nuklearne elektrane

Nuklearne elektrane

Ana Gamilec, EEN-ES

Dragan Bartolić, EEN-ET

SVEUČILIŠTE U ZAGREBUSVEUČILIŠTE U ZAGREBUFAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVAFAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVAMetodika i prikazivanje rezultata znanstvenog radaMetodika i prikazivanje rezultata znanstvenog rada

Zašto nuklearne elektrane?

o povećanje potreba za energijom uvjetovano porastom standarda sveopće proizvodnje i potrošnje – dvije milijarde ljudi širom svijeta nema pristup električnoj energiji

o globalno oslanjanje na fosilna goriva i velike hidroelektrane ostati će trend bar do 2020. godine, ali to neće biti dovoljno za zadovoljavanje rastućih potreba ljudi

Povijesni razvoj, primjena i značaj nuklearne energetike

razvoj je počeo prije II. svjetskog rata vojni nuklearni program – “Manhattan”

projekt – cilj je bio proizvesti atomsku bombu – u sklopu projekta izgrađen je prvi reaktor “Chicago pile 1” – prva samoodržavajuća lančana reakcija 2.12.1942.

sredinom 50-ih godina dvadesetog stoljeća počela je komercijalna primjena nuklearnih reaktora koja traje sve do danas

djelotvorna i ekonomična primjena u energetici

Povijesni razvoj, primjena i značaj nuklearne energetike

status i značaj nuklearne energetike u pogonu su 444 reaktora (494 u izgradnji i

remontu) SAD (110), Francuska (59), bivši SSSR(46),

Njemačka (17), Japan (54), Južna Koreja (21), Kanada (17), Velika Britanija (23) itd.

ukupna instalirana električna snaga – 406136 MWe 18% ukupne proizvedene električne energije svijeta radni vijek nuklearnih elektrana – 30 – 60 godina 284 istraživačka reaktora te dodatnih 220 reaktora

u funkciji pogona brodova i podmornica

Nuklearne reakcije

Fisija nuklearna reakcija cijepanja jezgre atoma na

dva dijela (fisijski fragmenti) pri čemu se oslobađa velika količina toplinske energije

Fuzija Nuklearna reakcija spajanja jezgara atoma

pri čemu nastaje teža jezgra uz oslobođenje toplinske energije

Princip rada

Princip rada

bit – samoodrživa kontrolirana lančana reakcija

NENE koriste kao gorivo uran ili plutonij prirodni uran (izotop U-238 sa 99.3%

udjela i izotop U-235 sa 0.7 % udjela) – potrebno je prirodni uran obogatiti izotopom U-235 da bi ga mogli koristiti kao gorivo

Princip rada

oslobođena energija u fisijama U i Pu pretvara se u toplinsku energiju koja grije rashladno sredstvo koje svoju toplinsku energiju predaje vodi koja se grije i prelazi u paru te odlazi do parne turbine

glavni dijelovi: reaktorska jezgra gorivni element (gorivo) rashladno sredstvo parogenerator sigurnosni sustavi

Princip rada

Princip rada

NENE se dijele prema tipu reaktora i vrsti goriva: PWR (293) BWR (98) HWR (54) GCR (30) HTGR LMFBR

najbitnije dvije skupine reaktora su PWR i BWR te njihove inačice

Nesreće u NENE

Otok tri milje u SAD (1979.) oštećenje jezgre 1979. godine rezultiralo je

iz niza nesretnih okolnosti u kojima su se događale pogreške na opremi i pogreške operatera

rastalila se približno trećina jezgre doza zračenja izvan NENE nije prelazila razinu

koja ugrožava stanovništvo

Nesreće u NENE

Černobilj u Ukrajini (1986.) primarni je uzrok nesreće ljudska pogreška -

niz narušavanja propisanih instrukcija i operativnih postupaka

sekundarni se uzroci mogu sažeti u kategoriju nedostataka u projektu i izvedbi elektrane

31 žrtva neposredno nakon nesreće, više od 100.000 ljudi evakuirano

ogroman negativni utjecaj na razvoj nuklearne energetike

Nesreće u NENE

Usporedbe s ostalim elektranama

broj smrtnih slučajeva po milijardi proizvedenih kWh električne energije:1. najveća je smrtnost kod hidroelektrana (101 slučaj po

TWh) 2. termoelektrane na ugljen (39 slučajeva po TWh)3. termoelektrane na plin (10 slučajeva po TWh)4. NENE (1 slučaj po TWh - uključujući i černobiljsku

nesreću) reaktori u Černobilju ne mogu biti mjerodavni za

procjenu sigurnosti ostalih tipova NENE – nisu građeni uz poštivanje opće prihvaćenih kriterija sigurnosti, ali nisu ni temelj nuklearne energetike ni u jednoj zemlji izvan zemalja bivšeg SSSR

Usporedbe s ostalim elektranama

Sigurnost NENE

smanjenje emisije CO2 – NENE ne proizvode CO2, SO2, NOx u velikim količinama – NENE ne rade efekt staklenika, ne utječu na ozon

dobro konstruirane NENE pokazale su se pouzdanima, sigurnima, ekonomski prihvatljivim i ekološki “dobroćudnim”

do sad se u svijetu nakupilo više od 10000 reaktor-godina rada, pa se skupilo i potrebno iskustvo u iskorištavanju nuklearne energije

Ciljevi nuklearne energetike

ciljevi za srednjoročno razdoblje (do 2030.) poboljšani lakovodni reaktori poboljšani teškovodni reaktori visokotemperaturni plinom hlađeni reaktori

ciljevi za dugoročno razdoblje (nakon 2030.) brzi oplodni reaktori fuzijski nuklearni reaktori (ITER)

Općenito o fuziji

1934. god. Cockroft i Walton prvi put demonstrirali oslobađanje energije fuzije

1936.god. Lord Rutherford predvidio nuklearnu reakciju fuzije između deuterija i tricija

1950 – ih god. hidrogenska bomba

Fizikalne osnove fuzije

Reakcije od interesa za ostvarivanje kontrolirane fuzije zajedno s potrebnom početnom temperaturom i iznosom dobivene energije


Praktični problemi:vrlo visoke temperature > 100 milijuna K

• svi materijali prelaze u stanje plazme • puno energije za zagrijavanje goriva

zbog neutrona materijal reaktora postaje radioaktivan


PLAZMA – 4. stanje materije elektroni odvojeni od pripadajućih atomskih

jezgri 99.9% materije u svemiru - plazma grijati do temperature fuzije – važno je

zadržati minimalnu gustoću materijala materijal mora biti dovoljno niske gustoće i

tlaka (oko 1 Pa) - fuzijska komora mora biti napravljena od čvrstog materijala konačnog volumena (vakuum)


TLAK PLAZME

Zvijezde - plazmu na okupu drže snažne gravitacijske sile

1) fuzijski uređaji s magnetskim ograničenjem plazme

2) fuzijski uređaji s inercijalnim ograničenjem plazme

Fuzijski uređaji s magnetskim ograničenjem plazme

Plazma – električki vodljivaAko je stavimo u magn.polje, u njoj

će se inducirati struja koja će nastojati poništiti vanjsko magnetsko polje (potisnuti ga van iz plazme)

Magn. silnice obilaze plazmu i pritom polje vrši tlak, koji nastoji ograničiti širenje plazme


Princip rada tokamakazasniva se na postojanju

izmjeničnog magnetskog polja koje inducira kružnu struju kroz plazmu (plazma se ponaša kao sekundar transformatora), a magnetsko polje te struje obuhvaća i komprimira plazmu (i tok struje i prateća kompresija griju plazmu)


Princip rada tokamaka


Princip rada tokamaka TEHNOLOŠKI PROBLEMI problemi vezani za:

• mogućnost proizvodnje dovoljno snažnih magn.polja

• dinamičku stabilnost plazme• termičke izolacije


Princip rada tokamaka TEHNOLOŠKI PROBLEMI

• reakcijska komora - na visokom potlaku

• toplinski fluks na zidu – velik

• brzi neutroni oštećuju zid komore i čine ga radioaktivnim

• zaštititi okolinu reakcijske komore od fluksa brzih neutrona vanjskim oplodnim omotačima koji će se koristiti za proizvodnju tricija

Reakcijska komora Tokamak uređaja


Princip rada tokamaka

niz tokamak uređaja u eksploataciji i gradnji: • JET (Joint Europen Torus)

• u pogonu od 1983.god. • trenutno najveći tokamak na

svijetu sposoban za proizvodnju 16 MW fuzijske snage u trajanju do 1 s


Izgled JET eksperimentalnog fuzijskog uređaja


Princip rada tokamaka ITER (International Thermonuclear Experimental

Reactor)• najozbiljniji pomak prema ostvarenju fuzijske

elektrane

• međunarodni projekt : Narodne Republike Kine Europske Unije Japana Republike Koreje Rusije SAD-a, uz pokroviteljstvo UN-ove nuklearne agencije IAEA


ITER CILJ:

• postići samoodrživu fuzijsku reakciju (jednom pokrenuta, samostalno se održava uz kontinuirani dotok goriva)

MJESTO RAZVOJA PROJEKTA:• Japan Atomic Energy Research Institute u Naka-i, 80 km

sjeverno od Tokija• Max Planck Institut für Plasmaphysik u Garching-u, 15 km

sjeverno od Münchena LOKACIJA ZA IZGRADNJU PROJEKTA

• Cadarache, France PREDVIĐENI POČETAK RADA:

• kraj 2016.


Cadarache, France


Izgled ITER eksperimentalnog fuzijskog reaktora


SigurnostInherentno siguran proces

• Fuzija se odvija u vakuumu – unutrašnjost reaktora je dobro zabrtvljena – minimalna mogućnost kontaminacije okoliša

• Bilo kakav kontakt sa okolinom unosi nečistoće u plazmu i gasi fuziju

Nema lančane reakcije koja bi se mogla oteti kontroli (nasuprot fisiji)

Prekid dotoka goriva - fuzija se gasi za oko 1 sekundu


Zračenje (neutrone) upija materijal reaktora

Ozračena materija (reaktor) nije pokretna

Za radnog vijeka postrojenja bit će proizvedena znatna količina radioaktivnog otpada no on nije visoko radioaktivan

Fuzijski uređaji s inercijalnim ograničenjem plazme

Osnovna ideja Termonuklearna eksplozija u malom Postići uvjete fuzije slične onima u

zvijezdama ili hidrogenskoj bombi: • Visoka temperatura• Visoki tlak• Visoka gustoća

Fuzija mora biti manjih razmjera kako bi se mogla držati pod kontrolom


Indirektno i direktno obasjavanje mete laserom i meta za snop teških iona


Da bi bilo moguće razmišljati o komercijalnoj fuzijskoj elektrani na bazi inercijalnog ograničenja plazme potrebno je riješiti još puno problema:

• jednostavne i učinkovite proizvodnje tableta mete koje bi proizvele 50 do 100 puta veću energiju od one uložene za grijanje i kompresiju

• prema sada očekivanoj veličini tableta potrebno ih je oko 100 milijuna godišnje

• najviše se radi na eliminiranju nestabilnosti izazvanih nesimetričnim obasjavanjem mete i na razvoju snopova odgovarajućih karakteristika (energetska efikasnost od 10 do 30% i frekvencija ponavljanja pulsa od 5 do 10 Hz)

• Fuzijska komora bi morala imati životni vijek bar 30 godina i ne bi smjela biti tretirana kao radioaktivni materijal nakon razgradnje


National Ignition Facility (NIF) Eksperimentalni inercijski fuzijski reaktor u izgradnji Puštanje u pogon 2008. Projekt Ministarstva obrane SAD-a Početni cilj bio je proučavanje termonuklearnih reakcija

Eliminira potrebu za podzemnim termonuklearnim eksplozijama

Veliki interes pokazuje ministarstvo energije Zbog mogućnosti proizvodnje električne energije

Osnovne karakteristike: Laserski pogon (192 zrake) Mogućnost direktnog i indirektnog pogona

Slično postrojenje gradi se u Francuskoj (Laser Mega Joule) Očekivano puštanje u pogon 2012.

Zaključak

zadnje tri dekade nuklearna energija ima značajnu ulogu u proizvodnji električne energije

jaki proboj nuklearne energije može se zahvaliti njezinoj čistoći i gotovo nikakvim ispuštanjem stakleničnih plinova

konstantan, čist i pouzdan izvor energije

Zaključak

Rješenje problema oko sve većih potreba za energijom moguće samo uz kompromise i nadilaženje predrasuda!

Literatura

1. Danilo Feretić, Uvod u nuklearnu energetiku, Školska knjiga, Zagreb, 1992.

2. Danilo Feretić, Nikola Čavlina, Nenad Debrecin, Nuklearne elektrane, Školska knjiga, Zagreb, 1995.

3. Vladimir Knapp, Petar Kulišić, Novi izvori energije, Školska knjiga, Zagreb, 1985.

4. www.iter.org (25.04.2006.)5. www.jet.org (25.04.2006)6. www.fusion.org (24.04.2006)7. http://www.mojaenergija.hr/index.php/me/

knjiznica/nuklearna_energija/nesrece_u_nuklearnim_elektranama (24.04.2006.)

Pitanja?

Hvala na pažnji!

nuklearne elektrane

Documents