1 / 20

Gymnázium J. G. Tajovského , Banská Bystrica

Základy jadrovej fyziky. Gymnázium J. G. Tajovského , Banská Bystrica. Richard Beer , 3. F 2012/2013. Úvod. Základy jadrovej fyziky nukleárne reakcie : jadrová fúzia jadrová štiepna reakcia. Jadrové reakcie.

Download Presentation

Gymnázium J. G. Tajovského , Banská Bystrica

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript


  1. Základy jadrovej fyziky GymnáziumJ. G. Tajovského,Banská Bystrica Richard Beer, 3. F 2012/2013

  2. Úvod • Základy jadrovej fyziky • nukleárne reakcie : • jadrová fúzia • jadrová štiepna reakcia

  3. Jadrové reakcie • deje, ktoré nastanú pri zrážkach jadier atómov so základnými časticami alebo inými atómovými jadrami • mení sa štruktúra jadier pri zachovaní počtu nukleónov, elektrického náboja, hybnosti a relativistickej celkovej energie • A + a → B + b + Er • reakcia sa využíva v jadrovom reaktore

  4. Štiepenie jadier Neutrón je neutrálny Ako získať neutrón z látky? • môže sa priblížiť dostatočne blízko k jadru atómu, aby ho pritiahli jadrové sily • zmena počtu nukleónov jadra vyvolá jadrové reakcie • sklenenáampulka s rádioaktívnymplynomradónom a berýliovýmpráškom • keďžeradón v ampulke je nestabilný, jehojadrosarozpadá. Okreminéhožiarenia z jadraunikajú α častice (jadráhélia ).

  5. Tietočasticeprizrážkach s jadramiberýliavyvolajújadrovúreakciu • Časticeα, ktorénezreagujú s jadramiberýliasazastavianaskle. Sklovšaknepohltíuvoľnenéneutróny, ktorémajúšancenaraziť do jadierinýchprvkov a vyvolaťďaľšiejadrovéreakcie • Ak by smeponorilitútosklenenúampulku do vodyaleboťažkejvody, unikajúceneutróny by saspomalili a mali by väčšiešancenaraziť do jadra (privysokýchrýchlostiach by sapravdepodobneodrazili), s ktorým by mohlizreagovať

  6. Jadrá, ktorétaktovznikajúsúrádioaktívne (nestabilné) a vyžarujúčastice α (jadráhélia), β (elektróny, prípadnepozitróny) a γ (fotóny s vysokouenergiou) • Je viacreakcí s235U ale, väčšinamáspoločnéuvoľňovanieenergieokolo 200MeV (závisíodrozdielovvv v konkrétnejreakcii) a vznikďaľšíchneutrónov,schopnýchzreagovaťs ďaľšímijadramiuránu, z ktoréhozasavyletianeutróny... • Taktovznikáreťazováreakcia, kdesastálezvyšujepočetreakcií, ktoréprebehnúzasekundu a uvoľnujesastáleviacenergie

  7. 3 VYUŽITIE REŤAZOVEJ REAKCIE • Reťazováreakcia je charakteristickátým, žesaprinejlavínovitezvyšujepočetuvoľnenýchneutrónov, ktorésauvoľniazasekundu • Zvýšisatýmpádomajpočetreakcií, ktoréprebehnúzasekundu a energia, ktorásazasekunduuvoľní • Akby smechcelijadrovúenergiuvyužiťnapríklad v elektrárni, museli by smezabezpečiť, abysaaninezvyšovalanineznižovalpočetreakcízasekundu. Prizvyšovanírýchlostireakcie a dostatkuštiepitelnýchjadier by sauvoľnenáenergiazačalaprejavovaťnazvýšeníteplotyreaktora • Táby rýchlorástla a s ňouajtlak v reaktore. Po čase by reaktorvybuchol

  8. Rýchlosťjadrovejreakcienašťastieviemeovládaťnapríkladbrzdiacimityčami z kadmia • Tie by pohltiliväčšinuneutrónov a reakcia by savrátila do zvládnuteľnýchnoriem • Teploreaktoruodvádzavoda, ktoráreaktorchladí. Táakopararoztáčaturbíny, ktoréprodukujúelektrickýprúd • Prijadrovýchbombách je potrebné, abypočetreakcízasekundustálestúpal, ažkým by tlak a teplotabombuneroztrhli a tá by nevybuchla • Na zvýšeniepočtureakciímusímezvýšiťšancunárazuneutrónu do jadrauránu

  9. Túmôžmezvýšiť,keďjadrovépalivostlačíme • To sadáurobiťnapríkladvýbuchom TNT okolouránu • Pod vrstvouuránu je emitérneutrónov (dásapoužiťajvyššiespomenutáampulka s radónom a berýliom). Emitérneutrónov by sícepodnecovaljadrovéreakcieuránu,ale pokiaľuránnie je stlačený, pravdepodobnosťreťazovejreakcie je malá. • Uránviemestlačiťvýbuchom TNT (aleboajinejchemickejvýbušniny) • V stlačenomuráne by užpravdepodobnosťreťazovejreakcie bola veľmiveľká a bomba by v zlomkusekundyvybuchla • Kýmbombavybuchne, stihnesazpotrebovaťlenmalépercentouránu • Po výbuchuužreakcianeprebiehakvôliskoronulovýmpravdepodobnostiamzásahujadraneutrónom. • Ajv reaktoroch, ajpovýbuchujadrovejbombyostanúporeakciínestabilnéjadrá, ktorérozpadajú a uvoľňujúemisie α, β a γ žiarenia

  10. 4 JADROVÁ FÚZIA • Fúzia je jadrový proces, pri ktorom sa dve ľahké jadrá zlučujú na ťažšie jadrá • Napríklad, fúzia je veľmi dôležitá pri termonukleárnych zbraniach a v budúcnosti budú jadrové reaktory pracovať na princípe reakcie medzi dvoma izotopmi vodíka, ktoré utvoria izotop hélia. • 2H + 3H ----> 4He + n

  11. (MATIS, J. 2003. GlossaryofNuclearScience, [online], 2003. [Cit. 2009-09-10]. Dostupné na:<http://ie.lbl.gov/education/glossary/AnimatedDecays/Fusion.html>)

  12. Táto reakcia uvoľní miliónkrát viac energie ako typická chemická reakcia • Pri termojadrovej reakcií sa uvoľní také veľké množstvo energie, pretože, keď dve ľahké jadrá zreagujú, hmotnosť produktov je menšia ako súčet hmotností jadier vstupujúcich do reakcie • Einsteinova rovnica E=mc2 nám opäť vysvetľuje, že hmotnosť, ktorá sa stratila, sa vlastne premenila na energiu termojadrovýchproduktov

  13. Fúzia je energicky priaznivá reakcia ľahkých jadier, ktoré sa nevyskytujú v bežných podmienkach tu na Zemi, pretože vyžadujú veľké dávky energie na ich prebehnutie • Vzhľadom k tomu, že reagujúce jadrá sú kladne nabité, sú medzi nimi veľké odpudzujúce elektrostatické sily pokiaľ sa nachádzajú v tesnej blízkosti • Iba v prípade, že sú veľmi blízko, pôsobí na obidve jadrá silná jadrová sila, ktorá môže prekonať elektrostatické odpudzovanie a spôsobiť fúziu

  14. Termonukleárne reakcie boli deje prebiehajúce už miliardy rokov v našom vesmíre • V skutočnosti je to jadrová termonukleárna reakcia, ktorá je zodpovedná za energetický výkon väčšiny hviezd, vrátane nášho Slnka • Vedci na Zemi sú schopní zabezpečiť termonukleárne reakcie len  posledných šesťdesiat rokov • Spočiatku prichádzalo k termonukleárnym reakciám iba v malom meradle • Avšak tieto prvé pokusy neskôr viedli k vývoju zbraní pracujúcich na báze jadrovej fúzií (vodíková bomba) •  Fúzia je proces, ktorý prebieha vo hviezdach ako je naše Slnko. • Kedykoľvek cítime teplo zo slnka a vidíme jeho svetlo, pozorujeme produkty jadrovej fúzie. • Vieme, že všetok život na Zemi existuje, pretože svetlo generované Slnkom produkuje potraviny a ohrieva našu planétu. • Môžeme preto povedať, že fúzia je základom nášho života

  15. Keď sa hviezdy tvoria, pôvodne pozostávajú z vodíka a hélia vytvorených vo veľkom tresku (Big Bang)- procesu, ktorý vytvoril náš svet • Izotopy vodíka sa zrážajú vo hviezde a pomocou fúzie sa vytvárajú jadrá hélia • Neskôr sa jadrá hélia dostávajú tiež do kolízie a tvoria sa ťažšie prvky • Fúzia je jadrová reakcia, v ktorej sa spájajú jadrá do väčšieho celku a tvoria ťažšie jadrá • To je základná reakcia, ktorá prebieha v Slnku • Ľahšie prvky vstupujú do fúzie a tvoria ťažšie prvky • Tieto reakcie pokračujú, pokiaľ sa z jadra nestane železo (hmotnosť asi šesťdesiat), jadro s najväčšou väzbovou energiou na jeden nuklid jadra

  16. Keď jadro dosiahne hmotnosť šesťdesiat, viac k syntéze vo hviezde nedôjde, pretože je nepriaznivá • Akonáhlehviezda má prevedenú veľkú časť svojej hmotnosti jadra na železo, je takmer na konci svojho života • Fúzia nemôže pokračovať pokiaľ sa všetko palivo vyčerpá • Niektoré hviezdy sa zmenšujú, až sa postupne skladajú iba zo železa • Avšak, ak je hviezda dostatočne masívna, veľká, môže nastať explózia • Hviezda sa náhle rozšíri a začne produkovať vo veľmi krátkom čase viac energie ako by vyrábalo naše Slnko po celý svoj život • Pri tomto úkaze nazývame danú hviezdu supernovou •  Zatiaľ, čo je hviezda vo fáze supernovy, dochádza k veľa dôležitým reakciám • Jadrá sú urýchlené na oveľa vyššiu rýchlosť akú mali, kým vo hviezde prebiehala len fúzia.

  17. S dodanou energiou, spôsobenou ich rýchlosťami, môžu jadrá vyprodukovať prvky ťažšie ako železo • Extra energia je napájaná gravitačným kolapsom hviezdy pred výbuchom • Slúži na prekonanie coulombovskej bariéry i chýbajúcej energie endotermických reakcií • Ťažšie prvky vznikajú výhradne v endotermických reakciách • Prvky ako sú olovo, zlato a striebro sa objavili na Zemi, až po výbuchu supernovy ako jej pozostatky • Prvok železo, ktorý nájdeme po celej zemeguli a i v jej strede je priamym pozostatkom supernov a vyhasnutých hviezd

  18. Dnes sa zameriava výskum jadrovej fúzie najmä na získanie lacného zdroja energie so zreteľom na mierové využitie • Atómové elektrárne, fungujúce na princípe štiepenia ťažkých a nestabilných jadier Uránu a iných typov transuránových prvkov zas narážajú na probémy s odpadom a bezpečnosťou a aktuálne je verejná mienka v mnohých krajinách naladená voči nim negatívne • Opačným procesom k štiepeniu (rozbíjaniu jadier) je fúzia (spájanie) ľahkých prvkov na ťažšie • Pri tomto procese sú problémy s odpadom menšie a zdroje ich paliva sú v podstate nevyčerpateľné • Palivo do týchto fúznychelektrární je ľahko dostupné, pretože je ním ťažký vodík (deutérium) • Na 6500 atómov Vodíka pripadá jeden atóm Deutéria a Trícia

  19. 5 ZÁVER • Nedávno sa vo fúznom svete odohrala dôležitá udalosť, pravdepodobne dôležitý krok vo výskume fúzie, keď sa dve veľké laboratóriá zaoberajúce sa fúziou, spolu fúzovali • Ide konkrétne o AWE (AtomicWeaponsEstablishment) a LLNL (LawrenceLivermoreNationalLaboratory) • Je to dobré znamenie a spolupráca hádam prinesie nové a hlavne pozitívne správy do budúcnosti • Fúzia nám ukazuje, ako využiť samotnú podstatu existencie hmoty (väzbovú energiu, ktorá drží jadrá atómu pohromade) na výrobu energie pre milióny ľudí na celom svete • Táto technológia ešte len čaká na úplné využitie potenciálu, ktorej výsledky budú slúžiť ľudskému pokoleniu mnoho rokov k spríjemneniu a uľahčeniu života.

  20. Zdroje • http://www.1sg.sk/www/data/as/projekty/2006_2007/champions/terorizmus/stranka/jadrovafyz.htm • http://www.kf.fpv.ukf.sk/ABC_Nuclear_Science/basic.html

More Related