Energia z jądra atomu zagrożenie czy ratunek dla środowiska?

Transkrypt

1 Energia z jądra atomu zagrożenie czy ratunek dla środowiska? Artur Błachowski Instytut Fizyki Wydział Matematyczno-Fizyczno-Techniczny Uniwersytet Pedagogiczny, Kraków KONWERSATORIUM POPULARYZACJI WIEDZY, 17 MARCA 2010

2 Prezentacja zrealizowana w ramach projektu WIEDZA TECHNICZNA: "Wzmocnienie znaczenia Politechniki Krakowskiej w kształceniu przedmiotów ścisłych i propagowaniu wiedzy technicznej w regionie Nr projektu UDA POKL / wiedza@pk.edu.pl współfinansowanego przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.

3 1. Rys historyczny wydarzeńi odkryćnaukowych, które doprowadziły do odkrycia reakcji rozszczepiania jądra atomowego i wykorzystania energii jądrowej.

4 1911 -Ernest Rutherford odkrycie jądra atomowego rozmiar jądra atomowego m, rozmiar atomu m James Chadwick odkrycie neutronu

5 1938 -Otto Hahni Fritz Straßmann odkrycie rozszczepienia jąder uranu LiseMeitneri Otto R. Frisch teoretyczne wyjaśnienie rozszczepienia jądra atomowego Enrico Fermi pierwszy reaktor jądrowy (stos atomowy) University of Chicago w Stagg Field

6 E = mc 2 Albert Einstein i Leo Szilard Franklin Delano Roosevelt

7 Sunday December 7, 1941 Pearl Harbor, Hawaii, USA Mitsubishi A6M2 "Zero" takes off from the aircraft carrier Akagi USS West Virginia(severely damaged), USS Tennessee(damaged), USS Arizona(sunk). January 19, 1942 F.D. Roosevelt s note to Vannevar Bush

8 Manhattan Project największe naukowo-konstrukcyjne przedsięwzięcie w historii ludzkości tysięcy osób (USA, UK, Kanada) - 23 mld USD (CPI 2008); dla porównania - LHC 8 mld USD Hanford Engineer Works Los Alamos: Laboratory J. Robert Oppenheimer kierownik naukowy projektu Oak Ridge Clinton Engineer Works Stanisław Ulam - polski matematyk

9 1954 pierwsza doświadczalna elektrownia jądrowa, Obnińsk, ZSRR pierwsza komercyjna elektrownia jądrowa Calder Hall, Wielka Brytania. Obnińsk Calder Hall Energetyka jądrowa jest następstwem zaawansowanej technologii militarnej zaadoptowanej do celów pokojowych tak samo jak np. lasery w CD/DVD, Internet, telefonia komórkowa itd. W żadnej elektrowni jądrowej NIE JEST MOŻLIWY wybuch jądrowy.

10 2. Trochę fizyki, czyli jak to działa.

11 Izotopy A Z X N Z liczba atomowa = liczba protonów w jądrze N liczba neutronów w jądrze A liczba masowa A=Z+N np. 1 H, 2 H, 3 H 12 C, 13 C, 14 C 54 Fe, 56 Fe, 57 Fe 233 U, 235 U, 238 U

12 ( ) 2 2 N Z c M m m c M E j n p w + = = Defekt masy M ( ) j n p M m m M + = N Z Energia wiązania jądra E w to właśnie ta energia wykorzystywana jest w energetyce jądrowej

13 E w = M c 2 ( ) 2 Z m + N m M c Energia wiązania nukleonu w jądrze w funkcji liczby masowej jądra A E w /A (MeV) = p n j

14 n+ 92U 92U 56Ba+ 36Kr + 30 n + E

15 Energia wyzwalana podczas rozszczepienia jednegojądra 235 U 200 MeV Energia wyzwolona podczas spalenia jednego atomu C 4 ev Uzyskiwana ilość energii: 1 kg 235 U = kg C

16 W jaki sposób można sterować przebiegiem reakcji rozszczepienia Moderator (spowalniacz) neutronów Energia neutronów wywołujących rozszczepienie 235 U Energia neutronów powstających z rozszczepienia 235 U Moderatory stosowane w energetyce jądrowej: woda H 2 O ciężka woda D 2 O grafit C 0.1 ev MeV Pręty sterujące i pręty bezpieczeństwa - wykonane z materiałów bardzo intensywnie pochłaniających neutrony kadm Cd bor B

17

18 3. Energetyka jądrowa

19 Cykl paliwowy

20 Materiały rozszczepialne (paliwo jądrowe) 233 U, 235 U, 239 Pu Naturalny uran zawiera: 238 U 99,27 % 235 U 0,72 % Kopalnia rudy uranu, McArthur River, Kanada

21 Wydobycie uranu otwarty rynek surowców uranowych największe zasoby uranu w stabilnych politycznie krajach o gospodarce rynkowej (Kanada, Australia)

22 Wzbogacanie uranu do 4% 235 U Francja, USA, Rosja, UK metoda wirówkowa metoda dyfuzyjna

23 Produkcja paliwa uranowego pastylki paliwowe pręty paliwowe zestaw paliwowy UO 2 Elektrownia o mocy 1000 MWepotrzebuje na 1 rokpracy: EJ 640 kg 235 U = kg paliwa uranowego = 1 ciężarówka EW kg węgla = wagonów = 3 pociągi dziennie

24 Elektrownia jądrowa (atomowa, nuklearna)

25 A. B Obieg pierwotny Obieg wtórny Zbiornik reaktora Rdzeń reaktora Pręty sterujące Stabilizator ciśnienia Wytwornica pary Pompa obiegu pierwotnego Rurociąg obiegu pierwotnego Obieg wtórny kondensatu Obieg wtórny pary Turbina wysokopręŝna Turbina niskopręŝna Pompa kondensatu Skraplacz Generator Wzbudnica Transformator Linia wysokiego napięcia Otwarte źródło wody Zasilanie wody chłodzącej Rurociąg wody chłodzącej Rurociąg wody chłodzącej Chłodnia kominowa Wlot powietrza chłodzącego Wylot pary wodnej Wylot wody chłodzącej

26

27

28 Elektrownie jądrowe w Europie

29 10 elektrowni jądrowych w odległości do 300 km od granic Polski

30 Udział energii elektrycznej wytwarzanej z róŝnych źródeł energii (2007) węgiel EJ gaz hydro biomasa wiatr ropa inne

31 Źródła pozyskiwania energii elektrycznej w Polsce Źródła pozyskiwania energii elektrycznej w Unii Europejskiej

32 Szwecja Finlandia Luxemburg Belgia Francja Austria Niemcy Holandia Dania Slowenia W. Brytania Irlandia Czechy Hiszpania Wlochy Estonia Cypr Slowacja Grecja Malta Portugalia Bulgaria Wegry POLSKA Litwa Lotwa Rumunia Zużycie energii elektrycznej w Polsce na tle UE Polska -3,7 tys. kwh/rok per capita Kraje byłej piętnastki UE - 8,5 tys. kwh/rok per capita(średnio) Źródło: UNDP Human Development Report 2005 kwh per capita

33 Koszty wytwarzania energii elektrycznej w zależności od źródła energii (2009) Warianty oznaczone plusem + oznaczająwarianty ze wzrostem kosztu paliwa o 20%.

34

35 Elektrownia jądrowa w Olkiluoto w Finlandii (makieta)

36 Elektrownia jądrowa w Olkiluoto w Finlandii(widok aktualny) montażpierścienia ochronnego w obudowie bezpieczeństwa - elementy wykonane w Polsce i montowane przez polskie firmy

37 4. Co wzbudza niechęć do energetyki jądrowej?

38 Przechowalnik wypalonego paliwa Sellafield, Anglia Podziemne składowisko wypalonego paliwa. Ilości odpadów z EJ z reaktorem PWR Aktywność odpadów Wysoka Średnia Niska Objętość m 3 /GWe-rok EW Popiół Gips Ścieki wodne Ilości odpadów z EW w. kamienny w. brunatny ton/gwe-rok ton/gwe-rok

39 Oklo, Gabon Naturalny reaktor jądrowy działający 2 mld lat temu przez 500 tys. lat. NIEZABEZPIECZONE produkty rozszczepienia rozprzestrzeniły się na odległość do 50 m od reaktora.

40 Roczna dawka skuteczna promieniowania jonizującego otrzymana przez ludnośćpolski w 2007 r. 3,35 msv Źródła naturalne (74,0%) 2,480 msv Źródła sztuczne (26,0%) 0,866 msv Roczna dawka na płocie elektrowni jądrowej. 0,01 msv

41 msv 0,1 0,3 100 Przelotw obie stronywarszawa Nowy Jork Roczna dawka od radionuklidów we własnym ciele Narażenie załóg stacji orbitalnych 0, Zdjęcie klatki piersiowej Zdjęcie kręgosłupa lędźwiowego Tomografia komputerowa msv/rok Rejon w Szwecji Guarapari(Brazylia) Tamil Nadu(Indie) Roczna dawka na płocie elektrowni jądrowej. 0,01 msv

42 Dlaczego doszło do awarii w Czarnobylu? Czynnik ludzki: -Eksperyment przeprowadzany w celu podniesienia bezpieczeństwa eksploatacji reaktora; zbadanie jak długo w przypadku zaniku zasilania z sieci, główne pompy wody mogłyby byćnadal zasilane prądem, przy wykorzystaniu energii kinetycznej turbin. Czynniki konstrukcyjny reaktora RBMK: - wzrost mocy reaktora po odparowaniu wody -moderator grafitowy + chłodziwo woda + cyrkonowe koszulki = H 2 O+C CO+H 2 2H 2 O+Zr ZrO 2 +2H 2 - brak betonowej powłoki ochronnej 26 kwietnia 1986, 01:23: - odparowanie wody - wzrost mocy i przegrzanie reaktora -wybuch mieszaniny gazów: H 2 - pożar grafitu

43 Skutki awarii w Czarnobylu 1) Uwolnienie do atmosfery znacznych ilości produktów rozszczepienia: 131 I t 1/2 = 8 dni 137 Cs t 1/2 = 30 lat 90 Sr t 1/2 = 28 lat 2) Ofiary 3 osoby śmierćna skutek wybuchu 134 osoby (emergency workers) ostra choroba popromienna, z czego 28 osóbzmarło w 1986 roku, 19 osóbzmarło w latach ) Przesiedlenie osób ze strefy 30 km wokółelektrowni (1986) oraz dalsze około osób z terenów o podwyższonej radioaktywności. 4) Narażenie części ludności Białorusi, Ukrainy i Rosji na zwiększone dawki promieniowania około 100 msv.

44 Skutki awarii w Czarnobylu UNSCEAR Raport 2000 United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation Komitet Naukowy ONZ ds. Skutków Promieniowania Atomowego WHO Raport 2006 World Health Organization Światowa Organizacja Zdrowia Wśród ludności skażonych terenów na Białorusi, Ukrainie i Rosji: 1) Nie stwierdzono wzrostu umieralności. 2) Nie stwierdzono wzrostu zachorowalności na nowotwory lite i białaczki. 3) Nie stwierdzono wzrostu zapadalności na choroby genetyczne wśród dzieci. 4) Stwierdzonowzrost zapadalności na nowotwory tarczycy, (ogółem około 4000 przypadków, wyleczalność 95%). 5) Stwierdzononasilenie następstw psychologicznych i społecznych, będących skutkiem stresu panującego wśród ludności.

45 wprost, 18 stycznia 2001

46 System 6 barier bezpieczeństwa

47 Współczesne reaktory jądrowe posiadająobudowębezpieczeństwa w kształcie kopuły odporną na trzęsienie ziemi i uderzenie samolotu. Elektrownia jądrowa Ohi, Japonia.

48 5. Energetyka jądrowa a inne źródła energii

49 Rola EJ w walce z CO 2 wg bezstronnych ocen Światowej Rady Energetycznej (2004)

50 Elektrownia węglowa Zalety niskie koszty wytwarzania energii (ale wyższe niż w EJ) łatwo dostępne paliwo (zasoby w Polsce) możliwość pracy w podstawie obciążenia sieci wysoka dyspozycyjność- dla nowych elektrowni ponad 90% możliwość jednoczesnej produkcji energii elektrycznej i ciepła Wady emisja CO2 emisja pyłów, związków siarki i azotu powstająduże ilości odpadów gromadzonych na hałdach duży udział ceny paliwa (węgla) w całkowitym koszcie wytworzenia jednostki energii elektrycznej rosnące koszty wydobycia węgla - co przekłada się na rosnące koszty wytwarzania energii brak możliwości gromadzenia zapasów paliwa na wiele lat Elektrownia Bełchatów S.A MW Elektrownia Kozienice S.A MW

51 Elektrownia gazowa Zalety: niskie koszty inwestycyjne możliwość pracy w podstawie obciążenia sieci możliwośćrozruchu w krótkim czasie możliwość jednoczesnej produkcji energii elektrycznej i ciepła Wady: wysoki koszt paliwa niepewność dostaw paliwa (zmonopolizowany rynek dostawców) North Killingholme, Wielka Brytania

52 Elektrownia wodna Zalety: brak zanieczyszczeń brak emisji CO2 niskie koszty eksploatacji zalew można wykorzystać do celów rekreacyjnych Wady: zależnośćod warunków pogodowych -w czasie suszy przy niskim poziomie wody praca elektrowni musi zostać ograniczona lub wstrzymana znaczne koszty inwestycyjne konieczność zalania dużego obszaru w celu utworzenia zbiornika negatywny wpływ na bioróżnorodność, zniszczenie naturalnych siedlisk zwierząt zaburzenie szlaków wędrówek ryb (np. na tarło) - można ograniczyć stosując specjalne konstrukcje ograniczona geograficzne; w Polsce istnieje potencjałdo budowy hydroelektrowni, jednak za mały by uzyskać znaczący udział w krajowej elektroenergetyce

53 Farma wiatrowa Zalety: niskie koszty eksploatacji "darmowe" paliwo brak zanieczyszczeń brak emisji CO2 Wady: bardzo wysokie koszty wytworzenia jednostki energii elektrycznej bardzo niski współczynnik wykorzystania mocy -w polskich warunkach 17-22%, na morzu ok. 30% koniecznośćbudowania dodatkowych, stabilnych źródełmocy w systemie, które mogąbyćuruchomione w chwili gdy wiatr nie wieje zajmowanie rozległych obszarów przy jednoczesnym generowaniu relatywnie niewielkich ilości energii elektrycznej emisja uciążliwego hałasu na niskich częstotliwościach relatywnie krótki okres eksploatacji - 20 lat

54 Spalarnia biomasy Zalety: niskie koszty inwestycyjne możliwa jednoczesna produkcja ciepła i energii elektrycznej paliwem sąrośliny nie nadające siędo innych celów (z wyjątkiem drewna) zagospodarowanie odpadów drzewnych (w przypadku spalania zrębków drzewnych) Wady: wysokie koszty eksploatacji emisja CO2 w przypadku gdy paliwem jest drewno -marnotrawienie cennego surowca ograniczona ilość gruntów, które można przeznaczyć pod uprawę roślin energetycznych bez szkody dla produkcji żywnościowej Kalix, Szwecja (paliwo zrębki drzewne)

55 Ogniwa fotowoltaiczne Zalety: niskie koszty eksploatacji "darmowe" paliwo brak zanieczyszczeń brak emisji CO2 Wady: bardzo niska sprawność(12-15%) brak możliwości produkcji dużych ilości energii elektrycznej zależnośćod warunków pogodowych i pory dnia niski współczynnik wykorzystania mocy w polskich warunkach produkcja paneli wymaga używania toksycznych metali ciężkich zajmują znaczny teren przy jednoczesnej małej produkcji energii

56 Elektrownia jądrowa niskie koszty produkcji energii nie wydziela zanieczyszczeń nie emituje CO2 może pracować w podstawie obciążenia sieci wysoki współczynnik wykorzystania mocy zainstalowanej (ponad 90%) można produkować jednocześnie energię elektryczną i ciepło do systemów centralnego ogrzewania miast cena paliwa nie ma większego wpływu na całkowity koszt wytworzenia jednostki energii zasoby paliwowe są praktycznie niewyczerpalne na rynku paliwa panuje konkurencja (nie ma monopolu jednego producenta/dostawcy) można gromadzić zapasy paliwa na wiele lat długi okres eksploatacji elektrowni (60 lat) Ilości odpadów są niewielkie, unieszkodliwiane i łatwo magazynowane, bez wpływu na środowisko przyczynia się do rozwoju naukowego i postępu technicznego w wielu dziedzinach generuje kilka tysięcy dobrze płatnych i atrakcyjnych miejsc pracy wysokie koszty inwestycji

57 13 stycznia 2009 Rząd RP podjął uchwałę o uruchomieniu w Polsce programu energetyki jądrowej. Pierwsza elektrownia jądrowa ma byćuruchomiona w Polsce w 2020 roku.

58

59 Kadry dla energetyki jądrowej Praca w elektrowni jądrowej (przemyśle jądrowym) wymaga wysoko wykwalifikowanej kadry po takich kierunkach studiów jak: fizyka (zwłaszcza specjalność: bezpieczeństwo jądrowe i ochrona radiologiczna) elektrotechnika energetyka (zwłaszcza specjalność: energetyka jądrowa) elektroenergetyka automatyka elektronika informatyka chemia ochrona środowiska Nastawnia bloku nr 1 w EJ Olkiluoto, Finlandia. Młoda kadra uczy sięobsługi bloku pod okiem doświadczonych kolegów. Przemysłjądrowy oferuje młodym ludziom ogromne możliwości, przede wszystkim wysokie zarobki i pracęw komfortowych warunkach na odpowiedzialnych stanowiskach.

60 CBOS 9/2009

61 6. Konkluzja, czyli co ja o tym myślę.

62 Nie da sięukryć, że potrzebujemy energii elektrycznej i to im wyższy standard życia tym więcej

63 owszem, można żyći tak, ale chyba nie o to chodzi

64 nie bójmy się więc energetyki jądrowej.

65 Polecam strony internetowe poświęcone tematyce energetyki jądrowej: oraz książkę: Andrzej Strupczewski Nie bójmy się energetyki jądrowej! Stowarzyszenie Ekologów na Rzecz Energii Nuklearnej SEREN, Warszawa, 2010

66 Dziękuję za uwagę