Wstęp do fizyki jądra atomowego/Łańcuchowe reakcje rozszczepienia. Reaktory jądrowe. Bomba jądrowa: Różnice pomiędzy wersjami

Usunięta treść Dodana treść
m Wycofano edycje użytkownika 82.160.219.163 (dyskusja). Autor przywróconej wersji to 89.79.19.153.
m lit.
Linia 61:
 
'''Podział według rodzaju reakcji jądrowej''', które dzielimy na:
*rozszczepienie jądra atomowego-wszystkie reaktory w tym wszystkie komercyjne są oparte na roszczepieniurozszczepieniu reakcji jądrowych, której paliwem jest uran, ale trwają prace nad wykorzystaniem toru.
*Kontrolowana synteza termojądrowa jest wykorzystana w reaktorach wykorzystujących termosyntezę jądrową, którego paliwem jest najczęściej wodór. Jak dotąd ilość energii włożonej jest większa niż energia uzyskana z termosyntezy.
*Rozpad promieniotwórczy
Linia 68:
*reaktory wodne i ciśnieniowe tzw. PWR i WWER, której chłodziwem i modelatorem jest zwykła woda. która jest pod wysokim ciśnieniem tak by woda nieodparowywana podczas normalnej pracy reaktora.
*reaktory wodne, wrzące (BWR), której chłodziwem i modelatorem jest zwykła wrząca woda
**wyjątkowymi reaktorami wodnymi, wrzącymi są reaktory RBMK (między innymi w Czarnobylu tegomtego typu reaktory zostały użyte w Czarnobylu oraz na terenie byłego ZSRR w innych reaktorach), wodą wrzącą w kanałach paliwowych są chłodzone, a moderowanie reaktorów grafitem. Jest uznawany za jeden z najniebezpieczniejszych ten rodzaj reaktora (elektrownia w Czarnobylu posiadała cztery reaktory typu RBMK).
*reaktory wodne i basenowe, gdzie pręty paliwowe są zanurzone w wodzie, która jest modelatorem, a zarazem chłodziwem. Warstwa wody znajdująca się na reaktorem powinna mieć odpowiednią grubość by ekranować promieniowanie radiacyjne, by personel mógł pracować nad reaktorem.
*reaktory gazowe (GCR, AGR, HTGR), której chłodziwem jest zwykły gaz, tzn. dwutlenek węgla lub hel.
Linia 236:
|1,8-2,2%
|}
Nie posiada żadnej obudowy rdzeń reaktora bezpieczeństwa względem standardów zastosowanej na Zachodzie.W betonowej studni jest umieszczony reaktor o wymiarach na 21,6 na 25,5 m. To 1661 bloków grafitowych stanowi rdzeń reaktora o przekroju o boku kwadratu równej 250 mm, gdzie kanałach występują pionowe otwory paliwowe. Została wzmocniona przewodność cieplna wprowadzanych w przestrzeń pomiędzy kanałami paliwowymi przez mieszaninę helu i azotu. Warstwą grafitu jest otoczony rdzeń reaktora o wymiarach 500-800 mm, które spełniają rolę pierwszej bariery ochronnej i reflektora neutronów. Reaktor jest otoczony lekką wodą o grubości 1,2 metrów i następnie dwumetrową ściana betonową. Z góry i z dołu reaktora jest on otoczony płytami stalowymi o grubości 200-250mm. Wykonane z stali nierdzewnej stanowią kanały paliwowe stanowiące rury o średnicy 88mm. Przechodzącą przez grafit część główna jest wykonaną ze stopu niobu i cyrkonu. Chłodzący indywidualnie wrzącą wodą jest każdy kanał o temperaturze wody lekkiej równej 290<sup>o</sup>C. Zestawy paliwowe o wysokości 3650 mm po 18 prętów każdy jest wewnątrz zestawu kanału paliwowego. Rurki (koszulki) cyrkonowo-niobowa o średnicy 13,6 mm i grubości 0,9 mm stanowią pojedyncze pręty paliwowe, pastylkami paliwowymi zapełniona o grubości 15 mm z dwutlenku uranu, minimalnie wzbogaconego do 1,8% uranem-235. Całkowita masa paliwa całego paliwa w reaktorze wynosi 190 t. Czas używania jednego pręta w reaktorze wynosi około 3 lata, a ich zmiana na inne nowsze pręty może przebiegać podczas normalnej pracy reaktora. Z jednym obiegiem technologicznym cały blok pracuje, ale w dwóch pojedynczych systemach chłodzenia. Woda pod ciśnieniem w kanałach paliwowych odbiera większość ciepła wydzielonego wygenerowanego w trakcie reakcji rozszczepienia. Jej część odparowuje, a dalej następuje oddzielenie wody z mieszaniny parowo-wodnej z separatorach wychodzącej z reaktora. O temperaturze 284 °C i ciśnieniu 6,5 MPa jest uzyskana para wodna w ilości tego płynu średnio 5780 t wody na godzinę. która jest doprowadzana do dwóch turbogeneratorów o mocy 500 MW każdy z tych urządzeń. Skroplona para wodna w kondensatorze kierowana jest z następnie znowu do reaktora. Sprawność elektrowni jądrowej wynosi 31%. Q układ awaryjnego chłodzenia reaktora ejstjest wyposażony w rdzeń, uruchamiany jeśli zostaje poważnie zaburzony obieg chłodziwa.
W wieloblokowych elektrowniach, po 2-6 bloków pracują sobie reaktory. Zbudowano także udoskonalony reaktor jądrowy RBMK-1500, o mocy zwiększonej do 1500 MW, który pracuje w Ignalinie. Przygotowano także projekty udoskonalonego reaktora jądrowego RBMK-2000, w którym użyto jądrowy przegrzanie pary wodnej do temperatury 450 °C i wzbogacenie uranu-235 zwiększono do 2,2%.
 
==Bomba jądrowa==
{{IndexGrafika|Fission bomb assembly methods-PL.svg|7.11|Schemat dwóch metod detonowania ładunku jądrowego}}
Bomba jądrowa ciepieczerpie swoje reakcje z reakcji ciężkich jaderjąder atomowych (uranu lub plutonu) na lżejsze w wyniku reakcji rozszczepienia pod wpływem bombardowania neutronami. Rozpadające jądra emitują neutrony zapoczątkowując inne rozszczepienia wywołując reakcjereakcję łańcuchową. Zasadą działania bomby jądrowej jest przekroczenie w naj najkrótszym czasie masy krytycznej ładunku jądrowego. Uzyskanie tego jest bamożliwe dwiena dwa sposoby poprzez przekroczeniem kilku porcji materiału rozszczepialnego lub zapadnięcie materiału uformowanego w powłokę. To musi odbyć się takatak szybko by reakcja łańcuchowa nie została przerwana i dla tego używa się do tego celu ładunku konwencjonalnego, wtedy reakcja łańcuchowa dostaje ogromną ilość energii. Wtedy reakcja jądrowa używa ogromnej ilości energii. Wysoka temperatura powodują i wysoka energia powodują szybkoszybki rozproszenie się materiału rozszczepialnego i przerwanie reakcji jądrowej. Jako ładunku nuklearnego używa się używa się materiału rozszczepialnego uran-235 a przy metodzie implozyjne plutonu-239. Z jednego kilograma U-235 można uzyskać do 82TJ energii. A typowyTypowy czas trwania reakcji łańcuchowej jest 1&mu;s, stąd moc wynosi 82 EW/kg.
 
==Reakcje syntezy i termosyntezy==
Przedstawiamy ogólny schematatycznyschematyczny opis reakcji syntezy wraz z omówieniem rodziny reakcji p-p i CNO, a także przedstawimy wybrane reakcje syntezy wraz z energią wydzieloną w wyniku ich reakcji.
===Ogólny opis reakcji syntezy===
Są to reakcje jądrowe łączenia się dwóch jąder w jedno jądro ciężkie i wyniku emitowania jednej lub kilku cząstek takich jak: n,p,&gamma;,&alpha;:
Linia 319:
 
===Reakcje termosyntezy===
Są to reakcje syntezy zachodzące samoczynnie w układzie o bardzo dużej gęstości, złożonyzłożone z lekkich jąder ogrzanejogrzanych do bardzo wysokiej temperatury. Zderzenie jąder jest wynikiem jej ruchu termicznego. Średnia temperatura w ruchu we wnętrzu gwiazd jest około T&asymp;10<sup>8</SUP>K (k<SUB>bm</SUB>t&asymp;8keV). Na przekroczenie bariery kulombowskiej w atomie wodoru wymagana jest średnia energia równa 700keV. W reakcji przekroczenie bariery kulombowskiej może zachodzić przy mniejszej energii niż ostatnio podaną w wyniku przejść tunelowych. Prawdopodobieństwo takich przejść jest bardzo małe i silnie zależy od energii cząstki bombardującej i wysokości bariery potencjału, a więc od iloczynu Z<sub>a</sub>&sdot;Z<sub>X</sub>. Natężenie reakcji termosyntezy zależy i silnie wzrasta od temperatury i gęstości materii jądrowej. Po przekroczeniu określonej temperatury, wtedy staje się reakcją syntezy samopodtrzymującą i stale wydziela się wydziela energia o określonej mocy lub lawinowy jegojej wzrost, w którym następuje wybuch (bomba termojądrowa). Pierwsza sytuacja jest powiedziana jest w gwiazdach, gdzie spala się wodór w temperaturze od 15 do 18 pomnożone przez 10<Sup>6</sup>K i gęstości 100g/cm<sup>3</sup> w cyklu p-n i CNO. Każda z tych cykli ma gałąź główną i dwa poboczne. Końcowym produktem tej reakcji jest <sup>4</sup>He w cyklu p-n i <sup>4</sup>He+<sup>12</sup>C w cyklu CNO. Przedstawmy cykl p-p, który daje 95% energii na Słońcu.
{{IndexWzór|<MATH>\begin{matrix}{}^1H+{}^1H\rightarrow {}^2H+e^++\nu_e\\{}^2H+{}^1H\rightarrow {}^3He+\gamma\\{}^3He+{}^3He\rightarrow {}^4He+2{}^1H\end{matrix}\;</MATH><BR>'''co w sumie daje nam'''<br><MATH>4{}^1H\rightarrow{}^4He+2e^++2\nu_e+2\gamma\;</math>|7.22}}
A także podamy gałąź główną CNO, który daje nam kilka procent energii na słońcu. W gwiazdach masywnych w cyklu CNO wytwarza się więcej energii niż w cyklu p-p, bo tam jest wyższa temperatura i gęstość:
{{IndexWzór|<MATH>\begin{matrix}{}^{12}C+{}^1H\rightarrow {13}N+\gamma\\{}^{13}N\rightarrow{}^{13}C+e^++\nu_e\\{}^{13}C+{}^1H\rightarrow{}^{14}N+\gamma\\{}^{14}N+{}^1H\rightarrow{}^{15}O+\gamma\\{}^{15}O\rightarrow{}^{15}N+e^++\nu_e\\{}^{15}N+{}^1H\rightarrow{}^{12}C+{}^4He\end{matrix}\;</math>|7.23}}
Po wypaleniu się wodoru w gwieździe maleje jego ciśnienie w jegojej wnętrzu. Wtedy to powoduje kontrakcja Słońca w wyniku zapadania się grawitacyjnego, co powoduje wzrost jego temperatury w jego wnętrzu do ok. 10<sup>8</sup>K i gęstości 10<Sup>5</sup>g/cm<sup>3</sup>. W tych warunkach następuje termosynteza jąder <sup>4</sup>He, a następnie <sup>12</sup>,<sup>16</sup> i Si. Trwają prace nad stworzeniastworzeniem reaktora termojądrowego, który by wykorzystywał by reakcje syntezy w lekkich jądrach. Najbardziej obiecujące są reakcje deuteru lub trytu w jądrajądrach helu-3 lub helu-4,. onaPosiada posiadaono najniższą z możliwych barier kulombowskiej i stosunkowo mały przekrój czynny na reakcje syntezy, tzn.
{{IndexWzór|<MATH>\begin{matrix}
{}^2H+{}^2H\rightarrow{}^3He+n&Q_S=3,3\mbox{MeV}\\
Linia 329:
{}^2H+{}^3H\rightarrow{}^4He+n&Q_S=17,6\mbox{MeV}\end{matrix}\;</MATH>|7.24}}
Powyższe trzy charakteryzujące się reakcje jądrowe mają duże wartości Q<sub>S</sub>/A, a szczególnie trzecia z nich w {{LinkWzór|7.24}}.
Zapasy ziemskie deuteronu są praktycznie niewyczerpalne - jest ich w wodzie morskiej ok. 0,015%. WarunkachW warunkach ziemskich reakcje termosyntezy mogą przebiegać w znacznie mniejszej objętości i mniejszej gęstości niż na słońcu i dlatego straty energii w wyniku przewodnictwa cieplnego, promieniowania, liczby neutronów w tych warunkach będą zawsze duże. Oznacza to, że aby otrzymać samopodtrzymującą się reakcje termosyntezy należy podgrzać plazmę do bardzo wysokiej temperatury, wyższa niż temperatura na Słońcu. Określa się, że minimalna temperatura i gęstość plazmy deuterowo-trytowej może być n&tau;=10<sup>14</sup>cząstek&sdot;s/cm<sup>3</sup> i o określonej temperaturze 10<sup>8</sup>K, gdzie &tau; jest to czas utrzymywania określonych wartości koncentracji "n" i temperatury "T" plazmy.
 
Ten problem próbuje się rozwiązać dwoma metodami:
*Ogrzewanie całej objętości do temperatury 10<sup>8</sup>K plazmy o gęstości n&ge;10<sup>14</sup>cząstek/cm<sup>3</sup> w czasie stosunkowo długim &tau;&ge;0,1s. W celu niedostania się plazmy do ścianek obudowy stosuje się bardzo silne pole magnetyczne efektywne, które to pole magnetyczne jest wytwarzane przez powłoki w kształcie toroidu. W tym polu elektrony i jony poruszają się po spiralach nawiniętych na linie pola magnetycznego. Przy odpowiedniej konfiguracji toroidu poruszającą się plazmę można zagęścić w środku toroidu i ograniczyć jego kontakt ze ściankami komory. W procesie zagęszczania powstaje duża temperatura. Toroidy oparte na tej zasadzie nazywamy '''tokamakami'''. W roku 1963 w objętości kilkudziesięciu litrów uzyskano n&tau;=3&sdot;10<sup>11</sup>s&sdot;cząstek/cm<sup>3</sup> i temperaturę T=3&sdot;10<sup>6</sup>K. W reakcji termosyntezy po raz pierwszy uzyskano neutrony pochodzące z reakcji termosyntezy deuterony i trytu, ale ogólny bilans energii był ujemny. Trudności praktyczne z uzyskaniem praktycznego tokamaka wynikawynikają głównie z niestabilności plazmy.
*Nagrzewanie bardzo szybkie &tau;=10<sup>-9</sup>s poprzez impulsowe nagrzewanie małych objętości ze wszystkich stron do bardzo wysokiej temperatury, w taki sposób aby plazma nie mogła przeniknąć do ścianek, przy pomocy laserów lub wiązek elektronowych o bardzo dużej mocy. Mieszanina deuteronu i trytu w takich wiązkach może być w stanie stałym o bardzo dużej gęstości bez zagęszczania.
 
==Bomba termojądrowa==
Linia 348:
8 - Pluton
9 - Osłona odbijająca promieniowanie X w kierunku ładunku dodatkowego}}
W bombie termojądrowej występują reakcje syntezy lekkich atomów pierwiastków w wyniku czemu powstają ciężkie atomy pierwiastków o większej energii wiązania. Warunkiem koniecznym uzyskania syntezy jaderjąder jest wysoka temperatura i wysoka gęstość cząstek reagujących. Mając na uwadze, że wybuch rozrzuca materiały reagujące powinno stosować się materiały reagujące w jak najniższej temperaturze. Pierwsze bomby termojądrowe były zbudowane w oparciu o deuter i tryt, w której on nie jest on zbyt trwały, a czas jego połowicznego zaniku jest 12,26 lat, więc tak powstałej bomby nie należy zbytnio przechowywać. Rozwiązaniem tego problemu jest wytwarzanie trytu podczas wybuchu. Tryt jest otrzymywany z litu podczas bombardowania jego jąder neutronami powstałych z rozszczepienia ładunku inicjującego, którejktórym jest uranowo-plutonowa bomba jądrowa o stosunkowo niewielkiej mocy. Zastosowanie deuteru i trytu w postaci związków w stanie stałym bez udziału chłodzenia znacznie upraszcza konstrukcję. Reakcje zachodzące podczas wybuchu bomby jądrowej są:
{{IndexWzór|<MATH>
\begin{matrix}
Linia 357:
\end{matrix}
</MATH>|17.25}}
Zasadniczo mają najważniejszy wpływ dwie pierwsze reakcje {{LinkWzór|17.25}}, które tworzą samopodtrzymujący się cykl. Pierwsza dostarcza tryt do drugiej reakcji, a druga reakcja neutronów do pierwszej.
<noinclude>{{kreska nawigacja|Wstęp do fizyki jądra atomowego|Oddziaływanie promieniowania z materią|Reakcje jądrowe}}</noinclude><noinclude>{{BottomPage}}</noinclude>