Soveltavat tehtävät (551–562)
550 Fuusio (YO s2021)
8.2 Oletetaan, että tulevaisuudessa fuusioenergialla voidaan korvata laajamittaisesti fissioenergia. Pohdi perustellen, koskevatko seuraavat fissiovoimaloista esitetyt väittämät myös fuusiovoimaloita.
- Voimalalle sopivan sijoituspaikan löytäminen on vaikeaa.
- Voimalan synnyttämän jätteen sijoittaminen on ongelmallista.
- Joillekin valtioille reaktorin hankkiminen on poliittisesti vaikeaa niiden kansainvälisten suhteiden takia.
550 Fuusio
Sinulla ei ole tarvittavia oikeuksia lähettää mitään.
Tehtävä 551
Uraani-235-isotooppi hajoaa kahdeksi keskiraskaaksi isotoopiksi: Cs-143 ja Rb-90. Kirjoita reaktioyhtälö ja laske reaktiossa vapautuva energia.
Voit käyttää tuntemattomien isotooppien massojen etsinnässä taulukkoa (IAEA - Nuclear Data Section) apuna.
551
Sinulla ei ole tarvittavia oikeuksia lähettää mitään.
Tehtävä 552
Tulevaisuudessa ydinfuusio saattaa tarjota ratkaisun energiantuotannon haasteisiin.
a) Mitä ydinfuusiossa tapahtuu? Miten ydinfuusio liittyy elämän edellytyksiin maapallolla?
b) Miksi kevyiden ytimien fuusio on käyttökelpoinen energiantuotannossa, eli siinä vapautuu energiaa, mutta raskaiden ytimien fuusio ei ole käyttökelpoinen?
c) Yksi lupaavimmista reaktioista energiantuotannossa on deuterium–tritium-fuusio. Kirjoita sen reaktioyhtälö ja laske reaktiossa vapautuva energia.
(YO SYKSY 2014)
552
Sinulla ei ole tarvittavia oikeuksia lähettää mitään.
Tehtävä 553
[[$ \textrm{n}+{^{235}_{92}}\textrm{U } \rightarrow \textrm{ } {^{143}_{60}}\textrm{Nd}+{^{90}_{40}}\textrm{Zr}+3\textrm{n}, $]]
jossa vapautuu lisäksi elektroneja, neutriinoja ja gammasäteilyä. Oletetaan, että ydinreaktori toimii vain tämän reaktion avulla. Reaktorin sähköteho on 1600 MW ja hyötysuhde 0,32.
a) Kuinka monta [[$^{235}\mathrm{U}$]]-ydintä reaktorissa fissioituu sekunnissa?
b) Kuinka suuri on reaktorissa vuodessa kuluvan [[$^{235}\mathrm{U}$]]-polttoaineen massa?
(YO KEVÄT 2014)
553
Sinulla ei ole tarvittavia oikeuksia lähettää mitään.
Tehtävä 554
Tehtävässä 403 laskettiin, että Auringossa muuttuu tällä hetkellä 4,2 megatonnia massaa energiaksi joka sekunti. Oletetaan, että tämä kaikki on peräisin reaktioketjusta, jossa vetyä fuusioituu heliumiksi.
a) Muodosta ketjun kokonaisreaktioyhtälö ja laske reaktiossa vapautuva energia. Ota huomioon, että reaktiossa syntyvät positronit annihiloituvat elektronien kanssa ja muuttuvat energiaksi.
b) Laske, kuinka iso massa vetyä täytyy fuusioida sekunnissa, jotta reaktiossa vapautuisi 4,2 megatonnin edestä energiaa.
c) Laske tämän perusteella arvio, kuinka kauan Aurinko voi jatkaa toimintaansa. Auringon massasta on tällä hetkellä vetyä 73,46 %.
d) Vertaa tämän hetken parhaaseen ennusteeseen ja selvitä, mistä ero johtuu.
554
Sinulla ei ole tarvittavia oikeuksia lähettää mitään.
Tehtävä 555
Lennettäessä 10 km:n korkeudessa kohdistuu ihmiseen säteilyä annosnopeudella 5 [[$ \mu $]]Sv/h. Selitä mistä säteily on peräisin. Kuinka pitkä kokonaisaika tulisi lentää, jotta siitä aiheutuva säteilyannos olisi yhtä suuri kuin suomalaisen keskimääräinen vuotuinen annos?
555
Sinulla ei ole tarvittavia oikeuksia lähettää mitään.
Tehtävä 556
Säteilysuureiden yksiköt ovat gray (Gy) ja sievert (Sv).
a) Mitä gray ja sievert ovat SI-yksiköissä ilmaistuna?
b) Miten suureet poikkeavat toisistaan?
Voit käyttää apuna STUK:n sivustoa, jossa on säteilyyn liittyvää sanastoa.
556
Sinulla ei ole tarvittavia oikeuksia lähettää mitään.
Tehtävä 557
Gammalähteen säteilyn vaimenemista tutkittiin säteilymittarilla. Lähteen ja mittarin väliin asetettiin eripaksuisia lyijykerroksia. Säteilyn pulssimäärä mitattiin minuutin jaksoissa jokaiselle lyijypaksuudelle, jolloin saatiin oheisen taulukon mukaiset mittaustulokset.
a) Esitä säteilykertymä graafisesti lyijyn paksuuden funktiona ja määritä lyijyn matkavaimennuskerroin.
b) Laske lyijyn puoliintumispaksuus.
557
Sinulla ei ole tarvittavia oikeuksia lähettää mitään.
Tehtävä 558
a) Miten syntyy
- röntgensäteilyä?
- hiukkassäteilyä?
b) Miten suojaudutaan
- röntgensäteilyltä?
- hiukkassäteilyltä?
c) Mihin perustuu
- röntgensäteilyn käyttö terveydenhuollossa?
- hiukkassäteilyn käyttö palovaroittimessa?
558
Sinulla ei ole tarvittavia oikeuksia lähettää mitään.
Tehtävä 559
Rodiumin röntgenspektrissä havaitaan kaksi ominaissäteilypiikkiä (1 ja 2) kohdilla 54,5 pm ja 61,3 pm. Piikit ovat syntyneet, kun elektroni on siirtynyt joko L- tai M-kuorelta K-kuorelle. Spektri tuotettiin röntgenputkella, jonka jännite oli 60,0 kV.
Spektrin ja tulosten lähde: Rodium spektri (Wikipedia)
a) Vastaa perustellen kumpi piikeistä liittyy mihinkin elektronin siirtymään.
b) Laske L- ja M-kuoren välinen energiaero.
c) Kuinka suuri on lyhin aallonpituus, joka spektrissä esiintyy?
559
Sinulla ei ole tarvittavia oikeuksia lähettää mitään.
Tehtävä 560
Janakkalassa sijaitsevasta muinaisesta ruumishaudasta löytyi vuonna 2013 vainajan lisäksi kaksi miekkaa. Toinen miekka ajoitettiin viikinkiajalle vuosille 950–1050, ja toinen miekka oli ristiretkiaikainen vuosilta 1050–1200. Haudan ikä määritettiin radiohiiliajoituksella. Vainajan olkavarresta otetun luunäytteen [[$\mathrm{^{14}C}$]]- ja [[$\mathrm{^{12}C}$]]-ytimien lukumääräsuhde (isotooppisuhde) oli 1,12 ∙ 10-12. Miltä vuosisadalta hauta oli peräisin, kun tiedetään, että vastaava isotooppisuhde elävässä kudoksessa on 1,22 ∙ 10-12? Olisiko tapahtunut virhe, jos hauta ja vainaja olisi ajoitettu pelkästään esinelöytöjen perusteella?
(YO SYKSY 2015)
560
Sinulla ei ole tarvittavia oikeuksia lähettää mitään.
Tehtävä 561
Ohessa on simuloitu spektri röntgenputkelle, jonka kohtiomateriaalina on wolframi. Sen alla on esitetty wolframin yksinkertaistettu energiatasokaavio.
a) Selvitä, mikä energiatasokaavion siirtymä on synnyttänyt spektrin voimakkaimman piikin.
b) Miksei spektrissä havaita kaikkia mahdollisia siirtymiä vastaavia piikkejä?
c) Määritä kyseisen röntgenputken kiihdytysjännite.
561
Sinulla ei ole tarvittavia oikeuksia lähettää mitään.
Tehtävä 562
Henry Moseley oli englantilainen fyysikko. Hän osoitti, että alkuaineiden ominaisuudet riippuvat niiden järjestysluvusta, ei atomipainosta. Moseley johti myös röntgensäteilyyn liittyvän kokeellisen lain 1913. Lain avulla voidaan laskea emittoivan röntgenkvantin taajuus, kun elektroni siirtyy L-kuorelta K-kuorelle. Tällainen ominaissäteily tunnetaan K[[$_\alpha$]]-säteilynä. Moseleyn laki
[[$ f=(2,48\cdot 10^{15} \textrm{ Hz})(Z-1)^2 $]]
, missä [[$Z$]] on alkuaineen järjestysluku.
a) Laske K[[$_\alpha$]]-ominaissäteilyn aallonpituus ja energia i) alumiinille, ii) kuparille, iii) molybdeenille.
b) Röntgenputken kiihdytysjännite on 15,0 kV. Nähdäänkö K[[$_\alpha$]]-ominaissäteilypiikki i) alumiinissa, ii) molybdeenissä? Perustele.
562
Sinulla ei ole tarvittavia oikeuksia lähettää mitään.