Štěpení a slučování jader Karel Smolek, Petr Beneš Ústav technické a experimentální fyziky, ČVUT
Vazebná energie nukleonu v jádře • Nukleony jsou uvnitř jádra vázány vlivem tzv. jaderné síly (tzv. silná interakce). • Jaderné síly jsou velmi intenzivní (řádově 100x silnější, neţ síly elektrické), mají krátký dosah (velikost nukleonu), přitahuje nukleony bez ohledu na jejich elektrický náboj. • Pokud chceme dané atomové jádro rozloţit na jednotlivé volné nukleony, musíme nukleonům předat potřebnou energii, aby se vymanily z působení sil drţících jádro pohromadě. Pokud tuto energii vydělíme počtem nukleonů v jádře, dostaneme vazebnou energii připadající na jeden nukleon. • Pokud chceme z jednotlivých nukleonů sestavit atomové jádro, musíme vazebnou energii od nukleonům odebrat.
4He 2/42
Vazebná energie připadající na jeden nukleon
Vazebná energie nukleonu v jádře
Počet nukleonů v jádře 3/42
Štěpení jader • Ze závislosti vazebné energie nukleonu v jádře na počtu nukleonů jádra plyne, ţe štěpením získáme energii pouze při štěpení velmi těţkých jader s niţší vazebnou energií na jádra lehčí s vyšší vazebnou energií (vpravo od Fe).
Jev samovolného štěpení těţkých jader je obvykle velmi pomalý. Štěpení lze však vyvolat uměle – působením neutronu (= katalyzátor reakce). 4/42
Štěpení jader - historie 1934 – E. Fermi zkoumal reakce pomalých neutronů (rychlost ~2 km/s) na různých jádrech např. n + 27Al -> 28Al* -> 28Si + e- + νe hypotéza: n + 238U -> 239U* -> 239Np + e- + νe - neptunium by se postupnou radioaktivní přeměnou změnilo na relativně těţké jádro rádia. Fermi nepředpokládal, ţe by se jádro uranu štěpilo. 1934 – Ida Noddack – myšlenka vzniku fragmentů 1936 – Lise Meitnerová začala systematicky zkoumat reakce na uranu. Kontaktovala Otto Hahna a ten Arnolda Strassmana.
Před Vánocemi 1938 Otto Hahn dospěl k závěru, ţe po záchytu neutronu uranem pozorují vznik lehkého jádra bária a ne těţkého jádra rádia. Bylo tak objeveno štěpení jader uranu.
5/42
Štěpení jader - historie Červen 1942 – začátek projektu Manhattan (konstrukce atomové bomby)
2.12. 1942 – Enrico Fermi a Leo Szilard spustili v Chicagu první jaderný reaktor (uran+grafit, kadmiové řídící tyče)
6/42
Štěpení jader - historie 16.7. 1945 - Alamogordo Nové Mexiko - Trinity - pokusný výbuch plutoniové bomby
Síla výbuchu: 18.6 kt TNT
7/42
Štěpení jader - historie
Enrico Fermi *29.9 1901 † 28.11. 1959 zakladatel jaderné fyziky 1938 – Nobelova cena za vyuţití jaderné energie
8/42
Štěpení jader - historie Lise Meitner *1878 †1968 1905 – doktorát z fyziky 1939 – poprvé pouţila výraz “Kernspaltung” tj. štěpení jader a teoreticky jej vysvětlila
9/42
Štěpení jader - historie Otto Hahn * 8.3. 1879 Frankfurt nad Mohanem † 28.7. 1968 1944 – Nobelova cena za chemii, objev štěpení uranu
10/42
Štěpení jader - historie Leo Szilard * 11.2. 1898 † 30.5. 1964 koordinoval sepsání dopisu Einsteina Rooseveltovi doporučující zahájit projekt Manhattan 1945 – zaloţil hnutí pro civilní kontrolu jaderné energie přesvědčil Chruščova ke zřízení “horké linky” po válce se věnoval biofyzice
11/42
Slučování jader • Ze závislosti vazebné energie nukleonu v jádře na počtu nukleonů jádra plyne, ţe slučováním jader (jadernou fúzí) získáme energii pouze při slučování lehkých jader s niţší vazebnou energií na jádra těţší s vyšší vazebnou energií (vlevo od Fe). • Slučování jader však brání elektrické síly (všechna jádra mají kladný el. náboj). Kdybychom dokázali rozdělit všechna jádra vodíku obsaţeného v objemu náprstku na dvě stejné skupiny, začaly by se odpuzovat silou odpovídající tíze tělesa o hmotnosti téměř sta triliónů tun! • Jádra musíme přiblíţit na dostatečně malou vzdálenost, aby začala působit přitaţlivá jaderná síla – jádra se musí srazit s vysokou rychlostí. To se děje ve velmi horké plazmě uvnitř hvězd.
12/42
Slučování jader - historie 1920 - Arthur Eddington (1882-1944) poprvé navrhl, ţe hvězdy mohou energii získávat z reakce slučování jader vodíku na jádra helia. • 1928 - George Gamow (1904-1968) pomocí kvantové mechaniky popsal pravděpodobnost toho, ţe dvě jádra při dostatečném přiblíţení překonají odpudivé elektrické síly a pomocí silné jaderné interakce vytvoří nové jádro. • 1939 - Hans Bethe (1906) analyzoval rozdílné reakce slučování vodíku na helium: pp-řetězec, CNO cyklus (byl uvaţován jiţ v roce 1938 v pracích Carl von Weizsäckera). • 1941 – Enrico Fermi navrhl pouţít štěpnou bombu k iniciaci fúzní reakce. •
1951 – Edward Teller a Stanislaw Ulam (Los Alamos National Laboratory) navrhli konstrukci vodíkové bomby. • 1.11. 1952 – Exploze první vodíkové bomby (jméno bomby: Ivy Mike, 10.4 Mt TNT). • 1989 – Stanley Pons a Martin Fleischmann oznámili, ţe dosáhli jaderné fúze za studena. První výsledky později zpochybněny. • 1993 – TFTR tokamak v Princetonu uskutečnil řízenou jadernou fúzi s výkonem 10 MW. •
13/42
Srovnání štěpení a slučování Štěpení
235U
Fúze deuteria a tritia
m = 218896.8 + 939.57 MeV E = 215 MeV η = 215 : 219836 = 0.00098
m = 1875.62 + 2808.92 MeV E = 17.6 MeV η = 17.6 : 4684.54 = 0.00375
1:4 1934 – Rutherford: “kdo hledá zdroj energie v přeměnách atomových jader je náměsíčný”
14/42
Jaderné technologie
15/42
Energetika
-
7g tableta (U-235 + U-238 +zirkonium) 0.6 m3 ropy 481 m3 zemního plynu 807 kg uhlí
0.45 kg 235U můţe uvolnit 36 000 MJ energie
Štěpením se získává 17% světové produkce elektřiny.
16/42
Historie těţby uranu v ČR ● ● ● ● ●
smolinec těţen v Jáchymově jako stříbrná ruda neobsahuje stříbro, vyhazován jako hlušina 1787 chemik M. Klaproth objevuje ve smolinci nový kov uran 1852 hutník A. Patera vyrábí ze smolince barvičky 1898 Maria Curie-Skłodowská nachází v odpadu z výroby barev radium
17/42
Zpracování uranové rudy • Smolinec – UO2
Vytěţená ruda se rozemele a rozpustí v kyselině dusičné, sírové či chlorovodíkové. • Pomocí chemikálií se z roztoku vysráţí příměsi dalších kovů. • Nakonec se získá ţlutý prášek (tzv. ţlutý koláč) – U3O8. •
18/42
Separace izotopů uranu Přírodní uran • 99.28 % 238U • 0.71 % 235U pouze ten se dá štěpit tepelnými neutrony • V jaderných elektrárnách se pouţívá uran s 3-4% 235U. • V jaderných zbraních musí být uran obohacen na více neţ 93,%.
Dalšími chemickými postupy se získá UF6.
19/42
Elektromagnetická separace • Zařízení pro elektromagnetickou separaci se nazývá calutron. • V podstatě zvětšená verze hmotnostního spektrometru. • Letící elektricky nabité ionty separovaného materiálu jsou zde oddělovány působením magnetického pole, které zakřivuje jejich dráhu podle hmotnosti příslušné částice. • Vysoká separační účinnost. • Vysoké ztráty. • Vysoká energetická náročnost. • Spotřebuje více energie, neţ by se ze vzniklého uranového koncentrátu vyrobilo v elektrárně.
20/42
Obohacování difusí
• Technologie pouţita při výrobě první atomové bomby. • Velice nízká účinnost, nutnost opakovat (několik tisíců obohacení). • Relativně velká energetická náročnost. 21/42
Obohacování centrifugou
• Nadzvuková rychlost plynu v odstředivce. • Nutnost zapojení do kaskády několik set aţ tisíc centrifug. • Nízká energetická náročnost. • Hlavní průmyslový zdroj obohaceného uranu. 22/42
Laserová iontová separace Energetické hladiny elektronového obalu se lehce liší mezi izotopy. ● Speciální laser lze naladit přesně na hladinu daného izotopu a přednostně ho ionizovat ● Ionty se pak sbírají elektrostaticky či se nechají reagovat s nějakou chemickou látkou. ●
• Technologie testována pouze v laboratoři. • Problémem je vyladit laser na přesně určenou vlnovou délku.
23/42
Další štěpné materiály ●
239Pu
vyrábí se z 238U
●
233U
vyrábí se z
238U
reakcí:
+n→
232Th
239U
→
239Np
+β→
239Pu
+β
(v přírodě je ho více neţ uranu) analogicky:
●
232Th
+n→
233Th
→
233Pa
+β→
233U
+β
24/42
Typy reaktorů Řízená štěpná reakce, musí se vyprodukovat stejný počet neutronů jako se jich spotřebuje. 235U připadají 2-3 neutrony. ● Na jedno rozštěpené jádro ● Neutron můţe vyvolat další štěpení, zachytit se (v palivu, moderátoru, konstrukčním materiálu,...) nebo z reaktoru uletět. ●
Termální reaktory: ● Neutrony ze štěpení mají energii kolem 2 MeV, pravděpodobnost dalšího stěpení 235U klesá s energií neutronu, pro tepelné neutrony (0.025 eV) je zhruba 1000x větší, nutné neutrony zpomalit (moderovat). ● Na zpomalení neutronů pouţíván moderátor – voda (lehká, těţká), grafit. ● Nejvíce pouţívaný typ reaktorů. Reaktory s rychlými neutrony: ● Štěpení vyvolávají přímo vysokoenergetické (rychlé) neutrony. ● Vyţadují vysoké obohacení 235U nebo 239Pu. ● Produkují méně jaderného odpadu, odpad má kratší poločas rozpadu. ● Konstrukčně sloţitější. ● Draţší provoz. 25/42
Neutronová bilance Ztráty neutronů lze kompenzovat konstukcí reaktoru nebo obohacováním paliva. ● Rychlé reaktory kvůli malé efektivitě štěpení pomalými neutrony musí pouţívat vysoce obohacené palivo (někdy i zbraňové čistoty, >90%), výhodou jsou malé rozměry, moţnost produkovat další štěpný materiál (aktivní zóna se obloţí např. 238U) a moţnost pouţít jako palivo uran a plutonium z demontovaných jaderných hlavic. Nevýhodou je nebezpečí zneuţití (krádeţe) paliva. ● Tepelné reaktory se dělí podle charakteristik moderátoru, pokud se pouţije obyčejná voda, je nutné asi 3% obohacení. Jestliţe se pouţije grafit nebo těţká voda, nedochází tolik k pohlcování neutronů v moderátoru a je moţná řízená štěpná reakce i v přírodním uranu. ●
26/42
Přírodní reaktory 1972 - uranový důl Oklo (Gambie), nalezeny vrstvy uranové rudy s anomálním isotopickým sloţením, relativně méně 235U. Do vrstev oxidů uranu v pískovci zatékala voda a spouštěla se řetězová reakce. Před dvěmi miliardami let byla v přírodním uranu ta 3%, která umoţnují pouţít lehkou vodu jako moderátor. Ţluto-oranţové skvrny na obrázku - 70% oxid uranu.
27/42
Schéma tlakovodní jaderné elektrárny
28/42
Zbytková aktivita energetických zařízení
29/42
Jaderné zbraně ● ●
Štěpné - energie se uvolňuje štěpením Termojaderné - slučování 2H nebo 3H.
235U
nebo
239Pu.
Štěpné jaderné zbraně: ● Dosaţení superktitického stavu, t.j. v kaţdé generaci štěpení se vyprodukuje více neutronů neţ v předchozí. ● Udrţení superkritického stavu co nejdéle, aby se rozštěpila podstatná část materiálu. ● Tzv. kritické mnoţství (koule volně loţená bez odraţečů neutronů) 235U 52 kg 239Pu 10 kg (v α- fázi, plutonium jich má pevných 6) 233U 16 kg
30/42
Účinnost jaderných zbraní Udává se v ekvivalentu mnoţství chemické výbušniny TNT: Little Boy – Hirošima – 12-15 kt ● Fat Man – Nagasaki – 20-22 kt ● Davi Crockett – 0,01-1 kt – nejmenší zkonstruovaná jaderná bomba v USA (hmotnost 23 kg) ● Castle Bravo – 15 Mt – největší testovaná v USA ● Car bomba – 50 Mt – největší testovaná v Rusku (hmotnost 27 t) ●
31/42
Konstrukce atomové bomby Puškové uspořádání Příklad: vezměme kouli 235U o hmotnosti 3 kritických, nyní vyjmeme ze středu kuličku o hmotnosti nepatrně menší neţ je kritická. Dostáváme dutou kouli s efektivní hustotou 2/3 původní. Protoţe kritičnost je úměrná druhé mocnině hustoty, dostaváme 2*(2/3)2 = 8/9. Takţe máme dva subkritické soubory z materiálu o hmotnosti 3 kritických. V praxi to není tak jednoduché. Uvedený postup se hodí pouze pro 235U. Efektivita je nízká, navíce 233U i 239Pu mají příliš intensivní spontánní štěpení a v tomto uspořádání by nastala predetonace. Typ bomby svrţené na Hirošimu. 32/42
Konstrukce atomové bomby Inicializace implozí Několik segmentů umístěných na povrchu koule případně dutá koule jsou stlačeny do středu konvenční výbušninou. Je to velice náročné technologicky, je potřeba přesné strojírenství a přesné časování. Pouţívá se tu finta se změnou hustoty. Razantní výbušninou se dá dosáhnout stlačení plutonia nebo uranu na 2-3 původní hustoty (teoretická hranice 4) a lze tedy přivést k výbuchu i menší mnoţství štěpného materiálu. Jestliţe se přidají ještě neutronové odraţeče zmenší se kritická hmotnost 235U na ~900 g a 239Pu na ~240 g (kulička o průměru 3cm). První nukleární explose (Trinity) byla kulička plutonia obalená výbušninou. 33/42
Termojaderná (vodíková) bomba Hlavní jaderné reakce, které přichází do úvahy pro pouţití v jaderných zbraních a energetice jsou: D + T -> 4H + n + 17.588 MeV D + D -> 3He + n + 3.268 MeV D + D -> T + p + 4.03 MeV 3He + D -> 4He + p + 18.34 MeV Jsou seřazeny podle rychlosti, ale ta exponenciálně roste s teplotou, takţe při vyšších teplotách (dosaţitelných fúzí) poslední překonává všechny ostatní. Reakce p + p -> D známá z hvězd je ve svojí podstatě komplikovanější a příliš pomalá.
34/42
Konstrukce termojaderné bomby Zapálení rozumně účinné fúze při běţných hustotách teplem štěpné náloţe je moţné pouze ve směsi deuteria s tritiem. Tritium je drahé a nestabilní. Levnější je slučování deuteria s deuteriem. Technicky se obtíţe práce s deuteriem řeší pouţitím deuteridu lithia. Lithium obohacené o 6Li poskytuje reakcí 6Li
+ n -> T + 4He + 4.78 MeV
další palivo. Nicméně LiD je nutné stlačit na sto- aţ tisíci-násobek jeho hustoty před zapálením fúze. Protoţe, stejně jako u štěpení, rychlost reakce roste se čtvercem hustoty. Energie potřebná ke stlačení plynu je úměrná teplotě plynu, hledaly se způsoby jak palivo stlačit a přitom ho příliš neohřát (LiD je sice pevná látka, ale to nehraje u termojaderné explose roli).
35/42
Konstrukce termojaderné bomby Radiační imploze 80% někdy i více uvolněné energie při teplotách štěpné explose je ve formě měkkého záření X a ne jako kinetická. Transport energie zářením z jádra výbuchu významně převyšuje rychlost rozpínání jádra (kolem 1000 km/s). Právě toto záření se pouţije ke stlačení LiD. Po odpálení štěpné rozbušky X záření vyplní prostor mezi obalem pumy a sekundární náloţí. Tento prostor je původně zaplněn polystyrenem (pouze lehké prvky C,H), ale ten je kompletně ionizován a pro X průhledný. Vnitřní povrch pumy a vnější povrch kapsle jsou zahřáty na vysokou teplotu. Uranový štít a povrch kapsle chrání LiD před zahřátím. Velice rychle se ustavuje termodynamická rovnováha. Teplota a hustota energie jsou rovnoměrné v celém kanálu. Zahřátý povrch se začíná odpařovat a vyvíjí tlak na náplň. 36/42
Konstrukce termojaderné bomby Termální rovnováha je důleţitá pro rovnoměrnost stlačení, plasma z lehkých prvků brání předčasnému vypařování kapsle a tím i blokování radiačního kanálu neprůhlednými prvky s velkým Z do ustavení rovnováhy. Spolu se stlačením paliva pro fúzi na potřebnou hustotu je stlačena i tyčka ze štepného materiálu ve středu, stává se superkritickou. Explose tyčky zapaluje vnitřní vrstvy LiD a odtud se šíří vlna k povrchu. Dojde k tomu ještě dříve neţ kapsli zasáhne výbuch spouště. Síla termojaderné náloţe je určena mnoţstvím paliva které lze stlačit. Energií výbuchu druhého stupně je moţné stlačit palivo pro stupeň třetí. Nejsilnější termojaderný výbuch (50 Mt TNT) byla třístupňová náloţ.
37/42
Tokamak • тороидальная камера в магнитных катушках (toroidální komora v magnetických cívkách) • Zařízení slouţící k tvorbě toroidálního magnetického pole za účelem udrţení horké plazmy. • Při zahřátí plazmy na teplotu ~100 000 000 stupňů začnou probíhat termonukleární reakce produkující teplo. • Při spuštění je potřeba nejprve plazmu ohřát na dostatečnou teplotu- ohmický ohřev: v plazmě se indukuje elektrický proud, který ji díky elektrickému odporu ohřeje. Při teplotě 20-30 mil. stupňů však elektrický odpor rapidně klesá. - magnetická komprese – plazma je pomocí magnetického pole stlačena a tím se ohřeje. - radio-frekvenční ohřev – podobný princip jako v mikrovlnné troubě. 38/42
Tokamak
39/42
Tokamak - historie • 1947 – G. P. Thompson, P. Thonemann – první idea vyuţít toroidální systém. • První tokamak navrhli v 50. letech sovětští fyzikové Igor Yevgenyevich Tamm a Andrey Dmitriyevich Sakharov. • 1956 – v Kurčatovově institutu v Moskvě postaven první tokamak.
Igor Yevgenyevich Tamm
Andrey Dmitriyevich Sakharov
* 8. 7. 1895 Vladivostok † 12. 4. 1971 Moskva
* 21. 3. 1921 Moskva † 14. 12. 1989 Moskva
1958 – Nobelova cena (Tcherenkov + Frank)
1975 – Nobelova cena za mír 40/42
ITER • International Thermonuclear Experimental Reactor, Mezinárodní termonukleární experimentální reaktor. • Pokusný reaktor tokamakového typu, předstupeň komerčního vyuţití. • Začátek výstavby 2007, uvedení do provozu 2016. Místo: Cadarache, Francie. • Mezinárodní projekt: EU, USA, Rusko, Čína, Japonsko, Jiţní Korea a Indie (v budoucnu pravděpodobně také Brazílie). • Během 400 s dlouhých záţehů dosáhne výkonu 500 MW – spálí 0,5 g směsi deuteria a tritia v komoře o objemu 840 m3.
• Reaktor bude generovat teplo (10x více, neţ spotřebuje), ale nebude vyrábět elektřinu. Bude slouţit pouze pro studijní účely.
41/42
ITER • Většinu energie budou odnášet rychlé neutrony. • Neutrony budou negativně působit na stěny reaktoru – problém s vlastnostmi materiálů při extrémních podmínkách, tvorba radioaktivních izotopů. • Mnoţství vyprodukovaného jaderného odpadu však bude několiksetkrát niţší, neţ u klasických štěpných reaktorů. Vzniklé radioaktivní izotopy budou krátce ţijící. • Náklady: 10 miliard EUR (50% zaplatí EU, zbytek partneři).
ITER
42/42
