energia z jądra atomu · energia z jądra atomu –zagrożenie czy ratunek dla środowiska? artur...
TRANSCRIPT
Energia z jądra atomu – zagrożenie czy ratunek dla środowiska?
Artur Błachowski
Instytut FizykiWydział 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 ścisłychi propagowaniu wiedzy technicznej w regionie„
Nr projektu UDA POKL.04.01.01-00.001/08-00e-mail: [email protected]
http://www.wiedza.pk.edu.pl/
współfinansowanego przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.
1.
Rys historyczny wydarzeń i odkryć naukowych, 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 Hahn i Fritz Straßmann– odkrycie rozszczepienia jąder uranu
1939 - Lise Meitner i Otto R. Frisch– teoretyczne wyjaśnienie rozszczepienia jądra atomowego
1942 - Enrico Fermi – pierwszy reaktor jądrowy (stos atomowy)
University of Chicago w Stagg Field
E = mc2
Albert Einstein i Leo Szilard Franklin Delano Roosevelt
Mitsubishi A6M2 "Zero" takes off from the aircraft carrier Akagi
USS West Virginia (severely damaged), USS Tennessee (damaged), USS Arizona (sunk).
Sunday December 7, 1941
Pearl Harbor, Hawaii, USA
January 19, 1942F.D. Roosevelt’s note to Vannevar Bush
Manhattan Project1942 – 1947
J. Robert Oppenheimer – kierownik naukowy projektu
Stanisław Ulam- polski matematyk
- 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 WorksOak Ridge
Clinton Engineer WorksLos Alamos: Laboratory
16.07.1945
→
1954 – pierwsza doświadczalna elektrownia jądrowa, Obnińsk, ZSRR.1956 – pierwsza komercyjna elektrownia jądrowa Calder Hall, Wielka Brytania.
Obnińsk Calder Hall
Energetyka jądrowajest 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
Z – liczba atomowa = liczba protonów w jądrzeN – liczba neutronów w jądrzeA – liczba masowa A=Z+N
np.
1H , 2H , 3H
12C , 13C , 14C
54Fe , 56Fe , 57Fe
233U , 235U , 238U
XA
NZ
( ) 22 NZ cMmmcME jnpw ⋅−⋅+⋅=⋅∆=
Defekt masy ∆M
( ) jnp MmmM −⋅+⋅=∆ NZ
Energia wiązania jądra Ew
to właśnie ta energia wykorzystywana jest w energetyce jądrowej
Energia wiązania nukleonu w jądrze w funkcji liczby masowej jądra A
( ) 22 NZ cMmmcME jnpw ⋅−⋅+⋅=⋅∆=
Ew/A(MeV)
En3KrBa U Un 10
8936
14456
23692
23592
10 +++→→+ ∗
Energia wyzwalana podczas rozszczepienia jednego jądra 235U
200 MeV
Uzyskiwana ilość energii:
1 kg 235U = 2 500 000 kg C
Energia wyzwolona podczas spalenia jednego atomu C
4 eV
W jaki sposób można sterować przebiegiem reakcji rozszczepienia
Moderator (spowalniacz) neutronów
Energia neutronów wywołujących rozszczepienie 235U 0.1 eVEnergia neutronów powstających z rozszczepienia 235U 0.5 – 5 MeV
Moderatory stosowane w energetyce jądrowej:
woda H2Ociężka woda D2Ografit C
Pręty sterujące i pręty bezpieczeństwa
- wykonane z materiałów bardzo intensywnie pochłaniających neutrony
kadm Cdbor B
3.
Energetyka jądrowa
Cykl paliwowy
Materiały rozszczepialne (paliwo jądrowe)233U, 235U, 239Pu
Materiały rozszczepialne (paliwo jądrowe)233U, 235U, 239Pu
Naturalny uran zawiera:238U 99,27 %235U 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% 235U
Francja, USA, Rosja, UK
metoda wirówkowa metoda dyfuzyjna
Produkcja paliwa uranowego
pastylki paliwowe
UO2
pręty paliwowe zestaw paliwowy
Elektrownia o mocy 1000 MWe potrzebuje na 1 rok pracy:EJ 640 kg 235U = 35 000 kg paliwa uranowego = 1 ciężarówkaEW 2 500 000 000 kg węgla = 35 000 wagonów = 3 pociągi dziennie
Elektrownia jądrowa(atomowa, nuklearna)
Wylot wody chłodzącej25.Transformator16.Rurociąg obiegu pierwotnego7.
Wylot pary wodnej24.Wzbudnica15.Pompa obiegu pierwotnego6.
Wlot powietrza chłodzącego23.Generator14.Wytwornica pary5.
Chłodnia kominowa22.Skraplacz13.Stabilizator ciśnienia4.
Rurociąg wody chłodzącej21.Pompa kondensatu12.Pręty sterujące3.
Rurociąg wody chłodzącej20.Turbina niskopręŜna11.Rdzeń reaktora2.
Zasilanie wody chłodzącej19.Turbina wysokopręŜna10.Zbiornik reaktora1.
Otwarte źródło wody18.Obieg wtórny pary9.Obieg wtórnyB.
Linia wysokiego napięcia17.Obieg wtórny kondensatu8.Obieg pierwotnyA.
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
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
18000
Szw
ecja
Finl
andi
a
Luxe
mbu
rg
Bel
gia
Fran
cja
Aus
tria
Nie
mcy
Hol
andi
a
Dan
ia
Slo
wen
ia
W. B
ryta
nia
Irla
ndia
Cze
chy
His
zpan
ia
Wlo
chy
Est
onia
Cyp
r
Slo
wac
ja
Gre
cja
Mal
ta
Por
tuga
lia
Bul
garia
Weg
ry
PO
LSK
A
Litw
a
Lotw
a
Rum
unia
kWh
per c
apita
• 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”
ZuZużżycie energii elektrycznej w Polsce na tle UEycie energii elektrycznej w Polsce na tle UE
Koszty wytwarzania energii elektrycznej w zależności od źródła energii (2009)
Warianty oznaczone plusem + oznaczają warianty ze wzrostem kosztu paliwa o 20%.
Elektrownia jądrowa w Olkiluoto w Finlandii (makieta)
Elektrownia jądrowa w Olkiluoto w Finlandii (widok aktualny)
montaż pierścienia ochronnego w obudowie bezpieczeństwa - elementy wykonane w Polsce i montowane przez polskie firmy
4.
Co wzbudza niechęć do energetyki jądrowej?
Przechowalnik wypalonego paliwaSellafield, Anglia
Podziemne składowisko wypalonego paliwa.
155Niska
22Średnia
3Wysoka
Objętośćm3/GWe-rok
Aktywność odpadów
Ilości odpadów z EJ z reaktorem PWR Ilości odpadów z EW
2 230 000131 000Ścieki wodne
67 000147 000Gips
557 000310 000Popiół
ton/GWe-rokton/GWe-rok
w. brunatnyw. kamiennyEW
Oklo, GabonNaturalny reaktor jądrowy działający 2 mld lat temu przez 500 tys. lat.
NIEZABEZPIECZONE produkty rozszczepienia rozprzestrzeniły się na odległość do 50 m od reaktora.
Źródła naturalne (74,0%) 2,480 mSv
Źródła sztuczne (26,0%)0,866 mSv
Roczna dawka skuteczna promieniowania jonizującego
otrzymana przez ludność Polski w 2007 r.
3,35 mSv
Roczna dawka „na płocie” elektrowni jądrowej.
0,01 mSv
Narażenie załóg stacji orbitalnych100
Roczna dawka od radionuklidów we własnym ciele0,3
Przelot w obie strony Warszawa – Nowy Jork0,1
Tomografia komputerowa10
Zdjęcie kręgosłupa lędźwiowego3
Zdjęcie klatki piersiowej0,1
Roczna dawka „na płocie” elektrowni jądrowej.
0,01 mSv
mSv
Tamil Nadu (Indie)57
Guarapari (Brazylia)37
Rejon w Szwecji35
mSv/rok
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 być nadal zasilane prądem, przy wykorzystaniu energii kinetycznej turbin.
Czynniki konstrukcyjny reaktora RBMK:- wzrost mocy reaktora po odparowaniu wody- moderator grafitowy + chłodziwo woda + cyrkonowe koszulki =
H2O+C→CO+H2 2H2O+Zr → ZrO2+2H2
- brak betonowej powłoki ochronnej
26 kwietnia 1986, 01:23:- odparowanie wody- wzrost mocy i przegrzanie reaktora- wybuch mieszaniny gazów: H2
- pożar grafitu
Skutki awarii w Czarnobylu
1) Uwolnienie do atmosfery znacznych ilości produktów rozszczepienia:
131I t1/2 = 8 dni137Cs t1/2 = 30 lat90Sr t1/2 = 28 lat
2) Ofiary
3 osoby – śmierć na skutek wybuchu134 osoby (emergency workers) – ostra choroba popromienna,
z czego 28 osób zmarło w 1986 roku, 19 osób zmarło w latach 1987-2004
3) Przesiedlenie 116 317 osób ze strefy 30 km wokół elektrowni (1986) oraz dalsze około 220 000osób 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 2000United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation
Komitet Naukowy ONZ ds. Skutków Promieniowania Atomowego
WHO Raport 2006World 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) Stwierdzono wzrost zapadalności na nowotwory tarczycy, (ogółem około 4000 przypadków, wyleczalność 95%).
5) Stwierdzono nasilenie następstw psychologicznych i społecznych, będących skutkiem stresu panującego wśród ludności.
wprost, 18 stycznia 2001
System 6 barier bezpieczeństwa
1
2
3
4
5
6
Elektrownia jądrowa Ohi, Japonia.
Współczesne reaktory jądrowe posiadają obudowę bezpieczeństwa
w kształcie kopuły odporną na trzęsienie ziemi i uderzenie samolotu.
5.
Energetyka jądrowa a inne źródła energii
Rola EJ w walce z CO2
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 • powstają duże 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
North Killingholme, Wielka Brytania
Elektrownia gazowa
Zalety:• niskie koszty inwestycyjne• możliwość pracy w podstawie obciążenia sieci• możliwość rozruchu w krótkim czasie • możliwość jednoczesnej produkcji energii elektrycznej i ciepła
Wady:• wysoki koszt paliwa• niepewność dostaw paliwa (zmonopolizowany rynek dostawców)
Elektrownia wodna
Zalety:• brak zanieczyszczeń• brak emisji CO2• niskie koszty eksploatacji• zalew można wykorzystać do celów rekreacyjnych
Wady:• zależność od 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 potencjał do 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% • konieczność budowania dodatkowych, stabilnych źródeł mocy w systemie,
które mogą być uruchomione 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
Kalix, Szwecja (paliwo zrębki drzewne)
Spalarnia biomasy
Zalety:• niskie koszty inwestycyjne • możliwa jednoczesna produkcja ciepła i energii elektrycznej • paliwem są rośliny nie nadające się do 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
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 • zależność od 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 uchwałęo uruchomieniu w Polsce programu energetyki jądrowej.
Pierwsza elektrownia jądrowa ma być uruchomiona w Polsce w 2020 roku.
Kadry dla energetyki jądrowej
Praca w elektrowni jądrowej (przemyśle jądrowym) wymaga wysoko wykwalifikowanej kadrypo 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 się obsługi bloku pod okiem doświadczonych kolegów. Przemysł jądrowy oferuje młodym ludziom ogromne możliwości, przede wszystkim wysokie zarobki i pracę w komfortowych warunkach
na odpowiedzialnych stanowiskach.
CBOS 9/2009
6.
Konkluzja,czyli co ja o tym myślę.
Nie da się ukryć, że potrzebujemy energii elektrycznej i to im wyższy standard życia tym więcej …
… owszem, można żyć i 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