Dane INFORMACYJNE (do uzupełnienia) Nazwa szkoły: Zespół Szkół Centrum Kształcenia Rolniczego im. Michała Drzymały w Brzostowie ID grupy: 97/82_MF_G1 Opiekun: Robert Zmitrowicz Kompetencja: Matematyka i Fizyka Temat projektowy: Czy boimy się elektrowni atomowych? Semestr/rok szkolny: II / 2010/2011 r.

Tytuł Tematu Projektowego :”Czy boimy się elektrowni atomowych??”

Spis Treści: Typy Elektrowni atomowych Budowa i właściwości atomu i jądra Kwantowa teoria atomów Liczby kwantowe Efekt tunelowy Zasada nieoznaczoności Rozpady promieniotwórcze Występowanie elektrowni atomowych Promieniowanie jonizujące Skutki po Czarnobylu Historia elektrowni w Czarnobylu Elektrownia atomowa-opis i zdjęcia Elektrownie jądrowe Wyznaczenie czasu połowicznego, zaniku izotopów promieniotwórczych Pomiary-doświadczenie Promieniotwórczość naturalnych źródeł promieniowania Czas połowicznego rozpadu Zalety i wady energetyki jądrowej Budowa elektrowni jądrowej

Typy elektrowni atomowych: Podział ze względu na źródło energii pierwotnej: elektrownia cieplna elektrownia jądrowa elektrownia wodna elektrownia szczytowo -pompowa elektrownia słoneczna elektrownia wiatrowa elektrownia maremotoryczna Podział ze względu na wykorzystanie ciepła odpadowego: elektrownia kondensacyjna elektrociepłownia

Budowa i właściwości : Atomu: Jądra: Główne właściwości chemiczne atomów określa liczba protonów w jądrze (liczba atomowa), gdyż determinuje ona strukturę chmury elektronowej oraz liczbę elektronów koniecznych do tego, aby atom był elektrycznie obojętny. Elektrony związane w atomach rozłożone są na powłokach, między którymi mogą przechodzić emitując bądź absorbując fotony o określonej energii. Struktura chmury elektronowej wpływa na chemiczne właściwości atomów i większość ich właściwości magnetycznych. Jądra: Własności jądra są determinowane poprzez liczbę znajdujących się w nim nukleonów. Liczba protonów określa ładunek elektryczny jądra. Wielkość tego ładunku wyznacza możliwe konfiguracje elektronów otaczających jądro, z możliwych konfiguracji elektronów wynikają możliwości łączenia się atomów z sobą, a tym samym ich własności chemiczne. Liczba protonów w jądrze, czyli jego liczba atomowa, decyduje o tym jakiego pierwiastka chemicznego jest ten atom. Atomy posiadające jądra o tej samej liczbie protonów, ale różnej neutronów nazywa się izotopami.

Kwantowa teoria atomów : Nasza wiedza o elektronowej budowie atomów powstała głównie dzięki badaniu światła wysyłanego przez atomy, pobudzane działaniem wysokiej temperatury, łuku elektrycznego lub iskry. Światło emitowane przez atomy składa się z linii o określonych częstotliwościach drgań; określa się je jako widmo liniowe atomu. Szczegółowe badania widm rozpoczęto w ok.1880 roku. Pierwsi badacze osiągnęli postęp w interpretacji widm i w rozpoznawaniu prawidłowości w częstościach poszczególnych linii.

Liczby kwantowe Główną liczbę kwantową oznacza się za pomocą litery n; może ona przyjmować wartości całkowitych liczb dodatnich 1, 2, 3, ................... Określa więc powłokę elektronową do której należy elektron. Oprócz oznaczeń liczbowych często powłoki elektronowe oznacza się również za pomocą kolejnych dużych liter wziętych z badań widm emisyjnych lub absorbcyjnych promieniowania rentgenowskiego.

Efekt tunelowy: Zjawisko tunelowe zwane też efektem tunelowym – zjawisko przejścia cząstki przez barierę potencjalna wysokości większej niż energia cząstki, opisane przez mechanikę kwantową. Z punktu widzenia fizyki klasycznej stanowi paradoks łamiący klasycznie rozumianą zasadę zachowania energii, gdyż cząstka przez pewien czas przebywa w obszarze zabronionym przez zasadę zachowania energii. Cząstka α uwalniająca się z potencjału jądra (zielona linia) dzięki zjawisku tunelowemu

Zasada nieoznaczoności: Zasada nieoznaczoności (zasada nieokreśloności) mówi, że istnieją takie pary wielkości, których nie da się jednocześnie zmierzyć z dowolną dokładnością. O wielkościach takich mówi się, że nie komutują. Akt pomiaru jednej wielkości wpływa na układ tak, że część informacji o drugiej wielkości jest tracona. Zasada nieoznaczoności nie wynika z niedoskonałości metod ani instrumentów pomiaru, lecz z samej natury rzeczywistości.

Rozpady promieniotwórcze: Prawo rozpadu promieniotwórczego mówi, jak liczba jąder danego pierwiastka promieniotwórczego, które jeszcze nie uległy rozpadowi, zależy od czasu. Tysiąc czerwonych kółeczek to tysiąc jąder atomowych pierwiastka, którego czas połowicznego rozpadu wynosi 20 s. Wykres przedstawia zależność od czasu części jąder, które się jeszcze nie rozpadły (N/N0) zgodnie z prawem: N  =  N0 · 2-t/T N0 ... początkowa liczba jąder N .... liczba jąder, które się jeszcze nie rozpadły t .... czas od chwili rozpoczęcia pomiaru T .... czas połowicznego rozpadu

WYSTĘPOWANIE ELEKTROWNI ATOMOWEJ

Promieniowanie jonizujące : Promieniowanie jonizujące odkrył niemiecki fizyk Konrad Wilhelm Roentgen, który w 1895 r. skonstruował pierwszy aparat emitujący promienie X. Rok później troje uczonych pracujących we Francji – Henri Becquerel, sławna Polka Maria Skłodowska i jej mąż Piotr Curie – odkryło naturalne źródła promieniowania jonizującego – radioaktywne izotopy. Niewiele później stało się jasne, że promieniowanie jonizujące nie jest obojętne dla żywych tkanek. Promieniotwórczość, promieniowanie jonizujące to określenia wzbudzające powszechny lęk. Jesteśmy skłonni przypisywać im wiele nieszczęść współczesności, których symbolem stała się katastrofa w Czarnobylu. Kiedy odkryto, że promieniowanie wywiera wpływ na żywe organizmy ? Promieniowanie jonizujące odkrył niemiecki fizyk Konrad Wilhelm Roentgen, który w 1895 r. skonstruował pierwszy aparat emitujący promienie X. Rok później troje uczonych pracujących we Francji – Henri Becquerel , sławna Polka Maria Skłodowska i jej mąż Piotr Curie – odkryło naturalne źródła promieniowania jonizującego – radioaktywne izotopy. Niewiele później stało się jasne, że promieniowanie jonizujące nie jest obojętne dla żywych tkanek. Becquerel spostrzegł, że skóra na jego ręce czerwienieje po napromieniowaniu, a lekarze odkryli, że mogą wykorzystać promienie X do niszczenia raka skóry. Niestety, szybko okazało się, że promieniowanie to może być również przyczyną raka, czego boleśnie doświadczyło wielu techników pracujących przy pierwszych aparatach rentgenowskich.

PROMIENIOWANIE ALFA: Promienie α, rodzaj promieniowania wysyłanego przez promieniotwórcze jądra atom.; składa się z cząstek α (jąder helu).

PROMIENIOWANIE BETA : Promieniowanie β, promienie β, jeden z rodzajów promieniowania wysyłanego przez promieniotwórcze jądra atom.; składa się z elektronów.

PROMIENIOWANIE GAMMA: wysokoenergetyczna forma promieniowania elektromagnetycznego. Za promieniowanie gamma uznaje się promieniowanie o energii kwantu większej od 10 keV, co odpowiada częstotliwości większej od 2,42 EHz, a długości fali mniejszej od 124 Pm . Zakres ten częściowo pokrywa się z zakresem promieniowania rentgenowskiego.

HISTORIA ELEKTROWNI W CZARNOBYLU Po katastrofie reaktora numer 4 zaczęło krążyć wiele opowieści na temat promieniowania oraz jego skutków. Ile jest w tym prawdy? Czy promieniowanie nadal jest niebezpieczne? Jeśli tak to dlaczego turystyka w Czarnobylu kwitnie? Dnia 26 kwietnia 1986 doszło do popełnienia przez człowieka jednego z największych, najbardziej kosztownych i opłakanych w skutkach błędów w historii ludzkości. Wszystko zaczęło się dzień wcześniej. Zespół pracowników elektrowni szykował się do przeprowadzenia niebezpiecznego testu, który miał pokazać czy i jak długo reaktor numer 4 elektrowni atomowej w Czarnobylu jest w stanie pracować bez zasilania. Eksperyment rozpoczął się w nocy z 25 na 26 kwietnia około godziny pierwszej, a o godzinie 1:23 nastąpił pierwszy wybuch. Spowodował go gwałtowny wzrost mocy i temperatury po wsunięciu z powrotem prętów kontrolnych, gdy obsługa zorientowała się, że doświadczenie nie przebiega po ich myśli. Tak można po krótce opisać to, co sprawiło, że 50 tysięcy mieszkańców okolicznego miasta Pripyat (zbudowanego z myślą o pracownikach elektrowni) oraz mieszkańcy okolicznych wiosek, zostało ewakuowanych. Obecnie elektrownia i okoliczne tereny znajdują się w zamkniętej strefie o promieniu 30 kilometrów.

SKUTKI PO CZARNOBYLU:

ELEKTROWNIA ATOMOWA Kiedy w latach pięćdziesiątych powstawały pierwsze elektrownie atomowe wydawało się, że ludzkość uzyskała dostęp do ogromnych ilości czystej, bezpiecznej i stosunkowo taniej energii. Z 1kg najczęściej używanego paliwa jądrowego (235 U), można uzyskać tyle energii elektrycznej, co z 3000 ton węgla lub 1600 ton benzyny. Obecnie energetyka jądrowa budzi jednak wiele wątpliwości zarówno natury ekologicznej jak i ekonomicznej, jednak w obliczu wyczerpywania się zasobów surowców kopalnych może okazać się jedynym środkiem łagodzącym nieuchronne kryzysy energetyczne.

ELEKTROWNIA ATOMOWA

Elektrownie Jądrowe!

WYZNACZANIE CZASÓW POŁOWICZNEGO ZANIKU IZOTOPÓW PROMIENIOTWÓRCZYCH UKŁAD POMIAROWY Na stanowisku pomiarowym znajdują się: licznik Geigera–Mullera (G–M), umieszczony w osłonie ołowianej, zmniejszającej tło detektora, przyrząd ST 360 Radiation Counter , który zawiera zasilacz wysokiego napięcia, wzmacniacz oraz przelicznik impulsow. W pomiarach wykorzystywana jest srebrna płytka, którą poddaje się napromieniowaniu (aktywacji). Do aktywacji służy źródło neutronów umieszczone w oddzielnym pomieszczeniu. Źródło to wyposażone jest w kanały aktywujące, w których umieszcza się na określony czas badaną próbkę (płytkę srebrna). Pomiar jest sterowany przy pomocy programu komputerowy.

POMIARY: 1. Płytkę srebra umieścić w kanale źródła neutronów. W tym celu należy wyjąć długi korek oznaczony strzałką Uwaga! Nie zaglądać do otworu kanału, nie przebywać w pobliżu źródła dłużej niż to jest konieczne. Czas aktywacji próbki powinien wynosić około 20 min. 2. Włączyć przyrząd ST 360. 3. Włączyć komputer i program obsługujący przyrząd ST 360. 4. Przygotować program obsługujący przyrząd ST 360 do pomiarów tła: a. ustawienie wysokiego napięcia na liczniku G-M: 530V b. ustawienie czasu pomiaru: 60 s c. ustawienie powtórzeń: 10 razy. 5. Wyznaczyć tło detektora tzn. zmierzyć liczbę impulsów w pustym domku ołowianym detektora. 6. Przygotować program obsługujący przyrząd ST 360 do pomiarów promieniowania próbki: d. ustawienie wysokiego napięcia na liczniku G-M: 530V e. ustawienie czasu pomiaru: 2 s f. ustawienie powtórzeń: np. . 200 razy. 7. Wyjąć srebrną płytkę z kanału źródła neutronów, umieścić ją (możliwie szybko) blisko licznika GM wewnątrz osłony ołowianej. 8. Pomiary można przerwać po osiągnięciu poziomu tła

OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIARÓW : 1. Wyrazić otrzymane wyniki pomiarów w imp/s. 2. Odjąć od wszystkich wyników wartość tła (również w imp/s). 3. Pomiary, których wartości są mniejsze od wartości tła należy odrzucić. 4. Otrzymane w ten sposób szybkości zliczeń impulsów I, których źródłem jest promieniowanie β izotopów srebra, przedstawić w funkcji czasu w skali półlogarytmicznej .

Promieniotwórczość naturalna: Promieniotwórczość naturalna (inaczej promieniowanie naturalne) - promieniowanie jonizujące pochodzące wyłącznie ze źródeł naturalnych: Z naturalnych pierwiastków radioaktywnych obecnych w glebie, skałach, powietrzu i wodzie: obecnych w minerałach, przyswajanych przez rośliny i zwierzęta, a także używanych jako materiały konstrukcyjne, syntezowanych w atmosferze (i przenikających do hydrosfery) wskutek reakcji składników atmosfery z promieniowaniem kosmicznym, promieniowanie przenikłe do środowiska wskutek działalności przemysłowej człowieka (wydobycie rud uranu, spalanie węgla zawierającego pierwiastki promieniotwórcze). Źródeł tego promieniowania nie da się uniknąć – są obecne m.in. w ścianach domów, w których mieszkamy, w pokarmie, który spożywamy, wodzie, którą pijemy i w powietrzu, którym oddychamy. Promieniowanie może stwarzać zagrożenia dla zdrowia, lecz może stwarzać też korzyści – dzięki zjawisku hormezy radiacyjnej, o istnienie której toczą się spory w świecie naukowym.

Przykłady naturalnych źródeł promieniowania (w bekerelach): Źródło Aktywność promieniotwórcza banan 125 Bq/kg mleko 50 Bq/l superfosfat 500 Bq/kg woda morska 12 Bq/l granit 7 000 Bq/kg popiół węglowy 2 000 Bq/kg 5-letnie dziecko 600 Bq dorosła osoba (70kg) 10 000 Bq Bekerel , Bq to jednostka miary aktywności promieniotwórczej w układzie SI (jednostka pochodna układu SI).

Czas połowicznego rozpadu: Czas połowicznego rozpadu (zaniku) (okres połowicznego rozpadu) jest to czas, w ciągu którego liczba nietrwałych obiektów lub stanów zmniejsza się o połowę. Czas ten, oznaczany symbolem T1/2, zgodnie z definicją musi spełniać zależność: gdzie N(t) – liczba obiektów pozostałych po czasie t, N0 – początkowa liczba obiektów.

Zalety i wady energetyki jądrowej Aby móc świadomie zająć stanowisko w sprawie energetyki jądrowej warto przedtem zapoznać się z kilkoma ważnymi zagadnieniami dotyczącymi tego tematu. Obejmując to zagadnienie w kilku słowach, można powiedzieć, że energetyka jądrowa jest zespołem zagadnień związanych z uzyskiwaniem na przemysłową skalę energii, jaka powstaje z rozszczepienia tzw. ciężkich jąder niektórych pierwiastków (szczególnie izotopu uranu o masie atomowej 235u). Ten rodzaj energii jest pozyskiwany w reaktorach elektrowni jądrowych, okrętów ze specjalnie przystosowanym napędem oraz w izotopowych zasilaczach (skrót: SNAP) itp. Problem energetyki jądrowej zawiera także kwestie związane z eksploatacją złóż uranu, przetwarzaniem paliwa jądrowego a także składowaniem odpadów radioaktywnych.

Elektrownie jądrowe są alternatywą dla tradycyjnych elektrowni Elektrownie jądrowe są alternatywą dla tradycyjnych elektrowni. W tym typie elektrowni energię uzyskuje się z procesów rozszczepiania jąder atomów zamiast ze spalania kopalnych paliw. Zamiast wielkich kotłów korzysta się z reaktorów jądrowych, czyli urządzeń, w których wytwarza się energię jądrową. W reaktorach ma miejsce reakcja łańcuchowa, która jest kontrolowana co oznacza, że rozszczepia się tyle jąder, ile jest potrzebnych do wytworzenia odpowiedniej ilości energii elektrycznej. Obecnie udział elektrowni jądrowych w światowej produkcji energii elektrycznej przekracza 20%. Mieszkanie w pobliżu elektrowni jądrowej powoduje u ludzi zwiększenie narażenia na niekorzystne oddziaływanie promieniowania w stosunku do ludzi mieszkających w bezpiecznych odległościach. Jednak nie jest to aż tak silne promieniowanie jak mogłoby się wydawać. Dawki zazwyczaj nie przekraczają zaledwie kilku procent tła promieniowania występującego w naturze. O ile reaktory pracują bez zakłóceń ani awarii, to są one niemal całkowicie bezpieczne. Jeśli jednak pojawiają się jakieś komplikacje, to ludzie, którzy mieszkają blisko elektrowni, mogą zostać narażeni na szkodliwe działanie promieniowania jonizującego

Budowa elektrowni jądrowej: 1. Obudowa zabezpieczająca jest głównym elementem konstrukcji zapobiegającym przedostawaniu się do środowiska radioaktywnych gazów i pyłów. Jest to szczelna powłoka otaczająca reaktor i cały układ chłodzenia. Jej wytrzymałość jest obliczona na największe możliwe awaryjne ciśnienie. 2. Budynek maszynowni - w nim znajduje się turbina, generator oraz transformator. 3. Chłodnia kominowa - produkcja energii elektrycznej niesie ze sobą powstawanie pewnej ilości ciepła, która nie zostaje wykorzystana. W tej części elektrowni ciepło to jest odprowadzane. Aby to zrealizować para, która oddała użyteczną energię i wykonała pracę w turbinie, kierowana jest do tzw. skraplacza. Tam następuje jej kondensacja (do tego celu wykorzystuje się wodę chodzącą) i ponowne skierowanie do obiegu w postaci wody zasilającej. 4. Basen magazynujący wypalone paliwo 5. Reaktor - najważniejsza część elektrowni, urządzenie w którym dochodzi do wytworzenia kontrolowanej reakcji łańcuchowej ( ciągłe pozyskiwanie energii z rozpadów jąder atomów). 6. Turbina - to urządzenie służy do przetwarzania energii jąder atomowych na energię mechaniczną. 7. Zbiornik magazynujący wodę zasilającą. 8. Rurociągi, w których płynie woda chłodząca. 9. Generator jest urządzeniem, w którym energia mechaniczna, jaką wytworzono w turbinie przetwarzana jest na najbardziej użyteczną dla człowieka formę energii - energię elektryczną. Szybkie obracanie się elektromagnesu przymocowanego do wała powoduje wytwarzanie prądu w uzwojeniu będącym częścią generatora. 10. Transformator jest urządzeniem, które umożliwia takie przetworzenie energii wytworzonej w generatorze, aby możliwe było jej przetransportowanie na znaczne odległości do odbiorcy. Realizuje się to przez podwyższenie napięcia prądu w transformatorze należącym do elektrowni.