Reakcje jądrowe

Reakcje jądrowe
Reakcja rozszczepienia
• W reakcji rozszczepienia neutron powoduje
rozszczepienie cięższego jądra na dwa lub więcej
mniejsze jadra lżejszych pierwiastków oraz kilka
neutronów. Podczas tej reakcji wydziela się energia.
Reakcja łańcuchowa
Uwolnione neutrony
mogą wywołać
następne reakcje
rozszczepienia inicjując
w ten sposób reakcję
łańcuchową.
Reakcja łańcuchowa
Reakcja łańcuchowa
Masa krytyczna
Masa krytyczna materiału
rozszczepialnego – minimalna
masa, w której reakcja
rozszczepienia przebiega w
sposób łańcuchowy, czyli każde
jedno rozszczepienie jądra
atomowego inicjuje dokładnie
jedno następne rozszczepienie.
Orientacyjne masy krytyczne
materiału ułożonego w kształcie kuli
nieotoczonej substancją odbijającą
neutrony dla wybranych izotopów:
uran-233: 16 kg
uran-235: 52 kg
neptun-237: 60 kg
pluton-239: 10 kg
pluton-240: 40 kg
pluton-242: 100 kg
Kontrolowana reakcja łańcuchowa
• Regulacja liczby
neutronów - pręty
regulacyjne (kadm)
pochłaniają
neutrony
Reaktor
Rdzeń:
paliwo jądrowe otoczone
moderatorem (spowalniaczem
neutronów)
W rdzeniu jest wytwarzana w
procesie rozszczepienia jądra
energia cieplna oraz strumień
neutronów, niezbędny do
podtrzymywania reakcji
łańcuchowej.
Pozostałe główne elementy reaktora tworzą: reflektor
neutronów, osłona termiczna, zbiornik reaktora i osłona
biologiczna.
Reaktor jądrowy
Jest to urządzenie, w którym przeprowadza się z kontrolowaną
szybkością reakcję rozszczepienia jąder atomowych.
Rdzeń reaktora jądrowego
Reaktor jądrowy
• Na ilustracji
widzimy
przekrój
poprzeczny
reaktora w
którym
zachodzi
reakcja
rozszczepienia
Aby kontrolować szybkość reakcji wprowadza się do reaktora substancje
pochłaniające neutrony. Są to na przykład bor lub kadm. Substancje te
umieszczone są w prętach zwanych regulacyjnymi.
Moderator służy do spowalniania neutronów poprzez zderzenia neutronów
z jądrami moderatora.
Reaktor jądrowy - schemat
1. Pręty paliwowe – materiał
rozszczepialny
3. Kanał chłodzenia ciekły sód lub woda
2. Moderator ( spowalnia neutrony) grafit lub tzw. ciężka woda
4. Pręty regulacyjne (kadm pochłania neutrony ma spowalniać lub przyspieszać reakcję)
BUDOWA REAKTORA - zdjęcia
Problemy energetyki jądrowej
Postępowanie z wypalonym paliwem
i odpadami promieniotwórczymi
• a) w świecie zgromadzono ok.
220 tys ton wypalonego paliwa
• wyprodukowano z niego 70 tys
TWh energii elektrycznej
• b) w Polsce 140 TWh energii na
rok daje 25 mln ton popiołów
• c) składowanie w środowisku
wodnym - przez około 50 lat
• d) składowanie w głębokich
formach geologicznych
• e) przetwarzanie chemiczne
• f) transmutacja jądrowa
długożyciowych izotopów
radioaktywnych
bomba atomowa
Hiroshima
06.08.45
08:16:02
Nagasaki
09.08.45
Stabilizacja lotu
bomby
Ładunek
rozszczepialny
Ładunek
wybuchowy
Dodatkowe
źródło
neutronów
Ładunek
wybuchowy
W bombie atomowej materiał
rozszczepialny (uran, pluton)
podzielony jest na fragmenty
ukształtowane, by powstające
w wyniku rozszczepienia jąder
neutrony uciekały poza jego
obszar. Szybkość reakcji
rozpadu jest mała. Po
odpaleniu ładunków
wybuchowych ładunki
rozszczepialne zbijane są w
jeden ładunek o masie
większej od tzw. Masy
krytycznej. W tej sytuacji
więcej neutronów powstaje w
trakcie rozpadu, niż wydostaje
się na zewnątrz i szybkość
reakcji gwałtownie się
zwiększa, prowadząc do
niekontrolowanego już
wybuchu i uwolnienia
olbrzymiej energii.
1.
Lotki stabilizujące
2.
Stożek ogona
3.
Wloty powietrza (dla
detonatora
ciśnieniowego)
4.
Detonator ciśnieniowy
5.
Ołowiana obudowa
ekranująca
6.
Ramie detonatora
7.
Głowica detonatora
8.
Konwencjonalny
materiał wybuchowy
(kordyt)
9.
"Pocisk" z Uranu-235
10.
Prowadnica "pocisku"
11.
"Tarcza" z Uranu-235
(ze zwierciadłem
neutronów)
12.
Czujniki telemetryczne
13.
Zapalniki(montowane
tuż przed zrzutem)
Wybuch bomby i jego efekt
Synteza
• Synteza jądrowa, fuzja
jądrowa, proces
łączenia się jąder
lekkich pierwiastków w
jądra cięższych
pierwiastków.
Najbardziej wydajne reakcje syntezy termojądrowej
H  13 H  24 He  01n
(17, 6MeV )
2
1
H  12 H  23 He  01n
(3, 27 MeV )
3.
2
1
H  12 H  13 H  11 p
4.
3
2
5.
6
3
Li  01n  13 H  24 He
6.
7
3
Li  01n  13 H  23 He  01n
1.
2
1
2.
He  12 H  24 He  11 p
(4, 03 MeV )
(18, 4 MeV )
(4, 78 MeV )
(2, 47 MeV )
Synteza Deuteru i Trytu.
Energia wytwarzana przez gwiazdy
Wśród
trzech
gałęzi
cyklu
p-p
najczęstszym (86%) i wytwarzającym
najwięcej energii jest cykl :
p  p  2 H  e  ν e
(1,44 MeV)
2
H  p  3 He  γ
(5,494 MeV)
3
He  3 He  4 He  2p  γ
(12,860 MeV)
Tokamak
• Reaktor Syntezy
Termojądrowej
nazywany jest
tokamakiem. Paliwem
reakcji jest plazma- IV
stan materii.
tokamak
linie pola
magn.
uzwojenie
pole
toroidalne
pole typu tokamak –
pułapka magnetyczna
pole
poloidalne
тороидальная камера
в магнитных катушках
I.Tamm, A.Sakharov - 1950
tokamak
ITER
www.iter.org
International
Thermonuclear
Experimental
Reactor
Caradache w
pobliżu
Marsylii
UE, Japonia,
Chiny, Rosja,
Korea Płd.
Bomba wodorowa
Ideę budowy bomby wodorowej jako broni stopniowej
(fazowej) opracował w 1951 r. Stanisław Ulam. Pomysł
polegał na wykorzystaniu energii uwolnionej przez bombę
atomową
do
wytworzenia
odpowiednich
warunków
umożliwiających syntezę lekkich jąder – wysokiej temperatury
i ciśnienia.
Stanisław Ulam pomysłodawca
bomby fazowej.
Ivy Mike
31.10.1952 – Atol Enewetak
Atol Bikini
01.04.1954, Castle Bravo, 15 Mton
http://video.google.com/videoplay?
docid=-585716941089093304