Atomová energie

1. Atomová energie

2. Neboli jaderná energie: Dělení jaderné reakce na reakci: • Uvolňuje se jadernými reakcemi v atomovém jádře • Štěpnou, při níž dochází ke štěpení jader Uranu 235 neutrony. Z jádra Uranu se uvolní až další tři neutrony a ty štěpí další jádra Uranu – Vznikne řetězová reakce. Zároveň se uvolní energie ve formě tepla. • Slučovací (jaderná syntéza-fúze, termojaderná fúze) - Spojením jader lehkých prvků se vytvoří nové těžší jádro za současného uvolnění energie. Je to vlastně opak štěpné reakce. Slučují se atomy vodíku, nejlépe deuteria nebo tritia a spojují se do atomu helia. Tato reakce probíhá ve hvězdách a také ve Slunci.

3. Štěpná reakce: Jaderná syntéza: Při jaderné fúzi, kdy se spaluje deuterium a tritium se z jednoho gramu paliva uvolní energie 98.000 kWh. Při štěpení jednoho gramu U235 se uvolní jen energie 24.000 kWh. Překážkou pro uskutečnění jaderné fúze je zkonstruování reaktoru. Pro zapálení jaderné fúze je potřeba buď velmi vysokého tlaku nebo velmi vysoké teploty a nejlépe obojího. Zatím se nepodařilo vyvinout nádobu, která by takovou teplotu vydržela. V jádru Slunce vzniká za takových teplot z vodíku plazma (směs volně poletujících elektronů a kladně nabitých zbytků atomů). Jako nejperspektivnější konstrukční řešení termojaderného reaktoru, který by měl být trvale schopen udržovat reakci je dnes TOKAMAK.

4. Co to je TOKAMAK? • Jedná se o zařízení prstencovitého tvaru v němž je udržováno horké plazma, vyvinuté ruskými vědci Tammem a Sakharovem (ten je známější) v roce 1950. Slovo Tokamak je zkratkou ze slov “toroidalnaya kamera magnitnaya” a znamená toroidní magnetická komora. Plazma zde není udržováno materiálem stěn (na to by byly teploty příliš vysoké - milióny stupňů Celsia), ale magnetickým polem. Magnetická pole v tokamaku jsou dvojího charakteru. První pole je vytvářeno cívkami vně prstence. Druhé pole si okolo sebe vytváří plasma samo, jelikož má funkci jedno závitového sekundárního vinutí transformátoru. • Díky magnetickému poli, které soustřeďuje plasma do středu průřezu prstence, se tepelné zatížení stěn sníží na technologicky zvládnutelnou hodnotu 1000-1300 ° C.

6. Elektrárna pracující na principu termojaderné fúze: • Konstrukci elektrárny s fúzním reaktorem a s parním cyklem si lze nejlépepřipodobnit k současné elektrárně se štěpným reaktorem. • Vnitřní nádoba je obklopena pláštěm z tekutého lithia,který má tyto funkce: • 1. Ochlazování stěny nádoby. • 2. Zajišťuje odvod podstatné části tepelné energie. Jelikož největší část energie reakce D+T (14.1 MeV z celkové 17.6 MeV) se uvolní ve formě kinetické energie neutronů, která není nejvhodnější na využití, musíme ji proto přeměnit na tepelnou energii a využít tepelný cyklus v parní elektrárně. Jako médium pro tepelný cyklus se předpokládá sůl Li2BeF4, která se používá současně na přenos tepelné energie, tak i na zpomalování neutronů.Tekutý absorbátor neutronů je oddělen od oblasti plazmatu tzv. první stěnou. Všechna energie použitá v tepelném cyklu musí přes první stěnu přenést neutrony s vysokou energií, a proto je výběr materiálu pro první stěnu velmidůležitý. Měla by být tvořena grafitem nebo vodou obohacenou bórem, resp. z niobu, molybdenu, vanadia nebo nerezové oceli. V tomto obalu se zpomalují a pohlcují neutrony, které by jinak unikaly z reaktoru. Nad touto vrstvou je tepelná izolace a vrstva supravodivých cívek vytvářejících silné magnetické pole uvnitř reaktoru. • 3. Je místem vzniku tritia. Tritium se odděluje a odvádí do skladů nového paliva, v nichž se podchlazuje do tvaru kuliček a společně s deuteriem vstřikuje zpět do reaktoru. Rozměry reaktoru a jeho výkon závisí obyčejně na vlastnostech materiálu, které tvoří plášť reaktoru, nikoli od vlastností plazmatu. Předpokládá se, že elektrický výkon těchto reaktorů by byl 2-3 GW.

7. Rozdíly mezi jaderným štěpením a jadernou syntézou: • Provoz současných jaderných elektráren se štěpnými reaktory v sobě kromě jistých problémů při těžbě, výrobě jaderného paliva a následného uložení vyhořelého paliva skrývá i jisté provozní riziko. I přes současný stav techniky nelze vyloučit možnost havárie jaderného reaktoru. Z havárií štěpných reaktorů v nedávné minulosti lze jmenovat 1957-Windscale Anglie (grafitový reaktor chlazený CO2 nedošlo k roztavení aktivní zóny) , 1979-Three Mile Island USA (nedošlo k úplnému roztavení paliva, jen mírný únik 133Xe) a dosud největší havárie duben 1986- Černobyl SSSR (netypický reaktor jehož konstrukce nebrala ohled na možnou neřízenou reakci, při explozi únik především radioaktivního jódu). Všechny tyto havárie byly způsobeny lidským faktorem. • Fúzní reaktory pracují na zcela rozdílném principu. • K zažehnutí štěpné jaderné reakce je potřeba jisté kritické množství štěpného materiálu. Takže reaktor při běhu obsahuje poměrně velké množství radioaktivního paliva. • Fúzní reaktor nevyžaduje pro provoz žádné kritické množství paliva a v reaktoru je přítomno jen právě spalované palivo, které je průběžně doplňováno. • Dalším výrazným ekologickým pozitivem je, že uvažované fúzní reakce neprodukují žádný přímý radioaktivní odpad. Jistá radiace (nižší než u ŠR) vsoučasných reaktorech vzniká na stěnách velkých tokamaků, které jsou vystaveny toku neutronů vznikajícím při reakci.

8. Bezpečnost elektráren s termojadernou fúzí a jejich vliv na životní prostředí: • Jisté nebezpečí spočívá v použití Tritia, které je radioaktivní. Poločas rozpadu je 12,3 roku, emituje jen měkké záření beta, jeho biologickýpoločas je dostatečně krátký. Tritium může být nebezpečné jen při vdechnutí nebo požití. • Produkty fúzní reakce nejsou sami o sobě radioaktivní. Vznikající Tritium, které je radioaktivní bude separováno a dodáváno jako nové palivo fúzní reakce. Absorpce neutronů v mechanických dílech reaktoru vede ke vzniku radionuklidů, jejichž životnost je však krátká. • Skutečnost, že odpadá nutnost nadkritického množství paliva a jeho nízká radioaktivita jsou předpokladem, že fúzní reaktor jako celek bude bezpečný proto, že systém bude stabilní – nebude tedy možno,aby došlo k neřízené fúzní reakci. V místě reaktoru nebude nutno dodržovat bezpečnostní opatření jaká jsou nyní u štěpných reaktorů z důvodu přítomnosti nadkritického množství U238.

9. Bezpečnost elektráren s termojadernou fúzí a jejich vliv na životní prostředí: • Produkty reakce budou jen mírně radioaktivní (řádově proti současným štěpným reaktorům). • K výrobě ekvivalentního množství elektrické energie, jaká byla spotřebována např. v roce 1975, musíme v elektrárně o účinnosti 40% spálit:- 1.700 miliónů tun uhlí- 85.000 tun uranu ve štěpných reaktorech- 1000 tun uranu v rychlých štěpných reaktorech- 1000 tun lithia v D+T fúzních reaktorech - 135 tun deuteria v D+D fúzních reaktorech • Fúze jednoho gramu směsi D+T uvolní tolik energie jako spálení 10 000 litrů benzínu, avšak nevytváří žádný škodlivý plyn. • Vliv na ŽP bude u elektráren první generace s tepelným cyklem porovnatelný jako u současných jaderných elektráren se štěpnými reaktory. V parním cyklu budou chladící věže, což ovlivní klima v okolí elektráren. Samozřejmě zde nebudou nebezpečné radioaktivní produkty, které by ohrožovaly okolí. Vezmeme-li v úvahu že právě toto je nejčastější argument proti jaderné energetice, lze předpokládat, že jaderná fúze by se mohla setkat s větším pochopením z řad občanů než dnešní štěpné reaktory. • Současné vize předpokládají i přepracování stěpného paliva, které je v současnosti v meziskladech vyhořelého paliva či na konečných úložištích.

10. Doposud se nepodařilo zkonstruovat reaktor pro termojadernou fúzi, kde by se povedlo reakci udržet déle než zlomky sekund, avšak projekty existují. • Tokamak ITER by měl být prvním velkým reaktorem, ve kterém by jsme měli být schopni udržet termojadernou fúzi a využít ji v energetice ke komerčním účelům. Začal se stavět ve Francii v roce 2007, rozpočet je 10mld. Kč a polovinu by měla uhradit EU. Do provozu by měl být uveden v roce 2019. • ITER bude používat vodíkový plazmový prstenec zahřátý na 100 milionů °C. Podle návrhu by měl být schopen vyrábět z půlgramové směsi deuteria s tritiem asi 500 MW fúzní energie po dobu až 1 000 sekund (pro porovnání: tokamak JET měl výkon jen 16 MW na necelou sekundu). Tohoto výkonu by měl dosáhnout při příkonu 50 MW, čímž by se stal prvním tokamakem, který z paliva získá více energie, než sám spotřebuje na udržení plazmatu. • ITER je experimentální reaktor bez elektrického generátoru, takže nebude dodávat energii do rozvodné sítě. Výkon bude ve formě tepla odváděn dvěma nezávislými okruhy naplněnými vodou do chladících věží. První fúzní elektrárnou by se tak měl stát až tokamak DEMO, u nějž je začátek výstavby plánován na rok 2024. • Termojaderná fúze je pro nás významným a prakticky nevyčerpatelným zdrojem energie poměrně šetrné k životnímu prostředí, protože deuterium lze získávat z obyčejné vody.

11. Zdroje: Děkuji za pozornost! • http://silhan.com a další