fisja i fuzija

8/6/2019 Fisja i fuzija

1/27

Eksperimentalnemetodemoderne fizike

Nuklearna fisija i fusija

Dr. sc. Nikola Godinovic

([email protected])


2/27

2

Sadraj

Nuklearne reakcije, energija veze

Fisija

Fisijski nuklearni reaktori

Fuzija

Fuzijski reaktori


3/27

3

Nuklearne reakcije Nuklearna reakcije je proces interakcije izmeu jezgre i

neke elementarne estice ili druge jezgre u kojem sejezgra transformira, mijenja joj se struktura.

Jezgra meta X se bombardira projektilom a i rezultatreakcije je jezgraY i izlazna estica (ili jezgra) b

X(a,b)Y, npr. Q-vrijednost reakcije, energija koja se oslobodi ili

apsorbira u reakciji je: Q = (Ma + MX MY Mb)c2

Q > 0 egzoergina reakcija, oslobaa se energija. Q< 0 endoergina reakcija, da bi nastala reakcija projektil moraimati odreeni minimalni iznos energije energija praga reakcije.

pCNn 14614

7 ++


4/27


5/27

5

Temeljni fizikalni princip dobivanjeenergije Na istom fizikalnom principu se temelji dobivanje energije izgaranjem drva,

ugljena, nafte, odnosno izgaranjem nuklearnog goriva u procesima kojezovemo fisija i fusija.

Prilikom izgaranja drva ili ugljena dolazi do preraspodjele vanjskih elektronau atomima ugljika i kisika u stabilniju konfiguraciju, u konfiguraciju u kojoj suelektroni jae vezani. Masa molekule drva ili ugljena je vea od ukupnemase molekula i atoma koji nastaju nakon izgaranja. Masa se smanjila zaodreeni iznos m

Isto tako je masa jezgre urana vea od mase jezgri koje nastaju u fisijskomprocesu jer su nukleoni u jezgrama produkata fisije (cijepaju) rasporeeni ustabilniju konfiguraciju. Slino je i kod procesa fuzije, ukupna masa jezgarakoje se fuziraju (spajaju) vee su od mase jezgre koja nastaje fuzijom.

I kod izgaranja atoma (kemijski procesi: izgaranje drva, ugljena) i kodizgaranja nuklearnog goriva, energija koja se oslobodi pri jednom procesuatomskog odnosno nuklearnog izgaranja je Q= mc2,

U naelu, jedina bitna razlika izmeu izgaranja atoma i izgaranja jezgre je ukoliini energije koja se oslobodi pri jednom procesu izgaranja. Kod izgaranjana atomskoj odnosno molekularnoj razini oslobodi se u jednom procesunekoliko eV a kod jednog procesa fisije ili fuzije oslobodi se nekoliko milijunaeV. Sila koja dri nukleone na okupu u jezgri je nekoliko milijuna puta jae odColuombove sile koja dri elektrone vezane za jezgru atoma.


6/27

6

Energija iz 1 kg goriva i razliitihprocesa

Tablica prikazuje razliite procese generiranja energije koristei 1 kg tvari,

izraene vremenskim intervalom napajanja 1 arulje snage 100 W.

Tvar (m= 1kg) Proces Vrijeme

voda slobodni pad s 50

m

5 s

ugljen izgaranje 8 sati

Obogaeni UO2 fisija u reaktoru 690 godina

235

U fisija 3x

104

godina

deuterija fuzija 3x104 godina

materija-antimaterija

anihilacija 3x107 godina


7/27

7

Energijski sadraj vrsta goriva


8/27

8

Model nuklearne fisije

Jezgra urana apsorbira neutron i nastaje jezgra236

U* upobuenom stanju koja ivi 10-12 sekundi a nakon toga seraspada na dvije jezgre X i Y (fisijski fragmenti) i 2-3neutrona:

Energija vezanja po nukleonu za teke jezgre je oko 7,2MeV a za jezgre srednje mase je oko 8,2 MeV. Pa se ufisijskom procesu oslobodi 1 MeV energije po nukleonu, akako je ukupan broj nukleona oko 200, to se u jednom

fisijskom procesu oslobodi oko 200 MeV energije

neutroniYX*UUn236

92

235

92

1

0 +++


9/27


10/27

10

Nuklearni reaktor Nuklearni reaktor je sistem dizajniran za samoodrivu fisijsku reakciju

Definira se parametar K neutronski prinos kao srednji broj neutrona izsvakog fisijskog procesa koji su izazvali novi fisijski proces. Maksimalna vrijednost Kza fisiju urana je 2.5

u praksi, K< 2,5 K = 1 samoodravajua fisijska reakcija (kritini reaktor) K < 1 fisija zamre, podkritini reaktor

K > 1 lanana reakcija (nadkritini reaktor) Kontrolom neutronskog prinosa kontrolira se broj neutrona, koriste se

tapovi od kadmija koji se uvlae u reaktorsku jezgru i apsorbiraju neutrone Moderatori su supstance koje slue za usporavanje neutrona jer samo

termalni (spori) neutroni mogu izazvati fisiju 235 U. Dobar moderator je voda(neutron se sudari s jezgrom vodika u vodi) a ujedno i fluid koji se grije iprenosi toplinu do parne turbine.

Problem je koritenje vode kao moderatora u reaktoru koji koristi prirodniuran jer se esto dogodi da jezgra vodika u vodi apsorbira neutron tenastaje teka voda D2O, zato se kao moderator u reaktorima s prirodnimuranom treba koristiti teka voda.


11/27

11

Fisijsko gorivo

Veina reaktora danaskoristi uran kao fisijskogorivo u formiuranovog oksida UO2 Prirodni uran sadri

99.3%238

U i 0.7%235

U 238 U nije podloan fisijitermalnim sporimneutronima

da bi se prirodni uranovdioksid UO2 mogao

koristiti kao fisijskogorivo potrebno jepoveati koncentraciju235 U do nekolikopostotaka to je tzv.obogaivanje urana

Moderator usporava brzeneutrone a kontrolnitapovi (kadmij, bor)

apsorbiraju sporeneutrone.

Izmjena svake

3 godine


12/27

12

Nuklearna elektrana Nuklearna elektrana je u stvari termoelektrana, energija osloboena u

nuklearnom reaktoru koji radi u reimu kontrolirane lanane reakcijese koristi za proizvodnju pare koja pokree turbinu elektrinoggeneratora. Fisija se dri pod kontrolom kontrolirajui broj neutrona unuklearnom reaktoru.

Nuklearno gorivo je 235 U, kojeg ima samo 0,7% uprirodnom uranu, ostalo je 238 U koji nije fisibliantermalnim neutronima. Potrebno je obogaivanje235 U do razine od 3% - tehnoloki zahtjevan

proces.


13/27

13

Energije osloboena u u fisijskom

reaktoru se najee izmjenjivaemtopline pretvara u vodnu para kojapokree turbinu.

Boiling water reactors (BWRs) vodakoja slui kao moderator se pretvarau paru kojom se pogoni turbina.

pressurized water reactors (PWRs)voda koja slui kao moderator je podvisokim tlakom (155 atm) i cirkulira izreaktora u vanjski izmjenjiva toplinekoji proizvodi paru koja pokreeturbinu. Reaktor moe sadravati i do

90 tona UO2 i proizvoditi 3400 MW idati 1100 MW elektrine energije

BWR su jednostavniji od PWR.Meutim, mogunost da para kojapokree turbinu postane radioaktivnaje vea za BWR. Kod PWR zbog

dvostupanjskog procesa generatorelektrine ener i e izoliran e od

Transfer energije tipovi reaktora


14/27

14

Breeder (Oplodni) Reaktori

Napredniji tip reaktora je breeder

reaktor, koji proizvodivie fisijskog goriva 239Punego to utroi235

U.

Lanana reakcija:

Plutonij je lako separirati od urana kemijskim procesima. Fast breeder reactors su konstruirani da transformiraju 238U u

239Pu, a koriste se brzini neutroni. Breeder reaktori u naelu predstavlja mogunost jednog

neogranienog izvora fisijskog materijala. Problem je to je plutonij iznimno toksian i postoji mogunost

zlouporabe plutonija za nuklearno oruje.


15/27

15

Problemi nuklearnog reaktora

Jako je opasno ako se radioaktivni elementi oslobode uatmosferu ili u podzemne vode. Toplinsko zagrijavanje atmosfere te voda jezera/rijeka koja se

koristi za hlaenje moe biti ozbiljan ekoloki problem. Vrlo ozbiljan problem je odlaganje radioaktivnog otpada fisijskih

procesa, neki fisijski fragmenti imaju vrijeme polu-ivota tisuegodina i milijuna godina.

Dva javnosti poznata nuklearna akcidenta su:Three Mile Islandu Pennsylvania 1979 i Chernobyl u Ukrajina 1986 (50 tonaradioaktivnog materijala pobjeglo u atmosferu) znatno suokrenula javnost protiv koritenja nuklearnih fisijskih elektrana.

Do iroko primjene nuklearnih elektrana moe doi ako serijee 4 kritina pitanja: niska cijena, poboljana sigurnost,kvalitetno rjeavanje problema nuklearnog otpada i mali rizikod nesree.


16/27

16

Postotak elektrine energije iznuklearki

Prema podacima 1997 400 reaktora u 26 zemaljaproizvodi 200 000 Mw elektrine snage: Francuska 78 % Belgija 60 % vedska 46 %

vicarska 41 % Maarska 40 % Juna Koreja 34 % Japan 34 % panjolska 29 % Velika Britanija 28 % SAD 21 % Kanada 14 % Argentina 11 %Niziozemska 3 % Brazil 1 %


17/27

17

Fuzija Kad se dvije lake jezgre spoje u teu jezgru oslobaa se energija-fuzija.

Problem je kako jezgrama dati dovoljno kinetike energije da prevladaju odbojnu elektrinu silu. U unutranjosti Suncu temperatura je oko 1,5x107 K, te je srednja kinetika energija na ovoj

temperaturi dovoljna da nadvlada odbojnu nuklearnu silu-termonuklearna fuzijska reakcija. SnagaSunca 4x1026 W.

Fuzijske reakcije koje su pogodne zaKoritenje u fuzijskom reaktoru.Deuterij se nalazi u morskoj vodi 33g/m3

i njegova ekstrakcija je jeftina.

proton-proton ciklusfusije na Suncu

P i j f ij (C l b
http://www.iter.org/pics/DTreaction.tiffhttp://www.wiley.com/college/halliday/0471216437/ig/ch43/pages/F43_15.html


18/27

18

Primjer fuzija (Coulombovabarijera)

Pretpostavimo da je proton sfera radijusa R=1fm. Dva protona iste kinetike energije lete jedanprema drugom.

a.) Kolika mora biti kinetika energija protonada bi nadvladala odbojnu Columbovu silu bakad se protoni dodiruju.

b.) Kolika bi trebala biti temperatura plinaprotona (vodika) da bi srednja kinetika energijaprotona bila dovoljna da nadvlada Coulombovu

barijeru kako bi dolo do fuzije.

( )

keV400keV360J1075,5

)m101)(mF1085,8(16

C106,1E

R2

e

4

1E2

14

1512

219

k

2

o

k

==

==

KKJ

J

k

ETkTE

k

k

9

23

14

103)1038,1(3

)1075,5(2

3

2

2

3=

===

Temperatura na Suncu je 1,5x107 K, tako da samo jedan od 1026 sudara protonrezultira fuzijom (p+pd+e++ ) Q=0.42 MeV


19/27


20/27

20

Lawsonov kriterija J. D. Lawson je pokazao da gustoa iona

(n) i vremenski interval unutar kojeg jeplazma na temperaturi koja osiguravafuziju (confinement time) moraju bitidovoljno veliki da osiguraju vie energijeproizvedene fuzijom nego to se utroina zagrijavanje plazme.

Lawsons kriterij glasi: neto izlaznasnaga u fuzijskom reaktoru je moguaako su ispunjeni sljedei uvjeti: n 1014 s/cm3 za deuterij-tricij (D-T) n 1016 s/cm3 za deuterij-deuterija(D-

D)

Ovo su minimumu u krivulji koja

prikazuje Lawsonov n broj uovisnosti o temperaturi za D-T i D-Dfuzijsku reakciju.


21/27

21

Problem confinement-a U emu drati plazmu na visokoj gustoi i temperaturi od 100

milijuna K za vrijeme od 1 sekunde. Dvije se tehnike koriste:

magnetski confinement inercijalni confinement

Tokamak toroidalni ureaj prvo napravljen u Rusiji, kombinacijomdva magnetska polja prostorno ograniava i stabilizira plazmu.

Inercijalni confinemnet temelji se na ideji da se Lawsonov kriterijostvari kombinacijom jako visoke gustoe iona a kratkog vremenaconfinementa oko 10-11 do 10-9 sekundi, pa se za tako kratkovrijeme ioni ne pomaknu znatnije od svog poetnog poloaja.


22/27

22

Fuzija laserom Laser se najee koristi u tehnici

inercijalnog confinementa Mala D-T kapsula ( 1mm u promjeru) se

istovremeno pogodi fokusiranimlaserskim svjetlom visokog intenziteta.

Sloj kapsule oko D-T je neproziran paapsorbira svjetlo, zagrije se i eksplodiraprema van brzinom od 1000 km/s.

Po treem Newtonovu zakonu izlazneestice uzrokuju snani kompresijskiudarni val na jezgru kapsule.

Za vrijeme od 1 ns izvri se kompresijabrzinom 100 km/s pri emu se smanjiradijus za ~ 50 puta.

Kompresijski udarni val poveava tlak itemperaturu i stvara uvjete za pojavu

fuzije. Problem to se sva laserska energija neutroi na kompresiju, veliki dio energijepreuzimaju elektroni koji svojim bijegomodnose energiju namijenjenu fuziji.

Zato treba koristiti laser krae valneduljine i snage ? .

Minijaturne eksplozijehidrogenske bombe


23/27

23

Dizajn fuzijske elektrane

U D-T fuziji nastaje jezgra helija (alfa estica i neutron). Alfa estica nosi 20% a neutron 80% energije osloboene ujednoj fuziji.

Alfa estice se zbog naboja brzo apsorbiraju u plazmi itako poveavaju temperaturu plazme.

Neutroni jer su elektrini neutralni prolaze kroz plazmu, pase moraju apsorbirati izvan plazme u pogodnom materijaluu kojem e se kinetika energija neutrona transformirati uunutranju energiju tj. poveati temperaturu materijalakoji okruuje plazmu.

Pogodan materijal za apsorpciju neutrona je tekui litij. Tekui litij je fluid koji struji i prenosi topline iz podruja

fuzijskog reaktora do parne turbine koja toplinsku energijupretvara u mehaniku rotacijsku energiju generatora a kojionda tu energiju rotacije pretvara u elektrinu energiju.


24/27


25/27

25

Mionska kataliza

Ako se elektron u atomima deuterija i tricijazamijeni mionom, svojim teim roakom, smanjiradiju elektronskih/mionskih orbita za oko 200puta jer je masa miona 200 puta vea od maseelektrona.

U molekuli deuterij-tircij-mion jezgre su blie pamoe nastupiti fuzija.

Problem: nema jeftinog izvora miona i brzo seraspadaju.

Dosadanja mjerenja imala su negativnuenergijsku bilancu, vie utroeno nego dobiveno.


26/27

26

ITER Projekt (International Thermonuclear ExperimentalReactor,)

d+t=He+n, e=35-40 %

040 prvi komercijalni fuzijski reaktori

http://www.iter.org/

tokamak

Gradi se u Francuskoj Provans

Europa, SAD, Japan


27/27

27

Kako temperatura raste iz 3 4He nastaje 12 C.

Hidrostatika ravnotea postoji u Suncu izmeu gravitacijskog privlaenja i tlaka estica(70 % H, 28 He % i 2 % ostali).

Izgaranjem lakih jezgri iz kojih nastaju tee, gravitacija nadvladava i zvijezda sesaima, temperatura raste, nastaju sve tei elementi..

Ovaj proces se nastavlja sve dok se vei dio zvijezde ne transformira u eljezo koje jejezgra s najveom energijom veze nukleona. Reakcija Fe i neke jezgre ne rezultira viefuzijom ve cijepanjem jezgre eljeza. Kad je veina mase zvijezde u formi eljezanastaje kolaps jezgre zbog njene vlastite gravitacije, jer se vie ne odbijaju reakcijekojima se oslobaa dovoljno energije za odravanje tlaka koji bi sprijeio uruavanje.

Ovisno o masi zvijezda se transformira u bijelog patuljka, neutronski zvijezdu, crnu rupuneka se dogodi i eksplozija poznata kao supernova.

Nastanak elemenata

fisja i fuzija

Documents