Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

ENERGETYKA JĄDROWA TADEUSZ HILCZER. Reaktory jadrowe naturalne.

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "ENERGETYKA JĄDROWA TADEUSZ HILCZER. Reaktory jadrowe naturalne."— Zapis prezentacji:

1 ENERGETYKA JĄDROWA TADEUSZ HILCZER

2 Reaktory jadrowe naturalne

3 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 3 Oklo

4 4 Oklo Jedyne znane na świecie naturalne reaktory jądrowe znajdują się w południowo-wschodniej części Gabonu w zachodniej Afryce Równikowej. Pierwszy naturalny reaktor odkryto w 1972 roku a ostatni w 1991 roku. Większość naturalnych reaktorów jądrowych znajduje się w złożu Oklo, a jeden w złożu Bangombe, 30 km na południe od Oklo.

5 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 5 Oklo Okolica złoża w Oklo

6 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 6 Gabon W Gabonie odkryto złoża rud uranowych o kształcie soczewek, –średnica około 10 m, –grubość około 1 m. Złoże zawierało –znacznie mniej (ok. 0.5%) 235 U niż normalnie. –znacznie więcej lżejszych nietrwałych pierwiastków, które są produktami rozszczepienia 235 U. charakterystyczny produkt rozpadu neodym 143 Nd - dwukrotnie więcej (24% zamiast 12%) niż w innych naturalnych złożach. Fakty te doprowadziły do wniosku, że około lat temu, gdy naturalne stężenie uranu 235 U było duże, działał tam naturalny reaktor jądrowy.

7 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 7 Oklo Okolica złoża w Oklo

8 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 8 Reaktor w Oklo Aby mogła zajść reakcja w reaktorze naturalnym muszą być spełnione warunki identyczne jak w reaktorze zbudowanym przez człowieka: –odpowiednie stężenie rozszczepialnego uranu, –małe stężenie związków pochłaniających neutrony, –obecność dostatecznej ilości substancji spowalniającej neutrony, –określone rozmiary pozwalające na zajście reakcji łańcuchowej i jej podtrzymania. Warunki te w Oklo były spełnione.

9 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 9 Ewolucja reaktora w Oklo Ewolucję reaktora w Oklo można podzielić na cztery okresy: Okres I < 3.5 miliarda lat – gromadzenie się uranu. –Ekspansja roślin powodowała zmianę składu atmosfery ziemskiej i pojawienie się w niej znacznych ilości tlenu. –Tlen po połączeniu się z innymi związkami po przedostaniu się do wód gruntowych zapoczątkował rozpuszczanie się drobin uranowych, stężenie uranu na początku okresu było rzędu ppm –Rozpuszczony uran dostał się do źródeł i rzek podziemnych.

10 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 10 Ewolucja reaktora w Oklo Okres II miliarda lat - koncentracja rudy –Podziemne rzeki niosły znaczne ilości osadów, które gromadząc się w pewnych miejscach powodowały zwiększanie tam koncentracji rudy uranowej. –odparowanie wody spowodowało postanie owalnych piaskowców. –Deszcz padający na piaskowiec powodował wniknięcie wody, która dzięki redukcyjnym własnościom niektórych pierwiastków wchodzących w skład piaskowca powodowała powstanie dwutlenku uranu o bardzo wysokiej koncentracji (do 50%).

11 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 11 Ewolucja reaktora w Oklo Okres III - około miliarda lat - działanie reaktora –zawartość 235 U (tj. ok. 3%) zrealizowana naturalnie, przed laty masa tego izotopu była wystarczająca –podłoże geologiczne nie zawierało pierwiastków o dużych przekrojach czynnych na wychwyt neutronów (Cd, B) brak reakcji konkurencyjnych do rozszczepienia –substancją spowalniającą neutrony była woda oraz pewne ilości naturalnie występującego węgla –materiał rozszczepialny miał odpowiednie rozmiary –woda w miarę podwyższania temperatury odparowywała co powodowało samoczynnie przerywanie pracy reaktora –po ochłodzeniu woda ponownie dostawała się do obszaru złoża i reakcja rozpoczynała się od nowa.

12 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 12 Ewolucja reaktora w Oklo Okres IV miliarda lat do teraz - rozpad produktów reakcji. –Rozpady jąder nietrwałych aż do uzyskania jąder stabilnych

13 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 13 Reaktor w Oklo Możliwe, że w reaktorze w Oklo zachodziły również reakcje z plutonem 239 Pu. Nie występują żadne złoża plutonu czyli pluton został wyprodukowany z 238 U Można traktować reaktor w Oklo jak naturalny reaktor powielający

14 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 14 Geologia w Oklo

15 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 15 Rekonstrukcja Około lat temu na głębokości co najmniej 1,5 km zaistniały tam warunki spontanicznych reakcji rozszczepienia, które z przerwami i ze zmiennym natężeniem trwały przez kilkaset tysięcy lat. Oszacowano, że masa uranu, która uległa rozszczepieniu była około kg, co przy uwzględnieniu roli powstałych izotopów Pu, odpowiada rozszczepieniu około kg izotopu 235 U. W wyniku reakcji jądrowych powstały wszystkie izotopy, które powstają się we współczesnych reaktorach energetycznych.

16 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 16 Rekonstrukcja Od chwili odkrycia pierwszego naturalnego reaktora znanych jest dotychczas osiemnaście miejsc, w których stwierdzono deficyt 235 U w naturalnej mieszaninie wynikający z reakcji jądrowych. Średnia moc reaktora nie przekraczała 100 kilowatów (zapotrzebowanie dziesięciu domów jednorodzinnych w energię). Nie doszło do wybuchu ani stopienia rudy uranu. Najprawdopodobniej moderatorem była woda.

17 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 17 Rekonstrukcja W skałach otaczających złoża uranu zmierzono zawartość ksenonu, który powstaje podczas reakcji łańcuchowej. Analiza doprowadziła do wniosku, że reaktor w Oklo rozpalał się i działał przez 30 min. po czym gasł i po upływie 2,5 godziny znowu się rozpalał. Cykl ten powtarzał się przez wiele tysięcy lat. Prawdopodobnie zachodzi mechanizm jak w gejzerach. W czasie aktywności reaktora woda zmieniała w parę wodną i wydostawała się na zewnątrz złoża uranu. Reakcja łańcuchowa zanikała i reaktor gasł. Następny cykl rozpoczynał się gdy znowu zgromadziła się odpowiednia ilość wody.

18 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 18 Rekonstrukcja Zawartość uranu rozszczepialnego 235 U około lat temu w pierwotnej rudzie wynosiła 3,7%, co jest porównywalne do zawartości tego izotopu we wzbogaconym paliwie reaktorów lekkowodnych. Obecnie obserwowany stosunek 235 U/ 238 U w niektórych naturalnych reaktorach wynosi tylko 0,38%, podczas gdy stosunek ten w normalnej rudzie uranu jest równy 0,72%.

19 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 19 Rekonstrukcja Naturalne reaktory jądrowe występują w piaskowcach na różnej głębokości. Najgłębszy znajduje się na głębokości 350 m pod powierzchnią terenu, a najpłytszy na głębokości 12 m. W naturalnych reaktorach znajduje się ruda uranu o zawartości uranu dochodzącej aż do 87% wagowych. Ruda uranu stanowiła rdzeń reaktora, który miał grubość od 20 do 50 cm, choć były reaktory o grubości 1 m. Rdzeń był otoczony otuliną minerałów ilastych, illitem lub chlorytem, tworząc strefę reaktora, która osiągała długość do 30 m i szerokość kilkanaście metrów.

20 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 20 Naturalnie zużyte paliwo jądrowe Istniejąca w miejscach reaktorów naturalnych ruda uranu jest naturalnym zużytym paliwem jądrowym. Naturalnie zużyte paliwo jądrowe i zużyte paliwo z reaktorów jądrowych energetycznych, mają inny skład chemiczny. Szczególnie duża jest zawartość ołowiu radiogenicznego w uraninicie, wynikającą z jego bardzo starego wieku. Zawartość radiogenicznego ołowiu w zużytym paliwie jądrowym z reaktorów energetycznych po dziesięciu tysiącach lat wyniesie tylko 1, % wagowego Pb.

21 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 21 Rekonstrukcja Reakcje rozszczepienia przebiegały w różnych warunkach. Temperatura w czasie naturalnych reakcji jądrowych wynosiła nie więcej niż 780K. Woda miała bezpośredni dostęp do rdzenia reaktora. W czasie reakcji rozszczepienia część rudy uranu mogła ulegać rozpuszczaniu. Rozpuszczanie rudy uranu i jej chemiczne przetwarzanie powtarzały się kilkakrotnie po zakończeniu reakcji jądrowych. Uran, produkty jego rozpadu i produkty reakcji jądrowych wędrowały z wodami podziemnymi poza strefę reaktora.

22 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 22 Rekonstrukcja Pozwala to na prześledzenie mechanizmów migracji radionuklidów po zakończeniu reakcji jądrowych. Niektóre (Cs, Rb, Ba i Sr) całkowicie opuściły strefy reakcji i migrowały na nieznaną dzisiaj odległość, nie mniejszą niż kilkadziesiąt metrów. Inne pierwiastki zostały przynajmniej częściowo wychwycone przez minerały ilaste i inne minerały otaczające rudę uranu. Szczególne interesujące było odkrycie minerałów zawierających izotop 99 Ru, powstały z izotopu 99 Tc, gdyż technet jest pierwiastkiem, którego istnienia w przyrodzie do niedawna nie podejrzewano.

23 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 23 Technet Szczególne interesujące było odkrycie minerałów zawierających izotop 99 Ru, powstały z izotopu 99 Tc. Istnienia w przyrodzie technetu do niedawna w ogóle nie podejrzewano. –w śladowych ilościach (3,7 pg) został wykryty w rudzie uranu ze złoża Cigar Lake. Na podstawie ilości 99 Ru oszacowano, że reaktory w złożu Oklo wytworzyły co najmniej 730 kg 99 Tc. Badania geochemiczne wykazały, że od 60 do 85% 99 Tc zostało na miejscu jego powstania lub w jego najbliższym sąsiedztwie. Pozostała część wędrowała z wodami podziemnymi na odległość nie większą niż 10 m.

24 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 24 Ruten Ruten razem z radem, tellurem i radiogenicznym ołowiem wytrącił się w postaci arsenków i siarkoarsenków. Ziarenka arsenku rutenu znaleziono w piaskowcach w odległości 20 cm od strefy jednego z reaktorów. Rozmiary ziarenek (1,5 m) odpowiadają metalicznym agregatom E-Ru obserwowanym na granicach międzyziarnowych w wypalonym paliwie z reaktorów energetycznych. Analiza izotopów rutenu, w tym 100 Ru (powstałego częściowo przez wychwyt neutronów z 99 Tc) wykazała, że w arsenkach rutenu zachodziło chemiczne frakcjonowanie Ru i Tc jeszcze w trakcie trwania reakcji jądrowych.

25 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 25 Technet W ciągu kilku milionów lat, jakie upłynęły od powstania atomów technetu do ich przemiany w ruten, minerały ilaste i piaskowiec otaczające reaktory przerwały ich migrację. Było to w dużej mierze dzięki warunkom redukcyjnym, jakie panowały w reaktorach i ich otoczeniu. Obserwacje w złożu uranu Koongara w Australii pokazały, że w warunkach utleniających technet jest kilkanaście razy bardziej ruchliwy niż uran.

26 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 26 Pluton Stwierdzono ślady migracji 239 Pu w otoczeniu reaktorów w Oklo. Okres połowicznego zaniku 239 Pu wynosi lat. Zawartość 239 Pu w rudzie z Oklo jest rzędu kilku pikogramów. W naturalnych reaktorach stwierdzono obecność uranu wzbogaconego w 235 U w odległości 5,5 m od strefy jednego z reaktorów.

27 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 27 Pluton Naturalne reaktory charakteryzują się znacznym zubożeniem w 235 U. Stwierdzenia istnienia uranu wzbogaconego w 235 U wskazuje na rozpad 239 Pu do 235 U. Uran wzbogacony w 235 U występował w uraninicie zaadsorbowanym przez minerał ilasty - chloryt. Wskazuje to na migrację plutonu co najmniej na odległość 5,5 m poza reaktor, oraz na efektywność minerałów ilastych w przechwytywaniu migrującego plutonu.


Pobierz ppt "ENERGETYKA JĄDROWA TADEUSZ HILCZER. Reaktory jadrowe naturalne."

Podobne prezentacje


Reklamy Google