Nuklearna energia

Autor referátu: Matej Zahatňanský

Nukleárna energia je energia uvoľnená počas štiepenia atómových jadier. Energia hocakého systému, či fyzikálneho, chemického alebo nukleárneho je preukázateľná svojou schopnosťou, konať prácu, uvoľňovať teplo alebo žiarenie. Celková energia systému sa vždy zachováva, ale môže byť prenesená do iného systému alebo môže zmeniť formu.
Približne do konca osemdesiatych rokov bolo hlavným palivom drevo. Počnúc Priemyselnou Revolúciou, ľudia čoraz viac využívali fosílne palivá – uhlie a petrolej. Keď dochádza k spaľovaniu fosílneho paliva, ako napríklad uhlia, atómy vodíka a uhlíka kombinované s atómmi kyslíka zo vzduchu, produkujú vodu a oxid uhličitý. Dochádza k uvoľňovaniu tepla. Množstvo energie, ktoré sa uvolní takýmto spôsobom, je typické pre reakcie pri ktorých dochádza k zmene elektrónovej štruktúry atómov. Časť energie uvolnenej ako teplo udržuje ostatné palivo dostatočne horúce aby reakcia mohla ďalej pokračovať.
Atóm- Atóm pozostáva z malého, pozitívne nabitého jadra, obklopeného elektrónmi. Jadro, zaberajúce väčšiu časť atómu, sa skladá z neutrónov a protónov, navzájom viazaných silnými jadrovými silami, omnoho väčšími ako sú elektrické sily, ktoré viažu elektróny k jadru. Hmotné číslo A jadra sa rovná počtu nukleónov, alebo protónov a neutrónov, obsahuje atómové číslo Z, ktoré vyjadruje počet pozitívne nabitých protónov. Špecifické jadro je určené ako podiel A a Z (X)-prvku, napr. 235/92U –vyjadrenie uránu. Väzbová energia jadra je miera, akou sú protóny a neutróny spolu viazané jadrovými silami. Väzbová energia jedného nukleónu, alebo energia potrebná na odštiepenie jedného protónu alebo neutrónu z jadra, je funkcia hmotného čísla A. Krivka väzbovej energie naznačuje, že ak dve ľahké jadrá splynú a vytvoria ťažšie, alebo ak sa ťažšie jadro rozdelí na dve, dôjde k pevnejšiemu spojeniu jadra a energia sa uvoľní.
Nukleárna energia, ktorá sa meria v meria v miliónoch elektrón-voltoch (MeV) je uvoľňovaná pri splynutí dvoch ľahkých jadier, kedy dochádza k reakcii dvoch vodíkových jadier, deuterónov: 1H + 2 H --- 3He + 1n + 3.2MeV (1) za vzniku hélium-3 atómu, voľného neutrónu a 3.2 MeV. Nukleárna energia sa uvoľňuje pri štiepení ťažšie jadra ako napríklad 235/92U indukovaného absorpciou neutrónu za vzniku
1n + 235U --- 140Cs + 93Rb + 31n + 200 MeV (2)
cézia-140, rubídia-93, troch neutrónov a 200 MeV. Nukleárne štiepenie jadra uvoľňuje 10 miliónov krát viac energie ako pri typickej chemickej reakcii. Nukleárna energia zo štiepenia jadier Dve kľúčové znaky nukleárneho štiepenia jadier sú zakotvené v reakcii číslo 2. Prvý, je veľké množstvo energie vylúčenej pri štiepení. V určitej jednotke, štiepenie jedného kilogramu uránu-235 uvolní 18.7 miliónov kwh formou tepla. Druhý, štiepny proces štartujúci absorpciou jedného neutrónu v urániu-235 uvoľňuje približne 2.5 neutrónov v priemere, z delenia jadier. Neutróny uvoľnené takýmto spôsobom rýchlo zapríčiňujú štiepenie ďalších dvoch atómov, tým dochádza k uvolneniu štyroch alebo viacerých neutrónov, ktoré spustia samo sa podporujúce série nukleárnych štiepení alebo reťazovú reakciu, ktorá postupne uvoľňuje nukleárnu energiu. Prírodne sa vyskytujúci urán obsahuje iba 0.71 percent uránu-235, zvyšok je nefosílny izotop urán-238. Objem prírodného uránu ako takého, bez ohľadu na veľkosť nemôže udržať reťazovú reakciu, lebo len urán-235 je ľahko štiepitelný. Pravdepodobnosť, že štiepenie neutrónu s počiatočnou energiou 1 MeV bude indukovať štiepenie je veľmi malá, ale môže byť zvýšená stonásobne, ak dôjde k spomaleniu neutrónu cez série elastických zrážok z ľahkými jadrami, ako sú napríklad vodík, deuterón, alebo uhlík. Tento fakt je dôležitý pri výrobe praktických energiu produkujúcich štiepnych reaktorov. V decembri 1942 sa na univerzite v Chicagu podarilo talianskemu fyzikovi Enricovi Fermimu, vytvoriť prvú reťazovú reakciu vôbec. Bola založená na využití prírodného kusa uránu rozloženého vnútri čistého grafitu. Vo Fermiho laboratórnom reaktore, grafitový regulátor poslúžil ako spomaľovač neutrónov.

Nukleárne reaktory
Prvé rozsiahle nukleárne reaktory boli postavené v roku 1944 v Hanforde vo Washingtone, na produkciu nukleárnych zbraní. Palivom bola prírodná uránová ruda a moderátorom, grafit. Plutónium bolo v týchto továrňach vyrobené neutrónovou absorpciou v uráne-238, energia, ktorá tým vznikala nebola využitá.
Ľahké a Ťažké vodné reaktory.
Rôznorodé typy reaktorov, charakterizovaných typom paliva, moderátorom a chladiacou látkou boli postavené po celom svete na produkciu elektrickej energie. V Spojených Štátoch Amerických, z niekoľkými výnimkami, reaktory využívajú nukleárne palivo vo forme uránového oxidu izotopicky obohateného o 3 percentný urán-235. Moderátor a chladič sú veľmi čisté látky, najbežnejšie voda. Reaktor takéhoto typu je označovaný ako ľahký vodný reaktor /LWR/. V tlakovom vodnom reaktore, ktorý je verziou ľahkého vodného reaktora, vodný chladič pôsobí pri tlaku asi 150 atmosfér. Voda je potom pumpovaná cez jadro reaktora kde dosahuje teplotu 325 0C. Super horúca voda je ďalej pumpovaná cez parný generátor, kde pri tepelných výmenách, kde druhý prúd vody je zohrievaný a mení sa na paru. Táto para poháňa jednu alebo viaceré turbíny, potom sa zahusťuje a pumpuje späť do parného generátora.
Druhý prúd vody je izolovaný od reaktorového jadra a preto nie je rádioaktívny. Tretí prúd vody z jazera, rieky, alebo chladiacej veže sa využíva na kondenzáciu pary. Reaktorová tlaková nádoba je 15 m vysoká s 5 m priemerom, z hrúbkou stien 25 cm. Jadro obsahuje 82 t uránového oxidu obsiahnutého v tenkých korózii odolných tubách, založených v palivových zväzkoch. Vo vrúcom vodnom reaktore /BWR/, druhý typ LWR , vodný chladič môže vrieť vo vnútri jadra pri menšom tlaku. Para, ktorá sa tvorí v reaktorovej tlakovej nádobe prúdi priamo do turbíny, tam sa kondenzuje, a potom pumpuje späť do reaktora. Hoci je para rádioaktívna, nedochádza k stretu tepelného výmencu medzi reaktorom a turbínou, a tým k zníženiu výkonnosti. Tak ako pri PWR, kondenzor chladiaci vodu má vlastný zdroj, ako napríklad jazero alebo rieka.
Počas práce, ale aj po vypnutí, veľký 1000 megawatový (MW) reaktor ostáva rádioaktívny. Radiácia vyžarovaná počas práce reaktora a zo štiepnych produktov po vypnutí, je absorbovaná v tenkých betónových štítoch okolo reaktora a primárneho chladiaceho systému. Ostatné bezpečnostné znaky obsahujú záchranné jadro, chladiace jadro pre prípad prehriatia a vo väčšine krajín aj veľkú betónovú alebo oceľovú budovu, aby sa prípadný rádioaktívny únik nemohol dostať ďalej.
Reaktorový pohon
Nukleárne sústavy podobné PWR sú využívané na pohon veľkých vodných plavidlách, akým je aj lietadlová loď USS Nimitz. Základná technológia PWR systému bola po prvý krát vyvinutá v US námornom reaktorovom programe pod vedením admirála Hymana G. Rickovera. Reaktory pre pohon ponoriek sú obyčajne menšie a využívajú vysoko obsažný urán, aby využívali celé jadro. USA, Veľká Británia, Francúzsko a Rusko, všetky tieto štáty majú ponorky s takýmto pohonom. Tri experimentálne vodné nákladné plavidlá využívali určitý čas US, Nemecko a Japonsko. Hoci boli technicky uspokojivé, ekonomické podmienky a obmedzujúce regulácie prístavov urobili koniec pokusom o vytvorenie nákladnej vodnej dopravy na nukleárny pohon. Bývalý Sovietsky zväz postavil prvého ľadoborca, Lenina na nukleárny pohon, ktorý čistil vodné trasy v Arktickom mori.
Jadrové zbrane
Každá nukl. reťazová reakcia sa začína tým, že neutróny štiepia po náraze ďalšie atómové jadrá. Z rozštiepeného jadra sa opäť uvolnia neutróny. Pretože každý voľný neutrón nenarazí do jadra, reťazová reakcia nemusí pokračovať. Na priebeh reťazovej reakcie musí byť objem rádioaktívne štiepateľného materiálu taký, aby neutrón mohol pôsobiť na ďalšie atómové jadrá.
Minimálne množstvo potrebné na udržanie reťazovej reakcie sa nazýva kritický objem, ktorý sa potom odpáli pomocou výbušniny. Potom je už priebeh jadrovej reakcie explozívny. Pri tom sa uvolní veľké množstvo energie. Hirošimská bomba uvolnila 23,2 mil. KWh energie pri teplote 14 mil. °C.
16.júla 1945 vyrobili prvú atómovú bombu a už 6-9. augusta 1945 bola zhodená na Hirošimu a Nagasaki.
Podmienky na výrobu atómovej bomby sú náročnejšie ako na vybudovanie jadrového reaktora. Kým prvý jadrový reaktor v Chicagu sa zaobišiel bez štiepateľného uránu 235, v atómovej bombe musí byť jeho podiel omnoho väčší. Prírodný urán však obsahuje 99,8% neštiepateľného uránu 238, a len 0,7% uránu 235. Ak by sa bomba mala vyrobiť z uránu 238, muselo by byť jeho množstvo také obrovské, že by sa bomba nedala dopraviť na miesto použitia. V súčasnosti sa jadroví fyzici snažia vyrobiť metódu na získavanie dostatočného množstva uránu 235.
Účinky 20-kilotonovej atómovej bomby hirošimského typu: uvoľnená energia sa rozdeľuje na tri druhy -asi 35% tvorí tepelné žiarenie, 50% tvorí energia tlakovej vlny a zvyšných 15% tvoria rôzne druhy rádioaktívneho žiarenia. Každá s týchto energií má však rozdielne ničivé účinky. Teplý účinok vychádza najskôr zo svetelného záblesku a trvá asi 10 s. Za tento čas roztaví v okruhu 1km všetky kovové predmety. Nukleárne žiarenie sa rozdeľuje na uvoľnené primárne a sekundárne, ktoré pochádza zo zamorených materiálov. Ani primárne ani sekundárne rádioaktívne žiarenie nepoškodzuje neživé predmety, živé organizmy však zabíja. Tlaková vlna po explózii pôsobí asi 30 sek. a zničí ľahšie stavby až do vzdialenosti asi 3 km od epicentra výbuchu.
Zachytené nukleárne nehody
Oct. 7, 1957- Požiar v plutóniovom reaktore v Liverpoole, došlo k uvolneniu rádioakt. mater. do prostredia. Britská vláda uviedla, že roku 1983 zomrelo 93 ľudí na rakovinu ako následok.
1957- Chem. explózia v Kazli, Russia. Nádrže obsahujúce nukl. odpad, rozšírili rádioaktívny materiál a zapríčinili evakuáciu obyvateľstva.
Oct. 5, 1966- Sodný chladiaci systém spôsobil roztavenie jadra pri Detroite. Došlo k radiácii.
Jan. 21, 1969- V experimentálnom podzemnom reaktore v Švajčiarsku došlo k radiácii. Bola uzatvorená celá podzemná jaskyňa.
Mar. 22, 1975- Technická kontrola vzdušného úniku so zapálenou sviečkou spôsobila 100 mil. dolárový požiar v Alabame.
Mar. 28, 1979- Najhoršia komerčná nukleárna nehoda v US bola spôsobená nespoľahlivým vybavením a chybami ľudí. Došlo k roztaveniu jadra reaktora v Pennsylvánii.
Feb. 11, 1981- Osem pracovníkov bolo kontaminovaných, keď 100,000 galónov rádioaktív. chladiča uniklo v Tennessee.
Apr. 25, 1981- Okolo 100 pracovníkov bolo vystavených žiareniu počas opráv na nukl. továrni v Japonsku.
Apr. 26, 1986- Najhoršia katastrofa v dejinách nukl. priemyslu. Výbuchy a požiare spôsobené neautorizovaným experimentom v Černobyle mali za následok najmenej 31 na mieste mŕtvych. Rádioaktívny materiál sa rozšíril po celej Európe a dodnes ešte spôsobuje ochorenia a ďalej zabíja.
Nukleárne palivá a odpad
Hazardné palivá použité v nukleárnych reaktoroch predstavujú problém po ich využití. To je hlavná pravda o použitých palivách, ktoré musia byť uložené nejakým spôsobom.
Palivový cyklus. Hocijaká elektriku produkujúca továreň je len časťou celého energického cyklu. Uránový palivový cyklus, využívaný pri LWR systéme dominuje v celosvetovej produkcii a obsahuje množstvo krokov. Urán sa ťaží aj povrchovo, aj pod zemou.
Ruda, jej elementárna forma sa potom mení na uránový hexafloridový plyn (UF6). V izotopom obohatenej sústave, plyn je tlačený proti pórovitej bariére, ktorá prepúšťa ľahší urán-235. Tento proces obohatí urán asi o 3 percentá uránu-235. Takto obohatení produkt sa posiela do palivových tovární, kde UF6 plyn sa mení na uránový oxid vo forme prášku. Ten sa plní do keramických nádob, ktoré potom chráni proti korózna vrstva. Nakoniec sa pripravené posielajú do reaktorov.
Použité palivo stále ešte obsahuje takmer pôvodné množstvo uránu-238, tretinu uránu-235 a časť plutónia-239, ktorý sa tvorí v reaktore. V prípade, kde sa použité palivo posiela na stálu skládku, žiadny potenciálny energický obsah sa už nevyužije. Ak sa však použitý urán recykluje cez difúzny systém, môže sa znova získané plutónium-239 použiť namiesto časti uránu-235 v nových palivových elementoch. K spätnému využitiu plutónia v US nedochádza z dôvodu jeho možného využitia ilegálne na výrobu zbraní.


Použitá literatúra :
World Almanac, 1995
Funk and Wagnalls New Encyklopedia, 1995
K. Biermann, F. Hanus- Kronika ľudstva, 1992
K. Biermann, F. Hanus- Kronika techniky, 1993
Internet