Miért sugárzik tovább a sugárfertőzött helyre vitt bármilyen anyag?

Igen, a kapcsolatom ezzel a szakterülettel azt hiszem nyugodtan nevezhető szakmainak.

A fúzióval kapcsolatban úgy vélem, súlyos, sok nagyságrendbeli tévedésben vagy az anyagmennyiségeket illetően. Nem tudom pontosan, de úgy saccolom, hogy ha a következő 1000 évben csak fúzióval állítanánk elő energiát akkor talán úgy 1 cm-rel csökkenne tőle a tengerszint. Szóval amikor arról beszélnek, hogy a fúzióhoz szükséges üzemanyag kimeríthetetlen, akkor azt nagyjából így kell értelmezni.

Ez a fenti becslés abszolút hasraütésszerű, de ha lesz egy kis időm, kiguglizom a reális számokat, hogy ki lehessen számolni.

A hélium mint melléktermék pedig nem mérgező, és nem okoz savasesőt (mint a szenes erőművek által termelt kén- és nitrogénoxidok), nem okoz üvegházhatást (mint a minden fosszilis erőmű által termelt CO2), nem bontja az ózont (mivel hogy nemesgáz és nem lép reakcióba semmivel), és még csak nem is fogunk tőle úgy beszélni mint Miki Egér, mert könnyű és felszáll vhova a magaslégkörbe. De itt is lényeges kérdés az anyagmennyiség. Soha nem fogunk héliumot milliárd-tonna számra a légkörbe eregetni, mint ahogy azt most a CO2-vel tesszük.

OFF:

Jelenleg átlagosan fejenként és évente úgy 1 tonna CO2-t eregetünk ki a légkörbe. 7,2 milliárdan vagyunk, és egyre gyorsuló ütemben gyarapodunk. Nem teszünk a fentiek ellen semmit. Leszámítva néhány erőtlen próbálkozást és politikai mellébeszélést. Sajnos ez biztos módja annak, hogy a bolygót 100 éven belül lakhatatlanná tegyük. Szvsz ez a legfontosabb kérdés, amit meg kell gondolni, amikor arról beszélünk, hogy miből termeljünk energiát. A játék meglátásom szerint ugyanis arra megy ki, hogy fennmarad e az a meglehetősen kényelmes technológiai civilizáció amit az elmúlt 150 évben létrehoztunk vagy pedig összezuhan az emberiség lélekszáma a jelenleginek kevesebb mint 10%-ára, és középkori körülmények között tengődünk tovább a dicsőségünk romjain.

Bocs, ez hosszú lesz:

Lássuk akkor, hogyan alakulnak a számok, ha megnézzük miből mennyi kell 1 MWh villamosenergia előállításhoz. Az 1 MWh kb. 5 havi áramfogyasztása ágy átlagos magyar háztartásnak.

SZÉN

1 MWh villamosenergia előállításához 370-500 kg szén kell. Különböző források különböző értékeket írnak. A pontos szám nagyban függ a szén fajtájától (fekete, barna, lignit stb), minőségétől, ill. fűtőértékétől. Eközben (szintén forrástól függően) 800 - 1000 kg CO2 keletkezik.

FÖLDGÁZ

1 MWh előállításához kb. 220 m3 földgáz kell, ez kb. 200 kg. Közben nagyjából 500 kg CO2 keletkezik.

ATOM (fisszió)

1 MWh előállításhoz 0,7 - 1 gramm (!) urán kell. A keletkező CO2 mennyisége 6 kg.

Úgy vélem, ezekhez a számokhoz már nem árt némi magyarázat. A több-százezerszeres különbség megdöbbentő, de azt azért látni kell, hogy ezek a számok nem hasonlíthatók össze ilyen egyszerűen. A szén és a földgáz esetén olyan anyagokról van szó, amit így vagy úgy kibányásznak a földből, és azt minden különösebb előkészítés vagy feldolgozás nélkül bele lehet vezetni egy arra alkalmas kazánba, hogy ott elégessék.

Az uránnál több különbség is van. Az irodalomban megadott értékek a fűtőelemek ún. kiégésére mindig fém uránra vannak visszaszámolva. Az atomerőművek üzemanyaga ugyanakkor nem fém urán, hanem UO2, azon kívül van neki egy méretes cirkónium burkolata, amit szintén elő kell állítani, le kell gyártani stb. A földből kibányászott uránércből több lépcsős feldolgozás során lesz csak megfelelő mértékben dúsított UO2. Nagyjából 6 kg uránércet kell kibányászni ahhoz, hogy a fent emlegetett 1 gramm dúsított uránt elő lehessen állítani. Tovább bonyolítja a képletet, hogy az ún. kiégett, a reaktorban már nem használható fűtőelemek még egy csomó hasadóanyagot (azaz energiát) tartalmaznak, amit onnan újrafeldolgozással ki lehet(ne) nyerni. Ez azonban nem (jellemző) része a mai gyakorlatnak.

Azt szokták mondani, hogy az atomerőmű nem termel szén-dioxidot. Honnan van akkor az a 6 kg? Üzem közben valóban nem termel CO2-t, az üzemanyag előállításához viszont önmagában sok energiát kell felhasználni, aminek jó részét hagyományos hőerőművekben állítjuk elő.

FÚZIÓ

Ez nehéz ügy, hiszen fúziós erőmű nem létezik, és 2040 előtt nem is várható, hogy lesz. Mivel tapasztalatai adataink nincsenek, itt most egy kis hangosan gondolkodás következik.

Az ITER-ben (a jelenleg épülőfélben levő, eddigi legnagyobb kísérleti fúziós berendezés) deutériumot (H-2) igyekeznek fúzionálni tríciummal (H-3). A reakció eredménye egy He-4 atommag, egy neutron és 17,6 MeV (ejtsd: megaelektronvolt) felszabaduló energia. Ebből máris ki lehet számolni egy elméleti értéket arra, hogy egy minden szempontból 100%-os hatásfokú géppel mennyi üzemanyagra lenne szükség 1 MWh energia előállításához. 17,6 MeV = 7,83E-22 MWh. Ez azt jelenti, hogy 1,28E+21 db reakciónak kell végbemennie, hogy 1 MWh energia keletkezzen. A deutérium tömegét kettővel (g/mol), a tríciumét 3-mal, a He-ét néggyel számolva ez azt jelenti, hogy 1 MWh energiához hozzávetőlegesen 4,2 mg (miligramm!) deutérium és 6,4 mg trícium szükséges, ami pedig keletkezik az 8,5 mg hélium. Az erőművi hőkörfolyamatok jellemző hatásfoka úgy 1/3 körüli, szóval a fenti mennyiségeket kapásból meg lehet szorozni 3-mal, és biztosan vannak még máshol is veszteségek. Szorozzunk mondjuk öttel, tök mindegy. Remélem, most már érezhető a különbség: Nem mindegy, hogy 1 MWh megtermelt villamosenergiához 1 tonna kibocsátott CO2 vagy 40 mg kibocsátott He társul.

Jogosan merülhet fel a kérdés, hogy honnan lesz deutériumunk és tríciumunk. Egyik sem terem minden bokorban.

A deutériummal nagyobb a szerencsénk, mert ő, ha nem is túl gyakori, de legalább megtalálható a természetben. A közönséges vízben minden 3200 H2O molekulára jut egy HDO molekula. Olyan vízmolekula, amelyben az egyik hidrogén helyett deutérium van. Ezeket ki lehet válogatni a vízből, és lehet belőle nehézvizet, ill. tiszta deutériumot csinálni. A technológia régóta létezik, a nehézvíz ugyanis bizonyos atomreaktor-típusok moderátor-anyagaként is használatos. Csak ott nem grammokra, hanem tonnákra van belőle szükség. Az ITER honlapján azt írják, hogy 1 liter tengervízből 33 mg deutériumot lehet előállítani.

Trícium viszont csak nyomokban található meg a természetben, szegénykém ugyanis radioaktív, 12,3 év a felezési ideje. Úgyhogy őt elő kell valahogy állítani. Ehhez lítiumra van szükségünk. A lítiumnak (Li-7) van ugyanis egy n-alfa reakciója: neutronnal való besugárzásra kidob magából egy alfa részecskét, és egy neutront, a visszamaradó atommag pedig pont egy trícium. A fenti 6,4 mg trícium előállításához (elvileg) 15 mg lítium kell, a melléktermék ez esetben is hélium. Neutronunk pedig épp a fúziós reakció eredményeként van. Szóval a terv az az, hogy a tríciumot ugyanaz a reaktor fogja üzem közben előállítani, amelyik felhasználja.

Szóval deutériumunk van, tríciumot tudunk csinálni, már csak az a kérdés, hogy honnan lesz lítiumunk. Nos, a lítium egy a földkéregben gyakori alkálifém. 2011-ben 34 000 tonnát bányásztak belőle, az ismert készletek 13 millió tonnára rúgnak.

A világ villamosenergia-felhasználása 2010-ben 19,67 milliárd MWh volt. Ha ezt az egészet fúziós erőműben állították volna elő, akkor a szükséges anyagmennyiségek a néhány száz tonna tartományba esnének. Az ismert lítiumkészletek több mint 10 000 évre elegendők lennének.

A Föld teljes vízkészlete a wiki szerint 1,4E+21 kg (! Hoppá, ez egy nagy szám!) Ha mindből kiszednénk a deutériumot, az ha jól számolok 4,6E+16 kilót tenne ki. Ez évi 1000 tonnával számolva is több százmilliárd évre elég lenne, és még mindig megmaradna az óceánban levő víz legnagyobb része, hiszen a tömegének kevesebb mint 1 tízezredét vettük ki.

Úgy gondolom, a fentiek fényében egyértelmű, hogy nem a fúzió az a technológia, amitől a vízkészleteinket félteni érdemes, hanem sokkal inkább a fosszíliák elégetése.

Először is (főleg így fizika emelt érettségi előtt) köszönöm a lelkes válaszolónak a válaszait, nagyon sokat segítettek!

A "miért kezd el hasadni a kritikus tömeg feletti Urán" kérdésnek utánanéztem, mert engem is érdekelt:

-A kritikus tömeg felett (ez kb 7 kg U-235) a láncreakció nem indul be magától, de ha valami elindítja, akkor alakul ki az önfenntartó láncreakció.

-Ez az atombombában úgy történik, hogy az egyik U-tömbön Berillium, a másikon Rádium van. Az urán összerobbantásakor ezek annyira közel kerülnek egymáshoz, hogy neutron lép ki valamelyikükből, és ez beindítja a láncreakciót.

Egyébként ez a jegyzet egész jónak tűnik, én is innét lestem: [link]

Úgy gondolom, a trícium egyszerűen elégne, és az égéstermék ugyanúgy víz, mint a sima hidrogén esetén.

Viszont egy működő fúziós reaktorban egyszerre csupán néhány gramm üzemanyag van, ami olyan kicsi mennyiség, hogy teljességgel elhanyagolható, még ha a környezetbe kerül is.