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
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.04.01.01-00.001/08-00 e-mail: wiedza@pk.edu.pl http://www.wiedza.pk.edu.pl/ współfinansowanego przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.
1. Rys historyczny wydarzeńi odkryćnaukowych, które doprowadziły do odkrycia reakcji rozszczepiania jądra atomowego i wykorzystania energii jądrowej.
1911 -Ernest Rutherford odkrycie jądra atomowego rozmiar jądra atomowego 10-15 m, rozmiar atomu 10-10 m 1932 - James Chadwick odkrycie neutronu
1938 -Otto Hahni Fritz Straßmann odkrycie rozszczepienia jąder uranu 1939 -LiseMeitneri Otto R. Frisch teoretyczne wyjaśnienie rozszczepienia jądra atomowego 1942 -Enrico Fermi pierwszy reaktor jądrowy (stos atomowy) University of Chicago w Stagg Field
E = mc 2 Albert Einstein i Leo Szilard Franklin Delano Roosevelt
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
Manhattan Project 1942 1947 - największe naukowo-konstrukcyjne przedsięwzięcie w historii ludzkości - 130 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 16.07.1945 Oak Ridge Clinton Engineer Works Stanisław Ulam - polski matematyk
1954 pierwsza doświadczalna elektrownia jądrowa, Obnińsk, ZSRR. 1956 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.
2. Trochę fizyki, czyli jak to działa.
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
( ) 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
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
1 235 236 144 89 1 0 n+ 92U 92U 56Ba+ 36Kr + 30 n + E
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 = 2 500 000 kg C
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 0.5 5 MeV Pręty sterujące i pręty bezpieczeństwa - wykonane z materiałów bardzo intensywnie pochłaniających neutrony kadm Cd bor B
3. Energetyka jądrowa
Cykl paliwowy
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
Wydobycie uranu otwarty rynek surowców uranowych największe zasoby uranu w stabilnych politycznie krajach o gospodarce rynkowej (Kanada, Australia)
Wzbogacanie uranu do 4% 235 U Francja, USA, Rosja, UK metoda wirówkowa metoda dyfuzyjna
Produkcja paliwa uranowego pastylki paliwowe pręty paliwowe zestaw paliwowy UO 2 Elektrownia o mocy 1000 MWepotrzebuje na 1 rokpracy: EJ 640 kg 235 U = 35000 kg paliwa uranowego = 1 ciężarówka EW 2500000000kg węgla = 35000 wagonów = 3 pociągi dziennie
Elektrownia jądrowa (atomowa, nuklearna)
A. B. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Obieg pierwotny Obieg wtórny Zbiornik reaktora Rdzeń reaktora Pręty sterujące Stabilizator ciśnienia Wytwornica pary Pompa obiegu pierwotnego Rurociąg obiegu pierwotnego 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. Obieg wtórny kondensatu Obieg wtórny pary Turbina wysokopręŝna Turbina niskopręŝna Pompa kondensatu Skraplacz Generator Wzbudnica Transformator 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 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
Elektrownie jądrowe w Europie
10 elektrowni jądrowych w odległości do 300 km od granic Polski
Udział energii elektrycznej wytwarzanej z róŝnych źródeł energii (2007) węgiel EJ gaz hydro biomasa wiatr ropa inne
Źródła pozyskiwania energii elektrycznej w Polsce Źródła pozyskiwania energii elektrycznej w Unii Europejskiej
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 18000 16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 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
Koszty wytwarzania energii elektrycznej w zależności od źródła energii (2009) Warianty oznaczone plusem + oznaczająwarianty ze wzrostem kosztu paliwa o 20%.
Elektrownia jądrowa w Olkiluoto w Finlandii (makieta)
Elektrownia jądrowa w Olkiluoto w Finlandii(widok aktualny) montażpierścienia ochronnego w obudowie bezpieczeństwa - elementy wykonane w Polsce i montowane przez polskie firmy
4. Co wzbudza niechęć do energetyki jądrowej?
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 3 22 155 EW Popiół Gips Ścieki wodne Ilości odpadów z EW w. kamienny w. brunatny ton/gwe-rok ton/gwe-rok 310000 557000 147000 67000 131000 2230000
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.
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
msv 0,1 0,3 100 Przelotw obie stronywarszawa Nowy Jork Roczna dawka od radionuklidów we własnym ciele Narażenie załóg stacji orbitalnych 0,1 3 10 Zdjęcie klatki piersiowej Zdjęcie kręgosłupa lędźwiowego Tomografia komputerowa msv/rok 35 37 57 Rejon w Szwecji Guarapari(Brazylia) Tamil Nadu(Indie) Roczna dawka na płocie elektrowni jądrowej. 0,01 msv
Dlaczego doszło do awarii w Czarnobylu? http://wikipedia.org 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
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 1987-2004 3) Przesiedlenie 116 317 osób ze strefy 30 km wokółelektrowni (1986) oraz dalsze około 220 000 osób z terenów o podwyższonej radioaktywności. 4) Narażenie części ludności Białorusi, Ukrainy i Rosji na zwiększone dawki promieniowania około 100 msv.
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.
wprost, 18 stycznia 2001
System 6 barier bezpieczeństwa 1 2 3 4 5 6
Współczesne reaktory jądrowe posiadająobudowębezpieczeństwa w kształcie kopuły odporną na trzęsienie ziemi i uderzenie samolotu. Elektrownia jądrowa Ohi, Japonia.
5. Energetyka jądrowa a inne źródła energii
Rola EJ w walce z CO 2 wg bezstronnych ocen Światowej Rady Energetycznej (2004)
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. 4440 MW Elektrownia Kozienice S.A. 2880 MW
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
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
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
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)
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
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
13 stycznia 2009 Rząd RP podjął uchwałę o uruchomieniu w Polsce programu energetyki jądrowej. Pierwsza elektrownia jądrowa ma byćuruchomiona w Polsce w 2020 roku.
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.
CBOS 9/2009
6. Konkluzja, czyli co ja o tym myślę.
Nie da sięukryć, że potrzebujemy energii elektrycznej i to im wyższy standard życia tym więcej
owszem, można żyći tak, ale chyba nie o to chodzi
nie bójmy się więc energetyki jądrowej.
Polecam strony internetowe poświęcone tematyce energetyki jądrowej: www.atom.edu.pl www.nuclear.pl oraz książkę: Andrzej Strupczewski Nie bójmy się energetyki jądrowej! Stowarzyszenie Ekologów na Rzecz Energii Nuklearnej SEREN, Warszawa, 2010
Dziękuję za uwagę