Dane INFORMACYJNE (do uzupełnienia)

2. Dane INFORMACYJNE (do uzupełnienia) • Nazwa szkoły: • Zespół Szkół nr 2 i ZSE-U w Żychlinie • ID grupy: • 97/34_MF_G1 i 97/28_MF_G1 • Kompetencja: • matematyczno-fizyczna • Temat projektowy: • Czy boimy się elektrowni atomowych? • Semestr/rok szkolny: • 2010/2011

3. Atom • Podstawowy składnik materii. Składa się z małego dodatnio naładowanego jądra o dużej gęstości i otaczającej go chmury elektronowej o ujemnym ładunku elektrycznym.

4. Budowa atomu • Atom zbudowany jest z dodatnio naładowanego jądra i zajmujących przestrzeń poza jądrem elektronów. Jądro składa się z protonów i neutronów, czyli nukleonów.

5. Cząsteczki elementarne

6. Pierwiastek • To zbiór atomów o tej samej liczbie atomowej Z. Jądra atomów o jednakowej liczbie atomowej Z, a różnej liczbie masowej A to izotopy. Atomy należące do jednego izotopu danego pierwiastka to nuklidy (mają taką samą liczbę atomową Z i masową A).

7. Izobary • Jądra atomów o różnej liczbie atomowej Z, a jednakowej liczbie masowej A to izobary.

8. Izotony • Jądra atomów o różnej liczbie atomowej Z, a jednakowej liczbie neutronów to izotony.

9. Promieniowanie– strumień cząstek lub fal wysyłanych przez ciało Wytwarzanie promieniowania jest nazywane emisją. Pierwotnie pojęcie promieniowanie używano do promieni słonecznych. Potem do tych rodzajów wysyłanych cząsteczek i fal (bez wnikania w ich naturę), którego wąski strumień (promień patrz światło) rozchodząc się w przestrzeni może być traktowany jak linia w geometrii (nie rozdziela się).

10. Promieniowanie beta - rodzaj promieniowania jonizującego wysyłanego przez promieniotwórcze jądra atomowe podczas przemiany jądrowej. Promieniowanie beta powstaje podczas rozpadu beta, jest strumieniem elektronów lub pozytonów poruszających się z prędkością zbliżoną do prędkości światła, jest ono silnie pochłaniane przez materię. Promieniowanie to jest zatrzymywane już przez miedzianą blachę. Ładunek elektryczny cząstki jest równy -1, masa spoczynkowa jest równa masie elektronu, czyli 1/1840u. Przykład przemiany, w której następuje emisja promieniowania beta:

11. Promieniowanie alfa - rodzaj promieniowania jonizującego cechującego się małą przenikalnością. Promieniowanie alfa jest to strumień jąder helu. Cząstka alfa składa się z dwóch protonów i dwóch neutronów. Ma ładunek dodatni i jest identyczna z jądrem atomu izotopu 4He, więc często oznacza się ją jako He2+. Nazwa pochodzi od greckiej litery α. Cząstki alfa są wytwarzane przez jądra pierwiastków promieniotwórczych, jak uran i rad. Proces ten określa się jako rozpad alfa. Przykładowa reakcja rozpadu alfa: Jądro, które wyemituje cząstkę alfa po emisji jest zwykle w stanie wzbudzonym, co powoduje emisję kwantu gamma. W rozpadzie alfa udział biorą oddziaływania silne. Promieniowanie alfa jest bardzo silnie pochłaniane. Nawet kilka centymetrów powietrza stanowi całkowitą osłonę przed tym promieniowaniem. Podobnie kartka papieru, albo naskórek pochłania całkowicie promienie alfa. Jednak w przypadku pokarmów lub wdychanego powietrza promieniowanie alfa może być zabójcze. Kiedy już radioaktywny materiał znajdzie się w ciele człowieka wytwarzane przez niego cząstki alfa bardzo silnie jonizują tkanki. Prowadzi to do poważnych uszkodzeń i choroby popromiennej.

12. Promieniowanie gamma – wysokoenergetyczna forma promieniowania elektromagnetycznego. Za promieniowanie gamma uznaje się promieniowanie o energii kwantu większej od 10 keV, co odpowiada częstotliwości większej od 2,42 EHz, a długości fali mniejszej od 124 pm. Zakres ten częściowo pokrywa się z zakresem promieniowania rentgenowskiego. W wielu publikacjach rozróżnienie promieniowania gamma oraz promieniowania X opiera się na ich źródłach, a nie na długości fali. Promieniowanie gamma wytwarzane jest w wyniku przemian jądrowych albo zderzeń jąder lub cząstek subatomowych, a promieniowanie rentgenowskie - w wyniku zderzeń elektronów z atomami. Promieniowanie gamma jest promieniowaniem jonizującym i przenikliwym. ** Zależność absorpcji promieniowania gamma od energii dla aluminium

13. Promieniowanie jonizujące wszystkie rodzaje promieniowania, które wywołują jonizację ośrodka materialnego, tj. oderwanie przynajmniej jednego elektronu od atomu lub cząsteczki albo wybicie go ze struktury krystalicznej. Za promieniowanie elektromagnetyczne jonizujące uznaje się promieniowanie, którego fotony mają energię większą od energii fotonów światła widzialnego. Promieniowanie może jonizować materię dwojako: bezpośrednio lub pośrednio.

14. Promieniowanie jonizujące bezpośrednio - to obiekty posiadające ładunek elektryczny – jonizują głównie przez oddziaływanie kulombowskie. Najważniejsze przykłady: promieniowanie alfa (α, jądra helu; ładunek elektryczny +2e), promieniowanie beta (β–, β+, elektron i antyelektron, ładunek elektryczny -e, +e, odpowiednio). Promieniowanie jonizujące pośrednio to promieniowanie składające się z obiektów nieposiadających ładunku elektrycznego. Jonizuje ono materię poprzez oddziaływania inne niż kulombowskie (np. rozpraszanie komptonowskie, efekt fotoelektryczny, kreację par elektron - pozyton). Najważniejsze przykłady: promieniowanie neutronowe (n), promieniowanie elektromagnetyczne (promieniowanie rentgenowskie (X), promieniowanie gamma (γ); o energiach wyższych od energii promieniowania ultrafioletowego). • Promieniowanie jonizujące, ze względu na jego destrukcyjne oddziaływanie z żywą materią, jest przedmiotem zainteresowania radiologii – w celu ochrony przed nim (ochrona radiologiczna), w celach leczniczych i diagnostycznych (radioterapia, medycyna nuklearna).

15. Pierwiastki promieniotwórcze

16. Co to takiego ? • to dość nieścisłe określenie tych pierwiastków chemicznych występujących w przyrodzie, które posiadają naturalne izotopy nietrwałe. Najczęściej tego terminu używa się w stosunku do pierwiastków posiadających izotopy o krótkim okresie połowicznego rozpadu, a więc charakteryzujących się poziomem promieniotwórczości mającym zauważalny wpływ na otoczenie

17. Uran • Uranjest radioaktywnym metalem srebrzystobiałego koloru, który stanowi główne źródło energii jądrowej. W przyrodzie jest dość rozpowszechniony, jednak w większości minerałów, które są źródłem uranu, występuje w niewielkich ilościach. Odznacza się wysoką aktywnością chemiczną. Stosowany jest głównie jako paliwo w reaktorach jądrowych i jako materiał rozszczepialny w bombach atomowych.

18. Tor • Tor jest naturalnym pierwiastkiem promieniotwórczym, bardziej rozpowszechnionym w przyrodzie niż uran. Temp. topnienia to 3330 stopni C.

19. Maria Skłodowska-Curie - fizyczka i chemiczka, narodowości polskiej. Obywatelka polska i francuska, większość życia spędziła we Francji, tam też rozwinęła swoją karierę naukową.

20. Odkrycie nowych pierwiastków promieniotwórczych: Polonu i Radu

21. Polon • Polon jest radioaktywnym pierwiastkiem metalicznym, który w przyrodzie występuje w bardzo małych ilościach i jest prawie w całości wytwarzany sztucznie. Związki chemiczne plutonu są silnie trujące.  Pluton cechuje się wysoką aktywnością promieniotwórczą, podczas rozpadu emitując silne promieniowanie alfa. Jako materiał rozszczepialny ma ogromną silę wybuchu

22. Rad • Rad (Ra), pierwiastek chemiczny, posiada 25 izotopów w przedziale 213-230. Najstabilniejszym jest izotop 226, którego czas połowicznego rozpadu wynosi 1600 lat. Występuje naturalnie w rudach uranu, w formie tlenku RaO i wodorotlenku. Najważniejsze związki radu to sole chlorek i węglan, które były używane w terapii nowotworowej i do produkcji farb fluorescencyjnych. Obecnie rad nie jest już stosowany, ze względu na dużą radioaktywność, powodującą białaczkę u osób uczestniczących w produkcji soli radu.Rad nie posiada żadnej roli biologicznej. Jest obecny w kościach i tkankach ludzkich.W formie czystej rad jest srebrzystym, lśniącym i miękkim metalem. Posiada silne właściwości promieniotwórcze. Jego własności chemiczne są zbliżone do magnezu. Reaguje powoli z tlenem atmosferycznym tworząc tlenek RaO i dość gwałtownie z wodą tworząc wodorotlenek RaH2O.

23. Dzieło Marii Skłodowskiej-Curie podsumowanie • Odkrycie 2-ch nowych pierwiastków : Polonu i Radu • Skonstruowanie nowych instrumentów pomiarowych • Opracowanie nowych metod badawczych • Wprowadzenie do fizyki nowego pojęcia – „promieniotwórczość” • Zapoczątkowanie nowych dziedzin nauki: • fizyka jądrowa • radiochemia • fizyka medyczna – radioterapia • Przykład dla innych: • od poświęcenie do sukcesu, • od odkryć naukowych do ich zastosowań • Fizyka – nauka także dla kobiet

24. Czas połowicznego rozpadu(zaniku) to czas, w ciągu którego liczba nietrwałych jąder promieniotwórczych pierwiastka, zmniejsza się o połowę. Jest to wielkość wynikająca z prawa rozpadu naturalnego. Czas połowicznego zaniku charakteryzuje dany izotop promieniotwórczy niezależnie od czynników zewnętrznych (np. temperatura, ciśnienie, postać chemiczna, stan skupienia itp.). Czas połowicznego zaniku jest pojęciem wykorzystywanym dla każdego rodzaju rozpadu promieniotwórczego. Czasami ze względów praktycznych i tylko w technice przyjmuje się w przybliżeniu, że całkowity rozpad danego radionuklidu następuje po czasie równym 5 czasom połowicznego zaniku (tj., gdy aktywność spadnie do poziomu 1/32 aktywności początkowej).Wszystkie rozpady w przyrodzie można opisać za pomocą trzech powiązanych ze sobą parametrów:λ - stała rozpadu promieniotwórczego (czas po którym pozostaje 1/e cząstek) T1/2 - okres połowicznego zaniku τ - średni czas życia (średni czas jaki żyje cząstka)

25. Prawo rozpadu promieniotwórczego i czas połowicznego rozpadu.

26. Przykładowe czasy połowicznego rozpadu.

27. Wilhelm Röntgen Pierwszy laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki (1901 r.), sławny niemiecki fizyk, odkrywca promieni X. Jego odkrycie z 1895r. poprzedzone było wieloletnią pracą: po zdobyciu doktoratu przez 19 lat pracował na kilku niemieckich uniwersytetach zyskując sobie opinię doskonałego naukowca. Najbardziej znanym zastosowaniem promieni X jest rentgenoskopia wykorzystywana w diagnostyce lekarskiej i dentystycznej, ponadto promienie te stosuje się w radioterapii - do hamowania rozwoju i niszczenia nowotworów złośliwych. Röntgen zmarł w Monachium w 1923 r. przeżywszy 77 lat.

28. Becquerel Antoine Henri Francuski fizyk i chemik; od 1895 profesor École Polytechnique w Paryżu, członek francuskiej Akaedemii Nauk; badając luminescencję soli uranu odkrył w 1896r. zjawisko promieniotwórczości, za co w 1903 otrzymał wraz z małżonkami Curie nagrodę Nobla.

29. Einstein Albert Był fizykiem amerykański pochodzenia niemieckiego. Jego największym osiągnięciem jest sformułowanie teorii względności, a także prace z zakresu teorii promieniowania oraz termodynamiki. Albert Einstein publikuje pracę "Czy bezwładność ciał zależy od ich energii", w której to podaje słynny wzór na równoważność masy i energii (E=mc2). Einstein był jednym z największych fizyków-teoretyków naszych czasów, twórcą szczególnej i ogólnej teorii względności, współtwórcą korpuskularno-falowej teorii światła. Laureat nagrody Nobla w dziedzinie fizyki w roku 1921 za wyjaśnienie efektu fotoelektrycznego.

30. Ernest Rutheford Ernest Rutheford (1871-1937) przeprowadził pierwszą sztuczną reakcję jądrową i odkrył proton - jeden z dwóch składników wszystkich jąder atomowych. Wcześniej zaprojektował doświadczenie z rozpraszaniem cząstek alfa na atomach cienkiej złotej folii. Na podstawie wyników tego eksperymentu w 1911 r. stwierdził, że prawie cała masa atomu i cały dodatni ładunek skupiony jest w małym jądrze atomowym. Twórca modelu planetarnego atomu. W 1914 r. wykazał falową naturę promieniowania gamma. Za swoje dokonania otrzymał w 1908 r. nagrodę Nobla z chemii.

31. Oppenheimer Jacob Robert Jako dyrektor laboratorium naukowego w Los Alamos w latach 1943-1945 kierował pracami nad bombą atomową (projekt Manhattan). Gdy później zdał sobię sprawę z niebezpieczeństw promieniowania radioaktywnego, wyrażał sprzeciw wobec prac nad bombą wodorową i w 1953 amerykańska Komisja Energii Atomowej (AEC) zarzuciła mu, że stanowi zagrożenie dla bezpieczeństwa. Badając równania opisujące stany energii atomu, Oppenheimer wykazał w 1930, że możliwe jest istnienie cząstki elementarnej o ładunku dodatnim z masą elektronu. Ta cząstka elementarna została odkryta w 1932 i nazwana pozytonem.

32. Fermi Enrico Był fizykiem amerykańskim włoskiego pochodzenia. Udowodnił istnienie nowych pierwiastków radioaktywnych, powstałaych w wyniku bombardowania neutronami oraz odkrył reakcje jądrowe wywoływane przez neutrony o niskiej energii. Uczestniczył w projekcie Manhattan, mającym na celu budowę bomby atomowej. Do jego prac teoretycznych należało m.in. badanie słabej siły jądrowej, jednej z fundamentalnych sił w świecie natury. W 1938 został laureatem Nagrody Nobla. Doświadczalne prace Fermiego nad rozpadem beta w materiałach radioaktywnych dostarczyły dalszych dowodów na istnienia neutrina, potwierdzając przewidywania austriackiego fizyka, Wolfganga Pauli. W 1942 Fermi zbudował pierwszy reaktor jądrowy w Iniversity of Chicago. Stworzył w ten sposób podstawy pod badania prowadzące do skonstruowania bomby atomowej i wykorzystania energii jądrowej.

33. Reaktor jądrowy • Urządzenie, w którym przeprowadza się z kontrolowaną szybkością reakcje jądrowe; na obecnym etapie rozwoju nauki i techniki (rok 2011) są to przede wszystkim reakcje rozszczepienia jąder atomowych. • Reakcje te mają charakter łańcuchowy - produkty reakcji (w tym głównie neutrony) mogą zainicjować kilka następnych.

34. Budowa reaktorów • Typowy reaktor jądrowy zbudowany jest z rdzenia, reflektora neutronów oraz osłon biologicznych. Sam rdzeń zawiera pręty paliwowe, pręty kontrolne (pochłaniają nadmiar neutronów), pręty bezpieczeństwa, moderator (zmniejsza energię neutronów), kanały chłodzenia i kanały badawcze.

35. Elektrownia jądrowa (atomowa) Elektrownia jądrowa – obiekt przemysłowo-energetyczny (elektrownia cieplna), wytwarzający energię elektryczną poprzez wykorzystanie energii pochodzącej z rozszczepienia jąder atomów, najczęściej uranu(uranu naturalnego lub nieco wzbogaconego w izotop 235U), w której ciepło konieczne do uzyskania pary wodnej, jest otrzymywane z reaktora jądrowego.

36. Bryłki rud uranowych wykorzystywane do produkcji paliwa jądrowego oraz produkt ich przerobu czyli tzw. "yellowcake"

37. Budowa elektrowni Ogólna zasada działania elektrowni atomowej (na przykładzie obiegu PWR): W reaktorze jądrowym w wyniku reakcji rozszczepienia jąder atomowych wydzielają się duże ilości ciepła, które jest odbierane przez czynnik roboczy (najczęściej wodę pod wysokim ciśnieniem w tak zwanym obiegu pierwotnym – reaktory PWR i WWER). Czynnik przepływa do wytwornicy pary, gdzie oddaje ciepło wrzącej wodzie z obiegu wtórnego o niższym ciśnieniu, a następnie powraca do reaktora. Para wodna (para mokra, która jest osuszana przed dojściem do turbiny – cząsteczki wody w parze mokrej, pod wysokim ciśnieniem, zniszczyłyby turbinę, więc para mokra przechodzi najpierw z wytwornicy pary przez systemy osuszające, zanim trafi do turbiny) napędza następnie turbinę parową połączoną z generatorem. Separacja obiegów zapewnia większe bezpieczeństwo w przypadku wycieku pary z turbiny.

38. 1.PWRBlok reaktora 2.Komin chłodzący 3.Reaktor 3.Pręty kontrolne 5.Zbiornik wyrównawczy ciśnienia 6.Generator pary 7.Zbiornik paliwa 8.Turbina 9.Prądnica 10.Transformator 11.Skraplacz 12.Stan gazowy 13.Stan ciekły 14.Powietrze 15.Wilgotne powietrze 16.Rzeka 17.Układ chłodzenia 18. I obieg 19. II obieg 20. Para wodna 21.Pompa

39. Zagadnienia fizyczne dotyczące zjawiska rozpadu promieniotwórczego • Reakcja jądrowa - proces fizyczny zachodzący przy zbliżeniu się dwóch jąder atomowych lub jądra i cząstki elementarnej na odległość rzędu 10-15 m (zasięg sił jądrowych), w następstwie czego powstają na ogół nowe jądra atomowe lub jądra i cząstki elementarne [3],[5]. Można wyróżnić dwa sposoby zwiększenia prawdopodobieństwa zajścia reakcji jądrowej:

40. a) Poprzez zwiększenie temperatury do kilku milionów stopni, w wyniku czego reagujące ze sobą nukleony osiągną wystarczającą energię kinetyczną, by pokonać swoje wzajemne oddziaływanie elektrostatyczne (tzw. barierę culombowską). Zachodzące wówczas procesy jądrowe nazywamy reakcjami termojądrowymi.

41. b) Poprzez bombardowanie różnych materiałów lżejszymi cząstkami, np, protonami, deuteronami, bądź cząstkami alfa, które wcześniej przyspiesza się do energii rzędu milionów eV. Reakcje jądrowe mogą zostać wywołane również przez przyspieszone elektrony oraz przez wysoko energetyczne promieniowanie gamma oraz promieniowanie X.

42. Wizualizacja łańcuchowej reakcji rozszczepienia jądra: jądro 235U rozpada się na dwa fragmenty x, y oraz emituje od 0 do 5 neutronów, które powodują lawinowo rozszczepienia dalszych jąder; zapoczątkowany proces rozchodzi się w czasie w postępie geometrycznym

43. Jądrowa reakcja łańcuchowa - wywołane neutronami reakcje rozszczepienia ciężkich jąder atomowych, podczas których neutrony wyzwalające się w jednym akcie rozszczepienia wywołują następne akty rozszczepienia . • Przekrój czynny na rozszczepienie s - wielkość określająca prawdopodobieństwo zajścia procesu rozszczepienia jąder, przy którym dwa układy fizyczne znajdujące się w pewnym stanie początkowym A przejdą w wyniku zderzenia do pewnego stanu końcowego B. Wartość przekroju czynnego na rozszczepienie zależy od energii bombardujących neutronów.

44. Przebieg energii wiązania na nukleon Jądra ciężkie związane są słabiej niż jądra o ok. dwukrotnie mniejszej liczbie masowej, zatem w procesie rozszczepienia wyzwalana jest różnica tych energii wiązania Prawdopodobieństwo powstania określonych produktów rozszczepiania jąder U-235 Nie można przewidzieć, na jakie konkretne produkty rozpadnie się dane jądro uranu. Takich możliwości jest ok. 170

45.  Konstrukcje reaktorów jądrowych na świecie: Tabela przedstawiająca ilość i moc pracujących oraz obecnie budowanych elektrowni jądrowych na świecie:

46. Konstrukcje reaktorów jądrowych na świecie:

47. KLASYFIKACJA REAKTORÓW JĄDROWYCH • Wielość typów reaktorów, o równych konstrukcjach i przeznaczeniach, opartych na równych koncepcjach fizykalnych skłania do wprowadzenia pewnej systematyki. Kryteriów klasyfikacji reaktorów jądrowych może być bardzo wiele, najważniejsze z nich to: • • przeznaczenie reaktorów, • • energia neutronów wywołujących rozszczepienia, • • rodzaj i charakterystyka paliwa, • • konstrukcja reaktorów, • • budowa rdzenia, • • rodzaj moderatora i chłodziwa • • system odprowadzania ciepła

48. Przeznaczenie reaktorów • Ze względu na przeznaczenie reaktory można podzielić na: • reaktory energetyczne przeznaczone do produkcji energii elektrycznej w elektrowniach zawodowych; • reaktory ciepłownianewytwarzające ciepło do celów ogrzewczych w ciepłowniach jądrowych; • reaktory wysokotemperaturowe wytwarzające ciepło do celów technologicznych; • reaktory badawcze przeznaczone do prowadzenia w nich prac badawczych - głównie badań fizykalnych wykorzystujących wiązki neutronów do badań struktury ciał stałych oraz do badań materiałów i paliw reaktorowych;

49. Przeznaczeniereaktorów • • reaktory napędowe przeznaczone do napędu łodzi podwodnych, lodołamaczy, statków handlowych itd.; • • reaktory wytwórcze przeznaczone do produkcji plutonu (z reguły reaktory wojskowe pracujące w przemyśle zbrojeniowym pod kontrolą władz wojskowych); • • reaktory szkoleniowe, zwane często reaktorami uniwersyteckimi, z reguły bardzo małej mocy, przeznaczone do celów dydaktycznych; • • reaktory do celów specjalnych, np. do produkcji radioizotopów, odsalania wody morskiej itp.

50. Przeznaczeniereaktorów • Ciekawostka: • Często reaktory spełniają podwójną a nawet potrójną rolę, np. wiele reaktorów energetycznych dostarcza ciepła do ogrzewania sąsiednich wsi i miasteczek, spełniając rolę reaktora energetycznego i ciepłownianego. Reaktory wysokotemperaturowe obok produkcji ciepła do celów technologicznych zazwyczaj produkują również energię elektryczną (z wyższą sprawnością niż w typowych reaktorach energetycznych). Reaktory badawcze są często również reaktorami szkoleniowymi, a bardzo często używa się ich do produkcji radioizotopów. Reaktor przeznaczony do odsalania wody morskiej (w Szewczenko, b. ZSRR) dostarczał jednocześnie 150 MW mocy elektrycznej do sieci elektroenergetycznej.