Transcript Nuklearni reaktor

Nuklearni reaktor
Nuklearni reaktor
• Nuklearni reaktor je postrojenje u kojem se odvija kontrolisana
nuklearna lančana reakcija. Nuklearni reaktor je sistem dizajniran za
samoodrživu fisionu reakciju.
• Nuklearni reaktori imaju mnogo primjena. Jedna od najvažnijih je
proizvodnja električne energije.
• Pored toga funkcije reaktora mogu biti:
 proizvodnja radioizotopa (u industrijske i medicinske svrhe),
 oslobađanje neutrona iz centra reaktora (za eksperimente),
 za obrazovanje i podučavanje budućih nuklearnih fizičara.
Kao gorivo, u nukleanim reaktorima se koriste izotopi urana,
plutonijum, a ponekad i torijum. Dio energije oslobođene u reakciji,
ispoljava se u vidu toplote, koja se odvodi iz nuklearnog reaktora i
koristi za pokretanje raznih Nuklearni
toplotnih
mašina.
reaktor
Fisiono gorivo
• Većina reaktora danas koristi uran kao fisiono gorivo u formi
uranovog oksida UO2
– Prirodni uran sadrži 99.3% 238U i 0.7% 235U .
–
238U
nije podložan fisiji termalnim sporim neutronima
– da bi se prirodni uranov dioksid UO2 mogao koristiti kao fisiono
gorivo potrebno je povećati koncentraciju 235U do nekoliko
postotaka – to je tzv. obogaćivanje urana
Nuklearna elektrana
Nuklearna elektrana je u stvari termoelektrana, tj. energija oslobođena u
nuklearnom reaktoru, koji radi u režimu kontrolisane lančane reakcije, se koristi
za proizvodnju pare koja pokreće turbinu električnog generatora. Fisija se drži
pod kontrolom, tj. Kontrolira se broj neutrona u nuklearnom reaktoru.
Energija veze po nukleonu za teške
jezgre je oko 7,2 MeV a za jezgre
srednje mase je oko 8,2 MeV. Tako
se u fisionom procesu oslobodi 1
MeV energije po nukleonu, a kako je
ukupan broj nukleona oko 200, to se
u jednom fisijskom procesu oslobodi
oko 200 MeV energije
Nuklearni reaktor
Nešto o uranu:
Prirodni uran se javlja u obliku mješavine 2 izotopa 235U (manje od
0,7%) i 238U (preko 99,3%). Izotop 235U podliježe spontanom cijepanju
jezgra pod uticajem termičkih neutrona.
-
Prirodni uran moramo obogatiti izotopom 235U da bi povećali
vjerovatnoću odvijanja lančane reakcije.
Obogaćeni uran je, dakle, prirodni uran u kojem je povećan procenat
urana 235. Prirodni uran sadrži samo 0,72% urana 235, a ostalo je
uglavnom uran 238 (99,2745%) i malo urana 234(0,0055%).
- Povećanjem koncentracije uranijuma 235 u prirodnom uranu,
povećava se i vjerovatnoća da dođe do fisione reakcije pomoću
termičkih neutrona, s obzirom da se uran 238 većinom raspada
pomoću brzih neutrona a uran 235 pomoću termičkih.
Dijelovi reaktora
1 — Kontrolne šipke
2 — Biološka zaštita
3 — Zašita
4 — Moderator neutrona
5 — Nuklearno gorivo
6 — toplotni rezervoar
• Osnovni dijelovi svakog
reaktora su: nuklerno gorivo,
moderator (usporivač),
upravljačke šipke, sistem za
hlađenje i zaštitni sistem.
Dijelovi nuklearnog reaktora
• Nuklerni reaktori mogu biti homogeni i heterogeni. U homogenim
reaktorima nuklearno gorivo se nalazi u obliku rastvora ili praha, a u
heterogenim reaktorima u obliku posebnih poluga (šipki).
• Pomoću moderatora smanjuje se energija neutrona koji nastaju u
fisionom procesu. Time se povećava njihova efikasnost u izazivanju
fisije. Kao usporivač se koristi grafit, deuterijum (u vidu teške vode),
jedinjenja berilijuma itd.
• Reflektori neutrona imaju ulogu da vraćaju neutrone, koji su napustili
aktivnu zonu reaktorskog jezgra, tako da oni mogu i dalje uzrokovati
fisione procese.
• Pomoću upravljačkih šipki kontroliše se režim rada reaktora i
sprječava pregrijavanje reaktora, usljed velike količine toplotne
energije oslobođene u toku procesa. Najčešće se koriste šipke
napravljene od bora ili kadmijuma.
Dijelovi nuklearnog reaktora
• Kao sistem za hlađenje mogu se koristiti obična ili teška voda ili
druge supstance, koje imaju veliki toplotni kapacitet. Sistem za
hlađenje se postavlja oko jezgra (aktivne zone) nuklearnog reaktora.
• Prilikom fisije u nuklearnim reaktorima dolazi do oslobađanja gamazračenja pa je potrebna zaštita. Kao zaštita se obično koristi
specijalna vrsta betona ili zaštitni sloj vode. Debljina tih zaštitnih
slojeva je takva da u okolinu reaktora ne propušta zračenje koje bi
moglo ugroziti ljude oko reaktora.
Moderator
Moderator neutrona je sredina,
koja smanjuje brzinu brzih
neutrona, na taj način dobijaju
se termički neutroni koji su
sposobni da iniciraju i
održavaju nuklearnu lančanu
reakciju.
Moderator
usporava
brze
neutrone a kontrolni štapovi
(kadmij, bor) apsorbiraju spore
neutrone.
Moderator neutrona
-
- Vjerovatnoća da dođe do nastanka lančane reakcije direktno zavisi od
brzine tj. energije oslobođenih neutrona. Brzi neutroni mnogo rjeđe i teže
dovode do fisije urana 235 zato se moraju usporiti a time im se smanjuje i
energija.
- Obično moderator sadrži deutrerijum (u obliku teške vode), vodonik ( u
slučaju obične vode) i grafit. Berilijum se takođe nekada koristi, a moguća
je upotreba i ugljenih hidrata.
- Dobar moderator neutrona je materijal od lakih elemenata koji dobro ne
apsorbuju neutrone. Neutroni se sudaraju sa atomima moderatora i
jednostavno se odbijaju. Dobar moderator je voda (neutron se sudari s
jezgrom vodika u vodi) a ujedno i fluid koji se grije i prenosi toplinu do
parne turbine. U ovom sudaru neutron gubi dio svoje energije. Nakon
mnogo ovakvih sudara, brzina neutrona se značajno smanji i rezultat je
termički neutron, koji dalje lako inicira fisiju na uranu 235.
Materijali moderatora:
•Vodonik, kao sastavni deo obične vode, je jedan od najčešćih moderatora.
•Reaktori koji koriste ovaj tip moderatora moraju da imaju obogaćeni
uranijum kao gorivo.
•Deuterijum, u obliku teške vode, koristi se u reaktoru tipa KANDU.
Reaktori koji imaju ovaj moderator mogu da koriste neobogaćeni uranijum.
•Ugljik, u obliku štapova od grafita, koristi se u RBMK reaktorima.
•Za ovo se ponekad koristi i berilijum. Međutim, berilijum je veoma skup i
otrovan, pa je njegova upotreba ograničena.
Jezgro nuklearnog reaktora u kojem se nalaze uranijumovi štapovi- gorivo.
Tipovi reaktora:
• Tlakovodni reaktor koristi za gorivo oksid obogaćenog urana, a hlađen
je i moderiran običnom vodom pod pritiskomm. PWR (engl. Pressurized
Water Reactor
• Kipući reaktor takođe koristi isto gorivo, moderator i rashladno
sredstvo, ali voda ključa (BWR – Boiling Water Reactor).
• Teškovodni reaktor koristi oksid prirodnog ili obogaćenog urana,
hlađen je i moderiran teškom vodom s pritiskom vode višim od pritiska
zasićenja (nema ključanja). HWR (engl. Heawy Water Reactor)
• Visokotemperaturni reaktor HTGR (engl. High Temperature Gas
Reactor) posljednji je korak u razvoju grafitom moderiranih reaktora.
Hlađen je helijem, a koristi oksid obogaćenog urana.
• Brzi oplodni reaktor nema moderatora, a hlađen je tekućim metalom.
Kao gorivo koristi oksid urana višeg obogaćenja ili oksid plutonija, a kao
oplodni materijal prirodni uran (FBR – Fast Breeder Reactor).
Razni tipovi reaktora i njihov procent
Pregled podjele energetskih reaktora
Značenje skraćenice
Advanced Gas Cooled, Graphite
Moderated Reactor
Boiling water reactor
Napredni, gasom hlađen, grafitom
moderiran reaktor
Reaktor sa ključalom vodom
АBWR
Advanced Boiling Light Water Cooled
and Moderated Reactor
Napredni, lakom vodom hlađen i moderiran
reaktor sa ključalom vodom
FBR
Fast Breeder Reactor
Brzi, proizvođački reaktor
GCR, Магнокс
Gas Cooled, Graphite Moderated Reactor Gasom hlađen, grafitom moderiran reaktor
HTGR
High Temperature, Gas Cooled, Graphite Gasom hlađen i moderiran reaktor sa
Moderated Reactor
visokim temperaturama
Tip reaktora
AGR
BWR
Heavy Water Cooled, Graphite Moderated
Reactor
Light Water Cooled, Graphite Moderated
Reactor
Teškom vodom hlađen, grafitom moderiran
reaktor
Lakom vodom hlađen, grafitom moderiran
reaktor
PHWR, Candu
Pressurized Heavy Water Moderated and
Cooled Reactor, Deuterium Uranium
Teškom vodom pod pritiskom hlađen i
moderiran reaktor
PWR, VVER
Pressurized Water Reactor
Reaktor sa vodom pod pritiskom
SGHWR
Steam Generating Heavy Water Reactor
Teškovodni reaktor sa vodom koja vri
HWGCR
LWGR, VVR-S,
RBMK
Transfer energije – tipovi reaktora
•
Energije oslobođena u u fisionom reaktoru se
najčešće izmjenjivačem toplote pretvara u
vodenu para koja pokreće turbinu.
•
“Boiling water reactors “(BWRs) voda koja
služi kao moderator se pretvara u paru kojom
se pogoni turbina.
•
“pressurized water reactors “(PWRs) voda
koja služi kao moderator je pod visokim
pritiskom (155 atm) i cirkulira iz reaktora u
vanjski izmjenjivač toplote koji proizvodi paru
koja pokreće turbinu. Reaktor može
sadržavati i do 90 tona UO2 i proizvoditi 3400
MW i dati 1100 MW električne energije
•
BWR su jednostavniji od PWR. Međutim,
mogućnost da para koja pokreće turbinu
postane radioaktivna je veća za BWR. Kod
PWR zbog dvostepenog procesa generator
električne energije izoliran je od moguće
radioaktivne kontaminacije.
Obogaćivanje urana
Uran koji se dobiva iz rude potrebno je za
nuklearno gorivo obogatiti.
Uran se obogaćuje u procesu plinske difuzije,
gdje se koristi različita brzina prolaska
uranovih izotopa 235 i 238 kroz membrane.
Postupak razdvajanja treba ponoviti nekoliko
hiljada puta da bi se postigao traženi omjer.
Efikasnija metoda razdvajanja je plinska
centrifuga. U rotirajućim centrifugama
različito teške molekule izotopa urana
različito se raspoređuju. Lakše molekule
okupljaju se oko središta cilindara odakle se
isisavaju.
Većina reaktora danas koristi uran kao fisiono
gorivo u formi uranovog oksida UO2
Breeder (Oplodni) Reaktori
-
Napredniji tip reaktora je “breeder “ reaktor, koji proizvodi više fisionog
goriva 239Pu nego što utroši 235U.
• Fast breeder reactors su konstruirani da transformiraju U-238 u Pu239, a za to se koriste brzi neutroni.
• Plutonij je lako odvojitii od urana hemijskim procesima.
• Oplodni materijal je U-238 pri čemu nakon reakcije uhvata neutrona te
nakon dva uzastopna beta-raspada nastaje izotop Pu-239 koji je
fisibilan s termičkim neutronima na sličan način kao i U-235.
• Breeder reaktori predstavljaju mogućnost jednog neograničenog izvora
fisijskog materijala.
• Problem je što je plutonij iznimno toksičan i postoji mogućnost
zlouporabe plutonija za nuklearno oružje.
• Ova vrsta reaktora omogućuje daleko ekonomičnije korištenje urana
u odnosu na termičke reaktore.
Kod rada reaktora definira se parametar K – neutronski prinos kao
srednji broj neutrona iz svakog fisionog procesa koji su izazvali novi
fisioni proces.
Maksimalna vrijednost K za fisiju urana je 2.5
u praksi je K < 2,5
K = 1– samoodržavajuća fisiona reakcija (kritični reaktor)
K < 1 – fisija zamre, podkritični reaktor
K > 1 – lančana reakcija (nadkritični reaktor)
Kontrolom neutronskog prinosa kontrolira se broj neutrona, koriste se
štapovi od kadmija koji se uvlače u reaktorsku jezgru i apsorbiraju
neutrone
Problemi nuklearnog reaktora
• Jako je opasno ako se radioaktivni elementi oslobode u atmosferu ili u
podzemne vode.
• Toplinsko zagrijavanje atmosfere te voda jezera/rijeka koja se koristi za
hlađenje može biti ozbiljan ekološki problem.
• Vrlo ozbiljan problem je odlaganje radioaktivnog otpada fisionih procesa,
neki fisioni fragmenti imaju vrijeme polu-raspada hiljade godina i milione
godina.
• Tri javnosti poznata nuklearna akcidenta su:Three Mile Island u
Pennsylvania 1979 i Chernobyl u Ukrajina 1986 (50 tona radioaktivnog
materijala pobjeglo u atmosferu) i nedavni Fukushima — znatno su
okrenula javnost protiv korištenja nuklearnih fisionih elektrana.
• Do širokeprimjene nuklearnih elektrana može doći ako se riješe 4 kritična
pitanja: niska cijena, poboljšana sigurnost, kvalitetno rješavanje problema
nuklearnog otpada i mali rizik od nesreće.
Černobil
• najveća ekološka katastrofa novijeg
doba
• 26. 4. 1986. u 1 sat 23 minute
eksplozija na 4. reaktoru
• noćna smjena radila pokus i jedan
operater opteretio reaktor
• od 25 kontrolnih šipki u reaktoru
ostalo 6
• drugi operater isključio dovod vode
koja hladi i nastala je eksplozija
• radioaktivni oblak nošen vjetrom
išao prema Skandinaviji te
središnjoj i jugoistočnoj Evropi
• od posljedica radijacije preminulo 200 000 do 400 000 (neslužbeni izvori,
vlasti taje podatke)
• dan i po nakon eksplozije u obližnjem gradu Pripjata radijacija 300 000 puta
veća od “normalne”
• danas radijacija 100 metara od reaktora 50 000 puta veća od “normalne”
• područje Černobila neseljivo tek za oko 600 godina
Na slici se vidi sarkofag oko 4.
reaktora
Postotak električne energije iz nuklearki
•
Prema podacima 1997. godine 400 reaktora u 26 zemalja proizvodi 200 000 Mw
električne snage:
– Francuska 78 %
– Belgija 60 %
– Švedska 46 %
– Švicarska 41 %
– Mađarska 40 %
– Južna Koreja 34 %
– Japan 34 %
– Španjolska 29 %
– Velika Britanija 28 %
– SAD 21 %
– Kanada 14 %
– Argentina 11 %
– Niziozemska 3 %
– Brazil 1 %