Energia jądrowa. Fakty i mity K. Bodek "Energia jądrowa - fakty i mity"

Transkrypt

1 Energia jądrowa Fakty i mity 1

2 Dlaczego temat: ENERGIA? Globalna degradacja środowiska na Ziemi w części wywołana przez naszą cywilizację jest faktem Cywilizacja, aby przetrwać i się rozwijać, dramatycznie potrzebuje źródeł taniej i czystej energii Podstawowe, uŝywane obecnie źródła energii, są nie tylko brudne, ale i na wyczerpaniu 2

3 Źródło: World Bank 1999 Wydajność ekonomiczna a konsumpcja elektryczności 100 PKB GDP (per Per Capita capita) $1000 [k$] ,1 Benin Ethiopia Peru GuatemalaEgypt Haiti China India Sudan Vietnam Mozambique Congo Argentin abrasil Romania Tajikistan Japan United States U.K Norway France. Canada Korea Russia Paraguay 3 0,01 0,01 0, Konsumpcja energii (per capita) [MWh] Electricity Consumption Per Capita MWh

4 Źródło: World Bank Przewidywana średnia długość Ŝycia a konsumpcja elektryczności 4 Średnia Average długość Life Expectancy Ŝycia (years) [lata] Benin Ethiopia Japan Canada France U.K. Norway Bosnia Argentina United States Mexico Saudi Arabia Congo Sri China Brazil Paraguay Lanka Nicaragu Egypt Russia a India Bangladesh Haiti Kenya Zambia Gabon 0,01 0, Electricity Consumption per Capita MWh (log scale) South Africa Konsumpcja energii (per capita) [MWh]

5 USA: trend w konsumpcji energii i wzroście zamoŝności 80% 60% energia nielektryczna energia elektryczna PKB (w $ z r. 1999) Wzrost % growth [%] 40% 20% 0% %

6 Skąd brać energię? E= mc 2 6

7 Rezerwy paliw kopalnych na Ziemi 1 quad = J 7

8 Energia wodna 8 Np. w USA tylko 7% energii elektrycznej jest pokrywanych z zasobów wodnych PowaŜne konsekwencje dla środowiska!

9 Alternatywne źródła energii odnawialnej 9 5 Niezbędna powierzchnia, aby potrzeby USA na energię elektryczną pokryć z tych źródeł

10 Dlaczego energia jądrowa? Są jeszcze duŝe zasoby uranu (dla reaktorów powielających) Jest tania Jest czysta i przyjazna środowisku naturalnemu; nie powoduje emisji CO 2 10

11 a t n vn E gn id a L e ya M t lis em n o i r

12 USA: koszt energii elektrycznej z elektrowni jądrowych Średnia roczna w centach (2004) za kwh 12

13 USA: Ceny paliw do produkcji energii elektrycznej Średnia miesięczna w centach (2004) za kwh Udział kosztów surowca w cenie energii elektrycznej Węgiel, ropa, gaz Uran % 1 % 13

14 Energia jądrowa jest przyjazna środowisku 14

15 Czernobyl? 15

16 Rozszczepienie jąder 16 Suma mas produktów rozszczepienia jest mniejsza niŝ suma mas jądra rozszczepialnego i neutronu Energia wyzwala się w postaci ciepła (energia kinetyczna produktów rozszczepienia; około 200 MeV na jedno rozszczepienie) Uwolnione neutrony inicjują kolejne rozszczepienia (reakcja łańcuchowa) Energia cieplna odprowadzana jest z reaktora przez chłodziwo (woda, gaz, ciekły metal)

17 Reaktory jądrowe 17 Reaktor jądrowy, to urządzenie, które realizuje w sposób kontrolowany samopodtrzymującą się łańcuchową reakcję rozszczepienia Rodzaje reaktorów jądrowych: 1. Termiczne: wykorzystujące moderatory (grafit, H 2 O, D 2 O) do spowolnienia neutronów do energii termicznych, potrzebnych następnie do stymulowania rozszczepienia. Rozszczepienie produkuje neutrony prędkie, które z kolei są spowalniane itd. 2. Prędkie: proces powielania neutronów odbywa się przy energiach wyŝszych niŝ 1 MeV. Reaktory komercyjne i do celów naukowych, to reaktory termiczne

18 Reaktor jądrowy 18

19 Paliwo jądrowe 19 Reaktory konwencjonalne: 1. Paliwo stanowią tu nieparzyste (N) izotopy uranu ( 233 U, 235 U) lub plutonu ( 239 Pu, 241 Pu) 2. Tylko powyŝsze izotopy wnoszą pozytywny wkład do reaktywności systemu, przy zmieniającym się składzie izotopowym elementów paliwowych Reaktory powielające: 1. Parzyste izotopy ( 232 Th, 234 U, 238 U, 240 Pu) nie ulegają rozszczepieniu pod wpływem neutronów termicznych (energia pairingu), ale produkują (przez wychwyt) izotopy nieparzyste 2. Wydajność powielania paliwa ( breeding ) jest zdefiniowana jako stosunek liczby wyprodukowanych jąder rozszczepialnych do liczby zuŝytych w jednym cyklu jąder paliwa

20 Paliwo jądrowe Reaktory powielające (c.d.): 1. Najkorzystniejsze jest powielanie materiału rozszczepialnego przy pomocy neutronów prędkich (1 kev 10 MeV) przez zamianę 238 U na 239 Pu. Wydajność powielenia wynosi około 1.4. Taki system naleŝy do klasy tzw. prędkich reaktorów powielających. 2. Powielanie przy pomocy neutronów termicznych ( 232 Th 233 U) jest znacznie mniej wydajne, ale rozwaŝane w kontekście idei budowy bezpiecznych i tanich reaktorów podziemnych Reaktory wykorzystujące rozszczepienie pod wpływem neutronów prędkich są w fazie prób prototypów 20

21 Paliwo jądrowe 21 Rozpowszechnienie uranu w skorupie ziemskiej a) Tak samo pospolity jak cynk i ołów; średnia zawartość w skorupie ziemskiej wynosi 2.8 ppm b) Szacuje się Ŝe w górnej warstwie skorupy ziemskiej (36 km) znajduje się około 5x10 13 t uranu c) Występuje w rudach o niskiej koncentracji (inaczej niŝ inne metale) Toksyczność uranu a) ZuboŜony uran nie stanowi zagroŝenia radioaktywnego dla organizmów Ŝywych b) Jest trujący chemicznie, podobnie jak inne metale cięŝkie, gromadzi się w nerkach i tkance kostnej c) KaŜdy człowiek przyjmuje dziennie (z poŝywieniem) średnio 2 µg uranu d) Średnia zawartość uranu w organizmie wynosi 90 µg

22 Wpływ elektrowni jądrowej na otoczenie 22 Najbardziej naraŝony na promieniowanie jest personel elektrowni jądrowych Roczna dawka dla personelu elektrowni jądrowych jest podobna do dawki otrzymywanej przez załogi samolotów pasaŝerskich Udział energetyki jądrowej w całkowitym naraŝeniu człowieka na skutki promieniowania jonizującego jest znikomy Dawka [msv] Energetyka Medycyna Wybuchy Czernobyl Rok

23 Wpływ elektrowni jądrowej na otoczenie (c.d.) Odpady radioaktywne są związane z całym cyklem (produkcja paliwa; produkcja energii, utylizacja zuŝytego paliwa, likwidacji elektrowni) Toksyczność odpadów radioaktywnych maleje z czasem Toksyczność odpadów z elektrowni konwencjonalnej nie zmienia się Elektrownia jądrowa nie wytwarza CO 2, CO, SO 2, NO x Rocznie do atmosfery ludzkość emituje ok ton CO 2 Śmiertelność spowodowana chorobami wywołanymi gazami odlotowym w samych Stanach Zjednoczonych wynosi ok zgonów rocznie 80 km od nowoczesnej elektrowni węglowej trzykrotnie większa dawka promieniowania niŝ od elektrowni jądrowej 23

24 Wpływ elektrowni jądrowej na otoczenie (c.d.) 24 Składowanie odpadów radioaktywnych nie jest skaŝeniem na wielką skalę - skorupa ziemska sama zawiera olbrzymie ilości substancji radioaktywnych Efekty długoterminowe składowania odpadów naleŝy rozwaŝać w kontekście innych, nieuniknionych katastrof (zmiany klimatu, meteoryty, itp.) Zawartość nieprzydatnych (obecnie) substancji radioaktywnych ze zuŝytego paliwa jądrowego wynosi około 3%; objętość odpadów moŝna zatem radykalnie zmniejszyć w procesie przetwarzania

25 Awarie w elektrowniach jądrowych Reaktor NRX Windscale-1 SL-1 Lucerna Browns Ferry-1 TMI-2 Chernobyl-4 Kraj Kanada Wielka Brytania USA Szwajcaria USA USA ZSRR Przeznaczenie Sposób wykorzystania badawczy cywilny produkcyjny (Pu) wojskowy doświadczalny wojskowy doświadczalny cywilny energetyczny cywilny energetyczny cywilny energetyczny + Pu ccwilno- wojskowy Typ BWR PWR RBMK Rok uruchomienia Rok awarii Moc cieplna [MW] 40? Moderator D 2 0 grafit H 2 O D 2 O H 2 O H 2 O grafit Chłodziwo H 2 O powietrze H 2 O CO 2 H 2 O H 2 O H 2 O Typ awarii Stan rdzenia po awarii Bezpośrednie ofiary śmiertelne nadkrytyczność zniszczone 22 el.. paliwowe 0 poŝar uszkodzonych 150 el. paliwowych 0 nadkrytyczność stopionych 20% el.. paliwowych 3 blokada chłodzenia zniszczony 1 el. paliwowy 0 poŝar bez uszkodzenia 0 stopienie rdzenia zniszczony 0 poŝar zniszczony 31 25

26 Awaria w Czernobylu (ZSRR) 1986 r. 26 Reaktor typu RBMK: o Bezpośrednia przyczyna awarii bezgranicznie głupie i nieodpowiedzialne eksperymenty prowadzone na nocnej zmianie o o o o o Uruchomiono łańcuch zdarzeń prowadzący do wzrostu temperatury (do 5000 o C) i mocy (kilkaset razy) Podwójny wybuch wodoru (gaz wodny, reakcja H 2 O + C) PoŜar 2000 t grafitu Stopienie rdzenia Odrzucenie osłony betonowej komory reaktora

27 Awaria w Czernobylu (ZSRR) 1986 r. 27 Skutki: o o o o o o o o Po awarii z uszkodzonego reaktora wydzielało się 78 MW ciepła (poŝar grafitu, reakcje chemiczne, rozszczepienie) Do atmosfery przedostało się Bq substancji promieniotwórczych na znaczne wysokości Opad radioaktywny ( 131 I, 134 Cs, 137 Cs) w 70% przypadł na Białoruś,; reszta rozdzieliła się na Ukrainę, Rosję i pozostałe kraje Europy Bezpośrednie naraŝenie osób osób otrzymało dawkę 450 msv (tzw. Ŝyciowa); msv (bardzo małe dawki mimo gigantycznego skaŝenia km 2 zostały skaŝone aktywnością kbq) Strefa zamknięta w promieniu 30 km W wyniku eksplozji Ŝycie straciły 2 osoby, a 1 zmarła na atak serca 28 straŝaków zmarło w wyniku choroby popromiennej

28 Awaria w Czernobylu (ZSRR) 1986 r. Polityczno-socjologiczne: o o o Skutki nie respektują granic państwowych Konieczne są stałe inwestycje w infrastrukturę i nowe technologie jądrowe Wiarygodność energetyki jądrowej i jej społeczna akceptacja wymagają pełnej przejrzystości i informacji o ewentualnych zaistniałych zagroŝeniach 28

29 Sprawność elektrowni 29

30 Wskaźnik zuŝytej powierzchni 30

31 Porównanie elektrowni węglowej Opole z jądrową Beznau Elektrownia jądrowa Beznau Elektrownia węglowa Opole 31

32 Elektrownia węglowa Opole 9 km na północ od Opola nad rzeką Mała Panew 32 Węglowy blok energetyczny o mocy 470 MW

33 Elektrownia jądrowa Beznau 33

34 Porównanie elektrowni węglowej Opole i jądrowej Beznau Typ bloku Opole BP-1150 Beznau PWR Moc elektryczna Moc termiczna Woda zasilająca T/P Para/woda na wyjściu z kondensatorów T/P Ilość pary na turbinę Ilość wytwornic pary Wysokość bloku Powierzchnia zabudowy 360 (brutto) 925 MW 255 o C / 21.0 MPa 540 o C / 18.3 MPa 1150 t/h m 96 ha (6 bloków) 360 (netto) 1130 MW 285 o C / 15.5 MPa 315 o C / 15.5 MPa 270 o C / 5.5 MPa 2 x 1152 t/h 2 pionowe 67 m 6 ha (2 bloki) 34 Roczna ilość surowców t (mączka wapienna) t (węgiel) 39.5 t (wsad) 13 t (zuŝycie)

35 35 Porównanie elektrowni węglowej Opole i jądrowej Beznau (c.d.) Roczna ilość odpadów Obiekty i urządzenia specyficzne dla danego typu bloku Zatrudnienie t (popiół i ŜuŜel) t (gips) Opole t CO t CO t NO t SO 2 i SO Rozbudowany układ transportu kolejowego Obiekty nawęglania Obiekty odpopielania Instalacje powietrza Instalacje spalin Instalacja odsiarczania Komin (250 m) osób (4 bloki) Beznau 0.8 m 3 odpadów wysokoaktywnych 50 beczek odpadów średnioaktywnych 100 beczek odpadów niskoaktywnych Szczelny budynek reaktora Basen do przechowywania wypalonego paliwa Magazyn odpadów niskoi średnioaktywnych Wytwornice pary 460 osób (2 bloki)

36 Reaktory jądrowe IV generacji 36

37 Etapy rozwoju technologii reaktorowej 37

38 GenIV: : wstępny wybór obiecujących rozwiązań 38

39 Główne zadania systemów GenIV Partycypujące kraje chcą zachować autonomię w implementacji swoich priorytetów i wyborze systemu Zidentyfikowano trzy obszary zastosowań systemów GenIV przez kraje członkowskie: 1. Produkcja elektryczności Produkcja elektryczności Obydwie Produkcja wodoru 2. Produkcja wodoru 3. Zagospodarowanie aktynowców Temperatura wyjściowa 39

40 Unieszkodliwianie odpadów radioaktywnych Czasy Ŝycia izotopów w odpadach z reaktora lekko-wodnego: 40

41 Unieszkodliwianie odpadów radioaktywnych - transmutacja Transmutacja to proces, w którym długoŝyciowy izotop promieniotwórczy ulega przemianie na izotop stabilny, albo na krótkoŝyciowy Transmutacji dokonuje się zazwyczaj po to, aby zmniejszyć toksyczność odpadów radioaktywnych, tzn. wytworzyć produkty o istotnie krótszym czasie zaniku i zmniejszyć ryzyko i koszty przechowywania odpadów radioaktywnych 41

42 Accelerator Driven System ( Wzmacniacz Energii ) Komponenty ADS: o o Akcelerator protonów o energii 1 GeV i mocy wiązki 5-40 MW Transmuter reaktor podkrytyczny ze spalacyjnym źródłem neutronów 42

43 Kontrolowana fuzja jądrowa Jądra lekkich pierwiastków mogą się łączyć zwalniając róŝnicę energii wiązania w postaci energii kinetycznej produktów Najbardziej interesujące reakcje to: Reakcja (MeV) ce(kev) (MeV) d + d 3 He + n d + d t + p d + t 4 He + n d + 3 He 4 He + p p + 6 Li 3 He + 4 He p + 7 Li 4 He + 4 He >900 p + 11 B 4 He + 4 He + 4 He

44 Uwięzienie gorącej plazmy, tokamaki Sposoby: Grawitacyjne dostępne tylko w gwiazdach Bezwładnościowe gwałtowna kompresja zewnętrznej warstwy elementu paliwa wywołująca falę uderzeniową o o o Magnetyczne cząstki naładowane poruszają się po spiralach owijających się wokół linii pola magnetycznego 44

45 International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER( ITER) JET ITER 45

46 Komu wierzyć? Alternatywne źródła energii panaceum na energoŝerność naszej cywilizacji? Ekologiczne surowce kopalne (gaz ziemny)? A moŝe biopaliwa? Energia z rozszczepienia jąder? Fuzja jądrowa? Energetyka jądrowa w Polsce? 46

47 Literatura 47