Model atomu Bohra

autor: Włodzimierz Wolczyński rozwiązywał (a)... ARKUSIK 40 FIZYKA JĄDROWA

Po 1 mld lat (temperatura Wszechświata ok. 10 K) powstają pierwsze gwiazdy.

Promieniowanie jonizujące

Budowa jądra atomowego - MODEL

Wykłady z Geochemii Ogólnej

Reaktor jądrowy. Schemat. Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys

Elementy fizyki jądrowej

Tworzenie protonów neutronów oraz jąder atomowych

Reakcje jądrowe. X 1 + X 2 Y 1 + Y b 1 + b 2

Odkrycie jądra atomowego - doświadczenie Rutherforda 1909 r.

Wzbudzony stan energetyczny atomu

Wstęp do fizyki jądrowej Tomasz Pawlak, 2009

Podstawy bezpieczeństwa energetyki jądrowej, REAKTOR JĄDROWY W STANIE KRYTYCZNYM

Poziom nieco zaawansowany Wykład 2

METODY DETEKCJI PROMIENIOWANIA JĄDROWEGO 3

Rozpady promieniotwórcze

Spis treści. Trwałość jądra atomowego. Okres połowicznego rozpadu

O egzotycznych nuklidach i ich promieniotwórczości

Promieniowanie jonizujące

Elementy Fizyki Jądrowej. Wykład 3 Promieniotwórczość naturalna

Porównanie statystyk. ~1/(e x -1) ~e -x ~1/(e x +1) x=( - )/kt. - potencjał chemiczny

Katedra Fizyki Jądrowej i Bezpieczeństwa Radiacyjnego PRACOWNIA JĄDROWA ĆWICZENIE 6. Wyznaczanie krzywej aktywacji

PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ. A) równa B) mniejsza C) większa D) nie mniejsza (sumie) od sumy mas protonów i neutronów wchodzących w jego skład.

Pierwsza eksperymentalna obserwacja procesu wzbudzenia jądra atomowego poprzez wychwyt elektronu do powłoki elektronowej atomu.

Zadania powtórkowe do egzaminu maturalnego z chemii Budowa atomu, układ okresowy i promieniotwórczość

WPŁYW ELEKTROWNI JĄDROWYCH NA ŚRODOWISKO

Nukleony. Nukleony cząstki jądra atomowego suma protonów i neutronów.

Wymagania z fizyki, klasa pierwsza.

Budowa i ewolucja gwiazd I. Skale czasowe Równania budowy wewnętrznej Modele Diagram H-R Ewolucja gwiazd

CEL 4. Natalia Golnik

CYKL PALIWOWY: OTWARTY CZY ZAMKNIĘTY CZY TO WYSTARCZY?

Autorzy: Zbigniew Kąkol, Piotr Morawski

WYMAGANIA EDUKACYJNE NIEZBĘDNE DO UZYSKANIA POSZCZEGÓLNYCH OCEN ŚRÓROCZNYCH I ROCZNYCH FIZYKA - ZAKRES PODSTAWOWY KLASA I

Synteza jądrowa (fuzja) FIZYKA 3 MICHAŁ MARZANTOWICZ

FIZYKA JĄDROWA Pojęcia wstępne

Energetyka w Środowisku Naturalnym

Wstęp do astrofizyki I

r. akad. 2012/2013 Wykład IX-X Podstawy Procesów i Konstrukcji Inżynierskich Fizyka jądrowa Zakład Biofizyki 1

Opracowała: mgr inż. Ewelina Nowak

Rodzaje bomb atomowych

Transkrypt:

WSTĘP DO FIZYKI JADRA ATOMOWEGOO Wykład 11 IV ROK FIZYKI - semestr zimowy Janusz Braziewicz - Zakład Fizyki Atomowej IF AŚ 1

ENERGIA JĄDROWA SPALANIE WĘGLA W PIECU to manipulacja atomami węgla i tlenu tak, że konfiguracja ich zewnętrznych elektronów zmienia się na bardziej trwałą SPALANIE URANU - to manipulacja jądrami tak, że konfiguracja nukleonów zmienia się na bardziej trwałą różne procesy dają różne rzędy mocy, czyli szybkości dostarczania energii 2

Energia wyzwalana przez 1 kg materii rodzaj materii proces czas świecenia żarówki o mocy 100 W woda spadek wody z wysokości 50 m 5 s węgiel spalanie 8 h wzbogacony UO 2 rozszczepienie w reaktorze 235 U całkowite rozszczepienie gorący gazowy deuter materia i antymateria całkowita synteza całkowita anihilacja 690 y 3*10 4 y 3*10 4 y 3*10 7 y 3

Uzyskiwanie energii z reakcji jądrowych ν e p p p+p 2 H+e + +ν e e+ proces syntezy p n proces rozszczepienia Δm Δm E=Δmc 2 4

Rozszczepienie jądra podstawy procesu odkrycie neutronu przez Jamesa Chedwicka w 1932 roku powstawanie nowych pierwiastków promieniotwórczych w wyniku bombardowania neutronami różnych materiałów Enrico Fermi obserwacja jąder baru w roztworze soli uranu bombardowanej neutronami termicznymi Lise Meitner, Otto Hahn i Fritz Strassmann w 1939 w Berlinie identyfikacja procesu rozszczepienia jądra przez Lise Meitner i Otto Frischa 5

Teraz stałem sięśmiercią, niszczycielem światów - Robert Oppenheimer Broń jądrowa III Kielecki Festiwal Nauki 13.09.2002 g. 13.00 6

ROZSZCZEPIENIE 235 U + n ( termiczny) 236 U X + Y + νn( szybkie) ν = 2.43 140 Xe 140 Cs 140 Ba 140 La 140 Ce T1/2 14s 64s 13d 40h trwały Z 54 55 56 57 58 94 Xe 94 Cs 94 Ba T1/2 75s 19min trwały Z 38 39 40 Rozkład mas fragmentów powstałych w wyniku rozszczepienia jąder 235 7 U.

Ciężkie jądra proces rozszczepienia E~200 MeV W jakich jądrach jest to możliwe bez dużych nakładów energetycznych? 233 U 92 235 92U 239 94Pu <liczba neutronów> 2.52 2.95 8

Łańcuchy reakcji wykorzystywane w reaktorach rozmnażających. 9

Uzyskiwanie energii z reakcji jądrowych ROZSZCZEPIENIE Q = całkowita końcowa _ początkowa energia wiązania energia wiązania (8.5 Mev/u) (7.6 MeV/u) Q = (2 jądra) - = ~200 MeV (120u/jądro) (240u/jądro) Energia ~200 MeV z jednego rozszczepienia to: energia kinetyczna jąder-produktów ~165 MeV energia unoszona przez neutrony ~5 MeV energia natychmiastowych kwantów γ ~7 MeV energia unoszona przez elektrony i γ 10 ze wzbudzonych jąder β-promieniotwórczych ~25 MeV

Uzyskiwanie energii z reakcji jądrowych E b Energia potencjalna E b jądra na różnych etapach reakcji rozszczepienia według przewidywań modelu Bohra i Wheelera. Q Nuklid Nuklid E n E b Rozszczepienie przez tarczy rozszczepialny (MeV) (MeV) neutrony termiczne? 235 U 236 U 6.5 5.2 tak 238 U 239 U 4.8 5.7 nie 239 Pu 240 Pu 6.4 4.8 tak 11 243 244

wykorzystanie reakcji rozszczepienia w reaktorach produkcja energii i silnych wiązek neutronowych w bombie atomowej (A-bomb) 12 Broń jądrowa III Kielecki Festiwal Nauki 13.09.2002 g. 13.00

Podstawa wykorzystania reakcji rozszczepienia to reakcja łańcuchowa k=1 k>1 235 U E~200MeV 236 U produkty rozpadu neutron 13

ROZSZCZEPIENIE 235 U + n ( termiczny) 236 U X + Y + νn( szybkie) ν = 2.43 Uran naturalny to 0.7% - 235 U 99.3% - 238 U Dla neutronów termicznych mamy: σ f (235)=582b σ r (235)=112b σ a (235)= σ f (235)+ σ r (235)=694b σ r (238)= σ a (238)=2.8 b 14

ROZSZCZEPIENIE Liczba nowych neutronów powstających przy pochwyceniu w uranie naturalnym jednego neutronu termicznego (liczba neutronów rozszczepienia do liczby neutronów pochłoniętych η=ν Rσ f (235) = 1.34 Rσ a (235)+(1-R)σ a (238 gdzie R=0.007 Reakcja łańcuchowa zajdzie gdy η>1 Liczba wszystkich rozszczepień wywołanych przez neutrony w uranie naturalnym jest większa od liczby rozszczepień wywołanych przez termiczne określa to czynnik ε= liczba rozszczepień wywołanych przez neutrony prędkie i termiczne liczba rozszczepień wywołanych przez neutrony termiczne 15 =~1.03

ROZSZCZEPIENIE Rzeczywisty współczynnik rozmnożenia neutronów jest mniejszy od wartości εη na skutek: prawdopodobieństwa p, że w procesie spowalniania neutron uniknie pochwycenie rezonansowego czynnika f, będącego stosunkiem prawdopodobieństwa pochwycenie przez uran do prawdopodobieństwa pochwycenia przez uran i inne materiały prawdopodobieństwa l uniknięcia przez neutron ucieczki z reaktora Współczynnik rozmnożenia neutronów to k=εηplf 16

ROZSZCZEPIENIE Dla jednorodnej mieszaniny uranu naturalnego i grafitu jako moderatora pf<0.79 więc dla η=1.34 i l<1 zawsze k<1 k to wzrost liczby neutronów następnej generacji, więc dla k nieznacznie większego od jedności k=1+(k-1)=e k-1 τ czas dzielący kolejne dwie generacje, to w czasie t wystąpi t/τ generacji i liczba neutronów wzrośnie do n=n o e (k-1)t/τ więc dla t~10-3 s i k=1.05 już po 1 sekundzie liczba neutronów wzrosłaby e 50 =10 22 razy 17

Podstawa wykorzystania reakcji rozszczepienia to reakcja łańcuchowa k=1 k>1 235 U E~200MeV 236 U produkty rozpadu neutron 18

Pierwszy reaktor jądrowy zbudowany przez zespół Enrica Fermiego w hali sportowej uniwersytetu w Chicago. Reaktor, który osiągnął stan krytyczny 2 grudnia 1942 roku. Posłużył on jako prototyp późniejszych reaktorów, wykorzystywanych do produkcji plutonu przeznaczonego dla rozszczepialnych głowic bojowych. 19

Aby zbudować reaktor trzeba rozwiązać trzy problemy: 1. Ucieczka neutronów. Ucieczka odbywa się z powierzchni, której pole jest proporcjonalne do kwadratu rozmiaru reaktora. Neutrony wytwarzane są w objętości reaktora. Można dowolnie zmniejszyć ułamek traconych neutronów, budując reaktor o dużym rdzeniu, co redukuje stosunek jego powierzchni do objętości. 2. Energia neutronów. W reakcji rozszczepienia powstają neutrony prędkie o energiach kinetycznych bliskich 2 MeV. Spowalnia je się w substancji nazywanej moderatorem, który efektywnie je spowalnia dzięki wielokrotnym zderzeniom sprężystym i nie absorbuje neutronów. Moderatorem są zwykle woda, ciężka woda, grafit. 3. Wychwyt neutronów. W czasie spowolniania neutronów do energii ~0.04eV trzeba pokonać krytyczny przedział energii 1-100 ev, w którym istnieje duże prawdopodobieństwo wychwytu radiacyjnego przez 238 U. Aby to zredukować paliwo uranowe i moderator nie są dosłownie zmieszane, lecz tworzą przekładaniec, 20 zajmując różne miejsca w objętości reaktora.

Rozkład energii neutronów rozszczepienia 21

Przekroje czynne z reakcji neutronów z jądrami uranu 22

Wybór elektrowni atomowej oznacza oznacza: kilka lat intensywnych prac inżynieryjnych w miejscu lokalizacji elektrowni, w tym transport ciężkich elementów materiałów, hałas, pył i inne zakłócenia; wydobycie, przetworzenie, wzbogacenie oraz przekształcenie w paliwo uranu w innych zakładach przemysłowych; gromadzenie się zużytego paliwa uranowego, obejmującego odpady radioaktywne i pluton; gromadzenie się innych stałych odpadów radioaktywnych wymagających likwidacji; przenikanie materiałów radioaktywnych w niskich stężeniach do wody i atmosfery; końcowe wstrzymanie pracy reaktora i likwidacje powstałych 23 ten sposób odpadów radioaktywnych;

Czy jesteśmy bezpieczni bez żadnej elektrowni jądrowej? 24

Promieniotwórczość "elektrowni klasycznej" Warto również przypomnieć, że spalony węgiel zawiera znaczne domieszki substancji radioaktywnych, w szczególności uranu i toru. W 1 mln ton węgla znajduje się około 1 t 238 U i 2 t 232 Th, które w procesie spalania wydostają się do atmosfery lub powodują skażenie otoczenia siłowni węglowej. Należy także pamiętać, że wydobyciu węgla towarzyszy wypompowywanie kolosalnych ilości wód kopalnianych zawierających sole różnych szkodliwych pierwiastków, między innymi radu. Z Górnośląskiego Zagłębia Węglowego do zlewni Wisły oraz Odry odprowadza się dziennie około 1 mln m 3 tych wód. 25

Nikomu również nie spędzają snu z powiek ilości uranu i toru zawarte w spalanym w Polsce węglu. W spalanych rocznie około 170 mln ton węgla kamiennego i brunatnego znajduje się około 500 ton uranu i toru łącznie, które są usuwane na wysypiska w popiołach lub wydmuchiwane do atmosfery w postaci pyłu. Groźnym produktem rozpadu 226 Ra jest radon 222 Rn, gaz szlachetny o czasie połowicznego zaniku 3.82 doby, który wydostaje się z gleby i materiałów zawierających ślady uranu, a więc m.in. z materiałów budowlanych. Od rodzaju użytych materiałów i charakteru podłoża zależy stężenie radonu w naszych mieszkaniach. Brak wymiany powietrza z otoczeniem znacznie je zwiększa. Wdychane 222 Rn i pyły zawierające promieniotwórcze produkty jego rozpadu stanowią główny udział w naturalnej dawce promieniowania otrzymywanego przez ludzi. 26

Na przykładzie Francji widać najwyraźniej, że rozwój energetyki jądrowej sprzyja środowisku. Wzrostowi produkcji elektryczności towarzyszył związany z tym procesem spadek emisji dwutlenku siarki 27

Uzyskiwanie energii z reakcji jądrowych 28 Broń jądrowa III Kielecki Festiwal Nauki 13.09.2002 g. 13.00

Uzyskiwanie energii z reakcji jądrowych ν e p p p+p 2 H+e + +ν e e+ proces syntezy p n proces rozszczepienia Δm Δm E=Δmc 2 29

Uzyskiwanie energii z reakcji jądrowych FUZJA = synteza termojądrowa + p + p d + e + ν + 0. 42MeV ν e p p p n e+ 72% H Słońce d + p 3 He + γ 3 He+ 4 He 7 Be + γ 26% He β 7 7 8 Li Be B β + + p 2 p 4 2 8 He 4 B He + γ 2% C, N, O S, Ar, Ca, Ni, Fe 30 Broń jądrowa III Kielecki Festiwal Nauki 13.09.2002 g. 13.00

procesy zachodzące w Słońcu 72% H 2% C, N, O S, Ar, Ca, Ni, Fe 26% He M=(1.9891±0.0012)10 30 kg R=(6.9626±0.0007) 10 8 m w jądrze p~10 16 Pa (230 000 000 000 atm) T~15 000 000 K (1.3 kev) na powierzchni ρ~0.1 g/m 3 (tyle co 50 km ponad Ziemią) T~6000 K spala ~4*10 9 kg/s w czasie swego życia spaliło 31 ~6.5*10 26 kg

dla reakcji p+p bariera kulombowska wynosi 400keV!!!!! w jądrze Słońca T~15 000 000 K (1.3 kev) n(e k ) 1 2 3 4 5 Energia kinetyczna (kev) 32

Gdzie znaleziono odpowiednie warunki do zajścia procesu rozszczepienia i procesu syntezy? 1 listopada 1952 rok 1 - D+T 4 He+n+17.6 MeV 2 - D+D 3 He+n+3.27MeV 3 - D+D T+p+4.03MeV 4-3 He+D 4 He+p+18.4 MeV 5-6 Li+n T+ 4 He+4.78 MeV 8-7 Li+n T+ 4 He+n-2.47MeV 33

Budowa reaktora termojądrowego to duża koncentracja cząstek n aby zderzenia prowadzące do syntezy zachodziły odpowiedni często wysoka temperatura plazmy T aby zderzające się cząstki mogły pokonać rozdzielającą je barierę kulombowską. W warunkach laboratoryjnych udało się uzyskać plazmę o temperaturze 35 kev, czyli 4*10 8 K co jest wartością 30 razy większą niż temperatura we wnętrzu Słońca. długi czas utrzymania τ zasadniczym problemem jest utrzymanie plazmy o odpowiednio wysokiej gęstości i temperaturze przez czas na tyle długi, żeby w reakcji syntezy mogła wziąć udział znaczna część paliwa stosuje się dwie metody można wykazać, że warunkiem działania reaktora termojądrowego, w którym zachodzi reakcja d-t jest nτ>10 20 s/m 3 kryterium Lawsona 34

Utrzymywanie magnetyczne d d d+ Tokamak pułapka magnetyczna + d + d 3 3 3 H H He 4 + He p + 4MeV + n + 3MeV + n + 17.6MeV 35

Utrzymywanie inercyjne polega na ostrzeliwaniu ze wszystkich stron stałej kapsułki z paliwem za pomocąświatła laserowego o dużym natężeniu następuje częściowe odparowanie materii z powierzchni kapsułki, dzięki czemu powstaje skierowana do wnętrza fala uderzeniowa, która ściska paliwo w środku kapsułki w Lawrence Livermore Laboratory używa się mniejszych niż ziarenka piasku kapsułek z paliwem d-t kapsułki oświetla się za pomocą dziesięciu rozmieszczonych symetrycznie wiązek laserowych impulsy dobrano tak, by każda kapsułka otrzymywała 200 kj energii w czasie krótszym niż 1 ns odpowiada to mocy w impulsie równej 2*10 14 W, czyli 100 razy więcej niż stała moc wszystkich elektrowni na kuli ziemskiej kapsułki z paliwem mają eksplodować niczym miniaturowe 36 bomby wodorowe

PRODUKCJA ENERGII NIEODŁĄCZNY PROCES NASZEJ CYWILIZACJI ENERGIA? Jakie jej formy są niezbędne do naszego życia - energia elektryczna - energia cieplna - żywność jako forma energii do czego jest wykorzystywana? Europe by night - widok z pokładu satelity GDZIE SĄ ODBIORCY? 37

38