Upload
louis-robbins
View
76
Download
2
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Soustředění MOFO 2011 Mgr. Radim Uhlář Jádro atomu. Exkurze do historie. J. J. Thomson, 1897 – objev elektronu Thomsonův pudinkový model atomu Ernest Rutherford: hypotéza o kladném náboji atomu zhuštěném v jeho středu, většina hmotnosti v kladném jádře. - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
Soustředění MOFO 2011Mgr. Radim Uhlář
Jádro atomu
Exkurze do historie J. J. Thomson, 1897 – objev elektronu
Thomsonův pudinkový model atomu
Ernest Rutherford: hypotéza o kladném náboji atomu zhuštěném v jeho středu, většina hmotnosti v kladném jádře.
Potvrzení: Rutherfordem navržený experiment – Hans Geiger a Ernest Marsden (20 let!)
Porovnání teorie (Rutherfordův model atomu) s výsledky experimentu
Rozptyl -částic na atomech zlata
rutherford-scattering_en.jar
JADERNÁ TERMINOLOGIE Protonové (atomové) číslo Z, neutronové číslo N, hmotnostní číslo A
A = Z + N Nuklid: atomy se stejným Z a N.
ozn.
Izotop: nuklidy téhož prvku, např.
pozn.: hmotnost elektronu
hmotnost protonu
hmotnost neutronu
AZX
36 38 40, , Ar Ar Ar319,109534 10 kgem
271,6726485 10 kgpm 271,6749543 10 kgnm
NUKLIDOVÝ DIAGRAM http://www-nds.iaea.org/relnsd/vchart/index.html
max. Z – 118
Rozptyl elektronů (energie aspoň 200 MeV) na jádrech ->
R0 1,2 fm (1 femtometr = 1 fermi = 1fm = 10-15 m)
hmotnost: jednotka atomové hmotnosti 1u 1,661.10-27 kg
JADERNÁ VAZEBNÍ ENERGIE
1/30R R A
2Q mc
před rozpadem po rozpadum m m
RADIOAKTIVNÍ ROZPAD Pravděpodobnostní charakter: např. 1 mg, tj. 2,5.1018 atomů – za 1 s
se rozpadne 12 jader
Platí:
Po odvození získáme zákon radioaktivního rozpadu:
N0 počet radioaktivních jader v čase t = 0 s
N počet zbylých jader v libovolném následujícím okamžiku
konstanta rozpadu
aktivita:
zákon radioaktivního rozpadu:
1 becquerel = 1 Bq = 1 rozpad/s
starší jednotka: 1 curie = 1 Ci = 3,7.1010 Bq
pozn.: Detektor záření nemá 100% účinnost, proto se uvádí výsledek měření v počtech impulzů za sekundu
238U
0e tN N
0e tR R
N Nt
NRt
Poločas rozpadu
Doba, za kterou klesne N resp. R na polovinu.
Př.: , m = 2 000 kg, M = 0,235 kg.mol-1, NA = 6,022.1023 mol-1,
= 26,1 min = 1566 s
0 01 e2
tN N
ln 2
235U
DRUHY ROZPADŮ JADERROZPAD
alpha-decay_en.jar
Energie -částice buď jednoznačně určena nebo má jemnou strukturu, zpravidla z intervalu 4-6 MeV
např.
Obr. Potenciální energie -částice a zbytkového jádra
4 42 2
A AZ ZX Y
238 234 492 90 2 , 4,25 MeVU Th He Q
23490Th
ROZPAD
beta-decay_en.jar
Často doprovázeno -zářením; některé lehké izotopy a těžké
Spojité spektrum energie elektronu, od 0,02 MeV ( ) do 13,4 MeV ( )
Součet energie elektronu a antineutrina je konstantní pro daný rozpad
např.
1A AZ ZX Y e
31H
155B
n p e
32 3215 16 , ( 14,3 d)P S e
ROZPAD +
Spojité spektrum energie pozitronu
Součet energie elektronu a antineutrina je konstantní pro daný rozpad
např.
NEUTRINO
Pauli 1930 – hypotéza
Neutrina vzniklá po Velkém třesku – nejpočetnější částice vesmíru. Miliardy/ 1s našim tělem prochází.
1A AZ ZX Y e
p n e
64 6429 28 , ( 12,7 h)Cu Ni e
1. detekce: 1953
Obr. Sprška deseti neutrin ze supernovy SN 1987A (Japonsko, detektor v dole); doba putování neutrin od výbuchu – 170 000 let
RADIOAKTIVNÍ DATOVÁNÍ stáří hornin – např. ( = 5730 let) se rozpadá na stabilní izotop ,
poměr těchto izotopů určuje stáří horniny (Země, Měsíc – max. 4,5.109 let)
kratší intervaly: vzniká ostřelováním dusíku částicemi kosmického záření (jeden radionuklid na 1013 atomů stabilního uhlíku )
dýchání, fotosyntéza – náhodná výměna atomů atmosférického uhlíku a uhlíku v živých organismech
radioactive-dating-game_en.jar
RADIAČNÍ DÁVKA Hodnocení působení záření (např. -záření, -záření, -záření) na látku
DÁVKA
D – energie záření absorbovaná v hmotnostní jednotce ozařované látky
DÁVKOVÝ PŘÍKON
- změna dávky za jednotku času
40K 40Ar
14C14C 12C
1J .kg Gy 100 radD
D1Gy.sD
EKVIVALENTNÍ DÁVKA V TKÁNI NEBO ORGÁNU
HT = wRDTR, [HT] = Sv (sievert)
DTR střední dávka záření typu R ve tkáni nebo orgánu
wR radiační váhový faktor příslušný záření R
Tab. Hodnoty radiačního váhového faktoru
Záření, energie wR
Fotonové záření 1
Beta záření 1
Neutrony < 10 keV 5
Neutrony (10 až 100 keV) 10
Neutrony (100 keV až 2 MeV) 20
Neutrony (2 až 20) MeV 10
neutrony > 20 MeV 5
Alfa záření 20
EFEKTIVNÍ DÁVKA
HT ekvivalentní dávka v tkáni nebo orgánu
wT tkáňový váhový faktor, tj. relativní příspěvek daného orgánu nebo tkáně k celkové zdravotní újmě způsobené rovnoměrným celotělovým ozářením
Tab. Tkáňový váhový faktor
, SvT TE w H E
Tkáň, orgán wT
Gonády 0,20Mléčná žláza 0,05Červená kostní dřeň 0,12Plíce 0,12Štítná žláza 0,05Povrch kostí 0,01Tlusté střevo 0,12Žaludek 0,12Játra 0,05Kůže 0,01Ostatní tkáně a orgány 0,05
Příklad
Dávka 3 Gy -záření smrtelná pro polovinu zasažených osob. O kolik vzroste teplota lidského těla?
pozn.:
magická elektronová čísla (atomová čísla vzácných plynů): 2, 10, 18, 36, 54, 86, ...
magická nukleonová čísla: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, ...
např. , , , kde nuklidy vápníku a olova jsou „dvojnásobně magické“; -částice tak pevně vázána, že neexistuje nuklid s A = 5; -
vně uzavřené slupky 1 proton (k odejmutí zapotřebí 5,8 MeV), k odejmutí druhého protonu 11 MeV!
objev struktury jaderných slupek: Mayerová a Jensen Nobelova cena (1963)
188O
4020Ca
20882Pb
12151Sb
Jádro – zdroj energie spalování uhlí – přeskupování vnějších elektronů do stabilnějšího
uspořádání ve slupkách atomů
spalování uranu v reaktoru - přeskupování nukleonů do stabilnějšího uspořádání v jádře atomu
Tab. Energie uvolněná z 1 kg hmoty
FORMA HMOTY JEV DOBA (svícení 100 W žárovky)
Voda vodopád 50 m 5 s
Uhlí spalování 8 h
Obohacený UO2 štěpení v reaktoru 690 let
úplné štěpení 3.104 let
Horké plynné deuterium úplná fúze 3.104 let
Hmota a antihmota úplná anihilace 3.107 let
235U
JADERNÉ ŠTĚPENÍ – HISTORICKÉ MILNÍKY 1932 – James Chadwick, objev neutronu (jádra berylia vs. -částice)
Enrico Fermi – vznik nových radioaktivních prvků ostřelováním různých prvků neutrony
Meitnerová, Hahn, Strassmann – ostřelování uranových solí (uran: Z = 92) tepelnými neutrony (cca 0,04 eV) -> mnoho nových nuklidů, mezi nimi i baryum (Z = 56 !!)
Meitnerová a Frish: Navrhli model, podle něhož se jádro uranu absorpcí tepelného neutronu dělí na dvě přibližně stejné části a přitom se uvolňuje energie
Jaderné štěpení (štěpná jaderná reakce): je jaderná reakce, při níž dochází k rozbití jádra nestabilního atomu vniknutím cizí částice (většinou neutronu) za uvolnění energie.
Ke štěpné jaderné reakci dochází u těžkých atomových jader (např. ) při jejich ostřelování neutrony.
235U
ŠTĚPENÍ
rozpady + obou fragmentů
pozn.: stabilita nuklidů – počet neutronů/počet protonů
VÝPOČET ENERGIE UVOLNĚNÉ PŘI ŠTĚPENÍ
1. odhad: Q = vazbová energie na jeden nukleon fragmentů – vazbová energie na jeden nukleon velkého jádra
2.
hmotnosti atomů a částic:
235,0439 u 139,9054 u
n 1,00867 u 93,9063 u
235U
235 236 140 9492 92 54 38 2U n U Xe Sr n
140 140 140 140 14054 55 56 57 58Xe Cs Ba La Ce
94 94 9438 39 40Sr Y Zr
2Q mc
235U 140Ce94Zr
Celková reakce:
Energie reakce:
pozn.: v pevné látce – Q se transformuje ve vnitřní energii, 5-6% odnáší neutrina
JEDNODUCHÝ MODEL ŠTĚPENÍ (BOHR, WHEELER)
235 140 94U Ce Zr n
235,0439 139,9054 93,9063 1,00867 0,22353m u u u u u
2 0,22353 931,5 MeV/ 208 MeVQ mc u u
ŘETĚZOVÁ REAKCE řetězová reakce: nuclear-fission_en.jar
Neutrony 2. generace
Charakteristiky dynamiky řetězové reakce: 1. multiplikační faktor k,
2. tn střední doba života neutronů v reakčním prostředí (střední doba neutronového cyklu) – odděluje 2 generace neutronů
čas t … ve štěpném materiálu n neutronů
t + tn ... nk neutronů
k > 1: reakce narůstá
1
0
1
1
n
n
k tt
n nk n n k
n knt t
n t n e
Podmínka pro řetězovou štěpnou reakci: kritické množství štěpného materiálu (hmotnost) - mkrit
Faktory:
a) Druh materiálu a jeho koncentrace – jádra štěpitelná pomalými neutrony, např.
b) Rozměry a geometrické uspořádání: min. mkrit, max. V/S
c) Přítomnost dalších látek
Pro kulové uspřádání: mkrit = 48 kg, Rkrit = 9 cm
OBOHACOVÁNÍ URANU
Chemické sloučení s fluorem na plynný hexafluorid UF6
Separace (využití nepatrného rozdílu molekulové hmotnosti
a) izotopová difúze plynného UF6 porézními překážkami
b) ultracentrifugy s vysokými otáčkami
Převod frakce s vyšším podílem na např. kovový uran
235,233 239, U Pu
235U
235 2386 6 vs. UF UF
235U
NEŘÍZENÁ ŘETĚZOVÁ REAKCE – jaderná bomba
Štěpný materiál, např. rozdělen do částí (podkritické množství)
Exploze – stmelení do nadkritického množství
Řetězová reakce, primárními neutrony jsou a) produkty spontánního štěpení, b) prvky kosmického záření
cca 10-6 s – rozštěpení téměř všech jader (1 kg uranu … 2.107 J, ekv. 20 000 t trinitrotoluenu)
Intenzivní ionizující záření a radioaktivní kontaminace
Obr. Závislost počtu aktivních neutronů (tn = 10-8 s, vlevo: k = 1,05, vpravo k = 0,9)
235 239, U Pu
JADERNÝ REAKTOR (ŠTĚPENÍ TEPELNÝMI NEUTRONY)
přírodní uran: 0,7 % , 99,3 %
uměle obohacený uran obsahuje 3%
TLAKOVODNÍ REAKTOR (PWR resp. VVER)
Produktem štěpení – rychlé neutrony (do 2 MeV)
Nutno zpomalit: 0,025-0,5 eV
235U
238U
235U
235U
235U
Ke zpomalení: moderátor (Dukovany, Temelín – voda); mp mn
Obsah povrchu/objem – minimalizace pro zabránění úniku neutronů
Kritický obor energie (1-100 eV), v němž je vysoká pravděpodobnost rezonančního záchytu na jádrech (přitom fotony -záření vznikají) – proto palivo a moderátor nejsou smíchány
Konstrukce reaktoru: nadkritický režim (k mírně větší než jedna)
Zasouvání řídicích tyčí (k = 1): např. kadmium nebo bór (ve formě karbidu)
Odezva reaktoru srovnatelná s rychlostmi mechanických operací: některé fragmenty z -rozpadů poločas rozpadu cca od 0,2 s do 55 s
Palivo: tabletky -> proutek (cca 9 mm průměr) -> svazek proutků (tzv. palivová kazeta); např. VVER 1000 obsahuje 317 šestibokých palivových kazet, celkem 47 000 proutků
Ochranný obal proutků – speciální slitiny na bázi zirkonia
238U
SCHÉMA ELEKTRÁRNY S TLAKOVODNÍM REAKTOREM
Primární okruh: např. 600 K, 150 atm
Pro výkon 1000 MW: výška 12 m, hmotnost 450 t, v primárním okruhu 1000 m3/s
Koloběh vody
PROBLÉMYJADERNÝ ODPAD
Těžké transuranové nuklidy (např. plutonium, americium)
Odpady s nízkou a střední aktivitou a) s krátkým poločasem rozpadu – po vhodné době vypuštění, b) lisování, cementování, bitumenace (zaasfaltování), posléze umístění do povrchových nebo podpovrchových uložišť (Dukovany, Jáchymov, Litoměřice)
Použité palivo s vysokou aktivitou: silnostěnné ocelové kontejnery v areálu elektrárny
Možná úprava vyhořelého paliva pro další využití v elektrárnách, přitom vznikají odpady – vitrifikace a uložení v trvalých uložištích
http://www.nri.cz/web/ujv/fakta-a-myty-o-jaderne-energetice