1 ENERGETYKA JĄDROWA TADEUSZ HILCZER
2 Historia
3 Wstęp Historia energetyki jądrowej jest związana z rozwojem fizyki jądrowej pierwszej połowy XX wieku. Wybuch II Wojny Światowej spowodował, że olbrzymi wysiłek umysłu oraz olbrzymie środki materialne zostały skierowane na zastosowanie militarne energii jądrowej. W pracach badawczych i teoretycznych brali udział praktycznie wszyscy wybitni fizycy tego okresu, w tym prawie wszyscy laureaci Nagrody Nobla. Właściwy rozwój energetyki jądrowej nastąpił dopiero w drugiej połowie XX wieku. Do rozwoju przyczyniło się doświadczenie zdobyte przy opracowaniu zastosowań militarnych. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
4 Albert Einstein (1879-1955) – NN 1921Niemcy E = mc2 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
5 Teoria budowy atomu wodoruNiels Bohr ( ) – NN 1922 Wielka Brytania Teoria budowy atomu wodoru Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
6 1919
7 Ernest Rutherford (1871-1937) – NN 1908Wielka Brytania Zrealizował pierwsze sztuczne rozbicie jądra azotu za pomocą cząstki Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
8 Rozbicie jądra azotu „...Musimy dojść do wniosku, że atom azotu zostaje rozbity pod wpływem wielkich sił, które pojawiają się podczas zderzenia z szybka częstą a i że atom wodoru, który się uwalnia, był składnikiem jądra azotu...” E. Rutherford, Phil.Mag. 37, 581 (1919) Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
9 W pracowni RutherfordaTadeusz Hilczer, wykład monograficzny
10 W pracowni Rutherfordaraz raz Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
11 W pracowni Rutherfordadwa dwa raz Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
12 W pracowni Rutherfordatrzy trzy Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
13 W pracowni Rutherfordasto sto raz Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
14 W pracowni Rutherfordadosyć, więcej nie mogę raz Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
15 W pracowni Rutherfordaraz Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
16 Ernest Rutherford (1871-1937) – NN 19083 czerwca – Wielka Brytania ….w jądrze atomowym powinna znajdować się jakaś cząstka, o stosunkowo dużej masie, pozbawiona ładunku „Bakerian Lecture” Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
17 Wolfgang Pauli (1900-1958) – NN 1945 „Zakaz Pauliego”Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
18 1927
19 Werner Heisenberg (1901-1976) – NN 1932Zasada nieokreśloności Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
20 1930
21 Walther Bothe (1891-1957) – NN 1945 Herbert BeckerNiemcy Bombardowali lekkie pierwiastki cząstkami ze źródła polonowego Przy bombardowaniu berylu zauważyli słabe lecz przenikliwe promieniowanie, nazwane przez nich „promieniowanie berylowe” Początkowo uważali „promieniowanie berylowe” za strumień promieniowania Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
22 Doświadczenie Bothego-Beckera„...promieniowanie berylowe bardziej przenikliwe niż zwykłe promienie g, powstaje przy naświetlaniu berylu cząstkami a z radu...” H.Becker, Z,Phys, 6, 29,310 (1930) Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
23 Badał rozproszenie kwantów na cząstkachIgor. J. Tamm ( ) – NN 1958 ZSRR Badał rozproszenie kwantów na cząstkach Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
24 1931
25 Pod koniec roku - Francja Irena Joliot-Curie ( ) – NN 1935 Fryderyk Joliot-Curie ( ) – NN 1935 Pod koniec roku - Francja ... „promieniowanie berylowe” wybija protony z parafiny Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
26 1932
27 James Chadwick (1891-1974) – NN 1935 Luty – Wielka BrytaniaBadał prędkości z jakimi były wybijane protony i inne jądra odrzutu z różnych substancji. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
28 James Chadwick ( ) – NN 1935 Stosując teorię zderzeń wyliczył, że „promieniowanie berylowe” składa się z cząstek o masie bliskiej masy protonu lecz pozbawione jest ładunku elektrycznego Potwierdził hipotezę Rutherforda o istnieniu elektrycznie obojętnej ciężkiej cząstki, o masie protonu i elektronu, nazwanej neutronem. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
29 12 września – Wielka Brytania Leo Szilard ( ) 12 września – Wielka Brytania Wygłosił pogląd, że jest możliwe wywołanie reakcji łańcuchowej na skutek pochłaniania neutronów przez jądra atomowe z równoczesnym wydzieleniem dużych ilości energii Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
30 1934
31 Opracował metodę spowalniania neutronówEnrico Fermi ( ) – NN 1938 Badał wpływ neutronów na różne pierwiastki - od lekkich aż do najcięższego wówczas znanego pierwiastka – uranu Opracował metodę spowalniania neutronów Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
32 Prace Fermiego Fermi zakładał, że wychwyt neutronu przez jądro atomowe o liczbie porządkowej Z na skutek późniejszego rozpadu b prowadzi do powstania jądra o liczbie atomowej Z+1. Badanie procesów wychwytu neutronu wykazało, że gdy bombardowane jest ciężkie jądro (A > 200) a w otoczeniu znajduje się materiał bogaty w wodór (np. parafina) wówczas obserwowana jest szczególnie wysoka emisja promieniowania b. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
33 Prace Fermiego Do identyfikacji uzyskanych w reakcjach z neutronami izotopów promieniotwórczych stosowano metodę analizy radiochemicznej. Metoda ta polega na tym, że do jąder-tarczy dodaje się dokładnie znaną masę trwałego izotopu pierwiastka, który jest przewidywany jako produkt reakcji jądrowej. Po reakcji jądrowej metodami chemicznymi wydziela się dodany pierwiastek i stwierdza, czy zawiera dodatkowo izotop promieniotwórczy. Istnienie takiego izotopu pozwala wnioskować o schemacie reakcji jądrowej. W trakcie doświadczeń stwierdzono, że uran rzeczywiście wychwytuje neutron. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
34 Prace Fermiego Próby zidentyfikowania pierwiastka otrzymanego po wychwycie neutronu przez uran metodami radiochemicznymi nie dały jednak spodziewanych rezultatów. Oczekiwano, że neutrony połączą się z jądrem, tworząc nietrwały, cięższy izotop, który emitując promieniowanie b- utworzy jądro transuranowe: Oczekiwane jadro nazwano neptunem które w wyniku przemiany b miało przekształcić się w kolejne jądro - pluton. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
35 Otto Hahn (1879-1968) – NN 1945 Lise Meitner (1078-1968)Prowadzili w Berlinie prace podobne do prac Fermiego. Również byli przekonani, że w wyniku oddziaływania neutronów na jądro uranu powstaje jądro transuranowca. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
36 4 lipca – Wielka Brytania Opatentował: Leo Szilard ( ) 4 lipca – Wielka Brytania Opatentował: - technologię wykorzystania neutronów - reakcję łańcuchową - koncepcję masy krytycznej Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
37 1935
38 Zaproponowała inną interpretację wyników doświadczeń Hahna-Meitner.Ida Noddack ( ) Zaproponowała inną interpretację wyników doświadczeń Hahna-Meitner. W pracy opublikowanej w Z.f.Angew.Chemie, zasugerowała możliwość rozpadu ciężkiego jądra na mniejsze fragmenty. Ta możliwość nie została uznana za prawdopodobną. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
39 Odkrył długożyciowe izomery jądroweIgor W. Kurczatow ( ) ZSRR Odkrył długożyciowe izomery jądrowe Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
40 1938
41 Lise Meitner → Fritz StrassmannDnia 13 lipca Lise Meitner (z pochodzenia żydówka) musiała opuścić Berlin. Jej miejsce w laboratorium Hahna zajął radiochemik Fritz Strassmann Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
42 Aparatura Hahna i StrassmannaTadeusz Hilczer, wykład monograficzny
43 Irena Joliot-Curie (1897-1956) NN 1935 Pavel Savitsch (1909)Wrzesień 1938 Opublikowali wyniki analizy jeden z powstałych produktów przy bombardowaniu uranu neutronami ma własności chemiczne podobne do lantanu. Hipoteza izotop powstałego transuranowca. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
44 Otto Hahn (1879-1968) - NN 1945 Fritz Strassmann (1902-1980)Koniec roku 1938 – Niemcy Wykazali, że powstały na skutek pochłonięcia neutronu przez uran nietrwały izotop który ulega rozpadowi b, jest chemicznie podobnie do radu. Uran (Z=92) przemieniając się w rad (Z=88) musiałby wyemitować dwie cząstki a. Nie wykryto obecności cząstek a. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
45 Otto Hahn do Lisy Meitner (Szwecja)19-go grudnia, Berlin ... izotopy radu zachowują się nie jak rad tylko jak bar... Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
46 Otto Hahn (1879-1968) - NN 1945 Fritz Strassmann (1902-1980)28 grudnia 1938 – Niemcy Po powtórzeniu i dokładnej analizie poprzednich badań stwierdzili z całą pewnością, że w wyniku oddziaływania neutronu z uranem powstaje promieniotwórczy izotop baru. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
47 Otto Hahn do lisy Meitner (Szwecja)28-go grudnia, Berlin ... czy to możliwe, że uran się rozpadł ? Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
48 Lise Meitner (1878-1968) Otto Frisch (1904-1979)30 grudnia 1938 – Szwecja Prawidłowa interpretacja doświadczenia Hahna i Strassmanna: rozszczepienie jądra uranu Nowy typ przemiany jądrowej, polegającej na rozpadzie jądra uranu na dwie, prawie równe części. praca ukazała się 11 lutego 1939 w Nature Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
49 Rozszczepienie jądra uranuProces ten otrzymał nazwę rozszczepienia jądra. Z zachowania ładunku wynika, że oprócz baru (Z=56) musiało powstać jadro kryptonu (Z=36) (92 - 56 = 36) Na podstawie znanych średnich energii wiązania oszacowali energię kinetyczną, unoszoną przez produktu rozpadu. W przedziale jąder ziem rzadkich średnia energia wiązania jest około 8,5 MeV/nukleon, dla uranu 7,5 MeV/nukleon. Przy rozszczepieniu jądra uranu łączna energia kinetyczna powstałych fragmentów jest rzędu 200 MeV. Energia około 10 razy większa niż największa energia wydzielana w znanych poprzednio reakcjach jądrowych Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
50 1939
51 Otto Hahn (1879-1968) - NN 1945 Fritz Strassmann (1902-1980)6 stycznia 1939 – Niemcy Wykrycie metali ziem alkalicznych powstających przy napromieniowaniu uranu neutronami i ich zachowanie Über den Nachweiss und das Verhalten bei der Bestrahlung des Urans mittels Neutronen entsthenden Erdalkamimetalle, Z.f.Naturwiss. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
52 Połowa stycznia 1939 – Wielka Brytania Leo Szilard ( ) Połowa stycznia 1939 – Wielka Brytania „w reakcji rozszczepienia, ze względu na mniejszą masę atomową powstałych fragmentów, istnieje nadmiar neutronów, które mogą być emitowane” Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
53 Niels Bohr (1885-1962) – NN 1922 26 stycznia 1939 – USApublicznie ogłasza o odkryciu reakcji rozszczepienia na dorocznym kongresie fizyki teoretycznej na Uniwersytecie George Washingtona w Waszyngtonie Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
54 26 stycznia USA Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
55 Rozszczepienie jądra uranuW krótkim czasie po opublikowaniu poprawnej interpretacji wyników doświadczeń Hahna i Strassmanna, wiele laboratoriów, głównie w Ameryce, potwierdziło istnienie reakcji o tak niezwykłym wówczas bilansie energetycznym. Stwierdzono, że po bombardowaniu uranu neutronami powstaje nie tylko para bar-krypton Otrzymano najczęściej pary: lantan (Z = 57) - brom (Z = 35), cez (Z = 55) - rubid (Z = 37), ksenon (Z = 54) - stront (Z = 38). Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
56 do rozszczepienia 238U potrzebne są neutrony prędkieNiels Bohr ( ) – NN 1922 5 lutego 1939 – USA do rozszczepienia 238U potrzebne są neutrony prędkie do rozszczepienia 235U potrzebne są neutrony powolne Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
57 Enrico Fermi (1901-1954) – NN 1938 Herbert Andersonmarzec USA każdy neutron wykorzystany w reakcji rozszczepienia wywołuje emisję około dwóch nowych neutronów Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
58 Enrico Fermi (1901-1954) – NN 1938 Leo Szilard (1898-1964)czerwiec 1939 – USA (Physical Review) Wyniki eksperymentów powielania neutronów w próbce naturalnego tlenku uranu umieszczonego w zbiorniku z wodą Nie uzyskano samopodtrzymującej się reakcji rozszczepienia Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
59 Niels Bohr (1885-1962) – NN 1922 John Wheeler (1911)31 sierpnia 1939 – USA (Physical Review) Izotop uranu 235U jest materiałem bardziej rozszczepialnym niż 238U Nie odkryty pierwiastek (pluton) powinien się charakteryzować równie wysokim stopniem rozszczepienia Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
60 1940
61 2 marca 1940 – Columbia University, USA John Dunning 2 marca 1940 – Columbia University, USA Wykonał pierwsze pomiary przekroju czynnego na rozszczepienie przez powolne neutrony dla 235U Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
62 1941
63 Glenn Theodore Seaborg (1912-1999) - NN 1951 Arthur Wahl26 lutego 1941 – USA Odkrycie pierwiastka Z = 94 (pluton) Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
64 Określił masę krytyczną 235U około 82 kg bez reflektora Rudolf Peierls ( ) Marzec USA Określił masę krytyczną 235U około 82 kg bez reflektora około 45 kg otoczona reflektorem Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
65 Pluton ulega rozszczepieniu powolnymi neutronamiJoseph Kenedy Emilio Segre ( ), NN Glen Seaborg ( ), NN 1951 28 marca USA Pluton ulega rozszczepieniu powolnymi neutronami Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
66 1942
67 Buduje eksperymentalny stos o współczynniku k=0,995Enrico Fermi ( ) – NN 1938 Kwiecień 1942 – Chicago, USA Buduje eksperymentalny stos o współczynniku k=0,995 Planuje konstrukcję pierwszego na świecie stosu krytycznego - CP-1 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
68 Sierpień - wrzesień 1942 – Chicago, USA Enrico Fermi ( ) – NN 1938 Sierpień - wrzesień 1942 – Chicago, USA Uruchamia eksperymentalny stos o współczynniku powielania neuronów równym prawie k=1,04 Osiągnięcie samo-podtrzymującej się reakcji łańcuchowej Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
69 16 listopada 1942 – Chicago, USA Rozpoczęcie budowy stosu CP-1 Enrico Fermi ( ) – NN 1938 16 listopada 1942 – Chicago, USA Rozpoczęcie budowy stosu CP-1 2 grudnia 1942 Stos CP-1 o godzinie 15:49 osiągnął stan krytyczny Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
70 Stos CP-1 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
71 56 ton metalicznego uranu 350 ton grafitu Stos CP-1 Stos CP-1 zawierał 363 ton tlenku uranu 56 ton metalicznego uranu 350 ton grafitu Uzyskano współczynnik powielania k=1,0006 Moc wyjściowa początkowa wynosiła 0,5 W uzyskano maksymalnie 200 W Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny