Nuklearna fizika

1
Nuklearna fizika

• Predavanje 7
• Fisija

dr.sc. Nikola Godinovic
2
Prica

• 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 !

3
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 jace vezani.
  Masa molekule drva ili ugljena je veca od ukupne
  mase molekula i atoma koji nastaju nakon
  izgaranja. Masa se smanjila za odredeni iznos ?m
• Isto tako je masa jezgre urana veca od mase
  jezgri koje nastaju u fisijskom procesu jer su
  nukleoni u jezgrama produkata fisije (cijepaju)
  rasporedeni u stabilniju konfiguraciju. Slicno je
  i kod procesa fuzije, ukupna masa jezgara koje se
  fuziraju (spajaju) vece 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 nacelu, jedina bitna razlika izmedu izgaranja
  atoma i izgaranja jezgre je u kolicini 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 jace od
  Coluombove sile koja drži elektrone vezane za
  jezgru atoma.

4
Energijski sadržaj goriva
5
Energija vezanja jezgre

• Energija vezanja je energija potrebna da se
  nukleon vezani u jezgri razdvoje.
• Iz zakon ocuvanja energije i Einsteinove
  relacije o ekvivalenciji mase i energije slijedi
  izraz za energiju veze jezgre mase mA

Energija se oslobada kad se teška jezgra cijepa
u dvije lakše jegzre - fisija
Energija vezanja po nukleonu Eb/A(MeV)
Energija se oslobada kad dvije lakše jezgre
formiraju težu jezgru-fuzija
podrucje najvece stabilnosti
Maseni broj A
6
Energija iz 1 kg goriva i razlicitih procesa

• Tablica prikazuje razlicite procese generiranja
  energije koristeci 1 kg tvari, izražene
  vremenskim intervalom napajanja 1 žarulje snage
  100 W.

Tvar (m 1kg) Proces Vrijeme
voda slobodni pad s 50 m 5 s
ugljen izgaranje 8 sati
Obogaceni UO2 fisija u reaktoru 690 godina
235U fisija 3x104 godina
deuterij fuzija 3x104 godina
materija-antimaterija anihilacija 3x107 godina
7
Model nuklearne fisije (1)

• Jezgra urana apsorbira neutron i nastaje jezgra
  236U u pobudenom 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

8
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
  cemu se dobije energija od 6,5 MeV koja se
  ocituje u mehnickom pobudenju jezgre 236U.

9
Nuklearna fisija

• Neutroni jer su neutralne cestice su vrlo pogodni
  projektili za bombardiranje jezgre jer ne
  osjecaju odbojnu elektricnu silu kad su blizu
  jezgre.
• Kad se jezgra 235U bombardira sporim neutronima
  dogada se fisija, jezgra urana se raspada na
  dvije lakše jezgre i 2-3 neutrona i pri tome se
  oslobada energija od oko 200 MeV
• Neutroni nastali fisijom mogu izazvati novu
  fisiju te može doci do nekontrolirane lancane
  reakcija (atomska bomba) ili do kontrolirane
  lancane reakcije nuklearni reaktor

• http//lectureonline.cl.msu.edu/mmp/applist/chain
  /chain.htm

10
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
  Engt1,4 MeV
• 235U se javlja na jako niskim energijama neutrona
  (tzv. Termalni neutroni)

unresolved, narrow resonances
235U
?(barn)
?1/v
n (E)
11
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 slicno kao 238U. Fisiblian za energije
  neutrona gt 1,4 MeV, ali može uhvatiti spori
  neutron koji se beta raspadima vodi do 233U koje
  je fisibilan sporim neutronima.

12
Nuklearni reaktor

• Nuklearni reaktor je sistem dizajniran za
  samoodrživu fisijsku reakciju
• Definira se parametar K neutronski prinos omjer
  broja neutrona nastalih u fisijskom procesa prema
  broju neutrona nastalih u prethodnom fisijskom
  procesu.
• Maksimalna vrijednost K za fisiju urana je 2.5
• u praksi, K lt 2,5
• K 1 samoodržavajuca fisijska reakcija
  (kriticni reaktor)
• K lt 1 fisija zamre, podkriticni reaktor
• K gt 1 lancana reakcija (nadkriticni reaktor)
• Kontrolom neutronskog prinosa kontrolira se broj
  neutrona, koriste se štapovi od kadmija koji se
  uvlace 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.

13
Neutronski prinos u reaktoru

• Ako želimo odrediti neutronski prinos K za dani
  dizajn reaktora moramo uzeti u racun sve što se
  može dogoditi neutronu u ciklusu koji vodi od
  jedne do druge generacije neutrona.
• Izracunati što se dogada s neutronom u jednom
  stvarnom reaktoru je vrlo složeno, koriste se
  složeni racunalni kodovi, MC simulacije svih
  mogucih procesa i dizajna samog reaktora.

Jezgra Gustoca (g/cm3) ?f (b) ?c (b) ?a (b) ?s (b) ?
235U 18,7 579 101 680 10 2,5
238U 18,9 - 2,71 2,72 8,3
Prirodni-U 18,9 4,17 3,43 7,60 8,3
14
Neutronski prinos inventura neutrona

1. ?-brzih (fisijskih) neutrona koje proizvede jedan
   termalni neutron proizvede, ?2,08 za 235U,
   ?1,33 za prirodni uran.
2. ?-fast fision factor, (?1,03 za prirodni uran)
   neki brzi neutroni mogu proizvesti fisiju.
3. 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 izracunati!
4. f-thermal utilization factor f dio sporih
   neutrona koji se apsorbiraju u fisijskom gorivu.
5. Jedan dio sporih neutrona pobjegne ls, jedan dio
   brzih neutrona pobjegne lf)

Prirodni UO2
235U
Za beskonacni reaktor, nema curenja
K??p(1-lf)(1-ls)
K???pf
15
Moderator

• Za uspješan dizjan reaktora (K1), moderator je
  jako važan jer se neutroni moraju što brže
  usporiti.
• Najbolji moderatori su jezgre slicne velicine 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 obogacivanje urana
• 12C, grafit
• Boron (A11) brže usporava neutrone od ugljika
  ali veliki udarni presjek za apsorpciju neutrona
  pa se zato ne koristi kao moderator. Moguce je
  konstruirati reaktor samo od prirodnog urana i
  ugljika, Fermi izgradio prvi takav reaktor 1942.

16
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.

17
Optimiziranje dizajna

• f opada s porastom omjera moderator/gorivo,
  NM/NF
• p-raste s porastom omjera moderator/gorivo, NM/NF
• Za dani iznos obogacivanja 235U postoji omjer
  NM/NF za koji je k? maksimalan.
• Za prirodni uran (0,7 235U) ne postoji omjer
  NM/NF koji osigurava samodržavajucu reakciju, k?
  lt 1, jer su ?1,328 i p mali.
• Vec i malo povecanje koncentracije 235U na 1,6
  , poveca ?1,654.
• p vjerojatnost da ne dode do rezonantnog uhvata
  u 238U se može povecati da se gorivo oblikuje u
  štapove dovoljno udaljene izmedu kojih je grafit.
• Što duže ide kroz grafit to se neutroni više
  termaliziraju te nailaze na drugi gorivi štapic
  dovoljno usporeni da izazivaju fisiju 235U.

18
Parametri bitni za dizajn

• Komponente važne za dizajn nuklearnog reaktora
• Fisijsko gorivo
• Moderator za usporavanje neutrona
• Kontrolni šatpovi za kontrolu kriticnosti
  reaktora i sigurnost
• Reflektor koji okružuje modeartor i gorivo kako
  bi raspršio neutrone natrag u jezgru reaktora i
  povecao efikasnost.
• Reaktorska posuda i radijacijski šiti
• Sustav za pretvorba energije oslobodene pri
  fisiji u elektricnu 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.

19
Fisijsko gorivo

• Vecina 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
  povecati koncentraciju 235U do nekoliko
  postotaka to je tzv. obogacivanje urana

20
Nuklearna elektrana

• Nuklearna elektrana je u stvari termoelektrana,
  energija oslobodena u nuklearnom reaktoru koji
  radi u režimu kontrolirane lancane reakcije se
  koristi za proizvodnju pare koja pokrece turbinu
  elektricnog generatora. Fisija se drži pod
  kontrolom kontrolirajuci 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
obogacivanje 235U do razine od 3 - tehnološki
zahtjevan proces.
21
Nuklearni reaktor tipa PWR ( 1 GWe, ?32 )
22
Nuklearni reaktor tipa MAGNOX, (500 MWe, ?28 )
23
Nuklearni reaktor tipa CANDU
24
Nuklearni oplodni reaktori
25
Radioaktivni otpad
26
Akceleratorom pogonjeni reaktori.

• Accelerator-driven system (ADS)
• Akcelerator snopa p/d visokog intenziteta
• Fisijski podkriticki (k0,95) 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 mogucnosti gubitka kontrole na reaktorom.

Tehnicki izazovi !
Intenzitet snopa 3 x 1015 cm-2 s-1 !
27
(No Transcript)
28
140 tona goriva, 1,7 do 2,5 235U, ?35 p70
bar, dimezije d4,7 m, h3,7 m.
29
(No Transcript)
30
(No Transcript)
31
(No Transcript)