Energia w środowisku (9)

Przypomnienie: Energia wiązania jądra atomowego Olbrzymia różnica między energią wiązań elektronów z jądrem atomowym a energią wiązania między nukleonami (protonami i neutronami) tworzącymi wspólnie jądro atomowe Wiązania chemiczne: eV Wiązania jądrowe: MeV Reakcja spalania węgla: C + O2 = CO2 + 4eV Reakcja rozszczepienia uranu: 235U + n = F1 + F2 + neutrony + 200MeV

Energia wiązania jądra atomowego Energia towarzysząca przemianie jednego jądra atomowego w inne jądro lub inne jądra jest ponad milion razy większa od energii towarzyszącej przemianom chemicznym Jak wykorzystać tą olbrzymią energię: E = mc2 Można zastosować reakcje jądrowe, w których z jąder o większej łącznej masie powstaną jądra o mniejszej masie. Różnica mas zamieni się na energię kinetyczną produktów reakcji zgodnie z równaniem E = Dmc2

Energia wiązania jądra atomowego: EB/A w zależności od A Silnie związane jądra to jądra o liczbie A 50=60 Słabo związane to jądra lekkie i jądra bardzo ciężkie Reakcja jest egzotermiczna, gdy ze słabo związanego jadra powstaje jądro silnie związane

Reakcja rozszczepienia jądra atomowego Po zaabsorbowaniu jednego neutronu z jądra 235U, które jest stosunkowo słabo związanym jądrem, powstały dwa jądra: 89Kr i 144Ba, które są silniej związanymi jądrami niż 235U. W reakcji powstały również 3 neutrony a także wytworzyła się energia 200 MeV

Reakcja rozszczepienia jądra atomowego Podział jądra na dwa fragmenty nie następuje zawsze na ten sam sposób Przy kolejnych podziałach mogą powstać różne jądra końcowe – nazywamy je produktami rozszczepienia Oprócz produktów rozszczepienia powstają także neutrony. Również liczba powstających neutronów zmienia się od przypadku do przypadku.

Produkty rozszczepienia jądra atomowego Jądro 235U dzieli się na dwa jądra, z których jedno najczęściej ma liczbę masową w zakresie od 90 do 100 a drugie od 130 do 140

Produkty rozszczepienia jądra atomowego Jądra, które powstają w wyniku rozszczepienia są radioaktywne: Produkty rozszczepienia to radioaktywne izotopy bardzo wielu pierwiastków:

Produkty rozszczepienia jądra atomowego Zmiana ich aktywności z czasem Produkty rozszczepienia jądra atomowego mają bardzo różne czasy połowicznego zaniku od milisekund do miliona lat. Z punktu widzenia zagrożenia radiologicznego niebezpieczne są izotopy o T1/2 od kilkudziesieciu dni do kilkudziesięciu lat.

Rozszczepienie jądra atomowego - neutrony Podczas rozszczepienia jądra 235U powstają neutrony. W różnych rozpadach powstaje różna liczba neutronów. Najczęściej od 2 do 3, minimalnie 0 a maksymalnie 6. Średnia liczba neutonów wynosi n = 2.45 Również energia neutronów nie jest ściśle określona. Średnia energia wynosi około 1 MeV Rozkład energii neutronów

Rozszczepienie jądra atomowego – Bilans energii 235U + n = F1 + F2 + neutrony + ok..200MeV Energia kinetyczna dwóch fragnetów razem wynosi ok..167 MeV. Powstałe jadra F1 i F2 natychmiast są wyhamowywane. Ich enegia kinetyczna zamienia się na ciepło. Uran nagrzewa się. Energia kinetyczna neutronów to ok.. 5 MeV. Neutrony są wyhamowywane na znacznie dłuższej drodze niż jądra. Ich energia zamienia się również natychmiast na ciepło. Dwa powstałe jądra są radioaktywne i rozpadają się stopniowo poprzez rozpad b. Podczas rozpadu powstaje promieniowanie b i neutrina. Rozpadowi towarzyszy emisja promieniowania g. Energia promieniowania b (5 MeV) i g (13 MeV) jest wydzielona z opóźnieniem w rdzeniu reaktora. Natomiast neutrina unoszą swoją energię (11 MeV) daleko od miejsca powstania. W reaktorze w postaci ciepła pozostaje w sumie 192 MeV z całkowitej energii rozszczepienia, która wynosi 203 MeV

Kolejne rozszczepienia jądra atomowego Reakcja łańcuchowa Powstające w wyniku rozszczepienia neutrony mogą zostać pochłonięte przez inne jądro 235U i wywołać jego rozszczepienie. Znowu nowe neutrony mogą wywołać rozszczepienie kolejnych jąder 235U. Może rozwinąć się reakcja łańcuchowa W przyrodzie nie obserwujemy takiej reakcji. Dlaczego?

Reakcja łańcuchowa Bilans liczby neutronów 235U + 1n (powolny) = A1F1 +A2F2 +  n(prędkie)  = 1-6;  średnie = 2.45 Średnia liczba neutronów jest większa od 1 więc reakcja łańcuchowa jest możliwa Problem niewłaściwej energii neutronów Problem pochłanianie neutronów przez inne izotopy uranu i jądra innych pierwiastków Konkurencyjna reakcja to reakcja wychwytu neutronu przez jądra izotopów 238U. Abundancja 238U wynosi aż 99.3% Jakie jest prawdopodobiństwo wychwytu neutronów przez izotopy 235U i 238U.

Reakcja łańcuchowa Dlaczego powolne neutrony? W przeciwieństwie do neutronów prędkich neutrony wolne (inaczej neutrony termiczne) o energii około 0.02 eV są bardzo chętnie wychwytywane przez jądra 235U Wychwyt neutronów termicznych przez izotopy uranu: s(235U) = 580 b s(238U) = ok..2b Uwaga: Neutrony o energii około 1 eV są rezonasowo absorbowane przez 238U z s dochodzącym do kilku tysięcy b

Warunek rozwijania się reakcji łańcuchowej Aby reakcja była kontynuowana liczba neutronów nie może zmniejszać się z kolejnych pokoleniach Zdefiniowany jest współczynnik powielania neutronów k równy stosunkowi liczby neutronów w bieżacym i liczby neutronów w poprzednim pokoleniu Reakcja łańcuchowa będzie przebiegała w sposób ciągły, gdy udaje się kontrolować strumień neutronów, tak aby był na stałym poziomie czyli udaje się ustalić warunki, w których k=1.

Realizacja reakcji łańcuchowej Użycie jako materiału rozszczepialnego separowanego izotopu uranu 235U (wzbogacenie do ponad 90% w 235U) Reakcja niekontrolowana Wykonanie urządzenia, w którym neutrony prędkie są spowonione poza uranem i wracają do uranu gdy mają energie termiczne – reakcja kontrolowana: reaktor jądrowy

Realizacja reakcji łańcuchowej Pomysł: Powstające neutrony o energii około 1 MeV powinny szybko opuścić uran (pręt paliwowy) i znaleźć się w środowisku, które nie absorbuje a spowalnia neutrony. Gdy energia neutronów spadnie poniżej 1 eV mogą one znowu trafić na obszar zajęty przez inny lub ten sam pręt paliwowy. Gdy neutron ma już energię termiczną (poniżej 0.1eV) jest słabo pochłaniany przez 238U (przekrój czynny ok. 2 barny) Za to 235U silnie pochłania neutrony o tej energii (przekrój czynny ok. 580 barnów) Realizacja: Paliwo w postaci prętów o średnicy (1.0-1.5 cm) i odległości między prętami ( ok. 20 cm) Rozmiary dobrane są tak, aby strata neutronów na skutek absorpcji przez 238U i przez jądra atomów moderatora i elementów konstrukcyjnych reaktora była jak najmniejsza.

Realizacja reakcji łańcuchowej Reaktor jądrowy Elementy rdzenia reaktora jądrowego: Pręty paliwowe Moderator – spowalniacz neutronów Pręty kontrolne Osłona

Rodzaje reaktorów jądrowych Reaktory jądrowe różnią się: Rodzajem paliwa (jego wzbogaceniem w 235U) Rodzajem moderatora neutronów Sposobem odbioru energii (ciepła)

Pręty paliwowe reaktora jądrowego W reaktorach energetycznych standardowy pręt składa się z pastylek z UO2 o rozmiarach: średnica 0.5”, wysokość 1”. Pastylki ustawione są jedna nad drugą w rurce metalowej z Zr o wysokości około 3m. UO2 ma strukturę ceramiczną, jego temperatura topnienia wynosi 3000oC; zatrzymuje produkty rozszczepienia

Pręty paliwowe reaktora jądrowego Pastylki tworzą pręt paliwowy Pręty zestawia się w kasety Kaseta zawiera do 200 prętów

Moderator w reaktorze jądrowym Za moderatory służą substancje, które efektywnie wyhamowywują neutrony (o małej liczbie masowej A), które bardzo słabo pochłaniają neutrony Są to: Woda H2O Ciężka woda D2O Grafit C W reaktorach energetycznych moderatorem jest zwykła woda pod ciśnieniem około 150 atmosfer i temperaturze około 300oC

Pręty regulujące i pręty bezpieczeństwa w reaktorze jądrowym Pręty regulujące to pręty o rozmiarach prętów paliwowych zrobione z substancji silnie absorbujących neutrony: Cd, B, In, Ag Wsuwanie i wysuwanie pręta reguluje strumień neutronów i tym samym liczbę rozszczepiających się jąder w ciągu 1 sekundy Pręty bezpieczeństwa zrobione są z podobnego materiału i znajdują się nad rdzeniem reaktora. Przekroczenie określonej mocy reaktora powoduje automatyczne wstrzelenie pręta do rdzenia i zatrzymanie pracy reaktora

Energetyczny reaktor jądrowy -PWR Paliwo: UO2 wzbogacony w 235U do 2-3% Zbiornik stalowy: h=10m, śr=3m, ścianka 20-25cm Moderator: Woda w temperaturze 280-320oC pod ciśnieniem 150atm. Pierwotny i wtórny obieg wody

Energetyczny reaktor jądrowy -BWR Paliwo: UO2 wzbogacony w 235U do 2-3% Zbiornik: ........ ścianka ok.15cm Moderator: Woda w temperaturze ok.200oC pod ciśnieniem ok. 70atm. Tylko jeden obieg wody. Reaktory typu BWR są tańsze od reaktorów PWR. Mimo tego są mniej popularne bo mają mniejsze zabezpieczenie przed skażeniem produktami rozszczepienia

Reaktory energetyczne PWR – 61% BWR -21% Reaktory kanadyjskie (CANDU) chłodzone są D2O Jeden z typów reaktorów rosyjskich RBMK chłodzony jest wodą a moderatorem jest grafit

Bezpieczeństwo pracy reaktora Zabezpieczenia przed skażeniem radioaktywnymi substacjami – kolejne bariery: Zewnętrzna osłona paliwa z blachy z cyrkonu jest zabezpieczeniem przed dostaniem się produktów rozszczepienia do obiegu chłdzenia. Kontrola szczelności odbywa się przy pomocy gazowego helu Stalowa ściana zbiornika wytrzymuje bardzo duże ciśnienia. W przypadku awarii i odparowania wody chłdzącej cała masa zostaje wewnatrz zbiornika. Zawór bezpieczeństwa reguluje wydostawanie się produktów gazowych na zewnątrz zbiornika Reaktor znajduje się w szczelnym pomieszczeniu. Wymiana powierza z powietrzem zewnętrznym jest kontrolowana i w ciągu 1 doby nie przekracza 1% objętości budynku.