KURZUS: Fizika I.

MODUL: Bevezetés a modern fizikába

25. lecke: Az atomenergia felszabadítása

A tananyag részletes feldolgozása:

  • tankönyv 144-től 152-ig
  • CD NODE 99-től 103-ig
A tananyag összefoglaló vázlata
  • maghasadás és magfúzió értelmezése az egy nukleonra jutó kötési energia függvényében
  • nuklid hasadásakor felszabaduló energia
  • fúziós folyamatban felszabaduló energia
  • atomreaktor
    • lassú neutron
    • rövid idő - magidő (a fény átszeli az atommagot)
  • kritikus mennyiség - kritikus tömeg - láncreakció
  • szaporító reaktorok - gyors neutronok - technikai akadályok
  • fúziós kísérletek - fúziós erőmű - Louson-kritérium
  • radioaktív hulladék - tények és félelmek
Követelmények

Legyen képes

  • szóban bemutatni az atommag-hasadás és a fúzió folyamatát
  • nagyságrendileg helyesen megbecsülni a hasadás és a fúzió során felszabaduló energia mennyiségét
  • szóban meghatározni a kritikus tömeg fogalmát
Kidolgozott feladat

Egy 4He-atommag kb. 1,5%-kal könnyebb, mint két darab 2H (nehézhidrogén). Mennyi energia szabadul fel 1kg nehéz hidrogénből, ha fúzióval 4He-t gyártunk belőle? Hány napig tudna ebből egy feltételezett erőmű egy kisvárost energiával ellátni, ha a felszabaduló energiát 20% hatásfokkal tudnánk használhatóvá alakítani és a kisváros átlagosan 12 MW teljesítményt igényel?

Megoldás: A fúzió során a nukleonok összszáma nem változik, ezért nyilván 2 nehézhidrogén magból (1 proton + 1 neutron) keletkezik egy 4-es hélium mag (2 proton + 2 neutron). Ha mindez sok maggal történik, akkor a relatív tömegcsökkenés ugyanakkora marad, azaz 1 kg nehéz hidrogénből 0,985 kg hélium keletkezik. Δ m = 0,015 kg (1,5%) tűnik el, pontosabban alakul át energiává.

A felszabaduló energia Einstein híres összefüggése alapján tehát:

E = Δ m c 2 = 1,35 10 15 J

A hasznosított energia ennek 20%-a, azaz Eh = 0,2E

Ezt P = 12 MW teljesítménnyel használnánk fel a feladat szerint. A teljesítmény definíciója szerint P = E h / t ahonnét a keresett idő kifejezhető:

t = E h P = 2,25 10 7 s 260 nap

Tehát a felszabaduló energia 1,35*1015 J, és ez kb. 260 napig lenne elég a kisvárosnak.

Ellenőrzések
Mi az a kritikus tömeg?
Amikor eljön az idő a tömeg kimegy a térre.
Az a mennyiségű hidrogén amennyi a H bomba készítéséhez kell.
Az a mennyiségű hasadóanyag amiben a keletkező neutronok száma, és a rendszert elhagyó és elnyelődő neutronok száma azonos.
Az atomerőműben található nukleáris anyagmennyiség maximuma.
A Nap átlagos felszíni hőmérséklete 6000K Hogyan lehet mégis fúzió benne?
A benne található He magok katalizálják a folyamatokat.
A Nap belsejében a hőmérséklet millió kelvin, ez már elég a fúzióhoz.
A Napban lévő szén termeli a hőt, amikor az oxigénnel fúzionál.
Ez a hőmérséklet bőven elég a hőtermeléshez, az izzólámpa is termel fényt meg hőt.
Mi a moderátor szerepe a reaktorban?
A rossz anyag kiszűrése.
A gyors neutronok lassítása.
A felesleges hő elvezetése.
A megfelelő hasadóanyag koncentráció biztosítása.
A magokban található kötési energia nagyságrendileg hányszorosa a kémiai kötési energiának?
101
1013
106
103