Energetyka jądrowa, Załącznik, prof. dr hab. Tadeusz Hilczer
advertisement
ZAŁĄCZNIK DO SYLABUSA 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. Prognozuje się, że do roku 2050 światowe zapotrzebowanie na energię wzrośnie dwukrotnie. Już teraz Unia Europejska importuje około 50% energii elektrycznej a do roku 2030 import wzrośnie do 70%. W produkcji energii elektrycznej dominują elektrownie opalane kopalinami (80%). Protokół z Kioto narzuca zmniejszenie emisji CO2 do roku 2050 do poziomu 550 ppm (tylko dwa razy więcej, niż przed erą przemysłową). Jak to zrobić praktycznie, tego w tej chwili nikt właściwie nie wie. Alternatywą jest na razie energia wyzwalana podczas dzielenia ciężkich jąder, w przyszłości energia łączenia lekkich jąder. W wykładzie monograficznym pt. Energetyka jądrowa będą poruszone następujące zagadnienia, w których główny nacisk położono na problemy fizyczne: Historia odkrycia rozszczepienia ciężkich jąder Nukleosynteza – powstawanie pierwiastków Rozszczepienie ciężkich jąder Fuzja lekkich jąder Energetyka jądrowa Reaktory jądrowe Reaktory jądrowe energetyczne Bezpieczeństwo energetyki jądrowej Reaktory jądrowe naturalne Układy podkrytyczne Odpady i ich utylizacja Perspektywy energetyki termojadrowej Broń jądrowa. W Polsce w latach 80 ubiegłego wieku rozpoczęto budowę elektrowni jądrowej w Żarnowcu. Miały być zainstalowane cztery reaktory typu WWER-440 o łącznej mocy 1760 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 wówczas była nadprodukcja energii elektrycznej, której ponad 97% pochodziło ze spalania węgla. Przyjęte pod koniec ub. wieku strategiczne programy rozwoju energetyki w Polsce nie wykluczały w przyszłości (po roku 2020) włączenia energetyki jądrowej. Do tego czasu prognozowany wzrost zapotrzebowania na energię elektryczną miał wzrosnąć o 66% i miał być zaspokojony przez rozwój elektrowni węglowych (?!?!). W roku 2007 podpisano umowę o znacznym udziale Polski w budowie nowej elektrowni jądrowej na Litwie w Igalinie a w następnym podjęto uchwałę o budowie w Polsce elektrowni jądrowych. Okres obecny ma być wykorzystany do odbudowy kadry specjalistów w tej dziedzinie. Dlatego zagadnienia związane w tematyką energetyki jądrowej powinny zainteresować wszystkich studentów fizyki.. Jednostką energii w układzie SI jest dżul, ze względu na to, że energie spotykane na poziomie atomowym i jądrowym są małe w porównaniu z energią 1 dżula stosuje się pozaukładową jednostkę energii elektronowolt (eV): 1 eV = 1.610-19 J (160 aJ). Energia wybuchu bomby jądrowej jest olbrzymia w porównaniu z energią 1 dżula dlatego stosuje się pozaukładową jednostkę energii odpowiadającą energii wydzielanej przy wybuchu jednej tony materiału wybuchowego TNT - tona TNT (tTNT): 1 tona TNT = 4109 J (4 GJ). Tadeusz Hilczer, Notatki do wykładu monograficznego Energetyka jądrowa WEJ. 1 UWAGI STĘPNE Gęstość energii jadra atomowego jest niewyobrażalnie wielka: gęstość energii mechanicznej np. sprężystej, zawarta w najlepszej stali jest rzędu 103 Jm-3; gęstość energii wiązania wszystkich elektronów w ciężkim atomie jest rzędu 1016 Jm-3; gęstość energii jądrowej, energia wiązania wszystkich nukleonów w ciężkim jądrze atomowym jest rzędu 1032 Jm-3. 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 wetdy 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. Dlatego jedynie energia jądra atomowego pozwoli zabezpieczyć potrzeby energetyczne świata. Obecnie w elektrowniach jądrowych wykorzystuje się niewielką część energii zawartą w nośniku. Przewiduje się, że postęp technologiczny pozwoli na wykorzystanie energii nośnika w ponad 50%. Zmniejszy się zużycie nośnika przypadającą na jednostkę energetyczną a tym samym poprawi bilans energetyczny. Przy normalnej eksploatacji elektrownia jądrowa stanowi małe zagrożenie ekologiczne, które pod wielu względami jest mniejsze od zagrożenia ekologicznego elektrowni konwencjonalnych. Obok węgła i ropy naftowej coraz większe znaczenie zyskuje gaz, a maszyna parowa jest zastępowana przez silniki spalinowe i elektryczne. 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 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 ludzkość przez następne 100 lat. Wykorzystanie innych naturalnych nośników energii, z oczywistych względów, 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. Dlatego jedynie energia jądra atomowego pozwoli zabezpieczyć potrzeby energetyczne świata. Obecnie w elektrowniach jądrowych wykorzystuje się niewielką część energii zawartą w nośniku. Przewiduje się, że postęp technologiczny pozwoli na wykorzystanie energii nośnika w ponad 50%. Zmniejszy się zużycie nośnika przypadającą na jednostkę energetyczną a tym samym poprawi bilans energetyczny. Przy normalnej eksploatacji elektrownia jądrowa stanowi małe zagrożenie ekologiczne, które pod wielu względami jest mniejsze od zagrożenia ekologicznego elektrowni konwencjonalnych. Energetyka jądrowa nie produkuje CO2 i SO2, co może stanowić rozwiązanie problemu cieplarnianego i kwaśnych deszczy. Koszt paliwa wynosi około 10% całkowitych kosztów energii, podczas gdy w elektrowniach węglowych i olejowych koszt ten wynosi około 65%. Istnieje również możliwość odzysku niewykorzystane części paliwa. Jest możliwe przerobienie „wypalonych” prętów, polegające na schładzaniu, rozpuszczaniu w kwasie i ekstrakcji zawartego w nich uranu i plutonu. Pewnymi ograniczeniami energetyki jądrowej jest fakt, że znane dzisiaj zasoby uranu wystarczą na około 100 lat. Produkowane odpady radioaktywne o półokresach rozpadu rzędu tysięcy lat, nawet w przypadku wtórnego odzysku stanowią około 3% pierwotnej masy paliwa, muszą być bezpiecznie składowane, co nie jest całkowicie do dzisiaj rozwiązane. Oprócz tego w wypalonym „paliwie” jądrowym znajduje się pluton, co potencjalnie zwiększa liczbę krajów mogących mieć dostęp do broni jądrowej. W końcu XX wieku (dane MAEA we Wiedniu z lat osiemdziesiątych ub.wieku) na świecie było czynnych 436 energetycznych reaktorów jądrowych o łącznej mocy ok. 370 GW(e) i około 30 w buTadeusz Hilczer, Notatki do wykładu monograficznego Energetyka jądrowa WEJ. 2 UWAGI STĘPNE dowie. W tym czasie energetyka węglowa miała moc zainstalowaną 1614 GW(e), elektrownie wodne 567 GW(e). Udział elektrowni jądrowych w światowym bilansie energii elektrycznej wynosi około 17%, a w 19 krajach udział ten przekraczał 20%. W Europie Zachodniej pracowało 151 reaktorów, w Europie Środkowej i Wschodniej - 70 reaktorów. We Francji udział elektrowni jądrowych w produkcji energii elektrycznej wynosi około 78%, prawie tyle samo na Litwie, w Belgii około 58%, w Szwecji, na Ukrainie i Słowacji po około 47%, w Słowenii około 44%, w Szwajcarii i Bułgarii po około 41%, i na Węgrzech około 36%. GW(e) 400 350 300 250 200 150 100 50 0 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 rok Rys. 1. Moc elektrowni jądrowych w świecie od roku 1950. (S-1105) W Ameryce Północnej pracowało 118 reaktorów. Udział w zapotrzebowaniu na energię elektryczną był w USA około 19% i w Kanadzie około 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 około 43% i w Japonii około 36%. W całej Federacji Rosyjskiej 29 reaktorów jądrowych dostarczyło około 13% energii elektrycznej, w części europejskiej udział był powyżej 20%. Rys. 2. Elektrownie jądrowe w Europie (S-1420) Energetyka jądrowa oparta na zjawisku łączenia lekkich jąder, która rozwiązywała by potrzeby energetyczne ludzkości i była ekologicznie całkowicie czysta, to niestety jeszcze dość odległa perspektywa. Tadeusz Hilczer, Notatki do wykładu monograficznego Energetyka jądrowa WEJ. 3
