Atomerőművek
1992 III.6
Atomerőművek balesetei
1999 IX.17
1934-ben,
Fermi egyik segédje (Pontecorvo) felfigyel a radioaktivitás
növekedésére az ólom doboz oldala közelében.Az addig ismert
uránérc hasadas nem adot magyarázatott a jelenségre.
MSb + MNb ≠ MU Stibium és Nobium
A
kísérlet rutinmunka volt, amely abból állt, hogy megkellett
mérjék bizonyos ezüsthengerek radioaktivitását, persze azután,
hogy belsejükbe egy darabka urán ércet helyeztek. Az így
elkészített hengerecskék egy ólomdobozba voltak helyezve, azért,
hogy csökkentsék amennyire lehet a kísérletezők által elnyelt
sugárzást. Pontecorvo viszont most felfigyelt arra, hogy az ezüst
hengerecskék radioaktivitása változik, attól függően, hogy hol
vannak elhelyezve – az ólom doboz közepén, vagy szélén. Miután
szólt Ferminek, az elrendeli, hogy vegyék ki az ólomdobozból az
ezüst hengerecskéket és úgy is mérjék meg a radioaktivitásukat.
Meglepetten tapasztalják, hogy a hengerek radioaktivitása sokkal
kisebb mint az ólom dobozba volt. Nekifognak hát, hogy mindenféle
anyagokból készült dobozokba helyezzék az ezüst hengereket,
belsejükben persze az urán érccel. 1943 október 22-en egy ilyen
henger egy parafin darabba vájt üregbe került. Amikor a Geiger
számlálót hozzá közelítették, mindenki meglepetten
felkiáltott. A parafin több mint százszor növelte az ezüst
radioaktivitását ! Fermi még aznap ebéd közben megoldja a
rejtélyt. Az uránércből kibocsátott neutronok nekiütköznek az
anyagok atommagjainak. Ha az anyag súlyos, tehát nagy tömegű az
atommag, akkor a neutronok úgy visszapattannak róla mint a
teniszlabda a falról, ha viszont az anyag könnyű, tehát az
atommag tömege kicsi, hasonló a neutron tömegével, akkor olyan
mintha két ping-pong labda összeütközne. A mozgó labda mozgásba
hozza a másikat, átadja neki egy részét a mozgási energiájának,
így ő maga lelassul. Ezek a lassított neutronok. A parafin nagyon
könnyű anyag, de a legkönnyebb a hidrogén, ez pedig bőven van a
Földön egy ismert vegyületben : H2O. Fermi
laboratóriuma mögött volt egy szökőkút, aranyhalakkal. A
társaság kivonult ide és a vízbe rakták az ezüsthengereket, a
közepükbe a neutron forrással. A Geiger számláló bebizonyította
a feltételezést. A víz nagyon megnövelte az ezüst hengerek
radioaktivitását. Egyszóval a lassú neutronoknak több esélyük
van arra, hogy nekiütközzenek az ezüst atommagnak, mind a
gyorsaknak.)Igy fedeyték fel a lassított neutronokat.
1942 novemberében, a Chicago-i Egyetem stadionjának lenézői alatt, Fermi megépíti a világ első atomerőművét : 400 tonna grafit, 6 tonna fém uránium (50 tonna urániumoxid energia termelésé 2 KW), levegő hűtéses.(Jó tudni, hogy a kritikus tömeg előállítása függ az üzemanyag tartalmától és formájától. Tiszta U235 : 8,7 cm gömb – 52 Kg.Egy erőműben ahol U235 - 3%, a szükséges tömeg ~ 100 tonna.A természetes uránium két izotópból áll : 99%-ban U238 és csak 1%-ban U235.)
Az atomerőművek építésében két stratégia létezik : i)természetes uránércet felhasználó és
ii)dúsított urán érccel működök
1942 novemberében, a Chicago-i Egyetem stadionjának lenézői alatt, Fermi megépíti a világ első atomerőművét : 400 tonna grafit, 6 tonna fém uránium (50 tonna urániumoxid energia termelésé 2 KW), levegő hűtéses.(Jó tudni, hogy a kritikus tömeg előállítása függ az üzemanyag tartalmától és formájától. Tiszta U235 : 8,7 cm gömb – 52 Kg.Egy erőműben ahol U235 - 3%, a szükséges tömeg ~ 100 tonna.A természetes uránium két izotópból áll : 99%-ban U238 és csak 1%-ban U235.)
Az atomerőművek építésében két stratégia létezik : i)természetes uránércet felhasználó és
ii)dúsított urán érccel működök
i) CANDU (Canadian
Deuterium Uranium)(A
világban működő erőművek 5%-a ilyen.)
A
CANDU természetes uránércet használ.
Felépítése egyszerű : a reaktorban van elhelyezve az uránérc. A neutronok fékezését nehéz vízzel oldják meg, amit arra is használnak, hogy a keletkezet hőt egy primer vízkör segítségével egy hőcserélőbe szállítsák. A szekunder vízkör vize itt alakul gőzzé ami hajtja az áramfejlesztő generátort, majd lecsapódva visszakerül a hőcserélőbe.
Egy atomerőműben féken kell tartani a láncreakciót. Miután összehozták a kritikus tömeget, ügyelni kell arra, hogy a keletkező neutronok egy részét eltávolítsák, azért, hogy ne történjen robbanás. Ezt úgy oldják meg, hogy a reaktorba olyan anyagokat helyeznek amelyek elnyelik a neutronokat. Ilyen anyagok például a grafit, bór, cadmium, stb., amelyeket általában rudak formájában használják.
A gyors neutronokat le kell fékezni ahhoz, hogy megnöveljük a neutronok összeütközésének valószínűségét a radioaktív anyaggal. Ilyen fékező anyag, mint láttuk a víz, de még jobb a nehéz víz, amiben a hidrogén egyik izotópja, a deutérium van többletben, vagy a grafit.
Minden egyes neutron értékes a reaktorban ezért azokat a neutronokat melyek el akarják hagyni az aktív zónát egy neutron tükröző anyaggal vissza verik, a sugárzás elnyeléséért az egészet egy masszív nehézbetonból készült tömbbe zárják. Az ólom jobb lenne, de puha anyag nem állna szembe az esetleges robbanásokkal..
A maghasadás által termelt hő elvezetésére és árramá való átalakítására épül a hűtési berendezés.
Felépítése egyszerű : a reaktorban van elhelyezve az uránérc. A neutronok fékezését nehéz vízzel oldják meg, amit arra is használnak, hogy a keletkezet hőt egy primer vízkör segítségével egy hőcserélőbe szállítsák. A szekunder vízkör vize itt alakul gőzzé ami hajtja az áramfejlesztő generátort, majd lecsapódva visszakerül a hőcserélőbe.
Egy atomerőműben féken kell tartani a láncreakciót. Miután összehozták a kritikus tömeget, ügyelni kell arra, hogy a keletkező neutronok egy részét eltávolítsák, azért, hogy ne történjen robbanás. Ezt úgy oldják meg, hogy a reaktorba olyan anyagokat helyeznek amelyek elnyelik a neutronokat. Ilyen anyagok például a grafit, bór, cadmium, stb., amelyeket általában rudak formájában használják.
A gyors neutronokat le kell fékezni ahhoz, hogy megnöveljük a neutronok összeütközésének valószínűségét a radioaktív anyaggal. Ilyen fékező anyag, mint láttuk a víz, de még jobb a nehéz víz, amiben a hidrogén egyik izotópja, a deutérium van többletben, vagy a grafit.
Minden egyes neutron értékes a reaktorban ezért azokat a neutronokat melyek el akarják hagyni az aktív zónát egy neutron tükröző anyaggal vissza verik, a sugárzás elnyeléséért az egészet egy masszív nehézbetonból készült tömbbe zárják. Az ólom jobb lenne, de puha anyag nem állna szembe az esetleges robbanásokkal..
A maghasadás által termelt hő elvezetésére és árramá való átalakítására épül a hűtési berendezés.
ii)Ismertebb
típusú dúsított
urán érccel működő atomerőművek
:
PWR (Presurized
water reactor)
A PWR-ék
magas nyomású reaktorok (140 – 175 atmoszféra),ahatásfokuk 32-33%
, a világ reaktorai közül 50%-a ilyen.
A PWR reaktorok gazdagított uránércet használnak, neutron fékező anyagnak a sima vizet használják. Hogy kiküszöböljék a víz fövését, a primer kör magas nyomás alatt van (140-175 atmoszféra). Ahhoz, hogy a nyomás állandó maradjon, egy nyomás szabályzóval látták el a primer vízkört. Ez a nyomás szabályzó egy különlegesen megépítet tartály, melyik a felső felében egy víz permetező rendszerrel van ellátva, az alsó felében pedig egy melegítővel. A nyomás ingadozást a tartály felsőfelében levő gőzpárna veszi át. Ugyan itt vannak elhelyezve a biztonsági szelepek, melyek akkor nyílnak ha a gőz nyomása túlhalad bizonyos biztonsági határt.
A PWR reaktorok gazdagított uránércet használnak, neutron fékező anyagnak a sima vizet használják. Hogy kiküszöböljék a víz fövését, a primer kör magas nyomás alatt van (140-175 atmoszféra). Ahhoz, hogy a nyomás állandó maradjon, egy nyomás szabályzóval látták el a primer vízkört. Ez a nyomás szabályzó egy különlegesen megépítet tartály, melyik a felső felében egy víz permetező rendszerrel van ellátva, az alsó felében pedig egy melegítővel. A nyomás ingadozást a tartály felsőfelében levő gőzpárna veszi át. Ugyan itt vannak elhelyezve a biztonsági szelepek, melyek akkor nyílnak ha a gőz nyomása túlhalad bizonyos biztonsági határt.
BWR (Boiler
Water Reactor )
A
forrásban (boiler) levő hűtövízű reaktor.(285oC –
70 atmoszférán)
hatásfoka 33-34 % , a világ reaktorainak 27% ilyen.
hatásfoka 33-34 % , a világ reaktorainak 27% ilyen.
Gyors
neutronos reaktorok
Az 20 %-ik dúsított üzemanyag, oxidok (kerámia) formájában van jelen, nem fém formában, mert nagyok a hőmérsékletek és az uránium olvadási pontja 11300C, a Plutóniumé pedig 6400C.
A vizet használják mint lassító a folyékony nitrogént pedig mint hűtő anyag.Házi feladat : Józsinak van 4 Pu-239-el megrakott teherautója. Elhasznál 4-et áramfejlesztésre, egy év alatt. Kérdés : hány teherautó plutóniuma marad Józsinak ?
Válasz : 5 !!!!
A természetes U-238 –as bombázása neutronokkal, egy másik nagyon jó hasadó anyagot eredményez, a plutóniumot (Pu-239). Ha tehát az aktív zónában több neutron termelődik mind amennyi elhasználódik akkor egy újrafejlesztő reaktorral van dolgunk, mert energia mellett még hasadó anyagot is termel (Pu-239), amit szintén fel lehet használni üzemanyagként.
Az 20 %-ik dúsított üzemanyag, oxidok (kerámia) formájában van jelen, nem fém formában, mert nagyok a hőmérsékletek és az uránium olvadási pontja 11300C, a Plutóniumé pedig 6400C.
A vizet használják mint lassító a folyékony nitrogént pedig mint hűtő anyag.Házi feladat : Józsinak van 4 Pu-239-el megrakott teherautója. Elhasznál 4-et áramfejlesztésre, egy év alatt. Kérdés : hány teherautó plutóniuma marad Józsinak ?
Válasz : 5 !!!!
A természetes U-238 –as bombázása neutronokkal, egy másik nagyon jó hasadó anyagot eredményez, a plutóniumot (Pu-239). Ha tehát az aktív zónában több neutron termelődik mind amennyi elhasználódik akkor egy újrafejlesztő reaktorral van dolgunk, mert energia mellett még hasadó anyagot is termel (Pu-239), amit szintén fel lehet használni üzemanyagként.
Jelenleg
a szakemberek huzakodnak ilyen reaktorok üzemeltetésétől. Bár
gazdaságos az általuk termelt plutóniumból könnyen készülhet
atombomba, míg a gazdagított uránérc, amit a másik típusú
erőművekben használnak (egészen 10%-ik gazdagítva), nem
alkalmasak bomba gyártására.
Balesetek
1989
április 7 – Sea
Wolf atomtengeralatjáró (Szovjetunió),
Északi tengeren balesetett szenvedett. A tengeralatjaró 120m
hosszú, 12 m. széles és 6 darab 533 mm-es meg 2 darab 650 mm-es
torpedóindító csővel rendelkezik. Emellett vannak még rakétái,
robotrepülőgépei, stb. 500 millió $-ba került.A reaktor
folyákony nitrogénes hüttő csőve megsérült.Folyékony nitrogén
+ O2 =
tűz, mig folyékony nitrogén + H2O
= durrangáz (H2 +O).
A legénység 79 tagjából 42-en meghaltak.
A legénység 79 tagjából 42-en meghaltak.
1957
október 7 - Windscale,
Anglia.
Az elsõ windscale-i reaktorok grafitmoderálású, levegõ hûtésû, plutoniumtermelõ reaktorok voltak. A 2-300 Celsius-fok hõmérsékletû grafitmoderátorban az alábbi folyamat játszódik le üzem közben: a neutronok a lassulás során a grafitot alkotó szénatomok magjainak ütköznek. Bizonyos valószínûséggel a szénatomokat ki is mozdíthatják a rácsban elfoglalt helyükrõl. A rácshelybõl elmozdított atom ekkor magasabb energiaszintre kerül, ily módon a grafit energiát tárol. Amennyiben azt az "energiával megszívódott" grafitot felmelegítjük, a hõmozgás következtében az atomok visszaugrálnak az eredeti, alacsonyabb energiájú helyeikre, az energiakülönbség pedig hõ formájában jelenik meg, tovább melegítve a grafitot. Ez az öngerjesztõ folyamat akár a grafit meggyulladásához is vezethet. A folyamatot felfedezõjérõl Wigner-effektusnak, vagy wigneritisznek nevezzük. A wigneritisz lehetõségére Wigner Jenõ már a hanfordi plutóniumtermelõ reaktorok tervezésekor rámutatott és meg is találta annak ellenszerét: mielõtt még a grafit "túlszívná" magát, rendszeresen fel kell melegíteni, hogy a benne tárolt hõ felszabaduljon. Ezzel a windscale-i erõmûben is tisztában voltak, azonban 1957-ben túl késõn és kellõ körültekintés nélkül hajtották végre a felmelegítést. Fellépett a Wigner-effektus, a reaktor túlforrósodott, végül a grafit meggyulladt. A reaktort elárasztották szén-dioxiddal, de ez nem bizonyult elégségesnek. Végül a vízzel történõ oltás mellett döntöttek. A 125 méter magas reaktorkéménybe épített szûrõk a reaktorból felszabaduló radioaktivitás zömét visszatartották, így komoly környezeti kárt, illetve emberáldozatot az eset nem követelt. A reaktor környezetében egy 500 km2-es területen a tejet emberi fogyasztásra alkalmatlannak minosítették és elkobozták, mivel benne a 131I izotóp koncentrációja meghaladta a megengedett értéket. A reaktor személyzetének egy tagja 46 mSv dózist kapott, ami az éves természetes háttérsugárzás 20-szorosa. Egyébként a lakosság sugárterhelése - a hatósági intézkedések következtében - a megengedett érték alatt maradt.
Az elsõ windscale-i reaktorok grafitmoderálású, levegõ hûtésû, plutoniumtermelõ reaktorok voltak. A 2-300 Celsius-fok hõmérsékletû grafitmoderátorban az alábbi folyamat játszódik le üzem közben: a neutronok a lassulás során a grafitot alkotó szénatomok magjainak ütköznek. Bizonyos valószínûséggel a szénatomokat ki is mozdíthatják a rácsban elfoglalt helyükrõl. A rácshelybõl elmozdított atom ekkor magasabb energiaszintre kerül, ily módon a grafit energiát tárol. Amennyiben azt az "energiával megszívódott" grafitot felmelegítjük, a hõmozgás következtében az atomok visszaugrálnak az eredeti, alacsonyabb energiájú helyeikre, az energiakülönbség pedig hõ formájában jelenik meg, tovább melegítve a grafitot. Ez az öngerjesztõ folyamat akár a grafit meggyulladásához is vezethet. A folyamatot felfedezõjérõl Wigner-effektusnak, vagy wigneritisznek nevezzük. A wigneritisz lehetõségére Wigner Jenõ már a hanfordi plutóniumtermelõ reaktorok tervezésekor rámutatott és meg is találta annak ellenszerét: mielõtt még a grafit "túlszívná" magát, rendszeresen fel kell melegíteni, hogy a benne tárolt hõ felszabaduljon. Ezzel a windscale-i erõmûben is tisztában voltak, azonban 1957-ben túl késõn és kellõ körültekintés nélkül hajtották végre a felmelegítést. Fellépett a Wigner-effektus, a reaktor túlforrósodott, végül a grafit meggyulladt. A reaktort elárasztották szén-dioxiddal, de ez nem bizonyult elégségesnek. Végül a vízzel történõ oltás mellett döntöttek. A 125 méter magas reaktorkéménybe épített szûrõk a reaktorból felszabaduló radioaktivitás zömét visszatartották, így komoly környezeti kárt, illetve emberáldozatot az eset nem követelt. A reaktor környezetében egy 500 km2-es területen a tejet emberi fogyasztásra alkalmatlannak minosítették és elkobozták, mivel benne a 131I izotóp koncentrációja meghaladta a megengedett értéket. A reaktor személyzetének egy tagja 46 mSv dózist kapott, ami az éves természetes háttérsugárzás 20-szorosa. Egyébként a lakosság sugárterhelése - a hatósági intézkedések következtében - a megengedett érték alatt maradt.
1979
március 28 – Three Mile Island (TMI), 2-es egység
1979
március 28-an az erőmű normálisan működött 900 MW energiát
termelve. A baj ott kezdődött, hogy valami hiba jelent meg
az 5 -ös
ásványtalanítónál. A vizet ásványtalanítani kell, mert
máskepp vízkő rakodik le a vezetékek falára, ami egyrészt
elzárja a víz utját másrészt hőszigetelő és így gátolja a
hőcserét a reaktor és a primer vízkör, valamit a primer és a
szekunder vízkör között. A hiba következtében, 4 óra 36
perckor, a 9 -es
pumpa leállt és így a turbina leállt. Ugyanekkor automatikusan
beindult a 8 -as
segéd pumpa de …
Pontosan két nappal azelőtt, egy rutin karbantartási munkálat után, a 6 -os szelep zárva maradt, holott nyitva kellett volna lennie ! A vezérteremben viszont erről nem tudtak semmit ! Tény, hogy 1 másodpercen belül leáll a 8 -as segéd pumpa, mivel a szelep zárva volt, így a gőz fejlesztő hűtővíz nélkül maradva nem tudja teljesíteni hőcserélő szerepét. Ennek következtében az aktív zónában termelt hő elkezd felhalmozódni a primer vízkörben, hőemelkedés amely gőz képzésére vezetett, és mivel hogy a gőz sokkal nagyobb helyet foglal mind ugyanaz a mennyiségű víz folyékony állapotban, a nyomás rohamosan növekedett Ennek következtében a 10 -es elektromágneses szelep kinyílt, ugyanakkor automatikusan beindulva az aktív zóna hőfejlesztés leállítása (vagyis a fékező rudak behatolnak az aktív zónába és elnyelik a neutronokat, tehát megáll a maghasadás). Ez automatikusan történt, de továbbra is kell biztosítani a kellő hűtést. A baj viszont nem szokott egyedül járni. Eképpen a 10 -es szelep ahelyett, hogy visszazáródott volna miután a nyomás normális lett a primer vízkörben, úgy maradt nyitott állapotba ! Ennek következtében a hűtővíz nagy mennyiségben távozott rajta keresztül, anélkül hogy erről tudtak volna a vezérteremben.!
Csak 142 perc után jöttek rá, hogy mi történt és zárták el az 1 -es csapot, de már túl késő volt. A TMI erőműnek két pót hűtő berendezése van baleset esetére – egy magas nyomású – mely a 3 -as víztartályból és a 11 -es pumpákból áll, valamint - egy alacsony nyomású – rendszer mely a 2 -es víztartályból tevődik mely elönti baleset esetén az aktív zónát.
A nagymennyiségű gőzveszteség a 10 -es szelepen át, a primer vízkörben nyomás csökkenést eredményezett, aminek következtébe beindult automatikusan a magas nyomású baleseti hűtő berendezés. A vezérterembe viszont rosszul értelmezték a dolgokat és kézi kapcsolással leállítják a 11 -es pumpákat ! Ez azért történt mert a TMI erőmű személyzetét úgy képezték ki, hogy kerüljék azt, hogy a nyomásszabályzó megteljen vízzel (vagyis ne legyen benne gőz réteg ami átvegye a nyomás ingadozásokat). Azzal hogy a 10 -es szelep nyitva volt, természetesen a gőz elillant és a szabályzó megtelt vízzel. Azért, hogy ne kerüljön több víz a hűtő körbe leállították a pumpákat, viszont ők nem tudták, hogy a szelep nyitva van és a víz rohamosán távozik. A baleseti pótpumpáknak a leállítása csak rontott a helyzeten. Csak 3 óra és 40 perc után, a baleset kezdetétől, indítják újra ezek a pumpák, de már túl késő volt. Az aktív zóna nagy része már tönkre volt téve. Azt, hogy a 10 -es szelep nyitva van csak 2 óra és 18 perc után vették észre, és akkor végre lezárták az 1 -es csapot. Végül a baleset után 13 óra és 30 percre sikerült beindítani az egész hűtő vízkörben levő pumpákat.
A baleset következményei : az amerikai Szenátus kivizsgálást rendelt el. A gyűlésre meghívták dr.Alvin Weinberg-et , aki egy Geiger-Müller számlálót is hozott magával, és a jelenlevők legnagyobb meglepetésére bebizonyította, hogy a terembe nagyobb a természetes sugárzás, mint amit a nukleáris erőműben dolgozok kaptak a baleset folytán.
Viszont nem lehetett letagadni a tervezési hibákat : a vezérterembe levő kontrol műszerek rosszul voltak és vannak tervezve, ezek mellett a személyzet sincs kellő képen felkészülve. Így a TMI-ben az órák mutatóinak állását összehasonlították egy megszabott értékkel, ami a szerkezet normális működéséhez szükséges, és tettek valamit az iránt, hogy a mutató visszakerüljön a normális határértékhez. Vagyis ha az egyik órán a mutató túlhaladta a piros csíkot, akkor megnyomták azt a gombot, vagy elmozdították azt a fogantyút ami következtében a mutató vissza került a piros csík alá. De hogy miért került a mutató a piros csík fölé, senkit nem érdekelt ! Ezek mellett mivel, hogy a kontrol műszerek száma nagyon nagy, csak a legfontosabbak vannak a vezérterembe elhelyezve. A többi műszer más, szomszédos szobába, voltak felállítva ! Ezek következtében az erőmű személyzete nem tudta, hogy egy nukleáris balesetbe vesznek részt ! És amikor rájöttek mégis a dologra , akkor sem tudták felmérni, hogy mi történt a nukleáris reaktorban. Hosszú órák teltek el amíg sikerült helyes képet alkotniuk az egészről.
A műszerek rosszul tervezetségét, például a 10-es elektromágneses szelep igazolja, amelyik leblokált nyitott állapotba, de úgy volt tervezve, hogy akkor mutasson “nyitott”-at helyzetet amikor az elektromágnesben áram halad át, és “zárt”-at amikor nincs feszültség alatt. Ez viszont csak azt jelezte, hogy van-e áram az elektromágnesbe, vagy nincs, és nem a szelep helyzetét.
Pontosan két nappal azelőtt, egy rutin karbantartási munkálat után, a 6 -os szelep zárva maradt, holott nyitva kellett volna lennie ! A vezérteremben viszont erről nem tudtak semmit ! Tény, hogy 1 másodpercen belül leáll a 8 -as segéd pumpa, mivel a szelep zárva volt, így a gőz fejlesztő hűtővíz nélkül maradva nem tudja teljesíteni hőcserélő szerepét. Ennek következtében az aktív zónában termelt hő elkezd felhalmozódni a primer vízkörben, hőemelkedés amely gőz képzésére vezetett, és mivel hogy a gőz sokkal nagyobb helyet foglal mind ugyanaz a mennyiségű víz folyékony állapotban, a nyomás rohamosan növekedett Ennek következtében a 10 -es elektromágneses szelep kinyílt, ugyanakkor automatikusan beindulva az aktív zóna hőfejlesztés leállítása (vagyis a fékező rudak behatolnak az aktív zónába és elnyelik a neutronokat, tehát megáll a maghasadás). Ez automatikusan történt, de továbbra is kell biztosítani a kellő hűtést. A baj viszont nem szokott egyedül járni. Eképpen a 10 -es szelep ahelyett, hogy visszazáródott volna miután a nyomás normális lett a primer vízkörben, úgy maradt nyitott állapotba ! Ennek következtében a hűtővíz nagy mennyiségben távozott rajta keresztül, anélkül hogy erről tudtak volna a vezérteremben.!
Csak 142 perc után jöttek rá, hogy mi történt és zárták el az 1 -es csapot, de már túl késő volt. A TMI erőműnek két pót hűtő berendezése van baleset esetére – egy magas nyomású – mely a 3 -as víztartályból és a 11 -es pumpákból áll, valamint - egy alacsony nyomású – rendszer mely a 2 -es víztartályból tevődik mely elönti baleset esetén az aktív zónát.
A nagymennyiségű gőzveszteség a 10 -es szelepen át, a primer vízkörben nyomás csökkenést eredményezett, aminek következtébe beindult automatikusan a magas nyomású baleseti hűtő berendezés. A vezérterembe viszont rosszul értelmezték a dolgokat és kézi kapcsolással leállítják a 11 -es pumpákat ! Ez azért történt mert a TMI erőmű személyzetét úgy képezték ki, hogy kerüljék azt, hogy a nyomásszabályzó megteljen vízzel (vagyis ne legyen benne gőz réteg ami átvegye a nyomás ingadozásokat). Azzal hogy a 10 -es szelep nyitva volt, természetesen a gőz elillant és a szabályzó megtelt vízzel. Azért, hogy ne kerüljön több víz a hűtő körbe leállították a pumpákat, viszont ők nem tudták, hogy a szelep nyitva van és a víz rohamosán távozik. A baleseti pótpumpáknak a leállítása csak rontott a helyzeten. Csak 3 óra és 40 perc után, a baleset kezdetétől, indítják újra ezek a pumpák, de már túl késő volt. Az aktív zóna nagy része már tönkre volt téve. Azt, hogy a 10 -es szelep nyitva van csak 2 óra és 18 perc után vették észre, és akkor végre lezárták az 1 -es csapot. Végül a baleset után 13 óra és 30 percre sikerült beindítani az egész hűtő vízkörben levő pumpákat.
A baleset következményei : az amerikai Szenátus kivizsgálást rendelt el. A gyűlésre meghívták dr.Alvin Weinberg-et , aki egy Geiger-Müller számlálót is hozott magával, és a jelenlevők legnagyobb meglepetésére bebizonyította, hogy a terembe nagyobb a természetes sugárzás, mint amit a nukleáris erőműben dolgozok kaptak a baleset folytán.
Viszont nem lehetett letagadni a tervezési hibákat : a vezérterembe levő kontrol műszerek rosszul voltak és vannak tervezve, ezek mellett a személyzet sincs kellő képen felkészülve. Így a TMI-ben az órák mutatóinak állását összehasonlították egy megszabott értékkel, ami a szerkezet normális működéséhez szükséges, és tettek valamit az iránt, hogy a mutató visszakerüljön a normális határértékhez. Vagyis ha az egyik órán a mutató túlhaladta a piros csíkot, akkor megnyomták azt a gombot, vagy elmozdították azt a fogantyút ami következtében a mutató vissza került a piros csík alá. De hogy miért került a mutató a piros csík fölé, senkit nem érdekelt ! Ezek mellett mivel, hogy a kontrol műszerek száma nagyon nagy, csak a legfontosabbak vannak a vezérterembe elhelyezve. A többi műszer más, szomszédos szobába, voltak felállítva ! Ezek következtében az erőmű személyzete nem tudta, hogy egy nukleáris balesetbe vesznek részt ! És amikor rájöttek mégis a dologra , akkor sem tudták felmérni, hogy mi történt a nukleáris reaktorban. Hosszú órák teltek el amíg sikerült helyes képet alkotniuk az egészről.
A műszerek rosszul tervezetségét, például a 10-es elektromágneses szelep igazolja, amelyik leblokált nyitott állapotba, de úgy volt tervezve, hogy akkor mutasson “nyitott”-at helyzetet amikor az elektromágnesben áram halad át, és “zárt”-at amikor nincs feszültség alatt. Ez viszont csak azt jelezte, hogy van-e áram az elektromágnesbe, vagy nincs, és nem a szelep helyzetét.
1986
április 26 – Csernobili
–
4-es
egység
A
Pripjaty folyó mentén levő erőmü,RBMK 1000 típusú reaktort (2
x 500 MW)és 2 %-ra dúsított U-235 használt.
Egy
hatalmas nagy széntömben 1700 üzemanyag csatornát képeztek ki.
Egy üzemanyag kazettá : Ř 78,8 mm, 10 m. hosszú (18 üzemanyag
rudat tart össze), összesen 190 tonna uránium-oxid.Ezen kivül van
még 187 bór fékező (neutron nyelő rúd) és 24 biztonsági rúd.
Mi történt Csernobilban ?
A csernobili atomerőműben négy darab 1.000 megawattos (RBMK 1000 jelzésű) termikus reaktor működött. Ezeknek a reaktoroknak üzemanyaga 2 százaléknyi hasadóképes uránizotóp (U-235), lassítóanyaga a grafit, hőhordozója pedig a közönséges víz.
Az uránatom hasadásához az égvilágon semmire sincs szükség, és amikor hasad, az atom energiája hő formájában felszabadul. A hasadó atomok neutronokat bocsátanak ki magukból, és ezek újabb atommagokba ütközve azokat is hasadásra késztetik. A természetben felszabaduló neutronok azonban olyan gyorsan száguldnak el, hogy alig-alig idéznek elő újabb maghasadást, ezért ezeket a neutronokat le kell lassítani. A maghasadás folyamán keletkező hő a vizet “felforralja” és a turbógenerátorokat a reaktor térben keletkező gőz hajtja meg.
A hermetikusan zárt reaktortérben van a neutronokat fékező grafit és ebben a grafittömbben kialakított hengeres csatornákban vannak a fűtőanyag-kötegek, illetőleg ezekbe sülyeszhetők bele a szabályzó és biztonság-védelmi bórrúdak. A grafittömböt még további ezerhétszáz cső is lyuggatja, ezek a hűtővizet tartalmazzák. A száznyolcvan tonna hasadóanyag optimális üzemi hőmérséklete több száz fokkal magasabb a grafittömbök gyulladási hőmérsékleténél. A grafit szénből van. Oxigén nélkül azonban nem tud elégni, az oxidálást a grafitbélésen lassan áramló gáz (héliumnak és nitrogénnek a keveréke) akadályozza meg.
1986 április 25-en esedékesé vált, hogy leállítsák a negyedik reaktoregységet és elvégezzék a karbantartást.
Úgy tervezték, hogy ezt egy kísérlettel kapcsolják össze. Arra a kérdésre kerestek volna választ, hogy miért és milyen mértékben hasznosíthatnák a gőzvezetőkről leválasztott turbógenerátor forgórészének a mozgási energiáját, ha a hálózati feszültség kimarad az erőmű létfontosságú berendezéseinek villamos energiával való ellátásában.
Ahhoz, hogy a kísérlet többször megismételhessék, a reaktort nem állították csak egyszerűen le, hanem fokozatosan csökkentették a teljesítményét. Egy RBMK-reaktor teljesítmény csökkentése nem olyan egyszerű, mint egy rádió lehalkítása. Sokkal egyszerűbb teljesen leállítani. Ehhez nem kell mást tenni, mint helyretolni az összes bórrúdat. A bór végez a megreakcióval : elnyeli a neutronokat, így azok nem indíthatnak újabb atommaghasadást és leáll a reakció.
A reaktor lelassítása viszont bonyolult eljárás, amit három lépésben lehet elérni. Először is betolnak néhány bórrúdat a grafitmagba. Másodszor, bizonyos mértékű finomabb szabályozás is lehetséges a reaktormagot körülvevő gázkeverékek összetételének a változtatása révén. A gázok egy része ugyanúgy elnyeli a neutronokat, mint a bór, a reakció tehát lelassítható, ha ezeknek a gázoknak a mennyisége nő a keverékben. Végül a víz. Ha fokozzák a reaktoron áthajtott vízmennyiséget a reaktort “lelassítják”, mivel a víz is elnyeli a neutronokat és minél több van belőle, annál kevesebb atom hasad szét.
A reakció szabályozása tehát a rudak és szivattyúk állandó táncát jelenti.
Az RBMK notóriusan rosszul szabályozható. Az a baja, hogy olyan nagy. Nem lehet minden pontjára hőmérséklet-érzékelőket szerelni. Előfordulhat, hogy a reaktormag valamelyik része éppen a kívánt hőmérsékleten, míg egy másik pontja, esetleg alig karnyújtásnyira az előzőtől, veszélyesen magas hőmérsékletre szökik fel.
Az atomreaktort számítógép vezérli, az ember mindössze “megmondja” a komputernek, hogy mit akar a géptől. A mi esetünkbe, mivel a kísérlet folyamán a reaktor rendkívüli körülmények között működne, azért, hogy a kísérletet ne zavarják, kikapcsolták és megbénították az összes automatikus védelmi rendszert, mely önműködően leállítaná a reaktort !
A víz amelyik átáramlik a reaktormagon, valóban hatékonyan elnyeli a neutronokat, legalábbis amiig cseppfolyós halmazállapotú. Gőzként viszont kisebb a sűrűsége, kevesebb neutront nyel el, ezért a reakció felgyorsul. Emiatt azonban még több gőz képződik…, amitől a reakció felgyorsul…, amitől még több gőz keletkezik…
1986 április 26-an hajnali 1 óra 22 perckor a teljesítmény alig tíz másodpercen belül csaknem tízszeresére ugrott !
Az operatőr megkísérelte leállítani a reaktort. A biztonság-védelmi bórrúdak egy ideig szabályosan haladtak, de rövidesen berezegtek és megálltak. Ekkor a rudakat leválasztották a mozgató gépezetről abban a reményben, hogy a rudak így beleeshetnek a reaktorba. A rudak azonban elakadtak !
A reaktorba 1 óra 24 perckor több egymást követő robbanás történt.
Az
elsőt a gőz megnővekedett nyomása okozta, mely szétzúzta a
reaktortartályt.
A következő robbanások kémiai jellegűek voltak A hatalmas hőtől és nyomástól megrepedt csövekből kitörő gőz elemeire bomlott, hidrogénné és oxigénné, melyek egyesülése a “durranógáz”- robbanást eredményezte és ami levegőbe röpítette az acél és beton reaktortartály falait. Gyilkosan radioaktív anyag szóródott szerteszét.A grafit immár érintkezésbe került a szabad levegővel. Mi több, a szétzúzott vízcsövekből bőven áradt a gőz a forró grafitra. Az ekkor bekövetkezett “vízgáz” reakciót a világ minden középiskolájában bemutatják a táblára felírva : C + H2O = CO + H2 , ami azt jelenti, hogy a szén és a víz reakciójából szénmonoxid és szabad hidrogén képződik. Levegővel érintkezve a szénmonoxid jól ég. A hidrogén pedig robban.
Az eseménysor ezzel lényegében lezárult. A grafittömbök égni kezdtek. A tüzek egyesített ereje magasba szökő, forró gázciklont gerjesztett, mely magával sodort minden apró törmeléket, közte a reaktormag radioaktív atommagjait is.
A következő robbanások kémiai jellegűek voltak A hatalmas hőtől és nyomástól megrepedt csövekből kitörő gőz elemeire bomlott, hidrogénné és oxigénné, melyek egyesülése a “durranógáz”- robbanást eredményezte és ami levegőbe röpítette az acél és beton reaktortartály falait. Gyilkosan radioaktív anyag szóródott szerteszét.A grafit immár érintkezésbe került a szabad levegővel. Mi több, a szétzúzott vízcsövekből bőven áradt a gőz a forró grafitra. Az ekkor bekövetkezett “vízgáz” reakciót a világ minden középiskolájában bemutatják a táblára felírva : C + H2O = CO + H2 , ami azt jelenti, hogy a szén és a víz reakciójából szénmonoxid és szabad hidrogén képződik. Levegővel érintkezve a szénmonoxid jól ég. A hidrogén pedig robban.
Az eseménysor ezzel lényegében lezárult. A grafittömbök égni kezdtek. A tüzek egyesített ereje magasba szökő, forró gázciklont gerjesztett, mely magával sodort minden apró törmeléket, közte a reaktormag radioaktív atommagjait is.
A vezérlő terem régebb és napjainkban
(Alekszej Ananyenkó, Valerij Bazpalov, Borisz Baranov. Így hívták azt a három hőst aki tudatosan a halálba masíroztak azért, hogy ezzel meggátolja a radioaktív szennyeződés még nagyobb elterjedését. A sérült csövekből kifolyó gőz egy része lecsapódott és vízzé válva kezdett felhalmozódni a reaktor épületének fenekén. Fent állt a veszély, hogy a megrongálódót reaktor, az égő grafittal belezuhan ebbe a tóba, így még több gőz keletkezet volna. A robbanás során megsérült akna ajtó nem volt nyitható kintről. A három búvár beereszkedett alig egy pár méterre levő több ezer fokon égő, és halálosan radioaktív kisugárzású reaktor alatt levő vízbe, és belülről nyitották ki az ajtót, így kiengedve a felhalmozódott vizet)
Bepillantás
egy lehetséges mikrokozmoszba
1993
VII.22
Az
a tény, hogy az anyag oszthatatlan kis részekből, atomokból áll,
először Leukipposz állította i.e. V. században. Úgy gondolta,
hogy minden atomanyag ugyanaz, de méreteik és alakjuk különböző.
Késöbb,1867-ben, ezt mint rugalmas golyócskáknak képzelték
el.
Az atom oszthatatlanságán az első rést az elektron felfedezése ütötte. Ez 1898-ban történt, és az ki ezt a felfedezést tette, készítette el az atommodellek egyikét. J.J.Thompsonnak hívták. A Thompson féle atommodellben a negatív töltésű elektronok egy pozitív töltésű gömbben helyezkednek el, mint a mazsolaszemek a pudingban. Az egyik legcsodálatosabb felfedezést az atomfizikában egy rendkívül egyszerű, szinte primitívnek mondható berendezéssel tették. Egy sugárzó rádium elé egy aranylapocskát helyeztek. A rádiumból kisugárzó hélium magok(Alfa-sugárzás) áthatoltak az aranylapocskán, mintha ott se lett volna. Mások viszont eltértek az egyenes pályájuktól és különböző szögekben szétszóródtak. Ezeket az Alfa-sugarakat egy fluoreszkáló ernyőn lehetett láthatóvá tenni villanások formájában. Ernest Rutheford legnagyobb meglepetésére megfigyelte, hogy az ernyő akkor is néha felvillan, ha a sugárzás pontosan az ellentétes oldalán helyezkedik el. Ez megmagyarázhatatlan volt! Azt, hogy a hélium magok, melyek azAlfa-sugárzást képezik áthatolnak az aranylemezen eltérés nélkül, azzal lehet megmagyarázni, hogy nem találkoztak utjukban az aranylemez részecskéivel. Azok az Alfa-sugarak, amelyek eltértek, azok biztos összeütköztek valamelyik ilyen részecskével. De mi történt azokkal az Alfa-sugarakkal, melyek teljesen visszaverődtek?
Az atom oszthatatlanságán az első rést az elektron felfedezése ütötte. Ez 1898-ban történt, és az ki ezt a felfedezést tette, készítette el az atommodellek egyikét. J.J.Thompsonnak hívták. A Thompson féle atommodellben a negatív töltésű elektronok egy pozitív töltésű gömbben helyezkednek el, mint a mazsolaszemek a pudingban. Az egyik legcsodálatosabb felfedezést az atomfizikában egy rendkívül egyszerű, szinte primitívnek mondható berendezéssel tették. Egy sugárzó rádium elé egy aranylapocskát helyeztek. A rádiumból kisugárzó hélium magok(Alfa-sugárzás) áthatoltak az aranylapocskán, mintha ott se lett volna. Mások viszont eltértek az egyenes pályájuktól és különböző szögekben szétszóródtak. Ezeket az Alfa-sugarakat egy fluoreszkáló ernyőn lehetett láthatóvá tenni villanások formájában. Ernest Rutheford legnagyobb meglepetésére megfigyelte, hogy az ernyő akkor is néha felvillan, ha a sugárzás pontosan az ellentétes oldalán helyezkedik el. Ez megmagyarázhatatlan volt! Azt, hogy a hélium magok, melyek azAlfa-sugárzást képezik áthatolnak az aranylemezen eltérés nélkül, azzal lehet megmagyarázni, hogy nem találkoztak utjukban az aranylemez részecskéivel. Azok az Alfa-sugarak, amelyek eltértek, azok biztos összeütköztek valamelyik ilyen részecskével. De mi történt azokkal az Alfa-sugarakkal, melyek teljesen visszaverődtek?
Ennek
csak egy magyarázata lehetett: az, hogy az atomban van egy nagy
tömegű mag, melynek az Alfa-részek
nekiütköznek, vagy ugyanolyan elektrosztatikus töltéssel
rendelkeznek (+) és eltaszítják egymást. Így alakult ki
1911-ben a Rutheford-féle atommodell: a negatív elektronok a
pozitív mag körül keringenek (bolygómodell).
Ez a modell viszont ellentmondott a klasszikus fizika törvényeinek, melyek szerint egy töltéssel rendelkező test nem tudja megváltoztatni sebességét, energia vesztesség nélkül, sem nagyság sem irány szerint. Ha viszont az elektronok forognak a mag körül, tehát egyfolytában változtatják irányukat, ez energia vesztességgel kell járjon, tehát az elektronnak sugároznia kellene, energiája csökken és végül, egy spirális úton haladva nekiütközne az atommagnak. Az atom megszűnne létezni!
Bohr volt az aki megmentette a Rutheford féle atommodellt. Véleménye szerint addig míg az elektronok bizonyos „kiválasztott” pályákon haladnak, mentesítve vannak az energia veszteségtől. Ha elhagyják viszont ezeket az ideális pályákat, energiát fognak kisugározni. Niels Bohr még állított valamit ezen kívül, éspedig azt, hogy az egyik ilyen ideális pályáról az átmenet egy másik ideális pályára ugrásképpen történik, energia veszteséggel, vagy energia elnyeléssel! Más szavakkal mondva, az elektron a pálya változtatásokhoz szükséges energiát egyszerre adja le vagy veszi fel. Bohr minden egyes állítása beigazolódót a színképek felfedezésével. A színképeken ugyanis, egy bizonyos anyagnak nem csak egyetlen rá jellemző csík jelenik meg, hanem egy egész csík sorozat, aszerint hogy az elektronok milyen pályán keringenek. Egy elektron mely távolabb kering az atommagtól, több energiával rendelkezik mint egy másik, amely az atommag közelében kering.
Abból a tényből, hogy a színképek több különálló vonalakból tevődnek össze, Sommerfeld azt a következtetést vonta le, hogy a két pálya közötti átmenet nem egyértelmű, vagyis, például a 3-as pályáról a 2-re valló átmenet többféleképpen is végbemehet, azaz egyazon elektronpályának, kisebb eltéréssel különböző energiák felelnek meg. Sommerfield megállapítása szerint, minden megengedett elektronpálya bizonyos számú alappályából tevődik össze. Ez abból adódik, hogy az elektronok pályája nem csak kör alakú, hanem különböző lapitottságú ellipszis is lehet. Az ellipszis alakú pályának alakját az „l” mellékkvantum szám jellemzi. A különböző formájú ellipszisek lehetséges számát az „n” főkvantumszám határozza meg. Az l mellékvantumszám lehetséges értékei :
l = 0, 1, 2, 3….. n-1
Így az n=1 első elektronhéj esetében csak egy pályaforma (l = 0) lehetséges, ami körpályát jelent. Az n=2, második elektronhéj setében, az l=0 és l=1 alakú pályaváltozatok lehetségesek: az egyik körpálya, a másik az elözöhőz közel álló energiájú ellipszis.
Ez a modell viszont ellentmondott a klasszikus fizika törvényeinek, melyek szerint egy töltéssel rendelkező test nem tudja megváltoztatni sebességét, energia vesztesség nélkül, sem nagyság sem irány szerint. Ha viszont az elektronok forognak a mag körül, tehát egyfolytában változtatják irányukat, ez energia vesztességgel kell járjon, tehát az elektronnak sugároznia kellene, energiája csökken és végül, egy spirális úton haladva nekiütközne az atommagnak. Az atom megszűnne létezni!
Bohr volt az aki megmentette a Rutheford féle atommodellt. Véleménye szerint addig míg az elektronok bizonyos „kiválasztott” pályákon haladnak, mentesítve vannak az energia veszteségtől. Ha elhagyják viszont ezeket az ideális pályákat, energiát fognak kisugározni. Niels Bohr még állított valamit ezen kívül, éspedig azt, hogy az egyik ilyen ideális pályáról az átmenet egy másik ideális pályára ugrásképpen történik, energia veszteséggel, vagy energia elnyeléssel! Más szavakkal mondva, az elektron a pálya változtatásokhoz szükséges energiát egyszerre adja le vagy veszi fel. Bohr minden egyes állítása beigazolódót a színképek felfedezésével. A színképeken ugyanis, egy bizonyos anyagnak nem csak egyetlen rá jellemző csík jelenik meg, hanem egy egész csík sorozat, aszerint hogy az elektronok milyen pályán keringenek. Egy elektron mely távolabb kering az atommagtól, több energiával rendelkezik mint egy másik, amely az atommag közelében kering.
Abból a tényből, hogy a színképek több különálló vonalakból tevődnek össze, Sommerfeld azt a következtetést vonta le, hogy a két pálya közötti átmenet nem egyértelmű, vagyis, például a 3-as pályáról a 2-re valló átmenet többféleképpen is végbemehet, azaz egyazon elektronpályának, kisebb eltéréssel különböző energiák felelnek meg. Sommerfield megállapítása szerint, minden megengedett elektronpálya bizonyos számú alappályából tevődik össze. Ez abból adódik, hogy az elektronok pályája nem csak kör alakú, hanem különböző lapitottságú ellipszis is lehet. Az ellipszis alakú pályának alakját az „l” mellékkvantum szám jellemzi. A különböző formájú ellipszisek lehetséges számát az „n” főkvantumszám határozza meg. Az l mellékvantumszám lehetséges értékei :
l = 0, 1, 2, 3….. n-1
Így az n=1 első elektronhéj esetében csak egy pályaforma (l = 0) lehetséges, ami körpályát jelent. Az n=2, második elektronhéj setében, az l=0 és l=1 alakú pályaváltozatok lehetségesek: az egyik körpálya, a másik az elözöhőz közel álló energiájú ellipszis.
Nyilvánvalóan, az n=2 héj l=0 alhéjáről való átmenet az n=1 héjra valamelyest különbözik az n=2 héj l=1 alhéjáról való átmenettől. Az energia különbség eltérő értékének megfelelően két, egymáshoz közelálló, színképvonal jelenik meg.
Megfigyelték, hogy gyenge mágneses térben a színképvonalak további különálló vonalakra bomlanak (Zeeman-effektus).
Tehát
az eddigiekben felvázolt energiakombinációkon kívül, az
elektronhéjak mágneses térben tovább tagozódnak. A pályák
orientációjának lehetséges változatait az „m” mágneses
kvantumszám adja meg. Az „m”, a –„l” és a +”l”
közötti egész értékeket vehet fel. Például az l=1 esetében az
m lehetséges értékei : m= -1, m=0, m=1.Az elektronok meg ezeken kívül végeznek egy saját tengelyük körüli forgást. Ezt spin-nek nevezik és ez a negyedik kvantumszám. Ez két értéket vehet fel az elektronok esetében : s = -1/2 és s = +1/2
Térjünk
most vissza egy kicsit Rutheford atommodelljéhez. Itt, mint
említettem, van egy pozitív atommag. Ezt az atommagot protonnak
nevezték el, ami görögül „a legszimplább”-at jelenti.
A legszimplább atom a hidrogén, mely egy elektronból és egy protonból áll. A következő mag a hélium, de ez, bár két protont tartalmaz, mégis négyszer nehezebb! Mi az ami ezt a tömeg különbséget adja, és mi az ami összetartja az ugyanolyan töltésű pozitronokat az atommagban?
A megoldás Németországban kezdődött, ahol Heinrich Böthe és Hans Beckes gyenge Alfa sugarakkal bombáztak egy könnyű kémiai anyagot : a berilliumot.
Minden természetes radioaktív forrás három típusú sugárzást bocsát ki magából : Alfa sugarakat, ami nem egyebek mint hélium atommagok, Beta sugarakat melyek elektronok és Gama sugarakat, amik nagy energiájú elektromágneses hullámok.
Az Alfa sugárzás következtében a berillium egy különös sugárzást bocsátott ki, amely nehézség nélkül áthatolt akár vastag ólom falakon is.
Ezek után a francia tudósokra jutott a sor. Frederic Joliot és Iréne Joliot-Curie, 1931-ben, megismételték a két német kísérletét. A sugárzás áthatolt 10 centiméteres vastag ólom falon is. Ők viszont feltették maguknak a kérdést vajon ez az új sugárzás, hogyan hat más anyagokra, az ólmon kívül? Az ólom az egyik legnehezebb anyag. Vettek tehát egy könnyű anyagot : a parafint. És csoda történt ! A parafinből az új sugárzás hatására protonok szálltak ki.
A kemény Gama sugárzás is képes volt elektronokat kitépni egy atomból, de még soha semmi nem tudott kiszakítani egy protont.
Ismerve ezeket a kísérleteket, az angol Chadwick, azt az elméletet állítja fel, miszerint ez a különleges sugárzás, egy semleges sugárzás (vagyis nincs töltése) és amelyik tömege a protonéhoz hasonló nagyságú.
A dolgok megértéséért, képzeljünk el két golyó összeütközését. Az egyik golyó melynek nagyobb a tömege (esetünkbe az ólom) helyben áll, ennek ütközik neki egy kisebb tömegű golyó (a különleges sugárzás). Az ütközés következtében a nehéz golyó a helyén marad a könnyű golyó pedig lepattan róla és elrepül a másik irányba. A parafin esetében a dolgok másképp alakulnak. Két egyforma méretű golyó ütközik össze, aminek következtében az a golyó amelyik üt helyben marad, és átadva energiáját a megütött golyónak, amaz messze repül (a mi esetünkbe a proton). Az ismeretlen sugárzásban levő részecskét elnevezték neutronnak.
Most már meglehetett magyarázni a tömeg különbségeket ( a neutronnak akkora tömege mint a protonnak, de nincs töltése).és azt is mi tartja össze a protonokat az atommagban. Nem más az mint a neutronok és protonok közötti anyagcsere ! Ezt később kísérletileg is bebizonyítottak és a proton meg neutron között kicserélt részecske a mezon nevet kapta (Yukawa,1934).
Ha egy proton átad egy mezon a neutronnak az protonná válik míg a proton neutronná, és fordítva.
Már nagyon rég megfigyelték az elemek vegyi tulajdonságait, de nem sikerült magyarázatott adni ezekre. 1885-ben, volt például egy olyan elmélet mely például a hidrogén atomot majdnem gömb alakúnak tartotta, míg a szódát és a potásziumót elnyújtott ellipszoidnak. Ez az elképzelés szerint az oxigénnek olyan úszógumi kinézése volt, melynek középső lyukja majdnem be volt zárodva, a vízmolekulához (H2O) ezek szerint csak két kerek hidrogén atomot kellett behelyezni az oxigén úszógumi két gömbnyílásába.
A molekulában levő hidrogén atom kicserélődését szódával vagy potásziummal úgy magyarázták, hogy az ellipszoid alakú atomok jobban tudnak kötődni az oxigén úszógumi nyílásaiban.
Hogyan magyarázzuk meg ma ezeket a dolgokat? Miért egyesül pl. a nátrium a klórral ahhoz, hogy konyhasót alkosson?
A legszimplább atom a hidrogén, mely egy elektronból és egy protonból áll. A következő mag a hélium, de ez, bár két protont tartalmaz, mégis négyszer nehezebb! Mi az ami ezt a tömeg különbséget adja, és mi az ami összetartja az ugyanolyan töltésű pozitronokat az atommagban?
A megoldás Németországban kezdődött, ahol Heinrich Böthe és Hans Beckes gyenge Alfa sugarakkal bombáztak egy könnyű kémiai anyagot : a berilliumot.
Minden természetes radioaktív forrás három típusú sugárzást bocsát ki magából : Alfa sugarakat, ami nem egyebek mint hélium atommagok, Beta sugarakat melyek elektronok és Gama sugarakat, amik nagy energiájú elektromágneses hullámok.
Az Alfa sugárzás következtében a berillium egy különös sugárzást bocsátott ki, amely nehézség nélkül áthatolt akár vastag ólom falakon is.
Ezek után a francia tudósokra jutott a sor. Frederic Joliot és Iréne Joliot-Curie, 1931-ben, megismételték a két német kísérletét. A sugárzás áthatolt 10 centiméteres vastag ólom falon is. Ők viszont feltették maguknak a kérdést vajon ez az új sugárzás, hogyan hat más anyagokra, az ólmon kívül? Az ólom az egyik legnehezebb anyag. Vettek tehát egy könnyű anyagot : a parafint. És csoda történt ! A parafinből az új sugárzás hatására protonok szálltak ki.
A kemény Gama sugárzás is képes volt elektronokat kitépni egy atomból, de még soha semmi nem tudott kiszakítani egy protont.
Ismerve ezeket a kísérleteket, az angol Chadwick, azt az elméletet állítja fel, miszerint ez a különleges sugárzás, egy semleges sugárzás (vagyis nincs töltése) és amelyik tömege a protonéhoz hasonló nagyságú.
A dolgok megértéséért, képzeljünk el két golyó összeütközését. Az egyik golyó melynek nagyobb a tömege (esetünkbe az ólom) helyben áll, ennek ütközik neki egy kisebb tömegű golyó (a különleges sugárzás). Az ütközés következtében a nehéz golyó a helyén marad a könnyű golyó pedig lepattan róla és elrepül a másik irányba. A parafin esetében a dolgok másképp alakulnak. Két egyforma méretű golyó ütközik össze, aminek következtében az a golyó amelyik üt helyben marad, és átadva energiáját a megütött golyónak, amaz messze repül (a mi esetünkbe a proton). Az ismeretlen sugárzásban levő részecskét elnevezték neutronnak.
Most már meglehetett magyarázni a tömeg különbségeket ( a neutronnak akkora tömege mint a protonnak, de nincs töltése).és azt is mi tartja össze a protonokat az atommagban. Nem más az mint a neutronok és protonok közötti anyagcsere ! Ezt később kísérletileg is bebizonyítottak és a proton meg neutron között kicserélt részecske a mezon nevet kapta (Yukawa,1934).
Ha egy proton átad egy mezon a neutronnak az protonná válik míg a proton neutronná, és fordítva.
Már nagyon rég megfigyelték az elemek vegyi tulajdonságait, de nem sikerült magyarázatott adni ezekre. 1885-ben, volt például egy olyan elmélet mely például a hidrogén atomot majdnem gömb alakúnak tartotta, míg a szódát és a potásziumót elnyújtott ellipszoidnak. Ez az elképzelés szerint az oxigénnek olyan úszógumi kinézése volt, melynek középső lyukja majdnem be volt zárodva, a vízmolekulához (H2O) ezek szerint csak két kerek hidrogén atomot kellett behelyezni az oxigén úszógumi két gömbnyílásába.
A molekulában levő hidrogén atom kicserélődését szódával vagy potásziummal úgy magyarázták, hogy az ellipszoid alakú atomok jobban tudnak kötődni az oxigén úszógumi nyílásaiban.
Hogyan magyarázzuk meg ma ezeket a dolgokat? Miért egyesül pl. a nátrium a klórral ahhoz, hogy konyhasót alkosson?
A válasz az, hogy a klórnak kell még egy elektron, hogy kitöltse a harmadik pályán üresen maradt helyet, míg a nátrium atomnak a két telt elektronpályáján kívül még van egy szabad elektronja. Ennek a szabadon maradt elektronnak hajlama van, hogy átvándoroljon a klór atomban, kipótolva a szabadon maradt helyet. Egy elektron elvesztése következtében a nátrium pozitív töltésű lesz, míg a klór, egy elektront kapva, negatív. Az elektrosztatikus vonzó erő következtében a két atom egymáshoz tapad és konyhasót alkot.
Ugyanez a mechanizmus szerint, egy oxigén atom (amelyiknek hiányzik két elektron) „elcsalja” két hidrogén atomtól az elektronokat és vizet alkot.
Az olyan atomok, mint például az oxigén, klór vagy nátrium és hidrogén, nem mutatnak semmi hajlandóságot arra, hogy egymással keveredjenek, mert arra törekszenek, hogy vegyenek, az elsők esetében, vagy adjanak, a másikok esetében, elektront.
Az olyan atomok melyeknek teljes az elektron héjúk, mint pl. az hélium, argon, neon, xeon, stb., semlegesek kémiailag.
De mik ezek az elektron héjak? Miért nem halmozódnak fel egy atom elektronjai a legalacsonyabb energetikai pályán?
Kísérletileg megállapították, hogy az atomok átmérője, a mag töltésszámától függetlenül, majdnem azonos. Ezek szerint az oxigén atom átmérője (8 elektron, 8 proton), majdnem akkora mint a vas atom átmérője (26 proton, 26 elektron.
Mindezekre a választ, Wolfgang Pauli, egy osztrák fizikus, adta meg a kizárási elvvel. Ez kimondja, hogy nem létezhet egy atomban két elektron melynek mind a négy kvantumszáma egyforma legyen !!
A
táblázaton az első három lehetséges elektronhéj tagozódása
van ábrázolva.
n = főkvantumszám
l = lehetséges elektronpályák formája
m = mágneses térben levő pályák orientációja
s = spin
A periódusos rendszer elemei, a hidrogénnel kezdődően, az elektronhéjak fokozatosan egészítődnek ki, ha egy héj minden lehetséges pályája betelt, akkor új héj kezd betöltődni.
Noha a nehezebb elemeknél a pályák átmérője a mag fokozottabb vonzóereje miatt kisebb, ezeknél több elektronhéj van betöltve, és ez kiegyenlíti a pályaátmérők csökkenését. Így érthetővé válik miért, szinte azonos nagyságú, különböző atomok átmérője.
Amikor az orosz Mendeleev elkészítette, ma a nevét viselő táblázatott (periódusos rendszer), ő semmit sem tudott a fentiekben leírtakról, csupán az elemek kémiai tulajdonságait vette figyelembe. Döbbenetes mennyire egybevág azzal amit aztán az atom fizikusok felfedeztek.
A Mendeleev táblázatban is, az első csoportban nincs csak két elem : hidrogén és hélium. Ezt követi egy 8 elemes csoport, majd a tulajdonságok megismétlődnek mindegyik 18-ik elemnél.
Ez azt jelenti, hogy az első elektronhéj ahhoz, hogy teljes legyen kell rajta legyen két elektron, a következő elektronhéjon 8 elektron, majd mindegyik következőn héjon 18 elektron.
A Mendeleev táblázatban is, az atommagok nehézségük szerint következnek : hidrogén 1, hélium 4, stb. A neutron felfedezése itt is előrelátható, hiszen pl. az oxigénnek van 8 elektronja, miből következik, hogy a magjában 8 proton található, viszont 16-szór nehezebb mint a hidrogén!
A mezonok felfedezésével kezdték már gyanítani, hogy nem az atomok az utolsó legkisebb építő kövei a természetnek.
A mag gyorsíttok működésbe lépése után, az elmei részecskék nagyon hamar elharapóztak (lambda, szigma, xi, stb. részecskék), míg végül egy több kötetes dolgozat kellett megjelenjen ahhoz, hogy minden felfedezett részecskét nyilván tartsanak.
A dolgok azért is voltak kellemetlenek, mert megmagyarázatlan dolgok is történtek. Így például a lambda-nulla részecske különös módon viselkedett : 100.000 milliárdszor hosszabb életű volt mint ahogy az elmélet megjósolta. A xi részecskék, kétszer is furcsábbak voltak („duplán küllőnős”), mert sokkal hosszabb ideig léteztek mint kellett volna, közben szétbomlottak egy pion és egy lambda részecskére, amely magában is furcsa volt mert jóval hosszabb ideig létezet mint azt elvárták volna, mielőtt szétbomlik egy pion és egy protonra.
A fizikusok ezért bevezettek az atomfizikában egy törvényt, mely szerint az eredő részecskék „különlegessége” egyenlő kell legyen annak a részecskének a különlegességével amelyikből erednek. Ezek szerint a proton és a neutron, meg ezek antirészecskéi „furcsasága” egyenlő a nullával, a lambda részecske „furcsasága” egyenlő –1, míg az antilambdájé +1.
A régebb elemi részecskéknek hit neutron, elektron, stb. részek szétbomlanak, de vajon mi gátolja meg a proton hasadását pozitronra és fotonra? Ezt még soha nem figyelték meg.
E.P. Wigner ezt azzal magyarázta, hogy van egy törvény, a barionikus töltés törvénye, mely szerint az eredő részek barionikus értékeinek összege egyenlő kell legyen annak a részecske barionikus töltésével, amelyből erednek. Ha a proton barionikus töltése 1, a pozitroné és a fotoné nulla. Tehát 0 + 0 nem egyenlő 1, vagyis a proton nem bomolhat szét. Ez nem magyarázza meg a dolgokat, de legalább nevet ad neki.
Murray Gell-Man volt az aki rendet teremtett az atomfizika dzsungelében.1963-ban azzal az elmélettel állt elő, hogy minden részecske „kvarkokból” épül fel.
Kezdeti elképzelése szerint, három kvark létezett :
n = főkvantumszám
l = lehetséges elektronpályák formája
m = mágneses térben levő pályák orientációja
s = spin
A periódusos rendszer elemei, a hidrogénnel kezdődően, az elektronhéjak fokozatosan egészítődnek ki, ha egy héj minden lehetséges pályája betelt, akkor új héj kezd betöltődni.
Noha a nehezebb elemeknél a pályák átmérője a mag fokozottabb vonzóereje miatt kisebb, ezeknél több elektronhéj van betöltve, és ez kiegyenlíti a pályaátmérők csökkenését. Így érthetővé válik miért, szinte azonos nagyságú, különböző atomok átmérője.
Amikor az orosz Mendeleev elkészítette, ma a nevét viselő táblázatott (periódusos rendszer), ő semmit sem tudott a fentiekben leírtakról, csupán az elemek kémiai tulajdonságait vette figyelembe. Döbbenetes mennyire egybevág azzal amit aztán az atom fizikusok felfedeztek.
A Mendeleev táblázatban is, az első csoportban nincs csak két elem : hidrogén és hélium. Ezt követi egy 8 elemes csoport, majd a tulajdonságok megismétlődnek mindegyik 18-ik elemnél.
Ez azt jelenti, hogy az első elektronhéj ahhoz, hogy teljes legyen kell rajta legyen két elektron, a következő elektronhéjon 8 elektron, majd mindegyik következőn héjon 18 elektron.
A Mendeleev táblázatban is, az atommagok nehézségük szerint következnek : hidrogén 1, hélium 4, stb. A neutron felfedezése itt is előrelátható, hiszen pl. az oxigénnek van 8 elektronja, miből következik, hogy a magjában 8 proton található, viszont 16-szór nehezebb mint a hidrogén!
A mezonok felfedezésével kezdték már gyanítani, hogy nem az atomok az utolsó legkisebb építő kövei a természetnek.
A mag gyorsíttok működésbe lépése után, az elmei részecskék nagyon hamar elharapóztak (lambda, szigma, xi, stb. részecskék), míg végül egy több kötetes dolgozat kellett megjelenjen ahhoz, hogy minden felfedezett részecskét nyilván tartsanak.
A dolgok azért is voltak kellemetlenek, mert megmagyarázatlan dolgok is történtek. Így például a lambda-nulla részecske különös módon viselkedett : 100.000 milliárdszor hosszabb életű volt mint ahogy az elmélet megjósolta. A xi részecskék, kétszer is furcsábbak voltak („duplán küllőnős”), mert sokkal hosszabb ideig léteztek mint kellett volna, közben szétbomlottak egy pion és egy lambda részecskére, amely magában is furcsa volt mert jóval hosszabb ideig létezet mint azt elvárták volna, mielőtt szétbomlik egy pion és egy protonra.
A fizikusok ezért bevezettek az atomfizikában egy törvényt, mely szerint az eredő részecskék „különlegessége” egyenlő kell legyen annak a részecskének a különlegességével amelyikből erednek. Ezek szerint a proton és a neutron, meg ezek antirészecskéi „furcsasága” egyenlő a nullával, a lambda részecske „furcsasága” egyenlő –1, míg az antilambdájé +1.
A régebb elemi részecskéknek hit neutron, elektron, stb. részek szétbomlanak, de vajon mi gátolja meg a proton hasadását pozitronra és fotonra? Ezt még soha nem figyelték meg.
E.P. Wigner ezt azzal magyarázta, hogy van egy törvény, a barionikus töltés törvénye, mely szerint az eredő részek barionikus értékeinek összege egyenlő kell legyen annak a részecske barionikus töltésével, amelyből erednek. Ha a proton barionikus töltése 1, a pozitroné és a fotoné nulla. Tehát 0 + 0 nem egyenlő 1, vagyis a proton nem bomolhat szét. Ez nem magyarázza meg a dolgokat, de legalább nevet ad neki.
Murray Gell-Man volt az aki rendet teremtett az atomfizika dzsungelében.1963-ban azzal az elmélettel állt elő, hogy minden részecske „kvarkokból” épül fel.
Kezdeti elképzelése szerint, három kvark létezett :
és
természetesen a megfelelő atikvarkok : 
A protont az uud kvark kombináció adta (+2/3 +2/3 –1/3 = 1), a neutront pedig az udd (+2/3 –1/3 –1/3 = 0)
Minden részecske három kvarkból tevődik össze, de a mezonok, az új elmélet szerint, kvark és antikvark keverékek, vagyis csak két kvarkból állnak :
Gell-Man készített két, tömeg szerinti, szisztematizálási grafikont, mely két külön szisztematizáló szimmetria !
A protont az uud kvark kombináció adta (+2/3 +2/3 –1/3 = 1), a neutront pedig az udd (+2/3 –1/3 –1/3 = 0)
Minden részecske három kvarkból tevődik össze, de a mezonok, az új elmélet szerint, kvark és antikvark keverékek, vagyis csak két kvarkból állnak :
Gell-Man készített két, tömeg szerinti, szisztematizálási grafikont, mely két külön szisztematizáló szimmetria !
A
rajzon megjelenő egyik legfurcsább részecske a delta-plusz ,
melynek töltése = +1, spinje = 3/3 (vagyis egyirányú mindhárom
alkotó kvark spinje), barionikus töltése = +1 (tehát nincs benne
egy antikvark sem), és furcsasága = 0. Ezeket a tulajdonságokat
csak a uud kvark kombináció adja, viszont ezt már
egyszer a protonnak utaltuk oda! Hol a baj?
Feltételezhetni lehetett volna, hogy rossz az egész kvark elmélet, ám 1964-ben felfedezték az addig ismeretlen omega-minusz-egyrészecskét!
Egy másik lehetőség az volt, hogy feltételezzük, a kvarkok spinje eltérő.
Feltételezhetni lehetett volna, hogy rossz az egész kvark elmélet, ám 1964-ben felfedezték az addig ismeretlen omega-minusz-egyrészecskét!
Egy másik lehetőség az volt, hogy feltételezzük, a kvarkok spinje eltérő.
Ez
megmagyarázza a jelenséget. A protonban levő d kvark
spinje ellenkező irányú, mint a Delta+ részecske d kvarkjának
spinje, vagyis +1/2 +1/2 –1/2 = +1/2.
A fizikus gyanítottak, hogy a kvarkoknál is érvénybe van egy Pauli-féle kizárási elv.
Mint a rajzon látható több részecske is van mely három teljesen egyforma kvarkból tevődik össze, mint pl. delta-plusz-plusz (Delta ++ = uuu), vagy omega-minusz-egy (Omega-1 = sss)!
A fizikus gyanítottak, hogy a kvarkoknál is érvénybe van egy Pauli-féle kizárási elv.
Mint a rajzon látható több részecske is van mely három teljesen egyforma kvarkból tevődik össze, mint pl. delta-plusz-plusz (Delta ++ = uuu), vagy omega-minusz-egy (Omega-1 = sss)!
Hogy
kiküszöböljék a nehézségeket, a fizikusok bevezették a színerő
fogalmát. A kvantikus kromodinamika szerint, mindegyik kvarknak
három színe lehet (és azok ellenszíne): píros, sárga és kék,
melyek az optikai színkeverés törvényei szerint fehéret kell
adjanak !
A
mezonok ebben az esetben egy színes kvark és egy ellenszínes
antikvarkból állnak.
Azt a részecskét mely a kvarkokat egybe tartja „gluonnak” nevezték el, és ezek szintén színesek, pontosabban olyan két színkombinációból tevődnek össze ami nem add fehéret :
piros-ibolya / piros-narancssárga / sárga-zöld / sárga-narancssárga / kék-piros / kék-ibolya.
Azt az erőt mely összetartja a kvarkokat színerőnek hívják, tulajdonsága az, hogy kis távolságon gyenge, de mihelyt a távolság növekedni kezd a színerő is nő.
Valószínűleg soha nem fogunk egy szabad kvarkot látni, mert ahogy energiát fektetünk be a kvark szétszakítására, úgy azt az energiát arra használja fel, hogy további gluonokat termeljen, vagyis nő az összetartó színerő.
Az idő elteltével a dolgok egy kicsit bonyolódtak, így most hat kvarkról beszélünk. Tudni kell viszont, hogy a természetben megtalálható részecskék összesét modellezni lehet Gel-Man három kvarkjával, a többi három kvark a maggyorsítókban megjelenő rövid életű (10—10 másodperc) részecskék magyarázatára szükséges.
Azt a részecskét mely a kvarkokat egybe tartja „gluonnak” nevezték el, és ezek szintén színesek, pontosabban olyan két színkombinációból tevődnek össze ami nem add fehéret :
piros-ibolya / piros-narancssárga / sárga-zöld / sárga-narancssárga / kék-piros / kék-ibolya.
Azt az erőt mely összetartja a kvarkokat színerőnek hívják, tulajdonsága az, hogy kis távolságon gyenge, de mihelyt a távolság növekedni kezd a színerő is nő.
Valószínűleg soha nem fogunk egy szabad kvarkot látni, mert ahogy energiát fektetünk be a kvark szétszakítására, úgy azt az energiát arra használja fel, hogy további gluonokat termeljen, vagyis nő az összetartó színerő.
Az idő elteltével a dolgok egy kicsit bonyolódtak, így most hat kvarkról beszélünk. Tudni kell viszont, hogy a természetben megtalálható részecskék összesét modellezni lehet Gel-Man három kvarkjával, a többi három kvark a maggyorsítókban megjelenő rövid életű (10—10 másodperc) részecskék magyarázatára szükséges.
Nincsenek megjegyzések:
Megjegyzés küldése