PODSTAWY FIZYCZNE ENERGETYKI JĄDROWEJ

Podobne dokumenty
Elementy Fizyki Jądrowej. Wykład 8 Rozszczepienie jąder i fizyka neutronów

Fizyka współczesna. Jądro atomowe podstawy Odkrycie jądra atomowego: 1911, Rutherford Rozpraszanie cząstek alfa na cienkich warstwach metalu

Podstawowe własności jąder atomowych

A - liczba nukleonów w jądrze (protonów i neutronów razem) Z liczba protonów A-Z liczba neutronów

autor: Włodzimierz Wolczyński rozwiązywał (a)... ARKUSIK 40 FIZYKA JĄDROWA

Promieniowanie jonizujące

ELEKTROWNIE. Czyste energie Energetyka jądrowa. Damazy Laudyn Maciej Pawlik Franciszek Strzelczyk

r. akad. 2012/2013 Wykład IX-X Podstawy Procesów i Konstrukcji Inżynierskich Fizyka jądrowa Zakład Biofizyki 1

Spis treści. Trwałość jądra atomowego. Okres połowicznego rozpadu

FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych

Fizyka jądrowa cz. 2. Reakcje jądrowe. Teraz stałem się Śmiercią, niszczycielem światów. Robert Oppenheimer

Czyste energie. Energetyka jądrowa. wykład 13. dr inż. Janusz Teneta. Wydział EAIiIB Katedra Automatyki i Inżynierii Biomedycznej

ODKRYCIE PROMIENIOTWÓRCZOŚCI PROMIENIOWANIE JĄDROWE I JEGO WŁAŚCIWOŚCI

Energetyka jądrowa. Energetyka jądrowa

Reakcje rozszczepienia jądra i ich wykorzystanie

Reakcje rozszczepienia i energetyka jądrowa

Autorzy: Zbigniew Kąkol, Piotr Morawski

Reakcje rozszczepienia jądra i ich wykorzystanie

Model elektrowni jądrowej

Fizyka 3. Konsultacje: p. 329, Mechatronika

Zadanie 3. (2 pkt) Uzupełnij zapis, podając liczbę masową i atomową produktu przemiany oraz jego symbol chemiczny. Th... + α

doświadczenie Rutheforda Jądro atomowe składa się z nuklonów: neutronów (obojętnych elektrycznie) i protonów (posiadających ładunek dodatni +e)

pobrano z serwisu Fizyka Dla Każdego - - zadania z fizyki, wzory fizyczne, fizyka matura

Oddziaływanie cząstek z materią

Reakcje jądrowe dr inż. Romuald Kędzierski

NEUTRONOWA ANALIZA AKTYWACYJNA ANALITYKA W KONTROLI JAKOŚCI PODSTAWOWE INFORMACJE O REAKCJACH JĄDROWYCH - NEUTRONOWA ANALIZA AKTYWACYJNA

Reakcje rozpadu jądra atomowego

Podstawy bezpieczeństwa energetyki jądrowej, REAKTOR JĄDROWY W STANIE KRYTYCZNYM

OCHRONA RADIOLOGICZNA PACJENTA. Promieniotwórczość

Energetyka konwencjonalna odnawialna i jądrowa

CHEMIA LEKCJA 1. Budowa atomu, Izotopy Promieniotwórczość naturalna i sztuczna. Model atomu Bohra

Fizyka 2. Janusz Andrzejewski

Budowa jądra atomowego - MODEL

Fizyka jądrowa. Podstawowe pojęcia. Izotopy. budowa jądra atomowego przemiany promieniotwórcze reakcje jądrowe. jądra atomowe (nuklidy) dzielimy na:

FIZYKA IV etap edukacyjny zakres podstawowy

Energetyka konwencjonalna odnawialna i jądrowa

Odkrycie jądra atomowego - doświadczenie Rutherforda 1909 r.

Rozpad gamma. Przez konwersję wewnętrzną (emisję wirtualnego kwantu gamma, który przekazuje swą energię elektronom z powłoki atomowej)

Reakcja rozszczepienia

Promieniowanie jonizujące

Promieniowanie jonizujące

CYKL PALIWOWY: OTWARTY CZY ZAMKNIĘTY CZY TO WYSTARCZY?

Matura z fizyki i astronomii 2012

Oddziaływanie promieniowania jonizującego z materią

Własności jąder w stanie podstawowym

Zadania powtórkowe do egzaminu maturalnego z chemii Budowa atomu, układ okresowy i promieniotwórczość

Promieniowanie jonizujące i metody radioizotopowe. dr Marcin Lipowczan

1.6. Ruch po okręgu. ω =

Promieniowanie jonizujące

Elementy fizyki jądrowej

Reakcje jądrowe. X 1 + X 2 Y 1 + Y b 1 + b 2

Pracownia Jądrowa. dr Urszula Majewska. Spektrometria scyntylacyjna promieniowania γ.

I ,11-1, 1, C, , 1, C

Energetyka Jądrowa. Wykład 3 14 marca Zygmunt Szefliński Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów

Promieniotwórczość naturalna. Jądro atomu i jego budowa.

Foton, kwant światła. w klasycznym opisie świata, światło jest falą sinusoidalną o częstości n równej: c gdzie: c prędkość światła, długość fali św.

Reakcje syntezy lekkich jąder

Opracowała: mgr Agata Wiśniewska PRZYKŁADOWE SPRAWDZIANY WIADOMOŚCI l UMIEJĘTNOŚCI Współczesny model budowy atomu (wersja A)

Budowa atomu. Izotopy

XLI Zjazd Fizykow Polskich, Lublin Seabrook, New Hampshire, USA

Szkolny konkurs chemiczny Grupa B. Czas pracy 80 minut

FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych

KONKURS Z FIZYKI I ASTRONOMII. Fuzja jądrowa. dla uczniów gimnazjum i uczniów klas I i II szkół ponadgimnazjalnych

Energetyka Jądrowa. źródło: Wszystko o energetyce jądrowej, AREVA

2008/2009. Seweryn Kowalski IVp IF pok.424

3. Jaka jest masa atomowa pierwiastka E w następujących związkach? Który to pierwiastek? EO o masie cząsteczkowej 28 [u]

Rozpady promieniotwórcze

Gospodarka wypalonym paliwem jądrowym analiza opcji dla energetyki jądrowej w Polsce

Fizyka promieniowania jonizującego. Zygmunt Szefliński

NATURALNY REAKTOR JĄDROWY

Cykl paliwowy cd. Reakcja rozszczepienia Zjawisko rozszczepienia (własności) Jądrowy cykl paliwowy cd.

Elementy Fizyki Jądrowej. Wykład 9 Fizyka neutronów i reakcja łańcuchowa

Jądro atomowe Wielkości charakteryzujące jądro atomowe

Promieniowanie w naszych domach. I. Skwira-Chalot

r. akad. 2012/2013 Wykład IX-X Podstawy Procesów i Konstrukcji Inżynierskich Fizyka jądrowa Zakład Biofizyki 1

Reakcje syntezy lekkich jąder

Energetyka konwencjonalna odnawialna i jądrowa

Fizyka jądrowa. Podstawowe pojęcia

Ćwiczenie 3. POMIAR ZASIĘGU CZĄSTEK α W POWIETRZU Rozpad α

Nie bójmy się elektrowni jądrowych! Stanisław Kwieciński, Paweł Janowski Instytut Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie

SYMULACJA GAMMA KAMERY MATERIAŁ DLA STUDENTÓW. Szacowanie pochłoniętej energii promieniowania jonizującego

Energetyka w Środowisku Naturalnym

Wykłady z Chemii Ogólnej i Biochemii. Dr Sławomir Lis

Poziom nieco zaawansowany Wykład 2

W2. Struktura jądra atomowego

Podstawy fizyki subatomowej. 3 kwietnia 2019 r.

Energetyka Jądrowa. źródło: Wszystko o energetyce jądrowej, AREVA

FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych

Wstęp do fizyki jądrowej Tomasz Pawlak, 2013

Rozszczepienie (fission)

Wykłady z Geochemii Ogólnej

Wstęp do astrofizyki I

O egzotycznych nuklidach i ich promieniotwórczości

Fizyka atomowa i jądrowa

Anna Grych Test z budowy atomu i wiązań chemicznych

Podstawowe własności jąder atomowych

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

PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ. A) równa B) mniejsza C) większa D) nie mniejsza (sumie) od sumy mas protonów i neutronów wchodzących w jego skład.

E 2 E = 2. Zjawisko Mössbauera. Spoczywające jądro doznaje przejścia e-m z emisją fotonu γ. Zastosujmy zasadę zachowania energii i pędu:

Wyk³ady z Fizyki. J¹dra. Zbigniew Osiak

Transkrypt:

EERGETYKA EKOLOGA Część - EERGETYKA 22 ODSTAWY FZYCZE EERGETYK JĄDROWEJ ( jak powstaje energia jądrowa ) Stanisław Drobniak STYTT MASZY CELYCH 1. rzegląd podstawowych pojęć. 2. Bilans energetyczny reakcji rozszczepienia. 3. Opis reakcji rozszczepienia. 4. Moderatory. 5. Wytwarzanie paliwa jądrowego. 6. raktyczna realizacja reakcji jądrowej ( pręty paliwowe ).

EERGETYKA EKOLOGA Część - EERGETYKA 23 Energetyka jądrowa Jednostki używane w fizyce jądrowej: j.m.a. (jednostka masy atomowej) = 12 1 masy 12 6 27 atomu C = 1,660438 10 [ kg ] Równoważność masy i energii: E = m c 1 j.m.a. = 931,540368 MeV 1 ev = 1,602 10-19 J = energia jaką nabywa ładunek elementarny ładunek elektronu w polu o różnicy potencjałów 1 V 2 odsumowanie: jednostka masy - 1 j.m.a. jednostka energii - 1 ev (lub częściej) - 1 MeV (10 6 ev)

EERGETYKA EKOLOGA Część - EERGETYKA 24 odstawowe pojęcia i oznaczenia używane w fizyce jądrowej: Z (liczba protonów) MA (liczba neutronów) jądro atomowe A=Z+ X Z liczba masowa liczba atomowa M p = 1,0072776 j.m.a M = 1,0086654 j.m.a. M e = 1/1840 Mp Z+ 1 Z+ 2 Z X Z X... - izotopy Z M p + M M A M = Z M p + M - M A defekt masy (dlaczego?) energia wiązania E w siły elektrostatyczne (odpychające) siły jądrowe (przyciągające) M E w defekt masy energia wiązania

EERGETYKA EKOLOGA Część - EERGETYKA 25 dostarczenie energii wiązania rozszczepienie jądra energia wiązania Ew Ek energia kinetyczna poruszających się cząstek ( może zamienić się w ciepło!!! ) E w = E k (zasada zachowania energii) Zasady obowiązujące przy rozszczepieniu jądra i innych przemianach jądrowych: - zasada zachowania nukleonów - zasada zachowania ładunku - zasada zachowania pędu i krętu - zasada zachowania masy i energii

EERGETYKA EKOLOGA Część - EERGETYKA 26 Skąd powstaje energia jądrowa? 238 92 X Y 119 46 119 46 hipotetyczna hipotetyczna przemiana rozszczepienia jądra jądra E w1 (energia wiązania na jeden nukleon) [M ev] 8 6 4 2 Ew1 0 40 80 119 160 200 238 A( masa atomowa ) (E w1 ) 238 = 7,5 MeV (E w1 ) 119 = 8,4 MeV zysk energii wiązania na 1 nukleon: E w1 =8,4 7,5 = 0,9 MeV całkowity zysk energii z rozpadu atomu 238 0,9 = 214 MeV dane z wykresu 238 92 : energia rozszczepienia

EERGETYKA EKOLOGA Część - EERGETYKA 27 energia rozszczepienia: 214 MeV = 214 10 6 1,602 10-19 [J] = 3,43 10-11 [J] wartość opałowa najlepszego węgla: W u = 34,5 [kj/kg] 3,43 10 7 [J/kg] ile atomów węgla należałoby spalić, aby uzyskać energię równoważną energii rozszczepienia jednego 238 atomu? masa atomowa węgla: tzn.: ilość atomów węgla C 12 12 1,66 10-27 2 10-26 [kg] 3,43 10 11 [kg] = ( 7 ) ( 26 3,43 10 2 10 ) = 5 10 = 50 mln atomów węgla!!! 11 3,43 10 18 = = 1 10 [kg] 7 3,43 10 7

EERGETYKA EKOLOGA Część - EERGETYKA 28 W jaki sposób dostarczyć energię wiązania do jądra atomowego? eutron (pozbawiony ładunku) brak sił odpychania elektrostatycznego Swobodny neutron - prędkość 10 15 tys. km/h energia swobodnego neutronu > 1 MeV (prędkość: 12000 15000 km/s) Swobodny strumień neutronów: okres półrozpadu 12,8 min W reaktorze: czas życia neutronu ~ 0,001 s waga: Rozpad neutronu proton elektron antyneutrino ν

EERGETYKA EKOLOGA Część - EERGETYKA 29 Reakcje wywołane uderzeniem neutronu w jądro atomowe rozszczepienie (energia) typ reakcji: reakcja ( n, f ) F produkty rozszczepienia: - neutrony - fotony jadro atomu typ reakcji: rozpraszanie neutronów (n, n ) neutron o zmienionej energii lub kierunku typ reakcji: absorpcja neutronu foton lub proton lub czastka V typ reakcji: reakcja (n, 2n) lub (n, 3n) ( n; 2n ) ( n; 3n ) waga: możliwa reakcja łańcuchowa

EERGETYKA EKOLOGA Część - EERGETYKA 30 W jaki sposób jądro neutronu przekazuje energię jądru atomowemu? E poziomy dozwolone podstawowy poziom energetyczny jadra ( najniższy poziom energii ) dostarczenie energii: oddanie energii: foton lub proton lub neutron itp E E atom wzbudzony (przejścia na wyższy poziom energetyczny) powrót do stanu podstawowego jadra atomów lekkich: jadra atomów ciezkich: E duza odleglosc miedzy poziomami duża odległość między poziomem podstawowym i pozostałymi E blisko położone poziomy mała odległość między poziomem podstawowym i pozostałymi łatwość przejmowania energii

EERGETYKA EKOLOGA Część - EERGETYKA Jakie jest prawdopodobieństwo reakcji rozszczepienia? miara mikroskopowy przekrój czynny na reakcję rozszczepienia: R σ i f = n v n - gęstość neutronów monoenergetycznych (liczba neutronów o jednostkowej energii w jednostce objętości) - liczba jąder atomowych w jednostce objętości v - prędkość neutronów R i liczba reakcji w jednostce objętości i czasu 31 σ f Charakterystyka 92 92 Wnioski: - struktura rezonansowa w zakresie 1 ev 1 kev (zakres neutronów termicznych; tzn. ν ~ 2 km/s) - σ f ~ 10 3 10 10 1 E 2-4 -2 2 4 10 10 1 10 10 konieczność zwolnienia neutronów do zakresu termicznego E [ev] - energia neutronu zakres termiczny (możliwość uzyskania ciepła) Rezonanse przechodzenie w stan wzbudzony

EERGETYKA EKOLOGA Część - EERGETYKA 32 Charakterystyka σ f 1,5 1,0 0,5 238 92 0 0 2 4 6 8 10 prog E [MeV] Wnioski: - reakcja typu progowego - σ f ~ E -σ f 1000-krotnie mniejszy niż dla 92 (znacznie mniejsze prawdopodobieństwo reakcji) Wnioski: - uran 238 znacznie mniej wartościowym paliwem niż - możliwość uzyskania energii cieplnej z pod warunkiem, że neutrony bombardujące będą zwalniane do zakresu termicznego waga: naturalny uran zawiera 0,7% (konieczność wzbogacania uranu)

EERGETYKA EKOLOGA problem: Część - EERGETYKA 33 - jak zwolnić neutrony do zakresu termicznego? paliwo woda E5 E1 E4 H H H E2 E3 H wyhamowanie neutronu zderzenia z jądrami atomów H (oddziaływanie sprężyste) neutron ściana (tzw. koszulka) E 5 < E 4 < E 3 < E 2 < E 1 woda moderator (ośrodek spowalniający neutrony) jednocześnie: - woda wyhamowując neutrony odbiera ich energię dotyczy to także neutronów, które nie będą powracać do paliwa - przejmowanie energii przez wodę to jej ogrzewanie tzn. woda czynnik roboczy waga: obraz bardzo uproszczony

EERGETYKA Część - EERGETYKA EKOLOGA Obraz bliższy rzeczywistości: Moderator H 2 O σ s - przekrój czynny jąder H 2 na rozpraszanie 34 neutronów σ s energia energia neutronów neutronów prędkich prędkich (emitowanych przez paliwo) znikomo mały przekrój czynny znikomo mały przekrój czynny neutrony o bardzo dużej energii nie są efektywnie zwalniane na jądrach pierwiastków lekkich etap zwalniania neutronów rozpraszanie na jądrach pierwiastków ciężkich - w samym paliwie - dodatek kwasu borowego do moderatora w okresie pracy reaktora (po załadowaniu paliwa) tzw. moderator przestrzenny E (bor) (oddziaływanie niesprężyste) poziomy bardzo bliskie ciągłe widmo neutronów waga: reakcja typu progowego Ε

EERGETYKA EKOLOGA problem: - jak zdobyć uran 92 Część - EERGETYKA uran naturalny 238-92 - 99,28% - - 0,71% 92 35 Schemat przerobu rudy uranowej: Wydobycie rudy ranowej Koncentrat 3 O 8 rzerób 3 O 8 F 6 Wzbogacenie F 6 ajtrudniejsze Ogniwo procesu rzerób F 6 O 2 paliwo jądrowe

EERGETYKA EKOLOGA Część - EERGETYKA 36 Metoda dyfuzji gazowej F 6 - gaz (zawierający 92 238 92 92-0,71% ) o jednokrotnym przejściu: 92-3 3,5% F 6 mniejszy ciężar cząsteczkowy F 6 p (mieszanina p 92 F 6 gazowa) większa prędkość dyfuzji ciśnienie membrana półprzepuszczalna wielokrotna dyfuzja ~ 4-5% (do celów energetycznych) wzbogacenie ~90% (do celów doświadczalnych militarnych)

EERGETYKA EKOLOGA Część - EERGETYKA 37 Charakterystyka metody: - olbrzymie koszty (aparatura, energia) - instalacje o olbrzymich gabarytach - proces bardzo trudny - wymaga bardzo zaawansowanych technologii produkcja membran półprzepuszczalnych SA - zakłady rządowe ERODF - Francja (założyciel), Włochy, Belgia, Hiszpania, ran waga: produktem ubocznym wiele użytecznych technologii (np. odsalanie wody)

EERGETYKA EKOLOGA Część - EERGETYKA 38 1. Metoda odwirowania - ultrawirówki - rozdział grawitacyjny wykorzystujący różnice gęstości obszar wewnętrzny (większa koncentracja ) odsysanie obszar zewnętrzny (większa koncentracja ) 238 mniejsza masa mniejsza siła odśrodkowa 238 większa masa większa siła odśrodkowa Charakterystyka metody: - mniejsze nakłady kapitałowe - miniaturyzacja aparatury - większa wydajność metody - wyższe koszty produkcji niż dla dyfuzji gazowej SA - zakłady rządowe renco - Wielka Brytania, Holandia, RF

EERGETYKA EKOLOGA 3. Metoda laserowa Część - EERGETYKA 39 promień laserowy 0 92 ładunek elektryczny 0 0 238 238 92 92 92 elektrody Charakterystyka metody: - miniaturyzacja aparatury (niebezpieczeństwo proliferacji) - możliwość wydzielenia do 90% całkowitej ilości (metody poprzednie do 60%) - metoda ciągle w stadium prób tzw. rozwinięta separacja izotopów (technologia rozwijana m.in. przez Exxon uclear Co) 92

EERGETYKA EKOLOGA Część - EERGETYKA Reakcje rozszczepienia ajbardziej powszechna reakcja: 40 92 236 92 Sr -6 γ 10 s Xe 94 38 140 54 Bilans energetyczny rozszczepienia: 1) Energia kinetyczna fragmentów rozszczepienia 168 MeV 2) Energia kinetyczna neutronów natychmiastowych 5 MeV 3) Energia fotonów natychmiastowych 7 MeV 4) Energia z rozpadu β produktów rozszczepienia: Okresy półrozpadu Sr - 28 lat Xe - 5 dni - Fotony γ 7 MeV - cząstki β 8 MeV - antyneutrina 12 MeV 207 MeV Etapy 1 3 Etap 4 92,5% energii 7,5% energii (w tym energia kinetyczna Sr i Xe 85%) Możliwy odzysk 95% w postaci ciepła!!!

EERGETYKA EKOLOGA nne możliwe reakcje rozpadu: Część - EERGETYKA 41 236 89 144 92 + n 92 Kr36 + Ba56 + 3n waga: obraz uproszczony w rzeczywistości kilkadziesiąt produktów rozpadu!!! przykład: reakcja : 236 92 236 236 93 94 materiał nierozszczepialny (!!! ) neptun ( nie występuje ani w naturze ani w tablicy okresowej pierwiastków ) pluton rozszczepialny (!!! )

EERGETYKA EKOLOGA Część - EERGETYKA Materiał rozszczepialny pręty paliwowe 42 0,04 MW (moc cieplna) (40 kw) 160 pastylki paliwowe 0,11 0,69 6,5 3800 3600 stop cyrkonu - mały przekrój czynny na wychwyt neutronów - duża wytrzymałość - odporność na promieniowanie ksenon - wzrost ciśnienia ( do stu kilkudziesięciu bar ) początkowo - wypełnienie helem φ 9,1 pastylka paliwowa φ 7,5 φ 1,5

EERGETYKA EKOLOGA Część - EERGETYKA Węgiel kamienny wartość opałowa ~ 30 10 3 kj/kg ~ 3 10 4 kj/kg moc cieplna pręta 40 kw energia wytworzona w ciągu 3 lat eksploatacji 40 8760 3 = 1051200 kwh = 1 10 6 kwh = 1 10 6 3,6 10 3 kws = 3,6 10 9 kj ile węgla należy spalić dla uzyskania tej samej ilości ciepła: 9 3,6 10 kj 5 3 = 1 10 = 100 10 kg 4 3,0 10 kj / kg odsumowanie: = 100 ton węgla dla wytworzenia tej samej energii 1 kg 9000 ton węgla elektrownia cieplna 1000 MW: 9000 ton węgla/dobę elektrownia nuklearna 1000 MW: 100 kg prętów paliwowych/dobę (wzbogacenie 3 4 %) tzn: równoważnik 3 kg /dobę bo sprawność ~ 30% 43

EERGETYKA EKOLOGA Część - EERGETYKA 43a Emisja zanieczyszczeń (porównanie elektrowni węglowych i jądrowych) rzykład: elektrownia o mocy 1000 MW (emisja roczna) SO 2 O x elektrownia węglowa 138 tys t 20,9 tys t elektrownia jądrowa substancje 0,03 Ci 5,5 10-6 Ci promieniotwórcze (Ra 226 ; Ra 228 ) (Xe 133 ; Kr 85 ) Dopuszczalne normy Ci = 3,7 10 10 [s -1 ] SO 2 0,064 mg/m 3 O x 0,022 mg/m 3 substancje promieniotwórcze 1 10-12 Ci/m 3 rezultat: objętość skażonego powietrza elektrownia węglowa SO 2 2,15 10 6 km 3 O x 9,5 10 5 km 3 elektrownia jądrowa substancje 55 km 3 promieniotwórcze 3 10 5 km 3 (5500 razy mniej!!!)