JADERNÁ ENERGETIKA
JADERNÁ ENERGETIKA aneb Spojení poznatků z fyziky a chemie Jiří Kameníček
Osnova přednášky Styčné body mezi fyzikou a chemií Způsoby získávání energie Uran a jeho izotopy, princip štěpné řetězové reakce Příprava jaderného paliva, obohacování Jaderný reaktor, atomová elektrárna Havárie jaderných elektráren, Černobyl Klady a zápory jaderné energetiky
FYZIKA - CHEMIE Veličiny a jednotky SI m, kg, s, mol Fyzikálně-chemické konstanty (N A ; F; R ) Stavba atomu atomové jádro, el. obal Vlastnosti - pevných látek složení Fyzikální chemie (plynové zákony, stavová rovnice, elektrolýza, Faradayovy zákony, termodynamika, fyzikálně-chemické metodiky..) Jaderná energetika Vztah mezi fyzikou a chemií není symetrický!
Možnosti získávání (elektrické) energie Spalování fosilních paliv (uhlí, ropa, zemní plyn jde o omezené, navíc neobnovitelné zdroje) Spalování biomasy a odpadů (recentní zdroje) Přírodní zdroje (vodní, větrné, fotovoltaické, geotermální) Jaderná energie (štěpení jader, popř. termojaderná fúze) Ropa Uhlí Zemníplyn Biomasa Uran Voda Ostatní
URAN Výskyt: smolinec (uraninit) U 3 O 8 karnotit K 2 (UO 2 ) 2 (VO 4 ) 3.3H 2 O Izotopy (pojem izotopu znám z chemie izotopy vodíku) Je nezbytné zdůraznit, že izotopy se liší fyzikálními, nikoliv chemickýmí vlastnostmi! 238 U štěpitelný rychlými neutrony, 99,3%, T = 5.10 9 let 235 U štěpitelný pomalými neutrony, 0,7 %, T = 7.10 8 let ( *) ( 234 U stopový obsah, T = 8.10 5 let ) ( *) Fenomén Oklo (Gabun, Afrika) obsah 235 U je jen 0,3%! Možné vysvětlení: přírodní atomový reaktor (?!) (prokázán vyšší výskyt štěpných produktů)
Fyzikální podstata jaderné energie Hmotnostní schodek Δm = Z m p + (A - Z)m n M j Př.: Pro 4 2He vychází Δm = 0,03038 m u Vazebná energie atomového jádra ΔW = Δm.c 2 Př.: Pro 4 2He je ΔW = 4,55 10-12 J = 28,4 MeV
PRINCIP JADERNÉHO REAKTORU ŠTĚPENÍ JADER (Hahn, Meitnerová 1936) 235 92 U + 1 0 n 139 56 Ba + 94 36 Kr + 3 1 0 pomalé neutrony 235 92 U + 1 0 n 139 54 Xe + 95 38 Sr + 2 1 0 pomalé neutrony n + E (150 MeV) n + E (150 MeV) Obecně: A ZX + 1 0n A1 Z1Y + A2 Z2Z + k 1 0n + E přičemž Z1 + Z2 = Z; A + 1 = A1 + A2 + k; A1/A2 2/3 Štěpitelné jsou: 235 U, 239 Pu, nikoliv 238 U!! 238 92 U + 1 0 n 239 92 U (β) 239 93 Np (β) 239 94 Pu
Jaderné reaktory Pomalé neutrony vyžadují moderátor -Moderované grafitem (starší typ - Černobyl) -Lehkovodní (H 2 O je moderátor i chladivo) BWR s vroucí vodou (Fukušima, jednookruhový) PWR (VVER) voda pod tlakem až 100 at (Dukovany, Temelín, dvouokruhový) -Těžkovodní (CANDU Kanada, D 2 O) Rychlé neutrony jde o množivé reaktory (breedery), bez moderátoru; chlazení kapalným sodíkem
Reaktor moderovaný grafitem (starší)
Lehkovodní reaktor
POSTUP VÝROBY PALIVOVÝCH ČLÁNKŮ 1/ Těžba a úprava uranové rudy, příprava koncentrátu ( yellow cake ) UO 3 + H 2 SO 4 UO 2 SO 4 + H 2 O 2 UO 2 SO 4 + 6 NH 3 + 3 H 2 O (NH 4 ) 2 U 2 O 7 + 2 (NH 4 ) 2 SO 4 9 (NH 4 ) 2 U 2 O 7 6 U 3 O 8 + 14 NH 3 + 15 H 2 O + 2 N 2 2) Konverze uranového koncentrátu na plynný UF 6 reakcí shno 3 (UO 2 )(NO 3 ) 2 UO 3 UO 2 dále: UO 2 + 4HF 2 H 2 O + UF 4.. + F 2 UF 6 3/ Obohacování (z 0,71% 235 U na cca 3%) (difuzí nebo odstředivky UF 6 je stabilní plyn) 4/ Rekonverze UF 6 na UO 2 (pozor na kritické množství!), lisování na tablety UF 6 + 2 H 2 O 4 HF + UO 2 F 2 + H 2 2 HF + UO 2 5/ Výroba vlastních palivových článků (plnění pelet s UO 2 do obalových trubek, grafitové matrice apod.) 6/ Zpracování vyhořelých článků, vrácení štěpitelných materiálů do cyklu 7/ Uložení radioaktivních odpadů (reaktor 1GW produkuje ročně cca 30 tun)
Jaderná elektrárna celkové schéma
Mezinárodní stupnice jaderných událostí INES (The International Nuclear Event Scale ) 7 Velká havárie (např. Černobyl) 6 Závažná havárie (Fukušima?) 5 Havárie s účinkem na okolí (Windscale) 4 Havárie v jaderném zařízení 3 Vážná porucha 2 Porucha 1 Odchylka 0 Odchylka bez vlivu na bezpečnost
Na jaderných elektrárnách ve světě dochází každoročně k jedné až dvěma událostem hodnoceným stupněm 1, 2 Přehled větších havárií JE: Černobyl 1986 (stupeň 7 INES) Fukušima, Japonsko 2011 6 (?) Windscale, Anglie 1957 5 Three Mile Island, USA, 1979 5 Saint Laurent Francie,1980 4 Jaslovské Bohunice, 1977 4 Buenos Aires Argentina 1983 4 Tokaimura, Japonsko 1999 4 Vandellos Španělsko 1989 3 Davis Besse USA, 2002 3 Paks -Maďarsko, 2002 3
HAVÁRIE ČERNOBYL 26.4.1986
ČERNOBYL 1/ Šlo o klasický, nikoli jadernývýbuch!! 2/ Příčina: selhání obsluhy i techniky, experiment před odstávkou reaktoru se zkoušelo, zda je elektrický generátor při setrvačném doběhu schopen napájet čerpadla nouzového chlazení (!) 3/ Výbuch vdůsledku nekontrolovatelného nárůstu teploty (tlak vodní páry odmrštil víko poklopu o váze 1000 tun!) 4/ Další výbuch vdůsledku reakce vodní páry srozžhaveným grafitem (C + H 2 O CO + H 2 ) 5/ Důsledek: uvolnění cca 900 tun vysoce radioaktivního odpadu zamoření obrovského území 6/ Evakuace přilehlého města Pripjať (50 tis. obyvatel) během 24 hodin Dnes: 1. zóna okruh 10 km zákaz pobytu, 2. zóna 30 km omezený pohyb lidí, kontrolované pásmo 7/ Provoz ostatních bloků zastaven; dodnes je na Ukrajině dalších 5 JE podobného typu 8/ Sanace: vytvořen betonový sarkofág provizorní, již dnes vychýlen (viz foto) 9/ Definitivní řešení -nový sarkofág (cena cca 100 mld Kč) za přispění EU 10/ Území bude neobyvatelné tisíce let (dlouhé poločasy rozpadu Cs, Sr)
Klady a zápory jaderné energetiky Úspora fosilních paliv (1 kg uranu - 20 GWh) Šetrnost k životnímu prostředí (odpadá odsiřování) Relativní dostatek surovin Ekonomické důvody Problém s uložením/zpracováním jaderného odpadu Riziko havárie (zemětřesení, terorismus, válečný stav) Veřejné mínění (politikum) Vše by vyřešila úspěšná řízená termojaderná fúze. Neřízená reakce již realizována vodíková bomba: (Např. 2 1 D + 2 1 D 3 1 T + 1 1 p + 4 MeV)