ATOMMAGFIZIKA Chadwick Marie Curie Becquerel Szilárd Leó Teller Ede

Az előadások a következő témára: "ATOMMAGFIZIKA Chadwick Marie Curie Becquerel Szilárd Leó Teller Ede"— Előadás másolata:

1 ATOMMAGFIZIKA Chadwick Marie Curie Becquerel Szilárd Leó Teller Ede
Fermi Készítette: Porkoláb Tamás

2 ATOMMAGFIZIKA 1917-ben (a kísérleteket 1919-ben publikálták) Rutherford bebizonyította, hogy a hidrogén atommag jelen van más elemek atommagjában, ezt az eredményét rendszerint a proton felfedezésének tekintik. 1930-ban Bothe és Becker  sugarakkal bombáztak berilliumot és azt tapasztalták, hogy igen erős sugárzás keletkezett. A neutront James Chadwick fedezte fel 1932-ben, aki ezért Nobel-díjat kapott. A szabad neutron élettartama kb. 15 perc. Készítette: Porkoláb Tamás

3 AZ ATOMMAG -a magot protonok és neutronok alkotják: a nukleonok
-mérete m nagyságrendű -az atom átmérője kb m -a nukleonok közt az ún. magerők hatnak, az erős kölcsönhatás erői -független a töltéstől: neutron és neutron közt ugyanolyan erősségű, mint proton-proton vagy proton és neutron közt -rövid hatótávolságú (~10-15 m) -csak a szomszédos részecskék közt hat -mindig vonzó jellegű -közvetítői a gluon nevű részecskék Készítette: Porkoláb Tamás

4 AZ ATOMMAG Az atommag tömege kisebb, mint alkotórészei tömegének összege. A tömegek különbsége egyenértékű a kötési energiával. E = ∆m∙c2 ∆m : tömegdeffektus Mivel a kölcsönhatás nagyon erős, ezért a magok átalakítása során óriási energiák szabadulnak fel. Az atommagban is egy héjszerkezetnek megfelelően helyezkednek el a nukleonok. A legújabb eredmények szerint a nukleonok sem oszthatatlan részecskék, ún. kvarkokból állnak. Készítette: Porkoláb Tamás

5 A RADIOAKTIV SUGÁRZÁS Készítette: Porkoláb Tamás

6 A RADIOAKTIV SUGÁRZÁS Természetes Mesterséges
Becquerel március 5-én kijelentette, hogy az urántartalmú ásványok röntgensugárzást bocsátanak ki. Maria Sklodowska (Curie felesége) december 26-án az uránnál milliószor erősebben sugárzó anyagot választott ki. Ezt rádiumnak nevezte el. Nem sokkal ezután egy másik anyagot is találtak, amely 5000-szer jobban sugárzott a rádiumnál. Ez a polónium nevet kapta. Készítette: Porkoláb Tamás

7 A RADIOAKTIV SUGÁRZÁS Az atommagból indul ki.
A radioaktív sugárzás hatásai: a fotopapírt megfeketíti fluoreszcenciát okoz ionizálja a gázokat károsítja az élő sejteket Készítette: Porkoláb Tamás

8 A RADIOAKTIV SUGÁRZÁS TÍPUSAI
Készítette: Porkoláb Tamás

9 sugárzás pozitív töltésű He atommagok
melyeknek sebessége km/s az atom tömegszáma néggyel, rendszáma pedig kettővel csökken egy -részecske kibocsátása során hatótávolsága a levegőben néhány cm, de már egy papírlap is képes elnyelni. levegőbeli útjuk során az -részecskék kb iont állítanak elő. a szervezetben lévő sugárzó anyagok által kibocsátott -sugárzás igen veszélyes lehet (pl. a tüdőre). Készítette: Porkoláb Tamás

10  sugárzás elektronok áramlása (egy neutron protonná és elektronná alakul, az elektront a mag kilöki magából, a maradék felszabaduló energiát pedig egy neutrinó viszi magával. ) sebességük a fénysebesség 99,8%-a is lehet egy -részecske kibocsátása során az atom tömegszáma változatlan marad, rendszáma eggyel nő. Levegőbeli hatótávolsága pár méter, az elektronok útjuk minden cm-én iont hoznak létre. A testbe csak néhány mm-re hatol be, így főként a bőrt és a szemet károsítja. A testbe került -sugárzó anyag természetesen veszélyes. Készítette: Porkoláb Tamás

11  sugárzás nagyenergiájú fotonokból áll, amelyek fénysebességgel haladnak. a - sugárzás csak másodlagos: úgy keletkezik, hogy az atommag egy - vagy -részecske kilökése után gerjesztett állapotban marad és energiatöbbletét -kvantumként kisugározza. a természetes radioaktív sugárzások közül a -sugárzás a legveszélyesebb, mert ennek van a legnagyobb áthatolóképessége. Az emberi szervezeten könnyedén áthatol és csak 3,3 cm vastag ólomlemezzel fékezhető le egy -foton. Készítette: Porkoláb Tamás

12 A felezési idő Készítette: Porkoláb Tamás

13 SUGÁRZÁSVÉDELEM Minden másodpercben kb. 75 ezer részecske éri testünket. Testünkben minden órában mintegy 20-30 millió radioaktív bomlás történik.(5 500 – 8500 másodpercenként) A radioaktív sugárzás forrásai: a világűrből érkező kozmikus sugárzás levegőben lévő radioizotópok gáz vagy porhoz tapadt részecskék földkéreg bármely felületen megtapadhatnak és sugározhatnak a szervezetbe belégzés vagy táplálkozás során kerülhetnek Készítette: Porkoláb Tamás

14 SUGÁRZÁSVÉDELEM A legnagyobb mértékben a stroncium‑90 és a cézium-137 található meg szervezetünkben. A legveszélyesebb, ha a radioizotópok egy szervben felhalmozódnak fel. A jód-131 pl. a pajzsmirigyben koncentrálódik, a rádium, a plutónium és a stroncium a csontokban rakódik le, ahonnan már nem tud kiürülni, és a csontvelő károsodását okozza. 1 becquerel az aktivitása annak a radioaktív anyagnak, amelyben másodpercenként egy atommag bomlik el. Az aktivitás fogalmának ismeretében érthető a radioaktív hulladékok csoportosítása: kis aktivitású hulladék: Bq/kg alatt közepes aktivitású hulladék: Bq/kg és kBq/kg között nagy aktivitású hulladék: kBq/kg felett. Egy 75 kg-os ember K-40-ből származó aktivitása kb Bq Készítette: Porkoláb Tamás

15 MESTERSÉGES RADIOAKTIVITÁS
Ha atommagokat elemi részecskékkel bombázunk, új magok jöhetnek létre. A kezdeti mag először befogja a bombázó részecskét, radioaktív izotóppá válik, majd radioaktív bomlás során egy másik elemmé alakul át. Készítette: Porkoláb Tamás

16 A MAGHASADÁS Otto Hahn ( ) Nobel-díjas (1944: kémiai) német kémikus Fritz Strassmann ( ) német fizikus 1939. Január 16. Naturwissenschaften A hasadáskor radioaktív részecskék keletkeznek, főként -sugárzók. Eddig kb. 360 különböző izotóp magot sikerült ezek között megkülönböztetni. Készítette: Porkoláb Tamás

17 A MAGHASADÁS 1 kg urán hasadásakor annyi hő szabadul fel, mint 3 millió kg szén elégetésekor (vagy 14 millió kg dinamit felrobbantásakor). Ferminek rögtön eszébe jutott, hogy a hasadáskor keletkező neutronokat újabb magok hasítására lehetne felhasználni, és így láncreakciót megvalósítani. Egyetlen U235 hasadáskor felszabaduló energia: Készítette: Porkoláb Tamás

18 A KÖTÉSI ENERGIA Készítette: Porkoláb Tamás

19 LÁNCREAKCIÓ Szilárd Leó 1934 március 12-én szabadalmat jelentett be a láncreakcióra. A maghasadáskor keletkező neutronok újabb uránmagokat hasíthatnak, amelyekből újabb neutronok szabadulnak fel, azok újabb magokat hasítanak stb. Készítette: Porkoláb Tamás

20 LÁNCREAKCIÓ Egyáltalán nem biztos, hogy a felszabaduló neutronok újabb magot hasítanak. Többféleképpen folytatódhat életútjuk: ha az urántömb mérete túl kicsi (nem éri el a kritikus tömeget), akkor a neutronok hasítás nélkül lépnek ki belőle befogódhatnak nem hasadó anyagokban (ha az urán nem tisztán van jelen) befogódhatnak a hasadó anyagokban (rezonanciabefogás) hasadást okoznak Készítette: Porkoláb Tamás

21 LÁNCREAKCIÓ A láncreakció akkor marad fenn tartósan, ha időátlagban legalább egy neutron szabadul fel. k=1: kritikus állapot k>1: szuperkritikus állapot (exponenciálisan elszalad a láncreakció, 1 kg U235 egy milliomod másodpercnél rövidebb idő alatt is felrobbanhat k<1: szubkritikus állapot Ha az urántömb mérete túl kicsi, akkor a neutronok hasítás nélkül hagyják el, ezért a láncreakcióhoz szükség van egy ún. kritikus tömegre. Készítette: Porkoláb Tamás

22 AZ ATOMERŐMŰ Készítette: Porkoláb Tamás

23 AZ ATOMERŐMŰ Készítette: Porkoláb Tamás

24 Készítette: Porkoláb Tamás

25 Készítette: Porkoláb Tamás

26 AZ ATOMERŐMŰ Az első reaktort 1942-ben állították össze a chicagoi egyetem sportpályájának használaton kívüli részén, egy teniszpálya lelátója alatt Fermi vezetésével. December 2-án indították be a a szénpor és uránium keverékéből álló máglyát. A kísérlethez 6 tonna uránra, 50 tonna urán-oxidra és 350 tonna grafitra volt szükség. Az első atomreaktornak (Chicago Pile-1) sem sugárzásvédelme, sem hűtőrendszere nem volt. Készítette: Porkoláb Tamás

27 AZ ATOMERŐMŰ FŰTŐANYAGA
Ez a legtöbbször urán. Az urán az 52. leggyakoribb elem a földkéregben, 20 km-es mélységig fordul elő és összesen kb. 1014 t található belőle, ebből pár tízmillió könnyen hozzáférhető. Ez a készlet több tízezer évre fedezi az emberiség energiaszükségletét. Rendszáma 92, tömegszáma lehet 234, 235 és 239. U235: A természetes uránnak csupán 0,72%-át alkotja, de ez a változata a legalkalmasabb a hasadásra, ezért a legelterjedtebb fűtőanyag. A lassú és gyors neutronok egyaránt jól hasítják. U238: A természetes uránnak 99,274%-át alkotja, de nem terjedt el fűtőanyagként, ugyanis csak a gyors neutronok hasítják, a lassabbakat pedig befogják. Készítette: Porkoláb Tamás

28 AZ ATOMERŐMŰ FŰTŐANYAGA
Természetes urántömbben nem jöhet létre láncreakció az U238 túlsúlya miatt, ezért az U235-t dúsítani kell. Készítette: Porkoláb Tamás

29 AZ ATOMERŐMŰ SZABÁLYOZÁSA
A reaktorban a láncreakciót szabályozni kell: ezt szabályozórudak segítségével végzik. Amikor a láncreakciót beindítják, a neutronok számát növelni kell a reaktorban, tehát a sokszorosítási tényező értékét 1-nél nagyobbra kell beállítani (k > 1). A szabályozórudak kadmium-ból, bórból és hafniumból készülnek. Készítette: Porkoláb Tamás

30 MODERÁLÁS A maghasadás során felszabaduló neutronok sebessége túl nagy ahhoz, hogy az U235-t hasítsák. Ha nem akarjuk, hogy az urántömbben lelassult neutronokat az U238 magok befogják, akkor ki kell vezetni onnan őket, lelassítani a termikus sebességre, majd az így visszatért neutron az U238-t már nem hasítja, de az U235-t ragyogóan. Készítette: Porkoláb Tamás

31 AZ ATOMERŐMŰ SZABÁLYOZÁSA
Készítette: Porkoláb Tamás

32 A NEUTRONOK SORSA A neutronok sorsa
Egy urán-grafit reaktorban az egy hasadáskor felszabaduló 2,56 neutronból: 1 a láncreakció fenntartásához szükséges, 0,9-t az U238-magok nyelnek el, 0,2-t az U235-magok nyelnek el, 0,3-t a moderátor nyel el, 0,05-t a reaktor-szerkezet fog be, 0,09 kiszökik a reaktorból, 0,02 tartalékneutron Készítette: Porkoláb Tamás

33 A PAKSI ATOMERŐMŰ Készítette: Porkoláb Tamás

34 A PAKSI ATOMERŐMŰ építését 1966-ban határozták el, 1969 és 1987 között épült Pakson.  napjainkban 2000 MW teljesítményű nyomottvizes reaktor, a nukleáris reaktorok egyik típusa, amelyben a fűtőelemeket nagynyomású víz veszi körül. A víznek kettős szerepe van, egyrészt ez szolgál moderátorként, másrészt a nagynyomású vizet hőcserélőbe vezetik, ahol a termelt hőt átadja a kisnyomású rendszernek. A nagynyomású rendszert másképpen primer körnek nevezik. A primer körbe belépő víz hőmérséklete mintegy 275 °C, melyet a nukleáris reakció körülbelül 315 °C-ra melegít fel. Atmoszferikus nyomáson a víz ilyen hőmérsékleten gőz fázisban lenne, hogy ezt elkerüljék, a vizet nagy nyomás alatt tartják (  bar). Készítette: Porkoláb Tamás

35 A PAKSI ATOMERŐMŰ Készítette: Porkoláb Tamás

36 A PAKSI ATOMERŐMŰ Készítette: Porkoláb Tamás

37 A PAKSI ATOMERŐMŰ Készítette: Porkoláb Tamás

38 A PAKSI ATOMERŐMŰ Készítette: Porkoláb Tamás

39 A PAKSI ATOMERŐMŰ a paksi atomerőmű fűtőanyaga urán-dioxid
egy reaktorban ebből 42 tonnányit helyeznek el, amelyet kb. évente cserélnek. egy reaktorban cirkóniumcsőbe ágyazott urántömb van, ami 349 db kazettába van összegyűjtve, és a benne lévő urán tömege 120 kg. az uránban a 215-ös izotóp aránya 3,6%. Készítette: Porkoláb Tamás

40 A PAKSI ATOMERŐMŰ Készítette: Porkoláb Tamás

41 A PAKSI ATOMERŐMŰ a termelt gőzmennyiség óránként 2940 tonna
a generátorokban V feszültségű áramot termel a Dunából másodpercenként kiemelt 100 köbméter víz átlagosan 8 Celsius-fokkal felmelegedve tér vissza a folyóba az atomerőműben  összesen 8 turbina működik, egy reaktorban megtermelt energia a gőzfejlesztőkön keresztül két turbinát hajt meg. Készítette: Porkoláb Tamás

42 A FŰTŐANYAG KIÉGÉSE Idővel a reaktorban olyan mértékben felhalmozódnak a hasadáskor képződött anyagok, hogy több neutront nyelnek el, mint amennyi képződik. A reaktor így már nem üzemképes, a fűtőanyagot ki kell cserélni. Először pihentetőmedencékbe helyezik, majd az idővel alacsony aktivitásúvá vált anyagot végleges helyére, az atomtemetőbe szállítják. Készítette: Porkoláb Tamás

43 A BÁTAAPÁTI ATOMTEMETŐ
1 kamra 96 méter hosszú 200 méterrel a föld alatt van az úgynevezett mórágyi rögben (340 millió éves) 1 kamrában valamivel több mint 500 konténer, azaz hozzávetőleg 4600 hordónyi hulladék fér el. 40 ezer köbméternyi kis és közepes aktivitású hulladék befogadására képes a föld alatti vágatrendszer teljes hossza közel 6 kilométer Készítette: Porkoláb Tamás