76. Reakcja rozszczepienia jako reakcja łańcuchowa

Reakcja rozszczepienia - reakcja jądrowa polegająca na podziale ciężkiego jądra atomu na dwa (rzadziej więcej) mniejsze fragmenty o porównywalnych masach (atomy innych, lżejszych pierwiastków o zbliżonych masach np. Ce-Se, Br-La, Rb-Cs, Kr-Ba, Sr-Xe, Y-I, Zr-Te). Oprócz fragmentów rozszczepienia emitowane są także neutrony i kwanty gamma.

n + 235U → 236U* → 141Ba + 92Kr + 2,5n** + Q

*-stan wzbudzony. Jest on niestabilny i ulega rozpadowi.

Q - to wyzwolona energia. W przypadku rozszczepienia jadra U-235 to ok. 207 MeV

**- raz emitowane są 2 neutrony, raz trzy, średnio 2,5n dla całej substancji.

Reakcja rozszczepienia może zachodzić samorzutnie lub w wyniku bombardowania jądra atomu różnymi cząstkami: neutronami, protonami (czyli cząstkami o ładunku elektrycznym dodatnim), deuteronami (proton i neutron), cząstkami α , kwantami γ. Najczęściej wykorzystuje się do takiego bombardowania neutrony ponieważ nie posiadają one ładunku elektrycznego co umożliwia im w łatwy sposób wniknięcie do jądra atomowego, a także dają zysk energetyczny, czyli przy rozszczepieniu uzyskuje się więcej energii niż pierwotnie dostarczono do układu.

Prawie wszystkie jądra atomowe o liczbie masowej powyżej 220 ulegają rozszczepieniu. Najczęściej wykorzystywanymi do tego celu pierwiastkami są uran-235 (jedyny rozszczepiany izotop uranu, znajdujący się w uranie naturalnym w ilości 0,7%) i produkowany z uranu pluton-239.

Reakcja łańcuchowa - rozszczepienie może być wykorzystane na skalę techniczną tylko jeśli jest ciągłe i samopodtrzymujące się (to znaczy że neutrony uwalniane przy rozszczepieniu jednego atomu uranu powodują reakcję w następnych atomach itd.).

W tym celu muszą być spełnione warunki:

- spowolnienie neutronów, bo właśnie powolne neutrony w sposób najbardziej efektywny wywołują rozszczepienie. Dokonuje się tego za pomocą specjalnie dobranej substancji = moderatora, który obniża energię kinetyczną neutronów, nie pochłaniając ich.

- masa substancji rozszczepialnej musi być dostatecznie duża , przewyższać tzw. masę krytyczną. Jeśli masa jest zbyt mała, neutrony rozpraszają się , nim wywołają kolejne reakcje rozszczepienia. Masa krytyczna zależy m.in.od budowy reaktora jądrowego, rodzaju materiału rozszczepialnego.

Masa krytyczna uranu-235 (bez moderatora ) : ok.49kg

Plutonu-239 (bez moderatora): ok.10kg

77. Budowa i działanie reaktora jądrowego.

Reaktor jądrowy - urządzenie, w którym przeprowadza się z kontrolowaną szybkością reakcje jądrowe ( liczba rozszczepień w jednostce czasu i moc cieplna wytwarzana przez reaktor są utrzymywane na określonym poziomie). Obecnie wykorzystuje się je przede wszystkim przy reakcjach rozszczepienia. Reaktory mogą służyć do produkcji energii, produkcji plutonu do celów wojskowych, prowadzenia badań w fizyce i technice jądrowej.

Budowa reaktora jądrowego na przykładzie reaktora energetycznego:

Ogólnie reaktor jądrowy składa się z kanałów paliwowych, umieszczonych w moderatorze, przez który przechodzi system chłodzenia. Między kanałami paliwowymi znajdują się pręty sterujące. Moderator otoczony jest reflektorem neutronów a następnie osłoną biologiczną np. z betonu. (żeby to dobrze ogarnąć najlepiej spojrzeć na jakiś schemat).

Fragment reaktora gdzie zachodzi reakcja rozszczepienia nazywa się rdzeniem.

Części reaktora mogą się różnić kształtem, liczebnością i sposobem wykorzystania w zależności od typu reaktora. Konkretna budowa reaktora wpływa też na wymagany poziom wzbogacenia paliwa w dobrze rozszczepialny uran-235.

Kanały paliwowe - mieszczą paliwo w postaci prętów (rzadziej kul) zawierających obrobiony, często wzbogacony uran. Przy odpowiedniej ilości materiału zachodzi w nich natychmiastowo łańcuchowa reakcja rozszczepienia emitująca m.in. ciepło potrzebne do uzyskania energii elektrycznej oraz neutrony rozprzestrzeniające się w obrębie rdzenia.

Moderator – spowalniacz neutronów. Przepływające przez niego neutrony wytracają energię kinetyczną, nie są jednak pochłaniane. Obecnie w tym celu używa się bloków grafitu z wydrążonymi kanałami paliwowymi albo zwykłej lub ciężkiej wody z zanurzonymi w niej prętami paliwowymi.

Istnieją też typy reaktorów na neutrony prędkie, niezawierające moderatora, tzw. reaktory FBR.

Pręty sterujące i bezpieczeństwa – zbudowane z materiału silnie pochłaniającego neutrony, np. kadmu lub boru. Ich wsunięcie do reaktora może spowodować zatrzymanie reakcji łańcuchowej przez pochłonięcie wszystkich neutronów lub skorygować parametry mocy.

Reflektor – otacza moderator, zrobiony z materiału silnie rozpraszającego neutrony a nie pochłaniającego ich. Zawraca neutrony opuszczające rdzeń = polepsza bilans neutronów, zmniejsza masę krytyczną reaktora. Wykonany zazwyczaj z tego samego materiału co moderator.

Układ chłodzący – płynące w nim chłodziwo (płyn o dobrych własnościach cieplnych: woda; lub gaz- powietrze, CO₂, hel) odbiera od rdzenia ciepło wytworzone podczas reakcji rozszczepienia i przenosi je do dalszej części elektrowni by wygenerować energię elektryczną. W niektórych typach reaktorów chłodziwo jest zarazem moderatorem (woda), co upraszcza budowę urządzenia.

78. Rodzaje cząstek elementarnych i ich klasyfikacja

Cząstka elementarna – cząstka będąca podstawowym budulcem innych cząstek, czyli najmniejszym i nieposiadającym wewnętrznej struktury. Jest to definicja teoretyczna, ponieważ cały czas dochodzi do nowych odkryć i cząstki które historycznie uważa się za elementarne, okazują się cząstkami złożonymi.

Idealnie nauka dąży do odkrycia cząstek fundamentalnych – budulca cząstek elementarnych, absolutnie bez struktury.

Obecnie znamy ok 300 cząstek elementarnych, wytwarza się je za pomocą akceleratorów.

W większości są one niestabilne – średni czas życia 10^-23- 10^-6 s.

Obecnie najbardziej zaawansowaną teorią jest hipoteza kwarków (stwierdzenie niepodzielności kwarków, a także leptonów i bozonów przenoszących oddziaływania).

Klasyfikacja cząstek elementarnych

Niepodzielne:	leptony	kwarki
	Nośniki oddziaływań
Złożone z kwarków, połączone nośnikami oddziaływań:	Hadrony:
Rodzaje hadronów:	bariony	mezony

Leptony - spin ½ , oddziaływania słabe i elektromagnetyczne, posiadają antycząstki.

Symbol	Nazwa	Antycząstka
e^-	elektron	pozyton
μ	mion	antymion
τ	taon	antytaon
νe νμ ντ	neutrina	antyneutrina

Kwarki (q) – spin ½, oddziaływanie silne, dążące do nieskończoności. Istnieje sześć kwarków i sześć odpowiadających im antykwarków (oznaczanych jako  ) o wszystkich parametrach jednakowych, ale z odwrotnym znakiem. Kwarki występują tylko w układach złożonych = hadronach, nigdy nie występują samodzielnie.

Rodzaje kwarków i ich nazwy:

Symbol	Nazwa	Ładunek
u	up: górny	+2/3
c*	charm: powabny	+2/3
t	top: wysoki, dawniej true:prawdziwy	+2/3
d	down: dolny	-1/3
s*	strange: dziwny	-1/3
b	bottom: niski, dawniej beauty: piękny	-1/3

*Kwark dziwny ma cechę zwaną dziwnością równą -1, a powabny – powab równy +1. Reszta kwarków ma te cechy równe 0.

Nośniki oddziaływań -cząstki przenoszące oddziaływania, odpowiedzialne za fundamentalne siły natury, inaczej zwane kwantami oddziaływań. Każda cząstka jest odpowiedzialna za konkretny rodzaj siły. Siłę względną danej cząstki mierzy się biorąc gluon jako cząstkę odniesienia.

Cząstka	Rodzaj siły	Siła względna	Zasięg	Inne
γ (foton)	Oddz. elektromagnetyczne	10^-2	krótki ~10^-15
Z^0(bozon z , zeton), W± (bozon w, wuon)	Oddz. słabe	10^-9	Krótki 10^-15
g (grawiton)	Oddz. grawitacyjne	10^-38	Długi 1/r^2	Cząstka opisana tylko teoretycznie
gluon	Oddz. silne	1	Długi 1/r^2	Za ich pośrednictwem kwarki oddziałują ze sobą tworząc hadrony

Hadrony - grupa cząstek silnie oddziałujących złożonych z kwarków wymieniających między sobą gluony. Dzielą się na bariony i mezony.

Jądro atomowe, interpretowane jako stany związane barionów, istnieje wskutek wymiany mezonów między barionami.

bariony	3 kwarki	spin 1/2 lub 3/2	nukleony (proton, neutron)
			hiperony (lambda, sigma, delta, ksi, omega)
mezony	para kwark-antykwark	spin 0 lub 1	mezony trwałe (π (piony), K (kaony), η, D i B)
			rezonanse mezonowe (ρ, ω, φ, J/ψ (psi) i Υ (ypsilon))

Istnieje wiele innych metod podziału cząstek elementarnych. Jednym z nich jest podział na cząstki wirtualne i rzeczywiste.

Cząstki wirtualne – istnieją tylko w krótkich chwilach zadanych przez zasadę

nieoznaczoności, powstają podczas procesów na cząstkach rzeczywistych. Według Jurka są nimi foton i pion, ale w rzeczywistości jest ich więcej.

Diagramy Feynmana- ilustrują różne działania na cząstkach w formie grafu umożliwiającego interpretację matematyczną skomplikowanych procesów zachodzących przy udziale cząstek rzeczywistych i wirtualnych.

Przykładowy diagram Feynmana:

Ilustruje zderzenie elektronu z pozytonem prowadzące do ich anihilacji (zaniknięcia) spowodowanej zobojętnieniem ładunku i powstania cząstki wirtualnej – fotonu. Po pewnym czasie foton może z powrotem zmienić się w elektron i pozyton.

Zasady zachowania:

- liczby barionowej (naprawdę, nie chcecie wiedzieć o co chodzi) – czyli pewnej wielkości fizycznej charakterystycznej dla reakcji jądrowych. Zachowanie liczby barionowej wyraża fakt, że kwarki muszą powstawać w przemianach zawsze w takiej samej liczbie jak antykwarki.

Cząstka	Liczba barionowa
barion	1
antybarion	-1
kwark	1/3
pozostałe cząstki elementarne i mezony	0

- liczby leptonowej, czyli liczby kwantowej określającej liczbę wszystkich leptonów w danym procesie. Według tej zasady zachowania, stała musi pozostać zarówno całkowita liczba leptonów jak i liczba leptonów z danej rodziny leptonowej:

Rodzina elektronowa	mionowa	taonowa
e, νe	μ, νμ	τ, ντ

-dziwności

Dziwność fizyczna danej cząstki (oznaczana symbolem S) stanowi różnicę liczby kwarków dziwnych (s) i ich antykwarków, tworzących daną cząstkę. Kwark dziwny ma dziwność równą -1, odpowiednio antykwark dziwny ma dziwność równą 1, wszystkie inne kwarki mają dziwność równą 0.

Np. sumaryczna dziwność S dla protonu i elektronu jest rowna 0.

Cząstki dziwne (zawierające kwark lub antykwark dziwny) są stabilne, kiedy dziwność dla nich charakterystyczna jest zachowana. Jeśli ulegną one oddziaływaniom słabym, dziwność się zmienia i cząstka dziwna ulega powolnemu rozpadowi.

Jurek podaje jeszcze skład kwarkowy niektórych mezonów. Ale to już chyba gruba przesada ^^. Dla zainteresowanych jest to u niego temat 16, punkt 7.6 – slajd 40