1 FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnychWykład 9 – Energetyka jądrowa

2 Rozszczepienie liczba neutronów 0 – 8, średnio 2,5 najbardziej prawdopodobne liczby masowe: 95 i 139, liczby atomowe: 38 i 54 Udział procentowy fragmentów rozszczepienia w zależności od liczby masowej A

3 Reakcja rozszczepieniawyzwala się 180 MeV rozpad  - wyzwala się 5,6 MeV

4 Reakcja rozszczepienia

5

6 reakcja rozszczepienia

7

8 reakcja łańcuchowa 235U – 0,72%

9

10 bilans energia kinetyczna jąder produktów MeV energia wynoszona przez neutrony MeV energia natychmiastowych kwantów  MeV energia rozpadów jąder promieniotwórczych 25 MeV razem MeV spalanie węgla: 4 eV na atom (C + O2 = CO2)

11 Reaktor jądrowy Główna część energii rozszczepienia - energia kinetyczna fragmentów. wzrost temperatury Wykorzystanie ciepła generowanego w paliwie jądrowym jest głównym celem eksploatacji reaktorów energetycznych.

12 Reaktor Przekrój czynny na rozszczepienie przez zderzenie z neutronem maleje ze wzrostem energii neutronów. Z punktu widzenia skuteczności działania neutrony dzielimy na: Neutrony prędkie o energii większej niż 0,5 MeV Neutrony pośrednie o energii 0,1 eV - 0,5 MeV Neutrony termiczne o energii ok. 0,025eV

13 Paliwo reaktora wzbogacanie paliwaIzotop jest jedynym nuklidem występującym w stanie naturalnym w przyrodzie , który można rozszczepić neutronami termicznymi. stanowi wagowo 0,71% uranu naturalnego, resztę stanowi izotop wzbogacanie paliwa Neutronami prędkimi można rozszczepić także jądra izotopów i nuklidy wytwarzane z toru i uranu

14 Paliwo reaktora Reakcje powielania paliwa: izotopy paliworodneizotopy rozszczepialne

15 Warunki podtrzymania reakcji: masa krytyczna Kontrola reakcji: wychwyt neutronów – zahamowanie reakcji łańcuchowej. Warunki podtrzymania reakcji: masa krytyczna spowalnianie neutronów 2 MeV ,1 eV

16 Reaktor dla 235U: dla 239Pu: dla 233U:termiczny (kT  0,025 eV) energia  2 MeV) dla 235U: dla 239Pu: dla 233U: Jądra X i Y rozpadają się dalej – opóźniona emisja neutronów

17 Wydajność reakcji rozszczepieniaWydajność reakcji rozszczepienia – na ile prędkich neutronów przypada 1 absorbowany powolny neutron wywołujący rozszczepienie N(235) – liczba atomów 235U N(238) – liczba atomów 238U f(235) – przekrój czynny na wychwyt neutronu przez 235U prowadzący do rozszczepienia c(235) – przekrój czynny na wychwyt neutronu przez 235U nie prowadzący do rozszczepienia

18 Wydajność reakcji rozszczepieniaJeśli zaabsorbowanych jest n neutronów, to n może spowodować rozszczepienie. Należy je spowolnić w moderatorze (jądra o małym A): H2O – łatwo dostępna, może absorbować neutrony, D2O – droga, mały przekrój czynny a na pochłanianie, może powstać radioaktywny, niebezpieczny tryt, C (grafit) – mały przekrój czynny a , tani.

19 Wydajność reakcji rozszczepieniaale… lf prędkich neutronów ucieknie, ls neutronów ucieknie po spowolnieniu, pozostanie neutronów. Nieliczne neutrony spowodują rozszczepienie zanim zostaną spowolnione, co prowadzi do współczynnika efektu prędkiego  (nieco większy od 1), niektóre neutrony uzyskają energię rezonansową i zostaną pochłonięte bez rozszczepienia – współczynnik p < 1. Pozostanie neutronów powolnych. Tylko część z nich, f, zostanie zaabsorbowana przez paliwo:

20 Wydajność reakcji rozszczepieniaLiczba neutronów użytecznych w procesie rozszczepienia: k - współczynnik mnożenia reaktora Dla bardzo dużego reaktora znikają czynniki związane z ucieczką neutronów:  > p < 1  > f < 1  = 1,33 dla uranu naturalnego  = 2 dla uranu wzbogaconego (5%)  = 2,08 dla czystego uranu 235U

21 Liczba neutronów powstających w reaktorze w jednostce czasu jest większa niż liczba neutronów traconych. Grozi wybuchem Liczba neutronów powstających w reaktorze w jednostce czasu jest równa liczbie neutronów traconych. W reaktorze zachodzi kontrolowana, samopodtrzymująca się, reakcja łańcuchowa. Liczba neutronów powstających w reaktorze w jednostce czasu jest mniejsza niż liczba neutronów traconych. Reakcja wygasa

22 Wydajność reakcji rozszczepieniak - współczynnik mnożenia reaktora w układzie teoretycznie nieskończonym w zależności od stosunku moderator / paliwo Gdy temp. rośnie, moderator rozszerza się i Nmod/Npaliwo maleje. k maleje 40 20 1000 100 400 4000 0,5 1,0 f p  = 1,0  = 1,33 k Nmod/Npaliwo k rośnie

23 Systemy hybrydowe Bezpieczny reaktor: k < 1Do podtrzymania reakcji potrzebne dodatkowe źródło neutronów: spallacja (kruszenie) – jądra bombardowane protonami o energii 1 GeV emitują neutrony. System złożony z reaktora i akceleratora.

24 Reaktor Rdzeń: paliwo jądrowe otoczone moderatorem (spowalniaczem neutronów), z odpowiednimi kanałami przepływu czynnika chłodzącego oraz kanałami dla urządzeń sterujących W rdzeniu jest wytwarzana w procesie rozszczepienia jądra energia cieplna oraz strumień neutronów, niezbędny do podtrzymywania reakcji łańcuchowej. Pozostałe główne elementy reaktora tworzą: reflektor neutronów, osłona termiczna, zbiornik reaktora i osłona biologiczna.

25 Reaktor jądrowy 1. Pręty paliwowe – materiał rozszczepialny3. Kanał chłodzenia - ciekły sód lub woda 4. Pręty regulacyjne (kadm pochłania neutrony - ma spowalniać lub przyspieszać reakcję) 2. Moderator ( spowalnia neutrony) - grafit lub tzw. ciężka woda

26 Reaktor wysokotemperaturowyPrzyszłość energetyki jądrowej? Hel chłodzący reaktor osiąga temperaturę 900 0C. Moc cieplna reaktora nie przekracza kilkuset MW. Mała elektrownia jądrowa - konkurencją dla elektrowni gazowej, a nie dużej elektrowni węglowej.

27 Reaktor wysokotemperaturowyReaktor wysokotemperaturowy do produkcji wodoru W temperaturze 900 0C wodór można produkować z wody wydajnie i bez emisji CO2 w procesach pośrednich (np. w cyklu siarkowym): 95% wodoru wytwarza się z gazu ziemnego 50% stosuje się do produkcji nawozów sztucznych 40% wykorzystują rafinerie ropy naftowej wodór – paliwo przyszłości

28 Reaktor wysokotemperaturowyDzięki wysokiej temperaturze wydajność zamiany ciepła na pracę wynosi 45% dla elektrowni węglowych nie przekracza 40%, dla współczesnych jądrowych 35%

29 Reaktor wysokotemperaturowyprzerób węgla na paliwa gazowe i płynne

30 Problem bezpieczeństwa

31 Problem bezpieczeństwa

32 Reaktor wysokotemperaturowy

33

34 bomba atomowa Hiroshima :16:02 Nagasaki

35 Synteza jądrowa

36 Synteza jądrowa d + d  32He + n (+3,25 MeV)d + d  31H + p (+4,03 MeV) d + 31H  42He + n (+17,6 MeV) Bariera kulombowska wymaga nadania deuteronom energii kinetycznej Ek  0,01 MeV (T = 109 K) Domieszka deuteru w wodorze: 0,015% Tryt wytwarzany bombardowaniem neutronami litu (płaszcz litu otaczający plazmę)

37 Produkcja litu

38 Synteza jądrowa Reakcja termojądrowa T  109 K Przy temperaturze T  107 K jest całkowicie zjonizowana plazma U trotyl D + Li kontrolowana synteza jądrowa?

39 tokamak linie pola magn. uzwojenie pole toroidalne pole poloidalnepole typu tokamak – pułapka magnetyczna pole toroidalne pole poloidalne тороидальная камера в магнитных катушках I.Tamm, A.Sakharov

40 tokamak

41 ITER

42 Ivy Mike – Atol Enewetak

43 Atol Bikini 01.04.1954, Castle Bravo, 15 Mton , Castle Bravo, 15 Mton