Dlaczego Energia Jądrowa?

Transkrypt

1 Elektrownia Jądrowa Loviisa (SF) Dlaczego Energia Jądrowa? Stefan Taczanowski Katedra Energetyki Jądrowej Wydział Energetyki i Paliw AGH Konwersatorium Platforma technologiczna smart grid AGH

2 Rozpowszechnienie energii jądrowej Szwecja Litwa Białoruś Niemcy Polska Czechy Ukraina Słowacja Spośród sąsiadów Polski od energii jądrowej "wolna" jest tylko Białoruś ¾ ludności świata Ŝyje w krajach posiadających energię jądrową Rozpowszechnienie energii jądrowej Jednym słowem jesteśmy osaczeni! Nie moŝna pokonać trzeba pokochać! przez

3 Czy potrzebujemy energii elektrycznej? ZuŜycie energii elektrycznej (na mieszkańca) w UE kwh/cap Romania Bulgaria Jedynie w 3-ch krajach UE zuŝywa się mniej energii elektrycznej niŝ w Polsce Światowe zasoby uranu (~3 ppm) Zasoby uranu (przeciwnie niŝ węglowodorów) są rozmieszczone w świecie dość równomiernie. Głównymi złoŝami dysponują: Australia, Kazachstan, Kanada, USA, RPA, Niger, Namibia, Rosja, Brazylia, Ukraina i in. Na uwagę zasługują zasoby oceaniczne. >10 mld t >10 27 J Obecne globalne roczne zuŝycie energii: ~ J śywotność zasobów uranu: (10 27 J)/( J/rok) = ~ lat [%]

4 Źródło Energii Jądrowej RównowaŜność masy i energii KaŜda zmiana E energetycznego stanu ciała pociąga za sobą zmianę jego masy, zwanej relatywistyczną: E = mc Rozszczepienie jąder atomowych (pod działaniem neutronów) 2 neutrony energia Energia wyzwalana w reakcji rozszczepienia jąder cięŝkich (np. uranu) jest 50 milionów ile? razy większa od uzyskiwanej z reakcji łączenia atomu C (spalania) węgla z tlenem C+O 2 CO 2 Prawdopodobieństwo oddziaływań w mikroświecie Miara prawdopodobieństwa reakcji - Przekrój czynny R 2 R 2 R 1 Przekrój czynny σ reakcji (całkowity) Na całkowity przekrój czynny mikroskopowy: (pole powierzchni) składają się wszystkie moŝliwe reakcje: rozpraszanie, absorpcja, produkcja cząstek wtórnych itp. Jednostka przekroju czynnego: barn 1 b = cm 2

5 Reakcje jądrowe cd. Reakcja rozszczepienia (własności) Składowe energii rozszczepienia En. kinetyczna fragmentów ~ 160 MeV En. neutronów natychmiast. ~ 5 MeV + ~10MeV en. wiąz. n. liczba neutronów ν =2.5 En. natychmiastowych fotonów ~ 5 MeV En. rozpadów γ prod. rozszcz. ~ 10 MeV En. rozpadów β prod. rozszcz. ~ 10 MeV ~ En. neutrin ν e ~ 10 MeV Suma ~ 200 MeV (bez neutrin) Ok. 10% energii pojawia się z opóźnieniem (rozpady!) jako tzw. ciepło powyłączeniowe Zjawisko neutronów opóźnionych β - frakcja neutronów Opóźnienie średnie: ok. 20 sekund opóźnionych Takie opóźnienie daje moŝliwość β( 235 U) ~ 0.65% sterowania reaktora; β( 239 Pu) ~ 0.25% jemu zawdzięczamy istnienie energetyki 6 grup neutronów o róŝnym opóźnieniu jądrowej Fizyka Reaktorowa Istota reakcji łańcuchowej (tj. samopodtrzymującej się) Model reakcji łańcuchowej X,Y - fragmenty rozszczepień n straty, ucieczka z układu X n pochłonięcie - np. w 238 U (odtwarzanie paliwa) n 235 U losy neutronów n Y spowalnianie cykl rozszczepień spowalnianie Jak przewidzieć zachowanie populacji neutronów w czasie? NaleŜy oszacować mnoŝenie neutronów w układzie, czyli obliczyć k - współczynnik mnoŝenia neutronów, tj. stosunek liczby neutronów w kolejnych cyklach

6 Stabilność Reaktora Jądrowego Nie zawsze k = 1 Po i pokoleniach gdy k > 1 a i to k i jest to wzrost wykładniczy a jeśli k < 1 to k i 0 jest to spadek wykładniczy Taki układ nie jest stabilny! Wzrost wykładniczy to reakcja lawinowa wybuch jądrowy Uproszczony Model Reaktora bez neutronów opóźnionych, z jedynym natychmiastowym sprzęŝeniem zwrotnym: neutrony generują neutrony! n(t) x(t) ( _ ) + k n(t) Reprodukcja neutronów SprzęŜenie zwrotne k n(t) y(t) Ale To sprzęŝenie zwrotne oczywiście jest dodatnie Ale k jest silnie uzaleŝnione od bardzo wielu czynników fizycznych: temperatury, ciśnienia, mocy, strumienia neutronów i in., które samoczynnie przeciwdziałają niekontrolowanemu wzrostowi k! Podstawa bezpieczeństwa Stabilność działania reaktora jest osiągalna. Bez ingerencji czynników technicznych lub operatora! Bezpieczeństwo Reaktorów Energetycznych Głównym zagroŝeniem nie jest ewentualna eksplozja - w reaktorach z wodą jako moderatorem wybuch jądrowy na skalę "Hiroshimy" jest fizycznie niemoŝliwy Głównym zagroŝeniem - promieniotwórczość uŝytego paliwa, tj. produkty rozszczepienia Groźba rozprzestrzenienia promieniotwórczości wynika z nieodłącznego od niej ciepła powyłączeniowego, które w razie braku chłodzenia moŝe doprowadzić do uszkodzenia paliwa Po rocznej pracy reaktora moc powyłączeniową wyraŝa wzór przybliŝony: 0.1 P(t) = P0 t > 200 [s] 4 t 10 0 P/P Moc powyłączeniowa udział rozszczepień od neutronów opóźnionych ciepło rozpadów 10-3 t[s] godzina dzień miesiąc rok t - czas od wyłączenia reaktora Moc owyłączeniowa (wartości przybliŝone) czas 1 minuta 1 godzina 1 dzień 1 tydzień 1 miesiąc 1 rok 10 lat P/P 0 [%]

7 Elektrownia konwencjonalna (paliwo organiczne) gazy odlotowe Elektrownia jądrowa a konwencjonalna b o i l e r węgiel powietrze Elektrownia jądrowa a konwencjonalna

8 Reaktorjądrowy LWR (wodny ciśnieniowy) Pręty sterownicze Obieg chłodzenia Rdzeń Budynek reaktora Reaktor Paliwo jądrowe Pastylki UO 2 i pręt paliwowy Paliwo jądrowe przed uŝyciem nie wymaga Ŝadnych osłon!

9 Bezpieczeństwo Energetyki Jądrowej Bariery bezpieczeństwa reaktora Reaktor energetyczny ZuŜyte paliwo jądrowe jest b.silnie promieniotwórcze. Wymaga ścisłego odizolowania od otoczenia. Szczelny budynek (4) "Second (4a) Containment" Osłona (3b) biologiczna' II Osłona (3a) biologiczna' I Zbiornik reaktora (3) Koszulki (2) paliwowe Paliwo (1) jądrowe ' oznacza barierę mechaniczną Skala problemu zuŝytego paliwa Jest to ilość paliwa jądrowego zuŝywanego na osobę w ciągu całego Ŝycia w USA, jeśliby 100% energii elektrycznej uzyskiwano z energii jądrowej.

10 A ile czasu potrzeba na budowę? Tempo budowy reaktora jądrowego Miesiąc Bezpieczeństwo paliwowe kraju Dostawy gazu ziemnego Dostawy ropy naftowej AzjaŚrodkowa ~18% Norwegia 4% Niemcy 3% Kraj ~30% Roczne zuŝycie ropy i prod. naftowych Inni 3.5% kraj 4% ok. 20 mln t Rosja 92.5% Rosja ~45% Źródło: Nafta Polska SA. Roczne zuŝycie gazu ok.14 mld m 3 Problem dywersyfikacji nośników energii pierwotnej jest powaŝny Wykorzystanie krajowego nośnika energii WĘGLA jest nieodzowne

11 Symbioza Węgla z Energią Jądrową Kopalnia węgla CH 0.6 układ i przepływy Klasyczne procesy produkcji paliw węglowodorowych z węgla wymagają spalenia jego części (CO 2!) dla pozyskania energii niezbędnej do otrzymania H 2 Zastosowanie energii jądrowej pozwala tego uniknąć. Petrochemia Karbochemia & zgazowanie H 2 Gaz CH 4 -CH 2 - LPG Diesel Benzyny Woda H 2 O Rozkład wody Energia jądrowa Reaktor jądrowy elektrolityczny termochemiczny O 2 Region śląski jest predestynowany do wdroŝenia tej technologii Wnioski Energia jądrowa jest nieuniknionym wariantem energetyki polskiej. Jest optymalnym, długofalowym rozwiązaniem problemu bezpieczeństwa energetycznego. Energia Jądrowa moŝe nie być konkurentem Węgla lecz jego sojusznikiem. Alians Węgla z Energią Jądrową podnosi bezpieczeństwo paliwowe Polski

12 Dziękuję Państwu za uwagę Przyczyną zniszczenia elektrowni jądrowej Fukushima, a stąd skaŝeń promieniotwórczych, były zjawiska naturalne (gł. tsunami), charakterystyczne dla obszaru tak sejsmicznego jak Japonia Geologia Polski jest inna kataklizm podobnej skali nie jest moŝliwy Polska nie jest drugą Japonią!