Wykład 7 Energia jądrowa

Wykład 7
Energia jądrowa
Fizyka procesu rozszczepienia
Wartość energii wiązania na jeden nukleon
pokazuje że podział ciężkich jąder na dwa
lżejsze jest procesem energetycznie korzystnym.
Jądra ciężkie występujące w przyrodzie nie
rozszczepiają się spontanicznie, potrzebują
energii do pokonania bariery – przyjęcia bardziej
wydłużonego kształtu. Dodanie neutronu, którego
energia wiązania wynosi około 7.6 MeV umożliwia
ten proces. W wyniku powstają dwa lżejsze jądra
i średnio dwa do trzech neutronów.
1
Przykładowo reakcja rozszczepienia może
zachodzić w następujący sposób:
235
U  n 236U 140Xe  94Sr  2n
W rzeczywistości mamy ciągły rozkład
mas produktów reakcji (jak przedstawiono
na rysunku).
Widać że rozszczepienie symetryczne nie jest
uprzywilejowane.
Największe prawdopodobieństwo powstania
mają jądra o masach z okolic A = 95 i A = 140.
2
Oszacujmy jaka energia wydziela się podczas rozszczepienia
Energia wiązania ciężkiego nuklidu wynosi 7.6 MeV/nukleon
Energia wiązania nuklidów o średniej masie wynosi 8.5 MeV/nukleon
Q = 2 x (8.5 MeV/nukleon) x 120 nukleonów – (7.6 MeV/nukleon) x 240 nukleonów =
≈ 200 MeV. Jest to olbrzymia energia – zauważmy że spalanie węgla daje 4-5 eV
na atom.
Neutrony emitowane w procesie rozszczepienie mają energie średnio około 2 MeV
co oznacza że praktycznie cała energia rozpadu zamienia się na energie kinetyczną
powstałych jąder.
Z praw zachowania energii i pędu, przy asymetrycznym rozkładzie mas mamy:
Q  T1  T2
 
0  p1  p2
1
T  Mv 2
2
p  Mv
p12  p22
1
p  M v  2 M Mv 2  2 MT
2
M 1T1  M 2T2
2
2
2
Co oznacza że produkt rozszczepienia o liczbie masowej 95
3
będzie miał energię 120 MeV, a ten o A=140, energię 80 MeV.
Reaktor jądrowy – uwarunkowania fizyczne
W przyrodzie istnieją ( w rozsądnych ilościach ) trzy ciężkie nuklidy rozszczepiające się
po przyłączeniu neutronu. Tylko w przypadku 235U (p. tabela) do wywołania tego
procesu wystarczy energia wiązania neutronu. W pozostałych neutron musi wnieść
dodatkową energie – swoją energię kinetyczną.
Nuklid
238U
235U
Rozpowszech
nienie
%
99.3 (9mg/kg)
0.7
En.wiąz Energia
ania na potrzebna
nukleon do rozszcze
pienia
7.6
7.6
Uwagi
8.0
Reakcja progowa,
potrzebne neutrony
prędkie
6.5
Rozszczepialny przez
neutrony powolne
(termiczne)
Reakcja progowa
232Th
100 (2.7mg/kg)
7.6
7.8
4
Dodatkowo prawdopodobieństwo wychwycenia neutronu powolnego przez jądro
235U jest około 1000 razy większe niż prawdopodobieństwo wychwycenia
neutronu szybkiego przez jądro 238U.
Aby zbudować układ w którym będzie zachodziła samopodtrzymująca się reakcja
rozszczepienia należy dysponować:
- wzbogaconym w 235U paliwem jądrowym – duże prawdopodobieństwo
rozszczepienia przez neutrony powolne.
- umieścić paliwo w otoczeniu dobrze spowalniającym neutrony ale słabo
je absorbującym – współczynnik powielania co najmniej równy jedności,
czyli ilość rozszczepień jest stała w czasie i kontrolowana.
- masa substancji rozszczepialnej musi być dostatecznie duża aby
neutrony nie uciekały na zewnątrz – masa krytyczna.
Taki układ nazywamy reaktorem jądrowym.
5
6
Typowy reaktor zawiera od kilkuset kilogramów do kilkuset ton paliwa jądrowego –
uranu wzbogaconego czyli zawierającego 3 – 5 % izotopu 235U.
Moderatorem - spowalniaczem może być ciężka woda lub grafit.
Energia kinetyczna produktów rozszczepienia wyhamowanych w paliwie i moderatorze
zamienia się na energię termiczna
Należy więc rozwiązać problemy odprowadzania tego ciepła, problemy regulacji
strumienia neutronów – w tym zapewniające bezpieczeństwo.
Wszystkie materiały konstrukcyjne powinny być odporne na działanie wysokich strumieni
neutronów i innego promieniowania oraz na działanie wysokich temperatur.
Z jednego grama paliwa jądrowego (235U) można uzyskać 22 MWh energii cieplnej,
odpowiada to spaleniu około 2500 ton węgla kamiennego.
Jako produkt uboczny w reaktorze w reakcji
238
239
239
239
U  n U  Np  1 e Pu  1 e
powstaje 239Pu, izotop o długim czasie życia i bardzo niskiej energii potrzebnej do
rozszczepienia (5.0 MeV) – idealny materiał rozszczepialny dający w procesie
rozszczepienia średnio 3 neutrony.
7
Klasyfikacja reaktorów jądrowych i jądrowych źródeł energii
Reaktory badawcze – na ogół reaktory małej mocy, służące do badań naukowych
i produkcji izotopów, istniało na całym świecie 272 (2002 rok),
383 wyłączono, 9 w budowie
Elektrownie jądrowe – reaktory o dużej mocy, istniało na całym świecie 441 (2002 rok),
35 w budowie i 134 wycofane z eksploatacji, całkowita
zainstalowana moc 357 688 MW
Udział a) %
Ilość bloków
moc (MW)
Czechy
5
2560
20
Francja
59
63203
77
Japonia
54
44301
34
Niemcy
19
21141
31
USA
103
98488
20
Kraj
a) w produkcji energii elektrycznej
8
9
Reaktory napędowe
– łodzie podwodne, lotniskowce, lodołamacze – reaktory na
wzbogaconym uranie – mniejsze rozmiary, duży zasięg
pływania bez uzupełniania paliwa.
Jądrowe źródła energii – używane w satelitach lub sondach kosmicznych ciepło
generowane przez źródła promieniotwórcze lub w procesie
rozszczepienia jest zamieniane na energię elektryczną
poprzez wykorzystanie zjawiska termoelektrycznego –
małe moce ale długi czas działania i mało awaryjna praca.
Źródłem promieniotwórczym jest na ogół 238Pu.
Dla tego celu budowane są również miniaturowe reaktory
jądrowe służące nie tylko do wytwarzania energii czy
prądu elektrycznego ale będące elementem silnika
rakietowego.
Naturalny reaktor jądrowy w Gabonie (Afryka) – stan bogatych złóż uranu w Oklo w
Gabonie – skład izotopowy – obecność produktów
rozszczepienia – wskazuje że 2 miliardy lat temu działały
tam naturalne reaktory jądrowe. Czynnikiem sterującym
i moderatorem była tu woda deszczowa.
10
11
Znaczące awarie elektrowni jądrowych:
- Windscale (Wielka Brytania 1957) – reaktor do wytwarzania plutonu
nastąpił pożar grafitu oraz paliwa i rozszczelnienie 150 kanałów
paliwowych. Największym zagrożeniem był wyciek 131I do atmosfery.
W obszarze 300 km2 zakaz spożywania mleka przez 40 dni. Połowa
miejscowej populacji miała lekko napromieniowaną tarczycę
(dawka 0.16 Sv – przy dopuszczalnej dawce rocznej 0.5 Sv)
- Three Mile Island (USA 1979) –elektrownia jądrowa – na skutek błędów w
sygnalizacji i błędów ludzkich wzrost temperatury i uszkodzenie 60% prętów
paliwowych. Ponad połowa gazowych produktów rozszczepienia i jodu
wydzieliła się z paliwa. Ewakuacja ludności w promieniu 8 kilometrów.
Awaria nie spowodowała poważnych skutków zdrowotnych wśród personelu
ani ludności cywilnej. Średnie napromieniowanie około 10 µSv.
- Czarnobyl-4 (Ukraina 1986) –największa z możliwych katastrof elektrowni
jądrowych. Ogółem 31 osób straciło życie w pierwszej fazie katastrofy
otrzymując dawki 4 tys. do 16 tys. mSv. U 134 osób wykryto ostrą chorobę
popromienną. Bezpośrednią przyczyną katastrofy były niedopuszczalne
eksperymenty z systemem awaryjnego zasilania reaktora. Nie był to wybuch
jądrowy ale wybuch chemiczny gazów i pożar. Nuklidy promienitwórcze
zostały rozniesione na całą półkulę północną. Okoliczna ludność otrzymała
dawki od 30 mSv do 450 mSv.
12
Są to wybrane przykłady z 7-miu awarii uznanych za najpoważniejsze w historii
eksploatacji reaktorów jądrowych, które zdarzyły się na około 10 000
przepracowanych lat przez wszystkie reaktory
Obawy społeczne związane z energetyką jądrową
Występuje – szczególnie w środkach masowego przekazu – daleko idąca, celowa
bądź wynikająca z niewiedzy dezinformacja.
Według danych opracowanych w Stanach Zjednoczonych dotyczących oczekiwanej
utraty długości życia (w dniach) z powodu różnego rodzaju ryzyka, mamy odpowiednio:
życie w ubóstwie
3500 dni
palenie papierosów
2300 dni
nowotwory
980 dni
zabójstwa
90 dni
przekroczenie prędkości ( 55- 65 mil/godz)
40 dni
zamieszkiwanie w pobliżu elektrowni jądrowej
0.04 dnia
awarie elektrowni jądrowych
0.012 dnia
13
Czy stosować energię jądrową?
- bardzo duże zasoby uranu i toru
- wyczerpujące się zasoby węgla, ropy czy gazu i zwiększające się koszty
ich pozyskiwania
- odnawialne źródła energii mogą mieć tylko uzupełniające znaczenie,
część z nich dostarcza energię w sposób nieciągły. Ocenia się ich wkład
w najbliższej przyszłości na około 3% .
- spalanie paliw organicznych znacząco wpływa na stan środowiska – emisja
dwutlenku węgla, tlenku siarki i azotu a nawet ciężkich radioaktywnych
pierwiastków zawartych w spalanym materiale.
- elektrownia o mocy 1000 MW – zużycie paliwa - węglowa 2.5 milionów ton
węgla na rok – jądrowa 40 ton paliwa rozszczepialnego na rok.
- często decyduje przesadna obawa przed promieniowaniem jonizującym,
naturalne tło promieniowania w którym żyjemy znacznie przewyższa już
powstałe i potencjalne zagrożenia.
- w warstwie gleby o powierzchni ogródka (400 m2) i głębokości 1 m
znajduje się przeciętnie około 6 kg uranu, 3 kg toru i 1 kg 40K !!!!!!!!!
14
15
Czy większość naszych obaw nie jest związana z innym niepokojowym stosowaniem
energii pochodzącej z jąder atomowych ?????
Bomba „atomowa”
Eksplozja – uwolnienie w małej przestrzeni i krótkim okresie czasu dużej energii
Stworzenie masy krytycznej i procesu lawinowego narastania rozszczepienia
może spełnić powyższe warunki.
- szybkie połączenie w jedną całość 20 do 50 kg 235U lub 5 do 10 kg 239Pu
- reakcja rozszczepienia powodowana przez neutrony prędkie
Bomba uranowa – szybkie wstrzelenie przy pomocy klasycznego materiału
wybuchowego jednej części materiału rozszczepialnego w drugą (Hiroszima).
Bomba plutonowa – poprzedni sposób zbyt wolny – tu rozrzedzony materiał
rozszczepialny otoczony ze wszystkich stron klasycznym materiałem wybuchowym
(Nagasaki).
16
17
długość – 3.2 m
średnica – 73 cm
masa – 4045 kg
w tym 64 kg 235U
zginęło natychmiast
około 100 000 osób
średnica – 152 cm
masa – 4679 kg
239Pu
zginęło natychmiast
około 75 000 osób
18
Bomba wodorowa
Synteza lekkich jąder, tak jak rozszczepienie
ciężkich może prowadzić do wydzielenia dużej
ilości energii. Procesu takiego, samorzutnie
podtrzymywanego, nie udało się jak dotychczas
zrealizować w warunkach laboratoryjnych.
Proces syntezy termonuklearnej na większą
skale został zrealizowany tylko w wybuchach
bomb wodorowych. Na przykład w reakcji
T ( 3H )  D( 2H ) 4He  n  17.6 MeV
7
Li 1H  24 He  17 MeV
wydziela się duża ilość energii, ale deuter i tryt (oba są dodatnio naładowane) trzeba
zbliżyć na odległość działania sił jądrowych. Procesy podobne zachodzą na Słońcu
w bardzo wysokich temperaturach. W warunkach ziemskich tak wysoką temperaturę
początkującą reakcję syntezy można uzyskać w wybuchu zwykłej bomby atomowej.
Taka właśnie jest zasada działania bomby wodorowej – lekkie pierwiastki są paliwem
a bomba atomowa zapalnikiem reakcji.
19
20
Rozwijanie możliwości technicznych i badanie możliwości nowych broni jądrowych
doprowadziło do tego że w latach 1945 – 1998 przeprowadzono w sumie 2051
próbnych wybuchów jądrowych. I tak
Wybuchy
w
atmosferze
Wybuchy
podziemne
USA
ZSRR
W. Bryt.
Francja
Chiny
215
219
21
50
23
815
496
24
160
22
21
750 Bq / 75 kg
600 Bq / 75 kg
22
Razem około 7500 Bq w porównaniu do maksymalnych wartości z wybuchów
jądrowych i z Czarnobyla odpowiednio 750 Bq i 600 Bq.
23
Wiele bardzo ciekawych informacji o historii, zastosowaniu i stanie obecnym
energii i energetyki jądrowej można znaleźć w książce:
Grzegorz Jezierski
„Energia jądrowa wczoraj i dziś”
Wydawnictwo Naukowo Techniczne, Warszawa 2005
Niektóre informacje zostały zaczerpnięte z tej książki dla potrzeb wykładu
24