Top Banner
Jadrové reakcie Jadrové reakcie Reťazová štiepna reakcia
136

Jadrové reakcie

Jan 13, 2016

Download

Documents

Julia Ackermann

Jadrové reakcie. Reťazová štiepna reakcia. Snívanie pred storočím. F.Soddy, po objavoch rádioaktivity, prednáša v roku 1908 :. - PowerPoint PPT Presentation
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Page 1: Jadrové reakcie

Jadrové reakcieJadrové reakcie

Reťazová štiepna reakcia

Page 2: Jadrové reakcie

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:

Page 3: Jadrové reakcie

a pochybovanie … a pochybovanie …

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

Page 4: Jadrové reakcie

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

Page 5: Jadrové reakcie

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 5

19381938: Liza Meitner: Liza Meitner

Mt276109

109 prvok: meitnerium

Page 6: Jadrové reakcie

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 6

19441944: Otto Hahn: Otto Hahn

? UnoUnp, 265108

258105

Nobelova cena za chémiu

Hahnium (Hn)?

Page 7: Jadrové reakcie

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

Page 8: Jadrové reakcie

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

Page 9: Jadrové reakcie

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“

Page 10: Jadrové reakcie

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 10

Štiepenie jadra hadrónmi

235U 236U* 140Xe

94Sr

pomalý neutrónrýchle neutróny200 MeV

Page 11: Jadrové reakcie

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

Page 12: Jadrové reakcie

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

Page 13: Jadrové reakcie

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)

Page 14: Jadrové reakcie

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-

Page 15: Jadrové reakcie

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-

Page 16: Jadrové reakcie

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% !

Page 17: Jadrové reakcie

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) :

Page 18: Jadrové reakcie

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 18

Reťazová štiepna reakcia

pre multiplikačný faktor

k= 2

Page 19: Jadrové reakcie

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

Page 20: Jadrové reakcie

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 20

Reťazová štiepna reakcia

zníženie multiplikačného faktora k

únik zo sústavy

zachytenie bez štiepenia

(n,γ)

Page 21: Jadrové reakcie

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”)

Page 22: Jadrové reakcie

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)

Page 23: Jadrové reakcie

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 23

Reťazová štiepna reakcia

Page 24: Jadrové reakcie

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)

Page 25: Jadrové reakcie

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 25

Reťazová štiepna reakcia

- čisté štiepiteľné nuklidy sa používajú pre atómové bomby

Page 26: Jadrové reakcie

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

Page 27: Jadrové reakcie

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)

Page 28: Jadrové reakcie

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

Page 29: Jadrové reakcie

Atómová bomba

Page 30: Jadrové reakcie

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

Page 31: Jadrové reakcie

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

Page 32: Jadrové reakcie

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 !

Page 33: Jadrové reakcie

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

Page 34: Jadrové reakcie

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

Page 35: Jadrové reakcie

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

Page 36: Jadrové reakcie

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.“

Page 37: Jadrové reakcie

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 37

Reťazová štiepna reakcia

Väčšie riziká pri prekračovaní kritickej hmotnosti koncentrovaného

235U alebo 239Pu

Page 38: Jadrové reakcie

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!

Page 39: Jadrové reakcie

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 39

1945 - „Manipulačná“ havária v Los Alamos

Page 40: Jadrové reakcie

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 40

Explozívne prekročenie kritickej

hmotnosti vstrelenie

(Little Boy)implózia (Fat Man)

Page 41: Jadrové reakcie

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 41

1945 - Preteky vyhrali ekonomicky silné USA

Nemecký reaktor v Haigerlochu nebol dokončený a demontovali ho

Page 42: Jadrové reakcie

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 42

Japonsko, august 1945

Little Boy

HIROŠIMA

Fat Man

NAGASAKI

Page 43: Jadrové reakcie

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 43

A day after …A day after …

Page 44: Jadrové reakcie

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)

Page 45: Jadrové reakcie

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 45

Účinky výbuchu

Page 46: Jadrové reakcie

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 46

1945-19801945-1980

Page 47: Jadrové reakcie

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

Page 48: Jadrové reakcie

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:

Page 49: Jadrové reakcie

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 49

V prepočte na každého žijúceho človeka je to

ekvivalent najmenej 50 kg dynamitu

“overkilling” !?

Page 50: Jadrové reakcie

a atmosféra sa dlhodobo zamorila ...

Page 51: Jadrové reakcie

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 51

1945-19801945-1980

zamorenie najmä severnej pologule rádioaktívnym spadom

napr. USA od Alamogordo a Las Vegas

Page 52: Jadrové reakcie

„Атом не солдат, атом рабочий !”

„Atóm nie je vojak, atóm je robotník“

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

Page 53: Jadrové reakcie

Jadrový reaktorJadrový reaktor

Page 54: Jadrové reakcie

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

Page 55: Jadrové reakcie

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

Page 56: Jadrové reakcie

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 56

Schéma jadrovej elektrárne (EMO)

Page 57: Jadrové reakcie

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)

Page 58: Jadrové reakcie

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 58

19781978: Jadrová elektráreň Bohunice : Jadrová elektráreň Bohunice

výkon 4x440 MWel

Uzavretie 2 blokov 2006-2008 !

Page 59: Jadrové reakcie

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 59

ReaktorovReaktorováá s sáála EMOla EMO

Page 60: Jadrové reakcie

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 60

Reaktory vo svete

Page 61: Jadrové reakcie

Čo znepokojuje verejnosť Čo znepokojuje verejnosť ??

• Havárie jadrových zariadení• Zneužitie štiepiteľného materiálu

• Znečistenie rádioaktívnym odpadom

Laikov:Laikov:

Page 62: Jadrové reakcie

Čo znepokojuje verejnosť Čo znepokojuje verejnosť ??

• Spoľahlivosť reaktorov a úložísk odpadu

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

OdborníkovOdborníkov::

Page 63: Jadrové reakcie

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)

Page 64: Jadrové reakcie

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)

Page 65: Jadrové reakcie

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

Page 66: Jadrové reakcie

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 66

25.apr25.apríl íl 19861986: : ČernobyľČernobyľ

14:00 Havarijná regulácia vypnutá, výkon znížený na polovicu

Page 67: Jadrové reakcie

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

Page 68: Jadrové reakcie

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

Page 69: Jadrové reakcie

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

Page 70: Jadrové reakcie

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

Page 71: Jadrové reakcie

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

Page 72: Jadrové reakcie

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

Page 73: Jadrové reakcie

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

Page 74: Jadrové reakcie

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

Page 75: Jadrové reakcie

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 75

19861986: : ČernobyľČernobyľ

Najväčšia katastrofa jadrového zariadenia v histórii !!!

Page 76: Jadrové reakcie

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 76

19861986: : ČernobyľČernobyľ

Najväčšia katastrofa jadrového zariadenia v histórii !!!

Page 77: Jadrové reakcie

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 77

19861986: : ČernobyľČernobyľglobálna kontaminácia

až 100x viac, ako

prírodná rádioaktivita

Page 78: Jadrové reakcie

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

Page 79: Jadrové reakcie

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 79

Reaktor III. GenerReaktor III. Generááciecie: EPR: EPR

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

Page 80: Jadrové reakcie

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 80

Reaktor III. GenerReaktor III. Generááciecie: EPR: EPR

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

Page 81: Jadrové reakcie

Jadrové reaktoryJadrové reaktory

Je využitie štiepenia

“zmluva s diablom“ ?

Page 82: Jadrové reakcie

Jadrové reaktoryJadrové reaktory

Sme odkázaní na 235U ?

Úloha chémie !

Page 83: Jadrové reakcie

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 !

Page 84: Jadrové reakcie

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 :

Page 85: Jadrové reakcie

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)

Page 86: Jadrové reakcie

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

Page 87: Jadrové reakcie

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

Page 88: Jadrové reakcie

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+

Page 89: Jadrové reakcie

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

Page 90: Jadrové reakcie

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

Page 91: Jadrové reakcie

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 91

Rádioaktívny odpadRádioaktívny odpad

Page 92: Jadrové reakcie

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 92

Zneškodnenie = zabránenie úniku do životného prostredia

Rádioaktívny odpadRádioaktívny odpad

Page 93: Jadrové reakcie

Rádioaktívny odpadRádioaktívny odpad

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

miliónov rokov !

Page 94: Jadrové reakcie

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 94

Prírodný reaktor Oklo (Gabun)

Page 95: Jadrové reakcie

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

Page 96: Jadrové reakcie

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 96

Návrhy :

separovať a využiť čisté nuklidy

vystreliť na Slnko

jadrová transmutácia na krátkožijúce

....

Rádioaktívny odpadRádioaktívny odpad

Page 97: Jadrové reakcie

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

Page 98: Jadrové reakcie

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 98

Rádioaktívny odpadRádioaktívny odpadJAVYS (Jaslovské Bohunice)

Spaľovňa

Zalievanie do vláknito-betónových kontajnerov

Page 99: Jadrové reakcie

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

Page 100: Jadrové reakcie

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

Page 101: Jadrové reakcie

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 101

Fixácia odpaduFixácia odpadu

podpovrchové úložiská

hĺbinné úložiská

spôsob zneškodňovania

Page 102: Jadrové reakcie

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 102

Podpovrchové úložiskáPodpovrchové úložiskáMochovce

Page 103: Jadrové reakcie

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 103

Hĺbinné úložiskáHĺbinné úložiská

Yucca Mountain (Nevada)

Page 104: Jadrové reakcie

Jadrové reakcieJadrové reakcie

Energeticky významné reakcie

Jadrová syntéza (fúzia)

Page 105: Jadrové reakcie

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

Page 106: Jadrové reakcie

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 106

Page 107: Jadrové reakcie

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 107

Fúzne reakcieFúzne reakcie

Čo to tam horí ?

Page 108: Jadrové reakcie

Slnečná energiaSlnečná energia

Dokážeme ju napodobniť ?

Page 109: Jadrové reakcie

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 !

Page 110: Jadrové reakcie

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

Page 111: Jadrové reakcie

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)

Page 112: Jadrové reakcie

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 !

Page 113: Jadrové reakcie

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 113

Čistá energia ?Čistá energia ?

„Spaľuje sa vodík na nerádioaktívne produkty“

a teda nevzniká rádioaktívny odpad ?

Page 114: Jadrové reakcie

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 ?

Page 115: Jadrové reakcie

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 !

Page 116: Jadrové reakcie

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

Page 117: Jadrové reakcie

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

Page 118: Jadrové reakcie

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

Page 119: Jadrové reakcie

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 119

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

Page 120: Jadrové reakcie

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 120

Fúzne reakcieFúzne reakcie

Aká je perspektíva ?

?International Thermal Experimental Reactor

Page 121: Jadrové reakcie

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

Page 122: Jadrové reakcie

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)

Page 123: Jadrové reakcie

2008/2009 F.Macášek - Jadrová chémia I 123

TOKAMAK „ITER“TOKAMAK „ITER“

Vnútro komoryVnútro komory

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

Page 124: Jadrové reakcie

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

Page 125: Jadrové reakcie

Alternatívne zdrojeAlternatívne zdroje

Náhrada ?

Page 126: Jadrové reakcie

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)

Page 127: Jadrové reakcie

Alternatívne zdrojeAlternatívne zdroje

Slnečná energia :

akumulácia v biomase nerieši produkciu

skleníkových plynov

Page 128: Jadrové reakcie

Alternatívne zdrojeAlternatívne zdroje

10 MW slnečná elektráreň Barstow (California)

náročná na materiál a plošnú inštaláciu

Page 129: Jadrové reakcie

Alternatívne zdrojeAlternatívne zdroje

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

17,5 km2 článkov

Page 130: Jadrové reakcie

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 ?

Page 131: Jadrové reakcie

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 ...

Page 132: Jadrové reakcie

Alternatívne zdrojeAlternatívne zdroje

Burgenland

Krajina 1800 Krajina 2000

Page 133: Jadrové reakcie

Alternatívne zdrojeAlternatívne zdroje

Cape Cod

Mys 1800 Mys 2000

Page 134: Jadrové reakcie

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.

Page 135: Jadrové reakcie

Alternatívne zdrojeAlternatívne zdroje Nemeckopokrýva okolo 4% potrebyenergie z vetra

Page 136: Jadrové reakcie

Alternatívne zdrojeAlternatívne zdroje

Schön !