1 / 31

Nuklearna fizika

Nuklearna fizika. Predavanje 7 Fisija. dr.sc. Nikola Godinović. Priča.

emil
Download Presentation

Nuklearna fizika

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. Nuklearna fizika Predavanje 7 Fisija dr.sc. Nikola Godinović

  2. Priča • Ova slika je promijenila svijet!!! Kad je Robert Openheimer, voditelj tima znanstvenika na Manahattn projektu koji su razvili atomsku bombu, prisustovao prvoj eksploziji bombe, citirao je sveti Hindu tekst: “ Sada postajem Smrt, uništavatelj Svjetova.” Kakva fizika stoji iza ove slike !

  3. Temeljni fizikalni princip – dobivanje energije • Na istom fizikalnom principu se temelji dobivanje energije izgaranjem drva, ugljena, nafte, odnosno izgaranjem nuklearnog goriva u procesima koje zovemo fisija i fuzija. • Prilikom izgaranja drva ili ugljena dolazi do preraspodjele vanjskih elektrona u atomima ugljika i kisika u stabilniju konfiguraciju, u konfiguraciju u kojoj su elektroni jače vezani. Masa molekule drva ili ugljena je veća od ukupne mase molekula i atoma koji nastaju nakon izgaranja. Masa se smanjila za određeni iznos m • Isto tako je masa jezgre urana veća od mase jezgri koje nastaju u fisijskom procesu jer su nukleoni u jezgrama produkata fisije (cijepaju) raspoređeni u stabilniju konfiguraciju. Slično je i kod procesa fuzije, ukupna masa jezgara koje se fuziraju (spajaju) veće su od mase jezgre koja nastaje fuzijom. • I kod izgaranja atoma (kemijski procesi: izgaranje drva, ugljena) i kod izgaranja nuklearnog goriva, energija koja se oslobodi pri jednom procesu atomskog odnosno nuklearnog izgaranja je Q=mc2, • U načelu, jedina bitna razlika između izgaranja atoma i izgaranja jezgre je u količini energije koja se oslobodi pri jednom procesu izgaranja. Kod izgaranja na atomskoj odnosno molekularnoj razini oslobodi se u jednom procesu nekoliko eV a kod jednog procesa fisije ili fuzije oslobodi se nekoliko milijuna eV. Sila koja drži nukleone na okupu u jezgri je nekoliko milijuna puta jače od Coluombove sile koja drži elektrone vezane za jezgru atoma.

  4. Energijski sadržaj goriva

  5. Energija vezanja jezgre • Energija vezanja je energija potrebna da se nukleon vezani u jezgri razdvoje. • Iz zakon očuvanja energije i Einsteinove relacije o ekvivalenciji mase i energije slijedi izraz za energiju veze jezgre mase mA: Energija se oslobađa kad se teška jezgra cijepa u dvije lakše jegzre - fisija Energija vezanja po nukleonu Eb/A(MeV) Energija se oslobađa kad dvije lakše jezgre formiraju težu jezgru-fuzija područje najveće stabilnosti Maseni broj A

  6. Energija iz 1 kg goriva i različitih procesa • Tablica prikazuje različite procese generiranja energije koristeći 1 kg tvari, izražene vremenskim intervalom napajanja 1 žarulje snage 100 W.

  7. Model nuklearne fisije (1) • Jezgra urana apsorbira neutron i nastaje jezgra 236U* u pobuđenom stanju koja živi 10-12 sekundi a nakon toga se raspada na dvije jezgre X i Y (fisijski fragmenti) i 2-3 neutrona: • Energija vezanja po nukleonu za teške jezgre je oko 7,2 MeV a za jezgre srednje mase je oko 8,2 MeV. Pa se u fisijskom procesu oslobodi 1 MeV energije po nukleonu, a kako je ukupan broj nukleona oko 200, to se u jednom fisijskom procesu oslobodi oko 200 MeV energije

  8. Model nuklearne fisije (2) • Teška jezgra sse cijepa kad se dostigne aktivacijska energija. • Aktivacijska energija za 235U iznosi 6,5 MeV. • Apsorpcijom neutrona u 235U nastaje 236U* pri čemu se dobije energija od 6,5 MeV koja se očituje u “mehničkom pobuđenju” jezgre 236U.

  9. Nuklearna fisija • Neutroni jer su neutralne čestice su vrlo pogodni projektili za bombardiranje jezgre jer ne osjećaju odbojnu električnu silu kad su blizu jezgre. • Kad se jezgra 235U bombardira sporim neutronima događa se fisija, jezgra urana se raspada na dvije lakše jezgre i 2-3 neutrona i pri tome se oslobađa energija od oko 200 MeV • Neutroni nastali fisijom mogu izazvati novu fisiju te može doći do nekontrolirane lančane reakcija (atomska bomba) ili do kontrolirane lančane reakcije – nuklearni reaktor http://lectureonline.cl.msu.edu/~mmp/applist/chain/chain.htm

  10. unresolved, narrow resonances 238U Interakcije neutrona • Neutronske reakcije: raspršenje, radijativni uhvat i fisija, ukupni udarni presjek je suma sva tri procesa: T= s+ c+ f. • 238U je fisibilan tek kad je energija neutrona En>1,4 MeV • 235U se javlja na jako niskim energijama neutrona (tzv. Termalni neutroni) unresolved, narrow resonances 235U (barn) ~1/v n(E)

  11. Oplodne reakcije • Uhvat neutrona 238U preko radioaktivnih raspada vodi do 239Pu koje je fisibilan za sve energije neutrona, te se može koristiti u reaktorima s brzim i sporim neutronima. • 232Th je nulid koji se nalazi u prirodi a ponaša se slično kao 238U. Fisiblian za energije neutrona > 1,4 MeV, ali može uhvatiti spori neutron koji se beta raspadima vodi do 233U koje je fisibilan sporim neutronima.

  12. Nuklearni reaktor • Nuklearni reaktor je sistem dizajniran za samoodrživu fisijsku reakciju • Definira se parametarK– neutronski prinos omjer broja neutrona nastalih u fisijskom procesa prema broju neutrona nastalih u prethodnom fisijskom procesu. • Maksimalna vrijednost Kza fisiju urana je 2.5 • u praksi, K< 2,5 • K = 1– samoodržavajuća fisijska reakcija (kritični reaktor) • K < 1 – fisija zamre, podkritični reaktor • K > 1 – lančana reakcija (nadkritični reaktor) • Kontrolom neutronskog prinosa kontrolira se broj neutrona, koriste se štapovi od kadmija koji se uvlače u reaktorsku jezgru i apsorbiraju neutrone • Moderatori su supstance koje služe za usporavanje neutrona jer samo termalni (spori) neutroni mogu izazvati fisiju 235U. Dobar moderator je voda (neutron se sudari s jezgrom vodika u vodi) a ujedno i fluid koji se grije i prenosi toplinu do parne turbine.

  13. Neutronski prinos u reaktoru • Ako želimo odrediti neutronski prinos K za dani dizajn reaktora moramo uzeti u račun sve što se može dogoditi neutronu u ciklusu koji vodi od jedne do druge generacije neutrona. • Izračunati što se događa s neutronom u jednom stvarnom reaktoru je vrlo složeno, koriste se složeni računalni kodovi, MC simulacije svih mogućih procesa i dizajna samog reaktora.

  14. Neutronski prinos – inventura neutrona • -brzih (fisijskih) neutrona koje proizvede jedan termalni neutron proizvede, =2,08 za 235U, =1,33 za prirodni uran. • -fast fision factor, (=1,03 za prirodni uran) neki brzi neutroni mogu proizvesti fisiju. • p-resonance escape probability, vjerojatnost da neutron izbjegne rezonantni uhvat u 238U, a ovisi o brzini usporavanja neutrona i o broju jezgri 238U, nije jednostavno izračunati! • f-thermal utilization factor f – dio sporih neutrona koji se apsorbiraju u fisijskom gorivu. • Jedan dio sporih neutrona pobjegne ls, jedan dio brzih neutrona pobjegne lf) Prirodni UO2 235U Za beskonačni reaktor, nema curenja K=p(1-lf)(1-ls) K=pf

  15. Moderator • Za uspješan dizjan reaktora (K=1), moderator je jako važan jer se neutroni moraju što brže usporiti. • Najbolji moderatori su jezgre slične veličine kao i neutrona koje imali mali udarni presjek za apsorpciju neutrona. • Kao moderatori koriste se: • Deuteron, D2O, skupa proizvodnja, koristi se u reaktorima koje proizvodi Kanada (CANDU reaktori, Canadian deuterium uranium) • Proton, H20, jeftina, ali apsorpcija neutrona je znatna, pa je potrebno obogaćivanje urana • 12C, grafit • Boron (A=11) brže usporava neutrone od ugljika ali veliki udarni presjek za apsorpciju neutrona pa se zato ne koristi kao moderator. Moguće je konstruirati reaktor samo od prirodnog urana i ugljika, Fermi izgradio prvi takav reaktor 1942.

  16. Prvi fisijski nuklearni reaktor, Chicago Pile 1 • Enrico Fermi vodio tim koji je izgradio prvi fisijski nuklearni reaktor od prirodnog urana u grafita kao moderatora, 1942 u Chicagu, ispod nogometnog igrališta.

  17. Optimiziranje dizajna • f – opada s porastom omjera moderator/gorivo, NM/NF • p-raste s porastom omjera moderator/gorivo, NM/NF • Za dani iznos obogaćivanja 235U postoji omjer NM/NF za koji je k maksimalan. • Za prirodni uran (0,7 % 235U) ne postoji omjer NM/NF koji osigurava samodržavajuću reakciju, k < 1, jer su =1,328 i p mali. • Već i malo povećanje koncentracije 235U na 1,6 % , poveća =1,654. • p – vjerojatnost da ne dođe do rezonantnog uhvata u 238U se može povećati da se gorivo oblikuje u štapove dovoljno udaljene između kojih je grafit. • Što duže ide kroz grafit to se neutroni više termaliziraju te nailaze na drugi gorivi štapić dovoljno usporeni da izazivaju fisiju 235U.

  18. Parametri bitni za dizajn • Komponente važne za dizajn nuklearnog reaktora: • Fisijsko gorivo • Moderator za usporavanje neutrona • Kontrolni šatpovi za kontrolu kritičnosti reaktora i sigurnost • Reflektor koji okružuje modeartor i gorivo kako bi raspršio neutrone natrag u jezgru reaktora i povećao efikasnost. • Reaktorska posuda i radijacijski šiti • Sustav za pretvorba energije oslobođene pri fisiji u električnu energiju • Dva glavan efekta koji mogu “otrovati” (“poison”) reaktor: (1) apsorpcija neutrons bez da uzrokuju fisiju (npr. radijativni uhvat neutrona, ksenon i samarij ), (2) bijeg neutrona iz reaktorske jezgre.

  19. Fisijsko gorivo • Većina reaktora danas koristi uran kao fisijsko gorivo u formi uranovog oksida UO2 • Prirodni uran sadrži 99.3% 238U i 0.7% 235U • 238U nije podložan fisiji termalnim sporim neutronima • da bi se prirodni uranov dioksid UO2 mogao koristiti kao fisijsko gorivo potrebno je povećati koncentraciju 235U do nekoliko postotaka – to je tzv. obogaćivanje urana

  20. Nuklearna elektrana • Nuklearna elektrana je u stvari termoelektrana, energija oslobođena u nuklearnom reaktoru koji radi u režimu kontrolirane lančane reakcije se koristi za proizvodnju pare koja pokreće turbinu električnog generatora. Fisija se drži pod kontrolom kontrolirajući broj neutrona u nuklearnom reaktoru. Nuklearno gorivo je 235U, kojeg ima samo 0,7% u prirodnom uranu, ostalo je 238U koji nije fisiblian termalnim neutronima. Potrebno je obogaćivanje 235U do razine od 3% - tehnološki zahtjevan proces.

  21. Nuklearni reaktor tipa PWR ( 1 GWe, =32 %)

  22. Nuklearni reaktor tipa MAGNOX, (500 MWe, =28 %)

  23. Nuklearni reaktor tipa CANDU

  24. Nuklearni oplodni reaktori

  25. Radioaktivni otpad

  26. Akceleratorom pogonjeni reaktori. • Accelerator-driven system (ADS) • Akcelerator snopa p/d visokog intenziteta • Fisijski podkritički(k=0,95) reaktor izložen snopu iz akceleratora • Snop u sudaru s olovom ili uranom proizvodi neutrone • Dio ovako proizvedenih neutrona izaziva fisiju, proizvodi se energija i tok neutrona • Neutronima koje proizvodi akcelerator može se u reaktorskoj jezgri transmutirati radioaktivni otpad, generirati novo nuklearno gorivo. • Nema mogućnosti gubitka kontrole na reaktorom. Tehnički izazovi ! Intenzitet snopa 3 x 1015 cm-2 s-1 !

  27. 140 tona goriva, 1,7 do 2,5 % 235U, =35% p=70 bar, dimezije: d=4,7 m, h=3,7 m.

More Related