Dane INFORMACYJNE Nazwa szkoły: Centrum Edukacji Ogrodniczej ID grupy: 97/38_MF_G1 Kompetencja: Matematyczno - Fizyczna Temat projektowy: „Czy boimy się elektrowni atomowych” Semestr/rok szkolny: Czwarty - 2011/2012
Co to jest energia? Jest to fizyczna wielkość skalarna, służąca do opisu różnych procesów i rodzajów oddziaływania. Inaczej można by powiedzieć, że energia jest to zdolność do wykonywania jakiejś pracy, której celem jest wywoływanie zmian w materii. Energia jawi się jako swoiste „paliwo” do wykonywania zmian w otoczeniu.
Prawo zachowania energii Zasada zachowania energii - empiryczne prawo fizyki, stwierdzające, że w układzie izolowanym suma wszystkich rodzajów energii układu jest stała (nie zmienia się w czasie). W konsekwencji, energia w układzie izolowanym nie może być ani utworzona, ani zniszczona, może jedynie zmienić się forma energii. Tak np. podczas spalania wodoru w tlenie energia chemiczna zmienia się w energię cieplną.
Sposoby Przekształcania energii Mechanicznej w energię elektryczną
Przy Użyciu elektrostatyki Maszyna elektrostatyczna przemienia energie mechaniczną w energie elektryczną poprzez wytwarzanie ładunków elektrostatycznych przez aluminiowe kulki na dwóch izolowanych tarczach. Kręcąc kołowrotkiem wprawiamy w ruch tarczę. Kulki po obu stronach tarczy trą o siebie i wytarzają energie elektryczna. Metoda nie jest zbyt skuteczna w wytarzaniu ładunków elektrycznych.
Przy użyciu Indukcji elektrycznej Działanie prądnicy polega na powstaniu napięcia na końcach uzwojenia wirującego w polu magnetycznym. Pole magnetyczne może być wytworzone przez magnesy trwałe lub elektromagnesy. Jeśli zwój przewodnika(na rys. ramka) wprawimy w ruch obrotowy to na jej końcach powstanie napięcie.
Źródła energii - Odnawialne - energia wiatrowa, wodna, słoneczna, geotermiczna (geotermalna) i biomasa; Nieodnawialne - to substancje, które gdy je zastosujemy rozpadną się są to m.in. paliwa kopalne (np. węgiel, ropa naftowa) oraz energia jądrowa
Energia jądrowa Energia uzyskiwana z rozszczepienia bardzo ciężkich jąder (uran, pluton, tor) lub z syntezy lekkich pierwiastków (hel, lit). W obu przypadkach uwalniana jest energia wiązania jądrowego, która ma największą wartość dla jąder o średnich masach (np. przy rozszczepieniu 1 g uranu uzyskuje się tyle energii, co przy spaleniu ponad 2 t węgla).
Energię jądrową można uzyskiwać w sposób kontrolowany (dotychczas tylko energia z rozszczepienia - w reaktorach jądrowych) lub niekontrolowany (broń jądrowa, zarówno rozszczepieniowa, jak i termojądrowa). Prace nad uzyskiwaniem energii jądrowej rozpoczęto po odkryciu 1938 rozszczepienia jądra atomowego, głównie w ramach militarnych projektów badawczych w czasie II wojny światowej (Manhattan Project) i w latach zimnej wojny.
Co to jest atom i jądro atomowe?
atom Atom – podstawowy składnik materii. Składa się z małego dodatnio naładowanego jądra o dużej gęstości i otaczającej go chmury elektronowej o ujemnym ładunku elektrycznym.
Budowa atomu Atomy składają się z trzech rodzajów cząstek: protonów, neutronów i elektronów. Protony i neutrony upakowane są w jądrze, które zajmuje w atomie pozycję centralną, elektrony zaś krążą wokół niego.
Jądro atomowe Jądro atomowe – centralna część atomu zbudowana z jednego lub więcej protonów i neutronów, zwanych nukleonami. Jądro stanowi niewielką część objętości całego atomu, jednak to w jądrze skupiona jest prawie cała masa. Przemiany jądrowe mogą prowadzić do powstawania ogromnych ilości energii. Niewłaściwe ich wykorzystanie może stanowić zagrożenie dla środowiska.
Istnienie jądra atomowego zostało pierwszy raz eksperymentalnie stwierdzone przez fizyka E. Rutherforda w 1911 roku. Rutherford bombardował złotą folię dodatnio naładowanymi cząstkami alfa. Badając rozkład kątowy promieniowania rozproszonego na folii doszedł do wniosku, że cały dodatni ładunek i masa atomu skupione są w bardzo niewielkiej objętości nazwanej później jądrem atomowym.
PROMIENIOWANIE JĄDROWE Emisja cząstek lub promieniowania elektromagnetycznego (promieniowanie gamma) przez jądra atomów. Promieniowanie zachodzi podczas lub po przemianie promieniotwórczej lub w wyniku przejścia wzbudzonego jądra do stanu o niższej energii. Rodzaj wysyłanego promieniowania oraz jego energia zależy od rodzaju przemiany jądrowej. Są trzy rodzaje promieniowania jądrowego: -alfa, -beta, -gamma. Są one wynikiem przemian zachodzących wewnątrz jądra atomowego
promieniotwórczość To zjawisko polegające na samorzutnym rozpadzie jąder w połączeniu z emisją cząstek alfa, cząstek beta, promieniowania gamma.
W wyniku przemiany alfa pierwotny atom przekształca się w nowy atom, mający o dwa protony i neutrony mniej. W rozpadzie alfa udział biorą oddziaływania silne (Jedno z czterech oddziaływań uznanych za podstawowe. Spośród cząstek elementarnych silnie oddziałują tylko kwarki, antykwarki i gluony). Jest to promieniowanie korpuskularne.
Jeżeli więc rozpadający się atom emituje cząsteczkę alfa, liczba masowa atomu pochodnego wyniesie A-4, a liczba atomowa Z-2. Przemianę tą można zapisać schematycznie:
PROMIENIOWANIE β Beta to promieniowanie o bardzo szybkich strumieniach elektronów mających zasięg do pięćdziesięciu centymetrów. W czasie tych przemian jądro emituje elektron. Jest to promieniowanie korpuskularne. Można zapisać je schematycznie:
PROMIENIOWANIE ϒ To fale elektromagnetyczne mające w powietrzu zasięg kilku metrów. Jest rodzajem promieniowania elektromagnetycznego, podobnym do promieniowania rentgenowskiego, tylko o jeszcze krótszej fali. Źródłem promieniowania gamma jest przemiana jądrowa (jądra atomowe izotopów promieniotwórczych ulegają rozpadowi, co zazwyczaj powoduje emisję fotonu gamma), reakcja syntezy (dwa jądra atomowe zderzają się, tworząc nowe jądro emitują foton gamma) i Anihilacja (zderzenie cząstki i antycząstki, np. elektronu i pozytonu, powoduje zniknięcie obu tych cząstek i emisję, co najmniej dwóch fotonów gamma).
Czas połowicznego rozpadu Rozpad promieniotwórczy jest procesem określonym prawdopodobieństwem. Ćwiczenie: Każdy z graczy powinien dysponować kostką sześcienną. Gra dzieli się na tury. W każdej turze gracze rzucają swoimi kostkami. Jeśli któryś gracz wyrzuci 1, odpada z gry. Przed rozpoczęciem gry, jak i po zakończeniu każdej tury należy zapisać ilu graczy może jeszcze grać (nie odpadło). Grę kontynuujemy, aż do momentu, gdy ostatni gracz odpadnie. Teraz rysujemy wykres. Na osi poziomej odkładamy kolejne tury, a na osi pionowej liczbę, która może jeszcze grać po zakończeniu danej tury.
Gra ta pozwala poprawnie zrozumieć trudne zagadnienie rozpadu promieniotwórczego. Każdy z graczy odgrywa rolę niestabilnego atomu, który ma pewną identyczną szansę (1 do 6) na rozpad w każdej chwili (turze), jednak nie ma pojęcia kiedy taki rozpad nastąpi. Na wykresie widzimy również, że wraz z upływem czasu (ubywaniem ilości niestabilnych atomów) spada ilość rozpadów na jednostkę czasu.
Przy rozpatrywaniu absorpcji promieniowania wprowadzamy pojęcie tzw Przy rozpatrywaniu absorpcji promieniowania wprowadzamy pojęcie tzw. grubości połówkowej, czyli takiej grubości absorbenta, która pochłania połowę padającego promieniowania. Możemy więc napisać, że dla x = D I = i wówczas czyli
Wpływ promieniowania jonizującego na organizmy Promieniowanie jonizujące jest elementem środowiska, a wiec każdy z nas jest narażony na otrzymanie dawki od tła promieniowania, czyli od źródeł naturalnych oraz źródeł sztucznych znajdujących się w naszym otoczeniu. Promieniowanie jonizujące może mieć postać promieniowania korpuskularnego (cząstki a, b, neutrony) albo elektromagnetycznego (promieniowanie X, gamma). Promieniowanie jonizujące nie oddziałuje na nasze zmysły.
Rodzaje promieniowania jonizującego Promieniowanie rentgenowskie i gamma odznaczają się dużą przenikliwością i łatwo przenikają np.. przez ludzkie ciało. Przed tym promieniowaniem chroni duża warstwa ołowiu, betonu lub wody. Promieniowanie alfa i beta jest znacznie mniej przenikliwe. Promieniowanie alfa, czyli ciężkie i powolne jądra helu łatwo zatrzymać kartką papieru lub dłonią. Promieniowanie beta, czyli szybko poruszające się elektrony przenikają przez 1 - 2 cm warstwę ludzkiego ciała lub wody, ale z łatwością zatrzymuje je kilkumilimetrowa płytka aluminium. Promieniowanie neutronowe to strumienie cząstek obojętnych o dużej przenikliwości, które pochodzi przede wszystkim z reaktorów. Osłonę przed takim promieniowaniem stanowi woda, parafina, gruba warstwa ołowiu lub ciężkiego betonu.
Źródła promieniowania wytwarzane przez człowieka · zakłady produkujące i dystrybuujące izotopy, · akceleratory, · reaktory jądrowe, · defektoskopy i czujniki dymu zawierające źródła izotopowe, · aparaty rentgenowskie i urządzenia do telegammaterapii, · rozliczne typy zastosowań wojskowych i kosmicznych, · nieostrożny transport odpadów, · składowiska odpadów promieniotwórczych (w Polsce miejscowość Różan nad Narwią), · a nawet materiały budowlane, uzyskane z popiołów elektrociepłowni.
Podział źródeł promieniowania · zamknięte - odznaczające się szczelną obudową uniemożliwiającą rozproszenie się materiałów promieniotwórczych; · otwarte - mogące emitować pyły, gazy, roztwory radionuklidów i ich związki. Szczególnie niebezpieczne, ze względów środowiskowych i zdrowotnych, są źródła otwarte, o czym przekonała się ludzkość po wybuchu pierwszej bomby atomowej, zdetonowanej nad Hiroszimą 6 sierpnia 1945 r., o godz. 8.15.
Dawka promieniowania dawka promieniowania[mGy] skutki: - 0-250 żadnych biologicznych czy medycznych skutków, natychmiastowych czy długotrwałych nie zaobserwowano u dzieci czy dorosłych; jest to zakres dawek niskich. - 250-1000 niekiedy występują nudności i nieznaczny spadek krwinek białych - 1000-2500 wymioty, zmniejszenie liczby krwinek, ale zadowalające wyleczenie lub pełny powrót do zdrowia zapewnione. - 2500-5000 poważne konsekwencje dla zdrowia, niezbędna hospitalizacja, dawka 5000 mGy otrzymana jednorazowo jest śmiertelna dla co drugiego człowieka. Ponad 5000 niemal pewna śmierć.
Skutki biologiczne Dawka Sv (rem) - 0,25 (25) Objawy kliniczne nie występują. Czasami mogą wystąpić niewielkie zmiany we krwi. - 0,5 (50) Objawy kliniczne nie występują. Niewielkie zmiany we krwi obwodowej; bardzo małe prawdopodobieństwo wystąpienia skutków późnych; - 1 - 2 (100 - 200) Niewielkie objawy kliniczne, u 5 - 10% osób wymioty w ciągu kilku godzin od napromieniowania; okresowo zmiany we krwi z opóźnioną odnową; duże prawdopodobieństwo wystąpienia skutków późnych; większość objawów ustępuje po kilku tygodniach. - 2 - 3 (200 - 300) Ciężkie objawy kliniczne, wymioty u wszystkich osób w ciągu 2 h, poważne zmiany we krwi, utrata włosów po około dwóch tygodniach. Częste następstwa późne. Dawka śmiertelna dla ok. 25% napromieniowanych osób.
- 3 - 5 (300 - 500) Dawka śmiertelna dla 50% napromieniowanych - 3 - 5 (300 - 500) Dawka śmiertelna dla 50% napromieniowanych. Ciężkie objawy kliniczne z pełnym rozwojem choroby popromiennej i wyraźnym uszkodzeniem czynności krwiotwórczych szpiku. - 5 - 7 (500 - 700) Przeżywa 0 - 20% osób. Objawy ciężkiego uszkodzenia szpiku. Śmierć następuje w ciągu kilkunastu do kilkudziesięciu dni. - 10 - 30 (1000 - 3000) Uszkodzenie układu pokarmowego z objawami krwotocznymi, odwodnienie organizmu. Zejście śmiertelne w ciągu kilku do kilkunastu dni. - 50 (5000) Zespół ośrodkowo-mózgowy, zaburzenia świadomości, oddychania i krążenia. Śmierć następuje w okresie od kilkunastu godzin do 3 dni.
Działanie elektrowni atomowej
zasada działania elektrowni
Współczesna elektrownia jądrowa (wydobywające się z chłodni kominowej obłoki to skondensowana para wodna; na zdjęciu bloki po 1300 MW elektrowni atomowej w Cattenom Francja)
Elektrownia jądrowa pozwala częściowo zastąpić nieodnawialne źródła energii takie jak węgiel, ropa naftowa czy gaz ziemny. Najczęściej wykorzystuje się w nich ciśnieniowe reaktory wodne. Energii dostarcza tu uran, umieszczony w specjalnych elementach paliwowych, o kształcie kilkumetrowych prętów. Tworzą one rdzeń reaktora. Do kontrolowania zachodzących reakcji służą ruchome pręty sterujące. Przez rdzeń reaktora przepływa woda, odbierając ciepło pochodzące z rozpadu uranu. Choć jej temperatura sięga 300 stopni Celsjusza, to dzięki bardzo wysokiemu ciśnieniu nie dochodzi do wrzenia. Woda trafia następnie do wytwornicy pary. Tam powstaje para wodna rozpędzająca turbiny połączone z generatorami prądu .
Co to Są Izotopy Izotopy – odmiany pierwiastka chemicznego różniące się liczbą neutronów w jądrze. Różnice mas atomowych izotopów powodują występowanie niewielkich różnic w reaktywności izotopów. Nie ma ona wpływu na kierunek reakcji chemicznych, w których one uczestniczą, ale wpływa na szybkość przebiegu tych reakcji. Izotopy, ze względu na stabilność, dzieli się na: - trwałe (nie ulegające samorzutnej przemianie na izotopy tego samego lub innych pierwiastków); - nietrwałe, zwane izotopami promieniotwórczymi (ulegające samorzutnej przemianie na inne izotopy)
Izotopy Promieniotwórcze jako źródło energii Izotopy promieniotwórcze samoistnie się rozpadają W wyniku tej przemiany powstają inne atomy, cząstki elementarne, a także uwalniana jest energia w postaci promieniowania gamma i energii kinetycznej produktów przemiany. Energie tą możemy wykorzystać do podgrzania wody turbinach, w rezultacie to powstania prądu elektrycznego.
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.
Zalety i wady energetyki jądrowej Główną zaletą energetyki jądrowej jest nie wydzielanie się do atmosfery substancji szkodliwych dla człowieka (gazy i pyły), drugi plus, to fakt, że jest to teoretycznie dość bezpieczne, lecz w przypadku jakichś problemów z elektrowniami może nastąpić katastrofa - ludzie, którzy mieszkają niedaleko mogą zostać narażeni na działanie promieniowania jonizującego, co jest czasem śmiertelne, a u reszty powoduje choroby popromienne - to jest jedna z wad tejże energetyki jądrowej.
Zalety - wysokie bezpieczeństwo energetyki jądrowej; - brak emisji do środowiska szkodliwych gazów i pyłów; - duże zasoby materiałów rozszczepialnych; - niskie koszty wytwarzania energii; - uran wytwarza więcej energii, niż inne materiały np. węgiel.
Wady - wysokie koszty związane z zamknięciem elektrowni; - zamachy stanowiące zagrożenie dla instalacji atomowych; - brak miejsc na składowanie odpadów promieniotwórczych; - wysokie koszty utylizacji odpadów - wykorzystywanie energii jądrowej w szkodliwy dla ludzkości (np. broń jądrowa); - Związane z elektrowniami jądrowymi wybuchy, np. wybuch elektrowni w Czarnobylu, który spowodował wielkie straty oraz był przyczyną mutacji genetycznych rodzących się w tym okresie dzieci;
Katastrofy i incydenty związane z elektrowniami atomowymi. Skutki katastrof w elektrowniach atomowych na przełomie XX i XXI w.
Wielu ludzi uważa ,że elektrownie atomowe są najbezpieczniejszym sposobem na pozyskiwanie energii dla naszych wciąż rosnących potrzeb. Jednakże są one również źródłami największych katastrof przemysłowych w historii.
Katastrofa Czarnobylska
Przyczyną opuszczenia ludności z miasta i regionu jest największa katastrofa atomowa w dziejach, spowodowana wybuchem reaktora numer 4 w Czarnobylskiej elektrowni atomowej 26 kwietnia 1986 r. Powyżej ukazane jest „Miasto duchów” Prypeć na Ukrainie.
W wyniku awarii, skażeniu promieniotwórczemu uległ obszar od 125 000 do 146 000 km2 terenu na pograniczu Białorusi, Ukrainy i Rosji, a wyemitowana z uszkodzonego reaktora chmura radioaktywna rozprzestrzeniła się po całej Europie. W efekcie skażenia ewakuowano i przesiedlono ponad 350 000 osób.
Jest to słynne złomowisko pojazdów biorących bezpośredni udział przy akcji ratunkowo- zapobiegawczej po katastrofie.
W wyniku oddziaływania promieniowania radioaktywnego na rozległym terenie dochodziło do wielu mutacji ludzi, zwierząt i roślin ponieważ cząsteczki promieniotwórcze zaburzają kod DNA.
Obecnie reaktor 4 jest zakryty przez specjalnie zbudowany sarkofag z ołowiu służący do odizolowania wciąż mocno napromieniowanego reaktora od środowiska zewnętrznego. Przy samej operacji przykrycia uszkodzonego rdzenia zostało śmiertelnie napromieniowanych setki robotników.
Katastrofa w Fukushimie
11 marca tego roku doszło do największej katastrofy jądrowej w historii Japonii .Wybuch reaktora nastąpił wskutek trzęsienia ziemi u wybrzeży Japonii, które pochłonęło wraz w falą tsunami tysiące ofiar pozbawiając wielu bez dachu nad głową.
Naukowcy zgodnie twierdzą, że emisja materiałów radioaktywnych była porównywalna do tej z Czarnobyla. Jednakowoż środki zapobiegawcze były o wiele bardziej skuteczne niż te z 26 kwietnia 1986. Pozostałości elektrowni po wybuchu.
Incydent w Three Miles Island
Kolejnym incydentem związanym z energetyką atomową jest wypadek w elektrowni Three Miles Island w USA .Wydarzenie te miało miejsce 28 marca 1979r. koło miasta Harrisburg. Na szczęście udało się utrzymać kontrolę nad stopionym reaktorem i nie dopuścić do tragedii.
Wypadek ten przyczynił się w bardzo dużym stopniu do spadku publicznego poparcia wykorzystania energii atomowej, a w wyniku późniejszej awarii w Czarnobylu obawy przed podobnym przypadkiem w USA i w innych krajach. Od tego zdarzenia w Stanach nie rozpoczęto budowy nowych elektrowni jądrowych (o zastosowaniach komercyjnych). Elektrownie zbudowane wcześniej po pewnych usprawnieniach) nadal są w użyciu.
Czy boimy się elektrowni atomowej? TAK - Ludzie się boją energetyki jądrowej, ponieważ wciąż pamiętają o Czarnobylu - jego konsekwencjach; - Ponieważ pierwiastki promieniotwórcze mają toksyczne działanie; - Olbrzymie koszty inwestycyjne jakie pociąga za sobą budowa elektrowni atomowej; - Każda awaria w przypadku elektrowni atomowej stwarza nieporównywalnie większe zagrożenie niż awaria elektrowni np. węglowej – dotyczy również zasiegu.
Czy boimy się elektrowni atomowej? NIE - Energii atomowej jest to najlepsza postać energii końcowej czyli formy w jakiej energia dociera do odbiorców; - Paliwa kopalne zdecydowanie przegrywają z paliwem jądrowym; - Coraz lepsza forma składowania odpadów promieniotwórczych.
BIBLIOGRAFIA - Encyklopedia fizyki współczesnej; - Czesław Bobrowski, Fizyka - krótki kurs; - Wikipedia; - http://library.thinkquest.org; - M. Skorko: Fizyka, PWN, Warszawa 1979. - J. Massalski, M. Massalska: Fizyka dla inżynierów, WNT, Warszawa 1975. - H. Szydłowski: Pracownia fizyczna, PWN, Warszawa 1975. - www.sciaga.pl