Oddelek za ziko Tritij kot jedrsko gorivo Seminar AVTOR: Anºe Jazbec MENTOR: doc. dr. Andrej Trkov SOMENTOR: dr. Luka Snoj Ljubljana, 2012 Povzetek Fuzija je jedrska reakcija, pri kateri se laºja jedra zlivajo v teºja. Ker se pri tem spro² a energija, bi lahko tak²en proces uporabili v komercialnih reaktorjih za pridobivanje elektri ne energije. Ker pa je ta tehnologija ²e v povojih, bo potrebno narediti ²e veliko raziskav. Ena stopnica na tej poti bo tudi raziskovalni fuzijski reaktor ITER. Tam se bodo zlivala jedra devterija in tritija. Devterij je razmeroma lahko dostopen, tritija pa na Zemlji prakti no ni. V seminarju so opisani na ini, kako danes pridobivamo tritij ter kako ga porabljamo. Na koncu je predstavljena ²e primerjava fuzijske energije z nekaterimi ostalimi viri energije.
Kazalo 1 Uvod 2 2 Fuzija 2 2.1 ITER in JET.................................... 4 2.2 Tritij in ITER.................................... 6 3 Tritij 8 3.1 Nastanek tritija................................... 8 3.2 Proizvodnja tritija................................. 10 3.3 Ekstrakcija tritija.................................. 11 3.4 Uporaba tritija................................... 11 4 Fuzija kot vir energije 12 5 Zaklju ki 13 Literatura 13 1
1 Uvod Devterij in tritij se bosta uporabljala kot gorivo v bodo ih fuzijskih reaktorjih. Devterij lahko najdemo v naravi, tritija pa prakti no ni, ker je radioaktiven in ima razpolovno dobo pribliºno 12 let. V fuzijskih elektrarnah bodo tritij pridobivali v litijevih oblogah reaktorja. Eksperimentalni fuzijski reaktorji pa bodo morali tritij dobiti od drugod, najverjetneje iz klasi nih cepitvenih jedrskih reaktorjev [1]. Namen seminarja je predstvaiti tritij kot jedrsko gorivo v fuzijskih reaktorjih ter raziskati, kako se ga pridobiva, kako nastaja, koliko se ga pridela in zakaj vse se uporablja. V prvem delu seminarja si bomo ogledali fuzijo kot eno od moºnostih za pridobvanje enrgije v prihodnosti. V nadaljevanju si bomo pogledali obstoje e in prihodnje fuzijske reaktorje ter njihove potrebe po T. Opisali bomo nastanek tritija na zemlji ter si pogledali njegovo proizvodnjo in uporabo. Na koncu seminarja sledi pogled v prihodnost in opis proizvodnje tritija v fuzijskih reaktorjih in analiza zalog fuzijskega goriva glede na dana²nje in prihodnje potrebe po energiji. 2 Fuzija Jedrska reakcija, kjer je masa kon nih produktov manj²a kot masa za etnih produktov, je eksotermna reakcija. Koli ina spro² ene energije je sorazmerna razliki mas. W = ( i m i f m f )c 2, (1) kjer rki i in f ozna ujeta vhodne in izhodne produkte. Eksotermne reakcije lahko prepoznamo, e upo²tevamo mase in vezavne energije vseh za etnih in kon nih jeder. Masa m jedra z atomskim ²tevilom Z in masnim ²tevilom A se razlikuje od vsote mas protonov - Zm p in nevtronov - (A Z)m n. ƒe to razliko v masi pomnoºimo s kvadratom svetlobne hitrosti, dobimo vezavno energijo jedra: W vez = (Zm p + (A Z)m n m)c 2 = mc 2 (2) Zaradi razli no velikih jeder je smiselno denirati povpre no vezavno energijo na nukleon W vez /A, ki je narisana na sliki 1. W vez /A je za vodik enaka 0, nato pa raste z A in doseºe maksimum 8.7 MeV pri A = 56. Potem se pri ne rahlo spu² ati in je za najteºje atome enaka 7.5 MeV. Zlivala se bodo le laºja jedra, kot so vodik, devterij, tritij in helij. ƒe ºelimo, da se bosta dve pozitivno nabiti jedri zlili skupaj, morata premagati Coulombovo silo. Ko se jedri dovolj pribliºata, na razdaljo manj²o kot radij atoma, za utita privla no jedrsko silo. Da atom preide Coulombovo bariero, ni potrebno, da ima vi²jo energijo, le dovolj veliko, da lahko tunelira skozi. Fuzijski presek, ki je sorazmeren verjetnosti, da se bosta jedri zlili skupaj [2], zapi²emo kot: 2
Slika 1: Vezavna energija na nukleon v odvisnosti od masnega ²tevila [2]. σ(e) = S(E) E exp E G /E. (3) Kjer je S(E) astrozikalni S faktor, exp E G /E pa Gamow faktor, odvisen od energije, vrstnega ²tevila in reducirane mase obeh jeder. V tabeli 1 so zbrane tipi ne fuzijske reakcije, spro² ene energije na reakcijo, fuzijski presek σ max in teºi² ni energiji obeh delcev pri kateri je presek najve ji. Podobno je prikazano tudi na sliki 2. Tabela 1: Reakcije in spro² ena energija, ter maksimalen fuzijski presek pri energiji E max. Reakcija Spro² ena energija [MeV] σ max [b] E max [kev] D + T α + n 17.59 5.0 64 D + D T + p 4.04 0.096 1250 D + D 3 He + n 3.27 0.11 1750 T + T α + 2 n 11.33 0.16 1000 D + 3 He α + p 18.35 0.9 250 p + 6 Li α + 3 He 4.02 0.22 1500 p + 11 B 3 α 8.68 1.2 550 p + 12 C 13 N + γ 1.94 1.0 10 4 400 DT reakcija ima najve ji fuzijski presek pri relativno nizki energiji 64 kev. Oddana energija 17.6 MeV je skoraj najve ja v tej druºini reakcij. Zaradi obeh razlogov je ta reakcija najperspektivnej²a za uporabo v bodo ih fuzijskih reaktorjih. 3
Slika 2: Fuzijski presek v odvisnosti od energije v teºi² nem sistemu [2]. 2.1 ITER in JET Trenutno najve ji in najmo nej²i fuzijski reaktor je tokamak JET (The Joint European Torus) (slika 3). Deluje ºe od leta 1983. Zgrajen je bil predvsem za preu evanje palzme in njenega obna²anja v pogojih, kakr²ni bodo v fuzijskem reaktorju. JET je leta 1997 pr izlivanju devterija in tritija proizvedel kar 16 MW fuzijske mo i v pulzu, ki je trajal nekaj sekund. S tem je demonstriral, da je v tokamaku mogo e dose i pogoje za zlivanje D in T. Trenutno JET sluºi kot osnova in pomo pri izgradnji reaktorja ITER, ki bo najve ja fuzijska naprava na svetu in bo proizvedel pribliºno 500 MW fuzijske mo i [3]. V JET ustvarajajo plazmo iz razli nih iztopv vodika in helija, a je edini reaktor, v katerem lako poteka tudi zlivanje D in T. Tudi v ITRU in predvidoma vseh kasnej²i fuzijskih reaktorji bodo zlivali jedra devterija in tritija. Kot pri vsakem viru energije so tudi pri fuziji pomembne zaloge goriva. Devterij lahko destiliramo iz vode v vseh agregatnih stanjih. Je lahko dostopen, ne²kodljiv in prakti no neskon en vir. V vsakem litru morske vode je 33 mg devterija. Danes se ga pridobiva predvsem za namene znanosti in industrije. Druga e pa bo s tritijem. ITER bo za obratovanje potreboval zunanji vir tritija, kasnej²i fuzijski reaktorji pa bodo morali tritij proizvajt kar sami. D + T α + n Pri DT fuziji se spro² ajo nevtroni in helijeva jedra. Helijevo jedro ali alfa delec odnese 3.5 MeV nevtron pa 14.1 MeV. Ker so nevtroni nevtralni, lahko pobegnejo iz 4
Slika 3: Notranjost pred in med obratovanjem JET-a, ki je trenutno najve ji tokamak. Prostornina plazme v reaktorju ITER bo osemkrat ve ja [1]. plazme, ki je ujeta v magnetno polje tokamaka. Ker se absorbirajo v steni reaktorja, se ta greje, posledi no segreva hladilo v steni. Nevtron se lahko absorbira tudi v litiju, ki bo prisoten v oblogi kot oplodni material. Pri tem nastaneta 4 He in tritij, ki se bo porabil kot gorivo. Ker pa se vsak spro² en nevtron ne bo absorbiral v litiju in tvoril T, bo nevtrone potrebno pomnoºevati. Zato je na rtovanje in izdelava t.i. oplodne obloge izjemno pomembna in zahtevna naloga. Alfa delci oziroma helijeva jedra niso nevtralna. Preden jih odstranimo iz plazme, trkajo v devterijeva ter tritijeva jedra in tako segrevajo plazmo. Ker helijeva jedra odnesejo le petino pri fuziji nastale energije, mora reaktor proizvajati petkrat ve energije, kot jo potrebuje za zlivanje jeder, da je reakcija samovzdrºevalna - zunanje segrevanje ni ve potrebno [4]. V reaktorju lahko proizvajamo tritij nedolo en as. Ko je enkrat vzpostavljena reakcija, samovzdrºevana fuzijska reakcija, je potrebno v plazmo le dovajati gorivo, to sta D in T, ki ga pridoivamo iz Li v oblogi reaktorja. Tako D kot Li sta oba razmeroma lahko dostopna. Prave fuzijske elektrarne, ki bodo proizvajale energijo, bodo ves tritij naredile same. ITER (slika 4) bo demonstriral, da lahko plazmo zadrºujemo dovolj dolgo asa in pri dovolj veliki mo i, da lahko naredimo fuzijsko elektrarno. ITRU bo sledil DEMO, katerega naloga bo demonstrirati, da lahko proizvede dovolj T za lastne potrebe ter seveda elektrike za dlje asa. Fuzijska goriva (D in Li) so ne le lahko dostopna, pa pa tudi varna. V vsakem 5
Slika 4: Pre ni prerez raziskovalnega fuzijskega reaktorja ITER [1]. trenutku obratovanja, je v reaktorju le nekaj gramov devterija in tritija. Fuzijska reakcija odda pribliºno ²tiri milijonkrat ve energije na enoto mase kot kemijska reakcija. 1000 MW termoelektrarna potrebuje 2.7 milijonov ton premoga na leto. Fuzijska elektrarna enake tmo i pa bi potrebovala le 250 kilogramov goriva (D in T) na leto. Poleg tega fuzijska elektrarna nebi proizvedla ni toplogrednih plinov. Edini produkt je helij, ki je nestrupen in neradioaktiven. Prav tako se v plazmi ne more zgoditi nenadzorovana veriºna reakcija, ki bi povzro ila, da se temperatura pri ne nenadzorovano vi²ati. ƒe bi se pogoji v reaktorju le malo spremenili, bi se plazma v nekaj sekundah ohladila in reaktor bi se ustavil. Fuzija proizvede veliko energije, pri tem pa zelo malo obremenjuje okolje in posledi no prihodnje generacije [1]. V nadaljevanju si bomo ogledali potrebe fuzijskih reaktorjev po T ter od kod bomo dobili potreben T. 2.2 Tritij in ITER ITER bo raziskovalni fuzijski reaktor. Za delovanje bo potreboval zunanji vir tritija. Zdaj²nje ocene kaºejo, da bo celoten program ITER skoraj izpraznil vse svetovne zaloge tritija. Kanada letno proizvede 1.5 kg tritija [5]. Tako bo ostalo ²e do leta 2025, nato pa bo zmanj²ala koli ino na 0.2 kg na leto. Severna Koreja od leta 2006 pridela 0.4 kg tritija letno, ki ga shrani med svetovne zaloge in ga bo pridelovala vse do leta 2040 [5]. Vsako leto se porabi ²e pribliºno 0.1 kg tritija za namene, ki niso povezani s fuzijo [5]. Upo²tevati je potrebno ²e razpolovno dobo tritija. Vsako leto ga 5.5% razpade v helij 6
(slika 5). 35 30 25 Zaloge Poraba Zaloge - ITER Masa T [kg] 20 15 10 5 0-5 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 Leto Slika 5: Koli ine trtija namenjenega za komercialno uporabo in poraba tega v raziskovalnem fuzijskem reaktorju ITER [5]. Ob za etku delovanja fuzijskega reaktorja ITER, si bodo v prvih treh letih obratovanja naredili zalogo 2 kg tritija. Nato bodo naslednjih 5 let porabo tritija linearno pove evali do porabe 1.08 kg tritija na leto. Potem eno leto ne bodo porabili ni tritija zaradi vzdrºevalnih del na reaktorju. Sledil bo cikel desetih let, vsako leto bodo porabili predvidoma 1.43 kg tritja. Ko bo projekt zaklju en, bo ostal 1 kg tritija, ki se ga bo vrnilo nazaj med svetovne zaloge [5]. Za ITER pri akujejo, da bo v enem pulzu dosegel fuzijsko mo okoli 500 MW, plazma pa naj bi gorela 400 sekund ali ve. Mo, ki bo potrebna za zagon reaktorja, bo 50 MW. tevilo pulzov reaktorja ITER, pri porabi 1.43 kg tritija vsako leto, izra unamo na slede na in: ²tevilo tritijevih jeder zna²a N = mn A M, (4) kjer je m masa tritija, N A je avogadrova konstanta, M pa molska masa tritija, ki zna²a 3.016 g/mol. ƒe predpostavimo, da se zgodi enako ²tevilo reakcij DT, kot je ²tevilo tritijevih atomov, in se pri vsaki reakciji sprosti 17.6 MeV energije, je celotna koli ina energije 2.24 10 11 Wh. tevilko delimo z mo jo reaktorja 500 MW in asom 400 s = 0.11 h in dobimo, da na leto lahko naredjo okoli 4000 obratovalnih pulzov, oziroma 11 pulzov na dan. Pri vsakem pulzu se porabi pribliºno 360 µg tritija. 7
3 Tritij Tritij je edini naraven radioaktiven izotop vodika. Njegovo jedro je sestavljeno iz enega protona ter dveh nevtronov. Naravni vodik vsebuje 99.98 % atomov obi ajnega vodika 1 H, 0.02 % atomov devterija in 10 16 % atomov tritija [6]. Najbolj pogosta oblika tritija je plin. Vezan je na navaden vodik HT. Pogosto se nahaja tudi v obliki oksida, ki ga lahko imenujemo tritiarna voda HTO. Kemijske lastnosti tritija so prakti no enake tistim, ki jih ima navaden vodik [6]. Razpolovna doba tritija je 12.32 leta [7]. Razpada z razpadom beta v 3 He: 3 1T 3 2He + e + ν e. Pri tem se sprosti 18.6 kev energije. Kineti na energija elektrona je v povpre ju 5.7 kev, preostalo energijo pa odnese elektronski antinevtrino. Doseg elektronov v zraku je le nekaj mm, zaustavi pa jih ºe tanka plast Al folijo, zato T ni nevaren s stali² a zunanjega obsevanja. Nevaren pa je lahko, e pride v telo. V na²em telesu je nato v obliki tritiarne vode, ta pa se obna²a enako kot navadna voda. Hitro se preseli iz plju oziroma prebavne cevi v krvni obtok. Tritij se lahko absorbira v na²e telo skozi povrhnjico koºe. Ne glede na to, kako je tritij pri²el v na²e telo, je ta po dveh urah enakomerno porazdeljen po celem telesu. Majhen deleº tritija zamenja vodikove atome na organskih molekulah. Se pa tako kot voda tudi tritij hitro izlo i. Njegova biolo²ka razpolovna doba je pribliºno 10 dni [6]. 3.1 Nastanek tritija Tritij v naravi nastaja, ko kozmi ni ºarki interagirajo s plini v atmosferi, naprimer z du²ikom: 14 N + n 3 T + 12 C. Potem se kot deº (HTO) spusti na zemljo. Vendar pa je prisoten v zelo majhnih koli inah. V naravnem ravnovesju ga je na celotni Zemlji le ²tiri kilograme [8]. e pribliºno petkrat toliko ga je zaradi testiranj jedrskega oroºja v sredini prej²njega stoletja [6]. Med eksplozijo atomske bombe se sprosti 4 10 10 Bq/kt tritija, med eksplozijo vodikove bombe pa kar 7 10 14 Bq/kt tritija. V ²estdesetih letih je bila celotna koli ina tritija na Zemlji pribliºno 600 kg [8]. To potrjujejo tudi meritve, ki jih opravljajo na Dunaju (slika 6). 1 TU (enota tritija) = 0.118 Bq/L vode (= 3.19 pci/l). Tritij nastaja tudi v jedrskih reaktorjih. Kopi i se v obliki tritiarne vode. Izpusti so v obliki teko ine, vodne pare ali pa kar v obliki plina. Najpomembnej²i mehanizem nastajanja tritija je ternarna cepitev. Jedro 235 U se cepi na tri razcepke, od katerih je eden T. Direktno iz 238 U nastane malo tritija, le eno jedro T na 10000 sij. Ve ina tritija, nastalega s cepitvijo urana, ostane v gorivnih palicah. Le okoli 10 % ga difundira 8
Slika 6: Koli ina izmerjenega tritija v vodi [9]. skozi cirkonijevo gorivno sraj ko v primarno hladilo reaktorja. Tritij nastaja tudi v hladilu, in sicer iz bora in litija. Z borom raztopljenim v vodi se uravnava absorpcija nevtronov [10]. Litij je prisoten v hladilu, ker se z njim (LiOH) uravnava ph vode [11]. Doprinos tritija zaradi reakcije na devteriju je zanemarljiv [12]. 10 B + n 2 4 He + 3 T 10 B + n 4 He + 7 Li 6 3Li + n 4 2He + 3 1T (5) 7 3Li + n 4 2He + 3 1T + n. (6) Tritij, ki se nahaja v hladilnem sredstvu pa predstavlja pribliºno dve tretjini vsega tritija v reaktorju [11]. Reaktor v Kr²kem je lahkovodni. Tritij, ki nastane med obratovanjem nuklearke, nadzorovano spu² ajo v okolje. V letu 2010 je bila aktivnost izpu² enega tritija enaka 21.2 TBq, kar ustreza 59.4 mg tritija [10]. Tritij nastaja tudi v teºkovodnih reaktorjih, predvsem preko absorpcije nevtronov v teºki vodi. 2 D + n 3 T + γ Tritij se kopi i v moderatorju. Tukaj ga ne spu² ajo v okolje, kot se to dogaja pri lahkovodnih reaktorjih. V okolje ga pride le 1 %, ker uide skozi prezra evalni sistem. Ker pa je nakopi en tritij lahko nevaren za tamkaj²nje delavce, obstaja v Kanadi poseben obrat, ki kemi no odstranjuje tritij iz teºke vode. To storijo v dveh 9
korakih. Najprej uparijo hladilno sredstvo in s pomo jo katalizatorjev odstranijo tritij v obliki vodne pare. Nato s pomo jo kriogenske destilacije izlo ijo tritiarno vodo (tak²na destilacija se uporablja tudi za pridobivanje du²ika). Letno lahko pre istijo 2500 ton teºke vode in dobijo 2.5 kg tritija z manj kot 2 % ne isto. Vendar pa je dejanska proizvodnja nekoliko manj²a, tako da vsako leto pridobijo 1.5 kg tritija [5]. Pridobljen tritij ni namenjen voja²ki uporabi, pa pa ga trºijo po celem svetu za komercialno uporabo. Podoben obrat imajo ²e v Rusiji [8]. Trenutna cena tritija, pridelanega v Kanadi, je pribliºno $30,000 na gram. 3.2 Proizvodnja tritija Ker v naravi nastane premalo tritija, da bi ga lahko pridobivali neposredno iz okolja, ga moramo umetno proizvajati. Obstajata vsaj dva na ina pridobivanja tritija [13]. Pri prvem z nevtroni obstreljujemo zlitino iz litija in aluminija. Nevtroni reagirajo z litijem in nastaja tritij ter ²e nekateri stranski produkti (ena bi 5 in 6). ƒe ho emo u inkovito proizvajati tritij iz 6 Li, moramo tega obstreljevati s termi nimi nevtroni, saj ima v tem energijskem obmo ju reakcija najve ji presek (slika 7). ƒe pa ºelimo proizvajati tritij iz 7 Li, bo produkcija uspe²na le ob uporabi hitrih nevtronov, saj je reakcija pragovna. 100000 10000 1000 6 Li 7 Li 100 Presek [b] 10 1 0,1 0,01 1E-3 1E-5 1E-3 0,1 10 1000 100000 1E7 Energija [ev] Slika 7: Mikroskopski reakcijski presek za nastanek tritija 6 Li in 7 Li v odvisnosti od energije vpadnega nevtrona [7]. Pri drugem na inu pridobivanja tritija z nevtroni obstreljujemo 3 He. Tako nastajata tritij in vodik. 10
3 2He + n 3 1T + 1 1H Pri obeh na inih proizvodnje potrebujemo nevtrone. Te lahko pridobimo v pospe- ²evalnikih ali pa v reaktorjih. V pospe²evalniku trkamo nabite delce v tar o iz teºke kovine (na primer protone trkamo v tar o iz volframa), kjer izbijejo nevtrone in protone. Ti nevtroni in protoni spet izbijajo nevtrone, tako dobimo kaskadno reakcijo in nevtrone porabimo za proizvajanje tritija. V reaktorju pa potrebujemo nevtrone za cepljenje urana. Pri cepitvi nastajajo novi nevtroni. Pojavi se veriºna reakcija, vendar se ne porabijo vsi nevtroni za nadaljnje cepljenje urana. Nekaj jih porabimo za trkanje z litijem in posledi no proizvodnjo tritija. Na sliki 7 vidimo, da je presek za nastanek iz 6 Li veliko ve ji, kot pa presek na 7 Li. Ker pa naravni litij vsebuje le 7.59 % 6 Li, je proces u inkovitej²i, e uporabimo obogaten litij. Zdruºene drºave Amerike so od leta 1954 do leta 1963 proizvedle 442.4 ton obogatenega litija. Med drugim je bil namenjen tudi za produkcijo tritija. Proces se pri ne z naravnim litijem, ki vsebuje pribliºno 7.5 % 6 Li. Preostanek je 7 Li. Obogaten litij je vseboval 40 %, 60 % in 95.5 % 6 Li. V preostalem, osiroma²enem litiju je bil deleº 6 Li med 1 in 4 %. V ZDA so tritij pridobilvali iz Li v jedrskih reaktorjih, in sicer tako, da so so obi ajne kontrolne palice iz bora ali kadmija zamenjali za palice iz obogatenega litija in tako proizvajali tritij [13]. Koli ina vsega pridelanega tritija v Ameriki od leta 1955 naprej je 179 kg [14]. Ker pa tritij stalno razpada, so bile zaloge leta 1984 ocenjene na 79 ± 25 kg. Leta 1988 so ustavili ²e zadnji ameri²ki reaktor, ki je bil namenjen proizvodnji tritija. Po koncu hladne vojne so ZDA ocenile, da imajo dovolj velike zaloge tritija za obnavljanje bojnih konic. Ker tritij v njih razpada, ga morajo vsako leto dodajati. Zadnje ase se zaloge tritija za voja²ke namene hitro praznijo, tako da ameri²ka vlada ponovno razmi²lja o izgradnji reaktorja, kjer bi se pridelovalo tritij [13]. 3.3 Ekstrakcija tritija Tritij se bo v fuzijskih reaktorjih pridobival iz obloge, ki bo najverjetneje iz LiAlO 2 in LiAl 5 O 8 [15]. V laboratoriju so na vzorcih iz enakih zlitin opravili vrsto eksperimentov, kot je to opisano v [15] in [16]. Vzorce litijevega aluminata se najprej obseva v reaktorju. Tritij difundira iz njih, ko le-te izpostavimo argonu oziroma heliju. Ekstrakcijo lahko pospe²imo tako, da ºlahtnemu plinu dodamo majhno koncentracijo vodika, vse skupaj pa segrejemo na temperaturo okoli 600 C. Tritij se tako izlo i v plinasti obliki kot HTO in T 2 O. Eksperimente so izvajali tako v reaktorju kot tudi zunaj reaktorja. 3.4 Uporaba tritija Tritij se uporablja tudi v vsakdanjem ºivljenju za samosvetle e naprave, kot so svetle e ²tevil nice ro nih ur, oznaevalniki zasilnih izhodov in celo lu i na pristajalnih 11
stezah letali². Vsaka lu na letali² u vsebuje med 1 in 6 TBq tritija (do 1.6 mg T), kar pomeni da porabimo tudi do 4 10 15 Bq tritija na celotno pristajalno stezo. Mejna vrednost kontaminacije gradbenega materiala, e je v njem prisoten tritij, je v Sloveniji 0.74 TBq/m 3 [17]. Tritij se uporablja tudi za raziskave na podro ju fuzijske zike, ter kot sledilec v biolo²kih in farmacevtskih raziskavah. Celotna komercialna uporaba tritija sredi devetdesetih let je bila ocenjena na 400 g letno in je vsako leto manj²a. Za primerjavo, ga je samo ameri²ka vojska takrat porabila 2200 g vsako leto [18], da je posodobila vse bojne jedrske konice. Trenutna svetovna poraba tritija je ocenjena na 100 g na leto. Tritij se uporablja tudi kot prehodni marker v oceanih. Ker je koli ina tritija skokovito narasla zaradi jedrskih testov, tritija prej prakti no ni bilo v morjih. Z meritvami vsebnosti tritija lahko hitro ugotovimo, kako kroºijo vodne mase. ƒe najdemo vodne mase z vsebnostjo enega tritijevega atoma na 10 18 atomov vode (naravna koncentracija tritija), lahko sklepamo da izbran vzorec vode od leta 1960 ²e ni pri²el v stik z atmosfero [19]. V bliºnji prihodnosti se bo pojavil ²e en velik porabnik tritija. To bo ºe prej omenjeni raziskovalni fuzijski reaktor ITER. 4 Fuzija kot vir energije Najprej se je potrebno vpra²ati, ali res potrebujemo fuzijsko energijo, e pa je na Zemlji ²e dovolj drugih virov. Znane svetovne zaloge premoga so ocenjene na 1600 Gt [20]. ƒe vemo, da povpre en Angleº porabi ve kot 100 kwh energije vsak dan in je na svetu 7 milijard prebivalcev, bi premog zado² eval za manj kot 20 let. Hitro nam postane jasno, da potrebujemo ²e druga ne vire energije. Sonce sveti na Zemljo v letnem povpre ju z mo jo 110 W/m 3 [20]. ƒe bi vsak Zemljan postavil 10 m 2 son nih celic, ki imajo izkoristek 20 %, dobimo vsak dan 5 kwh elektri ne energije na prebivalca. ƒe bi ºeleli v Sloveniji ºiveti izklju no od son ne energije, bi bilo potrebno pokriti skoraj 5 % drºave s son nimi celicami, ki bi imele 10 % izkoristek. Izkoristek je manj²i ob predpostavki, da bi ²lo za masovno proizvodnjo son nih celic. Potrebno se je zavedati, da bi tak²ne son ne elektrarne kon ale na prisojnih pobo jih, kjer imajo danes kmetje zemljo za pridelavo hrane. Koliko asa pa bi se lahko oskrbovali s fuzijsko energijo. Zanimivi sta dve fuzijski reakciji, DT reakcija in DD reakcija. DT reakcija zaenkrat zgleda bolj perspektivna, saj poteka ºe pri temperaturi 100 milijonov C. Za DD reakcijo bi potrebovali temperature vsaj 300 milijonov C. Za primerjavo lahko omenimo, da je temperatura v soncu 15 milijonov C, le da je tam tlak veliko ve ji, zato se lahko jedra zlivajo pri tako nizkih temperaturah. Klasi ni fuzijski DT reaktorji bodo ostali brez goriva, ko bo na Zemlji zmanjkalo litija. Do takrat bo verjetno ºe razvita tehnologija fuzijskih reaktorjev, ki bodo delovali 12
samo na devterij. Pa ocenimo, koliko energije lahko proizvedemo v fuzijskih reaktorjih. Svetovne zaloge litija v rudah so ocenjene na 9.5 milijonov ton. ƒe bi vse zaloge uporabili za namene fuzijskih elektrarn, bi v naslednjih 1000 letih proizvedli 10 kwh/d energije na osebo. Litij se nahaja tudi v morski vodi. Tam je koncentracija litija ocenjena na 0.17 ppm. Da bi proizvajali litij iz morske vode s hitrostjo 100 milijonov kg na leto, bi potrebovali 2.5 kwh energije na gram pridobljenega litija. Fuzijske elektrarne iz enega grama litija proizvedejo 2300 kwh energije, tako da bi bila neto proizvedena energija 105 kwh/d na osebo, ob predpostavki, da na svetu ºivi 6 milijard ljudi. Tako bi litij iz oceanov zagotavljal energijo za ve kot milijon let. Trenutna povpre na poraba energije v Veliki Britaniji je 125 kwh/d na prebivalca. Kaj pa potem, ko bo zmanjkalo litija? Ostane nam ²e devterij. ƒe delamo fuzijo iz enega grama devterija, pri tem nastane kar 100000 kwh energije. ƒe na hitro ocenimo, da je masa oceanov pribliºno 230 milijonov ton na osebo, lahko ugotovimo; e bi bilo na svetu 60 milijard ljudi in bi vsak porabil 100 krat ve energije kot danes, bi bili z elektri no energijo proizvedeno v fuzijskih reaktorjih priskrbljeni za naslednjih milijon let [20]. 5 Zaklju ki Svetovna poraba energije se neprestano ve a, zaloge fosilnih goriv, iz katerih danes pridobimo ve ji del energije, pa so omejene. Nekateri stavijo na obnovljive vire, a analize kaºejo [20], da je z obnovljivimi viri energije prakti no nemogo e zadostiti obstoje im potrebam povpre nega prebivalca EU po energiji. Veliko znanstvenikov pa si je enotnih, da bodo fuzijski reaktorji elektrarne prihodnosti. Zaenkrat je bilo dokazano, da lahko naredimo fuzijo tudi na Zemlji, vendar ²e ni bilo take, ki bila energetsko u inkovita. To je tak²na, ki bi proizvedla ve energije, kot jo je potrebno dovetsi za ustvarjanje pogojev za fuzijo. Prav to bodo sku²ali narediti v raziskovalnem fuzijskem reaktorju ITER, za to pa bodo potrebovali devterij in tritij. Devterij je razmeroma lahko dostopen, zaplete se pa pri tritiju. Na svetu ga je zelo malo, njegovo pridobivanje pa je zapleteno, a je klju nega pomena za projekt ITER. Ta bo porabil velik deleº svetovne zaloge tritija, a e se bo pokazalo, da je mogo e tritij pridobivati znotraj reaktorja iz litijeve obloge, zunanjih zalog ne bomo ve potrebovali za prihodnje fuzijske reaktorje. Tam se bosta kot gorivo uporabljala le ²e litij in devterij. Literatura [1] ITER - the way to new energy: http://www.iter.org/ (21.11.2011). [2] S. Atzeni, J. Meyer-ter-Vehn. (2004). Nuclear fusion reactions, The Physics of Inertial Fusion. University of Oxford Press. ISBN 978-0-19-856264-1. 13
[3] JET's Main Features: http://www.efda.org/jet/jet%e2%80%99s-main-features (29.1.2012). [4] Heating the plasma: http://www.jet.efda.org/fusion-basics/heating-the-plasma/ (24.11.2011). [5] Sawan Mohamed. (2008) Tritium Breeding Requirement in Next Step Fusion Nuclear Facility (FNF), FNST Meeting at UCLA: http://fti.neep.wisc.edu/presentations/mes_tritium_fnst0809.pdf. [6] Tritium (Hydrogen-3): http://www.ead.anl.gov/pub/doc/tritium.pdf (10.11.2011). [7] Janis 3.2 Java-based Nuclear Data Display Program Internetna stran: http://www.oecd-nea.org/janis/ (4.11.2011). [8] Canadian Nuclear FAQ: http://www.nuclearfaq.ca/cnf_sectiond.htm#x5 (4.11.2011). [9] Tritium in atmosphere: http://www-naweb.iaea.org/napc/ih/documents/global_cycle/vol%20ii/cht_ii_05.pdf (17.11.2011). [10] Nuklearna elektrarna Kr²ko: http://www.nek.si/sl/ (4.11.2011). [11] Brief description of nuclear power reactor systems and primary coolant chemistry: http://www.nap.edu/openbook.php?record_id=9263&page=1 (17.11.2011). [12] S. avli, (2006) Teko inski izpusti tritija iz Nuklearne elektrarne Kr²ko, Revizija 2, URSJV/DP 095/2006. [13] Rowberg E. Richard. (2001) The Department of Energy's Tritium Production Program, Congressional Research Service. http://www.policyarchive.org/handle/10207/bitstreams/991.pdf. [14] Tritium Inventory: http://docs.nrdc.org/nuclear/les/nuc_87010103d_65c.pdf (18.11.2011). [15] Briec M. idr. (1986) In and out-of-pile tritium extraction from samples of lithium aluminates, v Journal of Nuclear Materials 141-143, str. 357. [16] Brbreitung W. idr. (1988) Out-of-pile tritium extraction from lithium silicate, v Journal of Nuclear Materials 155-157, str. 507. [17] Uredba o mejnih dozah, radioaktivni kontaminaciji in intervencijskih nivojih (Ur.l. RS, ²t. 49/2004). [18] Kalinowski B. Martin, Colschenb C. Lars. (1995) International Control of Tritium to Prevent Horizontal Proliferation and to Foster Nuclear Disarmament, Science & Global Security, 5. str 131-203. [19] Transient Tracers Track Ocean Cimate Signals: http://www.whoi.edu/oceanus/viewarticle.do?id=2330 (18.11.2011). [20] David JC MacKay. (2009) Susatinable Energy - Without the hot air, Cambridge, England, ISBN 978-0-9544529-3-3. 14