136
Jadrové reakcie Jadrové reakcie Reťazová štiepna reakcia

Jadrové reakcie

  • Upload
    gretel

  • View
    158

  • Download
    0

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Jadrové reakcie. Reťazová štiepna reakcia. Snívanie pred storočím. F.Soddy, po objavoch rádioaktivity, prednáša v roku 1908 :. - PowerPoint PPT Presentation

Citation preview

Jadrové reakcieJadrové reakcie

Reťazová štiepna reakcia

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 2

Snívanie pred storočím...Snívanie pred storočím...

„Skutočná prosperita sveta je v dostupnej energii; týmito objavmi sa prvýkrát ukazuje že ťažký zápas ľudstva o prežitie s výlučne prírodnými zdrojmi energie nie je už jedinou možnosťou a trvalým údelom Človeka. Stáva sa reálnou nádejou, že získa moc nad zužitkovaním tých primárnych prameňov energie, ktoré Príroda teraz žiarlivo ochraňuje pre budúcnosť. Bezpochyby je to vzdialený cieľ, ale mení sa tým vzťah Človeka k jeho prostrediu a pridáva dôstojnosť k jeho spôsobu jestvovania.”

F.Soddy, po objavoch rádioaktivity, prednáša v roku 1908:

a pochybovanie … a pochybovanie …

Vzhľadom na zriedkavosť zrážok nepredpokladali využitie exoergických jadrových reakcií ako zdrojov energie

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 4

19381938: Otto Hahn: Otto Hahn

S Lizou Meitnerovou a Fritzom Strassmanom zistili, že urán ostreľovaný neutrónmi nedáva transurán, ale niečo ľahšie - rádioaktívny izotop bárya.

Znamenalo to objav štiepenia uránu

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 5

19381938: Liza Meitner: Liza Meitner

Mt276109

109 prvok: meitnerium

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 6

19441944: Otto Hahn: Otto Hahn

? UnoUnp, 265108

258105

Nobelova cena za chémiu

Hahnium (Hn)?

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 7

Štiepenie jadra hadrónmi

ťažké jadrá sú pretiahle a náchylné na rozštiepenie (aj spontánne !) - náraz vyvolá štiepenie

MeV20793140

36.563/13/1min

E

+ energia odpudzo-

vania „trosiek“ !

Ba

Kr

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 8

Štiepenie jadra hadrónmi

200 MeV na jedno rozštiepené jadro =

8,46.1014 GJ na 1 kg ( 2,55.1024 atómov) rozštiepeného 235U

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 9

1939:1939: Fréderic Joliot-Curie Fréderic Joliot-Curie

„Les produits de fission, sont radioactifs et la fission s‘accompagne de la production de trois neutrons“„Produkty štiepenia sú rádioaktívne a pri štiepení sa uvoľňujú tri neutróny“

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 10

Štiepenie jadra hadrónmi

235U 236U* 140Xe

94Sr

pomalý neutrónrýchle neutróny200 MeV

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 11

Excitačné funkcie reakcie štiepenia neutrónmi

pomalými neutrónmi sa štiepi

z prírodných nuklidov iba 235U

z umelých 239Pu a 233U

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 12

Excitačné funkcie reakcie štiepenia neutrónmi

pomalými neutrónmi sa štiepi

z prírodných nuklidov iba 235U

z umelých 239Pu a 233U

nazývajú sa

štiepiteľné nuklidy

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 13

Excitačné funkcie reakcie štiepenia neutrónmi

štiepenie pomalými neutrónmi nie je symetrické:

najpravdepodobnejší pomer nábojov štiepnych trosiek je asi 2:3 (presnejšie 38:54)

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 14

Excitačné funkcie reakcie štiepenia neutrónmi

štiepne trosky majú relatívny prebytok neutrónov a stabilizujú sa viacnásobnou rádioaktívnou premenou β-

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 15

Nuklidová Nuklidová mapamapa

140Xe

N/Z=1,59

N/Z=1,55

N

Z

235U

štiepne trosky sú presýtené neutrónmi

94Sr

N/Z=1,47

β-

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 16

Výťažok a premena štiepnych produktovVýťažok a premena štiepnych produktovLogaritmus výťažku !

Hmotnostné číslo štiepnej trosky

pod 0,1% !

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 17

Reťazová štiepna reakcia

„multiplikačný faktor“ k je pomer

počtu štiepiacich neutrónov

počtu pohlcovaných neutrónov

______________________

pohybuje sa okolo 3 !

(F.Joliot-Curie, 1939) :

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 18

Reťazová štiepna reakcia

pre multiplikačný faktor

k= 2

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 19

Reťazová štiepna reakcia

čo môže zmenšiť multiplikačný faktor k :

- únik neutrónov zo štiepiteľného materiálu do okolia

- absorpcia neutrónov neštiepiteľnými nuklidmi (izotopom 238U, ako aj všetkými prímesmi s vysokým účinným prierezom)

- radiačné zachytenie 235U(n,γ)236U

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 20

Reťazová štiepna reakcia

zníženie multiplikačného faktora k

únik zo sústavy

zachytenie bez štiepenia

(n,γ)

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 21

Reťazová štiepna reakcia

z toho vyplýva pre reťazovú rekciu sú potrebné:

- istý minimálny objem štiepiteľného materiálu - kritická hmotnosť

- odstránenie neštiepiteľných nuklidov (jadrovo čistý alebo aspoň obohatený 235U, chemicky čistý od “neutrónových jedov”)

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 22

Reťazová štiepna reakcia

tk

enn)1(

0

počet rozštiepených atómov (n) rastie exponenciálne, pri strednej dobe života neutrónov τ :

štiepnynuklid

kmax

pomalé neutróny(τ = 1 s)

kmax

rýchle neutróny(τ = 0.001 s)

235U 2.07 2.18

239Pu 2.08 2.74

vhodné pre regulovanú

reakciu (jadrový reaktor)

vhodné pre výbušnú reakciu

(atómová bomba)

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 23

Reťazová štiepna reakcia

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 24

Reťazová štiepna reakcia

reťazovú reakciu podporuje:

- zvyšovanie koncentrácie štiepneho nuklidu (obohacovanie štiepiteľným izotopom)- spomaľovanie neutrónov na energiu tepelného pohybu (z 1 MeV na 0,1 eV)

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 25

Reťazová štiepna reakcia

- čisté štiepiteľné nuklidy sa používajú pre atómové bomby

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 26

Reťazová štiepna reakcia

regulovaná reťazová reakcia v jadrových reaktoroch vyžaduje:

- obohacovanie štiepiteľným nuklidom pre zmenšenie rozmerov reaktora

- spomaľovanie neutrónov na energiu tepelného pohybu pridaním ľahkých nuklidov, moderátorov

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 27

Atómová bombaAtómová bomba

vyžaduje čistý štiepiteľný nuklid:

• 235U - iba 0,7% v prírodnom uráne

• 239Pu - získava sa chemicky z neštiepiteľného 238U po reakcii (n,γ)

Začiatok II.svetovej vojny...Začiatok pretekov...

Atómová bomba

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 30

University of Chicago - Plutónium University of Chicago - Plutónium

gS263106

K.W.Kennedy, A.C.Wahl, G.T. Seaborg (7.3.1941) objav štiepiteľného 94.prvku

106 prvok Seaborgium

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 31

University of Chicago - Plutónium University of Chicago - Plutónium B.B.Cunningham, M.Cefola, L.B.Werner (10.9.1942) 2,77 μg Pu

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 32

University of Chicago - Plutónium University of Chicago - Plutónium

Rozhodnutie: presvedčiť firmu DuPont, aby okrem nylonu začala vyrábať plutónium !

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 33

Fermiho jadrový reaktor Fermiho jadrový reaktor

Uložiť tyče veľmi čistého uránu do matrice veľmi čistého grafitu

Fm257100

100 prvok: fermium

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 34

Fermiho jadrový reaktor Fermiho jadrový reaktor Krytá tenisová hala Univerzity Chicago,

2.december 1942 2.december 1942 George, vysuňte kadmiovú

tyč na značku 13 stôp !

Poskladaný z čistého grafitu a tyčí s oxidom uránu - spustil regulovanú reťazovú štiepnu reakciu pri tepelnom výkone asi 0,5 W

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 35

2.12.19422.12.1942: : Reťazová štiepna reakcia

vysunutie kadmiovej

tyče

Záznam toku neutrónov tok rastie ! iba zmena škály !

trvalý exponenciálny

rast toku

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 36

2.12.19422.12.1942: : Reťazová štiepna reakcia

(telefonická správa)

Compton:”Taliansky moreplavec došiel do Novej Zeme“

Conant: “A ako ho stretli domorodci ?“

Compton: “Veľmi priateľsky.“

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 37

Reťazová štiepna reakcia

Väčšie riziká pri prekračovaní kritickej hmotnosti koncentrovaného

235U alebo 239Pu

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 38

Reťazová štiepna reakcia

Relatívne pomalé zväčšovanie hmotnosti síce spôsobuje prudký nárast štiepneho procesu a nebezpečných tokov rýchlych neutrónov, ale nevyvolá výbuch rozmerov atómovej bomby - v tej sa musí prekročiť kritická hmotnosť za zlomky sekundy!

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 39

1945 - „Manipulačná“ havária v Los Alamos

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 40

Explozívne prekročenie kritickej

hmotnosti vstrelenie

(Little Boy)implózia (Fat Man)

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 41

1945 - Preteky vyhrali ekonomicky silné USA

Nemecký reaktor v Haigerlochu nebol dokončený a demontovali ho

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 42

Japonsko, august 1945

Little Boy

HIROŠIMA

Fat Man

NAGASAKI

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 43

A day after …A day after …

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 44

1945-19801945-1980

USA, ZSSR, Francia, Veľká Británia, Čína a India uskutočnili 2050 pokusných

jadrových výbuchov v atmosfére s výbušnou silou 510 Mt TNT (z toho Novaya Zemlya 58 Mt v roku 1961)

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 45

Účinky výbuchu

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 46

1945-19801945-1980

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 47

1945-19801945-1980

jediný pozitívny artefakt spojený so skúškou na atole Bikini

My model is like Bikini !

Atol Bikini 1954Atol Bikini 1954

Štát Hlaviceaktívne/celkove

Spojené štáty 5735 / 9960

Rusko (predtým ZSSR) 5830 / 16000

Veľká Brit ánia < 200

Francia 350

Čína 130

India 75-115

Pakistan 65-90

Severná Kórea 0-10

Israel 75-200

Menej žartovné je to, že na skladoch sa

nahromadilo okolo

30 000 jadrových náloží !!!

Odhad:

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 49

V prepočte na každého žijúceho človeka je to

ekvivalent najmenej 50 kg dynamitu

“overkilling” !?

a atmosféra sa dlhodobo zamorila ...

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 51

1945-19801945-1980

zamorenie najmä severnej pologule rádioaktívnym spadom

napr. USA od Alamogordo a Las Vegas

„Атом не солдат, атом рабочий !”

„Atóm nie je vojak, atóm je robotník“

I.V.KurI.V.Kurččatovatov (1903-1960) (1903-1960)

Jadrový reaktorJadrový reaktor

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 54

Prvá energia z jadrového reaktoraPrvá energia z jadrového reaktora

Argonne, Idaho 1951Argonne, Idaho 1951:: 800 W

Obninsk, Kaluga 1954Obninsk, Kaluga 1954:: 5 MW

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 55

Schéma jadrového reaktoruSchéma jadrového reaktoru

štiepny materiál

235U (oxid, karbid, nitrid) v Zr obale

239Pu (oxid)

moderátor

H2O, D2O, grafit

chladivo

H2O, D2O, He, CO2

Na,Pb,Bi

absorbér

B, Cd

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 56

Schéma jadrovej elektrárne (EMO)

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 57

Jadrový reaktor EMOJadrový reaktor EMO VVER 440VVER 440

aktívna zóna (42 ton 3,5% 235U v 312x126 palivových prútikoch)

regulačné tyče

voda je chladivom i moderátorom - „vodno-vodný reaktor“

vstup chladiacej vody (266 oC)12 m

výstup chladiacej vody (297 oC)

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 58

19781978: Jadrová elektráreň Bohunice : Jadrová elektráreň Bohunice

výkon 4x440 MWel

Uzavretie 2 blokov 2006-2008 !

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 59

ReaktorovReaktorováá s sáála EMOla EMO

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 60

Reaktory vo svete

Čo znepokojuje verejnosť Čo znepokojuje verejnosť ??

• Havárie jadrových zariadení• Zneužitie štiepiteľného materiálu

• Znečistenie rádioaktívnym odpadom

Laikov:Laikov:

Čo znepokojuje verejnosť Čo znepokojuje verejnosť ??

• Spoľahlivosť reaktorov a úložísk odpadu

• Cena energie a diskriminácia „jadra“• Vyčerpanie ložísk uránu

OdborníkovOdborníkov::

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 63

Rozdiel od bombyRozdiel od bomby::kritická hmotnosť sa dosahuje pomaly

1 k

ndtdn

multiplikačný faktor sa udržuje mierne nad 1 (k ≈ 1,001) a reakcia sa dobre reguluje vďaka oneskoreným neutrónom vyžarovaným štiepnymi troskami (τ okolo 13 s)

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 64

Rozdiel od bombyRozdiel od bomby::

V reaktore sa reťazová reakcia rozbíja o mnoho rádov pomalšie ...

ale aj reaktor sa môže poškodiť “tepelným” výbuchom, pri ktorom unikne rádioaktívne palivo, čo je najvyšší stupeň havárie)

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 65

25.apr25.apríl íl 19861986: : ČernobyľČernobyľ

“Regulačný experiment”: využitie zvyškového tepla na pohon chladiacich čerpadiel pri zrušenom automatickom vypnutí reaktora, ktoré sa zapne , ak jeho výkon klesne pod 1/3

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 66

25.apr25.apríl íl 19861986: : ČernobyľČernobyľ

14:00 Havarijná regulácia vypnutá, výkon znížený na polovicu

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 67

00:28 Simultánne zasúvanie regulačných tyčí bez príkazu na automatické udržiavanie výkonu, výkon poklesol na 30 MWvytiahnutie všetkých regulačných tyčí !!!

26.apr26.apríl íl 19861986: : ČernobyľČernobyľ

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 68

00:28 - 01:00reaktor je otrávený xenónom, aj bez regulačných tyčí výkon len pomaly stúpa na 200 MW

26.apr26.apríl íl 19861986: : ČernobyľČernobyľ

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 69

01:07 - 01:19pripojili sa dve ďalšie čerpadlá, takže nestačí prietok vody, obsluha vypne signalizáciu nedostatočnej úrovne vody

26.apr26.apríl íl 19861986: : ČernobyľČernobyľ

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 70

26.apr26.apríl íl 19861986: : ČernobyľČernobyľ

01:22:00systém signalizuje nedostatok 30% chladiacej vody, obsluha ignoruje signál na vypnutie reaktora

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 71

26.apr26.apríl íl 19861986: : ČernobyľČernobyľ

01:23:00obsluha vypla riadenie reaktora pri nedostatku pary pre jednu turbínu, obrátky turbín začínajú nebezpečne klesať

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 72

01:23:40okamžité zasunutie regulačných tyčí po havarijnom signále “AZ-5” spôsobilo vznik vzduchových bublín, miestne prehriatie článkov a vznik pary, ktorá nedovolila zasunúť regulačné tyče samospádom

26.apr26.apríl íl 19861986: : ČernobyľČernobyľ

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 73

01:23:44za štyri sekundy výkon reaktoru stúpol stonásobne a tlak pary výbuchom zdvihol 1000 tonové veko reaktora

26.apr26.apríl íl 19861986: : ČernobyľČernobyľ

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 74

01:23:46rádiolytický vodík po zmiešaní so vzduchom explodoval v druhom výbuchu, časť aktívnej zóny bol rozmetaný na streche sálu a začala horieť;reťazová jadrová reakcia sa zastavila

26.apr26.apríl íl 19861986: : ČernobyľČernobyľ

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 75

19861986: : ČernobyľČernobyľ

Najväčšia katastrofa jadrového zariadenia v histórii !!!

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 76

19861986: : ČernobyľČernobyľ

Najväčšia katastrofa jadrového zariadenia v histórii !!!

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 77

19861986: : ČernobyľČernobyľglobálna kontaminácia

až 100x viac, ako

prírodná rádioaktivita

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 78

Generation I

Generation II

1950 1970 1990 2010 2030 2050 2070 2090

Generation III

Prvé reaktoryPrvé reaktory

Súčasné reaktorySúčasné reaktoryPokročilé reaktoryPokročilé reaktory

Budúce Budúce konštrukcie konštrukcie

Generation IV

Reaktory nových generReaktory nových generááciícií

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 79

Reaktor III. GenerReaktor III. Generááciecie: EPR: EPR

Francúzsko-nemecký EPR (European/Evolutionary Pressurized Reactor) - Olkiluoto, Flamanville

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 80

Reaktor III. GenerReaktor III. Generááciecie: EPR: EPR

Francúzsko-nemecký EPR (European/Evolutionary Pressurized Reactor) - Olkiluoto, Flamanville

Jadrové reaktoryJadrové reaktory

Je využitie štiepenia

“zmluva s diablom“ ?

Jadrové reaktoryJadrové reaktory

Sme odkázaní na 235U ?

Úloha chémie !

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 83

Množivý reaktor Množivý reaktor (“breeder(“breeder““))

po „parazitnej“ reakcii 238U(n,γ)239U ktorá znižuje multiplikačný faktor

dochádza premenou β- k tvorbe sekundárneho štiepiteľného materiálu,plutónia-239 :

239U → 239Np → 239Pua reaktor môže produkovať viac štiepiteľného materiálu, ako ho spotrebuje !

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 84

začiatok koniec

235U 3,5% 1,2%239Pu 0% 1,0%štiepne

produkty0% 3,6%

Np,Am,Cm 0% 0,3%

VyhorenVyhorenéé palivo palivo

napr. palivo VVER440 vyhorenie 30 MWd/tonu :

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 85

Palivový cyklusPalivový cyklus

Treba:

• regenerovať primárny štiepiteľný materiál (235U)

• odstrániť štiepne produkty a neutrónové jedy

• získať sekundárny štiepiteľný materiál (239Pu)

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 86

PUREX procesPUREX proces

rozpúšťadlová extrakcia s tri-n-butylfosfátom (TBP)

C4H9O

C4H9O P=O: UO2(NO3)2

C4H9O

Komplex rozpustný v organických rozpúšťadlách

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 87

PUREX procesPUREX procesrozpúšťadlová extrakcia s tri-n-butylfosfátom

(TBP)

C4H9O

C4H9O P=O: UO2(NO3)2

C4H9O

Rovnaké komplexy tvorí Pu(NO3)4,

ale nie Pu(NO3)3, a iné M3+ napr. Ln(NO3)3

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 88

PUREX procesPUREX proces

palivo rozpustené v HNO3

TBP v dodekáne

zriedená HNO3

štiepne produkty

U+Pu v TBP

reduktant zriedená HNO3

TBP v dodekáne

U v TBP

Pu U

TBP v dodekáne

UO2+

Pu4+

Ln3+

UO2+

Pu3+ UO2+

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 89

2003 - „Chemická“ havária v Tokai-mura

prekročenie povoleného množstva (kritickej hmotnosti) zrážaného (NH4)2U2O7 obohateného uránu

Namiesto povoleného 2,4 kg vyzrážali 16 kg uránu obohateného do 18,8% 235U

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 90

Ako vie MAAE, Ako vie MAAE, žže sa z e sa z paliva vyrpaliva vyráába plutónium ?ba plutónium ?

• obsahuje málo nahromadeného 239Pu (T1/2 = 24000 r), 240Pu (T1/2 = 6500 r) a 241Pu (T1/2 = 14 r)

a izotopový pomer 240Pu+241Pu / 239Pu je nízky

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 91

Rádioaktívny odpadRádioaktívny odpad

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 92

Zneškodnenie = zabránenie úniku do životného prostredia

Rádioaktívny odpadRádioaktívny odpad

Rádioaktívny odpadRádioaktívny odpad

Príroda ho vyrábala tiež !Pred 2 miliardami rokov a celých 200

miliónov rokov !

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 94

Prírodný reaktor Oklo (Gabun)

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 95

chladnutie aktivita(MBq)

z 18 g paliva

nuklidy

1 rok 1000 137Cs, 239,240Pu,90Sr,147Pm10 rokov 150 137Cs, 90Sr,239,240Pu, 241Am100 rokov 15 239,240Pu,241Am,137Cs, 90Sr1000 rokov 0,5 239,240Pu,241Am,237Np, 99Tc

241Am vzniká z 241Pu

Rádioaktívny odpadRádioaktívny odpad

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 96

Návrhy :

separovať a využiť čisté nuklidy

vystreliť na Slnko

jadrová transmutácia na krátkožijúce

....

Rádioaktívny odpadRádioaktívny odpad

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 97

Realistické sú

minimalizácia objemu lisovaním, vyparovaním a spaľovaním

fixácia do matrice odolnej voči lúženiu vodou

uloženie vo vodonepriepustných vrstvách (žula, soľné bane, zeolity)

Rádioaktívny odpadRádioaktívny odpad

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 98

Rádioaktívny odpadRádioaktívny odpadJAVYS (Jaslovské Bohunice)

Spaľovňa

Zalievanie do vláknito-betónových kontajnerov

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 99

Fixácia odpaduFixácia odpadu

• cement

• bitúmen

• sklo

• oxid uraničitý

• korund

<100

<1

<1

<0,01

<0,0001

matrica korózia mg.m-2.d-1

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 100

Fixácia odpaduFixácia odpadu

• cement

• bitúmen

• sklo

• oxid uraničitý

• korund

cementácia

bitumenizácia

vitrifikácia

chladenie článkov

matrica spôsob zneškodňovania

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 101

Fixácia odpaduFixácia odpadu

podpovrchové úložiská

hĺbinné úložiská

spôsob zneškodňovania

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 102

Podpovrchové úložiskáPodpovrchové úložiskáMochovce

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 103

Hĺbinné úložiskáHĺbinné úložiská

Yucca Mountain (Nevada)

Jadrové reakcieJadrové reakcie

Energeticky významné reakcie

Jadrová syntéza (fúzia)

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 105

Uvoľňovanie jadrovej energieUvoľňovanie jadrovej energie

Najväčšiu mernú väzbovú energiu (najpevnejšie viazané nukleóny) má jadro 56Fe:

8,7 MeV na nukleón

energia uvoľnenápri štiepení

energia uvoľnenápri syntéze

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 106

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 107

Fúzne reakcieFúzne reakcie

Čo to tam horí ?

Slnečná energiaSlnečná energia

Dokážeme ju napodobniť ?

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 109

Fúzne reakcieFúzne reakcie

Reakcia fúzie protónov

4 1H 4He + 2e++ 2ν + 26 MeV

má veľmi malý účinný prierez (10-51 m2) a vyžaduje si veľmi vysokú teplotu

stredná doba života protónu na Slnku je 1,4.1010 rokov !

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 110

Fúzne reakcieFúzne reakcie

Reakcie d-t a d-d

2H + 3H 4He + n + 17,6 MeV

2H + 2H 3He + n + 3,2 MeV

sú preto sľubnejšie pre technické využitie

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 111

Fúzne reakcie: D-T !!!Fúzne reakcie: D-T !!!Vysoký účinný prierez (až 5 barnov)

Relatívne nízky prah (10 keV)

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 112

Fúzne reakcieFúzne reakcie

Spomenutá fúzia protónov

4 1H 4He + 2e++ 2 ν + 26 MeV

nemôže prebiehať na povrchu Slnka, kde klesá teplota do 6000 oC

Fúziu protónov umožňujú (katalyzujú) jadrá 12C !

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 113

Čistá energia ?Čistá energia ?

„Spaľuje sa vodík na nerádioaktívne produkty“

a teda nevzniká rádioaktívny odpad ?

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 114

Ale neutróny z reakcií

2H + 3H 4He + n

2H + 2H 3He + n

aktivujú všetky okolité materiály !

Čistá energia ?Čistá energia ?

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 115

Neutróny z plazmyNeutróny z plazmy

sú však aj cenná surovina a dajú sa využiť na exoergickú produkciu trícia

n + 6Li 4He + 3H + 4,8 MeV

z lítia v obale plazmovej komory (“blanket“), t.j. znova máme možnosť „množenia“ paliva !

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 116

Palivo pre fúzne reaktoryPalivo pre fúzne reaktory

• D separované z vody (0,015%)

• T z lítia a neutrónov: 6Li(n,α)T

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 117

Palivo pre fúzne reaktoryPalivo pre fúzne reaktory

Separácia trícia z ožiareného lítia:1) nasýtenie ožiareného lítia prótiom

2) gravitačné rozdelenie Li (ρ=0,5 g/cm3) od [3H]LiH ((ρ=0,8 g/cm3)

3) rozklad [3H]LiH pri 600 oC na [3H]H a Li

4) separácia izotopových molekúl HT a H2

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 118

Treba udržať plazmu pri teplote 100 mil. K a s hustotou 1022 m-3 po dobu asi 1 sekundy

1950: A.Sacharov1950: A.Sacharov

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 119

1950: A.Sacharov - 1950: A.Sacharov - TOKAMAKTOKAMAKTOpoидальная KAмера MAгнитная Kaтушка

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 120

Fúzne reakcieFúzne reakcie

Aká je perspektíva ?

?International Thermal Experimental Reactor

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 121

TOKAMAK „ITER“ (CadaracheTOKAMAK „ITER“ (Cadarache))Spoločný projekt EÚ, Spoločný projekt EÚ,

Ruska, USA a JaponskaRuska, USA a Japonska

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 122

TOKAMAK „ITER“ (CadaracheTOKAMAK „ITER“ (Cadarache))Spoločný projekt EÚ, Spoločný projekt EÚ,

Ruska, USA a JaponskaRuska, USA a Japonska

Blanket- odvádza teplo- radiačná ochrana- množenie paliva (Li-T)

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 123

TOKAMAK „ITER“TOKAMAK „ITER“

Vnútro komoryVnútro komory

Blanket- odvádza teplo- neutrónová ochrana- množenie paliva (Li-T)

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 124

1) jadrovo čisté materiály (urán, tórium, ťažká voda, zirkónium, grafit a i.)

2) získavanie štiepiteľného materiálu (239Pu z uránu a 233U z tória)

3) získavanie paliva pre jadrovú fúziu (deutéria z vody a trícia z lítia)

4) utilizácia štiepnych produktov a transuránov

ÚlÚloha coha chémihémiee v jadrovej energetike v jadrovej energetike

5) zneškodňovanie rádioaktívnych odpadov

Alternatívne zdrojeAlternatívne zdroje

Náhrada ?

Alternatívne zdrojeAlternatívne zdroje

Slnečná energia :

• na Slovensku je priemerný príkon 0,13 W/m2

(za rok na 1 m2 dopadne 1100 kWh, ale napr. len 300 kWh v zimných mesiacoch)

Alternatívne zdrojeAlternatívne zdroje

Slnečná energia :

akumulácia v biomase nerieši produkciu

skleníkových plynov

Alternatívne zdrojeAlternatívne zdroje

10 MW slnečná elektráreň Barstow (California)

náročná na materiál a plošnú inštaláciu

Alternatívne zdrojeAlternatívne zdroje

Náhrada 440 MW bloku JE Jaslovské Bohunice by si vyžiadala pri 20%-nej účinnosti fotovoltaických článkov

17,5 km2 článkov

Alternatívne zdrojeAlternatívne zdroje

Veterný generátor

• silne závisí od rýchlosti vetra (3.mocnina !)

• náročný na materiál a plošnú inštaláciu

Politik-optimista: dvojnásobný rast vetra zvyšuje výkon osemkrát

Politik-pesimista: dvojnásobný pokles vetra znižuje výkon osemkrát

Veterná energia :

Realista: nameraný výkon ?

Alternatívne zdrojeAlternatívne zdroje

Slnko a vietor : pre silné lokálne, sezónne a časové výkyvy by bolo potrebné kompenzovať akumuláciou napr. elektrolytickou prípravou vodíka

Zásadný fyzikálny problém je v nízkej rýchlosti elektrolýzy, všeobecne riadenej difúznymi procesmi (malá hustota tokov energie). Opäť téma pre chemikov ...

Alternatívne zdrojeAlternatívne zdroje

Burgenland

Krajina 1800 Krajina 2000

Alternatívne zdrojeAlternatívne zdroje

Cape Cod

Mys 1800 Mys 2000

Alternatívne zdrojeAlternatívne zdroje

Napríklad Siemens “BONUS 2 MW” má rozmery vrtule 38 m na stožiari 60 m. Maximálny výkon sa počíta na rýchlosť vetra 15m/s (54km/h).

Praktická efektívnosť je okolo 0,3 MW.

Jeden odstavený reaktor V-1 by nahradilo

cca 1500 veterných turbín.

Alternatívne zdrojeAlternatívne zdroje Nemeckopokrýva okolo 4% potrebyenergie z vetra

Alternatívne zdrojeAlternatívne zdroje

Schön !