Energia jądrowa. Nuclear power is a hell of a way to boil water. - Albert Einstein

Transkrypt

1 Energia jądrowa Nuclear power is a hell of a way to boil water. - Albert Einstein

2 Struktura materii

3 Poczatki: Fizyka jadrowa: podstawy Fizyka jadrowa zajmuje się badaniem budowy i przemian jądra atomowego Jadro atomowe: - sklad: protony i neutrony - ladunek elektryczny: Z x ladunek protonu - rozmiar: kilka femtometrow: m - masa: masa neutronow i protonow energia wiazania - oddzialywanie: silne > slabe > elektromagn. > grawitacyjne - czas zycia: od nanosekund do nieskonczonosci 1911 (100 lat temu!) Rutherford publikuje artykuł o odkryciu jadra atomowego 1932 Chadwick identyfikuje neutron 1935 Yukawa postuluje, ze oddziaływanie neutronów i protonów w jadrze jest przenoszone za pomocą cząstki zwanej mezonem Nadal nie znamy wszystkich własności oddziaływania jądrowego i brak jest teorii jadra atomowego

4 Co trzyma w całości atom i dlaczego nie rozpada się jądro? p 14 N p Odpychanie el.stat. protonów w jądrze

5 Rodzaje oddziaływań Oddziaływanie Względna wartość Cząstki przenoszące oddziaływanie Występowanie Jądrowe silne ~1 8 gluonów Jądra atomów Elektromagnetyczne ~10-3 Fotony Warstwy atomów, urządz. elektr. Jądrowe słabe ~10-5 Bozony Rozpady radioaktywne Grawitacyjne ~10-38 Grawitony(?) Ciała niebieskie

6 Rozmiary jąder eksperymenty Rutherforda Mikroskop Blok z ołowiu Ekran fluorescencyjny Próbka polonu Złota folia Do czego przydała się tu mechanika klasyczna (prawo Newtona)?

7 Masy jąder - spektrograf masowy Źródło Czy jądro (atomu) można zważyć?

8 Komora pęcherzykowa

9 Energia wiązania w atomie i w jądrze Energia jonizacji Energia rozpadu 1 ev=10-19 J

10 I.D. pierwiastka (jądra) Liczba masowa (protony + neutrony) Liczba atomowa (protony) A Z X

11

12 A jednak się rozpada promieniotwórczość naturalna Tor Rad Radon Polon Ołów

13 Przemiany jąder szeregi promieniotwórcze Czasy rozpadu wewnątrz prostokątów dotyczą wszystkich możliwych ścieżek Układ okresowy pierwiastków Trwały izotop Pb

14 Dlaczego (jądro się rozpada)? E mc 2 c m/s

15 Co siedzi w masie jądra? m E c 2 Energia przyciągających się nukleonów: ujemna! E E o E p Masy składników Energie oddziaływania składników

16 Defekt (niedobór) masy n m Z A H m Z X m A Z ) ( neutronu protonu A Z m Z A m Z X m ) ( X m m Z A m Z m A Z neutronu protonu ) (

17 Siła Coulomba Kulombowska bariera

18 Reakcje (przemiany) jądrowe można wymuszać - rozszczepienie uranu 235 powolny neutron Jeden z możliwych podziałów Energia z 1 kg uranu Jedn. 1 Jednostka to energia zużywana na rok przez obywatela USA

19 Prawie to samo, ale inaczej pokazane 215 MeV energii promienie gamma powolny neutron o energii ~1eV niestabilny izotop U-236 (oscylacje) neutrony mogące zapoczątkować reakcję łańcuchową

20 Rozpad radioaktywny Rozpad Beta: emisja elektronu lub pozytronu Rozpad Alfa: emisja jadra helu Emisja protonu lub neutronu Emisja innych czastek, np. 2 protonow (emisja gamma: przejscie jadra do stanu mniej wzbudzonego)

21 Masa krytyczna To minimalna masa, w której reakcja rozszczepienia przebiega w sposób łańcuchowy, czyli każde jedno rozszczepienie jądra atomowego inicjuje dokładnie jedno następne rozszczepienie. W masie mniejszej od masy krytycznej reakcja zainicjowana rozszczepieniem spontanicznym zaniknie, w masie większej od masy krytycznej reakcja będzie przebiegała w sposób lawinowy, tzn. jedno rozszczepienie wywoła więcej niż jedno rozszczepienie.

22 Bomba atomowa Energia wydziela się z reakcji rozszczepienia ciężkich jąder atomowych (np. uranu lub plutonu) na lżejsze pod wpływem bombardowania neutronami. Rozpadające się jądra emitują kolejne neutrony, które bombardują inne jądra, wywołując reakcję łańcuchową.

23 100 Ton test 7 maja 1945, 108 ton trotylu z materiałem promieniotwórczym zdetonowano w pustyni White Sands desert w New Mexico. Ta eksplozja służyła do kalibracji urządzeń pomiarowych które miały później mierzyć już testowe eksplozje bomb atomowych

24

25 Trinity The first nuclear test detonation used a device that was an exact replica of Fat Man, which would later be dropped on Nagasaki, Japan. The heat of the explosion fused the desert sands together, forming a layer of radioactive green glass.

26

27 Two atomic bombs were dropped during World War II Hiroshima and Nagasaki, Japan. Each had yields of kilotons of TNT. These blasts ended World War II. Hiroshima, March 1946.

28 Following World War 2, additional nuclear weapons testing was moved to part of the Marshall Islands, called the Bikini Atoll (11 N, 165 E). This testing was codenamed Operation Crossroads.

29 Two nuclear devices were detonated at sea as part of Operation Crossroads. The purpose was to study the effects of a nuclear blast on an armada of naval ships. The first blast, called Shot Able, was dropped from a plane. The second, Shot Baker, was detonated underwater, beneath the ships. Different species of lab animals were placed on several ships, to test for radiation poisoning following the blast.

30 Operation Crossroads Fallout Glenn Seaborg, chairman of the Atomic Energy Commission, called Baker the world s first nuclear disaster. The target ships of Shot Baker were all heavily contaminated with radioactive fallout. Some were so hot that they could not be safely decontaminated and had to be sunk.

31 Operation Castle In 1954, six large nuclear tests were conducted. The largest was code named Castle Bravo. This tested a new design, called a hydrogen bomb.

32

33 Castle Bravo Fallout Castle Bravo was a much more powerful blast than expected. Residents of nearby atolls were exposed to toxic levels of radioactive fallout. A Japanese tuna fishing boat called the Lucky Dragon 5 was also caught in the blast radius.

34 Nuclear fallout is dust and ash propelled into the atmosphere following a nuclear blast. Radiation exposure from fallout is measured in rems rems causes mild symptoms, such as nausea and vomiting rems has about a 50% mortality rate rems will usually cause death. Over 1000 rems will cause death in a few hours or less. Interior exposure of fallout, from breathing or ingesting the dust and ash, would have even more severe effects. An average person will be exposed to about 620 millirems of radiation per year from natural and manmade sources.

35 Radioactive coral dust fell on the Lucky Dragon 5. Fishermen touched the dust with their bare skin, inhaled it, and in some cases, tasted it. One crewmember died from exposure.

36 Synteza deuter + tryt Rozpędzone cząsteczki Zysk energii z 1kg paliwa to 676 Jednostek

37 Porównanie! Rozpędzone cząsteczki Synteza Powolny neutron Rozszczepienie 676 Jednostek Zysk energii z 1kg paliwa to 676 Jednostek 176 Jednostek

38 Kontrolowana synteza termojądrowa - reakcja termojądrowa, która miałaby podlegać kontrolowanemu przebiegowi. Główną motywacją kontrolowania syntezy termojądrowej jest wykorzystanie jej jako źródła energii. Inercyjne uwięzienie elektrostatyczne plazmy (skrót ang. IEC) to koncepcja polegająca na uwięzieniu plazmy przy użyciu pola elektrostatycznego. Pole to przyspiesza naładowane cząstki (jony albo elektrony) promieniście do wewnątrz, zwykle w geometrii sferycznej, ale niekiedy w cylindrycznej. Jony mogą być więzione przy użyciu IEC aby uzyskać kontrolowaną syntezę termojądrową w fuzorach i reaktorach typu polywell. Magnetyczne uwięzienie plazmy, pułapka magnetyczna podejście do uzyskania kontrolowanej syntezy termojądrowej, które wykorzystuje pole magnetyczne do uwięzienia paliwa dla syntezy jądrowej będącego plazmą.

39 Magnetyczne uwięzienie plazmy

40 Reaktor jądrowy Process przemiany energii jądrowej na energię elektryczną:

41 Paliwem służy uran-235. Rudy Uranu są wzbogacone i ukształtowane w pelety (granułki) Pelety układane są w długie, cylindryczne pręty paliwowe Pręty kontrolne, zrobione z materiału absorbujacego neutrony, są zanurzone pomiędzy pręty paliwowe Pręty kontrolne służa do sterowania szybkością reakcji łańcuchowej Withdraw control rods, reaction increases Insert control rods, reaction decreases

42 Energetyka jądrowa nie wytwarza żadnych związków szkodliwych zanieczyszcających powietrze, tylko parę wodną Cooling Tower in Byron, Illinois

43 Przekrój reaktora

44 Przekrój reaktora

45 Wypadki W 1979, wyszedł film pod tytułem Chiński syndrom. Historia o elektrowni atomowej w Kalifornii i awarii reaktora jądrowego. Tytuł nawiązuje do topnienia rdzenia reaktora, który jest na tyl gorący że topi się nawet przez podłogę pod reaktorem

46 10 dni po premierze, elektrownia Three Mile Island doznała awarii z częściowym stopieniem rdzenia. Zawór wodny został otwarty, co pozwoliło wodzie wydostawać się z reaktora Na szczęście nie zaszło żadnej poważnej eksplozji czy zanieczyszczenia środowiska izotopami promienotwórczymi

47 W 1986, w Czarnobylu na Ukrainie w wyniku testów pomp wodnych w warunkach krytycznych rdzeń reaktora nr 4 całkowicie stopniał Pod czas testów pręty kontrolne były całkowicie wyjęte Po pewnym czasie reakcja zaczęła przebiegać łańcuchowo i niekontrolowanie Wybuch zniszczył dach i ściany budynku wyrzucając opady radioaktywne do atmosfery

48 Główne wady elektrowni w Czarnobylu: Obudowa bezpieczeństwa reaktora nie była odpowiednia Jako moderator był użyty grafit, zamiast wody. Po stopnieniu reaktora grafit zapalił się, produkując jeszcze więcej opadów Zbiornik wody był położony pod reaktorem. Jęzeli rdzeń stopniałby przez podłogę to spowodowałoby jeszcze większy wybuch

49 Płonący rdzeń udało się zgasić Miasto Prypjat położone obok zostało całkowicie opuszczone Teren o promieniu 30 km wokół elektrowni jest zakazany do zamieszkania przez ludzi.

50

51 Fukushima

52 Zanieczyszczona woda z reaktora wydostała się do Pacyfiku Niektóre ryby wyłowione w Pacyfiku mają w sobie ślady opadów promieniotwórczych

53 Utylizacja odpadów promieniotwórczych Około ton odpadów niskich (na przykład ubrania) oraz około ton odpadów zużytego paliwa są przechowywane w Stanach Zjednoczonych. Zużyte paliwo tymczasowo wkłada się do głebokich zbiorników wody, aby one całkowicie się wychłodziły i reakcja jądrowa spowolniła się

54 Alternatywne metody utilizacji odpadów radioaktywnych. Transmutacja odpady wykorzystuje się w reaktorach innego typu aby uzyskać paliwo o mniejszym zagrożeniu dla środowiska Geologiczne rozmieszczenie (Geologic disposal) rozmieszczenie odpadów głęboko pod powierzchnią Ziemi w stabilnych skalnych warstwach

55 Nuclear energy makes up only a fraction of our total energy generation. Its use may increase in the future, as fossil fuels become more scarce or are considered too environmentally damaging.

56 Elektrownia atomowa w Żarnowcu

57 Elektrownia atomowa w Żarnowcu Polska elektrownia jądrowa budowana w latach w miejscu zlikwidowanej wsi Kartoszyno nad Jeziorem Żarnowieckim z siedzibą w Nadolu. W zamyśle była elektrownia miała stanowić pierwszy krok w realizacji polskiego programu energetyki jądrowej, który obejmował jeszcze wybudowanie Elektrowni Jądrowej Warta w miejscowości Klempicz w ówczesnym województwie pilskim. Elektrownia w Żarnowcu docelowo miała się składać z czterech bloków energetycznych napędzanych reaktorami WWER-440 o łącznej mocy ok MW.