K čemu slouží urychlovače a reaktory „Rozbili jsme atom! Rozbili jsme atom!“ křičel jinak málomluvný John Cocroft, když vyběhl na ulici poté, co s Ernstem Waltonenem provedli první umělé jaderné reakce pomocí tzv. Cockroftova-Waltonenova urychlovač (Nobelova cena 1951)
Vladimír Wagner Ústav jaderné fyziky AVČR, 250 68 Řež
E_mail:
[email protected]
1) Úvod 2) Jak se urychlují částice? 2.1 Fyzikální principy urychlování částic 2.2 Z čeho se urychlovač skládá? 2.3 Jak urychlovač pracuje 2.4 Různé typy urychlovačů 3) Urychlovače ve výzkumu 3.1 Komplikované sestavy urychlovačů 3.2 Stále větší energie – proč?
WWW: hp.ujf.cas.cz/~wagner/
4) Urychlovače nám slouží
5.1 Urychlovače v lékařství 5.2 Výzkum a příprava materiálů 5) Reaktory – zdroje neutronů i energie 6.1 Klasické reaktory 6.2 Rychlé (množivé) reaktory 7) Reaktory nám slouží 7.1 Zdroj energie 7.2 Urychlovačem řízené transmutace 7.3 Zdroj neutronů – materiálový výzkum, medicína 8) Závěr
Úvod Potřeba urychlovat částice na vyšší energie – produkce a hledání nových částic Existence kosmického záření – jeho doplnění umělým zdrojem První urychlovač – E.O. Lawrence v roce 1930 typ – cyklotron Nobelova cena za fyziku 1939 nyní více než 10 000 urychlovačů různých typů
Princip urychlovače typu cyklotron zdroj částic magnetické pole – kruhová dráha částice elektrické VF pole pro urychlení Historické stránky Americké fyzikální společnosti (AIP) http://www.aip.org/history/lawrence/larger-image-page/epa-20.htm
Původní patentový nákres a model prvního urychlovače (průměr okolo 11 cm, V = 1800 V)
Současné urychlovače – obrovské množství různých typů. Od malých produkčních pro medicínu (japonský R = 1 m) až po giganty v CERNu (R = 4 km)
Z čeho se urychlovač skládá Iontový zdroj – produkce nabitých částic Elektrostatické nebo proměnné elektrické pole – urychlení částice – urychlovací systém Magnetické pole – určuje dráhu částice, provádí fokusaci svazku – magnetické čočky vedou svazek a snaží se co nejvíce jej zúžit Vakuový systém – částice se při urychlování musí pohybovat ve vysokém vakuu – nutný systém vývěv Chlazení – supravodivé magnety potřebují heliové teploty Radiační ochrana – zajištění bezpečnosti pomoci stínění
Zdroj plazmy – elektrický výboj
Řídící systém – ovládání, řízení a kontrola práce urychlovače
Kryogenní systém pro LHC
Řídící centrum urychlovačů v CERNu
Vedení svazku magnetickými čočkami
Různé typy urychlovačů Rozdělení: A) Podle typu urychlovaných částic: 1) Urychlovače elektronů 2) Urychlovače protonů a lehkých iontů 3) Urychlovače těžkých iontů B) Podle tvaru dráhy 1) lineární 2) kruhové
Starší část LINACu ve Fermilabu
Lineární urychlovače: Vysokofrekvenční tvořeny urychlovací trubicí s řadou válcových elektrod připojených ke zdroji VF napětí Největší lineární urychlovač (3 km) je Linac ve SLACu (USA) – urychluje elektrony na 50 GeV.
Zdroj částic Válcové elektrody
Lineární urychlovač v CERNu
Van de Graaffův urychlovač – přenášení náboje izolačním pásem na vysokonapěťovou elektrodu spojenou s urychlovací trubicí. Maximální energie 10 MeV. Tandemový urychlovač 20 – 30 MeV. Speciální protonový tandem až 60 MeV. Napětí až miliony voltů
kovová kulová elektroda
sběrací hřeben
Účinek vysokého potenciálu malého Van de Graffu
pásový dopravník
Robert J. Van de Graaff předvádí své zařízení K. Comptonovi
Napětí
nabíjecí „hřeben“
Schéma Van de Graaffova urychlovače
Urychlovač Van de Graaffova typu (25URC Pelletron v Oak Ridge –USA)
Kruhové urychlovače: 1) Betatron – indukční urychlovač elektronů. Elektrony na dráze s konstantním poloměrem jsou urychlovány silou elektromagnetické indukce. Největší betatron – energie elektronů ~ 340 MeV, běžné – do 50 MeV. Často jako zdroje brzdného záření pro technické a lékařské účely. 2) Cyklotron – časově neproměnné magnetické pole drží částice na kruhové dráze. VF pole urychluje částice při průchodu štěrbinou mezi duantami. Průchod štěrbinou 2× během jednoho oběhu, při průletu protilehlou částí štěrbiny – opačná polarita elektrického pole. Frekvence přepínání elektrického pole konstantní. Schéma funkce cyklotronu
Supravodivý cyklotron K500 v laboratoři v Michiganu
Mikrotron – urychluje elektrony → brzy relativistická změna hmotnosti. Jedno urychlení dodá energii m0c2 → zachová se sfázování. Energie elektronu až 20 MeV.
3) Synchrotron – velikost magnetického pole se mění. Poloměr dráhy zůstává konstantní. Práce v pulsním režimu. A) Elektronový synchrotron – pro elektrony v c → frekvence synchrotronu se nemění B) Protonový synchrotron – rychlost se mění v širokém rozmezí → frekvence synchrotronu se mění. U synchrotronu se střídají urychlovací trubice a fokusující magnety:
Urychlovací trubice
Kvadrupólový magnet
Schéma synchrotronu se silnou fokusací v CERNu
Synchrotrony – největší urychlovače, průměry až desítky km.
Starý synchrofázotron v SÚJV Dubna
elektronový synchrotron LEP v CERNu
protonový synchrotron v CERNu
Produkce částic a výzkum struktury hmoty Produkce co nejtěžších částic → nutnost dosažení co nejvyšší energie neboť E = mc2
Nutné - soustavy urychlovačů Dosahování stále vyšších energií → budování soustav urychlovačů a akumulačních prstenců
Soustava urychlovačů v CERNu (Švýcarsko) Pohled na rozmístění urychlovačového komplexu v CERNu
Vstřícné svazky – v těžišti je maximální hodnota využitelné energie. Pro svazek s energií 450 GeV: 1) pevný terč – 29 GeV 2) vstřícné svazky 900 GeV
Největší v současnosti budovaný urychlovač - LHC
Instalace supravodivých magnetů
Sekundární svazky – mezonové továrny, interakce primárních částic na terči. Sekundární částice jsou fokusovány, formovány a případně dále urychlovány (nabité). Produkce i neutrálních (neutrony, neutrina) Luminosita: Charakterizuje intenzitu svazku urychlovače. Jednotky [cm-2s-1]. Maximální současné hodnoty ~ 1033 cm-2s-1.
Větší detaily, energie a teploty, produkce těžších částic Experimentální pozorování je rozhodujícím kritériem pro uznání platnosti hypotézy a její přeměnu v teorii Stěžejní nástroj – srážka urychlených částic
Nárůst energie → větší detaily Zatím největší urychlovače E ~ 100 GeV → 10-18m Produkce částic s vyšší klidovou energií (hmotností) Klidová hmotnost protonu: ~ 1 GeV LHC – srážka protonů s energiemi 7000 GeV Jádra olova (208 nukleonů) na každý 2700 GeV
1 123 200 GeV = 1,8∙10-4 J 1 eV = 1,602∙10-19J
Energie už přímo makroskopické – pád 0,02 g z výšky 1 m nebo větších komárů
srážka dvou menších much
Stejná energie Rozdíl rozměrů 1014
V současné době se připravují ke startu
Hmotnost 1 g se stejnou rychlostí
5 1017 J (10 000 hirošimských bomb)
Urychlovače těžkých iontů První relativistický BEVALAC v roce 1980 GSI Darmstadt (SRN) RHIC Brookhaven
Radioaktivní svazky – produkce radioaktivních jader a jejich následné urychlení
Využití urychlovačů V roce 1994 okolo 10 000 urychlovačů ve světě, z toho jen méně než 1000 výzkumných zbytek hlavně medicína (ozařování, produkce radiofarmak) a průmysl (implantace iontů, modifikace povrchů
Pracoviště pro nanotechnologický výzkum využívající 1,7 MeV tandetron na „Rutgers University“
Ozařování pomocí protonů v Ústavu Paula Scherrera ve Villiganu (Švýcarsko)
Využití v medicíně Produkce radiofarmak (zvláště pozitronová emisní tomografie) – radioaktivní izotopy jsou produkovány ozařováním vhodného terče na urychlovači Radioaktivní izotopy s pozitronovým rozpadem → anihilace pozitronu v klidu → vznik dvou fotonů (kvant záření gama) letících v opačném směru → jejich zachycením určení polohy Využívané radioizotopy: 11C, 13N, 15O, 18F Vložení radioaktivního izotopu do sloučeniny usazující se ve studovaném orgánu (přesná diagnostika a medicínský výzkum):
Srdce zasažené infarktem
Zdravé srdce
Velmi dobré prostorové rozlišení ( 2 mm ), stále nové sloučeniny pro PET kamery (systémy Pozitronové Emisní Tomografie)
Typická PET kamera a komerční cyklotron IBA cyklone 10/3
Příprava diagnostických radiofarmak
Ozařování těžkými ionty Využití závislosti ionizačních ztrát energie nabité částice na její rychlosti. Větší náboj (těžší iont) → větší maximum na konci dráhy Možnost umístění destrukční energie do místa nádoru bez poškození okolní tkáně Urychlovač těžkých iontů Testovací systém s využitím urychlovače SIS v GSI Darmstadt (100 MeV - 1 GeV)
Část urychlovače těžkých iontů SIS v GSI Darmstadt
Testování biologických i jiných účinků záření γ Z=1
Z>4
Příprava biologických vzorků v našem ústavu
Testování odolnosti elektroniky vůči radiaci (kosmickému záření
BEVALAC
Záblesky v očích vlivem průletu těžkého iontu vysokoenergetického záření Předpověď – 1952 – Cornelius Tobias Pozorování: poprvé kosmonauti Apolla 11 Ověření na Zemi (1974: BEVALAC (první urychlovač těžkých iontů) – svazek - C. Tobias „Běžná“ součást pobytu ve vesmíru
Materiálový výzkum a produkce speciálních materiálů 1) Iontová implantace
úprava složení materiálu, tvorba jeho struktury po jednotlivých atomových vrstvách nástroje pro nanotechnologii 2) Změny povrchů úprava povrchů, hlavně třeba pro biomedicínu 1) Urychlovače jako zdroje neutronů
Stačí urychlovač různých iontů i jen na velmi malé energie Pracoviště „The William R. Wiley Environmental Molecular Sciences Laboratory“ (EMSL) v USA
Urychlovač produkuje relativistické protony → neutrony produkovány v tříštivých reakcích v terči z těžkého kovu Tříštivý zdroj v LANL
2) Zdroje synchrotronového záření Relativisticky urychlené částice produkují brzdné záření – vysokoenergetické gama záření využívají se urychlovače elektronů na vysoké energie
Reaktory
První reaktor – prosinec 1942, tým pod vedením Enrica Fermiho V současnosti – stovky energetických i výzkumných reaktorů
Nákres a model prvního reaktoru Enrica Fermiho a moderní jaderná elektrárna v Olkiluoto ve Finsku
Klasické jaderné reaktory Štěpná reakce - štěpení jádra samovolné nebo po získání energie - obvykle se dodá energie záchytem neutronu - doprovázena vznikem neutronů s energiemi v oblasti jednotek MeV ( 2 - 3 neutrony na štěpení) (část hned – část zpožděná) Řetězová štěpná reakce: Štěpení nuklidů 235U, 239Pu ... záchytem neutronu 235U + n → 236U* : 85 % - štěpení 15 % - emise fotonu Velmi vysoké hodnoty účinných průřezů záchytu neutronů pro malé energie neutronů (10-2 eV) Nutnost zpomalování neutronů - moderátor Štěpení - vznik štěpných produktů Záchyt emise fotonu rozpad beta - vznik transuranů Multiplikační faktor k - počet neutronů následující generace neutronů produkovaných na jeden neutron předchozí generace k < 1 podkritický systém k = 1 kritický systém k > 1 nadkritický systém
Jaderná elektrárna Indian point (USA)
Dukovany – reaktorový sál
Jaderný reaktor
Palivo: 1) přírodní uran - složen z 238U a jen 0,72 % 235U 2) obohacený uran - zvýšení obsahu 235U na 3-4% (klas.re.)
Vnitřek reaktoru při výměně paliva
Regulační, kompenzační a bezpečnostní tyče
T1/2(238U) = 4,51·109 r, T1/2(235U) = 7,13 ·108 r většinou ve formě UO2 Důležitý odvod tepla (voda) V roce 2006 (podle MAAE): 435 energetických reaktorů výkon 370 GWe produkce 16 % elektřiny celková provozní zkušenost: > 10 000 reaktorroků Elektrárna Diablo Canyon USA
Množivé (rychlé) reaktory Nemoderované neutrony → nutnost vysokého obohacení uranu 20 - 50 % 235U (ekvivalentně 239Pu) Produkce 239Pu:
238U
+ n → 239U(β-) + γ → 239Ne (β-)→239Pu
Z 239Pu více neutronů (3 na jedno štěpení) → produkce více plutonia než se spotřebuje (plodivá zóna) Vysoké obohacení → vysoká produkce tepla →nutnost výkonného chlazení → roztavený sodík (teplota 550 oC) Doba života generace rychlých neutronů velmi krátká → větší role zpožděných neutronů při regulaci Elektrárny: Phenix - 250 MWe a Superphenix 1200 MWe ten už je zastaven (Francie)
Rychlý množivý reaktor v Monju (Japonsko) – 280 MWe v současnosti stojí znovuspuštění 2008 BN600 Beloyarská jaderná elektrárna v Rusku
Jaderný odpad - vyhořelé palivo – klasický reaktor Složení: 96 % uran (~1% 235U) 1 % transurany 3 % štěpné produkty (stabilní, krátkodobé, dlouhodobé) Některé dlouhodobé radioaktivní štěpné produkty: 99Tc (2.1 105 let), 129I (1.57 107 let), 135Cs (2.3 106 let) Dlouhodobé transurany: 237Np (2.3 106 let), 239Pu (2.3 106 let), 240Pu (6.6 103 let), 244Pu (7.6 107 let), 243Am (7.95 103 let) Roční produkce jaderného odpadu ve Francii (75% energie): Vysoce aktivní (1000 Mbq/g) : 100 m3 Středně aktivní (1 Mbq/g)
: 10000 m3
Přechodné uložení - důležitý odvod tepla při počáteční fázi (vodní bazény) Přepracování vyhořelého paliva Zpracování a uložení jaderného odpadu
Vnitřek reaktoru při výměně paliva
Výměna paliva v reaktorů (USA)
Testy vyhořelého paliva (Monju
Jaderné reaktory čtvrté generace Studie šesti různých nových typů reaktorů, čtyři jsou množivé a jen dva jsou klasické Hlavní úkoly: 1) Využít veškerý potenciál jaderného paliva (238U, 232Th) 2) Snížit množství jaderného odpadu na minimum 3) Zvýšit bezpečnost na maximum
Urychlovačem řízený jaderný transmutor Z čeho se skládá: 1) Urychlovač protonů - energie 100 - 1000 MeV 2) Terč - olovo, wolfram … 3) Nádoba obsahující systém jaderného odpadu, moderátoru Nutnost separace stabilních a krátkodobých izotopů Základní vlastnosti: 1) Využívá tříštivých reakcí 2) Velmi vysoká hustota neutronů → efektivní transmutace 3) Podkritický režim provozu 4) Produkce neutronů ve velmi širokém rozmezí energií
Jaderná elektrárna North Anna ve Virginii
Výstavba demonstrační jednotky ADTT v LANL (USA) (využití 800 MeV protonů I = 1 mA pro H+ a 100 mA pro H-)
Schéma koncepce urychlovačem řízeného jaderného transmutoru
Konkrétní projekt jaderného transmutoru Urychlovač protonů: E = 100 MeV - 2 GeV I = 20 - 100 mA Problémy: nutnost stabilního bezporuchového provozu po velmi dlouhou dobu. Terč: wolfram? tekuté olovo? urany a transurany? Hustota neutronů: ~1020 m-2s-1 (reaktor ~1017 - 1018 m-2s-1) Problémy: odvod velkého množství tepla Podkritický reaktor:
Problémy: řešení průběžné separace, efektivního transportu a moderace neutronů
Budování tříštivého (spalačního) zdroje neutronu v Oak Ridgi
Návrh na konkrétní urychlovačem řízené transmutační zařízení
Výroba energie jako v klasické jaderné elektrárně, část z ní napájí urychlovač
PSI – cyklotron – 1,8 mA protonový svazek E = 580 MeV, P = 1MW 1016 protonů/s → 1017 neutronů/s, 4 měsíce práce, celkově 2,8 Ah, 8000 přerušení
Terč (délka 5 m) PbBi (920 kg)
cyklotron
testovací zařízení
Využití neutronů v materiálovém výzkumu a medicíně
Zkoumání materiálů – třeba s tvarovou pamětí
K čemu je aktivační analýza?
Bórová záchytová terapie
Závěr 1) Další možný zdroj nových částic – urychlovač (E.O. Lawrence, J. Cocroft, E. Waltonen počátek 30. let) 2) Funguje jen pro nabité částice 3) Složení: zdroj částic, urychlovací systém (elektrické pole), vedení částice magnetickým polem. vakuový systém, kryogenní systém, řídící systém, radiační ochrana
Experiment ATLAS
4) Typy urychlovačů: 1) lineární (vysokofrekvenční, van de Graff) 2) cyklické (cyklotron, synchrotron) 5) Produkce stále těžších částic, pohled hlouběji do struktury hmoty, získání stále hustější a teplejší jaderné hmoty 6) Dalším jaderným zařízením je reaktor – využívá řízenou štěpnou reakci 7) Urychlovače i reaktory jsou velmi užitečná zařízení: nyní a) Využití při výzkumu a výrobě materiálů b) Využití v medicíně v budoucnu c) Urychlovačem řízené transmutace jaderného odpadu 8) V Česku se za urychlovači a reaktory můžete přijet podívat do Ústavu jaderné fyziky AVČR Budování LHC
Ústav jaderné fyziky AVČR
Nový tandetrom v ÚJF AVČR
