ESM 309-Nükleer Mühendislik

Ebat: px

Şu sayfadan göstermeyi başlat:

Download "ESM 309-Nükleer Mühendislik"

Gülistan Bilgili
5 yıl önce
İzleme sayısı:

1 Gazi Üniversitesi Teknoloji Fakültesi Enerji Sistemleri Mühendisliği Bölümü ESM 309-Nükleer Mühendislik Prof. Dr. H. Mehmet ŞAHİN

2 Ders İçeriği

3 Bölüm 1: Atomik Yapı ve Atomik Yoğunluk

4 Nükleer Mühendislik Nükleer mühendislik, radyasyonun ve radyoaktif malzemelerin insanlık yararına kullanılmasını amaçlayan bilim dalıdır. Nükleer mühendislik maddenin temel yapıtaşlarını kullanarak yaşamın kalitesini artırmayı amaçlar. Nükleer mühendislikteki reaksiyonlar, bilinen diğer malzemelerin kimyasal reaksiyonlarda reaksiyon başına üreteceği enerjiden milyonlarca kat daha fazla enerji üretir.

5 Nükleer Enerji Diğer fosil yakıtlardaki gibi küresel ısınmaya katkı problemi yoktur. Tipik 1000 MW kömür santrali yıllık yaydığı gazlar: ton SO ton NO x ton uçucu kül

8 Nükleer Enerjinin Kullanım Alanları

9 Uluslararası Birimler Sistemi SI olarak kısaltılır. Amerika ve İngiltere dışında tüm dünyada yaygın olarak kullanılır. SI sistemi 1960 yılında belirlenmiştir. metre- kilogram-saniye, MKS

10 Temel Birimler Uzunluk metre m Kütle kilogram kg Zaman saniye s Elektrik akımı amper A Termodinamik sıcaklık kelvin K Madde miktarı mol mol Işık Yoğunluğu kandela cd

11 SI Öneki Factor Name Symbol Factor Name Symbol yotta Y 10-1 deci d zetta Z 10-2 centi c exa E 10-3 milli m peta P 10-6 micro μ tera T 10-9 nano n 10 9 giga G pico p 10 6 mega M femto f 10 3 kilo k atto a 10 2 hecto h zepto z 10 1 deka da yocto y

12 Kabul Edilmiş SI Olmayan Birimler isim Sembol SI değeri Dakika(zaman) min 1 min = 60 s saat h 1 h = 60 min = 3600 s gün d 24 h = s derece (açı) º 1º = (π/180) rad dakika (açı) 1 = (1/60)º = (π/10800) rad saniye (açı) 1 = (1/60) = (π/ ) rad litre L 1 L = 1 dm 3 = 10-3 m 3 ton t 1 t = 1000 kg elektronvolt ev 1 ev = J Atomik kütle birimi amu, u, 1 u = m u = kg m u Astronomik birim ua m

13 SI Olmayan Güncel Kabul Görülen Birimler İsim Sembol SI değeri Deniz mili 1852 m bar bar 1 bar = 0.1 MPa = 100 kpa = 10 5 Pa ångström (angstrom) Å 1 Å = 0.1 nm = m barn b 1 b = 100 fm 2 = m 2 = cm 2 curie Ci 1 Ci = Bq röntgen R 1R = C/kg rad rad 1 rad = 1 cgy = 10-2 Gy rem rem 1 rem = 1 csv = 10-2 Sv 1 kwh = (1000 W) (3600 s) = J 1 mmhg = 1 Torr = (1/760) atm = Pa

14 Temel Sabitler Evrensel Name Işık hızı Plank sabiti Symbol = Value c = m/s h = Js Elektromanyetik Atomik ve nükleer Temel yük Elektron kütlesi Nötron kütlesi Proton kütlesi e = C m e = kg m n = kg m p = kg Fiziko-kimyasal Atomik kütle sabiti m u = kg Avogadro sabiti N A = mol -1 Boltzmann sabiti k = J K -1 Molar gaz sabiti R = J mol -1 K -1

15 Nükleer mühendislikte bazı birimler Çoğunlukla, nükleer mühendislikte metre yerine santimetre (cm) kullanılır. Kütle Yoğunluğu g/cm 3 : ρ w 1 g/cm 3 Atomik Yoğunluk: atoms/cm 3 : birim hacimdeki atom sayısı Hız Enerji m/s: ev: v th = 2200 m/s ε f 200 MeV başına 235 U 1 fisyon

16 Atomun Yapısı Atomun çekirdeğindeki proton ve nötronlar, kuark adı verilen daha küçük parçacıklardan oluşurlar.

17 Atomun Yapısı

18 Atomun Yapısı R Molekül Atom Çekirdek Proton Elektron Kuark 10-9 m m m m m m

19 Atomun Yapısı Parçacık Sembol Yük Bağıl Kütle Elektron e- - 0 Proton p+ + 1 Nötron N 0 1

20 Atom ve Kütle Numarası

21 Atomlar ve Çekirdek Basitleştirilmiş helyum atomu modeli 4 4 He 2 He 4 2He +2 α (alfa taneciği) A=4 Z=2 N=2

22 Bazı atomlardaki atomaltı parçacıklar;

23 Temel Parçacıklar Nükleer Mühendislikle ilgili Temel Parçacıklar Elektron, e or e - Pozitron, e + Nötrino, ν, ν e Güçlü etkileşime (nükleer kuvvete) maruz kalmayan parçacıklar Leptonlar olarak sınıflandırılır. Nötron, n Proton, p Hadronlar, güçlü etkileşime (nükleer kuvvete) maruz kalan atomaltı parçacıklardır. Kuarklardan oluşurlar.

24 Temel Parçacıklar Elektron: Kütlesi ( mm ee ): 9,10954 x kg ve yükü (e) 1,60219 x coulomb. Negatif yüklü (- ) elektronlara normal elektron veya negatron, pozitif (+) yüklü elektronlara pozitron denir. Proton : mm pp =1,67265 x kg ve pozitif yüklü elektronlarla eşit yüke sahip. Nötron: mm nn = 1,67495 x kg protondan biraz daha ağır ve yüksüzdür. Foton: Kütlesi ve yükü 0 sıfırdır. Bazen parçacık, bazen de dalga üzerinde gösterilir. Işık hızında (c = 2,9979 x 10 8 m/s) hareket eder. Nötrino: Kütlesi ve yükü sıfırdır.

25 Atomik Kütle Birimi Atomik kütle birimi, oksijen atomunun durgun kütlesinin 1/16 sına verilen isimdir. Atomik kütle birimi (AKB): Çok ufak kütleli maddelerin, özellikle atom ve moleküllerin kütlelerini hesaplamak için kullanılan ölçü birimidir. Atomu oluşturan parçacıklar için gr, mgr,μgrgibi birimler çok büyük kalmaktadır. Bu nedenle atomik boyuttaki çalışmalarda AKB kullanılmaktadır. m 1u 1 m( 16 O) u AKB = 1/ 6,023x = 1,66 x gr Bir de 12 6 CC e göre tarif edilmiş AKB bulunmaktadır. FFFFFFFFFFFFFFFF ( 16 8 OO ) 12 6CC = 1,00318 ( atom / atom gr )

26 Avogadro Sayısı Avogadro sayısı veya Avogadro sabiti, bir elementin bir molündeki atom sayısı ya da bir bileşiğin bir molündeki molekül sayısıdır. 1 mol yani 12 gr 12 6 CC elementindei atom sayısı deneysel olarak hesaplanarak 6.02x10 23 bulunmuştur. Avogadro sayısı= mmmmmmmmmmmmm veya NN 0 = aaaaaaaa gggg. aaaaaaaa gggg.mmmmmmmmmmmmm Molekül kütlesini gr cinsinden ifade ettiğimizde x ( molekül / gr mol ) olarak verilir. Atomlar arasında ilişkilendirdiğimizde (atomlar / atom. gr) = x

27 İzotoplar Atom sayıları ( z ) aynı fakat kütle sayıları farklı olan elementler denir. Örneğin, doğada % UU, % UU, % UU izotopu bulunmaktadır. İzotoplar aynı kimyasal özellik gösterirken farklı nükleer özelliğe sahiptir. Örneğin; termal ( yavaş ) nötronlarla UU parçalanırken, UU parçalanmamaktadır. Bazı elementler sadece bir izotopa sahiptir. Örneğin; 23 Na, 27 Al, 9 Be Bazı elementler de çok sayıda izotopa sahiptir. Örneğin; Molibden (Mo) = 7, Kadminyum (Cd) = 8, Kalay (Sn) = 9, Uranyum= 3, Hidrojen (H) = 3 [ 1 1 HH : hafif su (hidrojen ), 1 2 HH : Döteryum ( 1 2 DD ) : % 0,015 ağır su içermekte, 1 3 HH : Trityum ( 1 3 TT) : yapay ve radyoaktiftir, füzyona yatkındır.

İzotoplar Trityum oluşumu : 3 6 LLLL + 0 1 nn 2 4 HHHH + 1 3 TT Füzyon reaksiyonu : 1 2 DD + 1 3 TT 2 4 HHHH + 0 1 nn ( 14,7 MeV ) [(Kaynak nötron başına üretilen toplam trityum miktarları ( TBR ) )

28 İzotoplar Trityum oluşumu : 3 6 LLLL nn 2 4 HHHH TT Füzyon reaksiyonu : 1 2 DD TT 2 4 HHHH nn ( 14,7 MeV ) [(Kaynak nötron başına üretilen toplam trityum miktarları ( TBR ) ) kendi kendine yetebilen bir füzyon reaktörleri için TBR > 1,05 olmalıdır. ] TBR = 1,05 Füzyon reaktörlerinde lityum ceketleri bulunmaktadır. Bu ceketlerle kendi trityum ihtiyacının % 5 fazlasını üretmektedir.

29 Bazı Önemli Çekirdekler

30 Örnek Problem. Bir bardak su hidrojen atomu içerir. Kaç tane döteryum ( 2 H) atomu içerir? Çözüm. 2 H nin izotop bolluğu a/o. 2 H oranı Toplam 2 H sayısı N= =

31 Atom ve Molekül Ağırlığı Doğada bulunan elementler çoğunlukla izotoplardan oluşmaktadır. Bu durumda elementin atom ağırlığı karışımın ortalama atom ağırlığı olarak tanımlanmaktadır. M γ i M i i γ i izotop bolluk oranı a/o. M i i izotopunun atom ağırlığı Isotope Doğal bolluk [a/o] Atom Ağırlığı 16O 99.8 % O % O % MM OO = 0.01 γγ( 16 8 OO) MM( 16 8 OO) + γγ( 17 8 OO) MM( 17 8 OO) + γγ( 18 8 OO) MM( 18 8 OO) MM OO = = (Atom Ağırlığı) Oksijen doğada O 2 molekülü olarak bulunur. Molekül ağırlığı = 2 x M(O) = dır.

32 Atomik Yoğunluk Nükleer mühendislikte sık sık, bir maddenin 1 cccc 3 ünün içerdiği atom veya molekülün sayısını hesaplamak gerekir. Malzemenin fiziksel yoğunluğu ρρ (gg/cccc 3 ) olmak üzere M atom ağırlığı ve NN AA Avogadro sayısı ise; Atomik Yoğunluk (N)= ρρ NN AA MM (atom/cccc 3 ) SORU: Doğal uranyumun yoğunluğu (ρ) 19,0 gr / cm 3 ise, 235 U un atomik yoğunluğunu (N) bulunuz. (Doğal uranyum A= 238 % oranında bulunduğu için işlemleri bunun üzerinden yaptık.), 235 U : % ) CEVAP: N 235 = [ [235 U atomu UU aaaaaaaaaa ] (19.0 gr U/ cm3 ) x 1023 atom U / gr atom U ] [238 gr U / gr U atomu ] N 235 = 3.43 x ( 235 U atomu / cm 3 )

33 Örnek Suyun normal (birim) yoğunluğu için, aşağıdaki ifadeleri hesaplayınız: H 2 O moleküllerinin cm 3 başına sayısını Hidrojen ve oksijenin atom yoğunluklarını; 2 H nin atom yoğunluğunu. İzotop 1H 2H Bolluk a/o a/o

34 Çözüm Atom ağırlıkları: M H = M O = Suyun moleküler ağırlığı M = 2 M H + M O = (doğal karışım.) NN HH 2 OO = ρρnn gggg 1 ( AA MM = cccc 3 ) ( mmmmmmmmmmmmm gggg. mmmmmmmmmmmmm ) = mmmmmmmmmmmmm/cccc 3 NN HH = 2 ( aaaaaaaa mmmmmmmmmmmmm ) ( mmmmmmmmmmmmm cccc 3 ) = aaaaaaaa/cccc 3 NN OO = 1 ( aaaaaaaa mmmmmmmmmmmmm ) ( mmmmmmmmmmmmm cccc 3 ) = aaaaaaaa/cccc 3 34

35 SORU: % 3 zenginlikte 235 U içeren U ve Al alaşımının % 10 u uranyum. Alaşımın yoğunluğu (ρρ ) 3 gr/cm 3 olduğuna göre 235 U in atomik yoğunluğunu hesaplayınız. CEVAP:Alaşım U-Al [ % 90 Al, % 10 U ( % U; % U ) ] M(U)=238 x x x = 238 gr U / gr U atomu N 235 = ( 3x 0.1 x 6.023x10 23 / 238 ) x 0.03 = x atom 239 U / cm 3 N 238 = (3x 0.1 x 6,023x10 23 / 238 ) x 0.97 = 7.36 x N 27 = (3x 0.9 x 6.023x10 23 / 27 ) = x 10 22

36 Örnek Bir reaktör, 20 w/o oranında zenginleştirilmiş ( 235 U) 1500 kg uranyum yakıt çubukları ile yüklüdür. Uranyumun yoğunluğu 19.1 g/cm 3. (Doğal uranyum) 1) Reaktörde kaç kg 235 U vardır? 2) Çubuklardaki 235 U ve 238 U lerin atom yoğunluklarını nedir? 235 U ve 238 U 'in atom ağırlıkları and

37 Çözüm 1) 235 U toplam oranı kg = 300 kg. 2) 235 U ve 238 U 'in atom ağırlıkları M(U) = ( )+( )= NN UU = wwρρnn gggg ( AA MM = cccc 3 ) ( aaaaaaaa gggg. aaaaaaaa ) = aaaaaaaa/cccc 3 NN UU = wwρρnn gggg ( AA MM = cccc 3 ) ( aaaaaaaa gggg. aaaaaaaa ) = aaaaaaaa/cccc 3

38 Örnek: %20 HH 2 OO, %25 UUUU 2, %25 C-12 ve %30 LLLL 2 OO den oluşan bir karışımda hidrojenin, oksijenin, uranyum izotoplarının, karbon ve lityum izotoplarının atomik yoğunluklarını hesaplayınız.

Benzer belgeler

Fiziksel Büyüklük (kantite- quantity): Fiziksel olayları açıklayan uzaklık, ağırlık, zaman, hız, enerji, gerilme, sıcaklık vb. büyüklük.

Fiziksel Büyüklük (kantite- quantity): Fiziksel olayları açıklayan uzaklık, ağırlık, zaman, hız, enerji, gerilme, sıcaklık vb. büyüklük. Fiziksel büyüklüğün 2 özelliği vardır: 1- Nümerik ölçü, 2- özellik