Föreläsning 11 Kärnfysiken: del 3



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

Fission och fusion - från reaktion till reaktor

Kärnfysik och radioaktivitet. Kapitel 41-42

Kärnenergi. Kärnkraft

Instuderingsfrågor Atomfysik

Föreläsning 09 Kärnfysiken: del 1

Atom- och Kärnfysik. Namn: Mentor: Datum:

Kärnenergi. Kärnkraft

Kärnkraft. p?keyword=bindningsenergi

Föreläsning 5 Reaktionslära, fission, fusion

Lösningar del II. Problem II.3 L II.3. u u MeV O. 2m e c2= MeV T += MeV Rekylkärnans energi försummas 14N

Atomens historia. Slutet av 1800-talet trodde man att man hade en fullständig bild av alla fysikaliska fenomen.

Från atomkärnor till neutronstjärnor Christoph Bargholtz

Studiematerial till kärnfysik del II. Jan Pallon 2012

2. Hur många elektroner får det plats i K, L och M skal?

Föreläsning 2 Modeller av atomkärnan

BFL122/BFL111 Fysik för Tekniskt/ Naturvetenskapligt Basår/ Bastermin 12. Kärnfysik Kärnfysik 1

Materiens Struktur. Lösningar

ATOM OCH KÄRNFYSIK. Masstal - anger antal protoner och neutroner i atomkärnan. Atomnummer - anger hur många protoner det är i atomkärnan.

Atom- och kärnfysik! Sid i fysikboken

Lösningar del II. Problem II.3 L II.3. u= u MeV = O. 2m e c2= MeV. T β +=

Atomens uppbyggnad. Atomen består av tre elementarpartiklar: Protoner (+) Elektroner (-) Neutroner (neutral)

Röntgenstrålning och Atomkärnans struktur

Atomkärnans struktur

Marie Curie, kärnfysiker, Atomfysik. Heliumatom. Partikelacceleratorn i Cern, Schweiz.

Föreläsning 3. Radioaktivitet, alfa-, beta-, gammasönderfall

Kontrollerad termonukleär fusion

Strålningsskador i fusionsreaktormaterial

Stora namn inom kärnfysiken. Marie Curie radioaktivitet Lise Meitner fission Ernest Rutherford atomkärnan (Niels Bohr atommodellen)

- kan solens energikälla bemästras på jorden?

4.4. Radioaktivitet. dn dt = λn,

Energi & Atom- och kärnfysik

facit och kommentarer

Fusion. Gjord av Vedran och Pontus

Tentamen: Atom och Kärnfysik (1FY801)

Medicinsk Neutron Vetenskap. yi1 liao2 zhong1 zi3 ke1 xue2

Småsaker ska man inte bry sig om, eller vad tycker du? av: Sofie Nilsson 1

Fysik, atom- och kärnfysik

En resa från Demokritos ( f.kr) till atombomben 1945

Tvärsnitt. Tvärsnitt (forts) Föreläsning 19. Thin foil target

Repetition kärnfysik Heureka 1: kap version 2019

Miljöfysik. Föreläsning 8. Bioenergi Användningen av bioenergi Verkningsgrad Bränslecell Miljöpåverkan

8.4 De i kärnan ingående partiklarnas massa är

Atomens uppbyggnad. Atomen består av tre elementarpartiklar: Protoner (+) Elektroner (-) Neutroner (neutral)

Radioaktivt sönderfall Atomers (grundämnens) sammansättning

Atom- och kärnfysik. Arbetshäfte. Namn: Klass: 9a

Björne Torstenson (TITANO) Sida 1 (6)

Forelasning 13, Fysik B for D2. December 8, dar R 0 = 1:2fm. ( 1 fm = m) Vi har alltsa. ar konstant (R 3 = R 3 0A). 46.

Intro till Framtida Nukleära Energisystem. Carl Hellesen

Föreläsning 3. Radioaktivitet, alfa-, beta-, gammasönderfall

1. 2. a. b. c a. b. c. d a. b. c. d a. b. c.

KEMA00. Magnus Ullner. Föreläsningsanteckningar och säkerhetskompendium kan laddas ner från

Materiens Struktur. Lösningar

Vi består alla av atomer

1.5 Våg partikeldualism

Framtidens Energi: Fusion. William Öman, EE1c, El och Energi linjen, Kaplanskolan, Skellefteå

Preliminärt lösningsförslag till Tentamen i Modern Fysik,

Tentamen i Modern fysik, TFYA11/TENA

Tentamen: Atom och Kärnfysik (1FY801) Lördag 15 december 2012,

LEKTION 27. Delkurs 4 PROCESSER I ATOMKÄRNAN MATERIENS INNERSTA STRUKTUR

Kärnfysikaliska grunder för radioaktiva nuklider

Lösningar till problem del I och repetitionsuppgifter R r 0 A 13

Sönderfallsserier N α-sönderfall. β -sönderfall. 21o

Till exempel om vi tar den första kol atomen, så har den: 6 protoner, 12 6=6 neutroner, 6 elektroner; atommassan är också 6 men masstalet är 12!

TILLÄMPAD ATOMFYSIK Övningstenta 3

BFL122/BFL111 Fysik för Tekniskt/ Naturvetenskapligt Basår/ Bastermin 13. Kärnfysik Föreläsning 13. Kärnfysik 2

7. Radioaktivitet. 7.1 Sönderfall och halveringstid

Materiens Struktur. Lösningar

När man diskuterar kärnkraftens säkerhet dyker ofta

Atomen - Periodiska systemet. Kap 3 Att ordna materian

Grundläggande energibegrepp

Lösningar till problem del I och repetitionsuppgifter R = r 0 A 13

Varje uppgift ger maximalt 3 poäng. För godkänt krävs minst 8,5 poäng och

Tentamen i FUF050 Subatomär Fysik, F3

Innehållsförteckning. Framtid för Fusionsreaktor Källförteckning 14-15

Relativistisk kinematik Ulf Torkelsson. 1 Relativistisk rörelsemängd, kraft och energi

Breedning och transmutation i snabba reaktorer

Fusionskraft under utveckling

Vågrörelselära & Kvantfysik, FK januari 2012


SUBATOMÄR FYSIK F3, 2004

Fysiska institutionen april 1983 Hans Linusson, Carl-Axel Sjöblom, Örjan Skeppstedt januari 1993 FY 2400 april 1998 Distanskurs LEKTION 26.

TILLÄMPAD ATOMFYSIK Övningstenta 2

Föreläsning 6. Amplituder Kvanttillstånd Fermioner och bosoner Mer om spinn Frågor Tentan. Fk3002 Kvantfysikens grunder 1

PRODUKTION OCH SÖNDERFALL

2 H (deuterium), 3 H (tritium)

Fysik 1 kapitel 6 och framåt, olika begrepp.

Fysik. Laboration 4. Radioaktiv strålning

Bergvärme. Biobränsle. Biogas. Biomassa. Effekt. X är värmen i berggrundens grundvatten. med hjälp av värmepump.

Innehållsförteckning:

Kärnkraft användning och konsekvenser

Föreläsningsserien k&p

Solens energi alstras genom fusionsreaktioner

Matematikens betydelse för att lösa världens energiproblem

ENERGI Om energi, kärnkraft och strålning

Lösningar till tentamen i kärnkemi ak

Varifrån kommer grundämnena på jorden och i universum? Tom Lönnroth Institutionen för fysik, Åbo Akademi, Finland

Föreläsning 3 Heisenbergs osäkerhetsprincip

Tentamen i FUF050 Subatomär Fysik, F3

Biobränsle. Biogas. Biomassa. Effekt. Elektricitet

Transkript:

Föreläsning Kärnfysiken: del 3 Kärnreaktioner Fission Kärnreaktor Fusion

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

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) 4 4 7 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

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

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

Fråga 7 Li bombarderas av en proton och två alfa-partiklar produceras. Bekräfta att reaktionens energi är 7.3 MeV. Massor : : : 7 3 4 H Li He.00785u 7.06004u 4.00603u 7 Li + p u = 93.49 MeV/c Q = ( m p 4 + m = (.00785 + 7.06004 4.00603) (93.49/c = 7.3 MeV He Li m He ) c ) c

Man kan skapa radioaktiva isotoper artificiellt via kärnreaktioner. T.ex. 7 3 30 5 30 5 Al + α P Si + β P + + P sönderfaller snabbt via 30 4 30 5 + 0 n ν e ett β - sönderfall Såna reaktioner används som biologiska och kemiska spårämnen. Om neutroner skjuts mot nuklider så kan fission äga rum!

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 + + 35 9 35 9 U U 36 9 36 9 U U * * 44 56 40 54 36 U * 9 Ba Xe + + 89 36 94 38 Kr Sr + 3 + 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

En kaskad av radioaktiva sönderfall äger rum 40 40 40 40 54Xe 55Cs 56Ba 57La 58Ce 6s 66s 3d 40h 40

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

Varför släpps energin ut efter fission? 35 36 * 44 89 0 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

Bindingsenergi per nukleon för uranium Bindingsenergi per nukleon (för kärnor med Z mellan 90 och 50) 8.5 MeV Energin som släpps ut 36 (8.5-7.6) = 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!!!

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

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!

Animation av en fissionskedjereaktion http://lectureonline.cl.msu.edu/~mmp/applist/chain/chain.htm

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.

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)

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.

Interaktiv kärnkraftstation http://www.ida.liu.se/~her/npp/demo.html

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 = 3000 0 00 MeV släpps 6 4 60 60 ut i =.59 0 varje fission 4.59 0 Antalet urankärnor = 6 00 0.60 0 35 Massan hos U 35u = 35.66 0 Massan av uranprovet = 8.0 0 4 4 J -7-9 3.9 0 = 8.0 0 = 3.9 0 5 5 3kg 4 kg

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. = 9 9 0.6 0 5 4 0 9 = 6 0 H (deuterium) 4 J på 400 kev

Potentiellenergi 4 0 5 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.

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.

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 =

Fusion i laboratoriet Joint European Torus (JET): Värdens största fusion forskningprojekt: Oxford, UK. Plasma fångas av ett magnetfält och värms till temperaturer av 40-50 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.