Jaderná energie Jaderné elektrárny Vojtěch Motyčka Centrum výzkumu Řež s.r.o.
Obsah prezentace
Energie jaderná
Vývoj energetiky
Dělení jaderných reaktorů
I. Energie jaderná
Energie jaderná • Uvolňuje se při jaderných reakcích = mění se složení a struktura atomových jader • Atomové jádro – 10-14 m, v centru • Objev jádra – Ernest Rutherford (1911) • Jádro = protony + neutrony (=nukleony) • Přitažlivé síly uvnitř jádra • Velké odpudivé elektrostatické síly • Většina známých jader je nestabilní • Radioaktivní rozpad jader (α,β,γ,neutronové záření)
Energie jaderná • • • • • •
Jaderná energie = vazebná energie nukleonů Čím vyšší vazebná enrgie tím je jádro stabilnější !!! Nukleon působí silně jen na své nejbližší sousedy Povrch jádra – malé mechanické napětí Různé hodnoty pro izotopy Vazbovou energii můžeme určit ze vztahu: ΔE = c2ΔM, ΔM = ZmH + Nmn - M
Energie jaderná Procesy: Syntéza Štěpení Typy jader: Lehká Těžká Stabilní
Energie jaderná
Vliv neutronového čísla na stabilitu jádra a na druh záření
Energie jaderná • Vyšší stabilita – jádra se sudým počtem protonů a neutronů • Nejvíce stabilní – 2 protony, 2 neutrony • Křivka dosahuje maxima u 56Fe – cca 8,8 MeV • Od 64Zn po 120Sn – na hodnotě 8,6 MeV • Nejtěžší stabilní jádro – 209Bi – 7,85 MeV • Hodnoty důležité pro jaderné reakce (štěpení, fúze)
Jaderné reakce • Štěpení - rozštěpení těžkého jádra (235U) na jádra lehčí, většinou na 2, v hmotnostním poměru 2:3 • Fúze – sloučení několika lehčích jader na těžší, budoucnost jaderné energetiky • Např. 235U: 1 nukleon = 1 MeV, celkově 200 MeV 1 kg = 80 PJ = 2700 tmp energie 1 kg U = 2,7 mil. tun kvalitního uhlí • 1 t 235U = provoz elektrárny s výkonem 100 MW celý rok, účinnost elektrárny 33%
Jaderné reakce • E. Fermi – 1934, první prokázání štěpení jader těžkých prvků pomalými neutrony • K zahájení reakce je potřeba kritické množství • Kritické množství závisí na mnoha veličinách
Enrico Fermi (1901 – 1954)
Jaderné reakce • Pohlcení neutronu
vytvoření poměrně stabilního izotopu 236U Typickým příkladem štěpení je rozpad
Jaderné reakce
Jaderné reakce • •
• •
•
Vysoký poměr počtu neutronů k počtu protonů Radioaktivní bývají i přímé produkty rozpadu odštěpků Délka rozpadových řad bývá různá – 3 rozpadové fáze Štěpením jader vzniká přibližně 60 radioaktivních nuklidů Celkem 180 radioaktivních druhů
Jaderné reakce
Výtěžek produktů štěpení v závislosti na hmotnostním čísle pro 235U, 238U a 239Pu
Jaderné reakce • Cca 200 MeV
• Energie štěpení: • Do dosazení hodnot získáme: • Skutečná uvolněná energie je statistickým průměrem cca 30 druhů štěpení
Jaderné reakce • Většina energii uvolněné při štěpení je energie kinetická štěpných produktů
Jaderné reakce • Štěpení atomu uranu – Fritz Strassmann, Lise Meitnerová a Otto Hanhn • Spontální dělení jader uranu – G.N. Flerov, K.A. Petržák • Štěpení probíhá působením neutronů • Objev neutronů – James Chadwick (1891 – 1974) • Magnetické vlastnosti • Nepatrně hmotnější než proton • Radioaktivně se rozpadá na proton, elektron a neutrino
Jaderné reakce Pružný rozptyl – Ek neutronů a jádra se zachovává. Dojde k přeskupení energie – srážka pružných koulí. Narážejíli neutrony na stejně těžká jádra – moderace Nepružný rozptyl – neutron vnikne do jádra a excitované jádro pak přejde do základního stavu za vyzáření neutronu = zpomalení Záchyt – podobné, ale nevylétává nový neutron, ale foton gama, proton nebo částice alfa – absorbátor.
Jaderné reakce • Při použití 10B slouží tato metoda k detekci neutronů (bórová) neutronová záchytová terapie • 135Xe – účinný absorbátor tepelných neutronů, při provozu reaktoru, tvz. xenonová otrava reaktoru • V AZ probíhají všechny tři reakce: a) pružný rozptyl b) nepružný rozptyl c) záchyt d) štěpení
Druhy neutronů • • • • • •
Chladné Tepelné Rezonanční Středních energií Rychlé Vysokých energií
• Tepelné neutrony – jsou neutrony, které jsou v tepelné rovnováze s látkou a mají MaxwellovoBoltzmannovo rozdělení
Jaderné reakce • Mikroskopický účinný průřez – tj. pravděpodobnost toho že mezi protonem a neutronem proběhne reakce • Hodnoty obecně odpovídají geometrickému průřezu jádra, cca 10-28 m2 • Jednotka účinných průřezů: barn – σ Přírodní uran Pružný rozptyl
1,5x10-28 m2
Nepružný rozptyl
2,7x10-28 m2
Absorpce
7,5x10-28 m2
Štěpení
0,5x10-28 m2
Jaderné reakce • Pouze 4 nuklidy štěpné velmi pomalými neutrony (235U, 233U, 239Pu, 241Pu) • Ostatní štěpné nuklidy získáváme odstřelováním množivého materiálu • Při štěpení jader se uvolňuje asi 2,65 neutronů na jedno jádro • 99% neutronů je uvolňováno ve velmi krátkém časovém intervalu = okamžité neutrony • Neutrony uvolňované z excitovaných jader vzniklým beta rozpadem = zpožděné neutrony
Štěpení • Při štěpení se jádro rozpadne na dva nebo více úloímků lehčích jader • Hmotnostní poměr úlomků je asi 2:3 • 1. úlomek – nukl. číslo mezi 80 a 100 • 2. úlomek – nukl. číslo mezi 130 a 150 • Odštěpky jsou elektricky nabité a při zpomalování silně ionizují látku • Vývin rozpadového tepla = výroba elektrické energie v jaderných elektrárnách
Jaderné reakce • Množství využitelné energie je dáno konstrukcí reaktoru – většinou cca 30 – 33% • První řetězová štěpná reakce – Enrico Fermi (2.12.1942) • Řetězová reakce = střídání neutronových generací = multiplikační faktor – k • Když (k = ni/ni-1) a: k=1 kritický stav reaktoru k<1 podkritický stav k>1 nadkritický stav
II. Vývoj jaderné energetiky a typy jaderných reaktorů
Obecný úvod • První jaderná elektrárna v SSSR byla spuštěna 25. července 1954. • První britská jaderná elektrárna byla spuštěna 23. května 1956. • Za počátek atomové éry je považován prosinec 1953 po projevu „Atomy pro mír“ prezidenta Eishowera. • V Československu byla první jaderná elektrárna spuštěna 25. prosince 1972.
První jaderná elektrárna na světě (SSSR) • První jaderná elektrárna pro komerční účely byla spuštěna v padesátých letech 20. století
• Tato elektrárna měla dvouokruhové uspořádání a reaktor typu AM-1 • Aktivní zóna byla složena z grafitových bloků • Experimentální vybavení
• Odstavena až v roce 2002
První jaderná elektrárna na v ČSSR •
V okrese Trnava na Slovensku
•
Tři jaderné elektrárny s celkem 5 reaktory
•
KS-150 byl uveden do provozu v prosinci 1972
•
Projektovaný tepelný výkon elektrárny byl 560 MW
•
Další dvě elektrárny V1 a V2 byli osazeny reaktory VVER-440
•
Životnost má být minimálně 40 let
Jaslovské Bohunice
I. generace (1950-1965) Typický zástupce: MAGNOX • Používány ve Velké Británii a v Japonsku • Palivo byl přírodní uran ve formě tyčí pokrytých oxidem magnezia • Aktivní zóna uzavřena v ocelové tlakové nádobě • Palivo se vyměňuje za provozu • Typický výkon 600 MW • Calder Hall, Wylfa, Bradwell,….
BBC News: Wylfa (v provozu od r. 1971)
Calder Hall
Wylfa Bradwell
II. generace (1970-1990) typický zástupce: RBMK • Používán výhradně na území SSSR • Při přehřívání se jaderná reakce zvýší • Používá grafitový moderátor
• Provoz tohoto reaktoru by měly být nejpozději ukončen do roku 2025 (elektrárna Smolensk) • Palivo přírodní nebo slabě obohacený uran • Černobyl, Leningrad, Smolensk, Ignalina,…
Ignalina
Leningrad Smolensk
II. generace (1970-1990) nejpoužívanější: VVER • Nejobvyklejší typ jaderného reaktoru. • Palivo je mírně obohacený uran. • Nádoba reaktoru je naplněna lehkou vodou, která slouží jako chladivo a moderátor. • Voda je pod vysokým tlakem (150 MPa). • Dojde-li k úniku moderátoru štěpná reakce se utlumí. • Dukovany, Temelín, Krim, Záporoží,…
Dukovany
Stendal
Záporoží
Temelín
III. generace (1990-2010) Typický zástupce: CANDU 6 • vyvinut v Kanadě a exportován je také do Indie, Pákistánu, Argentiny, Koreje a Rumunska • chladivem a moderátorem je těžká voda • Aktivní zóna je v nádobě tvaru ležícího válce, která má v sobě vodorovné průduchy pro tlakové trubky • Typický výkon cca 600 MW
III. Dělení jaderných reaktorů
Klasifikace jaderných reaktorů • A) Štěpné jaderné reaktory Štěpení jader těžkých prvků neutrony • B) Termojaderné reaktory pracují na principu termojaderné (termonukleární) syntézy lehkých jader. • 1942 – Enrico Fermi – první jaderný reaktor • Během 60 let stovky experimentálních a energetických reaktorů
Klasifikace jaderných reaktorů • Štěpné jaderné reaktory třídíme podle různých hledisek: 1) průměrná energie neutronů při štěpení, 2) konzistence a koncentrace jaderného paliva, 3) druh moderátoru, 4) geometrické uspořádání paliva a moderátoru v aktivní zóně, 5) druh chladiva v aktivní zóně.
Klasifikace jaderných reaktorů A) podle průměrné energie neutronů při štěpení a) Tepelné • pracují s neutrony zpomalenými na energii cca En~0,025 eV b) Střední • je štěpení vyvolávané z největší částí neutrony s energií kolem 102 eV. c) Rychlé • ke štěpení paliva neutrony s energií blízkou energii štěpení, tj. En > 105 eV
Klasifikace jaderných reaktorů Energetické spektrum
Klasifikace jaderných reaktorů B) konzistence a koncentrace jaderného paliva a) reaktory s tuhým palivem (tyče, desky, trubky,..) b) reaktory s tekutým palivem (suspenze, roztok) Nejčastěji přírodní nebo obohacený uran: • Obohacení: 1. Nízké – do 5% 2. Střední 3. Vysoké – do 90%
Klasifikace jaderných reaktorů C) Podle druhu moderátoru a) reaktory s tuhým moderátorem (grafit, Be, Be0, UC) b) reaktory s kapalným moderátorem (H20, D20, organické látky)
D) Podle uspořádání paliva a moderátoru v AZ a) homogenní b) heterogenní
Klasifikace jaderných reaktorů E) Podle použitého chladiva a) plynem b) kapalinou c) tekutými kovy
F) Podle využití 1) energetické (VVER, RBMK, BWR,CANDU,…) 2) experimentální 3) výzkumné (LVR-15, LR-0, VR-1,…) 4) speciální
Klasifikace jaderných reaktorů • Rychlé množivé (plodivé) reaktory dělíme na: 1. breedery 2. konvertory Z uvedeného rozboru hledisek je zřejmé, že je možné teoreticky vytvořit veliký počet kombinací. !!! Ovšem pouze některé z nich se dají realizovat !!! http://www.iaea.org/pris/
Reakce v jaderném reaktoru • Nejdůležitější v TJR jsou tyto reakce: • Štěpení jaderného paliva • Absorpce neutronů • Rozptyl neutronů
• Neutronové reakce se většinou uskutečňují přes složené jádro
Konec ??? Nějaké dotazy ???
