A nukleris energiatermels lehetsgei 1 A nukleris energiatermels

A nukleáris energiatermelés lehetőségei 1

A nukleáris energiatermelés lehetőségei 2

A fúziós magreakció megvalósulásának feltétele • A két atommagnak egészen közel kell kerülnie, hogy a hosszú hatótávolságú Coulomb taszítás ellenére a rövid hatótávolságú vonzó magerő érvényesülhessen 3

A magfúzió jellegzetességei • Nincs spontán reakció, nehezen valósítható meg • Kiinduló anyagok gyakoriak: hidrogén, hélium • Lehetséges olyan megoldás, hogy sem a kiinduló sem a végtermékek között nincs radioaktív anyag. 4

Fúziós magreakciók a csillagokban 1 1 H + 11 H 12 H + e+ + Q= +0, 42 Me. V 1 H 3 He + + Q= +5, 49 Me. V 1 1 2 3 He+ 3 He 4 He + 1 H Q=+12, 86 Me. V 2 2 2 1 1 2 H 5

Fúziós magreakció laboratóriumban Szükséges energia: néhányszor 10 ke. V Q= +17, 6 Me. V 6

Energiatermelés magfúzióval, a Lawson kritérium • 7

A fúziós reaktor begyújtása A folyamat tehát a fizikai törvényei miatt nem tud megszaladni!!! 8

A Lawson-kritérium elérésének két megközelítése • tehetetlenségi vagy inerciális fúzió nagy teljesítményű lézerekkel (gyors, nagy sűrűségű plazma) • mágneses összetartás (lassú, kis sűrűségű plazma) 9

Fúziós plazma mágneses összetartása 10

Csavart (helikális) térszerkezetű berendezések 1. stellarátor 2. tokamak 11

Hol tartunk ma? 2006: aláírták az ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor megépítésének 30 -évre vonatkozó terveit. (10 év építés + 20 év működés) Helyszín: Cadarache, Franciaország. 12

A maghasadás tulajdonságai • Nehéz mag hasadásakor energia szabadul fel. • A hasadási energia többsége a termékek kinetikus energiájában jelenik meg. • A hasadási termékek -radioaktívak, és neutronokat is kibocsátanak. • Vannak hasadást kísérő és másodlagos késő neutronok is, reaktor szabályzás! 13

A maghasadás jellemzői Mérhető mennyiségek: 235 U 1. E+01 • Energia eloszlás • A neutronok száma Relativ hozam % • Tömegeloszlás • Töltéseloszlás • A neutronok energia eloszlása • Késleltetett neutronok • A prompt fotonok energia eloszlása hasadási termékeinek tömeg-eloszlása 1. E+00 14 Me. V 1. E-01 1. E-02 termikus 1. E-03 hasadás: σtf =582, 6 b σf 14 =2, 2 b 1. E-04 (n, γ): σγt =98, 2 b 1. E-05 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 Tömegszám A 14

A hasadási reakció gerjesztési függvénye σf ~ 1/vn a termikus energia-tartományban, 1/En a néhány e. V-osban. 15

A hasadási reakció gerjesztési függvénye szerint a céltárgy-mag lehet: hasadóképes (fisszilis) mag: termikus neutronra elhasad; Szaporító mag (fertilis): csak gyors (~Me. V-es) neutronra hasad el, de termikus neutronokkal (n, g) reakcióban új hasadóképes anyagot állít elő: g)92 92 238 U(n, 90 232 Th(n, g)90 239 U β- 233 Th β- 93 239 Np β- 233 Pa β- 91 94 239 Pu 92 233 U α = σg/σf a hasadóképes magokat jellemzi: 233 U: α~ 0. 09, 235 U: α~0. 17, 239 Pu: α ~0. 36 16

A maghasadás elmélete • Töltött folyadékcsepp modell α 2 def. paraméterrel Gerjesztési energia magfolyadék rezgése. Ha EC ─ Coulomb energia EF ─ felületi energia, hasadás! X : Bohr-Wheeler-féle hasadási paraméter 17

A hasadási gát A mag potenciális energiája a deformáció függvényében. Szaggatott vonal: cseppmodell. Folytonos vonal: héjkorrekciókkal. 18

A hasadási gát szerkezete: 236 U 3. min. prompt hasadás A 236 U kísérletileg meghatározott hasadási potenciálja. 19

A hasadványok tömegeloszlása U: aszimmetrikus, Ac: szimmetrikus hasadás! 20

Energiatermelés maghasadással Maghasadás → energia felszabadulása + neutronok. Energiatermelés: a folyamat önfenntartóvá tétele → láncreakció Olyan magátalakulások létrehozása, melyek további, hasításra képes neutronokat keltenek Láncreakció beindulásának feltételei: 1. hasadásonként átlagosan 1 -nél több neutron keltése, 235 U erre képes 2. A felszabaduló neutronok közül 1 -nél több hozzon létre újabb hasadást 21

A nukleáris láncreakció 22

Reaktivitás: r = (k -1)/k Kétszerezési idő: T 2 X ez alatt a neutronfluxus megduplázódik Periódusidő: T 0 ez alatt a neutronfluxus eszeresére növekszik neutrongenerációk száma neutronok száma Sokszorozási tényező: két generációra k = ni/ni-1 neutronok száma A láncreakció stabilitása k>1 neutrongenerációk száma 23

Szabályozott láncreakció Az egyidejű hasadások számának túlzott növekedése esetén nem lehetséges a folyamat egyensúlyban tartása • k > 1: szuperkritikus állapot (atombomba, atomreaktor beindítása) • k = 1 : kritikus állapot (atomreaktor normál üzemmód) • k < 1 : szubkritikus állapot (atomreaktor leállítása) A szabályozás dinamikája: a neutronok lassulási ideje, a késő neutronok szerepe 24

β-bomlást követő "késő neutronok" Csoport Felezési idő (s) Energia (Me. V) Hasadásra jutó % 1 55. 7 0. 25 0. 05 2 22. 7 0. 56 0. 35 3 6. 2 0. 43 0. 31 4 2. 3 0. 62 5 0. 6 0. 42 0. 18 25

Moderátorok A jó moderátornak két feltételnek kell megfelelnie: 1. A moderátor maga csak kevéssé nyelje el a neutronokat. 2. A gyors neutronok minél hamarabb, lehetőleg már néhány ütközés után váljanak termikussá 26

Moderátorok jellemzői Moderátor Termikussághoz szükséges Neutronbefogásra való hajlam ütközések száma H-1, hidrogén 18 650 H-2, deutérium 25 1 Be-9, berillium 86 7 C-12, grafit 114 10 27

Atomreaktor felépítésének sémája 28