Presentation laddar. Vänta.

Presentation laddar. Vänta.

Naturens minsta byggstenar Vanlig materia  atomer  atomkärnor och elektroner   neutroner och protoner  kvarkar Kärnfysik och energiproduktion Kärnfysik.

Liknande presentationer


En presentation över ämnet: "Naturens minsta byggstenar Vanlig materia  atomer  atomkärnor och elektroner   neutroner och protoner  kvarkar Kärnfysik och energiproduktion Kärnfysik."— Presentationens avskrift:

1 Naturens minsta byggstenar Vanlig materia  atomer  atomkärnor och elektroner   neutroner och protoner  kvarkar Kärnfysik och energiproduktion Kärnfysik Översikt över modern fysik

2 Atomkärnan neutronerprotoner En atomkärna består av ett antal neutroner och protoner, kärnpartiklarnukleoner dessa kallas tillsammans kärnpartiklar, eller nukleoner. atomnummer Antalet protoner betecknas Z och kallas atomnummer. Antalet neutroner betecknas N. masstal Antalet kärnpartiklar betecknas A och kallas masstal. PartikelLaddningMassa Neutron 01, u Proton +e1, u Elektron - e5,485799·10 -4 u En specifik kärna betecknas: A Z Kemisk beteckning Översikt över modern fysik 1u = 1,66· kg Periodisk tabell

3 Exempel på atomkärnor Översikt över modern fysik

4 Atomkärnan Kärnor med samma antal protoner, men olika antal isotoper neutroner kallas för isotoper, t ex: Utgör ca 79% av naturligt Magnesium Utgör ca 10% av naturligt Magnesium Utgör ca 11% av naturligt Magnesium Kärnpartiklarna hålls i kärnan ihop i en sfärisk form. Kärnans radie ges av r  r 0 A 1/3, r 0  1,2· m 2 r Översikt över modern fysik

5 Den starka kärnkraften Vad får neutroner och protoner att hålla samman i en atomkärna? Det finns en elektrostatisk repulsion mellan protonerna. Den kraft som håller samman atomkärnan kallas för den starka kärnkraften starka kärnkraften och är en av de 3 fundamentala krafterna i naturen (de andra är gravitation och elektrosvag kraft). Den starka kärnkraftens exakta form är ej känd, men följande egenskaper är välkända: Oberoende av laddning (i stort sett). Kort räckvidd, ca m. Översikt över modern fysik

6 Naturligt förekommande kärnor Balansen mellan den starka kärnkraften, med dess korta räckvidd, och den elektrostatiska repulsionen mellan protonerna, gör att atomkärnor endast existerar naturligt för vissa givna kombinationer av antalet neutroner och protoner. Vissa kärnor i naturen är instabila och bryts spontant upp i delar. Radioaktivitet  Radioaktivitet Översikt över modern fysik

7 Bindningsenergi bindningsenergi Två empiriska fakta leder oss till begreppet bindningsenergi För att frigöra en kärnpartikel från en atomkärna så måste energi tillföras (kärnpartiklarna hålls samman av den starka kärnkraften som måste övervinnas). För en given atomkärna så är summan av de individuella kärnpartiklarnas massor större än kärnans massa. Bindningsenergi =  m c 2 Översikt över modern fysik bindningsenergi 

8 Bindningsenergi Ju större bindningsenergi en atomkärna har, ju svårare är det att sönderdela den. För att kunna jämföra olika atomkärnor brukar man presentera bindningsenergin per nukleon som funktion av masstalet. Figuren visar att vi kan vinna energi genom att fusion slå ihop lätta kärnor (fusion) eller genom att sönderdela fission tunga kärnor (fission). Översikt över modern fysik

9 Bindningsenergi Exempel: Bestäm bindningsenergin för tritium (= 3 1 H). Lösning: Tritium består av två neutroner och en proton. Deras sammanlagda massor är (inkluderande elektronmassor) m indv  2·1, , = 3, u Masskillnaden blir  m = m indv - m tritium  3, , = 0, u Bindningsenergin blir (1u  931,5 MeV) ’Bindningsenergi’  931,5 · 0, = 8,480 MeV Bindningsenergin per nukleon blir ’Bindningsenergi’/A  8,480 / 3  2,827 MeV Översikt över modern fysik

10 Radioaktivitet När radioaktiva kärnor spontant sönderdelas så sänds olika ”partiklar” ut. De vanligaste är:  -strålar helium kärna, kallas  -strålar eller  -partiklar,  -strålar elektron, kallas  -strålar eller  -partiklar,  -strålar fotoner, kallas  -strålar. Kärnor som ej är stabila sönderfaller spontant. Dessa kärnor kallas för radioaktiva kärnor. Livslängden för en radioaktiv kärna varierar stort från kärna till kärna, från ns upp till tiopotenser av år. Vid radioaktivt sönderfall bevaras alltid totala antalet kärnpartiklar Översikt över modern fysik

11 Radioaktivt sönderfall och halveringstid Antalet radioaktiva kärnor som finns vid en given tid t avtar exponentiellt Tiden t = T 1/2 då halva mängden sönderfallit, kallas för halveringstid. T 1/2 2T 1/2 Översikt över modern fysik

12 Biologiska effekter Jämförelse av skadeverkning från olika typer av strålning StrålningstypQ 200 keV röntgenstrålning1  -strålning1  - -strålning1 Protoner10  -strålning10-20 Långsamma neutroner2 Snabba neutroner10 Dosekvivalenter mottaget av USA-inv. StrålkällaH (mrem/år) Kosmisk strålning28 Radioaktivitet i jord/luft28 Interna radioaktiva kärnor39 Radon (in-andats)200 Konsumtionsvaror10 Läkar/tandläkardiagnos39 Medicin14 Effekter vid engångsdoser < 50 remInga korttidseffekter remstrålningssjuka rem50% av exponerade personer avlider. > 600 remI stort sett alla avlider. Gränsvärde USA Befolkning, < 500 mrem/år Arbete,< 5 rem/år Översikt över modern fysik

13 Kärnreaktioner En reaktion mellan två atomkärnor kan åstadkommas genom att låta två atomkärnor kollidera med tillräckligt hög energi (så att den elektrostatiska repulsionen övervinns). ++ Vid en kärnreaktion kan energi vinnas eller förloras (beroende på kolliderande kärnor och restprodukter). Översikt över modern fysik Exempel Vid en kärnreaktion kan nukleoner överföras från en av de kolliderande kärnorna till den andra. garbo.lucas.lu/~kosu_fokin

14 Fission När en 235 U kärna fångar in en neutron (med låg energi) så finns en stor sannolikhet att den sönderdelas i två nya kärnor, samtidigt som ett antal (1-5) neutroner frigörs. Denna process kallas för fission. Ungefär 200 MeV energi frigörs per fission. Detta är en oerhört stor energimängd, vilket inses av att fission av ett kg 235 U skulle ge en energi på ca 82·10 12 J = kWh Översikt över modern fysik

15 Kedjereaktion De neutroner som frigörs vid fission av 235 U kan användas till att fissionera nya 235 U kärnor, härvid produceras nya neutroner som kan användas ….  kedjereaktion Okontrollerad fission  fissionsbomb Kontrollerad fission  kärnreaktor n U Översikt över modern fysik

16 Kärnreaktorer I en kärnreaktor har följande komponenter en viktig funktion. Bränsleelement: Innehåller det klyvbara ämnet Moderator: Bromsar ner de producerade neutronerna till termiska neutroner. I många reaktorer används vatten som moderator, och utnyttjas samtidigt till att ta upp den värmeenergi som produceras vid fissionen. Kontrollstavar: Fångar upp (absorberar) neutroner och hindrar dem därmed att fissionera fler kärnor. Nettoeffekten blir att från varje fission utnyttjas en neutron till att producera en ny fission; reaktorn sägs fungera kritiskt. Översikt över modern fysik

17 Kärnkraft i Sverige Från 1. I reaktorn finns uranbränsle och vatten. 2. När uranet klyvs frigörs energi som värmer det omgivande vattnet. 3. Vattnet börjar koka, ånga bildas. 4. Ångan leds vidare till turbinen. 5. Ångan träffar med hög hastighet turbinens skolvar. Turbinaxeln roterar med varv per minut. 6.Turbinen driver den generator som alstrar elektriciteten. 7. Elen leds vidare via kraftledningar till de olika förbrukarna. 8. När ångan avgett sin energi i turbinen leds den vidare till kondensorn som består av ett stort antal smala rör genom vilka havsvatten pumpas. När ånga träffar utsidan av rören kondenseras den, det vill säga blir vatten. 9. Vattnet pumpas tillbaka till reaktorn där det värms upp igen för att göra ett nytt kretslopp. Reaktorerna i Barsebäcksverket och Oskarshamnsverket är så kallade kokarreaktorer (Boiling Water Reactor,BWR). Översikt över modern fysik

18 Nackdelar med kärnreaktorer En mängd radioaktiva ämnen skapas, en del med mycket lång halveringstid. Förvaring av radioaktiva restprodukter under mycket lång tid! Fissionsprocessen sker kritiskt, vilket medför risk för härdsmälta. Begränsad mängd kärnbränsle tillgängligt. Alternativ: Fusion Acceleratorbaserad teknik för energiproduktion

19 Fusion Mer energi per nukleon kan vinnas vid sammanslagning (fusion) av lätta kärnor än vid klyvning (fission) av tunga. Det finns massor av deuterium ( 2 H) i havet, vilket är lätt att separera från vanligt väte. För att överkomma den elektrostatiska repulsionen måste energi tillföras. Om termisk energi i en gas (plasma) utnyttjas så måste gasen (plasman) ha en temperatur på ca 4·10 8 K! Förekommer i stjärnor och fusionsbomber (vätebomb). Översikt över modern fysik

20 Fusionsreaktorer Hitinitlls har alla försök att i laboratoriet skapa en fortvarig fusionsprocess ”kostat” mer energi än vad som vunnits. Ett problem är att hålla den oerhört heta plasman innesluten tillräckligt lång tid. Magnetisk inneslutning: (t ex Tokamak reaktorn i princeton) Översikt över modern fysik

21 Fusionsreaktorer Inertial confinement: (www.nuc.berkeley.edu/thyd/icf/IFE.html) Bränslepellets bestrålas med hög-intensitets laser eller atomkärnor  hög täthet, tryck och temperatur alstras i det inre av varje pellet. Översikt över modern fysik

22 Acceleratorbaserad teknik Ett av problemen med en traditionell kärnreaktor är att en mängd radioaktiva ämnen skapas, en del med mycket lång halveringstid. Kan det radioaktiva sönderfallet påskyndas? Ja, genom kärnreaktioner (transmutation) Lämpligt för restprodukter från kärnreaktorer: Neutroninducerade reaktioner med hög neutronenergi Behövs: Hög intensitet av neutroner Översikt över modern fysik www-adtt.lanl.gov

23 Acceleratorbaserad teknik Producera protoner med hög energi och intensitet i en protonaccelerator. Neutronerna reagerar sedan med de kärnor som finns i bränslet och omvandlar (transmuterar) dem till mindre farliga ämnen. Översikt över modern fysik Låt protonerna producera neutroner genom att kollidera med ett metallmaterial.

24 Acceleratorbaserad teknik Översikt över modern fysik

25 Acceleratorbaserad teknik Fördelar med acceleratorbaserad teknik Omvandlar långlivade radioaktiva ämnen till stabila och kortlivade ämnen (förvaring max 300 år). Kan användas för energiproduktion. Säkrare funktion än traditionell kärnreaktor (fungerar underkritiskt) Översikt över modern fysik


Ladda ner ppt "Naturens minsta byggstenar Vanlig materia  atomer  atomkärnor och elektroner   neutroner och protoner  kvarkar Kärnfysik och energiproduktion Kärnfysik."

Liknande presentationer


Google-annonser