FIZYKA III MEL Fizyka jdrowa i czstek elementarnych

FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych Wykład 10 – Energetyka jądrowa

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

Reakcja rozszczepienia

reakcja rozszczepienia

reakcja łańcuchowa 235 U – 0, 72%

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 generowanego w paliwie jądrowym jest głównym celem eksploatacji reaktorów energetycznych.

Reaktor Przekrój czynny na rozszczepienie przez zderzenie z neutronem maleje ze wzrostem energii neutronów. 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 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

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

Reaktor termiczny (k. T 0, 025 e. V) dla 235 U: dla 239 Pu: dla energia 2 Me. V) 233 U: Jądra X i Y rozpadają się dalej – opóźniona emisja neutronów

Wydajność reakcji rozszczepienia – na ile prędkich neutronów przypada 1 absorbowany powolny neutron wywołujący rozszczepienie N(235) – liczba atomów 235 U N(238) – liczba atomów 238 U f(235) – przekrój czynny na wychwyt neutronu przez prowadzący do rozszczepienia 235 U c(235) – przekrój czynny na wychwyt neutronu przez prowadzący do rozszczepienia 235 U nie

Wydajność reakcji rozszczepienia Jeśli pojawi się n neutronów, to n może spowodować rozszczepienie. Należy je spowolnić w moderatorze (jądra o małym A): • H 2 O – łatwo dostępna, może absorbować neutrony, • D 2 O – droga, mały przekrój czynny a na pochłanianie, może powstać radioaktywny, niebezpieczny tryt, • C (grafit) – mały przekrój czynny a , tani.

Wydajność reakcji rozszczepienia ale… lf prędkich neutronów ucieknie, ls neutronów ucieknie po spowolnieniu, pozostanie neutronów. 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. Pozostanie neutronów powolnych. Tylko część z nich, f, zostanie zaabsorbowana przez paliwo:

Wydajność reakcji rozszczepienia Liczba neutronów użytecznych w procesie rozszczepienia: k - współczynnik mnożenia reaktora Dla bardzo dużego reaktora znikają czynniki związane z ucieczką neutronów: = 1, 33 dla uranu naturalnego = 2 dla uranu wzbogaconego (5%) = 2, 08 dla czystego uranu 235 U >1 p<1 >1 f<1

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.

Wydajność reakcji rozszczepienia k - współczynnik mnożenia reaktora w układzie teoretycznie nieskończonym w zależności od stosunku moderator / paliwo k maleje Gdy temp. rośnie, moderator rozszerza się i Nmod/Npaliwo maleje. k rośnie = 1, 33 k 1, 0 = 1, 0 p 0, 5 f 20 40 100 400 1000 4000 Nmod/Npaliwo

Systemy hybrydowe Bezpieczny reaktor: k < 1 Do podtrzymania reakcji potrzebne dodatkowe źródło neutronów: spallacja (kruszenie) – jądra bombardowane protonami o energii 1 Ge. V emitują neutrony. System złożony z reaktora i akceleratora.

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.

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 Przyszłość energetyki jądrowej? Hel chłodzący reaktor osiąga temperaturę 900 0 C. Moc cieplna reaktora nie przekracza kilkuset MW. Mała elektrownia jądrowa - konkurencją dla elektrowni gazowej, a nie dużej elektrowni węglowej.

Reaktor wysokotemperaturowy do produkcji wodoru W temperaturze 900 0 C wodór można produkować z wody wydajnie i bez emisji CO 2 w procesach pośrednich (np. w cyklu siarkowym): • 95% wodoru wytwarza się z gazu ziemnego • 50% stosuje się do produkcji nawozów sztucznych • 40% wykorzystują rafinerie ropy naftowej • wodór – paliwo przyszłości

Reaktor wysokotemperaturowy Dzięki wysokiej temperaturze wydajność zamiany ciepła na pracę wynosi 45% • dla elektrowni węglowych nie przekracza 40%, • dla współczesnych jądrowych 35%

Reaktor wysokotemperaturowy przerób węgla na paliwa gazowe i płynne

Problem bezpieczeństwa

Problem bezpieczeństwa

Reaktor wysokotemperaturowy

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

Synteza jądrowa

Synteza jądrowa d+d 3 He 2 3 H 1 +n (+3, 25 Me. V) +p (+4, 03 Me. V) d + 31 H 42 He + n (+17, 6 Me. V) Bariera kulombowska wymaga nadania deuteronom energii kinetycznej Ek 0, 01 Me. V (T = 109 K) Domieszka deuteru w wodorze: 0, 015% Tryt wytwarzany bombardowaniem neutronami litu (płaszcz litu otaczający plazmę)

Produkcja litu

Synteza jądrowa Reakcja termojądrowa T 109 K Przy temperaturze T 107 K materia jest w postaci całkowicie zjonizowanej plazmy U trotyl D + Li kontrolowana synteza jądrowa?

tokamak linie pola magn. uzwojenie pole toroidalne pole typu tokamak – pułapka magnetyczna pole poloidalne тороидальна я камера в магнитных катушках I. Tamm, A. Sakharov - 1950

tokamak

ITER www. iter. org International Thermonuclear Experimental Reactor Caradache w pobliżu Marsylii UE, Japonia, Chiny, Rosja, Korea Płd.

Ivy Mike 31. 10. 1952 – Atol Enewetak

Atol Bikini 01. 04. 1954, Castle Bravo, 15 Mton http: //video. google. com/videoplay? do cid=-585716941089093304