Magfizikai kísérletek és a chicagoi fél watt

Magfizikai kísérletek Magfizikai kísérletek és a chicagoi fél wattés a chicagoi fél watt

Középiskolai Fizikatanári AnkétKözépiskolai Fizikatanári AnkétBékéscsaba 2008. 03.26-30Békéscsaba 2008. 03.26-30

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Nukleáris Technika TanszékEgyetem, Nukleáris Technika Tanszék

11/19/19

Magfizikai kísérletek és aMagfizikai kísérletek és a chicagoi fél wattchicagoi fél watt

Dr. Sükösd CsabaDr. Sükösd Csabaegyetemi docens, tanszékvezetőegyetemi docens, tanszékvezető




22/19/19

1942. dec. 21942. dec. 2. . E. Fermi, Szilárd Leó, Wigner Jenő, A. Compton...E. Fermi, Szilárd Leó, Wigner Jenő, A. Compton...Az első önfenntartó nukleáris láncreakcióAz első önfenntartó nukleáris láncreakció




33/19/19

Néhány kísérlet, felfedezés a sok közül, amely ezt lehetővé Néhány kísérlet, felfedezés a sok közül, amely ezt lehetővé tettetette

1.1. A neutron felfedezése (1932 Chadwick)A neutron felfedezése (1932 Chadwick)2.2. Fermi kísérletei – lassú/gyors neutronok hatásaFermi kísérletei – lassú/gyors neutronok hatása3.3. „„Többlet neutronok” (1939 Szilárd Leó, W. Zinn)Többlet neutronok” (1939 Szilárd Leó, W. Zinn)4.4. „„Késő neutronok” (1939 R.B. Roberts, R.C. Meyer, Késő neutronok” (1939 R.B. Roberts, R.C. Meyer,

and P. Wang)and P. Wang)5.5. A chicagoi fél watt (1942), „kritikussági kísérlet”A chicagoi fél watt (1942), „kritikussági kísérlet”




44/19/19

1) A neutron felfedezése1) A neutron felfedezése (1932) (vázlatosan)(1932) (vázlatosan)Ismert volt: Ismert volt: természetes radioaktivitás, természetes radioaktivitás, - - - - --sugárzások, és áthatolóképességüksugárzások, és áthatolóképességük

Rutherford óta: fő kísérleti„eszköz” az Rutherford óta: fő kísérleti„eszköz” az -sugárzás-sugárzás

F. Joliot-Curie, és I. CurieF. Joliot-Curie, és I. Curie (1932): (1932): -sugárzás Be-ból nagy áthatolóképességű -sugárzás Be-ból nagy áthatolóképességű sugárzást vált ki: sugárzást vált ki: -sugárzás? -sugárzás?

Rejtélyes, mertRejtélyes, mert• Pb nem gyengíti eléggé (nagy energiája lenne? ~50 MeV?)Pb nem gyengíti eléggé (nagy energiája lenne? ~50 MeV?)• Paraffin jól gyengíti (ha Paraffin jól gyengíti (ha -sugárzás lenne, nem kellene) -sugárzás lenne, nem kellene) • Paraffinból nagy energiájú protonokat lök ki. (Compton??)Paraffinból nagy energiájú protonokat lök ki. (Compton??)

Pl. RaPl. Ra




55/19/19

Ködkamrában mért meglökődésekből a (feltételezett) Ködkamrában mért meglökődésekből a (feltételezett) -sugárzás -sugárzás energiája meghatározható (Compton-szóráshoz hasonló)energiája meghatározható (Compton-szóráshoz hasonló)

Klasszikus fizika: ütközések, energia- és lendületmegmaradás. Klasszikus fizika: ütközések, energia- és lendületmegmaradás.

-fotonra: (lineáris összefüggés)-fotonra: (lineáris összefüggés)

További rejtély: Mindig más energia jött ki, További rejtély: Mindig más energia jött ki, attól függően, hogy milyen gáz volt a attól függően, hogy milyen gáz volt a ködkamrában!ködkamrában!James Chadwick James Chadwick megoldása: megoldása: NEM NEM -foton, hanem -foton, hanem MM > 0 nyugalmi tömegű, > 0 nyugalmi tömegű, semleges részecske: semleges részecske: NEUTRONNEUTRON. .

Erre: (négyzetes). Erre: (négyzetes). MpE

2

2

cpE

Két mérésből Két mérésből EE és és MM meghatározható meghatározható

meglökődöttmeglökődöttatommag nyomaatommag nyoma

Láthatatlan nyomokLáthatatlan nyomok




66/19/19

1932 után a neutron a kísérletek fő „eszköze” lett, mivel 1932 után a neutron a kísérletek fő „eszköze” lett, mivel nem taszítják el az atommagoknem taszítják el az atommagok(Pl. F. Joliot-Curie és I. Curie(Pl. F. Joliot-Curie és I. Curie: első mesterséges radioaktivitás): első mesterséges radioaktivitás)

Ismert volt, hogy Ismert volt, hogy -bomláskor: -bomláskor: ~1 eYX AZ

AZ

„„Neutronfelesleggel” rendelkező atommagok teszik! Neutronfelesleggel” rendelkező atommagok teszik!

Enrico FermiEnrico Fermi ötlete: az urán a legnagyobb rendszámú ötlete: az urán a legnagyobb rendszámú Vigyünk be neutront n-felesleg lesz Vigyünk be neutront n-felesleg lesz -bomlás-bomlás

ZZ = 93 rendszámút is előállíthatunk mesterségesen!! = 93 rendszámút is előállíthatunk mesterségesen!! Honnan tudjuk, hogy előállítottuk? A radioaktivitásából.Honnan tudjuk, hogy előállítottuk? A radioaktivitásából.

2. 2. Fermi kísérletei – lassú/gyors neutronok hatása (1934)Fermi kísérletei – lassú/gyors neutronok hatása (1934)




77/19/19

E. FermiE. Fermi kísérlete: kísérlete:

vRt 2~

Eredmény:Eredmény:VAN radioaktivitás VAN radioaktivitás

Probléma: „diákoknak jobban sikerül”!?Probléma: „diákoknak jobban sikerül”!?Megoldás: különböző energiájú neutronok másképp viselkednek. Megoldás: különböző energiájú neutronok másképp viselkednek.

• Lassú neutronok Lassú neutronok elnyeléseelnyelése:: kadmiummal vagy bórralkadmiummal vagy bórral

(hosszabb ideig van közel a maghoz,(hosszabb ideig van közel a maghoz, több idő van a kölcsönhatásra)több idő van a kölcsönhatásra)

• n-n-lassításlassítás: könnyű atommagokkal való ütközéssel (moderátor): könnyű atommagokkal való ütközéssel (moderátor)

NEUTRONLASSÍTÁS! NEUTRONLASSÍTÁS! Lassú neutronok „hatékonyabbak” !Lassú neutronok „hatékonyabbak” !




88/19/19

1938-1939. 1938-1939. Maghasadás felfedezéseMaghasadás felfedezése (itt nem tárgyaljuk) (itt nem tárgyaljuk)(Otto Hahn, Friedrich Strassman, Lise Meitner, (Otto Hahn, Friedrich Strassman, Lise Meitner, BerlinBerlin) )

Kémiai Nobel-díj 1944Kémiai Nobel-díj 1944Megjegyzés: már 1934-ben Ida Noddack asszony (Németország) Megjegyzés: már 1934-ben Ida Noddack asszony (Németország) felvetette, Fermi kísérleteinek értelmezésére!!felvetette, Fermi kísérleteinek értelmezésére!!




99/19/19

Ez teremti meg a Ez teremti meg a neutronos láncreak-neutronos láncreak-ció lehetőségét ! ció lehetőségét !

3. „3. „Többlet neutronokTöbblet neutronok” (1939 Leo Szilárd, Walter Zinn)” (1939 Leo Szilárd, Walter Zinn)

Physical Review (1939) 799. oldalPhysical Review (1939) 799. oldal

””Azt várjuk, hogy ezek Azt várjuk, hogy ezek a gerjesztett töredék- a gerjesztett töredék- magok azonnal kibo-magok azonnal kibo-csátanak neutrono-csátanak neutrono-kat, és talán a hasa-kat, és talán a hasa-dásonként kibocsátott dásonként kibocsátott neutronok száma neutronok száma egynél nagyobb...”egynél nagyobb...”




1010/19/19

A Cd-borítású He-ionizációs kamra csak A Cd-borítású He-ionizációs kamra csak gyorsneutronokat detektálgyorsneutronokat detektál

rádiumrádium

berilliumberillium

paraffinparaffin

ólomólom

uránoxiduránoxid

Cd-árnyékolás (levehető)Cd-árnyékolás (levehető)

A Szilárd – Zinn kísérlet felépítéseA Szilárd – Zinn kísérlet felépítése

CdCd




1111/19/19

A mérés ötlete: A mérés ötlete: Összehasonlítjuk a detektált neutronok számát, amikor az uránt Összehasonlítjuk a detektált neutronok számát, amikor az uránt

gyors (Cd-árnyékolás), ill. lassú neutronok (Cd-nélkül) érik. gyors (Cd-árnyékolás), ill. lassú neutronok (Cd-nélkül) érik.

Eredmény: lassú neutronokkal: ~ 50 beütés/percEredmény: lassú neutronokkal: ~ 50 beütés/perc gyors neutronokkal: ~ 5 beütés/perc.gyors neutronokkal: ~ 5 beütés/perc.

(Kontroll kísérlet: urán helyett ólom. Nincs effektus)(Kontroll kísérlet: urán helyett ólom. Nincs effektus)

De ez még csak azt bizonyítja, hogy az urán De ez még csak azt bizonyítja, hogy az urán hasadása során hasadása során keletkeznekkeletkeznek gyors neutronok !! gyors neutronok !!




1212/19/19

A neutronok A neutronok számánakszámának a megállapítá- a megállapítá-sához uránoxiddal bevont ionizációs sához uránoxiddal bevont ionizációs kamrát tettek ki lassú neutronoknak.kamrát tettek ki lassú neutronoknak.A hasadásokat detektálták. A hasadásokat detektálták.

hasadás

neutron

NN

A számítás menete: A számítás menete: - Hasadások száma/perc az urán Hasadások száma/perc az urán bevonatban (a hasadványok bevonatban (a hasadványok

szabad úthossza alapján) szabad úthossza alapján) - Ebből a 2,3 kg uránoxidban: Ebből a 2,3 kg uránoxidban: NNhasadáshasadás

- Ismert volt a He n-szórási hatáskeresztmetszeteIsmert volt a He n-szórási hatáskeresztmetszete- Ebből (geometriai korrekciókkal): Ebből (geometriai korrekciókkal): NNneutronneutron

EREDMÉNYEREDMÉNY: : 2 „„Megtaláltuk a neutronokat”Megtaláltuk a neutronokat” ((Szilárd LeóSzilárd Leó))(Mai, pontosabb érték: 2,4)(Mai, pontosabb érték: 2,4)




1313/19/19

4. 4. Késő neutronok kimutatásaKéső neutronok kimutatása (1939 R.B. Roberts, R.C. Meyer, and P. Wang, USA)(1939 R.B. Roberts, R.C. Meyer, and P. Wang, USA)

• A bór-bevonatú ionizációs A bór-bevonatú ionizációs kamra: neutron-detektorkamra: neutron-detektor• Gyorsító, lítium céltárggyal:Gyorsító, lítium céltárggyal: kikapcsolhatókikapcsolható neutronforrás neutronforrás

Eredmény: Eredmény: • Urán nélkül: a gyorsító kikapcsolása után nincs neutron Urán nélkül: a gyorsító kikapcsolása után nincs neutron • Ha van urán, akkor a gyorsító kikapcsolása után is vannak Ha van urán, akkor a gyorsító kikapcsolása után is vannak

neutronok neutronok TT~ 12 s felezési idővel~ 12 s felezési idővel!!

UU




1414/19/19

5. 5. A chicagoi fél wattA chicagoi fél watt Láncreakció neutronokkalLáncreakció neutronokkal

i

ieff N

Nk 1

11

effi

ii kNNN

NN

a két neutron-generáció között eltelt idő:a két neutron-generáció között eltelt idő: t

Ezzel kapjuk:Ezzel kapjuk: Nk

tN eff

1

Az időbeli viselkedés tehát:Az időbeli viselkedés tehát: t

keff

eNtN

1

0

(effektív sokszorozási(effektív sokszorozási tényező)tényező)




1515/19/19

kkeff eff = 1= 1 esetén esetén NN((tt) = ) = NN00= = konstans (kritikus),konstans (kritikus),kkeff eff > 1> 1 esetén esetén NN((tt) ) exponenciálisan nő (szuperkritikus),exponenciálisan nő (szuperkritikus),kkeff eff < 1< 1 esetén esetén NN((tt) ) exponenciálisan csökken (szubkritikus).exponenciálisan csökken (szubkritikus).A változás gyorsaságát a kifejezés adja megA változás gyorsaságát a kifejezés adja meg

1effk

Prompt neutronoknálPrompt neutronoknála generációs időa generációs idő

Tegyük fel, hogy Tegyük fel, hogy kkeff eff =1,001=1,001A neutronszám (és a reaktor teljesít-A neutronszám (és a reaktor teljesít-ményének) változása 1 s alatt:ményének) változása 1 s alatt:

0

100

10001,0

1001,1

0

22026

1

NeN

eNN

Nem szabályozhatóNem szabályozható! (prompt-kritikus! (prompt-kritikus))

Példa:Példa:

s 10~ 4




1616/19/19

A késő neutronokra azonbanA késő neutronokra azonban s 12~ (Roberts és társai)(Roberts és társai)Sajnos csak kevés késő neutron van! A részarányukSajnos csak kevés késő neutron van! A részarányuk ~0,64% ~0,64%

Úgy kell megépíteni, hogy a késő neutronok nélkül Úgy kell megépíteni, hogy a késő neutronok nélkül kkeffeff<1<1 legyen, legyen,de a késő neutronokkal együtt de a késő neutronokkal együtt kkeffeff>1>1 lehessen (elindításkor) lehessen (elindításkor)Azaz Azaz kkeffeff < 1,0064 < 1,0064 kell maradjon mindig! kell maradjon mindig! kkeffeff változtatási lehetőségei: változtatási lehetőségei:

• Kiszökés arányának csökkentéseKiszökés arányának csökkentése(nagyobb rendszer)(nagyobb rendszer)

• Elnyelődés szabályozása (szabályozó Elnyelődés szabályozása (szabályozó elemek n-elnyelő anyagokbólelemek n-elnyelő anyagokból

• Hasadás valószínűségének növeléseHasadás valószínűségének növelése(neutronok lelassítása: grafit, D(neutronok lelassítása: grafit, D22O)O)

MEGÉPÍTENÉD? MEGÉPÍTENÉD? Honnan tudjuk, hogy mekkora a Honnan tudjuk, hogy mekkora a kkeffeff ? ?




1717/19/19

Ötlet: tegyünk oda egy neutronforrást!Ötlet: tegyünk oda egy neutronforrást!

i

ieff N

Nk 1 SNkN ieffi 1

N

kSdtdN eff

1

Ekkor: Ekkor:

Új generáció =Új generáció = Sokszorozás + forrásSokszorozás + forrás

Azonos átalakításokkal kapjuk (mint korábban):Azonos átalakításokkal kapjuk (mint korábban):Ennek a megoldása:Ennek a megoldása:

t

k

eff

eff

ekStN

1

11

effegy k

SN

1kkeffeff mérhető! mérhető!

(forrás nélkül)(forrás nélkül)

((kkeffeff < 1) < 1)




1818/19/19

effegy k

SN

1 S

kN

eff

egy

11Ebből kapjuk:Ebből kapjuk:

Ábrázolva: Ábrázolva:

Pl.Pl. x x a szabályozó rúd állása a szabályozó rúd állása

1942. dec. 2. Chicago1942. dec. 2. Chicago„„Az olasz kormányos Az olasz kormányos sikeresen megérkezettsikeresen megérkezett

az Új Világba. az Új Világba. A bennszülöttek A bennszülöttek barátságosak”barátságosak”

xfkeff




1919/19/19

Összefoglalás:Összefoglalás: • Neutron felfedezése (J. Chadwick)Neutron felfedezése (J. Chadwick)• Neutronlassítás (E. Fermi)Neutronlassítás (E. Fermi)• Többlet-neutronok (Szilárd-Zinn)Többlet-neutronok (Szilárd-Zinn)• Késő neutronok (Roberts és tsai)Késő neutronok (Roberts és tsai)• Kritikussági kísérlet (Fermi-Szilárd, Chicago)Kritikussági kísérlet (Fermi-Szilárd, Chicago)

Köszönöm megtisztelő figyelmüket!Köszönöm megtisztelő figyelmüket!

Documents

Magfizikai kísérletek és a chicagoi fél watt