FYZIKA

 
FYZIKÁLNE ÚLOHY
EXPERIMENTY
UČEBNÉ TEXTY
TESTY
VÝUČBA
DIDAKTIKA FYZIKY
WWW STRÁNKY
ENV. FYZIKA
PUBLIKÁCIE
DIPLOMOVÉ  PRÁCE
UČEBNÉ POMÔCKY
ĎALŠIE VZDELÁVANIE
KUF - KLUB UČITEĽOV
DIDFYZKE
AKTUALITY

Fosílne zdroje (uhlie, ropa, zemný plyn) majú podľa údajov z r.1996 kapacitu asi 3300 miliárd tmp (1tmp = 1kWr t.j. 8760 kWh=365x24kWh). Ak budeme vychádzať z ročnej spotreby 13 miliárd tmp, predstavuje to teda zásoby na 275 rokov. Iste výpočty takéhoto druhu skrývajú v sebe mnohé úskalia. Stačí zvýšiť nepatrne spotrebu energie a to ovplyvní životnosť zdrojov. Na strane druhej nečakané objavy môžu zvýšiť ich životnosť. Z takýchto výpočtov nie sú dôležité čísla, ale skutočnosť, že neobnoviteľné zdroje tu nebudú večne. Okrem toho nesú so sebou ohrozenie životného prostredia.

Tradičné - fosílne zdroje energie možno rozdeliť na:

a) Tuhé - tu patrí uhlie čierne a hnedé, drevo, rašelina, lignit. V celosvetovom meradle sa uhlie používa využíva z 90-95% ako palivo a z 5-10% ako chemická surovina.

b) Kvapalné – ropa, dechty a zemné oleje. Ropa sa spracováva z 90% na kvapalné palivá a z 10% na chemikálie , maziva asfalt, parafín a pod.

c) Plynné – zemný plyn, obsahuje 50 až 90 % metánu CH₄ a vyššie uhľovodíky typu ethan, propán bután.

Pre energetické účely je najdôležitejšia výroba tepla e elektrickej energie v teplárňach a parných elektrárňach. Princíp výroby tepla a elektrickej energie spočíva v priamom spaľovaní fosílnych palív. Ich spálením vzniká teplo, ktorým sa ohrieva voda na vykurovanie alebo vzniknutá para (pri vysokej teplote a tlaku) roztáča turbínu, ktorá je spojená s generátorom, ktorý vyrába už elektrickú energiu – tepelné elektrárne.

Výhodou “tepelnej” výroby elektrickej energie je pomerne jednoduchá a nenáročná prevádzka, relatívne vysoká výhrevnosť pri minimálnych nákladoch. Výhrevnosť niektorých látok je uvedená v tabuľke č.3.

Tab.3 : Výhrevnosť niektorých palív

Nevýhodou fisílnych palív je:

- veľké množstvo odpadu, emisných plynov a popolčeka,

- náročná manipulácia s primárnym zdrojom (ťažba hlboko v zemi, v mori),

- vyčerpateľnosť primárneho zdroja,

Jadrová energia sa získava štiepením izotopov uránu, tória, plutónia, deutéria a tricia. V dnešných jadrových elektrárňach sa väčšinou štiepi urán, ktorý sa v prírode nachádza ako minerál smolinec alebo uranin s obsahom 30% až 60 % uránu carnicit s obsahom 50% uránu. Jadrové palivo je veľmi efektívne. Z 1g ²³⁵U vznikne úplným štiepením 75600 MJ tepelnej energie.

Prvá jadrová elektráreň na svete bola pripojená k sieti v  r.1954 v Obninsku pri Moskve. Jej tepelný výkon je 30 MW a elektrický 5MW. V r.1989 bolo postavených viac ako 250 jadrových elektrárni a ďalšie sú naplánované. Jadrové elektrárne sú v podstate tepelné elektrárne, kde sa používa namiesto parného kotla jadrový reaktor a parný generátor a výmenník tepla. Rozdiel je iba v použitom druhu paliva a spôsobu jeho premeny na teplo.

Tepelná energia sa môže získať dvomi spôsobmi:

V súčasnosti sa používa pre energetické účely len štiepna reakcia, ktorá je dobre technologicky zvládnutá. Vieme ju riadiť, regulovať. Až sa podarí vedcom zvládnuť riadenie priebehu termonukleárnej reakcie, dostane človek nevyčerpateľný zdroj energie.

V jadrovom reaktore sa štiepia ťažké jadra atómu ²³⁵U a ²³⁸U alebo plutónia ²⁴²Pu. Jadrová energia sa získava nárazom neutrónov na jadro štiepneho materiálu, v dôsledku čoho sa jadro rozpadne na dve časti. Uvoľnená energia má podobu žiarenia (9%), podobu kinetickej energie (83,5%). Súčasne vznikajú voľné neutróny (2,5%) a neutrína (5%) a tým i reťazová reakcia a trvalé uvoľňovanie energie. Uvoľnená energia sa teplonosnou látkou napr. H₂O, CO₂ odvádza do výmenníka tepla a z neho do parnej turbíny. K regulácii rýchlosti štiepenia sa používa moderátor napr. ťažká voda, grafit, berýlium.

Množstvo tepelnej energie uvoľnenej štiepením 1kg izotopu ²³⁵U je 21.10⁶ kWh, čo odpovedá 24 hodinovej prevádzke reaktoru s tepelným výkonom 877 MW. Hoci náklady na výstavbu jadrových elektrárni sú vyššie ako u klasických tepelných elektrárni, prevádzkové náklady včítane nákladov na palivo sú menšie.

Bezpečnosť jadrových elektrárni proti úniku rádioaktívneho odpadu je zabezpečená tromi spôsobmi. Prvou bariérou brániacou úniku radiácie je obal palivových článkov, druhou bariérou je tlaková nádoba a treťou je samotná ochranná nádoba v  ktorej je reaktor uložený. Pri úniku chladiaceho média z primárneho kruhu by vzniklo množstvo rádioaktívnej pary. Jej úniku do okolia bráni ochranná nádoba.

Obrázok:  Schéma výroby elektrickej energie v atómovej elektrárni: 1- reaktor, 2-parogenerátor, 4,3- vysokotlakový a nízkotlakový stupeň turbíny, 5 – generátor, 6- chladiaca veža, 7 - bezpečnostný systém, 8 –hermetický uzatvorený systém, 9 transformátor, Þ čerpadla

V laboratóriach sa podarilo uskutočniť oveľa významnejšiu jadrovú reakciu (ako štiepenie jadier), ktorá sa nazýva fúzia - zlučovanie alebo termojadrová resp termonukleárna reakcia. Ternojadrová reakcia je zlučovanie ľahkých jadier izotopov vodíka ¹₁H, ²₁D, ³₁T (D- deutérium, T-trícium). Pri jadrovej fúzii sa dva alebo viac ľahkých jadier zlučuje a vytvára ťažšie jadro pričom sa uvoľňuje energia z tej istej príčiny ako pri štiepení - väzbová energia na nukleón je po reakcii väčšia než predtým. Väzbová energia na nukleón rastie s nukleonovým číslom až k A=60, preto zlúčenie dvoch ľahkých jadier s A menším ako 60 je exotermická reakcia. V porovnaní so štiepením, pohybujeme sa k píku závislosti E(A) z opačnej strany. Energia získaná pri fúzii je väčšia ako pri štiepení. Výhodou fúzie oproti štiepeniu je, že pri nej nevzniká rádioaktívny odpad, teda nemusíme sa báť havárie. Problémom môžu byť uvoľnené neutróny, ktoré môžu aktivizovať okolité materiály. Ich úniku možno zabrániť tienením.

Pre fúziu dvoch jadier je potrebné, aby sa jadrá dostali do vzdialenosti jadrových síl, rádovo 2.10^-15 m. Aby sa to stalo, musia jadra prekonať elektrické odpudzovanie svojich kladných nábojov. Pre dva protóny v tejto vzdialenosti je potenciálna energia asi 1,1.10^-13 J (O,7 eV). Táto energia predstavuje kinetickú energiu potrebnú pre fúziu jadier. Atómy majú túto veľkú energiu len pri extrémne vysokých teplotách. Teplota pri ktorej má molekula takúto energiu sa vypočíta zo vzorca

k- Boltzmannova konštanta. Toto číslo nám napovedá prečo sa reakcia nazýva termonukleárna.

V mnohých laboratóriach sa vedci snažia dosiahnuť riadenú termojadrovú fúziu, nakoľko táto predstavuje nový obrovský zdroj energie. Pri spomenutých teplotách sú ľahké atómy úplne ionizované a konečný stav hmoty je plazma (zmes voľných elektrónov a jadier). Plazma sa označuje ako štvrté skupenstvo hmoty. Reakcie ktoré sa študujú v laboratóriach:

Prvé dve reakcie produkujú 21,6 MeV a tiež výsledkom posledných dvoch reakcii je 21,6 MeV. Zatiaľ sa však ešte nikomu nepodarilo uskutočniť tieto reakcie tak, aby išlo o riadené (kontrolované) reakcie, ktoré by poskytovali nadbytočnú energiu (prakticky využiteľnú).

Hoci priebeh termonukleárnej reakcie sa dá ľahko napísať, uskutočniť ju je ťažké. Vznik tejto reakcie je možný len pri splnení troch základných podmienok:

Termonukleárna reakcia je podstatou vodíkovej bomby, ktorú tvorí atómová bomba obklopená izotopmi vodíka alebo iných prvkov. Výbuchom atómovej bomby vznikne teplota niekoľko desiatok miliónov stupňov, ktorá vyvolá fúziu jadier ľahkých prvkov. Termonukleárna reakcia prebieha i vo vnútri Slnka a hviezd.

Termonukleárne reaktory - energetické zdroje budúcnosti

V laserovom reaktore vzniká termojadrová reakcia medzi triciom a deutériom účinkom laserových lúčov. Reaktor je uzavretá tlaková nádoba asi 5m, do jeho stredu sa pravidelne vstrekuje zmes skvapalneného deutéria a tricia. Do stredu sú zaostrené i laserové lúče, ktoré v krátkych pulzoch vytvárajú v ohnisku obrovský tlak a teplotu a tým vzniká vždy krátkodobo plazma a prebehne termonukleárna reakcia. V reaktore dochádza takto k opakovaných explóziám a uvoľňované teplo sa odvádza do výmenníka (impulzný termojadrový reaktor). Medzi výskumné pracoviská s touto problematikou patria napr. Los Alamos -USA, Lineil - Francúzsko.

Na inom princípe pracuje reaktor TOKAMAK (z ruského TOK - prúd, KAmera - komora, MAgnitnyje Katušky - magnetické cievky). Reaktor má tvar dutého kruhového valca obklopeného hrubými vodičmi a pracuje v podstate ako transformátor, ktorého sekundárne vinutie tvorí závit plazmy. Ak preteká vinutím prúd, vznikne vnútri valcovej cievky silné magnetické pole, účinkom magnetického poľa sa stlačí plynná zmes izotopov vodíka do úzkeho prstenca, silným tlakom a elektrickým prúdom prebiehajúcim týmto závitom sa vytvorí plazma a v nej potom prebieha riadená termonukleárna reakcia. Treba však pripomenúť, že to nie je také jednoduché. Problémy sú s udržaním plazmy. Prúd plazmy mení totiž nevypočitateľne svoj prstencový tvar. I pri menšom dotyku so stenou reaktora sa stráca. Medzi výskumné centrá patria napr.: Princeton - USA, Moskva - Rusko.

Termojadrový reaktor tohto typu má príkon 180 MW, čo by stačilo k zásobovaniu energiou pomerne veľkého mesta pričom plazmou preteká prúd 800 000 ampérov a plazma má teplotu 20 miliónov stupňov. Reaktory zatiaľ len spotrebovávajú obrovské množstvo energie. To však nie je rozhodujúce. Ak sa podarí ovládnuť termojadrovú reakciu (optimistické predpoklady hovoria najskôr v roku 2025), vyriešil by sa tým energetický problém ľudstva na mnoho tisíc rokov..

Z 1g deutéria možno získať energiu odpovedajúcu teplu, ktoré sa uvoľní spálením 7000 kg uhlia. Deutérium je možné získavať z morskej vody, kde je ho viac než dosť. Niektoré výpočty ukazujú, že spálením všetkých zásob uhlia by sa uvoľnilo teplo, ktoré by sa dalo získať iba z 1,2 tony deutéria, ktoré je obsiahnuté v 34 km³ morské vody. Ak vyjdeme z odhadu, že more obsahuje 1 370 000 000 km³ vody, potom ľahko vypočítame, že z tohto množstva vody možno získať 40 000 000 krát viac tepla ako zo všetkých zásob uhlia na svete.