FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych

Prezentacja na temat: "FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych"— Zapis prezentacji:

1 FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych
Wykład 8 – Reakcje jądrowe

2 Reakcje jądrowe wielkie do kilku GeV kanał wejściowy  kanał wyjściowy
a + A  B + ... a + A  a + A rozpraszanie elastyczne a + A  a + A* rozpraszanie nieelastyczne Energie: niskie < 20 MeV średnie do kilkaset MeV wielkie do kilku GeV ultrawielkie

3 Badamy: przekroje czynne – miarę prawdopodobieństwa zajścia danego procesu tożsamości cząstek (masa, ładunek, spin, parzystość) charakterystyki kinematyczne (pt, pl, E, ) Eksperymenty ekskluzywne – pełna informacja o wszystkich produktach reakcji. Eksperymenty inkluzywne – badanie niektórych produktów reakcji

4 Przekrój czynny = efektywna powierzchnia

5 Przekrój czynny oddziaływanie pomiar prawdopodobieństa

6 n - strumień padających cząstek
k - koncentracja centrów tarczy (identycznych), m-3  - efektywna powierzchnia centrów, m2 Sdx - objętość warstwy kSdx - ilość centrów w warstwie kSdx - efektywna powierzchnia czynna warstwy (bez przekrywania) S dx

7 ułamek cząstek, które uległy oddziaływaniu:
prawdopodobieństwo oddziaływania pomiar  mierzymy n(x) dla różnych grubości x, znając k (koncentrację centrów) -wyznaczamy 

8 średnia droga swobodna:
pomiar  przez pomiar średniej drogi swobodnej jednostka przekroju czynnego: barn, b=10-28 m (geometryczny przekrój poprzeczny jądra A~120)

9 Różniczkowy przekrój czynny
x   d ( - kąt bryłowy) Różniczkowy przekrój czynny – prawdopodobieństwo, że produkty reakcji wylecą w kierunku wyznaczonym przez kąty  i .

10 symetria azymutalna: oś zderzenia   w ogólności:

11 podwójny różniczkowy przekrój czynny:
f() izotropia a -1 1 cos podwójny różniczkowy przekrój czynny:

12 Reakcje jądrowe lub Zasada zachowania energii:
Q > 0 – reakcja egzoenergetyczna Q < 0 – reakcja endoenergetyczna Energia progowa

13 Zasady zachowania Zasada zachowania ładunku:
Zasada zachowania liczby barionowej: przykłady: 21H + 21H  32He + n = = 3 + 1 p + 73Li  74Be + n = = 7 + 1 42He + 94Be  126C + n = = 42He + 115B  147N + n = = reakcja ładunek liczba nukleonów

14 Kinematyka reakcji laboratoryjny układ odniesienia: układ środka masy:
va MA Ma vB MB B vb b Mb LAB vB va MA Ma v‘B 'b Mb v'b MB ‘B CM układ środka masy:

15 Kinematyka reakcji prędkość środka masy: zasada zach. energii i pędu:
vb – prędkość cząstki b w ukł. lab. v’b – prędkość cząstki b w ukł. CM prędkość środka masy: v'b vb vo 'b b zasada zach. energii i pędu: energia całkowita:

16 Energia reakcji Q > 0 reakcja egzoenergetyczna
Q < 0 reakcja endoenergetyczna (istnieje próg) związek relatywistyczny: w przypadku nierelatywistycznym: wyznaczamy Q mierząc Tb i b

17 Model jądra złożonego Dwa etapy reakcji:
pocisk wchłonięty przez jądro – powstaje wzbudzone jądro zlożone rozpad jądra złożonego z emisją cząstek Przykład: rozszczepienie

18 Model jądra złożonego a + AZX  C* I etap  C’* + 
przejście do niższego stanu wzbudzenia C’*  b1 + Y1 + … II etap  b2 + Y2 + … np.:  42He Ni  Zn + 2n 6430Zn*  p Cu  Zn + n

19 rozkłady pędów i energii neutronów wtórnych również podobne
kształty rozkładów przekrojów czynnych podobne dla różnych reakcji – jądro złożone „nie pamięta” jak powstało. rozkłady pędów i energii neutronów wtórnych również podobne energia pocisku

20 Model jądra złożonego Rozkład energii kinetycznych cząstek wtórnych zbliżony do rozkładu Maxwella:  temperatura jądra? T  (5,200) MeV

21 Reakcje bezpośrednie 16O 17O 2H 1H b stripping (zdarcie): d + 16O  p + 17O (Q=1.92 MeV)

22 Reakcje bezpośrednie pick-up (poderwanie): d + 16O  3H + 15O 2H 3H b

23 Reakcje bezpośrednie twarde widma (przesunięte do wyższej energii) z ostrym maksimum (n,p) jądro złożone liczba protonów (n,p) reakcja wprost energia protonów anizotropowy rozkład kątowy z maksimum dla małych kątów słaba zależność przekroju czynnego od energii cząstki padającej  reakcja jednoetapowa, peryferyjna

24 Energia jądrowa rozszczepienie synteza jądrowa

25 Rozszczepienie lata 30 XX w. – poszukiwanie nowych nuklidów
reakcja przez jądro złożone n U  23992U +  23992U  23993Np + e + e  transuranowce  kolejna przemiana  Ponadto stwierdzono obecność w stanie końcowym jąder środkowej części układu okresowego.

26 Transuranowce Jądra nie występujące w przyrodzie – stworzone sztucznie
Nietrwałe: przemiana  lub rozszczepienie Z nazwa 93 neptun 94 pluton 95 ameryk 96 kiur 97 berkel 98 kaliforn 99 einstein 100 ferm … 114 Uuq długi czas życia (dziesiątki sekund) – 114 liczba magiczna

27 Rozszczepienie liczba neutronów 0 – 8, średnio 2,5 najbardziej prawdopodobne liczby masowe: 95 i 139, liczby atomowe: 38 i 54 Udział procentowy fragmentów rozszczepienia w zależności od liczby masowej A

28 Reakcja rozszczepienia
Zmiany energii potencjalnej podczas rozszczepienia.

29 Reakcja rozszczepienia
przy rozszczepieniu jądra (energia wiązania 7,5 MeV) powstaną dwa o liczbie masowej zbliżonej do 118 i energii wiązania ~8,35 MeV) w jednym akcie rozszczepienia wyzwoli się energia (8,35-7,5)235=202 MeV. W jednym kilogramie uranu znajduje się 2,461024 jąder, co oznacza, że przy całkowitym rozszczepieniu jąder znajdujących się w 1kg uranu uzyska się energię: W celu wytworzenia tej ilości energii w elektrownii konwencjonalnej należałoby spalić ok t węgla kamiennego.

30 Reakcja rozszczepienia
wyzwala się 180 MeV rozpad  - wyzwala się 5,6 MeV

31 Reakcja rozszczepienia

32

33 reakcja rozszczepienia

34

35 reakcja łańcuchowa 235U – 0,72%

36

37 bilans energia kinetyczna jąder produktów MeV energia wynoszona przez neutrony MeV energia natychmiastowych kwantów  MeV energia rozpadów jąder promieniotwórczych 25 MeV razem MeV spalanie węgla: 4 eV na atom (C + O2 = CO2)

38 Reaktor jądrowy Główna część energii rozszczepienia - energia kinetyczna fragmentów. wzrost temperatury Wykorzystanie ciepła generowanego w paliwie jądrowym jest głównym celem eksploatacji reaktorów energetycznych.

39 Reaktor Przekrój czynny na rozszczepienie maleje ze wzrostem energii neutronów. Z punktu widzenia skuteczności działania neutrony dzielimy na: Neutrony prędkie o energii większej niż 0,5 MeV Neutrony pośrednie o energii 0,1 eV - 0,5 MeV Neutrony termiczne o energii ok. 0,025eV

40 Paliwo reaktora Izotop jest jedynym nuklidem występującym w stanie naturalnym w przyrodzie , który można rozszczepić neutronami termicznymi. stanowi wagowo 0,71% uranu naturalnego, resztę stanowi izotop wzbogacanie paliwa. Neutronami prędkimi można rozszczepić także jądra izotopów i nuklidy wytwarzane z toru i uranu

41 Paliwo reaktora Reakcje powielania paliwa: izotopy paliworodne
izotopy rozszczepialne

42 Warunki podtrzymania reakcji: masa krytyczna
Kontrola reakcji: wychwyt neutronów – zahamowanie reakcji łańcuchowej. Warunki podtrzymania reakcji: masa krytyczna spowalnianie neutronów 2 MeV ,1 eV

43 Reaktor Rdzeń: paliwo jądrowe otoczone moderatorem (spowalniaczem neutronów), z odpowiednimi kanałami przepływu czynnika chłodzącego oraz kanałami dla urządzeń sterujących W rdzeniu jest wytwarzana w procesie rozszczepienia jądra energia cieplna oraz strumień neutronów, niezbędny do podtrzymywania reakcji łańcuchowej. Pozostałe główne elementy reaktora tworzą: reflektor neutronów, osłona termiczna, zbiornik reaktora i osłona biologiczna.

44 Liczba neutronów powstających w reaktorze w jednostce czasu jest większa niż liczba neutronów traconych. Grozi wybuchem Liczba neutronów powstających w reaktorze w jednostce czasu jest równa liczbie neutronów traconych. W reaktorze zachodzi kontrolowana, samopodtrzymująca się, reakcja łańcuchowa. Liczba neutronów powstających w reaktorze w jednostce czasu jest mniejsza niż liczba neutronów traconych. Reakcja wygasa

45 Reaktor jądrowy 1. Pręty paliwowe – materiał rozszczepialny
3. Kanał chłodzenia - ciekły sód lub woda 4. Pręty regulacyjne (kadm pochłania neutrony - ma spowalniać lub przyspieszać reakcję) 2. Moderator ( spowalnia neutrony) - grafit lub tzw. ciężka woda

46 Reaktor wysokotemperaturowy

47

48

49

50

51

52 Reaktor wysokotemperaturowy
Reaktor ten posiada kilka bardzo interesujących cech: Praca w bardzo wysokich temperaturach. Temperatura chłodziwa dochodzi nawet do 1000°C, dzięki czemu może zostać wykorzystane jako źródło ciepłą do zasilania procesów przemysłowych wysokotemperaturowych Wysoka sprawność. Dzięki dobremu bilansowi neutronów uzyskuje się współczynnik konwersji równy jedności i bardzo wysokiego stopnia wypalenia paliwa. Istnieje możliwość zmiany paliwa w trakcie pracy reaktora. Wysoki stopień bezpieczeństwa. Reaktor ten charakteryzuje się dużą pojemnością cieplną, dzięki czemu jest mniej wrażliwy na awarie systemu chłodzenia – bez uszkodzenia może przetrzymać w takim stanie godzinę (dla porównania PWR do 2 minut). Także charakteryzują się bardzo niskim stopniem narażenia radiacyjnego personelu.

53 bomba atomowa Hiroshima :16:02 Nagasaki