22_fizyka_jadrowa

•

dro atomowe składa si

protonów i neutronów (nukleonów)

zanych siłami j

drowymi, niezale

nymi od ładunku. Proton i neutron

maj

prawie tak

sam

mas

M = 1.67·10

-27

kg.

•

Atomy o tej samej liczbie protonów, ró

ce si

liczb

neutronów

nazywamy

izotopami

•

czn

liczb

protonów i neutronów w j

drze okre

liczba masowa A

(masa jadra zale

y od A, poniewa

masa elektronów jest znikoma).

Liczba neutronów jest dana równaniem A − Z, (Z jest liczb

protonów

zwan

liczb

atomow

•

Atom pierwiastka X o liczbie atomowej Z i liczbie masowej A oznaczamy
symbolem

Budowa j

dra atomu

Oddziaływanie nukleon-nukleon

Siła j

drowa (oddziaływanie silne)

ąż

e nukleony w j

drach atomowych

ksza ni

siła odpychania elektrostatycznego wyst

puj

ca pomi

dzy

protonami.

Energia potencjalna oddziaływania

nukleon – nukleon

w porównaniu z energi

odpychania

proton – proton

Oddziaływania proton - proton, proton - neutron i neutron - neutron s

identyczne i nazywamy je

oddziaływaniami nukleon - nukleon

redni promie

wszystkich

der (oprócz najmniejszych)

)

(

/ 3

−

⋅

Jednostki: femtometr
zwan

fermi (fm); 1 fm

= 10

-15

Przykład:

porównujemy masę atomu

z sumą mas jego składników

( )

0026033

( )

0329812

0086654

0078252

Masa helu jest mniejsza od masy składników

o 0.0303779 u

Dla każdego atomu jego masa jest mniejsza od masy składników o wielkość ∆M zwaną
niedoborem masy lub

defektem masy

Zmniejszenie o ∆E całkowitej energii układu (ENERGIA WIĄZANIA)

∆

Jednostki

Masa jest podawana w jednostkach masy atomowej (u). Za wzorzec przyjmuje si

1/12 masy atomowej w

gla.

Energia wi

zania

Masy atomowe

energie wi

na wyznaczy

wiadczalnie w oparciu o

spektroskopi

masow

bilans energii

w reakcjach j

drowych.

Masa (u)

∆

E (MeV)

∆

E/A

1.0086654

1.0078252

4.0026033

28.3

7.07

9.0121858

58.0

6.45

12.0000000

92.2

7.68

15.994915

127.5

7.97

62.929594

552

8.50

120

119.9021

1020

8.02

184

183.9510

1476

8.02

238

238.05076

1803

7.58

120

184

238

Najsilniej są wiązane nukleony w jądrach pierwiastków ze środkowej części układu okresowego.

Krótki zasięg sił jądrowych

wielkość ∆E/A nie jest stała !!!

Siły jądrowe

bardzo krótki zasięg

gdy odległość nukleon-nukleon > 2.5·10

-15

to oddziaływanie słabsze.

nukleon jest przyciągany przez
coraz większą liczbę sąsiednich
nukleonów

Rozpady j

drowe zachodz

zawsze je

li j

dro o pewnej liczbie nukleonów

znajdzie si

w stanie energetycznym, nie b

cym najni

szym mo

liwym dla

układu o tej liczbie nukleonów.

Znane s

trzy rodzaje promieniowania:

•

alfa (

αααα

)

- j

dra helu,

•

beta (

)

- elektrony lub pozytony,

•

gamma (

γγγγ

)

- fotony.

dra nietrwałe pochodzenia naturalnego s

nazywane promieniotwórczymi,

a ich rozpady nosz

nazw

rozpadów promieniotwórczych.

Informacje o j

drach atomowych ich budowie, stanach energetycznych,

oddziaływaniach; równie

zasadnicze informacje o ewolucji Wszech

wiata.

Rozpady j

drowe

jądra stabilne

jądra promieniotwórcze

Rozpad alfa

przemiana niestabilnego

dra w nowe j

dro przy emisji j

dra

tzn. cz

stki

αααα

. Wyst

puje zazwyczaj w

drach o

≥

100

150

200

250

238

184

120

∆

Liczba masowa A

Dla ci

ęż

kich j

der energia wi

zania

nukleonu

maleje ze wzrostem liczby

masowej

zmniejszenie liczby

nukleonów

(w wyniku wypromieniowania

stki

)

powstanie

silniej

zwi

zanego j

dra

Proces zachodzi samorzutnie bo jest
korzystny energetycznie.

Energia wyzwolona w czasie rozpadu (energetyczny równowa

nik niedoboru

masy) jest unoszona przez cz

stk

w postaci energii kinetycznej.

Przykład:

MeV

4.2

4
2

234

238

→

Rozpad beta

• Je

eli j

dro ma wi

ksz

od optymalnej liczb

neutronów to w j

drze takim

zachodzi

przemiana neutronu w proton - rozpad beta (minus)

→

−

→

−

239

Przykład:

→

−

239

- antyneutrino

Promieniowanie gamma

Rozpadom alfa i beta towarzyszy zazwyczaj emisja

wysokoenergetycznego

promieniowania elektromagnetycznego

zwanego promieniowaniem

gamma

(

γ γ

Widmo promieniowania

γγγγ

ma charakter liniowy i

bardzo wysok

energi

(tysi

lub setki tysiecy razy wi

ksz

od energii fotonów wysyłanych przez atomy).

- neutrino

• Gdy j

dro ma nadmiar protonów to zachodzi

proces przemiany protonu w neutron

- rozpad beta (plus)

→

40
18

40
19

Przykład:

Prawo rozpadu nuklidów

Eksperyment

liczba j

der rozpadaj

cych si

w jednostce czasu jest

proporcjonalna do aktualnej liczby j

der N .

−

- stała rozpadu

(prawdopodobie

stwo rozpadu

stki w jednostce czasu)

−

)

(

)

(

N (0) jest liczb

der w chwili t = 0, a N (t ) liczb

der po czasie t.

redni

czas

ycia j

der t

Czas połowicznego rozpadu

(zaniku) T to czas, po którym liczba j

der

danego rodzaju maleje do połowy:

−

693

Czasy połowicznego zaniku pierwiastków le

żą

w bardzo szerokim przedziale.

T = 4.5·10

lat (porównywalny z wiekiem Ziemi),

T = 10

-6

212

239

Datowanie

Znajomo

ść

czasu połowicznego rozpadu

rozpad radionuklidów = zegar

Przykłady:

•

z T = 1.25x10

lat

pomiar proporcji

Ar w

skałach pozwala ustali

ich wiek (zakładamy,

e w chwili zero tj. w

czasie formowania si

skały z lawy cały argon si

ulotnił.

Podobnie (cykl rozpadów). Pomiary meteorytów, skał
ziemskich i ksi

ęż

ycowych

wiek Ziemi około 5x10

lat

•

Krótsze okresy czasu

datowanie radioaktywnym w

glem

C (T =

5730 lat)

C powstaje w atmosferze w wyniku bombardowanie przez

promieniowanie kosmiczne azotu. 1 atom

C przypada na 1013

atomów

C (CO

)

w organizmach

ywych równowaga izotopowa.

mierci wymiana z atmosfer

ustaje

ilo

ść

radioaktywnego w

gla

maleje (rozpad)

okre

lenie wieku materiałów pochodzenia

biologicznego.

→

40
18

40
19

207

235

→

−

Siły jądrowe

bardzo krótki zasięg

gdy odległość nukleon-nukleon > 2.5·10

-15

to oddziaływanie słabsze.

Zjawiska rozszczepienia i syntezy j

drowej

nukleon jest przyciągany przez
coraz większą liczbę sąsiednich
nukleonów

Reakcje j

drowe

eli ci

ęż

kie j

dro rozdzielimy na dwie cz

ęś

dwa mniejsze j

dra s

silniej wi

zane od j

dra wyj

ciowego

te dwie cz

ęś

ci maj

mas

mniejsz

masa j

dra wyj

ciowego.

W reakcji rozszczepienia wydziela si

energia.

ródło energii reaktora j

drowego

Reakcja rozszczepienia

Spontaniczne rozszczepienie naturalnego j

dra jest na ogół mniej

prawdopodobne ni

rozpad

αααα

tego j

dra.

na jednak zwi

kszy

prawdopodobie

stwo rozszczepienia

bombarduj

c j

dra neutronami o odpowiedniej energii (termicznej). Takie

neutrony powoduj

reakcje rozszczepienia uranu

i plutonu

Wzbogacenie polega na zwi

kszeniu zawarto

ci rozszczepialnego U-235 do

około 3-5% (z około 0,7% w naturalnej rudzie uranu).

239

235

100

150

200

250

238

184

120

∆

Liczba masowa A

typowa reakcja rozczepienia:

W reakcji rozszczepienia powstaje na
ogół kilka neutronów.

Rozszczepienie j

drowe mo

e sta

procesem samopodtrzymuj

cym (reakcja

ła

cuchowa). Ilo

ść

materiału powy

ej, której to

nastepuje nazywamy

mas

krytyczn

eli liczba rozszczepie

na jednostk

czasu jest

utrzymywana na stałym poziomie to mamy do
czynienia z

kontrolowan

reakcj

ła

cuchow

(E.

Fermi, Uniwersytet Chicago, 1942 r.).

Masa materiału rozszczepianego mo

e by

nadkrytyczna

Mamy do czynienia z

lawinow

reakcj

ła

cuchow

94
38

140

236

235

→

Grudzie

1942

uruchomienie pierwszego reaktora (E. Fermi)

1000 termicznych neutronów

1330 neutronów w paliwie

235

U i 40 w

238

370 dodatkowych neutronów jest „traconych” w reaktorze ale powstaniu ka

dego towarzyszy

energia wydzielana w reaktorze.

Reaktor j

drowy

•

Pierwszy reaktor j

drowy zbudowany został w pokoju do gry w squasha pod trybunami

stadionu Uniwersytetu w Chicago w1942 roku przez zespół fizyków kierowany przez Enrico
Fermiego.

•

Budow

stosu zacz

to od uło

enia kilku warstw grafitowych cegieł (pełni

cych rol

moderatora) na małym

ródle neutronów. Nast

pnie układano warstwy grafitu cegieł

grafitowych zawieraj

cych uran metaliczny

235

U lub tlenek uranu, w postaci małej kulki.

•

Uło

ono „kopiec” szeroko

ci ok. 7,5 m i wysoko

ci ok. 6 m składaj

cy si

z 350 ton grafitu,

36,5 ton tlenku uranu i 5,6 ton metalicznego uranu.

Stos Fermiego - pierwszy reaktor j

drowy

W reaktorze wodnym ci

nieniowym

woda stykaj

ca si

z rdzeniem

reaktora nie gotuje si

Uniemo

liwia jej to ogromne

nienie - rz

du 15 MPa. Woda ta

ąż

y w obiegu pierwotnym i w

odpowiedniej wytwornicy pary
ogrzewa wod

obiegu wtórnego, a

zatem nie styka si

z ni

bezpo

rednio.

Woda tak

e jest tu spowalniaczem.

Gdy reaktor nadmiernie si

nagrzewa, to g

sto

ść

wody maleje.

Tym samym pr

dkie neutrony s

słabiej wyhamowywane, liczba
rozszczepie

dostarczaj

cych

energii maleje i cały układ si

ochładza.
Sterowanie reaktorem odbywa si

przez wsuwanie i wysuwanie
pr

tów regulacyjnych,

zawieraj

cych kadm.

Rodzaje reaktorów j

drowych :

Reaktor wodny ci

nieniowy (PWR –

Pressurized Water Reactor)

http://atomowe.kei.pl/

Wyj

tkowymi reaktorami wodnymi, wrz

cymi s

reaktory kanałowe wielkiej mocy (RBMK)

(tego typu reaktory były mi

dzy innymi w Czarnobylu oraz w innych elektrowniach na

terenie byłego ZSRR), chłodzone s

wod

wrz

w kanałach paliwowych, a moderowane

grafitem.

Rodzaje reaktorów j

drowych:

Reaktor wodny wrz

(BWR – Boiling Water Reactor)

Woda słu

y te

jednocze

nie jako

moderator. Gdyby wszystkie
powstałe w tej reakcji
neutrony przyczyniały si

dalszego rozszczepiania,
reaktor wyszedłby spod
kontroli i wytwarzałby za
du

o energii - stałby si

wybuchaj

bomb

atomow

(stan

nadkrytyczny).
Neutrony pochłaniane s

przez pr

ty steruj

(zawieraj

ce materiały, np.

bor lub kadm, absorbuj

neutrony), które s

wsuwane do reaktora na
odpowiedni

gł

boko

ść

Para wodna bezpo

rednio

kierowana jest do turbin
(jeden obieg).

http://atomowe.kei.pl/

Jądra U-238 mogą wchłaniać prędkie neutrony,
przemieniając się przy tym w jądra plutonu, które
można łatwo rozszczepić i wykorzystać do
produkcji energii. Jako materiał rozszczepialny
jest stosowany Pu-239, który podczas rozpadu
produkuje 2 lub 3 neutrony. Jeden z nich jest
potrzebny do podtrzymania reakcji łańcuchowej,
podczas gdy pozostałe są przekazywane do jąder
U-238, które przemieniają się w Pu-239. Tak
powstaje nowe paliwo. W optymalnym przypadku
może wytworzyć nawet więcej paliwa niż sam
zużył. Technika ta, dzięki wykorzystywaniu
nierozszczepialnego U-238 (którego w przyrodzie
jest znacznie więcej niż U-235), jest
sześćdziesięciokrotnie bardziej wydajna od
tradycyjnej uranowej.

Reaktor składa się z

elementów paliwowych, w których wytwarzana
jest energia oraz z elementów powielających,
gdzie powstaje nowe paliwo.

Rodzaje reaktorów j

drowych (IV generacja):

Reaktor powielaj

cy -pr

dki

(FBR – Fast Breeder Reactor)

Z powodu dużej ilości materiału rozszczepialnego wytwarzanie ciepła w elementach paliwowych jest bardziej
intensywne. Dlatego ochładza się taki reaktor ciekłym sodem, który dobrze przewodzi ciepło, ale w przeciwieństwie do
wody słabo hamuje neutrony. Są więc one ciągle prędkie. Obieg pierwotny ciekłego sodu ogrzewa ciekły sód w obiegu
wtórnym.
W reaktorach FBR można przetwarzać odpady wysokoaktywne (wypalone paliwo z reaktorów termicznych)
uzyskując z nich dodatkową energię i zmniejszając ilość odpadów do składowania.

http://atomowe.kei.pl/

Reaktory przyszło

ci:

REAKTOR W STANIE PODKRYTYCZNYM

http://atomowe.kei.pl/

Brak wystarczającej liczby neutronów więc reakcja łańcuchowa przestaje zachodzić (stan

podkrytyczny) .

Reakcję łańcuchową można podtrzymać przez dostarczanie neutronów z zewnątrz.

SPALACYJNE ŹRÓDŁO
NEUTRONÓW:
Jeśli przyspieszony do dużej
prędkości proton uderza w jądro
ciężkiego pierwiastka (uran, ołów)
to może wzbudzić kaskadę
procesów w których końcowym
efektem jest produkcja dużej liczby
neutronów.

1GeV proton
600MeV proton

25 neutronów
13 neutronów

Zalety rozwi

zania:

liwo

ść

natychmiastowego zatrzymania reakcji ła

cuchowej.

W przyszło

ci planuje si

wykorzystywa

jako paliwo j

drowe tor. W wyniku

rozszczepienia toru powstaj

dra atomowe o mniejszej masie ni

przy

rozszczepieniu uranu lub plutonu i jest w

ród nich wi

cej j

der trwałych (brak

odpadów). Tor wyst

puje w skorupie ziemskiej około sze

ciokrotnie cz

ęś

ciej ni

uran.

Najwa

niejszy izotop Th-232 ten jest nietrwały, jednak ze wzgl

du na długi (14 mld lat)

czas połowicznego rozpadu, radioaktywno

ść

jego jest niewielka.

Reaktory przyszło

ci:

REAKTOR W STANIE PODKRYTYCZNYM

liwo

ść

wypalania starego paliwa z reaktorów uranowych.

Program European Sustainable Nuclear Industrial Initiative (ESNII) wspiera prace
nad rozwojem trzech wybranych projektów szybkich reaktorów:

Astrid – chłodzony sodem reaktor pr

dki zaproponowany przez Francj

Allegro – reaktor pr

dki chłodzony gazem zaproponowany przez Czechy, Słowacj

gry

Myrrha – reaktor pr

dki chłodzony ołowiem, którego projekt wysun

ła Belgia

Całkowity, szacowany koszt zbudowania prototypów powy

szych projektów w ramach

ESNII wynosi 10,8 miliarda euro. Bud

et projektu na lata 2010-2012 wyniósł 527

milionów euro.

Reaktory przyszło

ci:

REAKTOR W STANIE PODKRYTYCZNYM

Reakcja syntezy j

drowej

Masa dwóch lekkich j

der > masa j

dra

powstaj

cego po ich poł

czeniu.

Wydziela si

energia zwi

zana z ró

nic

mas.

Reakcje, które wymagaj

takich temperatur nazywamy

reakcjami termoj

drowymi

Przykład:

poł

czenie dwóch deuteronów

w j

dro helu

0.6% masy zostaje

zamienione na energi

Metoda

wydajniejsza

rozszczepiania

der

uranu;

dysponujemy

nieograniczonym

ródłem deuteru w wodzie mórz i oceanów.

Przeszkoda

odpychanie kulombowskie

protony trzeba zbli

na 2·10

-15

dy proton ma energi

(3/2)kT

energia pary protonów = 3kT.

Ta energia musi zrównowa

energi

odpychania elektrostatycznego

Z porównania tych energii otrzymujemy T

≈

2.8·10

We wn

trzu gwiazdy wystarcza temperatura o dwa rz

dy wielko

ci ni

sza (rozkład

dko

ci)

Reakcja jest mo

liwa w temperaturze około 5·10

πε

100

150

200

250

238

184

120

∆

Liczba masowa A

Cykl wodorowy

W pojedynczym cyklu tworzenia 1 j

dra helu z 4 protonów uzyskiwane jest jest 26,7

MeV energii (1,6 MeV jest tracona przez uchodz

ce neutrina).

Energia wytwarzana przez Sło

w ci

gu sekundy 592 miliony ton wodoru

zamieniaj

w 587.9 milionów ton helu. Ró

nica tj. 4.1 miliony ton jest zamieniana

na energi

(w ci

gu sekundy). Odpowiada to mocy około 4·10