Defekt masy. Sposoby uzyskania energii jądrowej PDF

Preview

Summary

Energia jądra atomowego - defekt (niedobór) masy. Wzór na niedobór masy (deficyt masy, defekt masy). Uzyskanie energii jądrowej...

Description

DEFEKT MASY

Deficyt masy ( niedobór masy ) to różnica między sumą mas poszczególnych składników układu fizycznego a masą tego układu. Określenie najczęściej jest używane w odniesieniu do różnicy między sumą mas nukleonów wchodzących w skład jądra atomowego a masą jądra. Iloczyn niedoboru masy i kwadratu prędkości światła w próżni jest równy energii wiązania jądra.

∆ m=Nm n−m j m p gdzie:

mp

-

masa protonu

mn

-

masa neutronu

mj

-

masa jądra

Energia wiązania jądra:

EW = ∆ m c

2

To energia potrzeba do rozdzielenia jądra na poszczególne składniki. Energie wiązania cząsteczek są rzedu kilkunastu eV czyli rzędu 10−9 energii spoczynkowej cząsteczki. Deficyt masy jądre może sięgać 1% masy, a energia wiązania jest rzędu 1GeV.

SPOSOBY POZYSKIWANIA ENERGII JĄDROWEJ

Energię jądrową pozyskuje się głównie w wyniku reakcji rozszczepienia jąder atomowych polegającej na podziale ciężkiego jądra atomu na dwa ( rzadziej więcej ) mniejsze fragmenty o porównywalnych masach. Fragmenty te stają się natychmiast atomami lżejszych pierwiastków. Oprócz fragmentów rozszczepienia ( czyli tych jąder lekkich pierwiastków ) emitowane są też neutrony i kwanty γ. Reakcja rozszczepienie może zachodzić samoistnie bądź w wyniku bombardowania jądra atomu różnymi cząstkami : neutronami, protonami, deuteronami, cząstkami α, kwantami γ. Najczęściej wykorzystuje się do takiego bombardowania neutrony ponieważ nie posiadają one ładunku elektrycznego co umożliwia im w łatwy sposób wniknięcie do jądra atomowego. W reakcji rozszczepienia wyzwalana jest duża ilość energii. W przypadku rozszczepienia jadra 235 U wydziela się około 210 MeV. Energia ta pochodzi z różnicy między masą jądra przed jego rozszczepieniem, a masami produktów rozszczepienia, czyli nowo powstałych jąder pierwiastków.

Jest to tzw. Defekt masy, ponieważ łączna masa produktów rozszczepienia jest mniejsza od masy jądra przed jego rozszczepieniem. Fragmenty rozszczepienia są jądrami nietrwałymi, powstają one głównie w stanach wzbudzonych i ulęgają dalszym rozpadom β. Emitują także neutrony i kwanty γ.

Przykładowa reakcja rozszczepienia jądra:

1 236 89 89 1 n+235 92 U + 0 n → 92 U ∗→36 Ba+36 Kr +30 n+ Q

*

-

stan wzbudzony, jest on niestabilny i ulega rozpadowi.

Q

-

wydzielona energia

Rys. 1. Przebieg reakcji rozszczepienia U-235 (rysunek pochodzi z książki „Energia jądrowa i promieniotwórczość”, A. Czerwiński, Oficyna Edukacyjna Krzysztof Pazdro, Warszawa 1998, http://www.pazdro.com.pl/)

Ważną cechą reakcji rozszczepienia jest emisja swobodnych neutronów (czyli wolnych, występujących poza jądrem atomu, biegnących z ogromnymi prędkościami w różnych kierunkach). W przypadku 235 w każdym rozszczepieniu powstaje (zostaje wydzielonych z jądra atomu) około 92U 2-3 neutronów – średnio 2,5 neutronu na każde rozszczepienie. Oprócz neutronów emitowanych w procesie rozszczepienia (tzw. Neutrony natychmiastowe) pojawiają się także tzw. Neutrony opóźnione. Są one wyrzucane z fragmentów rozszczepienia, które są jądrami z nadwyżką (nadmiarem) neutronów – a więc nie są wydzielane w czasie reakcji rozszczepienia, ale dopiero później, z już powstałych lżejszych jąder. Jeśli średnia liczba neutronów powstałych w wyniku rozszczepienia jądra jest większa od 1 to istnieje możliwość zrealizowania tzw. Łańcuchowej reakcji rozszczepienia. W takiej reakcji neutrony powstałe z rozszczepienia mogą powodować rozszczepienia kolejnych jąder. Prowadzi to do gwałtownego wzrostu liczby neutronów, co w konsekwencji powoduje wyzwolenie

ogromnej ilości energii (z powodu lawinowego, masowego rozszczepiania wielu kolejnych jąder w ułamku sekundy. Aby zaszła samopodtrzymująca się łańcuchowa reakcja rozszczepienia potrzebna jest tzw. Masa krytyczna, czyli pewna minimalna ilość materiału rozszczepialnego, mierzona w kilogramach jego masy. Zależy ona nie tylko od masy, ale także od: rodzaju materiału rozszczepialnego, kształtu bryły z materiału rozszczepialnego, stopnia wzbogacenia, związku chemicznego zawierającego materiał rozszczepialny, ciśnienia zewnętrznego, obecności lub braku tzw. Reflektora. Dla bomb masa krytyczna wynosi od kilkunastu do kilkudziesięciu kilogramów. W reaktorach jądrowych osiąga wartości rzędu kilkuset ton. Jeśli ilość materiału rozszczepialnego jest mniejsza od masy krytycznej reakcja rozszczepienia po pewnym czasie wygasa.

Bibliografia: •

J. Stasz, Fizyka –repetytorium , PWN Wydawnictwo Szkolne, W-Wa 2010

•

J. Stasz, Wykłady z fizyki (PDF)

•

http://atom.edu.pl/...