…nastavak - unizg.hr...bioremedijacija nafte. seminarski rad, prirodoslovno-matematički fakultet,...
TRANSCRIPT
SEMINAR - Geološki aspekti zbrinjavanja otpada 44115 i 53441 (30 +15) – 2019/20
…NASTAVAK
Bioremedijacija
Seminar iz kolegija Geološki aspekti zaštite okoliša
PITANJA:
1. Što je bioremedijacija?
2. Navedi čimbenike koji utječu na uspješnost bioremedijacije.
3. Navedi dva temeljna tipa bioremedijacije.
• Bioremedijacija
Pojam bioremedijacije (biološko obnavljanje okoliša) poznat je još od 1940-ih godina.
Bioremedijacija je proces koji koristi mikroorganizme ili biljke u svrhu vraćanja onečišćenog
okoliša u njegov prirodni oblik. Nastoji ukloniti negativne utjecaje onečišćujućih tvari iz okoliša.
Međutim, njihovo uklanjanje nije uvijek moguće. Proces se temelji na kemijskim reakcijama te
metaboličkim procesima putem kojih organizmi razlažu spojeve. Vrlo je isplativa metoda, a budući
da izgradnja posebnih postrojenja kao ni unos različitih kemikalija u okoliš nisu potrebni, ubraja
se u tzv. zelenu tehnologiju. Ovisno o složenosti spojeva, bioremedijacija može trajati i do
nekoliko godina. Osim karakteristika onečišćujuće tvari, na njenu duljinu trajanja utječu i obilježja
područja na kojem je došlo do onečišćenja te mikroorganizmi koji sudjeluju u procesu.
Bioremedijacija se može odvijati u aerobnim te anaerobnim uvjetima procesima oksidacije te
redukcije. U aerobnim uvjetima mikroorganizmi koriste kisik za pretvorbu štetne tvari u ugljikov
dioksid i vodu, a degradacijom štetne tvari u anaerobnim uvjetima kao rezultat nastaju metan,
ugljikov dioksid te voda.
Proces bioremedijacije pospješuje razlaganje štetnih tvari dodatkom hranjivih tvari, izvora
ugljika ili elektron akceptora. Za uklanjanje, smanjenje ili pretvorbu onečišćujućih tvari u manje
SEMINAR - Geološki aspekti zbrinjavanja otpada 44115 i 53441 (30 +15) – 2019/20
štetne produkte upotrebljava biološke procese te kataboličku sposobnost mikroorganizama.
Ukoliko je provedba procesa uspješna, onečišćujuće su tvari mineralizirane, a međuprodukti ne
postoje. Iako je bioremedijacija široko prihvaćen proces, njena je praktična upotreba ograničena
zbog nedovoljnog poznavanje genetike, karakteristika upotrebljavanih mikroorganizama,
metaboličkih putova te kinetike. Stoga, nije moguće predvidjeti rezultate ni uspješnost samog
procesa.
• Čimbenici koji utječu na uspješnost bioremedijacije
Kako bi proces bioremedijacije bio što uspješniji, potrebno je održavati idealne okolišne
uvjete temperature, pH vrijednosti, vlage, kisika te hranjivih tvari. Bilo koji od navedenih faktora
može poremetiti rast i metabolizam mikroorganizma zaduženog za bioremedijaciju. Uz navedene
okolišne uvjete, bitan je čimbenik i prisutnost mikroorganizama sposobnih za biodegradaciju te
dostupnost onečišćujućih tvari tim organizmima, stanje mikrobnog konzorcija te kometabolizam.
Ukoliko je onečišćenje nastalo u tlu, na rezultat procesa utjecaj imaju i struktura te tekstura tla koje
djeluju na propusnost te sadržaj vlage u tlu.
• In situ i ex situ bioremedijacija
Ovisno o tome provodi li se biološki tretman za uklanjanje zagađivala na mjestu na kojem
se zagađenje dogodilo ili izvan njega, postoje dva tipa bioremedijacije: in situ ili ex situ. In situ
bioremedijacija odvija se na mjestu samog zagađenja, dok se ex situ bioremedijacija odvija izvan
mjesta zagađenja.
Ex situ bioremedijacija obuhvaća biofiltere, bioreaktore, kompostiranje te land spreading.
U bioreaktorima se obrađuje onečišćeni kruti materijal (tlo, sediment, mulj) ili voda kroz
projektirani zatvoreni sustav. Kako bi rezultat bioremedijacije bio što bolji, spajaju se razne vrste
bioreaktora. Kompostiranje je aerobni proces, odnosno odvija se u prisutnosti kisika, a uključuje
miješanje onečišćenog tla te organskog supstrata koji je izvor ugljika. Proces kompostiranja zbiva
se pri visokim temperaturama, najčešće između 55 i 65 °C, a razlog povišenja temperatura je
toplina nastala tijekom biodegradacije. Zbog svoje je ekonomičnosti, Land spreading jedna od
najčešće korištenih metoda ex situ bioremedijacije, a odnosi se na miješanje zagađenog medija s
tlom.
SEMINAR - Geološki aspekti zbrinjavanja otpada 44115 i 53441 (30 +15) – 2019/20
Bioventiliranje, bioprskanje te biostimulacija dio su in situ bioremedijacije. Bioventiliranje
i bioprskanje vrlo su slične metode uz pomoć kojih se povećava aktivnost mikroorganizama tako
da se zrak upuhuje u vadoznu (bioventiliranje), odnosno satiranu zonu (bioprskanje).
Za razliku od ex situ bioremedijacije, koja je skuplja zbog troškova iskopavanja,
ispumpavanja te transporta, in situ bioremedijacija je jeftinija, zahtijeva manje opreme te ne
uzrokuje velike promjene u okolišu. Tri su osnovne kategorije, koje obuhvaćaju in situ metode
bioremedijacije, bioatenuacija, biostimulacija te bioaugmentacija.
Bioatenuacija je prirodni proces koji obuhvaća sve fizikalne, kemijske te biološke procese
kojima se štetna tvar transformira u bezopasnu ili se imobilizira ispod površine te postaje
nedostupna biljkama. Proces se biostimulacije odvija ukoliko se bioatenuacija ne događa ili je
spora. Biostimulacija je proces kojim se okoliš opskrbljuje hranjivim tvarima, elektron
akceptorima te supstratima, dok bioaugmentacija predstavlja inokulaciju, odnosno unošenje
određenih bakterija na onečišćena područja čime se pospješuje razgradnja onečišćujućih tvari koje
se ne mogu ukloniti procesima bioatenuacije ili biostimulacije.
• Prednosti i nedostaci
Pozitivna je strana bioremedijacije njena isplativost te prihvatljivost za okoliš, odnosno ima
manji utjecaj na okoliš u odnosu na mnoge fizikalne i kemijske postupke koji se također koriste za
sanaciju zagađenih područja. Fizikalno-kemijskim procesima teško je u potpunosti ukloniti štetnu
tvar iz okoliša, dok mikroorganizmi posjeduju tu mogućnost. Prednost procesa bioremedijacije jest
što se odvija na mjestu samog onečišćenja, odnosno štetne tvari nije potrebno premještati te tako
riskirati zagađenja područja u blizini.
Nedostatak je bioremedijacije nepredvidljivost rezultata, odnosno rezultati dobiveni u
laboratoriju nisu uvijek jednaki rezultatima na terenu. Štetu u okolišu moguće je povećati ukoliko
je ispušteni produkt, nastao procesom bioremedijacije, toksičniji od same onečišćujuće tvari.
Budući da nisu svi kemijski spojevi biorazgradivi, učinkovitost procesa ponekad je slaba. Kao
negativna strana ističe se i vrijeme trajanja bioremedijacije koje nije moguće predvidjeti.
• Primjeri
SEMINAR - Geološki aspekti zbrinjavanja otpada 44115 i 53441 (30 +15) – 2019/20
-uklanjanje nafte → naftne špilje ili klorirana otapala mogu kontaminirati podzemne
vode, no unosom odgovarajućeg donora ili akceptora elektrona smanjuje se koncentracija
kontaminanata
-biodegradacija kloriraninh ugljikovodika u tlu → razgradnja je PCB teška zbog
razbijanja čvrstih veza između bifenilne skupine i klora; zamjenom atoma klora s vodikom
(deklorinacija) nastaje biorazgradiv produkt
-bioremedijacija paracetamola → velike količine lijekova nalaze se u otpadnim vodama;
slabo se uklanjanju prilikom klasičnog pročišćavanja otpadnih voda; paracetamol se
uklanja u aerobnom membranskom bioreaktoru pomoću bakterijskog konzorcija
nitrifikatora, a adsorpcije na biomasu nema; procesom bioremedijacije nastaje među
produkt koji je biorazgradiv
-bioremedijacija selena → selen (Se) u prirodi ima kompletan biogeokemijski ciklus;
anaerobne bakterije u anoksičnim sedimentima vrše respiratornu redukciju selenata i
selenita do elementarnog selena; selen se izlučuje u obliku nanosfera na površini
stanice ili unutar stanice;
• Zaključak
Bioremedijacija je jedna od metoda koje posjeduju mogućnost učinkovitog uklanjanja
onečišćujućih tvari iz okoliša. Temelji se na pronalasku i izolaciji mikroorganizama prilagođenih
na okoliš zagađen nekom tvari te izdvajanju mogućih bioremedijatora. Svaki mikroorganizam, koji
ima sposobnost biodegradacije, mora biti tolerantan na onečišćujuću tvar. Međutim,
mikroorganizam otporan na zagađujuću tvar, ne mora biti bioremedijator. Kako bi proces
bioremedijacije bio učinkovit, upotrebljavani mikroorganizmi moraju svojim enzimima djelovati
na zagađivače te ih transformirati u bezopasne tvari za okoliš istodobno smanjujući njihovu
koncentraciju. Bioremedijacija je tehnologija budućnosti. Odgovara konceptu održivog razvoja te
postiže odlične rezultate u čišćenju zagađenih područja te pročišćavanju otpadnih voda.
Predstavlja izazov istraživačima. Kako bi se rezultati bioremedijacije poboljšali, metodu je
potrebno stalno unaprjeđivati te pronalaziti mikroorganizme koji imaju mogućnost razgradnje
štetnih tvari.
SEMINAR - Geološki aspekti zbrinjavanja otpada 44115 i 53441 (30 +15) – 2019/20
ODGOVORI:
1. Bioremedijacija (biološko obnavljanje okoliša) je proces koji koristi mikroorganizme ili
biljke u svrhu vraćanja onečišćenog okoliša u njegov prirodni oblik.
2. Čimbenici koji utječu na uspješnost bioremedijacije: prisutnost mikroorganizama
sposobnih za biodegradaciju, dostupnost onečišćujućih tvari tim organizmima, stanje
mikrobnog konzorcija, kometabolizam, niz okolišnih uvjeta (temperatura, pH vrijednost,
vlaga, kisik te hranjive tvari) te struktura i tekstura tla.
3. Dva temeljna tipa bioremedijacije: in situ bioremedijacija i ex situ bioremedijacija.
REFERENCE
Bertović, B. 2016. Bioremedijacija zemlje onečišćene naftnim ugljikovodicima. Goriva i maziva
55, 4, 295-305.
Hrenović, J. 2018. Bioremedijacija. Fakultetska skripta, Prirodoslovno-matematički fakultet,
Zagreb
Ramljak, A. 2018. Bioremedijacija pesticida. Seminarski rad, Prirodoslovno-matematički
fakultet, Zagreb
Žavrljan, A. 2019. Bioremedijacija nafte. Seminarski rad, Prirodoslovno-matematički fakultet,
Zagreb
SEMINAR - Geološki aspekti zbrinjavanja otpada 44115 i 53441 (30 +15) – 2019/20
KONFLIKTNI MINERALI
PITANJA:
1. Koji minerali se smatraju konfliktnima?
2. Koja ljudska prava se krše u konfliktnim zonama rudnika minerala?
3. Gdje se koriste konfliktni minerali i njihovi metali?
KONFLIKTNI MINERALI
Gospodarska diplomacija je grana vanjske politike Ministarstva vanjskih poslova i europskih
integracija. Članovi Europskog parlamenta (tako i MVEP) 2017. usvojio je Uredbu kojom se
uvoznici kositra, tantala, volframa i zlata i njihovih ruda obvezuju na provjeru i nadzor svojih
lanaca opskrbe tj. izvora ruda. Uredbom se nastoji spriječiti zarada oružanih skupina u
visokorizičnim područjima te teška kršenja ljudskih prava poput rada maloljetnika, nasilja nad
ženama, otmica, prisilne migracije i sl. Navedeni metali se koriste u tehnologiji (najveća
potražnja), kao PVC stabilizatori, u proizvodnji automobila, kao dijelovi rezača i bušilica te nakit.
Dolaze iz minerala zlata, kolumbita, tantalita, kasiterita i volframita.
Primjer područja konflikta je Demokratska Republika Kongo. Država DR Kongo ima tešku
povijest ljudske mutilacije i patnje zbog ostvarenja profita još od doba kolonizacije (ropstvo,
konfliktni dijamanti, guma). Rudnici zlata su rašireni po središnjoj te uz rudnike kositra, tantala i
volframa istočnoj strani države. Ilegalni rudnici su izvan dosega vojske Konga (FARDC), teško
dostupni zbog tropske vegetacije, nedostatka asfatiranih cesta i često pod kontrolom izbjeglica
Ruande uzrokovane genocidom 1994. godine (primjer oružane pobunjeničke skupine koja
okupira rudnike Konga je FDLR; Demokratske Sile Oslobođenja Ruande).
Usporedbom njemačkog rudnika (npr. ugljena) i prosječnog rudnika Konga može se vidjeti
velika razlika, najvažnija u protokolima zaštite na radu. U Kongu takvi protokoli ne postoje, a
velika je šansa da žrtve poginu na putu do bolnice zbog ranije spomenutog nedostatka
infrastrukture. Legalni rudnici su u lošem stanju, ne postoji sistem izvlačenja minerala, samo
upotreba alata (lopata, čekić, dijetlo) na nasumice odabranim mjestima. Plaće su niske, a rude
niže kvalitete prodaju se ljudima iz obližnjih sela za hranu. Ilegalni rudnici dolaze do radnika i
SEMINAR - Geološki aspekti zbrinjavanja otpada 44115 i 53441 (30 +15) – 2019/20
vojnika (tj. robova) otmicom, do hrane i ostalih potrepština pljačkanjem te uz oružane napade
uobičajeni su mnogobrojni slučajevi silovanja.
Minerali se krijumčare preko granice u Ruandu (i okolne zemlje - Kenija, Burundi, Tanzania)
najčešće avionima, zatim se teretnim brodovima prevozi u Aziju (Indija, Tajland, Malezija), gdje
se tali i pročišćava u metale koji se koriste u industriji Europe, SAD-a i Južne Amerike.
Dva predložena rješenja su financijska i oružana potpora vojske DR Kongo (FARDC) i prestanak
financiranja firmi koje uvoze minerale iz ilegalnih rudnika, iako postoji mogućnost da ta rješenja
uzrokuju još gore uvjete života.
1. Koji minerali se smatraju konfliktnima?
Kolumbit, tantalit, kasiterit, volframit i zlato.
2. Koja ljudska prava se krše u konfliktnim zonama rudnika minerala?
Rad maloljetnika, nasilje nad ženama, otmica, prisilne migracije i sl.
3. Gdje se koriste konfliktni minerali i njihovi metali?
U tehnologiji, kao PVC stabilizatori, u proizvodnji automobila, kao dijelovi rezača i
bušilica te nakit.
REFERENCE:
http://gd.mvep.hr/hr/kontrola-izvoza/konfliktni-minerali/
https://www.internationaltin.org/how-is-tin-used/
https://www.rsc.org/periodic-table/element/74/tungsten
https://www.rsc.org/periodic-table/element/73/tantalum
https://enoughproject.org/conflicts/congo
https://youtu.be/yrcTxCOkuWA
SEMINAR - Geološki aspekti zbrinjavanja otpada 44115 i 53441 (30 +15) – 2019/20
https://youtu.be/jjVkNxT8Zsg
https://youtu.be/iMdJgqKoxUw
https://www.ilo.org/wcmsp5/groups/public/---ed_protect/---protrav/---
safework/documents/normativeinstrument/wcms_107840.pdf
https://instagram.com/marcusbleasdale?igshid=xuyypz5dhhez
https://thesentry.org/reports/the-golden-laundromat/
http://www.kilogoldmines.com/our-business/gold/
https://reliefweb.int/report/democratic-republic-congo/under-mining-peace-tin-explosive-trade-
cassiterite-eastern-drc
http://tierra.rediris.es/coltan/coltanreport.pdf
http://www.snstech.co.kr/renew/eng/sub07_02.asp
https://www.wilderutopia.com/international/humanity/the-lucrative-and-violent-curse-of-coltan-
mining-in-congo/
https://www.theguardian.com/world/2018/apr/03/millions-flee-bloodshed-as-congos-army-steps-up-
fight-with-rebels-in-east
SEMINAR - Geološki aspekti zbrinjavanja otpada 44115 i 53441 (30 +15) – 2019/20
BUDUĆNOST NUKLEARNE ENERGIJE
Pitanja:
1. Što je to nuklearna energija i kojim procesima se oslobađa?
2. Što je to tokamak?
3. Da li eksploatacija fuzijske energije šteti okolišu?
4. Zašto još ne koristimo nuklearnu fuziju za generiranje energije?
UVOD:
Nuklearna energija je energija čestica pohranjena u jezgri atoma. Jezgra se sastoji
od protona i neutrona, koji su međusobno vezani jakim i slabim nuklearnim silama. Nuklearnim
reakcijama dolazi do promjene stanja atomske jezgre, što znači da se broj ili vrsta čestica u jezgri
mijenja. Ovisno o vrsti nuklearne reakcije, može doći do oslobađanja nuklearne energije, koja se
može iskoristiti za proizvodnju električne energije u nuklearnim elektranama. Ona se oslobađa u
procesima koji se odvijaju u zvijezdama (fuzija) te u procesima koje danas rabimo u nuklearnim
elektranama (fisija), kao i u spontanim nuklearnim reakcijama. Nuklearne elektrane proizvode oko
6% svjetske energije i 13–14% svjetske električne struje, a SAD, Francuska i Japan zajedno daju
oko 50% nuklearno generirane električne energije. 2007. godine, Međunarodna agencija za
atomsku energiju podnijela je izvještaj o postojanju 439 nuklearnih reaktora u pogonu u
svijetu, koje rade u 31 državi. Također, izgrađeno je više od 150 pomorskih plovila koji
koriste nuklearni pogon.
NUKLEARNA FISIJA:
Nuklearna fisija je ona vrsta nuklearne reakcije, koja nastaje kad se jezgra
atoma nekog kemijskog elementa cijepa na dva fisijska produkta ili fisiona
fragmenta sličnih masa, uz emisiju jednog ili više neutrona, te velike količine energije. Tijekom
procesa fisije dolazi do oslobađanja energije, jer je manje energije potrebno za formiranje dvije
lakše jezgre nego jedne teže jezgre. Spontana fisija jezgre događa se vrlo sporo, no kod nekih
teških jezgri moguće je inicirati bržu reakciju fisije djelovanjem sporih neutrona s tom jezgrom.
Takve jezgre koje su podložne fisiji sporim neutronima nazivamo fisilnim jezgrama. Osim
jezgara izotopa uranija-233 i uranija-235, te plutonija-239, fisibilna je i jezgra izotopa plutonija-
241. Jedini fisilni izotop koji postoji u prirodi je izotop uranija-235. Energija oslobođena fisijom
SEMINAR - Geološki aspekti zbrinjavanja otpada 44115 i 53441 (30 +15) – 2019/20
uranija-235 iznosi približno 200 MeV. Dvije lakše jezgre koje nastaju fisijom radioaktivne su i
zovu se fisijski fragmenti ili fisijski produkti.
Da bi se nuklearna fisija mogla koristiti kao energetski izvor potrebno je stvoriti uvjete u
kojima će se ta reakcija događati kontinuirano. Kontinuiranu fisijsku reakciju moguće je ostvariti
jer se fisijom fisibilnih izotopa stvaraju dva do tri neutrona koji mogu izazvati fisiju u drugim
jezgrama fisibilnih izotopa. Takva se reakcija naziva fisijska nuklearna lančana reakcija. Mase
fisijskih produkata se najčešće odnose u omjeru 3:2, a vjerovatnost da dođe do nuklearne fisije je
2 do 4 puta na 1000 događaja.
Energija dobivena fisijom jednog kilograma izotopa uranija-235 jednaka je energiji koja bi
se dobila izgaranjem 1 300 tona ugljena ili 1 350 tona nafte. Da bi se taj veliki energijski potencijal
fisije mogao iskoristiti kao energetski izvor potrebno je omogućiti kontinuirano odvijanje fisijske
reakcije. Dva do tri neutrona koji se oslobađaju tijekom fisijske reakcije mogu izazvati reakciju
fisije na drugim jezgrama fisibilnog izotopa i na taj način nastaviti nuklearnu lančanu reakciju
fisije. Tim procesom dolazi do kontinuiranog oslobađanja fisijske energije na kontrolirani način u
posebnim uređajima koji se zovu nuklearni reaktori.
Slika 1. Jedna od mogućih reakcija nuklearne fisije: atom uranija-235 hvata spori neutron
i raspada se na dva nova atoma (fisijski produkti – barij-141 i kripton-92), oslobađajući 3 nova
neutrona i ogromnu količinu energije vezanja
NUKLEARNA FUZIJA:
SEMINAR - Geološki aspekti zbrinjavanja otpada 44115 i 53441 (30 +15) – 2019/20
Nuklearna fuzija je proces spajanja lakih atomskih jezgri u teže (sve do željeza 56Fe), pri
kojem se zbog gubitka mase (defekta mase) oslobađa golema količina energije. G. Gamow izveo
je 1928. jednadžbu kvantno-mehaničkog tuneliranja, na temelju koje je zaključio da
visoke temperature mogu stvoriti uvjete u kojima će se nadvladati elektrostatičko odbijanje
(Coulombova barijera) između protona i time omogućiti fuzijske reakcije. Desetljeće poslije, H.
A. Bethe razradio je fuzijske procese na kojima se temelji energija Sunca i ostalih zvijezda.
Osnovni je proces vodikovo gorenje, spajanje četiriju vodikovih jezgri u jezgru helija, pri čemu je
ključna uloga temeljne slabe sile i emisije neutrina. U tom se procesu, na račun razlike između
masa četiriju vodikovih atoma i jednoga helijeva atoma, oslobađa 28 MeV energije.
Prva ideja korištenja energije nuklearne fuzije je bila za dobivanje nuklearnog oružja, u
obliku hidrogenske bombe, gdje se prvo koristi energija nuklearne fuzije za zagrijavanje stvaranje
pritiska na gorivo, time započinje nuklearna fuzija, koja oslobađa veliku količinu neutrona.
Hidrogenska bomba je oslobađala oko 500 puta više energije nego prve atomske bombe na
nuklearnu fisiju. Prvi pokušaji da se dobije energija iz nuklearne fuzije je započela 1946., u Velikoj
Britaniji, gdje su George Paget Thomson i Moses Blackman prvi put objasnili pojam stezanja
(engl. pinch), sabijanje električnog polja sa magnetskom silom.
Napravljeni su ZETA i Sceptre uredaji na tom principu. Slični pokusi su počeli u SAD i
Sovjetskom Savezu. Na Sveučilistu Princeton su napravili stellarator, a u Kaliforniji su započeli s
idejom “magnetskog ogledala”. Osim tih prvih pokušaja, dva su nova pristupa obilježila razvoj
dobivanja energije iz nuklearne fuzije. Prvi je bio tokamak, koji se razvio u Sovjetskom Savezu i
koji je kombinirao stellarator i pinch, i većina novih istraživanja se bazira na tom pristupu. U
kasnim 1960-tim, u SAD se razvila ideja “mehaničke” fuzije s korištenjem lasera. U konačnici,
nakon više od 50 godina istraživanja, još ni jedan uređaj nije napravljen koji bi na komercionalnoj
bazi proizvodio energiju za tržiste.
U novije doba traju pokušaji ostvarivanja kontrolirane nuklearne fuzije, čime bi se dobio
alternativni izvor energije (obnovljiva energija) koji bi trajno riješio energijsku glad čovječanstva.
Naime, fuzijski reaktori koji se temelje na deuteriju (iz oceana) i triciju (koji se dobiva u samom
reaktoru), neusporedivo su ekološki čistiji od fisijskih (bez onečišćenja i s malo radioaktivnosti).
Ipak, još nesvladane poteškoće u dvama pristupima (magnetskoga zatočenja plazme ili laserske
fuzije) odgađaju komercijalnu primjenu takvih reaktora (na primjer tokamak).
SEMINAR - Geološki aspekti zbrinjavanja otpada 44115 i 53441 (30 +15) – 2019/20
Slika 2. Prikaz nuklearne fuzije D-T
FUZIJSKI REAKTOR (TOKAMAK)
Tokamak je stroj za proizvodnju toroidalnog magnetskog polja za razgraničenje plazme.
To je jedan od najviše istraživanih kandidata za proizvodnju kontrolirane termonuklearne fuzijske
energije. U novije se vrijeme uređaji ovakvog tipa nazivaju zajedničkim imenom fuzijski reaktori.
KAKO RADI?
Srce tokamaka je njegova vakuumska komora u obliku krafne. Iznutra, pod utjecajem ekstremne
topline i pritiska, plinovito vodikovo gorivo postaje plazma - vrući, električno napunjeni plin. U
zvijezdi kao u uređaju za fuziju, plazme pružaju okruženje u kojem se svjetlosni elementi mogu
stopiti i davati energiju. Nabijene čestice plazme mogu se oblikovati i kontrolirati ogromnim
magnetskim zavojnicama postavljenim oko posude; fizičari koriste ovo važno svojstvo da odvoje
vruću plazmu dalje od zidova posuda.
Da bi se započeo postupak, zrak i nečistoće najprije se evakuiraju iz vakuumske komore.
Zatim se pune magnetski sustavi koji će pomoći u ograničenju i kontroliranju plazme i uvodi se
plinovito gorivo. Kako snažna električna struja prolazi kroz posudu, plin se električno razgrađuje,
postaje ioniziran (elektroni se odstranjuju iz jezgara) i tvore plazmu. Kako se čestice plazme
energiziraju i sudaraju, također se počinju zagrijavati. Pomoćne metode grijanja pomažu da se
plazma dovede do temperature fuzije (između 100 i 300 milijuna °C). Čestice "energizirane" do te
mjere mogu prevladati svoju prirodnu elektromagnetsku odbojnost prilikom sudara radi spajanja ,
oslobađajući ogromne količine energije. Prvi put razvijen sovjetskim istraživanjima u kasnim
SEMINAR - Geološki aspekti zbrinjavanja otpada 44115 i 53441 (30 +15) – 2019/20
1960-ima, tokamak je prihvaćen širom svijeta kao najperspektivnija konfiguracija uređaja za
magnetsku fuziju.
Elektrane svugdje proizvode električnu energiju pretvarajući mehaničku snagu, poput
rotacije turbine, u električnu. U parnoj stanici na ugljen, izgaranje ugljena pretvara vodu u paru, a
para zauzvrat pokreće turbine generatore za proizvodnju električne energije. Elektrane se danas
oslanjaju ili na fosilna goriva, nuklearnu fisiju ili na obnovljive izvore poput vode. Tokamak je
eksperimentalni stroj dizajniran da iskoristi energiju fuzije. Unutar tokamaka, energija stvorena
fuzijom atoma apsorbira se kao toplina u zidovima posude. Baš kao i kod klasičnih elektrana,
fuzijska elektrana će koristiti ovu toplinu za proizvodnju pare, a potom i struje pomoću turbina i
generatora.
Dakle, da sumiramo fuzijski reaktor je reaktor koji stvara energiju uz pomoć kontrolirane
nuklearne fuzije i koja će se pretvariti u neki drugi oblik energije za daljnju uporabu. U jednom
fuzijskom reaktoru više će se energije osloboditi no što je potrebno za start samog procesa. Do
sada nikome nije uspjelo ostvariti proces koji bi oslobodio više energije nego što je utrošeno.
Računa se da će reaktori za komercijalnu proizvodnju energije biti dostupni za 30-50 godina.
Nekoliko fuzijskih reaktora upotrebljavaju se u istraživačke svrhe ili su u procesu planiranja.
Većina reaktora je vrsta tokamaka, poput ITER-a. Prvi reaktori koji će davati višak energije biti
će dostupni oko 2025.-2030. godine.
SEMINAR - Geološki aspekti zbrinjavanja otpada 44115 i 53441 (30 +15) – 2019/20
Slika 3. Prikaz tokamaka i magnetskog polja
Međunarodni projekt ITER
ITER (lat. „put“, International Thermonuclear Experimental Reactor) je veliki
međunarodni fuzijski eksperiment sa ciljem da znanstveno i tehnološki demonstrira izvedivost
iskorištenja energije fuzije na kontroliran način. ITER će odigrati kritičnu ulogu prikaza svih
prednosti fuzijske energije – energije koja napaja naše Sunce i zvijezde. Trenutno je najveći
istraživački projekt na području nuklearne fuzije i jedan od najizazovnijih i najinovativnijih
znanstvenih projekata u svijetu. Procjenjuje se da će proizvoditi 500 MW fuzijske energije kroz
barem 400 sekundi s vlastitom potrošnjom tek jedne desetine tog iznosa. U tom slučaju to će biti
prvi projekt fuzijskog tipa s pozitivnom energetskom bilancom.
SEMINAR - Geološki aspekti zbrinjavanja otpada 44115 i 53441 (30 +15) – 2019/20
Partneri ovog projekta su Kina, Europska unija, Indija, Japan, Rusija, Južna Koreja i SAD.
Procjenjuje se da će njegova gradnja koštati 10 milijardi €, i još 5 milijardi € za njegov pogon i
razgradnju. Pregovori oko lokacije građevine završeni su 2005. u Moskvi gdje su izaslanici članica
jednoglasno izabrali mjesto Cadarache na jugu Francuske. Građevinski radovi na ITER-u započeli
su 2010. godine, a planiraju se završiti do 2019. Tada će uslijediti faza u kojoj će se testirati svi
dijelovi sustava i da li sve skupa radi na ispravan način, da bi se 2020. godine reaktor konačno
pustio u pogon. Slijedi 20 godina rada i konstantnog paralelnog praćenja ponašanja reaktora. Radit
će do 2040. godine nakon čega slijedi 5 godina za razgradnju odnosno deaktivaciju.
Slika 4. Prikaz gradilišta ITER u Francuskoj
Perspektiva fuzije:
Postoji više načina dobivanja energije fuzijom, npr. nuklearna fuzija D-T (deuterij – tricij),
nuklearna fuzija D-D (deuterij – deuterij), nuklearna fuzija D-3He (deuterij – helij-3) i nuklearna
fuzija p-11B (proton – bor-11) no fuzija D-T je najlakša i najobećavajuća za dobivanje energije
nuklearne fuzije. U prirodi, deuterij je u priličnom izobilju. Jedan od 5000 atoma vodika u morskoj
vodi je deuterij. To iznosi više od 1015 tona dostupnog deuterija u prirodi. Jedna litra morske vode
SEMINAR - Geološki aspekti zbrinjavanja otpada 44115 i 53441 (30 +15) – 2019/20
će tada proizvesti onoliko energije kao 300 litara benzina. S tricijem je drugačija situacija, on se
dobiva iz litija.
Takvo obilje deuterija i litija podrazumijeva da opskrba fuzijskih reaktora gorivom ne bi
trebala biti nikakav problem, barem ne u nekom predvidivom roku, govoreći o desecima tisuća
godina. Ogromna energija koja se oslobađa fuzijskim reakcijama će joj omogućiti da bude
primarni izvor energije u svijetu, čak i nadomještajući sve postojeće fisijske nuklearne elektrane.
Moguće je jednog dana da zamijeni i sve ostale izvore energije koji zagađuju okoliš stakleničkim
plinovima i ugljičnim dioksidom. Tada bi nuklearna fuzija bila okidač jedne nove ere – ere u kojoj
ljudsko eksploatiranje energije neće škoditi okolišu u kojem živimo.
Radioaktivni otpad iz fuzijskih reaktora, uz prikladan dizajn, daleko je manje
zabrinjavajući problem nego što je to radioaktivni otpad iz fisijskih reaktora. Goriva za fuzijske
reaktore – deuterij i litij, pa niti produkt fuzije helij, nisu radioaktivni. Većina neutrona
proizvedenih fuzijom budu apsorbirani u litijskom sloju pokrivača fuzijskog reaktora. Za mnoge
komponente takvog reaktora koristi se berilij koji neutroni ne mogu aktivirati, no elemente koji se
također koriste, kao što su željezo i aluminij, neutronski tok može učiniti radioaktivnima. Čak i
takav radioaktivan otpad, uz pravilno gospodarenje, se nakon 100 godina može smatrati sigurnim
što je vrlo kratkotrajno u odnosu na radioaktivni otpad iz fisijskih reaktora.
Hrvatski fuzijski program:
Prva detaljna analiza prašine koja se stvara u fuzijskom reaktoru u uvjetima kao na ITER-
u obavljena je u sklopu EUROfusiona na Institutu Ruđer Bošković. Također, na IRB-u postoji
jedna od svega četiri komore za simuliranje oštećenja materijala uzrokovanog fuzijskim
neutronima pomoću dva snopa iona. Takvu komoru na IRB-u financirao je EUROfusion. Štoviše,
EUROfuison će nastaviti financirati rad ove komore čitavo sljedeće desetljeće. IRB sudjeluje i u
analizama površina izloženih plazmi, dok Institut za fiziku (IFS) u Zagrebu vodi za EUROfusion
istraživanja magnetskih svojstava fuzijskih materijala, a splitski FESB u EUROfusionu ima važno
mjesto u matematičkom modeliranju procesa u fuzijskim reaktorima.
DONES (DEMO Oriented Neutron Source) je ključan uređaj za razvoj fuzije, vrijedan oko
550 milijuna eura i drugi po značenju u fuzijskom programu EU na kojem će se provoditi
istraživanja otpornosti fuzijskih materijala na zračenje, kako bi se dobili materijali pogodni za
fuzijsku elektranu DEMO. Zemlje-partnerice Španjolska i Hrvatska smatraju da će gradnju
DONES-a nužno započeti već krajem 2020. godine. Na dizajniranju DONES-a sudjeluju dva
vodeća znanstvenoistraživačkih instituta, s hrvatske strane IRB-a, a sa španjolske institut
CIEMAT-a.
ZAKLJUČAK:
Ovo su podaci koji ulijevaju nadu, koji nas ohrabruju da još predanije krenemo istraživati
nuklearnu fuziju. Ulaganja u takve projekte su velika, no ono što nam mogu donijeti je
neprocjenjivo. Mnogo je problema i ograničenja koja se mogu riješiti, ili poboljšati, stoga je
SEMINAR - Geološki aspekti zbrinjavanja otpada 44115 i 53441 (30 +15) – 2019/20
potrebno još mnogo istraživanja, znanstvenih radova i ispitivanja da bismo došli do točke u kojoj
će se fuzijski reaktori graditi u komercijalne svrhe. Još jedna ohrabrujuća stvar, da u 30-ak godina
ispitivanja fuzije konstantno se ide prema naprijed i svaka prepreka je prijelazna, svaki sljedeći
projekt bolji je od prethodnog. Projekt ITER ključna je figura u ovom razvoju i uloga mu je samo
potvrditi ono u što su znanstvenici sigurni, i svijet će, kao i naše Sunce, pokretati nuklearna fuzija.
A tek ono što slijedi biti će prva fuzijska elektrana DEMO koja će, kako se procjenjuje, početi sa
gradnjom 2024. godine i proizvoditi 2 do 4 GW električne energije. Ono što slijedi nakon toga
uvelike ovisi o ova dva projekta. Nakon toga ektrapolacijom je moguće zaključiti da će projekti
takvog tipa biti mnogo jeftiniji, jer, kao i mnoge druge znanstvene projekte najveće napore,
ulaganja i vremenske periode potrebno je uložiti dok je problem u tranziciji, u usponu.
Odgovori:
1. Što je to nuklearna energija i kojim procesima se oslobađa?
Nuklearna energija je energija čestica pohranjena u jezgri atoma. Jezgra se sastoji
od protona i neutrona, koji su međusobno vezani jakim i slabim nuklearnim silama. Nuklearnim
reakcijama dolazi do promjene stanja atomske jezgre. Energija se oslobađa u procesima koji se
odvijaju u zvijezdama (fuzija) te u procesima koje danas rabimo u nuklearnim elektranama (fisija),
kao i u spontanim nuklearnim reakcijama.
2. Što je to tokamak?
Tokamak je stroj za proizvodnju toroidalnog magnetskog polja za razgraničenje plazme. To je
jedan od najviše istraživanih kandidata za proizvodnju kontrolirane termonuklearne fuzijske
energije. U novije se vrijeme uređaji ovakvog tipa nazivaju zajedničkim imenom fuzijski reaktori.
3. Da li eksploatacija fuzijske energije šteti okolišu?
Obilje deuterija i litija u prirodi podrazumijeva da opskrba fuzijskih reaktora gorivom ne bi trebala
biti nikakav problem. Radioaktivni otpad iz fuzijskih reaktora, uz prikladan dizajn, daleko je manje
zabrinjavajući problem nego što je to radioaktivni otpad iz fisijskih reaktora. Goriva za fuzijske
reaktore – deuterij i litij, pa niti produkt fuzije helij, nisu radioaktivni. Većina neutrona
proizvedenih fuzijom budu apsorbirani u litijskom sloju pokrivača fuzijskog reaktora. Za mnoge
komponente takvog reaktora koristi se berilij koji neutroni ne mogu aktivirati, no elemente koji se
također koriste, kao što su željezo i aluminij, neutronski tok može učiniti radioaktivnima. Čak i
takav radioaktivan otpad, uz pravilno gospodarenje, se nakon 100 godina može smatrati sigurnim
što je vrlo kratkotrajno u odnosu na radioaktivni otpad iz fisijskih reaktora.
4. Zašto još ne koristimo nuklearnu fuziju za generiranje energije?
Jedan od najvećih razloga zašto još ne koristimo energiju dobivenu fuzijom je taj da je potrebna
velika toplina da bi došlo do fuzije te bi ta temperatura trebala biti veća od 100 milijuna stupnjeva
SEMINAR - Geološki aspekti zbrinjavanja otpada 44115 i 53441 (30 +15) – 2019/20
po Celzijusu. To je 6 puta veća temperatura nego temperatura Sunčeve jezgre. No ni to nije
problem, uspjelo se doći do te temperature međutim troši se puno više energije nego što se dobije,
što je drugi veliki razlog zašto su ti reaktori još u eksperimentalnoj fazi. Također jedan od razloga
je materijal izgradnje reaktora jer još nije nađen materijal koji bi izdržao velike temperature koje
nastaju. I zadnji veliki problem je sami trošak izgradnje reaktora koji je pozamašan i trenutno nije
isplativo ulagati tolike količine novca u stroj za koji nismo sigurni da li će raditi.
REFERENCE:
https://www.irb.hr/Novosti/Najugledniji-fuzijski-strucnjaci-u-Zagrebu-donose-novu-strategiju-EU-a-za-
fuziju
https://www.bug.hr/znanost/u-zagrebu-se-raspravljalo-o-strategiji-fuzijskih-aktivnosti-u-eu-6361
http://www.ccfe.ac.uk/assets/Documents/Services/CS-EI.pdf
http://www.asminternational.org/portal/site/www/AsmStore/ProductDetails/?vgnexto
id=b37a39e7823a8110VgnVCM100000701e010aRCRD
http://www.pppl.gov/projects/pics/ITER4pg.pdfž
https://www.total-croatia-news.com/lifestyle/23836-world-s-most-advanced-nuclear-fusion-device-to-
be-located-in-croatia
SEMINAR - Geološki aspekti zbrinjavanja otpada 44115 i 53441 (30 +15) – 2019/20
Utjecaj otpada na bioraznolikost
Pitanja:
1. Navedi primjere kako otpad može utjecati na bioraznolikost?
Utjecaj se može podijeliti na fizički i kemijski, a neke od glavnih posljedica su uništenja i
fragmentacije staništa, trovanje i gušenje životinja, zapetljavanje u otpad, akumulacija otrovnih
kemikalija, itd.
2. Zašto otrovne kemikalije najviše ugrožavaju morske sisavce?
Jer se nalaze na vrhu hranidbenog lanca, a otrovne kemikalije se akumuliraju već u najsitnijim
organizmima.
3. Koje probleme stvaraju velike količine otpada u urbanim sredinama?
Privlače životinje poput štakora i rakuna koji stvaraju invazije, šire zaraze i potiskuju druge vrste
životinja (poput ptica i vjeverica) iz njihovih staništa.
1. Uvod
Količina otpada u okolišu svakim se danom povećava, a skoro sav taj otpad završava u morima i
oceanima. Otpad ima mnogobrojne negativne posljedice na živi svijet i njihova staništa. Utjecaj se može
podijeliti na fizički i kemijski, a neke od glavnih posljedica su uništenja i fragmentacije staništa, trovanje i
gušenje životinja, zapetljavanje u otpad, akumulacija otrovnih kemikalija, itd.
2. Fizički utjecaj otpada na okoliš
Otpad u okolišu ima mnogobrojne negativne posljedice na bioraznolikost poput uništenja staništa i
ograničenja kretanja, probleme u prehrani, itd. Samo odlaganje otpada na neko područje ima višestruki
utjecaj na samo stanište. Može predstavljati fizičku barijeru za prolazak životinja, promijeniti mikroklimu
i time smanjiti veličinu prostora koji su organizmi do tada nastanjivali. To često dovodi do lokalnog
izumiranja populacija, pogotovo ako se radi o manjim područjima poput potoka, kanala ili manjih livada.
Nadalje, mnoge životinje stradavaju jer pokušaju pojesti otpad. Najčešće to bude plastika, jer ih
izgledom podsjeća na hranu, a mogu ih privući i nepoznati mirisi. Od toga se najčešće uguše ili uginu od
gladi jer im nerazgradiva plastika u probavnom sustavu daje osjećaj sitosti. Također, tvrdi i oštri
predmeti mogu uzrokovati mehaničke povrede koje dovode do infekcija i smrti životinja.
Također, otpad u okolišu je prijetnja za životinje jer se u njega mogu zapetljati. Zapetljavanje u otpad im
onemogućuje daljnje kretanje, potragu za hranom, kao i bijeg od predatora. Ukoliko dođe do
zapetljavanja u fazi rasta, može doći do nepravilnosti u razvoju koje im kasnije onemogućuju
preživljavanje. Kod životinja koje žive u vodi, zapetljavanje u otpad uzrokuje gušenje zbog nemogućnosti
izlaska iz vode.
SEMINAR - Geološki aspekti zbrinjavanja otpada 44115 i 53441 (30 +15) – 2019/20
3. Kemijski utjecaj otpada na okoliš
3.1. Onečišćenja staništa štetnim tvarima
Osim fizičkog, za okoliš je bitan i kemijski utjecaj otpada, pogotovo u vodenim staništima. Kanalizacija i
otpadne vode onečišćuju okoliš mnogobrojnim štetnim tvarima. Neke od tih tvari mogu su mikropastika,
anorganski i organski polutanti, kao i razni patogeni. Patogeni se najčešće šire kanalizacijom, a uzrokuju
širenje zaraza koje zahvaćaju ljude i životinje. Anorganski onečišćivači su vrlo raznoliki, mogu dolaziti iz
raznih izvoda poput gnojiva, rudnika, i industrija. Među anorganske onečišćivače spadaju i teški metali
koji su vrlo štetni za zdravlje, a zbog nemogućnosti njihove razgradnje se akumuliraju u okolišu i teško
uklanjaju. Organski onečišćivači također dolaze iz mnogobrojnih izvora, a najveću prijetnju za
bioraznolikost predstavljaju persistent organic pollutants (POPs) zbog dugotrajnog negativnog utjecaja
na staništa.
Pod najonečišćenije vode spadaju priobalna područja uz luke u velikim gradovima, vodena staništa sa
samo jednim izvorom vode i rijeke nakon prolaska kroz velike gradove. Za takva staništa karakteristična
je izuzetno mala bioraznolikost i dominacija najotpornijih vrsta.
3.2. Otrovne kemikalije u morima i slatkim vodama
Otpad i otrovne kemikalije u mora i slatke vode prenose se kanalizacijom i otpadnim vodama iz
industrija. Zbog strujanja mora, ali i prometa, onečišćivači u vodi se mogu vrlo brzo širiti. Pošto je većina
tih kemikalija nerazgradiva i akumulira se, predstavlja dugotrajni problem. Zabrane korištenja pojedinih
štetnih kemikalija mogu pomoći u očuvanju bioraznolikosti, no potreban je duži vremenski period za
odstranjivanje tih kemikalija iz okoliša.
3.3. Promjena pH vrijednosti tla
Biljne zajednice su osnova svakog ekosustava, a osim o klimi pojedinog područja, ovise i o tlu. Tla zbog
utjecaja kemikalija mijenjaju svoja svojstva i time direktno utječu na bioraznolikost tog područja. Jedno
je glavnih svojstava tla koji određuje tip staništa je njegova pH vrijednost. Dovoljne su male količine
kemijskih onečišćivača da dođe do poremećaja u pH vrijednostima koje dovode do značajnih promjena u
staništu. Mnoge biljke nisu prilagođene na oscilacije u kiselosti tla, tako da svaka promjena može
uzrokovati njihov nestanak. Na njihovo mjesto mogu doći druge biljne zajednice kojima više odgovara
nova pH vrijednost, no životinjama će duže trebati da se prilagode na novo stanište što može uzrokovati
njihovo lokalno izumiranje. Takve situacije su posebno opasne na područjima na kojima se nalaze
endemske vrste.
4. Trovanje morskih sisavaca otrovnim kemikalijama
SEMINAR - Geološki aspekti zbrinjavanja otpada 44115 i 53441 (30 +15) – 2019/20
Istraživanja provedena na morskim sisavcima pokazala su zabrinjavajuće rezultate o količini otrovnih
kemikalija u njihovim tijelima. Te otrovne kemikalije najkoncentriranije su u masnom tkivu i perajama.
Pronađena je povezanost zdravstvenih problema kod otrovanih životinja s povišenom količinom
otrovnih kemikalija. Neki od niza problema su bolesti živčanog i probavnog sustava, bolesti jetre,
imunosupresije, oštećenja endokrinog sustava, problemi u rastu i razvoju. Također, alarmantno je i
povećanje broja tumora.
Do tolike količine otrovnih kemikalija koje se akumuliraju u njima dolazi zbog toga što su morski sisavci
na vrhu hranidbenog lanca u morima i oceanima. Te kemikalije se nakupljaju već u planktonu, kojim se
hrane manje ribe, pa veće ribe i na kraju veliki morski sisavci, a pošto nisu razgradive prolaze kroz cijeli
hranidbeni lanac. Najveće koncentracije pronađene su u belugama, dobrim i običnim dupinima,
tuljanima, orkama i sredozemnim medvjedicama.
Među otrovnim kemikalijama pronađenima u morskim sisavcima su i polibromirani dietil eteri (PDBEs)
koji su sastavni dio većine plastičnog otpada kao i pjenama i tekstilu. Koncentracije PDBE-a se svake
četiri godine udvostruči i time predstavlja veliku prijetnju morskim organizmima. PSBE-i su u Europi
zabranjeni za uporabu, no i dalje su problem jer nisu razgradivi pa se lako akumuliraju i prenose.
Najotrovaniji sisavci na zapadnoj hemisferi su beluge, a njihovi leševi sadrže tolike količine otrova iz
pesticida, herbicida i fosfata da moraju biti tretirani kao toksični otpad. Također u njima su pronađene i
velike količine poliaromatskih cikličkih ugljikovodika (PAHs) koji uzrokuju tumore stoga je kod beluga
otkrivena i najveća stopa tumora među svim životinjama.
5. Problemi u urbanim sredinama
Urbane sredine sadrže najveće količine otpada, što može privući životinje koje u otpadu pronalaze
hranu. Primjer takvih životinja su štakori i rakuni koji uzrokuju invazije u mnogobrojnim gradovima.
Invazije takvih životinja su direktna prijetnja bioraznolikosti, ali i zdravlju ljudi jer lako šire zaraze i
potiskuju druge vrste zbog svoje agresivnosti.
Literatura:
https://sciencing.com/effects-littering-environment-animals-8634413.html
https://sciencing.com/effects-sewage-aquatic-ecosystems-21773.html
https://www.conserve-energy-future.com/littering-effects-humans-animals-environment.php
https://wwf.panda.org/knowledge_hub/where_we_work/baltic/threats/marine_litter/
http://www.bluevoice.org/news_issueseffects.php