Oddelek za �ziko

Tritij kot jedrsko gorivo

Seminar

AVTOR: Anºe Jazbec

MENTOR: doc. dr. Andrej Trkov

SOMENTOR: dr. Luka Snoj

Ljubljana, 2012

Povzetek

Fuzija je jedrska reakcija, pri kateri se laºja jedra zlivajo v teºja. Ker se pri

tem spro²£a energija, bi lahko tak²en proces uporabili v komercialnih reaktorjih

za pridobivanje elektri£ne energije. Ker pa je ta tehnologija ²e v povojih, bo

potrebno narediti ²e veliko raziskav. Ena stopnica na tej poti bo tudi raziskovalni

fuzijski reaktor ITER. Tam se bodo zlivala jedra devterija in tritija. Devterij je

razmeroma lahko dostopen, tritija pa na Zemlji prakti£no ni. V seminarju so

opisani na£ini, kako danes pridobivamo tritij ter kako ga porabljamo. Na koncu

je predstavljena ²e primerjava fuzijske energije z nekaterimi ostalimi viri energije.

Kazalo

1 Uvod 2

2 Fuzija 2

2.1 ITER in JET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.2 Tritij in ITER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

3 Tritij 8

3.1 Nastanek tritija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

3.2 Proizvodnja tritija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3.3 Ekstrakcija tritija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3.4 Uporaba tritija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

4 Fuzija kot vir energije 12

5 Zaklju£ki 13

Literatura 13

1

1 Uvod

Devterij in tritij se bosta uporabljala kot gorivo v bodo£ih fuzijskih reaktorjih.Devterij lahko najdemo v naravi, tritija pa prakti£no ni, ker je radioaktiven in imarazpolovno dobo pribliºno 12 let. V fuzijskih elektrarnah bodo tritij pridobivali vlitijevih oblogah reaktorja. Eksperimentalni fuzijski reaktorji pa bodo morali tritijdobiti od drugod, najverjetneje iz klasi£nih cepitvenih jedrskih reaktorjev [1].

Namen seminarja je predstvaiti tritij kot jedrsko gorivo v fuzijskih reaktorjih ter raz-iskati, kako se ga pridobiva, kako nastaja, koliko se ga pridela in zakaj vse se uporablja.V prvem delu seminarja si bomo ogledali fuzijo kot eno od moºnostih za pridobvanjeenrgije v prihodnosti. V nadaljevanju si bomo pogledali obstoje£e in prihodnje fuzijskereaktorje ter njihove potrebe po T. Opisali bomo nastanek tritija na zemlji ter si po-gledali njegovo proizvodnjo in uporabo. Na koncu seminarja sledi pogled v prihodnostin opis proizvodnje tritija v fuzijskih reaktorjih in analiza zalog fuzijskega goriva gledena dana²nje in prihodnje potrebe po energiji.

2 Fuzija

Jedrska reakcija, kjer je masa kon£nih produktov manj²a kot masa za£etnih pro-duktov, je eksotermna reakcija. Koli£ina spro²£ene energije je sorazmerna razliki mas.

W = (∑i

mi −∑f

mf )c2, (1)

kjer £rki i in f ozna£ujeta vhodne in izhodne produkte. Eksotermne reakcije lahkoprepoznamo, £e upo²tevamo mase in vezavne energije vseh za£etnih in kon£nih jeder.Masa m jedra z atomskim ²tevilom Z in masnim ²tevilom A se razlikuje od vsotemas protonov - Zmp in nevtronov - (A − Z)mn. �e to razliko v masi pomnoºimo skvadratom svetlobne hitrosti, dobimo vezavno energijo jedra:

Wvez = (Zmp + (A− Z)mn −m)c2 = ∆mc2 (2)

Zaradi razli£no velikih jeder je smiselno de�nirati povpre£no vezavno energijo nanukleon Wvez/A, ki je narisana na sliki 1.

Wvez/A je za vodik enaka 0, nato pa raste z A in doseºe maksimum 8.7MeV priA = 56. Potem se pri£ne rahlo spu²£ati in je za najteºje atome enaka 7.5MeV. Zlivalase bodo le laºja jedra, kot so vodik, devterij, tritij in helij.

�e ºelimo, da se bosta dve pozitivno nabiti jedri zlili skupaj, morata premagatiCoulombovo silo. Ko se jedri dovolj pribliºata, na razdaljo manj²o kot radij atoma,za£utita privla£no jedrsko silo. Da atom preide Coulombovo bariero, ni potrebno,da ima vi²jo energijo, le dovolj veliko, da lahko tunelira skozi. Fuzijski presek, ki jesorazmeren verjetnosti, da se bosta jedri zlili skupaj [2], zapi²emo kot:

2

Slika 1: Vezavna energija na nukleon v odvisnosti od masnega ²tevila [2].

σ(E) =S(E)

Eexp−

√EG/E. (3)

Kjer je S(E) astro�zikalni S faktor, exp−√EG/E pa Gamow faktor, odvisen od

energije, vrstnega ²tevila in reducirane mase obeh jeder. V tabeli 1 so zbrane tipi£nefuzijske reakcije, spro²£ene energije na reakcijo, fuzijski presek σmax in teºi²£ni energijiobeh delcev pri kateri je presek najve£ji. Podobno je prikazano tudi na sliki 2.

Tabela 1: Reakcije in spro²£ena energija, ter maksimalen fuzijski presek pri energijiEmax.

Reakcija Spro²£ena energija [MeV] σmax [b] Emax [keV]D+ T −−→ α+ n 17.59 5.0 64

D+D −−→ T+ p 4.04 0.096 1250

D+D −−→ 3He+ n 3.27 0.11 1750

T+ T −−→ α+ 2 n 11.33 0.16 1000

D+ 3He −−→ α+ p 18.35 0.9 250

p+ 6Li −−→ α+ 3He 4.02 0.22 1500

p+ 11B −−→ 3α 8.68 1.2 550

p+ 12C −−→ 13N+ γ 1.94 1.0× 10−4 400

DT reakcija ima najve£ji fuzijski presek pri relativno nizki energiji 64 keV. Oddanaenergija 17.6MeV je skoraj najve£ja v tej druºini reakcij. Zaradi obeh razlogov je tareakcija najperspektivnej²a za uporabo v bodo£ih fuzijskih reaktorjih.

3

Slika 2: Fuzijski presek v odvisnosti od energije v teºi²£nem sistemu [2].

2.1 ITER in JET

Trenutno najve£ji in najmo£nej²i fuzijski reaktor je tokamak JET (The Joint Euro-pean Torus) (slika 3). Deluje ºe od leta 1983. Zgrajen je bil predvsem za preu£evanjepalzme in njenega obna²anja v pogojih, kakr²ni bodo v fuzijskem reaktorju. JET jeleta 1997 pr izlivanju devterija in tritija proizvedel kar 16 MW fuzijske mo£i v pulzu, kije trajal nekaj sekund. S tem je demonstriral, da je v tokamaku mogo£e dose£i pogojeza zlivanje D in T. Trenutno JET sluºi kot osnova in pomo£ pri izgradnji reaktorjaITER, ki bo najve£ja fuzijska naprava na svetu in bo proizvedel pribliºno 500 MWfuzijske mo£i [3].

V JET ustvarajajo plazmo iz razli£nih iztopv vodika in helija, a je edini reaktor, vkaterem lako poteka tudi zlivanje D in T. Tudi v ITRU in predvidoma vseh kasnej²ifuzijskih reaktorji bodo zlivali jedra devterija in tritija. Kot pri vsakem viru energijeso tudi pri fuziji pomembne zaloge goriva.

Devterij lahko destiliramo iz vode v vseh agregatnih stanjih. Je lahko dostopen,ne²kodljiv in prakti£no neskon£en vir. V vsakem litru morske vode je 33mg devterija.Danes se ga pridobiva predvsem za namene znanosti in industrije. Druga£e pa bos tritijem. ITER bo za obratovanje potreboval zunanji vir tritija, kasnej²i fuzijskireaktorji pa bodo morali tritij proizvajt kar sami.

D+ T −→ α + n

Pri DT fuziji se spro²£ajo nevtroni in helijeva jedra. Helijevo jedro ali alfa delecodnese 3.5MeV nevtron pa 14.1MeV. Ker so nevtroni nevtralni, lahko pobegnejo iz

4

Slika 3: Notranjost pred in med obratovanjem JET-a, ki je trenutno najve£ji tokamak.Prostornina plazme v reaktorju ITER bo osemkrat ve£ja [1].

plazme, ki je ujeta v magnetno polje tokamaka. Ker se absorbirajo v steni reaktorja,se ta greje, posledi£no segreva hladilo v steni. Nevtron se lahko absorbira tudi v litiju,ki bo prisoten v oblogi kot oplodni material. Pri tem nastaneta 4He in tritij, ki se boporabil kot gorivo. Ker pa se vsak spro²£en nevtron ne bo absorbiral v litiju in tvorilT, bo nevtrone potrebno pomnoºevati. Zato je na£rtovanje in izdelava t.i. oplodneobloge izjemno pomembna in zahtevna naloga.

Alfa delci oziroma helijeva jedra niso nevtralna. Preden jih odstranimo iz plazme,trkajo v devterijeva ter tritijeva jedra in tako segrevajo plazmo. Ker helijeva jedraodnesejo le petino pri fuziji nastale energije, mora reaktor proizvajati petkrat ve£energije, kot jo potrebuje za zlivanje jeder, da je reakcija samovzdrºevalna - zunanjesegrevanje ni ve£ potrebno [4].

V reaktorju lahko proizvajamo tritij nedolo£en £as. Ko je enkrat vzpostavljenareakcija, samovzdrºevana fuzijska reakcija, je potrebno v plazmo le dovajati gorivo, tosta D in T, ki ga pridoivamo iz Li v oblogi reaktorja. Tako D kot Li sta oba razmeromalahko dostopna. Prave fuzijske elektrarne, ki bodo proizvajale energijo, bodo ves tritijnaredile same. ITER (slika 4) bo demonstriral, da lahko plazmo zadrºujemo dovoljdolgo £asa in pri dovolj veliki mo£i, da lahko naredimo fuzijsko elektrarno. ITRU bosledil DEMO, katerega naloga bo demonstrirati, da lahko proizvede dovolj T za lastnepotrebe ter seveda elektrike za dlje £asa.

Fuzijska goriva (D in Li) so ne le lahko dostopna, pa£ pa tudi varna. V vsakem

5

Slika 4: Pre£ni prerez raziskovalnega fuzijskega reaktorja ITER [1].

trenutku obratovanja, je v reaktorju le nekaj gramov devterija in tritija. Fuzijska reak-cija odda pribliºno ²tiri milijonkrat ve£ energije na enoto mase kot kemijska reakcija.1000MW termoelektrarna potrebuje 2.7 milijonov ton premoga na leto. Fuzijska elek-trarna enake tmo£i pa bi potrebovala le 250 kilogramov goriva (D in T) na leto. Polegtega fuzijska elektrarna nebi proizvedla ni£ toplogrednih plinov. Edini produkt je helij,ki je nestrupen in neradioaktiven. Prav tako se v plazmi ne more zgoditi nenadzoro-vana veriºna reakcija, ki bi povzro£ila, da se temperatura pri£ne nenadzorovano vi²ati.�e bi se pogoji v reaktorju le malo spremenili, bi se plazma v nekaj sekundah ohladilain reaktor bi se ustavil. Fuzija proizvede veliko energije, pri tem pa zelo malo obre-menjuje okolje in posledi£no prihodnje generacije [1]. V nadaljevanju si bomo ogledalipotrebe fuzijskih reaktorjev po T ter od kod bomo dobili potreben T.

2.2 Tritij in ITER

ITER bo raziskovalni fuzijski reaktor. Za delovanje bo potreboval zunanji vir tritija.Zdaj²nje ocene kaºejo, da bo celoten program ITER skoraj izpraznil vse svetovne zalogetritija. Kanada letno proizvede 1.5 kg tritija [5]. Tako bo ostalo ²e do leta 2025, natopa bo zmanj²ala koli£ino na 0.2 kg na leto. Severna Koreja od leta 2006 pridela 0.4 kg

tritija letno, ki ga shrani med svetovne zaloge in ga bo pridelovala vse do leta 2040 [5].Vsako leto se porabi ²e pribliºno 0.1 kg tritija za namene, ki niso povezani s fuzijo [5].Upo²tevati je potrebno ²e razpolovno dobo tritija. Vsako leto ga 5.5% razpade v helij

6

(slika 5).

2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045-5

0

5

10

15

20

25

30

35

Mas

a T

[kg]

Leto

Zaloge Poraba Zaloge - ITER

Slika 5: Koli£ine trtija namenjenega za komercialno uporabo in poraba tega v razisko-valnem fuzijskem reaktorju ITER [5].

Ob za£etku delovanja fuzijskega reaktorja ITER, si bodo v prvih treh letih obra-tovanja naredili zalogo 2 kg tritija. Nato bodo naslednjih 5 let porabo tritija linearnopove£evali do porabe 1.08 kg tritija na leto. Potem eno leto ne bodo porabili ni£ tri-tija zaradi vzdrºevalnih del na reaktorju. Sledil bo cikel desetih let, vsako leto bodoporabili predvidoma 1.43 kg tritja. Ko bo projekt zaklju£en, bo ostal 1 kg tritija, ki sega bo vrnilo nazaj med svetovne zaloge [5].

Za ITER pri£akujejo, da bo v enem pulzu dosegel fuzijsko mo£ okoli 500MW,plazma pa naj bi gorela 400 sekund ali ve£. Mo£, ki bo potrebna za zagon reaktorja, bo50MW. �tevilo pulzov reaktorja ITER, pri porabi 1.43 kg tritija vsako leto, izra£unamona slede£ na£in: ²tevilo tritijevih jeder zna²a

N =mNA

M, (4)

kjer je m masa tritija, NA je avogadrova konstanta, M pa molska masa tritija, kizna²a 3.016 g/mol. �e predpostavimo, da se zgodi enako ²tevilo reakcij DT, kot je²tevilo tritijevih atomov, in se pri vsaki reakciji sprosti 17.6MeV energije, je celotnakoli£ina energije 2.24× 1011 Wh. �tevilko delimo z mo£jo reaktorja 500MW in £asom400 s = 0.11 h in dobimo, da na leto lahko naredjo okoli 4000 obratovalnih pulzov,oziroma 11 pulzov na dan. Pri vsakem pulzu se porabi pribliºno 360µg tritija.

7

3 Tritij

Tritij je edini naraven radioaktiven izotop vodika. Njegovo jedro je sestavljeno izenega protona ter dveh nevtronov. Naravni vodik vsebuje 99.98% atomov obi£ajnegavodika 1H, 0.02% atomov devterija in 10−16 % atomov tritija [6]. Najbolj pogostaoblika tritija je plin. Vezan je na navaden vodik � HT. Pogosto se nahaja tudi v oblikioksida, ki ga lahko imenujemo tritiarna voda � HTO. Kemijske lastnosti tritija soprakti£no enake tistim, ki jih ima navaden vodik [6].

Razpolovna doba tritija je 12.32 leta [7]. Razpada z razpadom beta v 3He:

31T −→ 3

2He+ e� + ν̄e.

Pri tem se sprosti 18.6 keV energije. Kineti£na energija elektrona je v povpre£ju5.7 keV, preostalo energijo pa �odnese� elektronski antinevtrino. Doseg elektronov vzraku je le nekaj mm, zaustavi pa jih ºe tanka plast Al folijo, zato T ni nevaren sstali²£a zunanjega obsevanja. Nevaren pa je lahko, £e pride v telo. V na²em telesu jenato v obliki tritiarne vode, ta pa se obna²a enako kot navadna voda. Hitro se preseliiz plju£ oziroma prebavne cevi v krvni obtok. Tritij se lahko absorbira v na²e teloskozi povrhnjico koºe. Ne glede na to, kako je tritij pri²el v na²e telo, je ta po dvehurah enakomerno porazdeljen po celem telesu. Majhen deleº tritija zamenja vodikoveatome na organskih molekulah. Se pa tako kot voda tudi tritij hitro izlo£i. Njegovabiolo²ka razpolovna doba je pribliºno 10 dni [6].

3.1 Nastanek tritija

Tritij v naravi nastaja, ko kozmi£ni ºarki interagirajo s plini v atmosferi, naprimerz du²ikom:

14N+ n −→ 3T+ 12C.

Potem se kot deº (HTO) spusti na zemljo. Vendar pa je prisoten v zelo majhnihkoli£inah. V naravnem ravnovesju ga je na celotni Zemlji le ²tiri kilograme [8]. �epribliºno petkrat toliko ga je zaradi testiranj jedrskega oroºja v sredini prej²njega sto-letja [6]. Med eksplozijo atomske bombe se sprosti 4 ·1010Bq/kt tritija, med eksplozijovodikove bombe pa kar 7 ·1014 Bq/kt tritija. V ²estdesetih letih je bila celotna koli£inatritija na Zemlji pribliºno 600 kg [8]. To potrjujejo tudi meritve, ki jih opravljajo naDunaju (slika 6). 1TU (enota tritija) = 0.118Bq/L vode (= 3.19 pCi/L).

Tritij nastaja tudi v jedrskih reaktorjih. Kopi£i se v obliki tritiarne vode. Izpustiso v obliki teko£ine, vodne pare ali pa kar v obliki plina. Najpomembnej²i mehanizemnastajanja tritija je ternarna cepitev. Jedro 235U se cepi na tri razcepke, od katerihje eden T. Direktno iz 238U nastane malo tritija, le eno jedro T na 10000 �sij. Ve£inatritija, nastalega s cepitvijo urana, ostane v gorivnih palicah. Le okoli 10% ga difundira

8

Slika 6: Koli£ina izmerjenega tritija v vodi [9].

skozi cirkonijevo gorivno sraj£ko v primarno hladilo reaktorja. Tritij nastaja tudi vhladilu, in sicer iz bora in litija. Z borom raztopljenim v vodi se uravnava absorpcijanevtronov [10]. Litij je prisoten v hladilu, ker se z njim (LiOH) uravnava pH vode [11].Doprinos tritija zaradi reakcije na devteriju je zanemarljiv [12].

10B+ n −→ 2 4He+ 3T

10B+ n −→ 4He+ 7Li

63Li + n −→ 4

2He +31T (5)

73Li + n −→ 4

2He +31T + n. (6)

Tritij, ki se nahaja v hladilnem sredstvu pa predstavlja pribliºno dve tretjini vsegatritija v reaktorju [11].

Reaktor v Kr²kem je lahkovodni. Tritij, ki nastane med obratovanjem nuklearke,nadzorovano spu²£ajo v okolje. V letu 2010 je bila aktivnost izpu²£enega tritija enaka21.2TBq, kar ustreza 59.4mg tritija [10].

Tritij nastaja tudi v teºkovodnih reaktorjih, predvsem preko absorpcije nevtronovv teºki vodi.

2D+ n −→ 3T+ γ

Tritij se kopi£i v moderatorju. Tukaj ga ne spu²£ajo v okolje, kot se to dogajapri lahkovodnih reaktorjih. V okolje ga pride le 1%, ker uide skozi prezra£evalnisistem. Ker pa je nakopi£en tritij lahko nevaren za tamkaj²nje delavce, obstaja vKanadi poseben obrat, ki kemi£no odstranjuje tritij iz teºke vode. To storijo v dveh

9

korakih. Najprej uparijo hladilno sredstvo in s pomo£jo katalizatorjev odstranijo tritij vobliki vodne pare. Nato s pomo£jo kriogenske destilacije izlo£ijo tritiarno vodo (tak²nadestilacija se uporablja tudi za pridobivanje du²ika). Letno lahko pre£istijo 2500 ton

teºke vode in dobijo 2.5 kg tritija z manj kot 2% ne£isto£. Vendar pa je dejanskaproizvodnja nekoliko manj²a, tako da vsako leto pridobijo 1.5 kg tritija [5]. Pridobljentritij ni namenjen voja²ki uporabi, pa£ pa ga trºijo po celem svetu za komercialnouporabo. Podoben obrat imajo ²e v Rusiji [8]. Trenutna cena tritija, pridelanega vKanadi, je pribliºno $30,000 na gram.

3.2 Proizvodnja tritija

Ker v naravi nastane premalo tritija, da bi ga lahko pridobivali neposredno iz okolja,ga moramo umetno proizvajati. Obstajata vsaj dva na£ina pridobivanja tritija [13].Pri prvem z nevtroni obstreljujemo zlitino iz litija in aluminija. Nevtroni reagirajo zlitijem in nastaja tritij ter ²e nekateri stranski produkti (ena£bi 5 in 6).

�e ho£emo u£inkovito proizvajati tritij iz 6Li, moramo tega obstreljevati s termi£-nimi nevtroni, saj ima v tem energijskem obmo£ju reakcija najve£ji presek (slika 7). �epa ºelimo proizvajati tritij iz 7Li, bo produkcija uspe²na le ob uporabi hitrih nevtronov,saj je reakcija pragovna.

1E-5 1E-3 0,1 10 1000 100000 1E71E-3

0,01

0,1

1

10

100

1000

10000

100000

Pre

sek

[b]

Energija [eV]

6Li 7Li

Slika 7: Mikroskopski reakcijski presek za nastanek tritija 6Li in 7Li v odvisnosti odenergije vpadnega nevtrona [7].

Pri drugem na£inu pridobivanja tritija z nevtroni obstreljujemo 3He. Tako nastajatatritij in vodik.

10

32He+ n −→ 3

1T+ 11H

Pri obeh na£inih proizvodnje potrebujemo nevtrone. Te lahko pridobimo v pospe-²evalnikih ali pa v reaktorjih. V pospe²evalniku trkamo nabite delce v tar£o iz teºkekovine (na primer protone trkamo v tar£o iz volframa), kjer izbijejo nevtrone in pro-tone. Ti nevtroni in protoni spet izbijajo nevtrone, tako dobimo �kaskadno reakcijo�in nevtrone porabimo za proizvajanje tritija. V reaktorju pa potrebujemo nevtrone zacepljenje urana. Pri cepitvi nastajajo novi nevtroni. Pojavi se veriºna reakcija, vendarse ne porabijo vsi nevtroni za nadaljnje cepljenje urana. Nekaj jih porabimo za trkanjez litijem in posledi£no proizvodnjo tritija.

Na sliki 7 vidimo, da je presek za nastanek iz 6Li veliko ve£ji, kot pa presek na 7Li.Ker pa naravni litij vsebuje le 7.59% 6Li, je proces u£inkovitej²i, £e uporabimo obo-gaten litij. Zdruºene drºave Amerike so od leta 1954 do leta 1963 proizvedle 442.4 tonobogatenega litija. Med drugim je bil namenjen tudi za produkcijo tritija.

Proces se pri£ne z naravnim litijem, ki vsebuje pribliºno 7.5% 6Li. Preostanek je7Li. Obogaten litij je vseboval 40%, 60% in 95.5% 6Li. V preostalem, osiroma²enemlitiju je bil deleº 6Li med 1 in 4%.

V ZDA so tritij pridobilvali iz Li v jedrskih reaktorjih, in sicer tako, da so soobi£ajne kontrolne palice iz bora ali kadmija zamenjali za palice iz obogatenega litijain tako proizvajali tritij [13]. Koli£ina vsega pridelanega tritija v Ameriki od leta 1955naprej je 179 kg [14]. Ker pa tritij stalno razpada, so bile zaloge leta 1984 ocenjenena 79 ± 25 kg. Leta 1988 so ustavili ²e zadnji ameri²ki reaktor, ki je bil namenjenproizvodnji tritija. Po koncu hladne vojne so ZDA ocenile, da imajo dovolj velikezaloge tritija za obnavljanje bojnih konic. Ker tritij v njih razpada, ga morajo vsakoleto dodajati. Zadnje £ase se zaloge tritija za voja²ke namene hitro praznijo, tako daameri²ka vlada ponovno razmi²lja o izgradnji reaktorja, kjer bi se pridelovalo tritij [13].

3.3 Ekstrakcija tritija

Tritij se bo v fuzijskih reaktorjih pridobival iz obloge, ki bo najverjetneje iz LiAlO2

in LiAl5O8 [15]. V laboratoriju so na vzorcih iz enakih zlitin opravili vrsto eksperimen-tov, kot je to opisano v [15] in [16]. Vzorce litijevega aluminata se najprej obseva vreaktorju. Tritij difundira iz njih, ko le-te izpostavimo argonu oziroma heliju. Ekstrak-cijo lahko pospe²imo tako, da ºlahtnemu plinu dodamo majhno koncentracijo vodika,vse skupaj pa segrejemo na temperaturo okoli 600◦C. Tritij se tako izlo£i v plinastiobliki kot HTO in T2O. Eksperimente so izvajali tako v reaktorju kot tudi zunajreaktorja.

3.4 Uporaba tritija

Tritij se uporablja tudi v vsakdanjem ºivljenju za samosvetle£e naprave, kot sosvetle£e ²tevil£nice ro£nih ur, oznaevalniki zasilnih izhodov in celo lu£i na pristajalnih

11

stezah letali²£. Vsaka lu£ na letali²£u vsebuje med 1 in 6TBq tritija (do 1.6mg T),kar pomeni da porabimo tudi do 4 · 1015 Bq tritija na celotno pristajalno stezo. Mejnavrednost kontaminacije gradbenega materiala, £e je v njem prisoten tritij, je v Sloveniji0.74TBq/m3 [17]. Tritij se uporablja tudi za raziskave na podro£ju fuzijske �zike, terkot sledilec v biolo²kih in farmacevtskih raziskavah. Celotna komercialna uporabatritija sredi devetdesetih let je bila ocenjena na 400 g letno in je vsako leto manj²a. Zaprimerjavo, ga je samo ameri²ka vojska takrat porabila 2200 g vsako leto [18], da jeposodobila vse bojne jedrske konice. Trenutna svetovna poraba tritija je ocenjena na100 g na leto.

Tritij se uporablja tudi kot prehodni marker v oceanih. Ker je koli£ina tritija skoko-vito narasla zaradi jedrskih testov, tritija prej prakti£no ni bilo v morjih. Z meritvamivsebnosti tritija lahko hitro ugotovimo, kako kroºijo vodne mase. �e najdemo vodnemase z vsebnostjo enega tritijevega atoma na 1018 atomov vode (naravna koncentra-cija tritija), lahko sklepamo da izbran vzorec vode od leta 1960 ²e ni pri²el v stik zatmosfero [19].

V bliºnji prihodnosti se bo pojavil ²e en velik porabnik tritija. To bo ºe prejomenjeni raziskovalni fuzijski reaktor ITER.

4 Fuzija kot vir energije

Najprej se je potrebno vpra²ati, ali res potrebujemo fuzijsko energijo, £e pa je naZemlji ²e dovolj drugih virov. Znane svetovne zaloge premoga so ocenjene na 1600Gt

[20]. �e vemo, da povpre£en Angleº porabi ve£ kot 100 kWh energije vsak dan in jena svetu 7 milijard prebivalcev, bi premog zado²£eval za manj kot 20 let. Hitro nampostane jasno, da potrebujemo ²e druga£ne vire energije.

Sonce sveti na Zemljo v letnem povpre£ju z mo£jo 110W/m3 [20]. �e bi vsakZemljan postavil 10m2 son£nih celic, ki imajo izkoristek 20%, dobimo vsak dan 5 kWh

elektri£ne energije na prebivalca. �e bi ºeleli v Sloveniji ºiveti izklju£no od son£neenergije, bi bilo potrebno pokriti skoraj 5% drºave s son£nimi celicami, ki bi imele10% izkoristek. Izkoristek je manj²i ob predpostavki, da bi ²lo za masovno proizvodnjoson£nih celic. Potrebno se je zavedati, da bi tak²ne son£ne elektrarne kon£ale naprisojnih pobo£jih, kjer imajo danes kmetje zemljo za pridelavo hrane.

Koliko £asa pa bi se lahko oskrbovali s fuzijsko energijo. Zanimivi sta dve fuzijskireakciji, DT reakcija in DD reakcija. DT reakcija zaenkrat zgleda bolj perspektivna,saj poteka ºe pri temperaturi 100milijonov ◦C. Za DD reakcijo bi potrebovali tem-perature vsaj 300milijonov ◦C. Za primerjavo lahko omenimo, da je temperatura vsoncu 15milijonov ◦C, le da je tam tlak veliko ve£ji, zato se lahko jedra zlivajo pri tako�nizkih� temperaturah.

�Klasi£ni� fuzijski DT reaktorji bodo ostali brez goriva, ko bo na Zemlji zmanjkalolitija. Do takrat bo verjetno ºe razvita tehnologija fuzijskih reaktorjev, ki bodo delovali

12

samo na devterij. Pa ocenimo, koliko energije lahko proizvedemo v fuzijskih reaktorjih.Svetovne zaloge litija v rudah so ocenjene na 9.5 milijonov ton. �e bi vse zaloge

uporabili za namene fuzijskih elektrarn, bi v naslednjih 1000 letih proizvedli 10 kWh/d

energije na osebo. Litij se nahaja tudi v morski vodi. Tam je koncentracija litijaocenjena na 0.17 ppm. Da bi proizvajali litij iz morske vode s hitrostjo 100 milijonovkg na leto, bi potrebovali 2.5 kWh energije na gram pridobljenega litija. Fuzijskeelektrarne iz enega grama litija proizvedejo 2300 kWh energije, tako da bi bila netoproizvedena energija 105 kWh/d na osebo, ob predpostavki, da na svetu ºivi 6 milijardljudi. Tako bi litij iz oceanov zagotavljal energijo za ve£ kot milijon let. Trenutnapovpre£na poraba energije v Veliki Britaniji je 125 kWh/d na prebivalca.

Kaj pa potem, ko bo zmanjkalo litija? Ostane nam ²e devterij. �e delamo fuzijo izenega grama devterija, pri tem nastane kar 100000 kWh energije. �e na hitro ocenimo,da je masa oceanov pribliºno 230 milijonov ton na osebo, lahko ugotovimo; £e bi bilona svetu 60 milijard ljudi in bi vsak porabil 100 krat ve£ energije kot danes, bi bili zelektri£no energijo proizvedeno v fuzijskih reaktorjih priskrbljeni za naslednjih milijonlet [20].

5 Zaklju£ki

Svetovna poraba energije se neprestano ve£a, zaloge fosilnih goriv, iz katerih danespridobimo ve£ji del energije, pa so omejene. Nekateri stavijo na obnovljive vire, aanalize kaºejo [20], da je z obnovljivimi viri energije prakti£no nemogo£e zadostitiobstoje£im potrebam povpre£nega prebivalca EU po energiji. Veliko znanstvenikovpa si je enotnih, da bodo fuzijski reaktorji elektrarne prihodnosti. Zaenkrat je bilodokazano, da lahko naredimo fuzijo tudi na Zemlji, vendar ²e ni bilo take, ki bilaenergetsko u£inkovita. To je tak²na, ki bi proizvedla ve£ energije, kot jo je potrebnodovetsi za ustvarjanje pogojev za fuzijo. Prav to bodo sku²ali narediti v raziskovalnemfuzijskem reaktorju ITER, za to pa bodo potrebovali devterij in tritij. Devterij jerazmeroma lahko dostopen, zaplete se pa pri tritiju. Na svetu ga je zelo malo, njegovopridobivanje pa je zapleteno, a je klju£nega pomena za projekt ITER. Ta bo porabilvelik deleº svetovne zaloge tritija, a £e se bo pokazalo, da je mogo£e tritij pridobivatiznotraj reaktorja iz litijeve obloge, zunanjih zalog ne bomo ve£ potrebovali za prihodnjefuzijske reaktorje. Tam se bosta kot gorivo uporabljala le ²e litij in devterij.

Literatura

[1] ITER - the way to new energy: http://www.iter.org/ (21.11.2011).

[2] S. Atzeni, J. Meyer-ter-Vehn. (2004). Nuclear fusion reactions, The Physics of Inertial Fusion.University of Oxford Press. ISBN 978-0-19-856264-1.

13

[3] JET's Main Features: http://www.efda.org/jet/jet%E2%80%99s-main-features(29.1.2012).

[4] Heating the plasma: http://www.jet.efda.org/fusion-basics/heating-the-plasma/(24.11.2011).

[5] Sawan Mohamed. (2008) Tritium Breeding Requirement in Next Step Fusion Nuclear Facility(FNF), FNST Meeting at UCLA:http://fti.neep.wisc.edu/presentations/mes_tritium_fnst0809.pdf.

[6] Tritium (Hydrogen-3): http://www.ead.anl.gov/pub/doc/tritium.pdf(10.11.2011).

[7] Janis 3.2 Java-based Nuclear Data Display ProgramInternetna stran: http://www.oecd-nea.org/janis/ (4.11.2011).

[8] Canadian Nuclear FAQ: http://www.nuclearfaq.ca/cnf_sectionD.htm#x5(4.11.2011).

[9] Tritium in atmosphere:http://www-naweb.iaea.org/napc/ih/documents/global_cycle/vol%20II/cht_ii_05.pdf(17.11.2011).

[10] Nuklearna elektrarna Kr²ko: http://www.nek.si/sl/ (4.11.2011).

[11] Brief description of nuclear power reactor systems and primary coolant chemistry:http://www.nap.edu/openbook.php?record_id=9263&page=1 (17.11.2011).

[12] S. �avli, (2006) Teko£inski izpusti tritija iz Nuklearne elektrarne Kr²ko, Revizija 2, URSJV/DP� 095/2006.

[13] Rowberg E. Richard. (2001) The Department of Energy's Tritium Production Program, Con-gressional Research Service.http://www.policyarchive.org/handle/10207/bitstreams/991.pdf.

[14] Tritium Inventory: http://docs.nrdc.org/nuclear/�les/nuc_87010103d_65c.pdf(18.11.2011).

[15] Briec M. idr. (1986) In and out-of-pile tritium extraction from samples of lithium aluminates, vJournal of Nuclear Materials 141 - 143, str. 357.

[16] Brbreitung W. idr. (1988) Out-of-pile tritium extraction from lithium silicate, v Journal of Nu-clear Materials 155 - 157, str. 507.

[17] Uredba o mejnih dozah, radioaktivni kontaminaciji in intervencijskih nivojih (Ur.l. RS, ²t.49/2004).

[18] Kalinowski B. Martin, Colschenb C. Lars. (1995) International Control of Tritium to PreventHorizontal Proliferation and to Foster Nuclear Disarmament, Science & Global Security, 5. str131-203.

[19] Transient Tracers Track Ocean Cimate Signals:http://www.whoi.edu/oceanus/viewArticle.do?id=2330 (18.11.2011).

[20] David JC MacKay. (2009) Susatinable Energy - Without the hot air, Cambridge, England, ISBN978-0-9544529-3-3.

14