1. Rozmiary jąder

FIZYKA JĄDROWA

2. Siły jądrowe

3. Rozpady jądrowe

4. Rozszczepienie jąder atomowych

4. Rozszczepienie jąder atomowych

5. Synteza jąder atomowych

6. Energetyka jądrowa: zagrożenia (Dzięki uprzejmości L.
Dobrzyńskiego i współpracowników, W-wa 1999)

BUDOWA JĄDRA

A

-liczba masowa = suma protonów i neutronów

Z

-liczba atomowa = liczna protonów

gęstość materii jądrowej

ρ

=2.3

⋅

10

17

kg/m

3

masa 1 cm

3

-230*10

6

ton

C

12

6

Nuklid

R

Typowa jednostka odległości w fizyce jądrowej 1

⋅

10

-15

m=1fm (fermi)

C

14

6

Izotop węgla

IZOTOPY: ta sama liczba protonów, inna neutronów

R

≈

(1.2

⋅

10

-15

m) A

1/3

ODDZIAŁYWANIE NUKLEON-NUKLEON

RODZAJ SIŁMIĘDZY NUKLEONAMI

Muszą to być siły, które przy odległości 10

-15

m

znacznie przewyższają siły odpychania Coulomba

między protonami

Oddziaływania jądrowe (Oddziaływania silne)

E

ne

rg

ia

p

ot

e

nc

ja

ln

a

1

2

3

r (fm)

U (MeV)

-20

-10

0

10

energia

jądrowa

energia

elektrost.

ODDZIAŁYWANIE NUKLEON-NUKLEON

E

ne

rg

ia

p

ot

e

nc

ja

ln

a

1

2

3

r
(fm)

U (MeV)

20

10

0

10

energia wiązania.

proton-neutron w

H

2

Cząstka o masie m ma całkowitą
energię równą E=mc

2

masa spoczynkowa

protonu (E

p

=m

p

c

2

)

masa spoczynkowa

neutronu (E

n

=m

n

c

2

)

938.21 MeV

939.50 MeV

Ponieważ wszystko dąży do zmniejszenia swojej energii, to stabilne układy, tj. mające
minimalną energię, mają też mniejsze masy Z

⋅

m

p

+(A-Z)

⋅

m

n

-m

jądra

=

∆

m>0

neutronu (E

n

=m

n

c

)

proton-neutron w H

2

masa spoczynkowa

deuteronu (E=mc

2

) ( H

2

)

939.50 MeV

1875.49 MeV

ENERGIA WIĄZANIA E

w

=E

n

+E

p

-E

2.22 MeV

Potencjał oddział. proton-

neutron w H

2

: obliczenia w

przybliżeniu prostokątnej

studni potencjału

STRUKTURA CIĘśKICH JĄDER

R

r

protony

Neutrony

U (MeV)

-20

-10

0

10

-30

R

∆

E

E

w

Proton

→

neutron+e

+

+

ν

R

r

protony

Neutrony

U (MeV)

-20

-10

0

10

R

Poziomy Fermiego wyrównują się

-40

-30

E

W ciężkich jądrach jeden nukleon przyciągany jest przez wielu najbliższych sąsiadów

Energia wiązania na jeden nukleon w ciężkich jądrach E

w

≈

8MeV

Odległość między poziomami energetycznymi,

∆

E w ciężkich jądrach

≈

1MeV

-40

-30

N neutronów> N protonów

ENERGIA WIĄZANIA

E

ne

rg

ia

w

ią

za

ni

a

na

n

uk

le

on

(

M

e

V

)

4

8

6

4

He

56

Fe

Dla dużych mas rośnie odpychanie: energia wiązania maleje

E

ne

rg

ia

w

ią

za

ni

a

na

n

uk

le

on

(

M

e

V

)

Liczba masowa

4

50

150

100

200

2

2

H

3

H

ROZPADY JĄDROWE

ROZPAD

α

E

ne

rg

ia

p

ot

e

nc

ja

ln

a

cz

ąs

tk

i

α

U

rozpad

α

: emisja bardzo trwałej cząstki: jądra He

Możliwy stan energetyczny cząstki

α

: E

α

E

ne

rg

ia

p

ot

e

nc

ja

ln

a

cz

ąs

tk

i

r

ROZPADY JĄDROWE

ROZPAD

α

rozpad

α

: emisja bardzo trwałej cząstki: jądra He

fu

nk

cj

a

fa

lo

w

a

cz

ąs

tk

i

α

ψ

(r)

rozpad

funkcja falowa cząstki

α

fu

nk

cj

a

fa

lo

w

a

cz

ąs

tk

i

r

izotopy

rozpad

α

jest wynikiem tunelowania cząstki

α

poza obszar jadra

obszar bariery

ROZPADY JĄDROWE: PRAWO ROZPADU

Jak zależy ilość rozpadających się jąder od czasu?

τ

−

=

τ

−

=

−

=

∫

∫

dt

1

n

dn

dt

1

n

dn

nPdt

dn

t

n

dn - ilość rozpadających
się jąder w czasie dt

P=1/

τ

- prawdopodobieństwo

rozpadu

n

0

li

cz

b

a

at

om

ów

n

0

/2

n=1/2n

0

⇒t=0.693

τ

=T: czas połowicznego rozpadu

τ

−

=

−

τ

∫

∫

t

)

n

ln(

)

n

ln(

n

0

0

n

0

t

T

τ

−

=

t

n

n

ln

0

τ

−

=

/

t

0

e

n

n

ŚREDNI CZAS śYCIA

τ

=

τ

−

−

τ

−

τ

=

=

=

∞

τ

−

∞

τ

−

∞

τ

−

∞

τ

−

∫

∫

∫

∫

0

/

t

0

/

t

2

0

/

t

0

/

t

śr

]

e

[

)]

1

/

t

(

e

[

dt

e

dt

te

ndt

tndt

t

ROZPADY JĄDROWE

jądro w
stanie
wzbudzonym

jądro w stanie
podstawowym

kwant

γ

o

wysokiej energii

ROZPAD

γ

emisja kwantu

γ

o wysokiej energii

239

U

*

→

239

U+

γ

Przykład

ROZPAD

β

emisja elektronu (cząstki

β

) oraz neutrina

β

νν

_

239

Np

→

239

Pu+e

-

+ antyneutrino

Przykład

POZYSKIWANIE ENERGII JĄDROWEJ

Cząstka o masie m ma całkowitą energię równą E=mc

2

Różnicę masy dwóch stabilnych układów można zamienić na energię

ROZSZCZEPIENIE

energia

SYNTEZA

energia

...rozszczepiać jądra ciężkie

energia

duży atom

atom

atom

Można albo „składać”
jądra lekkie, albo...

duży atom

atom

atom

energia

ROZSZCZEPIANIE CIĘśKICH JĄDER; REAKCJA

ŁAŃCUCHOWA

Neutrony zwykle s

ą

szybkie i nie szkodz

ą

j

ą

dru

...ale woda je spowalnia, przez
co mog

ą

zderza

ć

si

ę

z j

ą

drami

uranu...

...uwalniaj

ą

c wi

ę

cej

neutronów; wydziela
si

ę

energia

radioaktywne
produkty
rozpadu

W ułamku sekundy

U

n

U

236

1

235

→

→

+

W ułamku sekundy

rozpadaj

ą

si

ę

kolejne

j

ą

dra

E

n

2

Xe

Sr

U

n

U

1

0

140

54

94
38

236

92

1

0

235

92

+

+

+

→

→

+

Jak zatrzyma

ć

reakcj

ę

ła

ń

cuchow

ą

Usun

ąć

wod

ę

zatrzymuj

ą

c

opó

ź

nianie neutronów

„Zatru

ć

” reakcj

ę

dodaj

ą

c pierwiastek

(np. bor) absorbuj

ą

cy neutrony

BOMBA ATOMOWA

Urządzenie zapłonowe

Zwykły ładunek wybuchowy

Ładunek substancji rozszczepialnej (uran 235 lub pluton 239),

Jego ogólna masa przewyższa masę krytyczną, lecz rozdzielona

jest na dwie części, których każda 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 ładunku masa uranu staje się
nadkrytyczna

BOMBA ATOMOWA

...i następuje wybuch jądrowy

CIŚNIENIOWY REAKTOR WODNY (PWR)

Pręty regulacyjne (absorbują neutrony
uniemożliwiając 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

Osłona-
potężnie zbudowany budynek zawierający wszystkie części reaktora z których może
pochodzić promieniowanie. Budynek jest tak zaprojektowany by wytrzymał niewielką
eksplozję

Obieg wtórny wody i generator pary (para obraca
turbinę produkującą prąd, a woda jest chłodzona i
użyta ponownie)

Wzbogacanie
Naturalny uran zawiera ok. 0.7% U235, musi więc on być poddany wzbogaceniu do 3% i
uformowany w pręty paliwowe. Pręt jest używany ok. 3 lat, a następnie przechowywany w
bunkrze zwykle w pobliżu reaktora, ponieważ wciąż jest bardzo radioaktywny

CIŚNIENIOWY REAKTOR WODNY (PWR)

Wymiennik ciepła i
generator pary

Obieg chłodzenia
wtórnego

rdzeń reaktora

obieg chłodzenia
rdzenia reaktora

ELEKTROWNIA ATOMOWA

1

2

3

4

5

6

11

15

16

17

7

8

9

10

12

13

14

17

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 zużytego paliwa, 13. Rurociąg z wodą chłodzącą kondensor,
6. Reaktor,

14. Stacja pomp chłodni kominowej,

7. Pręty paliwowe,

15. Ujęcie wody z rzeki,

8. Śluza dla personelu,

16. Alternator, 17. Transformator

POWIELANIE

Materiały rozszczepialne:

uran

235

U, pluton

239

Pu

Pluton łatwo jest otrzymać naświetlając neutronami

238

U

rozpad

β

:

elektron

Uran 238, 3% Uran 235 w reaktorze pod wpływem naświetlania neutronami zamienia się w
Pluton 239, który dalej można wykorzystywać jako paliwo

neutron

238

U

uran

239

U

neptun

239

Np

rozpad

β

:

elektron

pluton

239

Pu

AWARIE REAKTORÓW

W reaktorze energetycznym nie może nastąpić wybuch jądrowy (bo małe
wzbogacenie paliwa jądrowego w rozszczepialny 235U: ok. 3%, w bombie
atomowej znacznie powyżej 90%)

najgroźniejsze 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 podwyższone
dawki, ale nie przekraczające 10 mSv.

kwiecień 1986: Czarnobyl; Pożar 1500 t grafitu i wybuch chemiczny spowodowały
skażenie radioaktywne dużych terenów Ukrainy i Białorusi i wymagało ewakuacji około
200 tys. mieszkańców

REAKCJA SYNTEZY

Reakcja syntezy jądrowej jest odpowiedzialna za energię cieplną i

promienista gwiazd

WYDAJNOŚĆ REAKCJI SYNTEZY

2

H +

3

H

→

4

He+ n

REAKTOR SYNTEZY JĄDROWEJ (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 niż tylko towarzyszem: było nierozłączną częścią jego
środowiska. Było i jest.

promieniowania

Opady po wybuchach j

ą

drowych

(0,6)

Przemysł (2,9)

naturalne żródła

promieniowania

inne niż

40

K (55.0)

...dzielenie łóżka z drugą osobą powoduje napromienienie sto razy większe niż
spędzenie tak samo długiego czasu u bram elektrowni jądrowej...

Edward Teller

kosmiczne (10,8)

K (8,3)

Awaria w Czarnobylu (0,1)

Medycyna (22,3)

40

prom.

kosmiczne

(10.8)

PROMIENIOWANIE

Ś

rednia dawka dla Polski i

ź

ródła jej pochodzenia

Ź

ró dło pro mieniowania

D aw ka [

µ

S v ]

P rocent daw ki

N aturalne

ź

ródła promieniowania :

R adon z s zeregów

U

1420

40,5

R adon z s zeregu Th

80

2,3

G leby i s k ały:

40

K

120

3,4

S zereg uranow y U

130

3,7

S zereg torow y Th

210

6,0

C iało ludzk ie:

40

K

170

4,85

K

170

4,85

S zereg uranow y U

55

1,57

S zereg torow y Th

7

0,20

Inne

15

0,43

P rom ieniow anie k osm ic zne

380

10,84

Izotop y w ytw orzone przez
prom ieniow anie k osm ic zne

10

0,29

Ź

ró dła pro mienio w ania

w ytw orz one prz ez cz łow ieka :
B adania radiologic zne

700

20,0

M edyc yna j

ą

drow a

80

2,3

W yroby przem ys łow e

100

2,9

O dpady prom ieniotw órc ze

20

0,6

A w aria w C zarnobylu

5

0,14

E nergetyk a j

ą

drow a

2

0,06

RA ZE M

3504

100

PROMIENIOWANIE

Niektóre nuklidy promieniotwórcze zawarte w organizmie ludzkim oraz podstawowe
charakterystyki związanego z nimi promieniowania

Pierwiastek

Izotop

Liczba

atomów

Liczba

rozpadów

[ Bq ]

Rozpad

Energia

rozpadu

[ keV ]

Energia średnia

<

E

β

>

[ keV ]

Orientacyjny

zasięg w tkance

dla <E

β

> [ µm ]

wodór

3

H

4,2 • 10

10

75

β

19

5,7

0,5

węgiel

14

C

7 • 10

14

2690

β

49,5

39

węgiel

14

C

7 • 10

2690

β

156

49,5

39

potas

40

K

2,5 • 10

20

4340

β,γ

β

1312

γ

1461

455

1600

rubid

87

Rb

1,4 • 10

21

625

β

82

95

PROMIENIOWANIE: SPOŁECZNE OCENY

ZAGROśENIA A RZECZYWISTOŚĆ

Ranga

Rodzaj zagrożenia

Liczba

zgonów

Liga kobiet

Studenci

Biznesmeni

1

Palenie tytoniu

150 000 Energetyka jądrowa

Energetyka
jądrowa

Wypadki z
bronią palną

2

Alkohol

100 000 Samochody

Wypadki z
bronią palną

Jazda
motocyklem

3

Jazda samochodem

50 000

Wypadki z bronią
palną

Palenie tytoniu

Jazda
samochodem

4

Broń palna

17 000

Palenie tytoniu

Pestycydy

Palenie
tytoniu

tytoniu

5

Elektryczność

14 000

Jazda motocyklem

Jazda
samochodem

Picie alkoholu

6

Jazda motocyklem

3 000

Picie alkoholu

Jazda
motocyklem

Strzelanina
uliczna

7

Pływanie

3 000

Wypadki lotnicze

Picie alkoholu

Praca w
policji

8

Zabiegi ambulatoryjne

2 800

Praca w policji

Praca w policji

Energetyka
jądrowa

9

Prześwietlenia
rentgenowskie

2 300

pestycydy

Środki
antykoncepcyjne

Zabiegi
ambulatoryjne

20

Energetyka jądrowa

100

Środki
antykoncepcyjne

Barwniki
spożywcze

Wypadki
kolejowe

21

Alpinistyka

30

Narciarstwo

Antybiotyki

Futbol
szkolny