ENERGETYKA JĄDROWA TADEUSZ HILCZER

Historia

Wstęp Historia energetyki jądrowej jest związana z rozwojem fizyki jądrowej pierwszej połowy XX wieku. Wybuch II Wojny Światowej spowodował, że olbrzymi wysiłek umysłu oraz olbrzymie środki materialne zostały skierowane na zastosowanie militarne energii jądrowej. W pracach badawczych i teoretycznych brali udział praktycznie wszyscy wybitni fizycy tego okresu, w tym prawie wszyscy laureaci Nagrody Nobla. Właściwy rozwój energetyki jądrowej nastąpił dopiero w drugiej połowie XX wieku. Do rozwoju przyczyniło się doświadczenie zdobyte przy opracowaniu zastosowań militarnych. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Albert Einstein (1879-1955) – NN 1921 Niemcy E = mc2 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Teoria budowy atomu wodoru Niels Bohr (1885-1962) – NN 1922 Wielka Brytania Teoria budowy atomu wodoru Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

1919

Ernest Rutherford (1871-1937) – NN 1908 Wielka Brytania Zrealizował pierwsze sztuczne rozbicie jądra azotu za pomocą cząstki  Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Rozbicie jądra azotu „...Musimy dojść do wniosku, że atom azotu zostaje rozbity pod wpływem wielkich sił, które pojawiają się podczas zderzenia z szybka częstą a i że atom wodoru, który się uwalnia, był składnikiem jądra azotu...” E. Rutherford, Phil.Mag. 37, 581 (1919) Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

W pracowni Rutherforda Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

W pracowni Rutherforda raz raz Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

W pracowni Rutherforda dwa dwa raz Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

W pracowni Rutherforda trzy trzy Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

W pracowni Rutherforda sto sto raz Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

W pracowni Rutherforda dosyć, więcej nie mogę raz Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

W pracowni Rutherforda raz Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Ernest Rutherford (1871-1937) – NN 1908 3 czerwca – Wielka Brytania ….w jądrze atomowym powinna znajdować się jakaś cząstka, o stosunkowo dużej masie, pozbawiona ładunku „Bakerian Lecture” Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Wolfgang Pauli (1900-1958) – NN 1945 „Zakaz Pauliego” Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

1927

Werner Heisenberg (1901-1976) – NN 1932 Zasada nieokreśloności Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

1930

Walther Bothe (1891-1957) – NN 1945 Herbert Becker Niemcy Bombardowali lekkie pierwiastki cząstkami  ze źródła polonowego Przy bombardowaniu berylu zauważyli słabe lecz przenikliwe promieniowanie, nazwane przez nich „promieniowanie berylowe” Początkowo uważali „promieniowanie berylowe” za strumień promieniowania  Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Doświadczenie Bothego-Beckera „...promieniowanie berylowe bardziej przenikliwe niż zwykłe promienie g, powstaje przy naświetlaniu berylu cząstkami a z radu...” H.Becker, Z,Phys, 6, 29,310 (1930) Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Badał rozproszenie kwantów na cząstkach Igor. J. Tamm (1895-1971) – NN 1958 ZSRR Badał rozproszenie kwantów na cząstkach Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

1931

Pod koniec roku - Francja Irena Joliot-Curie (1897-1956) – NN 1935 Fryderyk Joliot-Curie (1900-1958) – NN 1935 Pod koniec roku - Francja ... „promieniowanie berylowe” wybija protony z parafiny Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

1932

James Chadwick (1891-1974) – NN 1935 Luty – Wielka Brytania Badał prędkości z jakimi były wybijane protony i inne jądra odrzutu z różnych substancji. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

James Chadwick (1891-1974) – NN 1935 Stosując teorię zderzeń wyliczył, że „promieniowanie berylowe” składa się z cząstek o masie bliskiej masy protonu lecz pozbawione jest ładunku elektrycznego Potwierdził hipotezę Rutherforda o istnieniu elektrycznie obojętnej ciężkiej cząstki, o masie protonu i elektronu, nazwanej neutronem. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

12 września – Wielka Brytania Leo Szilard (1898-1974) 12 września – Wielka Brytania Wygłosił pogląd, że jest możliwe wywołanie reakcji łańcuchowej na skutek pochłaniania neutronów przez jądra atomowe z równoczesnym wydzieleniem dużych ilości energii Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

1934

Opracował metodę spowalniania neutronów Enrico Fermi (1901-1954) – NN 1938 Badał wpływ neutronów na różne pierwiastki - od lekkich aż do najcięższego wówczas znanego pierwiastka – uranu Opracował metodę spowalniania neutronów Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Prace Fermiego Fermi zakładał, że wychwyt neutronu przez jądro atomowe o liczbie porządkowej Z na skutek późniejszego rozpadu b prowadzi do powstania jądra o liczbie atomowej Z+1. Badanie procesów wychwytu neutronu wykazało, że gdy bombardowane jest ciężkie jądro (A > 200) a w otoczeniu znajduje się materiał bogaty w wodór (np. parafina) wówczas obserwowana jest szczególnie wysoka emisja promieniowania b. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Prace Fermiego Do identyfikacji uzyskanych w reakcjach z neutronami izotopów promieniotwórczych stosowano metodę analizy radiochemicznej. Metoda ta polega na tym, że do jąder-tarczy dodaje się dokładnie znaną masę trwałego izotopu pierwiastka, który jest przewidywany jako produkt reakcji jądrowej. Po reakcji jądrowej metodami chemicznymi wydziela się dodany pierwiastek i stwierdza, czy zawiera dodatkowo izotop promieniotwórczy. Istnienie takiego izotopu pozwala wnioskować o schemacie reakcji jądrowej. W trakcie doświadczeń stwierdzono, że uran rzeczywiście wychwytuje neutron. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Prace Fermiego Próby zidentyfikowania pierwiastka otrzymanego po wychwycie neutronu przez uran metodami radiochemicznymi nie dały jednak spodziewanych rezultatów. Oczekiwano, że neutrony połączą się z jądrem, tworząc nietrwały, cięższy izotop, który emitując promieniowanie b- utworzy jądro transuranowe: Oczekiwane jadro nazwano neptunem które w wyniku przemiany b miało przekształcić się w kolejne jądro - pluton. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Otto Hahn (1879-1968) – NN 1945 Lise Meitner (1078-1968) Prowadzili w Berlinie prace podobne do prac Fermiego. Również byli przekonani, że w wyniku oddziaływania neutronów na jądro uranu powstaje jądro transuranowca. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

4 lipca – Wielka Brytania Opatentował: Leo Szilard (1898-1964) 4 lipca – Wielka Brytania Opatentował: - technologię wykorzystania neutronów - reakcję łańcuchową - koncepcję masy krytycznej Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

1935

Zaproponowała inną interpretację wyników doświadczeń Hahna-Meitner. Ida Noddack (1896-1978) Zaproponowała inną interpretację wyników doświadczeń Hahna-Meitner. W pracy opublikowanej w Z.f.Angew.Chemie, zasugerowała możliwość rozpadu ciężkiego jądra na mniejsze fragmenty. Ta możliwość nie została uznana za prawdopodobną. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Odkrył długożyciowe izomery jądrowe Igor W. Kurczatow (1896-1978) ZSRR Odkrył długożyciowe izomery jądrowe Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

1938

Lise Meitner → Fritz Strassmann Dnia 13 lipca Lise Meitner (z pochodzenia żydówka) musiała opuścić Berlin. Jej miejsce w laboratorium Hahna zajął radiochemik Fritz Strassmann Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Aparatura Hahna i Strassmanna Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Irena Joliot-Curie (1897-1956) NN 1935 Pavel Savitsch (1909) Wrzesień 1938 Opublikowali wyniki analizy jeden z powstałych produktów przy bombardowaniu uranu neutronami ma własności chemiczne podobne do lantanu. Hipoteza izotop powstałego transuranowca. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Otto Hahn (1879-1968) - NN 1945 Fritz Strassmann (1902-1980) Koniec roku 1938 – Niemcy Wykazali, że powstały na skutek pochłonięcia neutronu przez uran nietrwały izotop który ulega rozpadowi b, jest chemicznie podobnie do radu. Uran (Z=92) przemieniając się w rad (Z=88) musiałby wyemitować dwie cząstki a. Nie wykryto obecności cząstek a. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Otto Hahn do Lisy Meitner (Szwecja) 19-go grudnia, Berlin ... izotopy radu zachowują się nie jak rad tylko jak bar... Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Otto Hahn (1879-1968) - NN 1945 Fritz Strassmann (1902-1980) 28 grudnia 1938 – Niemcy Po powtórzeniu i dokładnej analizie poprzednich badań stwierdzili z całą pewnością, że w wyniku oddziaływania neutronu z uranem powstaje promieniotwórczy izotop baru. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Otto Hahn do lisy Meitner (Szwecja) 28-go grudnia, Berlin ... czy to możliwe, że uran się rozpadł ? Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Lise Meitner (1878-1968) Otto Frisch (1904-1979) 30 grudnia 1938 – Szwecja Prawidłowa interpretacja doświadczenia Hahna i Strassmanna: rozszczepienie jądra uranu Nowy typ przemiany jądrowej, polegającej na rozpadzie jądra uranu na dwie, prawie równe części. praca ukazała się 11 lutego 1939 w Nature Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Rozszczepienie jądra uranu Proces ten otrzymał nazwę rozszczepienia jądra. Z zachowania ładunku wynika, że oprócz baru (Z=56) musiało powstać jadro kryptonu (Z=36) (92 - 56 = 36) Na podstawie znanych średnich energii wiązania oszacowali energię kinetyczną, unoszoną przez produktu rozpadu. W przedziale jąder ziem rzadkich średnia energia wiązania jest około 8,5 MeV/nukleon, dla uranu 7,5 MeV/nukleon. Przy rozszczepieniu jądra uranu łączna energia kinetyczna powstałych fragmentów jest rzędu 200 MeV. Energia około 10 razy większa niż największa energia wydzielana w znanych poprzednio reakcjach jądrowych Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

1939

Otto Hahn (1879-1968) - NN 1945 Fritz Strassmann (1902-1980) 6 stycznia 1939 – Niemcy Wykrycie metali ziem alkalicznych powstających przy napromieniowaniu uranu neutronami i ich zachowanie Über den Nachweiss und das Verhalten bei der Bestrahlung des Urans mittels Neutronen entsthenden Erdalkamimetalle, Z.f.Naturwiss. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Połowa stycznia 1939 – Wielka Brytania Leo Szilard (1898-1964) Połowa stycznia 1939 – Wielka Brytania „w reakcji rozszczepienia, ze względu na mniejszą masę atomową powstałych fragmentów, istnieje nadmiar neutronów, które mogą być emitowane” Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Niels Bohr (1885-1962) – NN 1922 26 stycznia 1939 – USA publicznie ogłasza o odkryciu reakcji rozszczepienia na dorocznym kongresie fizyki teoretycznej na Uniwersytecie George Washingtona w Waszyngtonie Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

26 stycznia 1939 - USA Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Rozszczepienie jądra uranu W krótkim czasie po opublikowaniu poprawnej interpretacji wyników doświadczeń Hahna i Strassmanna, wiele laboratoriów, głównie w Ameryce, potwierdziło istnienie reakcji o tak niezwykłym wówczas bilansie energetycznym. Stwierdzono, że po bombardowaniu uranu neutronami powstaje nie tylko para bar-krypton Otrzymano najczęściej pary: lantan (Z = 57) - brom (Z = 35), cez (Z = 55) - rubid (Z = 37), ksenon (Z = 54) - stront (Z = 38). Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

do rozszczepienia 238U potrzebne są neutrony prędkie Niels Bohr (1885-1962) – NN 1922 5 lutego 1939 – USA do rozszczepienia 238U potrzebne są neutrony prędkie do rozszczepienia 235U potrzebne są neutrony powolne Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Enrico Fermi (1901-1954) – NN 1938 Herbert Anderson marzec 1939 - USA każdy neutron wykorzystany w reakcji rozszczepienia wywołuje emisję około dwóch nowych neutronów Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Enrico Fermi (1901-1954) – NN 1938 Leo Szilard (1898-1964) czerwiec 1939 – USA (Physical Review) Wyniki eksperymentów powielania neutronów w próbce naturalnego tlenku uranu umieszczonego w zbiorniku z wodą Nie uzyskano samopodtrzymującej się reakcji rozszczepienia Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Niels Bohr (1885-1962) – NN 1922 John Wheeler (1911) 31 sierpnia 1939 – USA (Physical Review) Izotop uranu 235U jest materiałem bardziej rozszczepialnym niż 238U Nie odkryty pierwiastek 23994 (pluton) powinien się charakteryzować równie wysokim stopniem rozszczepienia Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

1940

2 marca 1940 – Columbia University, USA John Dunning 2 marca 1940 – Columbia University, USA Wykonał pierwsze pomiary przekroju czynnego na rozszczepienie przez powolne neutrony dla 235U Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

1941

Glenn Theodore Seaborg (1912-1999) - NN 1951 Arthur Wahl 26 lutego 1941 – USA Odkrycie pierwiastka Z = 94 (pluton) Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Określił masę krytyczną 235U około 82 kg bez reflektora Rudolf Peierls (1907-1995) Marzec 1941 - USA Określił masę krytyczną 235U około 82 kg bez reflektora około 45 kg otoczona reflektorem Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Pluton ulega rozszczepieniu powolnymi neutronami Joseph Kenedy Emilio Segre (1905-1989), NN 1959 Glen Seaborg (1912-1999), NN 1951 28 marca 1941 - USA Pluton ulega rozszczepieniu powolnymi neutronami Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

1942

Buduje eksperymentalny stos o współczynniku k=0,995 Enrico Fermi (1901-1954) – NN 1938 Kwiecień 1942 – Chicago, USA Buduje eksperymentalny stos o współczynniku k=0,995 Planuje konstrukcję pierwszego na świecie stosu krytycznego - CP-1 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Sierpień - wrzesień 1942 – Chicago, USA Enrico Fermi (1901-1954) – NN 1938 Sierpień - wrzesień 1942 – Chicago, USA Uruchamia eksperymentalny stos o współczynniku powielania neuronów równym prawie k=1,04 Osiągnięcie samo-podtrzymującej się reakcji łańcuchowej Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

16 listopada 1942 – Chicago, USA Rozpoczęcie budowy stosu CP-1 Enrico Fermi (1901-1954) – NN 1938 16 listopada 1942 – Chicago, USA Rozpoczęcie budowy stosu CP-1 2 grudnia 1942 Stos CP-1 o godzinie 15:49 osiągnął stan krytyczny Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Stos CP-1 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

56 ton metalicznego uranu 350 ton grafitu Stos CP-1 Stos CP-1 zawierał 363 ton tlenku uranu 56 ton metalicznego uranu 350 ton grafitu Uzyskano współczynnik powielania k=1,0006 Moc wyjściowa początkowa wynosiła 0,5 W uzyskano maksymalnie 200 W Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny