Energetyka jądrowa. 900s. Reakcje wywołane przez neutrony (nie ma problemu odpychania elektrostatycznego)

Podobne dokumenty
Energetyka jądrowa. Tomasz Matulewicz. 25 XI i 2 XII Instytut Fizyki Doświadczalnej Wydział Fizyki

Reakcje rozszczepienia i energetyka jądrowa

Energetyka konwencjonalna odnawialna i jądrowa

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

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

Reakcje rozszczepienia jądra i ich wykorzystanie

Promieniowanie jonizujące

Reakcje rozszczepienia jądra i ich wykorzystanie

Reakcja rozszczepienia

CYKL PALIWOWY: OTWARTY CZY ZAMKNIĘTY CZY TO WYSTARCZY?

Elementy Fizyki Jądrowej. Wykład 8 Rozszczepienie jąder i fizyka neutronów

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

Rozszczepienie (fission)

Energetyka jądrowa. Energetyka jądrowa

FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych

Podstawy bezpieczeństwa energetyki jądrowej, Czarnobyl jak doszło do awarii

Gospodarka wypalonym paliwem jądrowym analiza opcji dla energetyki jądrowej w Polsce

Rozszczepienie jądra atomowego

Energetyka konwencjonalna odnawialna i jądrowa

Model elektrowni jądrowej

Energetyka Jądrowa. źródło: Wszystko o energetyce jądrowej, AREVA

INSTYTUT FIZYKI JĄDROWEJ im. Henryka Niewodniczańskiego Polskiej Akademii Nauk

PODSTAWY FIZYCZNE ENERGETYKI JĄDROWEJ

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

Energetyka Jądrowa. Wykład maja Zygmunt Szefliński Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów

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

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

Reaktor badawczy MARIA stan techniczny i wykorzystanie. Grzegorz Krzysztoszek

Energetyka Jądrowa. Zygmunt Szefliński Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów Wykład 13 6 czerwca 2017

NATURALNY REAKTOR JĄDROWY

Energetyka Jądrowa. Wykład 11 maj Zygmunt Szefliński Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów

Typy konstrukcyjne reaktorów jądrowych

8. TYPY REAKTORÓW JĄDROWYCH

Energetyka Jądrowa. źródło: Wszystko o energetyce jądrowej, AREVA

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

ODKRYCIE PROMIENIOTWÓRCZOŚCI PROMIENIOWANIE JĄDROWE I JEGO WŁAŚCIWOŚCI

Energetyka jądrowa - reaktor

Energetyka Jądrowa. Wykład 10 5 maja Zygmunt Szefliński Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów szef@fuw.edu.pl

Elektrownie jądrowe (J. Paska)

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

Elementy Fizyki Jądrowej. Wykład 9 Fizyka neutronów i reakcja łańcuchowa

Energetyka Jądrowa. Wykład 9 9 maja Zygmunt Szefliński Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów

ELEKTROWNIA JĄDROWA, TO NIE BOMBA Jerzy Kubowski

Podstawowe własności jąder atomowych

POLITECHNIKA WARSZAWSKA

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

Wydział Elektryczny Katedra Elektroenergetyki. Analiza stanów pracy elektrowni jądrowej

PROJEKT MALY WIELKI ATOM

*Z wykorzystaniem energii jądrowej, zarówno w sensie użycia materiałów rozszczepialnych (uran), jak reakcji syntezy termojądrowej, wiążą się problemy

Wykład 7. Odpady promieniotwórcze (część 1) Opracowała E. Megiel, Wydział Chemii UW

HTR - wysokotemperaturowy reaktor jądrowy przyjazny środowisku. Jerzy Cetnar AGH

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

Budowa jądra atomowego - MODEL

Produkcja paliwa jądrowego, funkcjonowanie elektrowni jądrowej, systemy bezpieczeństwa elektrowni.

Energetyka Jądrowa. źródło: Wszystko o energetyce jądrowej, AREVA

jądrowa w Polsce Bać się jej czy się nie bać? oto jest pytanie

Energetyka dział gospodarki obejmujący przetwarzanie, gromadzenie, przenoszenie i wykorzystanie energii

4.6. Bomba atomowa, energetyka jądrowa

Elektrownie Atomowe. Łukasz Osiński i Aleksandra Prażuch

opracował: mgr inż. Piotr Marchel Symulacyjne badanie elektrowni jądrowej

Reaktory jądrowe generacji III/III+, czyli poprawa bezpieczeństwa, wydajności oraz zmniejszenie ilości odpadów

Laboratoria.net Innowacje Nauka Technologie

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

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

E L E K T R O W N I E J Ą D R O W E

Podstawy bezpieczeństwa energetyki jądrowej, ZMIANY REAKTYWNOŚCI I DYNAMIKA REAKTORA

Perspektywy wykorzystania toru w energetyce jądrowej

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

Energetyka konwencjonalna odnawialna i jądrowa

ODNAWIALNE I NIEODNAWIALNE ŹRÓDŁA ENERGII. Filip Żwawiak

MODELOWANIE PRACY REAKTORA WODNO-CIŚNIENIOWEGO PODCZAS PIERWSZEJ KAMPANII PALIWOWEJ 1. WPROWADZENIE

Nie ma paliwa tak kosztownego, jak brak paliwa. Atomowe Indie

Fizyka reaktorów jądrowych i paliwa jądrowe

TOR CZY SKIERUJE ENERGETYKĘ NA NOWE TORY?

Podstawy bezpieczeństwa energetyki jądrowej, REAKTOR JĄDROWY W STANIE KRYTYCZNYM

Fizyka 3. Konsultacje: p. 329, Mechatronika

Agata Piotrowska. Instytut Chemii i Techniki Jądrowej w Warszawie. Seminarium szkoleniowe Energia na jutro

Reakcje syntezy lekkich jąder

WSPÓŁCZESNE TECHNOLOGIE JĄDROWE W ENERGETYCE 1

Spis treści 1 Przedsięwzięcie Lider przedsięwzięcia Cel i uzasadnienie przedsięwzięcia Lokalizacja i zapotrzebowanie terenu 13

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

Porównanie reaktora badawczego Maria z reaktorem TRIGA

Awaria elektrowni atomowej w Fukushimie wywołana trzęsieniem ziemi i falą tsunami

Promieniotwórczość naturalna. Jądro atomu i jego budowa.

Oddziaływanie promieniowania jonizującego z materią

Jądro atomowe Wielkości charakteryzujące jądro atomowe

Energia słoneczna i cieplna biosfery Pojęcia podstawowe

FIZYKA IV etap edukacyjny zakres podstawowy

ROZDZIAŁ VII. Kierunki rozwoju energii jądrowej. Produkcja energii w reaktorach fuzji jądrowejj TECHNICAL UNIVERSITY OF CZĘSTOCHOWA

Największe katastrofy jądrowe w historii

Technologia reaktorów WWER

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

Ramowy program zajęć dydaktycznych studiów podyplomowych: ENERGETYKA JĄDROWA

Czym jest elektrownia jądrowa? Fabryka prądu, gdzie źródłem ciepła jest reaktor jądrowy (zamiast kotła parowego). Ciepło to jest wynikiem

Promieniowanie jonizujące

Podstawowe własności jąder atomowych

inż. Angelika Samson Projekt efizyka Multimedialne środowisko nauczania fizyki dla szkół ponadgimnazjalnych

CYKL PALIWOWY W ENERGETYCE JĄDROWEJ Mateusz Malec, Mateusz Pacyna Politechnika Wrocławska

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

Podstawy Fizyki Jądrowej

Transkrypt:

Energetyka jądrowa Zasada zachowania energii i E=mc 2 Budowa jąder atomowych i ich energia wiązania Synteza: z gwiazd na Ziemię... Neutrony i rozszczepienie jąder atomowych Reaktory: klasyczne i akceleratorowe Co zrobić ze odpadkami? Tomasz Matulewicz 10 i 17 XII 2009 Instytut Fizyki Doświadczalnej Wydział Fizyki Reakcje wywołane przez neutrony (nie ma problemu odpychania elektrostatycznego) τ n 900s

Bariera potencjału Rozszczepienie wymuszone Energia dostarczona przez neutron stan wzbudzony stan podstawowy

Reakcja łańcuchowa n+ 235 U Uwaga: nie zawsze dokładnie 3 neutrony są emitowane w kaŝdym akcie rozszczepienia Rozszczepienie: przykład 235 U + 1 n 90 Sr + 143 Xe + 3 1 n + Energia 92 0 38 54 0 Energia = [masa 235 U + masa n (masa 90 Sr + masa 143 Xe + 3 x masa n )] x c 2 Energia = 3.3 x 10-11 J z 1 jądra 235 U = 2.0 x 10 13 J z mola 235 U Spalenie 1 tony węgla = 5 x 10 7 J

Energetyka jądrowa Zasada zachowania energii i E=mc 2 Budowa jąder atomowych i ich energia wiązania Synteza: z gwiazd na Ziemię... Neutrony i rozszczepienie jąder atomowych Reaktory: klasyczne i akceleratorowe Co zrobić ze odpadkami? 10 i 17 XII 2009 Tomasz Matulewicz Instytut Fizyki Doświadczalnej Wydział Fizyki Materiał rozszczepialny Neutrony prędkie rozszczepiają dowolne jądra Neutrony termiczne (25 mev) rozszczepiają tylko jądra, dla których E wiązania > E aktywacji (bariery) (N nieparzyste) Jądro pierwiastka Energia wiązania na nukleon Energia potrzebna do rozszczepienia (MeV) (MeV) U 238 7,57 8 U 235 7,59 6,5* U 233 7,59 6,0* Th 232 7,6 7,8 Pu 239 7,56 5,0* Energia potrzebna do rozszczepienia mniejsza od energii wiązania na nukleon * 238 90 U+n 239 U (23 min) 239 Np (2.3 d) 239 Pu (10 4 y) 232 90 Th+n 233 Th (22 min) 233 Pa (27 d) 233 U (10 4 y)

Masa krytyczna Minimalna masa, przy której zachodzi samopodtrzymujący się proces zachodzenia reakcji rozszczepienia, jest nazywana masą krytyczną Pojęcie systemu krytycznego K > 1 nadkrytyczny wzrost mocy K = 1 krytyczny stała moc K < 1 podkrytyczny spadek mocy

Wartości mas krytycznych Wartości mas w kg Koncentracja [%] materiał 20 50 60 70 80 90 100 235U bez reflektora 145 105 82 66 54 50 235U z reflektorem berylowym 250 50 15 239Pu bez reflektora 15 239Pu z reflektorem berylowym 4 233U bez reflektora 15 233U z reflektorem berylowym 4 Promienie zestawów krytycznych Materiał rozszczepialny Promień kuli [cm] z reflektorem Ŝelaznym o grubości 15 cm berylowym o grubości 15 cm 235 U 239 Pu 6,53 3,80 5,02 3,32

Prawdopodobieństwo na wywołanie reakcji rozszczepienie silnie zaleŝy od energii neutronu Neutron, którego energia zostanie zmniejszona, ma wartość ponad 100 neutronów szybkich Przekrój czynny na rozszczepienie: Wiedza z okresu projektu Manhattan

Spowalnianie neutronów Najbardziej prawdopodobna energia neutronów z rozszczepienia wynosi 0,73 MeV (v=12 tysięcy km/s) Spowalnianie neutronów oraz ich wychwyt jest procesem trwającym kilkaset mikrosekund W ciągu sekundy następowałoby kilka tysięcy powtórzeń generowania neutronów! 1,001 2000 =7,4 Neutrony opóźnione Powstają w wyniku emisji ze stanu wzbudzonego po rozpadzie β jądra matki Czasy Ŝycia ze względu na rozp. β : 1 10 14 sek 87 35 Br β, 55 sek. 87 36Kr 86 36Kr +n Dzięki neutronom opóźnionym reaktor jądrowy jest urządzeniem sterowalnym!

Paliwo, moderator i pręty kontrolne Pierwszy reaktor jądrowy Pierwszy reaktor jądrowy zbudowany przez ludzi uruchomiono w Chicago, 2. grudnia 1942 roku. Jako paliwo zastosowano naturalny uran metaliczny i tlenek uranu naturalnego. Jako moderator grafit. Reaktor zawierał ok. 40 t U/UO 2 oraz ok. 350 t grafitu. Osiągnął k=1.0006. Pracował przez 28 minut z mocą 0.5 W (10 11 rozszczepień/sek) Regulowany był ręcznie za pomocą pręta kadmowego.

Nihil novi Reaktor działał około 2 miliardy lat temu przez kilkaset tysięcy lat z mocą około 100 kw. Świadectwem jest dwukrotnie mniejsza ilość 235 U w rudzie uranowej niŝ w innych złoŝach. ruda uranowa piasek granit Pierwsze reaktory energetyczne W sierpniu 1951 roku uruchomiono Experimental Breeder Reactor Number One EBR-1, do produkcji plutonu oraz do badań fizycznych. W grudniu 1951 roku włączona do obiegu chłodzenia turbina wytworzyła prąd z paliwa jądrowego. Reaktor ten jest zlokalizowany w USA w stanie Idaho około miejscowości Arco. W 1955 roku w Fizyko Energetycznym Instytucie w Obnińsku koło Moskwy uruchomiono pierwszy reaktor energetyczny prototyp RBMK z moderatorem grafitowym i wodnym chłodzeniem. Reaktor współpracował z turbiną 5 MW.

Uwaga Do budowy bomby A konieczne jest uŝycie uranu wysokowzbogaconego w izotop 235 U albo równie wysokowzbogaconego 239 Pu. Uran reaktorowy nie jest materiałem mogącym wywołać eksplozję jądrową. Informacje praktyczne Jedna tona rudy uranowej dostarcza 1,5 do 2,5 kg związków uranu. Ruda jest przetwarzana blisko kopalni celem wytworzenia Ŝółtego materiału ( yellow cake ) bogatego w U 3 O 8. Tylko 0.7% U to izotop 235 U. Większość to 238 U, bezuŝyteczny z punktu widzenia standardowej energetyki jądrowej.

Uran uŝywany w większości typów reaktorów musi zawierać 3-5% 235 U. Materiał pierwotny jest zamieniany na UF 6 i ten związek jest przetwarzany w wirówkach lub układach termodyfuzyjnych. Niektóre reaktory mogą wykorzystywać uran o składzie naturalnym. Wzbogacanie Kapsułki paliwowe Wzbogacony UF 6 jest zamieniany na UO 2, z którego wykonuje się kapsułki paliwowe. Kapsułki paliwowe łączone są następnie w długie pręty (~4m). Pręty paliwowe są łączone w wiązki (~200 prętów na wiązkę) Rdzeń zawiera około ~175 wiązek. Jedna kapsułka (1cm x 1cm) moŝe wyprodukować 3000 kwh

Obudowa prętów paliwowych Materiał stanowiący obudowę prętów paliwowych nie moŝe silnie pochłaniać neutronów oraz musi być odporny na wysokie temperatury. Obudowy wykonywane są najczęściej ze stali albo ze specjalnych stopów cyrkonu i glinu. Woda opływa pręty z prędkością około 8 m/s Paliwo jądrowe Coated particle fuel

Pręt paliwowy do reaktora Maria: moc 2 MW Paliwo jądrowe do reaktora chłodzonego gazem FUEL ELEMENT DESIGN FOR PBMR pellet 5mm Graphite layer Reactor Coated particles imbedded in Graphite Matrix Dia. 60mm Fuel Sphere Pyrolytic Carbon 40/1000mm Silicon Carbite Barrier Coating Inner Pyrolytic Carbon 40/1000mm Porous Carbon Buffer 95/1000mm 35/1000mm Half Section Dia. 0,92mm Coated Particle Coated particle fuel Dia.0,5mm Uranium Dioxide Fuel

Rdzeń reaktora jądrowego Na rysunku nie przedstawiono prętów sterujących, które umoŝliwiają regulację pracy reaktora. Schemat elektrowni jądrowej

Czarnobyl 1986 Katastrofa w Czernobylu Głębokie nieposzanowanie zasad bezpieczeństwa oraz wewnętrznie niestabilne rozwiązanie techniczne Czernobyl: reaktor z moderatorem grafitowym, chłodzony wrzącą wodą rozwiązanie stosowane głównie w ZSRR (spadkobiercach, byłych klientach) uŝywany do produkcji 239 Pu do celów wojskowych częsta wymiana prętów paliwowych w celu pozyskiwania plutonu dodatnie sprzęŝenie zwrotne rozwiązania reaktora: zwiększenie temperatury powoduje dalszy jej wzrost w przypadku wzrostu temperatury, działanie prętów regulacyjnych nieefektywne

Przebieg eksperymentu 25 kwietnia 1986, operatorzy zdecydowali wykonać eksperyment gdy reaktor miał być wyłączony do rutynowych zabiegów technicznych: zablokowali system chłodzenia awaryjnego powaŝne naruszenie zasad bezpieczeństwa podnieśli wiele prętów regulacyjnych (bo moc reaktora spadała wskutek zatrucia ksenonem) wyłączyli pompy układu doprowadzenia pary do turbin układu wtórnego, czyli przerwali zasilanie pierwotnego układu chłodzenia stracili kontrolę nad reaktorem gdy parująca woda wpłynęła na wzrost reaktywności: wybuch pary spowodował rozszczelnienie obudowy reaktora liczne poŝary, otwarty rdzeń reaktora i znaczna emisja materiałów radioaktywnych Czarnobyl 1986 Katastrofa w kopalni: zginęło ponad 20 górników

Accelerator Driven Systems Energy Amplifier Carlo Rubbii

Rdzeń EA Układ podkrytyczny! Paliwem jest tor, a nie uran. Ilość toru ~1/2 ołowiu. Nie powstaje pluton. Częściowe spalanie odpadów radioaktywnych. Energetyka jądrowa jest ekonomicznie uzasadniona (?) RWE Warszawa: 24,4 gr+vat+...

Wiek czynnych reaktorów (327/435 ukończyło 20 lat) Operational reactors by age (January 2007) 35 75% 50% 30 25 20 15 10 5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 Dostępność paliwa 234 U, T=10 5 lat, 0.0055% 235 U, T=10 8 lat, 0.72% 238 U, T=10 9 lat, reszta 232 Th, T=10 10 lat, 100% Średnia zawartość uranu na powierzchni ziemi: 2,8 g/tonę

Energetyka jądrowa Zasada zachowania energii i E=mc 2 Budowa jąder atomowych i ich energia wiązania Synteza: z gwiazd na Ziemię... Neutrony i rozszczepienie jąder atomowych Reaktory: klasyczne i akceleratorowe Co zrobić ze odpadkami? 10 i 17 XII 2009 Tomasz Matulewicz Instytut Fizyki Doświadczalnej Wydział Fizyki Wypalone paliwo Ile jest wypalonego paliwa na jednostkę wytworzonej energii? Uran Reaktor PWR: 2,5 tony/twh 1,25 m 3 /TWh (0,13 wyp.pal.) Reaktor BWR: 3 tony/twh 1,5 m 3 /TWh Reaktor HTGR: <1,5 tony/twh <0,7 m 3 /TWh ~1 m 40 m w.k. 90 m w.b. Surowiec Ilość na 1 TWh(t) Odpad (t) Uranu (t) Toru (t) Uran 23 3 Węgiel kamienny 400 k 100 k ~1 ~3 Węgiel brunatny 1500 k 900 k ~2 ~6 Węgiel kamienny Węgiel brunatny W chwili obecnej istnieje ok. 200 000 ton wypalonego paliwa

Radiotoksyczność Zanik aktywności i mocy cieplnej paliwa, z którego wytworzono 1 TWh 1,E+09 1,E+08 Aktyw ność Moc cie plna Aktywność Ci/Mo c c ie plna W 1,E+07 1,E+06 1,E+05 1,E+04 1,E+03 1,E+02 1,E+01 Basen przy reaktorze Otwarty cykl paliwowy Zamknięty cykl paliwowy Basen p. reakt. Składowanie Przerób paliwa Wykorzystanie plutonu 0,1 1 10 100 1000 10000 100000 Okre s po wyładunku, lat Transmutacja czyli spalanie śmieci radioaktywnych

Elektrownie jądrowe w Polsce