wzbogacony w izotop 235
92U. Stężenie tego izotopu w uranie naturalnym, pozyskiwanym w kopalniach, jest rzędu 0,7% (resztę stanowi izotop 238
92U). Jest to za mało, by uzyskać stabilną pracę reaktora – wzbogacanie polega więc na eliminowaniu z uranu izotopu 238
92U aż do uzyskania stężenia 235
92U na poziomie od ok. 3% do ok. 20% (zależnie od typu reaktora). Jest to poziom wzbogacenia znacznie niższy niż w przypadku paliwa przeznaczonego dla bomby atomowej.
Pręty paliwowe zawierają, prócz paliwa, także substancje spowalniające neutrony uwolnione w reakcjach rozszczepiania – spowolnione neutrony znacznie częściej wywołują kolejne reakcje rozszczepiania niż neutrony szybkie. Prócz prętów paliwowych w rdzeniu reaktora znajdują się tzw. pręty regulujące. Zawierają one materiał pochłaniający neutrony. Głębokość ich zanurzenia w rdzeniu jest regulowana, by sterować współczynnikiem powielenia i w efekcie mocą reaktora. Rdzeń otoczony jest materiałem skutecznie odbijającym neutrony (ogranicza to ich ucieczkę z rdzenia). Na zewnątrz reaktor otoczony jest betonową osłoną radiacyjną, pochłaniającą promieniowanie i neutrony, które nie zostały zawrócone przez reflektor.
WYKŁAD 8-9 JĄDRO ATOMOWE
Rdzeń jest także wypełniony wodą (w reaktorach starszego typu stosowany bywał także ciekły sód). Spełnia ona rolę nośnika ciepła, a więc chłodziwa reaktora. Krążąc pod wysokim ciśnieniem w obiegu zamkniętym, woda wyprowadza wyzwolone w reakcjach rozszczepiania ciepło poza obszar reaktora. W wymienniku ciepła podgrzewa ona wodę krążącą w tzw. obiegu wtórnym, która zamienia się w parę i napędza generator elektryczny jak w każdej klasycznej elektrowni cieplnej.
WYKŁAD 8-9 JĄDRO ATOMOWE
SYNTEZA JĄDROWA
W początkowym fragmencie wykresu widać wzrost energii wiązania wraz ze zwiększaniem się liczby masowej A. Wzrost ten jest o wiele większy niż zmniejszanie się energii wiązania dla dużych wartości liczb masowych. Następuje też o wiele szybciej: od ok. 1 MeV na nukleon dla dwunukleonowego deuteru do ponad 7 MeV na nukleon dla czteronukleonowego 4
2He. Widzimy również wyraźne nieregularności: niektóre jądra o większych A mają energię wiązania nukleonu mniejszą niż jądra o mniejszych wartościach A. Wzrost ten kończy się na poziomie ponad 8 MeV na nukleon dla jąder atomowych o liczbie A rzędu 60. Typowo podaje się jądro żelaza 58
26Fe jako przykład jądra najsilniej związanego, oczywiście w przeliczeniu na jeden nukleon. Co wynika z takiego właśnie przebiegu tej zależności?
WYKŁAD 8-9 JĄDRO ATOMOWE
WYKŁAD 8-9 JĄDRO ATOMOWE
SYNTEZA JĄDROWA
Różnice w energii wiązania mają ścisły związek z różnicą mas cząstek przed reakcją i po niej. Takie reakcje, których produktami są jądra o większej energii wiązania, mogą dostarczyć ogromnej energii wynikającej z tej różnicy.
Przeprowadźmy reakcje, w których składnikami są jądra lekkie, słabo związane, np. deuter 2
1H i tryt 3
1H, zaś produktami – jądra bardziej złożone i silniej związane, np. 4
2He.
Można również połączyć jądra słabo związane (np. jądra litu 6
3Li i boru 10
5B). Produktami tych reakcji mogłyby być jądra węgla 12
6C lub tlenu 16 8O.
WYKŁAD 8-9 JĄDRO ATOMOWE
SYNTEZA JĄDROWA
Aby reakcje jądrowe mogły zajść, jądra muszą zbliżyć się na odległość, w której zaczną działać siły jądrowe. I tu dochodzimy do najważniejszego problemu: przy próbach zbliżania do siebie jąder atomowych odpychają się one elektrostatycznie (wszystkie mają dodatni ładunek elektryczny). Odpychanie to będzie coraz silniejsze w miarę zmniejszania się odległości między nimi.
Jak doprowadzić do reakcji syntezy jądrowej, w której nastąpi łączenie się jąder lżejszych w cięższe, o większej energii wiązania?
Jest to możliwe dzięki wysokiej temperaturze (rzędu 107K i więcej), ogromnej gęstości i ciśnieniu. W tych warunkach atomy nie istnieją: elektrony nie są związane z żadnymi konkretnymi jądrami atomowymi, lecz z konglomeratem wielu jąder – taki stan materii nazywamy plazmą. Jądra wodoru i innych lekkich pierwiastków stale znajduje się więc w niewielkiej odległości od siebie, rzędu 10−13m i mniejszej. (W zwykłej materii na Ziemi odległość między jądrami atomowymi sąsiadujących ze sobą atomów jest nie mniejsza niż 10−10m - typowy rozmiar niewielkiego atomu).
WYKŁAD 8-9 JĄDRO ATOMOWE
SYNTEZA JĄDROWA
Pojawiają się następujące pytania:
1.Jak utrzymać materię w tym stanie znacznie dłużej niż przez czas trwania wybuchu?
2.Jak spowolnić proces syntezy, by móc kontrolować tempo jej przebiegu i nadążać odbierać uwolnioną w nim energię?
3.Czy można przeprowadzić fuzję termojądrową w mniej „egzotycznych” warunkach?
Problemy techniczne:
Podstawowy problem to izolacja wysokotemperaturowa plazmy od ścianek pojemnika. Temperatura plazmy sięga dziesiątek milionów stopni, a takiej temperatury nie wytrzymują żadne ognioodporne materiały, przy styku z nią natychmiast by wyparowały.
www.proszynski.pollub.pl
WYKŁAD 8-9 JĄDRO ATOMOWE
SYNTEZA JĄDROWA
Reakcje syntezy jądrowej mają miejsce na Słońcu. Słońce jest kulą zjonizowanego gazu, w którym elektrony nie są związane z jądrami atomowymi. Stan taki nosi nazwę plazmy. Gaz ten składa się głównie z wodoru i helu. Duża masa (ponad 300 tysięcy mas Ziemi) sprawia, że ogromne siły grawitacji utrzymują w jądrze Słońca gigantyczne ciśnienia, co przy temperaturze powyżej 10 milionów stopni stwarza dogodne warunki dla samopodtrzymujących się reakcji termojądrowych.
Jak przeprowadzić reakcję syntezy jądrowej na Ziemi?
TOKAMAK -TOroidalnaja KAmiera s MAgnitymi Katuszkami – (toroidalna
komora z cewkami magnetycznymi). Jest to komora o kształcie toroidu – podobnym do opony koła samochodowego.
Od 2010 roku budowany jest w Cadarache (Francja)
eksperymentalny reaktor termojądrowy typu Tokamak o nazwie
ITER
(International Thermonuclear Experimental Reactor –
Międzynarodowy Eksperymentalny Reaktor Termojądrowy.
www.proszynski.pollub.pl
WYKŁAD 8-9 JĄDRO ATOMOWE
SYNTEZA JĄDROWA
Znajdująca się w komorze plazma (składniki reakcji dostarczane są w postaci porcji, jak paliwo w silniku spalinowym) poddana jest działaniu pól magnetycznych wytworzonych przez układ elektromagnesów skierowanych wzdłuż i w poprzek toroidu. Prowadzi to do wypadkowego pola o kształcie linii śrubowej. Prąd elektryczny indukowany w plazmie przez transformator i płynący wzdłuż obwodu toroidu podgrzewa plazmę, a wytworzone pole magnetyczne także ją ściska, nie pozwalając przy tym na kontakt ze ściankami komory. Produkowane w reakcji neutrony są elektrycznie obojętne, więc nie reagują na obecność pola magnetycznego, uciekają z obszaru, w którym zachodzą reakcje syntezy i są pochłaniane przez wewnętrzną osłonę tokamaka. Chłodzenie tej osłony cieczą pozwala wyprowadzić wyzwoloną w reakcji energię na zewnątrz reaktora.
WYKŁAD 8-9 JĄDRO ATOMOWE
SYNTEZA JĄDROWA
Reakcją termojądrową będącą źródłem energii jest rekcja syntezy ciężkich izotopów wodoru: deuteru i trytu.
Deuter na paliwo może być łatwo pozyskiwany z wody morskiej. Tryt może być produkowany w samej komorze w rezultacie oddziaływania wyzwalanych neutronów z jądrami litu wprowadzanymi do komory wraz z paliwem. Lit jest pierwiastkiem o liczbie atomowej Z=3 i jest dostępny w dużych ilościach na Ziemi. Reakcja zachodzi zgodnie ze schematem:
2 3 4 1
1
H
1H
2He
0n
7 1 4 3 1
WYKŁAD 8-9 JĄDRO ATOMOWE
DOZYMETRIA
Promieniowanie jonizujące towarzyszy nam od zarania dziejów. Pochodzi ono zarówno z przestrzeni kosmicznej, jak i z wnętrza naszego globu. Promieniowanie jest obecne wokół nas i wewnątrz nas, bo przecież oddychamy i spożywamy posiłki, a zarówno w powietrzu, jak i w środkach spożywczych zawarte są substancje promieniotwórcze. Przykładem może być izotop węgla 14
6C, obecny w każdym żywym organizmie. Czasami mówi się o „naturalnym tle” promieniowania, w którym żyjemy. Człowiek także wytwarza źródła promieniowania jonizującego do celów naukowych, technicznych, medycznych i wojskowych.
Możliwie ścisłe określenie pojęcia „dawki promieniowania” jest bardzo ważne. Zajmuje się tym dozymetria. Posiadanie urządzeń, które mogłyby mierzyć dawki promieniowania, określenie dopuszczalnych dawek, które nie zagrażają zdrowiu, oraz znajomość możliwych skutków w przypadku przekroczenia dawek dopuszczalnych są niezbędnymi elementami kompleksowego systemu bezpiecznego obchodzenia się z substancjami radioaktywnymi.
WYKŁAD 8-9 JĄDRO ATOMOWE
DOZYMETRIA
W celu ilościowego określenia wpływu promieniowania jonizującego na organizmy żywe zostały zdefiniowane wielkości charakteryzujące otrzymane dawki i ich biologiczne skutki dla organizmu.
Miarą dawki jest energia wydzielona wskutek różnorodnych procesów oddziaływania promieniowania z materią. Ilość wydzielonej w materiale energii zależy od:
•rodzaju i energii promieniowania,
•od własności materiału, w którym energia jest wydzielana.
Podstawową wielkością fizyczną w tym przypadku jest aktywność źródła promieniotwórczego ,o którym była już mowa.
Z punktu widzenia dozymetrii aktywność opisuje jedynie potencjalne zagrożenie napromieniowaniem organizmu żywego.
WYKŁAD 8-9 JĄDRO ATOMOWE
DOZYMETRIA
Skutki napromieniowania opisuje dawka pochłonięta przez organizm. Ma ona związek z aktywnością źródła, ale mierzy nie liczbę cząstek, które przeszły, przykładowo, przez ciało ludzkie, lecz wydzieloną przy tym przejściu całkowitą energię. Dodatkowo energia ta jest dzielona przez masę ciała.
1 grej (jednostka dawki pochłoniętej) jest więc równy energii jednego dżula pochłoniętej przez ciało o masie jednego kilograma
WYKŁAD 8-9 JĄDRO ATOMOWE
DOZYMETRIA
Jednoznaczne określenie wartości dawki pochłoniętej nie wystarcza do określenia jej skutku biologicznego z punktu widzenia konkretnego organizmu. Istotną rolę odgrywa przy tym wiele innych czynników.
Czynniki obiektywne:
•rodzaj pochłoniętego promieniowania (alfa, beta czy gamma), •rozkład dawki w czasie,
•rodzaj napromieniowanego narządu. Czynniki indywidualne:
•wiek, •płeć,
•stan zdrowia człowieka.
Z tego powodu wprowadzono pojęcie dawki skutecznej, która uwzględnia wspomniane czynniki i lepiej oddaje rzeczywiste zagrożenie dla wybranego organizmu.
WYKŁAD 8-9 JĄDRO ATOMOWE
DOZYMETRIA
Jednostką dawki skutecznej jest siwert:
1Sv=1J/kg
Wymiar tej dawki jest taki sam jak dawki pochłoniętej, ale wartość jest na ogół inna, bowiem dawka ta uwzględnia wspomniane powyżej i inne czynniki.
Tzw. czynnik wagowy dla promieniowania α wynosi 20, a dla
promieniowania β i γ równy jest 1. Dlatego dawce pochłoniętej od promieniowania α (wyrażonej w grejach) odpowiada dwudziestokrotnie większa dawka skuteczna wyrażona w siwertach. Obie dawki są natomiast jednakowe w przypadku promieniowania beta i gamma.
www.proszynski.pollub.pl
WYKŁAD 8-9 JĄDRO ATOMOWE
DOZYMETRIA – Wielkości dawek
•Według danych Państwowej Agencji Atomistyki dawka skuteczna (całkowita) otrzymana przez statystycznego Polaka to ok. 3,30 mSv (milisiwerta);
•Promieniotwórczy radon, który wdychamy wraz z powietrzem, dostarcza dawkę ok. 1,2 mSv rocznie (ok. 36% dawki całkowitej).
•Promieniowanie kosmiczne dostarcza na poziomie morza dawkę ok. 0,3–0,5 mSv/rok; na wysokości 3000 m n.p.m. ok. 1,2 mSv/rok; Na szczycie Mount Everestu dawka ta wynosiłaby ok. 10 mSv/rok.
•Diagnostyka medyczna (prześwietlenia rentgenowskie, tomografia itp.) jest źródłem – średnio – ok. 0,8 mSv/rok, czyli prawie 25% całej dawki.
•Dawka otrzymywana ze sztucznych źródeł to ok. 0,9 mSv/rok.
•Dopuszczalna dawka dla osób zawodowo narażonych na działanie promieniowania jonizującego wynosi 6 mSv/rok lub 20 mSv/rok, zależnie od kategorii pracowników, do której są zakwalifikowani.
WYKŁAD 8-9 JĄDRO ATOMOWE
OCHRONA RADIOLOGICZNA
Jak należy postępować, by w przypadku zagrożenia otrzymać jak najmniejszą dawkę? Przebywać jak najdalej od źródła promieniowania.