Föreläsning 11 Kärnfysiken: del 3

Storlek: px

Starta visningen från sidan:

Download "Föreläsning 11 Kärnfysiken: del 3"

Dan Johansson
för 8 år sedan
Visningar:

1 Föreläsning Kärnfysiken: del 3 Kärnreaktioner Fission Kärnreaktor Fusion

2 U=-e /4πε 0 r Coulombpotential Energinivåer i atomer Fotonemission när en elektron/atom/molekyl undergår en övergång Kvantfysiken Schrödingers ekvation Vågfunktion för alla partiklar ψ Ψ =sannolikhetstätheten + + Heisenbergs osäkerhetsprincip, tunnlande, E t>h x p>h potential energi för den starka kraften Energinivåer i kärnor Fotonemission när en kärna undergå en övergång γ-strålning α-strålning Vibrationsspektrums grundenergi

Heisenbergs osäkerhetsprincip, tunnlande, E t>h x p>h potential energi för den starka kraften Energinivåer

3 Kärnreaktioner Radioaktivitet omvandlar ett grundämne till ett annat. Vi kan orsaka en transmutation via en kärnreaktion. T.ex. den första inducerade transmutation i laboratoriet (99) α + 7 N 8 O + Betrakta en kärnreaktion när en partikel a växelverkar med nukliden X. En partikel b och nukliden Y produceras. p a + X Y + b

den första inducerade transmutation i laboratoriet (99) 4 4 7 α + 7 N 8 O +

4 Reaktionens energi Q, bestäms av masskilladen mellan uppsättningen partiklar i början och slutet. Q = mc = ( m + m m m ) c (.) a X Om Q>0 är reaktionen exotermisk (energin släpps ut som kinetiska energi och γ-strålar) Om Q<0 är reaktionen endotermisk. Det finns en tröskel av energi hos den inkommande partikeln för att orsaka reaktionen. Om Q=0 är reaktionen elastisk. Den totala kinetiska energin förändras inte. Y b

) a X Om Q>0 är reaktionen exotermisk (energin släpps ut som kinetiska energi och γ-strålar) Om Q<0 är

5 Det första kontrollerade atom smasher -experimentet av Cockcroft och Walton. 7 4 p + 3Li He + 4 He Q=7.3 MeV. Den ankommande protonen hade energin 0.5 MeV. Experimentet var den första experimentella bekräftelsen av E=mc

6 Fråga 7 Li bombarderas av en proton och två alfa-partiklar produceras. Bekräfta att reaktionens energi är 7.3 MeV. Massor : : : H Li He.00785u u u 7 Li + p u = MeV/c Q = ( m p 4 + m = ( ) (93.49/c = 7.3 MeV He Li m He ) c ) c

Massor : : : 7 3 4 H Li He.00785u 7.06004u 4.00603u 7 Li + p u = 93.

7 Man kan skapa radioaktiva isotoper artificiellt via kärnreaktioner. T.ex Al + α P Si + β P + + P sönderfaller snabbt via n ν e ett β - sönderfall Såna reaktioner används som biologiska och kemiska spårämnen. Om neutroner skjuts mot nuklider så kan fission äga rum!

0 n ν e ett β - sönderfall Såna reaktioner används som biologiska och

8 Fission Fissionen upptäcktes 938 av Otto Hahn, Fritz Strassman och Lise Meitner I naturen består U av isotoper 38 U(99.3%) och 35 U(0.7%) De båda isotoperna splittras om de växelverkar med neutroner (s.k. inducerad fission) 0 0 n n U U U U * * U * 9 Ba Xe Kr Sr Ett mycket instabil, exciterat tillstånd undergår fission spontant. Ungefär 00 MeV av energin släpps ut som kinetisk energi. Obs! ankommande neutron men -3 neutroner kommer undan! 0 0 n n

9 En kaskad av radioaktiva sönderfall äger rum Xe 55Cs 56Ba 57La 58Ce 6s 66s 3d 40h 40

10 Mer än 00 olika nuklider från 0 olika ämnen har hittats som fissionsfragment.

11 Varför släpps energin ut efter fission? * n + 9U 9U 56Ba+ 36Kr + 3 Kr Ba 0 n fission U fusion De lätta nukliderna: Ba och Kr har större bindningsenergi per nukleon än U

12 Bindingsenergi per nukleon för uranium Bindingsenergi per nukleon (för kärnor med Z mellan 90 och 50) 8.5 MeV Energin som släpps ut 36 ( ) = 7.6 MeV 00 MeV 70% släpps ut som den kinetiska energin av fissionfragment, 30% deladeav emitteradeneutroner, β, γ partiklar. Jämför med den kemiska energin av uran: Betrakta förbränningsprocessen U+O UO Energin som släpps ut: ev per atom, 0 miljoner gånger mindre än fission!!!

6 MeV 00 MeV 70% släpps ut som den kinetiska energin av fissionfragment, 30% deladeav

13 Att förstå fission med vätskedroppsmodellen av kärnan Betrakta kärnan som en vätskedropp som bär elektrisk laddning. (a) En 35 U absorberar en neutron och blir en 36 U * (b) Den extra energin orsakar oscilleringar (c) Repulsionen mellan de två flikarna orsakar en splittring n 35 U 36 U * fissionsfragment. n (a) (b) (c) fissionsfragment. n

(a) En 35 U absorberar en neutron och blir en 36 U * (b) Den extra energin orsakar

14 Fission kedjereaktion neutron går in, -3 neutroner går ut! De inducerar fission i andra kärnor. En kritiskmassa krävs för att tillåta processen att öka med tiden. Det beror på materialet, geometrin, och utrustningen. Processen används i kärnkraftverk och atombomber!

En kritiskmassa krävs för att tillåta processen att öka med tiden.

15 Animation av en fissionskedjereaktion

16 Kontrollerad fission kärnkraftverk I genomsnitt produceras.5 neutroner i en 35 U fission reaktion. Man behöver 40% för att upprätthålla en kedjereaktion. Fission äger rum i reaktorns härd som kyls av vatten. Kontrollstav (bor) absorberar neutroner som sänker reaktions farten. Det är mer sannolik att långsamma neutroner inducerar fission. Kollisioner med en moderator sänka neutronernas fart. Reaktorn värmer vattnet, och vattenånga driver turbiner som producerar effekt.

Kontrollstav (bor) absorberar neutroner som sänker reaktions farten.

17 Vad kan gå fel? 5% av energin produceras i β sönderfallen av fissionsfragment. När kedjereaktionen har stoppats med kontrollstav fortsätter värme-produktionen. För en 3000-MW reaktor produceras 00 MW av β sönderfall. Om kylande vatten funkar inte så kan en härdsmälta äga rum. En ofullständig härdsmälta skedde i den Three Mile Island olyckan (979)

För en 3000-MW reaktor produceras 00 MW av β sönderfall.

18 Den värsta olyckan - Tjernobyl April 986, Ukraina. Ett test av härdens kylande system. Dålig konstruktion och mänskligt fel. För många kontrollstavar drogs tillbaka för att kompensera uppbyggnaden av 35 Xe som absorberar neutroner. Effekten ökade från % av den vanliga effekten till 00 gånger normal effekt i 4 sekunder. Vattenånga-sprängningen lyftes taket på reaktorbyggnaden. Grafit-moderatorn fattade eld -> En härdsmälta skedde.

För många kontrollstavar drogs tillbaka för att kompensera uppbyggnaden av 35 Xe som absorberar neutroner.

19 Interaktiv kärnkraftstation

20 Fråga Uppskatta massan hos ett 35 U-prov som krävs varje dag för att producera 3000 MW av termisk energi via fission. Den totala energin varje dag E = MeV släpps ut i =.59 0 varje fission Antalet urankärnor = Massan hos U 35u = Massan av uranprovet = J = = kg 4 kg

Den totala energin varje dag E = 3000 0 00 MeV släpps 6 4 60 60 ut i =.

21 Fusion Bindnings energi/nukleon ökas med A för lätta kärnor Fusion av lätta kärnor till en större kärna orsaka en energibefrielse. Vad händer? Om fusion ska äga rum så måstekärnorna besegra repulsion- fältet för att bli bundna av den starka kärnkraften. Coulomb- Den electrostatiska energin hos 4 0 U = -5 ke r m separation. = = 6 0 H (deuterium) 4 J på 400 kev

22 Potentiellenergi m separation Deuterium-atomer kräver 00 kev för att besegra den potentiella barriären och bilda en ny kärna. Boltzmannskonstant Det är möjligt vid hög temperatur (kt=00 kev) Temperaturen x0 9 K krävs. temperaturen Temperaturen inne i solen.5x0 7 K kt=.3 kev. Fusion äger rum i solen på grund av låga energifluktuationer och kvanttunnlande processer.

23 Den proton - proton cykeln inne i solen 3 H+ H+ He+ H H 3 3 He H + e He+ γ 4 + He+ + ν e H+ H Q = 0.4 MeV Q = 5.5 MeV Q =.9 MeV Den totala energin=4.7 MeV fördels som kinetiska energi av reaktion-fragment. Mer energi släpps ut med e + e - annihilation.

24 Fusion som en energikälla? Fusion är en attraktiv energiproduktion mekanism: Ingen förorening av atmosfären, riktig med bränsle säker, Radioaktiva fragment sönderfaller snabbt. Följande mekanismer studeras: H+ H+ H H 3 3 He+ H+ 0 H n Q = 3.7 MeV 4.03MeV 3 4 H+ H He+ 0n Q = 7.6 MeV Man behöver: hög temperatur (>0 8 K) som tar bort elektroner från atomerna. Den joniserade gasen blir en plasma. :hög partikeltäthet (n partiklar/vol) :lång fångenskap-tid τ för att tillåta reaktioner att ske: Lawsons kriterium nτ>0 0 s/m 3 (.) Q =

25 Fusion i laboratoriet Joint European Torus (JET): Värdens största fusion forskningprojekt: Oxford, UK. Plasma fångas av ett magnetfält och värms till temperaturer av miljon grader. Ingen framgång. De säger att vi måste vänta 0 år. De sa vänta 0 år för 0 år sedan. De sa vänta 0 år för 0 år sedan Nästa steg är International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) i Frankrike.

Relevanta dokument

Miljöfysik. Föreläsning 5. Användningen av kärnenergi Hanteringen av avfall Radioaktivitet Dosbegrepp Strålningsmiljö Fusion

Miljöfysik. Föreläsning 5. Användningen av kärnenergi Hanteringen av avfall Radioaktivitet Dosbegrepp Strålningsmiljö Fusion Miljöfysik Föreläsning 5 Användningen av kärnenergi Hanteringen av avfall Radioaktivitet Dosbegrepp Strålningsmiljö Fusion Energikällor Kärnkraftverk i världen Fråga Ange tre fördelar och tre nackdelar