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

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

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

Przekrój czynny = efektywna powierzchnia

Przekrój czynny oddziaływanie pomiar prawdopodobieństa

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

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

średnia droga swobodna: pomiar  przez pomiar średniej drogi swobodnej jednostka przekroju czynnego:   barn, b=10-28 m2 (geometryczny przekrój poprzeczny jądra A~120)

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

symetria azymutalna: oś zderzenia   w ogólności:

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

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

Zasady zachowania Zasada zachowania ładunku: Zasada zachowania liczby barionowej: przykłady: 21H + 21H  32He + n 1 +1 = 2 + 0 2 + 2 = 3 + 1 p + 73Li  74Be + n 1 + 3 = 4 + 0 1 + 7 = 7 + 1 42He + 94Be  126C + n 2 + 4 = 6 + 0 4 + 9 = 12 + 1 42He + 115B  147N + n 2 + 5 = 7 + 0 4 + 11 = 14 + 1 reakcja ładunek liczba nukleonów

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:

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:

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

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

Model jądra złożonego a + AZX  C* I etap  C’* +  przejście do niższego stanu wzbudzenia C’*  b1 + Y1 + … II etap  b2 + Y2 + … np.:  42He + 6028Ni  6230Zn + 2n 6430Zn*  p + 6329Cu  6330Zn + n

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

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

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

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

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

Energia jądrowa rozszczepienie synteza jądrowa

Rozszczepienie lata 30 XX w. – poszukiwanie nowych nuklidów reakcja przez jądro złożone n + 23892U  23992U +  23992U  23993Np + e + e  transuranowce  kolejna przemiana  Ponadto stwierdzono obecność w stanie końcowym jąder środkowej części układu okresowego.

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

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

Reakcja rozszczepienia Zmiany energii potencjalnej podczas rozszczepienia.

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. 2500 t węgla kamiennego.

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

Reakcja rozszczepienia

reakcja rozszczepienia

reakcja łańcuchowa 235U – 0,72%

bilans energia kinetyczna jąder produktów 165 MeV energia wynoszona przez neutrony 5 MeV energia natychmiastowych kwantów  7 MeV energia rozpadów jąder promieniotwórczych 25 MeV razem 200 MeV spalanie węgla: 4 eV na atom (C + O2 = CO2)

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

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

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

Paliwo reaktora Reakcje powielania paliwa: izotopy paliworodne izotopy rozszczepialne

Warunki podtrzymania reakcji: masa krytyczna Kontrola reakcji: wychwyt neutronów – zahamowanie reakcji łańcuchowej. Warunki podtrzymania reakcji: masa krytyczna spowalnianie neutronów 2 MeV 0,1 eV

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.

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

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

Reaktor wysokotemperaturowy

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.

bomba atomowa Hiroshima 06.08.45 08:16:02 Nagasaki 09.08.45