background image

Część I  -  ENERGETYKA  
                 JĄDROWA 

22 

ENERGETYKA 

EKOLOGIA 

Rozdział 1  - Podstawy fizyczne 
                     energetyki jądrowej 

 
 
 
 
 
 

PODSTAWY FIZYCZNE ENERGETYKI 

JĄDROWEJ 

 

( jak powstaje energia jądrowa ) 

 
 
 

Stanisław Drobniak 

 

INSTYTUT

 

MASZYN

 

CIEPLNYCH 

 
 

1. Przegląd podstawowych pojęć. 
 
2. Bilans energetyczny reakcji rozszczepienia. 
 
3. Opis reakcji rozszczepienia.
 
 
4. Moderatory.
 
 
5. Wytwarzanie paliwa jądrowego.
 
 
6. Praktyczna realizacja reakcji jądrowej ( pręty 

paliwowe ). 

 

 

background image

Część I  -  ENERGETYKA  
                 JĄDROWA 

23 

ENERGETYKA 

EKOLOGIA 

Rozdział 1  - Podstawy fizyczne 
                     energetyki jądrowej 

 

Energetyka jądrowa 

 

Jednostki używane w fizyce jądrowej: 

j.m.a.       (jednostka masy atomowej) = 

12

1

 masy 

atomu 

]

kg

[

10

660438

,

1

C

27

12

6

=

 

 

Równoważność masy i energii: 

 

2

c

m

E

=

 

 

1 j.m.a. = 931,540368 MeV 

 

1 eV = 1,602

 10

-19

 J = energia jaką nabywa ładunek 

elementarny – ładunek elektronu w polu o różnicy 
potencjałów 1 V 
 
 
Podsumowanie: 

 

jednostka masy     - 1 j.m.a. 
jednostka energii  - 1 eV 
(lub częściej)   - 1 MeV (10

6

 eV) 

background image

Część I  -  ENERGETYKA  
                 JĄDROWA 

24 

ENERGETYKA 

EKOLOGIA 

Rozdział 1  - Podstawy fizyczne 
                     energetyki jądrowej 

 

Podstawowe pojęcia i oznaczenia używane w fizyce 
jądrowej: 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                . . .   - izotopy 

 
 
 

Z

 M

p

 + N 

 M

N

 

 M

A

 

 

M

 = Z 

 M

p

 + N 

 M

N

 - M

A

 

 
                 defekt masy (

dlaczego ?

 
 

                            P                     P  

                        siły elektrostatyczne (odpychające) 

 

                            P                     P  

                        siły jądrowe (przyciągające) 

 

 

E

w

 

                        defekt masy 

 energia wiązania

 

energia 
wiązania 
    E

w

 

P

N

N

N

N

N

N

N

N

N

P

P

P

P

P

P

P

Z  (liczba protonów)

jądro atomowe

N  (liczba neutronów)

M

A

A=Z+N     liczba masowa 
 

Z

liczba atomowa

Z+N

1           

Z+N

2

 

 
      Z              Z 

X X 

M

= 1,0072776 j.m.a 

M

= 1,0086654 j.m.a. 

M

e

 = 1/1840 Mp 

background image

Część I  -  ENERGETYKA  
                 JĄDROWA 

25 

ENERGETYKA 

EKOLOGIA 

Rozdział 1  - Podstawy fizyczne 
                     energetyki jądrowej 

 

dostarczenie energii wiązania  

  rozszczepienie jądra

 
 

N

N

N

N

P

P

E

w

E

k

       energia kinetyczna
   poruszających się cząstek

( może zamienić się w ciepło !!! )

energia wiązania

 

 

E

w

 = E

k

 

(zasada zachowania energii) 

 
 

Zasady obowiązujące przy rozszczepieniu jądra i 
innych przemianach jądrowych: 
 
-  zasada zachowania nukleonów 
-  zasada zachowania ładunku 
-  zasada zachowania pędu i krętu 
-  zasada zachowania masy i energii 
 

 

 

 

background image

Część I  -  ENERGETYKA  
                 JĄDROWA 

26 

ENERGETYKA 

EKOLOGIA 

Rozdział 1  - Podstawy fizyczne 
                     energetyki jądrowej 

 
 

Skąd powstaje energia jądrowa ? 

 

hipotetyczna

przemiana

rozszczepienia

jądra

U

X

Y

238

92

119

119

46

46

 

 
 
 

     E

w1

 

  (energia 
  wiązania 
  na jeden 
  nukleon) 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

                    (E

w1

)

238

 = 7,5 MeV 

                    (E

w1

)

119

 = 8,4 MeV 

 
zysk energii wiązania na 1 nukleon: 

 

E

w1 

=8,4 – 7,5 = 0,9 MeV 

 

całkowity zysk energii z rozpadu atomu 

238

92

U

 

238 

 0,9 = 214 MeV 

 

                                    energia rozszczepienia 

 

dane 
   z 
wykresu 

hipotetyczna 

przemiana 

rozszczepienia 

jądra 

0

40

80

160

200

119

238

2

4

6

8

[M  V]

A (  masa atomowa )

∆E

w1

e

background image

Część I  -  ENERGETYKA  
                 JĄDROWA 

27 

ENERGETYKA 

EKOLOGIA 

Rozdział 1  - Podstawy fizyczne 
                     energetyki jądrowej 

 

energia rozszczepienia: 

 

214 MeV = 214 

 10

6

 

 1,602 

 10

-19 

 [J] 

                              = 3,43 

 10

-11

 [J] 

 
wartość opałowa najlepszego węgla: 

 

W

u

 = 34,5 [kJ/kg] 

                                     

 3,43 

 10

7

 [J/kg] 

 
ile atomów węgla należałoby spalić, aby uzyskać 
energię równoważną energii rozszczepienia jednego 
atomu 

238

U

 ? 

 
masa atomowa węgla: 

 

 12 

 12 

 1,66 

 10

-27

  [kg] 

                                 

 2 

 10

-26

  [kg] 

tzn.: 

ilość atomów węgla 

(

) (

)

7

26

7

11

10

5

10

2

10

43

,

3

10

43

,

3

=

×

=

 

 

                                 = 50 mln atomów węgla !!! 

                                 

18

7

11

10

1

10

43

,

3

10

43

,

3

=

=

  [kg] 

 

background image

Część I  -  ENERGETYKA  
                 JĄDROWA 

28 

ENERGETYKA 

EKOLOGIA 

Rozdział 1  - Podstawy fizyczne 
                     energetyki jądrowej 

 

W jaki sposób dostarczyć energię wiązania do jądra 

atomowego ? 

 
 

Neutron (pozbawiony ładunku) 

 

brak sił odpychania elektrostatycznego 

 

Swobodny neutron  -  prędkość 10

÷

15 tys. km/h 

 

energia swobodnego neutronu  >  1 MeV 

(prędkość:   12000

÷

15000 km/s) 

 
 

Swobodny strumień neutronów:  

okres półrozpadu 12,8 min 

 

W reaktorze: czas życia neutronu ~ 0,001 s 

 

Uwaga: 
                                                    proton 
     Rozpad neutronu                  elektron 
                                                   antyneutrino 

ν

 

 

background image

Część I  -  ENERGETYKA  
                 JĄDROWA 

29 

ENERGETYKA 

EKOLOGIA 

Rozdział 1  - Podstawy fizyczne 
                     energetyki jądrowej 

 

Reakcje wywołane uderzeniem neutronu w jądro 
atomowe 

  rozszczepienie 

(energia)

 

 

I    typ reakcji:   reakcja 

( n, 

 

N

N

N

F

produkty rozszczepienia:

     - neutrony     

jadro atomu

- fotony

 

 

II  typ reakcji:   rozpraszanie neutronów (n, n’) 

 

N

N

neutron o zmienionej

energii lub kierunku

 

 

III typ reakcji:   absorpcja neutronu 

 

N

foton lub
proton lub
czastka 

 

 

IV typ reakcji:   reakcja (n, 2n) lub (n, 3n) 

 

N

N

N

N

N

N

N

( n; 2n )

( n; 3n )

 

 
 

Uwaga:            możliwa reakcja łańcuchowa 

background image

Część I  -  ENERGETYKA  
                 JĄDROWA 

30 

ENERGETYKA 

EKOLOGIA 

Rozdział 1  - Podstawy fizyczne 
                     energetyki jądrowej 

 

W jaki sposób jądro neutronu przekazuje energię jądru 

atomowemu ? 

 

E

E

E

E

E

podstawowy poziom energetyczny
jadra (                poziom energii )

najni szy

ż

dostarczenie energii:

oddanie energii:

foton lub
proton lub
neutron itp

powrót do
stanu

podstawowego

poziomy dozwolone

atom wzbudzony
(przejścia na 

wyższy poziom
energetyczny)

blisko
położone

poziomy

duza odleglosc
miedzy poziomami

mała odległość

między poziomem
podstawowym
i pozostałymi

duża odległość
między poziomem
podstawowym
i pozostałymi

łatwość przejmowania energii

jadra atomów lekkich:

jadra atomów ciezkich:

 

background image

Część I  -  ENERGETYKA  
                 JĄDROWA 

31 

ENERGETYKA 

EKOLOGIA 

Rozdział 1  - Podstawy fizyczne 
                     energetyki jądrowej 

Jakie jest prawdopodobieństwo reakcji rozszczepienia?

 

miara   

  

mikroskopowy przekrój czynny na reakcję 

rozszczepienia: 

N

v

n

R

i

f

=

σ

 

n  - gęstość neutronów monoenergetycznych (liczba  
      neutronów o jednostkowej energii w jednostce objętości) 
N  - liczba jąder atomowych w jednostce objętości 
v  - prędkość neutronów 
R

i

 – liczba reakcji w jednostce objętości i czasu 

 

Charakterystyka 

235

92

U

 

 

                                                                                                                 

 

                                                                                                                        

 

                                                                   
 
                                                                       

235

92

U

 

 

 

 

   Wnioski: 
      - struktura rezonansowa w zakresie 1 eV

÷

1 keV 

     (zakres neutronów termicznych; tzn. 

ν

 ~ 2 km/s) 

      - 

E

1

~

f

σ

 

 

konieczność zwolnienia neutronów do zakresu 

termicznego 

 

σ

E

f

[eV]

10

10

10

10

10

10

1

10

10

10

3

2

-4

-2

2

4

- energia neutronu

       zakres termiczny
(możliwość uzyskania ciepła)

 

Rezonanse – 
przechodzenie w stan 
wzbudzony 

background image

Część I  -  ENERGETYKA  
                 JĄDROWA 

32 

ENERGETYKA 

EKOLOGIA 

Rozdział 1  - Podstawy fizyczne 
                     energetyki jądrowej 

 

Charakterystyka 

238

92

U

 

                                                 Wnioski: 
                                                 - reakcja typu progowego
                                                 -    

E

~

f

σ

 

  -

σ

f

  1000-krotnie  

    mniejszy niż dla 

235

92

U

 

    (znacznie mniejsze 
    prawdopodobieństwo 
             reakcji)

 

 
 
Wnioski: 
- uran U

238

 znacznie mniej wartościowym paliwem 

  niż U

235 

- możliwość uzyskania energii cieplnej z U

235

 pod  

  warunkiem, że neutrony bombardujące U

235

 będą  

  zwalniane do zakresu termicznego 
 
Uwaga: 

naturalny uran zawiera 0,7% U

235

  

(konieczność wzbogacania uranu) 

 

 

E

σ

f

[MeV]

0

0

2

4

6

8

10

0,5

1,0

1,5

prog

 

background image

Część I  -  ENERGETYKA  
                 JĄDROWA 

33 

ENERGETYKA 

EKOLOGIA 

Rozdział 1  - Podstawy fizyczne 
                     energetyki jądrowej 

 

I problem: 

 

- jak zwolnić neutrony do zakresu termicznego? 
 
 
                                                wyhamowanie neutronu 
                                                                 

 

                                                   zderzenia z jądrami 
                                                          atomów H 
                                                (oddziaływanie sprężyste)
                             
 

 
 
 

E

< E

< E

< E

2

< E

1

 

 

woda  

  moderator (ośrodek spowalniający 

                                                     neutrony) 
jednocześnie: 
- woda wyhamowując neutrony odbiera ich energię –  
  dotyczy to także neutronów, które nie będą powracać  
  do paliwa 
- przejmowanie energii przez wodę to jej ogrzewanie 
  tzn. 

woda  

  czynnik roboczy 

 

Uwaga:   obraz bardzo uproszczony 

paliwo

woda

neutron

E

1

E

2

E

3

E

4

E

5

H

H

H

H

ściana (tzw. koszulka)

background image

Część I  -  ENERGETYKA  
                 JĄDROWA 

34 

ENERGETYKA 

EKOLOGIA 

Rozdział 1  - Podstawy fizyczne 
                     energetyki jądrowej 

Obraz bliższy rzeczywistości: 

Moderator  

  H

2

σ

s

   - przekrój czynny jąder H

2

 na rozpraszanie  

        neutronów 

σ

Ε

s

znikomo mały

przekrój czynny

energia neutronów prędkich
(emitowanych przez paliwo)

 

 

neutrony o bardzo dużej energii nie są efektywnie 

zwalniane na jądrach pierwiastków lekkich 

 

I etap zwalniania neutronów 

 rozpraszanie na 

jądrach pierwiastków ciężkich 

I’    - w samym paliwie 
II’’ - dodatek kwasu borowego do moderatora w I  
         okresie  pracy reaktora (po załadowaniu paliwa)  
         

 tzw.  moderator przestrzenny 

 

                                                 

(oddziaływanie niesprężyste) 

 
                                                   poziomy bardzo bliskie 

 

                                                               

 

 

                                                  ciągłe widmo neutronów 

 
 

Uwaga:  reakcja typu progowego 

energia neutronów prędkich 

(emitowanych przez paliwo)

 

znikomo mały 

przekrój czynny

 

E (bor)

background image

Część I  -  ENERGETYKA  
                 JĄDROWA 

35 

ENERGETYKA 

EKOLOGIA 

Rozdział 1  - Podstawy fizyczne 
                     energetyki jądrowej 

 

II problem: 

 

- jak zdobyć uran 

235

92

U

 

uran naturalny 

238

92

U

     - 99,28% 

235

92

U

     -   0,71% 

 

Schemat przerobu rudy uranowej: 

 

Wydobycie rudy 

Uranowej 

 

Koncentrat 

U

3

O

8

 

 

Przerób 

U

3

O

8

  

  UF

6

 

 
 

Wzbogacenie 

UF

6

 

 
 

Przerób 

UF

6

  

  UO

2

 

 

 

paliwo jądrowe 

Najtrudniejsze
   Ogniwo 
   procesu 

background image

Część I  -  ENERGETYKA  
                 JĄDROWA 

36 

ENERGETYKA 

EKOLOGIA 

Rozdział 1  - Podstawy fizyczne 
                     energetyki jądrowej 

 

Metoda dyfuzji gazowej 

 

UF

6

  - gaz (zawierający

 

235

92

U

 - 0,71% 

 
                                          Po jednokrotnym przejściu: 

                                                 
                                                    

235

92

U

 - 3

÷

3,5% 

 

      

235

92

U

 F

6

                       mniejszy ciężar cząsteczkowy

     

238

92

U

 F

6

                             

  (mieszanina                                     

235

92

U

 F

     gazowa)                                               

 

 

                                               większa prędkość dyfuzji 
 
 

      ciśnienie                               membrana półprzepuszczalna 

 
 

wielokrotna dyfuzja 

                ~ 4-5% 

                                        (do celów energetycznych) 
                                          wzbogacenie ~90%  
                                       (do celów doświadczalnych 
                                                  militarnych) 

 

p

↑ 

p

background image

Część I  -  ENERGETYKA  
                 JĄDROWA 

37 

ENERGETYKA 

EKOLOGIA 

Rozdział 1  - Podstawy fizyczne 
                     energetyki jądrowej 

 
Charakterystyka metody: 

 

- olbrzymie koszty (aparatura, energia) 
- instalacje o olbrzymich gabarytach 
- proces bardzo trudny  - wymaga bardzo  
  zaawansowanych technologii – produkcja membran  
  półprzepuszczalnych 
 
USA            - zakłady rządowe 
EURODIF  - Francja (założyciel), Włochy, Belgia, 
                      Hiszpania, Iran 
 
Uwaga: 

 

produktem ubocznym wiele użytecznych technologii 

(np. odsalanie wody) 

 

background image

Część I  -  ENERGETYKA  
                 JĄDROWA 

38 

ENERGETYKA 

EKOLOGIA 

Rozdział 1  - Podstawy fizyczne 
                     energetyki jądrowej 

 

1. Metoda odwirowania 

 

- ultrawirówki  - rozdział grawitacyjny wykorzystujący 
                                         różnice gęstości 

 

U

U

235

235

238

238

mniejsza masa

 mniejsza siła
  odśrodkowa

większa masa

 większa siła

  odśrodkowa

     obszar wewnętrzny

(większa koncentracja  U    )

     obszar zewnętrzny

(większa koncentracja  U    )

odsysanie

 

 

Charakterystyka metody: 

 

- mniejsze nakłady kapitałowe 
- miniaturyzacja aparatury 
- większa wydajność metody 

- wyższe koszty produkcji niż dla dyfuzji gazowej 

 
USA      - zakłady rządowe 
Urenco  - Wielka Brytania, Holandia, RFN 

 

background image

Część I  -  ENERGETYKA  
                 JĄDROWA 

39 

ENERGETYKA 

EKOLOGIA 

Rozdział 1  - Podstawy fizyczne 
                     energetyki jądrowej 

 

3. Metoda laserowa 

 
 
 
 

0

0

0

U

U

U

U

235

238

238

235

92

92

92

92

laserowy

promień

ładunek

elektryczny

elektrody

 
 
 
 

Charakterystyka metody: 

 

- miniaturyzacja aparatury (niebezpieczeństwo  
  proliferacji) 
- możliwość wydzielenia do 90% całkowitej ilości 

235

92

U

 

  (metody poprzednie do 60%) 

- metoda ciągle w stadium prób 

tzw. 

„rozwinięta separacja izotopów” 

(technologia rozwijana m.in. 

przez Exxon Nuclear Co) 

background image

Część I  -  ENERGETYKA  
                 JĄDROWA 

40 

ENERGETYKA 

EKOLOGIA 

Rozdział 1  - Podstawy fizyczne 
                     energetyki jądrowej 

 

Reakcje rozszczepienia 

 

Najbardziej powszechna reakcja: 

U

Xe

Sr

U

235

140

94

236

92

54

38

92

N

N

N

10   s

-6

γ

 

 

Bilans energetyczny rozszczepienia: 

 

1)  Energia kinetyczna fragmentów rozszczepienia – 

168 MeV 

2)  Energia kinetyczna neutronów natychmiastowych 

–5 MeV 

3)  Energia fotonów natychmiastowych – 7 MeV 
4)  Energia z rozpadu 

β

 produktów rozszczepienia: 

                                          -  Fotony 

γ

            7 MeV 

                                          -  cząstki 

β

            8 MeV 

                                          -  antyneutrina    12 MeV 

 

                                                                    207 MeV 

Etapy 1

÷

3                                       Etap 4 

92,5% energii                                    7,5% energii 

(w tym energia kinetyczna Sr i Xe – 85%) 

 

 
 
 

Możliwy odzysk 95% w postaci ciepła !!! 

Okresy półrozpadu 

Sr   - 28 lat 

Xe   -  5 dni 

background image

Część I  -  ENERGETYKA  
                 JĄDROWA 

41 

ENERGETYKA 

EKOLOGIA 

Rozdział 1  - Podstawy fizyczne 
                     energetyki jądrowej 

 

Inne możliwe reakcje rozpadu: 
 

n

3

Ba

Kr

U

n

U

144

56

89

36

236

92

235

92

+

+

+

 

 

Uwaga:   obraz uproszczony – w rzeczywistości  
                kilkadziesiąt produktów rozpadu 

!!! 

 

przykład: 
 
reakcja I: 
 

236

236

236

92

93

94

N

N

P

P

U

U

U

materiał

nierozszczepialny

 ( !!! )

neptun

( nie występuje

ani w naturze

ani w tablicy

okresowej

pierwiastków )

pluton

rozszczepialny

( !!! )

 

background image

Część I  -  ENERGETYKA  
                 JĄDROWA 

42 

ENERGETYKA 

EKOLOGIA 

Rozdział 1  - Podstawy fizyczne 
                     energetyki jądrowej 

 

Materiał rozszczepialny – pręty paliwowe 

 

φ 7,5

φ 1,5

6,

5

38

00

36

00

36

00

φ 9,1

160

0,11

0,69

stop cyrkonu

- mały przekrój czynny na
   wychwyt neutronów
- duża wytrzymałość
- odporność na promieniowanie

ksenon
- wzrost ciśnienia ( do
   stu kilkudziesięciu bar )

początkowo - wypełnienie helem

0,04 MW (moc cieplna)

            (40 kW)

pastylka paliwowa

pastylki paliwowe

 

background image

Część I  -  ENERGETYKA  
                 JĄDROWA 

43 

ENERGETYKA 

EKOLOGIA 

Rozdział 1  - Podstawy fizyczne 
                     energetyki jądrowej 

 

Węgiel kamienny – wartość opałowa ~ 30 

 10

3

 kJ/kg 

                                                               ~ 3 

 10

4

 kJ/kg   

 

moc cieplna pręta – 40 kW 

 

energia wytworzona w ciągu 3 lat eksploatacji 

 

40 

 8760 

 3 = 1051200 kWh  

 

= 1 

 10

6

kWh = 1 

 10

6

 

 3,6 

 10

3

 kWs = 3,6

 10

9

 kJ 

 

ile węgla należy spalić dla uzyskania tej samej ilości 
ciepła: 

kg

10

100

10

1

kg

/

kJ

10

0

,

3

kJ

10

6

,

3

3

5

4

9

=

=

 

 

= 100 ton węgla dla wytworzenia  

tej samej energii 

 

Podsumowanie: 

 

1 kg U

235

 

 9000 ton węgla 

 

elektrownia cieplna 1000 MW: 

9000 ton węgla/dobę 

 

elektrownia nuklearna 1000 MW: 

100 kg prętów paliwowych/dobę 

(wzbogacenie 3

÷

4 %) 

tzn: 

równoważnik 3 kg U

235

/dobę 

bo sprawność ~ 30% 

background image

Część I  -  ENERGETYKA  
                 JĄDROWA 

43a 

ENERGETYKA 

EKOLOGIA 

Rozdział 1  - Podstawy fizyczne 
                     energetyki jądrowej 

 

Emisja zanieczyszczeń (porównanie elektrowni 

węglowych i jądrowych) 

 

Przykład:     elektrownia o mocy 1000 MW (emisja  
                                         roczna) 

 
 

elektrownia węglowa      elektrownia jądrowa

 

    SO

2

                     138   tys t 

 

    NO

x

                     20,9 tys t 

 

 substancje              0,03 Ci                    5,5

 10

-6

 Ci 

promieniotwórcze (Ra

226

 ; Ra

228

 )        (Xe

133

 ; Kr

85

 ) 

 

Dopuszczalne normy          Ci = 3,7

 10

10

 [s

-1

     SO

2

                                            0,064 mg/m

3

 

     NO

x

                                           0,022 mg/m

3

 

substancje promieniotwórcze     1

 10

-12

 Ci/m

3

 

 

 

rezultat:           objętość skażonego powietrza 

 
 

elektrownia węglowa      elektrownia jądrowa

 

    SO

2

                  2,15

 10

6

   km

3

 

 

    NO

x

                 9,5

  10

5

   km

3

 

 

 substancje                                           55 km

promieniotwórcze   3

 10

5

   km

3

      (5500 razy mniej!!!)