Jadrové reakcie Základné charakteristiky reakcií Štiepenie Syntéza Jadrové reakcie •deje, ktoré nastanú pri zrážkach jadier atómov so základnými časticami, alebo s inými jadrami. Pri týchto zrážkach sa mení štruktúra jadier, energia a hybnosť zložiek interagujúcej dvojice. •zápis a + A ® b + B A(a,b)B • •produkty jadrovej reakcie – častice a výsledné jadro vo výstupnom kanále •konkurujúce výstupné kanály (jednému vstupnému kanálu niekoľko výstupných) vstupný kanál výstupný kanál Energia reakcie: Konkurujúce výstupné kanále • Image0191 Tá istá provokujúca častica môže vyvolať rôzne reakcie i na rovnakom terčovom jadre, výstupný kanál závisí od jej energie Klasifikácia jadrových reakcií •Energia provokujúcich časíc •Nízke E<10 eV ® n •Stredné E<10 MeV ® NČ,g, sekundárne KŽ •Vysoké E>10 MeV ® trieštenie jadra - vznik nových častíc •Druh provokujúcej častice •nenabité n, g •nabité e,p,d,ióny ľahkých prvkov •Druh terčových jadier •ľahké A<50 •stredné 50100 •Energia reakcie •endoenergetické Q<0 • $ prah reakcia •exoenergetické Q>0 • •Charakter jadrových reakcií •rad. záchyt, strhávanie, delenie jadier, rozptyl, syntéza •Mechanizmus priebehu •priame •Nepriame cez zložené jadro • Príklad priamej reakcie Nachádza sa vo sfére vplyvu jadrových síl, bude zachytený jadrom Mimo zóny vplyvu jadrových síl, preletí mimo jadra •Reakcia strhávania – d preletí tesne okolo terča jadra tak, že jeden nukleón (neutrón alebo p) narazí na jadro a druhý letí ďalej.Nukleón d, ktorý nenarazil, bude letieť ďalej v približne pôvodnom smere a odnesie so sebou približne polovicu pôvodnej E deuterónu. (d,p), (d,n) •Reakcia vytrhávania nalietavajúca častica vytrháva nukleóny z jadra Dopadajúca častica sa zrazí s jedným nukleónom jadra, pričom neovplyvní ostatné nukleóny •Nalietavajúca častica podstupuje v jadre viac ako jednu zrážku. •Zložené jadro si nepamätá ako vzniklo, nukleóny sú zmiešané bez ohľadu na svoj pôvod a prinesenú energiu vzájomne zdieľajú. •Zložené jadro je vždy v nestabilnom stave - exitované prinajmenšom o väzbovú energiu dopadnutej častice •čas rozpadu ~10-16s (jadrový čas 10-21s) •Rôzne spôsoby vzniku a rozpadu jadra ak určitá skupina nukleónov nakumuluje dostatočnú energiu na opustenie jadra ® jadro sa rozpadá) •Možnosť emitovať gama Image0177 Nepriame reakcie (zložené jadro) Smerové rozloženie častí z priamych reakcií závisí od smeru bombardujúcich častíc, na rozdiel od nepriamych reakcií. Rezonančné a nerezonačné reakcie prebiehajúce cez zložené jadro • Aby vzniko nestabilné jadro, nukleón sa musí dostať na nejakú neobsadenú hladinu (nestabilné ® nenulová šírka hladiny G, t=h/ G) 1.energetické hladiny so svojimi šírkami vzdialené ® reakcia rezonančný charakter 2.energetické hladiny blízko, prekrývajú sa ® častica s energiou v širokom energet.intervale vytvorí zložené jadro Image0196 Image0197 Utvorenie zloženého jadra je najpravdepodobnejšie vtedy, keď exitačná energia zloženého jadra sa rovná energii niektorej kvantovej hladiny jadra. Rozdiely medzi priamou a nepriamou reakciou •u priamych reakcií letí vyrazená častica predovšetkým v smere dopadajúcej častice •u nepriamej zložené jadro zabúda na spôsob vzniku ® produkcia častíc izotropná •čas rozpadu jadra nepriama:10-16s • priama: 10-21s • • • • Image0198 1 barn = 1b= 10-24 cm2 Image0182 Image0183 dx Účinný prierez (angl. cross section) vyjadruje pravdepodobnosť, že ostrelujúca častica bude daným konkrétnym spôsobom interagovať s terčovým jadrom. (myslený geometrický prierez častice) Pravdepodobnosť interakcie Ukážky závislosti účinných prierezov od energie: •nabitých častíc •neutrónov •fotónov Závislosť s od energie nabitej bombardujúcej častice •Priama exoergická reakcia •vzhľadom k potenciálnej bariére jadra s pre malé Tk nízky •S E P tunelovania •Max pri Tk ~ s výškou bariéry •S ďalšim E zvyšuje sa rýchlosť častice a klesá čas strávený v blízkosti jadra Þ pravdepodobnosť reakcie pozvolne klesá Image0138 Potenciálová bariéra Tunelovanie Pokles času stráveného v blízkosti jadra Závislosť s od energie nabitej bombardujúcej častice •Priama endoergická reakcia •$ prah •podobný priebeh aj pri exoergických reakciách na ťažkých jadrách s vysokou potenciálovou bariérou, hodnota prahu v tomto prípade menej určitá Image0139 Prah Tunelovanie Pokles času stráveného v blízkosti jadra Závislosť s od energie nabitej bombardujúcej častice •rezonančný charakter, objavuje sa pri nepriamych reakciách •ostré maximá sa superponujú cez krivku, ktorá najskôr rastie po určitú hodnotu a potom klesá •vysvetlenie QM predstava • jadro (ako obal môže existovať iba v určitých diskrétnych energetických stavoch). K rezonancii dochádza ak energia prinesená časticou je taká, že energia vzbudeného jadra je totožná s energiou niektorého kvantového stavu. Image0140 Absorbčné účinné prierezy pre interakcie neutrónov s jadrami •oblasť malých energií Wn<0.1 eV s~1/v •Oblasť rezonančných neutrónov (rezonačné maxima) • Wn=0.1 – 100eV •Oblasť rýchlych neutrónov - s klesá s energiou, pri 1MeV sa blíži ku geometrickému Image0184 absorbčný účinný prierez •Potenciálny val vytvorený orbitálnym pohybom •Coulombovská bariéra neexistuje Wn<0.1 eV WnÎ< 0.1-100 > eV Wn>100eV Zákony zachovania •ZZ počtu nukleónov •ZZ náboja •ZZ energie •ZZ hybnosti •ZZ momentu hybnosti Energia reakcie Zákon zachovania energie Ak Ta<10MeV Energia vzbudenia jadra väzbová energia nalietavajúcej častice v jadre X kinetickej energie nalietavajúcej častice v TS Exitačná energia jadra Zhrnutie •V prípade, že Ta®0 • exitačná energia jadra: • •V prípade, že Ta¹ 0, • exitačná energia jadra: • • t.j časť kinetickej energie ide na • vzbudenie jadra: • • a časť na jeho • kinetickú energiu: • Endoenergetická reakcia Minimálna kinetická energia nalietavajúcej častice a, pri ktorej ešte môže prebehnúť daná reakcia je : Minimálna energia jadra Image0186 Endoenergetická reakcia Image0202 Image0186 Detekcia neutrónov Image0193 Image0194 Image0200 Registrácia n s nízkymi energiami Image0201 Vynimočné prípady: (0MeV, 0.5 MeV) (n,a) prebiehajú pri rovnakých energiách n spravidla s menšou pravdepodobnosťou (Coulombovská bariéra 2 krát väčšia) ako (n,p) Rádioaktívne datovanie •Rádiouhlíkové datovanie •Rádiouhlík C-14 (T1/2=5730r) s konštantnou rýchlosťou je produkovaný v horných vrstvách atmosféry pri ostreľovaní atmosferického dusíka časticami kozmického žiarenia. Tento uhlík sa zmiešava s uhlíkom normálne prítomným v atmosfére (ako CO2), takže sa vyskytuje jeden atóm C-14 na každých 1013 stabilného C-12 (14 rozpadov za min. na každý gram C). Pri biologických procesoch (fotosyntéza, dýchanie) dochádza k výmene C a po určitej dobe vzniká rovnováha, pri ktorej každý žijúci organizmus obsahuje malú časť rádioaktívneho C-14. Výmena C končí po smrti, pričom rádioaktívny C sa stráca s (T1/2=5730r) ® datovanie rádioaktívny o4 Štiepenie •ŠTIEPENIE-reakcia, pri ktorej sa jadro rozštiepi na dve (približne rovnaké) alebo viacej jadier. •platia ZZ • so vzrastom A rastie účinný prierez pre štiepenie sf • vzniká približne 80 štiepnych produktov, hmotnosti ktorých 2:3 (7% - 95:140) Þ delenie prebieha nesymetricky. Pri zvyšovaní energie vzbudeného jadra sa symetrizuje. •Využitie: jadrová energetika, výbušniny, vojenský priemysel 7% A~95 A~140 Image0207 Výťažol fragmentov štiepenia – dva hrby 80 štiepnych produktov ~ 40 rôznych spôsobov štiepenia Bilancia štiepenia U-235 pomalými neutrónmi Image0207 exotermická reakcia o4 7% A~95 A~140 ZZ prírodný: U-235 (0.71%) U-238 (99.27%) U-234 (0.006%) Fragmenty (úlomky štiepenia) Produkty štiepenia Image0166 Image0167 Image0168 Štiepne produkty: presýtené n, vysoko nestabilné Pás stability : Tažké jadrá N/P=1.6 Stredné jadrá N/P=1.3-1,4 => FRAGMENTY ŠTIEPENIA SÚ RÁDIOAKTÍVNE (N/P: 1.6®1.4), BOHATÉ NA NEUTRÓNY => Beta rozpad, emisia n zložené,exitované jadro A~95 A~140 Produkty premeny STABILNÉ NUKLIDY Ce – Cer Zr - Zirkón Image0215 Image0217 1.3 – 1.4 1.6 8.5 MeV / u 7.6MeV/u Produkty sú presýtené neutrónmi a budú mať tendenciu sa ich zbaviť b premenou N/P Pás stability Odhad uvoľnenej energie: ťažké jadrá: 7.6MeV/u, ľahké jadrá: 8.5MeV/u (8.5-7.6)*200~200MeV/štiepenie 1. Mechanizmus štiepenia - kvalitativne Image0218 Štiepenie prebieha podobne ako delenie kvapky. Guľový tvar začne nadobúdať tvar elipsy. Ak vonkajšie sily nestačia na prekonanie síl povrchového näpatia, kvapka sa vráti do pôvodného tvaru, inak sa roztrhne Image0234 Keď exitačná energia veľká, jadro môže nadobúdať tvar tyčinky a elektrostatické odpudzovanie medzi kladnými nábojmi v oboch smeroch, môžu prekonať pomerne slabú jadrovú väzbovú silu, ktorá pôsobí v oblasti spojenia oboch častí (krátkodosahová) Elektrostatické odpudzovanie Dodanie exitačnej energie Elektrostatické odpudivé sily poklesnú (zväčší sa vzdialenosť nukleónov) Vzrastom pomeru povrchu k objemu jadra klesá účinnosť krátkodosahových jadrových síl o2 Jadro terčíku U235 absorbovalo tepelný n Vytvorí sa jadro U236 s nadbytkom energie ® divoké oscilácie Pri pohybu sa môže vytvoriť útvar s úzkym hrdlom Coulombovská sila napína útvar do dĺžky Dochádza k štiepeniu Fragmenty s oddelia a odparí sa niekoľko n Vývoj jednotlivých štádií štiepenia podľa kvapkového modelu U-235 Exitovaný U-236, mohol by deexitovať g Štiepenie ak amplitúda oscilácii dostatočne veľká, jadro sa už nedokáže vrátiť do rovnovážnehostavu a rozdelí sa Oscilácie: •Repulzívne Coulombovská sily •Krátkodosahové jadrové sily Mechanizmus štiepenia -kvalitativne Kritická deformácia Mechanizmus štiepenia - kvantitatívne Poloosy elipsoidu Plocha elipsoidu Energie elipsoidu: Pri malých deformáciach jadra rastie Es rýchlejšie (koeficient 2/5) parameter štiepenia Es,Ec – povrchová a Coulombovská energia gule =0 kritický parameter e-miera odklonu od guľového tvaru •2Es-Ec>0 energia jadra narastá so vzrastajúcim e (malé elipsoidné deformácie jadra) ® vytvára sa energetická bariéra, podobne ako pri a rozpade •Výška bariéry Wf klesá so vzrastajúcim parametrom štiepenia x Image0216 Es EC Es+EC Energetická bariéra Aktivačná energia Parameter deformácie e Image0147 Vynútené štiepenie – môže nastať iba vtedy, keď exitačná energia prevýši energiu bariéry štiepenia Image0171 Výška potenciálnej bariéry Eb DEFORMÁCIA SEPARÁCIA Tepelné neutróny Exitačná energia En Amplitúda oscilácii dostatočne veľká, jadro sa už nedokáže vrátiť do rovnovážneho stavu a rozdelí sa. Výška potenciálnej bariéry Pre U-238 musí mať absorbovaný neutrón energiu najmenej 1,3 MeV. Štiepenie Potenciálna energia n sa premení na vnútornú exitačnú energiu jadra. Neutrón prinesie do jadra energiu (väzbová Wn+ kinetická En): WnWf jadrá sa štiepia pomalými n,En~0 : Skutočnosť, že U-235 sa štiepi pomalými a U-238 len rýchlymi n spinovým členom vo Weizäckerovej formule. Zložené jadro U-236 je pp Þ spinový člen prispieva +0.55 MeV. Jadro U-235 pn Þ spinový člen je 0 MeV V U-238 je to naopak Þ rozdiel vo väzbových energiách neutrónov 2*0.5 MeV Štiepne fragmenty •R~10-12cm ® j~160-180MV ® úlomky sa rozletia, sú silne ionizované (najťažším chýba 22e), majú veľkú E~80-90MeV, Q ® silne ionizujú okolité prostredie ® krátky dolet (20-50mm vo vzduchu ~ 5MeV alfa častici) Energia sa mení na teplo. •Menšiu časť energie si úlomky odnášajú vo forme exitačnej-vnútornej energie Základné vlastnosti fragmentov vznikajúcich s najväčšou pravdepodobnosťou pri štiepení U-235 Ľahký fragment Ťažký fragment Hmotnostné číslo A 95 139 Atómové číslo Z 36 (Sr) 54 (Xe) Energia [MeV] 97 65 Iónový náboj 20 e 22 e Stredný dobeh 25 mm vo vzduch 19 mm vo vzduch Energia uvoľnená pri štiepení Image0149 87% celková energia uvoľnená priamo a z nej 90% cez kinetickú energiu štiepnych fragmentov Rádioaktívna premena oveľa menší zdroj energie 13 % (ako priamo uvoľnená energia) Image0165 Odhad uvoľnenej energie: ťažké jadra 7.6MeV/u, ľahké jadrá: 8.5MeV/u ®0.9*200~200MeV/štiepenie 8-10g ~1MeV 87% 13% 90% 10% kinetická energia Image0187 Štiepenín U-235 sa pomalými neutrónmi uvoľnujú : 0-3 neutróny na jedno štiepenie, v priemere 2.5 So vzrastom energie počet stúpa. Image0221 Stredné počty neutrónov sú pre vsetky štiepne materiály > 2 Závislosť počtu okamžitých n pri štepení U-235 od energie bombardujúcich neutrónov Energia bomdardujúcich neutrónov Image0150 Neutróny Image0169 Stredná energia 2MeV Þ rýchle n Bróm Kryptón Exitovaná hladina Kr ~6MeV ENERGETICKÉ SPEKTRUM n emitovaných pri štiepení s termálnymi neutrónmi Oneskorené neutróny •Sú vyžiarené úlomkami v procese ich postupnej premeny. •predstavujú asi 0.65 % zo všetkých neutrónov uvolnených pri štiepení U-235, ich energia ~0.5 MeV Okamžité neutróny •Predstavujú 99% zo všetkých neutrónov •Sú uvolnené do 10-14s Podmienky štiepenia – energetická výhodnosť EXPERIMENT: Asymetrické štiepenie 3:2 PODMIENKA ŠTIEPENIA Energia štiepenia: Podmienky štiepenia •Kritická hodnota x=1 ~ Z=120 •Všetky jadrá so Z>120 sa samovoľne štiepia už v priebehu jadrového času. ~ 10-23 s •Všetky prvky, pre ktoré platí 17£Z2/A£50 sa môžu v princípe štiepiť, ak získajú dostatočnú energiu •prvky so Z2/A ³ 50 sú nestabilné a nemôžu existovať v prírode Spontánne štiepenie •Spontánne štiepenie – mechanizmus tunelového prechodu cez bariéru (podobný mechanizmus ako pri a rozpade). Pri Z~120 spontánne delenie nast=ava v okamžiku vytvorenia jadra. •polčasy T1/2 ~1020y •Spontáne sa štiepia všetky prvky ťažšie ako Th •Spektrá produktov spontáneho štiepenia podobné ako vynúteného •V priemere sa uvolňuje 2.2 – 0.3 n Prečo sa U-235 delí tepelnými n 1.X(U-235) > X(U-238) ® menšia bariéra pre štiepenie 2. 2. 2.Energia väzby n v U-236 väčšia ako v U-239 (párová energia)® väčšia exitačná energia n v U-236 Vzniká rozdiel väzbových energií neutrónu v U-235 a U-238 okolo 1.1MeV Reakcie neutrónov s U účinné prierezy Pre n s malými energiami ss~ 1-10 b, pre n s vysokými energiami ss~ geom. prierez jadra=pR2 •Oblasť malých energií (Wn < 0.1eV) – sa~1/v •Oblasť rezonančných energií (0.1 -100 eV ) – niekoľko výrazných maxím •Oblasť rýchlych neutrónov – sa klesá a nad 1Mev dosahuje geom.prierez Reakcie neutrónov s U účinné prierezy n+U ® (n,n) ~ b (n,n´) ~ b (n,g) Ak En>0.025 eV (n,g)/(n,f) ~ 5 d11 Účinné prierezy štiepenia U U-235 •vysoký sf~1/v, pri nízkych E sf~ stotal •1-100eV rezonancie •srozptyl ~10b ¹f(E) Þ so zvačšovaním En zväčšuje frakcia srozptyl / sT •srozptyl(2MeV) ~ 6 sf • U-238 •sf(E<1MeV)=0 •srozptyl ~8b Þ dominantný v oblasti niekoľkých desiatok eV, ktorá zodpovedá rezonanciám. Absorbcia vedie (n,g) a nie k štiepeniu.Þ vyznamný pohlcovač neutrónov 103 b – tepelné n Prah štiepenia U-235 U-238 Úcinné prierezy Image0189 Image0190 Image0188 U-238 sa štiepi rýchlymi n s energiami E>0.5MeV. U-235 vysoký sf pre tepelné neutróny. Výrazný konkurent štiepenia je radiačný záchyt. Image0264 (n,g) 1eV – 100 eV U-238 štiepenie (n,g) Zastúpenie U v prírode Ľahko štiepiteľný U-235 je štiepiteľný všetkými n, no najmä tepelnými U-238 nevhodný, n nemajú dostatočnú energiu, aby mohli vyvolať ďalšie štiepenie U-238, (n,g) – veľký účinný Þ pokles počtu n Bilancia pre pomalé n U-235 U-238 ZMES Zastúpenie 0.7 % 99.3 % (n,g) 101 b 2.8 b 3.5 b (n,f) 550 b - 3.9 b Približne polovica ½ pomalých neutrónov zachytených v uráne spôsobí štiepenie. Keďže každé štiepenie U-235 uvoľní v priemere 2.5 neutrónu Þ Na jeden pohltený n vzniká ~1.3 nových n. Rýchle n treba spomaliť, nesmieme stratiť viac ako 30 % neutrónov, aby sa udržala reťazová reakcia Þ potreba moderátora Reťazová reakcia - dynamika Ak najmenej 1 neutrón z každej štiepnej reakcie zasiahne ďalšie jadro a vyvolá ďalšie štiepenie, potom môže dôjsť k rereťazovej reakcii. t- stredná doba života neutrónového cyklu n – počet neutrónov v danej štiepnej generácie k - NÁSOBIACI FAKTOR K pomer neutrónov prítomných na začiatku určitej generácie k počtu n na začiatku predchádzajúcej generácie k závisí od spôsobu interakcie neutrónov s jadrami sústavy Kritické hmotnosti mkrit udaná pre guľové homogénne usporiadanie (o polomere Rkrit) čistého materiálu 235U : mkrit = 48 kg, Rkrit = 9 cm ; 239Pu: mkrit = 17 kg, Rkrit = 6 cm ; 233U : mkrit = 16 kg, Rkrit = 6 cm ; Reťažová reakcia Riadená jadrový reaktor Neriadená jadrový výbuch Kritické množstvo štiepneho materiálu závisí od: •Druhu štiepneho materiálu a jeho koncentrácie •Rozmery a geometrické usporiadanie oblasti obsahujúcej štiepny materiál •Prítomnosť ďalších látok a materiálov schopných odrážať alebo spomalovať neutróny. Aby reťazová reakcia mohla nastať, treba sústrediť v určitom objeme dostatočné (kritické) množstvo štiepneho materálu Kritické hmotnosti mkrit udaná pre guľové homogénne usporiadanie (o polomere Rkrit) čistého materiálu 235U : mkrit = 48 kg, Rkrit = 9 cm ; 239Pu: mkrit = 17 kg, Rkrit = 6 cm ; 233U : mkrit = 16 kg, Rkrit = 6 cm ; Reťažová reakcia Riadená jadrový reaktor Neriadená jadrový výbuch Neriadená reťazová reakcia atómová bomba Dve podkritické množstvá sústavy štiepneho materiálu 1 sú umiestnené v nádobe 2 v dostatočnej vzdialenosti od seba. Výbuchom výbušniny sa podkritické sústavy pritlačia k sebe a vytvoria nadkritickú sústavu Image0164 Riadená reťazová reakcia •Problém úniku n ® povrchový jav, treba zlepšiť pomer V/S ® zväčšenie jadra reaktora •Problém energie n ® En~2MeV ® treba znížiť ich energiu na tepelnú ® moderátor •Treba zabezpečiť, aby podstatná časť neutrónov neunikla. Nesmú prevažovať reakcie (n,g) správna koncentrácia štiepneho materiálu • • a) Sústredenie nadkritického množstva štiepneho materiálu b) Zabezpečenie riadeného počtu neutrónov pomocou vhodných absorbátorov tak, aby štiepna reakcia prebiehala požadovanou intenzitou Spomaľovanie neutrónov – pružná zrážka A f A n n Ideálny moderátor H, prenos max. energie Ideálny moderátor voda – vodík má však pomerne vysoký účinný prierez pre absorbciu n (treba U235 obohatiť). V prípade D2O, ktorá menej n absorbuje, sa môže použiť aj neobohatený urán Moderátor - spomaľovanie neutrónov Image0160 Požiadavky na dobrý moderátor •taká látka, v ktorej dochádza k veľkej priemernej strate energie na jednu zrážku x •vysoky makroskopicky prierez Sn pre pružný rozptyl •čo možno najmenšie Sapre absorbciu Charakteristika moderátora – koeficient spomalenia Najlepší moderátor D2O, (ľahkovodný, grafitový) Ef=0.025 eV Absorbcia neutrónov – riadenie intenzity reakcie Image0174 Image0158 1.Nádoba aktívnej zóny 2.moderátor 3.palivové články – štiepny materiál 4.absorbujúci materiál – regulačné tyče Image0172 Reťazová reakcia Lavínový nárast štiepiacich sa jadier Bilancia počtu neutrónov v reaktore o9 Ilustrácia kritického režimu – násobiaci faktor k=1. Každý z 370 n predstavuje prírastok energie v jadrovom reaktore NÁSOBIACI FAKTOR K K= pomer neutrónov prítomných na začiatku určitej generácie k počtu n na začiatku predchádzajúcej generácie Tlakovodný reaktor PWR o6 Primárny okruh – voda s vysokou teplotou a tlakom 600K, 150atm, prenáša energiu z jadra reaktora k paragenerátoru, ktorý je súčasťou sekundárneho okruhu. Tam vzniká vyparovaním vysoko tlaková para, poháňajúca turbínu generátora el. prúdu. sekunndárny okruh je zakončený kondenzátorom, kde sa ochladzuje para pod nízkym tlakom a ako voda sa vháňa spať pumpou do paragenerátora Jadro reaktora Paragenerátor Vysokotlaková para Voda s vysokou teplotou a tlakom Voda sa používa aj ako moderátor aj ako médium na prenášanie energie • Image0155 Image0156 • Image0173 Prvky deliace sa štiepením štiepenie pri všetkých energiách n, predovšetým – stredné energie n ) tepelné neutróny rýchle n En =1-2MeV o18 Pu – alfa žiarič možno štiepiť a použiť v reaktoroch a zbraniach. Ľahko sa dá chemicky rozlíšiť od U, extrémne toxické breeder reactor • • Syntéza Image0217 •Reakcia, pri ktorej zlúčením dvoch ľahkých jadier do jedného ťažšieho ® uvolňuje energia •Problém v prekonávaní Coulombovskej potenciálnej bariéry, obtiažnosť narastá so Z • • •Jadrové reakcie splynutia sa líšia spôsobom, akým sa tento val prekonáva (termojadrové, studená syntéza) Image0134 Väzbová energia na nukleón prudko rastie Termojadrová syntéza •Prekonávanie Coulombovskej bariéry energiou tepelného pohybu •Dva protóny UC~400keV Þ bariéra prekonaná pri T ~ 109K (izbovej teplote T~ 0.03eV) • • •Termojadrové reakcie prebiehajú aj pri nižších teplotách (Slnko – 107K ~ 1.3keV) • 1.Energia sa určovala z najpravdepodobnejšej rýchlosti ® distribúcia rýchlosti 2.Výška potenciálovej bariery sa počítala z hodnoty maxima zodpovedajúcej krivky ® tunelovanie Image0209 Syntéza o7 K tunelovaniu bariéry môže dochádzať aj pri energiách oveľa nižších ako je Emax. P – pravdepodobnosť prechodu bariérov $ určitá energia p, pri ktorej sa bude fúzia uskutočňovať najčastejšie n – koncentrácia protónov na jednotku energie v Slnku Maxwellove rozdelenie kT – najpravdepodobnejšia energia p Celková reakčná rýchlosť na jednotku objemu Reakčná rýchlosť Image0209 Image0210 Majme zmes dvoch plynov n1 a n2: pravdepodobnosť reakcie za jednotku času: Celková reakčná rýchlosť na jednotku objemu praktický reaktor 10 – 30 keV Efektívna tepelné energia Lawsonove kritérium •Brzdné žiarenie ~ Tk1/2 , Z2 Þ 3He - menej atraktívne palivo LAWSONOVE KRITÉRIUM Uvoľnená energia je väčšia ako energia potrebná na vytvorenie plazmy n-počet iónov Termojadrová fúzia na Slnku p-p reťazec o8 palivo popol „pomalé“: 1 fúzia na 1026 p-p zrážok, dominuje pružný odraz • Image0212 Image0213 Uhlíkovo – dusíkový cyklus Protón - protónový cyklus Katalyzátory C,N Základné reakcie riadenej termofúzie •1 – malý s, g - odnáša energiu •3,4 pravdepodobnejšie ako 1,2; produkujú nabité častice, ktoré neunášajú energiu z reaktora •D-T , podobná Coul.bariéra ako DD, ale s vyššie, T – radioaktívny, treba vyrábať v štiepnom reaktore •6 – neaktivuje prostredie n, ale vyššia Coulom. bariéra Image0208 d+d fúzia d+t fúzia Najvhodnejšie reakcie pre použitie na Zemi malý s, g - odnáša energiu Riadená termonukleárna syntéza - palivo •Zdroj deutéria – morská voda H:d=5000:1 v mori 1015 ton d •Zdroj trícia – H(3,1) T1/2=10y Þ vymreté, výroba z Li : 6Li ~ 7 % prírodného pomalé n pomalé n rýchle n 7Li ~ 93 % prírodného Trícium sa môže vyrábať vo vnútri elektrárne, nie je potrebné ho do elektrárne dodávať, okrem naštartovania novej fúznej elektrárne. Deutérium je prítomné vo vode, každý liter vody obsahuje 33 mg deutéria. Po zlúčení tohto množstva s tríciom sa uvolní energia ako spálením 340 l benzínu Riadená termojadrová fúzia •Vysoká hustota častíc – zabezpečuje dostatočný počet d-d zrážok •Vysoká teplota plazmy – zabezpečuje dostatočnú E na prekonanie beriéry •Dlhodobé udržanie plazmy s potrebnou hustotou a teplotou, aby došlo k fúzii dostatočného množstva paliva Pre úspešný chod termojadrového reaktoru pracujúceho s d-t reakciami je nutné: nt>1020 s m-3 LAWSONOVE KRITÉRIUM - aby sa zapálila samostatne sa udržiavajúca termojadrová reakcia Pre úspešný návrh reaktora musia byť splnené nasledovné podmienky: Riadená termonukleárna syntéza •Cesty k realizácie: 1.dlhodobé ohrievanie t³0.1s plazmy s hustotou n³1015 častíc/cm3, T=108K 2.krátkodobé rýchle ohriatie t~10-9s hustej plazmy n³1024 častíc/cm3, T ~ 108K • Spôsoby realizácie •Magnetické udržiavanie plazmy • Tokamak – plazma sa udržiava vhodne tvarovaným magnetickým poľom – magnetické sily pôsobiace na nabité častice tvoriace plazmu zabraňujú plazme v dopade na stenu nádoby • •Inerciálne udržiavanie • otlkávanie pevnej tabletky paliva zo všetkých strán intenzívnym laserovým zväzkom ® odparenie materiálu spôsobí vznik rázovej vlny smerujúcej dovnútra tablety, ktorá stlačí jadro tabletky a zvýši v ňom hustotu aj teplotu Tokamak Image0211 Plasma má dobrú el. vodivosť takže sa v nej indukuje vysoký el. prúd ktorý spôsobuje indukčný ohrev plazmy na velmi vysokú teplotu (cca 100 miliónov stupňov), a súčasne vytvára magnetické pole v tzv. poloidálnom smere so siločiarami smerujúcimi pozdĺž kratšieho obvodu trubice. Tieto dve navzájom kolmé mag. polia vytváraju vo vnútri toroidnej komory akúsi magnetickú nádobu, ktorá nedovoľuje únik častíc tepelným pohybom k stenámkomory. Tokamak pracuje v cyklickomm pulznom režime. Na začiatku cyklu se do evakuovanej toroidnej komory napustí ionizovaný plyn D+T s hustotou cca 1015-18 částic/cm3. Potom sa privedie striedavý prúd do primárneho vinutia a indukovaným prúdom mnoho tisíc až miliónov ampérov sa plazma zahreje na cca 108stupňov (okrem indukovaného ohrevu sa používa aj dodatočný vysokofrekvenčný ohtrev) Časť uvoľnenej energie zahrieva steny trubice (odvádza sa chladivom) väčšina je odvedena vysokoenergetickými neutrónmi, ktoré sa zachytia obálkou reaktoru z Li, chladeného vodou ® trícium. JadernaFuze Inerciálna fúzia JadernaFuze • Malá kapsle jadrového paliva, obsahujúce niekoľko miligramov D+T, je z niekoľkých smerov ožarovaná vysoko výkonnými impulzmy žiarenia (lasery) (Fáza A). Absorbcia tohto žiarenia bude viesť k prudkému nahriatiu povrchovej vrstvy kapsle (tzv. ablátoru), která sa prudke odparí a expanduje do priestoru. V dôsledku ZZ akcie reakcie - prudká expanzia má za následok rýchle stlačenie vnútornej časti kapsle D+T - vzniká efekt "sférického raketového motora" - Fáza B. V silne stlačenej a adiabaticky zahriatej plazmy vo vnútri kapsle može dôjsť k syntéze D a T - k akejsi "termonukleárnej mikro-explózii" (Fáze C), v ktorej sa cca 30% množstva zmesi D+T zlučí na 4He a vylietavajúce n. Jadrá hélia a neutrony vylietavajú s vysokou kinetickou energiou (celkovo 17,6MeV /1fúzi). Vposlednom období sa robia pokusy s dodatočným "rýchlym zapálením" syntézy: stlačená plazma je dodatočne ožiarená krátkou dávkou žiarenia z vysokovýkonneho lasera, koncentrovaného do lúča s priemerom »1mm, kde intenzita predstavuje cca 1017W/cm2. Absorbovaná energia prudko zvýši teplotu plazmy, čo môže viesť k účinnejšiemu zapáleniu termosyntézy. Reaktor by pracoval v rýchlom pulznom režime, v ktorom, by do ohniska laserových lúčov boli vrhané malé kapsle jadrového paliva (D+T) a synchrónne spúšťanie laserov v každej kapsle by vyvolalo termonukleárnu fúziu Komponenty fúznej elektrárne Deutérium a trícium sú privádzané do vákuovej nádoby, kde sa uvoľňuje fúzna energia.Energia je odvádzaná do obalu, kde neutróny reagují s Li a vzniká trícium. Teplo odvádzané z obalu sa používa na produkciu pary, ktorá poháňa turbínu elektrického generátora. Energia je odnášaná hlavne neutrónmi. Pri zrážkach ju neutróny odovzdajú časticiam v obale. Chladiaca zmes (hélium alebo voda) odvádzajú teplo z obalu do výmenika tepla. Tam je generovaná para, ktorá poháňa elektrický generátor. Z komory sa odoberá zmes fúzneho paliva a produkt reakcie He. Palivo je oddelené od He a vratené späť do plazmy. Heĺium je oddelené a ukladané Prednosť syntézy •Výhody syntézy v porovnaní so štiepením: • •1. Podstatne vyššia energetická účinnosť na hmotnostnú jednotku paliva zhruba 10 krát vyššia ako pri štiepných reakciách. •2. Čistota - nedochází k ohrozeniu rádioaktivitou, produkty vznikajúce pri jadrovej syntéze v zásade nie sú radioaktivné (výsledným "odpadom" je neškodné hélium). Rádioaktívne 3H v budúcich reaktoroch sa bude vyrábať a spotrebovávať v uzavretom cykle: • • • ktoré se potom spaľuje syntézou s deuteriom na neaktivné hélium. •3. Bezpečnost prevádzky – štiepny reaktor má vo vnútri nadkritické množstvo štiepneho paliva počas celej prevádzky, termojadrový reaktor bude palivo dostávať postupne po malých množstvách, pričom akákoľvek porucha naruší optimálne podmienky a reakciu samovoľne zastaví. Popol fúznej reakcie – hélium sa odčerpáva, je to neškodný inertný plyn. Fúzna elektráreň s výkonom 1000 MW bude produkovať ročne len 250 kg tohto plynu. Neriadená syntéza vodíková bomba • zmes trícia a deutéria, popr. lítia a deutéria s jadrovou rozbuškou (napr. explozívna štiepna reakcia U-235 alebo Pu-239 t.j. výbuchom menšej atómovej bomby) prudko zahreje na teplotu okolo 100 mil. stupňou, čím dôjde k explózii termonukleárnej reakcie, za uvoľnenia mnohonásobne väčšej energie, než u štiepnej atómovej bombe. • • Magnetické udržiavanie plazmy • Image0235 Image0236 Image0211 JadernaFuze Image0211 Tokamak • Image0211