Transcript energija veze

Nuklearna fisija
Relacija Masa-Energija
• Ajnštajnova relacija E = mc2
• Nukleus ima manju masu od sume masa njegovih sastavnih dijelova
•
12C
ima masu tačno 12,00000 u (atomskih jedinica mase)
• Šest protona imaju masu 6 x 1,00728 u
• Šest neutrona imaju masu 6 x 1,00867 u
• Ukupna masa dijelova je 12,09570 u, dakle 0,09570 u više nego
masa kompaktnog jezgra
• Kud je otišla ova razlika u masi?
• To je energija veze koja drži jezgro, tj. njegove dijelove na okupu
• Ta energija je veća za jezgra sa više sastavnih dijelova (protona i
neutrona). Zato je zanimljivo vidjeti kolika je ta energija veze računata
po jednom nukleonu.
2
Energija veze po nukleonu
• Ovaj dijagram se koristi da
se uporedi relativna
stabilnost raznih nukleona.
On ima maksimum blizu
A = 56. Krivulja naglo raste
demonstrirajući efekat
ekraniranja nuklearne sile.
Na njoj imamo oštre pikove
za čvrsto vezane par-par
nuklide 4He, 12C, i 16O
3
Energija veze jezgra
• Energija veze je energija potrebna da se nukleoni vezani u jezgri
razdvoje. Iz zakon očuvanja energije i Einsteinove relacije o ekvivalenciji
mase i energije slijedi izraz za energiju veze jezgre mase mA:


Energija veze po nukleonu E/A(MeV)
Eb  mc 2  Zmp  ( A  Z )mn  mA c 2
Energija se oslobađa kad
se teška jezgra cijepa u dvije
lakše jegzre - fisija
Energija se oslobađa kad
dvije lakše jezgre
formiraju težu jezgru-fuzija
područje najveće stabilnosti
4
Maseni broj A
Energija veze po nukleonu
5
Defekt mase po nukleonu
6
Defekt mase po nukleonu
7
Energija iz jezgra
• Masa jezgre urana veća je od mase jezgri koje nastaju u fisionom
procesu jer su nukleoni u jezgrama produkata fisije raspoređeni u
stabilniju konfiguraciju. Slično je i kod procesa fuzije, ukupna masa
jezgara koje se spajaju veće su od mase jezgre koja nastaje
fuzijom.
8
Energija iz atomskog jezgra
• Prilikom izgaranja drva ili ugljena dolazi do preraspodjele vanjskih
elektrona u atomima ugljika i kisika u stabilniju konfiguraciju, u
konfiguraciju u kojoj su elektroni jače vezani. Masa molekule drva ili
ugljena je veća od ukupne mase molekula i atoma koji nastaju
nakon izgaranja. Masa se smanjila za određeni iznos m
• I kod izgaranja atoma (hemijski procesi: izgaranje drva, ugljena) i
kod izgaranja nuklearnog goriva, energija koja se oslobodi pri
jednom procesu atomskog odnosno nuklearnog izgaranja je
Q=mc2,
• Dakle, na istom fizikalnom principu se zasniva dobijanje energije
izgaranjem drva, ugljena, nafte, odnosno izgaranjem nuklearnog
goriva u procesima koje zovemo fisija i fuzija.
9
Energija iz atomskog jezgra
• U načelu, jedina bitna razlika između izgaranja atoma i izgaranja
jezgre je u količini energije koja se oslobodi pri jednom procesu
izgaranja.
• Kod izgaranja na atomskom odnosno molekularnom nivou oslobodi se
u jednom procesu nekoliko eV-a energije, a kod jednog procesa fisije
ili fuzije oslobodi se nekoliko miliona eV-a. Sila koja drži nukleone na
okupu u jezgri je nekoliko miliona puta jača od Coluombove sile koja
drži elektrone vezane za jezgru atoma.
10
Energija iz 1 kg goriva i različitih procesa
• Tablica prikazuje koliko vremena bi svijetlila sijalica snage 100 W ako bi
koristila energiju koja se dobije korištenjem 1 kg raznih materijala.
Materijal
(m= 1kg)
Proces
Vrijeme
voda
slobodni pad s
50 m
5s
ugljen
izgaranje
8 sati
Obogaćeni UO2
fisija u reaktoru
690 godina
235U
fisija
3x104 godina
deuterija
fuzija
3x104 godina
materijaantimaterija
anihilacija
3x107 godina
11
Model nuklearne fisije
• Jezgra urana apsorbuje neutron i nastaje jezgra 236U* u pobuđenom
stanju koja živi 10-12 sekundi a nakon toga se raspada na dvije
jezgre X i Y (fisioni fragmenti) i 2-3 neutrona:
1
235
236
n

U

0
92
92 U*
 X  Y  n eu tro n i
• Energija veze po nukleonu za teške jezgre je oko 7,2 MeV a za
jezgre srednje mase je oko 8,2 MeV. Pa se u fisionom procesu
oslobodi 1 MeV energije po nukleonu, a kako je ukupan broj
nukleona oko 200, to se u jednom fisionom procesu oslobodi oko
200 MeV energije
12
Model kapljice za fisiju
• Slika prikazuje kapljicu vode u ulju neposredno prije nego se
pocijepa na dva dijela – dvije manje kapljice. Ovdje je cijepanje
uzrokovano primjenom potencijalne razlike u ulju što je dovelo do
početne deformacije kapljice vode , tj. dalo je kapljici neku
eksitacionu energiju
13
Nuklearna fisija
1n
+ 235U -> 91Kr + 142Ba + 31n
14
Fisija
• Šematski prikaz neutronom indukovane fisije U-235. Nakon
apsorpcije neutrona, novonastali U-236 se nalazi u pobuđenom
stanju i deformiše se kao kapljica tečnosti. Jezgro se zatim cijepa na
dva nova jezgra u toku jedne pizosekunde uz simultano emitovanje
nekoliko neutrona. Fragmenti fisije su opet visoko pobuđena stanja
nestabilnih jezgara koji se dalje raspadaju beta-ili gama-emisijom u
periodu od par pizosekundi do više godina.
15
Nuklearna fisija
• Neutroni su vrlo pogodni projektili za bombardovanje jezgre jer kao
neutralni, “ne osjećaju” odbojnu električnu silu kad su blizu jezgre.
• Kad se jezgra 235U bombarduje sporim neutronima, raspada se na dvije
lakše jezgre i 2-3 neutrona i pri tome se oslobađa energija od oko 200
MeV- događa se fisija.
• Neutroni nastali fisijom mogu izazvati novu fisiju te može doći do
nekontrolirane lančane reakcije (atomska bomba) ili do kontrolirane
lančane reakcije – nuklearni reaktor
83 % - kinetička energija fragmenta, 2,5 % Ek neutrona
3,5 % - gama zračenje, 11 % - beta i gama raspad fragmenata
16
Lančana reakcija
17
• Pri fisiji se oslobađa velika energija i veći broj neutrona nego što
se koristi za reakciju. Ti neutroni uzrokuju fisije najbližih jezgara i
uspostavlja se lanac fisionih reakcija. Taj proces se naziva
lančana reakcija.
92
U  n141
Ba

56
36 Kr  3n  energija
235
92
Kritična masa
• Uslov da se lančana
reakcija nastavi je da
bar jedan neutron koji
se stvori prouzrokuje
novu reakciju, tj. novu
fisiju.
• Da bi došlo do lančane
reakcije mora biti
dovoljno nuklearnog
goriva, tj. mora postojati
kritična masa goriva
20
Lančana reakcija
• lančana reakcija - pri procesu se oslobode neutroni koji mogu dovesti do
inducirane fisije
• termalni neutroni – energija odgovara energiji termičkog gibanja T = 300 K,
E = 0,025 eV - 0,04 eV
• moderatori (obična voda, teška voda, grafit) – usporavaju neutrone
• kritična masa – odgovarajuća količina materijala da bi se odvijala lančana
reakcija
21
Atomska bomba
22
Atomska bomba
HIROSHIMA 6. 8. 1945.
• Hiroshima:
• 140 000 žrtava (još više od radijacije)
• temepratura blizu središta eksplozije
5000C
• udarni val vjetra 800 km/h
• vreli gljivasti oblak visok 15 250 metara
“LITTLE BOY”
NAGASAKI 9. 8. 1945.
“FAT MAN”
23
Nuklearni reaktor
24