Referat przygotowany w ramach konwerstaorium „Metody Fizyki Jądrowej w Środowisku Przemyśle i Medycynie”



Pobieranie 425.18 Kb.
Strona1/5
Data02.05.2016
Rozmiar425.18 Kb.
  1   2   3   4   5




Militarne zastosowania energii jądrowej

Referat przygotowany w ramach konwerstaorium „Metody Fizyki Jądrowej w Środowisku Przemyśle i Medycynie”

Prowadzący: prof. nzw. dr hab. Jan Pluta

Przygotował: mgr inż. Emil Dusiński


Warszawa Luty 2004

Źródła informacji:



  1. Wiadomości z wykładów prowadzonych na Politechnice Warszawskiej:

„Metody Fizyki Jądrowej w Środowisku Przemyśle i Medycynie” – prowadzący prof. nzw dr hab. Jan Pluta

„ Fizyka 2” - prowadzący prof. nzw dr hab. Tadeusz Tymosz

2. Strony internetowe:


a) http://nuclearweaponarchive.org/Nwfaq/Nfaq0.html (b. dobra strona będąca kompendium wiedzy na temat broni jądrowej)

b) http://www.atomicmuseum.com/tour/manhattanproject.cfm - strona poświęcona historii „atomu”/projekt Manhattan

c) http://www.wsmr.army.mil/paopage/Pages/Tpixind.htm - strona dotycząca początków powstawania broni jądrowej

d) http://www.atomicarchive.com/Photos/ - strona zawierająca unikatowe zdjęcia głównie z przeprowadzonych testów

e) http://www.nuclearfiles.org/rebios/index.html - strona przybliżająca przede wszystkim sylwetki głównie wybitnych naukowców związanych z projektami atomowymi

f) http://www.index.ne.jp/missile_e/index.html ( b . dobra strona dotycząca rodzajów i parametrów rakiet)

g) http://www.fas.org/nuke/guide/ - szerokie kompendium wiedzy będące przewodnikiem po siłach nuklearnych mocarstw atomowych, wraz z odwołaniem do wielu interesujących artykułów dotyczących stosunków międzynarodowych, studiów politycznych z zakresu b.j.

h) http://www.monch.com/html/magazines/miltech.htm

i) http://www.defensenews.com/ - Defense News and its Web site, DefenseNews.com , are part of the Army Times Publishing Company, the leading military and government news periodical publisher in the world. The defense business-to-business unit of the Army Times Publishing Company is called the Defense News Media Group, and includes the following publications: Defense News, Armed Forces Journal, Training & Simulation Journal and Intelligence, Surveillance and Reconnaissance Journal, along with their Web sites. Army Times Publishing Company’s products also include Army Times, Navy Times, Air Force Time and Marine Corps Times, collectively known as the Military Times Media Group

j) http://www.samoloty.amconex.pl/ - galeria samolotów



  1. Życzliwa pomoc i fachowa wiedza osób związanych z organami jednostek wojskowych i administracji publicznej oraz:

- Biblioteka i Czytelnia Wojskowej Akademi Technicznej 00-908 Warszawa ul. Kaliskiego 19


- Biblioteka i Czytelnia Akademii Obrony Narodowej 00-910 Warszawa, al. gen. A.Chruściela 103, bl.14

- Biblioteka Wyższej Oficerskiej Szkoły Sił Powietrznych w Dęblinie, ul. Szkoły Podchorążych Lotnictwa 4, 08-521 Dęblin

- Ośrodek Informacji Naukowej Urzędu Lotnictwa Cywilnego Warszawa ul. Chałubińskiego 4/6

- Biblioteka 60 Pułku Lotnictwa Szkolno Bojowego im. Żwirki i Wigury 26-600 Radom Sadków


4. Bibliografia

  • „Fizyka wzory i prawa z objaśnieniami cz. III”, K.Sierański, J. Szatkowski, 76 str.

  • „ Przegląd Wojsk Lotniczych i Obrony Powietrznej” z lat 1990-2003

  • Nuclear weapons : principles, effects and survivability / Charles S. Grace
    London ; New York : Brassey's, 1994. - XII, 146 s

  • Boevye svojstva jadernogo oruzija / Ministerstvo Oborony SSSR (Sojuza Sovetskich Socjalisticeskich Respublik) Moskva : Voenizdat, 1967. - 624 s.

  • Jak powstała bomba atomowa / Richard Rhodes ; przeł. [z ang.] Piotr Amsterdamski Warszawa : Prószyński i S-ka, 2000. - 781 s

  • Narodziny siły : tajna historia radzieckiej bomby atomowej / Bogusław Wołoszański Warszawa : "Magnum", 1995. - 90 s

  • European security in the 1990s : deterrence and defense after the INF [Intermediate Nuclear Forces] Treaty / Walter Laqueur, Leon Sloss New York ; London : Plenum Press, 1990. - XV, [1], 214 s

  • Broń jądrowa - Francja - 1945-1989 r.Francuska "przygoda" atomowa / Charles Ailleret; Warszawa : Wydaw. Ministerstwa Obrony Narodowej, 1979. – 341

  • Nuclear weapons proliferation in the Indian subcontinent, Ziba Moshaver
    London : Macmillan, 1991. - XIV, 223 s.

  • Kompendium broni jądrowej, Sławomir Prądzyński ; Wyższa Szkoła Oficerska im. Tadeusza Kościuszki. Katedra Wojsk Obrony Przeciwchemicznej

  • Kierunki badań technicznych nad środkami ochrony przed bronią neutronową : konferencja naukowo-techniczna, Warszawa, 24-26 kwietnia 1979 Warszawa, 1979. - 305 s

Wstęp
Najbardziej znanym i stosunkowo powszechnym militarnym zastosowaniem energii jądrowej jest broń jądrowa. Innym zastosowaniem są układy napędu wykorzystujące energie jądrową na okrętach marynarki wojennej (w łodziach podwodnych czy lotniskowcach). Od pewnego czasu prowadzi się również badania nad wykorzystaniem reaktorów jądrowych do napędu statków powietrznych. Broń jądrowa jest najbardziej niszczącym rodzajem broni, jaką kiedykolwiek rozwinięto. Od momentu, kiedy w 1938 roku odkryto istotę rozszczepienia, problem kontrolowania tej śmiercionośnej technologii był zasadniczą sprawą w wyścigu zbrojeń.

Projekt Manhattan (na jego czele stał generał Leslie R. Groves, w ramach programu pracowali najwybitniejsi fizycy znajdujący się w USA m.in.: R.J. Oppenheimer, A.H. Compton, N. Bohr, A. Einstein, J. Franck, E. Fermi, L.W. Alvarez, E.O. Lawrence), który powstał w czasie II Wojny Światowej był wysoko klasyfikowany od samego początku i jeszcze bardziej ukrywany. Nie zapobiegło to jednak w tworzeniu tych śmiercionośnych głowic przez państwa, których zaawansowanie techniczne na to pozwalało. Przeszkody na drodze do "klubu nuklearnego" były skrzętnie usuwane - broń ta miała najwyższy priorytet.

Podczas zimnej wojny wiodące imperia poświęcały rozwój gospodarczy i przemysł, aby tylko stworzyć jak najdoskonalszą broń. Chociaż motywację posiadania jej często określano jako niezbędną do obrony, prawdziwe cele były często zgoła inne.



1. Podstawowe wiadomości z fizyki.
Jądro atomowe
•Jądro atomowe składa się protonów i neutronów, zwanych razem nukleonami. Sumaryczna liczba protonów i neutronów wchodzących w skład jądra jest równa liczbie masowej A. Ilość protonów w jądrze atomowym równa jest liczbie porząd­kowej Z pierwiastka w układzie okresowym Mendelejewa. Ładunek jądra atomo­wego jest równy liczbie protonów wchodzących w jego skład pomnożonej przez ładunek elementarny e =1.6 10-19C. Masę jąder wygodnie jest wyrażać w jednost­kach energii zgodnie ze wzorem E=mc2, gdzie m jest masą spoczynkową jądra. W dużym uproszczeniu jądro atomowe uważać można za kulę o promieniu R za­leżnym od ilości nukleonów: R= 1.3 10-13 A1/3 cm, gdzie A jest liczbą masową jądra równą liczbie nukleonów.
•Neutron jest to obojętna elektrycznie cząstką elementarną o masie spoczynko­wej mn =939.57 MeV i spinie s=1/2. W stanie swobodnym neutron jest cząstką nietrwałą o czasie połowicznego rozpadu τ=12 minut. Rozpada się na proton, ele­ktron i antyneutrino elektronowe. W czasie rozpadu wydziela się energia około 0.77 MeV.
•Proton jest cząstką elementarną o ładunku e, masie spoczynkowej mp =938.28 MeV i spinie s=1/2. Swobodny proton jest cząstką trwałą.
•Izotopy są to jądra atomowe o jednakowej liczbie protonów, lecz różnej liczbie neutronów, a tym samym różnej liczbie masowej.
•Energia wiązania jądra atomowego jest to praca, jaką należy wykonać, aby roz­dzielić jądro atomowe na swobodne nukleony. W czasie tworzenia jądra atomowe­go ze swobodnych nukleonów wydziela się energia równa energii wiązania jądra.

Ew = c2[(Zmp + Nmn) – Mj]

Ew – energia wiązania

Z – liczba porządkowa pierwiastka

mp – masa protonu

N – liczba neutronów w jądrze

mn – masa neutronu

Mj – masa jądra


•Defekt masy. Masa jądra atomowego jest zawsze mniejsza od sumy mas swobo­dnych protonów i neutronów wchodzących w jego skład. Różnicę tę nazywamy defektem masy. Defekt masy np. dla jądra 24He wynosi 28.4 MeV.
•Siły jądrowe. Siły wiążące nukleony w jądrze atomowym nazywamy siłami jądrowymi. Są one przejawem bardziej ogólnego oddziaływania zwanego oddziaływaniem silnym. Siły jądrowe są:

a)krótkozasięgowe - ich zasięg działania jest rzędu 10-15m,

b)niezależne od ładunku elektrycznego,

c)wykazują własność wysycenia tzn. każdy nukleon oddziaływuje tylko z ograniczoną liczbą innych nukleonów.


Istota oddziaływania jądrowego polega na wymianie mezonów: π+, π- oraz πo pomiędzy nukleonami. Oddziały­wanie pomiędzy neutronem a protonem polegające na wymianie mezonu π-. Neu­tron emitując π- zamienia się w proton, podczas gdy proton pochłaniając π- staje się neutronem. Powoduje to wystąpienie sił przyciągania pomiędzy obu nukleonami.
Promieniotwórczość
• Promieniotwórczością nazywamy samorzutną emisję elektronów, cząstek α ( jąder helu) oraz promieniowania γ ( fotony o energiach od 1MeV do 1GeV) z jąder atomowych. Procesy te są procesami czysto przypadkowymi. W wyniku emisji cząstek α lub elektronów emitujące jądro przekształca się w jądro atomowe innego pierwiastka. Nowo powstałe jądro jest często jądrem wzbudzonym. Przechodzi ono do stanu podsta­wowego emitując kwanty γ. Szybkość, z jaką w danym momencie czasu ubywa liczba jąder promieniotwórczych w preparacie jest proporcjonalna do liczby jąder N(t), które jeszcze nie uległy rozpadowi.

N(t)/d(t)=- λN(t)

Współczynnik proporcjonalności λ nazywamy stałą rozpadu. Liczba jąder promieniotwórczych, które jeszcze nie uległy rozpadowi maleje eksponencjalnie z czasem. Czas w przeciągu, którego rozpada się połowa początkowej liczby jąder nazywamy czasem połowicznego zaniku T.
• Prawa zachowania. W procesach rozpadu zachowane zostają energia, pęd oraz:

- ładunek elektryczny - ładunek elektryczny jądra ulegającego rozpadowi równy jest sumie ładunków elektrycznych powstałych jąder i wyemitowanych cząstek elementarnych.

- całkowita liczba nukleonów - liczba masowa jądra ulegającego rozpadowi jest równa sumie liczb masowych powstałych jąder i cząstek elementarnych.

Na przykład:



23892 U→90234 Th+ 24He

Prawo zachowania ładunku elektrycznego: 92= 90+ 2

Prawo zachowania liczby nukleonów: 238= 234+ 4
• Promieniowanie γ. Jednym ze sposobów powrotu wzbudzonego jądra (M)* do stanu podstawowego jest emisja promieniowania gamma γ. Promieniowanie γ jest to strumień fotonów o energiach od 1 MeV do 1 GeV. Energie te są o kilka rzędów większe od energii fotonów światła widzialnego (np. energia fotonów światła fioletowego o długości fali λ=0.38 μm wynosi 3.26 eV). Emisja promieniowania γ nie powoduje zmiany liczby protonów ani neutronów w jądrze atomowym, a tym samym nie zmienia jego ładunku ani liczby masowej.
wzbudzone jądro atomowe - (AZM)* → (AZM) + γ – kwant promieniowania
• Oddziaływanie promieniowania γ z materią. W wyniku oddziaływania promieniowania γ z materią natężenie I promieniowania maleje eksponencjalnie wraz z grubością warstwy, przez którą ono przechodzi. Absorpcja promieniowania γ może zachodzić w wyniku:

1) efektu fotoelektrycznego, w którym kwanty zaabsorbowany przez elektron w atomie powoduje jonizację atomu elektron opuszcza atom.

2) efektu Comptona.

3) kreacji par elektron- pozyton. W silnym polu elektrycznym w pobliżu jądra atomowego może nastąpić rozpad fotonu γ na elektron i jego antycząstkę pozyton. Efekt ten może wystąpić, gdy energia fotonu γ jest większa od E=2mec2, gdzie me jest masą spoczynkową elektronu.


• Promieniowanie alfa. Rozpad α polega na samorzutnej emisji z atomu jąder helu 42He. W wyniku tego rozpadu liczba masowa jądra zmniejsza się o 4, a ładunek jądra o 2. Powstaje nowy pierwiastek chemiczny o liczbie porządkowej mniejszej o dwa. Jest to charakterystyczny rozpad dla ciężkich jąder o liczbach masowych A>200. Przy opuszczaniu jądra cząstka α musi pokonać barierę potencjału wytworzoną przez działanie wiążących sił jądrowych i odpychającej siły kulombowskiej. Wysokość tej bariery jest większa niż energia, jaką posiada cząstka α. Na przykład wysokość bariery dla jąder uranu wynosi około 30 MeV. Podczas gdy energia emitowanych cząstek α nie przekracza 10 MeV. Rozpad alfa zachodzi, zatem w wyniku tunelowego przejścia cząstki α przez barierę potencjału UR.
• Promieniowanie β- polega na emisji elektronów z jąder atomowych. W wyniku rozpadu jednego z neutronów znajdujących się w jądrze atomowym z jądra emitowany jest elektron oraz antyneutrino elektronowe ( ϋe ):

n→ p + e-e

W wyniku tego procesu liczba porządkowa jądra zwiększa się o jeden.
• Promieniowanie β+_ polega na emisji pozytonów z jąder atomowych poddanych sztucznym przemianom jądrowym (np. bombardowanych protonami, neutronami czy tez cząstkami α). W wyniku rozpadu jednego z protonów znajdujących się w jądrze atomowym z jądra emitowany jest pozyton oraz neutrino elektronowe.

p→ n +e+e


W wyniku tego procesu liczba porządkowa jądra zmniejsza się o jeden.
• Energia kinetyczna cząstek β. Nawet dla identycznych jąder atomowych cząstki β (elektrony w przypadku β-, a pozytony w przypadku β+) emitowane są z różnych atomów z różnymi pędami i energiami. Zgodnie z prawem zachowania pędu suma pędów jądra atomowego i emitowanych cząstek musi być równa pędowi jądra przed emisją. Relacja ta może być spełniona dla różnych wartości pędów emitowanych cząstek β, a tym samym ich energii. Jednakże nie wszystkie wartości pędu wynikające z prawa zachowania pędu będą dozwolone, gdyż równocześnie musi być spełnione prawo zachowania energii. Tak, więc pęd, a także energia cząstek β emitowanych przez różne jądra może być różna. Można pokazać, że energia ta może zmieniać się od pewnej wartości minimalnej do maksymalnej.
Przemiany jądrowe
• Reakcje jądrowe. Reakcjami jądrowymi nazywamy przekształcenia jąder atomowych wywołane ich zderzeniami z innymi jądrami lub cząstkami elementarnymi. Schematy­czny przebieg takiego procesu przedstawiono poniżej, gdzie zderzenie cząstki a z jądrem X prowadzi do powstania nowego jądra Y i cząstki b.

a+X→Y+b+Q

, gdzie a- uderzjaca cząstka lub jądro, X – jądro tarczy, Y – nowe jądro, b – wyemitowana czastka lub jądro, Q – wydzielona energia np.

42He + 147N → 178O + p + (-1.19 MeV)

Dodatniemu Q odpowiada wydzielanie się energii spowodowane zamianą części mas spoczynkowych jąder biorących udział w zde­rzeniu na energię kinetyczną unoszoną przez jądro Y i jądro (cząstkę) b. Reakcje takie nazywamy reakcjami egzoenergetycznymi. Ujemna wartość Q oznacza natomiast, że aby taka reakcja mogła zajść bombardująca cząstka musi dostarczyć do układu dodatkową ilość energii w postaci jej energii kinetycznej. Część dostarczonej energii równa wartości bezwzględnej |Q| zamieniona zostaje na masy spoczynkowe powstałego jądra i cząstki. Reakcje takie nazywamy reakcjami endoenergetycznymi. Minimalną wartość energii potrzebnej do wywołania takiej reakcji nazywamy energią progową ( progiem) reakcji.


• Reakcje syntezy jądrowej. Reakcjami syntezy nazywamy proces powstawania nowego jądra atomowego w wyniku zderzenia dwóch lżejszych jąder lub cząstek. Zjawisku temu zwykle towarzyszy wydzielenie pewnej ilości energii oraz emisja cząstek elementarnych. Na przykład w reakcji syntezy 42He z czterech protonów w wyniku zachodzącego we wnętrzu Słońca tzw cyklu p - p wydzieli się łącznie 26.8 MeV energii przy każdej syntezie jądra 42He.W wyniku syntezy 1kg helu wydzieli się 6.8 1016 J energii, co odpowiada chemicznemu spaleniu około 25000 ton węgla.
• Cykl p - p na Słońcu. W pierwszym etapie tego cyklu w wyniku zderzenia dwu wysokoenergetycznych protonów powstaje deuteron 21D, czyli jądro deuteru. Deuter jest to izotop wodoru zawierający w jądrze atomowym jeden proton i jeden neutron. Bardzo szybko, bo średnio po upływie 6s deuteron pochłania dodatkowy proton przechodząc w jądro helu 32He. W trzecim etapie po upływie około miliona lat następuje zderzenie dwu jąder 32He dające w wyniku stabilne jądro helu 42He. Ze względu na silne odpychanie pomiędzy protonami reakcje takie mogą zachodzić jedynie w bardzo wysokich temperaturach rzędu 108-109K ( np. we wnętrzu gwiazd będąc źródłem ich energii). Uwolniona energia emitowana jest m.in. w postaci energii fali elektromagnetycznej, czyli fotonów. Szacuje się, że Słońce wysyła ok. 10e34 J energii promienistej w ciągu roku.
•Reakcje z udziałem neutronów. Dla neutronów nie występuje odpychająca bariera kulombowska. Dlatego też mogą one stosunkowo łatwo wnikać do jąder atomowych. Po pochłonięciu neutronu nowe jądro jest w stanie wzbudzonym i może ulec rozpadowi lub przemianie np. w wyniku bombardowania azotu 147N strumieniem neutronów powstaje wzbudzone jądro azotu 157N, które po emisji protonu przemienia się w jądro izotopu węgla 146C.

I

•Neutrony termiczne są to neutrony o energiach kinetycznych porównywalnych z energiami ruchu termicznego atomów otaczającego je ośrodka. W temperaturach bliskich temperaturze pokojowej ich energia kinetyczna wynosi około 0.025 eV. Są one łatwo pochłaniane przez jądra uranu 235 wywołując ich rozszczepienie. Jądra uranu 238 pochłaniają neutrony termiczne tylko w niewielkim stopniu.


• Rozpad uranu. W wyniku pochłonięcia przez jądro uranu 23592U termicznego neutronu staje się ono jądrem izotopu uranu 23692U. Jądro to jest jądrem niestabi­lnym i rozpada się na dwa fragmenty X, Y oraz pewną ilość swobodnych neutro­nów. Energia wiązania przypadająca na jeden nukleon jest dla tych fragmentów większa, niż energia wiązania nukleonów w jądrze uranu o około 0.85 MeV. Taką właśnie energię uwalnia każdy nukleon w chwili rozpadu. W sumie wszystkie nu­kleony pierwotnie zawarte w jądrze uranu U wydzielają energię około 200 MeV. Energia ta wydzielana jest w postaci energii kinetycznej powstałych fragmentów oraz uwolnionych neutronów, a także w postaci kwantów wyemitowa­nych zarówno w procesie rozpadu jak i podczas występującego później dalszego rozpadu powstałych fragmentów. W wyniku rozpadu 1 kg uranu może wydzielić się około 22 milionów kWh energii. Powstałe w wyniku rozpadu fragmenty X. Y nie są jednoznacznie określone tzn. nie można z góry przewidzieć, jakie jądra powstaną w każdym pojedynczym rozpadzie. Istnieją różne kombinacje możliwych jąder i ilości uwalnianych neutronów. Najczęściej po pochłonięciu termicznego neutronu jądra uranu 23592U będą rozpadać się na 14456Ba oraz 8936Kr z jednoczesną emisją trzech neutronów lub na 14054Xe i 9438Sr oraz dwa neutrony.
• Współczynnik powielania neutronów. Część spośród N0 neutronów, powsta­łych w wyniku początkowego rozpadu jąder 23592U może zostać pochłonięta przez pozostałe jądra 23592U wywołując ich rozpad. Powoduje to pojawienie się N1 neutronów „nowego pokolenia „ Neutrony te, z kolei mogą wywoływać kolejne rozpady jąder uranu. Współczynnikiem powielania neutronów K nazywamy stosunek liczby neutronów „nowego pokolenia” N1 do liczby neutronów No poko­lenia poprzedzającego. Przy K równym 1 liczba neutronów w próbce jest stała, a tym samym stała jest również liczba jądrowych reakcji rozszczepiania przypadających na jednostkę czasu. Jeżeli K będzie mniejsze od 1 to reakcje rozszczepia­nia będą powoli zanikać. Natomiast przy K większym od 1 reakcja może przybierać charakter lawinowy. Ilość atomów ulegających rozpadowi będzie wówczas narastać lawinowo, a proces może być niemożliwy do zatrzymania. Dla uranu 235 proces lawinowy rozpoczyna się, gdy współczynnik powielania K przekroczy wartość 1,007. W reaktorach atomowych kontrola reakcji łańcuchowej realizowana jest poprzez wprowadzenie do reaktorów prętów pochłaniających neutrony. Wprowadzając pręty głębiej w obszar roboczy reaktora lub wyciągając je zmienia się liczbę pochłoniętych przez nie neutronów. Powoduje to zmianę wspołczynnika powielania neutronów


2. Fizyka rozszczepienia jądrowego
Rozszczepienie jądrowe zachodzi, gdy jądra pewnych izotopów bardzo ciężkich pierwiastków, na przykład uranu czy plutonu, pochłaniają neutrony. Jądra tych izotopów są ledwo stabilne i dodanie małej ilości energii (np. pochodzącej z neutronu) spowoduje nagłe rozszczepienie na dwa jądra, czemu towarzyszy uwolnienie ogromnej ilości energii (180 MeV natychmiastowo dostępnej energii) i kilku nowych neutronów (średnio 2.52 dla U-235, i 2.95 dla Pu-239). Jeżeli średnio jeden neutron z każdego rozszczepienia jest pochłaniany i powoduje reakcję rozszczepienia kolejnego jądra dochodzi do samo podtrzymywania, zwanego reakcją łańcuchową. Gdy natomiast średnio więcej niż jeden neutron z każdego rozpadu wywołuje rozszczepienie kolejnego jądra liczba neutronów i ilość

wydzielonej energii rośnie wykładniczo do czasu.

Aby reakcja rozszczepienia mogła być użyta do wytworzenia potężnej eksplozji muszą być spełnione dwa warunki:


  1. liczba neutronów nie biorących udziału w rozszczepieniu musi być możliwie najmniejsza

  2. prędkość, z jaką zachodzi reakcja łańcuchowa musi być bardzo szybka. Niezwykle ważne jest bowiem, aby zakończyć rozszczepienie większości materiału zanim bomba wybuchnie. Stopień, w jakim bomba tego dokonuje określa jej skuteczność. Niepoprawne zaprojektowanie lub złe funkcjonowanie bomby może spowodować wydzielenie tylko drobnej części energii.


2.1 Natura procesu rozszczepienia.

Jądra atomów mogą oddziaływać z neutronami znajdującymi się blisko na dwa podstawowe sposoby. Mogą zmienić kierunek neutronu przejmując część jego energii kinetycznej. Mogą również pochłonąć neutron, co może dać kilka efektów - absorpcja i rozszczepienie to z nich najważniejsze.


Stabilność jąder atomowych jest zależna od ilości energii wymaganej do jego rozerwania (równej energii wiązania). Gdy jądro atomu przejmuje neutron czy proton musi na nowo przebudować swoją strukturę. Jeżeli w czasie tego procesu energia jest uwalniana, energia wiązania maleje. Jeżeli energia jest absorbowana, energia wiązania rośnie.
Izotopy ważne dla uwolnienia dużej ilości energii podczas rozszczepienia to uran 235 (U-235), pluton-239 (Pu-239), i uran 233 (U-233). Energia wiązania tych trzech izotopów jest na tyle mała, że gdy neutron zostaje pochłonięty, energia uwolniona przez ponowne uporządkowanie jądra przekracza ją. Jądro staje się niestabilne, czego efektem jest rozszczepienie na dwa nowe jądra o porównywalnych rozmiarach.
Inaczej dzieje się jednak z np. izotopem uranu 238 - nawet gdy jego jądro pochłonie neutron deficyt energii wiązania wynosi 1 MeV. Jeżeli jednak neutron ten będzie obdarzony energią kinetyczną przekroczy 1MeV, wtedy energia to dodana do energii uwolnionej przez ponowną reorganizację jądra przekroczy energię wiązania i spowoduje rozszczepienie. W takich przypadkach mówimy o "szybkim rozszczepieniu" (częściej mówi się o szybkich neutronach). Pojęcie to związane jest ściśle z podziałem materiałów rozszczepialnych ze względu na neutrony powodujące reakcję: szybkie (wymagane do rozszczepienia U-233, U-235, Pu-239) i powolne (rozszczepiają U-238 i Th-232).


2.2 Masa krytyczna

Aby reakcja rozszczepienia mogła dostarczyć spodziewanej energii, neutrony uwalniane w wyniku rozszczepienia poszczególnych jąder muszą być użyte do wywołania tego procesu dalej. Możliwe jest to tylko wtedy, gdy ilość materiału rozszczepialnego osiągnie granicę tzw. "masy krytycznej", masy w której reakcja jest samo-podtrzymywana (zjawisko to zwane jest reakcją łańcuchową). Dlatego np. w elektrowniach atomowych pręty regulacyjne skutecznie powstrzymują niekontrolowaną reakcję jądrową poprzez wyłapywanie neutronów (pręty te rozdzielają masy podkrytyczne).


Tabela 1 Typowymi wartościami mas krytycznych kulistych materiałów rozszczepialnych są (http://nuclearweaponarchive.org/Nwfaq/Nfaq2.html) :


U-233

16 kg

U-235

52 kg

Pu-239

10 kg


2.3 Skala czasu dla reakcji rozszczepienia

Czas potrzebny do przeprowadzenia każdego z elementów reakcji łańcuchowej jest zależny od prędkości neutronów oraz drogi, jaką muszą przebyć zanim zostaną przyciągnięte do kolejnego jądra. Odległość ta w materiałach rozszczepialnych przy normalnej gęstości wynosi ok. 13 cm dla neutrona 1 MeV (typowa energia neutronów powstających w reakcji rozszczepienia). Neutrony poruszają się ze średnią prędkością 1.4*109 cm/s, co daje przeciętnie 10-8s pomiędzy kolejnymi stadiami reakcji.


  1   2   3   4   5


©absta.pl 2016
wyślij wiadomość

    Strona główna