Jaderná energie Jaderné elektrárny Vojtěch Motyčka Centrum výzkumu Řež s.r.o.
Obsah prezentace Energie jaderná Vývoj energetiky Dělení jaderných reaktorů
I. Energie jaderná
Uvolňuje se při jaderných reakcích = mění se složení a struktura atomových jader Atomové jádro 10-14 m, v centru Objev jádra Ernest Rutherford (1911) Jádro = protony + neutrony (=nukleony) Přitažlivé síly uvnitř jádra Energie jaderná Velké odpudivé elektrostatické síly Většina známých jader je nestabilní Radioaktivní rozpad jader (α,β,γ,neutronové záření)
Energie jaderná Jaderná energie = vazebná energie nukleonů Čím vyšší vazebná enrgie tím je jádro stabilnější!!! Nukleon působí silně jen na své nejbližší sousedy Povrch jádra malé mechanické napětí Různé hodnoty pro izotopy Vazbovou energii můžeme určit ze vztahu: ΔE = c 2 ΔM, ΔM = Z mh + N mn - M
Energie jaderná Procesy: Syntéza Štěpení Typy jader: Lehká Těžká Stabilní
Energie jaderná Vliv neutronového čísla na stabilitu jádra a na druh záření
Energie jaderná Vyšší stabilita jádra se sudým počtem protonů a neutronů Nejvíce stabilní 2 protony, 2 neutrony Křivka dosahuje maxima u 56 Fe cca 8,8 MeV Od 64 Zn po 120 Sn na hodnotě 8,6 MeV Nejtěžší stabilní jádro 209 Bi 7,85 MeV Hodnoty důležité pro jaderné reakce (štěpení, fúze)
Jaderné reakce Štěpení - rozštěpení těžkého jádra ( 235 U) na jádra lehčí, většinou na 2, v hmotnostním poměru 2:3 Fúze sloučení několika lehčích jader na těžší, budoucnost jaderné energetiky Např. 235 U: 1 nukleon = 1 MeV, celkově 200 MeV 1 kg = 80 PJ = 2700 tmp energie 1 kg U = 2,7 mil. tun kvalitního uhlí 1 t 235 U = provoz elektrárny s výkonem 100 MW celý rok, účinnost elektrárny 33%
Jaderné reakce E. Fermi 1934, první prokázání štěpení jader těžkých prvků pomalými neutrony K zahájení reakce je potřeba kritické množství Kritické množství závisí na mnoha veličinách Enrico Fermi (1901 1954)
Jaderné reakce Pohlcení neutronu vytvoření poměrně stabilního izotopu 236 U Typickým příkladem štěpení je rozpad
Jaderné reakce
Jaderné reakce Vysoký poměr počtu neutronů k počtu protonů Radioaktivní bývají i přímé produkty rozpadu odštěpků Délka rozpadových řad bývá různá 3 rozpadové fáze Štěpením jader vzniká přibližně 60 radioaktivních nuklidů Celkem 180 radioaktivních druhů
Jaderné reakce Výtěžek produktů štěpení v závislosti na hmotnostním čísle pro 235 U, 238 U a 239 Pu
Jaderné reakce Cca 200 MeV Energie štěpení: Do dosazení hodnot získáme: Skutečná uvolněná energie je statistickým průměrem cca 30 druhů štěpení
Jaderné reakce Většina energii uvolněné při štěpení je energie kinetická štěpných produktů
Štěpení atomu uranu Fritz Strassmann, Lise Meitnerová a Otto Hanhn Spontální dělení jader uranu G.N. Flerov, K.A. Petržák Štěpení probíhá působením neutronů Objev neutronů James Chadwick (1891 1974) Magnetické vlastnosti Jaderné reakce Nepatrně hmotnější než proton Radioaktivně se rozpadá na proton, elektron a neutrino
Jaderné reakce Pružný rozptyl E k neutronů a jádra se zachovává. Dojde k přeskupení energie srážka pružných koulí. Narážejíli neutrony na stejně těžká jádra moderace Nepružný rozptyl neutron vnikne do jádra a excitované jádro pak přejde do základního stavu za vyzáření neutronu = zpomalení Záchyt podobné, ale nevylétává nový neutron, ale foton gama, proton nebo částice alfa absorbátor.
Jaderné reakce Při použití 10 B slouží tato metoda k detekci neutronů - (bórová) neutronová záchytová terapie 135 Xe účinný absorbátor tepelných neutronů, při provozu reaktoru, tvz. xenonová otrava reaktoru V AZ probíhají všechny tři reakce: a) pružný rozptyl b) nepružný rozptyl c) záchyt d) štěpení
Chladné Tepelné Rezonanční Středních energií Rychlé Vysokých energií Druhy neutronů Tepelné neutrony jsou neutrony, které jsou v tepelné rovnováze s látkou a mají Maxwellovo- Boltzmannovo rozdělení
Jaderné reakce Mikroskopický účinný průřez tj. pravděpodobnost toho že mezi protonem a neutronem proběhne reakce Hodnoty obecně odpovídají geometrickému průřezu jádra, cca 10-28 m 2 Jednotka účinných průřezů: barn σ Přírodní uran Pružný rozptyl 1,5x10-28 m 2 Nepružný rozptyl 2,7x10-28 m 2 Absorpce 7,5x10-28 m 2 Štěpení 0,5x10-28 m 2
Pouze 4 nuklidy štěpné velmi pomalými neutrony ( 235 U, 233 U, 239 Pu, 241 Pu) Jaderné reakce Ostatní štěpné nuklidy získáváme odstřelováním množivého materiálu Při štěpení jader se uvolňuje asi 2,65 neutronů na jedno jádro 99% neutronů je uvolňováno ve velmi krátkém časovém intervalu = okamžité neutrony Neutrony uvolňované z excitovaných jader vzniklým beta rozpadem = zpožděné neutrony
Štěpení Při štěpení se jádro rozpadne na dva nebo více úloímků lehčích jader Hmotnostní poměr úlomků je asi 2:3 1. úlomek nukl. číslo mezi 80 a 100 2. úlomek nukl. číslo mezi 130 a 150 Odštěpky jsou elektricky nabité a při zpomalování silně ionizují látku Vývin rozpadového tepla = výroba elektrické energie v jaderných elektrárnách
Množství využitelné energie je dáno konstrukcí reaktoru většinou cca 30 33% První řetězová štěpná reakce Enrico Fermi (2.12.1942) Řetězová reakce = střídání neutronových generací = multiplikační faktor k Když (k = n i /n i-1 ) a: k = 1 k < 1 k > 1 Jaderné reakce kritický stav reaktoru podkritický stav nadkritický stav
II. Vývoj jaderné energetiky a typy jaderných reaktorů
První jaderná elektrárna v SSSR byla spuštěna 25. července 1954. První britská jaderná elektrárna byla spuštěna 23. května 1956. Za počátek atomové éry je považován prosinec 1953 po projevu Atomy pro mír prezidenta Eishowera. V Československu byla první jaderná elektrárna spuštěna 25. prosince 1972. Obecný úvod
První jaderná elektrárna na světě (SSSR) První jaderná elektrárna pro komerční účely byla spuštěna v padesátých letech 20. století Tato elektrárna měla dvouokruhové uspořádání a reaktor typu AM-1 Aktivní zóna byla složena z grafitových bloků Experimentální vybavení Odstavena až v roce 2002
První jaderná elektrárna na v ČSSR V okrese Trnava na Slovensku Tři jaderné elektrárny s celkem 5 reaktory KS-150 byl uveden do provozu v prosinci 1972 Projektovaný tepelný výkon elektrárny byl 560 MW Další dvě elektrárny V1 a V2 byli osazeny reaktory VVER-440 Životnost má být minimálně 40 let
Jaslovské Bohunice
I. generace (1950-1965) Typický zástupce: MAGNOX Používány ve Velké Británii a v Japonsku Palivo byl přírodní uran ve formě tyčí pokrytých oxidem magnezia Aktivní zóna uzavřena v ocelové tlakové nádobě Palivo se vyměňuje za provozu Typický výkon 600 MW Calder Hall, Wylfa, Bradwell,.
BBC News: Wylfa (v provozu od r. 1971)
Calder Hall Bradwell Wylfa
typický zástupce: RBMK Používán výhradně na území SSSR Při přehřívání se jaderná reakce zvýší Používá grafitový moderátor Provoz tohoto reaktoru by měly být nejpozději ukončen do roku 2025 (elektrárna Smolensk) Palivo přírodní nebo slabě obohacený uran II. generace (1970-1990) Černobyl, Leningrad, Smolensk, Ignalina,
Ignalina Smolensk Leningrad
nejpoužívanější: VVER Nejobvyklejší typ jaderného reaktoru. II. generace (1970-1990) Palivo je mírně obohacený uran. Nádoba reaktoru je naplněna lehkou vodou, která slouží jako chladivo a moderátor. Voda je pod vysokým tlakem (150 MPa). Dojde-li k úniku moderátoru štěpná reakce se utlumí. Dukovany, Temelín, Krim, Záporoží,
Dukovany Záporoží Stendal Temelín
Typický zástupce: CANDU 6 vyvinut v Kanadě a exportován je také do Indie, Pákistánu, Argentiny, Koreje a Rumunska chladivem a moderátorem je těžká voda Aktivní zóna je v nádobě tvaru ležícího válce, která má v sobě vodorovné průduchy pro tlakové trubky Typický výkon cca 600 MW III. generace (1990-2010)
III. Dělení jaderných reaktorů
Klasifikace jaderných reaktorů A) Štěpné jaderné reaktory Štěpení jader těžkých prvků neutrony B) Termojaderné reaktory pracují na principu termojaderné (termonukleární) syntézy lehkých jader. 1942 Enrico Fermi první jaderný reaktor Během 60 let stovky experimentálních a energetických reaktorů
Klasifikace jaderných reaktorů Štěpné jaderné reaktory třídíme podle různých hledisek: 1) průměrná energie neutronů při štěpení, 2) konzistence a koncentrace jaderného paliva, 3) druh moderátoru, 4) geometrické uspořádání paliva a moderátoru v aktivní zóně, 5) druh chladiva v aktivní zóně.
A) podle průměrné energie neutronů při štěpení a) Tepelné pracují s neutrony zpomalenými na energii cca En~0,025 ev b) Střední je štěpení vyvolávané z největší částí neutrony s energií kolem 102 ev. c) Rychlé Klasifikace jaderných reaktorů ke štěpení paliva neutrony s energií blízkou energii štěpení, tj. En > 105 ev
Klasifikace jaderných reaktorů Energetické spektrum
Klasifikace jaderných reaktorů B) konzistence a koncentrace jaderného paliva a) reaktory s tuhým palivem (tyče, desky, trubky,..) b) reaktory s tekutým palivem (suspenze, roztok) Nejčastěji přírodní nebo obohacený uran: Obohacení: 1. Nízké do 5% 2. Střední 3. Vysoké do 90%
Klasifikace jaderných reaktorů C) Podle druhu moderátoru a) reaktory s tuhým moderátorem (grafit, Be, Be0, UC) b) reaktory s kapalným moderátorem (H20, D20, organické látky) D) Podle uspořádání paliva a moderátoru v AZ a) homogenní b) heterogenní
Klasifikace jaderných reaktorů E) Podle použitého chladiva a) plynem b) kapalinou c) tekutými kovy F) Podle využití 1) energetické (VVER, RBMK, BWR,CANDU, ) 2) experimentální 3) výzkumné (LVR-15, LR-0, VR-1, ) 4) speciální
Klasifikace jaderných reaktorů Rychlé množivé (plodivé) reaktory dělíme na: 1. breedery 2. konvertory Z uvedeného rozboru hledisek je zřejmé, že je možné teoreticky vytvořit veliký počet kombinací.!!! Ovšem pouze některé z nich se dají realizovat!!! http://www.iaea.org/pris/
Reakce v jaderném reaktoru Nejdůležitější v TJR jsou tyto reakce: Štěpení jaderného paliva Absorpce neutronů Rozptyl neutronů Neutronové reakce se většinou uskutečňují přes složené jádro
Konec??? Nějaké dotazy???