Ενεργειακές Πρώτες Ύλες Ενεργειακές Πηγές & Ενεργειακές Πρώτες Ύλες Ραδιενεργές Ενεργειακές Πρώτες Ύλες - Γένεση Κίμων Χρηστάνης Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Γεωλογίας

Άδειες Χρήσεις Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς.

Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στo πλαίσιo του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Αθηνών» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.

Σκοποί ενότητας Σκοπός της συγκεκριμένης ενότητας είναι να αντιληφθεί ο αναγνώστης: ποιες είναι οι πρώτες ύλες, από τις οποίες μπορεί να παραχθεί ενέργεια με πυρηνική σχάση και πώς οι πρώτες ύλες αυτές εμφανίζονται στη φύση.

Περιεχόμενα ενότητας Φυσική & Τεχνητή Μεταστοιχείωση Πυρηνική Σχάση Ουράνιο και θόριο γεωχημική συμπεριφορά ορυκτά κοιτάσματα

Ραδιενεργές Ενεργειακές Κεφάλαιο 8: Ραδιενεργές Ενεργειακές Πρώτες Ύλες - Γένεση

Περί μεταστοιχείωσης Μεταστοιχείωση* είναι η μετατροπή ενός χημικού στοιχείου σε άλλο. Φυσική είναι η μεταστοιχείωση, που συμβαίνει στη φύση και οδηγεί στη δημιουργία ενός θυγατρικού ισοτόπου από κάποιο μητρικό του με σύγχρονη εκπομπή ακτινοβολιών α, β, γ. Η διαδικασία αυτή μπορεί να συνεχίζεται σε επόμενο θυγατρικό, έτσι ώστε από ένα μητρικό στοιχείο (αρχηγός οικογένειας) να προκύπτουν διαδοχικά πολλά θυγατρικά (με μικρότερο μαζικό αριθμό) μέχρι κάποιο σταθερό ισότοπο. Η φυσική μεταστοιχείωση αναφέρεται και ως ραδιενεργή διάσπαση. Τεχνητή είναι η μεταστοιχείωση, που συμβαίνει σε επιταχυντές ή συγκεκριμένους πυρηνικούς αντιδραστήρες και κατά την οποία προκύπτουν νέα στοιχεία ή ισότοπα με μεγαλύτερο μαζικό αριθμό. * Ο όρος αναφέρεται στα συγκεκριμένα στοιχεία και πρέπει να χρησιμοποιείται με προσοχή.

(https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Nuclear_fusion.gif) Ποιες είναι οι ΡΕΠΥ Ραδιενεργές Ενεργειακές Πρώτες Ύλες (ΡΕΠΥ) είναι φυσικά υλικά, δηλ. πρώτες ύλες, που με επεξεργασία δίνουν σχάσιμα ισότοπα. Σχάσιμα είναι τα ισότοπα, που αν βομβαρδιστούν με νετρόνια συγκεκριμένης ενέργειας, υφίστανται αλυσωτή πυρηνική σχάση. Η πυρηνική σχάση είναι μια έντονα εξώθερμη αντίδραση. Η θερμότητα που εκλύεται, μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Εικόνα 1 (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Nuclear_fusion.gif)

Ποιες είναι οι ΡΕΠΥ Αλυσωτή πυρηνική σχάση υφίστανται τα ισότοπα 235U, 233U και 239Pu (σχάσιμα), από τα οποία: στη φύση απαντάται μόνο το 235U, τα ισότοπα 233U και 239Pu παρασκευάζονται εργαστηριακά με τεχνητή μεταστοιχείωση αντίστοιχα του 232Th και του 238U, που απαντώνται στη φύση. Τα 232Th και 238U καλούνται γόνιμα, καθώς δεν είναι από τη φύση τους σχάσιμα, αλλά με τεχνητή μεταστοιχείωση μπορούν να δώσουν σχάσιμα. Επομένως ΡΕΠΥ είναι τα μεταλλεύματα των στοιχείων U και Th.

Παραγόμενη Θερμότητα (σε MJ/kg) Γιατί τις ΡΕΠΥ Παραγόμενη Θερμότητα (σε MJ/kg) Λιγνίτης 15 Ξύλο 21 Λιθάνθρακας 32 Πετρέλαιο 45 Βενζίνη 47 Φυσικό αέριο 54 Φυσικό U 443.000 Εμπλουτισμένο U 3.456.000 U σε Fast Breeder 24.000.000

Το ουράνιο και το θόριο Είναι τα βαρύτερα χημικά στοιχεία Το ουράνιο και το θόριο Είναι τα βαρύτερα χημικά στοιχεία Στη φύση το U εμφανίζεται πάντα ως μίγμα συγκεκριμένων ισοτόπων σε σταθερή αναλογία: 238U 99,274% (γόνιμο του 239Pu) 235U 0,71% (σχάσιμο) 234U 0,0052% (αμελητέο) Στη φύση το Th εμφανίζεται ως 232Th (γόνιμο του 233U). Το U έχει σθένος +4 και +6, το Th μόνο +4 Το U+4 εύκολα οξειδώνεται σε U+6 και αυτό εύκολα ανάγεται σε U+4 Οι ενώσεις του U+4 είναι κατά κανόνα δυσδιάλυτες και του U+6 ευδιάλυτες. Οι ενώσεις του Th είναι δυσδιάλυτες.

Γεωχημική συμπεριφορά Γεωχημική συμπεριφορά Το ουράνιο (U) ευκίνητο και σχηματίζει συγκεντρώσεις σχεδόν παντού, αλλά χαμηλές τιμή Clarke 4 ppm συγκέντρωση σε μαγματικά πετρώματα: υπερβασικά < 0,1 ppm βασικά 1 ppm όξινα < 10 ppm Το θόριο (Th) είναι δυσκίνητο, ανθεκτικό στη διάβρωση τιμή Clarke 12 ppm βασικά < 10 ppm όξινα 10-15 ppm

Ορυκτά του U και του Th Το U εμφανίζεται σε >185 ορυκτά. Συνηθέστερα απαντώμενα ορυκτά: οξείδια: ουρανινίτης (κυβικό UO2), πισσουρανίτης (άμορφο UO2 ή UO2.UO3 ή U3O8), θοριανίτης (ThO2 ), ουρανοθοριανίτης (U,Th)O2 πρωτογενή ορυκτά με σπάνια μέταλλα: βραννερίτης ((U,Th,Ca,Y)(Ti,Fe)2O6), σαμαρσκίτης ((Y,U,Ca)(Nb, Ta,Ti)2(O,OH)6) πυριτικά: κοφφινίτης (U(SiO4)1-x(OH)4x), θορίτης (ThSiO4) φωσφορικά: τορβερνίτης (Cu[UO2/PO4]2.nH2O), μοναζίτης ((ΣΓ*,U,Th,Bi)PO4) βαναδικά: καρνοτίτης (Κ2[UO2/VO4]2.3H2O) οργανικά σύμπλοκα: θουχόλιθος (Th + U + C + H + O) * σπάνιες γαίες

Κοιτάσματα του U και του Th Σημαντικότεροι τύποι κοιτασμάτων: τύπος κροκαλοπαγούς τύπος ψαμμίτη φλεβικός τύπος φλεβοειδής τύπος Γεωχημική συμπεριφορά Th περιορισμένη ποικιλία κοιτασμάτων. τύπος μοναζιτικής άμμου

Κυριότεροι τύποι κοιτασμάτων U Α. Τύπος Κροκαλοπαγούς Μηχανική διάβρωση γρανίτη Σε μη οξειδωτική ατμόσφαιρα, πριν από >2,2 δισεκατομμύρια χρόνια Απόθεση κλαστικού υλικού (κροκάλες) σε παλαιοκοίτες ποταμών μαζί με συνδετικό υλικό Συγγενετική μεταλλοφορία Ρυθμιστικοί παράγοντες: λιθολογικός γεωχρονολογικός Κύρια μεταλλικά ορυκτά: ουρανινίτης βραννερίτης Περιεκτικότητα σε U < 0,5% Εικόνα 2 Η μεταλλοφορία φιλοξενείται σε κροκαλοπαγές (πυριτικές κροκάλες με χαλαζιακό συνδετικό υλικό) (Χρηστάνης, 1998).

Κυριότεροι τύποι κοιτασμάτων U Β. Τύπος Ψαμμίτη Απόθεση σε: κοίτες πεδία πλημμύρας δέλτα ποταμών λιμνοθάλασσες Μεταφορά ουρανίου υπό μορφή διαλυμάτων ουρανυλίου (UO2)+2 Επιγενετική μεταλλοφορία Ρυθμιστικοί παράγοντες: λιθολογικός Κύρια μεταλλικά ορυκτά: πισσουρανίτης κοφφινίτης καρνοτίτης Περιεκτικότητα σε U < 0,5% Β1. Φαινομενικά σύμφωνη μεταλλοφορία Εικόνα 3 Η μεταλλοφορία φιλοξενείται σε ψαμμίτες, που εναλλάσσονται με αργιλικά πετρώματα (Χρηστάνης, 1998).

Κυριότεροι τύποι κοιτασμάτων U Β. Τύπος Ψαμμίτη Β2. Μεταλλοφορία roll front Απόθεση σε: κοίτες πεδία πλημμύρας δέλτα ποταμών λιμνοθάλασσες Μεταφορά ουρανίου υπό μορφή διαλυμάτων ουρανυλίου (UO2)+2 Απόθεση λόγω αναγωγής σε U+4 Επιγενετική μεταλλοφορία Ρυθμιστικοί παράγοντες: λιθολογικός υδροχημικός Κύρια μεταλλικά ορυκτά: πισσουρανίτης κοφφινίτης Περιεκτικότητα σε U < 0,5% Εικόνα 4 Η μεταλλοφορία φιλοξενείται σε μικρής κλίσης ψαμμίτες, που εναλλάσσονται με αργιλικά πετρώματα (Χρηστάνης, 1998).

Κυριότεροι τύποι κοιτασμάτων U Απόθεση σε: κοίτες πεδία πλημμύρας δέλτα ποταμών λιμνοθάλασσες Μεταφορά ουρανίου υπό μορφή διαλυμάτων ουρανυλίου (UO2)+2 Κίνηση διαλυμάτων μέσω του ρήγματος, μεγαλύτερη διείσδυση στους περατούς σχηματισμούς Επιγενετική μεταλλοφορία Ρυθμιστικοί παράγοντες: λιθολογικός τεκτονικός Κύρια μεταλλικά ορυκτά: πισσουρανίτης κοφφινίτης Περιεκτικότητα σε U < 0,5% Β. Τύπος Ψαμμίτη Β3. Τεκτονολιθολογική μεταλλοφορία (Stack) Εικόνα 5 Η μεταλλοφορία φιλοξενείται σε ψαμμίτες, που εναλλάσσονται με αργιλικά πετρώματα και βρίσκονται σε τεκτονική επαφή με αδιαπέρατα πετρώματα (Χρηστάνης, 1998).

Κυριότεροι τύποι κοιτασμάτων U Γ. Φλεβικός τύπος Κατά μήκος ρηγμάτων κινούνται υδροθερμικά διαλύματα που προέρχονται από μαγματική εστία Ρυθμιστικοί παράγοντες: τεκτονικός Κύρια μεταλλικά ορυκτά: πισσουρανίτης, συχνά με ορυκτά των Ni, Co, Ag, Bi ή των Cu, Co, Ni, Au ή του Fe, Pb, Zn, Cu. Περιεκτικότητα σε U <1% Εικόνα 6 (Χρηστάνης, 1998)

Κυριότεροι τύποι κοιτασμάτων U Δ. Φλεβοειδής τύπος Κίνηση διαλυμάτων ουρανυλίου (UO2)+2 μέσω ρηγμάτων Ρυθμιστικοί παράγοντες: τεκτονικός στρωματογραφικός Κύρια μεταλλικά ορυκτά: πισσουρανίτης Κοφφινίτης Περιεκτικότητα σε U μέχρι και 12% (Cigar Lake, Καναδάς) Ο όρος "φλεβοειδής" χρησιμοποιείται για μεταλλοφορίες, που μοιάζουν με τις φλεβικού τύπου, αλλά προέρχονται από πολυγενετικές διεργασίες (νέα υδροθερμικά διαλύματα, υπεργενείς επιδράσεις κ.ά.), που τις περισσότερες φορές επιδρούν σε ιζηματογενείς ουρανιούχες συγκεντρώσεις. ¶

Κυριότεροι τύποι κοιτασμάτων U Ε. Ενδομαγματικός τύπος Όξινα γρανιτικά σώματα μπορούν υπό προϋποθέσεις να αποτελούν ουρανιούχα κοιτάσματα. Συγκεντρώσεις ουρανίου λίγων εκατοντάδων ppm είναι εκμεταλλεύσιμες, αν π.χ. βρίσκονται σε πολύ μικρό βάθος από την επιφάνεια του εδάφους, επομένως η εξόρυξή τους είναι σχετικά εύκολη. Διάσπαρτη μεταλλοφορία U+4 Ρυθμιστικοί παράγοντες: λιθολογικός Κύρια μεταλλικά ορυκτά: ουρανινίτης Περιεκτικότητα σε U < 0,05%

Άλλοι τύποι κοιτασμάτων U & Th Υπάρχουν και άλλοι τύποι κοιτασμάτων ουρανίου, μικρότερης σημασίας, όπως είναι οι ασβεστοδολομιτικές κρούστες, όξινοι ηφαιστίτες, πηγματίτες, μεταμορφωμένα πετρώματα κ.ά. Αυξημένες συγκεντρώσεις ουρανίου σημειώνονται σε γαιάνθρακες, φωσφορίτες, οργανικούς σχίστες. Δεν υφίστανται εκμετάλλευση. Θόριο περιέχεται σε όξινα μαγματικά πετρώματα και πηγματίτες. Αυξημένες περιεκτικότητες υπάρχουν σε μοναζιτικές άμμους. Δεδομένου όμως ότι η ζήτηση για θόριο είναι περιορισμένη*, δεν πραγματοποιείται εξόρυξη κοιτασμάτων του. * δεν χρησιμοποιείται ακόμη στην ηλεκτροπαραγωγή, καθώς το θόριο είναι γόνιμο στοιχείο

Σημειώματα

https://eclass.upatras.gr/courses/GEO357/ Σημείωμα Αναφοράς Copyright: Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Γεωλογίας, Κίμων Χρηστάνης. «Ενεργειακές Πηγές και Ενεργειακές Πρώτες Ύλες». Έκδοση: 1.0. Πάτρα 2015. https://eclass.upatras.gr/courses/GEO357/

Συνιστώμενη βιβλιογραφία European Commission (2005). Nuclear energy in Europe : how the Euratom Treaty protects Europe's citizens. Luxembourg :Office for Official Publications of the European Communities. Murray, R.L. (2001). Nuclear energy: an introduction to the concepts, systems, and applications of nuclear processes. Boston, Butterworth-Heinemann. Pearson, J. M. (1986). Nuclear physics : energy and matter. Bristol, Adam Hilger Ltd. Ευρωπαϊκή Ένωση (2010). Συνθήκη Εύρατομ : ενοποιημένη έκδοση. Λουξεμβούργο :Υπηρεσία Εκδόσεων της Ευρωπαϊκής Ένωσης. Χρηστάνης, Κ. (1998). Ενεργειακές Πηγές και Ενεργειακές Πρώτες Ύλες. Πάτρα: Εκδόσεις Πανεπιστημίου Πατρών.

Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων Το Έργο αυτό κάνει χρήση των ακόλουθων έργων: Εικόνες/Σχήματα/Διαγράμματα/Φωτογραφίες Εικόνα 1: <Nuclear fusion> < https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Nuclear_fusion.gif > < CC-BY-SA-3.0 > Εικόνες 2, 3, 4, 5 και 6: <Αρχείο του Ερευνητικη Ομαδα Ενεργειακων Πρωτων Υλων του Τμήμα Γεωλογίας, Πανεπιστήμιο Πατρών >

Τέλος Ενότητας