FIZYKA III MEL

1. FIZYKA IIIMEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych Wykład 8 – Reakcje jądrowe

2. kanał wejściowy  kanał wyjściowy a + A  B + ... rozpraszanie elastyczne a + A  a + A a + A  a + A* rozpraszanie nieelastyczne Reakcje jądrowe • Energie: • niskie < 20 MeV • średnie do kilkaset MeV • wielkie do kilku GeV • ultrawielkie

3. Badamy: • przekroje czynne – miarę prawdopodobieństwa zajścia danego procesu • tożsamości cząstek (masa, ładunek, spin, parzystość) • charakterystyki kinematyczne (pt, pl, E, ) Eksperymenty ekskluzywne – pełna informacja o wszystkich produktach reakcji. Eksperymenty inkluzywne – badanie niektórych produktów reakcji

4. Przekrój czynny = efektywna powierzchnia

5. oddziaływanie pomiarprawdopodobieństa przekrój czynny  Przekrój czynny

6. n - strumień padających cząstek k - koncentracja centrów tarczy (identycznych), m-3  - efektywna powierzchnia centrów, m2 Sdx - objętość warstwy kSdx - ilość centrów w warstwie kSdx - efektywna powierzchnia czynna warstwy (bez przekrywania) S dx

7. ułamek cząstek, które uległy oddziaływaniu: prawdopodobieństwo oddziaływania mierzymy n(x) dla różnych grubości x, znając k (koncentrację centrów) -wyznaczamy  pomiar

8. średnia droga swobodna: pomiar  przez pomiar średniej drogi swobodnej jednostka przekroju czynnego: barn, b=10-28 m2(geometryczny przekrój poprzeczny jądraA~120)

9. y   z d x Różniczkowy przekrój czynny ( - kąt bryłowy) Różniczkowy przekrój czynny – prawdopodobieństwo, że produkty reakcji wylecąw kierunku wyznaczonym przez kąty  i .

10.   oś zderzenia symetria azymutalna: w ogólności:

11. f() izotropia a -1 1 cos podwójny różniczkowy przekrój czynny:

12. lub Zasada zachowania energii: Energia progowa Reakcje jądrowe Q > 0 – reakcja egzoenergetyczna Q < 0 – reakcja endoenergetyczna

13. przykłady: reakcja ładunek liczba nukleonów 21H + 21H  32He + n 1 +1 = 2 + 0 2 + 2 = 3 + 1 p + 73Li  74Be + n 1 + 3 = 4 + 0 1 + 7 = 7 + 1 42He + 94Be  126C + n 2 + 4 = 6 + 0 4 + 9 = 12 + 1 42He + 115B  147N + n 2 + 5 = 7 + 0 4 + 11 = 14 + 1 Zasady zachowania Zasada zachowania ładunku: Zasada zachowania liczby barionowej:

14. laboratoryjny układ odniesienia: układ środka masy: va vB va Ma MA Ma vb MA CM Mb LAB v'b b Mb B MB 'b MB vB ‘B v‘B Kinematyka reakcji

15. vb v'b b 'b vo zasada zach. energii i pędu: energia całkowita: Kinematyka reakcji vb– prędkość cząstki b w ukł. lab. v’b– prędkość cząstki b w ukł. CM prędkość środka masy:

16. związek relatywistyczny: w przypadku nierelatywistycznym: wyznaczamy Q mierząc Tb i b Energia reakcji Q > 0 reakcja egzoenergetyczna Q < 0 reakcja endoenergetyczna (istnieje próg)

17. Model jądra złożonego • Dwa etapy reakcji: • pocisk wchłonięty przez jądro – powstaje wzbudzone jądro zlożone • rozpad jądra złożonego z emisją cząstek Przykład: rozszczepienie

18. a + AZX  C* I etap przejście do niższego stanu wzbudzenia  C’* +  C’* b1 + Y1 + …II etap  b2 + Y2 + … np.: 42He + 6028Ni6230Zn + 2n 6430Zn* p + 6329Cu6330Zn + n Model jądra złożonego

19. kształty rozkładów przekrojów czynnych podobne dla różnych reakcji – jądro złożone „nie pamięta” jak powstało. rozkłady pędów i energii neutronów wtórnych również podobne energia pocisku

20. Model jądra złożonego Rozkład energii kinetycznych cząstek wtórnych zbliżony do rozkładu Maxwella:  temperatura jądra? T  (5,200) MeV

21. 2H 1H b 16O 17O Reakcje bezpośrednie stripping (zdarcie): d + 16O  p + 17O (Q=1.92 MeV)

22. Reakcje bezpośrednie 2H 3H b 16O 15O pick-up (poderwanie): d + 16O  3H + 15O

23. Reakcje bezpośrednie • twarde widma (przesunięte do wyższej energii) z ostrym maksimum (n,p) jądro złożone liczba protonów (n,p) reakcja wprost energia protonów • anizotropowy rozkład kątowyz maksimum dla małych kątów • słaba zależność przekroju czynnego od energii cząstki padającej •  reakcja jednoetapowa, peryferyjna

24. rozszczepienie synteza jądrowa Energia jądrowa

25. reakcja przez jądro złożone  23992U  23993Np + e + e  kolejna przemiana  Ponadto stwierdzono obecność w stanie końcowym jąder środkowej części układu okresowego. Rozszczepienie lata 30 XX w. – poszukiwanie nowych nuklidów n + 23892U  23992U +  transuranowce

26. Transuranowce Jądra nie występujące w przyrodzie – stworzone sztucznie Nietrwałe: przemiana lub rozszczepienie długi czas życia (dziesiątki sekund) – 114 liczba magiczna

27. liczba neutronów 0 – 8, średnio 2,5 najbardziej prawdopodobne liczby masowe: 95 i 139, liczby atomowe: 38 i 54 Udział procentowy fragmentów rozszczepienia w zależności od liczby masowej A Rozszczepienie

28. Reakcja rozszczepienia Zmiany energii potencjalnej podczas rozszczepienia.

29. przy rozszczepieniu jądra (energia wiązania 7,5 MeV) powstaną dwa o liczbie masowej zbliżonej do 118 i energii wiązania ~8,35 MeV) w jednym akcie rozszczepienia wyzwoli się energia (8,35-7,5)235=202 MeV. W jednym kilogramie uranu znajduje się 2,461024 jąder, co oznacza, że przy całkowitym rozszczepieniu jąder znajdujących się w 1kg uranu uzyska się energię: Reakcja rozszczepienia W celu wytworzenia tej ilości energii w elektrownii konwencjonalnej należałoby spalić ok. 2500 t węgla kamiennego.

30. rozpad  - wyzwala się 5,6 MeV Reakcja rozszczepienia wyzwala się 180 MeV

31. Reakcja rozszczepienia

33. reakcja rozszczepienia

35. reakcja łańcuchowa 235U – 0,72%

37. bilans energia kinetyczna jąder produktów 165 MeVenergia wynoszona przez neutrony 5 MeVenergia natychmiastowych kwantów  7 MeVenergia rozpadów jąder promieniotwórczych 25 MeV razem 200 MeV spalanie węgla: 4 eV na atom (C + O2 = CO2)

38. Reaktor jądrowy Główna część energii rozszczepienia - energia kinetyczna fragmentów. wzrost temperatury Wykorzystanie ciepła generowanego w paliwie jądrowym jest głównym celem eksploatacji reaktorów energetycznych.

39. Przekrój czynny na rozszczepienie maleje ze wzrostem energii neutronów. Reaktor • Z punktu widzenia skuteczności działania neutrony dzielimy na: • Neutrony prędkie o energii większej niż 0,5 MeV • Neutrony pośrednie o energii 0,1 eV - 0,5 MeV • Neutrony termiczne o energii ok. 0,025eV

40. Izotop jest jedynym nuklidem występującym w stanie naturalnym w przyrodzie , który można rozszczepić neutronami termicznymi. Neutronami prędkimi można rozszczepić także jądra izotopów i . stanowi wagowo 0,71% uranu naturalnego, resztę stanowi izotop - wzbogacanie paliwa. nuklidy wytwarzane z toru i uranu Paliwo reaktora

41. Paliwo reaktora Reakcje powielania paliwa: izotopy rozszczepialne izotopy paliworodne

42. Kontrola reakcji: wychwyt neutronów – zahamowanie reakcji łańcuchowej. • Warunki podtrzymania reakcji: • masa krytyczna • spowalnianie neutronów2 MeV 0,1 eV

43. Reaktor Rdzeń: paliwo jądrowe otoczone moderatorem (spowalniaczem neutronów), z odpowiednimi kanałami przepływu czynnika chłodzącego oraz kanałami dla urządzeń sterujących W rdzeniu jest wytwarzana w procesie rozszczepienia jądra energia cieplna oraz strumień neutronów, niezbędny do podtrzymywania reakcji łańcuchowej. Pozostałe główne elementy reaktora tworzą: reflektor neutronów, osłona termiczna, zbiornik reaktora i osłona biologiczna.

44. Liczba neutronów powstających w reaktorze w jednostce czasu jest większa niż liczba neutronów traconych. Liczba neutronów powstających w reaktorze w jednostce czasu jest równa liczbie neutronów traconych. Liczba neutronów powstających w reaktorze w jednostce czasu jest mniejsza niż liczba neutronów traconych. Grozi wybuchem W reaktorze zachodzi kontrolowana, samopodtrzymująca się, reakcja łańcuchowa. Reakcja wygasa

45. 1. Pręty paliwowe – materiał rozszczepialny 3. Kanał chłodzenia - ciekły sód lub woda 2. Moderator ( spowalnia neutrony) - grafit lub tzw. ciężka woda 4. Pręty regulacyjne (kadm pochłania neutrony - ma spowalniać lub przyspieszać reakcję) Reaktor jądrowy

46. Reaktor wysokotemperaturowy