energie z jádra

Úvod do moderní fyziky
lekce 5 – energie z jádra
elektrony vs. nukleony
• elektron – vázán v atomu coulombovskou silou – energie
k odtržení pouze několik eV
• nukleon – vázán v jádře silnou jadernou silou – energie
pro jejich odtržení milióny eV
• z 1kg uranu můžeme získat milionkrát více energie než z 1
kg uhlí
jaderné štěpení
• 30. léta E. Fermi – při ostřelování různých prvků
neutrony vznikají nové radioaktivní prvky
• neutrony nemají náboj, vhodné ke štepení
(i tepelné o pokojové teplotě 0.04 eV)
• L. Meitnerová, O. Hahn, F. Strassmann –
ostřelování uranu
obr.: závislost výtěžku
fragmentů uranu 235U na
nukleonovém čísle
rozpadové řady po štěpení uranu
• uran se štepí na vysoce nestabilní fragmenty s podílem
neutronů/protonů 1.6 (stabilní nuklidy mají poměr 1.31.4), proto dále prodělají několik beta rozpadů (při nich
přeměna neutronu na proton)
model jaderného štěpení
• navrhli Niels Bohr a John Wheeler na základě
kolektivního (kapkového) modelu jádra
parametr deformace – mírou
toho, jak moc se jádro odchýlilo
od kulového tvaru
Eb- výška potenciálové bariéry
Q – energie reakce
schopnost štěpení
• En<Eb (excitační energie na základě Bohr-Wheelerova modelu <
výška potenciálové bariéry na základě porovnání hmotností
produktů) tepelný neutron nedodá dostatečnou excitační energii na
překonání bariéry nebo účinné tunelování potenciálovou bariérou
(neutron s větší energií může energii dodat)
• místo štěpení jádra se excitační energie uvolní ve formě fotonu
gama záření
účinný průřez – vysvětlení pojmu
• je mírou pravděpodobnosti
reakce (interakce)
• jeho rozměr je udáván v cm2 (m2)
1 barn = 10-28 m2
• absorpční koeficient
(makroskopický účinný průřez)
• střední volná dráha
(střední vzdálenost, kterou urazí
částice v materiálu před interakcí)
účinný průřez (reakce, absorpce, ...)
účinný průřez pro záchyt protonů
a neutronů v jádře
• proton musí překonat
coulombovskou
potenciálovou bariéru
• pravděpodobnost
záchytu neutronu
závisí na době, kterou
se vyskytuje poblíž
jádra
řetězová reakce
• každý neutron uvolněný při jaderné reakci má
možnost spustit další štěpení 235U
• v jaderném reaktoru je nutné překonat
• problém úniku neutronů - je to povrchový jev úměrný kvadrátu
rozměru paliva, počet neutronů je úměrný třetí mocnině
• problém energie neutronů - neutrony o energii 2 MeV nutno zpomalit
moderátorem, často voda, protože při srážce s vodíkovými atomy (o
podobné hmotnosti) jim předá neutron téměř veškerou energii
• problém záchytu neutronů – při zpomalení na energie 1-100 eV velká
pravděpodobnost jejich zachycení jádry 238U, rezonanční záchyt
vedoucí k emisi gama záření – aby byla menší pravděpodobnost, palivo
a moderátor jsou v reaktoru rozmístěny tak, že zaujímají rozdílné
oblasti v objemu reaktoru
bilance neutronů v reaktoru
• násobící faktor k – poměr nové generace neutronů vůči předchozí
generaci
• reaktor konstruován na k>1, regulace řídícími tyčemi (nadkritický k>1 vs.
podkritický k<1 režim)
Jaderné elektrárny s tlakovodním reaktorem
schéma tlakovodního reaktoru
přírodní jaderný reaktor
• 1972 – při kontrole zjištěno, že ruda v dolu Oklo v
Gabonu má jiné izotopové složení, pouze 0.4% U235,
podezření na manipulaci se štěpným materiálem
• vysvětlení: štěpení U235 před 2 mld. let, kdy
zastoupení U235 bylo 3.7%, moderátorem byla
podzemní voda, která se při přílišném zahřátí
odpařovala a tím reakci zastavovala
(NH4)2U2O7* n H2O diuranát amonný
v případě naší poslední úpravny uranu
- DIAMO s.p., odštepný závod GEAM na 1 kg U spotřebuje asi 13 kg Na2SO4,
3,5 kg H2SO4, 2 kg NH3, a 1 kg mlecích
koulí
Z tzv. žlutého koláče se chemicky získá
kysličník UO4 a ten se dále redukuje na
kovový uran. Metoda pro separaci izotopů
pracuje s plynným hexafluoridem UF6.
Separace difuzí, plynovými ultracentrifugami
a trysková separace využívají rozdílnou
molekulovou hmotnost sloučenin 235UF6 a
238UF , které se od sebe liší o 3,007 m .
6
u
jaderné elektrárny v České republice
JE Dukovany
Parametry jaderných reaktorů
JE Dukovany
JE Temelín
typ reaktoru
VVER 440
VVER 1000
tepelný výkon
1375 MW
3000 MW
průměr tlak.
nádoby
3,56 m
4,5 m
výška tlak.
nádoby
11,8 m
10,9 m
palivové kazety
312 ks
163 ks
hmotnost
paliva
42 t
92 t
moderátor a
chladivo
obyčejná
(lehká) voda
obyčejná
(lehká) voda
tlak v reaktoru
12,25 MPa
15,7 MPa
teplota
chladiva
267 °C - 297
°C
290 °C - 320 °C
JE Temelín
havárie jaderného reaktoru
• Černobyl 26.4.1986 (havárie ve fázi probíhající štepné
reakce) – kombinace vážných chyb obsluhy (vypnutí
havarijní ochrany reaktoru a vysunutí regulačních tyčí z
aktivní zóny po předchozím příliš velkém poklesu výkonu při
přerušeném testu) a konstrukčního řešení reaktoru
(moderátorem grafit), rozsáhlý únik radioaktivních látek po
výbuchu reaktoru
• Fukushima 11.3.2011 (havárie ve fázi odstaveného reaktoru)
– automatické odstavení reaktorů při silném zemětřesení,
chlazení zbytkového tepla v aktivních zónách vodními
čerpadly napájené dieselagregáty, po 10 m vlně tsunami
přestaly agregáty fungovat – přehřátí reaktoru zbytkovým
teplem, vznik výbušné směsi vodíku a kyslíku
rychlé množivé reaktory (FBR - fast
breeder reactor )
• v reaktoru není moderátor, řízená štěpná reakce v něm
probíhá působením nezpomalených rychlých neutronů
• rychlé neutrony – transmutace uranu 238 na
neptunium, které se beta rozpadem mění na štěpitelné
plutonium 239
• chlazení sodíkem, který je při teplotách nad 100 °C
tekutý a má teplotu varu asi 900 °C za atmosférického
tlaku
• FBR reaktor uvolňuje asi 10 krát více tepla než
tlakovodní, sodík má dobrou tepelnou vodivost, ale
nebezpečím je jeho reaktivita s kyslíkem (izolace
sodíkového okruhu)
• možno použít i pro recyklaci vyhořelého paliva z
pomalých reaktorů
Bezpečnost
Základní
10 x vyšší
100 x vyšší
jako u Gen III
30 – 33
30 – 37
45 - 55
Účinnost [%]
25 – 30
reaktory 4. generace
• využití potenciálu obsaženého v zásobách uranu 238,
příp. thoria 232
• zmenšení objemu, aktivity a nebezpečnosti jaderných
odpadů
• několik typů reaktorů, v současné době jejich vývoj
Český název
Anglický název
Zkratka
Reaktor chlazený roztavenou solí
Molten Salt Reaktor System
MSR
Plynem chlazený rychlý reaktor
Gas-Cooled Fast Reator System
GFR
Olovem chlazený rychlý reaktor
Lead-Cooled Fast Reacotr System
LFR
Sodíkem chlazený rychlý reaktor
Sodium-Cooled Fast Reaktor System
SFR
Reaktor chlazený vodou o
nadkritických parametrech
Supercritical-Water-Cooled Reaktor
System
SCWR
Vysokoteplotní reaktor
Very-High-Temperature Reaktor
System
VHTR
termojaderná fúze
• slučování jader – překonání Coulombovy potenciálové bariéry
• vysoké teploty kT pro překonání potenciálové bariéry
koncentrace protonů na jednotku energie ve
středu Slunce a pravděpodobnost průchodu
bariérou u proton-protonových srážek
proton-protonový řetězec
základní jaderné reakce v nitrech hvězd
dále slučování těžších prvků až po A= 56, těžší prvky vznikají při výbuších supernov
proton-protonový řetězec
• složitější než v předchozím schematu
• na začátku slučování dvou protonů v diproton, ten většinou
emituje proton, vzácně dochází k jeho beta rozpadu
• 3He se může slučovat s několika jádry s různou
pravděpodobností reakcí
řízená termojaderná fúze
výhoda: nejsnadněji dosažitelné
nevýhoda: nejvíce energie v neutronech,
které poškozují stěny reaktoru a
způsobují jejich radioaktivitu
k reakcím dochází se skoro stejnou
pravděpodobností
výhoda: produktem jsou jenom nabité
částice
nevýhoda: velmi vysoká zápalná teplota
způsoby udržení termojaderné reakce
• pro udržení termojaderné reakce je třeba splnit Lawsonovo
kritérium nτ > 1020 m-3s (pro DT reakci) nτ > 1022 m-3s (pro
DD reakci) a dosáhnout zápalné teploty
• někdy se proto používá tzv. trojný součin nτT
• magnetické udržení – tokamaky n≈1021 m-3, τ ≈0.1 s
• inerciální udržení – lasery n≈1032 m-3, τ ≈10-11 s
• zápalná teplota – výkon reakce musí být větší než radiační ztráty
(brzdným zářením elektronů), což začne platit od určité hodnoty kT
(4 keV pro DT reakci, 35 keV pro DD reakci)
tokamaky
• 1951 – A. O. Lavrentěv, A. D. Sacharov, I. E. Tamm, L. I. Arcimovič – toroidalnaja
kamera s magnitnimi katuškami
• sekundární závit transformátoru, který v komoře generuje proud v toroidálním směru,
vytváří poloidální magnetické pole
• cívky vytváří toroidální magnetické pole, které udržuje plazma
ohřev plazmatu v tokamaku
• proudový (indukční) ohřev – se zvyšující se
teplotou elektrický odpor plazmatu klesá
• mikrovlnný ohřev – dodatečný ohřev,
mikrovlny rozkmitávají částice, srážkami se
energie mění na tepelnou
• ohřev neutrálními částicemi – pronikají
snadno magnetickým polem v tokamaku
(neutralizování urychlených iontů v plynu)
• samoohřev po dosažení zápalné teploty
konstrukční problémy tokamaků
• pulzní zařízení – lze nahradit kontinuálním režimem
při režimu samoohřevu?
• divertor – odvod nečistot a helia z vnitřku tokamaku
• eroze materiálu stěny intenzivním proudem neutronů
• získávání tritia – obálka tokamaku (blanket)
obsahující lithium
Pierre-Gilles de Gennes (1991 získal Nobelovu cenu za fyziku):
„We say that we will put the sun into a box. The idea is pretty.
The problem is, we don't know how to make the box. “
ITER – international thermonuclear
experimental reactor
• druhý nejnákladnější mezinárodní projekt po ISS (rozpočet 13 mld. EUR –
EU, USA, Rusko, Čína, Japonsko, Jižní Korea, Indie)
• uvedení do provozu 2020 („first plasma“), 2027 (deuterium+tritium), v
listopadu 2015 článek v Science zmiňuje 6 let zpoždění, bude vyjasněno v
červnu 2016
• z 0.5 g směsi deuteria a tritia zahřáté na teplotu 100 mil. K zisk 500 MW
fúzní energie (50 MW spotřeba na provoz) po dobu 500-1000 s (1997
tokamak JET – Joint European Torus – fúzní energie 16 MW po dobu 1 s)
• experimentální reaktor bez elektrického generátoru, výkon ve formě tepla
bude odváděn dvěma nezávislými okruhy naplněnými vodou do chladících
věží
• rozměry – objem reaktoru 840 m3, střední průměr prstence 12 m (6.5 m až
19.4 m), výška 11.3 m (dvojnásobek než JET), váha 23000 tun (trojnásobek
váhy Eiffelovy věže)
• během provozu plánováno zahájení konstrukce tokamaku DEMO –
prototyp fúzní elektrárny
JET
ITER
inerciální fúze
• stlačení paliva (D+T) do velmi malého objemu (vysoká
hustota) a zahřátí paliva
1. zahřátí ablační vrstvy, 2. její prudká expanze a imploze
vnitřní vrstvy, 3. stlačení paliva a slučování jader, 4. exploze
parametry hustota stlačeného paliva až 1000 g/cm3, teplota 100 mil. K
problémy – velmi krátká doba udržení
plazmatu, hydrodynamické nestability za
obrovského tlaku
direct vs. indirect drive
• nesymetrické ozáření terče vede k hydrodynamickým nestabilitám
(Rayleigh-Taylorova)
alternativní schémata
NIF – National Ignition Facility
• součástí Lawrence Livermore National Laboratory v Kalifornii,
cena výstavby 3.5 mld. dolarů
• 192 laserových svazků ozařuje zlatý váleček (hohlraum), kde
se generuje rtg záření, které pak ozařuje kapsli (indirect
drive) o průměru 2 mm
celková energie v laserových svazcích
přibližně 2 MJ (422 MJ v nabitých
kondenzátorech pro zesilování svazků),
interakční komora o průměru 30 m
(tloušťka stěn 2 m)
již v provozu od roku 2009, přiznává problémy
se zapálením fúzní reakce (prosinec 2012),
následně zkoumání vlivu změn parametrů,
problém s pomalejší implozí terče, v září 2013
energetický zisk vyšší než množství
absorbovaného záření, ale čekalo se více
LMJ – Laser Megajoule
• francouzská obdoba NIF postavena nedaleko Bordeaux,
240 laserových svazků s celkovou energií 1.8 MJ
• podobně jako u NIF je prioritou vojenský výzkum –
validace modelů pro simulace použití jaderných zbraní
• oficiálně uvedeno do provozu na konci roku 2014
hybridní fúzně-štěpné elektrárny
• využívají produkci vysokého počtu neutronů při
fúzních reakcích u tokamaku nebo inerciální fúze
• obálka reaktoru by obsahovala 238U nebo 232Th v
podkritickém množství, využití neutronů také k
přeměnám jader izotopů s dlouhým poločasem
rozpadu na krátké poločasy rozpadu
princip atomové bomby
• Little Boy (Hirošima)
dělový typ - oddělené části
podkritického množství materiálu
(235U), který po sloučení pomocí
exploze klasické výbušniny vytvoří
nadkritické množství
• Fat Man (Nagasaki)
implozní typ – konvenční trhavina
stlačí plutonium (239Pu), začne
řetězová reakce, plášť z berylia
(Be) odráží neutrony pro zvýšení
účinku, zdroj neutronů - 210Po v
kombinaci s BeO
pro zvýšení efektivity neutronový reflektor (odražeč) a neutronový iniciátor (zdroj)
plus moderační účinek látek zpomalujících neutrony – minimální kritické množství 15
kg uranu nebo 5 kg plutonia
princip vodíkové bomby
• termonukleární reakce směsi
deuteria a tritia iniciována jadernou
roznětkou – menší atomová bomba
• exploze první fáze způsobí prudké
stlačení fúzní náplně
• plutoniová tyč uprostřed po stlačení
vybuchne – tato exploze zahřeje
fúzní náplň
• fúzní náplň obsahuje deuterium a
lithium (z lithia vzniká tritium
bombardováním neutrony)
• kobaltová bomba – vodíková bomba obsahuje kobalt, který se reakcí s neutrony
změní na izotop 60Co s poločasem rozpadu 5 let, dlouhodobě zamoří půdu
• neutronová bomba – slabší vodíková bomba, cílem je únik velkého množství
neutronů, které proniká pancéřovými vozidly, je relativně šetrná k civilním
budovám