Institut pro veřejnou diskusi:
60 let jádra v ČR: Co bude dál? 18. září 2015, Prague Marriott Hotel
Využití jádra mimo energetiku
František Pazdera, konzultant v energetice a výzkumu
16.9.2015
1
Obsah
Využití jádra mimo energetiku? (2) Role energie v historii lidstva Jaderné technologie – vojenské využití (2) Jaderné technologie – od vojenského k mírovému využití Dnešní neenergetické využití jaderných technologií
Zdravotnictví Zemědělství a potravinářský průmysl Průmysl Ochrana životního prostředí Ochrana a restaurování kulturních památek Podíl jaderných technologií na HDP
Výzkum a vývoj se dnes neobejde bez jaderných technologií v žádném oboru Perspektivní využití jaderné energie mimo výrobu elektřiny.
Vytápění Odsolování mořské vody Dodávky tepla pro průmysl Pohon lodí Využití v kosmu Ostatní aplikace
Jaderná technologie v budoucnu (3) Závěr Scientific Forum Atoms in Industry - Radiation technology for development, 15. – 16.9.2015 na GC IAEA
16.9.2015
2
Využití jádra mimo energetiku? 1/2 Co znamená mimo energetiku? Vyjma výroby elektřiny a tepla k přímé spotřebě
Co je to využití jádra? Technologie využívající (přímo, či nepřímo) změnu jádra atomu
Rozměry v mikrosvětě Atom (jádro s obíhajícími elektrony) je 100 000x menší než živočišná buňka (o 5 řádů)
Jádro atomu (tvořené protony a neutrony) je 10 000x menší než atom (o 4 řády) Elektron je 100 000 000x menší než atom (o 8 řády)
Změny jádra atomu Jaderné štěpení, jaderná fúze, jaderné reakce, radioaktivita
Interakce s jádrem atomu (neutrony)
16.9.2015
3
Využití jádra mimo energetiku? 2/2 Jaderné štěpení Jaderné štěpení uvolňuje o ~ 6 řádů více energie na jednotku hmoty než chemické reakce
Jaderná fúze Jaderná fúze produkuje více neutronů na jednotku uvolněné energie
Jaderné reakce 7
→T
S neutrony (n,α) (n,p)
6
10
3
7Be
Li + n → T + α He + n → T + p
14
→ Li 7
B + n → Li + α + n → 7Li + p
→ C 17O 14
+ n → 14C + α
N+n→
14
C+p
21
18
Ne + n → O + α
22Na
37Ar
+ n → 34S + α
+ n → 22Ne + p
Jadernými reakcemi dochází ke změně prvků, vznikají různé izotopy, stabilní i nestabilní (radioaktivní)
S ostatními částicemi, obvykle produkovanými urychlovači
Radioaktivita Radioaktivita je přechod nestabilního izotopu na stabilní doprovázený uvolněním energie ve formě , ß nebo záření. Přechod probíhá exponenciálně, rychlost se udává poločasem rozpadu. 16.9.2015
4
Role energie v historii lidstva Vývoj civilizace je umožněn využíváním koncentrovanějších forem energie
16.9.2015
5
Jaderné technologie – vojenské využití (1/2) U zrodu využití jaderné energie stála armáda (obvyklý zrod využití nových technologií) EVENTS OF THE MANHATTAN PROJECT 1890s-1939: Atomic Discoveries
1942-1945: Bringing It All Together
A Miniature Solar System, 1890s-1919 Exploring the Atom, 1919-1932 Atomic Bombardment, 1932-1938 The Discovery of Fission, 1938-1939 Fission Comes to America, 1939
Establishing Los Alamos, 1942-1943 Early Bomb Design, 1943-1944 Basic Research at Los Alamos, 1943-1944 Implosion Becomes a Necessity, 1944 Oak Ridge and Hanford Come Through, 1944-1945 Final Bomb Design, 1944-1945 Atomic Rivals and the ALSOS Mission, 1938-1945 Espionage and the Manhattan Project, 1940-1945
1939-1942: Early Government Support Einstein's Letter, 1939 Early Uranium Research, 1939-1941 Piles and Plutonium, 1939-1941 Reorganization and Acceleration, 1940-1941 The MAUD Report, 1941 A Tentative Decision to Build the Bomb, 1941-1942
1942: Difficult Choices More Uranium Research, 1942 More Piles and Plutonium, 1942 Enter the Army, 1942 Groves and the MED, 1942 Picking Horses, November 1942 Final Approval to Build the Bomb, December 1942
1942-1944: The Uranium Path to the Bomb Y-12: Design, 1942-1943 Y-12: Construction, 1943 Y-12: Operation, 1943-1944 Working K-25 into the Mix, 1943-1944 The Navy and Thermal Diffusion, 1944
1942-1944: The Plutonium Path to the Bomb Production Reactor (Pile) Design, 1942 DuPont and Hanford, 1942 CP-1 Goes Critical, December 2, 1942 Seaborg and Plutonium Chemistry, 1942-1944 Final Reactor Design and X-10, 1942-1943 Hanford Becomes Operational, 1943-1944
16.9.2015
1945: Dawn of the Atomic Era The War Enters Its Final Phase, 1945 Debate Over How to Use the Bomb, Late Spring 1945 The Trinity Test, July 16, 1945 Safety and the Trinity Test, July 1945 Evaluations of Trinity, July 1945 Potsdam and the Final Decision to Use the Bomb, July 1945 The Atomic Bombing of Hiroshima, August 6, 1945 The Atomic Bombing of Nagasaki, August 9, 1945 Japan Surrenders, August 10-15, 1945 The Manhattan Project and the Second World War, 1939-1945
1945-present: Postscript -- The Nuclear Age Informing the Public, August 1945 The Manhattan Engineer District, 1945-1946 First Steps toward International Control, 1941-1945 Search for a Policy on International Control, 1945 Negotiating International Control, 1945-1946 Civilian Control of Atomic Energy, 1945-1946 Operation Crossroads, July 1946 The VENONA Intercepts, 1946-1980 The Cold War, 1945-1990 Nuclear Proliferation, 1949-present
6
Jaderné technologie – vojenské využití (2/2) Jaderné zbraně (atomové bomby)
Ponorky na jaderný pohon
Letadlové lodě na jaderný pohon
16.9.2015
Pohon letadel
7
Jaderné technologie – od vojenského k mírovému využití Impuls k mezinárodnímu využívání jaderné energie – konec utajování
Následoval 1. Ženevská konference OSN (1955) a založení MAAE. 16.9.2015
8
Dnešní neenergetické využití jaderných technologií
16.9.2015
9
Zdravotnictví Dnes přibližně jedna třetina procedur používaných v moderních nemocnicích využívá radiace nebo radioaktivity, např.: Radioimunoanalýza – in vitro diagnostika
Stanovení látek, proti kterým lze připravit protilátky nanogramových (10-9 g) až pikogramových (10-12g) ve složitých biologických směsích jako je krevní sérum, moč atd.
Sterilizace zdravotního vybavení a implantátů (více než 200 zařízení v 50 zemích)
Ozařovny s Co60, Urychlovače
Rhodotron® E-beam sterilization
Ozařovny s Co60
Diagnostika – in vivo diagnostika ()
SPECT (Single photon emission computed tomography)
PET (Pozitronová emisní tomografie)
Cyklotron pro výrobu PET radiofarmak
Terapie Např. 90Y,
89Sr, 32P
and 159Sm
Obalovy soubor generátoru 99Mo-99mTc pro SPECT vyšetření
Radioaktivní materiály jsou také používány k testování nových léků a provádět výzkum 16.9.2015
10
Zemědělství a potravinářský průmysl Jaderné technologie nacházejí značné uplatnění v zemědělství a potravinářském průmyslu. Zvýšení produkce plodin Ozáření semen rostlin může vyvolat mutaci, se změnou důležitých vlastností kulturních plodin, nebo s vyšším výnosem, vyšším obsahem výživných látek, odolnější proti chorobám a nepřízni počasí, proti polehnutí, s výhodnější dobou zralosti apod. Záření se ve šlechtitelství používá již více než 50 let.
Potravinářství Hniloba, škůdci, plísně a předčasné vyklíčení osiva znehodnotí ročně na Zemi 25 až 30 % všech potravin. Záření gama ničí škůdce a mikroby, sterilizuje. 30 let se již v mnoha zemích světa ozařují plodiny, koření, ovoce, houby, ryby i hotová jídla (sterilní dieta pro těžké pacienty nebo pro kosmonauty). Ozářené potraviny jsou naprosto nezávadné a zdravější, než chemicky ošetřované.
Likvidace škodlivého hmyzu Značná část úrody, hlavně v rozvojových zemích, padne za oběť škodlivému hmyzu. Jiný hmyz přenáší nebezpečné choroby na užitková zvířata i na člověka. Ozáření sterilizovaní samečci se vypustí do přírody, páří se se samičkami, ale nakladená vajíčka jsou neoplozená a nová generace se nenarodí.
Hnojiva Diagnostika k optimalizaci a plánování hnojení.
Krmivářství Radioaktivní stopovače při výzkumu pomáhají určit optimální dobu míchání nebo tvar míchacího zařízení, aby některé složky směsi nezůstaly příliš koncentrované a nevyvolaly u zvířete potíže z předávkování.
Lesnictví Sazenice lesních stromů se pro snadnou manipulaci balí do speciálních materiálů, které byly vyrobeny z ozářeného polypropylenu. Takový materiál se snadno v půdě rozloží a kořínky sazenic prorostou. Podobné materiály se používají jako tzv. geotextilie pro zpevňování svahů. Po vytvoření zpevňujícího rostlinného krytu se látka rozloží a neznečišťuje životní prostředí.
Chovatelství Stejně jako v lidské medicíně se i ve veterinární široce uplatňují radiační diagnostické metody (rentgen, radioimunoanalýza, radioenzymatická analýza). Kontroluje se zdravotní stav, podle hladiny hormonů v krvi se stanovuje správná doba k inseminaci. Radiačními technikami se kontroluje nezávadnost krmiva.
16.9.2015
11
Průmysl Jaderné technologie se uplatňují téměř ve všech průmyslových odvětvích. Řízení výrobních procesů Hromadná automatizovaná výroba dnes vyžaduje kvalitní instrumentaci (měření výšek hladin, hustoty, tloušťky povlaků atd.), jaderné technologie našly široké uplatnění v této oblasti.
Diagnostika v podnicích Radioaktivní stopovací techniky umožňují sledovat opotřebení součástek, rychlosti proudění, směšovací procesy, a lokalizovat netěsnosti.
Vývoj a výroba nových materiálů Síťování polymerů (kabely, látky smršťující se po vystavení teplotě), gumárenství, dopování křemíku pro výrobu polovodičů, otvory v sítech s mikro otvory atd.
Testování a inspekce materiálů a zařízení Nedestruktivní testování a inspekce materiálů a zařízení bez vlivu na jejich vlastnosti a využití je dnes zcela zásadní a má mnoho forem.
NDT letadel Radiačně technologická linka s urychlovačem elektronů typu ILU-8 na výrobu kabelů s radiačně zesítěnou izolaci v Kablu Vrchlabí.
Složení materiálů Zjišťování složení např. materiálů apod..
Energetika (nejaderná energetika) Uhelný průmysl – zjišťování vlhkosti uhlí, kontrola obsahu nečistot v popelu a výpustích do ovzduší. Jako perspektivní technologie se jeví „electron beam processing“ spalin k současnému odstranění sloučenin síry a dusíku. Široké uplatanění mají radiační technologie i v rafinériích ropy.
Sterilizace a úpravy průmyslových výrobků pro pohodlí a ochranu uživatelů 16.9.2015
Radiační dopování monokrystalů křemíku ve vertikálních rotačních ozařovacích kanálech reaktoru LVR 15.
12
Ochrana životního prostředí Významnou roli hrají jaderné technologie i v ochraně životního prostředí. Vyhodnocování klimatických změn Izotopová měření mohou napomáhat vyhodnocování rozsahu globálního oteplování.
Podpora alternativních zdrojů energie Efektivní využití geotermální energie vyžaduje detailní znalostí tepelných toků v horníně, isotopové techniky jsou využívány pro tyto účely.
Snižování znečištění ovzduší Každý zdroj znečištění má svůj „otisk prstu“, což umožňuji pomocí jaderných technologií zmapovat jejich zdroji a následní navrhnou nápravná opatření.
Zajištění zdrojů vody
mobile e-beam irradiator
Více než 30 let jsou pro tento účel využívány isotopové techniky v hydrologii.
Podpora racionálního využívání vodních zdrojů Pomocí tricia (3H) lze měřit rychlost doplňování spodních vod v různých hloubkách a místech. Isotopové stopovací metody lze využít též k určení vodních netěsností v přehradách a zásobnících vody.
Snižování znečištění povrchových a spodních vod. Isotopové stopovací metody lze využít k určení znečišťovatele.
Čištění odpadů Radiační technologie přeměňují některé nebezpečné pevné a tekuté odpady na bezpečné a v některých případech dokonce užitečné materiály. Znečištění těžkými kovy
Závažným problémem znečištění jsou těžké kovy. Jaderné technologie jsou opět nápomocny jak s identifikací, tak, v některých případech i likvidací 16.9.2015
13
Ochrana a restaurování kulturních památek Ochrana kulturního dědictví. Ochrana uměleckých památek Ozáření ničí plísně, hmyz a mikroby, které ohrožují historické předměty z papíru, textilu a dřeva. Záření pronikne celým předmětem a zničí např. červotoče i hluboko v gotických dřevěných sochách, kde povrchové chemické ošetření nepomáhá. Zachraňují se tak umělecké, historické a kulturní hodnoty. U nás je ozařovna uměleckých předmětů v Roztokách u Prahy.
Muzejní a sbírkové předměty před radiační asanaci v Kobaltové ozařovně.
Archeologie Radionuklidové metody datování určují stáří hornin i stáří nalezených archeologických předmětů. Měření aktivity zbytku izotopu uhlíku 14C spolehlivě určí stáří dřeva, kostí, textilií, slonoviny. Radioanalytické metody určí složení barev na obrazech starých mistrů, složení mincí, keramiky, mramoru, skla. Poskytnou tak informaci o metodě zpracování, místě původu, stáří a pravosti. 16.9.2015
14
Podíl jaderných technologií na HDP Celkový vliv jaderných technologií - porovnání USA s Japonskem. Ve své projevu před OSN v roce 1953, Prezident Eisenhower též zdůraznil potenciální význam atomu pro humanitární aplikace ve zdravotnictví, zemědělství a dalších neelektrických aspektech s přímým přínosem.
Tabulka je odhadem do jaké míry byla jeho vize naplněna*. Tržby (mld. $)
Tržby (mld. $)
Přímý finanční příspěvek
Multiplikační ekonomický efekt (předpokládaný faktor 2.5)
USA 119
Japonsko 52
USA 298
Japonsko 130
Jaderná energetika
39
47
98
118
Celkem
158
99
398
248
%GDP
1,9
2,3
4,8
5,8
% Neenergetické aplikace/Celkem
75
52
75
52
Neenergetické aplikace
Odhad pro ČR při ceně elektřiny 1,50 Kč/kWh: jaderná energetika 45 mld. Kč, neenergetické aplikace 45 mld. Kč, celkem 90 mld. Kč (podíl na HDP 2,3%) a multiplikační ekonomický efekt 225 mld. Kč (podíl na HDP 5,8%). The Medical, Agricultural, and Industrial Applications of Nuclear Technology. Alan E. Waltar, Pacific Northwest National Laboratory. Global 2003. New Orleans, LA, November 16-20, 2003.
16.9.2015
15
Výzkum a vývoj se dnes neobejde bez jaderných technologií v žádném oboru
16.9.2015
16
Jaderné technologie ve vědě a výzkumu Bez jaderných technologií se dnes neobejde věda a výzkum v žádném oboru. Neutrony Radioaktivní izotopy Ostatní typy záření
Potřebná infrastruktura:
Výzkumné reaktory (produkce izotopů a zdroj neutronů) Urychlovače částic (produkce izotopů a zdroj ostatních typů záření) The ILL (Institut Laue-Langevin in Grenoble) High-Flux Reactor operates continuously for 50-day cycles, followed by a shutdown. Normally there are 4 cycles a year, providing 200 days for neutron science.
ATLAS (the Argonne Tandem Linac Accelerator System) is a leading facility for nuclear structure research in the United States providing a wide range of beams for nuclear reaction and structure research to a large community of users from the US and abroad.
Potřebné know how je zachováváno ve velkých výzkumných centrech vzniklých v 50tých letech a majících klíčovou roli ve špičkovém výzkum, a to i ve státech neuvažujících dnes o využívání jaderných elektráren. 16.9.2015
17
Perspektivní využití jaderné energie mimo výrobu elektřiny*
Market Potential for Non-electric Applications of Nuclear Energy. Technical Reports Series No. 410. IAEA, Vienna 2002.
16.9.2015
18
Vytápění Je využíváno v řadě zemí, převážně ve formě kogenerace s výrobou elektřiny. Krátkodobá tržní perspektiva: ~340 GW(th) až 7600 GW(th) Dlouhodobý výhled: omezuje se zejména na státy s vybudovaným systémem centralizovaného zásobování teplem.
16.9.2015
19
Odsolování mořské vody Bylo využito jen v Kazachstánu, Pákistánu a Japonsku ve formě kogenerace s výrobou elektřiny. Jedná se však o velmi perspektivní trh, který je závislý na perspektivách odsolování samotného.
16.9.2015
20
Dodávky tepla pro průmysl Pro průmyslové účely je zapotřebí tepla na úrovni cca 600 oC, stávající tlakovodní a varné reaktory jsou pro tyto teploty nevhodné. Pro některé segmenty průmyslového tepla jsou však postačující nižší teploty, příkladem může být zásobování papírny párou z výzkumného reaktoru v Norsku a infrastruktury v Rusku - Bilibino. Perspektivní je využití HTR (vysokoteplotních reaktorů) nebo rychlých reaktorů. Getting steamy. Inside the Halden reactor, which Bilibino NPP, which runs four EGP-6 reactors, is located in Russia's Far Northeast, in Chukotka Autonomous District, which is beyond the Arctic Circle.
16.9.2015
provides steam to the nearby Norske Skog Saugbrugs paper mill in Norway.
21
Pohon lodí K pohonu civilních lodí bylo využito jaderné energie v řadě zemí (Německo, Japonsko, Rusko a USA). Dnes jsou využívány je Ruskem (v letech 1959 – 1990 bylo spuštěno 9 ledoborců a jedna dopravní loď a jeden ledoborec je ve výstavby). Vývoj nových reaktorů pro pohon lodí probíhá dnes jen v Rusku a Japonsku. Tržní segmenty pro jednotlivé zdroje energie pro Německáéplavidlo Otto Hahn s jaderným pohonem
16.9.2015
kosmické účely
22
Využití v kosmu Využívání jaderných technologií v kosmu je realitou po několik desetiletí. Použité technologie jsou velmi odlišné v závislosti na účelu kterému mají sloužit.
Tržní segmenty pro jednotlivé zdroje energie pro kosmické účely Pojízdná laboratoř Curiosity využívající radioizotopový termoelektrický generátor jako zdroj tepelné energie.
16.9.2015
23
Ostatní aplikace
Výroba vodíku
Zplyňování uhlí
Výroba syntetických paliv
Těžba ropy
Využití ponorek pro dopravu fosilních paliv
16.9.2015
24
Jaderná technologie v budoucnu (1/3)
Vznik kosmu
16.9.2015
25
Jaderná technologie v budoucnu (2/3)
16.9.2015
26
Jaderná technologie v budoucnu (3/3)
16.9.2015
27
Závěr Jaderné technologie mají počátky ve vojenské oblasti, jako mnoho dalších. Jejich využití pro mírové účely započalo slavným projevem prezidenta Eisenhowera v roce 1953 v OSN „Atom for Peace“. Dnes se mírové využití jaderných technologie využívá zejména:
Pro výrobu elektřiny a
Neenergetické využití, zejména ve zdravotnictví, zemědělství a průmyslu, dnes finančně větší oblast než výroba elektřiny.
Jaderné technologie jsou masivně využívány též ve vědě a výzkumu téměř ve všech oborech, byť si to vždy ani neuvědomujeme. Již dnes je jaderná energie využívána i v jiných oblastech než je výroba elektřiny. MAAE předpovídá tržní potenciál i pro tyto oblasti:
Odsolování mořské vody
Dodávky tepla pro průmysl
Pohon lodí
Využití v kosmu
Ostatní aplikace (výroba vodíku, zplyňování uhlí, výroba syntetických paliv, těžba ropy a využití ponorek pro dopravu fosilních paliv, ..)
16.9.2015
28
Scientific Forum Atoms in Industry - Radiation technology for development, 15. – 16.9.2015 na GC IAEA DG MAAE, Yukiya Amano, zdůraznil význam jaderných technologií (s důrazem na výzkum a vývoj) ve dvou rovinách: A. Podpoře udržitelného rozvoje Tyto cíle mají být potvrzeny na Valném shromáždění OSN v New Yourku 25. – 27. září 2015. Jaderné technologie mohou významným způsobem přispět k dosažení téměř všech 17-ti cílů.
B. Roli jaderné energetiky a technologií v kontextu klimatických změn: 1. Jejich zmirňování, snižováním emisí skleníkových plynů, ať již přímo (jaderné elektrárny od roku 1970 snížili emise skleníkových plynů o … mld. t CO2 – celosvětové emise za poslední dva roky, s potenciálem většího příspěvku), nebo nepřímo technologickou podporou ostatních nízko emisních zdrojů a snižování emisí u klasických. 2. Podporou adaptace na klimatické změny (už dnes jsou realitou, více sucha či více povodní jinde).
Zároveň zdůraznil, že je třeba posílit roli MAAE v podpoře využívání jaderných elektráren a technologií ve světě. 16.9.2015
29
Děkuji za pozornost a trpělivost
16.9.2015
30
