RAdiOaktivitás, nukleáris energia Atommag felépítése, nukleáris kölcsönhatás, kötési energia

Az atommag szerkezete Az atomokat felépítő elektronokat, protonokat és neutronokat elemi részecskéknek nevezzük. Nukleonok: protonok és neutronok Az atomban a protonok és elektro- nok száma mindig egyenlő, így az atom elektromosan semleges. A = tömegszám, Z= rendszám (töltésszám) N=neutronok száma Proton töltése: = /elektron töltése/ qp = 1.6* 10 –19 C Proton tömege: mp= 1.67* 10-27 kg ~ mn Atommag mérete: 10-15m /Rutherford-féle szórási kísérlet/

Nukleáris kölcsönhatás Az atommagban található protonok között a töltésazonosság miatt taszító hatás lép fel. A magon belül van egy olyan kölcsönhatás mely a taszító hatást semlegesíti: nukleáris kölcsönhatás (magerő) Jellemzői: Két nagyságrenddel nagyobb mint a taszító erő Rövid hatótávolságú, csak a szomszédos nukleonok között hat Töltésfüggetlen, magerő szempontjából a nukleonok egyformák Atommag kötési energiája: az a munka amelyet akkor végzünk, amikor az adott magot alkotórészeire bontjuk szét. Ha az alkotók újra egy magot alkotnak, ez az energia szabadul fel. Ek == E= m*c2 Tömeghiány: atommag együttes tömege kisebb mint az alkotók együttes tömege. Amikor az atommag részeiből összeáll a felszabaduló energiának megfelelő tömeg távozik a sugárzással. Gamma-foton

Magenergia felszabadulás Atommag kötési energiája Ek ~ A nukleonok száma Energiát nyerhetünk ki : Könnyű atommagok egyesítésével (fúzió) Nehéz atommagok hasításával (fisszió) Energia szabadul fel, ha nehéz atommagok több lépésben radioaktív bomlás során kis tömegszámú atommagokká alakulnak.

Radioaktivitás A radioaktivitás felfedezése: Antoine Henri Becquerel (1852-1908) Az uránérc előzetes besugárzás nélkül is bocsátott ki bizonyos sugarakat, amelyek a fényhez hasonló nyomot hagytak a fényképezőlemezen. Marie Curie (1867-1934) és Pierre Curie (1859-1906) Felfedezték a polóniumot és a rádiumot Megfigyelték, hogy az új sugárzás független a sugárzó elem fizikai és kémiai állapotától Radioaktív sugárzás:előzetes energiaközlés nélkül bekövetkező sugárzás

Radioaktív sugárzás fajtái Rutherford kísérletei során a sugárzás elektromos és mágneses térbeni eltérülését vizsgálta. Kétfajta elektromos töltéssel rendelkező részecskékből álló sugárzási komponens létezik: Pozitív töltésű α – sugárzás Negatív töltésű β – sugárzás Semleges γ – sugárzás Az α (alfa) sugárzás He atommagok alkotják, rövid távon lefékeződnek A β (béta) sugárzást nagy energiájú elektronok alkotják, közepes ionizáló képességű A γ (gamma) sugárzás rövid hullámhosszú elektromágneses, sugárzás (nagy energiájú fotonok) nagy áthatoló képességű

Bomlási törvény Radioaktív elem aktivitása: A Megmutatja, hogy az elem atommagjai közül másodpercenként mennyi bomlik el. Jele: Bq (Henri Becquerel) A= dN/dt A = bomlási sebesség Az aktivitás a jelen lévő radioaktív elemek mennyiségétől függ. 1g Rádium aktivitása 37 *109 Bq, azonos számú 238U izotóp aktivitása: 13*103 Bq Felezési idő: T radioaktív elemek atommagjainak a száma mindig ugyan annyi idő alatt feleződik meg Bomlási törvény: el nem bomlott atommagok száma (N) az idő függvényében Bomlási állandó: 0,69/T  A= 0,69/T*N 1 Bq = 1 bomlás/s.

Radioaktív bomlás Alfa-bomlás Béta-bomlások Gamma-bomlás Alfa-bomláskor egy hélium-ion (alfa részecske, 4He) bocsátódik ki, ezért a tömegszám néggyel, a rendszám kettővel csökken. A könnyű atommagoknál a tömegszám csökkentése nem energianyereséges, ezért alfa-bomlókat csak a nehezebb atommagok között találunk. Béta-bomlások A béta-bomlásoknak három típusa van: negatív  -bomlás, pozitív  -bomlás, elektronbefogás. A negatív  -bomlás során lényegében az atommag egy neutronja protonná alakul, miközben egy elektron (e-) lép ki, az atommag rendszáma eggyel nő, tömegszáma változatlan. Gamma-bomlás A gamma-sugárzás nagyon kis hullámhosszúságú elektromágneses sugárzás, ezért sem elektromos, sem mágneses mezővel nem lehet eltéríteni. Általában az alfa- és béta-bomlást követően észlelhető.

Maghasadás és magfúzió  Otto Hahn és Fritz Strassmann(1938) nevéhez fűződik a maghasadás értelmezése. A maghasadás (fisszió) során hasadóanyagok szabad neutronnal való ütközés hatására az atommag két vagy több kisebb magra szakad, amely során belőlük szabad neutronok keletkeznek, így önfenntartó láncreakciót hoz létre. A maghasadást gamma-, valamint neutronsugárzás  is kísérheti. A nehéz elemek maghasadása során nagy mennyiségű energia szabadul fel. 1 db U-235 elhasadásakor kb. 200 MeV =3.2*10-11 J energia szabadul fel. ( 1 eV= 1.6*10-19 J) Magyarország éves elektromosenergia-fogyasztása kb. 40000 GWh. Ennyi energia felszabadulásához 19 t tiszta U235 elhasadása kell. Ugyanennyi energiát kapunk 47*106t (tehát kb. 2.5 milliószor annyi) feketekőszén eltüzelésekor!

láncreakció Az urán esetében az atommag befog egy lassú (termikus) neutront, majd két kisebb magra bomlik. Eközben felszabadul 1-3 gyors neutron is. Így a maghasadás több neutront kelt, mint amennyit elhasznál, és az egész folyamat önfenntartó lesz. Ezt nevezik láncreakciónak. A maghasadás során gyors neutronok keletkeznek, viszont azokat az urán nem fogja be. Ezért a neutronokat le kell lassítani, ami neutronmoderátorral történik. A maghasadások szabályozása: moderálás A leggyakrabb moderátorok: Víz Nehézvíz Grafit

Atomerőmű Az atomerőmű az erőműveknek azon típusa, amelyek a  maghasadás vagy a magfúzió során keletkezett hőt használják áramtermelésre céljára. Az első atommáglyát 1942-ben Szilárd Leó és Enrico Fermi építette meg Chicagóban. Az első atomerőművet Obnyinszkban (Oroszország) állították üzembe, 1954-ben. A reaktorokat (atommágját) hűteni kell, a hűtőanyagnak átadott hőenergiát hasznosítják az atomerőművekben. 

Atomenergia az Európai Unióban

fúzió A fúziós erőmű alapanyaga deutérium és lítium. A deutérium a hidrogén izotópja, a vízből viszonylag egyszerűen kivonható. A lítiumot besugárzással tríciumra bontják, ez is egy hidrogénizotóp.  A tórusz formájú reaktorkamrába a trícium és deutérium keverékét juttatják be. 15 millió fokosra hevítik és az így keletkező ionokat körpályára kényszerítik mágneses  térrel. A reakcióban hélium keletkezik. A reaktor falát vízzel hűtik és az így keletkező gőzzel turbinát hajtanak meg.

Iter Tervezett üzembe helyezése 2019-20. A dél-franciaországi Cadarache-ban épülő, tizenkétmilliárd eurós, ITER nevű kísérleti fúziós eszköz a számítások szerint 500 megawatt teljesítményre lesz képes. A művelet a Nap energiatermelő magjában lezajló folyamathoz hasonlít, ahol hidrogén-atommagok egyesülnek héliummá.  Nem kell tartani a megszaladás veszélyétől, mert zavarok esetén a plazma összeomlik, és a folyamat leáll. A radioaktív hulladékok gondja, ami a maghasításos atomerőművek esetében az egyik legnagyobb megoldandó feladat, ez esetben gyakorlatilag elmarad, illetve nagyon kicsi, mert a radioaktívvá vált anyagok, szerkezetek lebomlási ideje igen rövid a kiégett nukleáris fűtőelemekéhez viszonyítva. Maga a fúziós reaktor üzemanyaga, a hidrogén, illetve nehéz izotópjai, a deutérium és a trícium könnyen hozzáférhetők, illetve a reaktorban előállíthatók, és nagyon kis mennyiségből lehet nagy energiát kinyerni.

Készül az első fúziós hajtómű Fúziós hajtóművön dolgozik az Alabamai University of Huntsville kutatócsoportja. Terveik szerint a hajtómű drasztikusan lecsökkentené az űrutazások idejét, úgy becsülik, hogy segítségével egy űrhajó hat hét alatt küzdené le a Föld-Mars távolságot. A reakció ugyanaz, mint ami a Nap belsejében zajlik, és a kísérleti reaktorokban 10-15 millió fokos hőmérséklettel és erős mágneses térrel indítják be a reakciót.