Wykład 7. Elementy fizyki jądrowej

(1)

1 wykład 71 wykład 7

Wykład 7. Elementy fizyki jądrowej

1. Budowa jądra atomowego

2. Oddziaływania jądrowe, defekt masy 3. Stabilność, rozpady jądrowe

4. Reakcje jądrowe – rozszczepienie i synteza 5. Energetyka jądrowa

6. Awaria w Czarnobylu I Fukushimie Plan wykładu:

Dodatkowa literatura Do tego wykładu: B. Dziunikowski, O fizyce i energii jądrowej https://winntbg.bg.agh.edu.pl/skrypty3/0361/

(2)

1. Podstawowe wiadomości o jądrze atomowym (nuklidzie)

Przypominam: odkryte przez Rutheforda w eksperymentach z rozpraszaniem cząstek a

Budowa: protony + neutrony (nukleony)

Proton – ładunek +1, masa 1,6726 × 10^-27 kg

Neutron – ładunek 0, masa 1,675 x 10^-27 kg, nietrwały poza jądrem

●Liczba protonów = Z

●Liczba nukleonów = A (liczba masowa)

●Liczba neutronów N = A - Z Przykład: beryl ⁹₄Be:

• Z = 4

• A = 9

(3)

1.2 Podstawowe wiadomości o jądrze atomowym (nuklidzie)

Jądro – w przybliżeniu kształt kulisty

Promień jądra rzędu 10^-15 m (femtometr), zależy od A

● Gęstość materii jądrowej ogromna!

 ~ 10¹⁷ kg/m³

1 łyżeczka (5 ml) materii jądrowej miałaby masę 5x10⁸ ton! (500 milionów ton) Izotopy

● Jądra tego samego pierwiastka mogą mieć różną liczbę neutronów (różną liczbę masową)

● Izotopy = jądra o tym samym Z i różnym A

● beryl ⁹₄Be – izotop trwały, ⁸₄Be – nietrwały (10^-17 s)

● węgiel ¹²₆C, ¹³₆C – izotopy trwałe, ¹⁴₆C – nietrwały (5700 lat)

(4)

2. Oddziaływania w jądrze

Co trzyma jądro w całości?

Atom – elektrony i jądro – są związane oddziaływaniem elektrostatycznym (przyciąganie ujemnych elektronów i dodatnich protonów)

A jądro może zawierać do ponad 100 odpychających się protonów i to w bardzo bliskich odległościach. Coś musi przezwyciężać to odpychanie!

(5)

2. Oddziaływania w jądrze

Co trzyma jądro w całości?

Atom – elektrony i jądro – są związane oddziaływaniem elektrostatycznym (przyciąganie ujemnych elektronów i dodatnich protonów)

A jądro może zawierać do ponad 100 odpychających się protonów i to w bardzo bliskich odległościach. Coś musi przezwyciężać to odpychanie!

Oddziaływania jądrowe (silne) – krótkozasięgowe, przyciągające

● Jednakowe dla p-p, p-n, n-n

● Kompensuje z naddatkiem kulombowskie odpychanie protonów

(6)

2. Oddziaływania w jądrze

(7)

2.2 Oddziaływania w jądrze. Deficyt masy

Masa jądra ≠ masy składników Przykład: Hel ⁴₂He

4

2He = 2· ¹₁p + 2· ¹₀n

2M(p) + 2M(n) = 2·1.0078252 u + 2·1.0086654 u = 4.0329812 u

● Jądro He jest lżejsze o

△M = 0.0303779 u – deficyt masy

● Energia wiązania jądra atomowego E = △Mc²

28.3 MeV dla ⁴₂He

Energia wiązania na nukleon - jeden z najważniejszych wykresów w przyrodzie

(8)

2.3 Ścieżka stabilności jąder atomowych

Jądra ciężkie mają więcej neutronów, niż protonów -

“rozcieńczają” ładunek.

Najcięższe jądro z izotopami trwałymi: ołów, Z = 82

(ale bizmut Z = 83 ma czas połowicznego rozpadu 10¹⁷ lat, więc w sumie też stabilny).

Jądra cięższe, ale też niektóre izotopy jąder lekkich są

(9)

3. Rozpady jądrowe

Istnieją jądra (i izotopy) stabilne i niestabilne (ulegające rozpadowi po różnym czasie). Wśród niestabilnych możemy wyróżnić:

● Jądra promieniotwórcze pochodzenia naturalnego, zawarte w skorupie Ziemskiej

● Jądra nie znajdujące się w stanie podstawowym, powstałe w wyniku innych reakcji jądrowych (np. wywołanych przez człowieka)

Rozpad -> dojście do stanu podstawowego przez zmianę liczby nukleonów, któremu często towarzyszy emisja promieniowania

● Trzy podstawowe rozpady jądrowe:

● Alfa a

● Beta b (+ i -)

● Gamma g (emisja promieniowania [foton] a nie rozpad)

● Odkrycie promieniotwórczości:

Henri Becquerel 1896, Maria

Skłodowska-Curie i Pierre Curie 1898 Proces samorzutny, korzystny energetycznie.

(10)

3.1 Rozpad alfa

Występuje najczęściej dla jąder o Z>82 - "zbyt duża" liczba protonów Polega na emisji z jądra cząstki a czyli jądra ⁴₂He (efekt tunelowy)

Ciężkie jądra – En. wiązania rośnie przy zmniejszaniu liczby nukleonów

po rozpadzie

przesuwamy się w tę stronę

(11)

3.2 Rozpad beta +/ beta -

Zamiana wewnątrz jądra protonu w neutron

Emisja pozytonu (antyelektron, ładunek +1, masa elektronu) i neutrina elektronowego

Bez zmiany liczby masowej A

● Zamiana wewnątrz jądra neutronu w proton

● Emisja elektronu i antyneutrina elektronowego

● Bez zmiany liczby masowej A

beta - beta +

Efekt istnienia tzw. oddziaływań słabych

(12)

3.2 Rozpad beta: neutrina

• Analiza energii rozpadu beta doprowadziła do hipotezy istnienia cząstki obojętnej słabo oddziałującej z otoczeniem i o bardzo małej (sądzono, że może zerowej) masie – neutrina (Pauli, 1930)

• Potwierdzenie doświadczalne 1956

• Słońce produkuje 10³⁴ neutrin/s

• Przez ciało człowieka przelatuje 10¹⁴ neutrin/s!

• Problem neutrin słonecznych

i słynny eksperyment super Kamiokande

(1998 – 2002): oscylacje neutrin (3 typy: elektro- nowe, mionowe, taonowe, neutrina mają masę)

(13)

3.3 Promieniowanie gamma

● Rozpadom alfa i beta towarzyszy zazwyczaj emisja wysokoenergetycznego promieniowania elektromagnetycznego zwanego promieniowaniem gamma

● Jądra ze stanu wzbudzonego przechodzą do niższych stanów energetycznych

● Emisja kwantu gamma (fotonu) bez zmiany liczby nukleonów

(14)

4. Prawo rozpadu

Jak zmienia się w czasie liczba jąder promieniotwórczego materiału?

• W próbce mamy N jąder

• W czasie (t, t+dt) ulegnie rozpadowi dN jąder

• dN  N:

Stała proporcjonalności l – stała rozpadu

Do scharakteryzowania szybkości rozpadu używa się czasu połowicznego rozpadu (zaniku) T_1/2. Jest to taki czas, po którym liczba jąder danego rodzaju maleje do połowy, tzn:

(15)

4.2 Prawo rozpadu

(16)

5. Promieniotwórczość sztuczna

Jądra mogą zostać wzbudzone np strumieniem neutronów, cząstek a, fotonów czy innych jąder, aby zaszły reakcje jądrowe. W szczególności można w ten sposób

“wyprodukować” radioaktywne izotopy, które można wykorzystywać np. w medycynie. Np. Kobalt-60 (radioterapia nowotworowa)

okres połowicznego rozpadu 5 lat

kwanty gamma do niszczenia komórek nowotworowych

Irène & Frédéric Joliot-Curie, 1934

Ośrodek Radioizotopów POLATOM w

Narodowym Centrum Badań Jądrowych w

(17)

6. Datowanie radioizotopowe

● Idea – pomiar zawartości izotopu radioaktywnego w próbce oraz produktów jego rozpadu określa wiek próbki np. skamieliny

● Najbardziej znana: metoda radiowęglowa (węgiel ¹⁴C)

● Pomiar proporcji ¹⁴C do trwałych ¹³C i ¹²C

● 14C produkowany z azotu w górnych warstwach atmosfery przez promieniowanie kosmiczne

● Udział % w stosunku do stabilnego węgla jest w przybliżeniu stały. ¹⁴C poprzez CO₂ wchodzi do fotosyntezy i trafia w obieg węgla w przyrodzie

● Rozpad: (T_1/2 5740 lat)

● Dopóki organizm żyje = utrzymuje stały poziom ¹⁴C

● Umiera – przestaje wymieniać CO₂ – poziom ¹⁴C maleje. Z proporcji tego co zostało, do tego co się rozpadło = wiek próbki

(18)

7. Reakcje jądrowe - rozszczepienie

• Jeżeli ciężkie jądro rozdzielimy na dwie części, to powstałe dwa mniejsze jądra są silniej wiązane od jądra wyjściowego.

Dwie części mają masę mniejszą niż masa jądra wyjściowego. Dzięki temu w reakcji rozszczepienia wydziela się energia

(bomba A i reaktor jądrowy)

(19)

7.2 Reakcje jądrowe - rozszczepienie

• Jądra ciężkie mają nadmiar neutronów w stosunku do lekkich – emisja neutronów mogących podtrzymywać reakcję rozszczepienia

• Rozszczepienie jądrowe może stać się procesem samopodtrzymującym w wyniku tzw. reakcji łańcuchowej .

Ilość materiału powyżej, której spełniony jest powyższy warunek nazywamy masą krytyczną (²³⁵U 52 kg, ²³⁹Pu 10 kg)

• Masa materiału rozszczepianego może też być nadkrytyczna. Wówczas neutrony powstałe w wyniku jednego rozszczepienia wywołują więcej niż jedną reakcję wtórną. Mamy do czynienia z lawinową reakcją

łańcuchową (bomba A)

(20)

7.3 Reakcje jądrowe - synteza

• Masa dwóch lekkich jąder jest większa niż masa jądra powstającego po ich połączeniu. Jeżeli jądra zbliżymy do siebie na małą odległość, to z

połączenia powstanie nowe jądro i wydzieli się energia związana z różnicą mas.

• Problem – odpychanie kulombowskie

• Potrzebna bardzo wysoka temperatura T > 10⁷ K

• Reakcje termojądrowe

• Bomba wodorowa (termojądrowa) – zapalnikiem jest 'zwykła' bomba atomowa

(21)

7.4 Reakcje jądrowe – synteza w gwiazdach

• Źródłem energii gwiazd – synteza termojądrowa

• Słońce – cykl protonowy (cykl pp)

• Dmc² = 23.67 MeV/cykl

• Dm = 4.1 mln ton /s

(22)

8. Energetyka jądrowa

• Kontrolowana reakcja rozszczepienia uranu

• Bezpieczna

• Ekologiczna (brak emisji gazów, w tym CO₂)

• Duże zasoby paliwa

• Tania (ale długofalowo!)

• Elektrownia jądrowa o mocy 1000 MW rocznie zużywa 35 ton paliwa. Węglowa 7000 ton dziennie

• Problem składowania odpadów, ale nie jest ich tak dużo!

(23)

8.2 Schemat elektrowni jądrowej

Schemat elektrowni jądrowej z reaktorem wodnym ciśnieniowym PWR. 1. Blok reaktora 2. Komin

chłodzący 3. Reaktor 4. Pręty kontrolne 5. Zbiornik wyrównawczy ciśnienia 6. Generator pary 7. Zbiornik paliwa 8. Turbina 9. Prądnica 10. Transformator 11. Skraplacz 12. Stan gazowy 13. Stan ciekły 14.

Powietrze 15. Wilgotne powietrze 16. Rzeka 17. Układ chłodzenia 18. I obieg 19. II obieg 20. Para wodna 21. Pompa

grafika: wikipedia

(24)

8.3 Energetyka jądrowa na świecie

• Czystsza energia – reakcja syntezy. Na ziemi – w bombie wodorowej

(25)

8.4 Katastrofa w Czarnobylu

Elektrownia oddana do użytku pod koniec lat 70.

• 4 reaktory RBMK (pol. reaktor kanałowy dużej mocy)

• oparte na reaktorach przewidzianych do produkcji plutonu

• reaktor chłodzony wodą z moderatorem grafitowym (moderator – spowalnia neutrony aby mogły podtrzymywać reakcję łańcuchową)

26 kwietnia 1986

(26)

8.4 Katastrofa w Czarnobylu

26 kwietnia 1986

Reaktor nie posiadał osłony bezpieczeństwa, pracował w dodatnim sprzężeniu zwrotnym (wzrost mocy – jeszcze większy wzrost mocy)

(27)

8.4 Katastrofa w Czarnobylu

Wybuch (wodór) w budynku reaktora nr 4

• Uwolnienie do atmosfery znacznej ilości radionuklidów, w tym jod I-131, cez Cs-134 i Cs 137. Okres połowicznego rozpadu jodu -131 osiem dni, Cs -134 2 lata, a cez Cs 137 – 30 lat

Przyczyny:

• Nieodpowiedzialność i błędy obsługi

• Niebezpieczny eksperyment

• Wyłącznie wszystkich zabezpieczeń

• Wady konstrukcyjne reaktora (taki typ reaktora tylko w ZSRR, zaprojektowany aby możliwe pozyskanie plutonu do bomb jądrowych)

● 31 ofiar bezpośrednich, 200 zachorowań na chorobę popromienną

● około 4000 przypadków nowotworu tarczycy łączonych z katastrofą, z czego do kilkudziesięciu śmiertelnych. Dużo więcej z powodu ewakuacji (depresja, alkoholizm, samobójstwa)

● średnia roczna dawka promieniowania przyjęta w PL z powodu Czarnobyla w rok od wybuchu:

0.27 mSv, a roczna ze źródeł naturalnych 2.5 mSv. Wzorowo przeprowadzona akcja podania płynu Lugola (18 mln osób w kilka dni, głównie dla dzieci poniżej 16 r.ż.) z perspektywy czasu wydaje się niekonieczna (ale nie wiadomo było jakie będzie skażenie, więc decyzja właściwa)

26 kwietnia 1986

(28)

(29)

(30)

(31)

nowa osłona reaktora oddana do użytku w 2019 roku

(32)

8.5 Katastrofa w Fukushimie

• Japonia 3 na świecie pod względem liczby reaktorów

• Niestety leży na styku płyt tektonicznych, przez co obszar aktywny sejsmicznie

• 11 marzec 2011 potężne trzęsienie ziemi (9 w skali Richtera)

(33)

8.5 Katastrofa w Fukushimie

(34)

8.5 Katastrofa w Fukushimie

• 2011 trzęsienie Ziemi (9 stopień) i tsunami, epicentrum 130 km od elektrowni

• Reaktory BWR (wrząca woda, 1 obieg)

• Kontrolowane awaryjne wyłączenie reaktorów (opuszczenie prętów

kontrolnych), zasilanie systemów chłodzących z generatorów spalinowych

• po 50 minutach przychodzi fala tsunami o wysokości ~14-15 metrów

(35)

8.5 Katastrofa w Fukushimie

(36)

8.5 Katastrofa w Fukushimie

• Tsunami powoduje zalanie budynków i odcięcie zasilania awaryjnego

• Już 11.03 rozpoczęta ewakuacja z terenu do 3 km od elektrowni, 12.03 już do 20 km

• Następuje stopniowe przegrzewanie i stapianie rdzeni reaktorów 1-3

• Uwalniany wodór powoduje wybuchy

• https://www.youtube.com/watch?v=psAuFr8Xeqs

• https://www.youtube.com/watch?v=haUawwm7l4k

• rozszczelnienie obudowy reaktorów powoduje uwolnienie do atmosfery oraz do przepływającej wody radioizotopów (Kr-85, Xe-133, Te-132, I-131, Cs-

137, Cs-134, Pu-238-239-240)

(37)

8.5 Katastrofa w Fukushimie

(38)

8.5 Katastrofa w Fukushimie

Ogólnie uznana za katastrofę tego samego stopnia (7, najwyższy), co w Czarnobylu, jednak sumaryczne aktywności radioizotopów rząd wielkości niższe

• Brak bezpośrednich ofiar awarii, w porównaniu do 16 tyś ofiar trzęsienia i tsunami (3 pracowników zginęło, 1 spadł z suwnicy, 2 utonęło po zalaniu elektrowni)

• Osoby postronne, narażone na napromieniowanie przyjęły dawki poniżej 1%

naturalnej rocznej dawki

• Nowsze konstrukcje reaktorów mają mieć pasywne chłodzenie działające ZAWSZE

• Ponadto, przypominam, że na świecie wykonano około 2000 !!! próbnych wybuchów bomb jądrowych i wodorowych, które wprowadziły do środowiska istotną ilość

radionuklidów sztucznych.

(39)

9. Elektrownia w Polsce?

• Koniec lat '80 – wstrzymanie budowy elektrowni w Żarnowcu

(nie jest prawdą, że miała to być kopia elektrowni z Czarnobyla – inny, bezpieczniejszy typ reaktora, tzw PWR (dwa obiegi wodne, o mniejszej mocy, w szczelnej osłonie woda pod ciśnieniem która jest moderatorem, ujemne sprzężenie zwrotne – samoczynnie spada moc przy zbytnim

nagrzaniu prętów)

• Program budowy elektrowni o mocy 3 GW przyjęty w 2014 r, miała powstać do 2035 r.

• 2021r: w dokumencie "Polityka Energetyczna Polski do 2040 r." przyjętym przez rząd 2.02.2021 przewiduje budowę elektrowni jądrowej, pierwszy blok miałby zostać uruchomiony w 2033 roku.

• Elektrownia jest potrzebna i nie należy się jej bać

(40)

10. Czy w Polsce jest działający reaktor jądrowy?

(41)

10. Czy w Polsce jest działający reaktor jądrowy?

• TAK

• Narodowe Centrum Badań Jądrowych w Świerku (niedaleko Warszawy)

(42)

10. Czy w Polsce jest działający reaktor jądrowy?

• TAK

• Narodowe Centrum Badań Jądrowych w Świerku (niedaleko Warszawy)