Magfizikai k

1
Magfizikai kísérletek és a chicagoi fél watt
Dr. Sükösd Csaba egyetemi docens, tanszékvezeto
2

• 1942. dec. 2.
• E. Fermi, Szilárd Leó, Wigner Jeno, A. Compton...
• Az elso önfenntartó nukleáris láncreakció

3

• Néhány kísérlet, felfedezés a sok közül, amely
  ezt lehetové tette
• A neutron felfedezése (1932 Chadwick)
• Fermi kísérletei lassú/gyors neutronok hatása
• Többlet neutronok (1939 Szilárd Leó, W. Zinn)
• Késo neutronok (1939 R.B. Roberts, R.C. Meyer,
  and P. Wang)
• A chicagoi fél watt (1942), kritikussági
  kísérlet

4

• 1) A neutron felfedezése (1932) (vázlatosan)

Ismert volt természetes radioaktivitás, a- b-
g-sugárzások, és áthatolóképességük
Rutherford óta fo kísérletieszköz az
a-sugárzás
F. Joliot-Curie, és I. Curie (1932) a-sugárzás
Be-ból nagy áthatolóképességu sugárzást vált ki
g-sugárzás?
Pl. Ra

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

5

• Ködkamrában mért meglökodésekbol a
  (feltételezett) g-sugárzás energiája
  meghatározható (Compton-szóráshoz hasonló)
• Klasszikus fizika ütközések, energia- és
  lendületmegmaradás.
• g-fotonra (lineáris
  összefüggés)

Láthatatlan nyomok
További rejtély Mindig más energia jött ki,
attól függoen, hogy milyen gáz volt a ködkamrában!
James Chadwick megoldása NEM g-foton, hanem M gt
0 nyugalmi tömegu, semleges részecske NEUTRON.
Erre (négyzetes).

meglökodött atommag nyoma
Két mérésbol E és M meghatározható
6
2. Fermi kísérletei lassú/gyors neutronok
hatása (1934)
1932 után a neutron a kísérletek fo eszköze
lett, mivel nem taszítják el az atommagok
(Pl. F. Joliot-Curie és I. Curie elso
mesterséges radioaktivitás)
Ismert volt, hogy b-bomláskor
Neutronfelesleggel rendelkezo atommagok teszik!
Enrico Fermi ötlete az urán a legnagyobb
rendszámú Vigyünk be neutront
n-felesleg lesz b-bomlásZ 93 rendszámút
is eloállíthatunk mesterségesen!!
Honnan tudjuk, hogy eloállítottuk? A
radioaktivitásából.
7
E. Fermi kísérlete
Eredmény VAN radioaktivitás
Probléma diákoknak jobban sikerül!?
Megoldás különbözo energiájú neutronok másképp
viselkednek.
NEUTRONLASSÍTÁS! Lassú neutronok hatékonyabbak
!
(hosszabb ideig van közel a maghoz, több ido
van a kölcsönhatásra)

• n-lassítás könnyu atommagokkal való ütközéssel
  (moderátor)

• Lassú neutronok elnyelése kadmiummal vagy bórral

8
1938-1939. Maghasadás felfedezése (itt nem
tárgyaljuk) (Otto Hahn, Friedrich Strassman, Lise
Meitner, Berlin)
Kémiai Nobel-díj 1944
Megjegyzés már 1934-ben Ida Noddack asszony
(Németország) felvetette, Fermi kísérleteinek
értelmezésére!!
9
3. Többlet neutronok (1939 Leo Szilárd, Walter
Zinn)
Azt várjuk, hogy ezek a gerjesztett töredék-
magok azonnal kibo-csátanak neutrono-kat, és
talán a hasa-dásonként kibocsátott neutronok
száma egynél nagyobb...
Ez teremti meg a neutronos láncreak- ció
lehetoségét !
Physical Review (1939) 799. oldal
10
paraffin
Cd-árnyékolás (leveheto)
uránoxid
rádium
Cd
ólom
berillium
A Cd-borítású He-ionizációs kamra csak
gyorsneutronokat detektál
A Szilárd Zinn kísérlet felépítése
11
A mérés ötlete Összehasonlítjuk a detektált
neutronok számát, amikor az uránt gyors
(Cd-árnyékolás), ill. lassú neutronok (Cd-nélkül)
érik.
Eredmény lassú neutronokkal 50 beütés/perc
gyors neutronokkal 5
beütés/perc.
(Kontroll kísérlet urán helyett ólom. Nincs
effektus)
De ez még csak azt bizonyítja, hogy az urán
hasadása során keletkeznek gyors neutronok !!
12
A neutronok számának a megállapítá- sához
uránoxiddal bevont ionizációs kamrát tettek ki
lassú neutronoknak. A hasadásokat detektálták.

• A számítás menete
• Hasadások száma/perc az urán
• bevonatban (a hasadványok szabad úthossza
  alapján)
• Ebbol a 2,3 kg uránoxidban Nhasadás
• Ismert volt a He n-szórási hatáskeresztmetszete
• Ebbol (geometriai korrekciókkal) Nneutron

EREDMÉNY
Megtaláltuk a neutronokat
(Szilárd Leó)
(Mai, pontosabb érték 2,4)
13
4. Késo neutronok kimutatása (1939 R.B. Roberts,
R.C. Meyer, and P. Wang, USA)

• A bór-bevonatú ionizációs
• kamra neutron-detektor
• Gyorsító, lítium céltárggyal
• kikapcsolható neutronforrás

U

• Eredmény
• Urán nélkül a gyorsító kikapcsolása után nincs
  neutron

• Ha van urán, akkor a gyorsító kikapcsolása után
  is vannak neutronok T 12 s felezési idovel!

14
5. A chicagoi fél watt
Láncreakció neutronokkal
(effektív sokszorozási tényezo)
a két neutron-generáció között eltelt ido
Ezzel kapjuk
Az idobeli viselkedés tehát
15
keff 1 esetén N(t) N0 konstans
(kritikus), keff gt 1 esetén N(t)
exponenciálisan no
(szuperkritikus), keff lt 1 esetén N(t)
exponenciálisan csökken (szubkritikus).
A változás gyorsaságát a
kifejezés adja meg
Prompt neutronoknál a generációs ido
Tegyük fel, hogy keff 1,001
Példa
A neutronszám (és a reaktor teljesít- ményének)
változása 1 s alatt
Nem szabályozható! (prompt-kritikus)
16
A késo neutronokra azonban
(Roberts és társai)
Sajnos csak kevés késo neutron van! A részarányuk
0,64
Úgy kell megépíteni, hogy a késo neutronok nélkül
kefflt1 legyen, de a késo neutronokkal együtt
keffgt1 lehessen (elindításkor)
Azaz keff lt 1,0064 kell maradjon mindig!
keff változtatási lehetoségei

• Kiszökés arányának csökkentése(nagyobb rendszer)
• Elnyelodés szabályozása (szabályozó elemek
  n-elnyelo anyagokból
• Hasadás valószínuségének növelése(neutronok
  lelassítása grafit, D2O)

MEGÉPÍTENÉD?
Honnan tudjuk, hogy mekkora a keff ?
17
Ötlet tegyünk oda egy neutronforrást!
Ekkor
Sokszorozás forrás
(forrás nélkül)
Új generáció
Azonos átalakításokkal kapjuk (mint korábban)
Ennek a megoldása
keff mérheto!
(keff lt 1)
18
Ebbol kapjuk
Ábrázolva
1942. dec. 2. Chicago Az olasz kormányos
sikeresen megérkezett az Új Világba. A
bennszülöttek barátságosak
Pl. x a szabályozó rúd állása
19

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

Köszönöm megtisztelo figyelmüket!