Tuumafüüsika konspekt (2)

Tuumade lõhustumine- esineb selliseid isotoope, mille tuum jaguneb nautroni toimel kaheks ligikaudu võrdse suurusega tuumaks. Sellist reaktsiooni nim tuuma lõhustumiseks. Lõhustumisega kaasneb alati mõne vaba neutrioni väljalendamine, sest suurtes tuumades on neid prootonitega võrreldes rohkem. Ühtlasi vabaneb energiat, umbes miljon korda rohkem kui sama hulga aine põlemisel, sest tuumajõud on palju tugevamad kui elektrone siduvad elektrilised jõud. Mõne isotoobi tuum lõhustub iga kord, kui kohtub neutroniga, st ta ei vaja selleks neutroniga kaasa toodud lisaenergiat. Sel juhul võivad ka lõhustumisel tekkinud neutronid uusi lõhustumisi esile kutsuda. Sellist nähtust, kus reaktsioon põhjustab sellesama reaktsiooni jätkumist naaberaatomitel, nim ahelreaktsiooniks. Keemiliste reaktsioonide puhul oleks ahelreaktsioon näiteks lõkke põlemine, sest põlemisel tekkinud soojus süütab üha uued kütusekogused. Veel parem näide on püssirohu plahvatamine, sest seda ei piira õhu juurdevoolu vajadus ja reaktsioon levib iseseisvalt suure kiirusega. Kuna tuuma lõhustumisel tekib mitu uut neutronit, siis võib ahelreaktsiooni käigus samaaegselt lõhustuvate tuumade arv järjest kasvada. Tekkigu näiteks ühe tuuma lõhustumisel kaks neutronit, mis mõlemad neelduvad ainekoguse teistes tuumades, kutsudes esile vastavalt kaks uut lõhustumist. Ütleme selle kohta, et reaktsiooni paljunemistegur võrdub kahega, üksteisele järgnevate lõhustumiste arv kasvab 1,2,4,8,16.. see kõik toimub väga kiiresti ja tulemuseks on plahvatus . Nii kulgebki tuumapommi lõhkemine.
(vana) Tuuma lõhustumine on võimalik tänu sellele, et raske tuuma seisumass on lõhustumisel tekkinud kildude masside summast suurem.Sellepärast eraldubki energia, mis on ekvivalentne lõhustumisega kaasneva seisumassi vähenemisega. Osadeks võivad lõhustuda ainult mõnede raskete elementide tuumad .Tuumade lõhustumisel kiirgub 2-3 neutronit ja gammakiired .Tuumade ebapüsivus on tingitud sellest, et neutronite vastastikmõju piirdub umbes 1,5 neutroni läbimõõduga, mistõttu hoiab tuuma koos naabernukleonide vastastikmõjuenergia. Neutroni lisandumisel muutub tuum ebapüsivaks ja laguneb kaheks peaaegu võrdse massiga uueks tuumaks.Lagunemisel eraldub iga lõhustumise kohta 2-3 uut neutronit, mis on võimelised tabama uusi tuumasid.Sel puhul hakkab reaktsioon paisuma laviinina ning energiat eraldub üha rohkem.Sellist neutronite paljunemist ja sellelst põhjustatud laviinina arenevat tuumareaktsiooni hakati nimetama ahelreaktsiooniks.Sellise ahelreaktsiooni puhul on max neutronite paljunemistegur k ca 2,5.Kui tegur on 1,1, siis on ahelreaktsioon kontrollimatu.
(vana) Tuumapomm- mittejuhitav ahelreaktsioon, kus neutronite paljunemistegur on suur, toimub tuumapommis e aatomipommis.Selleks, et energia eralduks peaaegu silmapilkselt, lastakse ahelreaktsioon käiku kiiretel neutronitel.Lõhustuva ainena kasut. puhast uraani või plutooniumi.Tekitatakse tingimused, mille puhul lõhustuva aine mõõtmed ületavad kriitilised mõõtmed.See saavutatakse kas kahe allakriitiliste mõõtmetega lõhustva aine kiire ühendamisega või ühe lõhustuva aine tüki järsu kokkusurumisega mõõtmeteni, mille korral neutronite pagemine läbi vähenenud pinna väheneb sedavõrd, et ainetüki mõõtmed muutuvad ülekriitilisteks.Mõlemal juhul kasut selleks tavalist lõhkeainet. Tuumapommi plahvatusel tõuseb temp kümnete miljonite kraadideni, mis põhjustab hiiglasuure rõhu kasvu ja võimsa lööklaine.Samaaegselt tekib võimas kiirgus.Ahelreaktsiooni produktid on pommi plahvatamisel tugevastu radioaktiivsed ning on seetõttu elusorganismidele ohtlikud.
(uus) tuumapommis paikneb lõhustuv aine kahes osas, mis mõlemad on parajasti nii väiksed, et juhuslikul tuuma lõhustumisel tekkinud neutronid valdavalt väljuvad ainest ilma uusi tuumi kohtamata e paljunemistegur on alla ühe. Suuremas ainekoguses neutronil on uue tuuma kohtamise tõenäosus suurem. Kui ainet on koos niipalju, et igast neutronist sünnib keskmiselt üks uus lõhustumist esilekutsuv neutron , siis on paljunemistegur võrdne ühega ja kord alanud reaktsioon jätkub muutumatu kiirusega. Vastavat ainekoguse massi nim kriitiliseks massiks. Pommi lõhkemiseks surutakse kaks poolkerakujulist ainekogust tavalise lõhkeaine plahvatuse abil kokku suuremaks kehaks, mille mass on ülekriitiline, selles on siis neutronite neeldmuse tingimused nii head, et paljunemistegur on üle ühe ning areneb kiirelt laienev ahelreaktsioon. Kuna loodusliku radioaktiivsuse tõttu leiduv aines alati mõni juhuslik neutron , siis tekib lahvatus praktiliselt momentaalselt. Tuumkütuseks tuumapommi tarvis kõlbab uraani isotoob U 92-235, mille kriitiline mass on kera kujulisena 50kg, kuid on 3-kordselt vähendatav, kui kasutada neutroneid peegeldavat ümbrist. Looduslikus uraanis on seda isotoopi ainult 0,72%, kujuures põhiosa sellest moodustab isotoop U 92-238. Tuumkütuse saamiseks tuleks seda rikastada, aga see on kulukas protsess ja sellepärast kasut moodsates tuumapommides lõhustuva materjalina plutooniumi.
(vana) Tuumareaktor -seade, milles kulgeb juhitav tuumade lõhestumisreaktsioon.Uraanituumad haaravad kõige efektiivsemalt aeglasi neutroneid.Aeglaste neutronite haaramine koos järgneva tuuma lõhustumisega on sadu kordi tõenäosem kui kiirete neutronite haaramine.Sellepärast kasutatakse looduslikul uraanil töötavates tuumareaktorites neutronite paljundusteguri tõstmiseks aeglusteid.Tuumareaktori põhielemendid on tuumkütus,neutronite aeglusti(raske või tavaline vesi, grafiit ), soojuskandja reaktori töötamisel tekkinud soojuse reaktorist väljaviimiseks(vesi,vedel Na) ja reaktsiooni kiiruse reguleerumisseade(reaktori töötsooni viidavad vardad, mis sisaldavad kaadmiumi või boori – aineid, mis neelavad hästi neutroneid)- Reaktor ümbritsetakse väljastpoolt kaitsekestaga,mis peab kinni gammakiirgust ja neutroneid.Kaitsekest tehakse raudbetoonist.Parimaks aeglustiks on raske vesi.Tavaline vesi haarab ise neutroneid ja muundub raskeks veeks.Heaks aeglustiks on ka grafiit, mille tuumad neutroneid ei neela.
(uus)Tuumareaktor-seade, milles kulgeb juhitav tuumade lõhestumise ahelreaktsioon. Tuumareaktori neotonite paljunemistegur võrdub ühega, st reaktrsiooni kiirus hoitakse konstandina. Kütuseks on kasutatav ka looduslik, rikastamata uraan, kui parandada temas neutronite neeldumist 235U poolt. Selleks tuleb vaid vähendada neutronide kasutut neeldumist põhimassist, so 238 U-st. Viimane neelab palju kiireid neutrone , kui aga neid aeglustada, siis nende kasutu neeldumine väheneb mitmekordselt. Aeglustajaks sobib graniit või deuteerium. Reaktorsiooni kiiruse reaguleerimiseks viiakse reaktorisse neutroneid neelavat ainet, nt kaadiumi . Kaadiumist juhtvarraste nihutamisega uraani ja aeglusti segus saab reaktorit käivita, hoida paraja võimsuse juures ja vajaduse seisata. Reaktoris on ka torustik, milles tsirkuleeriv vesi kannab tekkiva soojuse reaktorist välja, kus see kasutamist leiab. Reaktorit ümbritse paksuseinaline kiirgukaitse, nt 2 m betooni, sest neutronid on väga suure läbimisvõimega ja inimesele ohtlikud. Tuumareaktoreid rak. Energiaallikana elektrijaamades ja ka laevadel.
Kriitiline mass-Paljunemistegur k võib saada võrdseks ühega vaid sel tingimusel, kui reaktori mõõtmed ja vastavalt ka uraani mass on mingitest kriitilistest väärtustest suuremad.Kriitiliseks massiks nim lõhustuva aine vähimat massi, mille korral võib tekkida tuumade lõhustumise ahelreaktsioon.Reaktori väikeste mõõtmete korral on neutronite kadu läbi reaktori aktiivtsooni pinna suur. Sünteesireaktsioonid. Lõhustumine pole ainus mõeldav viis tuumaenergia vabastamiseks. Prootonid ja neutronid on kõige tugevamini üksteisega seotud keskmise suurusega tuumades. Neist raua tuumades on eriseoseenergia suurim. Seepärast saab energia vabaneda mitte ainult suurte tuumade lagunemisel keskmisteks, vaid ka kergete tuumade ühinemisel – samuti keskmisteks. Kõige soodsam oleks kasutada selleks muidugi kõige kergemat tuuma- vesinikku, sest sel puudub eelnev seoseenergia hoopis. Vesinikust raua tegemine ehk sünteesimine osutub aga maistes tingimustest ebareaalseks. Heeliumi tuuma osakestel on suhteliselt suur seoseenergia ja seepärast sobib 4 osakesest koosnev heeliumi tuum sünteesireaktsiooni lõppsaaduseks. Hariliku vesinikus pole heeliumi moodustamiseks hädavajalikku neutronit. Sellepärast ei saa seda isotoopi, mida kõik ookeanid täis on tuumkütuseks kasutada. Teisest küljest, kui see nii ei oleks, siis poleks universumi kujunemise kosmoloogilised protsessid meile sellisel hulgal vesinikku ka jätnud. Loodusliku vesiniku hulgas on 0,015 % nn rasket vesinikku ülaindeks 2 H ehk deuteeriumi, mille tuum koosneb ühest prootonist ja ühest neutronist. Kahe deuteeriumi tuuma ühendamisel saamegi ülaindeks 4 H tuuma. Selles reaktsioonis eraldub soojusena nii palju energiat, et kasutades mereveest eraldatud deuteeriumi tuumkütusena, saaksime ühest liitrist veest sada korda rohkem energiat kui ühe liitri petrooleumi põletamisest. Kahjuks pole inimkond jõudnud sünteesireaktsiooni rakendamiseni energeetikas. Raskus on selles, et tuumade liitmiseks on vaja tuumi üksteisele lähendada, kuni nad jõuavad lühikese mõjuraadiusega tuumajõudude haardeulatusse. See on aga raske, sest tuumad, olles ühenimeliselt laetud tõukuvad tugevasti. Meil tuleb ainet nii tugevasti kuumutada, et gaasi osakeste põrkumise energia suudaks selle tõukumisbarjääri ületada ja teostuks sünteesireaktsioon kõrge temperatuuri toimel ehk termotuumareaktsioon . Selleks on vaja u 100 miljoni kraadist temperatuuri. Hetkel võtab selline reaktsioon nii kõrgel temperatuuril rohkem energiat, kui toota suudab, kuid kindlasti leiab see tulevikus lahenduse. Termotuumareaktor on inimestele vajalik, sest kasutatavad energiaallikad on ennast ammendanud, aga deuteeriumi varud on maailmaookeanis ülisuured. Termotuumaenergia on saastevaba, st et õnnetus jõujaamas mingit saastet ei tekita ja pole muret radioaktiivsete jääkide eemaldamisega.
(vana)Sünteesireaktsioonid on kergete tuumade ühinemisreaktsioonid. Nende tekkimiseks on vaja kõrget temperatuuri(100milj °). Seda võib saavutada 1)ahelreakts.ga 2) võimsate laserkiirte kontsentreerimisega 3) tavalise lõhkeaine energia kontsentreerimine ühte punkti.Kergete tuumade hulgas on üks, milles on osakestel suhteliselt suur seoseenergia, on heelium 4/2 He.Kui raua tuumas on iga osake seotud energiaga 8,5MeV, siis 4He see on 7,07MeV, heeliumi isotoobil 3He aga ainult 2,6MeV.Seepärast sobib neljast osakesest koosnev heeliumi tuum, mida tunneme ka alfaosakesena, sünteesireaktsiooni lõppsaaduseks.Kahjuks pole harilikus vesinikus heeliumi tuuma moodustamiseks hädavajalikku neutronit.Seepärast ei saa seda isotoopi kasutada.Loodusliku vesiniku hulgas on 0,015% nn rasket vesinikku ehk deuteeriumi, mille tuum koosneb ühest prootonist ja ühest neutronist.Kahe deuteeriumi tuuma ühinemisel saamegi parajasti heeliumi 4He tuuma.Selles reaktsioonis eraldub soojusena nii palju energiat, et kasutades mereveest eraldatud deuteeriumi tuumkütusena, saaksime ühest liitrist veest sada korda rohkem energiat kui ühe liitri petrooliumi põletamisest.Kahjuks pole inimkond veel jõudnud sünteesireaktsioonide rakendamiseni energeetikas.Raskus on selles, et tuumade liitmiseks on vaja tuumi üksteisele lähendada, kuni nad jõuavad lühikese mõjuraadiusega tuumajõudude haardeulatusse.See on aga raske ülesanne, kuna tuumad, olles ühenimeliselt laetud, tõukuvad tugevasti.
Termotuumapomm- Tänaseks on termotuumareaktsioon teostatud mittejuhitavana ehk plahvatuslikuna.See toimub termotuumapommis e vesinikupommis.Vesinikupommi südamikus on tavaline lõhustumis-tuumapomm.Selle lõhkemisel tekib ülikõrge temp,mis käivitabki termotuumareaktsiooni .Esimese vesinikupommi juures kasutati sünteesireaktsiooni kütuseks veeldatud (alla keemistemp jahutatud)deuteeriumi.Tänapäevastes pommides on kütuseks liituim-deuteriid LiD(tahke aine, mida on lihtsam hoida ja transportida kui tavatingimustes gaasilist deuteeriumi).Termotuumkütust saab paigutada pommi kuitahes palju, suurendades sellega pommi võimsust. Termotuumapommi detonaatori lõhkemisel kutsub tekkinud soojus esile deuteeriumi muutumise heeliumiks , peale selle muudab neutronite vood ka liitiumi heeliumiks, mille juures vabaneb ka energiat.Tulemuseks on plahvatus, mis ületab näiteks sadu kordi tavalise tuumapommi võimsuse.
Termotuumareaktsioonid Päikesel ja teistel tähtedel-Kosmoses on termotuumareaktsiooni rahulik käivitamine tavaline nähtus. Kui Päike tekkis u 5 miljardit a tagasi hajusast kosmilisest ainest – supernoova plahvatuse jäägist, siis tema sisetemp tõusis gaaside gravitatsioonilise kokkusurumise tagajärjel. Kui temp tema keskmes tõusis küllalt kõrgeks, algasid termotuumareaktsioonid.Päike koosneb valdavalt vesinikus.Tema tsentris , kus temp on 10 milj kraadi ja tihedus on suure rõhu tõttu 150g/cm3, ühinevad vesiniku tuumad ehk prootonid heeliumi tuumadeks.Päike ei plahvata vesinikupommina, sest seal puudub deuteerium.Kerges vesinikus pole aga heeliumi tuuma 4He koostisesse kuuluvaid neutroneid. Viimased peavad tekkima prootoneist, kuid see protsess on raskendatud.Asi on selles, et neutron on raskem kui prooton .Seega on muutumiseks vaja nii energilist põrget prootoni ja elektroni vahel,et nende kineetiline energia korvaks vajaliku lisamassi vastavalt valemile E=mc². Sellised põrked on Päikese sees valitseva 10 milj kraadi juures üsna harvad .Prootoni ja elektroni ühinemine toimub vajaliku energia olemasolu korral väga väikese tõenäosusega.Põhjuseks on see, et elektronile tuumajõud ei toimi ja siin on tegev teistsugune nn nõrk vastastikmõju. Suuremates tähtedes ja tähtede arengu lõppstaadiumides toimub ka teistsuguseid tuumareaktsioone, selliseid, kus heeliumist tekib raskemaid tuumi kuni raua tuumadeni välja.Veel raskemad tuumad tekivad vaid supernoovade plahvatustel.
(vana)Tuumafüüsika rakendus -Kõige tuntum on kasuliku energia tootmine.Tuumkütuse kõrge energia tootmine. Tuumkütuse kõrge energiasisaldus on pannud kasutama tuumaenergiat peale elektrijaamade veel laevadel ja kosmoseaparaatides, kuid potentsiaalne avariiohtlikkus piirab selliseid rakendusi. Tuumareaktorite abil toodetavad erinevate keemiliste elementide radioaktiivsed isotoobid on leidnud kasutamist tehnikas, tootmises, meditsiinis ja teaduses .Tööstuses valgustatakse tooteid läbi gammakiirtega.Olles palju läbivamad kui röntgenkiired võimaldavad gammakiired avastada defekte üsna massiivsetes metalldetailides.
(uus) Tuumafüüsika rakendusi-energia tootmine ja selle kasutamine laveadel ja kosmoseaparaatides. Tuumareaktorite abil toodetud erivnevate keemiliste alementide radioaktiivsed isotoobid on leidnud kasutamist tehnikas,tootmises, meditsiinis ja teaduses. Alfa kiired võimaldavad defekte üsna massiivsetes metalldetailides. Detaili siseehitust või tahke aine struktuuri saab uurida ka neutronkiirtega. Keemiliste reaktsioonide uurimiseks kasutatakse. (märgitud aatomite liikumist saab jälgida)orgaaniliste päritoluga leidude vanuse määramiseks-radioaktiivse süsiniku meetodil. Kuna tuumaprotsessid on nii mitmekesised siis leiavad nad kasutamist väga paljudes tehnilistes seadmetes.