Energia z jądra atomu – zagrożenie czy ratunek dla środowiska?

Artur Błachowski

Instytut FizykiWydział Matematyczno-Fizyczno-Techniczny

Uniwersytet Pedagogiczny, Kraków

KONWERSATORIUM POPULARYZACJI WIEDZY, 17 MARCA 2010

Prezentacja zrealizowana w ramach projektu WIEDZA TECHNICZNA:

"Wzmocnienie znaczenia Politechniki Krakowskiej w kształceniu przedmiotów ścisłychi propagowaniu wiedzy technicznej w regionie„

Nr projektu UDA POKL.04.01.01-00.001/08-00e-mail: wiedza@pk.edu.pl

http://www.wiedza.pk.edu.pl/

współfinansowanego przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.

1.

Rys historyczny wydarzeń i odkryć naukowych, które doprowadziły do odkrycia reakcji rozszczepiania jądra atomowego

i wykorzystania energii jądrowej.

1911 - Ernest Rutherford – odkrycie jądra atomowego– rozmiar jądra atomowego 10-15 m, rozmiar atomu 10-10 m

1932 - James Chadwick– odkrycie neutronu

1938 - Otto Hahn i Fritz Straßmann– odkrycie rozszczepienia jąder uranu

1939 - Lise Meitner i Otto R. Frisch– teoretyczne wyjaśnienie rozszczepienia jądra atomowego

1942 - Enrico Fermi – pierwszy reaktor jądrowy (stos atomowy)

University of Chicago w Stagg Field

E = mc2

Albert Einstein i Leo Szilard Franklin Delano Roosevelt

Mitsubishi A6M2 "Zero" takes off from the aircraft carrier Akagi

USS West Virginia (severely damaged), USS Tennessee (damaged), USS Arizona (sunk).

Sunday December 7, 1941

Pearl Harbor, Hawaii, USA

January 19, 1942F.D. Roosevelt’s note to Vannevar Bush

Manhattan Project1942 – 1947

J. Robert Oppenheimer – kierownik naukowy projektu

Stanisław Ulam- polski matematyk

- największe naukowo-konstrukcyjne przedsięwzięcie w historii ludzkości- 130 tysięcy osób (USA, UK, Kanada) - 23 mld USD (CPI 2008); dla porównania - LHC 8 mld USD

Hanford Engineer WorksOak Ridge

Clinton Engineer WorksLos Alamos: Laboratory

16.07.1945

→

1954 – pierwsza doświadczalna elektrownia jądrowa, Obnińsk, ZSRR.1956 – pierwsza komercyjna elektrownia jądrowa Calder Hall, Wielka Brytania.

Obnińsk Calder Hall

Energetyka jądrowajest następstwem zaawansowanej technologii militarnej zaadoptowanej do celów pokojowych

tak samo jak np. lasery w CD/DVD, Internet, telefonia komórkowa itd.

W żadnej elektrowni jądrowej NIE JEST MOŻLIWY wybuch jądrowy.

2.

Trochę fizyki,czyli jak to działa.

Izotopy

Z – liczba atomowa = liczba protonów w jądrzeN – liczba neutronów w jądrzeA – liczba masowa A=Z+N

np.

1H , 2H , 3H

12C , 13C , 14C

54Fe , 56Fe , 57Fe

233U , 235U , 238U

XA

NZ

( ) 22 NZ cMmmcME jnpw ⋅−⋅+⋅=⋅∆=

Defekt masy ∆M

( ) jnp MmmM −⋅+⋅=∆ NZ

Energia wiązania jądra Ew

to właśnie ta energia wykorzystywana jest w energetyce jądrowej

Energia wiązania nukleonu w jądrze w funkcji liczby masowej jądra A

( ) 22 NZ cMmmcME jnpw ⋅−⋅+⋅=⋅∆=

Ew/A(MeV)

En3KrBa U Un 10

8936

14456

23692

23592

10 +++→→+ ∗

Energia wyzwalana podczas rozszczepienia jednego jądra 235U

200 MeV

Uzyskiwana ilość energii:

1 kg 235U = 2 500 000 kg C

Energia wyzwolona podczas spalenia jednego atomu C

4 eV

W jaki sposób można sterować przebiegiem reakcji rozszczepienia

Moderator (spowalniacz) neutronów

Energia neutronów wywołujących rozszczepienie 235U 0.1 eVEnergia neutronów powstających z rozszczepienia 235U 0.5 – 5 MeV

Moderatory stosowane w energetyce jądrowej:

woda H2Ociężka woda D2Ografit C

Pręty sterujące i pręty bezpieczeństwa

- wykonane z materiałów bardzo intensywnie pochłaniających neutrony

kadm Cdbor B

3.

Energetyka jądrowa

Cykl paliwowy

Materiały rozszczepialne (paliwo jądrowe)233U, 235U, 239Pu

Materiały rozszczepialne (paliwo jądrowe)233U, 235U, 239Pu

Naturalny uran zawiera:238U 99,27 %235U 0,72 %

Kopalnia rudy uranu, McArthur River, Kanada

Wydobycie uranu

• otwarty rynek surowców uranowych • największe zasoby uranu w stabilnych politycznie krajach o gospodarce rynkowej

(Kanada, Australia)

Wzbogacanie uranu do 4% 235U

Francja, USA, Rosja, UK

metoda wirówkowa metoda dyfuzyjna

Produkcja paliwa uranowego

pastylki paliwowe

UO2

pręty paliwowe zestaw paliwowy

Elektrownia o mocy 1000 MWe potrzebuje na 1 rok pracy:EJ 640 kg 235U = 35 000 kg paliwa uranowego = 1 ciężarówkaEW 2 500 000 000 kg węgla = 35 000 wagonów = 3 pociągi dziennie

Elektrownia jądrowa(atomowa, nuklearna)

Wylot wody chłodzącej25.Transformator16.Rurociąg obiegu pierwotnego7.

Wylot pary wodnej24.Wzbudnica15.Pompa obiegu pierwotnego6.

Wlot powietrza chłodzącego23.Generator14.Wytwornica pary5.

Chłodnia kominowa22.Skraplacz13.Stabilizator ciśnienia4.

Rurociąg wody chłodzącej21.Pompa kondensatu12.Pręty sterujące3.

Rurociąg wody chłodzącej20.Turbina niskopręŜna11.Rdzeń reaktora2.

Zasilanie wody chłodzącej19.Turbina wysokopręŜna10.Zbiornik reaktora1.

Otwarte źródło wody18.Obieg wtórny pary9.Obieg wtórnyB.

Linia wysokiego napięcia17.Obieg wtórny kondensatu8.Obieg pierwotnyA.

Elektrownie jądrowe w Europie

10 elektrowni jądrowych w odległości do 300 km od granic Polski

Udział energii elektrycznej wytwarzanej z róŜnych źródeł energii (2007)

węgiel EJ gaz hydro biomasa wiatr ropa inne

Źródła pozyskiwania energii elektrycznej w Polsce

Źródła pozyskiwania energii elektrycznej w Unii Europejskiej

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

Szw

ecja

Finl

andi

a

Luxe

mbu

rg

Bel

gia

Fran

cja

Aus

tria

Nie

mcy

Hol

andi

a

Dan

ia

Slo

wen

ia

W. B

ryta

nia

Irla

ndia

Cze

chy

His

zpan

ia

Wlo

chy

Est

onia

Cyp

r

Slo

wac

ja

Gre

cja

Mal

ta

Por

tuga

lia

Bul

garia

Weg

ry

PO

LSK

A

Litw

a

Lotw

a

Rum

unia

kWh

per c

apita

• Polska - 3,7 tys. kWh/rok per capita

• Kraje byłej „piętnastki” UE - 8,5 tys. kWh/rok per capita (średnio)

Źródło: UNDP „Human Development Report 2005”

ZuZużżycie energii elektrycznej w Polsce na tle UEycie energii elektrycznej w Polsce na tle UE

Koszty wytwarzania energii elektrycznej w zależności od źródła energii (2009)

Warianty oznaczone plusem + oznaczają warianty ze wzrostem kosztu paliwa o 20%.

Elektrownia jądrowa w Olkiluoto w Finlandii (makieta)

Elektrownia jądrowa w Olkiluoto w Finlandii (widok aktualny)

montaż pierścienia ochronnego w obudowie bezpieczeństwa - elementy wykonane w Polsce i montowane przez polskie firmy

4.

Co wzbudza niechęć do energetyki jądrowej?

Przechowalnik wypalonego paliwaSellafield, Anglia

Podziemne składowisko wypalonego paliwa.

155Niska

22Średnia

3Wysoka

Objętośćm3/GWe-rok

Aktywność odpadów

Ilości odpadów z EJ z reaktorem PWR Ilości odpadów z EW

2 230 000131 000Ścieki wodne

67 000147 000Gips

557 000310 000Popiół

ton/GWe-rokton/GWe-rok

w. brunatnyw. kamiennyEW

Oklo, GabonNaturalny reaktor jądrowy działający 2 mld lat temu przez 500 tys. lat.

NIEZABEZPIECZONE produkty rozszczepienia rozprzestrzeniły się na odległość do 50 m od reaktora.

Źródła naturalne (74,0%) 2,480 mSv

Źródła sztuczne (26,0%)0,866 mSv

Roczna dawka skuteczna promieniowania jonizującego

otrzymana przez ludność Polski w 2007 r.

3,35 mSv

Roczna dawka „na płocie” elektrowni jądrowej.

0,01 mSv

Narażenie załóg stacji orbitalnych100

Roczna dawka od radionuklidów we własnym ciele0,3

Przelot w obie strony Warszawa – Nowy Jork0,1

Tomografia komputerowa10

Zdjęcie kręgosłupa lędźwiowego3

Zdjęcie klatki piersiowej0,1

Roczna dawka „na płocie” elektrowni jądrowej.

0,01 mSv

mSv

Tamil Nadu (Indie)57

Guarapari (Brazylia)37

Rejon w Szwecji35

mSv/rok

Dlaczego doszło do awarii w Czarnobylu?

http://wikipedia.org

Czynnik ludzki:- Eksperyment przeprowadzany w celu podniesienia bezpieczeństwa eksploatacji reaktora;

zbadanie jak długo w przypadku zaniku zasilania z sieci, główne pompy wody mogłyby być nadal zasilane prądem, przy wykorzystaniu energii kinetycznej turbin.

Czynniki konstrukcyjny reaktora RBMK:- wzrost mocy reaktora po odparowaniu wody- moderator grafitowy + chłodziwo woda + cyrkonowe koszulki =

H2O+C→CO+H2 2H2O+Zr → ZrO2+2H2

- brak betonowej powłoki ochronnej

26 kwietnia 1986, 01:23:- odparowanie wody- wzrost mocy i przegrzanie reaktora- wybuch mieszaniny gazów: H2

- pożar grafitu

Skutki awarii w Czarnobylu

1) Uwolnienie do atmosfery znacznych ilości produktów rozszczepienia:

131I t1/2 = 8 dni137Cs t1/2 = 30 lat90Sr t1/2 = 28 lat

2) Ofiary

3 osoby – śmierć na skutek wybuchu134 osoby (emergency workers) – ostra choroba popromienna,

z czego 28 osób zmarło w 1986 roku, 19 osób zmarło w latach 1987-2004

3) Przesiedlenie 116 317 osób ze strefy 30 km wokół elektrowni (1986) oraz dalsze około 220 000osób z terenów o podwyższonej radioaktywności.

4) Narażenie części ludności Białorusi, Ukrainy i Rosji na zwiększone dawki promieniowania około 100 mSv.

Skutki awarii w Czarnobylu

UNSCEAR Raport 2000United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation

Komitet Naukowy ONZ ds. Skutków Promieniowania Atomowego

WHO Raport 2006World Health Organization

Światowa Organizacja Zdrowia

Wśród ludności skażonych terenów na Białorusi, Ukrainie i Rosji:

1) Nie stwierdzono wzrostu umieralności.

2) Nie stwierdzono wzrostu zachorowalności na nowotwory lite i białaczki.

3) Nie stwierdzono wzrostu zapadalności na choroby genetyczne wśród dzieci.

4) Stwierdzono wzrost zapadalności na nowotwory tarczycy, (ogółem około 4000 przypadków, wyleczalność 95%).

5) Stwierdzono nasilenie następstw psychologicznych i społecznych, będących skutkiem stresu panującego wśród ludności.

wprost, 18 stycznia 2001

System 6 barier bezpieczeństwa

1

2

3

4

5

6

Elektrownia jądrowa Ohi, Japonia.

Współczesne reaktory jądrowe posiadają obudowę bezpieczeństwa

w kształcie kopuły odporną na trzęsienie ziemi i uderzenie samolotu.

5.

Energetyka jądrowa a inne źródła energii

Rola EJ w walce z CO2

wg bezstronnych ocen Światowej Rady Energetycznej (2004)

Elektrownia węglowa

Zalety• niskie koszty wytwarzania energii (ale wyższe niż w EJ)• łatwo dostępne paliwo (zasoby w Polsce)• możliwość pracy w podstawie obciążenia sieci• wysoka dyspozycyjność - dla nowych elektrowni ponad 90%• możliwość jednoczesnej produkcji energii elektrycznej i ciepła

Wady• emisja CO2• emisja pyłów, związków siarki i azotu • powstają duże ilości odpadów gromadzonych na hałdach • duży udział ceny paliwa (węgla) w całkowitym koszcie wytworzenia jednostki energii elektrycznej• rosnące koszty wydobycia węgla - co przekłada się na rosnące koszty wytwarzania energii• brak możliwości gromadzenia zapasów paliwa na wiele lat

Elektrownia Bełchatów S.A. 4440 MW Elektrownia Kozienice S.A. 2880 MW

North Killingholme, Wielka Brytania

Elektrownia gazowa

Zalety:• niskie koszty inwestycyjne• możliwość pracy w podstawie obciążenia sieci• możliwość rozruchu w krótkim czasie • możliwość jednoczesnej produkcji energii elektrycznej i ciepła

Wady:• wysoki koszt paliwa• niepewność dostaw paliwa (zmonopolizowany rynek dostawców)

Elektrownia wodna

Zalety:• brak zanieczyszczeń• brak emisji CO2• niskie koszty eksploatacji• zalew można wykorzystać do celów rekreacyjnych

Wady:• zależność od warunków pogodowych - w czasie suszy przy niskim poziomie wody praca

elektrowni musi zostać ograniczona lub wstrzymana• znaczne koszty inwestycyjne• konieczność zalania dużego obszaru w celu utworzenia zbiornika• negatywny wpływ na bioróżnorodność, zniszczenie naturalnych siedlisk zwierząt• zaburzenie szlaków wędrówek ryb (np. na tarło) - można ograniczyć stosując specjalne konstrukcje• ograniczona geograficzne; w Polsce istnieje potencjał do budowy hydroelektrowni,

jednak za mały by uzyskać znaczący udział w krajowej elektroenergetyce

Farma wiatrowa

Zalety:• niskie koszty eksploatacji • "darmowe" paliwo • brak zanieczyszczeń• brak emisji CO2

Wady:• bardzo wysokie koszty wytworzenia jednostki energii elektrycznej• bardzo niski współczynnik wykorzystania mocy - w polskich warunkach 17-22%, na morzu ok. 30% • konieczność budowania dodatkowych, stabilnych źródeł mocy w systemie,

które mogą być uruchomione w chwili gdy wiatr nie wieje • zajmowanie rozległych obszarów przy jednoczesnym generowaniu relatywnie niewielkich ilości energii elektrycznej • emisja uciążliwego hałasu na niskich częstotliwościach • relatywnie krótki okres eksploatacji - 20 lat

Kalix, Szwecja (paliwo zrębki drzewne)

Spalarnia biomasy

Zalety:• niskie koszty inwestycyjne • możliwa jednoczesna produkcja ciepła i energii elektrycznej • paliwem są rośliny nie nadające się do innych celów (z wyjątkiem drewna) • zagospodarowanie odpadów drzewnych (w przypadku spalania zrębków drzewnych)

Wady:• wysokie koszty eksploatacji • emisja CO2 • w przypadku gdy paliwem jest drewno - marnotrawienie cennego surowca • ograniczona ilość gruntów, które można przeznaczyć pod uprawę roślin energetycznych bez szkody

dla produkcji żywnościowej

Ogniwa fotowoltaiczne

Zalety:• niskie koszty eksploatacji • "darmowe" paliwo • brak zanieczyszczeń• brak emisji CO2

Wady:• bardzo niska sprawność (12-15%) • brak możliwości produkcji dużych ilości energii elektrycznej • zależność od warunków pogodowych i pory dnia • niski współczynnik wykorzystania mocy w polskich warunkach• produkcja paneli wymaga używania toksycznych metali ciężkich

• zajmują znaczny teren przy jednoczesnej małej produkcji energii

Elektrownia jądrowa

• niskie koszty produkcji energii• nie wydziela zanieczyszczeń• nie emituje CO2• może pracować w podstawie obciążenia sieci• wysoki współczynnik wykorzystania mocy zainstalowanej (ponad 90%)• można produkować jednocześnie energię elektryczną i ciepło do systemów centralnego ogrzewania miast• cena paliwa nie ma większego wpływu na całkowity koszt wytworzenia jednostki energii• zasoby paliwowe są praktycznie niewyczerpalne• na rynku paliwa panuje konkurencja (nie ma monopolu jednego producenta/dostawcy)• można gromadzić zapasy paliwa na wiele lat• długi okres eksploatacji elektrowni (60 lat)• Ilości odpadów są niewielkie, unieszkodliwiane i łatwo magazynowane, bez wpływu na środowisko• przyczynia się do rozwoju naukowego i postępu technicznego w wielu dziedzinach• generuje kilka tysięcy dobrze płatnych i atrakcyjnych miejsc pracy

• wysokie koszty inwestycji

13 stycznia 2009 Rząd RP podjął uchwałęo uruchomieniu w Polsce programu energetyki jądrowej.

Pierwsza elektrownia jądrowa ma być uruchomiona w Polsce w 2020 roku.

Kadry dla energetyki jądrowej

Praca w elektrowni jądrowej (przemyśle jądrowym) wymaga wysoko wykwalifikowanej kadrypo takich kierunkach studiów jak:

• fizyka (zwłaszcza specjalność: bezpieczeństwo jądrowe i ochrona radiologiczna) • elektrotechnika • energetyka (zwłaszcza specjalność: energetyka jądrowa) • elektroenergetyka • automatyka • elektronika • informatyka • chemia • ochrona środowiska

Nastawnia bloku nr 1 w EJ Olkiluoto, Finlandia. Młoda kadra uczy się obsługi bloku pod okiem doświadczonych kolegów. Przemysł jądrowy oferuje młodym ludziom ogromne możliwości, przede wszystkim wysokie zarobki i pracę w komfortowych warunkach

na odpowiedzialnych stanowiskach.

CBOS 9/2009

6.

Konkluzja,czyli co ja o tym myślę.

Nie da się ukryć, że potrzebujemy energii elektrycznej i to im wyższy standard życia tym więcej …

… owszem, można żyć i tak, ale chyba nie o to chodzi …

… nie bójmy się więc energetyki jądrowej.

Polecam strony internetowe poświęcone tematyce energetyki jądrowej:

www.atom.edu.pl

www.nuclear.pl

oraz książkę:

Andrzej Strupczewski

Nie bójmy się energetyki jądrowej!Stowarzyszenie Ekologów na Rzecz Energii Nuklearnej SEREN,

Warszawa, 2010

Dziękuję za uwagę