Három esszétéma közül kell választania egyet (az alábbi az egyik). Fejtse ki másfél‑két oldal terjedelemben, összefüggő ismertetés formájában! Ügyeljen a szabatos, világos fogalmazásra, a logikus gondolatmenetre, a helyesírásra, mivel az értékelésbe ez is beleszámít! Mondanivalóját nem kell feltétlenül a megadott szempontok sorrendjében kifejtenie.
Moderátor
A moderátorközeg az atomreaktorokban alkalmazott olyan anyag, mely lelassítja a maghasadásból származó gyors neutronokat, hogy azok részt vehessenek a láncreakcióban. A moderátor atomjainak alacsony tömegszáma azt biztosítja, hogy a neutron viszonylag kevés ütközés során sok energiát veszítsen. Így a legmegfelelőbb anyag a hidrogén, amit víz formájában alkalmaznak moderátorként (a forralóvizes és a nyomottvizes reaktorban). Hátránya, hogy könnyen elnyeli a neutronokat (ezáltal deutériummá alakulva), s így a nagyszámú elnyelés miatt nagyobb mértékben dúsított uránnal kell dolgozni. Fontos érv azonban a vizes reaktorok mellett az, hogy a víz olcsó és nem gyúlékony, valamint hogy elpárolog a reaktor túlmelegedése (reaktorbaleset) esetén. Egy másik megoldás a deutérium – illetve a nehézvíz, ami viszont igen drága: ritka, és nagyon tisztának $(99,75\%)$ kell lennie. A periódusos rendszer következő megfelelő eleme a szén, amit grafit formájában alkalmaznak a gázhűtésű reaktorokban, illetve a ma már elavult RBMK reaktorokban. A gyors neutron egy ${}^{12}_{\ \ 6}\mathrm{C}$ atommal történő ütközés során mozgási energiájának kb. $29\%$‑át veszíti el, így természetesen nagyon sok ütközésre van szükség, amíg a neutronok kellően (hasítóképes sebességre) lelassulnak.
a) Mit nevezünk maghasadásnak?
b) Írjon fel egy lehetséges maghasadási reakcióegyenletet, melyben a rendszámokat és a tömegszámokat is feltünteti!
c) Miért járhat energiafelszabadulással a maghasadás?
d) Lényeges szempont, hogy a moderátor lassítsa a neutronokat, de ne nyelje el. Miért?
e) Miért nem alkalmasak nagy tömegszámú atomok moderátornak?
f) Milyen hatással van az elpárolgó moderátorközeg a nyomottvizes reaktor esetén a láncreakció fenntartására?
g) Szén moderálású reaktorban hány ütközés során csökken le egy gyors neutron mozgási energiája kezdeti értékének a hasításhoz szükséges egymilliomod részére?
a) A maghasadás fogalmának megadása:
2 pont
b) Egy maghasadási egyenlet felírása:
4 pont
Pl.
$${}^1_0\mathrm{n}+{}^{235}_{\ \ 92}\mathrm{U}\to{}^{141}_{\ \ 56}\mathrm{Ba}+{}^{92}_{36}\mathrm{Kr}+3\ {}^1_0\mathrm{n}$$
(Ha a reakcióegyenletben nem szerepelnek a neutronok, 1 pontot kell levonni. Ha a rendszámok és tömegszámok hiányoznak, szintén egy pontot kell levonni. Ha csak a neutronoknál hiányzik a rendszám/tömegszám, a teljes pontszám jár.)
c) Az energiafelszabadulás magyarázata:
2 pont
Az atommag kötési energiájának egy része szabadul fel.
d) A moderátor és a neutronok kölcsönhatásának elemzése:
2 pont
Ha elnyelődik egy neutron, az hasításra már nem képes.
e) A nagy tömegszámú atomok moderátorként alkalmatlanok – ennek indoklása:
2 pont
Nehéz atomokkal ütközve a neutron csak kevés energiát veszít egy ütközésben.
f) Az elpárolgó moderátorközeg hatásának megadása:
2 pont
Ha a moderátorközeg elpárolog, lelassul a láncreakció.
g) A szükséges ütközésszám meghatározása:
4 pont
$$(1-0,29)^{N}<10^{-6}$$
$$N\ge 41$$
(képlet + számítás, 2 + 2 pont)
Amennyiben a vizsgázó $0,71^2\approx \displaystyle \frac{1}{2}$ és $\left(\displaystyle \frac{1}{2}\right)^{\! 20}=\displaystyle \frac{1}{1048576}<10^{-6}$ gondolatmenettel $N=40$ eredményre jut, a teljes pontszám jár.
Összesen: 18 pont