program podstawy fizyczne energetyki jądrowej

Prof. dr hab. Bronisław Słowiński
Warszawa, 01.12.2008r.
PROGRAM
wykładu
PODSTAWY FIZYCZNE ENERGETYKI JĄDROWEJ
opracowany w ramach zadania nr 33 „Dostosowanie programu studiów na kierunku „Fizyka
Techniczna” do potrzeb gospodarki wynikających z zastosowania zaawansowanych metod i
technologii jądrowych w przemyśle, energetyce, medycynie i ochronie środowiska”, projektu
„Program Rozwojowy Politechniki Warszawskiej” finansowanego z Europejskiego Funduszu
Społecznego w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki.
I. Wstęp i motywacja
Wytwarzanie energii jako podstawa istnienia i rozwoju ludzkości. Źródła energii na Ziemi:
surowce kopalne (węgiel, ropa naftowa, gaz ziemny), hydroenergia, energia cieplna wnętrza
Ziemi, energia geotermalna, energia wiatrowa, energia słoneczna, energia pływów i fal morskich,
energetyczna utylizacja odpadów, energia jądrowa. Gromadzenie i oszczędzanie energii. Obecna
sytuacja energetyczna Świata, Unii Europejskiej i Polski. Oceny i prognozy dotyczące wielkości
zasobów różnych źródeł energii. Problem bezpieczeństwa energetycznego Kraju i UE. Kryteria
dla energetyki w skali globalnej (KEG), zasada zrównoważonego rozwoju (ZZR), zasada
ALARA. Problem tzw. zjawiska cieplarnianego. Możliwości odnawialnych źródeł energii w
Polsce wobec aktualnych i przyszłych potrzeb energetycznych. Energetyka jądrowa (EJ) jako
jedyny sposób wytwarzania energii w skali globalnej spełniający KEG i nienaruszający ZZR i
zasady ALARA. Problematyka bezpieczeństwa EJ i ochrony środowiska naturalnego. O
konieczności realizacji programu EJ w Polsce. EJ jako czynnik inspirujący rozwój gospodarczy,
techniczny, socjalny i cywilizacyjny Kraju.
II. Podstawowe wiadomości z fizyki jądrowej (krótkie powtórzenie i poszerzenie)
Charakterystyki jąder atomowych (JA). Siły jądrowe, modele potencjałów jądrowych, energia
wiązania JA, rozkład masy i ładunku elektrycznego w JA, model C.V.Weitzackera, model
powłokowy JA. „Najważniejszy wykres Wszechświata”. Diagram Z v. A, ścieżka stabilności.
Rozpady JA. Reakcje jądrowe, prawa zachowania. Wynik energetyczny reakcji jądrowej, reakcje
progowe. Zarys fizyki jądrowej w ujęciu mechaniki kwantowej. Jądro deuteronu. Rozpraszanie
elastyczne. Przekrój czynny wynikający z właściwości falowych, a przekrój geometryczny
cząstek. Przenikanie przez barierę potencjalną, model rozpadu α., rozpad β.
III. Reaktor jądrowy
Schemat ogólny i podstawowe funkcje elementów reaktora jądrowego (RJ). Typy obecnie
działających RJ-ch. Schemat działania elektrowni jądrowej. Zdjęcia funkcjonujących elektrowni
jądrowych i reaktora badawczego MARIA w Instytucie Energii Atomowej w Świerku.
IV. Procesy fizyczne w reaktorze jądrowym
Widmo energii neutronów natychmiastowych z rozpadu 235U spowodowanego przez neutrony
cieplne. Zależność przekroju czynnego fragmentacji od energii neutronu dla różnych nuklidów.
(1) Spowalnianie neutronów w moderatorze: niesprężyste pochłanianie rezonansowe, wychwyt
radiacyjny, rozpraszanie sprężyste (elastyczne), makroskopowy przekrój czynny i średnia długość
swobodnego przebiegu neutronu, parametr spowalniania, współczynnik spowalniania jako
podstawowa charakterystyka moderatora, długość spowalniania, średnia droga dyfuzji, droga
migracji. Właściwości moderatorów: woda lekka, woda ciężka, grafit. Prąd dyfuzyjny. (2)
Parametry reaktora krytycznego. Strefa aktywna reaktora jądrowego (RJ). Równanie dla gęstości
strumienia neutronów, długość migracji neutronów, parametr materiałowy. Promień krytyczny
sferycznej strefy aktywnej. Minimalne wymiary krytyczne i masy krytyczne dla 233U, 235U i 239Pu.
Zasada działania reflektora. (3) Reaktywność RJ: reaktor krytyczny, nadkrytyczny, podkrytyczny.
Zjawiska temperaturowe, temperaturowy współczynnik reaktywności. Zmiana składu paliwa
jądrowego, gromadzenie się paliwa wtórnego. Zatrucie i zaszlakowanie reaktora. (4) Równanie
kinetyki reaktora. Rola neutronów opóźnionych. Układy podkrytyczne sterowane akceleratorami.
(5) Głębokość wypalania. Wydzielanie ciepła w reaktorze.
V. Metody produkcji paliwa jądrowego
Informacje ogólne o produkcji uranu i zasobach rud uranowych na Świecie. Największe
kopalnie rud uranowych. Produkt handlowy U3O8 i produkt wyjściowy do wzbogacania uranu
UF6. Metody wzbogacania uranu: metoda separacji magnetycznej, metoda dyfuzyjna,
ultrawirówka, separacja laserowa.
VI. Postępowanie z odpadami promieniotwórczymi
Przerób wypalonego paliwa (recykling), paliwo MOX, składowanie, transmutacja. Stan
obecny, badania naukowe i możliwe perspektywy.
VII. Perspektywy i koncepcje rozwoju obecnej energetyki jądrowej
Wysokotemperaturowe reaktory prędkie oraz reaktory działające w cyklu zamkniętym
(spalające powyżej 50% uranu naturalnego). Układy ADS działające w reżymie dopalania i
transmutacji oraz sterujące reaktorami podkrytycznymi. Tandemy reaktorów cieplnych i prędkich.
Koncepcje synergii węglowo-jądrowej. Reaktory działające na torze jako surowcu paliwowym.
Również: reaktory średniej (300-700 MW) i małej (do 300 MW) mocy (dla małych i
rozwijających się krajów).
VIII. Reakcja fuzji jądrowej
Podstawowe reakcje syntezy jądrowej i sposoby ich realizacji. Układy toroidalne: tokamak i
stelarator. Warunki stabilnego działania. Międzynarodowy program ITER.
IX. Problem bezpieczeństwa jądrowego
Krótka analiza dotychczasowych awarii jądrowych i ich skutków. Źródła możliwego
zagrożenia. Kontrola krajowa i międzynarodowa obiektów energii jądrowej.
X. Podstawowe pojęcia dozymetryczne
Podstawy fizyczne rejestracji promieniowania jonizującego. Jednostki dawki promieniowania,
aktywność źródła, dawka pochłonięta, moc dawki. Biologiczny okres połowicznego zaniku.
Dawka równoważna, dawka efektywna, czynniki wagowe, śmiertelne dawki promieniowania,
roczne dawki efektywne. Porównanie ryzyka we wszystkich wypadkach radiacyjnych na świecie.
Osłona przed promieniowaniem.