Rozszczepienie jądra atomowego

Rozszczepienie jądra atomowego
W przypadku izotopów 235U i 239Pu energia wzbudzenia jądra po wychwycie neutronu
jest większa od wysokości bariery, którą trzeba pokonać aby nastąpiło rozszczepienie.
Izotop 235U stanowi 0,7% naturalnego uranu. Pluton jest wytwarzany sztucznie
w reakcji jądrowej 238U(n,γ)239U→ 239Np+β-+νe→ 239Pu+β-+ νe
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
Rozkład mas nuklidów powstałych w wyniku rozszczepienia uranu 235U
Reakcja rozszczepienia – reakcja łańcuchowa
U + n→ 236 U →140 Xe+ 94Sr + 2n
235
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 238U
2
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 1901-1954, nagroda Nobla
w 1938 r. za reakcje wychwytu neutronu
3
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
Reaktor powielający paliwo - fast breeder reactor
Konwersja
238U do 239Pu
Reakcja jądrowa 238U(n,γ)239U→ 239Np+β-+νe→ 239Pu+β-+ νe
wywołana szybkimi neutronami – niepotrzebny moderator.
Chłodzenie ciekłym sodem - dwa obiegi, bo na skutek wychwytu neutronu
wytwarza się radioaktywny izotop 24Na (T1/2=15 h). Temperatura rdzenia 550 oC.
Elektrownia z reaktorem wodnym ciśnieniowym
(Pressurized Water Reactor PWR)
5
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
UO2 (3,6% 235U
Sześciokątny pakiet 126
prętów paliwowych
6
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% 235U
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 235U
Ciężka woda D2O lepszy moderator niż H2O,
7
Reaktor IRIS
International Reactor
Innovative and Secure,
innowacyjny i bezpieczny,
firmy Westinghouse,
konfiguracja integralna:
elementy obiegu pierwotnego
znajdują się wewnątrz
zbiornika reaktora
Paliwo: UO2 lub MOX, cykle
wypalania 4 do 10 lat
Energetyka jądrowa - od rudy uranu
do składowania odpadów promieniotwórczych
http://www.npp.hu
8
Odpady promieniotwórcze z elektrowni jądrowych
aktynowce
izotop
T1/2 [lat]
neptun
237Np
pluton 239Pu
pluton
2100000
24000
240Pu
6600
pluton 242Pu
380000
ameryk 241Am
kiur
432
18
244Cm
produkty rozszczepienia
izotop
stront
T1/2 [lat]
90Sr
cyrkon 93Zr
29
1500000
technet 99Tc
6600
pallad 107Pd
380000
cez 137Cs
30
samar
90
151Sm
Udział państw w wytwarzaniu energii elektrycznej
w elektrowniach jądrowych
9
Udział energetyki jądrowej w produkcji energii
elektrycznej w różnych krajach
10
Synteza termojądrowa (fuzja) we wnętrzu Słońca
n(Ek) – rozkład energii protonów
w jądrze Słońca
p(Ek) – prawdopodobieństwo
zajścia reakcji syntezy deuteru
w wyniku zderzenia protonów
kT – energia cząstek przy
temperaturze w jądrze Słońca
11
Cykl protonowo-protonowy syntezy helu i wytwarzania energii
we wnętrzu Słońca
41H + 2e- → 4He +2ν +6γ
Q=26,7 MeV
Kontrolowana synteza termojądrowa – utrzymywanie magnetyczne
Gorąca plazma w toroidalnej pułapce
magnetycznej
Reakcje deuter – deuter
2H
2H
Reakcja deuter – tryt
2H
Eksperymentalny reaktor termojądrowy
tokamak Joint European Torus (JET)
+ 2H → 3He + 1n (+3,3 MeV)
+ 2H → 3H + 1H (+4,1 MeV)
+ 3H → 4He + 1n (+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>1020 s/m3 dla reakcji deuter - tryt
12
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
Masa krytyczna – kula z materiału
rozszczepialnego osiąga stan krytyczny
Reflektor neutronów
Bomba atomowa (rozszczepienie 235U lub 239Pu)
Mk-45 „Davy Crockett” na wyrzutni M-388
14
Bomba termojądrowa (wodorowa)
1n
+ 6Li → 3H + 4He
(+4,8 MeV)
+ 7Li → 3H + 4He+ 1n (-2,5 MeV)
2H + 2H → 3H + 1H
(+4,1 MeV)
2H + 2H → 3He + 1n
(+3,3 MeV)
2H + 3H → 4He + 1n
(+17,6 MeV)
1n
Eduard Teller
1908-2003
Stanisław Ulam
1909-1984
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 2,1x1017 J
15
Głowice termojądrowe rakiet balistycznych
Radioizotopowy generator termoelektryczny
RTG
Sonda Voyager
Rosyjskie RTG na złomowisku
16