Barcelona, Espania, May 204
W-29 (Jaroszewicz) 24 slajdy Na podstawie prezentacji prof. J. Rutkowskiego Reakcje jądrowe Fizyka jądrowa cz. 2 Teraz stałem się Śmiercią, niszczycielem światów Robert Oppenheimer
Energia wiązania na jeden nukleon (MeV) Liczba nukleonów, A (liczba masowa) 3/24-W29 E wn E w A m c A mc 2 2 A Mc 2 Energia wiązania nukleonu - praca potrzebna na usunięcie danego nukleonu z jądra bez nadania mu energii kinetycznej (trwałość jądra) rozszczepienie maksimum 8,7 MeV dla A = 60 synteza ostre maksima dla A = 4, 8, 2, 6 jądra parzysto-parzyste
4/24-W29 Energia wyzwalana przez kg materii Uwalnianiu energii w procesie spalania towarzyszy ubytek masy Q = -mc 2 Rodzaj materii Proces Czas świecenia 00W żarówki woda spadek wody z 50 m 5 s węgiel spalanie kg 8 h wzbogacony UO 2 rozszczepienie w reaktorze 690 lat 235 U całkowite rozszczepienie 3 0 4 lat gorący gazowy deuter materia i antymateria całkowita synteza całkowita anihilacja 3 0 4 lat 3 0 7 lat
5/24-W29 Reakcje jądrowe są to procesy oddziaływania jądra atomowego z innym jądrem lub cząstką elementarną pierwszą reakcję jądrową odkrył w 99 r. Rutherford bombardując jądra azotu cząstkami promieniowanie jądrowe powstałe podczas tych reakcji nazywamy promieniotwórczością sztuczną ogólny schemat reakcji jądrowej to: a cząstka wywołująca reakcję X jądro początkowe Y jądro produkt reakcji b cząstka powstała w wyniku reakcji uproszczony zapis X(a,b)Y a X b Y 4 7 N(, p ) 7 8 4 4 7 N He O O 2 7 8 H
6/24-W29 Doświadczenie Rutherforda 4 4 7 N He O 2 7 8 H
7/24-W29 Ciepło reakcji jądrowej Zasada zachowania energii w układzie w którym jądro X spoczywa 2 2 E m c m c a a Ciepło reakcji jest równe defektowi masy X 2 2 E m c E m c b b Y Y Q 2 m a m X m b m Y c Q E Y E b E a gdy Q<0 to reakcja jest endotermiczna, zachodzi kosztem energii padającej cząstki (dla reakcji Rutherforda Q = -7 MeV) 4 4 7 N He O 2 7 8 H energia cząstki wynosi 7,5 MeV gdy Q>0 to reakcja jest egzotermiczna, czyli wydziela się podczas niej energia Reakcja jądrowa podlega prawom zachowania energii, pędu oraz parzystości spinu i izospinu
8/24-W29 Cząstki bombardujące neutrony protony deuterony cząstki kwanty ciężkie jony 4 7 N n C 7 0 4 6 3Li p 2 4 2 He H 7 4 0 3Li 2He 5 B0 n
9/24-W29 Promieniotwórczość sztuczna W 934 r. Fryderyk i Irena Joliot-Curie przeprowadzili reakcje jądrowe, w których odkryli pierwiastki sztucznie promieniujące: 27 4 30 3 Al 2He 5 P 0 n 30 5 P 30 4 Si 0 e e T /2 = 2,5 min 0 4 5 B He N 2 3 7 0 n 3 7 N 3 6 C 0 e e T /2 = 0, min substancje bombardowane (tarcze aluminium i boru) wysyłały promieniowanie nawet po usunięciu cząstek
0/24-W29 Reakcje rozszczepienia Rozpad ciężkich jąder na dwie części jest korzystny energetycznie jednak nie może zajść samorzutnie 235 92 U 7,6 MeV 8 X 8,4 MeV 8,4-7,6=0,8 MeV 2350,8 200 MeV (wydzielona energia) należy dostarczyć energię progową (aktywacji) aby nukleony mogły pokonać kulombowską barierę potencjału dokonuje się to metodą bombardowania izotopu uranu neutronami
/24-W29 Przykłady reakcji rozszczepienia 235 236 4 92 92 U 0n 92 U 56 Ba 36 Kr 3 235 236 40 92 U 0n 92 U 54 Xe 38 Sr 2 Jądro 235 U absorbuje neutron termiczny i przekształca się w silnie wzbudzone jądro 236 U, które ulega rozszczepieniu na dwa fragmenty zazwyczaj o różnych masach. 94 0 0 n n Q Q Wydajność na jedno rozszczepienie (%) 0 0 0 0-0 -2 0-3 0-4 0-5 70 90 0 30 50 Liczba atomowa
2/24-W29 Rozszczepienie wg modelu kroplowego Jądr o o symetr i kulistej Jądr o o symetr i elipsoidalnej Pr zewężenie jądr a Rozszczepienie jądr a (a) E V V (b)
3/24-W29 Energia wzbudzenia a bariera potencjału Rozszczepienie dokona się pod warunkiem, że zaabsorbowany neutron dostarczy energii wzbudzenia E n o wartości wystarczającej do pokonania bariery potencjału (dopuszcza się tunelowanie) Nuklid tarczy Nuklid rozszczepiany E n (MeV) V (MeV) Rozszczepienie przez neutrony termiczne 235 U 236 U 6,5 5,2 tak 238 U 239 U 4,8 5,7 nie 239 Pu 239 Pu 6,4 4,8 tak Dla nuklidu 238 U energia neutronów powinna wynosić co najmniej,3 MeV, aby ze znacznym prawdopodobieństwem zaszło rozszczepienie
4/24-W29 Produkty reakcji 238 U Dla powolnych neutronów najbardziej rozpowszechniony izotop uranu 238 U przekształca się w pluton 239 Pu cenne paliwo jądrowe, lub naturalny pierwiastek promieniotwórczy neptun 237 Np reakcje (n, ) 238 92 U 0 n 239 92 U 23 min 239 93 Np reakcje (n, 2n) 238 237 92 U 0n 92 U 20 n 239 93 239 94 Np Pu 2. 3dnia 2. 40 4 239 94 lat Pu 235 92 U 237 92 U 6. 8dnia 237 93 Np
5/24-W29 Reakcje łańcuchowe wytwarzany neutron potencjalne wyzwala kolejne rozszczepienie w procesie rozszczepienia uranu powstaje średnio 2,5 neutronu zapewnienie masy krytycznej w celu ograniczenia ucieczki neutronów poza reaktor zastosowanie moderatorów spowalniaczy neutronów H 2 O, grafit ograniczenie wychwytu neutronów przez 238U budowa w formie przekładańca pręty sterujące efektywnie pochłaniające neutrony
6/24-W29 Reaktor atomowy
7/24-W29 Elektrownia jądrowa
8/24-W29 Reakcje syntezy Procesowi połączenia dwóch lekkich jąder w jedno większe towarzyszy wyzwolenie energii. połączeniu jąder przeciwdziała odpychanie kulombowskie, np. dla dwóch protonów U = 400 kev aby pokonać tą barierę zderzające się jądra atomowe muszą uzyskać odpowiednią energie kinetyczną: w akceleratorze podczas wybuchu bomby jądrowej w wyniku wysokiej temperatury (rzędu 0 7 K) energia kinetyczna odpowiadająca najbardziej prawdopodobnej prędkości oddziałujących cząstek E k =kt we wnętrzu Słońca kt =,3 ev, a mimo to zachodzi synteza termojądrowa: (T =,5 0 7 K) występują cząstki o prędkościach większych od średnich cząstki o energii mniejszej od U mogą połączyć się dzięki tunelowaniu
Synteza termojądrowa cykl protonowo-protonowy Reakcja syntezy we wnętrzu Słońca jest procesem wielostopniowym, w którym wodór jest spalany do postaci helu 2 0. H H H e 0 42 0 0. e e 02 Q Qi 26. 7 MeV MeV MeV 2 3 2. H H He 5 49 MeV 3 3 4 2 2 2. He He He H H 2 86 część wypromieniowana w postaci fal elektromagnetycznych Powyższy cykl jest bardzo powolny ze względu na małe prawdopodobieństwo zderzeń proton-proton, ale ze względu na olbrzymią liczbę protonów w jądrze słońca deuter jest wytwarzany z szybkością 0 2 kg/s MeV
20/24-W29 Słońce w każdej sekundzie 592 milionów ton wodoru jest stapiane do 587,9 milionów ton helu brakująca masa - 4, milionów ton jest zamieniana na energię E=mc 2 w każdej sekundzie Słońce produkuje 3 milionów razy więcej energii niż roczna konsumpcja elektryczności w USA słońce w ciągu jednej sekundy produkuje 383 trylionów megawatów energii (3,83 0 26 W) spalanie wodoru zachodzi pięć miliardów lat i powinno go wystarczyć na kolejne 5 0 9 lat
2/24-W29 Kontrolowana synteza termojądrowa Nie udało się jeszcze przeprowadzić kontrolowanej syntezy termojądrowej, która byłaby źródłem energii. Największe nadzieje wiąże się z reakcjami D-D i D-T: 2 D 2 D 3 2 3 He T Warunkiem syntezy termojądrowej jest spełnienie w reaktorze kryterium Lawsona n > 0 20 s/m 3 duża koncentracja cząstek wysoka temperatura plazmy długi czas utrzymania wysokiej gęstości i temperatury Warunki realizacji utrzymanie magnetyczne tokamak utrzymanie inercyjne synteza laserowa p 0 n 4 3. 25 MeV MeV 2 3 4 2 0. D T He n 7 6 MeV
22/24-W29 Reaktory toroidalnaja kamiera s magnitnoj katuszkoj plazma uwięziona w toroidalnej komorze za pomocą pola magnetycznego Eksperymentalny reaktor termojądrowy typu tokamak
23/24-W29 Zakończenie Świat pełen jest cudów, które cierpliwie czekają, aż nasze umysły staną się gotowe, by je dostrzec Jednakże ostateczna prawda jest nadal daleko
Barcelona, Espania, May 204