procesi u nuklearnim elektr anama - riteh.uniri.hr · pdf filemogu ćnosti pridobivanja...

ENERGETSKI SUSTAVI Poglavlje 3

Prof. dr. sc. Z. Prelec, dipl. ing. List:1

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

PROCESI U NUKLEARNIM ELEKTRANAMA

RAZVOJ:

- 1896. - otkrivena radioaktivnost (Antoine-Henry Becquerel) - 1938. - dokazano cjepanje (fisija) atoma urana (Otto Hahn i Friedrich Strassmann) - 1942. - dokazana lančana reakcija fisije urana (Enrico Fermi) - 1951. - prva proizvodnja električne energije iz nuklearne energije (eksperimentalni reaktor, Idaho, SAD) - 1954.- proizvodnja električne energije u nuklearnj elektrani (Obninsk, SSSR) - 2001. - cca 17 % svjetske proizvodnje električne energije u nuklearnim elektranama (preko 430 nuklearnih elektrana u 32 zemlje svijeta)

PORAST INSTALIRANE SNAGE

NUKLEARNIH ELEKTRANA

0

100

200

300

400

1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010

Godina

Ins

tali

ran

a s

na

ga

(GW

)



----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

ATOM I JEZGRA:

• Atom: jezgra + elektroni • Jezgra: protoni (Z) + neutroni (N) = nukleoni • Redni (atomski) broj elementa (Z )= broj protona • Maseni broj ili atomska masa (A) = broj nukleona = protoni

+ neutroni • Oznaka: ZXA gdje je X kemijska oznaka elementa u

periodnom sustavu

• Primjer: Atom 92U238

ima:

- redni broj u sustavu elemenata, 92

- broj protona u jezgri, 92

- broj neutrona u jezgri, Z = 146

- maseni broj, A = 92+146 = 238 (broj nukleona)

• Izotopi: atomi istog elementa s različitim brojem neutrona

(N) a time i različitim masenim brojem (A) • Ukupni električni naboj jezgre = +Ze • U neutralnom atomu broj elektrona= broj protona

Naboj protona (+e) = +1,60210 * 10-19 C Naboj elektrona (-e) = -1,60210 * 10-19 C

• Izotopi jednog elementa imaju isti broj protona a različit broj neutrona, kemijska i fizikalna svojstva su im praktično ista

• Primjer: najzastupljeniji izotop ugljika ima 6 protona i 6

neutrona

(oznaka C12

; izotopska učestalost 98,9%), Z = 6; N = 6; A = 12;

- drugi stabilni izotop ugljika ima 6 protona i 7 neutrona (oznaka

C13

; izotopska učestalost 1,1%), Z = 6; N = 7; A = 13;

- nestabilni izotop ugljika ima 6 protona i 8 neutrona (oznaka

C14

; vrijeme poluraspada 5730 godina).



----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

• Atom je neutralan kad ima jednak broj protona u jezgri i

elektrona u omotaču; • Proton ima pozitivni naboj (+e) i masu = 1,007276 a.m.u.

1 a.m.u. = 1,6605·10-27

kg

a.m.u. – atomic mass unit, a.j.m. – atomska jedinica mase

• Neutron nema naboja; masa = 1,008665 a.m.u. • Proton je kao čestica stabilan (vodik); • Neutron se raspada s vremenom poluraspada od 10,3 min; • Veličina jezgre je približno 0,00001 puta veličine atoma; • Atom je uglavnom prazan prostor! • Neutron, koji je teži od protona, raspada se u niže

energetsko stanje, ono protona; • Naboj je sačuvan pa nastaje i jedan elektron; • Nastaje i neutrino, čestica bez naboja, vrlo male mase

• Neutron nije jednostavan spoj elektrona i protona, ali se fenomenološki ponaša kao da je tako;

• Očuvanje mase i energije: – Masa neutrona je 1,008665 a.m.u.

– Masa protona i elektrona je 1,007276 + 0,000548 = 1,007824

– Razlika je 0,000841 a.m.u.

– u kg: 1,4·10-30

kg = 1,26·10-13

J = 0,783 MeV koristeći E = mc2

1 a.m.u. = 1,6605·10-27

kg

1 eV = 1,602·10-19

J

– Višak energije se javlja u obliku kinetičke energije čestica!



----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

ZAKON RADIOAKTIVNOG RASPADA

• Transformacije jezgre kojima ona prelazi u energetski stabilniju konfiguraciju nazivamo radioaktivni raspad, a samu pojavu radioaktivnost.

• Zakon radioaktivnog raspada opisuje kako se mijenja prosječni

broj radioaktivnih jezgara N u vremenu;

• Brzina promjene broja radioaktivnih jezgara, dN/dt, zove se

aktivnost, R, radioaktivnog izotopa i proporcionalna je

trenutnom broju jezgara. Konstanta proporcionalnosti, λ, se zove

konstanta radioaktivnog raspada.

• Vrijeme za koje se početni broj jezgara smanji na pola (50%

početnog broja) zove se vrijeme poluraspada, t1/2 (half-life).

Radioaktivnost: mjerne jedinice

• Aktivnost, Becquerel (Bq) = 1 raspad/s

1 curie (Ci) = 3,7·1010

(Bq) - (brzina dezintegracije 1g radija)

• Ekspozicijska doza, Roentgen (R): broj ionskih parova

proizvedenih prolazom zračenja kroz jedinicu mase tvari

Roentgen (R)= 2,6·10-4

C/kg

• Energetska doza: Gray (Gy): Energija zračenja absorbirana po

jedinici mase tvari (J/kg)=(Gy)

d

d

NR N

tλ= = −

1/2

ln2t

λ=



----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

• Biološka doza, Sievert (Sv): Biološka doza = energetska doza ×

faktor kvalitete ovisan o vrsti zračenja (α = 10, β,γ = 1)

5 mSv/god = prirodno zračenje okoline,

100 mSv/god = granica nakon koje je porast raka primjetan

5 Sv = 50% smrtnosti unutar mjesec dana

10 Sv = fatalna doza unutar nekoliko tjedana

Neki uobičajeni izvori zračenja • Office of Research Services, Division of Radiation Safety, http://www.ors.od.nih.gov

Source Dose

Natural Radiation

Cosmic radiation from outer space 0.27 mSv per year (Whole Body Dose)

Terrestrial radiation 0.28 mSv per year (Whole Body Dose)

Natural radionuclides in the body 0.35 mSv per year (Whole Body Dose)

Radon gas 2.0 mSv per year (Lung Dose)

Diagnostic Medical Procedures

Chest X-Ray 0.08 mSv (Whole Body Dose)

Dental X-Rays (Panoramic)

(2 Bite-Wings)

0.30 mSv (Skin Dose)

0.80 mSv (Skin Dose)

Mammogram 1.38 mSv per image

Consumer Products

Building Materials 0.035 mSv per year (Whole Body Dose)

Luminous Watches (H-3 and Pm-) 0.0004 - 0.001 mSv per year (Whole Body Dose)

Tobacco Products (To smokers @ 30

cigarettes per day)

160 mSv per year (Bronchial Epithelial Dose)

A 5 hour jet airplane ride 0.025 mSv per trip / 0.005 mSv per hr at 39,000

feet (Whole Body Dose)



----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

ENERGIJA VEZE

Energija veze = energija koju treba dovesti da se jezgra atoma razbije na nukleone.

- Jezgra atoma je stabilnija što je veća energije veze

- Kod elemenata s masenim brojem (A) iznad 50,

energija veze pada porastom masenoga broja

- Najteži je prirodni element, s najvećim masenim

brojem, uran (U) koji ima 11 različitih izotopa

- Zbog manje stabilnosti jezgre, uran je prikladan

za umjetno cijepanje (fisiju) jezgre

U prirodnome obliku urana postoje sljedeći izotopi urana (U):

U234 - 0,006 % U235 – 0,714 % U238 – 99,28 %

� Mogućnosti pridobivanja nuklearne enegije: � Cijepanje (fisija) jezgri najtežih elemenata u

jezgre s manjom atomskom masom � Spajanje (fuzija) jezgri najlakših elemenata u

jezgru s većom atomskom masom

Kod fisije i kod fuzije ukupna masa se nakom nuklearnih reakcija

smanjuje, a taj dio mase pretvara se u energiju prema jednadžbi

Einsteina:

E=∆m·c2

- ∆m - promjena mase tijekom reakcije - c - brzina svijetlosti (3x108 m/s)



----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

FUZIJA

• Spajanje manjih jezgri u veću

• Fuzija u središtu Sunca i zvijezda: - Temperatura u centru Sunca oko 16 miliona °C

- Dovoljno kinetičke energije da približi protone (nadvlada

odbojnu elektrostatsku silu) za nastanak deuterija (D) i onda

helija (He)

• Jezgra helija (He) je lakša od sume 4 protona!

• Razlika masa: 4,029 – 4,0015 = 0,0276 a.m.u. - 0,7% mase transformira se u energiju prema E=mc

2

- Razlika iznosi 4,58·10-29

kg (1 a.m.u. je 1,6605·10-27

kg)

- Pomnoženo s c2 daje 4,12·10

-12 J

- 1 mol (6.022·1023

čestica) protona → 2,5·1012

J

- Tipična kemijska reakcija daje 100–200 kJ/mol

- Nuklearna fuzija daje ~20 miliona puta više energije!

- Približno 630 GJ/g

- 46 kJ/g za benzin.



----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

FISIJA • Neutroni dobiveni fisijom služe za izazivanje novih fisija

• Slobodnih neutrona nema u prirodi (neutron van jezgre se raspada s vremenom poluraspada od oko 10,3 min) pa su neutroni nastali pri fisiji od velikog značaja za energetsku primjenu fisije

• 1942: Fermi prva samoodržavajuća nuklearna lančana reakcija.

• Ovisno o uvjetima multiplikacije neutrona njihov broj može rasti ili padati

• Oslobođena energija je direktno proporcionalana broju reakcija fisije

• Nekontrolirani porast rezultira nuklearnom eksplozijom ali samo ako je koncentracija jezgara urana U235 dovoljno velika da podrži porast broja neutrona po geometrijskoj progresiji

Izotopi od interesa za fisiju:

Izotop Izotopska

učestalost (%) Vrijeme

poluraspada Raspad

U233 0 159·103 god α

U234 0,0055 246·103 god α

U235 0,72 704·106 god α

U236 0 23·106 god α

U237 0 6,8 dana β-

U238 99,2745 4,47·109 god α

Pu239 Nema ga u prirodi 24·103 god α

Th232 100 14·109 god α



----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Lančana reakcija cijepanja jezgre atoma Izotop U

235 je najprikladnji za lančanu reakciju iniciranu neutronom

Da bi se omogućila lančana reakcija, prirodni uran, koji sadrži

uglavnom U238

i samo 0,714 % izotopa U235

, mora se "obogatiti" na

način da mu se doda 3 do 4 % izotopa U235

.

Jedna od mogućih reakcija cijepanja jezgre atoma izotopa 92U235

(postoji preko 200 mogućih reakcija s 35 uključenih elemenata)

Jednadžba raspada izotopa U235:

236

Izotopi urana U236

, stroncija Sr90

i ksenona Xe143

su nestabilni i sami

od sebe dalje se raspadaju.

Na osnovi gornje jednadžbe lančane reakcije proizlazi jednadžba masene bilance:

m(n)+m(235U)=m(90Sr)+m(143Xe)+3m(n)+E/c2

n

U235 U236

n

n

Sr95

Xe139

U235

n1 + U235 U236 Sr90 + Xe143 + 3n1



----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

� Primjer proračuna oslobođene energije:

- Na račun gubitka mase se po jednome atomu U235

može

iskoristiti energija: EA= 3,06.10-11 J ___________________________________ - Avogardov broj iznosi: N=6,02.1026 mol -1

- Molna masa U235

: M=235

_________________________________________________

Količina oslobođene energije za slučaj raspada 1kg U235

:

)/(10.2,2)/(10.84,7235

10.06,3.10.02,6 71311'26

kgkWhkgJM

NEE A ====

−

Ova energija ekvivalentna je energiji oko 2000 tona loživa ulja.

~ 90 % oslobođene energije pretvara se u kinetičku energiju slobodnih neutrona, koji svojim usporavajem predaju tu energiju u obliku topline na okolni materijal (moderator i rashladnu vodu). ~ 10 % oslobođene energije pretvara se u energiju zračenja.



----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

NUKLEARNI REAKTOR

• Nuklearni reaktor je sustav projektiran da omogući kontroliranu

samoodržavajuću nuklearnu reakciju fisije;

• Parametar koji opisuje tijek odvijanja procesa naziva se

multiplikacijski faktor k.

• Definiran je kao omjer srednjeg broja neutrona u dvije susjedne

generacije neutrona (prije i poslije fisije);

• Da bi se nuklearna reakcija mogla nadzirati njegova vrijednost k nesmije biti puno veća od 1;

• Reaktor koji ima k=1 zovemo kritičnim reaktorom i on održava

konstantan broj neutrona i snagu proizvedenu fisijom;

• Ako je k<1 broj neutrona i snaga reaktora će se s vremenom

smanjivati i reaktor zovemo podkritičnim a ako je k>1 broj

neutrona u reaktoru i snaga reaktora će se povećavati i reaktor

zovemo nadkritičnim;

• Kako je k u praksi vrlo blizu 1 uvedena je veličina koja se naziva

reaktivnost i definirana je kao ρ=(k-1)/k i predstavlja relativno

odstupanje reaktora od kritičnog stanja.

• Snaga reaktora ovisi o broju fisija u jedinici vremena i o energetskom prinosu fisije:

gdje je:

εfis – energija oslobođena pri fisiji jedne jezgre, [MeV]

za uran U235

εfis ≈ 200 MeV;

N – broj jezgara U235

u reaktoru [ #];

σfis – udarni presjek za fisiju [m2];

Ф – srednji neutronski tok u jezgri reaktora [m-2

s-1

]

[ ]13

t fis fis 1,602 10 WP Nε σ Φ −= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅



----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

OSNOVNI DIJELOVI TERMIČKOGA REAKTORA

Jezgra termičkoga nuklearnog reaktora

Nuklearno gorivo - Keramičke tablete uranova oksida (UO2) - otporne na visoke

temperature. Temperatura u središtu goriva je preko 2000 0C.

- Najveći dio goriva čini U238

obogaćen s 3-4 % U235.

Zaštitna košuljica goriva - Štiti gorivo od erozijskiga djelovanja rashladnog sredstva

- Smanjuje radioaktivnost u rashladnom sredstvu

- Materijal košuljice mora apsorbirati što manje neutrona

(Cirkonij-Zr)

Rashladno srestvo - Tekuće: voda (H2O), teška voda (D2O)

- Plinovito: ugljični dioksid (CO2), helij (He)

Rashladna voda

Moderator

Rashladno sredstvo

Zaštitna košuljica goriva

Nuklearno gorivo



----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Moderator - Smanjuje brzinu (kinetičku) energiju brzih neutrona, koja se

pretvara u toplinsku energiju (elastični udari neutrona i jegri

atoma materijala moderatora)

- Apsorbira malo slobodnih neutrona

- Materijal moderatora: voda (H2O), teška voda (D2O), grafit,

berilij (Be), berilij-oksid (BeO)

Reaktorska školjka (reflektror) - Zatvara reaktorsku jezgru

- Reflektrira neutrone da zadrži u jezgri što više neutrona

Regulacijske šipke - Namijenjene su za regulaciju toplinskoga učina reaktora

- Izrađene su iz materijala koji ima svojstvo da jako apsorbira slobodne neutrone kao: bor (B), kadmij(Cd), srebro (Ag)

- Pomične su po visini, čime se mijenja uronjenost u reaktorsku

jezgru, odnosno apsorpcija neutrona, a time i toplinski učin

reaktora

Tlačna posuda reaktora - Zatvara reaktorsku jezgru, školjku i rashladno sredstvo

- Izrađuje se iz debeloga čeličnog lima (pločevine)

Primarni zaštitni (biološki) štit - Betonska zaštita tlačne posude reaktora

- Smanjuje zračenje iz jezgre reaktora

Sekundarni zaštitni štit - Izrađen iz debele čelične pločevine i masivnoga betona

- Zatvara prostor reaktora, isparivača (generatora pare), te

primarni cirkulacijski krug hlađenja



----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

OSTATNA TOPLINA • Fisijom nastaju nove jezgre – neposredno nakon fisije zovemo ih

fisijski fragmenti, kasnije fisijski produkti

• Postoji stotinjak načina na koji se teška jezgra može cijepati

• Novonastale jezgre su beta i gama radioaktivne jer imaju višak

neutrona (N) obzirom na broj protona (Z)

• Približno 180 MeV energije se oslobodi neposredno pri fisiji a oko

20 MeV je posljedica radioaktivnog raspada fisijskih produkata

• Brzina osobađanja te zakašnjele energije ovisi o konstantama

radioaktivnog raspada fisijskih produkata

• Radioaktivnost fisijskih produkata i pripadajuća toplina (zovemo je

ostatna toplina) osnovni su sigurnosni problem u reaktoru

• Zaustavljanjem lančane reakcije ovaj izvor ne nestaje

• Neposredno nakon obustave reaktora ostatna toplina iznosi ~6%

nominalne snage na kojoj je reaktor radio (toplinu je potrebno

odvoditi i iz obustavljenog reaktora)

• Zbog velikog broja fisijskih produkata iznos ostatne topline nakon

obustave reaktora uzimamo u obzir aproksimativnim relacijama

(vremena su u danima):

gdje je:

P0 – snaga reaktora prije obustave,

τ 0 – vrijeme rada na snazi P0,

τ – vrijeme rada i obustave u danima;

( )0,2 0,2

0 00,0061P P τ τ τ− − = ⋅ − −



----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

REAKTOR

LEGENDA: 1- Kontrolne šipke 2- Poklopac reaktora 3- Nosač ovojnice 4- Ovojnica (reflektor) 5- Gornja ploča jezgre 6- Elementi goriva 7- Donja ploča jezgre 8- Donji nosač ovojnice 9- Toplinski rukavac

10- Vodilica kontr. šipki 11- Pog. osovina kontr. šipki 12- Izlazni priključak rashl. sr. 13- Ulazni priključak rashl. sr. 14- Usmjerivač protoka 15- Detektori neutrona



----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

4

3

2

1 5

6

7

LEGENDA: 1- Svežanj reg. štapova 2- Gornja mlaznica 3- Vodilica reg. štapova 4- Donja mlaznica 5- Apsorpcijski štap 6- Rešetka 7- Štap goriva

GORIVI ELEMENT



----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

REAKTORSKI RASHLADNI SUSTAV

LEGENDA: 1- Generatori pare 2- Uređaji za održavanje tlaka 3- Rashladne pumpe 4- Reaktor



----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

OSNOVNE VRSTE NUKLEARNIH ELEKTRANA

Temeljne razlike nuklearne elektrane u odnosu na klasičnu: NUKLEARNA KONVENCIONALNA Gorivo Nuklearno Fosilno Mjesto pretvorbe energije goriva u toplinski energiju

Reaktor

Ložište

Proces pretvorbe toplinske energije u električnu je isti – Clausius-Rankine-ov. Stoga se nuklearne elektrane uglavnom dijele prema vrsti reaktorskoga postrojenja.

� Prema vrsti rashladna fluida: - voda (H2O) - teška voda (D2O) - ugljični dioksid (CO2) - helij (He) - tekući metal (Na, Pb) - organske tvari (difenil)

� Prema tipu moderatora:

- voda (H2O) - teška voda (D2O) - grafit

Preko 80 % reaktora u nuklearnim elektranama hlađeno je i moderirano s vodom , koji prema izvedbi mogu biti:

� tlakovodni reaktori (Pressurized Water Reactor – PWR) � reaktori s kipućom vodom (Boiling Water Reactor –BWR) � reaktori hlađeni i moderirani s teškom vodom (Heavy water

Reator –HWR) � Reaktori hlađeni plinom (CO2) moderirani su grafitom

(Gas Graphite Reactor –GGR).



----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

OSNOVNA SHEMA NUKLEARNE ELEKTRANE PRIMARNI DIO SEKUNDARNI DIO

LEGENDA: R – reaktor, GP – generator pare (isparivač),T – parna turbina K – kondenzator, P – pumpa

R

GP

P P

K

T G



----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

� Shema elektrane s reaktorom hlađenim vodom pod tlakom

(PWR)

• Najzastupljeniji tip reaktora • Odvojen primarni i sekundarni krug • Manja mogućnost kontaminacije • Snage od 500 do 1500 MWe • Rankineov ciklus s zasićenom parom • Niži tlakovi i temperature pare nego za odgovarajuću TE • Koncepcija rashladne petlje • Rashladnu petlju čine: generator pare, tlačnik, reaktorska

pumpa, cjevovodi • Rekatorska posuda je zajednička za više petlji • Izmjena goriva za vrijeme obustave svakih 12, 15 ili 18

mjeseci • Količina goriva u jezgri: oko 90 t U za NE 1000 MWe • Obogaćenje U235 do 5% • Stupanj djelovanja oko 33%



----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

� Shema elektrane s reaktorom hlađenim vrelom vodom

(BWR)

• Drugi tip reaktora po brojnosti • Jedinične snage od 300 do 1600 MWe • Voda isparava u reaktoru • Direktni ciklus, moguća kontaminacija turbine • Mješavina vode i pare u posudi, niža gustoća snage u odnosu

na PWR • Velika posuda, sve su komponente unutra • Regulacijske šipke ulaze u jezgru s donje strane • Recirkulacijske petlje omogućuju regulaciju snage i

odgovarajuće hlađenje goriva • Izvedbe kontejnmenta – manji nego PWR kontejnment,

aktivna kondenzacija pare u bazenima • Nije pogodan za nuklearnu propulziju zbog postojanja nivoa

vode u jezgri, pa je razvijen isključivo za proizvodnju električne energije

• Ostala svojstva slična kao PWR



----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

� Shema elektrane s reaktorom hlađenim teškom vodom

(HWR)

� Shema elektrane s reaktorom hlađenim organskom tvari (OCR)



----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

� Shema elektrane s reaktorom hlađenim plinom

(GCR)

� Shema elektrane s reaktorom hlađenim tekućim metalom (LMFBR)



----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

SHEMA NUKLEARNE ELEKTRANE

LEGENDA: 1-Reaktor, 2-Reaktorske rashladne pumpe, 3-Generatori pare, 4-Tlačna ekspanzijska posuda, 5-Visokotlačni dio turbine, 6-Niskotlačni dio turbine, 7-Generator el. energije, 8-Separator pare, 9-Pregrijač pare, 10-Kondenzator, 11-Pumpa kondenzata, 12-Niskotlačni predgrijač, 13-Napojne pumpe, 14-Visokotlačni predgrijač, 15-Pumpe rashladne vode,



----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Shema parnog dijela postrojenja u nuklearnoj elektrani

Qdov

Qodv Wdov,1

Wdov,2

Wodv

7''

1

2

3

4

5

6

7

9

8

C B

D

A

E G

F

H J

K

I

LEGENDA: A-generator pare, B-visokotlačna turbina, C-niskotlačna turbina, D-generator električne energije, E-kondenzator, F- niskotlačna pumpa, G-niskotlačni zagrijač, H-visokotlačna pumpa, I-visokotlačni zagrijač, J-odvajač kondenzata, K-pregrijač pare

7'



----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Tijek idealnog kružnog procesa: � 1-2 Tlačenje napojne vode (kondenzata) u nisko-tlačnoj pumpi � 2-3 Regenerativno grijanje u nisko-tlačnim grijačima � 3-4 Tlačenje napojne vode u visoko-tlačnoj pumpi � 4-5 Regenerativno grijanje u visoko-tlačnim grijačima � 5-6 Dogrijavanje i isparivanje u isparivaču nuklearnog reaktora � 6-7 Ekspanzija pare u visoko-tlačnoj turbini � 7-7'' Odvlaživanje pare � 7''-8 Pregrijavanje pare � 8-9 Ekspanzija pare u nisko-tlačnoj turbini � 9-1 Kondenzacija pare

3

4

6

7 7’'

8

9

5

2

1

T

s

T-s dijagram toplinskoga procesa u nuklearnoj elektrani

7’



----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

USPOREDBA KLASIČNE I NUKLEARNE

ELEKTRANE

T

s

Usporedba parnoga procesa u nuklearnoj i klasičnoj elektrani

P=180 bar

t=550 0C

t=281 0C P=65 bar

Nuklearna elektrana Klasična elektrana

P=0,05 bar



----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

SIGURNOST NUKLEARNIH ELEKTRANA

• Nuklearna eksplozija reaktora je onemogućena projektom

• Emisije prema van su u normalnom pogonu zanemarive - Sigurnost se u osnovi temelji na onemogućenje širenja

radioaktivnih materijala unutar postrojenja i u okoliš.

- Do akcidentnog ispuštanja uglavnom dolazi samo ako dođe do

pregrijanja goriva

• Konzervativan projekt s visokim stupnjem sigurnosti - Sigurnost nuklearne elektrane se postiže nizom mjera u fazi

projektiranja, gradnje i tijekom pogona.

• Visoki zahtjevi na kvalitetu materijala i ugradnje

• Da bi se postigao siguran pogon potrebno je: – spriječiti nagle poraste snage

– osigurati odvođenje ostatne topline

– spriječiti ispuštanje radioaktivnog materijala

– pospremiti na siguran način istrošeno gorivo

• Osnova filozofije projektiranja nuklearne elektrane sa stajališta sigurnosti je tzv. obrana po dubini.

• Obrana po dubini pretpostavlja postojanje višestrukih barijera za širenje radioaktivnosti i sigurnosnih sustava koji osiguravaju njihovu nepropusnost

• Barijere u smislu zaštite okoliša djeluju serijski, jedna nakon druge.

• Izgubljenu funkciju jednog sustava važnog za sigurnost automatski preuzima drugi.

• Bitni sustavi su u najmanju ruku udvojeni

• Sustavi mogu biti aktivni ili pasivni (kako dobivaju energiju potrebnu za izvršavanje sigurnosne funkcije)

• Barijere možemo razmatrati kao stvarne fizičke barijere ugrađene u nuklearnu elektranu i kao fizičke i administrativne mjere koje se poduzimaju u nuklearnoj elektrani za zaštitu tih barijera.



----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Obrana po dubini:

• Fizičke barijere su: – matrica nuklearnog goriva

– obloga gorivnog elementa

– primarni rashladni krug

– zaštitna posuda (kontejnment)

• Tehnički sustavi koji osiguravanju funkciju fizičkih barijera:

– sustav za zaštitno hlađenje jezgre reaktora

– sustav za ograničavanje porasta tlaka u kontejnmentu



----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

NUKLEARNI GORIVNI CIKLUS

• Obuhvaća sve aktivnosti od vađenja urana do konačnog

odlaganja radioaktivnog otpada

• Gorivo provede 3 godine u reaktoru – svake godine se mijenja približno trećina

– sprema se privremeno u bazen za istrošeno gorivo

• Reprocesiranje – kemijsko izdvajanje neiskorištenog uranija i plutonija

• drobljenje tableta goriva, otapanje u dušičnoj kiselini

• organska otapala za uranij i plutonij

– opasnost za proliferiranja (širenja) nuklearnog materijala

– 30% povećanje dostupne energije (cijena NE)

– važno za tehnologiju oplodnih reaktora

– smanjuje problem odlaganja radioaktivnog otpada

• Transmutacija istrošenog goriva – dodatno izlaganje toku neutrona

– smanjuje količinu radioaktivnog otpada

– smanjuje aktivnost i udjel dugoživućih izotopa



----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

DODATAK – NUKLEARNA FUZIJA

• Spajanje lakših jezgara u teže uz oslobađanje energije

• Prvi kandidat za fuzijske uređaje je D-T reakcija

• Potrebno je postići i održavati temperaturu od desetak miliona kelvina

• Problem održavanja plazme – elektromagnetsko ograničavanje

• Problem materijala (visoke temperature i veliki fluks brzih neutrona)

• Komercijalna primjena nije moguća prije sredine stoljeća a i onda će biti ograničena na uski krug zemalja

• Najčešće se spominje reakcija deuterija (D) i tricija (T) kao fuzijska reakcija koju je najlakše ostvariti na Zemlji:

D + T � He4 + n + (17,6 MeV)

Problemi: - Otpušteni neutron se lako veže na druge jezgre (npr. stjenke

reaktora) i time stvara radioaktivne izotope.

- Tricij, za razliku od deuterija nije dostupan u prirodi,

radioaktivan je s kratkim vremenom poluraspada (t1/2 = 12,3

god.)

- Oba problema se djelomično mogu riješiti koristeći otpušteni

neutron u reakciji s litijem (Li):

Li6 + n � T + He

4 + (4,8 MeV)

Ostale moguće reakcije:

D + D � He3 + n + (3,2 MeV)

D + D � T + H + (4,03 MeV)

D + He3 � He

4 + H + (18,3 MeV)



----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Razlozi za razvoj fuzije:

• Praktično neiscrpan izvor energije (velike rezerve D i Li)

• Nema emisije stakleničkih plinova

• Smanjena proizvodnja radioaktivnog otpada u odnosu na fisiju

• Povoljna sigurnosna svojstva

Uvjeti za izvedbu fuzijskog reaktora:

• Temperatura u području od 108 K!

• Na temperaturi 104-10

5 K, materija je u stanju plazme (ionizirani

globalno neutralni plin).

• Stvaranje, održavanje i ograničavanje plazme na 108 K :

– ograničavanje magnetskim poljem;

– grijanje RF valovima (170 GHz, 5 GHz, i 50 MHz) i

ubacivanjem snopova neutralnih čestice velike energije

ITER-International Thermonuclear Experimantal Reactor - Internacionalni projekt (EU, Indija, Rusija, Kina, J. Korea, Japan i

SAD) grade najveći nuklearni fuzijski reaktor u svijetu snage 500

MWe.

procesi u nuklearnim elektr anama - riteh.uniri.hr · pdf filemogu ćnosti pridobivanja...

Documents