5OSNOVE PROCESA NUKLEARNE

FISIJE

Ivan Banić

Osnovne definicije

• Neutron je nenaelektrizirana čestica unutar atoma, no. Nalazi se u atomskoj jezgri.

• Proton je pozitivno nabijena čestica, p+; naboja 1.6 × 10-19 C. Nalazi se u atomskoj jezgri.

• Elektron (također nazvan negatron) je negativno naelektrizirana čestica, e−; naboja 1.6 × 10-19 C. Nalazi se u elektronskom omotaču oko jezgre atoma.

Osnovne definicije

• Z (atomski broj) je broj protona sadržanih u atomskoj jezgri. Redni broj elementa jednak je atomskom broju.

• A (maseni broj) je zbroj Protona i neutrona u jezgri atoma.

• Atom je osnovna građevna jedinica tvari. Sastoji se od jezgre (koju čine protoni i neutroni) i elektrona koji se nalaze u ljuskama oko jezgre.

Atom - energija• Izgaranje ugljena - preraspodjela elektrona u vanjskim

ljuskama ugljika i kisika kako bi se postigla što stabilnija formacija.

• Izgaranje urana u reaktoru - preraspodjela nukleona u njegovoj jezgri kako bi se postigla što stabilnija formacija.

• Elektroni u atomu su vezani elektromagnetskim Columb-ovim silama, te je potrebna energija od samo nekoliko eV da ih izbaci iz atoma.

• Nukleoni su u jezgri vezani jakim silama od nekoliko milijuna eV.

• Posljedica: sagorijevanjem 1 kg urana dobijemo neusporedivo više energije nego sagorijevanjem kilograma ugljena.

• Oslobađanje energije je popraćeno gubitkom mase po Einstainovoj jednadžbi: Q = Dm x c2

Primjeri

• Pad 1 kg vode s visine od 50 m (potencijalna energija vode kinetička energija električna energija).

E = m x g x h = 1 kg x 10 ms-2 x 50 m = 500 J Ova se energija potroši u el. žarulji od 100 W za: t = 500 J/100 W = 5 s

• Ugljen, en. Izgaranja~3 x 106 J potpuno pretvaranje u električnu energiju.

žarulja će svijetliti: t = 3 x 106 J/100 W = 30000 s ~8 sati

Primjeri

• Od 1 kg 235U neka se pretvori 1 g u električnu energiju.

Q = Dm x c2 = 1 x 10-3 kg x (3 x 10-8 ms-1) = 9 x 10-13 J ta se energija potroši u električnoj žarulji od 100 W za: t = 9 x 10-13 J/100W = 9 x 10-11 s ~30000godine

Primjeri

Tablica 1. Energija dobivena iz 1 kg tvari

TVAR PROCES VRIJEMEa

VODA 50 m visok vodopad

5 sekundi

UGLJEN gorenje 8 sati

NEOBOGAĆEN UO2 fisija u reaktoru 690 godina

235U potpuna fisija 3000 godina

VRUĆI PLIN DEUTERIJ potpuna fuzija 3000 godina

TVAR I ANTITVAR 30000000 godina

Fisija• 1923. godine engleski fizičar James Chadwick otkriva neturon.

• Enrico Fermi sa suradnicima – bombardiranjem različitih elemanata sa neutronimdolazi do stvaranja novih radioaktivnih elemenata.

• Neutron, kao neutralna čestica može poslužiti kao dobra čestica za bombardiranje jer ne dolazi do stvaranja odbojnih sile kada se približi površini jezgre atoma.

• Toplinski neutroni koji se sporije kreću, sa kinetičkom energijom od samo 0.04 eV mogu poslužiti kao vrlo korisne čestica za bombardiranje u nuklearnim pokusima.

Fisija

• 1923. godine fizičarka L. Meitner i kemičari O. Hahn i F. Strassmann – bombardirali otopinu uranijeve soli

sa termalnim neutronima.

• Rezultat: nastale radioaktivne jezgre, od kojih je jedna identificirana kao barij.

• Pitanje: da li je ovaj element srednje mase (Z=56) mogao nastati bombardiranjem urana (Z=92) sa neutronima?

Fisija• Mehanizam prema kojemu jezgra 235U apsorbira

toplinsku energiju neutrona i cijepa se oslobađajući energiju na otprilike dva jednaka dijela od kojih je jedan barij.

• Fisch - FIZIJA• Fisija - je proces u kojem se veliki nukleus može

razbiti u dva nukleusa. U ovoj reakciji se također, kao propratna pojava, oslobađaju neutroni.

• Za razliku od fuzije koja je potpuno suprotno - proces u kome se više nuklearnih jezgra spaja pri čemu se stvara teža nuklearna jezgra.

FISIJA FUZIJA

Zadatak

• Pokušajmo procijeniti energiju Q koja se oslobodila u procesu fizije 235U na temelju dijagrama 1. i jednadžbi

za lančanu reakciju (I), (II) I (III)

• Riješenje:

Potrebni podaci:

• masa 235U koja je jednaka 235,0439 x u; u - unificirana jedinica mase i iznosi 1.6605 x 10-27 kg-1

• masa 140Ce koja je jednaka 139,9054 x u• masa 94Zr koja je jednaka 93,9063 x u• masa no koja je jednaka 1,00876 x u

Zadatak

Q = Dm x c2

• Ako zbrojimo jednadžbe (I), (II) i (III) dolazimo do ukupne jednadžbe procesa fisije: 235U 140Ce + 94Zr + n (IV)

Dm = (235,0439 x u) – (139,9054 x u + 93,9063 x u) =0,22353 x u

Q = Dm x c2 = (0,22353 x u) (931,5 MeV/u) = 208 MeV

Zaključak

Fisija elemenata sa velikom težinom izaziva egzotermnu reakciju, što može osloboditi ogromnu količinu energije.Nuklearna fisija je glavni proces koji se koristi u nuklearnim elektranama. Isti ovaj proces je ponovljen u nuklearnoj bombi sa nekontroliranom lančanom reakcijom.U nuklearnoj fisiji ima puno slobodne energije. Količina proizvedene energije je millionima puta veća nego ekvivalentna masa benzina. Ovo znači da je nuklearna fisija vrlo atraktivan način proizvodnje energije. Najveći nedostatak je u tome što je NUKLEARNI OTPAD RADIOAKTIVAN TISUĆAMA GODINA ŠTO PREDSTAVLJA REALAN PROBLEM.

HVALA NA PAŽNJI !

PITANJA??