FIZYKA III MEL Fizyka jdrowa i czstek elementarnych

  • Slides: 53
Download presentation
FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych Wykład 8 – Reakcje jądrowe

FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych Wykład 8 – Reakcje jądrowe

Reakcje jądrowe kanał wejściowy kanał wyjściowy a + A B +. . . a+A

Reakcje jądrowe kanał wejściowy kanał wyjściowy a + A B +. . . a+A a + A* rozpraszanie elastyczne rozpraszanie nieelastyczne Energie: • niskie < 20 Me. V • średnie do kilkaset Me. V • wielkie do kilku Ge. V • ultrawielkie

Badamy: • przekroje czynne – miarę prawdopodobieństwa zajścia danego procesu • tożsamości cząstek (masa,

Badamy: • przekroje czynne – miarę prawdopodobieństwa zajścia danego procesu • tożsamości cząstek (masa, ładunek, spin, parzystość) • charakterystyki kinematyczne (pt, pl, E, ) Eksperymenty ekskluzywne – pełna informacja o wszystkich produktach reakcji. Eksperymenty inkluzywne – badanie niektórych produktów reakcji

Przekrój czynny = efektywna powierzchnia

Przekrój czynny = efektywna powierzchnia

Przekrój czynny oddziaływanie pomiar prawdopodobieństa przekrój czynny

Przekrój czynny oddziaływanie pomiar prawdopodobieństa przekrój czynny

n - strumień padających cząstek k - koncentracja centrów tarczy (identycznych), m-3 - efektywna

n - strumień padających cząstek k - koncentracja centrów tarczy (identycznych), m-3 - efektywna powierzchnia centrów, m 2 Sdx - objętość warstwy k. Sdx - ilość centrów w warstwie k. Sdx - efektywna powierzchnia czynna warstwy S (bez przekrywania) dx

ułamek cząstek, które uległy oddziaływaniu: prawdopodobieństwo oddziaływania pomiar mierzymy n(x) dla różnych grubości x,

ułamek cząstek, które uległy oddziaływaniu: prawdopodobieństwo oddziaływania pomiar mierzymy n(x) dla różnych grubości x, znając k (koncentrację centrów) wyznaczamy

średnia droga swobodna: pomiar przez pomiar średniej drogi swobodnej jednostka przekroju czynnego: barn, b=10

średnia droga swobodna: pomiar przez pomiar średniej drogi swobodnej jednostka przekroju czynnego: barn, b=10 -28 m 2 (geometryczny przekrój poprzeczny jądra A~120)

Różniczkowy przekrój czynny y z d x ( - kąt bryłowy) Różniczkowy przekrój czynny

Różniczkowy przekrój czynny y z d x ( - kąt bryłowy) Różniczkowy przekrój czynny – prawdopodobieństwo, że produkty reakcji wylecą w kierunku wyznaczonym przez kąty i .

symetria azymutalna: oś zderzenia w ogólności:

symetria azymutalna: oś zderzenia w ogólności:

f( ) izotropia a -1 podwójny różniczkowy przekrój czynny: 1 cos

f( ) izotropia a -1 podwójny różniczkowy przekrój czynny: 1 cos

Reakcje jądrowe lub Zasada zachowania energii: Q > 0 – reakcja egzoenergetyczna Q <

Reakcje jądrowe lub Zasada zachowania energii: Q > 0 – reakcja egzoenergetyczna Q < 0 – reakcja endoenergetyczna Energia progowa

Zasady zachowania Zasada zachowania ładunku: Zasada zachowania liczby barionowej: przykłady: reakcja 2 H +

Zasady zachowania Zasada zachowania ładunku: Zasada zachowania liczby barionowej: przykłady: reakcja 2 H + 2 H 3 He + n 1 1 2 ładunek 1 +1 = 2 + 0 p + 73 Li 74 Be + n 1+3=4+0 4 He 2 + + 94 Be 11 B 5 12 C 6 14 N 7 +n +n liczba nukleonów 2+2=3+1 1+7=7+1 2+4=6+0 4 + 9 = 12 + 1 2+5=7+0 4 + 11 = 14 + 1

Kinematyka reakcji laboratoryjny układ odniesienia: va va Ma układ środka masy: v. B Ma

Kinematyka reakcji laboratoryjny układ odniesienia: va va Ma układ środka masy: v. B Ma MA MA vb LAB Mb MB CM v'b MB b B v‘B Mb 'b ‘B

Kinematyka reakcji vb – prędkość cząstki b w ukł. lab. v’b – prędkość cząstki

Kinematyka reakcji vb – prędkość cząstki b w ukł. lab. v’b – prędkość cząstki b w ukł. CM prędkość środka masy: vb b vo zasada zach. energii i pędu: energia całkowita: v'b 'b

Energia reakcji Q > 0 reakcja egzoenergetyczna Q < 0 reakcja endoenergetyczna (istnieje próg)

Energia reakcji Q > 0 reakcja egzoenergetyczna Q < 0 reakcja endoenergetyczna (istnieje próg) związek relatywistyczny: w przypadku nierelatywistycznym: wyznaczamy Q mierząc Tb i b

Model jądra złożonego Dwa etapy reakcji: I. pocisk wchłonięty przez jądro – powstaje wzbudzone

Model jądra złożonego Dwa etapy reakcji: I. pocisk wchłonięty przez jądro – powstaje wzbudzone jądro zlożone II. rozpad jądra złożonego z emisją cząstek Przykład: rozszczepienie

Model jądra złożonego a+ A ZX C* I etap przejście do niższego stanu wzbudzenia

Model jądra złożonego a+ A ZX C* I etap przejście do niższego stanu wzbudzenia C’* + C’* b 1 + Y 1 + … b 2 + Y 2 + … II etap np. : 42 He + 60 Ni 28 64 p+ 63 Cu 29 30 Zn* 62 Zn 30 + 2 n 63 Zn 30 +n

kształty rozkładów przekrojów czynnych podobne dla różnych reakcji – jądro złożone „nie pamięta” jak

kształty rozkładów przekrojów czynnych podobne dla różnych reakcji – jądro złożone „nie pamięta” jak powstało. rozkłady pędów i energii neutronów wtórnych również podobne energia pocisku

Model jądra złożonego Rozkład energii kinetycznych cząstek wtórnych zbliżony do rozkładu Maxwella: temperatura jądra?

Model jądra złożonego Rozkład energii kinetycznych cząstek wtórnych zbliżony do rozkładu Maxwella: temperatura jądra? T (5, 200) Me. V

Reakcje bezpośrednie 2 H 1 H b 16 O 17 O stripping (zdarcie): d

Reakcje bezpośrednie 2 H 1 H b 16 O 17 O stripping (zdarcie): d + 16 O p + 17 O (Q=1. 92 Me. V)

Reakcje bezpośrednie 2 H 3 H b 16 O 15 O pick-up (poderwanie): d

Reakcje bezpośrednie 2 H 3 H b 16 O 15 O pick-up (poderwanie): d + 16 O 3 H + 15 O

Reakcje bezpośrednie liczba protonów • twarde widma (przesunięte do wyższej energii) z ostrym maksimum

Reakcje bezpośrednie liczba protonów • twarde widma (przesunięte do wyższej energii) z ostrym maksimum (n, p) jądro złożone (n, p) reakcja wprost energia protonów • anizotropowy rozkład kątowy z maksimum dla małych kątów • słaba zależność przekroju czynnego od energii cząstki padającej reakcja jednoetapowa, peryferyjna

Energia jądrowa syntez a jądr owa rozszcz epienie

Energia jądrowa syntez a jądr owa rozszcz epienie

Rozszczepienie lata 30 XX w. – poszukiwanie nowych nuklidów n+ 238 U 92 239

Rozszczepienie lata 30 XX w. – poszukiwanie nowych nuklidów n+ 238 U 92 239 U 92 reakcja przez jądro złożone + 239 U 92 239 Np 93 + e + e transuranowce kolejna przemiana Ponadto stwierdzono obecność w stanie końcowym jąder środkowej części układu okresowego.

Transuranowce Jądra nie występujące w przyrodzie – stworzone sztucznie Nietrwałe: przemiana lub rozszczepienie Z

Transuranowce Jądra nie występujące w przyrodzie – stworzone sztucznie Nietrwałe: przemiana lub rozszczepienie Z nazwa 93 neptun 94 pluton 95 ameryk 96 kiur 97 berkel 98 kaliforn 99 einstein 100 ferm … … 114 Uuq długi czas życia (dziesiątki sekund) – 114 liczba magiczna

Rozszczepienie liczba neutronów 0 – 8, średnio 2, 5 najbardziej prawdopodobne liczby masowe: 95

Rozszczepienie liczba neutronów 0 – 8, średnio 2, 5 najbardziej prawdopodobne liczby masowe: 95 i 139, liczby atomowe: 38 i 54 Udział procentowy fragmentów rozszczepienia zależności od liczby masowej A w

Reakcja rozszczepienia Zmiany energii potencjalnej podczas rozszczepienia.

Reakcja rozszczepienia Zmiany energii potencjalnej podczas rozszczepienia.

Reakcja rozszczepienia przy rozszczepieniu jądra (energia wiązania 7, 5 Me. V) powstaną dwa o

Reakcja rozszczepienia przy rozszczepieniu jądra (energia wiązania 7, 5 Me. V) powstaną dwa o liczbie masowej zbliżonej do 118 i energii wiązania ~8, 35 Me. V) w jednym akcie rozszczepienia wyzwoli się energia (8, 357, 5)235=202 Me. V. W jednym kilogramie uranu znajduje się 2, 46 1024 jąder, co oznacza, że przy całkowitym rozszczepieniu jąder znajdujących się w 1 kg uranu uzyska się energię: W celu wytworzenia tej ilości energii w elektrownii konwencjonalnej należałoby spalić ok. 2500 t węgla kamiennego.

Reakcja rozszczepienia wyzwala się 180 Me. V rozpad - wyzwala się 5, 6 Me.

Reakcja rozszczepienia wyzwala się 180 Me. V rozpad - wyzwala się 5, 6 Me. V

Reakcja rozszczepienia

Reakcja rozszczepienia

reakcja rozszczepienia

reakcja rozszczepienia

reakcja łańcuchowa 235 U – 0, 72%

reakcja łańcuchowa 235 U – 0, 72%

bilans energia kinetyczna jąder produktów 165 Me. V energia wynoszona przez neutrony 5 Me.

bilans energia kinetyczna jąder produktów 165 Me. V energia wynoszona przez neutrony 5 Me. V energia natychmiastowych kwantów 7 Me. V energia rozpadów jąder promieniotwórczych 25 Me. V razem 200 Me. V spalanie węgla: 4 e. V na atom (C + O 2 = CO 2)

Reaktor jądrowy Główna część energii rozszczepienia - energia kinetyczna fragmentów. wzrost temperatury Wykorzystanie ciepła

Reaktor jądrowy Główna część energii rozszczepienia - energia kinetyczna fragmentów. wzrost temperatury Wykorzystanie ciepła generowanego w paliwie jądrowym jest głównym celem eksploatacji reaktorów energetycznych.

Reaktor Przekrój czynny na rozszczepienie wzrostem energii neutronów. maleje ze Z punktu widzenia skuteczności

Reaktor Przekrój czynny na rozszczepienie wzrostem energii neutronów. maleje ze Z punktu widzenia skuteczności działania neutrony dzielimy na: • Neutrony prędkie o energii większej niż 0, 5 Me. V • Neutrony pośrednie o energii 0, 1 e. V - 0, 5 Me. V • Neutrony termiczne o energii ok. 0, 025 e. V

Paliwo reaktora Izotop jest jedynym nuklidem występującym w stanie naturalnym w przyrodzie , który

Paliwo reaktora Izotop jest jedynym nuklidem występującym w stanie naturalnym w przyrodzie , który można rozszczepić neutronami termicznymi. stanowi wagowo 0, 71% uranu naturalnego, resztę stanowi izotop - wzbogacanie paliwa. Neutronami prędkimi można rozszczepić także jądra izotopów i. nuklidy wytwarzane z toru i uranu

Paliwo reaktora Reakcje powielania paliwa: izotopy paliworodne izotopy rozszczepialne

Paliwo reaktora Reakcje powielania paliwa: izotopy paliworodne izotopy rozszczepialne

Kontrola reakcji: wychwyt neutronów – zahamowanie reakcji łańcuchowej. Warunki podtrzymania reakcji: • masa krytyczna

Kontrola reakcji: wychwyt neutronów – zahamowanie reakcji łańcuchowej. Warunki podtrzymania reakcji: • masa krytyczna • spowalnianie neutronów 2 Me. V 0, 1 e. V

Reaktor Rdzeń: paliwo jądrowe otoczone moderatorem (spowalniaczem neutronów), z odpowiednimi kanałami przepływu czynnika chłodzącego

Reaktor Rdzeń: paliwo jądrowe otoczone moderatorem (spowalniaczem neutronów), z odpowiednimi kanałami przepływu czynnika chłodzącego oraz kanałami dla urządzeń sterujących W rdzeniu jest wytwarzana w procesie rozszczepienia jądra energia cieplna oraz strumień neutronów, niezbędny do podtrzymywania reakcji łańcuchowej. Pozostałe główne elementy reaktora tworzą: reflektor neutronów, osłona termiczna, zbiornik reaktora i osłona biologiczna.

Liczba neutronów powstających w reaktorze wybuchem w jednostce Grozi czasu jest większa niż liczba

Liczba neutronów powstających w reaktorze wybuchem w jednostce Grozi czasu jest większa niż liczba neutronów traconych. W reaktorze zachodzi Liczba neutronów powstających w kontrolowana, reaktorze w jednostce czasu jest równa samopodtrzymująca się, reakcja liczbie neutronów traconych. łańcuchowa. Liczba neutronów powstających w reaktorze w jednostce Reakcja czasu jestwygasa mniejsza niż liczba neutronów traconych.

Reaktor jądrowy 1. Pręty paliwowe – materiał rozszczepialny 3. Kanał chłodzenia ciekły sód lub

Reaktor jądrowy 1. Pręty paliwowe – materiał rozszczepialny 3. Kanał chłodzenia ciekły sód lub woda 2. Moderator ( spowalnia neutrony) - grafit lub tzw. ciężka woda 4. Pręty regulacyjne (kadm pochłania neutrony - ma spowalniać lub przyspieszać reakcję)

Reaktor wysokotemperaturowy

Reaktor wysokotemperaturowy

Reaktor wysokotemperaturowy Reaktor ten posiada kilka bardzo interesujących cech: - Praca w bardzo wysokich

Reaktor wysokotemperaturowy Reaktor ten posiada kilka bardzo interesujących cech: - Praca w bardzo wysokich temperaturach. Temperatura chłodziwa dochodzi nawet do 1000°C, dzięki czemu może zostać wykorzystane jako źródło ciepłą do zasilania procesów przemysłowych wysokotemperaturowych - Wysoka sprawność. Dzięki dobremu bilansowi neutronów uzyskuje się współczynnik konwersji równy jedności i bardzo wysokiego stopnia wypalenia paliwa. Istnieje możliwość zmiany paliwa w trakcie pracy reaktora. - Wysoki stopień bezpieczeństwa. Reaktor ten charakteryzuje się dużą pojemnością cieplną, dzięki czemu jest mniej wrażliwy na awarie systemu chłodzenia – bez uszkodzenia może przetrzymać w takim stanie godzinę (dla porównania PWR do 2 minut). Także charakteryzują się bardzo niskim stopniem narażenia radiacyjnego personelu.

bomba atomowa Hiroshima 06. 08. 45 08: 16: 02 Nagasaki 09. 08. 45

bomba atomowa Hiroshima 06. 08. 45 08: 16: 02 Nagasaki 09. 08. 45