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: zagroŜenia (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 przewyŜszają 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
PoniewaŜ wszystko dąŜy do zmniejszenia swojej energii, to stabilne układy, tj. mające
minimalną energię, mają teŜ 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
przybliŜeniu 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 cięŜkich jądrach jeden nukleon przyciągany jest przez wielu najbliŜszych sąsiadów
Energia wiązania na jeden nukleon w cięŜkich jądrach E
w
≈
8MeV
Odległość między poziomami energetycznymi,
∆
E w cięŜkich 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 duŜych 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
MoŜliwy 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 zaleŜy 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
RóŜnicę masy dwóch stabilnych układów moŜna 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 przewyŜsza masę krytyczną, lecz rozdzielona
jest na dwie części, których kaŜda 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
uniemoŜliwiając 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-
potęŜnie zbudowany budynek zawierający wszystkie części reaktora z których moŜe
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
uŜyta ponownie)
Wzbogacanie
Naturalny uran zawiera ok. 0.7% U235, musi więc on być poddany wzbogaceniu do 3% i
uformowany w pręty paliwowe. Pręt jest uŜywany ok. 3 lat, a następnie przechowywany w
bunkrze zwykle w pobliŜu reaktora, poniewaŜ wciąŜ 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 zuŜytego 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 moŜna wykorzystywać jako paliwo
neutron
238
U
uran
239
U
neptun
239
Np
rozpad
β
:
elektron
pluton
239
Pu
AWARIE REAKTORÓW
W reaktorze energetycznym nie moŜe nastąpić wybuch jądrowy (bo małe
wzbogacenie paliwa jądrowego w rozszczepialny 235U: ok. 3%, w bombie
atomowej znacznie powyŜej 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 podwyŜszone
dawki, ale nie przekraczające 10 mSv.
kwiecień 1986: Czarnobyl; PoŜar 1500 t grafitu i wybuch chemiczny spowodowały
skaŜenie radioaktywne duŜych 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 niŜ tylko towarzyszem: było nierozłączną częścią jego
środowiska. Było i jest.
promieniowania
Opady po wybuchach j
ą
drowych
(0,6)
Przemysł (2,9)
naturalne Ŝródła
promieniowania
inne niŜ
40
K (55.0)
...dzielenie łóŜka z drugą osobą powoduje napromienienie sto razy większe niŜ
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