Wikipedista:Gemourison/Pískoviště

Wignerova energie

Wignerovou energií se označuje "uložená" energie v tělese grafitu po vytlačení atomů v mřížce tělesa. Důvodem pro toto vytlačení je ozařování rychlými neutrony. Při dostatečné teplotě (aktivační či žíhací teplotě) dochází ke zpětnému uvolnění této přebytečné energie. Tento jev může nastat u jakéhokoliv krystalického materiálu, ale nejvíce je probíraná u ozářeného grafitu z jaderných zařízení a převážně tak mluvíme o Wignerově energii v ozářeném grafitu. [1, 2, 3]

První náznaky tohoto fenoménu nastaly v roce 1942, kdy vědci přišli na to, že moderace rychlých neutronů grafitem může vést k vytlačení atomů uhlíku. Eugene Paul Wigner, po kterém je tento jev pojmenovaný, navrhl, že se během tohoto procesu ukládá energie v grafitu a při zahřátí grafitu může být tato energie zpětně uvolněna. Příkladem nekontrolovatelného uvolnění Wignerovy energie je havárie zařízení Windscale ve Velké Británii, kde došlo k rapidnímu nárůstu teploty a následnému požáru. [2]

Vysvětlení jevu

Při moderaci neutronů grafitem v jaderných zařízeních dochází ke srážkám neutronů a atomů uhlíku. Při těchto srážkách předávají neutrony část své energie těmto atomům a proces pokračuje, dokud nemá neutron dostatečně nízkou energii na štěpení paliva (přibližně 0,025 eV při pokojové teplotě). Vazebná energie mezi atomy uhlíku se pohybuje v řádech desítek eV (12 až 60 eV), zatímco energie rychlých neutronů dosahuje jednotek v MeV. Tato mnohonásobně vyšší energie neutronů je postačující na vytlačení atomů uhlíku, a dokonce i na to, aby vytlačené atomy uhlíku vytlačily i sousední atomy. Mnoho z těchto atomů má dostatečnou energii na vrácení se na vakance (volná místa v mřížce) vytvořená jejich přesunem, zatímco ostatní atomy vytvoří tzv. intersticiály – atomy uvězněné mezi vrstvami mřížky. Tyto instersticiály mají vyšší potenciální energii, než ostatní atomy v mřížce uhlíku (přibližně 2,5 eV). Se zvyšující se teplotou se stávají intersticiály mobilnější a je tak větší pravděpodobnost, že se zpětně rekombinují s vakantními místy a dojde tak k uvolnění jejich potenciální energie jako přebytečného tepla. [1]

Ozařovací a žíhací teplota

Pro bližší popis tohoto jevu je zapotřebí teploty, při které je grafit ozařován (ozařovací teplota) a teploty, při které je nashromážděná energie zpětně uvolněna (žíhací teplota). Ve výzkumech se řešily hlavně ozařovací teploty -195 °C, 30 °C a 200 °C a pro ně příslušné žíhací teploty. Právě tyto žíhací teploty jsou důležité pro případné zacházení s ozářeným grafitem ve stávajících jaderných zařízeních či jako s odpadem. Z měřeních vyšlo, že nejvíce energie se uvolňovalo při žíhacích teplotách -80 °C, 200 °C a 1 200 °C. Každá ozařovací teplota má několik vrcholů žíhacích teplot, ale tyto 3 teploty se vyskytují nejčastěji. Například pro ozařovací teplotu 30 °C dochází k nejvyššímu uvolnění energie při teplotě 200 °C. [1]

Existují různé teorie pro tyto teplotní vrcholy. Tou nejpravděpodobnější je, že do teploty -80 °C jsou intersticiály ve formě jednotlivých atomů či volných shluků atomů. Po dosažení -80 °C začnou tyto volné shluky formovat molekulové shluky, skládající se z párů atomů uhlíku C₂. Při teplotě 200 °C se začnou C₂ shluky hustit do větších shluků a dislokací. Nakonec, při teplotě 1 200 °C se stávají vakance mobilní a ničí vytvořené shluky a dislokace. Po dalším zvýšení teploty (přibližně 1 750 °C) prakticky všechny defekty mizí a materiál nemá téměř žádnou uloženou energii. [1]

Měření Wignerovy energie

Měření Wignerovy energie v grafitu probíhá zejména třemi způsoby: kalorimetrem s tlakovou nádobou, adiabatickým kalorimetrem či diferenciálním skenovacím kalorimetrem. Ve všech metodách se porovnávají vzorky ozářeného a neozářeného grafitu. [1]

Kalorimetr s tlakovou nádobou

V tlakové nádobě kalorimetru je umístěná spalná látka pod kyslíkovou atmosférou a celá nádoba je ve vodě. Kalorimetr funguje tak, že je spalná látka zažehnuta elektrickou svíčkou umístěnou v kalorimetru, látka se spálí a předá své teplo vodě okolo kalorimetru, která je měřena teploměrem. V případě Wignerovy energie se tak zjišťuje únik přebytečné energie v grafitu a porovná se s pokusem u neozářeného grafitu. Nevýhodou této metody je, že nám dává jen celkové uvolněné teplo, ale ne žíhací teplotu, při které došlo k uvolnění. [1]

Adiabatický kalorimetr

Technika adiabatického kalorimetru, spočívá v připevnění zkoumané látky k termočlánku a postupnému ponořování vzorku do pece s konstantní teplotou. Pomocí termočlánku se pozoruje, jestli se teplota grafitu nezvýší díky uložené energii. Právě touto metodou se získala většina dat na chování grafitu v reaktoru při uvolňování Wignerovy energie v 50. let 20. století. Je jednoduchá a rychlá. K hlavním problémům metody patří „ponořování“ jako takové. Není přesně zadefinováno a může tak dávat nepřesné výsledky. [1]

Diferenciální skenovací kalorimetr

Na přesnější měření Wignerovy energie se od 50. let využívají kalorimetry, u kterých roste teplota vzorku stejnou rychlostí. K hlavním takovým kalorimetrům patří diferenciální skenovací kalorimetr, který se skládá z hliníkového bloku, který je chlazen vodou a je tak udržován při konstantní teplotě. V tomto bloku jsou dva platinové tavicí kelímky a každý z nich má odporový teploměr a odporový ohřívák. Ohříváky zde zajišťují přibližně stejnou teplotu v obou kelímcích. [1]

Pomocí teploměrů se konstantně pozoruje teplota obou kelímků a počítač podle toho zvyšuje či snižuje výkon jednotlivých ohříváků, aby se tyto teploty shodovaly. Výsledkem měření je pak rozdíl v dodané energii do jednotlivých kelímků a teplota kelímků. Rychlosti ohřívání se mohou pohybovat mezi 0,1 a 300 K/min, většinou se používá 10 K/min. Měření pak probíhá ve čtyřech fázích, vždy se stejnou ohřívací rychlostí. První se provede s prázdnými kelímky, druhá s materiálem se známou hmotností a tepelnou kapacitou, a posléze, třetí se zkoumaným materiálem. Během zahřátí grafitu by mělo dojít k uvolnění Wignerovy energie a změní se tak tepelná kapacita. Během čtvrté fáze se měří ten samý vzorek, s již uvolněnou přebytečnou energií, a naměří se tím skutečná tepelná kapacita vyzářeného vzorku. Tyto tepelné kapacity z ozářeného a vyzářeného vzorku se následně porovnají, vypočítá se celkový únik energie, a i při jakých teplotách k tomu došlo. K výhodám tak patří celkem přesně měření tepla a žíhacích teplot, ale je potřeba dostatečné izolace od okolního prostředí. [1]

Likvidace grafitu a Wignerova energie

Likvidace grafitového odpadu je vzhledem k přítomnosti Wignerovy energie problematická. Jako s jinými radioaktivními materiály se počítá s umístěním do hlubinného uložiště, ale před vlastním uložením je potřeba zbavit materiál většiny přebytečné energie. Kdyby se tak nestalo a v uložišti by se tento grafit zahřál z okolí na některou žíhací teplotu, mohlo by dojít k náhlému nárůstu tepla a poškození struktury uložiště jako takového, s možným následným únikem radiace do okolí. K předejití tomuto jevu se využívá žíhání grafitu na teploty 250-300 °C po dobu 30 minut, během čehož dojde k uvolnění až 80 % uložené energie. Případně je možné zvýšit teplotu až na 500 °C, při čemž ztrácí materiál až 90 % uložené energie. Až po tomto žíhání je možné tento radioaktivní odpad ukládat. [1]

Výzkumné reaktory a reaktory na výrobu jaderných zbraní pracovaly při dostatečně nízkých teplotách, při kterých docházelo k ozáření grafitu a uložení energie a jedná se tak o tento odpad, který je tak nebezpečný. Komerční reaktory pracují s vyššími teplotami, při kterých se tato energie neukládá nebo je rovnou uvolněna během provozu. [1]

Havárie ve Windscale

Zařízení ve Windscale, dnes známé jako Sellafield, sloužilo k produkci plutonia k výrobě jaderných zbraní. V tomto vzduchem chlazeném, grafitem moderovaném reaktoru, došlo 10. října 1957 k havárii po žíhání grafitové konstrukce aktivní zóny. Pracovníci Windscale se pokoušeli o uvolnění Wignerovy energie a obnovení krystalické struktury grafitu, ale došlo k nekontrolovatelnému uvolnění přebytečné energie. To způsobilo porušení palivových elementů, jejich zažehnutí a požáru. Následující den proběhlo zaplavení aktivní zóny a uhašení požáru. Výsledkem byl první veřejně známý únik radioaktivních látek do životního prostředí. [4]

Odkazy

Reference

1. Wigner energy in irradiated graphite and post-closure safety. (2002). Bibliographic information available from INIS: http://inis.iaea.org/search/search.aspx?orig_q=RN:34022915 Available from British Library Document Supply Centre- DSC:7218. 474237(080)
2. ZHAO, Yumeng, Yuhao JIN, Shasha LV, Jie GAO, Zhou ZHOU, Toyohiko YANO a Zhengcao LI. The Wigner energy and defects evolution of graphite in neutron-irradiation and annealing. Radiation Physics and Chemistry[online]. 2022, 201 [cit. 2023-03-25]. ISSN 0969806X. Dostupné z: doi:10.1016/j.radphyschem.2022.110401
3. PONCIROLI, Roberto, Nicolas STAUFF, Zhi-Gang MEI, Patrick SHRIWISE, Landon BROCKMEYER, Yan CAO, Bo FENG a Paul ROMANO. Integration of a Wigner effect-based energy storage system with an advanced nuclear reactor. Nuclear Engineering and Design [online]. 2021, 385 [cit. 2023-03-25]. ISSN 00295493. Dostupné z: doi:10.1016/j.nucengdes.2021.111521
4. BERGAN, T., M. DOWDALL a Ø.G. SELNÆS. On the occurrence of radioactive fallout over Norway as a result of the Windscale accident, October 1957. Journal of Environmental Radioactivity [online]. 2008, 99(1), 50-61 [cit. 2023-03-25]. ISSN 0265931X. Dostupné z: doi:10.1016/j.jenvrad.2007.06.011

Související články

Krystalová porucha

Sellafield

Kalorimetr