Eksperimentalne metode moderne fizike

1. Eksperimentalne metode moderne fizike Nuklearna fisija i fusija Dr. sc. Nikola Godinovic (Nikola.Godinovic@fesb.hr)

2. Sadržaj • Nuklearne reakcije, energija veze • Fisija • Fisijski nuklearni reaktori • Fuzija • Fuzijski reaktori

3. Nuklearne reakcije • Nuklearna reakcije je proces interakcije između jezgre i neke elementarne čestice ili druge jezgre u kojem se jezgra transformira, mijenja joj se struktura. • Jezgra meta X se bombardira projektilom a i rezultat reakcije je jezgra Y i izlazna čestica (ili jezgra) b X(a,b)Y, npr. • Q-vrijednost reakcije, energija koja se oslobodi ili apsorbira u reakciji je: Q = (Ma + MX – MY – Mb)c2 • Q > 0 egzoergična reakcija, oslobađa se energija. • Q< 0 endoergična reakcija, da bi nastala reakcija projektil mora imati određeni minimalni iznos energije – energija praga reakcije.

4. 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

5. 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 fusija. • 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.

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. Energijski sadržaj vrsta goriva

8. Model nuklearne fisije • 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

9. Nuklearna fisija http://lectureonline.cl.msu.edu/~mmp/applist/chain/chain.htm • 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 83 % - kinetička energija fragmenta, 2,5 % Ek neutrona 3,5 % - gama zračenje, 11 % - beta i gama raspad fragmenata

10. Nuklearni reaktor • Nuklearni reaktor je sistem dizajniran za samoodrživu fisijsku reakciju • Definira se parametarK– neutronski prinos kao srednji broj neutrona iz svakog fisijskog procesa koji su izazvali novi fisijski proces. • 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. • Problem je korištenje vode kao moderatora u reaktoru koji koristi prirodni uran jer se često dogodi da jezgra vodika u vodi apsorbira neutron te nastaje teška voda D2O, zato se kao moderator u reaktorima s prirodnim uranom treba koristiti teška voda.

11. 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 Izmjena svake 3 godine Moderator usporava brze neutrone a kontrolni štapovi (kadmij, bor) apsorbiraju spore neutrone.

12. 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.

13. Transfer energije – tipovi reaktora • Energije oslobođena u u fisijskom reaktoru se najčešće izmjenjivačem topline pretvara u vodnu para koja pokreće turbinu. • “Boiling water reactors“(BWRs) voda koja služi kao moderator se pretvara u paru kojom se pogoni turbina. • “pressurized water reactors“(PWRs) voda koja služi kao moderator je pod visokim tlakom (155 atm) i cirkulira iz reaktora u vanjski izmjenjivač topline koji proizvodi paru koja pokreće turbinu. Reaktor može sadržavati i do 90 tona UO2 i proizvoditi 3400 MW i dati 1100 MW električne energije • BWR sujednostavniji od PWR. Međutim, mogućnost da para koja pokreće turbinu postane radioaktivna je veća za BWR. Kod PWR zbog dvostupanjskog procesa generator električne energije izoliran je od moguće radioaktivne kontaminacije.

14. Breeder (Oplodni) Reaktori • Napredniji tip reaktora je “breeder“reaktor, koji proizvodi više fisijskog goriva 239Punego što utroši 235U. • Lančana reakcija: • Plutonij je lako separirati od urana kemijskim procesima. • Fast breeder reactorssu konstruirani da transformiraju 238U u239Pu, a koriste se brzini neutroni. • Breeder reaktori u načelu predstavlja mogućnost jednog neograničenog izvora fisijskog materijala. • Problem je što je plutonij iznimno toksičan i postoji mogućnost zlouporabe plutonija za nuklearno oružje.

15. Problemi nuklearnog reaktora • Jako je opasno ako se radioaktivni elementi oslobode u atmosferu ili u podzemne vode. • Toplinsko zagrijavanje atmosfere te voda jezera/rijeka koja se koristi za hlađenje može biti ozbiljan ekološki problem. • Vrlo ozbiljan problem je odlaganje radioaktivnog otpada fisijskih procesa, neki fisijski fragmenti imaju vrijeme polu-života tisuće godina i milijuna godina. • Dva javnosti poznata nuklearna akcidenta su:Three Mile Island u Pennsylvania 1979 i Chernobyl u Ukrajina 1986 (50 tona radioaktivnog materijala pobjeglo u atmosferu) — znatno su okrenula javnost protiv korištenja nuklearnih fisijskih elektrana. • Do široko primjene nuklearnih elektrana može doći ako se riješe 4 kritična pitanja: niska cijena, poboljšana sigurnost, kvalitetno rješavanje problema nuklearnog otpada i mali rizik od nesreće.

16. Postotak električne energije iz nuklearki • Prema podacima 1997 400 reaktora u 26 zemalja proizvodi 200 000 Mw električne snage: • Francuska 78 % • Belgija 60 % • Švedska 46 % • Švicarska 41 % • Mađarska 40 % • Južna Koreja 34 % • Japan 34 % • Španjolska 29 % • Velika Britanija 28 % • SAD 21 % • Kanada 14 % • Argentina 11 % Niziozemska 3 % Brazil 1 %

17. Fuzija • Kad se dvije lakše jezgre spoje u težu jezgru oslobađa se energija-fuzija. • Problem je kako jezgrama dati dovoljno kinetičke energije da prevladaju odbojnu električnu silu. • U unutrašnjosti Suncu temperatura je oko 1,5x107 K, te je srednja kinetička energija na ovoj temperaturi dovoljna da nadvlada odbojnu nuklearnu silu-termonuklearna fuzijska reakcija. Snaga Sunca 4x1026 W. proton-proton ciklus fusije na Suncu Fuzijske reakcije koje su pogodne za Korištenje u fuzijskom reaktoru. Deuterij se nalazi u morskoj vodi 33g/m3 i njegova ekstrakcija je jeftina.

18. Primjer – fuzija (Coulombova barijera) • Pretpostavimo da je proton sfera radijusa R=1 fm. Dva protona iste kinetičke energije lete jedan prema drugom. a.) Kolika mora biti kinetička energija protona da bi nadvladala odbojnu Columbovu silu baš kad se protoni dodiruju. b.) Kolika bi trebala biti temperatura plina protona (vodika) da bi srednja kinetička energija protona bila dovoljna da nadvlada Coulombovu barijeru kako bi došlo do fuzije. Temperatura na Suncu je 1,5x107 K, tako da samo jedan od 1026 sudara protona rezultira fuzijom (p+pd+e++) Q=0.42 MeV

19. Zahtjevi na termonuklearni reaktor • Visoka temperatura ~ 108 K • nužna radi savladavanja Coulmbove odbojne sile između pozitivnih jezgri. • na ovim temperaturama, svi atomi su ionizirani, sistem se sastoji od jezgri i elektrona – plazma. • Gustoća iona plazme, n • broja iona u plazmi mora biti visok kako bi što češće dolazilo do sudara iona (veća gustoća iona - veći broj pokušaja fuzije), n=2-3x1020 iona/m3. • Plazma“confinement time”,  • Vremenski interval unutar kojeg su ioni plazme na temperaturi koja osigurava fuziju, =1,2 s.

20. Lawsonov kriterija • J. D. Lawson je pokazao da gustoća iona (n) i vremenski interval unutar kojeg je plazma na temperaturi koja osigurava fuziju  (confinement time) moraju biti dovoljno veliki da osiguraju više energije proizvedene fuzijom nego što se utroši na zagrijavanje plazme. • Lawson’s kriterij glasi: neto izlazna snaga u fuzijskom reaktoru je moguća ako su ispunjeni sljedeći uvjeti: • n≥ 1014 s/cm3za deuterij-tricij (D-T) • n≥ 1016 s/cm3za deuterij-deuterija(D-D) • Ovo su minimumu u krivulji koja prikazuje Lawsonov n broj u ovisnosti o temperaturi za D-T i D-D fuzijsku reakciju.

21. Problem “confinement-a” • U čemu “držati” plazmu na visokoj gustoći i temperaturi od 100 milijuna K za vrijeme od 1 sekunde. • Dvije se tehnike koriste: • magnetski “confinement” • inercijalni “confinement” • Tokamak – toroidalni uređaj prvo napravljen u Rusiji, kombinacijom dva magnetska polja prostorno ograničava i stabilizira plazmu. • Inercijalni “confinemnet” – temelji se na ideji da se Lawsonov kriterij ostvari kombinacijom jako visoke gustoće iona a kratkog vremena “confinementa” oko 10-11 do 10-9 sekundi, pa se za tako kratko vrijeme ioni ne pomaknu znatnije od svog početnog položaja.

22. Fuzija laserom • Laser se najčešće koristi u tehnici inercijalnog“confinementa” • Mala D-T kapsula ( 1mm u promjeru) se istovremeno pogodi fokusiranim laserskim svjetlom visokog intenziteta. • Sloj kapsule oko D-T je neproziran pa apsorbira svjetlo, zagrije se i eksplodira prema van brzinom od 1000 km/s. • Po trećem Newtonovu zakonu izlazne čestice uzrokuju snažni kompresijski udarni val na jezgru kapsule. • Za vrijeme od 1 ns izvrši se kompresija brzinom 100 km/s pri čemu se smanji radijus za ~ 50 puta. • Kompresijski udarni val povećava tlak i temperaturu i stvara uvjete za pojavu fuzije. • Problem što se sva laserska energija ne utroši na kompresiju, veliki dio energije preuzimaju elektroni koji svojim bijegom odnose energiju namijenjenu fuziji. • Zato treba koristiti laser kraće valne duljine i snage ? . Minijaturne eksplozije hidrogenske bombe

23. Dizajn fuzijske elektrane • U D-T fuziji nastaje jezgra helija (alfa čestica i neutron). • Alfa čestica nosi 20% a neutron 80% energije oslobođene u jednoj fuziji. • Alfa čestice se zbog naboja brzo apsorbiraju u plazmi i tako povećavaju temperaturu plazme. • Neutroni jer su električni neutralni prolaze kroz plazmu, pa se moraju apsorbirati izvan plazme u pogodnom materijalu u kojem će se kinetička energija neutrona transformirati u unutrašnju energiju tj. povećati temperaturu materijala koji okružuje plazmu. • Pogodan materijal za apsorpciju neutrona je tekući litij. • Tekući litij je fluid koji struji i prenosi topline iz područja fuzijskog reaktora do parne turbine koja toplinsku energiju pretvara u mehaničku rotacijsku energiju generatora a koji onda tu energiju rotacije pretvara u električnu energiju.

24. Shematski prikaz fuzijske elektrane

25. Mionska kataliza • Ako se elektron u atomima deuterija i tricija zamijeni mionom, svojim težim rođakom, smanji radiju elektronskih/mionskih orbita za oko 200 puta jer je masa miona 200 puta veća od mase elektrona. • U molekuli deuterij-tircij-mion jezgre su bliže pa može nastupiti fuzija. • Problem: nema jeftinog izvora miona i brzo se raspadaju. • Dosadašnja mjerenja imala su negativnu energijsku bilancu, više utrošeno nego dobiveno.

26. ITER Projekt (International Thermonuclear Experimental Reactor,) tokamak Gradi se u Francuskoj Provansi, Europa, SAD, Japan d+t=He+n, e=35-40 % 2040 prvi komercijalni fuzijski reaktori http://www.iter.org/

27. Nastanak elemenata • Kako temperatura raste iz 3 4He nastaje 12C. • Hidrostatička ravnoteža postoji u Suncu između gravitacijskog privlačenja i tlaka čestica (70 % H, 28 He % i 2 % ostali). • “Izgaranjem” lakih jezgri iz kojih nastaju teže, gravitacija nadvladava i zvijezda se sažima, temperatura raste, nastaju sve teži elementi.. • Ovaj proces se nastavlja sve dok se veći dio zvijezde ne transformira u željezo koje je jezgra s najvećom energijom veze nukleona. Reakcija Fe i neke jezgre ne rezultira više fuzijom već cijepanjem jezgre željeza. Kad je većina mase zvijezde u formi željeza nastaje kolaps jezgre zbog njene vlastite gravitacije, jer se više ne odbijaju reakcije kojima se oslobađa dovoljno energije zaodržavanje tlaka koji bi spriječio urušavanje. • Ovisno o masi zvijezda se transformira u bijelog patuljka, neutronski zvijezdu, crnu rupu neka se dogodi i eksplozija poznata kao supernova.