FIZYKA III MEL
description
Transcript of FIZYKA III MEL
![Page 1: FIZYKA III MEL](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022062722/5681399b550346895da1357d/html5/thumbnails/1.jpg)
FIZYKA IIIMEL
Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych
Wykład 9 – Energetyka jądrowa
![Page 2: FIZYKA III MEL](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022062722/5681399b550346895da1357d/html5/thumbnails/2.jpg)
Rozszczepienie
Udział procentowy fragmentów rozszczepienia w zależności od liczby masowej A
U235
92
Qn5,2FFUnU 2
A
Z1
A
Z
236
92
235
922
2
1
1
najbardziej prawdopodobne liczby masowe: 95 i 139,
liczby atomowe: 38 i 54
liczba neutronów 0 – 8, średnio 2,5
![Page 3: FIZYKA III MEL](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022062722/5681399b550346895da1357d/html5/thumbnails/3.jpg)
Reakcja rozszczepienia
rozpad - wyzwala się 5,6 MeV
wyzwala się 180 MeV
![Page 4: FIZYKA III MEL](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022062722/5681399b550346895da1357d/html5/thumbnails/4.jpg)
Reakcja rozszczepienia
![Page 5: FIZYKA III MEL](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022062722/5681399b550346895da1357d/html5/thumbnails/5.jpg)
![Page 6: FIZYKA III MEL](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022062722/5681399b550346895da1357d/html5/thumbnails/6.jpg)
reakcja rozszczepienia
![Page 7: FIZYKA III MEL](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022062722/5681399b550346895da1357d/html5/thumbnails/7.jpg)
![Page 8: FIZYKA III MEL](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022062722/5681399b550346895da1357d/html5/thumbnails/8.jpg)
reakcja łańcuchowa
235U – 0,72%
![Page 9: FIZYKA III MEL](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022062722/5681399b550346895da1357d/html5/thumbnails/9.jpg)
![Page 10: FIZYKA III MEL](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022062722/5681399b550346895da1357d/html5/thumbnails/10.jpg)
bilans
energia kinetyczna jąder produktów 165 MeVenergia wynoszona przez neutrony 5 MeVenergia natychmiastowych kwantów 7 MeVenergia rozpadów jąder promieniotwórczych 25 MeV
razem 200 MeV
spalanie węgla: 4 eV na atom (C + O2 = CO2)
![Page 11: FIZYKA III MEL](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022062722/5681399b550346895da1357d/html5/thumbnails/11.jpg)
Reaktor jądrowy
Wykorzystanie ciepła generowanego w paliwie jądrowym jest głównym celem eksploatacji reaktorów energetycznych.
Główna część energii rozszczepienia - energia kinetyczna fragmentów.
wzrost temperatury
![Page 12: FIZYKA III MEL](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022062722/5681399b550346895da1357d/html5/thumbnails/12.jpg)
Reaktor
Z punktu widzenia skuteczności działania neutrony dzielimy na:
•Neutrony prędkie o energii większej niż 0,5 MeV•Neutrony pośrednie o energii 0,1 eV - 0,5 MeV•Neutrony termiczne o energii ok. 0,025eV
Przekrój czynny na rozszczepienie przez zderzenie z neutronem maleje ze wzrostem energii neutronów.
U235
92
![Page 13: FIZYKA III MEL](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022062722/5681399b550346895da1357d/html5/thumbnails/13.jpg)
Paliwo reaktora
Izotop jest jedynym nuklidem występującym w stanie naturalnym w przyrodzie , który można rozszczepić neutronami termicznymi.
U235
92
U238
92
stanowi wagowo 0,71% uranu naturalnego, resztę stanowi izotop
U235
92
Neutronami prędkimi można rozszczepić także jądra izotopów i . U233
92 Pu239
94
nuklidy wytwarzane z toru i uranu Th232
90U238
92
wzbogacanie paliwa
![Page 14: FIZYKA III MEL](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022062722/5681399b550346895da1357d/html5/thumbnails/14.jpg)
PuNpUnU 239
94
239
93
239
92
1
0
238
92
01
01
UPaThnTh 233
92
233
91
233
90
1
0
232
90
01
01
Paliwo reaktora
Reakcje powielania paliwa:
izotopy paliworodne izotopy rozszczepialne
![Page 15: FIZYKA III MEL](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022062722/5681399b550346895da1357d/html5/thumbnails/15.jpg)
Warunki podtrzymania reakcji:
•masa krytyczna
•spowalnianie neutronów2 MeV 0,1 eV
Kontrola reakcji: wychwyt neutronów – zahamowanie reakcji łańcuchowej.
![Page 16: FIZYKA III MEL](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022062722/5681399b550346895da1357d/html5/thumbnails/16.jpg)
Reaktor
szybkinYXUylnpowonU 236
92
235
92
432,dla 235U:
872,dla 239Pu:
482,dla 233U:
termiczny (kT 0,025 eV)
energia 2 MeV)
Jądra X i Y rozpadają się dalej – opóźniona emisja neutronów
![Page 17: FIZYKA III MEL](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022062722/5681399b550346895da1357d/html5/thumbnails/17.jpg)
Wydajność reakcji rozszczepienia
238238235235235
235235
ccf
f
NN
N
Wydajność reakcji rozszczepienia – na ile prędkich neutronów przypada 1 absorbowany powolny neutron wywołujący rozszczepienie
N(235) – liczba atomów 235UN(238) – liczba atomów 238Uf(235) – przekrój czynny na wychwyt neutronu przez 235U prowadzący do rozszczepienia
c(235) – przekrój czynny na wychwyt neutronu przez 235U nie prowadzący do rozszczepienia
![Page 18: FIZYKA III MEL](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022062722/5681399b550346895da1357d/html5/thumbnails/18.jpg)
Wydajność reakcji rozszczepienia
Jeśli zaabsorbowanych jest n neutronów, to n może spowodować rozszczepienie.
Należy je spowolnić w moderatorze (jądra o małym A):
•H2O – łatwo dostępna, może absorbować neutrony,
•D2O – droga, mały przekrój czynny a na pochłanianie, może powstać radioaktywny, niebezpieczny tryt,
•C (grafit) – mały przekrój czynny a , tani.
![Page 19: FIZYKA III MEL](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022062722/5681399b550346895da1357d/html5/thumbnails/19.jpg)
Wydajność reakcji rozszczepienia
ale… lf prędkich neutronów ucieknie, ls neutronów ucieknie po spowolnieniu, pozostanie neutronów.
nll sf 11
Nieliczne neutrony spowodują rozszczepienie zanim zostaną spowolnione, co prowadzi do współczynnika efektu prędkiego (nieco większy od 1), niektóre neutrony uzyskają energię rezonansową i zostaną pochłonięte bez rozszczepienia – współczynnik p < 1.
pnll sf 11Pozostanie neutronów powolnych.
Tylko część z nich, f, zostanie zaabsorbowana przez paliwo: pfnll sf 11
![Page 20: FIZYKA III MEL](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022062722/5681399b550346895da1357d/html5/thumbnails/20.jpg)
Wydajność reakcji rozszczepienia
Liczba neutronów użytecznych w procesie rozszczepienia: nllpfkn sf 11
k - współczynnik mnożenia reaktoraDla bardzo dużego reaktora znikają czynniki związane z ucieczką neutronów:
pfk
> 1 p < 1
> 1 f < 1
= 1,33 dla uranu naturalnego
= 2 dla uranu wzbogaconego (5%)
= 2,08 dla czystego uranu 235U
![Page 21: FIZYKA III MEL](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022062722/5681399b550346895da1357d/html5/thumbnails/21.jpg)
Liczba neutronów powstających w reaktorze w jednostce czasu jest równa liczbie neutronów traconych.
W reaktorze zachodzi kontrolowana,
samopodtrzymująca się, reakcja łańcuchowa.
Liczba neutronów powstających w reaktorze w jednostce czasu jest większa niż liczba neutronów traconych.
Liczba neutronów powstających w reaktorze w jednostce czasu jest mniejsza niż liczba neutronów traconych.
Grozi wybuchem
Reakcja wygasa
![Page 22: FIZYKA III MEL](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022062722/5681399b550346895da1357d/html5/thumbnails/22.jpg)
pfk
k - współczynnik mnożenia reaktora w układzie teoretycznie nieskończonym w zależności od stosunku moderator / paliwo
Wydajność reakcji rozszczepienia
4020 1000
100 400
4000
0,5
1,0
f
p
= 1,0
= 1,33k
Nmod/Npaliwo
Gdy temp. rośnie, moderator rozszerza się i Nmod/Npaliwo maleje.k
maleje k rośnie
![Page 23: FIZYKA III MEL](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022062722/5681399b550346895da1357d/html5/thumbnails/23.jpg)
Systemy hybrydowe
Bezpieczny reaktor: k < 1
Do podtrzymania reakcji potrzebne dodatkowe źródło neutronów:
spallacja (kruszenie) – jądra bombardowane protonami o energii 1 GeV emitują neutrony.
System złożony z reaktora i akceleratora.
![Page 24: FIZYKA III MEL](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022062722/5681399b550346895da1357d/html5/thumbnails/24.jpg)
W rdzeniu jest wytwarzana w procesie rozszczepienia jądra energia cieplna oraz strumień neutronów, niezbędny do podtrzymywania reakcji łańcuchowej.
Reaktor
Rdzeń:
paliwo jądrowe otoczone moderatorem (spowalniaczem neutronów), z odpowiednimi kanałami przepływu czynnika chłodzącego oraz kanałami dla urządzeń sterujących
Pozostałe główne elementy reaktora tworzą: reflektor neutronów, osłona termiczna, zbiornik reaktora i osłona biologiczna.
![Page 25: FIZYKA III MEL](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022062722/5681399b550346895da1357d/html5/thumbnails/25.jpg)
Reaktor jądrowy
1. Pręty paliwowe – materiał rozszczepialny
2. Moderator ( spowalnia neutrony) - grafit lub tzw. ciężka woda
3. Kanał chłodzenia - ciekły sód lub woda
4. Pręty regulacyjne (kadm pochłania neutrony - ma spowalniać lub przyspieszać reakcję)
![Page 26: FIZYKA III MEL](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022062722/5681399b550346895da1357d/html5/thumbnails/26.jpg)
Reaktor wysokotemperaturowy
Hel chłodzący reaktor osiąga temperaturę 900 0C.
Moc cieplna reaktora nie przekracza kilkuset MW.
Przyszłość energetyki jądrowej?
Mała elektrownia jądrowa - konkurencją dla elektrowni gazowej, a nie dużej elektrowni węglowej.
![Page 27: FIZYKA III MEL](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022062722/5681399b550346895da1357d/html5/thumbnails/27.jpg)
Reaktor wysokotemperaturowy
Reaktor wysokotemperaturowy do produkcji wodoru
W temperaturze 900 0C wodór można produkować z wody wydajnie i bez emisji CO2 w procesach pośrednich (np. w cyklu siarkowym):
222 22 OHOH
•95% wodoru wytwarza się z gazu ziemnego
•50% stosuje się do produkcji nawozów sztucznych
•40% wykorzystują rafinerie ropy naftowej
•wodór – paliwo przyszłości
![Page 28: FIZYKA III MEL](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022062722/5681399b550346895da1357d/html5/thumbnails/28.jpg)
Reaktor wysokotemperaturowy
Dzięki wysokiej temperaturze wydajność zamiany ciepła na pracę wynosi 45%
•dla elektrowni węglowych nie przekracza 40%,
•dla współczesnych jądrowych 35%
![Page 29: FIZYKA III MEL](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022062722/5681399b550346895da1357d/html5/thumbnails/29.jpg)
Reaktor wysokotemperaturowy
przerób węgla na paliwa gazowe i płynne
![Page 30: FIZYKA III MEL](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022062722/5681399b550346895da1357d/html5/thumbnails/30.jpg)
Problem bezpieczeństwa
![Page 31: FIZYKA III MEL](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022062722/5681399b550346895da1357d/html5/thumbnails/31.jpg)
Problem bezpieczeństwa
![Page 32: FIZYKA III MEL](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022062722/5681399b550346895da1357d/html5/thumbnails/32.jpg)
Reaktor wysokotemperaturowy
![Page 33: FIZYKA III MEL](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022062722/5681399b550346895da1357d/html5/thumbnails/33.jpg)
![Page 34: FIZYKA III MEL](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022062722/5681399b550346895da1357d/html5/thumbnails/34.jpg)
Hiroshima
06.08.45
08:16:02
Nagasaki09.08.45
bomba atomowa
![Page 35: FIZYKA III MEL](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022062722/5681399b550346895da1357d/html5/thumbnails/35.jpg)
Synteza jądrowa
![Page 36: FIZYKA III MEL](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022062722/5681399b550346895da1357d/html5/thumbnails/36.jpg)
d + d 32He + n (+3,25 MeV)
d + d 31H + p (+4,03 MeV)
d + 31H 4
2He + n (+17,6 MeV)
Synteza jądrowa
Bariera kulombowska wymaga nadania deuteronom energii kinetycznej Ek 0,01 MeV (T = 109 K)
Domieszka deuteru w wodorze: 0,015%
Tryt wytwarzany bombardowaniem neutronami litu (płaszcz litu otaczający plazmę)
![Page 37: FIZYKA III MEL](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022062722/5681399b550346895da1357d/html5/thumbnails/37.jpg)
Produkcja litu
![Page 38: FIZYKA III MEL](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022062722/5681399b550346895da1357d/html5/thumbnails/38.jpg)
Reakcja termojądrowa T 109 K
Przy temperaturze T 107 K jest całkowicie zjonizowana plazma
D + Li
Utrotyl
kontrolowana synteza jądrowa?
Synteza jądrowa
![Page 39: FIZYKA III MEL](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022062722/5681399b550346895da1357d/html5/thumbnails/39.jpg)
tokamak
pole toroidalne
pole poloidalne
pole typu tokamak – pułapka magnetyczna
тороидальная камера в магнитных катушках
I.Tamm, A.Sakharov - 1950
uzwojenie
linie pola magn.
![Page 40: FIZYKA III MEL](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022062722/5681399b550346895da1357d/html5/thumbnails/40.jpg)
tokamak
![Page 41: FIZYKA III MEL](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022062722/5681399b550346895da1357d/html5/thumbnails/41.jpg)
ITER
www.iter.org
![Page 42: FIZYKA III MEL](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022062722/5681399b550346895da1357d/html5/thumbnails/42.jpg)
31.10.1952 – Atol Enewetak
Ivy Mike
![Page 43: FIZYKA III MEL](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022062722/5681399b550346895da1357d/html5/thumbnails/43.jpg)
http://video.google.com/videoplay?docid=-585716941089093304
Atol Bikini
01.04.1954, Castle Bravo, 15 Mton