Podstawowe wiadomości z fizyki reaktorów jądrowych

1. Podstawowe wiadomości z fizykireaktorów jądrowych Od odkrycia polonu i radu do energii jądrowej Wykorzystanie energii rozszczepienia: militarne, energia elektryczna; Promieniotwórczość w przyrodzie; Rozszczepienie i fuzja; Reakcje rozszczepienia; Reaktor jądrowy; Warunki krytyczności reaktora jądrowego; Reakcje termojądrowe (Fuzja); Bomba wodorowa; Reaktor termojądrowy. Energetyka jądrowa Luty – marzec 2006 Wykład 1/1

2. Odkrycie polonu i radu Nagrody Nobla – 1903 i 1911 Maria Skłodowska Curie Energetyka jądrowa Luty – marzec 2006 Wykład 1/2

3. Odkrycie reakcji rozszczepienia uranu-235 – rok 1938 Otto Hahn Lisa Meitner Fritz Strassmann Energetyka jądrowa Luty – marzec 2006 Wykład 1/3

4. Pierwszy reaktor jądrowy Pierwszy, naturalny reaktor jądrowy odkryto w Ohlo w Gabonie; Pierwszy reaktor jądrowy zbudowany przez ludzi uruchomiono w Chicago, w grudniu 1942 roku. Jako paliwo zastosowano naturalny uran metaliczny i tlenek uranu naturalnego. Jako moderator – grafit Energetyka jądrowa Luty – marzec 2006 Wykład 1/4

5. Wykorzystanie energii rozszczepienia do celów militarnych Energetyka jądrowa Luty – marzec 2006 Wykład 1/5

6. 1945 Energetyka jądrowa Luty – marzec 2006 Wykład 1/6

7. W sierpniu 1951 roku uruchomiono Experimental Breeder Reactor Number One EBR-1, do produkcji plutonu oraz do badań fizycznych. W grudniu 1951 roku Połączona do obiegu chłodzenia turbina wytworzyła prąd z paliwa jądrowego. Reaktor ten jest zlokalizowany w USA w stanie Idaho około miejscowości Arco Pierwszy prąd z energii jądrowej Energetyka jądrowa Luty – marzec 2006 Wykład 1/7

8. Pierwsza elektrownia jądrowa W 1955 roku w Fizyko Energetycznym Instytucie w Obninsku koło Moskwy uruchomiono pierwszy reaktor energetyczny – prototyp RBMK z moderatorem grafitowym i wodnym chłodzeniem. Reaktor współpracował z turbiną 5 MW Energetyka jądrowa Luty – marzec 2006 Wykład 1/8

9. Calder Hall 1956 - 2003 Energetyka jądrowa Luty – marzec 2006 Wykład 1/9

10. Rozwój energetyki jądrowej Energetyka jądrowa Luty – marzec 2006 Wykład 1/10

11. JESZCZE POŻYTECZNE JEDNOSTKI: Jednostka atomowa masy (u) – 1/12 masy atomu izotopu 12C = 1,6605 10-27 kg Masa neutronu = 1,008982 u; Masa protonu = 1,007593 u; Masa elektronu 5,4873 10-4u Gram atom – ilość pierwiastka, którego masa wyrażona w gramach jest równa masie atomowej u, np. 12,01 grama węgla W jednym gram atomie znajduje się 6,02486 1024 atomów –Stała Avogadro Podobnie określa się masę gram cząsteczkę związku chemicznego Jednostka energii atomowej: eV – jest to energia, którą otrzymuje cząsteczka o ładunku elektrycznym jednego elektronu w polu elektrycznym o różnicy potencjału 1 V (1 eV = 1,602 10-13 J); jednostki pochodne: keV, MeV, GeV Wzór Einstein’a E= m c2 Jednej jednostce atomowej masy odpowiada energia 931 MeV – 1,4915 10-4 J Energia atomu – i co z tego? PSE S.A. 17 października 2005

12. Energia promieniowania naturalnego Przy rozpadzie 1 grama toru jest generowana energia 73,17 GJ; Przy rozpadzie 1 grama uranu jest generowana energia 83,75 GJ; W Polsce, średnio w 1 tonie gleby znajduje się 2 gramy uranu i 7 gramów toru. Rozpad tych pierwiastków wytworzy energię 680 GJ = 16,2 toe! Energetyka jądrowa Luty – marzec 2006 Wykład 1/11

13. Wiązanie nukleonów w jądrze Nukleony w jądrze są utrzymywane siłami jądrowymi oddziaływujących na niezwykle małe odległości – rzędu 10-18 m (1 fm = 1 10-18 m) Jednocześnie działają siły elektrostatycznego odpychania protonów w jądrze Energetyka jądrowa Luty – marzec 2006 Wykład 1/12

14. Energia wiązania nukleonu w jądrze Rozszczepienie Energetyka jądrowa Luty – marzec 2006 Wykład 1/13

15. Reakcja rozszczepienia Energetyka jądrowa Luty – marzec 2006 Wykład 1/14

16. Energetyka jądrowa Luty – marzec 2006 Wykład 1/15

17. Łańcuchowa reakcja rozszczepienia Energetyka jądrowa Luty – marzec 2006 Wykład 1/16

18. Materiał moderatora: • Lekkie jądra: możliwie duża strata • energii neutronu przy zderzeniu; • -Duży przekrój czynny na zderzenia • sprężyste; • -Mały przekrój czynny na absorpcję. • Woda – H2O; • Ciężka woda – D2O; • Grafit - C • Beryl - Be Jakie warunki musi spełnić jednorodny układ złożony z uranu i moderatora aby otrzymać w nim samopodrzymującą reakcję łańcuchową? Energetyka jądrowa Luty – marzec 2006 Wykład 1/17

19. Reaktor jądrowy Produkcja – Absorpcja – Ucieczka = Produkcja = liczba rozszczepień * liczba neutronów na rozszczepienie Strumień neutronów = n v, gdzie n – gęstość neutronów, v - prędkość W reaktorze istnieje całe widmo energii neutronów – n(E,r) Dlatego definiujemy strumień neutronów jako funkcję energii neutronów: Energetyka jądrowa Luty – marzec 2006 Wykład 1/18

20. Procesy jądrowe w reaktorze Ilość zdarzeń typu m wywołanych neutronami w jednostce objętości reaktora i w jednostce czasu z jądrami typu x : Gdzie: • mikroskopowy przekrój czynny izotopu x • na zdarzenie m ; -ilość jąder typu x w jednostce objętości o współrzędnych r ; -makroskopowy przekrój czynny na reakcję typu m jądra typu x . Energetyka jądrowa Luty – marzec 2006 Wykład 1/19

21. Nieskończony reaktor jądrowy Rozpatrzymy nieskończony układ jednorodnej mieszaniny uranu z moderatorem. W tym przypadku strumień neutronów nie zależy od współrzędnej r oraz brak jest członu ucieczki. Warunkiem krytyczności jest: Produkcja = Absorpcja Wprowadzamy wielkość współczynnika mnożenia nieskończonego ośrodka: produkcja = absorpcja Energetyka jądrowa Luty – marzec 2006 Wykład 1/20

22. Bilans neutronów w nieskończonymreaktorze liczba neutronów rozszczepienia na jeden neutron pochłonięty w paliwie współczynnik wykorzystania neutronów w paliwie prawdopodobieństwo uniknięcia wychwytu rezonansowego podczas spowalniania neutronów strumień neutronów termicznych Energetyka jądrowa Luty – marzec 2006 Wykład 1/21

23. Bilans neutronów w nieskończonymreaktorze Produkcja neutronów termicznych: Absorpcja neutronów termicznych: współczynnik mnożenia nieskończonego reaktora Energetyka jądrowa Luty – marzec 2006 Wykład 1/22

24. Współczynnik mnożenia realnego jednorodnego reaktora F – prawdopodobieństwo uniknięcia ucieczki podczas spowalniania neutronów L – prawdopodobieństwo ucieczki neutronów termicznych Energetyka jądrowa Luty – marzec 2006 Wykład 1/23

25. Ucieczka neutronów termicznych z reaktora Energetyka jądrowa Luty – marzec 2006 Wykład 1/24

26. Krytyczność z uwzględnieniem ucieczki neutronów termicznych Równanie dyfuzji: -parametr materiałowy Parametr geometryczny: prostopadłościan: kula Cylinder o wys. H Krytyczność Energetyka jądrowa Luty – marzec 2006 Wykład 1/25

27. Prawdopodobieństwo ucieczki neutronów w procesie spowolnienia -wiek (wg Fermiego) neutronu, średnia odległość przebyta przez neutron w czasie spowalniania Jeśli zdefiniujemy długość dyfuzji L równaniem: to równanie krytyczne: Energetyka jądrowa Luty – marzec 2006 Wykład 1/26

28. Parametry spowalniania i dyfuzji neutronów w moderatorach Moderator Gęstość g/cm3 cm-1 cm2 D cm Woda (H2O) 1,00 0,017 33 0,142 Ciężka woda (D2O) 1,1 0,00008 120 0,80 Beryl 1,84 0,0013 98 0,70 Grafit 1,62 0,00036 350 0,903 Energetyka jądrowa Luty – marzec 2006 Wykład 1/27

29. FUZJA Energetyka jądrowa Luty – marzec 2006 Wykład 1/28

30. Reakcje fuzji D+T -> 4He (3,5 MeV) + n (14,1 MeV) D+D -> T (1,01 MeV) + p (3,02 MeV) - 50% 3He (0,82 MeV) + n (2,45 MeV) – 50% D+3He->4He (3,6 MeV) + p(14,7 MeV) T+T -> 4He + 2n + 11,3 MeV 3He+3He->4He + 2p + 12,9 MeV 3He+T -> 4He + p + n + 12,1 MeV - 51% 4He (4,8 MeV) + D (9,5 MeV)-43% 4He (0,5 MeV)+n(1,9MeV)+p(11,9MeV) – 6% D+6Li -> 2 4He + 22,4 MeV 6Li+p -> 4He (1,7 MeV) + 3He(2,3 MeV) 3He+6Li-> 2 4He + p + 16,9 MeV 11Be+p -> 3 4He + 8,7 MeV Energetyka jądrowa Luty – marzec 2006 Wykład 1/29

31. Bomba wodorowa Energetyka jądrowa Luty – marzec 2006 Wykład 1/30

32. Kontrolowana synteza jądrowa Energetyka jądrowa Luty – marzec 2006 Wykład 1/31

33. Reaktory termojądrowe? Energetyka jądrowa Luty – marzec 2006 Wykład 1/32

34. Energetyka jądrowa Luty – marzec 2006 Wykład 2/1