Fizika | Tanulmányok, esszék » Mihálszky Gábor - Az atomenergia felhasználása

-1- ZRÍNYI MIKLÓS NEMZETVÉDELMI EGYETEM BOLYAI JÁNOS KATONAI MŰSZAKI FŐISKOLAI KAR AZ ATOMENERGIA FELHASZNÁLÁSA Készítette : Mihálszky Gábor - 17521 -2- 1. Az atommag szerkezetének felfedezése A XVIII. És XIX század fordulóján a fizikusok képzeletében az atom egy mazsolás pudinghoz hasonló modellként jelent meg, ahol a mazsolák jelképezték az elektronokat, míg a puding az atom pozitív töltésű, nagy tömegű anyagát. Az 1900-as évek elején Rutherford He2+ ionokkal aranyfüstlemezt bombázott Az ionok nagyobbik része háborítatlanul haladt át a lemezen. Ebből arra következtetett, hogy az atom pozitív töltését hordozó anyagára mégsem jó példa a puding, mert nem tölti ki az atom egész térfogatát, hanem annál jóval kisebb helyre összpontosul. Kísérleteiből azt a következtetést vonta le, hogy az atom pozitív töltése egy 10-5 nm sugarú gömbön belül van jelen ( az atom sugara 10-1 nm ). Az atom tömegének 99,9 %-a az

atom nagy tömegű, kis átmérőjű, pozitív töltésű alkotórészében összpontosul. Ezt Rutherford nucleusnak nevezte el ( atommag ) 1920-ban már Rutherford is feltételezte, hogy az atommagban a protonon kívül valamilyen más részecske is tartózkodhat, azonban nem tudta bizonyítani. 1930-ban Bothe, Geiger és Webster német fizikusok atommagok ütközésekor nagy energiájú sugárzást észleltek. 1930-ban Bothe és Becker berilliumot bombázott  -részecskékkel, elektromosan semleges sugárzás megjelenését tapasztalták. A végbemenő reakcióbanγ -sugárzást feltételeztek Kiszámították a γ fotonok energiáját, s 15 MeV értéket kaptak ( ilyen nagyságú energiát addig a természetben nem tapasztaltak ). 1932-ben Iréne és Frédérick JoliotCurie is tapasztalták ezt a jelenséget Utánuk néhány hónappal James Chadwick, aki Rutherford fiatal munkatársa volt, ezzel az ismeretlen sugárzásnak ismert atommagokkal való ütköztetéseivel tárta fel e

sugárzás semleges részecskéinek tulajdonságait. Chadwick a korábbi kísérletek megismétlésével az atommag felépítéséről alkotott addigi elképzeléseket jelentősen megváltoztatta. Igazolta a neutronok létezését 2. A magreakciók Ahhoz hasonlóan, ahogyan két atom egy kémiai reakcióban egymással reagálni képes, két atommag is reakcióba léphet egymással és a reakció termékeként egy, vagy több új mag képződhet. A reakciót rendszerint úgy hajtják végre, hogy az egyik magot valamilyen szilárd anyag tartalmazza ( target mag ) és nyugalomban van, a másikat pedig ionsugár formájában ráirányítják ( „rálövik” ). 3. A maghasadás 1938-ban két berlini kutató, Hahn és Strassman az urán neutronokkal való bombázásakor azt észlelte, hogy a keletkező termékek között többek között közepes tömegszámú bárium is megjelenik. Kísérletük eredményének nem akartak hinni, mert arra számítottak, hogy csak az urán szomszédait

-3- fogják megtalálni. Ha a 238U magot nagy sebességű neutron találja el ( s az energiáját átadja a magnak ) a magrezgés amplitúdója olyan naggyá válhat, hogy a mag befűződik és kettéhasad. Ezután a két hasadványt a Coulomb taszítás gyorsítva eltávolítja egymástól. Spontán maghasadás akkor következik be, ha a hasadás külső részecske abszorbeálása nélkül következik be Ez nehéz magok esetében lehetséges, mert az egy nukleonra jutó kötési energia kisebb, mint a keletkező közepesen nehéz magokban ( a spontán maghasadás ebben az esetben exoterm reakció ). Gerjesztett maghasadás akkor következik be, ha a mag befog egy másik részecskét ( általában neutront ), és a keletkezett közbenső mag töredékekre esik szét. A befogott neutron energiája kicsi lehet, mert a befogás által nyert kötési energiája elegendő lehet a maghasadási folyamat megindításához. A legismertebb ilyen jelenség a 235U neutronabszorpció által

kiváltott maghasadása. γ A 235U gerjesztett hasadása. A 235U neutronabszorpció által kiváltott hasadása során két közepesen nehéz, általában radioaktív atommag keletkezik. A nehéz magokban a neutron/proton arány nagyobb, mint a könnyűekben, ezért hasadáskor azonnal neutronok szabadulnak fel, amelyeket „prompt reakció-neutron”-nak nevezünk. Rövid idő elteltével a hasadási termékekből további neutronok emittálódnak, ezek a „prompt hasadási neutronok” A neutronok kibocsátása után a hasadási termékek különböző felezési idejű β -bomlásokat szenvednek, és a β -bomlások után esetleg újabb neutronokat emittálnak. A legutoljára kibocsátott neutronok, amelyek a mérhető felezési idejű β -bomlások után jelennek meg, a „késleltetett hasadási neutronok”. Ezek nagyon fontos szerepet játszanak az atomreaktorok szabályozásában. A maghasadásban általában két különböző tömegű hasadási termék keletkezik. Az

egyik tömege kb 95 és 100 közé, míg a másiké 135 és 140 közé esik. A technikailag kihasznált hasadási reakciók a következők : 235U és 239Pu hasadása lassú (termikus ) neutronokkal, valamint a 238U hasadása gyors neutronokkal. Az urán hasadásoknál 25, ill 255 az átlagosan felszabaduló neutronok száma, míg a plutóniumnál ugyanez 3 Az uránmag hasadása során jelentős mennyiségű energia szabadul fel, mert egy 120 tömegszámú magban az egy nukleonra jutó kötési energia kb. 8.5 MeV, egy 240 tömegszámú magban ez az érték már csak 76 MeV Ezért nukleononként 0.9 MeV, 235 nukleon esetén összesen 210 MeV energia szabadul fel minden maghasadásban Ennek 85%-a a hasadási termékek kinetikus energiáját fedezi, s a hasadó anyagot felmelegíti A maradék 15 % a ha- -4- sadási termékek gerjesztési energiájára ( béta- és gamma-sugárzás és antineutrínók kibocsátása ), valamint a neutronok kinetikus energiájára fordítódik. A nehéz

magok hasadásakor keletkező nagy energia ellenére a spontán hasadás nagyon ritka. A nehéz magok sokkal gyorsabban bomlanak alfarészecskék kibocsátásával Ezt az okozza, hogy a töredékmagokat rövid hatótávolságú magerők tartják össze és hosszú hatótávolságú elektromos erők taszítják szét. Ahhoz, hogy a töredékmagok olyan távolságra jussanak, amely már a magerők hatótávolságán jóval belül van, energiára van szükségük, amelyet egy potenciálmaximum jellemez. A 235U esetében a neutron kötési energiája éppen elég a potenciálhegy leküzdésére, a 238U-nál azonban nem, a 239U közbenső mag ezért nem hasadással bomlik, ha a neutron kinetikus energiája 1.2 MeV-nál kisebb A 200-as körüli tömegszámú magok csak nagyon nagy energia hatására hasadnak 4. A láncreakció Az energia felhasználására alkalmas maghasadás legfontosabb sajátossága az, hogy a hasadás során 2-3 neutron felszabadul, és ezek a neutronok egy másik mag

hasadását váltják ki. Annak a feltétele, hogy egy láncreakció önállóan fennmaradjon az, hogy a reakcióban keltett neutronok átlagosan legalább egy újabb hasadást váltsanak ki Az egy hasadásból származó neutronoknak azt a számát, amely a következő generációban újabb hasadást hozhat létre, k sokszorozási tényezőnek nevezzük. Ha k kisebb, mint 1, a láncreakció megszűnik; ha k=1, akkor stacionárius ( vagyis a másodpercenkénti hasadások száma a reaktorban időben állandó ); ha pedig k nagyobb 1-nél, akkor a másodpercenkénti hasadások száma állandóan növekszik. A k értékét az a valószínűség határozza meg, amellyel a neutronok négy leggyakoribb folyamata a reaktorokban lejátszódik : 1. 2. 3. 4. befogás és neutronok felszabadulásával járó hasadás a fűtőanyagban. hasadás nélküli befogás a fűtőanyagban ( rezonanciabefogás ) a reaktor más anyaga által történő befogás megszökés a reaktorból Ezek a

valószínűségek az egyes folyamatok hatáskeresztmetszeteitől erősen függnek, a megszökés valószínűsége a reaktor nagyságától is, mert arányos a felszín-térfogat viszonyával. A k értékének megfelelően három folyamatot lehet megkülönböztetni : 1. Kritikus állapot ( k = 1 ) : ilyenkor az adott intenzitással ( hasadás/s ) elindított folyamat intenzitása változatlan marad, minden bemenő neutron további 1 hasadást hoz létre. 2. Szuperkritikus állapot ( k > 1 ) : az elindított folyamat intenzitása fokozódik. A hasadásban keletkező neutronok közül átlagosan több, mint 1 hoz létre újabb hasadást, a neutronok száma exponenciálisan növekszik. 3. Szubkritikus állapot ( k < 1 ) : Az elindított folyamat intenzitása csökken. -5- 5. A hatáskeresztmetszet A hatáskeresztmetszet egy reakció létrejöttének a valószínűségét írja le. A target magnál másodpercenként létrejött magreakciók számának és a bombázó

részecskeáramnak ( azaz az 1 cm2-re jutó részecskék száma másodpercenként ) a hányadosa. A hatáskeresztmetszet egy felület Ha a beérkező ionokat kiterjedés nélkülinek képzeljük el, akkor egy a hatáskeresztmetszettel megegyező nagyságú korongra éppen annyi részecske csapódna be, mint amennyi magreakció a magnál a valóságban bekövetkezik. Ha egy vékony céltárgy n részecskét tartalmaz cm3-enként, és d vastagsága olyan kicsi, hogy a hatáskeresztmetszetek nem fedik át egymást, akkor a céltárgy hatáskeresztmetszetei összeadódnak. A magreakciók teljes száma ( N ) ekkor : N = N0 · σ · d · n Vastag targetben, amelyben a hatáskeresztmetszetek egymást átfedik, a reakciók számát a következőképpen lehet leírni : N = N0 · ( 1-e-nσd ) -6- 6. Az atomenergia felhasználása „1933 ősze Londonban talált. Az kötötte le időmet, hogy állást keressek azoknak a német fizikusoknak, akik a náci hatalomátvétel után elvesztették

állásukat. Egyik reggel olvastam az újságban, hogy a Brit Társulat évi közgyűlésén Rutherford ezt mondta : »Aki az atomenergia ipari méretű felszabadításáról beszél, az holdkórós« Mindig felbosszant, ha hozzáértők kijelentik, hogy valamit nem lehet megcsinálni. Amint a Southampton road-on sétálva megállított a közlekedési lámpa, éppen azon töprengtem, hogy nem téved-e Rutherford ? Ha találnánk egy olyan elemet, amely neutron hatására szétesik, és amely egy neutront elhasználva kettőt bocsát ki, akkor ezen elemből elég sokat felhalmozva, láncszerű magreakciót lehetne előidézni. Ipari méretekben lehetne felszabadítani energiát.” Szilárd Leó 6.1 A reaktorok tulajdonságai és részegységeik. A magfizika hatására bekövetkezett gazdaságilag legjelentősebb és leglátványosabb fejlődést az atomreaktorok ( és az atombomba ) megalkotása jelentette. Mindkettő ugyanazon az elven, az uránhasadás láncreakcióján alapszik.

A reaktorok üzemeltetésére csak olyan anyagok alkalmasak, amelyekben egy neutron kötési energiája egy újabb hasadás keltéséhez elegendő. Napjainkban a következő fűtőanyagokat alkalmazzák : 1. urán 235 ( a természetes uránban 0175 %-ban fordul elő ) 2. urán 233 ( a tórium 232-ből neutronbefogás útján, reaktorban keletkezik ) 3. plutónium 239 ( urán 238-ból, neutronbefogás útján, reaktorban keletkezik ) Az olyan anyagok, amelyeket csak gyors neutronok tudnak hasítani ( pl. 238U ), fűtőanyagnak nem alkalmasak, mert azok a neutronok, amelyek a szóródás következtében energiát veszítenek, a sokszorozódási tényezőhöz nem adnak járulékot. A reaktorok legfontosabb részei : 1. Fűtőanyag elemek 2. Moderátor 3. Reflektor 4. Szabályozórudak 5. Sugárárnyékolás 6. Hűtőkör -7- A tulajdonképpeni fűtőanyag, vagy hasadóanyag, amelyet rúd, vagy lemez alakban alkalmaznak a fűtőanyagelem. Az urán az 52 leggyakoribb elem a

földkéregben, 20 km-es mélységig fordul elő. Az összes készlet kb 1014 tonna. A könnyen hozzáférhető készlet több tízezer évre bőségesen fedezi az emberiség energiaszükségletét. A moderátor, amelybe a fűtőanyagelemeket beágyazzák. A moderátor és a fűtőanyag együtt a reaktor magja A magot a reflektor veszi körül, feladata a reaktor magjából elszökött neutronok egy részét az aktív zónába visszajuttatni. A szabályozórudak neutront abszorbeáló anyagból állnak A reaktormagba történő betolásukkal, vagy kihúzásukkal a sokszorozási tényezőt lehet befolyásolni A hűtőkör vezeti el a hasadáskor keletkező hőt. 6.2 A neutronok lassítása. A természetben előforduló hasadóanyagok termikus neutronokkal hasíthatók nagy valószínűséggel. Ezért a hasadási neutronokat le kell lassítani, termikussá kell tenni, ha azokkal újabb hasadást, láncreakciót akarunk létrehozni. A hasadás során keletkező gyors neutronok átlagos

energiája mintegy nyolcszorosa a termikus neutronokénak A lassítást a moderátor végzi el, rugalmas szórási magreakció ( hasonló a mechanikából ismert rugalmas ütközéshez ) útján. Az ütközés előtt és után a kinetikus energiák összege egyenlő, tehát az ütközésnél mozgási energia veszteség nincs A neutron E1 energiával közeledik a nyugvó maghoz Az ütközés során energiája E2-re csökken, mozgásiránya pedig ψ szöggel ( szórási szög ) megváltozik Az E2-E1 energia átadódik a szóró magnak. Ha az ütközés centrális, akkor az átadott energia maximális, és a neutron sebességének iránya ellentétesre változik, vagyis visszaszóródik. Ha az ütközés érintőleges, akkor nem megy végbe energiaátadás, a mozgás iránya változatlan marad. Ez a két szélsőséges eset ritkán következik be, a közbülső lehetséges ütközési variációk valószínűségét figyelembe véve meghatározható az ütközéskor átadódó energia,

és így a neutron energiaváltozására jellemző E1/E2 hányados. Ennek a hányadosnak a természetes alapú logaritmusát használják az ütközés jellemzésére, és a lassítás erélyességének nevezik ( ξ ). A lassítás erélyessége gyakorlatilag csak a szóró mag tömegétől függ. Annál jobb lassító egy közeg, minél kisebb a tömegszáma. Egy jó moderátornak egyidejűleg nagy szórási hatáskeresztmetszete ( sok ütközés jön létre ) és nagy lassítási erélyessége van ( csak kevés ütközés szükséges ) Ezen kívül az abszorpciós hatáskeresztmetszetnek kicsinek kell lennie, vagyis a sok ütközés ellenére nem szabad elnyelődésnek történnie. A ξ·∑ szorzatot ( ∑ = makroszkopikus szórási határkeresztmetszet ) lassítási képességnek nevezzük. Jó moderátoroknál ennek és a moderációs tényezőnek ( γ ) is nagynak kell lennie. A legjobb moder átor a nehézvíz. A grafit is igen jó moderátor, bár kis lassító képessége

miatt nagy reaktort igényel. -8- 6.3 A reaktor szabályozása. A reaktivitásnak a gyakorlatban történő üzemeltetéshez szabályozhatónak kell lennie. Indításkor és a teljesítmény növelésekor a reaktornak szuperkritikussá, a leállításkor szubkritikussá kell válnia. A reaktivitás a működés során több okból is megváltozhat : Kiégés miatt ( hasadóanyag elhasználódik ); mérgeződés miatt ( a neutronokra vonatkozó nagy befogadási hatáskeresztmetszetű hasadási termékek keletkezése miatt ); a reaktivitás hőmérsékleti együtthatója miatt, azaz a reaktivitásnak a hőmérséklettel való változása miatt; tenyésztés miatt ( termikus neutronok hatására egyébként nem hasadó, befogott új hasadómagok ); reaktorban végzett kísérletek miatt ( esetleg csökkenthetik a neutronok számát ) A működés közben történő fenti változások miatt a reaktorban már kezdettől fogva bizonyos nagyságú többlet reaktivitásra van szükség,

amelyet a szabályozóelemeknek kell kiegyenlíteniük. A szabályozóelemek általában henger alakú, vagy lapos rudak, amelyeket a fűtőelemek között mozgatnak. Anyaguk a neutronokat erősen abszorbeáló kadmium, vagy bór Három fajtájukat különböztetjük meg : 1. biztonságvédelmi rudak ( reaktor veszély esetén történő leállítására, üzem közben kihúzott állapotban ) 2. durva szabályozó rudak ( kiégés, mérgeződés és tenyésztés következtében beálló reaktivitás változásokat egyenlítik ki ) 3. finom szabályozó rudak ( reaktor teljesítményét folytonos szabályozással állandó értéken tartják ) A reaktor indulása előtt a moderátor vizében sok az oldott bórsav, a kadmium rudak pedig az urán rudak között állnak. A bórsavat higítani kezdik, ekkor a k értéke megközelíti az 1-et Ezután a rudakat kihúzzák és a k értéke 1 fölé nő, szaporodni kezd az időegység alatt lejátszódó hasadások száma. Amikor a kívánt

teljesítményt elérik, a Cd rudakat visszatolják annyira, hogy a k értéke 1 legyen. Egy szabályozórúd annál hatékonyabb, minél több neutront abszorbeál. Az alkalmazott abszorbeáló anyagok már nagyon vékony rétegekben minden becsapódó neutront elnyelnek. 6.4 A reaktor energiatermelése. A reaktorból az energiát hő formájában tudjuk elvezetni. A hasadó anyagot hűtőfolyadékkal, vagy gázzal veszik körül, ennek adja át a fejlődő hőt. Mivel a hűtőközegben felszaporodnak a radioaktív izotópok, ezért a reaktor és a turbinák közé közbeiktatnak egy hőkicserélőt is. Ez az anyag felmelegíti a turbinát meghajtó gőzt, a turbina pedig meghajt egy generátort, amely villamos energiát állít elő. -9- 6.5 A reaktorok mérgeződése. A reaktor hosszú idejű működése során gyengül a reaktivitás, mert miközben a fűtőanyag mennyisége folyamatosan csökken, a hasadási termékek mennyisége növekszik. A hasadási termékek között

vannak olyanok, amelyek igen nagy neutronbefogási hatáskeresztmetszettel rendelkeznek Ezeket nevezzük reaktormérgeknek, melyek felszaporodása igen jelentős reaktivitás csökkenést eredményez. A reaktor működése szempontjából két méregnek van gyakorlati jelentősége, a 135Xe-nek és a 149Sm-nak 6.6 A reaktorok típusai. Tenyésztőreaktorok. A természetben előforduló uránnak csak a 0.7 %-a a 235-ös izotóp, amely a reaktorokban üzemanyagként használható. Hasadóanyagként még további két izotóp alkalmas, amelyek a természetben azonban nem fordulnak elő, de természetes elemekből neutron besugárzással előállíthatóak. Ez a két izotóp a 239Pu ( 238-as uránból, ami az összes uránkészlet 99.3 %-a ) és a 233U ( 232-es tóriumból ). Kutatóreaktorok. A kutatóreaktorokat rendkívül nagy intenzitású sugárforrásként hasznosítják. A reaktor működése során keletkező teljesítmény általában nemkívánatos melléktermék A

kutatóreaktorokkal szemben támasztott köve- lehetőleg nagy γ-sugárintenzitás hozzáférési lehetőség az aktív zónához ( kísérletek elvégzésére ) A kutató reaktorok általában 50 MW-nál kisebb teljesítménnyel működnek, s ún. úszó típusúak. A reaktormag egy 6-8 m mély, 2-5 m telmények : átmérőjű henger középpontjában van elhelyezve vízmoderátorban. A reaktormag 30-40 cm oldalhosszúságú, s kb. 2 kg 235U-t tartalmaz A Budapesti Műszaki Egyetem oktatóreaktora. Erőművi reaktorok. Az első reaktor 1942-ben történt megépítése óta a reaktorépítés terén szerzett tapasztalatok annyira előrehaladtak, hogy lehetőség van olyan erőművi reaktorok építésére, amelyek a hagyományos szén- vagy olajtüzelésű erőművekkel összehasonlítható áron képesek áramot szolgáltatni. A fejlődés során kiderült, hogy az atomreaktorok csak nagy ( min. 500 MW ) egységek- - 10 - ben építve versenyképesek. Hajók, vagy

szárazföldi járművek hajtására a lényegesen kisebb teljesítmény miatt általában túlságosan drágák, kivételt képez a tengeralattjárókon és repülőgép-anyahajókon történő katonai alkalmazás, amelyekben a nagy hatótávolságot és az oxigéntől való függetlenség által nyújtott előnyöket használják ki. Az atomerőművek előnyei a hagyományos erőművekkel szemben : 1. 1 kg szén CO2-dá történő elégetésekor 93 kWh hőenergia szabadul fel, míg 1 kg urán hasadásakor 2.9·107 kWh Az urán magas ára ellenére egy kWh termelésének költsége atomerőműben csak az egy ötöd része a hagyományos erőművekhez képest. 2. Az atomerőművek a környezet számára sokkal kevésbé ártalmasak, mert működésük során kevés gáznemű, vagy szilárd hulladék válik szabaddá. A sugárzás ellen viszonylag egyszerű védekezni Atomerőművet csak ott lehet építeni, ahol nagy hűtőteljesítmény áll rendelkezésre, nagy folyók, vagy tenger

mellett. Az erőművi reaktorok három típusa mutatkozott gazdaságosnak, a nyomottvizes reaktorok, a forralóvizes reaktorok és a gázhűtésű grafit moderátoros reaktorok. A nyomottvizes reaktor. A moderátor és a hűtőközeg egyaránt víz ( vagy nehézvíz ), a fűtőelemek szilárd halmazállapotúak. A vizet zárt körben a reaktoron és a hőcserélőn keresztül szivattyúzzák és olyan nagy nyomás alatt áll, hogy nem forrhat fel. A hőcserélő szekunder oldalán keletkezett telített gőz hajtja a turbinákat A paksi atomerőmű reaktorai is ebbe a típusba tartoznak. A forróvizes reaktor. A fűtőanyag szilárd, a moderátor és a hűtőközeg víz. A gőz közvetlenül a kisebb nyomás alatt álló reaktorban fejlődik. A gőz hőcserélő közbeiktatása nélkül hajtja a turbinákat. Ennél a típusnál moderátorként könnyűvizet alkalmaznak, mert a veszteség nehézvíz esetén túl drága lenne. Szabályozása nehéz, mert fokozott gőzfogyasztás esetén a

reaktorban a nyomás csökkenne, ezzel a buborékképződés növekedne és a teljesítmény csökkenne. - 11 - A grafitmoderátoros reaktor. Szilárd moderátoruk a természetes uránból álló fűtőanyagba ágyazott grafit. A hűtőközeg CO2, amely a hőcserélőben gőzt fejleszt. A volt Szovjetúnióban gyakran alkalmazták ezt a típust. Hátrányuk, hogy a teljesítmény növekedésekor a buborékarány növekedése miatt az abszorpció lecsökken, a moderálás azonban nem. A csernobili baleset okozója is a rendkívüli teljesítménynövekedés volt. 6.7 Az atombombák. Kétfajta atombombát különböztetünk meg. Az első csoportba azok tartoznak, amelyeknek energiáját urán, vagy plutónium hasadása szolgáltatja. A másik csoportba a fúziós bombák ( hidrogénbombák ) tartoznak A hasadási bombák elvben nagyon nagy reaktivitású gyors reaktorok. A hasadóanyagot ( 235U, vagy 239Pu ) úgy rendezik el, hogy szubkritikus maradjon. Ezt úgy oldják meg, hogy

vagy az egész tömeget több, egymástól elkülönített részre osztják, vagy a tömeg kis sűrűségben és nagy térfogatban van jelen. A láncreakció elindításához a hasadóanyagot hagyományos kémiai robbanótöltet segítségével összepréselik, így kis térfogatban erősen szuperkritikus tömeggé egyesül. Ezzel egyidejűleg egy neutronforrást is bekapcsolnak, amely a megfelelő időben a láncreakció elindításához szükséges első neutronokat szolgáltatja. A robbanás két fázisban folyik le Az első fázisban a reaktivitás a hasadóanyagban állandó marad, mert még viszonylag kevés energia termelődött. A teljesítmény kb 1015-1016 W-ig fokozódik, ekkor kb 50000 K hőmérséklet, a felszabadult energia kb. 20 kWh A nagy nyomás hatására az anyag tágulni kezd, innen veszi kezdetét a második fázis. A reaktivitás az expanzió miatt csökken, a teljesítmény viszont tovább növekszik, kb. 1020 W-ig Ez a fázis nagyon rövid ideig tart ( kb. 10-7

sec ), ezután a bomba anyaga nagyon gyorsan tágulni kezd, s közben felmelegíti a környezetet. Ekkor keletkezik a jól ismert tűzgömb 1. kémiai robbanóanyag 2. gyújtószerkezet 3. hasadóanyag 4. acélköpeny 5. neutronforrás - 12 - A fúziós bombában az energia legnagyobb részét termonukleáris reakció szolgáltatja. Az ilyen bombával lényegesen nagyobb energiák érhetők el, mivel a fűtőanyag tömegét nem korlátozza az a követelmény, hogy a bomba a gyújtás előtt szubkritikus legyen. A fúziós bombában a fúziós nyersanyag egy kis hasadási bombát vesz körül. A kémiai robbanószerkezet gyújtása után először a hasadási bomba robban fel, amelynek energiája a fúziós nyersanyag egy részét a termonukleáris reakció által megkívánt hőmérsékletre hevíti. A nagy nyomás következtében az anyagon lökéshullám terjed szét, amely további részeket melegít fel a fúziós hőmérsékletre A fúziós nyersanyag deutérium és trícium,

valamint lítium. A nagyon nagy hidrogénbombákban a fúziós nyersanyagokon kívül még egy 238U-t tartalmazó köpeny is van, amelyben a fúzió során termelődött gyors neutronok hasadást keltenek és ezzel még több energia szabadul fel. 6.8 A fúziós energiatermelés. A nagyon nehéz magok hasadásán kívül a nagyon könnyű magok egyesülésével is lehet energiát nyerni. Ezekben a reakciókban deutérium, trícium, hélium, lítium vesznek részt. A reakciók relatív energiahozama a maghasadáséhoz képest nagyobb, kb. ötszöröse annak A fúziós reakció töltött részecskék reakciója. Mivel ezek a részecskék egymást kölcsönösen taszítják, gondoskodni kell arról, hogy olyan nagy sebességgel repüljenek egymás felé, amely a Coulomb-gát legyőzését lehetővé teszi és ezzel a magerők hatókörébe jussanak. A fúzióhoz szükséges magas hőmérsékleten a hőmozgás következtében a kinetikus energia lényegesen nagyobb, mint a könnyű

atomok magjai és az elektronok közötti kötési energia. Az elektronok leválnak a magokról ( ütközési ionizáció következtében ) és az egész anyag szabad magokból és elektronokból áll Az ilyen ionizált gázt plazmának nevezzük. Ha a plazma hőmérséklete elég magas, akkor beindulhat a láncreakció ( feltétele, hogy az energiatermelés nagyobb legyen, mint az energiaveszteség ). A könnyű magok fúziós láncreakcióját termonukleáris reakciónak nevezzük. A plazmában az energiatermelést a hőmérséklet, a hatáskeresztmetszetek és a sűrűség határozzák meg. A fúziós energiatermelés egyik legnagyobb problémája, hogy jelentős energiaveszteségek lépnek fel ( pl. fékezési sugárzás megjelenése, neutronok szökése a plazmából, új fúziós anyag felhevítése ). A fúziós anyagtermelés egyik legnagyobb problémája a forró plazma tárolása ( 108 fokos ! ). Kétféleképpen oldják meg. Az első lehetőség a tehetetlenségi rendszer

alkalmazása Egy cseppé fagyasztott deutérium-trícium gázkeveréket nagyteljesítményű lézersugárral, vagy relativisztikus energiájú elektronnal bombáznak, egyidejűleg több irányból. Az elpárolgó molekulák, vagy kilépő ionok reakció- - 13 - ereje sűríti össze és hevíti fel a plazmát. A másik lehetőség a mágneses plazmaösszetartás. Mivel a plazma kizárólag töltött részecskékből áll, így azok a mágneses tér erővonalai körül spirális pályán mozognak, s eközben csak az erővonalak mentén végezhetnek mozgást, azokra merőlegesen azonban nem. Amikor a mágneses térerősség növekszik, az erővonalak szorosabbra húzódnak össze és a plazma összenyomódik. 7. Az atomenergia felhasználásának biztonsági kérdései A maghasadáskor erős neutron és γ -sugárzás keletkezik. Az utóbbi egyre erősödik üzemelés közben, hiszen a reaktorban γ -sugárzó izotópok halmozódnak fel. Ez ellen ólom, acél, ill beton fallal lehet

védekezni, a neutronsugárzás ellen pedig pl. kadmiummal Az atomerőműveket 25-30 évi működés után le kell bontani, ugyanis szerkezetük az erős sugárzás miatt károsodik. Az építési hulladék is sugároz, ennek az elhelyezése a legnagyobb probléma. Az emberi testben óránként 16 millió radioaktív bomlás történik, közvetlen környezetünkből pedig kb. 60 millió radioaktív részecske talál el bennünket. Az atomerőművek sugárzása kb ezred része a megengedett határértékeknek, tízezred része környezetünk sugárzásának. Egy közönséges széntüzelésű erőműnek is nagyobb a radioaktív sugárzása, mert az égéskor felszabaduló radioaktív izotópok jó része a légkörbe kerül. Más rizikófaktorokkal összehasonlítva az atomerőmű jóval kevésbé veszélyes. Robbanásra tízezer évenként egyszer kell számítani. Néhány adat, melyik tevékenység mennyivel rövidíti meg életünket : - A dohányzás 2000 nappal A közúti

balesetek 200 nappal A hagyományos erőművek 20 nappal Az atomerőművek 0.04 nappal A paksi atomerőmű üzemanyag kazetta tárolója. - 14 - Tartalomjegyzék 1. Az atommag szerkezetének felfedezése 2 2. A magreakciók 2 3. A maghasadás 2 4. A láncreakció 4 5. A hatáskeresztmetszet 5 6. Az atomenergia felhasználása 6 6.1 A reaktorok tulajdonságai és részegységeik 6 6.2 A neutronok lassítása 7 6.3 A reaktorok szabályozása 8 6.4 A reaktor energiatermelése 8 6.5 A reaktorok mérgeződése 9 6.6 A reaktorok típusai 9 6.7 Az atombombák 11 6.8 A fúziós energiatermelés 12 7. Az atomenergia felhasználásának biztonsági kérdései Felhasznált irodalom : Bernhard Bröcker : Atomfizika Hanka László : Atomfizika és magfizika Tóth Eszter : Fizika Marx György : Atommag közelben 13