Παραγωγή Πυρηνικής Ενέργειας-Παραγωγή Πυρηνικής Ενέργειας-Πυρηνικοί ΑντιδραστήρεςΠυρηνικοί Αντιδραστήρες

Νικολέτα Βόντα Νικολέτα Βόντα

Τμήμα ΧημείαςΤμήμα Χημείας

Ε.Κ.Π.Α.Ε.Κ.Π.Α.

Ιστορική αναδρομήΙστορική αναδρομή

• 19321932: : James ChadwickJames Chadwick-ανακάλυψη νετρονίου-ανακάλυψη νετρονίου

• 19331933: Ζεύγος : Ζεύγος Curie Curie – ανακάλυψη τεχνητής ραδιενέργειας – ανακάλυψη τεχνητής ραδιενέργειας βομβαρδίζοντας υλικά με σωμάτια α βομβαρδίζοντας υλικά με σωμάτια α

• 19341934: Ε: Εnrico nrico FermiFermi και η ομάδα του: ‘βομβαρδισμός’ ουρανίου με και η ομάδα του: ‘βομβαρδισμός’ ουρανίου με νετρόνιανετρόνια

• 19381938: : Otto HahnOtto Hahn, , Frich StrassmanFrich Strassman, , Lise MeitnerLise Meitner: ανακάλυψη του : ανακάλυψη του στοιχείου βαρίου σαν προϊόν του βομβαρδισμού του ουρανίου με στοιχείου βαρίου σαν προϊόν του βομβαρδισμού του ουρανίου με νετρόνιονετρόνιο

• 19391939: : Lise Meitner Lise Meitner και και Frich Otto Frich Otto θεωρητική εξήγηση της θεωρητική εξήγηση της σχάσης σχάσης

• 19421942: Έναρξη του σχεδίου : Έναρξη του σχεδίου Manhattan Manhattan από τα από τα πανεπιστημιακά εργαστήρια των πανεπιστημιακά εργαστήρια των ColumbiaColumbia, , Berkeley Berkeley και και Chicago Chicago ((Oppenheimer, Bohr, Chadwick, FermiOppenheimer, Bohr, Chadwick, Fermi))..

• 19421942(2 (2 Δεκεμβρίου): Πρώτη ελεγχόμενη αλυσιδωτή Δεκεμβρίου): Πρώτη ελεγχόμενη αλυσιδωτή αντίδραση και λειτουργία του πρώτου πυρηνικού αντίδραση και λειτουργία του πρώτου πυρηνικού αντιδραστήρα αντιδραστήρα Chicago Pile-1Chicago Pile-1 από από Fermi Fermi στο στο ChicagoChicago

• 19451945(16 Ιουλίου): Δημιουργία της πρώτης πυρηνικής (16 Ιουλίου): Δημιουργία της πρώτης πυρηνικής βόμβας ‘‘βόμβας ‘‘Trinity’’Trinity’’ – έκρηξη στο – έκρηξη στο Alomogordo (Los Alomogordo (Los Alamos)Alamos)

• 19451945(6 Αυγούστου): Ρίψη πυρηνικής βόμβας ουρανίου (6 Αυγούστου): Ρίψη πυρηνικής βόμβας ουρανίου ((Little boy) Little boy) στη Χιροσίμαστη Χιροσίμα

• 19451945(9 Αυγούστου): Ρίψη πυρηνικής βόμβας (9 Αυγούστου): Ρίψη πυρηνικής βόμβας πλουτωνίου (πλουτωνίου (Fat man)Fat man) στο Ναγκασάκι στο Ναγκασάκι

• 19561956: Σύσταση Διεθνούς Επιτροπής Ατομικής : Σύσταση Διεθνούς Επιτροπής Ατομικής ΕνέργειαςΕνέργειας

Χρονολόγιο των πιο σοβαρών Χρονολόγιο των πιο σοβαρών πυρηνικών ατυχημάτωνπυρηνικών ατυχημάτων

• 19861986: Τσερνόμπυλ, έκρηξη στη μονάδα 4: Τσερνόμπυλ, έκρηξη στη μονάδα 4

• 19571957: Ατύχημα στο σταθμό επεξεργασίας πυρηνικών : Ατύχημα στο σταθμό επεξεργασίας πυρηνικών αποβλήτων αποβλήτων Kysthym (Kysthym (Ρωσία)Ρωσία)

• 19571957: Διαρροή ραδιενεργών υλικών στο: Διαρροή ραδιενεργών υλικών στο Windscale Windscale (M. (M. Βρετανία)Βρετανία)

• 19791979: Μερική τήξη του πυρήνα του αντιδραστήρα στον : Μερική τήξη του πυρήνα του αντιδραστήρα στον πυρηνικό σταθμό πυρηνικό σταθμό Three-Mile IslandThree-Mile Island (ΗΠΑ) (ΗΠΑ)

• 19801980: Ζημιές στις πυρηνικές εγκαταστάσεις στο : Ζημιές στις πυρηνικές εγκαταστάσεις στο Saint Saint Laurent Laurent (Γαλλία)(Γαλλία)

• 20112011: Πυρηνικό ατύχημα στη : Πυρηνικό ατύχημα στη FukusFukushhima Iima I (Ιαπωνία) (Ιαπωνία)

Πυρηνική ΣχάσηΠυρηνική Σχάση

Τι είναι ;Τι είναι ;• Πυρηνική αντίδραση στην Πυρηνική αντίδραση στην

οποία ο πυρήνας του οποία ο πυρήνας του ατόμου χωρίζεται σε 2 ατόμου χωρίζεται σε 2 ελαφρύτερους πυρήνες ελαφρύτερους πυρήνες παράγοντας ενέργεια παράγοντας ενέργεια ελεύθερα νετρόνια και γ ελεύθερα νετρόνια και γ ακτινοβολίαακτινοβολία

• Αυθόρμητη σχάσηΑυθόρμητη σχάση (Spontaneous fission)(Spontaneous fission): : ραδιενεργός αποδιέγερση, ραδιενεργός αποδιέγερση, πραγματοποιείται χωρίς πραγματοποιείται χωρίς ‘‘βομβαρδισμό’’ νετρονίου ‘‘βομβαρδισμό’’ νετρονίου σε βαριά ραδιενεργά σε βαριά ραδιενεργά ισότοπαισότοπα

• Εξαναγκασμένη σχάση Εξαναγκασμένη σχάση ((Induced fission)Induced fission): : αποτέλεσμα της πυρηνικής αποτέλεσμα της πυρηνικής διέγερσης όταν ένας διέγερσης όταν ένας σχάσιμος πυρήνας δεσμεύει σχάσιμος πυρήνας δεσμεύει 1 νετρόνιο 1 νετρόνιο

Μηχανισμός σχάσηςΜηχανισμός σχάσης• Σταδιακή παραμόρφωση Σταδιακή παραμόρφωση

πυρήναπυρήνα

• Για μικρές παραμορφώσεις Για μικρές παραμορφώσεις η η ενέργεια αυξάνεται καθώς ενέργεια αυξάνεται καθώς αυξάνεται η επιφάνειααυξάνεται η επιφάνεια

• Όταν ο πυρήνας αρχίζει να Όταν ο πυρήνας αρχίζει να χωρίζεται στα 2 , χωρίζεται στα 2 , η ενέργεια η ενέργεια χαμηλώνει καθώς αυξάνεται ο χαμηλώνει καθώς αυξάνεται ο διαχωρισμός διαχωρισμός λόγω του λόγω του δυναμικού δυναμικού CoulombCoulomb

• Για να γίνει η σχάση πρέπει να Για να γίνει η σχάση πρέπει να υπερνικηθεί ένα ενεργειακό όριο υπερνικηθεί ένα ενεργειακό όριο ((Energy barrier)Energy barrier)

Αλυσιδωτές αντιδράσειςΑλυσιδωτές αντιδράσεις

• Απορρόφηση θερμικού νετρονίου Απορρόφηση θερμικού νετρονίου ((0,025 0,025 eV) eV) (thermal neutron)(thermal neutron) από από τον πυρήνατον πυρήνα

• Δημιουργία 2 θυγατρικών πυρήνων Δημιουργία 2 θυγατρικών πυρήνων και ελευθέρωση 2-3 νετρονίωνκαι ελευθέρωση 2-3 νετρονίων με με μεγάλη ΚΕμεγάλη ΚΕ (1 MeV) (1 MeV) (fast neutrons)(fast neutrons)

• Τα Τα fast neutronsfast neutrons ελαττώνουν την ελαττώνουν την ενέργεια τουςενέργεια τους μέσω μιας σειράς μέσω μιας σειράς ελαστικών κρούσεωνελαστικών κρούσεων

• Ο αριθμός νετρονίων Ο αριθμός νετρονίων πολλαπλασιάζεται από τη μια γενιά πολλαπλασιάζεται από τη μια γενιά στην άλλη όπου στην άλλη όπου τα καινούρια τα καινούρια νετρόνια πυροδοτούν νέες σχάσεις νετρόνια πυροδοτούν νέες σχάσεις κι έτσι δημιουργείται η αλυσιδωτή κι έτσι δημιουργείται η αλυσιδωτή αντίδρασηαντίδραση

Πυρηνικοί αντιδραστήρεςΠυρηνικοί αντιδραστήρες

Τι είναι;Τι είναι;

Είναι μια διάταξη που πραγματοποιεί και Είναι μια διάταξη που πραγματοποιεί και ελέγχει μια αλυσιδωτή πυρηνική αντίδρασηελέγχει μια αλυσιδωτή πυρηνική αντίδραση

• Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειαςΠαραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας• Παρασκευή ισοτόπων για ιατρική και Παρασκευή ισοτόπων για ιατρική και

βιομηχανική χρήσηβιομηχανική χρήση• Για ερευνητικούς σκοπούςΓια ερευνητικούς σκοπούς

Πώς δουλεύουν;Πώς δουλεύουν;

Α Μετατρέπουν τη θερμική ενέργεια Α Μετατρέπουν τη θερμική ενέργεια που που απελευθερώνεται από την πυρηνική σχάση (μέσω απελευθερώνεται από την πυρηνική σχάση (μέσω αλυσιδωτής αντίδρασης) αλυσιδωτής αντίδρασης) σε ωφέλιμη ηλεκτρικήσε ωφέλιμη ηλεκτρική

Β Παραγωγή θερμότητας: Β Παραγωγή θερμότητας: 1)1) μετατροπή κινητικής μετατροπή κινητικής ενέργειας προιόντων σε θερμικήενέργειας προιόντων σε θερμική

22)) από τη ραδιενεργό από τη ραδιενεργό διάσπαση των προιόντων της σχάσηςδιάσπαση των προιόντων της σχάσης

33) ) από τη γ ακτινοβολίααπό τη γ ακτινοβολία

Καρδιά πυρηνικού αντιδραστήραΚαρδιά πυρηνικού αντιδραστήρα(Fission reactor core)(Fission reactor core)

1)1) Καύσιμα στοιχεία (Καύσιμα στοιχεία (fuel elements)fuel elements) κύλινδροι καυσίμου (κύλινδροι καυσίμου (fuel bars) fuel bars) UU εμπλουτισμένο σε εμπλουτισμένο σε U-235 U-235 ήή Pu-239 Pu-239

2) 2) Επιβραδυντής (Επιβραδυντής (moderator) moderator)

θερμοποίηση νετρονίουθερμοποίηση νετρονίου

βυθίζοντας τις ράβδους καυσίμου σε βυθίζοντας τις ράβδους καυσίμου σε

HH₂₂OO

33) Σύστημα εξαγωγής θερμότητας ) Σύστημα εξαγωγής θερμότητας

((heat extraction system)heat extraction system)

ψυκτικό μέσο ψυκτικό μέσο

περιορισμός της θερμοκρασίας ή περιορισμός της θερμοκρασίας ή μεταφορά θερμικής ενέργειας σε ηλ. μεταφορά θερμικής ενέργειας σε ηλ. γεννήτριεςγεννήτριες

Διαχωρισμός των πυρηνικών Διαχωρισμός των πυρηνικών αντιδραστήρωναντιδραστήρων

• Πυρηνική σχάσηΠυρηνική σχάση

1)1) Θερμικοί αντιδραστήρες (Θερμικοί αντιδραστήρες (thermal reactors)thermal reactors):: θερμικά νετρόνια θερμικά νετρόνια -- επιβραδυντές επιβραδυντές ((moderators)moderators) και και U-235, Pu-239, Pu-241U-235, Pu-239, Pu-241 ((καύσιμο)καύσιμο)2)2) Αντιδραστήρες γρήγορων νετρονίων( Αντιδραστήρες γρήγορων νετρονίων( fast neutron fast neutron

reactors)reactors) : : όχι επιβραδυντής και όχι επιβραδυντής και U-23U-238 8 ((καύσιμο)καύσιμο)3) Αντιδραστήρες που λειτουργούν με βάση 3) Αντιδραστήρες που λειτουργούν με βάση

επιταχυντές σωματιδίων (επιταχυντές σωματιδίων (reactors driven by reactors driven by particle acceleratorsparticle accelerators))

Thermal reactors• KKαύσιμο αύσιμο

UOUO₂ ₂ ( 3% ( 3% σε σε U-235) U-235) με με περίβλημα κράματος περίβλημα κράματος ZrZr

• ΕπιβραδυντήςΕπιβραδυντής

Ελαφρύ νερό (κανονικό νερό)Ελαφρύ νερό (κανονικό νερό)

• Καρδιά-πυρήνας Καρδιά-πυρήνας

Ράβδοι καυσίμου σε συστοιχία Ράβδοι καυσίμου σε συστοιχία Δοχείο πίεσης περιέχει το νερόΔοχείο πίεσης περιέχει το νερό

• Εξαγωγή θερμότητας Εξαγωγή θερμότητας

Θέρμανση νερού σε υψηλή Θέρμανση νερού σε υψηλή πίεση πίεση

Άντληση νερού σε Άντληση νερού σε ατμογεννήτρια όπου βράζειατμογεννήτρια όπου βράζει

Ο ατμός κινεί στρόβιλο Ο ατμός κινεί στρόβιλο

Βoiling Water Reactor

Σύστημα ψύξης και Σύστημα ψύξης και επιβραδυντής επιβραδυντής ::

νερό σε χαμηλότερη νερό σε χαμηλότερη πίεση (σε σχέση με πίεση (σε σχέση με τον τον PWR)PWR) το το νερό βράζει μέσα στο νερό βράζει μέσα στο δοχείο πίεσης δοχείο πίεσης παράγοντας ατμό που παράγοντας ατμό που κινητοποιεί τις κινητοποιεί τις τουρμπίνες τουρμπίνες

Τρέχουσες τεχνολογίες Τρέχουσες τεχνολογίες thermal reactorsthermal reactors

Pressurized Water Reactor Σύστημα ψύξης και Σύστημα ψύξης και επιβραδυντήςεπιβραδυντής: :

HH₂₂O (300O (300 ° ° C , 150 atm)C , 150 atm)

1)1)Α) Α) Νερό τροφοδοτεί 1 Νερό τροφοδοτεί 1 εναλλάκτη θερμότητας εναλλάκτη θερμότητας

Β)Β) Δευτερεύον Δευτερεύον κύκλωμα νερού κύκλωμα νερού

Γ) Γ) Παραγωγή ατμού Παραγωγή ατμού που κινεί τις τουρμπίνεςπου κινεί τις τουρμπίνες

2) 2) Το καύσιμο μπορεί να Το καύσιμο μπορεί να κρατήσει 3 χρόνια μέχρι κρατήσει 3 χρόνια μέχρι να μολυνθεί εντελώς από να μολυνθεί εντελώς από τα προϊόντα της σχάσηςτα προϊόντα της σχάσης

Γενικά έχουμε Γενικά έχουμε ικανοποιητική ικανοποιητική αποτελεσματικότητααποτελεσματικότητα

Τρέχουσες τεχνολογίες Τρέχουσες τεχνολογίες thermal reactorsthermal reactors

Fast neutron reactorsFast neutron reactors• Καύσιμο Καύσιμο : :

Μίγμα διοξειδίων του Μίγμα διοξειδίων του ουρανίου και πλουτωνίου ουρανίου και πλουτωνίου σε δοχεία ανοξείδωτου σε δοχεία ανοξείδωτου χάλυβαχάλυβα

• Επιβραδυντής Επιβραδυντής :: Δεν υπάρχει Δεν υπάρχει

• Καρδιά-πυρήνας: Καρδιά-πυρήνας:

Να (ψυκτικό υγρό)Να (ψυκτικό υγρό)

Ο πυρήνας περιβάλλεται Ο πυρήνας περιβάλλεται από από UOUO₂₂ σε δοχεία από σε δοχεία από ανοξείδωτο χάλυβαανοξείδωτο χάλυβα

• Απομάκρυνση θερμότητας :Απομάκρυνση θερμότητας :

α)α)Θέρμανση Να από την Θέρμανση Να από την καρδιά καρδιά

β)β)Άντληση 1 ενδιάμεσου Άντληση 1 ενδιάμεσου εναλλάκτη θερμότητας εναλλάκτη θερμότητας

γ)γ) Θέρμανση Να σε Θέρμανση Να σε δευτερεύον κύκλωμα δευτερεύον κύκλωμα

δ)δ) Μεταφορά θερμότητας Μεταφορά θερμότητας σε γεννήτρια ατμών σε γεννήτρια ατμών

Accelerated driven subcritical Accelerated driven subcritical reactorsreactors

• ΑΑccelerator driven system ccelerator driven system : :

α) α) Είναι 1Είναι 1 επιταχυντής (1 επιταχυντής (1 GeV)GeV) που που παράγειπαράγει πρωτόνια πρωτόνια

β) β) Κάθε πρωτόνιο που αλληλεπιδρά Κάθε πρωτόνιο που αλληλεπιδρά με 1 στόχο με 1 στόχο Pb Pb δημιουργεί πυρηνικά δημιουργεί πυρηνικά θραύσματα και νετρόνια (σε θραύσματα και νετρόνια (σε αναλογία 1 προς 20) αναλογία 1 προς 20)

γ) γ) Δεν υπάρχουν επιβραδυντές ούτε Δεν υπάρχουν επιβραδυντές ούτε ράβδοι ελέγχουράβδοι ελέγχου

Σκοπός λειτουργίας Σκοπός λειτουργίας : :

1) 1) Καταστροφή βαρέων ισοτόπων Καταστροφή βαρέων ισοτόπων ((Ne-237, Am-241, Am-243,Ne-237, Am-241, Am-243, Pu-239)Pu-239)..

Αρνητικές προεκτάσεις της Αρνητικές προεκτάσεις της λειτουργίας των πυρηνικών λειτουργίας των πυρηνικών

αντιδραστήρων αντιδραστήρων • Εκπομπή ραδιενεργών ουσιών προς την ατμόσφαιραΕκπομπή ραδιενεργών ουσιών προς την ατμόσφαιρα

• Δημιουργία πρόσθετων πυρηνικών μονάδων (μονάδα Δημιουργία πρόσθετων πυρηνικών μονάδων (μονάδα εξόρυξης ουρανίου κτλ)εξόρυξης ουρανίου κτλ)

• Διαχείριση των πυρηνικών αποβλήτωνΔιαχείριση των πυρηνικών αποβλήτων

1) μεγάλο κόστος1) μεγάλο κόστος

2) παράνομοι τρόποι αντιμετώπισής 2) παράνομοι τρόποι αντιμετώπισής

• Μέσος όρος ζωής ενός αντιδραστήρα 30 χρόνιαΜέσος όρος ζωής ενός αντιδραστήρα 30 χρόνια

Πυρηνική ενέργεια – κρίσιμα Πυρηνική ενέργεια – κρίσιμα ερωτήματαερωτήματα

• Πώς θα πρέπει να τοποθετηθούμε Πώς θα πρέπει να τοποθετηθούμε απέναντι στη χρήση και λειτουργία των απέναντι στη χρήση και λειτουργία των πυρηνικών αντιδραστήρων;πυρηνικών αντιδραστήρων;

• Κατά πόσο αληθεύει ότι συμβάλλουν Κατά πόσο αληθεύει ότι συμβάλλουν στην ‘πράσινη’ ανάπτυξη; στην ‘πράσινη’ ανάπτυξη;

Συμπεράσματα Ερμηνεία

• 1) Πυρηνική σχάση και μηχανισμός

• 2) Δομή και βασική λειτουργία πυρηνικών αντιδραστήρων