Download
1 / 31
370 likes | 877 Vues
Nuklearna fizika. Predavanje 7 Fisija. dr.sc. Nikola Godinović. Priča.
E N D
Nuklearna fizika Predavanje 7 Fisija dr.sc. Nikola Godinović
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 !
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.
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
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.
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
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.
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
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)
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.
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.
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.
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
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.
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.
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.
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.
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
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.
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 !
140 tona goriva, 1,7 do 2,5 % 235U, =35% p=70 bar, dimezije: d=4,7 m, h=3,7 m.
