jadrové reakcie
DESCRIPTION
Jadrové reakcie. Reťazová štiepna reakcia. Snívanie pred storočím. F.Soddy, po objavoch rádioaktivity, prednáša v roku 1908 :. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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 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 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)
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 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 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 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” !?
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)
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 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 !
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
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 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 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 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 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
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
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.