Ядролық энергетикалық қондырғылар

1. Ядролық энергетикалық қондырғылар

1

2. Ядролық физиканың дамуы

1808
1876
1891
1895
1897
1905
1911
1912
1919
Dalton Атомдық теория
Goldstein катод сәулесі
Stoney электрон тұжырымы
Roentgen X сәулесі
1896 Becquerel радиоактивтік
Thomston катод сәулесі электрон
1898 Rutherford α β сәулелері
Einstein арнайы салыстырмалы теория
Rutherford атомның моделі
Thomston изотоптық талдау
Aston массалық талдау қондырғысы
2

3.

жалғасы
1921 Harkins нейтрон болжамы
1930 Bothe Be α ?
1932 J Curie жұбайлар Be α γ
Chadwick нейтронның табылуы
1934 Fermi баяу нейтрондар
Szilard тізбекті ядролық реакция
1939 Hahn Strassman Meitner ядролық
бөліну реакциясы
1942 Fermi CP-1(Chicago pile-1) тұңғыш реактор
1944 Pu дайындайтын №1 реактор Hanford АҚШ
3

4.

жалғасы
Ядролық бомба сынағы АҚШ
Табиғи уранды ауыр сулы реактор ZEEP Канада
Шапшаң нейтронды реактор Clementine АҚШ
Бассейн типтегі реактор BSR АҚШ
FBR ERB-1 АҚШ энергетикада қолданды
Сутегі бомба сынағы СССР
«Атом − бейбітшілік үшін» декларация БҰҰ
1954 Атомдық сүңгуір кеме жасалды АҚШ
1945
1945
1946
1950
1951
1953
4

5.

Элементар бөлшектер
Элементар бөлшектер деп алғашқы материяны құрайтын, ары қарай
бөлінбейтін бөлшектерді айтады. Мысалы үшін электрон, фотон, ж.т.б.
Жер бетіне келіп жатқан сәулелерді ғарыштық сәулелер деп атайды. Олар 1және 2- ғарыштық сәулелер болып бөлінеді.
1-ғарыштық сәулелер Жер атмосферасының жоғарғы қабатында (50км биікте).
Бұл сәулелердің энергиясы өте жоғары ≈1010......1019 эВ.
Бұларды 92,9% протондар және 6,3% α- бөлшектер құрайды.
2-ғарыштық сәулелер − Жер бетінен 20 км биіктікте 1-ғарыштық сәулелер мен
ауаны құрайтын газдардың ядролары соқтығысу арқылы пайда болады.
2-ғарыштық сәулелерде негізінен барлық элементар бөлшектер болады.
5

6. Элементар бөлшектер түрлері

Элементар бөлшектердің түрлері және қасиеттері
8

7. Элементар бөлшектер (ЭБ)

Атомның құрамы
протон
ядро
атом
нейтрон
электрон
10

8.

Атомның құрамы
протон
атом рет нөмірі Z
нейтрон
нейтрон саны N
нуклон
масса саны
ядро
атом
элемент
электрон
A
Изотоп − атом рет нөмірі бірдей нейтрон саны ұқсамайтын элементтер
11

9. Денелердің бір-бірімен өзара әсерлесуі (4 түрлі күш)

Ядроның белгісі
A
X
Z
X элемент аты
X пен Z өзара сәйкес келеді
Z атомдық рет нөмірі ядродағы протондар(заряд) саны
N нейтрон саны ядродағы нейтрондар саны
A масса саны
A=Z+N
12

10. Атомның құрамы

Атом өлшемі
1~10fm
1nm=10-9m
1fm=10-15m
0.1~1nm
13

11. Атомның құрамы

нейтрон, протон және электронның массасы
Элементар
бөлшек
Атомдық
масса
m=E/c2
MeV/c2
Протон
Нейтрон
Электрон
1,007276
1,008665
0,000549
938,28
939,57
0,51
6 протон, 6 нейтрон, 6 электроннан тұратын 12C көміртегі атомының
1/12 бөлігі = 1 атомдық масса ретінде қабылданған.
1amu=931.5016MeV/c2
E=mc2
14

12. Ядроның белгісі

Ядролық энергия көзі
「біріксе жеңілдейді」
протон
нейтрон
Масса ақауы Δm
Байланыс энергиясы E
E Δmc2 c жарық жылдамдығы
15

13. Атом өлшемі

Өлшемі және энергиясы
2~200MeV
1MeV=106eV
ядро
нуклон
энергиясы
атом электрон
0.4~40eV
өлшемі
1~10fm
0.1~1nm
16

14. нейтрон, протон және электронның массасы

Ядролық энергия мен химиялық энергия
U
Шредингер теңдеуі
H n En n
2 2
H
U
2m
1
E n
mR 2
m
R
R
ΔEn
электрон 0.51MeV
10-9~10-10m
0.38~38eV
нуклон
10-14~10-15m
2~200MeV
940MeV
Ядролық энергия 5∙106×химиялық энергия
17

15. Ядролық энергия көзі

Ядроның массасы
Ядроың массасы M Z , N ZmH NmN D Z , N
Z атом рет нөмірі
mH сутегі атом массасы
N нейтрон саны
mN нейтрон массаы
D Z , N масса ақауы (mass defect)
Байланыс энергия(binding energy):B Z , N D Z , N c 2
18

16. Өлшемі және энергиясы

Ядролық реакция (nuclear reaction)
b
a
X
Y
a X Y b
a түскен сәуле (бөлшек) incident particle
X нысана ядро target nucleus
Y қалдық ядро residual nucleus
b шығарылған сәуле (бөлшек) emitted particle
Ескерту a болмаған кезде ыдырау (decay) деп аталады
19

17. Ядролық энергия мен химиялық энергия

Ядролық реакция жалғасы
a X Y b Q
Q реакция энергиясы reaction energy) немесе Q Q-мәні
Q Eb EY Ea
Ea Eb EX EY кинетикалық энергиялар
Q ( M a M X ) ( M b M Y ) c 2
Ma Mb MX MY сәйкес массалары
( M a M x )c 2 Ea ( M b M Y )c 2 Eb EY
Ma Mx
Eath Q
MX
Ea,th тығырық энергия threshold energy
Q > 0 жылу шығаратын реакция exoergic reaction
Q < 0 жылу жұтатын реакция endoergic reaction
21

18. Ядроның массасы

Ядроның ыдырауы
γ-сәулесі
― Электр өрісі
α-сәулесі
β-сәулесі
α - сәулесі гелий ядросы 4He
β - сәулесі электрондар ағыны
саңылау
γ - сәулесі электромагниттік толқын
Сәуле көзі
22

19. Ядролық реакция (nuclear reaction)

Ядроның ыдырауы
(Z+1, N-1)
β
α
(Z-2, N-2)
(Z, N)
β+
(Z-1, N+1)
23

20. Ядролық реакция (nuclear reaction)

Ядроның ыдырауы
Ядро санының N уақыт бойынша өзгерісі
dN
N λ : ыдырау тұрақтысы
dt
Активтілік: уақыт бірлігіндегі ыдырау саны (1Bq=ыдырау саны/секунд)
N N 0 exp( t )
T1/2 жартылай ыдырау периоды
τ орташа өмір сүру уақыты
T1/ 2
1
N0
log 2
0.69315
1
t Ndt
0
24

21. Ядролық реакция （жалғасы）

Ыдыраудың Кулондық тебісу потенциалы
0
Кулон күші ғана әсер ететін аумақ
ядролық күш пен Кулон күштің
екеуі де әсер ететін аумақ
25

22. Ядроның ыдырауы

Байланыс энергиясы мен β-ыдыраудың бағыты
Байланыс энергиясы
Тұрақты ядро
Тұрақсыз ядро
Масса саны : тақ
Масса саны: жұп
Атом рет нөмірі
Атом рет нөмірі
26

23. Ядроның ыдырауы

Ядролардың үлестірілуі
Қазірге дейін табылған ядролардың
бәрі көрсетілді
Атом рет нөмірі
Қара түстілері тұрақты ядролар
Қызыл түстілері тұрақсыз ядролар
Сызық сиқырлы сандарды көрсетеді
Нейтрон немесе протон сандары
2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 болса, ядро
өте тұрақты болады. Бұл сандар
сиқырлы сандар деп аталады.
Нейтрон саны
27

24. Ядроның ыдырауы

Меншікті байланыс энергиясы (МэВ)
Меншікті байланыс энергиясы
Масса саны А
28

25. Ыдыраудың Кулондық тебісу потенциалы

Нейтрон мен ядроның реакциясы
шығару
шашырау
Серпімді
шашырау
Тең бағытты
Әр бағытта
Серпімсіз
шашырау (n,n’)
(n,2n), (n,3n), (n, pn)
жұту
қармау n,γ)
Серпімсіз
шашырау
(n,α), (n,p
бөліну n,f)
29

26. Байланыс энергиясы мен β-ыдыраудың бағыты

Нейтронның ядродан шашырау реакциясы
Реакциядан кейін шашырап шыққан нейтронның энергиясы мен бағыты
бастапқы нейтроннан өзгеше болатын реакция
Серпімді шашырау. Реакция барысында нейтрон мен нысана ядроның
кинетикалық энергиясының қосындысы және импульсінің қосындысы
сақталатын реакция серпімді шашырау реакциясы деп аталады.
1. Потенциалды шашырау: нейтрон нысана ядромен тікелей соқтығыспай
нысана ядроның потенциалында шашырайтын реакция.
2. Резонансты серпімді шашырау: нейтрон нысана ядромен соқтығысып
құрама ядро қалыптасқан соң нейтрон энергиясын өзгертпей шашырап
шығатын реакция.
Серпімсіз шашырау. Нысана ядроға берілген энергияның бір бөлімі нысана
ядроның ішкі энергиясын көбейтуге (қоздыруға) жұмсалады.
30

27. Ядролардың үлестірілуі

Нейтронның ядрода жұтылу реакциясы
Нысана ядро нейтронды жұтқан соң нейтронның кинетикалық энергиясы мен
байланыс энергиясының қосындысына тең деңгейге қозады да, атом массасы
біреуі көбейген жаңа ядро пайда болады. Бұл ядро құрама (compound) ядро деп
аталады.
Нейтронның жұтылу реакциясы құрама ядроның пайда болуының жалпы
атауы болып, реакциядан кейін қандай бөлшек шығаруына байланысты бір
неше реакция түріне бөлінеді.
• Құрама ядро гамма сәулесін шығарса: радиациялық қармау реакциясы.
• Құрама ядро зарядты бөлшек шығарса: зарядты бөлшекті шығару
реакциясы.
• Екіден жоғары нейтрон шығаратын реакция да (n,2n) жұту реакциясы.
31

28.

Радиациялық (нейтрон) қармау реакциясы
• Құрама ядро γ- сәулесін шығару арқылы негізгі күйге өтеді.
• Нейтрон қармау реакциясында пайда болған құрама ядро
тұрақсыз болғандықтан β- ыдырау арқылы β- және γ- сәулес
шығарады.
• Мысал үшін, 59Со нейтрон қармаған соң 60Со-ға айналады. 60Со дереу
γ- сәулесін шығарады. Бұл кезде шығарған γ- сәулені қармау γ- сәулесі
деп атайды. Сондай-ақ, 60Со 5,2 жылдық жартылай ыдырау
периодымен β- ыдырау арқылы 60Ni- ге өзгереді.
32

29. Нейтрон мен ядроның реакциясы

1930
жылы
жасаған
тәжірибелерінде литий мен берилийді абөлшектермен атқылағанда, протонның
орнына өте нашар жұтылатын бөлшектер
ұшып шығатынын байқайды. Бұл бөлшектер
қалыңдығы 20 см болатын қорғасын
қабатынан өтіп кеткен.
Ирен
Жолио-Кюри
(1897-1956)
Фредерик
Жолио-Кюри
(1900-1958)
• Олар бериллийді а-бөлшектермен
атқылағанда пайда болатын сәуле
жолына
парафин
пластинасын
қойғанда, суретте көрсетілгендей
сутегіге
қаныққан
парафиннен
протондар
ұшып
шығады деп болжам жасайды

30.

Ағылшын ғалымы Дж. Чедвик осы жылы берилийді
а-бөлшектермен
атқылағанда
одан
бөлінетін
табиғаты белгісіз сәуленің қасиеттерін зерттеу
жұмыстарын жүргізеді.
Энергияның және импульстің сақталу заңдарына
сүйене отырып, жүргізілген есептеулер нәтижесінде
белгісіз бөлшектің массасын анықтайды.
Чедвик бұл сәуленің электрлік бейтарап бөлшектер ағыны
екенін дәлелдеген. Белгісіз бөлшектің массасы жуықтап
алғанда протонның массасына тең болып шыққан. Атом
ядросының құрамында протон сияқты ауыр, бірақ бейтарап
бөлшектің
бар
болуы
мүмкін
деген
батыл
болжамды 1920 жылы Э. Резерфорд айтқан және оны
нейтрон деп атауды ұсынған еді. Сонымен, жаңа
бөлшек нейтрон деп аталды. Нейтронның электр заряды
нөлге тең, сол себепті оның зат арқылы өтетін өтімділік
қабілеті өте жоғары. Қазіргі дәл өлшеулер бойынша
нейтронның массасы
mn = 1,6749 · 10-27 кг = 1,00866 м.а.б. = 939,56 МэВ.
Джон Чедвик
(1920-1998)

31.

Энергия мен импульстің сақталу заңынан нейтронның зат атомдарымен соқтыңысу
нәтижесінде
2mn
vя
vn ;
mn M я
где mn -нейтрон массасы;
vn – нейтронның соқтығысуға дейінгі жылдамдығы;
Mя – ядро массасы.
Α бөлшектерінің бериллий атомымен соқтығысу реакциясы:
9
4
Be He C n
4
2
12
6
1
0
Массалық сандары А бірдей, зарядтық сандары Z әр түрлі
нуклидтерді изобаралар (бірдей ауыр деген сөз) деп атайды.
Ядроның құрамына кіретін нейтрондар санын N анықтауға болады:
Ядролық зарядтары (реттік нөмірлері Z) бірдей, ал массалық сандары А әр түрлі
элементтер атомдарын изотоптар (грекше isos— бірдей және topos — орын) деп
атайды.

32.

Ядроның тұрақтылығы
Ядродағы нейтрондар мен протондардың N/Z
қатынасы 1-ге жақын болған кезде ядро
тұрақты болатындықтан, масса саны аз
ядролар орнықты күйде болады.
Нейтрон саны N (A-Z)
Ядроның масса саны артқан сайын протондар
арасында Кулон тебісу күші көбейетіндіктен
оны әлсірету үшін ядролық күшті көбейтуге
тура келеді. Сол себепті нейтрон саны протон
санына қарағанда көп болады.
Масса саны артқан сайын N/Z қатынасы көп
болып, Z=84-тен жоғары болған кезде
тұрақты ядролар болмай қалады.
Протон саны Z (атом рет нөмірі)
36

33. Нейтронның ашылуы

Зарядты бөлшекті шығару реакциясы
Жеңіл ядролар нейтронды жұтқан соң зарядты бөлшектерді шығарады.
Нысана ядроны сәулелендірген нейтрондардың энергиясы жоғары
болған кезде көптеген ядролар протон және α- бөлшегін шығарады.
Егер шығарған бөлшек α- бөлшегі болса, онда реакция өрнегін
төмендегідей жазуға болады.
37

34.

Ядролық бөліну реакциясы (fission)
сияқты ауыр ядролар нейтронды жұтып алған соң 2 ядроға
бөлінеді де, 2-3 нейтронды бөліп шығарады. Мұндай реакцияны ядроның
бөліну реакциясы деп атайды.
235U, 239Pu, 233U
Табиғи уранның 99,3% құрайтын 238U ядросын 1МэВ энергиядан жоғары
нейтронмен сәулелендіргенде ғана ядролық бөліну реакциясы пайда болады.
Табиғи уранның 0,7% ғана құрайтын 235U ядросын төмен энергиялы (баяу)
нейтронмен сәулелендіргенде ядролық бөліну реакциясы пайда болады.
38

35.

Ядролық бөлінетін заттардың сындық энергиясы
Сындық (критикалық) энергия: атом ядросын қоздыру үшін ядроға
берілетін ең төменгі энергия мөлшері реакцияның критикалық энергиясы
деп аталады.
ядро
Нейтронның меншікті
Сындық энергия байланыс энергиясы
39

36.

Ядролық бөлінетін ядролар және аналық ядролар
Төмен энергиялы (жылу) нейтрондармен ядролық бөліну
реакциясын пайда қылатын табиғи ядро тек 235U. Алайда 238U
және 232Th ядролары нейтронды жұтқан соң мынадай процесс
бойынша төмен энергиялы нейтрондармен ядролық бөлінетін
ядролар 239Pu, 233U пайда болады. Сондықтан мұндай ядроларды
аналық ядролар деп атайды.
40

37.

Ядролық бөліну реакциясы
ядросы нейтронды қармаған соң құрама ядро 236U пайда
болады. Баяу нейтронды қармаған құрама ядро 236U-ның 17%
236U күйінде қалады да, қалған 83% ядролық бөлінеді.
235U
Баяу (жылу) нейтрон деп температурасы қоршаған ортаның
температурасымен бірдей нейтронды айтады.
293K 20 0С температурадағы “баяу” нейтронның энергиясы 0,025
эВ, бұл кездегі жылдамдығы 2200 м/с (дыбыс жылдамдығынан 7 есе
жоғары). Энергиясы 1МэВ болатын нейтронның жылдамдығы 14000
км/с болады.
Ядролық бөліну кезінде екі түрлі жаңа ядро пайда болады, мысалы
энергия
41

38.

Ядролық бөліну өнімдерінің үлестірілуі
энергия
жылу нейтрондармен бөліну
кезінде пайда болатын бөліну
өнімдерінің екі жарықшақтың
массалары симметриялы
болмайды.
ЯБӨ пайда болу мүмкіндігі %
235U
Жаңадан пайда болған екі
жарықшақ (ядро) кулон
күшінің әсерінен екі жаққа
қозғалып, басқа атомдармен
соқтығысу арқылы соңында
тоқтайды. Кинетикалық
энергиясы жылу энергияға
айналады.
Ядролық бөліну өнімдер массасы
42

39.

Бөліну өнімдері
a)
thermal fission of
233U
b)
c)
and 239Pu
thermal und 14 MeVfission of 235U
fission by prompt
neutrons of 232Th
and 238U
235U
Fission product nf [%]
131I
132Te
133Sb
133Te
133I
133Xe
134Te
135I
U235
бөліну өнімдері
137Cs
140Ba
143Ce
144Ce
(8.05 d)
(77 h)
(4.1 min)
(63 min)
(21 h)
(5.27 d)
(44 min)
(6.7 h)
(29 a)
(12.8 d)
(33 h)
(285 d)
3.1
4.7
4.0
4.9
6.9
6.6
6.9
6.1
6.15
6.44
5.7
6.0

40.

41.

239 U
236
92
ZM
A 1
*A
o n Z M
235
* 236
U o n
U,
92
92
Ядро
236 U
92
239 U
92
Еб.а, МэВ
Ем.б, МэВ
5,75
6,4
5,85
4,76
45

42.

Уран-235 жылулық нейтронды қармаған жағдайда белгігі
ықтималдықпен бөлінуі мүмкін. Уран-238 жылулық нейтронда
қармағанда түзілетін уран-239 ядросының қоздыру энергиясы
сындық энергиядан аз болады, ал уран-238 ядросы жылулық
нейтронда қармағанда бөлінбейді. Нейтронды қармағанда бөліу
реакциясы пайда болу үшін нейтрондық кинетикалық энергиясы 1
МэВ-тен кем болмауы керек. Мұндай жағдайда қоздыру энергияы
байланыс энергиясы жане кинетикалық энергиясымен анықталады.
46

43.

Ядролық бөліну өнімдері және ыдырау жылуы
Тыныш тұрған күйдегі бөліну жарықшағын (жаңадан пайда болған
ядроларды) бөліну өнімдері деп атайды. Бөліну өнімдерінің барлығында
нейтрон артық болғандықтан тұрақсыз болып, β- ыдырау арқылы тұрақты
ядроға ауысады. Бұл кезде β- сәулесінің жылу энергиясы жалпы жылу
энергияның 3,5% иелейді, онымен бірге ілесе шығатын γ- сәулесінің
энергиясы 3,5% болады. Сондықтан ыдырау жылуы 7% шамасында болады
Бұл энергиялар әртүрлі ядролардың жартылай ыдырау периоды бойынша
ұзақ уақыт қоя берілетіндіктен, реактор тоқтағаннан кейінде жалғасты
жылу бөліп шығарады. Сол себепті реактор тоқтағаннан кейінде ұзақ
уақытқа дейін реактордың салқындату жүйесі жұмыс істеп тұрады.
Осындай ыдырау кезінде қоя беретін жылу энергияларды ыдырау
жылуы (decay heat деп атайды.
47

44.

Ыдырау жылуын есептеу әдісі
Ыдырау кезінде қоя беретін жылу энергиясы (decay heat
Way-Wigner өрнегімен есептеледі.
1 рет ядролық бөлінуден кейін t уақыттан соң β- сәулесі және γ- сәулесі
арқылы қоя берілетін энергияның мөлшерін Ed деп алсақ, онда