Branduolin ė energija

1. Branduolinė energija Kauno Jono Jablonskio gimnazijos Fizikos mokytoja ekspertė Jūratė Blažienė

2. Branduolinės energijos istorija Pirmą kartą branduolių dalijimąsi 1934 m. stebėjo italų fizikas Enrikas Fermis(Enrico Fermi), kai eksperimentuose uranas buvo bombarduojamas neutronais. Tačiau šis reiškinys nebuvo pilnai suprastas. 1938 m. Otas Hanas (Otto Hahn), Fricas Štrasmanas (Fritz Strassmann), Liza Meitner (Lise Meithner) ir Otas Robertas Frišas (Otto Robert Frisch) tyrinėdami produktus, gautus iš urano, nustatė, jog mažas neutronas padalina didelį urano atomą į dvi apytiksliai lygias dalis. Prasidėjo aktyvūs branduolių dalijimosi tyrimai.

3. Branduolinė energija Dalijantis branduoliams išsiskiria milžiniškas kiekis energijos, kuri vadinama branduoline energija. Mokslininkai pastebėjo, kad dalijantis atomui susidaro produktai, kurių rimties masė yra mažesnė už pradinių produktų masę. Taip yra todėl, kad ta masės dalis, kurios neliko buvo išspinduliuota energija (“išnešama” masė). XXa. Pradžioje Albertas Einšteinas atrado tokį energijos ir masės sąryšį: E = mc2 Šioje formulėje šviesos greičio (c) kvadratas yra labai didelis skaičius todėl su mažais reakcijoje dalyvaujančių elementų pokyčiais ∆m yra susiję dideli energijos pokyčiai ∆E : ∆E = c2 ∆m

4. Branduolinės jėgos • Nukleonų sąveikos jėgos, išlaikančios branduolio formą, yra sukeltos artisiekės stipriosios branduolinės sąveikos. • Elektrinės sąveikos jėga yra toliasiekė, bet ji mažesnė už stiprias branduolines jėgas. • Branduoliui didėjant branduolinės sąveikos jėgos nepajėgia išlaikyti stabilių branduolių, nes neutronas sąveikauja tik su artimiausias kaimynais, o protonas yra stumiamas visų kitų to branduolio protonų. • Branduolio protonai skatiną dalijimąsi. • Helio atomo branduolys stabilus tik dėl savo dviejų neutronų. • Neutronus galima įsivaizduoti kaip branduolių klijus, slopinančius stūmos jėgas.

5. Branduolių stabilumas • Per daug neutronų taip pat mažina branduolio stabilumą. Branduoliai su neutronųpertekliumi yra radioaktyvūs, linkę spinduliuoti alfa daleles arba, jei yra didesni, gali suirti į dvi skeveldras. • Absorbavęs neutroną branduolys pradeda virpėti ir stūmos jėga lengvai suskaldo jį dalis. • Apskaičiuoti energiją sumuojant branduolines ir stūmos jėgas negalima, nes jos paklūsta skirtingiems dėsniams. • Tačiau šią problemą lengvai išsprendžia Einšteino lygtis, kuri teigia: Masė ir energija yra ekvivalenčios

6. Branduolių radioaktyvumas • Alfa dalelė yra radioaktyviojo šaltinio charakteristika. • Branduolyje du protonai ir du neutronai gali susijungti ir sudaryti alfa dalelę. • Sunkieji branduoliai linkę skilti į mažesnius branduolius. • Skylant branduoliams beveik visada susidaro beta skilimas. Kartais beta dalelė būna pozitronas. Jei kokiame branduolyje yra per daug neutronų, vienas jų pavirsta protonų beta skilimo metu, jei neutronų per mažai, tai protonas virsta neutronu ir tada vyksta beta skilimas (pozitronas). • Beta skilimui būdingas ne tik radioaktyviesiems branduoliams, bet ir elementariosioms dalelėms (neutronams)

7. Branduolių sintezė • Teoriškai - suliejus bet kokius du branduolius galima gauti trečią, praktiškai - sunku sukelti netgi lengviausių branduolių sintezės reakciją, nes toliasiekė teigiamo krūvio branduolių elektrinės stūmos jėga sukuria potencialo barjerą. Branduolių sintezės reakcijos savaime negali prasidėti, nes stipriosios jėgos pradeda veikti tik branduoliams labai suartėjus. Norint tą barjerą įveikti, branduoliai turi turėti pakankamai kinetinės energijos. • Palankios tam sąlygos susidaro žvaigždėse. Jų gelmėse labai aukšta temperatūra (10mln.oC), todėl susiduriantys branduoliai juda labai dideliu greičiu.

8. Branduolių dalijimasis Branduolio dalijimasis – branduolinė reakcija, kurios metu atomo branduolys suskyla į lengvesnius branduolius, išspinduliuojant kitas daleles (fotonus, kaip gama spinduliavimą; laisvus neutronus ir kt.) bei išsiskiriant energijai. Bendras protonų ir elektronų skaičius įvykus reakcijai neapakinta.

9. Grandininė branduolinė reakcija Iš besidalijančio atomo branduolio ar jo skeveldrų išlėkę neutronai gali sukelti vis naujų branduolių dalijimąsi. Tokia savaime stiprėjanti reakcija vadinama grandininė branduolinė reakcija. Tokią reakciją sukeliančios dalelės yra jos pačios produktai. Jei tokia reakcija sužadinama tam tikros ar didesnės masės plutonio ar urano kiekyje, staiga išsiskiria milžiniška energija - įvyksta branduolinis sprogimas. Tokios reakcijos gali vykti tik su: Izotopais.

11. Urano izotopo reakcijos

12. Kritinė masė • Būtina grandininės reakcijos sąlyga – pakankamas kiekis urano. Jei branduolyje jo atomų bus per mažai, dauguma neutronų pralėks nepataikydami nė į vieną branduolį • Kritinė masė - mažiausia urano masė, kuriai esant dar gali vykti grandininė reakcija. • Rutulio formos urano izotopo 235 gabalo kritinė masė lygi maždaug 50 kg.

13. Neutronų daugėjimo koeficientas • Jis lygus kurios nors “kartos” neutronų skaičiui N2ir juos išlaisvinusios “kartos” neutronų skaičiaus N1 santykiui. • Tam, kad grandininė reakcija vyktų stabiliai ir dalijimųsi metu išsiskirtų pastovus energijos kiekis, neutronų daugėjimo koeficientas k turi būti lygus 1. Neutronų daugėjimo koeficientas yra vidutinis po vieno skilimo atsiradusių neutronų, kurie sukelia kitus dalijimusis, skaičius. • k =1 reiškia, jog kiekvienas dalijimasis vidutiniškai sukelia vieną dalijimąsi. Branduoliniame reaktoriuje k visada yra šiek tiek didesnis už vienetą. Kai k<1, grandininė branduolių dalijimosi reakcija užgęsta.

15. Kas yra branduolinė energija? Branduolinė energija – tam tikra branduolinė technologija, kuri naudoja kontroliuojamą branduolių dalijimąsi išlaisvinti energijai, kuri naudojama varomajai jėgai, šildymui ir elektros generavimui.

16. Pirmasis branduolinis generatorius 1942 m. gruodžio 2 d. vadovaujant Enrikui Fermiui(Enrico Fermi) Čikagoje (JAV) buvo paleistas pirmasis pasaulyje branduolinis reaktorius ”Chicago Pile-1“. Šis eksperimentas buvo dalis Manheteno projekto. Tiesa, savęs palaikančios grandininės branduolinės reakcijos demonstravimas truko tik 33 minutes, kai reaktorius pasiekė kritinę situaciją ir buvo sustabdytas.

17. Pirmosios branduolinės jėgainės • Pirmoji eksperimentinė branduolinė jėgainė EBR-I, gaminusi elektrą, buvo paleista 1951 m. gruodžio 20 d. Arco mieste (Aidahas, JAV). Tuo metu ji gamino tiek energijos, jog pakako uždegti keturioms 200 W lemputėms. • Pirmą komercinę jėgainę 1954 m. birželio 27 d. Obninske pastatė Tarybų Sąjunga. Obninsko branduolinė jėgainė gamino apie 5 MW elektros energijos ir ateinančius 10 metų buvo vienintelė tokio tipo elektrinė visoje Tarybų Sąjungoje.

18. Branduolinis reaktorius Branduoliniu reaktoriumi vadinamas įrenginys, kuriame sukeliama ir vyksta valdoma branduolių dalijimosi reakcija. Branduoliniame reaktoriuje urano 235 ir plutonio 239 izotopai skaldosi į lengvesnius atomus. Tuo metu išlekia daug neutronų, kurių kinetinė energija labai didelė. Šie neutronai, palaipsniui atsitrenkdami į reaktoriaus pertvarų ar sienų atomų branduolius, turimą kinetinę energiją paverčia šilumine energija arba karščiu.

19. Branduolinis reaktorius

20. Pagrindiniai branduolinio reaktoriaus elementai • Branduolinio kuro strypai – jie sudaryti iš galinčių skilti elementų urano 235, urano 233, plutonio 239 ir neskylančio urano 238 mišinio. • Neutronų lėtiklis – sunkusis arba paprastas vanduo, grafitas. Šis elementas reikalingas skilimo metu atsirandantiems greitiesiems neutronams lėtinti, kad jie galėtų skaldyti uraną 235. • Neutronų reflektorius – tai aplink branduolinio kuro strypus įtaisytas įrenginys, skirtas trukdyti neutronams išlėkti iš reaktoriaus. • Reakcijos greičio reguliatorius – neutronus sugeriantys kadmio arba boro strypai. • Šilumnešis – cirkuliuojantis vanduo, skystas natris ir kt.

22. Branduolinės elektrinės principinė schema

23. Radioaktyvūs preparatai • Net ir neradioaktyvūs branduoliai apšaudyti neutronais, tampa radioaktyvūs (esantys reaktoriaus šerdyje ar arti jo aplinkos). • Dar radioaktyvesnės tampa panaudotos kuro kasetės, belieka laukti kol dauguma tokių branduolių suskils į stabilius ar bent jau taps mažiau radioaktyvūs. • Radioaktyvūs preparatai, susidarantys kuro kasetėse, yra perdirbami specialiose įmonėse. • Radioaktyvūs preparatai panaudojami biologijoje, medicinoje, pramonėje, žemės ūkyje, archeologijoje ir t.t

24. Ignalinos atominė elektrinė • http://www.iae.lt/ • Čia rasite trumpus aprašymus, bei video medžiagą

25. Video Atominio reaktoriaus veikla • http://www.youtube.com/watch?v=OOf-tIj-JQU • http://www.youtube.com/watch?v=u0VjHg0juz4&eurl=http%3A%2F%2Fjagex%2Efire%2Elt%2Farchives%2Ftag%2Fatomine%2Delektrine&feature=player_embedded

26. Ačiū už dėmesį!