ENERGETYKA JĄDROWA

advertisement
ENERGETYKA JĄDROWA
TADEUSZ HILCZER
Wykład monograficzny
rok akad. 2009/2010
Plan wykładu
Plan wykładu
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
1.Wstęp
2.Historia
3.Nukleosynteza
4.Rozszczepienie ciężkich jąder
5.Fuzja lekkich jąder
6.Energetyka jądrowa
7.Reaktory jądrowe
8.Reaktory jądrowe energetyczne
9.Bezpieczeństwo energetyki jądrowej
10.Reaktory jądrowe naturalne
11.Układy podkrytyczne
12.Odpady i ich utylizacja
13.Broń jądrowa
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
4
Wstęp
Energia
• Energia jest konieczna do wszelkich procesów
dynamicznych, zarówno w przypadku materii ożywionej jak
i nieożywionej
• Energia w każdym procesie jest tracona
• Energii traconej nie można odzyskać
• Energii nie można odnawiać
• Do porównywania różnych źródeł energii należy określić
gęstość energii
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
6
Energia jądra atomowego
• Jądro atomowe jest w warunkach ziemskich
największą składnicą energii
• Energia jądra atomowego została wykorzystana
– do wzbogacenia ogólnego bilansu energetycznego
świata
– ale niestety również do produkcji broni jądrowej
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
7
Energia jądra atomowego
Jednostką energii jest dżul
• Energia na poziomie atomowym jest mała w porównaniu z
energią 1 dżula
stosuje się jednostkę energii (pozaukładową)
elektronowolt (eV)
1 eV = 1.610-19 J (160 aJ)
• Energia wybuchu bomby jądrowej jest olbrzymia w
porównaniu z energią 1 dżula
stosuje się jednostkę energii (pozaukładową)
tona TNT (tTNT)
(energia wydzielana przy wybuchu jednej tony materiału
wybuchowego TNT)
1 tona TNT = 4109 J (4 GJ)
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
8
Gęstość energii
Gęstość energii jadra atomowego jest niewyobrażalnie wielka
Gęstość energii mechanicznej np. sprężystej,
zawarta w najlepszej stali jest rzędu 103 Jm-3
1000 Jm-3
Gęstość energii wiązania wszystkich elektronów
w ciężkim atomie jest rzędu 1016 Jm-3
10000000000000000 Jm-3
Gęstość energii wiązania wszystkich nukleonów
w ciężkim jądrze atomowym jest rzędu 1032 Jm-3
100000000000000000000000000000000 Jm-3
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
9
Źródła energii
• Najdawniejszym źródłem energii, z której korzystał człowiek
było ciepło ze Słońca.
• Odkrycie ognia pozwoliło na wyzwolenie energii cieplnej z
roślin, głównie z drewna, które było podstawowym paliwem
przez całe tysiąclecia.
• Praktyczne zastosowanie paliw kopalnych, takich jak węgiel
i ropa naftowa, nastąpiło dopiero w XIX w a drewno straciło
swoje znaczenie.
• Zapotrzebowanie na energię cieplną gwałtownie wzrosło,
gdyż obok potrzeb grzewczych pojawiły się maszyny
zamieniające ciepło na pracę.
• W XX wieku intensywny wzrost przemysłu i motoryzacji
spowodował skokowe zapotrzebowanie na nośniki energii.
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
10
Energia elektryczna
• Obok węgla i ropy naftowej coraz większe znaczenie zyskuje
gaz, a maszyna parowa jest zastępowana przez silniki
spalinowe i elektryczne.
• Zapotrzebowanie na energię elektryczną wszędzie rośnie.
• Obecnie produkcja energii elektrycznej (liczonej na głowę
mieszkańca) jest jednym z podstawowych wskaźników
określających poziom rozwoju społeczeństwa.
• Wzrost zużycia energii elektrycznej na świecie jest znacznie
szybszy niż przyrost naturalny ludności.
• W krajach rozwiniętych udział energii elektrycznej w
całkowitej energii wzrasta coraz szybciej.
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
11
Energia elektryczna
• Wzrost produkcji energii elektrycznej w latach 1980-1990
wynosił średnio rocznie
–
–
–
–
–
–
–
we Francji 5.0%,
w Szwecji 4.3%,
w Japonii 4.0%,
w Norwegii 3.8%,
w USA 2.8%,
w Niemczech 1.6%,
w Wielkiej Brytanii 1.1%.
• Średnio na świecie - 3.65%,
– w latach 1980-1984 - 3.4%
– w latach 1985-1990 - 3.9%.
• Przy ustabilizowanym wzroście (3.5% rocznie) wszystkie
kraje świata w 2010 roku będą zużywały o 70% więcej
energii elektrycznej niż w roku 1980.
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
12
Energia elektryczna
• W roku 2000 zużycie energii elektrycznej było rzędu
40109 MWh, (dziesięciokrotnie więcej niż w roku 1970).
• Na wyprodukowanie takiej ilości energii potrzebne są
olbrzymie ilości paliw kopalnych.
• Zapasy paliw kopalnych (trudne do oszacowania odkrywanie nowych złóż i stosowania nowych technologii)
powinny zaspokoić potrzeby energetyczne ludzkości przez
następne 100 lat.
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
13
Naturalne nośniki energii
• Wykorzystanie innych naturalnych nośników energii jest
stosunkowo trudne.
• Potencjał energii wodnej, równoważny mocy elektrycznej
3106MW, jest wykorzystywany zaledwie w kilkunastu
procentach.
• Energia słoneczna, mimo swej ogromnej wielkości ma
bardzo małą gęstość powierzchniową.
– Może być wykorzystywana jedynie z przerwami i nie jest
atrakcyjna pod względem ekonomicznym w najbliższej
przyszłości.
• Energia geotermiczna i pływowa jest stosunkowo mała i
dostępna jedynie w niektórych rejonach świata.
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
14
Energia jądra atomowego
• Potrzeby energetyczne świata może praktycznie
zabezpieczyć jedynie energia jądra atomowego.
• Obecnie w elektrowniach jądrowych wykorzystuje się jednak
niewielką część energii zawartą w nośniku.
• Przewiduje się, że postęp technologiczny pozwoli na
wykorzystanie energii nośnika w ponad 50%.
– zmniejszy się zużycie nośnika (na jednostkę
energetyczną)
– poprawi bilans energetyczny.
• Przy normalnej eksploatacji elektrownia jądrowa stanowi
małe zagrożenie ekologiczne
– pod wielu względami mniejsze od zagrożenia
ekologicznego elektrowni konwencjonalnych.
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
15
Elektrownia konwencjonalna
Wytwornica pary
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
Turbogenerator
16
Elektrownia jądrowa
Wytwornica pary
Turbogenerator
Osłona
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
17
Plusy energetyki jądrowej
• Nie produkuje CO2 i SO2
– może stanowić rozwiązanie problemu cieplarnianego i
kwaśnych deszczy
• Mały koszt paliwa w stosunku do całkowitego kosztu elergii
– w elektrowniach jądrowych około 10%
– w elektrowniach węglowych i olejowych około 65%
• Możliwość częściowego odzysku niewykorzystanego paliwa
– przerabianie „wypalonych” prętów
– ekstrakcja uranu i plutonu.
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
18
Minusy energetyki jądrowej
• Zasoby uranu wystarczą na około 100 lat
• Odpady radioaktywne
– w przypadku wtórnego odzysku około 3% pierwotnej
masy paliwa
– promieniotwórcze przez tysiące lat,
• Produkcja plutonu
– możliwość zwiększenia liczby krajów mających dostęp do
broni jądrowej
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
19
Energetyka jądrowa
• Reaktory jądrowe, budowane od ponad 50 lat, znalazły
zastosowanie jako:
– źródła energii w elektrowniach jądrowych,
– źródła energii w siłowniach okrętowych,
– silne źródła neutronów,
– silne źródła promieniowania g,
– urządzenia do produkcji izotopów promieniotwórczych,
– ... .
• Z 1 kg uranu można otrzymać energię około 8,21010 kJ
(2,2 107kWh)
– Do uzyskania takiej energii trzeba spalić około 3103 t
węgla.
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
20
Udział energetyki jądrowej
• W końcu XX wieku na świecie było czynnych 436 reaktorów
jądrowych energetycznych o łącznej mocy około 350 GW(e).
• Udział elektrowni jądrowych w światowym bilansie energii
elektrycznej wynosił około 17%,
• W 19 krajach udział ten przekracza 20%.
• W Europie Zachodniej pracowało 151 reaktorów, w Europie
Środkowej i Wschodniej - 70 reaktorów.
• Udział energetyki jądrowej w produkcji energii elektrycznej:
–
–
–
–
–
–
Francja, Litwa - około 75%,
Belgia - około 58%,
Szwecja, Ukraina, Słowacja - około 47%,
Słowenia - około 44%,
Szwajcaria, Bułgaria - około 41%,
Węgry - około 36%.
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
21
Udział energetyki jądrowej
• W Ameryce Północnej pracowało 118 reaktorów.
• Udział w zapotrzebowaniu na energię elektryczną był w USA
ok. 19% i w Kanadzie ok. 12%.
• Stale rośnie udział energetyki jądrowej w bilansie
energetycznym na Dalekim Wschodzie, gdzie pracuje 90
reaktorów.
• Udział w produkcji energii elektrycznej w Republice Korei
wynosi ok. 43% i w Japonii ok. 36%.
• W całej Federacji Rosyjskiej 29 reaktorów jądrowych
dostarczyło około 13% energii elektrycznej, w części
europejskiej udział był powyżej 20%.
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
22
Elektrownie jądrowe w Europie
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
23
Elektrownie jądrowe na świecie
GW(e)
400
350
300
250
200
150
100
50
0
1950
1960
1970
1980
1990
2000
2010
rok
Moc elektrowni jądrowych na świecie od roku 1950
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
24
Energetyka jądrowa w Polsce
• W Polsce w latach 80 rozpoczęto budowę elektrowni
jądrowej w Żarnowcu.
• Miały być zainstalowane cztery reaktory typu WWER-440 o
łącznej mocy około 1750 MW(e).
• Kolejna elektrownia jądrowa, z czterema reaktorami typu
WWER-1000 o mocy 4000 MW(e), miała być zlokalizowana
w Klempiczu w Wielkopolsce.
• W 1990 roku podjęto uchwałę o zaniechaniu polskiego
programu energetyki jądrowej „gdyż w Polsce jest
nadprodukcja energii elektrycznej, której ponad 97%
pochodzi ze spalania węgla”.
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
25
Elektrownie jądrowe wokół Polski
• W w promieniu do około 310 km od granic Polski
– pracuje 11 elektrowni jądrowych,
– łącznie 29 bloków energetycznych
• 22 bloki z wodnymi reaktorami ciśnieniowymi WWER
• 6 bloków z wodnymi reaktorami wrzącymi BWR
• 1 blok z reaktorem kanałowym RBMK
– łączna zainstalowana moc elektryczna około 20 GW(e).
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
26
Elektrownie jądrowe wokół Polski
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
27
Energetyka jądrowa w Polsce
• Strategiczne programy rozwoju energetyki nie wykluczały w
przyszłości (po roku 2020) włączenia energetyki jądrowej.
• Do tego czasu prognozowany wzrost zapotrzebowania na
energię elektryczną ma wzrosnąć o 66% i ma być
zaspokojony przez rozwój elektrowni węglowych.
• W roku 2007 podpisano umowę o znacznym udziale Polski w
budowie nowej elektrowni jądrowej na Litwie w Igalinie
• W roku 2008 zapowiedziano budowę dwu elektrowni
jądrowych w Polsce.
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
28
Energetyka jądrowa a broń jądrowa
• Energetyka jądrowa oraz militarne zastosowania energii
jądrowej wykorzystują jedynie ten sam fizyczny proces
rozszczepienia ciężkich jąder.
• Społeczeństwo z energetyką jądrową kojarzy:
– bomby jądrowe, które zniszczyły Hiroszimę i Nagasaki,
– próbne wybuchy bomb jądrowych,
– poligony jądrowe.
• Społeczeństwo nie widzi różnicy między:
– paliwem jądrowym reaktorów energetycznych
• wzbogacenie w rozszczepialny
235U
rzędu kilku procent,
235U
powyżej 90%,
– materiałem bomb jądrowych
• wzbogacenie w rozszczepialny
• W naturalnym uranie
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
235U
jest tylko 0.7%.
29
Energetyka jądrowa a broń jądrowa
• Militarne zastosowanie energii jądrowej jest odpowiedzialne
za promieniotwórcze skażenia środowiska:
– wywołane próbnymi wybuchami jądrowymi
– towarzyszące wydobywaniu plutonu z paliwa reaktorów
wojskowych.
• W reaktorze jądrowym ze względu na małe wzbogacenie
paliwa jądrowego w rozszczepialny 235U.
– nie może nastąpić wybuch jądrowy.
– łańcuchowa reakcja rozszczepienia nie może rozwinąć się
jak w bombie jądrowej.
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
30
Awaria reaktora
• W reaktorze jądrowym wybuchu jądrowego nie może
wywołać:
– żadna zmiany konfiguracji elementów paliwowych,
– żadna akcja terrorystyczna,
– żadna katastrofa naturalna (trzęsienie ziemi, huragan, ...)
– żadna katastrofa niszcząca rdzeń reaktora.
• Jest to sprzeczne z prawami fizyki.
• Zdarzają się jednak awarie reaktorów energetycznych,
– najgroźniejsza - uszkodzeniu rdzenie reaktora,
• może doprowadzić do wydostania się substancji
promieniotwórczych do otoczenia.
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
31
Awaria reaktora
• Do zniszczenia rdzenia reaktora w elektrowniach jądrowych
doprowadziły awarie:
– w Three Mile Island w Pensylwanii w marcu 1979 roku
• reaktor wodny PWR z obudową bezpieczeństwa
– w Czarnobylu na Ukrainie w kwietniu 1986 roku
• reaktor grafitowy RBMK bez obudowy bezpieczeństwa
– był nie tylko reaktorem energetycznym, ale
również miał wytwarzać pluton dla celów
militarnych.
• W obu awariach na skutek uszkodzenia pierwotnego obiegu
chłodzenia został stopiony rdzeń reaktora.
• Porównanie obu awarii pokazuje, że energetyka jądrowa z
reaktorami wodnymi typu PWR jest bezpieczna.
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
32
Awaria reaktora – Three Mile Island
• W Three Mile Island pracował reaktor typu PWR, w którym
spowalniaczem była woda,
– reaktor miał obudowę bezpieczeństwa.
• Pomimo, że rdzeń reaktora został całkowicie zniszczony:
– nie doszło do rozerwania obudowy przez parę wodną,
– nie nastąpił wybuch wodoru,
• wodór wydzielił się w wyniku reakcji z wodą
cyrkonowych koszulek paliwa rozgrzanych do wysokiej
temperatury.
• Trzech operatorów otrzymało dawki w 31-38 mSv, 12 osób
obsługi podwyższone dawki nie przekraczające 10 mSv.
• Awaria nie zagroziła okolicznym mieszkańcom.
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
33
Awaria reaktora – Czarnobyl
• W Czarnobylu pracował reaktor typu RBMK, w którym
spowalniaczem był grafit,
– reaktor nie miał obudowy bezpieczeństwa.
• Zniszczenie rdzenia reaktora spowodowało pożar 1500 t
grafitu i wybuch chemiczny.
• Pożar i wybuch chemiczny spowodowały:
– wyrzucenie do atmosfery ponad 1.9 x 1018 Bq substancji
promieniotwórczych
– skażenie radioaktywne dużych terenów Ukrainy i
Białorusi
• ewakuacja około 200 tys. mieszkańców,
– skażenie atmosfery wykrywalne we wszystkich krajach
Europy.
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
34
Czarnobyl – elektrownia jądrowa
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
35
Czarnobyl – reaktor 4 po awarii
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
36
Czarnobyl
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
37
Czarnobyl
• Reaktor Nr.4 elektrowni w Czarnobylu eksplodował 26
kwietnia 1986 o godzinie 1:24 miejscowego czasu,
• Dwa dni później detektory w Ośrodku Atomistyki w Świerku
pod Warszawą zarejestrowały podwyższoną radioaktywność,
– uruchomiły się systemy alarmowe,
– na ekranach spektrometrów do identyfikacji
radioizotopów pojawiły się intensywne linie
promieniotwórczych izotopów jodu i cezu, co
jednoznacznie świadczyło o zaistnieniu dużej awarii
reaktorowej,
• Sprawdzono urządzenia w Świerku
– stwierdzono, że skażenie pochodzi z zewnątrz,
• Telefony były odcięte
– podobno na polecenie sekretarza POP PZPR.
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
38
Energetyka jądrowa
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
39
Download