PODSTAWY FIZYCZNE ENERGETYKI JĄDROWEJ
Transkrypt
PODSTAWY FIZYCZNE ENERGETYKI JĄDROWEJ
ENERGETYKA I EKOLOGIA Część I - ENERGETYKA JĄDROWA Rozdział 1 - Podstawy fizyczne energetyki jądrowej PODSTAWY FIZYCZNE ENERGETYKI JĄDROWEJ ( jak powstaje energia jądrowa ) Stanisław Drobniak INSTYTUT MASZYN CIEPLNYCH 1. Przegląd podstawowych pojęć. 2. Bilans energetyczny reakcji rozszczepienia. 3. Opis reakcji rozszczepienia. 4. Moderatory. 5. Wytwarzanie paliwa jądrowego. 6. Praktyczna realizacja reakcji jądrowej ( pręty paliwowe ). 22 ENERGETYKA I EKOLOGIA Część I - ENERGETYKA JĄDROWA Rozdział 1 - Podstawy fizyczne energetyki jądrowej Energetyka jądrowa Jednostki używane w fizyce jądrowej: 1 j.m.a. (jednostka masy atomowej) = masy 12 atomu C 612 = 1 ,660438 ⋅ 10 − 27 [ kg ] Równoważność masy i energii: E = m ⋅ c2 1 j.m.a. = 931,540368 MeV 1 eV = 1,602⋅ 10-19 J = energia jaką nabywa ładunek elementarny – ładunek elektronu w polu o różnicy potencjałów 1 V Podsumowanie: jednostka masy - 1 j.m.a. jednostka energii - 1 eV (lub częściej) - 1 MeV (106 eV) 23 ENERGETYKA I EKOLOGIA Część I - ENERGETYKA JĄDROWA Rozdział 1 - Podstawy fizyczne energetyki jądrowej Podstawowe pojęcia i oznaczenia używane w fizyce jądrowej: A=Z+N Z (liczba protonów) P P P P Z jądro atomowe P X liczba masowa liczba atomowa N P N N N P P N Mp = 1,0072776 j.m.a MN = 1,0086654 j.m.a. Me = 1/1840 Mp N N N MA N N (liczba neutronów) Z+N1 Z X Z+N2 Z X . . . - izotopy Z⋅ Mp + N ⋅ MN ≠ MA ∆M = Z ⋅ Mp + N ⋅ MN - MA defekt masy (dlaczego ?) energia wiązania Ew P P siły elektrostatyczne (odpychające) P P siły jądrowe (przyciągające) ∆ M ≡ Ew defekt masy ≡ energia wiązania 24 ENERGETYKA I EKOLOGIA Część I - ENERGETYKA JĄDROWA 25 Rozdział 1 - Podstawy fizyczne energetyki jądrowej dostarczenie energii wiązania ⇒ rozszczepienie jądra Ek energia wiązania P Ew P N N N energia kinetyczna poruszających się cząstek ( może zamienić się w ciepło !!! ) N Ew = Ek (zasada zachowania energii) Zasady obowiązujące przy rozszczepieniu jądra i innych przemianach jądrowych: - zasada zachowania nukleonów zasada zachowania ładunku zasada zachowania pędu i krętu zasada zachowania masy i energii ENERGETYKA I EKOLOGIA Część I - ENERGETYKA JĄDROWA 26 Rozdział 1 - Podstawy fizyczne energetyki jądrowej Skąd powstaje energia jądrowa ? 119 hipotetyczna hipotetyczna przemiana przemiana rozszczepienia rozszczepienia jądra jądra X 46 238 U 92 119 Y 46 Ew1 (energia wiązania na jeden nukleon) [Me V] ∆Ew1 8 6 4 2 0 40 80 119 160 200 238 A ( masa atomowa ) (Ew1)238 = 7,5 MeV (Ew1)119 = 8,4 MeV dane z wykresu zysk energii wiązania na 1 nukleon: ∆Ew1 =8,4 – 7,5 = 0,9 MeV 238 całkowity zysk energii z rozpadu atomu U 92 : 238 ⋅ 0,9 = 214 MeV energia rozszczepienia ENERGETYKA I EKOLOGIA Część I - ENERGETYKA JĄDROWA 27 Rozdział 1 - Podstawy fizyczne energetyki jądrowej energia rozszczepienia: 214 MeV = 214 ⋅ 106 ⋅ 1,602 ⋅ 10-19 [J] = 3,43 ⋅ 10-11 [J] wartość opałowa najlepszego węgla: Wu = 34,5 [kJ/kg] ≅ 3,43 ⋅ 107 [J/kg] ile atomów węgla należałoby spalić, aby uzyskać energię równoważną energii rozszczepienia jednego atomu U 238 ? masa atomowa węgla: C ≈ 12 ≡ 12 ⋅ 1,66 ⋅ 10-27 [kg] ≡ 2 ⋅ 10-26 [kg] tzn.: 3 ,43 ⋅ 10 − 11 7 = 5 ⋅ 10 ilość atomów węgla = 3 ,43 ⋅ 107 × 2 ⋅ 10 − 26 ( )( ) = 50 mln atomów węgla !!! 3 ,43 ⋅ 10 − 11 − 18 = = 1 ⋅ 10 [kg] 7 3 ,43 ⋅ 10 ENERGETYKA I EKOLOGIA Część I - ENERGETYKA JĄDROWA 28 Rozdział 1 - Podstawy fizyczne energetyki jądrowej W jaki sposób dostarczyć energię wiązania do jądra atomowego ? Neutron (pozbawiony ładunku) ⇓ brak sił odpychania elektrostatycznego Swobodny neutron - prędkość 10÷15 tys. km/h energia swobodnego neutronu > 1 MeV (prędkość: 12000÷15000 km/s) Swobodny strumień neutronów: okres półrozpadu 12,8 min W reaktorze: czas życia neutronu ~ 0,001 s Uwaga: Rozpad neutronu proton elektron antyneutrino ν ENERGETYKA I EKOLOGIA Część I - ENERGETYKA JĄDROWA Rozdział 1 - Podstawy fizyczne energetyki jądrowej Reakcje wywołane uderzeniem neutronu w jądro atomowe ⇒ rozszczepienie (energia) I typ reakcji: reakcja ( n, f ) N produkty rozszczepienia: - neutrony - fotony N N F jadro atomu II typ reakcji: rozpraszanie neutronów (n, n’) N neutron o zmienionej energii lub kierunku N III typ reakcji: absorpcja neutronu foton lub proton lub czastka N IV typ reakcji: reakcja (n, 2n) lub (n, 3n) N N N ( n; 2n ) N N N ( n; 3n ) N Uwaga: możliwa reakcja łańcuchowa 29 ENERGETYKA I EKOLOGIA Część I - ENERGETYKA JĄDROWA 30 Rozdział 1 - Podstawy fizyczne energetyki jądrowej W jaki sposób jądro neutronu przekazuje energię jądru atomowemu ? E poziomy dozwolone podstawowy poziom energetyczny jadra (najniższy poziom energii ) dostarczenie energii: oddanie energii: foton lub proton lub neutron itp E E atom wzbudzony (przejścia na wyższy poziom energetyczny) powrót do stanu podstawowego jadra atomów lekkich: E duza odleglosc miedzy poziomami duża odległość między poziomem podstawowym i pozostałymi jadra atomów ciezkich: E blisko położone poziomy mała odległość między poziomem podstawowym i pozostałymi łatwość przejmowania energii ENERGETYKA 31 ENERGETYKA Część I - JĄDROWA I Rozdział 1 - Podstawy fizyczne energetyki jądrowej EKOLOGIA Jakie jest prawdopodobieństwo reakcji rozszczepienia? miara → mikroskopowy przekrój czynny na reakcję rozszczepienia: Ri σf = nv N n - gęstość neutronów monoenergetycznych (liczba neutronów o jednostkowej energii w jednostce objętości) N - liczba jąder atomowych w jednostce objętości v - prędkość neutronów Ri – liczba reakcji w jednostce objętości i czasu σf 235 Charakterystyka U 92 103 Rezonanse – przechodzenie w stan wzbudzony 10 2 10 235 U 92 10 -4 10-2 1 10 2 4 10 E [eV] - energia neutronu zakres termiczny (możliwość uzyskania ciepła) Wnioski: - struktura rezonansowa w zakresie 1 eV÷1 keV (zakres neutronów termicznych; tzn. ν ~ 2 km/s) 1 -σf ~ E konieczność zwolnienia neutronów do zakresu termicznego ENERGETYKA I EKOLOGIA Część I - ENERGETYKA JĄDROWA 32 Rozdział 1 - Podstawy fizyczne energetyki jądrowej 238 Charakterystyka U 92 σf Wnioski: - reakcja typu progowego - σf ~E 1,5 1,0 0,5 0 0 2 4 prog 6 -σf 1000-krotnie 235 mniejszy niż dla U 92 (znacznie mniejsze 8 10 prawdopodobieństwo E [MeV] reakcji) Wnioski: - uran U238 znacznie mniej wartościowym paliwem niż U235 - możliwość uzyskania energii cieplnej z U235 pod warunkiem, że neutrony bombardujące U235 będą zwalniane do zakresu termicznego Uwaga: naturalny uran zawiera 0,7% U235 (konieczność wzbogacania uranu) ENERGETYKA I EKOLOGIA Część I - ENERGETYKA JĄDROWA 33 Rozdział 1 - Podstawy fizyczne energetyki jądrowej I problem: - jak zwolnić neutrony do zakresu termicznego? paliwo woda H E1 E2 H E5 H E3 E4 H neutron wyhamowanie neutronu ⇓ zderzenia z jądrami atomów H (oddziaływanie sprężyste) ściana (tzw. koszulka) E5 < E4 < E3 < E2< E1 woda ⇒ moderator (ośrodek spowalniający neutrony) jednocześnie: - woda wyhamowując neutrony odbiera ich energię – dotyczy to także neutronów, które nie będą powracać do paliwa - przejmowanie energii przez wodę to jej ogrzewanie tzn. woda ⇒ czynnik roboczy Uwaga: obraz bardzo uproszczony ENERGETYKA ENERGETYKA Część I - JĄDROWA I Rozdział 1 - Podstawy fizyczne energetyki jądrowej EKOLOGIA Obraz bliższy rzeczywistości: Moderator ⇒ H2O σs - przekrój czynny jąder H2 na rozpraszanie neutronów 34 σs energia neutronów prędkich energia neutronów prędkich (emitowanych przez przez paliwo) (emitowanych paliwo) znikomo mały znikomo mały przekrój czynny przekrój czynny Ε ⇓ neutrony o bardzo dużej energii nie są efektywnie zwalniane na jądrach pierwiastków lekkich ⇓ I etap zwalniania neutronów → rozpraszanie na jądrach pierwiastków ciężkich I’ - w samym paliwie II’’ - dodatek kwasu borowego do moderatora w I okresie pracy reaktora (po załadowaniu paliwa) → tzw. moderator przestrzenny E (bor) (oddziaływanie niesprężyste) poziomy bardzo bliskie ↓ ciągłe widmo neutronów Uwaga: reakcja typu progowego ENERGETYKA I EKOLOGIA Część I - ENERGETYKA JĄDROWA 35 Rozdział 1 - Podstawy fizyczne energetyki jądrowej II problem: 235 - jak zdobyć uran U 92 uran naturalny 238 - 99,28% - U 92 235 - U 92 - 0,71% Schemat przerobu rudy uranowej: Wydobycie rudy Uranowej Koncentrat U3O8 Przerób U3O8 ⇒ UF6 Wzbogacenie UF6 Przerób UF6 ⇒ UO2 ⇓ paliwo jądrowe Najtrudniejsze Ogniwo procesu ENERGETYKA I EKOLOGIA Część I - ENERGETYKA JĄDROWA 36 Rozdział 1 - Podstawy fizyczne energetyki jądrowej Metoda dyfuzji gazowej 235 UF6 - gaz (zawierający U 92 - 0,71% ) Po jednokrotnym przejściu: 235 U 92 - 3÷3,5% 235 U 92 F6 238 U 92 F6 p↑ (mieszanina gazowa) mniejszy ciężar cząsteczkowy p↓ 235 U 92 F6 ⇓ większa prędkość dyfuzji ciśnienie wielokrotna dyfuzja ⇒ membrana półprzepuszczalna ~ 4-5% (do celów energetycznych) wzbogacenie ~90% (do celów doświadczalnych militarnych) ENERGETYKA I EKOLOGIA Część I - ENERGETYKA JĄDROWA 37 Rozdział 1 - Podstawy fizyczne energetyki jądrowej Charakterystyka metody: - olbrzymie koszty (aparatura, energia) - instalacje o olbrzymich gabarytach - proces bardzo trudny - wymaga bardzo zaawansowanych technologii – produkcja membran półprzepuszczalnych USA - zakłady rządowe EURODIF - Francja (założyciel), Włochy, Belgia, Hiszpania, Iran Uwaga: produktem ubocznym wiele użytecznych technologii (np. odsalanie wody) ENERGETYKA I EKOLOGIA Część I - ENERGETYKA JĄDROWA 38 Rozdział 1 - Podstawy fizyczne energetyki jądrowej 1. Metoda odwirowania - ultrawirówki - rozdział grawitacyjny wykorzystujący różnice gęstości odsysanie obszar wewnętrzny 235 (większa koncentracja U ) mniejsza masa mniejsza siła odśrodkowa U 235 obszar zewnętrzny 238 (większa koncentracja U ) U 238 większa masa większa siła odśrodkowa Charakterystyka metody: - mniejsze nakłady kapitałowe - miniaturyzacja aparatury - większa wydajność metody - wyższe koszty produkcji niż dla dyfuzji gazowej USA - zakłady rządowe Urenco - Wielka Brytania, Holandia, RFN ENERGETYKA I EKOLOGIA Część I - ENERGETYKA JĄDROWA 39 Rozdział 1 - Podstawy fizyczne energetyki jądrowej 3. Metoda laserowa ładunek elektryczny 235 promień laserowy 0 U 92 235 U 92 elektrody 238 0 U 92 238 0 U 92 Charakterystyka metody: - miniaturyzacja aparatury (niebezpieczeństwo proliferacji) 235 - możliwość wydzielenia do 90% całkowitej ilości U 92 (metody poprzednie do 60%) - metoda ciągle w stadium prób tzw. „rozwinięta separacja izotopów” (technologia rozwijana m.in. przez Exxon Nuclear Co) ENERGETYKA I EKOLOGIA Część I - ENERGETYKA JĄDROWA 40 Rozdział 1 - Podstawy fizyczne energetyki jądrowej Reakcje rozszczepienia Najbardziej powszechna reakcja: 94 Sr 38 N 235 U 92 U 236 92 -6 10 s N N γ 140 Xe 54 Bilans energetyczny rozszczepienia: 1) Energia kinetyczna fragmentów rozszczepienia – 168 MeV 2) Energia kinetyczna neutronów natychmiastowych –5 MeV 3) Energia fotonów natychmiastowych – 7 MeV 4) Energia z rozpadu β produktów rozszczepienia: - Fotony γ 7 MeV Okresy półrozpadu - cząstki β 8 MeV Sr - 28 lat - antyneutrina 12 MeV Xe - 5 dni 207 MeV Etapy 1÷3 Etap 4 92,5% energii 7,5% energii (w tym energia kinetyczna Sr i Xe – 85%) Możliwy odzysk 95% w postaci ciepła !!! ENERGETYKA I EKOLOGIA Część I - ENERGETYKA JĄDROWA 41 Rozdział 1 - Podstawy fizyczne energetyki jądrowej Inne możliwe reakcje rozpadu: 235 236 89 144 U 92 + n → U 92 → Kr36 + Ba 56 + 3n Uwaga: obraz uproszczony – w rzeczywistości kilkadziesiąt produktów rozpadu !!! przykład: reakcja I: 236 U 92 materiał nierozszczepialny ( !!! ) N P 236 U 93 neptun ( nie występuje ani w naturze ani w tablicy okresowej pierwiastków ) N P 236 U 94 pluton rozszczepialny ( !!! ) ENERGETYKA I EKOLOGIA Część I - ENERGETYKA JĄDROWA Rozdział 1 - Podstawy fizyczne energetyki jądrowej Materiał rozszczepialny – pręty paliwowe 160 0,04 MW (moc cieplna) (40 kW) pastylki paliwowe 0,11 0,69 3800 3600 stop cyrkonu - mały przekrój czynny na wychwyt neutronów - duża wytrzymałość - odporność na promieniowanie ksenon - wzrost ciśnienia ( do stu kilkudziesięciu bar ) początkowo - wypełnienie helem φ 9,1 6,5 pastylka paliwowa φ 1,5 φ 7,5 42 ENERGETYKA I EKOLOGIA Część I - ENERGETYKA JĄDROWA 43 Rozdział 1 - Podstawy fizyczne energetyki jądrowej Węgiel kamienny – wartość opałowa ~ 30 ⋅ 103 kJ/kg ~ 3 ⋅ 104 kJ/kg moc cieplna pręta – 40 kW energia wytworzona w ciągu 3 lat eksploatacji 40 ⋅ 8760 ⋅ 3 = 1051200 kWh = 1 ⋅ 106kWh = 1 ⋅ 106 ⋅ 3,6 ⋅ 103 kWs = 3,6⋅ 109 kJ ile węgla należy spalić dla uzyskania tej samej ilości ciepła: 3 ,6 ⋅ 10 9 kJ 5 3 = 1 ⋅ 10 = 100 ⋅ 10 kg 4 3 ,0 ⋅ 10 kJ / kg = 100 ton węgla dla wytworzenia tej samej energii Podsumowanie: 1 kg U235 ≡ 9000 ton węgla elektrownia cieplna 1000 MW: 9000 ton węgla/dobę elektrownia nuklearna 1000 MW: 100 kg prętów paliwowych/dobę (wzbogacenie 3÷4 %) tzn: równoważnik 3 kg U235/dobę bo sprawność ~ 30% ENERGETYKA I EKOLOGIA Część I - ENERGETYKA JĄDROWA 43a Rozdział 1 - Podstawy fizyczne energetyki jądrowej Emisja zanieczyszczeń (porównanie elektrowni węglowych i jądrowych) Przykład: elektrownia o mocy 1000 MW (emisja roczna) elektrownia węglowa SO2 138 tys t NOx 20,9 tys t substancje 0,03 Ci promieniotwórcze (Ra226 ; Ra228 ) elektrownia jądrowa 5,5⋅ 10-6 Ci (Xe133 ; Kr85 ) Dopuszczalne normy Ci = 3,7⋅ 1010 [s-1] 0,064 mg/m3 SO2 0,022 mg/m3 NOx substancje promieniotwórcze 1⋅ 10-12 Ci/m3 rezultat: objętość skażonego powietrza elektrownia węglowa SO2 2,15⋅ 106 km3 NOx 9,5⋅ 105 km3 substancje promieniotwórcze 3⋅ 105 km3 elektrownia jądrowa 55 km3 (5500 razy mniej!!!)