Reakcja łańcuchowa

Treści multimedialne - kodowanie,
przetwarzanie, prezentacja
Odtwarzanie treści multimedialnych
Andrzej Majkowski
informatyka +
1
SZTUCZNE REAKCJE JĄDROWE
część I
Liceum Ogólnokształcące
im. Gen. Mariusza Zaruskiego
w Węgorzewie
Waldemar Czapski
Krzysztof Sauter
informatyka +
2
Układ treści zajęć
1. Ogólne wiadomości o sztucznych
reakcjach jądrowych.
2. Rozszczepienie jąder atomowych.
3. Reakcja łańcuchowa.
3
1. Ogólne wiadomości o sztucznych reakcjach
jądrowych.
Sztucznymi reakcjami jądrowymi nazywamy
przemiany jąder atomowych zachodzące pod
wpływem pocisków jądrowych.
Pociskami jądrowymi nazywamy cząstki, które
zderzając się z jądrem wywołują reakcję jądrową.
Pierwszą sztuczną reakcję jądrową zaobserwował
Ernest Rutherford. Była to reakcja jądra azotu
z cząstką . W wyniku tej reakcji powstało jądro tlenu
i proton.
Ogólne wiadomości o sztucznych reakcjach
jądrowych - cd.
14
7
N  42 He 178 O  11 H
Symulacja graficzna pierwszej
sztucznej reakcji jądrowej jaką
zaobserwował Ernest Rutherford
w komorze Wilsona.
Rzeczywisty wygląd obrazów
rejestrowanych w komorze
Wilsona.
www.cybertech.net.pl
5
Ogólne wiadomości o sztucznych reakcjach
jądrowych - cd.
Najczęściej używanymi pociskami jądrowymi są neutrony
(ich źródłami są reaktory jądrowe) oraz cząstki  i protony
rozpędzane w akceleratorach.
Ze względu na energię neutrony używane
jako pociski jądrowe dzielimy na:
- neutrony termiczne o energii rzędu 0,025 eV
- neutrony powolne o energii rzędu 1 eV – 1 keV
- neutrony pośrednie o energii rzędu 1 keV – 0,5 MeV
- neutrony prędkie o energii powyżej 0,5 MeV.
Przykładowe sztuczne reakcje jądrowe:
14
7
N  01n  115B  42 He
198
80
1
Hg  01n  198
Au

79
1p ,
196
78
Pt  01n 
197
79
198
79
Au 
198
80
Hg  -10
Au  -10
6
Ogólne wiadomości o sztucznych reakcjach
jądrowych - cd.
Zadanie 1
Rozwiązanie zadania 1
7
Ogólne wiadomości o sztucznych reakcjach
jądrowych - cd.
Zadanie 1
Uzupełnij następujące reakcje jądrowe:
14
7
1
1
N
p
14
7
 C T
12
6
3
1
N N
12
7
16
8
O
 F p
10
5
B  n   He
19
9
1
0
1
1
4
2
Rozwiązanie zadania 1
8
Ogólne wiadomości o sztucznych reakcjach
jądrowych - cd.
Rozwiązanie zadania 1
Uzupełnij następujące reakcje jądrowe:
14
7
1
1
N n  C H
1
0
p
16
8
10
5
14
7
12
6
3
1
N N H
12
7
3
1
O  He  F  p
4
2
19
9
1
1
B  n  Li  He
1
0
7
3
4
2
9
2. Rozszczepienie jąder atomowych
Reakcje rozszczepienia jąder pierwiastków ciężkich.
Pod wpływem pocisków jądrowych w postaci neutronów, jądra
niektórych pierwiastków ciężkich ulegają specyficznym sztucznym
reakcjom nazywanym rozszczepieniem.
Rozszczepieniem jąder atomowych nazywamy reakcję jądrową
zachodzącą pod wpływem padających neutronów w wyniku, której
jądra pierwiastków ciężkich rozpadają się na dwa jądra
pierwiastków lżejszych.
Skutkiem dodatkowym tej reakcji jest wydzielanie się dużych
ilości energii oraz emisja neutronów, które nazywamy neutronami
wtórnymi.
Rozszczepienie jąder atomowych - cd
Przykładowa reakcja rozszczepienia
(reakcja rozszczepienia uranu 235U)
235
92
*
U  01 n  236
U

92
*
144
Ba

56
89
36
Kr*  301 n  (energia)
*
140
Xe

54
94
38
Sr *  2 01 n  (energia)
*
148
La

57
85
35
Br *  301 n  (energia)
Podczas reakcji rozszczepienia wynik reakcji jest
nieprzewidywalny dlatego też w podanym przykładzie
występują różne możliwości (najczęściej zachodzące
przypadki). Widzimy jednak, że w każdym przypadku
wydziela się energia oraz neutrony wtórne.
11
Rozszczepienie jąder atomowych - cd
Dodatni bilans energetyczny przy rozszczepianiu
niektórych pierwiastków ciężkich jest związany
z tym, że jądra pochodne powstające w wyniku
tej reakcji mają większą energię właściwą
wiązania niż jądra pierwiastków rozszczepianych.
W wyniku rozszczepiania jąder uranu 235U wydziela się około
208 MeV energii na jeden akt rozszczepienia. Oznacza to,
że przy rozszczepieniu 1 grama uranu wydziela się tyle energii
co przy spaleniu 2500 ton węgla. Efektywność reakcji
rozszczepienia zależy od rodzaju pierwiastka, rodzaju izotopu
oraz od energii neutronów użytych do przeprowadzenia
reakcji.
12
Rozszczepienie jąder atomowych - cd
Energia rozszczepienia wydziela się w postaci energii
kinetycznej
produktów
reakcji
(ciepło),
energii
promieniowania
jądrowego
oraz
promieniowania
elektromagnetycznego z całego zakresu widma.
Przykłady izotopów rozszczepialnych
233
92
238
92
U,
235
92
U,
237
93
U,
239
94
Np,
Pu,
232
90
Th
241
94
Pu -
rozszczepialne za pomocą
neutronów termicznych
-
rozszczepialne za pomocą
neutronów prędkich
13
3. Reakcja łańcuchowa
Neutrony wtórne powstające w wyniku reakcji rozszczepienia
mają zdolność do dalszego rozszczepiania. Ilość neutronów
wtórnych wydzielonych podczas każdego aktu rozszczepienia
jest większa od jedności tak więc ilość rozszczepień
zachodzących w próbce może wzrastać. Reakcja może
przerodzić się w reakcję łańcuchową.
Reakcją łańcuchową nazywamy ciąg rozszczepień
zachodzących w próbce izotopu rozszczepialnego pod
wpływem neutronów wtórnych.
14
Reakcja łańcuchowa – cd.
Wyróżniamy trzy typy reakcji łańcuchowych:
a) Reakcja łańcuchowa gasnąca – jest to reakcja podczas,
której ilość rozszczepień zachodzących w próbce maleje
w czasie. Przyczyną wygasania reakcji łańcuchowej jest
ucieczka neutronów wtórnych poza obręb próbki oraz wychwyt
tych neutronów przez inne pierwiastki zanieczyszczające izotop
rozszczepialny. Pierwiastki najlepiej wychwytujące neutrony
to bor i kadm.
b) Reakcja łańcuchowa samo podtrzymująca się – jest to
reakcja podczas, której ilość rozszczepień zachodzących
w próbce nie zmienia się w czasie. Ten typ reakcji łańcuchowej
nazywamy także reakcją łańcuchową kontrolowaną. Reakcje
kontrolowane wykorzystano w reaktorach jądrowych do
wytwarzania energii.
15
Reakcja łańcuchowa – cd.
c) Reakcja łańcuchowa lawinowa – jest to reakcja podczas,
której ilość rozszczepień zachodzących w próbce izotopu
rozszczepialnego
gwałtownie
wzrasta
w
czasie.
W tym przypadku ilość neutronów wtórnych biorących udział
w dalszym rozszczepianiu jest większa od liczby wcześniejszych
rozszczepień. Reakcja tego typu jest niekontrolowana i zachodzi
w sposób wybuchowy (reakcje lawinowe wykorzystano w
bombach atomowych). Warunkiem zajścia reakcji łańcuchowej
lawinowej jest przekroczenie masy krytycznej w próbce.
Masą krytyczną nazywamy najmniejszą masę próbki
w kształcie kuli, w której zachodzi reakcja łańcuchowa
lawinowa.
Kształt kuli zapewnia najmniejszą powierzchnię ucieczki
neutronów z próbki. Masa krytyczna zależy od rodzaju
izotopu oraz od czystości chemicznej próbki. Przykładowo
masa krytyczna 235U wynosi około 1 kg.
16