Reaktor jądrowy. Schemat. Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys

Transkrypt

1 Reaktor jądrowy Schemat

2 Elementy reaktora Rdzeń Pręty paliwowe (np. UO 2 ) Pręty regulacyjne i bezpieczeństwa (kadm, bor) Moderator (woda, ciężka woda, grafit, ) Kanały chłodzenia (woda, ciężka woda, sód, ) Kanały badawcze Reflektor neutronów Osłona biologiczna Osłona termiczna (Zbiornik w którym zamknięty jest rdzeń)

3 Klasyfikacja reaktorów Klasyfikację reaktorów wykonuje się ze względu na bardzo różne cechy, np. Paliwo: Naturalny uran (zawartość 235 U=0.72%) Wzbogacony uran ( 3-5% a nawet 20%) 239 Pu, 233 U otrzymane z przeróbki wypalonego paliwa Moderator: H 2 O lekkowodne = LWR (Light Water Reactor) D 2 O ciężkowodne =HWR(Heavy Water Reactor) 12 C grafitowe

4 Klasyfikacja reaktorów (2) Chłodzenie Woda pod normalnym ciśnieniem = BWR (Boiling Water Reactor) Woda pod dużym ciśnieniem (aby była płynem w wysokich temperaturach) = PWR (Pressurized- Water Reactor) lub = WWER (Wodno Wodianyj Energeticzeskij Reaktor) Gaz (CO 2 lub He) = GCR (Gas Cooled Reactor) Stopione metale (Na lub Pb) Stopione sole np. fluoru = MSR

5 Klasyfikacja reaktorów (3) Rodzaj konstrukcji Pierwszej generacji = prototypowe Drugiej generacji=pierwsze przemysłowe Trzeciej generacji=reaktory nowszych konstrukcji Czwartej generacji=dopiero projektowane Przeznaczenie Energetyczne (power reactor) Powielające tj. wytwarzające nowe paliwo do reaktorów lub do celów wojskowych (breeder reactor) Badawcze (research reactor), itd.

6 Klasyfikacja reaktorów (4) Reaktory na neutrony termiczne: konieczne spowalnianie neutronów a więc Musi być moderator Paliwo musi być wzbogacone o 235 U Ilość rozszczepialnej substancji na końcu <70% Reaktory na neutrony prędkie (En>100 kev): nie spowalnia się neutronów, więc Nie potrzeba moderatora ale Potrzeba więcej paliwa (mimo to cały reaktor jest mniejszy stosowane na okrętach i łodziach podwodnych) Ilość rozszczepialnej substancji na końcu może być >100% (powielanie paliwa)

7 Schemat elektrowni jądrowej

8 Zdjęcie elektrowni jądrowej

9 Przemysłowo stosowane reaktory

10 Plusy Plusy i minusy energetyki jądrowej Niewielki udział kosztów paliwa stabilne ceny energii Tańsza niż inne rodzaje energetyki (gdy weźmie się WSZYSTKIE koszty pod uwagę również rekultywację środowiska) Bezpieczna i ekologiczna przy poprawnej obsłudze Minusy Konieczność składowania i/lub przeróbki odpadów Konieczność zachowania wysokich standardów przy budowie i obsłudze Efekt nagrzania środowiska (występujący także w konwencjonalnych elektrowniach węglowych) można ciepło odpadowe wykorzystać np. stosując silniki Stirlinga

11 Naturalny reaktor w OKLO Abundancja 235 U w naturalnym U jest stała na całym świecie i wynosi Wynika to z faktu, że cały U powstał w tym samym czasie i wtedy abundancja 235 U wynosiła 50%. Znając czasy półrozpadu Można oszacować, że od chwili powstania uranu upłynął czas t potrzebny aby abundancja była równa Ten czas wynosi około 6 miliardów lat

12 Naturalny reaktor w Oklo (2) w 1972 r. grupa francuskich uczonych zaobserwowała w Oklo (Gabon zachodnie wybrzeże środkowej Afryki), że istnieją próbki o abundancji 235 U równej (3 odchylenia standardowe mniejsze) a przy dalszym poszukiwaniu znaleziono próbki, gdzie abundancja wynosiła Nie może to być potraktowane jako statystyczne odchylenie Logiczne wytłumaczenie polega na tym, że istniał tam naturalny reaktor jądrowy (bo taka abundancja 235 U jest typowa dla wypalonego paliwa jądrowego w reaktorze)

13 Naturalny reaktor w Oklo (3) Paliwem w reaktorze były rozpuszczone w wodzie sole UO 2 Moderatorem neutronów była woda, w której znajdowały się sole Aby mogła zachodzić reakcja łańcuchowa to abundancja 235 U musiała wynosić przynajmniej 3 % Stąd można oszacować, że reaktor istniał ok. 2 miliardy lat temu Z ilości wypalonego paliwa wynika, że miał on moc rzędu 100 kw i działał od do lat Stąd ilość wyprodukowanej energii ~ GWh

14 Naturalny reaktor w Oklo (4) Reaktor sam się regulował bo wydzielanie ciepła związane z reakcją łańcuchową powodowało wyparowanie wody moderatora niezbędnego dla podtrzymania reakcji łańcuchowej. Wtedy reaktor przestawał działać aż do następnych opadów. Produkty rozszczepienia nie zostały przez te 2 miliardy lat rozrzucone w dużym obszarze Wniosek: przechowywanie wypalonego paliwa z reaktora w stabilnych geologicznie utworach skalnych jest możliwe i wydaje się rozsądnym rozwiązaniem

15 Formacja geologiczna - Oklo

16 Reakcje jądrowe w przyrodzie Reakcje jądrowe są bardzo ważne dla zrozumienia dwu bardzo istotnych problemów: Nukleosyntezy, czyli produkcji pierwiastków w przyrodzie bo wszystkie molekuły związków chemicznych zbudowane są z atomów, których istnienie uwarunkowane jest przez istnienie ich jąder atomowych Źrodła energii emitowanej przez gwiazdy w tym przez Słońce oraz ewolucji gwiazd. Źródłem energii są reakcje termojądrowe, które także decydują o ewolucji gwiazdy. Stąd życie na Ziemi i warunki tu istniejące narzucone są przez zachodzenie reakcji.

17 Nukleosynteza: pierwotna nukleosynteza Pierwotna nukleosynteza (ang. Primordial nucleosynthesis) to ta, która zachodziła we wczesnym stadium po Wielkim Wybuchu Mogła ona zachodzić dopiero wtedy, gdy temperatura leptonów i nukleonów spadła (w wyniku rozszerzania się Wszechświata) do takiej wartości, która nie powodowałaby zniszczenia (tworzących się przez fuzję nukleonów) jąder atomowych Dalsze rozszerzanie się Wszechświata zatrzymało tę nukleosyntezę bo gęstość dostępnych nukleonów i jąder atomowych stała się zbyt mała Później nukleosynteza zachodziła w zgęszczeniach materii tj. w gwiazdach

18 Pierwotna nukleosynteza Pierwszym złożonym jądrem był deuteron Następne to tryt i 3 He Kolejnym jądrem atomowym to cząstka alfa Cząstka alfa nie daje z neutronem ani z protonem stabilnego jądra (zarówno 5 He jak 5 Li są niestabilne) Także niestabilne jest jądro 8 Be (2 cząstki alfa)

19 Pierwotna nukleosynteza (2) Powstawały również izotopy 7 Li i 7 Be 7 Be jest niestabilny (wychwyt elektronu z czasem półrozpadu 53 dni) Powstawanie cięższych jąder atomowych zostało zahamowane przez następujące efekty: Wzrastającą barierę kulombowską Spadek temperatury wraz z rozszerzaniem Wszechświata Spadek gęstości zapobiegający zderzeniom W rezultacie powstały izotopy wodoru, helu i 7 Li

20 Wykres Hertzsprunga Russela (H-R) Wykres jasności gwiazd względem ich koloru (klasy widma). Po lewej stronie sa gwiazdy o wysokiej temperaturze (białe) a po prawej gwiazdy o niskiej temperaturze (czerwone).

21 Wykres Hertzsprunga Russela (H-R) Gwiazdy o średniej i niewielkiej masie, takie jak Słońce leżą na linii przebiegającej skośnie od lewego, górnego do dolnego, prawego rogu rysunku. Ten zbiór gwiazd nazywa sie ciagiem głównym". Gwiazdy o wielkiej masie ( olbrzymy") tworza zbiór położony na prawo, powyżej ciągu głównego. Na lewo i poniżej ciągu głównego leży zbiór białych karłów", tj. niezbyt masywnych gwiazd - resztek starych wypalonych gwiazd, które wraz z wiekiem obniżają temperaturę przesuwając się na prawo wykresu.

22 Wykres Hertzsprunga-Russela

23 Tworzenie się gwiazd Z pyłu, w którym fluktuacje gęstości wraz z działaniem grawitacji prowadzą do utworzenia protogwiazdy na ciągu głównym

24 I etap ewolucji :od ciągu głównego do olbrzyma Spalanie wodoru a następnie helu i cięższych jąder doprowadza do zmiany składu gwiazdy i do przesunięcia gwiazdy na wykresie H-R

25 II etap ewolucji: od olbrzyma do karła (Słońce) Zagęszczenie grawitacyjne rdzenia olbrzyma powoduje wybuch ( nowa ) po którym pozostaje mgławica z karłem w centrum