7. témakör

1. 7. témakör Villamosenergia-termelés atomerőművekben

2. Tartalom 1.Magfizikai alapok. 2. Az atommag felépítése, jellemzői. 3. Radioaktivitás, neutron magreakciók. 4. Maghasadás. 5. Láncreakció, atomreaktor. 6. Atomerőművek.

3. 1. Magfizikai alapok • (semleges) atom=(+) atommag + (-) elektronburok. • atommag=p+n és p=e (kifelé semleges).

4. Magfizikai alapok • u=atomi tömegegység (12 tömegszámú szénatom (C-12) tömegének 1/12-ed része. • 1u=1,660274.10-24 [g]. • Eo=mc2=1,66.10-27 [kg]*9.1016 [m/s]2=1,494.10-10 J. • m[g]=Au → A=6,0231.1023 [db/mol] • e-elektromos töltés, amely az elektron és a proton töltésének nagyságával azonos → elemi töltés 1e=1,6021.10-19 C. • 1 eV=Q(1e-)*ΔU(1V) mozgási energiát nyer 1 e- töltéssel rendelkező részecske, ha 1V feszültségkülönbség hatására gyorsul: 1eV=1,6021*10-19 [C]*1[V] = 1,6021.10-19 J.

5. Magfizikai alapok • 1u energiája: 1,494.10-10 [J]/1,6021.10-19 [eV] =932,5.106 eV=932,5 MeV. • m(e)=9,108.10-28 [g], Eo=9,109.10-31 [kg]*9.1016 [m/s]2=8,1972.10-14 [J]/1,6021.10-19= 511.103 eV=511 [keV]. • Einstein energia-megmaradás elve: a nyugalmi energia [Eo] és a nyugalmi (v=0) tömeg [mo] ekvivalencia:

6. Magfizikai alapok • Egy anyagi részecske összes energiája (Eo és mo csak együtt változhat): • Exoterm reakció: a nyugalmi energia rovására nő a kinetikus energia (energiatermelő folyamat). • Endoterm reakció: a befektetett kinetikus energia árán nő a reakcióban résztvevőrészecskék nyugalmi energiája (gyorsítók).

7. Magfizikai alapok • c≈3.105 [km/s]=3.108 [m/s]. • 1 g tömegnek megfelelő nyugalmi energia: Eo=moc2= 10-3 [kg]*9.1016 [m/s]2=9.1013 J=9.1010 kJ. • 1 kg tiszta szén (Hü=33800 kJ/kg) eltüzelése: • 1kg U-235 valamennyi atommagjának elhasadása során (Hü=) 8,2.1010 kJ energia szabadul fel:

8. Magfizikai alapok • Nukleáris/kémiai kötött energia aránya:

9. 2. Az atommag felépítése, jellemzői • A protonok száma: Z, • A neutronok száma: N, • Tömegszám: A=Z+N • Jelölés: X a kérdéses elem vegyjele → azonosítja a rendszámot (Z) → A és Z alapján N meghatározható, ezért 1H, 16O, 235U. • mp=1,007276 u ≈mn=1,008665 u, • mp/me=1,007276 u/0,000549 u≈1835, ill. (mp+mn)/me=3670→ az atom tömege gyakorlatilag a magban koncentrálódik.

10. Az atommag felépítése, jellemzői • Az atommag sugara: • A mag sűrűsége óriási (1014 g/cm3), azaz 1013-szor nagyobb, mint a köznapi életben megszokott sűrűség (1-10 g/cm3).

11. Az atommag felépítése, jellemzői • Egy elem atommagjában Z számú proton mellett különböző számú neutron lehet → izotópok. • 1H, 2H(D), 3H(T), • 16O, 17O, 18O, • 233U, 235U, 238U. • A természetben található stabil izotópok alapján a következő fő megállapítások tehetők: • A legtöbb elem különböző izotópok keveréke, • A kis rendszámú elemeknél Z≈N, (4He: Z=N=2, 16O: Z=N=8), • A rendszám növekedésével a magban található neutronok száma egyre nagyobb mértékben meghaladja a protonokét.

12. A stabil izotópok összetartozó neutron- és protonszáma [Csom]

13. Az atommag felépítése, jellemzői • A magerőtér tartja össze az atommagot → kötési energia (Eb) → tömegdefektus (ΔM) (Mo az atommag nyugalmi tömege): • Fajlagos kötési energia:

14. A fajlagos kötési energia (eb) a tömegszám függvényében [Csom]

15. Az atommag felépítése, jellemzői • 1 kg tiszta C elégetésekor 33,8 MJ/kg. • 1 kg U-235 valamennyi atommagjának elhasadásakor: • 1 kg 2H2O-ban levő valamennyi 2H-atommag 4He-atommaggá történő fúziója:

16. Az atommag felépítése, jellemzői • Az atommag csak diszkrét energiájú állapotban létezhet, azaz az atommagok nívószerkezettel rendelkeznek:

17. 3. Radioaktivitás, neutron magreakciók • Radioaktív bomlás (neutron- vagy protonfelesleg): • A radioaktív bomlás formái: • β--bomlás (negatív bétabomlás), • β+-bomlás (negatív bétabomlás), • K-befogás (inverz bétabomlás), • α-bomlás (negatív bétabomlás), • neutron-kibocsátás, • γ-sugárzás kibocsátása, • izomer átalakulás.

18. Radioaktivitás • Időbeli lefolyás: adott radionuklid mikor bomlik el, nem lehet megmondani. Azt azonban igen, hogy időegység alatt milyen valószínűséggel bomlik el → bomlási állandó (λ): • Sugárzás és anyag kölcsönhatása: • α-sugárzás, • β-sugárzás, • γ-sugárzás.

19. A radioaktív magok fogyása az idő függvényében [Csom]

20. T (targetmag) bombázó részecske n, H, α-részecske Neutron magreakciók

21. Neutron magreakciók • A neutronok elektromosan semlegesek, ezért könnyen be tudnak hatolni a magba, de kellően nagy energiával kell rendelkezni, hogy képesek legyenek legyőzni az atommag (+)-töltése által keltett Coulomb-gátat. • Kezdeti szakasz: n v-vel közeledik T felé. A köztük levő távolság nagyobb a magerők hatótávolságánál → kölcsönhatás még nem történik. • Közbenső állapot: n a magerők hatótávolságán belülre került, azaz belépett a magba, (Eszep-a magba történő belépés eredményeként felszabaduló energia), a mag gerjesztett állapotban:

22. Coulomb-gát az atommag körül [Csom]

23. Neutron magreakciók A közbenső állapot addig tart, amíg valamely nukleon akkora energiára tesz szert, hogy kilép vagy γ-foton kibocsátás formájában szűnik meg. • Végső szakasz: két reakciótermék X és Y egymástól távolódó mozgást végez, s köztük már semmilyen nukleáris kölcsönhatás nem áll fenn. • A reakció (természetes magfizikai időegység 10-22 s): ahol X-termékmag, Y-keletkezett részecske, ill. γ-foton.

24. Neutron magreakciók • Teljesülnek a megmaradási elvek: • nyugalmi tömegeknek megfelelő, nyugalmi energiákat is figyelembe vevő energia-megmaradás, • nukleonszám (tömegszám) megmaradás, • elektromos töltés megmaradás, • impulzusnyomaték megmaradás, • impulzus megmaradás, • paritás megmaradás.

25. Neutron magreakciók • K* közbenső mag X,Y reakciótermékké alakulása különböző módokon (reakciócsatornákon) keresztül valósulhat meg. A lehetséges reakciócsatornák: • rugalmas szórás (n,n) reakció, • rugalmatlan szórás (n,n’) reakció, • radiációs befogás (n,γ) reakció, • töltöttrészecske-reakciók: (n,p), (n,d), (n,α) • neutron-emisszióval járó reakciók: (n,n), • maghasadási reakció: (n,f). (f-fisszió, hasadás).

26. H1 T stabil izotópok n + (2-3)n szekunder hozadványok H2 Maghasadási (fissziós) reakció

27. Maghasadási (fissziós) reakció • 235U (239Pu, 241Pu) a reakciócsatorna minden neutronenergiára nyitott; 238U csak ha Eszep+Ek>Ehk (hasadási küszöbenergia).

28. Neutron magreakciók hatáskeresztmetszete N db adott típusú atommag 1 cm3-ben (magsűrűség, cm-3), n db neutron 1 cm3-ben (neutronsűrűség, cm-3), Θ az állónak feltételezett atommagok és a v sebességgel [cms-1] mozgó neutronok másodpercenkénti találkozásának száma (a találkozó vagy magreakcióra vezet vagy sem), Φ neutronfluxus [cm-2s-1].

29. Neutron magreakciók hatáskeresztmetszete • Reakciósűrűség [cm-3s-1]: • σ mikroszkopikus hatáskeresztmetszet 1 magra, egységnyi neutronfluxusra eső reakciósűrűség [cm2] (ama hatásos keresztmetszetként képzelhető el, amelyet az atommag a közeledő neutronnal szemben mutat). • Σ makroszkopikus hatáskeresztmetszet az egységnyi neutronfluxusra eső reakciósűrűség [cm-1].

30. Neutron magreakciók hatáskeresztmetszete • A hatáskeresztmetszet reakciótípusonként értelmezhető: • rugalmas szórás (σes), • rugalmatlan szórás (σis), • Szórás: σs= σes+ σis, • radiációs (capture) befogás (σc), • maghasadás (σf), • Abszorpció: σa= σc+ σf, • Totális hatáskeresztmetszet: σtot= σa+ σs, • töltöttrészecske-reakciók: σ(n,p), σ(n,d)+ σ(n,α). σ függ a részecske energiájától (c2-n keresztül)!

31. 4. Maghasadás • Mind a gerjesztett, mind a spontán hasadásnál általában két (ritkábban három) középnehéz mag (primer hasadási termék, ill. hasadvány) és 2-3 (ritkán ennél több) gyorsneutron (hasadási neutron) keletkezik. • A közbenső mag sokféle módon hasadhat szét, így ugyanabból az izotópból (pl. 235U-ból) kiindulva sokféle középnehéz hasadvány keletkezhet. • A középnehéz hasadványok energiája zömmel 60 és 100 MeV körül csoportosul (egy nagyobb energiájú könnyebb és egy kisebb energiájú nehezebb középnehéz mag keletkezik).

32. Az energia megoszlása a hasadványok között [Csom]

33. Az 235U termikus ill. 14 MeV-es neutronok által kiváltott hasadásánál keletkező hasadványok keletkezési gyakorisága [Csom]

34. Maghasadás • A β- részecskék mellett γ-fotonok is keletkeznek, ezért a nukleáris üzemanyag, amelyben hasadások már lejátszódtak igen erős sugárforrás. • A kiégett üzemanyagban 30-féle hasadás: • 60 primer • 200-240 szekunder hasadvány (90Sr T1/2=28 év, 137Cs T1/2=30 év).

35. Maghasadás • A hasadványok között sok olyan van, amelynek neutronabszorpciós keresztmetszete jelentős. Ezek a keletkező neutronok egy részét elnyelik (neutronfogyasztók). Hatásuk a reaktorra kedvezőtlen (reaktormérgek). Legjelentősebb a nagy valószínűséggel (kb. 6,5%) keletkező és igen nagy (106 barn, 1 barn=10-24 cm2) befogási hatáskeresztmetszettel rendelkező 135Xe. • Prompt (azonnali) neutron: a neutron kibocsátási idejének felső határa 4.10-14 s. Ezen időn belül lép ki a neutronok 90 %-a (a legnehezebb könnyű és a legnehezebb nehéz hasadási termékekből). A maradék 10% a hasadás pillanatában vagy a még éppen álló magból lép ki. • A hasadásonkéti neutronok átlagos száma függ • a hasadó mag típusától és • a hasadást kiváltó neutron energiájától.

36. A neutronok eloszlása nátlag körül [Csom]

37. nátlag értéke néhány izotópra és neutronenergiára [Csom]

38. Maghasadás • A prompt neutronok kibocsátása után a hasadási termékek még neutronfelesleggel rendelkeznek, és egymást követő β-emissziók (egyes esetekben n-kibocsátással) jutnak el a stabilis izotópig. • A késő neutronok részaránya kicsi, de a reaktorok kinetikája és szabályozhatósága szempontjából fontos szerepet (nélkülük nem beszélhetnénk magenergia-hasznosításról!). • A késő neutronok részaránya (β): • 235U: β=0,64%, • 233U: β=0,26%, • 239Pu: β=0,21%.

39. Késő neutroncsoportok jellemzői [Csom]

40. Maghasadás • A neutron-elnyelésenként felszabaduló hasadási neutronok átlagos száma: • A hasadási termékek gerjesztési energiájukat neutron-kibocsátással, majd γ-emisszióval adják le (prompt γ-sugarak <10-9 s, energiaspektruma max. 9-10 eV, átlag 0,7 MeV). • A η(E) és En=2 MeV: • 235U: nátlag=2,07, En=2,5 MeV, • 233U: nátlag=2,30, En=2,6 MeV, • 239Pu: nátlag=2,08, En=3,1 MeV.

41. Maghasadás • Hasadásonként mintegy 200 MeV energia, melyet a hasadási termékek és a különböző sugárzások viszik megukkal (nagy része prompt, kisebb része később). • Radioaktív izotópok előállítása: • Pl. 59Co(n,γ)60Co. • Új, hasadóképes izotópok előállítása:

42. Maghasadás • A keletkező izotópok két nagy csoportba sorolhatók: • hasadási termékek, • transzurán izotópok. • Valamennyi hosszú felezési idejű radioizotóp neutron-magreakciókkal átalakítható rövidebb felezési idejűvé: • termikus neutronokkal (n,γ)-reakcióval, • gyorsneutronokkal (n,2n)- ill. (n,3n)-reakciókkal.

43. Hosszú felezési idejű hasadási termékek felezési ideje és termelt mennyisége [Csom]

44. Hosszú felezési idejű transzurán izotópok felezési ideje és termelt mennyisége [Csom]

45. Transzmutáció • A termikus és gyorsreaktorokból eltávolított, reprocesszált kiégett üzemanyagból a hosszú felezési idejű hasadási termékeket és transzurán izotópokat elválasztják. • Új üzemanyag részeként behelyezik egy kemény neutron-spektrumú gyorsreaktorba. • Energiatermelés mellett a hulladék ártalmatlanítására is alkalmassá válik.

46. 5. Láncreakció, atomreaktor • Láncreakció: az egymást követő reakciók egymáshoz kapcsolódnak, a sorban később következő reakciók feltételét a megelőző reakciók teremtik meg. • Láncreakció az égés is: az oxidáció révén keletkező hő révén bekövetkező felmelegedés adja az újabb oxidáció feltételét. Csupán egy szál gyufa meggyújtásával el kell indítani a folyamatot, és gondoskodni kell a tüzelőanyag és az oxigén utánpótlásáról. • Láncreakciót képezhetnek az egymást követő és egymásból következő hasadási reakciók. Az elindító gyufaszál a külső neutronforrásból származó neutron.

47. Láncreakciók [Csom]

48. Láncreakció • Egy láncszem a neutronciklus (ciklusidő vagy generációs idő nagyon rövid), és önfenntartó a láncreakció. • Atombomba: szabályozatlan divergens láncreakció, azaz egyre több atommag hasad el, egyre több energia termelődik időegység alatt. • Gyorsreaktor: láncreakció szabályozott formában (a hasadások száma ne növekedjen adott határon túl). • Termikus reaktor: a gyorsneutronok lassítása termikus energiáig, s e termikus neutronok váltják ki az újabb maghasadásokat. A lassítás a moderátorban valósul meg.

49. Atomreaktor • Sokszorozási tényező: • n-szám a prompt és késői neutronok együttes száma. • k=1→n(t)=const → kritikus, • k>1→n(t) nő → szuperkritikus, • k<1→n(t) csökken → szubkritikus. Önfenntartó láncreakció k≥1.

50. Atomreaktor • Atomreaktor: a maghasadáson alapuló önfenntartó láncreakció szabályozott formában, külső neutronforrás nélkül megvalósító műszaki létesítmény. • Gyorsreaktor: a maghasadások döntő részét – a hasadási neutronok energiájához közeli energiájú (MeV) neutronok – váltják ki (nem tartalmazhat lassító közeget (a reaktorok kb. 1%-a). • Termikus reaktor: a maghasadások döntő részét a közeg atommagjaival termikus egyensúlyban lévő termikus neutronok (10-2-10-1 eV) váltják ki. A gyorsneutronok lassítását (energiacsökkentését) a moderátor végzi (a reaktorok kb. 99 %-a).