Energia wiatru i atomu Mikołaj Szopa

Transkrypt

1 Energia wiatru i atomu Mikołaj Szopa

2 Nie równomierne nagrzanie powierzchni Ziemi i ruch obrotowy Ziemi

3

4

5

6

7 Rozmiary wiatraków i moc

8

9 Prędkość zależy od wysokości

10

11 Siła pchająca i siła ciągu

12 Prędkość końcówki/prędkość wiatru

13 Aerodynamika Siła jest przekazywana poprzez ruch masy powietrza (cieczy) na objekt znajdujący się w potoku Siła nośna (siła pchająca) = siła prostopadle skierowana do potoku Siła ciągu (ciąg) = siła rownoległa do potoku Siła pchająca Siła ciągu

14 Aerodynamika Kąt natarcia, a (jest to (umowny) kąt pomiędzy kierunkiem strugi napływającego powietrza a płatem wirnika.) Ma duży wpływ na ciąg i siłę nośną Zazwyczaj znajduje się między 1 a 15 stopni

15 Konstrukcja skrzydła

16

17

18 Energia wiatru jest najszybciej rozwijającym się źródłem energii odnawialnej

19

20 Globalne zasoby energii odnawialnej

21

22

23 Moc (MW) w 2005 roku

24 Ewolucja turbiny Turbiny od dawna używano do pompowania wody, oraz w młynach Dzisiaj głównie są wykorzystywane do produkcji prądu elektrycznego

25 Typy turbin Turbina pionowa (Vertical Axis Wind Turbine) Główna jest siła ciągu Gondola znajduje się na samym dole Nie potrzebny jest mechanizm odczylenia Niski poczatkowy moment obrotowy Trudny montaż Możliwe fluktuacje wydajności

26 Typy turbin Turbina pozioma (Horizontal Axis Wind Turbine) Siła pchająca jest ważniejsza Bardziej odporne na cykliczne gnące siły 95% istniejących turbin to są turbiny HAWT Gondola jest montowana na szczycie wieży Mechanizm odczylenia jest konieczny

27 Turbiny morskie Wyższe prędkości wiatru Niższy hałas Mniejszy efekt wizualny Trudne w montażu i utrzymaniu Straty energii ze względu na długa drogę transportu energii

28 Budowa turbiny HAWT

29 Rózne konfiguracje turbin HAWT VAWT Boyle, G., Renewable Energy, 2nd ed., Oxford University Press, 2004

30

31

32

33

34

35 Koszty energii wiatrowej

36 Niemcy teraz i w 2020 Około 10% energii wytwarzanej w Niemczech pochodzi z wiatru W 2020 oczekuję się ten procent osiągnie 26%

37 Australia teraz i w 2040

38 Polska teraz i w 2020

39 Ptaki?

40 Hałas

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

42 Struktura materii

43 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 Poczatki: 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

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

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

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

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

48 Komora pęcherzykowa

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

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

51

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

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

54 Dlaczego (jądro się rozpada)? E mc 2 c 3 10 m/s 2 8

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

56 Defekt (niedobór) masy m X Z m protonu ( A Z ) mneutronu A Z m X Z m H (A Z) m n A Z m Z m protonu ( A Z ) mneutronu m X A Z

57 Siła Coulomba hamulcem rozpadów!!! Kulombowska bariera

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

59 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

60 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)

61 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.

62 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.

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

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

65 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.

66 Magnetyczne uwięzienie plazmy

67 Reaktor jądrowy Proces przemiany energii jądrowej na energię elektryczną:

68 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 absorbującego neutrony, są zanurzone pomiędzy pręty paliwowe Pręty kontrolne służą do sterowania szybkością reakcji łańcuchowej Withdraw control rods, reaction increases Insert control rods, reaction decreases

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

70 Przekrój reaktora

71 Przekrój reaktora

72 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

73 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 promieniotwórczymi

74 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

75 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

76 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.

77 Fukushima

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

79 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 głębokich zbiorników wody, aby one całkowicie się wychłodziły i reakcja jądrowa spowolniła się