FIZYKA J
DROWA
1. Rozmiary jÄ…der
2. Siły jądrowe
3. Rozpady jÄ…drowe
4. Rozszczepienie jÄ…der atomowych
4. Rozszczepienie jÄ…der atomowych
5. Synteza jÄ…der atomowych
6. Energetyka jÄ…drowa: zagro\
enia (Dzięki uprzejmości L.
Dobrzyńskiego i współpracowników, W-wa 1999)
BUDOWA J
DRA
A-liczba masowa = suma protonów i neutronów
gęstość materii jądrowej
Á=2.3 Å" 1017 kg/m3
Z-liczba atomowa = liczna protonów
masa 1 cm3-230*106 ton
12
C
R
6
Nuklid
RH" (1.2Å"10-15m) A1/3
Typowa jednostka odlegÅ‚oÅ›ci w fizyce jÄ…drowej 1Å"10-15m=1fm (fermi)
IZOTOPY: ta sama liczba protonów, inna neutronów
14
Izotop węgla
C
6
ODDZIAA
YWANIE NUKLEON-NUKLEON
RODZAJ SIA
MI
DZY NUKLEONAMI
Muszą to być siły, które przy odległości 10-15m
znacznie przewy\
szają siły odpychania Coulomba
między protonami
Oddziaływania jądrowe (Oddziaływania silne)
U (MeV)
energia
jÄ…drowa
energia
10
elektrost.
1 2 3
r (fm)
0
-10
-20
Energia potencjalna
ODDZIAA
YWANIE NUKLEON-NUKLEON
U (MeV)
Cząstka o masie m ma całkowitą
10
energię równą E=mc2
1 2 3
r
0
masa spoczynkowa
(fm)
938.21 MeV
protonu (Ep=mpc2 )
10
energia wiÄ…zania.
20
proton-neutron w
masa spoczynkowa
H2
neutronu (En=mnc2 )
neutronu (En=mnc )
939.50 MeV
939.50 MeV
proton-neutron w H2
Potencjał oddział. proton-
neutron w H2: obliczenia w
masa spoczynkowa
1875.49 MeV
przybli\
eniu prostokÄ…tnej
deuteronu (E=mc2 ) ( H2)
studni potencjału
2.22 MeV
ENERGIA WI
ZANIA Ew =En+Ep-E
Poniewa\
wszystko dÄ…\
y do zmniejszenia swojej energii, to stabilne układy, tj. mające
minimalnÄ… energiÄ™, majÄ… te\
mniejsze masy ZÅ"mp+(A-Z) Å"mn-mjÄ…dra="m>0
Energia potencjalna
STRUKTURA CI
śKICH J
DER
Poziomy Fermiego wyrównują się
U (MeV)
U (MeV)
protony
Neutrony protony
Neutrony
10
10
R r
R R r
R
0
0
Ew
-10
-10
Proton
-20
-20
neutron+e++½
"E
E
-30
-30
-30
-40
-40
N neutronów> N protonów
W ciÄ™\
kich jÄ…drach jeden nukleon przyciÄ…gany jest przez wielu najbli\
szych sąsiadów
Energia wiÄ…zania na jeden nukleon w ciÄ™\
kich jÄ…drach E wH"8MeV
Odległość między poziomami energetycznymi, "E w cię\
kich jÄ…drachH"1MeV
ENERGIA WI
ZANIA
4
He
56
8 Fe
6
4
4
3
H
2
2
H
50 100 150 200
Liczba masowa
Dla du\
ych mas rośnie odpychanie: energia wiązania maleje
Energia wiÄ…zania na nukleon (MeV)
Energia wiÄ…zania na nukleon (MeV)
ROZPADY J
DROWE
ROZPAD Ä…
rozpad ą : emisja bardzo trwałej cząstki: jądra He
U
Mo\
liwy stan energetyczny czÄ…stki Ä…: EÄ…
r
Energia potencjalna czÄ…stki
Energia potencjalna czÄ…stki
Ä…
ROZPADY J
DROWE
ROZPAD Ä…
rozpad ą : emisja bardzo trwałej cząstki: jądra He
È(r)
funkcja falowa czÄ…stki Ä…
rozpad
r
obszar bariery
izotopy
rozpad Ä… jest wynikiem tunelowania czÄ…stki Ä… poza obszar jadra
funkcja falowa czÄ…stki
funkcja falowa czÄ…stki
Ä…
ROZPADY J
DROWE: PRAWO ROZPADU
Jak zale\
y ilość rozpadających się jąder od czasu?
n0
dn = -nPdt
dn - ilość rozpadających
siÄ™ jÄ…der w czasie dt
dn 1
= - dt
P=1/Ä - prawdopodobieÅ„stwo n0/2
n Ä
rozpadu
n t
dn 1
= - dt
+" +"
+" +"
n Ä
n Ä
n0 0
n t
t
ln = -
T
ln(n) - ln(n0 ) = -
t
n = n0e-t / Ä
n0 Ä
Ä
n=1/2n0Ò!t=0.693 Ä =T: czas poÅ‚owicznego rozpadu
"
ŚREDNI CZAS śYCIA
- t / Ä
te dt
+"
- t / Ä
tndt
[Ä2e (-t / Ä - 1)]"
+"
0 0
t = = = = Ä
śr
"
[-Äe- t / Ä ]"
ndt
0
+"
e- t / Ädt
+"
0
liczba atomów
ROZPADY J
DROWE
ROZPAD Å‚
emisja kwantu Å‚ o wysokiej energii
jÄ…dro w
stanie
wzbudzonym
Przykład
239 239
kwant Å‚ o U* U+ Å‚
jÄ…dro w stanie
wysokiej energii
podstawowym
ROZPAD ² emisja elektronu (czÄ…stki ²) oraz neutrina
_
½
½
Przykład
²
239 239
Np Pu+e-+ antyneutrino
POZYSKIWANIE ENERGII J
DROWEJ
Cząstka o masie m ma całkowitą energię równą E=mc2
Ró\
nicę masy dwóch stabilnych układów mo\
na zamienić na energię
SYNTEZA
ROZSZCZEPIENIE
energia
energia
energia
energia
atom
atom
duży atom
duży atom
atom
atom
Można albo  składać ...rozszczepiać jądra ciężkie
jÄ…dra lekkie, albo...
ROZSZCZEPIANIE CI
śKICH J
DER; REAKCJA
A
AC
CUCHOWA
Neutrony zwykle sÄ… szybkie i nie szkodzÄ… jÄ…dru
...ale woda je spowalnia, przez
co mogą zderzać się z jądrami
uranu...
radioaktywne
produkty
...uwalniając więcej
rozpadu
neutronów; wydziela
siÄ™ energia
W ułamku sekundy
W ułamku sekundy
235 1
235 1
U+ n236 U
U+0n236 U
rozpadajÄ… siÄ™ kolejne
92 92
jÄ…dra
94 1
Sr+140Xe +20 n + E
38 54
Jak zatrzymać reakcję łańcuchową
 Zatruć reakcję dodając pierwiastek
Usunąć wodę zatrzymując
(np. bor) absorbujÄ…cy neutrony
opóz
nianie neutronów
BOMBA ATOMOWA
Urządzenie zapłonowe
Zwykły ładunek wybuchowy
A
adunek substancji rozszczepialnej (uran 235 lub pluton 239),
Jego ogólna masa przewy\
sza masÄ™ krytycznÄ…, lecz rozdzielona
jest na dwie części, których ka\
da jest mniejsza od wielkości
krytycznej. Półkule są rozsunięte na taką odległość, aby nie mogła
się w nich rozpocząć reakcja łańcuchowa.
BOMBA ATOMOWA
Urządzenie zapłonowe
Zwykły ładunek wybuchowy
W wyniku wybuchu konwencjonalnego Å‚adunku masa uranu staje siÄ™
nadkrytyczna
BOMBA ATOMOWA
...i następuje wybuch jądrowy
CIÅšNIENIOWY REAKTOR WODNY (PWR)
Pręty regulacyjne (absorbują neutrony
uniemo\
liwiając reakcję łańcuchową)
Rdzeń uranowy (wzbogacony do 3% U235)
Obieg pierwotny wody do której odprowadzane
jest ciepło z reakcji
Obieg wtórny wody i generator pary (para obraca
Obieg wtórny wody i generator pary (para obraca
turbinę produkującą prąd, a woda jest chłodzona i
u\
yta ponownie)
Osłona-
potÄ™\
nie zbudowany budynek zawierający wszystkie części reaktora z których mo\
e
pochodzić promieniowanie. Budynek jest tak zaprojektowany by wytrzymał niewielką
eksplozjÄ™
Wzbogacanie
Naturalny uran zawiera ok. 0.7% U235, musi więc on być poddany wzbogaceniu do 3% i
uformowany w pręty paliwowe. Pręt jest u\
ywany ok. 3 lat, a następnie przechowywany w
bunkrze zwykle w pobli\
u reaktora, poniewa\
wciÄ…\
jest bardzo radioaktywny
CIÅšNIENIOWY REAKTOR WODNY (PWR)
Obieg chłodzenia
wtórnego
Wymiennik ciepła i
generator pary
rdzeń reaktora
obieg chłodzenia
rdzenia reaktora
ELEKTROWNIA ATOMOWA
2
1
3
4
15
11
16
6
5
17
17
10
9 12
8
7
13 14
1. Hermetyczne osłony budynku reaktora, 9. Rurociągi z parą wodną i z wodą chłodzącą
reaktor,
2 Chłodnia kominowa, 10. Turbiny,
3. Komin wentylacyjny, 11. Zbiornik wody dla reaktora,
4. Sterownia, 12. Kondensor pary wodnej,
5. Basen z wodą do składowania zu\
ytego paliwa, 13. Rurociąg z wodą chłodzącą kondensor,
6. Reaktor, 14. Stacja pomp chłodni kominowej,
7. Pręty paliwowe, 15. Ujęcie wody z rzeki,
8. Åšluza dla personelu, 16. Alternator, 17. Transformator
POWIELANIE
Materiały rozszczepialne: uran 235U, pluton 239Pu
Pluton łatwo jest otrzymać naświetlając neutronami 238U
rozpad ²:
elektron
neutron 238U uran 239U neptun
pluton 239Pu
rozpad ²:
239
Np
elektron
Uran 238, 3% Uran 235 w reaktorze pod wpływem naświetlania neutronami zamienia się w
Pluton 239, który dalej mo\
na wykorzystywać jako paliwo
AWARIE REAKTORÓW
W reaktorze energetycznym nie mo\
e nastąpić wybuch jądrowy (bo małe
wzbogacenie paliwa jÄ…drowego w rozszczepialny 235U: ok. 3%, w bombie
atomowej znacznie powy\
ej 90%)
najgroz
niejsze awarie reaktorów : uszkodzenie rdzenia reaktora
Tylko dwie awarie w elektrowniach jądrowych doprowadziły do zniszczenia rdzenia
reaktora. (stopiony rdzeń reaktora)
marzec 1979: elektrownia Three Mile Island w Pensylwanii; awaria nie zagroziła
okolicznym mieszkańcom. Nie doszło do rozerwania obudowy przez parę wodną. Trzech
operatorów otrzymało dawki w granicach 31-38 mSv, a 12 osób obsługi podwy\
szone
dawki, ale nie przekraczajÄ…ce 10 mSv.
kwiecień 1986: Czarnobyl; Po\
ar 1500 t grafitu i wybuch chemiczny spowodowały
ska\
enie radioaktywne du\
ych terenów Ukrainy i Białorusi i wymagało ewakuacji około
200 tys. mieszkańców
REAKCJA SYNTEZY
Reakcja syntezy jÄ…drowej jest odpowiedzialna za energiÄ™ cieplnÄ… i
promienista gwiazd
WYDAJNOŚĆ REAKCJI SYNTEZY
2 4
H + 3H He+ n
REAKTOR SYNTEZY J
DROWEJ (ITER)
(International Thermonuclear Experimental Reactor)
30 m średnicy, 30 m wysokości
PROMIENIOWANIE
Przez wszystkie lata istnienia rodzaju ludzkiego, promieniowanie jądrowe towarzyszyło
mu i było czymś więcej ni\
tylko towarzyszem: było nierozłączną częścią jego
środowiska. Było i jest.
promieniowania
naturalne \
ródła
promieniowania
Przemysł (2,9)
inne ni\
40K (55.0)
Opady po wybuchach jÄ…drowych
(0,6)
prom.
Medycyna (22,3)
kosmiczne
(10.8)
kosmiczne (10,8)
Awaria w Czarnobylu (0,1)
40
K (8,3)
...dzielenie łó\
ka z drugą osobą powoduje napromienienie sto razy większe ni\

spędzenie tak samo długiego czasu u bram elektrowni jądrowej...
Edward Teller
PROMIENIOWANIE
Åšrednia dawka dla Polski i z
ródła jej pochodzenia
y
ródÅ‚o promieniowania Dawka [µSv] Procent dawki
Naturalne z
ródła promieniowania:
Radon z szeregów U 40,5
1420
Radon z szeregu Th 2,3
80
Gleby i skały:
40
K 3,4
120
Szereg uranow y U 3,7
130
Szereg torow y Th 6,0
210
Ciało ludzkie:
40
K 170
K 4,85
170 4,85
Szereg uranow y U 1,57
55
Szereg torow y Th 0,20
7
Inne 0,43
15
Promieniow anie kosmiczne 10,84
380
Izotopy w ytw orzone przez
promieniow anie kosmiczne 0,29
10
y
ródła promieniowania
wytworzone przez człowieka :
Badania radiologiczne 20,0
700
Medycyna jÄ…drowa 2,3
80
W yroby przem ysłow e 2,9
100
Odpady prom ieniotw órcze 0,6
20
Aw aria w Czarnobylu 0,14
5
Energetyka jÄ…drow a 0,06
2
100
RAZEM 3504
PROMIENIOWANIE
Niektóre nuklidy promieniotwórcze zawarte w organizmie ludzkim oraz podstawowe
charakterystyki zwiÄ…zanego z nimi promieniowania
Pierwiastek Izotop Liczba Liczba Rozpad Energia Energia średnia Orientacyjny
atomów rozpadów rozpadu zasięg w tkance
< >
E ²
[ Bq ] [ keV ] dla [ µm ]
[ keV ]
3
4,2 " 1010
wodór H 75 ² 19 5,7 0,5
14
14
7 " 1014
7 " 10
wÄ™giel C 2690 ² 49,5 39
wÄ™giel C 2690 ² 49,5 39
156
40
2,5 " 1020
potas K 4340 ²,Å‚ ² 455 1600
1312
Å‚
1461
87
1,4 " 1021
rubid Rb 625 ² 82 95
PROMIENIOWANIE: SPOA
ECZNE OCENY
ZAGROśENIA A RZECZYWISTOŚĆ
Ranga Rodzaj zagrożenia Liczba Liga kobiet Studenci Biznesmeni
zgonów
1 Palenie tytoniu 150 000 Energetyka jÄ…drowa Energetyka Wypadki z
jÄ…drowa broniÄ… palnÄ…
2 Alkohol 100 000 Samochody Wypadki z Jazda
broniÄ… palnÄ… motocyklem
3 Jazda samochodem 50 000 Wypadki z broniÄ… Palenie tytoniu Jazda
palnÄ… samochodem
4 Broń palna 17 000 Palenie tytoniu Pestycydy Palenie
tytoniu
tytoniu
5 Elektryczność 14 000 Jazda motocyklem Jazda Picie alkoholu
samochodem
6 Jazda motocyklem 3 000 Picie alkoholu Jazda Strzelanina
motocyklem uliczna
7 PÅ‚ywanie 3 000 Wypadki lotnicze Picie alkoholu Praca w
policji
8 Zabiegi ambulatoryjne 2 800 Praca w policji Praca w policji Energetyka
jÄ…drowa
9 Prześwietlenia 2 300 pestycydy Środki Zabiegi
rentgenowskie antykoncepcyjne ambulatoryjne
20 Energetyka jÄ…drowa 100 Åšrodki Barwniki Wypadki
antykoncepcyjne spożywcze kolejowe
21 Alpinistyka 30 Narciarstwo Antybiotyki Futbol
szkolny