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 = 1.610-19 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 = 4109 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 40109 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 3106MW, 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 8,21010 kJ (2,2 107kWh) – Do uzyskania takiej energii trzeba spalić około 3103 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
