2011. ENERGIJA I OKRUŽENJE - tfzr.uns.ac.rs · PDF fileSkripta iz predmeta Energija i okruženje Departman za inženjerstvo zaštite životne sredine i zaštite na radu │Fakultet

2011.

ENERGIJA I OKRUŽENJE

SKRIPTA

D. D. ŠTRBAC, B. D. GVOZDENAC, Z. D. MIROSAVLJEVIĆ

Skripta iz predmeta Energija i okruženje

Departman za inženjerstvo zaštite životne sredine i zaštite na radu │Fakultet tehničkih nauka

|1|

SADRŽAJ

1. FORMIRANJE ENERGETSKIH BILANSA ....................................................................................................... 4

1.1. Zakon održanja energije i energetski bilansi ............................................................................................... 4

1.2. Planetarni i lokalni bilansi ........................................................................................................................... 4

1.3. Globalna klima ............................................................................................................................................ 4

1.4. Globalno zagrevanje .................................................................................................................................... 5

2. POJAM ENERGIJE I ENERGIJSKI RESURSI ................................................................................................. 6

2.1. Pojam i vrste energije .................................................................................................................................. 6

2.2. Energetski resursi......................................................................................................................................... 8

2.2.1. Fosilna goriva ....................................................................................................................................... 8

2.2.2. Ugalj ..................................................................................................................................................... 8

2.2.3. Rezerve uglja ...................................................................................................................................... 10

2.2.4. Nafta ................................................................................................................................................... 10

2.2.5. Osobine i sastav nafte ......................................................................................................................... 12

2.2.6. Prerada nafte ....................................................................................................................................... 13

2.2.7. Rafinacija nafte ................................................................................................................................... 14

2.2.8. Destilacija sirove nafte ....................................................................................................................... 14

2.2.9. Prirodni gas i rafinerijski gas .............................................................................................................. 17

2.3. Zagañenje okoline rafinerija ...................................................................................................................... 18

2.4. Uticaj rafinerija nafte na aerozagañenje .................................................................................................... 19

2.5. Zagañenje vodotoka ................................................................................................................................... 20

3. ULOGA ENERGIJE U FUNKCIONISANJU DRUŠTVENIH, BIOL OŠKIH I INDUSTRIJSKIH SISTEMA ................................................................................................................................................................... 21

3.1. Uloga energije u funkcionisanju društva ................................................................................................... 21

3.2. Ciljevi i mere razvojne energetske politike................................................................................................ 21

3.3. Energija potrebna za proizvodnju energije ................................................................................................ 22

3.4. Populacija i energija .................................................................................................................................. 23

3.5. Energetska politika i strategija ................................................................................................................... 24

3.6. Prioriteti u razvoju energetike u zemljama u tranziciji .............................................................................. 25

3.7. Prioriteti energetskog razvoja kroz faze .................................................................................................... 26

3.8. Energetska snabdevenost ........................................................................................................................... 26

3.9. Energetska zavisnost .................................................................................................................................. 27

3.10. Uvoz i izvoz energije ............................................................................................................................... 27

3.11. Energetska politika u Srbiji...................................................................................................................... 27

3.11.1. Energetska zavisnost Srbije .............................................................................................................. 27

3.12. Energetska postrojenja u industriji........................................................................................................... 28

3.12.1. Energetski sistemi u industriji ........................................................................................................... 28

3.12.2. Električna energija u industriji .......................................................................................................... 29

3.12.3. Kotlovsko postrojenje ....................................................................................................................... 29

3.12.4. Turbine.............................................................................................................................................. 30



|2|

3.12.5. Parni sistem ....................................................................................................................................... 30

3.12.6. Komprimovan vazduh ...................................................................................................................... 30

3.12.7. Rashladni sistem ............................................................................................................................... 31

3.12.8. Kogeneracija ..................................................................................................................................... 31

4. ELEKTRANE ........................................................................................................................................................ 33

4.1. Termoelektrane .......................................................................................................................................... 33

4.1.1. Princip rada termoelektrane ................................................................................................................ 34

4.1.2. Kogeneracija ....................................................................................................................................... 35

4.1.3. Stanje u Srbiji ..................................................................................................................................... 36

4.1.4. Uticaj termoelektrana na životnu sredinu ........................................................................................... 37

4.2. Hidroelektrane ........................................................................................................................................... 41

4.2.1. Tipovi hidroelektrana .......................................................................................................................... 43

4.2.2. Uticaj hidroelektrana na okolinu ......................................................................................................... 44

4.3. Nuklearna postrojenja ................................................................................................................................ 47

4.3.1. Radioaktivni raspad ............................................................................................................................ 47

4.3.2. Nuklearna energija .............................................................................................................................. 48

4.3.3. Primena nuklearne energije i radioaktivnih izotopa, posledice i zaštita ............................................. 49

4.3.4. Ekstrakcija urana iz ruda i priprema nuklearnog goriva ..................................................................... 50

4.3.5. Kontrolisana fisija ............................................................................................................................... 51

4.3.6. Rasipanje neutrona, transformacija i fisija jezgra ............................................................................... 51

4.3.7. Moderatori nuklearne reakcije ............................................................................................................ 52

4.3.8. Regulacija lančanih reakcija apsorpcijom neutrona ............................................................................ 52

4.3.9. Nuklearno punjenje reaktora ............................................................................................................... 53

4.3.10. Nuklearni reaktori ............................................................................................................................. 55

4.3.11. Pouzdanost opisanih vrsta nuklearnih reaktora ................................................................................. 62

4.3.12. Izvori radioaktivnog zračenja i načini zaštite ................................................................................... 63

4.3.13. Zaštita od mogućnosti izlaska radioaktivnih supstancija iz reaktora ................................................ 64

4.3.14. Gorivi elementi i šipke sa nuklearnim gorivom ................................................................................ 65

4.3.15. Reaktorski sud .................................................................................................................................. 66

4.3.16. Čišćenje zagañene vode i gasa .......................................................................................................... 66

4.3.17. Sigurnosni sud .................................................................................................................................. 67

4.3.18. Rad sistema za hlañenje u slučaju opasnosti ..................................................................................... 68

5. RADIOAKTIVNI OTPAD ................................................................................................................................... 71

5.1. Vrste RAO (radioaktivnog otpada) ............................................................................................................ 72

5.1.1. Nisko aktivni otpad ............................................................................................................................. 73

5.1.2. Srednje aktivni otpad .......................................................................................................................... 73

5.1.3. Visoko aktivni otpad ........................................................................................................................... 74

5.2. Prečišćavanje srednje- i niskoaktivnih rastvora ......................................................................................... 75

5.3. Posledice rada nuklearnih postrojenja po biosferu i čoveka ...................................................................... 76

5.4. Detekcija radioaktivnog zračenja ............................................................................................................... 79

5.4.1. Jonizaciona komora ............................................................................................................................ 79

5.4.2. Gajger-Milerov brojač ........................................................................................................................ 80



|3|

5.4.3. Scintilacioni brojač ............................................................................................................................. 81

5.4.4. Wilsonova komora .............................................................................................................................. 81

5.5. Akcidenti u nuklearnim postrojenjima....................................................................................................... 82

5.5.1. Najpoznatiji akcidenti u nuklearnim reaktorima ................................................................................. 85

6. ENERGETSKA EFIKASNOST U GRAðEVINARSTVU ................................................................................ 93

6.1. Modeli energetske efikasnosti ................................................................................................................... 93

6.1.1. Niskoenergetske zgrade ...................................................................................................................... 93

6.1.2. Bezenergetske zgrade ......................................................................................................................... 94

6.1.3. Pasivne zgrade .................................................................................................................................... 94

6.1.4. Zgrade koje proizvode energiju .......................................................................................................... 94

6.2. Ekološka naselja ........................................................................................................................................ 95

6.3. Energetski-efikasno obnavljanje ................................................................................................................ 95

6.4. Performanse u toku životnog ciklusa ......................................................................................................... 96

6.5. Smanjenja potrošnje energije pri projektovanju objekata .......................................................................... 96

6.5.1. O tehnologiji ....................................................................................................................................... 96

6.5.2. Oblast primene .................................................................................................................................... 97

6.5.3. Mehanizmi očuvanja energije ............................................................................................................. 97

6.5.4. Prednosti projektovanja smanjenja potrošnje energije u grañevinarstvu ............................................ 97

6.6. Tipovi objekata .......................................................................................................................................... 99

6.6.1. Stambene zgrade ................................................................................................................................. 99

6.6.2. Male nestambene zgrade ..................................................................................................................... 99

6.6.3. Poslovne zgrade ................................................................................................................................ 100

6.6.4. Sudovi ............................................................................................................................................... 100

6.6.5. Bolnice .............................................................................................................................................. 100

6.6.6. Laboratorije ...................................................................................................................................... 101

6.6.7. Skladišta/prenošenje/popravka ......................................................................................................... 101

6.6.8. Kampusi ............................................................................................................................................ 101

6.7. Integracija koncepta smanjenja potrošnje energije u projektantski proces .............................................. 102

6.8. Uštede energije ........................................................................................................................................ 109

6.8.1. Ostali uticaji ...................................................................................................................................... 110

6.8.2. Studije slučaja ................................................................................................................................... 110

6.9. Budućnost tehnologije ............................................................................................................................. 116

6.9.1. Razvoj tehnologije ............................................................................................................................ 116

6.9.2. Tehnološke perspektive ........................................................................................................................ 116

6.9.3. Resursi .............................................................................................................................................. 117

7. RAČUNSKI ZADACI ......................................................................................................................................... 118

7.1. Sagorevanje ............................................................................................................................................. 118

7.2. Zakon održanja mase, nuklearne reakcije, fuzija i fisija .......................................................................... 129

7.3. Atomska jezgra ........................................................................................................................................ 141

8. LITERATURA..................................................................................................................................................... 145



|4|

1. FORMIRANJE ENERGETSKIH BILANSA 1.1. Zakon održanja energije i energetski bilansi

Kompletna energetika se zasniva na transformacijama različitih vidova energije. Pri

tome važi da je E=const., odnosno važi zakon održanja energije, koji tvrdi da u sistemu u kome je masa stalna energija se ne može ni generisati ni uništiti, već sam može preći iz jednog oblika u drugi.

Transformacija energije se u industriji i energetskim postrojenjima odvija posredstvom mašina (toplotnih, električnih, nuklearnih…) uz vršenje rada, bilo onog koji se vrši nad sistemom, bilo onog koji sistem vrši, dakle u komunikaciji sistema i okoline.

Mogućnost transformacije i procesi vezani za komunikaciju sistema i okoline opisani

su I i II principom termodinamike.

Formiranje energetskih bilansa podrazumeva specifičnu ststistiku, koja za cilj ima jednostavno i pregledno prikazivanje izvora energije, energetske transformacije, energetske tokove, gubitke energije, odavanje energije, odnosno sve ono što opisuje energiju u toku odigravanja procesa koji se želi prikazati. Energetski bilans treba da obezbedi jednostavno odreñivanje svih bitnih veličina, odnosno karakteristika posmatranog sistema. 1.2. Planetarni i lokalni bilansi

Čovekova aktivnost ima velik uticaj na delikatan bilans izmeñu količine sunčeve

toplote, koja dospe do površine Zemlje i toplote koja se izrači nazad u svemir. Da bi se shvatio kakav je uticaj čovekove aktivnost na globalno prenošenje toplote, mora se prethodno poznavati unutrašnji mehanizam funkcionisanja klimatskog sistema Zemlje. Na Zemlji postoji život zbog odgovarajućeg rastojanja od Sunca i sastava atmosfere. Ipak, naša klima se može menjati i na taj način zapretiti da ugrozi stanje ravnoteže na Zemlji. 1.3. Globalna klima

Pod globalnom klimom se podrazumeva stanje klimatskih faktora odreñenih za celu

površinu Zemlje i usrednjenih u dugačkim vremenskim intervalima. Od svih klimatskih faktora smatra se da je globalna prosečna temperatura faktor koji je najbolji za raćenje promena klime i predviñanje budućih klimatskih promena, jer je ona najstabilniji klimatski parametar. Period veremena po kojem se vrši usrednjavanje obično je decenija ili duži vremenski interval.

Tipično je da se temperatura vazduha na površini Zemlje menja za oko 20°C izmeñu

dana i noći u nekoj posmatranoj oblasti. Usrednjavanjem po celoj površini Zemaljske kugle zapravo se eliminiše ova razlika, budući da je uvek isti procentualni deo Zemlje izložen u datom trenutku zračenju Sunca. Jednostavnije rečeno na jednoj polovini planete je dan, kada je na drugoj polovini noć, tako da se efekti smene dana i noći u ovakvom usrednjavanju praktično poništavaju. Prosečna globalna temperatura je stoga dobar reprezent ukupne sunčeve energije koja se apsorbuje od strane Zemlje.



|5|

Atmosfera, zemljišta i okeani imaju ogromni toplotni kapacitet, odnosno mogu da deponuju velike količine energije. Iz tog razloga prosečna temperatura na Zemlji se održava i pored fluktuacija u količini energije koja dolazi do Zemlje ili fluktuacijama gubitaka energije. Ove fluktuacije posledica su Različitih uslova u Zemljinoj atmosferi, kretanja velikih vazdušnih masa, pojave oblaka i padavina.

Klimatska istraživanja bave se globalnom ravnotežom energije. Izvor energije na

Zemlji je Sunce. Apsorpcija solarne energije od strane Sunca, protok energije kroz tokove na Zemlji, kao i vraćanje energije u svemir su procesi koji obuhvataju globalni transfer energije.

Istraživanja klime danas su zapravo usmerena na globalni bilans energije. Izvor energije na Zemlji je Sunce. Sunce transfomiše energiju jezgara od kojih je sastavljeno, u procesima nuklearne fuzije. Fuzija je proces spajanja lakših jezgara u teža, pri čemu se oslobaña velika količina energije. Osnovni proces fuzije koji se dešava na suncu jeste fuzija jezgara vodonika u jezgra helijuma.

Ono što se pri razmatranju globalne klime podrazumeva jeste apsorpcija sunčeve

energije od strane Zemlje, protok energije kroz sisteme na Zemlji i emisija energije Zemlje nazad u svemir. Meñutim postoji veliki broj faktora koji utiču na transfere energije kako na lokalnom, tako i na globalnom nivou. 1.4. Globalno zagrevanje

Zemljina atmosfera prirodno funkcioniše kao staklena bašta. Ova pojava je posledica

različite talasne dužine zračenja koje se apsorbuje i koje potiče od Sunca i ezračenja koje odaje Zemlja. To omogućava postojanje optimalne temperature za život na Zemlji, odnosno zadržavanje potrebne količine toplote za funkcionisanje sistema u okviru životne sredine.

Pojava koja se naziva globalno zagrevanje predstavlja narušavanje prirodne ravnoteže

i zadržavanje veće količine toplote u Zemljinoj atmosferi, što za posledicu ima povećanje prosečne temperature na Zemlji. Uzrok ovoj pojavi su različiti gasovi, koji imaju sposobnost propuštanja talasnih dužina koje dolaze na Zemlju sa Sunca i zadržavanja zračenja koje se emituje sa Zemlje. Ovakvi gasovi su:

1. Ugljen-dioksid (CO2) 2. Metan (CH4) 3. Azotni oksidi 4. CFC Naučnici smatraju da udvostručavanje koncentracije ugljen-dioksida dovodi do

povećanja prosečne temperature na Zemlji od 0.6°C do 2.5°C i da će se dalje povećanje temperature više osetiti na kopnu nego na okeanu. To će dalje dovesti do topljenja glečera i delova oblasti večitog leda, što će uzrokovati povećanje nivoa mora. Na slici 1.1. dat je grafički prikaz predviñanja povećanja temperature na Zemlji.



|6|

Slika 1.1. Predviñanja o promenama temperature u narednih 100 godina. Izvor: IPCC Third Assessment Report (2001)

2. POJAM ENERGIJE I ENERGIJSKI RESURSI 2.1. Pojam i vrste energije Energija se definiše kao sposobnost nekog tela da vrši rad.

Jedinica energije u SI je 1 Džul (J). Postoje različite vrste energije i svaka vrsta energije se u prisustvu materije može

transformisati iz jednog oblika u drugi. Vrste energije, koje se javljaju u sistemima životne sredine su sledeće:

1. Hemijska energija, koju poseduju supstance u svojim atomima i molekulima i koja se oslobaña prilikom odvijanja hemijskih reakcija.

2. Elektri čna energija, koju poseduju naelektrisana tela. 3. Kineti čka energija, koju tela poseduju usled kretanja. 4. Toplotna energija, koju poseduje telo usled kretanja njegovih atoma i molekula (ona

je zapravo jedan oblik kinetičke energije). 5. Potencijalna energija, koju telo poseduje usled svog položaja u odnosu na neko

drugo telo. 6. Nuklearna energija, koja se nalazi u jezgima atoma.

Svi oblici energije se mogu podeli na prirodne i korisne oblike energije.

Kao prirodni oblici energije mogu se javiti:



|7|

• Energija Sunčevog zračenja • Energija goriva • Energija hrane • Energija vodotokova • Energija vetra • Energija morskih struja i talasa • Energija plime i oseke • Energija nuklearnih goriva • Energija termalnih izvora • Geotermalna energija • Energija vulkana

Oblici energije koji koriste potrošači nazivaju se korisni oblici energije. To su:

• Toplotna energija • Mehanička energija • Električna energija energija • Svetlosna energija

Prirodni oblici energije se vrlo retko mogu koristiti bez posebnih transformacija kao

korisni oblici energije, a često se dešava da se transformacija jednog oblika energije u drugi mora izvršiti više puta da bi se dobio korisan oblik energije.

Direktno se mogu koristiti samo Sunčeva toplota, toplota termalnih izvora i

geotermalna toplota, dok se svi ostali oblici energije mogu koristiti tek posle transformacije. Budući da su prirodni oblici energije meñusobno različiti biće različiti i načini njihove transformacije u korisne oblike energije. Najčešći rezultat tih transformacija je električna energija (koja se dalje pretvara u korisne oblike) ili mehanička energija kao koristan oblik energije.

Koa što je već rečeno, transformacije energije u okviru nekog sistema odreñene su

pomoću prva dva zakona termodinamike. I zakon termodinamike: U sistemu u kome je masa stalna, energija se ne može ni

stvoriti ni uništiti; ona se može samo transformisati iz jednog oblika u drugi. II zakon termodinamike: Ukupna dovedena energija nekom sistemu troši se na

izvršeni rad i povećanje unutrašnje energije sistema. Moguće je odrediti energijske bilanse za mnoge, pogotovo sisteme u životnoj sredini.

Proučavanje načina na koji neki sistem dobija, deponuje, koristi i otpušta energiju, daje mnogo informacija o tome kako posmatrani sistem funkcioniše i kako su komponente sistema meñusobno povezane. Odreñivanje kako se u konkretnom sistemu menja energija u toku vremena, predstavlja važan korak u odreñivanju stabilnosti i promena datog sistema.



|8|

2.2. Energetski resursi

2.2.1. Fosilna goriva Fosilna goriva su, ako se uzme u obzir njihova upotrebljivost sa stanovišta čoveka,

verovatno najvredniji resurs na planeti. Moderno društvo bi bilo nemoguće zamisliti bez fosilnih goriva, jer ono zavisi od nijh kao glavnih izvora energije.

Fosilna goriva spadaju u neobnovljive izvore energije, zato što ih čovek troši mnogo

brže nego što se ona prirodno formiraju i nema sumnje da će jednog dana ove vrste goriva nestati. Zamena za fosilna goriva i alternativni izvori energije se svakodnevno traže i razvijaju. Ovo predstavlja jedan od najurgentnijih zadataka, jer se alternativa za fosilna goriva mora pronaći pre no što fosilnih goriva nestane, ili čak pre no što fosilna goriva budu postojala u toliko maloj količini da će njihova cena biti izuzetno visoka, a fosilna goriva samim tim ne budu više glavni izvor energije. Najvažnija fosilna goriva su:

• Ugalj • Nafta • Prirodni gas

Fosilna goriva nastaju razlaganjem i sjedinjavanjem ostataka biljaka, koje su živele

pre oko milijardu godina. Ona su poznata i kao karbonska ili hidrokarbonska goriva, jer su bazirana na organskim elementima, uz sadržaj ugljenika i vodonika. Upotrebom fosilnih goriva uzrokuju se problemi u okviru životne sredine, od kojih su neki veoma značajni i resprostranjeni i sa pravom se mogu smatrati problemima svetskih razmera.

2.2.2. Ugalj

Ugalj obuhvata tri osnovne podvrste:

• mrke ugljeve • kameni ugalj • antracit

Mrki ugljevi su postali ugljenisanjem biljaka ispod zemlje pod pritiskom i bez

dovoljno kiseonika i predstavljaju smešu huminskih kiselina, njihovih soli, anhidrida kiselina i bitumena.

Mrki ugljevi se dele prema ishodnoj materiji na:

• humusne • sapropel • voštane mrke ugljeve.

Humusni ugljevi su nastali raspadanjem biljnih materija u toku procesa ugljenisanja.

U humusne ugljeve spadaju ligniti, obični mrki ugljevi, zemljasti mrki ugljevi i sjajni mrki ugljevi.

Sapropel ugljevi nastali su transformacijom organskog mulja i dele se na listasti mrki

ugalj, glibne mrke ugljeve i gagate.



|9|

Voštani mrki ugljevi nastali su iz smolastih i voštanih materija, koje su bile sadržane

u biljkama koje su ishodne materije ugljeva. Ovi ugljevi se dele na humusno-voštane mrke ugljeve i piropizite.

Kameni ugljevi su najbolja i najstarija vrsta ugljeva. Kameni ugalj nosi ovaj naziv

zbog spoljašnjeg izgleda. Delimo ga na nekoliko podvrsta s obzirom na sadržaj isparljivih materija i osobine

koksovanja. Prema sadržaju ugljenika možemo podeliti kamene ugljeve na: • Suvi ugalj - 75% do 80% C • Masni ugalj - 80% do 90% C • Mršavi ugalj - 90% do 93% C • Antracit - 93% do 95% C

Suvi kameni ugljevi nazivaju se još i peščani. Oni su geološki najmlañi, pa imaju

najviše isparljivih materija. Koks ovih ugljeva je mek. Dugoplameni ugalj je vrsta suvog kamenog uglja, koji se upotrebljava za potpalu

generatora, keramičke peći, simensove peći, gasogeneratore i u svim granama industrije gde se traži dugačak plamen.

Masni kameni ugljevi imaju veliki sadržaj ugljenika u isparljivim materijama. Koks

ovih ugljeva je čvrst i kvalitetan. Ovi ugljevi obuhvataju: masne dugoplamene ili gasne ugljeve, kratkoplamene ili koksne ugljeve, masne kovačke, polumasne i posne ugljeve.

Dugoplameni ili gasni ugalj služi za proizvodnju svetlećeg gasa i pri tome daje 60%

koksa, koji se upotrebljava kao gorivo u domaćinstvima, u industriji stakla, ciglarskim pećima i u gasogeneratorima. Koks dobijen od ovog uglja je srednje tvrdoće.

Kratkoplameni ili koksni ugljevi sporo sagorevaju, imaju veliku sposobnost

proizvodnje pare. Upotrebljavaju se u domaćinstvu, u industrijama gde je potreban nagli porast proizvodnje pare (šećerane). Ovi ugljevi daju preko 75% koksa. Boja im je svetlo crna.

Kovački masni ugljevi služe kao gorivo za kovačke vatre, za proizvodnju

metalurškog koksa, u industriji stakla, hemijskoj industriji, rafinerijama nafte itd. Polumasni dobro sagorevaju, daju dugotrajan plamen, proizvodeći veliku količinu

toplote. Upotrebljavaju se za parne kotlove i u domaćinstvu. Posni gore bez dima. Upotrebljavaju se za ložišta sa jakom promajom, na

lokomotivama i brodovima. Ovi ugljevi se mešaju sa kamenim ugljevima, a upotrebljavaju se i samostalno za loženje u domaćinstvu.

Mršavi, antracitni ugljevi gore sa prilično kratkim plamenom. Upotrebljavaju se

uglavnom u kombinaciji sa drugim ugljevima i to tamo gde je potrebno sporo i dugotrajno zagrevanje.

Antracit spada u kamene ugljeve no s obzirom na njegova specifične osobine moguće

ga je i odvojeno posmatrati kao posebnu vrstu uglja. On predstavlja kompaktnu organsku



|10|

stenu, crno sjajne boje i velike tvrdoće. Vrlo su otporni prema hemijskim agensima. Pale se teško i gore slabim plavkastim plamenom. Kada se razgore daju vrlo visoke temperature, koje mogu biti štetne za kotao, radi čega se mešaju sa slabijim ugljevima. 2.2.3. Rezerve uglja

Ugalj je po svojim rezervama najznačajnije fosilno gorivo, jer ga ima u mnogo većim

količinama od nafte i prirodnog gasa. Od ukupne količine uglja na Zemlji 48% se nalazi na području bivšeg Sovjetskog

Saveza, Istočne Evrope i Kine. 9% rezervi se nalazi na području Zapadne Evrope, 6% na području Afrike, 26% na području Severne Amerike i 9% na području Australije i Azije. Procenjuje se da su zalihe uglja dovoljne za planiranu potrošnju u narednih 500 godina, ali će ove zalihe biti mnogo brže istrošene ako se velike količine uglja budu trošile za dobijanje sintetičkih ulja, koja bi bila zamena za naftu.

Iskopavanje uglja ima mnogo uticaja na životnu sredinu. U pogledu produkata

sagorevanja ugalj je najprljavije fosilno gorivo i negovo sagorevanje daje veliki deo gasova, koji su odgovorni za efekat staklene bašte i sumpor-dioksida, koji je odgovoran za nastajanje kiselih kiša. Na slici 2.1. prikazana je raspodela svetskih rezervi uglja.

Slika 2.1. Raspodela svetskih rezervi uglja

2.2.4. Nafta Od svih mineralnih sirovina nafta i gas spadaju u grupu sirovina koje po prirodi svog

nastajanja i fizičko-hemijskih karakteristika imaju značajan uticaj na čovekovu okolinu. Akumulacije nafte i gasa nalaze se pod zemljom kontinentalnog dela i u podzemlju ispod mora.



|11|

U procesu istraživanja mogu nastati slobodne erupcije fluida (nafta, srirodni gas, gasoviti ugljovodonici, ugljenmonoksid, sumpordioksid, slana voda i sl.). Izliveni gasovi i tečni fluidi imaju uticaja na okolinu, jer zagañuju zemlju, vazduh, vodu, te ugrožavju biljni životinjskr svet. Stalno prisustvo sumpordioksida (SO2) i ugljendioksida (CO2) u manjim ili većim količinama uz visoke pritiske i prisustvo slane vode čine sredinu agresivnom. Zbog toga se koriste posebne mere zaštite i specijalni konstrukcioni materijali. Prilikom eksploatacije nafte dolazi do zagañivanja vazduha, jer su vrlo često u produktima sagorevanja gasa u bakljama prisutni CO2 i H2S. Veoma često dolazi do zagañenja vode ukoliko se proizvedena voda zajedno sa naftom nekontrolisano ispušta u vodotoke.

Nalazišta nafte, u manjim ili većim količinama, su vrlo dobro rasprostranjena na svim delovima naše planete. Izmešana sa naslagama soli, nafta često izbija slobodno na površinu ili se probija kroz pukotine stena. Gasovi koji se razvijaju iz nafte su pod velikim pritiskom, te pri bušenju nafta izbija u vrlo jakim mlazevima.

Nafta se nalazi na raznim dubinama, a može je biti i u više slojeva, koji se nalaze jedan iznad drugog. Današnje bušotine nafte prelaze i 5000m dubine.

Nafta je danas primarno fosilno gorivo u svetu i poznate rezerve nafte se brzo iscrpljuju. Sirova nafta, gusta zeleno-braon zapaljiva tečnost, nalazi se u zemlji i koristi se za dobijanje čitavog niza vrednih proizvoda-derivata nafte. U naftne derivate ubrajaju se: benzini, kerozini, dizel goriva, mazuti, ulja, maziva itd. Sama sirova nafta, tj. nafta dobijena neposredno iz zemlje retko se upotrebljava kao gorivo. Prerada sirove nafte deli se uglavnom na tri postupka:

• Čišćenje nafte od nečistoća i vode • Prerada nafte i njenih produkata • Rafiniranje ( prečišćavanja gotovih produkata)

U preradu nafte i njenih produkata spadaju procesi: destilacije, krekovanja, pirolize,

hidriranja i polimerizacije. Proces prerade nafte, kojim se dolazi do ovih proizvoda vrši se u postrojenjima, koja

se nazivaju rafinerije. Oko dve trećine poznatih rezervi svetske nafte, koju je isplativo iskoristiti, nalazi se

na podrućju Bliskog Istoka. Procena je da će do sada poznate količine raspoložive nafte, uz upotrebu trenutno raspoložive tehnologije, biti iscrpene za oko 80 godina, pa se zbog toga očekuje postepen pad ukupne proizvodnje nafte u svetu, počev od 2000. godine. Od 1970 nove tehnologije su omogućile eksploataciju sa naftnih polja, kojase nalaze na dnu mora (oblast Severnog mora), kao i iz oblasti pod večitim ledom na severu Aljaske.

Najveće nalazište nafte na području zapadne Evrope nalazi se na području Dorseta, u

Engleskoj, 1973 i od tada se koristi, iako se u toj oblasti nalazi i najznačajniji prirodni rezervat u U.K.

Na slici 2.2. su prikazane svetske rezerve nafte.



|12|

Slika 2.2. Svetske rezerve nafte. Eksploatacija i korišćenje nafte ima mnoge posledice po životnu okolinu. Sagorevanje

benzina predstavlja jedan od osnovnih izvora zagañenja vazduha, a transportovanje nafte, koje se uvek vrši velikim tankerima, morskim putevima, uzrokovalo je nekoliko najvećih ekoloških katastrofa. Najpoznatiji primeri izlivanja nafte u more su izlivanje 1967. u jugozapadnoj Engleskoj, 1989. u oblastima Aljaske i 1992. u okolini severne Škotske.

Nafta se, u celini gledano, slabo rastvara u vodi. Možese smatrati da nafta i voda

obrazuju uzajamno nerastvorne i nemešljive tečnosti. Iz tog razloga, prilikom izlivanja nafte, dolazi do formiranja naftne mrlje, koja predstavlja najprisutniji oblik nalaženja nafte kao zagañujuće supstance.

Naftne mrlje se nikada ne razlivaju do monomolekulskog sloja. Eksperimentalno je

utvrñeno da je minimalna debljina ove specifične naftne opne 0.15µm. Rasprostinjanje naftne mrlje po površini okeana odvija se pomoću dva procesa. prvi je

prenos mrlje kao celine, dejstvom vetra, morskih struja i površinskih talasa. Drugi je njeno razlivanje po mirnoj površini, što dovodi do povećanja površine mrlje, srazmerno vremenu proteklom od izlivanja. 2.2.5. Osobine i sastav nafte

Osobine sirove nafte (kako fizičke tako i hemijske) variraju zavisno od izvorišta.

Nafta i njeni derivati sastoje se uglavnom od ugljovodonika (90%-95%), dok ostatak (5%-10%) čine jedinjenja sumpora, azota i nekih metala. Ugljovodonici koji ulaze u sastav nafte mogu biti zasićeni, kao što su: parafin i naften, ili nezasićeni, kao: olefin, diolefin i aromat. U pojedinim vrstama nafte preovlañuje jedna od ovih grupa ugljovodonika, koja je onda osnova te nafte.U sirovoj nafti su obično prisutne i naftenske kiseline, kompleksna azotna jedinjenja, merkaptani-sumporna jedinjenja, smolaste i bitumenske supstance.



|13|

Količina pojedinih jedinjenja prisutnih u sirovoj nafti zavisi od izvorišta nafte, te se njihovo prisustvo korisit kao osnova za klasifikaciju sirove nafte na: parafinsku, mešanu i bitumensku.

Sirova nafta može sadržavati pored rastvorenih gasova i rastvorene čvrste materije i koloidne suspenzije. Prema jednoj od definicija, prema standardu ASTM-288 to je prirodna smeša u kojoj preovladavaju ugljovodonici i to jedinjenja sumpora, azota i/ili kiseonika, koja se izdvaja iz dubine zemlje u tečnom stanju. Sirovu naftu prate obično i različite količine supstanci kao što su voda, neorganske supstance i gasovi.

Uobičajeni sastav sirove nafte prikazan je u Tabeli 2.1.

Tabela 2.1. Sastav sirove nafte u težinskim procentima:

Ugljenik, C 83,9-86,8% Vodonik H 11,4-14,0% Sumpor, S 0,06-8,00% Azot, N 0,11-1,70% Kiseonik, O 0,5% Metali (Fe, Ni, V, i dr.)

0,03%

2.2.6. Prerada nafte Smatra se da je prerada nafte počela 1859. godine sa Drejkovim otkrićem.

Intenzivnija eksploatacija nafte je počela u periodu I svetskog rata na nekoliko naftnih polja, a svoj puni razvoj doživljava nakon II svetskog rata i u sedamdesetim godinama 20. veka. U naftnom izvorištu su prisutna sva tri fluida koji su rasporeñeni prema veličini specifične težine i to: zona gasa, naftna zona i zona vode. U fazi prerade nafte iz bušotine odvija se proces degradacije i dehidracije. U prvoj operaciji dolazi do oslobañanja gasa, gde se odvajaju manje isparljive komponente i gas šalje za komercijalnu upotrebu, a odvojene tečne komponente predstavljaju benzin. Druga operacija se odvija u svrhu eliminacije vode, kao i neorganskih soli koje su rastvorljive u vodi, koje u slučaju da ostanu u nafti uzrokuju ozbiljne korozione probleme u toku procesa rafinacije.

Preradom nafte u rafinerijama dobiva se širok spektar naftnih goriva, maziva, ulja, bitumena i voskova. Sirova nafta se može preraditi na više načina a rafinacijom se dobijaju proizvodi na najekonomičniji način.

Sirova nafta jednostavno sagoreva i može se postaviti pitanje zašto se kao takva ne

koristi bez dodatnog troška za rafinaciju. Za to postoje četiri razloga: • Benzinski motor radi na specijalno rafinisano gorivo i ne ide na naftni pogon. • Gotovo sve sirove nafte sadrže ugljovodonike niske tačke isparavanja što uslovljava

njihovu zapaljivost koja otežava čuvanje i rukovanje. • Sve zemlje imaju zakone koji regulišu transport nafte, prijem i skladišta za naftu.

Restrikcija prema pomenutim zakonima ne obuhvata nafte koje imaju tačku zapaljenja iznad 65°C, a ta tačka se postiže uklanjanjem isparljivih materija.

• Sirove nafte toliko variraju u osobinama da bi bez procesa rafinacije bilo nemoguće da se dobije gorivo željenog kvaliteta.



|14|

2.2.7. Rafinacija nafte Prerada sirove nafte se vrši u rafinerijama i to manjim, kapaciteta oko 40.000 t/dan.

Većina rafinerija primaju sirovu naftu tankerima, morem ili cevovodima. Komercijalni tankeri za prevoz nafte imaju kapacitet do 300.000 tona.

Rafinerije se odlikuju po broju i kompleksnosti procesa koje obuhvataju, kao i

produkata koje proizvode. Jednostavne rafinerije proizvode benzin, dizel gorivo i teško gorivo. Sirova nafta se destiluje u gasovite ugljovodonike koji se spaljuju u rafinacijsko gorivo, benzin, naftu, dizel gorivo i teško gorivo. 2.2.8. Destilacija sirove nafte

Sirova nafta se sastoji od mešavine ugljovodonika. U destilacionim kolonama se vrši

razdvajanje pojedinih frakcija na različitim temperaturama. Na temperaturama 30°-150°C izdvaja se benzinska frakcija, koja predstavlja smešu ugljovodonika sa 4-12 ugljenikovih atoma. Ugljovodonici koji su sadržani u benzinu su parafini, olefini i aromati.

Primarna separacija frakcija iz sirove nafte se izvodi kontinualnom destilacijom na

atmosferskom pritisku. Na slici 2.3. dat je prikaz jednostepene destilacije sirove nafte i produkata destilacije. Na temperaturama od 150°-230°C se izdvaja kerozinska frakcija, a u opsegu

temperatura 230°-340°C gasno ulje i na temperaturama preko 340°C se izdvaja destilatno gorivo i ostatak.

Pored jednostepene destilacije postoje trostepena postrojenja sa poboljšanim odvajanjem frakcija. Primenom vakuum-destilacije izdvajaju se frakcije i sa tačkama ključanja do 550°C na atmosferskom pritisku.

Teški destilat se koristi kao osnov za dobijanje mazivih ulja, a ostatak za izradu

bitumena, mazuta i u druge industrijske svrhe. Frakcije sirove nafte imaju primenu kao pogonsko gorivo tj. sagorevanjem u

kotlovima proizvodi se toplota koja služi za proizvodnju pare i vrele vode i, daljim transformacijama, električne energije.

Kotlovi koji koriste tečna goriva su čelične konstrukcije kao i kotlovi na ugalj s tim

što je rešenje ložišta podešeno za tečno gorivo. Tečno gorivo se raspršuje u ložištu pomoću gorionika i sagoreva sa vazduhom. U pogledu zagadenja okoline ovi kotlovi imaju prednost u odnosu na kotlove na čvrsta goriva.



|15|

Slika 2.3. Jednostepena destilacija sirove nafte,

Izvor: M. ðonlagić: Energija i okolina

Slika 2.4. Blok-šema jednostavne rafinerije,

Izvor: M. ðonlagić: Energija i okolina



|16|

Benzinska frakcija sa niskom tačkom isparavanja se podvrgava dodatnom hemijskom

tretmanu. Frakcija nafte ima veoma nizak oktanski broj, do 40, u odnosu na potrebe tržišta koje iziskuju vrednost oktanskog broja od oko 90. Takva frakcija se podvrgava katalitičkoj reform-obradi i na taj način postigne oktanski broj oko 100. Ova frakcija se potom meša sa isparljivom benzinskom frakcijom i dobija benzin sa poželjnim sadržajem isparljivih sastojaka i sa visokom vriednošću oktanskog broja. Jednostavno postrojenje rafinerije se sastoji iz destilacione jedinice sirove nafte, jedinice za omekšavanje benzina i katalitičke reform-jedinice, kao što je prikazano na slici 2.4.

Ovakve rafinerije imaju kapacitet prerade sirove nafte od 2000 do 4000 tona sirove

nafte dnevno. Sledeći stepen prerade je jedinica za desulfuraciju dizel-goriva. Kod kompleksnijih

rafinerija se vrši likverifikacija gasova propana, butana i kerozina. Veće, kompleksnije rafinerije imaju veći broj kompleksnih procesnih jedinica kao što

su: • vakuum destilacija za dobijanje teških destilata za katalitički kreking ili hidrokreking

ili proizvodnju mazivih ulja i dobijanje ostataka za dalju destilaciju i dobijanje bitumena,

• hidrokreking jedinica za dizel-gorivo i gorivo sa niskim sadržajem sumpora, • katalitički kreking za proizvodnju gasa za likverifikacija, olefinskih ugljovodonika i

visoko čisti benzin, • ekstrakcija rastvaračima za rafinaciju kerozina, • postrojenje za vosak i odvajanje voska iz nafte i prečišćavanje voska.



|17|

2.2.9. Prirodni gas i rafinerijski gas Prirodni gas

Prirodni gas predstavlja mešavinu gasova, koji se nalaze izmeñu slojeva zemljišta. On

nastaje u procesu stvaranja nafte, te se često i nalazi uz nalazišta nafte. Najzastupljeniji gas u prirodnom gasu je metan CH4, dok ostale primese čine CO2, H, O i N.

Prirodni gas se upotrebljava za dobijanje benzina i dobijanje tzv. “tečnih gasova”, kao što su: propan, butan, propilen i butilen, koji služe kao motorna goriva. Ova vrsta fosilnog goriva je veoma čisto i primenljivo gorivo, tako da čini veoma značajan izvor energije u nekim zemljama. Prmera radi, Sjedinjene Američke Države obezbeñuju trećinu ukupno potrebne energije iz prirodnog gasa.

Najveće rezerve prirodnog gasa nalaze se u Severnoj Americi i Bliskom Istoku (oko

40%), kao i na prostorima bivšeg SSSR-a (takoñe oko 40%). Na slici 2.4. je data procentualna preraspodela svetskih rezervi prirodnog gasa.

Slika 2.4. Preraspodela svetskih rezervi prirodnog gasa

Prirodni gas je relativno čist i ima primenu u domaćinstvu kao i u industriji. Oko 33%

primarne energije prirodnog gasa se koristi za proizvodnju elektroenergije u zemljama koje imaju na raspolaganju dovoljnu količinu gasa. Sastav prirodnog gasa koji se izdvaja sa eksploatacijom nafte ili nastaje u procesu prerade nafte varira, od čistog vodonika do ugljovodonika, koji su delimično u parnom stanju na sobnoj temperaturi i atmosferskom pritisku. Ovi gasovi nastaju eksploatacijom sirove nafte ili proizvodnjom gasovitih goriva u procesu prerade nafte ili naftinih derivata u rafinerijama. Ovi gasovi se nazivaju »prirodni gas« koji se dijeli na »suvi gas« i prateće rafinerijske gasove, propan i butan, što se obično naziva tečni petrolej gas (liquefied petroleum gas, LPG). Značaj prirodnog gasa kao goriva u domaćinstvu i industriji je veliki.

Najveće rezerve prirodnog gasa su u Rusiji i Severnoj Americi.



|18|

Sastav suvog prirodnog gasa varira, ali preovladava sadržaj metana uz odreñenu količinu etana i azota, ugljendioksida, ponekad helijuma, a prateći rafinerijski gas sadrži znatne količine propana, butana i pentana, koje se moraju odstraniti iz gasa, jer bi u suprotnom došlo do stvaranja čvrstih hidratnih spojeva na niskim temperaturama.

Druge nečistoće koje su prisutne u suvom i pratećem rafinerijskom gasu su ugljen-

dioksid, vodonik-sulfid i vodena para. Procesom prečišćavanja uklanjaju se ove materije iz gasa.

Pošto su nalazišta prirodnog gasa znatno udaljena od mesta potrošnje, došlo je do

razvoja ureñaja za prenos gasa. Ovaj prenos se ostvaruje gasovodima pod pritiskom, a uz veoma razvijene kontrole protoka na radnim pritiscima. Ovakve mreže daljinskog transporta gasa su izvedene u Sjevernoj Americi, Rusiji, Zapadnoj i bivšoj Istočnoj Evropi. U posljednje vrieme se izvodi likverifikacija gasa i transport takvog tečnog prirodnog gasa (Liquefied Natural Gas - LNG) korištenjem tankera, železnice ili cisterni. Rafinerijski gasovi

Prerada sirove nafte u rafineriji obuhvata primarnu destilaciju ugljo-vodonične smeše

što rezultuje odvajanjem frakcija po broju C-atoma, isparljivosti, specifične gustine i drugih karakteristika. Najlakše isparljiva frakcija, koja sadrži većinu gasova koji su bili rastvoreni u sirovoj nafti, sastoji se iz ugljovodonika - od metana do butana - ili ponekada do izopentana. Ovakav gas varira u sastavu zavisno od porekla sirove nafte. Pored gasova dobijenih destilacijom sirove nafte, gasoviti produkti se dobijaju u daljem toku procesiranja nafte i srednjeg destilata u fazi proizvodnje benzina, kao i u procesu desulfuracije nafte i destilata. Gasni produkti se dobijaju u procesu daljnje termičke i kreking obrade gdje se dobijaju etilen, propilen, izobutan i dr. Ovako dobijen gas se mora prečistiti, što podrazumeva uklanjanje vodoniksulfida i merkaptana adeorpcijom u rastvaračima.

Pored primene u domaćinstvu, gasovi iz rafinerije su našli široku primenu u hemijskoj industriji za proizvodnju amonijaka, metanola i sintetičkih ugljovodonika. Prednosti gasovitih goriva su sledeće:

• jednostavna kontrola sagorevanja u gorionicima • brzo paljenje • dobro mešanje goriva i oksidansa • jednostavnost gorionika (nije neophodna pumpa za gorivo) • čisti gasovi iz procesa sagorevanja

Ovi gasovi se mogu spaljivati u velikom broju standardnih gasnih gorionika. Pogodne

karakteristike sagorevanja kao i pogodnosti korišćenja gasova u odnosu na tečna goriva, kao što je čistoća kod sagorievanja, odsustvo rezervoara goriva i jeftina oprema za sagorevanje, imalo je za rezultat povećanje korišćenja ovih goriva. 2.3. Zagañenje okoline rafinerija

Osnovni rizik za okolinu u blizini rafinerija je mogućnost izbijanja požara. Visoki

troškovi postrojenja za proizvodnju nafte su uglavnom i zbog sigurnosne opreme i poštovanja restriktivnih zakonskih normi u cilju zaštite. Pored vatre postoji mogućnost pojave eksplozija. Svi ugljovodonici sa tačkom ključanja ispod 250°C postoje u gasovitom stanju i njihove pare u smeši sa vazduhom čine eksplozivne smeše u prisustvu izvora vatre ili varnice. Ovakve



|19|

incidentne situacije se sprečavaju podesnim sistemom ventilacije. U većini postrojenja nastaje i gas sumporvodonik (H2S) koji predstavlja osnovni izvor intoksikacije.

Obično se koriste i automatski detektori prisutnosti vodoniksulfida kada njegova

koncentracija premaši nivo od 10 ppm. Isto tako, pare ugljovodonika u nižim koncentracijama od potrebnih za stvaranje eksplozivne smeše uzrokuju toksikaciju. U procesu rafinerijske prerade nafte se ispuštaju odreñene materije u vazduh i vodene tokove, što uzrokuje zagañenje vazduha i vode. U većini zemalja je ispuštanje efluenata iz rafinerije zakonski regulirano.

Sagorevanje teške nafte u rafinerijama rezultuje stvaranjem karakterističnog crnog

dima koji ukazuje na nepotpuno sagorevanje. Rafinerijsko gorivo sadrži sumpor koji sagorevanjem prelazi u sumpordioksid i delom u sumportrioksid, odnosno anhidrid sumporne kiseline. Pošto je potrošnja rafinerijskog goriva velika stoga i ukupna količina sumpornih oksida dostiže iznose od nekoliko tona dnevno. Postoje postupci kojima se sumpor uklanja iz teškog goriva što u svakom slučaju poskupljuje cenu postrojenja. Ustanovljeno je da se povećanjem visine dimnjaka smanjuje koncentracija gasa na zemlji tako da su izvedeni obrasci kojima se izračunavaju optimalne visine dimnjaka s obzirom na sadržaj sumpora u gorivu i dozvoljena emisija sumpornih oksida.

U procesu rafinerijske obrade sirove nafte nastaje i vodoniksulfid i merkaptani koji su

karakteristični po neugodnom mirisu. U većim rafinerijama se dnevno proizvede i do 100 t/dan vodonik sulfida, koji se smatra opasnim otrovom. Velika pažnja se posvećuje sprečavanju curenja vodoniksulfida i merkaptana, a postoje i osetljivi ureñaji za detekciju i automatsko aktiviranje zaštitnih ureñaja. Danas značajan deo svetske proizvodnje sumpora potiče od prerade nafte.

U nekim sirovim naftama se azot nalazi u obliku izocijanida ili izocijanata, čije

količine u tragovima detektuje ljudsko čulo mirisa, a tragovi sulfidnih jedinjenja daju miris belog luka. Da bi se otklonili ovi nepoželjni efekti vrši se zaptivanje postrojenja, a kada se vrši ventilacija, prethodno se uklanjaju ove supstance.

2.4. Uticaj rafinerija nafte na aerozagañenje

Emisija iz rafinerija nafte se najviše sastoji od ugljovodonika i sumpornog dioksida.

Deo gasova proizvedenih za vreme rafinacije se spaljuje u bakljama, gde sagoreva 50-70% izduvnih gasova, dok se neizgoreni ugljovodonici ispuštaju u okolinu. Sumpomi dioksid nastaje u procesnim pećima i kotlovima u kojima se loži teško loživo ulje i rafinerijski gas.



|20|

2.5. Zagañenje vodotoka

Zagañenje vodenih tokova zavisi od koncentracije efluenata i od brzine proticanja

vodotoka. Voda ili efluenti iz rafinerije moraju biti bez sadržaja nafte (što znači ispod 20 ili 30 delova nafte na milion delova vode ili čak u nekim slučajevima 5 delova na milion delova vode). Ovakvi standardi podrazumevaju primenu skupih postrojenja za tretman efluenata. Otpadne hemikalije iz procesa rafinacije nisu toksične, već je glavni problem njihova brza oksidacija i oduzimanje kiseonika iz vode, što uslovljava umiranje životinjskog sveta. Smanjenje koncentracije kiseonika sprečava i bakterijsku oksidaciju otpadnih organskih materija, što predstavlja proces samoprečišćavanja. Rafinerijski efluenti moraju biti ohlañeni da ne podignu temperaturu recipijenta. Iz ovih razloga se rafinerijskim efluentima kontroliše temperatura, sadržaj nafte i biološki potreban kiseonik (BPK),, koji predstavlja meru do koje će opasti sadržaj kiseonika prijemom efluenta.

Odvajanje nafte iz otpadne vode je neophodan proces u svakoj rafineriji i ta oprema

predstavlja znatna ulaganja. Nafta je uvek prisutna u rafinerijskim efluentima i verovatnoća curenja nafte je uvek velika. Separatori nafte se koriste za izdvajanje pomoću hemijskih jedinjenja. Ukoliko efluent ima visoku vrednost biološki potrebnog kiseonika, neohodno je da se postavi postrojenje za tretman efluenta, što je slučaj kod prisustva fenola.



|21|

3. ULOGA ENERGIJE U FUNKCIONISANJU DRUŠTVENIH, BIOLOŠKIH I INDUSTRIJSKIH SISTEMA 3.1. Uloga energije u funkcionisanju društva

Snabdeavanje energijom preduslov je napredka svakog društva, bilo u smislu

privrednog napredka ili standarda stanovništva. Energetska privreda predstavlja značajnu granu privrede, koja je u stalnoj ekspanziji zbog neprestanog povećanja potreba za proizvodnjom energije. Nedovoljan razvoj energetike odnosno takoav razvoj koji ne prati potrebe celokupne potražnje energije, može predstavljati ozbiljan ograničavajući faktor razvoja privrede, dovesti do poremećaja u prizvodnji, pa samim tim i do znatnih gubitaka.

Sa druge strane razvoj nauke i tehnike, kao i napredak tehnologije doveli su do

mogućnosti korišćenja novih oblika energije, boljeg iskorišćenja konvencionalnih oblika energije, kao i manjh gubitaka prilikom procesa transformacije prirodnih vrsta energije u korisnu energiju.

Izbor optimalne strukture eksploatacije prirodnih resursa i transformacije energije

zavise od niza faktora. Na prvom mestu ona zavisi od prirodnih potencijala zemlje, od vrste prirodnih oblika energije sa kojima dato područje raspolaže i od oblika korisne energije za kojima postoji potreba. Značajan faktor predstavljaju i potrebna investiranja za ostvarivanje celokupnog procesa proizvodnje energije, kao i krajnja cena energije. Veliku ulogu ima i lokacija postrojenja za prizvodnju energije, kao i lokacija potrošača, koji impliciraju potrebne oblike transporta, odgovarajuće troškove i slično.

Uticaj proizvodnje energije, eksploatacije prirodnih energetskih resursa, distribucija

korisnih oblika energije do potrošača, kao i sama potrošnja energije imaju veliki uticaj i na životnu sredinu. Termičko opterećenje okoline, zagañenje atmosfere produktima sagorevanja iz energetkih postrojenja, menjanje karakteristika zemljišta, vodnih tokova i prirodnih ekosistema usled eksploatacije prirodnih resursa samo su neke od manifestacija ugrožavanja životne sredine. 3.2. Ciljevi i mere razvojne energetske politike

Uopšteno bi se moglo reći da bi osnovni ciljevi energetske politike trebali biti: 1. Pokrivanje potreba za energijom 2. Sigurnost snabdevanja potrošača energijom 3. Postizanje minimalnih troškova 4. Usklañivanje razvoja energetike s razvojem ostale privrede 5. Unapreñivanje opšteg privrednog razvoja 6. Racionalna potrošnja i štednja energije Pokrivanje potreba za energijom može se jednostavno interpretirati kao preduslov

rasta ukupne privrede. U današnjim uslovima industrijske proizvodnje i intenzivnog razvoja saobraćaja, nemoguće je zamisliti postojanje i normalno funkcionisanje života bez osiguranja dovoljnih i odgovarajućih količina energije.



|22|

Problem sigurnosti snabdevanja potrošača energijom je u uskoj vezi sa ciljevima podmirenja energetskih potreba i postizanju minimalnih troškova, a naročito je izražen kada je u pitanju snabdevanje potrošača električnom energijom. Povećanje sigurnosti snabdevanja potrošača energijom može se ostvariti povećanom izgradnjom termoelektrana ili kombinovanih elektro-energetskih sistema. Treba imati u vidu da najčešće nije optimalno izgraditi takav elektroenergetski sistem koji potrošačima obezbeñuje 100% sigurnosti isporuke električne energije. Naime, kada se postigne relativno visoka sigurnost u snabdevanju potrošača električnom energijom, dalje povećanje stepena sigurnosti zahteva velika finansijska ulaganja u izgradnju elektroenergetskih objekata, a stepen rasta sigurnosti je relativno mali. Smatra se da je najpovoljnija energetska struktura postignuta onda kada je ostvareno snabdevanje potrošača takvim prirodnim oblicima energije, kada postoje takve transformacije energije i takvi korisni oblici energije da su ukupni troškovi energije minimalni. U ukupne troškove energije pored troškova izgradnje energetskih postrojenja i proizvodnje korisnih oblika energije spadaju i troškovi transporta prirodnih oblika energije do postrojenja za transformaciju kao i troškovi transporta energije do potrošača.

Lokacija postrojenja za proizvodnju korisnih oblika energije u mnogome zavisi od

raspoloživosti prirodnim oblicima energije, njihovih nalazišta i područja potrošnje. Uvek se mora odabrati lokacija koja je tehnički moguća i ekonomski opravdana.

Stalni porast potreba za energijom zahteva i stalno intenzivna ulaganja u energetsku

privredu. Investicije u energetsku privredu čine znatan deo ukupnih privrednih investicija, a cene energije znatno utiču na cenu svih proizvoda, odnosno troškove proizvodnje praktički svih privrednih grana.

Racionalna potrošnja i štednja energije logičan su cilj svakog društva, koji priozilazi

iz poznavanja svih prethodno navedenih činjenica. Visoka cena energije kao prizvoda, velika ulaganja u energetska postrojenja i stalno povećanje potreba za energijom samo su neki od razloga za racionalnu potrošnju, a u sredinama kao što je naša gde je energetska privreda ima često veoma velikih poteškoća u snabdevanju potrošača potrebnim količinama energije, značaj racionalne potrošnje i štednje energije je još veći.

3.3. Energija potrebna za proizvodnju energije

Kada se govori o energiji potrebnoj za proizvodnju energije najčešće se misli samo na

neposrednu potrošnju energije u posmatranom procesu, odnosno smatra se da je u tom procesu utrošena energija jednaka potrošnji za pogon ureñaja i postrojenja koja vrše posmatranu eksploataciju. To znači da se posmatra samo neposredno utrošena energija za taj proces, što svakako ne daje realnu sliku o ukupno potrebnoj energiji za proizvodnju energije. Za realno sagledavanje i proračun »potrošnje energije za energiju« potrebno je u razmatranje uključiti:

1. Neposrednu potrošnju energije u samom procesu, 2. potrošnju energije za proizvodnju i transport energenata koji se u tom procesu

upotrebljavaju, 3. energiju utrošenu za proizvodnju ureñaja, opreme i objekata koji se u tom procesu

koriste, 4. energiju utrošenu za proizvodnju ureñaja s kojima su napravljeni oprema i ureñaji za

posmatrani objekat.



|23|

Iz navedenog se može zaključiti da je izračunavanje ukupne potrebne energije za proizvodnju energije veoma kompleksan i obiman posao. Uobičajeno je da se veliki broj faktora koje bi trebalo uračunati zanemaruje radi pojednostavljenja samog postupka izračunavanja i uostalom nemogućnosti da se baš svaki utrošak energije za dati proces proizvodnje uzme u obzir. Iz tog razloga treba biti svestan da su u ovakvim proračunima uvek prisutne i zapravo neminovne izvesne greške, te da je svaki proračun zapravo procena.

3.4. Populacija i energija

Jedan od osnovnih motiva, pri bavljenju problemima žs je odreñivanje održivog

razvoja, odnosno odlučivanje o tome da li je »više uvek i bolje«. »More is always better« je zapravo princip koji najčešće favorizuju političari i ekonomisti, a koji ohrabruje donošenje odluka koje uvek uvažavaju samo aspekt ekonomskog rasta. Osnovni problem održivog razvoja sadrži se u tome da eksponencijalni rast tehnologije i populacije, čiji stepen rasta raste u toku vremena, nije praćen dovoljnom količinom dostupnih resursa kao ni produkcijom hrane. Pesimistički nastrojeni naučnici smatraju da će ovakav stepen rasta (naročito populacije i tehnologije), vrlo brzo dovesti do krajnje tačke održivosti, odnosno do granica rasta. Sa takvog stanovišta, čak i ne preduzimanje nikakvih mera u odnosu na postojeće probleme u žs, dovelo bi do kolapsa.

Na slici 3.1. dat je grafički prikaz dosadašnjeg ponašanja relevantnih parametara, koji

karakterišu životnu sredinu, kao i prognozu daljeg ponašanja i tačke u dvadeset i prvom veku, kada će nedostatak resursa dovesti do pada industrijske proizvodnje, ograničenog snabdevanja hranom i značajnog pada u brojnosti ljudske populacije usled zagañenja, bolesti i stresa.

Pojedini naučnici smatraju da su postojeći resursi sasvim dovoljni za naredni vek i da

je ovakav tempo eksploatacije održiv, uključujući i probleme povezane sa njihovom eksploatacijom (formiranje otpada, emisija polutanata, zauzimanje zemljišta). Ovakva teorija, naime predpostavlja da će rast populacije i razvitak tehnologije, pored svih negativnih efekata dovesti i do otkrića novih resursa, koji će biti obnovljivi i ekonomični.

Slika 3.1. Granice rasta: Predviñanja o globalnoj populaciji, zagañenju i resursima



|24|

3.5. Energetska politika i strategija

Savremen privredni razvoj uslovljen industrijalizacijom permanentno zahteva sve

veću količinu energije. Poslednja decenija svetskog razvoja odvija se u znaku prelazak svetske ekonomije sa jeftine energije u stanje skupe energije. Saznanje o relativnoj ograničenosti i iscrpljenosti klasičnih energetskih izvora sa jedne strane i ograničene mogućnosti snabdevanja energijom iz obnovljivih izvora energije imali su dvostruki efekat na energetski i privredni razvoj, ali i na životnu sredinu. Ukazana je potreba hitnog iznalaženja izvora i tehnologija za efikasnije i potpunije korišćenje energije iz obnovljivih izvora. Potencira se mnogo i na samu štednju energije kao i na ekonomično i racionalno korišćenje energetskih izvora. Tako posmatrajući situaciju energija predstavlja jedan od ograničavajućih faktora privrednog razvoja. Danas se Zemlja i čovečanstvo nalaze u kritičnoj tački donošenja odluka o energetsko-ekološkoj politici koje treba da definiše i omoguće optimizaciju svih procesa, potrošnje energije i razvoja novih “environmental friendly” tehnologija koje će zajedničkim snagama minimizirati emisuju štednih gasova u atmosferu. Kako se kretao razvoj svetskog privrednog razvoja kretala se i energetika. Potrošnja energija je tokom 20 veka zabeležila visok rast koji se i dalje nastavlja, a to je uzrokovano:

1. Povećanjem broja stanovnika 2. Povećenjem kvaliteta i standarda života 3. Uticaja proizvodnje i potrošnje energije na životnu sredinu 4. Strukturnim promenama koje se dešavaju na svetskom energetskom tržistu

Energetska politika je definisana kroz načela, ciljeve, zadatke, mere i instumente. Ona je povezana sa svim segmentima koji se tiču energije:

• istraživanje, • dobijanja/proizvodnje, distribucije (transmisije) i korišćenja energije.

Uspešnost ostvarenje ovog zadatka je moguća ukoliko se odredi jednistvena energetska politika države, čiji će ciljevi biti u skladu sa načelima globalne energetske politike. Opšti ciljevi energetske strategije:

• Sigurnost snabdevanja energijom • Povećanje stepena energetske nezavisnosti države • Maksimiziranje ekonomskih efekata • Kontrola energetskih resursa • Smanjenje potrošnje energije • Zaštita životne sredine

Razvijene države su razvile strateške i operativne planove korišćenja i upravljanja energijom. Ovakav pristup rezultuje:

• smanjenjem potrošnje energije, • većem korišćenju energetski efikasnih tehnologija, • smanjenjem štetnog uticaja na okolinu i • drugih postavljenih ciljeva.

Država koristi sledeće instrumente za intervenciju sprovoñenja usvojene energetske politike i to putem:



|25|

1. Zakonodavne regulative 2. Poreske politike 3. Sistema subvencija 4. Dotacija 5. Kredita 6. Edukacija stučnjaka 7. Informisanja javnosti 8. Drugim aktivnostima

3.6. Prioriteti u razvoju energetike u zemljama u tranziciji Zemlje u tranziciji prolaze kroz težak period u razvoju privrede. Sve zemlje teže profitabilonom tržišnom poslovanju. Za Srbiju je značajno na energetskom planu usklañivanje sa energetskom politikom Jugoistočne Evrope. Sličnosti energetske situacije Centralne i Istočne Evrope:

• Niska energetska efikasnost sektora proizvodnje prenosa i distribucije električne energije

• Visoka energetska intenzivnost na potrošačkom nivou • Neodgovarajuće cene energenata • Nizak nivo ponude zbog tehničkih i komercijalnih razloga • Zavisnost od upotrebe uglja u proizvodnji električne energije • Visok uticaj energetske proizvodnje i potrošnje na životnu sredinu

Ključna pitanja energetske politike se ogledaju kroz:

1. Donošenje odluka u neizvesnim situacijama – formiranje fleksibilnih strategija razvoja energetike da se država na nastale nove situacije može brzo prilagoditi

2. Promena tržišta- Zasnivaju se na dogovorima glavnih aktera koji vode ka boljoj proceni i eliminacije odrenenih rizika

3. Sigurnost – Sve vlade čak i one koje favorizuju pristup nemešanja, neophodno je da nadgledaju tržišta energije u pogledu njegove sigurnosti

4. Razlike u ceni nafte i prirodnog gasa – Urañena su različita studijska scenarija koja predviñaju ove promene.

5. Odnos cene prirodnog gasa i električne energije 6. Troškovi proizvodnje 7. Cena energije za proizvoñače 8. Tržišna konkurencija 9. Uloga energetskih kompanija

Značajne promene koje su se kroz istoriju dešavaju na svetskom tržištu energije uslovile su potrebu za intenzivnim proučavanjem veka trajanja raspoloživih energetskih rezervi. Intenzivnim istraživanjem energetskih potencijala i razvojem novih tehnologija korišćenja energije ublažena su strahovanja o skoroj iscrpljenosti konvencijalnih energetskih sredstava. Još uvek je brži rast novopronañenih rezervi nego što je potrošnja.



|26|

3.7. Prioriteti energetskog razvoja kroz faze I FAZA

• Definisanje energetske politike kompanije i institucionalna organizacija • Energetska strategija • Separacija u odgovornosti Vlade - Politikom se bavi ministarstvo za rudarstvo i

energetiku, regulacijom se bave nezavisne regulatorne agencije, energetskim uslugama nezavisne energetske kompanije

• Definisanje odgovornosti organizacija i koordinacija nacionalnih i meñunarodnih kompanija

II FAZA

• Stabilan i efikasan regulatorni okvir • Definisanje i usvajanje zakona o energetici (licence, cene, kontrola usluga) • Utvrñivanje politike cena (nova tarifna struktura)

III FAZA

• Restruktuiranje energetskih kompanija • Prilagoñavanje ponude efektivnoj tražnji • Reorganizacija postojećih kapaciteta • Dogradnja prenosne i distributivne mreže • Komercijalizacija energetskih kompanija • Demonopolizacija

IV FAZA

• Povećanje energetske sigurnosti • Diverzifikacija energetskih izvora • Uključivanje obnovljivih energetskih izvora • Diverzifikacija uvoznih izvora

V FAZA

• Razvoj energetske efikasnosti i zaštite životne sredine • Implementacija programa za racionalano korišćenje energije • Načini smanjenja emisije CO2 iz energetike i njen uticaj na životnu sredinu

VI FAZA

• Tranzicioni izvodi • Socijalna zaštita i programi

VII FAZA

• Razvoj regionalne kooperacije 3.8. Energetska snabdevenost Energetska snabdevenost je važna pretpostavka privrednog i društvenog razvoja države. Bazira se na makismalnom zadovoljenju potreba za energijom iz sopstvenih izvora. Važno je instalirati najpovoljnije transportne i transmisione sisteme.



|27|

3.9. Energetska zavisnost Jedan od osnovnih ciljeva energetske politike je da se smanji uvozna zavisnost zemlje. To se može postići:

• Efikasnijim procesom iskorišćenja raspoloživih energetskih izvora (revitalizacija i rekonstrukcija postojećih kapaciteta)

• Smanjenje gubitaka u transportu/transmisiji • Smanjenjem potrošnje finalne energije na nacinalnom nivou • Upotrebom novih izvora energije

3.10. Uvoz i izvoz energije Mora se konstantno pratiti uvozna energetska zavisnost jedne zemlje po svom sadžaju (strukturi), obimu i vremenskoj učestalosti. Uvoz i izvoz energije predstavljaju veoma važne stavke energetskog bilansa svake zemlje. 3.11. Energetska politika u Srbiji Politiku razvoja energetike odnosno njenu strategiju u Srbiji utvrñuje Vlada RS. Energetska politika treba da utvrñuje uslove i načine ostvarivanja politike razvoja pojedinih delatnosti. Propisuje način usklañivanja izgradnje energetskih objekata. Odreñuje nacionalne prioritete razvoja. Ima zadatak da obezbedi podsticajne mere za finansijska ulaganja u izgadnju objekata koji koriste obnovljive izvore energije, kao i za racionalno korišćenje energije. 3.11.1. Energetska zavisnost Srbije Naša energetika se u značajnoj meri oslanja na uvozna goriva. Energetska zavisnost Srbije je odreñena:

• Nepovoljnom strukturom energetskih resursa • Nerazvijenošću kapaciteta • Nedovoljnim investicionim ulaganjima • Niskim cenama

Neophodne mere za razvoj energetskog sektora Srbije su sledeće:

• U oblasti kadrova i naučnoistaživačkog rada • U oblasti zakonske regulative • U oblasti organizacije i sistema rada (rekonstrukcija, revitalizacija....) • Restruktuiranje energetskog sistema • Privatizacija energetskog sistema

U skladu sa definisanom Strategijom Ministarstvo utvrñuje program njenog ostvarivanja. Tim programom se utvrñuje sledeće:

• Uslovi, načini i rokovi za ostvarivanje planiranih aktivnosti • Za svaki sektor se predlažu mere koje se tiču rekonstrukcije, izgradnje objekata i/ili

racionalnog korišćenja energije • Za svaki analizirani sektor se prikazuje prognozirana potrošnja energije kao i

predviñena ušteda koja se postiže primenom predloženih mera



|28|

• Realizacija prioriteta razvoja energetike do 2012. godine u Srbiji vodi ka stabilnosti u sferi energetike, ali doprinosi i uspostavljanju ukupne stabilnosti i održivog i stabilnog ekonomskog razvoja.

Priroriteti razvoja energetike u Republici Srbiji do 2012. godine su:

1. Poboljšanje tehnoloških i operativnih performansi energetskih objekata 2. Povećanje energetske efikasnosti 3. Osnivanje fond za energetsku efikasnost 4. Korišćenje obnovljivih izvora energije 5. Gradnja novih kapitalno intenzivnih energetskih kapaciteta

Ministarstvo donosi i Program efikasnog korišćenja energije kojim se utvrñuju:

1. Mere za podsticanje racionalnog korišćenja energije 2. Standardi za ocenu efikasnosti proizvodnje energije i njenog korišćenja 3. Mere za podsticanje ostvarivanja razvojnih planova koji se zasnivaju na korišćenju

obnovljivih energetskih izvora i uštedi energije 4. Uspostavljanja sistema obuke 5. Informisanje korisnika energije sa merama za njeno efikasno korišćenje 6. Mere za zaštitu životne sredine iz oblasti energetike

3.12. Energetska postrojenja u industriji 3.12.1. Energetski sistemi u industriji

Energetski sistem u industriji se formira na osnovu sledećeg:

• Energetski sistem same fabrike se formira na osnovu potreba procesa proizvodnje. • Proces odreñuje neophodne vrste energenata. • Zahtevi procesa odreñuju i snagu energetskog sistema. • Pokretačko gorivo se bira u zavisnosti od raspoloživosti, tipa proizvodnje....

U industriji može da se koristi kombinacija neke od navedenih vrsta energenata:

• Električna energija • Toplotna energija (para ili topla voda) • Komprimovan vazduh • Rashladna energija (7/12 0C, 34 0C) • Neko gorivo direktno u samom procesu • Voda

Energetski sistem preduzeća:

• Proizvodi energiju da zadovolji sopstvene potrebe (ima izuzetaka) • Treba da obezbedi nesmetan rad i proces u svim segmentima rada u preduzeću • On ima zadatak da podmiri potrebe ne samo procesa proizvodnje nego i klimatizaciju

radnih prostorija i slično te da omogući kontuinualan rad.

Energetski sistem u industriji može da obuhvata: • Postrojenje za dobijanje toplotne energije (pare i vruće vode) • Kombinovano postrojenje za dobijanje električne i toplotne energije (kogeneracija) • Postrojenje za komprimovani vazduh • Transformatore električne energije



|29|

• Rashladne mašine • Potrošače iz procesa koji direktno koriste energent u svom pogonu, pumpne stanice i

elektro motori • Sistem osvetljenja

Energetski sistem ubraja i:

• Parovode • Rashladne kule • Elektro vodovi • Vodovod • Razvod komprimovanog vazduha • Ventile • Odvajače kondenzata...

3.12.2. Električna energija u industriji

Električna energija u industriji može da se koristi za:

• Pogon elektro motora i pumpi • Pogon mašina na električnu energiju (u procesu, mehaničkih čilera, ...) • Osvetljenje • Za kancelarijske poslove • Pripremu tople sanitarne vode • Grejanje/hlañenje...

3.12.3. Kotlovsko postrojenje

Kotao je postrojenje koje konvertuje hemijsku energiju pogonskog goriva u korisnu

toplotu. Kao radni fluid najčešće se koristi voda. Osim vode se mogu koristiti i druge materije, hemijska jedinjenja i razna termička ulja otporna na visoke temperature. Kako se najčešće koristi voda kao radni fluid, osnovna korisna toplota koja se dobija iz kotla: para ili topla voda. Mogu biti na:

• Prirodni gas • Ugalj • Mazut • Biomasa • Električna energija (retko u industriji)

Klasifikacija kotlova prema nameni:

• Energetski kotolovi ili genenratori pare uglavno u termoelektranama. Oni su najveći po jediničnoj snazi, a po ukupnoj instalisanoj snazi nadmašuju ukupnu snagu ostalih kotlova.

• Industrijski kotlovi služe za snabdevanje raznih industrijskih tehnoloških procesa parom.

• Toplifikacioni kotlovi snabdevaju parom ili vrelom vodom stambene zgrade, blokove ili čitava naselja, kao i industrijske i druge objekte u cilju grejanja, a često i obezbeñenja sanitarne tople vode.



|30|

• Kotlovi utilizatori namenjeni su za korišćenje otpadne toplotne nergije, potpuno ili delimično sagorelih produkata sagorevanja iz procesa u industriji, petrohemiji, crnoj i obojenoj metalurgiji i dr.

Kotao može biti: • Vrelovodni • Toplovodni kotao • Parni kotao

3.12.4. Turbine Turbine mogu biti:

• Parne turbine (kondenzacione i protiv pritisne) • Gasne turbine (zatvoren i otvoren ciklus) • Kombinovano postrojenje parne i gasne turbine

Industrijske turbine služe za istovremenu proizvodnju tehnološke pare ili korisne

toplote i električne energije ili mehaničke energije.

3.12.5. Parni sistem

Tipični parni sistem uključuje i sledeće podsisteme: • Kotlove/turbine • Parovodi (uključujući kontrolne ventile, izolaciju,...) • Krajnje korisnike pare (kontrolni sistem, izolacija,odvajač kondenzata ...) • Povrat kondenzata (cevovodi, rezervoari i pumpe, odvajač kondenzata)

Para i tolotna energija se u industriji koristi za:

• Pojedini procesi u proizvodnji isklučivo zahtevaju paru odreñenih karakteristika • Za blasnširanje • Kuvanje • Pasterizaciju, sterilizaciju • Grejanje

3.12.6. Komprimovan vazduh

Komprimovan vazduh se često koristi u industriji. Zapravo oko 70% od svih

preduzeća koriste komprimovan vazduh u nekim aspektima svog rada. On se proizvodi na licu mesta (u okviru fabrike).

Komprimovan vazduh se u industriji koristi za:

• Za pogon mašina (pokretanje klipova,...) • Za pakovanje (folijom,...) • Za rad pneumatskih ureñaja • Pasterizacija (za pokretanje komandi,..) • Lepljenje nalepnica ....



|31|

3.12.7. Rashladni sistem

Rashladni sistem je kombinacija komponenti, opreme, cevovoda povezanih tako da

proizvode rashladni učinak.

Rashladna energija različite temperature se koristi za: • Zamrzavanje robe • Hlañenje proizvoda • Klimatizaciju prostorija

Rashladni sistemi se mogu podeliti u dve grupe prema zadatim temperaturama:

1. Od +10 do 0 0C. 2. Od 0 do -40 0C

Rashladni sistem obezbeñuje hlañenje u industrijskim procesima uključujući i

klimatizaciju vazduha. Ovi sistemi se dele u dve kategorije:

1. Parna kompresiona rashladna mašina - često se nazivaju mehanički sistemi. Njihove

kompresore uglavnom pokreću elektro motori, a retko gasni motori, gasne ili parne turbine.

2. Apsorpcioni sistemi - Rashladni učinak je dobijen koristeći toplotnu energiju (direktno sagorevanje fosilnih goriva ili korišćenje otpadne toplote)

Raspoložive apsorbcione rashladne mašine u kombinaciji sa CHP sistemom za pogon mogu da koriste:

• Paru, • Toplu vodu ili • Izduvne gasove.

3.12.8. Kogeneracija

Osnovu procesa kombinovane proizvodnje toplotne i električne energije čini

jedinstven termodinamički proces uz korišćenje samo jednog pogonskog goriva odnosno korišćenje otpadne toplote koja se stvara kada se generiše električna energija u cilju stvaranja tople vode i pare. Para ili topla voda mogu se koristiti u tehnološkim procesima, za grejanje prostora, u spravljanju tople potrošne vode ili za pogon rashladnih mašina pri kondicioniranju (hlañenju)vazduha.

U litetraturi se za kombinovanu proizvodnju električne i toplotne energije često

nailazi na termin kogeneracija ili CHP. Akronim CCHP naglašava da se radi o kombinovanoj proizvodnji električne, toplotne i rashladne energije, sa obzirom na činjenicu da uz CHP sistem osim proizvodnje električne i toplotne energije može ili ne da se koristi dobijena toplota za proizvodnju rashladne energije.

CHP postrojenja imaju svoju primenu u industriji i zgradarstvu:



|32|

A. INDUSTRIJA

1. Hemijska i farmaceutska 2. Industrija papira 3. Grañevinski materijal, keramika i cement 4. Pivare 5. Prehrambena industrija i šećerane 6. Tekstilna industrija 7. Rafinerije nafte 8. Železare, obojeni metali 9. Livnice 10. Drvna industrija 11. Metalska industrija 12. Staklene bašte i hortikultura

B. ZGRADARSTVO

1. Centralno grejanje 2. Hoteli i restorani 3. Bolnice 4. Sportski centri i bazen 5. Univerziteti i škole 6. Tržni centri 7. Poslovne i upravne zgrade 8. Aerodromi 9. Individualne kuće



|33|

4. ELEKTRANE

4.1. Termoelektrane

Termoelektrane su energetska postrojenja koje energiju dobijaju sagorevanjem goriva, a glavna primena i svrha termoenergetskih postrojenja je proizvodnja pare koja će pokretati turbinu, a potom i generator električne energije.

Tehničko pretvaranje toplotne energije u mehaničku energiju, a potom u električnu energiju, odvija se u termoelektranama na ugalj.

S obzirom na pogonski sistem, termolektrane se mogu podeliti na:

• parne termoelektrane • gasne termoelektrane • dizel termoelektrane.

U parnim termoelektranama mogu se koristiti: ugalj, tečna i gasovita goriva, u gasnim

termoelktranama tečna i gasovita goriva, a u dizel termoelektranama dolazi u obzir samo tečno goriva.

Najveći broj velikih termoelektrana je s parnim pogonom, kod kojih se, uglavnom, koriste parne turbine neposredno spojene sa generatorom (turbogenerator). U ovim elektranama toplota dobijena sagorevanjem goriva predaje se vodenoj pari koja u parnim turbinama proizvodi mehaničku energiju, a koja se u generatoru pretvara u električnu energiju.

U gasnim elektranama se mehanička energija pretvara u električnu pomoću gasnih

motora. Postrojenja za proizvodnju pare i vrele vode, nazivaju se toplanama, a postrojenja za

kombinovanu proizvodnju električne energije, pare i vrele vode, nazivaju se termoelektranama-toplanama. Postoje javne i industrijske toplane, tj. termoelektrane-toplane.

Hemijska energija sadržana u gorivu najčešće se pretvara u unutrašnju toplotnu

energiju. Proces pretvaranja hemijske energije u unutrašnju toplotnu energiju naziva se sagorevanje, što je u stvari, izmena materije u kojoj se hemijska energija sadržana u gorivu pretvara u toplotnu energiju. U procesu sagorevanja goriva razvija se toplota, te pri tome u zavisnosti od hemijskog sastava goriva i uslova sagorevanja nastaju gasovi sagorevanja kao produkti sagorevanja. ti gasovi predstavljaju smešu produkata sagorevanja odnosno:

• ugljendioksid (CO2) koji nastaje potpunim sagorevanjem ugljenika (C); • ugljenmonoksid (CO) koji nastaje nepotpunim sagorevanjem ugljenika (C); • sumpornog dioksida (SO2) koji nastaje sagorevanjem sumpora; • sumpornog trioksida (SO3) koji nastaje oksidacijom sumpornog dioksida (SO2); • azota (N2) iz goriva i vazduha koji se dovodi u ložište (azot ne učestvuje u procesu

sagorevanja, ali povećava ukupnu količinu gasova sagoravanja); • azotnih oksida (NOx) koji nastaju pri specifičnim uslovima; • kiseonika (O2) preostalog u gasovima sagorevanja usled dovoda vazduha u ložište

iznad stehiometrijskih odnosa sagorevanja



|34|

• vodene pare (H2O) koja nastaje ispravanjem vode sadržane u gorivu i sagorevanjem vodonika.

4.1.1. Princip rada termoelektrane

Proces rada termoelektrane se sastoji od sledećih operacija: • snabdevanje gorivom (ugljem, naftom, gasom), • parni kotao, • mehanički deo i • delovi za odvoñenje toplote i gasova.

U našim uslovima su najčešće termoelektrane na ugalj. Šematski prikaz

termoelektrane na ugalj dat je na Slici 4.1. U ložištu sagoreva gorivo (ugalj, nafta, gas) i proizvodi se toplotna energija koja zagreva kotao. Radi boljeg sagorevanja koriste se ventilatori koji ubacuju kiseonik u ložište. Zagrevanjem vode u kotlu dobijamo vodenu paru koja se koristi za pokretanje turbine. Za pokretanje turbine potrebna je potpuno suva vodena para, pa se za njeno sušenje koristi pregrejač pare. Tako osušena para prenosi se u parnu turbinu, koja pokreće generator, koji na svom izlazu daje električnu struju.

Slika 4.1. Termoelektrana na ugalj

Konkretno kod termoelektrana na ugalj, pri sagorevanju uglja nastaju gasovi koji iz

ložišta kotla preko cevovoda u kotlu odlaze u dimnjak i okolnu atmosferu. U parnom kotlu se proizvodi para koja se u pregrejačima pare pregreva na

temperaturu 500-600°C i pod pritiskom od 90-100 bar. Nastala pregrejana para prolazi kroz parnu turbinu i ekspandira. Tu se toplotna energija pretvara u kinetičku energiju, koja pokreće rotor generatora. Para koja izlazi iz turbine dolazi u kondenzator, hladi se i pretvara u tečnost-vodu. Tako nastala voda dovodi se u kotao i ponovo se pretvara u paru. Gasovi iz ložišta kotla idu u filtere koji su smešteni ispod dimnjaka i kroz njih odlaze u atmosferu.

Elektrane na ugalj imaju stepen delovanja dobijanja pare iznad 40%. elektrane se

grade u blokovima (osnovna proizvodna jedinica elektroprivrede u savremenim termoelektranama; blok se sastoji od jednog postrojenja za proizvodnju pare, jedne



|35|

kondenzacijske turbine, električnog generatora i transformatorskog postrojenja), snage do 4000 MW, gde je svaki blok snage 600-700 MW. U ureñajima za registrovaanje štetnih izlaznih gasova registruje se sadržaj CO, CO2, SO2, NO i NO2. 4.1.2. Kogeneracija

Toplane (TO), kao što je gore već pomenuto, predstavljaju centralizovana postrojenja za dobijanje tople vode kao potrošne vode i vode za grejanje, i tehnološke procese iz energije goriva. Često se zbog boljeg iskorišćenja energije, grade termoelektane – toplane (TE-TO).

Kogeneracija je termin koji se primenjuje za sisteme koji proizvode i električnu energiju kao i korisnu energiju iz goriva koje sagoreva. Znači, proces kogeneracije predstavlja kombinovanu proizvodnju električne (ili mehaničke) i korisne toplotne energije iz istog primarnog izvora energije. Iz iste količine goriva dobija se, pored električne energije, još i dodatna toplotna energija, što omogućava podizanje stepena iskorišcenja hemijske energije goriva.

Sagorevanjem fosilnog goriva nastaje velika količina toplote niskog potencijala (tj. niske temperature), koja se mora odvesti rashladnim sistemom (toplotni gubici u procesu transformacije hemijske energije u mehanički rad). Ovu energiju je pogodno iskoristiti za zagrevanje tople vode, za grejanje stanova i u slične svrhe. Tako se istovremeno proizvodi i električna energija, a otpadna toplota se koristi za druge namene i korisna je.

Inicijativa za kogeneraciju je prvenstveno finansijske prirode jer cena snabdevanja

električnom energijom uz istovremenu proizvodnju toplotne energije je znatno niža nego da se proizvodnja realizuje odvojeno. Takoñe je i potrošnja goriva smanjena u slučaju istovremene proizvodnje kao i uticaj na okolinu u neposrednoj blizini postrojenja.

Odvojena proizvodnja električne i toplotne energije

Ukupna efikasnost:

η = �� 0,58

Kogeneracija

Ukupna efikasnost:

η = �� 0,85

Slika 4.2. Prikaz energetske efikasnosti kod odvojene proizvodnje električne i toplotne energije i kod primene sistema kogeneracije

Termoelektrana

Gorivo

100%

El. energija

36

Kotao

Gorivo Toplota

100% 80

Sistem sa primenom

kogeneracije Gorivo

100%

El. energija

30

Toplota

55



|36|

Značaj korišćenja kogeneracije za životnu sredinu je sledeći:

• Prednosti kombinovane proizvodnje toplote i električne energije potiču od efikasnijeg iskorišćenja toplotnog potencijala goriva, koje za posledicu ima redukciju emisije aeropolutanata SO2, NOx i CO2.

• Kogeneracija troši 15-20% manje primarne energije za dobijanje iste količine korisne energije, u odnosu na najmodernija postrojenja za odvojeno dobijanje toplotne i električne energije i naravno ekvivalentno doprinosi redukciji štetnih emisija u životnu sredinu.

• Kada se kogeneracija kombinuje sa prelaskom na ekološki prihvatljivija goriva, odnosno sa uglja na prirodni gas, ova zamena goriva pokazuje još veći doprinos očuvanju životne sredine.

4.1.3. Stanje u Srbiji

Termoenergetske kapacitete Elektroprivrede Srbije čini osam termoelektrana (TE): sa 25 blokova ukupne instalisane snage 5171MW, koje kao pogonsko gorivo koriste lignit, kao i tri termoelektrane-toplane (TE-TO) sa 6 blokova ukupne snage 425 MW, koje rade na tečna i gasovita goriva. Ovi termokapaciteti, proizvode oko 69% ukupne električne energije u Srbiji. JP TE "Nikola Tesla"

JP TE "Nikola Tesla" čine 36% ukupne snage elektroenergetskog sistema Srbije. TE "Nikola Tesla" A i TE "Nikola Tesla" B godišnje u proseku proizvedu 16 milijardi kWh električne energije, što je oko 47% ukupne proizvodnje Elektroprivrede Srbije.

TE "Nikola Tesla" kao gorivo koriste kolubarski lignit. Od prijemnih mesta u rudniku

do termoelektrana, ugalj se transportuje specijalnim železnickim kompozicijama, sopstvenom industrijskom elektrificiranom prugom normalnog koloseka dužine oko 30 km. Vozni železnički park je predviñen za dopremanje ukupno 37 miliona tona uglja godišnje. JP TE “Kostolac”

JP TE Kostolac čine dve proizvodne celine: TE "Kostolac A" sa blokovima od 90 i 191 MW i TE "Kostolac B" sa dva bloka od po 320 MW. Po snazi, kostolačke termoelektrane su četvrti energetski kapacitet u Srbiji koji dnevno proizvede i do 20 miliona kWh električne energije. To podrazumeva dnevnu potrošnju od oko 25.000 tona lignita koji se proizvodi na površinskim kopovima "Širkovac" i "Drmno".

Kostolačke termoelektrane godišnjom proizvodnjom od oko četiri milijarde kWh,

podmiruju oko 12% ukupne potrošnje električne energije u Srbiji. Pored električne energije, TE "Kostolac A" proizvodi i toplotnu energiju za grejanje gradova Kostolca i Požarevca.



|37|

JP “Panonske elektrane”

Sedište JP "Panonske elektrane" je u Novom Sadu, a u njegovom sastavu rade tri TE-TO (TE-TO Zrenjanin, TE-TO Sremska Mitrovica i TE-TO Novi Sad) ukupne istalisane snage 353 MW.

U sastavu TE-TO Zrenjanin nalazi se i bivša energana IPK Servo Mihalj, izgrañena 1952 godine i obnovljena u periodu 1971-1978 godine, udaljena oko 1 km od glavnog pogonskog objekta TE-TO Zrenjanin, ima okupno 5 kotlova manjih kapaciteta od 12 do 75 t/h i 4 turbine od 2,5 do 8,5 MW, ukupne snage 25 MW. TE-TO Zrenjanin kao gorivo koristi prirodni gas i mazut sa sadržajem sumpora do 3%.

TE-TO Sremska Mitrovica kao gorivo koristi prirodni gas i mazut sa sadržajem

sumpora do 3%. Rashladna voda obezbeñuje se iz reke Sava. U poslednjih nekoliko godina, TE-TO Sremska Mitrovica ima veoma malu i nedovoljno kontinualnu proizvodnju tehnološke pare, obzirom na veoma smanjene zahteve za potrebom tehnološke pare od strane tehnoloških potrošača, fabrike „Matroz“ i Šećerane, koje se nalaze u procesu tranzicije i praktično ne rade sa dve toplifikacione turbine snage 6 i 12 MW, izgrañene 1961 i 1963 godine, sa preko 180.000 sati.

TE-TO "Novi Sad" snage 208 MW je energetski objekat za kombinovanu proizvodnju električne energije, tehnološke pare i toplotne energije. Snabdevanje prirodnim gasom omogućeno je priključkom na magsitralni gasovod, mazut se doprema mazutovodom, dok blizina Dunava omogućava relativno lako snabdevanje ove termoelektrane-toplane potrebnim količinama rashladne vode. Kao što je već rečeno, TE-TO Novi Sad kao gorivo koristi prirodni gas i mazut. U pojedinim isporukama, sadržaj sumpora u mazutu je i do 3%. U elektrani postoji postrojenje za obradu zamazućenih i zauljenih voda koje je u funkciji. 4.1.4. Uticaj termoelektrana na životnu sredinu

Termoelektrane u procesu proizvodnje električne energije stvaraju ogromne količine otpadnih materijala, koji završavaju u okolini, čime dolazi do sve veće zagañenosti. To je naročito izraženo kod termoelektrana sa lošim kvalitetom uglja (lignita) koji se najviše troši u termoelektranama lociranim na samim kopovima uglja ili njihovoj neposrednoj blizini. Osim toga u termodinamičkom ciklusu termoelektrane gubi se oko 50% osloboñene toplotne energije iz uglja kao otpadna toplota zagrevajući vodu u rekama, jezerima, morima i vazduh, a oko 15% energije gubi se u dimnim gasovima, tako da se u električnu energiju pretvara samo oko trećina dovedene energije.

Na slici 4.3., dat je šematski prikaz termoelektrane na ugalj i uticaja na okolinu.



|38|

Slika 4.3. Uticaj na okolinu termoelektrane na ugalj

Uticaji termoelektrana na ugalj na okolinu su višestruki, intenzivni i uglavnom

nepovoljni za ekološki sistem. Oni potiču od potencijalnog zagañivanja vazduha, vode i zemljišta, u okolini lokacije ispuštanja otpadne toplote, narušavanja prirodne ravnoteže i zvučnih uticaja. Emisija štetnih materija iz termoelektrana obuhvata dimne gasove, prašinu, šljaku, pepeo i otpadne vode. Šematski prikaz uticaja termoelektrana na okolinu je dat na slici 4.4.

Slika 4.4. Šematski prikaz štetnog uticaja termoelektrana



|39|

Aerozagañenje

Emisija gasovitih produkata iz dimnjaka termoelektrana je direktno zavisna od kvaliteta i količine sagorelog uglja. Termoelektrane koje koriste domaće lignite ispuštaju približno 1,6 Nm3 dimnih gasova po jednom megavatu električne snage. Dimni gasovi sadrže: čañ, pepeo, okside ugljenika, sumpora i neke druge sastojke. Najštetniji je sumpordioksid (SO2) u koji se pretvara skoro sav sagorivi sumpor iz goriva, dok se u sumpor-monoksid (SO) pretvara samo 3% sumpora.

Sumporni oksidi utiču štetno na čoveka, floru i faunu, a takoñe i na materijale

(ubrzavaju koroziju). Na čoveka je posebno štetna kombinacija sumpornih oksida sa dimom i vlagom poznata kao smog »londonskog tipa«, koji se javlja naročito pri nepogodnoj konfiguraciji terena i u specifičnim meteorološkim situacijama. Disperzija ovih zagañivača u atmosferi zavisi od me-teoroloških uslova, visine dimnjaka i kinetičke energije gasova na izlazu iz dimnjaka. Pri jako nestabilnim meteorološkim uslovima i inverziji javljaju se najveće koncentracije zagañivača na relativno malom rastojanju (1-2 km) od elektrane.

Uklanjanje sumpordioksida iz atmosfere je složen proces oksidacije. Mehanizam

nastajanja atmosferskih sulfata još nije dovoljno proučen. Jedan od najznačajnijih puteva oksidacije SO2 je rastvaranje u kapljicama vode. U atmosferi su to oblaci, magla i dim u kojima se sumpordioksid (SO2) u prisustvu kiseonika oksiduje do sulfata. Ovaj proces je spor, ali se kod nepotpunog sagorevanja javlja čañ koja je vrlo efikasan katalizator u procesu nastajanja sulfata. Pored ovoga moguća je i heterogena oksidacija na površini čvrste faze. Taloženje sumpordioksida i sulfata na površini zemlje zavisi od brzine i vrste vegetacije i veća je za šumsko područje. Ustanovljeno je da atmosferski sulfati imaju često štetniji uticaj na životnu okolinu i zdravlje od sumpordioksida, a takoñe smanjuju i vidljivost i utiču na promenu klime.

Oksidi azota (NOX) nastaju sagorevanjem lignita u parnim kotlovima na visokim

temperaturama (iznad 1500°C) kada se azot sadržan u lignitu ne ponaša kao inertan gas već reaguje sa kiseonikom. U savremenim kotlovima na lignit nastaje oko 3,4 g/kWh azotnih oksida od čega na NO2 otpada oko 1,9 g/KWh. Meñutim da bi se održali, moraju se naglo ohladiti (što nije slučaj sa gasnim turbinama). Pošto ovaj uslov u kotlovima termoelektrana nije u potpunosti ispunjen, to su realne opasnosti od azotnih oksida manje nego kod sumpornih oksida.

Oksidi ugljenika se, takoñe, javljaju u dimnim gasovima iz termoelektrana.

Ugljenmonoksid (CO) je proizvod nepotpunog sagorevanja lignita i mogu se očekivati količine od oko 0,1 g/kWh. Ugljendioksid (CO2) nastaje u mnogo većim količinama i utiče na okolinu indirektno, preko promene klime. Izbacivanjem ugljendioksida menja se njegov ravnotežni sadržaj u atmosferi, a fizičkim svojstvima smesa, CO2 i aerosola, menja se i toplotna akumulacija atmosfere, što će u dugoročnom periodu izazvati porast prosečne temperature vazduha i poremetiti ravnotežu izmeñu atmosfere i hidrosfere s neželjenim posledicama na promenu klime širih razmera.



|40|

Zagañenje okoline česticama

Emisija čestica pri radu termoelektrana potiče od ložišta kotla, deponije uglja i deponije šljake i pepela. Dok se čestični zagañivači sa deponije raznose vetrom na ograničena rastojanja u okolinu njihovih lokacija, dotle oni izbačeni kroz dimnjak mogu dospeti na znatno veće udaljenosti, zavisno od visine dimnjaka i parametara difuzije. Sagorevanjem lignita nastaju veće količine pepela koje se kreću oko 0,3-0,5 kg/kWh. Tako sa dimnim gasovima krene i oko 70 g/s pepela po jednom megavatu električne snage, što s obzirom na ukupne količine dimnih gasova iznosi oko 50 g pepela po Nm3.

Pre ispuštanja u dimnjak, gasovi sa letećim pepelom ulaze u elektrofiltere čija se

efikasnost kreće oko 99%, čime se značajno smanjuje koncentracija čestica koje se ispuštaju u atmosferu. Projektovanje elektrofiltera i njihova primena je značajna sa stanovišta zaštite stanja, koja mogu biti prouzrokovana ispadima pojedinih sekcija elektrofiltara, mogu da izazovu povećanje taloženja letećeg pepela više desetina puta i da daleko premaše dozvoljene granice. Iz tog razloga održavanje elektrofiltera predstavlja najznačajniji zadatak za očuvanje životne sredine. Zagañenje površinskih i podzemnih voda

Zagadenje voda štetnim produktima iz termoelektrana nastaje kao rezultat ispuštanja otpadnih voda, kao i dejstvom atmosferskih voda na deponiji uglja i pepela.

Otpadne vode mogu biti hemijski zagañene, zauljene, fekalne i kišne. U zavisnosti od

klase vodotoka vrši se odgovarajuće prečišćavanje i neutralizacija otpadnih voda pre ispuštanja u recipijent. Tom prilikom se uzimaju u obzir i značajne količine otpadnih voda, koje nastaju kao rezultat povremenog ispiranja i pražnjenja pojedinih ureñaja termoelektrane. Zagañenju površinskih voda treba posvetiti odgovarajuću pažnju, jer može da doñe do posrednog zagañenja izvorišta voda u području nizvodno od lokacije termoelektrane.

Zagañenje voda koje potiče od deponija uglja, šljake i pepela i otpadnog mulja uzrokovano je rastvaranjem sulfata, bikarbonata i drugih neorganskih i organskih materija pod uticajem atmosferskih voda.

Atmosferske vode otiču delimično u površinske vode, a delimično prodiru pod zemlju

gde zagañuju podzemne vode. Merenja uticaja na podzemne vode su neophodna kako bi se sprečile neželjene posledice na okolno stanovništvo i životinje, nastale upotrebom bunarskih voda. Ispuštanje otpadne toplote

Primenom sagorevanja lignita u termoelektranama se iskoristi oko 35% (savremene TE i do 40% energije), koja se pretvara u električnu energiju. Ostatak se ispušta u okolinu i to: 15% se izgubi preko rashladne vode. Ovako velika količina otpadne toplote predstavlja termičko opterećenje okoline. U zavisnosti od raspoloživog rashladnog medija ima više načina predaje toplote okolini. Najčešće se uštede goriva (najbolji stepen efikasnosti pretvaranja energija) dobijaju ako je rashladni sistem sa protočnim hlañenjem, pri čemu se otpadna toplota ispušta u reku. U našim uslovima potencijal vodotoka da primi otpadnu toplotu nije veliki, te se izgradnja termoelektrana mora prvenstveno orijentisati na povratno hlañenje.



|41|

S obzirom na udaljenost ugljenih bazena od velikih vodenih tokova, najčešće

primenjivani način odvajanja otpadne toplote je preko rashladnih tornjeva, pri čemu se koristi latentna toplota vode za hlañenje rashladne vode. Otpadna toplota iz termoelektrana, odvedena rashladnom vodom, u reku, u jezero ili more (protočno hlañenje) predstavlja značajno opterećenje okoline. U slučaju protočnog hlañenja posle mešanja sa rashladnom vodom znatno raste temperatura vode u reci. Na taj način dolazi do uticaja kako na fizičko-hemijske karakteristike vode, tako i na poremećaj ekološke ravnoteže u reci. Poznato je da se porastom temperature smanjuje količina rastvorenog kiseonika koji reguliše i održavanje ekološkog lanca i proces razlaganja. Otpadna toplota se u konačnom bilansu predaje atmosferi isparavanjem, konvekcijom i zračenjem. U moru usled velikog toplotnog kapaciteta ovaj porast temperature je zanemarljiv.

Jedna termoelektrana snage 1.000 MW za godinu dana potroši oko 2,5 miliona tona uglja i proizvede osam miliona tona ugljen-dioksida, 40 miliona tona sumpor-dioksida, šest miliona tona prašine i pola miliona tona letećeg pepela.

Svake godine na svaki hektar u krugu poluprečnika od 100 kilometara oko Termoelektrane "Nikola Tesla" pada po 326 kilograma sumporne kiseline. Svetski naučni eksperti smatraju da već 30 kilograma sumporne kiseline po jednom hektaru godišnje vodi u ekološku katastrofu te se onda u krugu poluprečnika od 100 kilometara oko TE Nikola Tesla odvija jedanaest ekoloških katastrofa istovremeno.

4.2. Hidroelektrane

Hidroenergija, odnosno energija vode, je izvor koji u osnovi nastaje padanjem vode,

odnosno transformacijama potencijalne energije vode u druge oblike energije. U poreñenju sa sagorevanjem fosilnih goriva, hidroenergija predstavlja po životnu sredinu bezbedan izvor energije, jer stvara malo zagañenje i uopšte ne emituje neke značajne polutante, kao što su ugljenikovi oksidi. Ona ipak ima svoje mane kao što su potencijalno oštećenje zemljišta, uništavanje naselja, erozija itd.

Korišćenje vodenih potencijala predstavlja značajn energetski kapacitet. Voda je

jedan od obnovljivih izvora energije. Energija vodotoka primjenjuje se već stotinama godina (vodeni točak, pogon čekića i dr.). Za razliku od uglja i drugih fosilnih goriva čije su rezerve ograničene, rezerve vode ža proizvodnju energije se, posmatrano globalno, ne iscrpljuju. To je pored ostalih razloga jedan od bitnih elemenata koji opredjeljuju da se što više angažuje hidroenergija kao jedan od načina očuvanja rezervi uglja.

Uvažavajući realnost da je najznačajniji energetski resurs - ugalj, limitiran količinski i

vremenski na nekoliko desetina godina, značaj proizvodnje hidroenergije, odnosno korištenja vodnih resursa, sa svim svojim uticajima dobijaće još naglašeniji značaj iz sledećih razloga:

• voda je obnovljiv resurs energije, što znači da se raspoložive rezerve vode za proizvodnju energije ne iscrpljuju, te, je to jedan od bitnih elemenata što se više angažuje hidroenergija za račun 'čuvanja rezervi uglja,

• većina drugih klasičnih izvora energije postaje sve skuplja, • proizvodnja energije na bazi drugih izvora uglavnom zahtijeva obezbjeñenje i

hidroenergije obezbjeñenjem vode za potrebe hlañenja, gašenja i transporta šljake, • nizak stepen iskorištenja uglja kod proizvodnje termoenergije, uvoñenje novih

metoda za transformaciju postojećih resursa (gasifikacija, likvefakcija uglja i dr.)



|42|

navode na potrebu da se rezerve uglja što racionalnije troše, što navodi na potrebe većeg vrednovanja hidroenergije,

• uticaj akumulacija izgrañenih za proizvodnju hidroenergije može da ima i značajne višenamjenske efekte, kako pozitivne tako i negativne.

Energetska postrojenja koja vrše transformaciju hidroenergije u električnu energiju

nazivaju se hidroelektrane. Tipična struktura hidroelektrane podrazumeva postojanje akumulacionog jezera, u kojem se sakuplja voda i koje se najčešće realizuje pregrañivanjem rečnih tokova. Iz akumulacionog jezera se voda pušta da, usled postojanja nagiba, pod uticajem gravitacione sile dolazi na turbine, koje uz pomoć generatora transformišu mehaničku energiju vode u električnu energiju.

Na slici 4.5. data je šema jedne tipične hidroelektrane.

Slika 4.5. Šematski prikaz jedne tipične hidroelektrane

Hidroelektrane obezbeñuju više od 20% električne energije, koja se potroši u svetu. Proizvodnja električne energije u hidroelektranama povećana je 14 puta od 1950., ali raspodela ovog izvora energije izmeñu različitih zemalja je vrlo neravnomerna. Hidroenergija obezbeñuje više od dve trećine ukupne proizvodnje električne energije u 35 zemalja sveta, a u Gani, Norveškoj i Zambiji, taj procenat je čak 90%. Zemlje u razvoju proizvode 37% od ukupne svetske hidro-električne energije. SAD i Kanada proizvode svaka po 13% od ukupne svetske proizvodnje električne energije u hidroelektranama.

U ostalim Zemljama ovaj način proizvodnje električne energije učestvuje u veoma

malom procentu. Tako, naprimer u Velikoj Britaniji ovaj procenat ne prelazi 2%. Procena je da je do sredine 1990.-tih oko četvrtina svetskih hidroenergetskih

potencijala iskorišćena. Vrlo je verovatno da rast proizvodnje električne energije u ovoj vrsti energetskih postrojenja neće biti značajan u budućnosti. Razlog tome je nepostojanje adekvatnih lokacija, odnosno posledica po životnu sredinu, koje bi izgradnja novih velikih



|43|

hidroelektrana mogla imati. Takoñe i veliki troškovi po jedinici proizvedene električne energije predstavljaju ograničavajući faktor. Izgradnja malih, lokalnih hidroelektrana imaće primat u budućnosti, zbog toga što su takva energetska postrojenja jeftinija, lakša za izgradnju, lakša za održavanje i bezbednija po životnu sredinu. 4.2.1. Tipovi hidroelektrana Zavisno od prirodnih uslova odnosno karakteristika kroz koje protiču vodotoci razvili su se i grade se različiti tipovi hidroelektrana kao: protočne i akumulacione.

Slika 4.6. Hidrocentrala sa niskim pritiskom

Korišćenje vodene energije se realizuje u hidroelektranama koje se sastoje od

osnovnog postrojenja koje proizvodi energiju, to su turbina i generator koji proizvodi elektroenergiju. Turbinu pokreće voda a potom se aktivira generator. Na slici 4.6. je prikazana hidrocentrala sa niskim pritiskom.

Kod protočnih sistema turbina je direktno postavljeno uz reku i delimično ili u

potpunosti koristi tok reke ili se stvaraju ustave, akumulacije, koje se štite ugradnjom brana, koje podižu nivo vode, čime se dobija odgovarajući pritisak vode ili se odvajaju mase vode betonskim kanalima. Osnovni cilj je da se dobije dovoljan pritisak vode na osnovu razlika dotoka i oticanja vode. Protočne hidroelektrane mogu biti:

• pribranska protočna hidroelektrana kod koje nema promene prirodnog režima vodotoka,

• pribranska protočna hidroelektrana s malim akumulacionim bazenom, gde se u osnovi ne menja prirodni režim vodotoka, s malim bazenom koji omogućava protok kod niskih nivoa vode,

• derivacione protočne hidroelektrane sa ili bez akumulacionog bazena kod kojih se u doba malih voda ostavlja deo korita bez vode,

• derivacione protočne hidroelektrane sa kanalom, gde se pad vode obezbeñuje izgradnjom deset ili više kilometara nasipa uzvodno od tačke koncentracije pada vode i isto toliko kanala nizvodno od iste tačke. Akumulacione hidroelektrane mogu biti: pribranske, derivacione i crpno-

akumulacione hidroelektrane. Kod ovih hidroelektrana je znatna promena režima voda. Zaustavljanjem vodenih talasa za vreme visokih nivoa vode u akumulacijama se štite



|44|

nizvodna naselja i poljoprivredne površine od poplava i omogućava bolje odvodnjavanje otpadnih voda iz naselja i industrije, a poboljšava se i vodosnabdevanje.

Protočne hidroelektrane su izvedene kao rečne sisteme za nagomilavahje vode -

akumulacije, ili kao stabilni kanali izgrañeni za elektrae sa nsikim pritiskom visine pada 20 metara. Akumulacija vode zavisi od dotoka a hidroelektrane su postavljene u dnu brane. Stvaranjem većih akumulacija grade se brane visine od 35 do 300 metara koje proizvode elektroenergiju i do 5000 MW. Na planinama se prave elektrane sa visokim pritiscima gde se voda iz planinskih jezera dovodi do turbinskog ureñaja. Kod ovih elektrana se koriste visinske razlike i do 1500 metara.

Kod hidroelektrana na crpno-akumulacioni pogon akumulacije vode se nadoknañuju

pumpanjem u vreme kada postoji nedostatak vode u prirodnoj akumulaciji.

4.2.2. Uticaj hidroelektrana na okolinu Uticaj protočnih hidroelektrana na okolinu u negativnom smislu je neznatan i različit

za razne tipove hidroelektrana. Kod pribranske protočne hidroelektrane, pošto nema promene prirodnog režima vodotoka, nema negativnih uticaja na okolinu. Postoji potencijalna opasnost da usled kvara dospeju u vodu izvesne količine transformatorskog ili turbinskog ulja.

Kod protočnih hidroelektrana sa akumulacionim bazenom, usled promene toka može

doći do erozivnog delovanja nizvodno od hidroelektrane. Za derivacione-protočne hidroelektrane je karakteristično da u vreme kada je instalirani protok veći od prirodnog korito ostaje suvo, što može dovesti do uginuća biološkog života u koritu.

Kod derivacionih hidroelektrana kanalnog tipa, gdje se koncentracija vodenog pada

od 10-20 metara može postići izgradnjom deset ili više kilometara nasipa, te je derivacija zapravo paralelno novo korito, pa se postiže sprečavanje pojave poplava. Povišeni nivo vode u bazenu izmeñu nasipa omogućava navodnjavanje poljoprivrednih površina, što predstavlja odreñeni doprinos. Meñutim, obično se javlja povišeni nivo podzemnih voda kao prateća negativna posledica.

Uticaj akumulacionih hidroelektrana, odnosno velikih brana i akumulacija na okolinu

je znatno veći od uticaja protočnih hidroelektrana. Izgradnjom hidroelektrana znatno se utiče na okolinu, a kompleksnost tih uticaja se

može sistematizirati sa: fizičkog aspekta, ekološkog aspekta, socijalnog i ekonomskog aspekta, aspekta sigurnosti, zdravlja ljudi i kulture života.

Fizički aspekt:

• promena režima protoka voda • promena kvaliteta vode • kvalitativna i kvantitativna promena podzemnih voda • erozija i urušavanje zemljišta na obalama jezera • taloženje nanosa • erozija korita nizvodno od brane • mogućnost seizmičkih efekata



|45|

Zbog punjenja i pražnjenja akumulacije dolazi do izvjesne erozije obala, a moguće je i urušavanje zemljišta. Opažanja su pokazala da se javlja seizmička aktivnost kao posledica izgradnje brana i akumulacija i da ta aktivnost nije u direktnom odnosu sa težinom akumulirane vode već sa visinom vodenog stuba.

U zoni akumulacije plave se naselja, obradiva zemlja, narušava se stabilnost obala, menja nivo podzemnih voda i sl.

Ekološki aspekt:

• uticaj na floru i faunu • uticaj na klimu

Izgradnjom hidroelektrana menja se hidrološki režim vodotoka i protoka, fizičko-

hemijska svojstva vode, što se odražava na floru i faunu. Postojanje velikih površina vode akumulacionih bazena utiče na promenu mikro

klime regiona, temperaturni režim vode i vazduha, povećava vlažnost vazduha i uzrokuje pojavu magle.

Socijalni i ekonomski aspekt:

• preseljavanje stanovništva • zapošljavanje • proizvodnja energije • potapanje zemljišta • uticaj na poljoprivredu • kontrola poplava • uticaj na vodosnabdevanje • turizam

Socijalne i ekonomske implikacije hidroelektrana su od posebnog značaja. Kao

negativne implikacije dolaze do izražaja potapanje značajnih površina obradivog i plodnog zemljišta, kao i ekonomski i socijalni problemi iseljavanja stanovništva sa ovih područja. Postoje i pozitivne implikacije od ekonomskih efekata proizvodnje električne energije, zatim eliminisanje poplava, oslobañaju se velike površine za poljoprivredu i turizam, kao i za zapošljavanje radne snage. Sigurnost i zdravlje ljudi:

• moguće izvorište i širenje bolesti • opasnost od rušenja brana

U pogledu sigurnosti života, zbog eventualnog rušenja brane i zdravlja ljudi, zbog

mogućnosti izvorišta bolesti, pažljivim projektovanjem i izgradnjom moguće je navedene probleme sasvim kontrolisati. Kulturni aspekt:

• uticaj na estetiku • mogućnost potapanja kulturnih spomenika i arheoloških nalazišta.



|46|

Izgradnja brana i akumulacija može delovati na estetski izgled i u jednom i u drugom smislu u pogledu uticaja na kulturu, jer postoji mogućnost potapanja kulturnih spomenika ili potrebe njihovog izmeštanja.

Pored svih pozitivnih uticaja hidroelektrana na okolinu ne mogu se zanemariti i negativni uticaji, te ostaje da se oni pažljivim studiranjem i projektovanjem eliminišu ili svedu u tolerantne granice.

Hidroelektrane čiji je udeo u proizvodnji električne energije u zemljama Evropske

Unije iznosio 16% u osamdesetim godinama, a 11% u 2000. godini, predstavljaju značajan izvor električne energije. Navedeni udeli hidroenergije iako opadaju zbog ograničenosti potencijala, predpostavljaju iskorišćenje hidropotencijala praktički u celini, jer tome u prilog idu sledeće činjenice:

• da sve više preostalih hidroelektrana za izgradnju postaju ekonomski opravdane zbog stalnog i znatnog porasta cena fosilnih goriva,

• da su hidroelektrane u odnosu na ostale elektrane - klasične termoelektrane na ugalj, naftu i gas i nuklearne elektrane u prednosti sa stanovišta zagañivanja okoline, odnosno one se ne mogu smatrati izazivačima destrukcije okoline. Imajući u vidu koristi koje se postižu izgradnjom brane i akumulacije, kao npr.

eliminisanje poplava i s tim u vezi mogućnost intenzivnije obrade poljoprivrednog zemljišta, mogućnosti navodnjavanja i povećanja prinosa, unapreñenje ili ograničavanje plovidbe, poboljšavanje uslova vodosnabdevanja, proizvodnje električne energije itd. sasvim je jasan i prihvaćen stav da se hidroelektrane trebaju graditi, uz tendenciju kompleksnog rešavanja višenamenskog karaktera svakog vodotoka na način da se korist, koja se može postići, razmatra i sa stanovišta zaštite okoline, sa težnjom ka optimumu u okviru šireg interesa društvene zajednice.


Departman za inženjerstvo zaštite životne sredine

4.3. Nuklearna postrojenja

4.3.1. Radioaktivni raspad Radioaktivni raspad je sluzračenja, u kojem verovatnoćjezgara već raspalo i koliko ć

vremena jednak proizvodu verovatno

Minus u gornjoj jednač

je negativna. Preureñenjem dobija se diferencijalna jedna

čijim rešavanjem (integraljenjem)

nalazimo

gde se numerička konstanta CN0:

Ovde je: • N0 početna vrednost N• λ pozitivna konstanta (

izvesno jezgro raspadne u Konkretno, postoji vreme

odnosno vreme za koje se raspadne polovina od poPERIOD POLURASPADA.

Smenjujući u formulu iznad, dobijamo:

okruženje


|47|

4.3. Nuklearna postrojenja

je slučajan proces deobe nuklearnog jezgra uz emisiju u kojem verovatnoća da će se jedno jezgro raspasti ne zavisi od toga koliko se

raspalo i koliko će ih se tek raspasti. Broj jezgara koja se raspadnu u jedinici

proizvodu verovatnoće da do raspada doñe λ i broja prisutn

Minus u gornjoj jednačini označava da broj jezgara tokom vremena opada, tj., brzina

enjem dobija se diferencijalna jednačina prvog reda:

ijim rešavanjem (integraljenjem)

C = eD. odreñuje iz početnog uslova da je pri

.

N-a (na t=0) pozitivna konstanta (konstanta raspada) koja označava kolika je verovatno

izvesno jezgro raspadne u jedinici vremena.

takvo da:

odnosno vreme za koje se raspadne polovina od početnog broja jezgara. Ovo vreme se naziva

i u formulu iznad, dobijamo:

kih nauka

deobe nuklearnog jezgra uz emisiju čestica ili e se jedno jezgro raspasti ne zavisi od toga koliko se

ara koja se raspadnu u jedinici

i broja prisutnih jezgara, N:

ava da broj jezgara tokom vremena opada, tj., brzina

etnog uslova da je pri t = 0 broj jezgara

ava kolika je verovatnoća da se

etnog broja jezgara. Ovo vreme se naziva



4.3.2. Nuklearna energija Nuklearna energija, ili kako se oslobaña ili troši u nuklearnim energijom podrazumevamo energiju koja se oslobafuziji, i cepanju teških jezgara, fisiji. U oba slujezgara sa većom energijom veze po nukleonu, odnosno broja 50 do 60, pa se u tim reakcijama osloba(slika 4.7).

Slika 4.7. Zavisnost proseč Nuklearne elektrane kao gorivo upotrebljavaju izotop urana U

pogodan za fisiju. U prirodi se može na235. Dok U-238 apsorbuje brze neutrone, Una vrlo radioaktivne, fisijske produkte, a pri tom se oslobaUsporavanjem tih brzih neutrona u sudarima s molekulama

okruženje


|48|

Nuklearna energija, ili kako se često naziva, atomska energija, je energija koja se a ili troši u nuklearnim reakcijama. U užem energetskom smislu, pod nuklearnom

energijom podrazumevamo energiju koja se oslobaña u reakcijama spajanja lakih jezgara,fuziji, i cepanju teških jezgara, fisiji. U oba slučaja, novonastala jezgra

om energijom veze po nukleonu, odnosno bliže području jezgara masenog broja 50 do 60, pa se u tim reakcijama oslobaña dodatna energija vezivanja

. Zavisnost prosečne energije veze po nukleonu od broja nukleona u jezgru

Nuklearne elektrane kao gorivo upotrebljavaju izotop urana Upogodan za fisiju. U prirodi se može naći uran sa više od 99% U-238 i samo oko

brze neutrone, U-235 se u sudarima sa sporim neutronima raspada na vrlo radioaktivne, fisijske produkte, a pri tom se oslobaña još brzih neutrona. Usporavanjem tih brzih neutrona u sudarima s molekulama teške vode, koja se pri tome

kih nauka

atomska energija, je energija koja se reakcijama. U užem energetskom smislu, pod nuklearnom

a u reakcijama spajanja lakih jezgara, aja, novonastala jezgra nalaze se u oblasti

čju jezgara masenog a dodatna energija vezivanja atomskih jezgara.

ne energije veze po nukleonu od broja nukleona u jezgru

Nuklearne elektrane kao gorivo upotrebljavaju izotop urana U-235, koji je vrlo 238 i samo oko 0,7% U-

235 se u sudarima sa sporim neutronima raspada a još brzih neutrona.

teške vode, koja se pri tome



|49|

zagreva, ostvaruje se lančana reakcija. Osloboñena toplota jeste toliko željena energija. U nuklearnim reaktorima taj proces se dogaña sve vreme u strogo kontrolisanim uslovima. Atomska bomba rezultat je namerno izazvane prevelike koncentracije slobodnih neutrona, koji se tada sudaraju sa fisijski osetljivim atomima i na taj način ostvaruju nekontrolisanu eksploziju energije. Iako urana u prirodi ima relativno puno (sto puta više od srebra) izotopa U-235 ima malo. Zbog toga se provodi postupak obogaćivanja urana. U konačnoj upotrebljivoj fazi, nuklearno gorivo biće u formi tableta dugih oko dva i po centimetra. Jedna takva tableta može dati otprilike istu količinu energije kao i jedna tona uglja. Energija koja se oslobaña sudaranjem neutrona s uranom koristi se za zagrevanje vode. Ta voda (para) tada pokreće generator, a nakon toga treba je rashladiti i ponovo vratiti u reaktor. Za to je potreban stalan i veliki protok vode oko jezgra reaktora.

4.3.3. Primena nuklearne energije i radioaktivnih izotopa, posledice i zaštita

Prilikom radioaktivnog raspada nekog elementa oslobaña se odreñena količina

energije koja zahvata širok spektar od γ do toplotnog zračenja uz najčešće prisutno korpuskularno zračenje. Meñutim, ovi procesi ne mogu da se koriste za dobijanje energije. Za ovu svrhu daleko su povoljniji procesi fisije jezgra, koji se odvijaju reakcijom sa sporim termalnim peutronima pri kojoj kao produkti nastaju dva nova jezgra koja se obično nalaze bliže sredini periodnog sistema elemenata, 2 do 3 neutrona i energija O, kao na primer pri fisiji U-235:

Ako se umesto sporih neutrona koriste brzi neutroni onda se dobijaju nova jezgra,

odnosno dobijaju se veštački radioaktivni elementi, kao na primer reakcijom:

u kojoj se iz U-238 dobija prelazno jezgro U-239, a iz njega neptunijum, koji kao radioaktivan sa kratkim vremenom poluraspada prelazi u plutonijum. Ovim tipom reakcije dobija iz Th-232 i U-233:

Karakteristika izotopa U-233 i Pu-239 je da se termalnim neutronima podležu reakciji

fisije, kao i U-235. Ako se precizno saberu mase nuklida sa leve i desne strane reakcije ustanoviće se

neznatna razlika (defekt) mase na desnoj strani. Materija koja nedostaje je ustvari prevedena u energiju.



|50|

Slika 4.8. Prikaz lančane reakcije

Kako se pri procesu fisije dobijaju 2 do 3 neutrona, oni će, nakon usporavanja, da bi

imali energiju termalnih neutrona, izazvati fisiju novih jezgara U-235 (ili nekog drugog fisionog jezgra) kojih je veći broj. Zbog ovog se proces fisije odvija kao lančana reakcija, što je prikazano na slici. Lančana reakcija se odvija u atomskim bombama, ali se za korišćenje u nuklearnim elektranama ona mora da prevede u reakciju sa kontrolisanom brzinom fisije. To se postiže uvoñenjem u reaktorski sistem materijala koji apsorbuju odreñenu količinu neutrona, pa se proces u reaktoru, odvija kontrolisanom brzinom, a ne lančano. U ovom se krije osnovna mogućnost zagañivanja životne sredine, tj. prelaz iz kontrolisane fisije u nekontrolisanu, odnosno nastanak lančanog procesa koji može da dovede do nuklearnih eksplozija, manje ili veće snage.

Meñutim, U-238 i Th-232 se ne raspadaju na lakše elemente pod dejstvom neutrona pa zato nisu pogodni za nuklearnu fisiju koja se koristi u nuklearnim elektranama, ali zato ova jezgra daju nova veštačka jezgra koja su pogodna za upotrebu ovih radioaktivnih elemenata ili za proizvodnju vojnog naoružanja. U prirodi se ne nalazi, kako se zna, čist U-235 jer se prirodni uran sastoji od tri izotopa: U-234 (0,006%), U-235 (0,7%) i U-238 (99,3%). Pored toga prosečna rasprostranjenost urana u zemljinoj kori iznosi samo 1,1 atom na svakih 106 atoma silicijuma, dok u stenama to zavisi od njihove vrste i porekla.

4.3.4. Ekstrakcija urana iz ruda i priprema nuklearnog goriva

Uran se u prirodi pojavljuje u nekoliko karakterističnih minerala od kojih su najrasprostranjeniji uraninit i pehblenda. Geološke sredine u kojima se nalazi uran su granitne stene ili sedimenti nastali raspadanjem ovih stena. Eksploatacija urana započinje kada se u ležištu urana nalazi nešto manje od 1000 ppm urana (oko 1 kg na tonu rude). Postupci kojima se uran ekstrahuje se svi svode na njegovu ekstrakciju hidrometalurškim putem.

Tokom ove faze se dobija uranov koncentrat "žuti kolač". Specijalnim tehnologijama

se nakon toga uran prečišćava i odvaja od nečistoća u obliku UF6. Kako je tačka ključanja UF6 na svega 56 °C to se pare ovog jedinjenja unose u ultracentrifuge u kojima se usled razlike u masama delimično razdvajaju U(238)F6 i U(235)F6. Sakupljanjem gasa iz sredine



|51|

centrifuge dobija se smeša obogaćena sa U(235) od koje se pravi nuklearno gorivo neophodno za rad nuklearnih reaktora. Od prirodnog koncentracionog odnosa U(238) prema U(235) koji iznosi 99,3% prema 0,7% dobija se nov odnos 97% prema 3%. Daljim hemijskim postupkom se proizvodi UO2 koji je sada obogaćen lakšim izotopom urana. Dobijeni UO2 se sinteruje na 1700 °C u tablete koje su pogodne za punjenje gorivih elemenata za nuklearne reaktore.

4.3.5. Kontrolisana fisija

Kao nuklearno gorivo danas se najčešće koriste izotopi U - 235, Pu 239 i reñe U- 233.

Pošto U - 235 nema u prirodi u dovoljnim količinama, zato se pribegava procesu obogaćivanja prirodnog urana, od samo 0,7% U - 235, do koncentracije ovog nuklida od 2 do 3,5%. Ostatak do 100% čini U - 238. Ovako obogaćen uran izotopom 235 koristi se za nuklearno gorivo. S druge strane Pu239 je veštački radioaktivni elemenat i nastaje prema gore prikazanoj jednačini, pa se zato može dobiti samo posebnim postupcima iz uranovog radioaktivnog otpada koji je iscrpljen u odnosu na izotop 235, ali obogaćen plutonijumom.

Da bi radioaktivni raspad urana otpočeo potrebno je uran izložiti neutronskom

zračenju sa brzim ili sporim neutronima. U - 238 se mnogo efikasnije destabilizuje pod dejstvom brzih neutrona, čija brzina iznosi oko 20.000 km/s. Ovi neutroni na svom putu do uranovog jezgra često pretrpe niz elastičnih sudara i dospevaju u jezgro U - 238 kao srednje brzi neutroni, ali još uvek sa dovoljno energije koja je potrebna da se odigra nuklearna rekcija. Pod dejstvom sporih (termalnih) neutrona, čija brzina iznosi oko 2km/s, U - 238 se ne može aktivirati, jer se ovi neutroni lako odbijaju od jezgra ovog izotopa u elestičnin sudarima. S druge strane termalni neutroni su najpodesniji za fisiju U - 235 ili Pu 239.

4.3.6. Rasipanje neutrona, transformacija i fisija jezgra

Zahvaljujući selektivnoj osetljivosti U - 238 na brzinu neutrona moguće je kontrolisati

nuklearne procese u nuklearnom reaktoru, tako što se putem posebnih moderatora može favorizovati reakcija izmeñu sporih neutrona i U - 235 ili Pu 239 što ima za posledicu oslobañanje velike količine energije. Kontrolom nuklearnih procesa se može favorizovati i reakcija brzih neutrona sa U - - 238 pri čemu se u stvari "proizvodi" Pu 239.

Vrlo značajan problem u svakom nuklearnom reaktoru je uspostavljanje kontrolisane

lančane reakcije. Ovo pre svega zavisi od količine urana i konstrukcije reaktora. Ako je koncentracija urana mala. a geometrija raspodele uranovih jezgara takva da je zapremina koju zauzimaju suviše velika, tada je aktivacija uranovih jezgara neutronima znatno umanjena, jer znatan broj neutrona ostaje neefikasan. Nasuprot tome moguće je odrediti najmanju masu U-235 u okviru koje otpočinje nekontrolisana lančana reakcija, a koja se naziva "kritična masa" i iznosi oko 50 kg U-235. Ona zauzima zapreminu kugle prečnika 8,4 cm. Ukoliko se obezbede takvi uslovi da se neutroni koji se kreću u svim pravcima tako reflektuju da se ponovo usmeravaju na jezgra urana, kritična masa se može smanjiti. Jedini problem koji je preostao je kako započeti reakciju, tj. kako obezbediti onaj prvi neutron koji će poslužiti kao upaljač. Za tu svrhu koriste se posebni izvori neutrona koji se unose u reaktor, a koji služe kao upaljači lančanih reakcija. Logičkim rasuñivanjem se dolazi do prostog zaključka da se sa promenom gustine pakovanja urana u reaktoru može uticati na obim lančane reakcije, ili mnogo elegantnije, podešavanjem brzine neutrona može se uticati na efikasnost neutrona koji izazivaju lančanu reakciju.



|52|

4.3.7. Moderatori nuklearne reakcije U pricipu, pri cepanju jezgra urana emitiju se veoma brzi neutroni koji mogu efikasno

da aktiviraju U-238, ali tek njihovim usporavanjem mogu biti korisni za pobuñivanje U-235 ili Pu 239. Potrebno je, zato, upotrebiti takve materijale koji mogu da uspore neutrone, tj. da preuzmu od njih dobar deo energije, a da ih sami ne apsorbuju. Takvi materijali se nazivaju moderatori. To moraju biti takvi materijali čija je masa slična masi neutrona, tako da se uz relativno mali broj sudara neutrona sa atomima ili molekulima tog materijala energija neutrona maksimalno može preneti na čestice moderatora. Za to su najpogodniji grafit, berilijum, teška voda (DHO, retko D2O) ili laka voda (H2O). Laka voda pored svoje sposobnosti da uspori neutrone ima i tu osobinu da apsorbuje spore neutrone koji reaguju sa atomima vodonika, pri čemu nastaje deuterijum. Empirijski je ustanovljeno da je najbolji način da se prevaziñe problem gubitka sporih neutrona usled apsorpcije povećanje koncentracije U-235 u prirodnom uranu. To povećanje je upravo ono koje se dobija procesom obogaćenja urana sa U - 235 na koncentracije od 2 do 3,5%. Time se zapravo povećava gustina U-235, a to znači da je i pored malog broja sporih neutrona efikasnost pobuñivanja fisije jezgra povećana. Za razliku od lake vode teška voda predstavlja idealan moderator, jer vrlo slabo apsorbuje neutrone, pošto već sadrži deuterijum koji skoro uopšte ne zadržava spore neutrone. Meñutim, proces dobijanja teške vode je veoma skup pa se iz tih razloga primenjuju i drugi moderatori. Eksperimentalno je utvrñeno da se nakon različitog broja sudara brzih neutrona dobijaju spori neutroni u različitim sredinama. 4.3.8. Regulacija lančanih reakcija apsorpcijom neutrona

Suština primene moderatora se ogleda u održavanju konstantne brzine fisije. Ako se

fisija odvija kontrolisano, onda se ona odvija diskontinualno u više serija ili nizova manjih lančanih reakcija. Tada se brzina fisije može predstaviti kao: količnik broja jezgara podleglih fisiji izazvanoj neutronima u okviru tekuće lančane reakije i broja jezgara podleglih fisiji u prethodnoj seriji (generaciji). Pomenuti količnik se još naziva "multiplikacioni faktor" i iznosi:

Ukoliko je K = 1 tada je brzina procesa fisije konstantna, za K < 1 brzina se smanjuje,

odnosno za K > 1 brzina se povećava. Na brzinu reakcije se može neposredno uticati sa brojem neutrona. Kako se pri svakom raspadu U-235 oslobaña 2 do 3 neutrona veoma je važno da se uklone oni neutroni koji čine višak. Apsorpcijom tih neutrona ili uticajem na njihovu brzinu dobija se manja frakcija neutrona koja će imati odgovarajuću brzinu, da ostaje efikasna u procesu pobuñivanja uranovih jezgara. Ovo se upravo postiže postavljanjem moderatora na put neutrona od izvora (uranovog atoma koji se upravo raspao) do cilja (neraspadnutog uranovog atoma).



|53|

Slika 4.9. Uloga moderatora u procesu usporavanja brzih neutrona izmeñu izvora (uranonog atoma koji se upravo raspao) i cilja (neraspadnutog uranovog atoma)

1) brzi neutroni; 2) spori neutorni

Proces uklanjanja viška neutrona se odvija tako što srednje brze neutrone apsorbuje U-238, ili neki od elemenata koji je nastao raspadom uranovih atoma. Važnu ulogu pri tome igra i betonska oplata koja se nalazi oko reaktora kao zaštita od radioaktivnog zračenja. Pored toga se u reaktor, pored moderatora, unose posebni regulacioni štapovi, koji mogu da se postave izmeñu nuklearnih punjenja, a čija je namena isključivo da upijaju višak neutrona. Štapovi se prave od onih materijala koji imaju povećanu apsorpcionu moć u odnosu na neutrone (legure koje sadrže bor, indijum, srebro ili kadmijum). Pored ovih elemenata koriste se gadolinijum i disprozijum koji imaju izrazitu moć apsorpcije neutrona i u najvećem broju slučajeva uvek gase sve lančane reakcije, pa se zato nazivaju "otrovom za reaktore". Na koji način se koriste moderatori u sprezi sa regulacionim štapovima vidi se iz slike.

Slika 4.10. a) Početak rada reaktora (K > 1); regulatorski štapovi su izvučeni iz dela

reaktora u kome se nalazi uranovo nuklearno punjenje b) Prekidanje rada reaktora (K < 1); regulatorski štapovi su potpuno uronjeni u moderator (D2O) i prekidaju širenje lančane

reakcije 1) gorivi element; 2) moderator (npr. voda); 3) regulatorski štap (npr. B4S)

4.3.9. Nuklearno punjenje reaktora Nuklearno punjenje reaktora se nalazi u takozvanim štapovima sa nuklearnom šaržom

koji su uronjeni u fluid koji čini moderator. U taj fluid se mogu takoñe uroniti i regulatorski štapovi. Kada reaktor otpočinje da radi potrebno je uspostaviti odreñen stepen progresije lančanih reakcija bez prisustva regulatorskih štapova, dok reaktor ne postigne radnu temperaturu. Sve to vreme je K > 1 (slika 4.10. a). Kada je radna temperatura uspostavljena u sistem se uranja odreñen broj regulacionih štapova, kojima se reguliše učestalost lančanih nuklearnih reakcija i doteruje do odreñene konstantne vrednosti tj. do K = 1. Tek kada reaktor



|54|

treba ugasiti u sistem se uranjaju svi regulacioni štapovi, čime se u potpunosti prekida slobodno kretanje neutrona u sistemu, koji su tada najvećim delom apsorbovani od strane poznatih apsorbujućih materijala, regulacionih štapova. Pri takvim uslovima nuklearna reakcija postepeno jenjava (K < 1) (slika 4.10. b). U momentu kada započne lančana reakcija započinje i momentalno povećanje broja neutrona, i to u stomilionitom delu sekunde. Da nije moderatora ili regulacionih štapova proces bi se vrlo brzo okončao kao zastrašujuća nuklearna eksplozija. Meñutim, kontrolom procesa sve se odvija daleko sporije. Samo nekih 0,75% od ukupno osloboñenih neutrona tokom fisije se ostavlja da nesmetano nastave fisioni proces. Ono što se dešava u nekontrolisanom fisionom procesu u stomilionitom delu sekunde pod kontrolisanim uslovima traje 2·109 puta duže, punih 20 sekundi. Ako se dalji proces tako nastavi da se tokom stvaranja svake nove generacije neutrona upotrebi samo 0,75% od ukupnog broja, uspostavlja se konstantna brzina fisije u reaktoru. Naravno sve ovo se postiže samo uz pomoć moderatora i regulacionih šipki.

Regulacione šipke (štapovi) se najčešće pune kadmijumom i borom ili aluminijumom

i borom (ova legura se naziva prosto boral), koji je u stanju da smanji fluks neutrona 10 puta sa debljinom sloja od samo 6,5 mm. Izotop bora B - 10 je veoma značajan, jer ima tu posebnu sposobnost da apsorbuje spore neutrone, a ta njegova osobina se zasniva na sledećoj nuklearnoj reakciji:

Slika 4.11. a) Uloga moderatora na nižim temparaturama: Gustina moderatora -

vode je dovoljno velika da obezbedi dovoljan broj sudara sa neutronima. pri čemu oni gube od svoje brzine i dostižu optimalnu brzinu od oko 2 km/s, potrebnu za reakcju sa U - 235. b)

Izgubljena uloga moderatora na povišenim tsmperaturama: Gustina moderatora je smanjena pa je zato smanjen i broj sudara imeñu brzih neutrona i molekula vode, tako da se neutroni ne mogu efikasno usporiti i zato nisu podesni za aktivaciju U - 235.1) moderator; 2) putanja

neutrona



|55|

Kada je sistem pod potpunom kontrolom nekontrolisana fisija - nuklearna eksplozija unutar reaktora je fizički i tehnički nemoguća, zato što je sadržaj U - 235 u reaktoru ograničen, zato što je nuklearna šarža uronjena u vodu koja služi kao moderator i kao sredstvo za hlañenje i zato što su tu uvek prisutni apsorpcioni štapovi. Sa eventualnim povećanjem temperature u reaktoru, iznad predviñene, moderator postaje neefikasan, ali se zato apsorpcioni štapovi odmah stavljaju u akciju, ako je to potrebno, da bi se smanjio nivo aktivnosti reaktora i time postepeno smanjila temperatura. Na nižim temperaturama gustina moderatora (vode) je takva da uspešno usporava brze neutrone koji nastaju tokom fisije, do željenih brzina koje su odgovarajuće za aktivaciju atoma U-235 (slika 4.11.). Ako je temperatura povišena gustina moderatora je smanjena, produkcija sporih neutrona je redukovana (slika 4.11.) i nuklearna fisija jenjava - gasi se. Od preostalih brzih neutrona jedan deo je odmah apsorbovan od strane U-238.

4.3.10. Nuklearni reaktori Prema svojoj nameni nuklearni reaktori se dele na:

• nuklearne reaktore za proizvodnju električne energije kojih ima nekoliko tipova: (a) nuklearni reaktori sa uranovim punjenjem i sa vodom pod pritiskom, (b) nuklearni reaktori sa uranovim punjenjem i sa ključajućom vodom, (c) nuklearni reaktori sa uranovim punjenjem i sa uporednom proizvodnjom plutonijuma i (d) torijumovi nuklearni reaktori;

• nuklearni reaktori za naučnoistraživačke i obrazovne svrhe i • nuklearni reaktori za proizvodnju radioaktivnih izotopa.

Poznata je stvar da svaka nuklearna elektrana radi kao i svaka druga termoelektrana, s

tim što se umesto konvencionalnih goriva kao što su ugalj ili nafta kod nuklearnih elektrana kao gorivo koristi nuklearno punjenje, koje tokom procesa fisije razvija ogromnu količinu toplote. Ovom prilikom biće govora samo o prvoj grupi reaktora koji se koriste samo za proizvodnju energije.

Osnovni delovi svakog nuklearnog reaktora su: nuklearno punjenje, moderator, sredstvo za hlañenje i konačno oplata za zaštitu od zračenja. Pored toga postoje dva tipa reaktora u odnosu na nuklearno punjenje i moderator. Prvi tip je heterogeni reaktor, kod koga su nuklearno punjenje i moderator odvojeni, dok je drugi tip homogeni reaktor, kod koga su punjenje i moderator pomešani u okviru čvrste faze. Kao tipičan primer heterogenih reaktora može poslužiti nuklearni reaktor koji koristi kao moderator običnu vodu.

Reaktori sa vodom pod pritiskom

Glavna karakteristika ovog reaktora je da se sastoji od dva zatvorena kružna sistema.

Primarni koji čini reaktor u kome se čista (dejonizovana) voda koristi kao moderator i kao sredstvo za hlañenje nuklearne šarže, a koja se nalazi na dovoljno visokom pritisku, od oko 158 bara tj. 15,8 MPa, da ne bi proključala s obzirom da je temperatura u sistemu oko 316 °C, koliko je npr. u elektrani Štade koja je ovog tipa. Ovaj sistem je izvan reaktora povezan preko toplotnog izmenjivača (generatora pare) sa spoljnim, sekundarnim, kružnim sistemom, koji je takoñe ispunjen vodom, a u okviru koga se u toplotnom izmenjivaču proizvodi vodena para, koja se potom šalje na turbine generatora za proizvodnju električne energije. Voda iz reaktora se vraća u njega na temperauri od oko 288°C. Mali pad temperature od T2= 316° C do T,= 288°C ukazuje na relativno malo termodinamičko iskorišćenje primarnog sistema svega 4,9%, ali to se nadoknañuje izuzetno velikom cirkulacijom vode u primarnom sistemu.



|56|

Vodena para koja proñe kroz turbine odlazi u kondenzator, koji je još uvek sastavni deo sekundarnog zatvorenog sistema, a koji se hladi vodom iz spoljašnje sredine, obično vodom iz reke. Vrlo značajno je to da se i u sekundarnom sistemu voda nalazi pod pritiskom od 52 bara (5,2 MPa) što znatno umanjuje mogućnost da primarni sistem "procuri", i na taj način zagadi sekundarni sistem radioaktivnim supstancijama i produktima radioaktivnog raspada. Unutar spoljnjeg sistema, sistem vodena para - voda na pomenutom pritisku radi u okviru temperturnog intervala od 265 °C (temperature vodene pare) do 207 °C (temperatura vode). Interesantno je napomenuti da je za kondenzovanje vode u kondezatoru sekundarnog sistema u temoelektrani Štade potrebno 107.000 tona vode na sat, a što se može dobiti samo iz velikih reka. Za regulacione štapove u reaktoru koristi se legura srebra, indijuma i kadmijuma koja je veoma efikasan apsorber neutrona i zato se koristi za brze i efikasne promene fluksa neutrona, dok u slučajevima kada brze promene nisu potrebne u vodu primarnog sistema se ubacuje borna kiselina sa izotopom B – 10. Nuklerno punjenje u ovoj nuklearnoj elektrani se nalazi u sudu od specijalnog čelika čija je debljina 20 cm, a pomenuti sud se nalazi u sigurnosnom sudu dvostrukih zidova o kome će kasnije biti nešto više reči.

Slika 4.12. Nuklearni reaktor koji kao toplotni izmenjivač izmeñu nuklearnog

punjenja i spoljašnje sredine koristi vodu pod pritiskom. 1.Rektorski sud. 2.Elementi sa nuklearnim punjenjem, 3..Regulacioni štapovi.

4.Pokretači regulacionih štapova. 5.Regulator pritiska. b.Toplotni izmenjivač -generator pare. 7.Pumpa primarnog kružnog sistema. 8.Para, 9. Kondenzovana voda iz sekundarnog kružnog sistema, 10.Parna turbina - deo za visoke pritiske. P.Parna turbina - deo za niske

pritiske. 12.Elektrogenerator, 13.Pokrstač generatora, 14.Kondenzator, 15.Reka. 16.Pumpa za vodu sekundarnog kružnog sistema. 17.Ureñaj za predgrevanje vode, 18.Betonska zaštita,

19. Pumpa za rečnu vodu. Elektrana sa nuklearnim reaktorom sa vodom pod pritiskom je danas

najrasprostranjeniji i najpovoljniji model nuklearne elektrane, jer ima za sada najbolje razvijen sistem osiguranja i zaštite. Na žalost nema podataka koliko ovakve nuklearne elektrane utiču na promenu lokalne klime, s obzirom da bez sumnje zagrevaju vodu reka što utiče na floru i faunu koja ih okružuje.

Reaktori sa ključajućom vodom

Ova vrsta reaktora se po svojoj konstrukciji razlikuje od prethodnog u jednom bitnom

detalju, a to je da ne postoje primarni i sekundarni sistem prenosa toplote, već postoji samo



|57|

jedan jedinstven sistem, koji je šematski prikazan na slici. Nuklearna elektrana iz Brunsbitela na Elbi (Nemačka) će posluži kao konkretan primer. Kao gorivo se i ovde koristi urandioksid, pri čemu su gorivi elementi u obliku štapova koji su do dve trećine uronjeni u vodu, koja cirkuliše odozdo naviše i u kontaktu sa gorivnim elementima prelazi u gasnu fazu. Temperatura vodene pare iznosi oko 286 °C na pritisku od 71 bara i kao takva se odmah sprovodi na gasnu turbinu elektrogeneratora. Generator nuklearne elektrane u Brunsbitelu ima snagu od 806 MW pri naponu od 27 kV. Nakon prolaska kroz turbine vodena para se kondezuje uz pomoć hladne vode, koja se dovodi u kondenzator iz Elbe i to u količinama od 118.000 m3 na sat. Kondezacija vodene pare u sistemu ima za posledicu da je pritisak neposredno iza turbine znatno niži, i tek tada se ta voda može prečišćavati odgovarajućim postupcima. Nakon ove faze voda se ponovo zagreva na 215°C i potom ponovo ubrizgava pumpama u reaktor. Termodinamički gledano iskorišćenje u ovom sitemu iznosi 14,55%. Materijal za regulatorske štapove je bor-karbid (B4C), a štapovi se unose u sistem i iznose iz sistema uz pomoć elektromotora, u normalnim situacijama kada je potrebno samo regulisati aktivnost reaktora. Za potrebe brzog gašenja koristi se hidraulični sistem, koji momentalno reaguje i ubacuje regulacione štapove u reaktor izmeñu elemenata sa nuklearnim gorivom. Ovakva vrsta reaktora je zastarela, jer je mnogo neprikladnija od prethodne vrste. Zaštita od eventualnog zagañivanja radioaktivnim supstancijama zahteva preduzimanje posebnih mera zaštitite, kako samog raektora tako i mašinske hale sa generatorom i kondenzatorom. Posebna betonska oplata, ojačana za svaku vrstu eksplozije ustvari obuhvata celu nuklearnu elektranu. Iz tih razloga ovakva vrsta nuklearnih elektrana se više ne gradi, jer reaktor i turbine stoje u neposrednoj vezi preko vodene pare i vode u zajedničkom sistemu.

Slika 4.13. Nuklearni reaktor koji kao toplotni izmenjivač izmeñu nuklernog punjenja

i spoljašnje sredine koristi ključalu vodu. 1. Reaktorski sud, 2. Elementi sa nuklearnim punjenjem, 5. Regulacioni štapovi. 4. Pokretači regulacionih štapova, 5. Pumpe za mešanje vode u reaktorskom sudu. 6. Para. 7.Kondenzovana voda, 8.Parna turbina - deo za visoke

pritiske, 9.Parna turbina - deo za niske pritiske, 10. elektrogenerator. 11. Pokretač generatora. 12. Kondenzator, 13. Rečna voda, 14. Ureñaj za predgrevanje vode, 15 .Pumpa

za vodu, 16. Pumpa za rečnu vodu, 17. Betonska zaštitna oplata. Reaktori sa brzim neutronima - reaktori sa tečnim natrijumom

Za razliku od prethodnih vrsta nuklearnih reaktora koji rade samo sa U -235, reaktori

koji rade na povišenoj temperaturi mogu da koriste U - 238, koji se pod dejstvom brzih neutrona prevodi u Pu 239. On služi kao sirovina za vojnu industriju ili kao gorivo u reaktorima sa brzim neutronima. Da bi se ova dva procesa odvijala - nuklearna sinteza Pu i



|58|

zatim "sagorevanje" Pu, reaktor sa brzim neutronima se sastoji iz dve zone, unutrašnje koja se sastoji od nuklearnog punjenja sa 80% UO2 i 20% PuO2, i koja prvenstveni služi kao nuklearno gorivo i spoljašnje zone, koja se sastoji iz istrošenog nulearnog goriva u kome preovlañuje U - 238 gde se pod dejstvom brzih neutrona uran prevodi u plutonijum. Ovakvi reaktori uvek proizvode više plutonijuma nego što se on može potrošiti u nuklearnim elekranama. Višak Pu može da se koristi u vojne svrhe, ali ni tamo ne mogu da se utroše sve raspoložive količine.

Na slici 4.14. prikazana je razlika izmeñu reaktora sa vodom i reaktora sa brzim

neutronima. U prvom slučaju reaktor radi u temperaturnom intervalu od 288 °C do 316 °C pri čemu se hladi sa vodom pod pritiskom od 155 bara. U drugom slučaju reaktor radi u temperaturnom intervalu od 377 °C do 546 °C i hladi se sa tečnim natrijumom pod pritiskom od 10 bara. Kod reaktora sa brzim neutronima koncentracija nuklearnog goriva (20% Pu) mora biti dovoljno visoka s obzirom da je efikasnost brzih neutrona izazovu nuklearnu reakciju znatno manja nego kod sporih neutrona. Zato su vrste reaktora mnogo kompaktnije grañene i sadrže do 10 puta veće koncentracije nuklearnog goriva nego obični reaktori koji se hlade vodom. Veoma važna informacija, do koje se došlo laboratorijskim eksperimentalnim putem, je da se u reaktoru sa brzim neutronima na svakih 100 raspadnutih atoma Ri u unutrašnjoj zoni može proizvesti 115 atoma Ri u spoljašnjoj zoni. Ovaj višak dobijenog plutonijuma se zatim može upotrebiti u reaktorima sa vodom. Meñutim ovo nije praktično moguće s obzirom da se u svakom procesu ekstrakcije Ri pojavljuju gubitci, tako da je realan stepen iskorišćenja nuklearnog goriva drukčiji. Kod reaktora sa vodom ukupno ikorišćenje urana iznosi samo 1% dok se u reaktoru sa brzim neutronima iskoristi oko 60% od početne količine urana. Šematski prikaz reaktora sa brzim neutronima dat je na slici 5.11, a kao podloga za egzaktne podatke poslužiće nam reaktor u Kalkaru na Rajni (Nemačka).



|59|

Slika 4.14. Osnovne karakteristike reaktora sa brzim neutronima i klasičnog reaktora

sa vodom Kako se iz slike 4.14. vidi sistem se sastoji od kompaktnog reaktora sa

plutonijumskim gorivom koji se hladi u primarnom krugu sa tečnim natrijumom, sa ulaznom temperaturom od 377 °C i izlaznom temperaturom od 546 °C. Čist natrijum se topi na 98 °C, a ključa na 883 °C. S obzirom da je napon pare natrijuma u tom temperaturnom intervalu nizak dovoljan je pritisak u sistemu od samo 12 bara. Toplota koju je natrijum preuzeo iz reaktora predaje se preko toplotnog izmenjivača sekundarnom natrijumovom krugu, a ovaj dalje prenosi toplotu tercijernom krugu koji je ispunjen vodom. U njemu se proizvodi vodena para sa temperaturom od 495 °C koja se dalje šalje na turbine, potom kondezuje u kondenzatoru koji se rashlañuje vodom iz reke Rajne. Trostepen prenos toplote je jako skup ali je i neophodan zbog nuklearne reakcije izmeñu № - 23 i neutrona:

pri čemu nastaje radioaktivni Na - 24, koji R raspadom prelazi u Mg - 24. Sasvim je jasno da radioktivni natrijum može nastati samo u primarnom krugu hlañenja, već u sekundarnom krugu to nije moguće. S druge strane, ako doñe tehničkog kvara u toplotnim izmenjivačima radiokativni natrijum nikako ne može da doñe u kontakt sa vodom i na taj način prodre u spoljašnju sredinu u ovakvoj vrsti reaktora se moraju koristiti regulacioni štapovi, primer od bor-karbida (B4C) s obzirom da bor ima veoma visoku apsorcionu moć u odnosu na neutrone.



|60|

Slika 4.15. Nuklearni reaktor sa brzim neutronima hlañen sa natrijumom. 1.Rektorski sud. 2.Elementi sa nuklearnim punjenjem (zona fisije). 3. Elementi sa

nuklearnim punjenjem (zona proizvodnje plutonijuma), 4. Regulacioni štapovi, 5. Pumpe za tečnim natrijumom, 6. Primarni sistem sa tečnim Na, 7. Toplotni izmenjivač, 8. Sekundarni

sistem sa tečnim Na, 9. Pumpa za tečnim natrijumom. 10. Generator pare. 11. Tercijerni krug sa vodom i vodenom parom. 12. Sistem za predgrevanje vode, 13. Pumpa za vodu, 14.

Kondenzator. 15. Rečna voda za hlañenje; 16. Parna turbina - deo za visoke pritiske, 17. Parna turbina - deo za niske pritiske. 18. Elektrogenerator, 19. Pokretač generatora, 20.

Pumpa za rečnu vodu. 21. Krug sistema za hlañenje rečnom vodom. 22. Toranj za hlañenje vodom, 23. Vazdušna strujanja.

Torijumov reaktor

Slika 4.16. nuklearno gorivo u grafitnim kuglama. 1 .grafitna ljuska; 2.slojevite fisione kuglice, ugljenični sloj

Ovo je reaktor koji radi na najvišoj temperaturi. Reaktor sa vodenim hlañenjem radi na 330 °C, reaktor sa natrijumskim hlañenjem na 550 °C, a ovaj poslednji radi na 750 °C. Torijumov reaktor kao sredstvo za hlañenje koristi gas helijum, a kao gorive elemente grafitne kugle



|61|

prečnika 6 cm, ispunjene sa 1 g U - 235 i 10 g Th - 232 u obliku oksida ili karbida, kao čestica veličine 0,5 do 0,7 tt. Nekih 35.000 ovakvih čestica nalazi je u jednoj grafitnoj kugli (slika 4.16.). Pod dejstvom sporih neutrona dolazi do raspada U - 235, i do transformacije Th - 232 u U - 233 koji se zatim takoñe raspada na elemente produkte.

Slika 4.17. Šema visokotemperaturnog torijumovog reaktora. 1.Rektorski sud sa

ThO2- grafitnim kuglama. 2. Grafitni reflektori neutrona. 3. Giozdena zaštitna oplata, 4. Generator pare, 5. Pumpa za hladan gas. 6. Zaštita od armiranog betona, 7. Regulacioni

štapovi, 8. Otvor za odvod kugli sa gorivom. 9. Otvor za dovod kugli sa gorivom, 10. Gas za rashlañivanje (helijum), 11. Čelična hermetična oplata betonskog zaštitnog sloja. 12. Vodena para. 13. Sistem za predgrevanje vode, 14. Pumpa za vodu, 15. Parna turbina - deo za visoke

pritiske. 16. Parna turbina - deo za niske pritiske. 17. Elsktrogenerator. 18. Pokretač generatora. 19. Kondenzator, 20. Krug sistema za hlañenje rečnom vodom, 21. Pumpa za

rečnu vodu. 22. Kula sa vazdušnim rashladnim sistemom, 23. Vazdušna strujanja. Kao moderator u torijumovom reaktoru koristi se grafit, a kako su moderator,

nuklearno gorivo i proizvedeni U - 233 u jednoj fazi, to se ovaj generaor naziva još i homogeni reaktor. Za primer će poslužiti torijumov visokotemperaturni reaktor u Ham-Utentropu na reci Lipi koja se uliva u Rajnu (Nemačka). U kućištu reaktora ima oko 675.000 kugli od kojih je 360.000 gorivnih elemenata i 280.000 čistih grafitnih kugli kao dodatnog moderatora i oko 35.000 kugli koje sadrže bor kao apsorciono sredstvo za neutrone. Samo kućište reaktora prečnika 5,6 t i visine 6 t se sastoji od grafitnih blokova koji služe kao reflektori za neutrone, dok je celo kućište zaštićeno gvozdenom oplatom radi zaštite okoline od γ radijacije. Ceo reaktor je smešten u jedan veliki čelični sud ojačan betonom debljine 4,5 do 5 t i u sebi sadrži i toplotne izmenjivače, u kojima se voda pod pritiskom prevodi u paru pod dejstvom zaista vrelog helijuma. Temperatura helijuma na ulazu u grafitno kućište iznosi samo 250 °C, ali za to pri izlazu iznosi 750 °C. Regulacioni štapovi sadrže bor karbid. Značajno je pomenuti da se tokom rada dnevno troši oko 3.700 kugli, od kojih je oko 620 kugli sa nuklearnom šaržom. Kugle se svremena na vreme mešaju i vade iz reaktora. Vek upotrebe ovakvih kugli je u proseku 3 godine, i za to vreme svaka kugla proñe kroz reaktor 3 puta. Interesantno je naglasiti da je kod ovog tipa reaktora razvijen zatvoren sistem za hlañenje. U takvom sistemu kondenzator za paru dolazi odmah iza turbina elektrane, gde vodena para prelazi u vodu i vraća se natrag u toplotne izmenjivače reaktora. Kondenzatori se hlade posebnim i odvojenim sistemom sa vodom koji je takoñe zatvoren. Voda iz tog sistema



|62|

se hladi u kuli sa vazdušnim hladnjacima, tako da ceo reaktorski sistem nije neposredno povezan ni sa jednom rekom.

4.3.11. Pouzdanost opisanih vrsta nuklearnih reaktora

Kada se svedu podaci o svim vrstama reaktora u nuklearnim elektranama: a) reaktor

sa ključalom vodom, b) reaktor sa vodom pod pritiskom, c) reaktor sa brzim neutronima za proizvodnju plutonijuma i d) torijumov visokotemperaturni reaktor, neophodno je dati neke važne komentare.

Reaktori sa ključalom vodom su zastareli reaktori - najprimitivnije su grañeni. U

ovakvim reaktorima voda i vodena para u krugu za hlañenje predstavlja neposrednu vezu sa reaktorskom posudom i turbinama u elektrani. Svaka veća havarija predstavlja veliki rizik da se radioaktivne supstancije relativno lako probiju izvan reaktorskog suda, što je pre svega omogućeno konstrukcijom ovakvih reaktora. To znači da su ovakvi reaktori samim tim i najopasniji po čoveka i životnu sredinu.

Reaktori sa vodom pod pritiskom su reaktori koji su najviše prihvaćenu u svetu i

koriste se samo za proizvodnju toplotne i električne energije. Konstrukciono su tako napravljeni da se primarni rashladni sistem za reaktor nalazi, zajedno sa reaktorskom posudom, u betonskoj grañevini u kojoj je smešten reaktor. Uz pomoć toplotnog izmenjivača povezuju se primarni i sekundarni sistem sa vodom, čime se fizički razdvajaju sistm za hlañenje reaktora i sistem za pokretanje parnih turbina. Po pitanju bezbednosti i zaštite životne sredine ovi reaktori spadaju u grupu najprihvatljivijih.

Reaktori sa brzim neutronima su skupi reaktori i proizvode energiju kao sekundarni

proizvod, a prvenstveno se koriste za proizvodnju plutonijuma koji se, na žalost, upotrebljava za proizvodnju nuklearnog naoružanja. Osnovni razlog zašto ovi reaktori rade su nehumani pa su samim tim šeteni za prirodu i čoveka. S druge strane plutonijum koji se dobija u takvim reaktorima je izuzetno otrovan. Meñu onima koji se susreću sa ovim metalom vlada mišljenje da su doze plotonijuma kao toksičnog elementa, ne kao radiokativnog elementa, već letalne u koncentracijama koje se izjednačavaju sa granicom detekcije mnogih klasičnih analitičkih metoda.

Torijumovi reaktori su malo rasprostranjeni, mada se i oni koriste za proizvodnju

energije. Podaci o njima su realtivno skromni tako da se danas malo zna u široj javnosti koliko je rizično raditi sa njima. U svetu je do sada izgrañeno preko 430 nuklearnih elektrana, najviše u SAD (109), zatim u Francuskoj (57), Japanu (48), Britaniji (35), Rusiji (29), Kanadi (22), Nemačkoj (21) i u nekim drugim zemljama [79]. Nema evidencije koliko je svaka do sada proizvela nuklearnog otpada. Meñutim, ako se kaže da je u prvoj aproksimaciji kapacitet svake od 30 do 100 I, tj. u proseku oko 65 1 nuklearnog goriva, i pošto se zna da nuklearno gorivo traje u proseku oko 3 godine, a činjenica da svaka nuklearna elektrana može pouzdano da radi oko 30 godina i nakon toga se mora ugasiti, onda ovih 430 nuklearnih elektrana posle 30 godina rada za sobom ostavlja nešto manje od 300.000 1 najopasnijeg visokoradioaktivnog otpada koji se može danas naći na planeti Zemlji. Posledica rada nuklearnih elektrana sa reaktorima za proizvodnju plutonijuma je da se danas na našoj planeti nalazi preko 1.100.000 kd plutonijuma, a očekuje se da se krajem veka nañe oko 1.700.000 kd. Uz to mnogi problemi sa odlaganjem nuklearnog otpada i sanacijom ugašenih nuklearnih elektrana još uvek nisu rešeni u svetu, niti se neko uspešno rešenje nazire u skorijoj budućnosti. Sva postojeća rešenja su privremena i izuzetno skupa.



|63|

Iako se naša zemlja trenutno ne nalazi meñu zemljama korisnicama nuklearne

energije Černobiljska katastrofa nedvosmisleno ukazuje na činjenicu da se potencijalna opasnost ne zaustavlja na granicama zemalja koje koriste nuklearnu energiju, već ta opasnost jednako preti i onima koji tu enerju ne koriste. Poznavanje ovih tehnologija za proizvodnju energije i svih posledica koje eventualno mogu da nastupe tokom korišćenja nuklearne energije, jako mnogo pomaže da se bolje štitimo ili blagovremeno reagujemo na sve ono što ugrožava čoveka ili životnu sredinu a potiče od radioaktivnosti i radioaktivnih procesa.

4.3.12. Izvori radioaktivnog zračenja i načini zaštite

U svakoj nuklearnoj elektrani pojavljuju se tri osnovna izvora radioaktivnog zračenja. Prvi je fisija urana pri čemu se emituju neutroni i d zračenje:

Neutroni i γ zračenje imaju veoma veliku prodornu moć tako da je neophodno

postaviti vrlo efikasne barijere koje su u stanju da ove vrste zračenja apsorbiju.

Druga vrsta zračenja nastaje kao posledica aktivacije stabilnih elemenata, pre svega neutronima, od kojih je izgrañen reaktor, na primer, Fe i Ca u rashladnom sistemu reaktora, betonu, gvozdenoj oplati i dr.

pri čemu je vreme poluraspada za Fe - 59 44,6 dana, a za Ca - 45 163 dana.

Treći izvor zračenja su sami produkti radioaktivnog raspada urana, koji su i sami

nestabilni pa se dalje sami raspadaju, na primer:

Zahvaljujući ovim reakcijama, emitovano zračenje pri nuklearnoj fisiji urana

višestruko je umnoženo i zahteva posebne mere predostrožnosti tokom izgradnje jedne nuklearne elektrane. Da bi se uopšte moglo razgovarati o zaštiti potrebno je prethodno



|64|

naglasiti koje je vrste nuklearna elektrana, pa ako je to do danas najrasprostranjeniji model: nuklearna elektrana sa vodom kao moderatorom i sredstvom za hlañenje reaktora, tada se može govoriti o tačno predviñenoj vrsti zaštite.

4.3.13. Zaštita od mogućnosti izlaska radioaktivnih supstancija iz reaktora

Slika 4.18. Zaštita okoline od nuklearnog reaktora postavljanjem višestepenih

barijera. .Nosač gorivih elemenata; 2.Košuljica gorivnog elementa; 3.Reaktorski sud; 4.Sigurnosni sud; 5.Sistem za podpritisak; b.Biološki štit; 7.Reaktorska zgrada Sve zaštitine barijere koje okružuju nuklearni reaktor imaju dve osnovne funkcije.

Prva je da spreče izlazak radioaktivnih materija u spoljašnju sredinu, a druga je da spreče prodor radioaktivnog zračenja izvan reaktora.

Radioaktivno α i β zračenje ima vrlo veliku energiju, ali na sreću veoma malu

prodornu moć. Tako pri raspadu urana brzina α čestice iznosi oko 2·109 cm/s, a dužina puta u vazduhu od 3 do 8 cm. (3 čestica ima srednju brzinu oko 2·1010 cm/s, a domet oko 100 puta veći nego α čestica, dok γ zraci čija je talasna dužina od oko 10-8 do 10-11 cm imaju izrazitu prodornu moć i, grubo rečeno, imaju više od 10.000 puta veću prodornu moć nego te čestice. Zahvaljujući ovim osobinama α i β čestice se mogu vrlo efikasno apsorbovati u vodi koja služi kao moderator i kao rashlañivač u reaktoru. S druge strane γ zrake apsorbuje čelični sud u kome se nalazi nuklearno punjenje i to vrlo efikasno. Samo 100.000 deo od primarnog zračenja prodre izvan suda koji je utopljen u 2 t debeo armirani beton, koji apsorbuje preostalo zračenje iz reaktora. I pored svega ovoga zaštita otpočinje od samog štapa sa gorivom u kome su smeštene tablete radioaktivnog materijala.



|65|

4.3.14. Gorivi elementi i šipke sa nuklearnim gorivom

Slika 4.19. Izgled i konstrukcija gorivog elementa

U današnje vreme u reaktorima sa lakom vodom skoro uvek se koristi kao nuklearno

gorivo U - 235. Kako je njegova koncentracija u prirodnom uranu samo 0,7% to je neophodno sprovesti proces obogaćenja prirodnog urana, sa ciljem da se postigne takva koncentracija ovog izotopa koja će biti dovoljna da se odvija kontrolisan proces fisije pod dejstvom sporih neutrona. Priprema goriva za nuklearni reaktor je opisana, a smeštaj nuklearnog goriva u gorivne elemente dat je na slici 4.20. a, b i c.

Gorivi elementi su načinjeni od veoma otporne cirkonijumove legure koja ima veoma

malu apsorcionu moć u odnosu na spore neutrone, ima izrazito visoku tačku topljenja i vrlo je čvrsta. Gorivni elementi su kvadratnog preseka, iz jednostavnog razloga zato što se tako lakše pakuju u reaktor i što to omogućava konstrukciju koja je pogodna za brzo i efikasno strujanje vode kao rashlañivača i moderatora. Iako temperatura vode pod pritiskom u reaktoru ne prelazi temperaturu od oko 330 °C, temperaura u štapovima gorivnih elemenata može da



|66|

dostigne u izuzetnim slučajevima i vrednost od 2200°C. Ova temperatura je samo 300°C niža od tačke topljenja UO2 koja iznosi 2500°C. Nuklearna elektrana u Brunsbojtlu (Nemačka) ima u reaktoru punjenje od oko 98 t UO2, a nuklearna elektrana u Krškom (Slovenija) punjenje od oko 56 t goriva. Prosečan vek punjenja iznosi oko 3 godine, što znači da se za to vreme utroši glavni deo U - 235 i njegova koncetracija sa početnih 3,1 % pada na oko 0,8 %. Zaostali materijal predstavlja dobrim delom nuklearni otpad, iz koga se doduše može još ekstrahovati plutonijum.

Slika 4.20. (a) Izgled i konstrukcija gorivih elemenata: (b) šematski izgled štapa sa

nuklearnim gorivom i (c) fotografija gorivog elementa. .Otstojnik; 2.Spiralna opruga; 3.Prostor za fisione gasove; 4.Gasno-nepropusna košuljica od legure cirkonijuma;

5.Rashladno sredstvo; 6.Zatvarač 4.3.15. Reaktorski sud

Reaktorski sud se pravi od čelika i ima znatne dimenzije. Tako na primer, reaktor sa

ključalom vodom u Brunsboitelu (Nemačka) ima dimenzije: 21 m visina i 5,6 m prečnik, pri čemu su zidovi debeli 14 cm. Zato ne iznenañuje podatak da je prazan reaktorski sud težak oko 550 t Pored ove primarne zaštite reaktora postoji i betonska zaštita koja okružuje reaktorski sud. Ova betonska zaštita je od posebnog značaja jer štiti celokupni biološki svet od opasnog γ zračenja. Kod ovako velikih sistema nije isključena mogućnost da tokom upotrebe, na primer, prilikom zamene nuklearnog goriva, može doći do popuštanja zaptivača ili oštećenja cirkonijumske košuljice štapova sa gorivom, tako da jedan manji deo radioaktivnih supstancija može dospeti i u sistem za hlañenje. Ovo se može brzo i lako detektovati tako da se odmah preduzima sve da se tečnost za hlañenje očisti od radioaktivnih zagañenja i korozionih produkata, ali zato betonsko kućište ne dopušta ni u takvim slučajevima da se radioaktivno zračenje probije u spoljašnju sredinu.

4.3.16. Čišćenje zagañene vode i gasa

Prilikom normalnog rada nuklearne eketrane razvijaju se gasovite, tečne i čvrste

radioaktivne supstancije koje se svrstavaju u radioaktivni otpad. Od ukupnog otpada koga čine oko 200 različitih supstancija 20% čine gasne supstancije, pretežno plemeniti gasovi. Uz ove gasove moraju se priključiti i nastali radiokativni gasovi iz betonskog kućišta, reakcijom izmeñu gasova vazduha i sporih neutrona, koji su prodrli kroz metalni reaktorski sud. Meñu



|67|

svim tim gasovima najopasniji su Xe - 133 i Kr - 85 koji se moraju obavezno odstraniti. Lako isparljivi i izrazito mobilni elementi kao I, Rb i Cs takoñe čine sastavni deo zagañenih fluida. Zato se vrši neophodno čišćenje fluida pomoću jonoizmenjivačkih smola, gasnih filtera za prašinu i aktivnog uglja. Nakon te faze fluidi se posebnim postupkom zadržavaju u specijalnim sudovima sa ciljem da "sačekaju" da se okončaju svi radioaktivni raspadi kratkoživećih radioaktivnih nukleida, koji su zaostali nakon čišćenja. Pa i pored svih predostrožnosti u vazduh u prostorijama nuklearne elektrane ipak dospe jedan mali deo ovih supstancija kao radioaktivni gasovi ili kao aerosol. Stoga su postavljena zakonska ograničenja koja govore koliki je dozvoljen aktivitet radioaktivnih supstancija u atmosferi radnih prostorija nuklearne eketrane. Te vrednosti iznose za radiokativni He i Kg 1,48*1015 Bq/godišnje, za radioaktivne nukleide u aerosolu 1,48*1010 Bq/godišnje i 7,4*109 Bq/goodišnje za radioaktivni jod (I-131). Ovako prečišćeni fluidi mogu se ponovo upotrebiti ili pustiti u spoljašnju sredinu.

4.3.17. Sigurnosni sud

Na slici 4.21. se vidi da je reaktor obmotan sa nekoliko slojeva meñu kojima

sigurnosni sud ima vrlo važnu funkciju. Sigurnosni sud sa reaktorom nalazi se u betonskom kućištu sa dvostrukim betonskim zidovima, izmeñu koji vlada snižen pritisak. Razlika pritisaka u sigurnosnom sudu i izmeñu duplih zidova sigurnosnog kućišta služi kao efikasna zaštita reaktora. Na slici 4.21. a upravo je prikazan šematski odnos pritisaka u sigurnosnom sudu, izmeñu dvostrukih zidova sigurnosnog kućišta i reaktorske zgrade. Na slici 4.21.b prikazana je unutrašnjost reaktorske zgrade koja je tako grañena da sama predstavlja sigurnosni sud za reaktor i toplotni izmenjivač nuklearne eketrane sa vodom pod pritiskom. Slika 4.21. c prikazuje šematski nuklearnu elektranu sa reaktorom za ključalu vodu, iz koje se vidi gde i kako je ugrañen sigurnosni sud u nuklearnu elektranu. Zapravo kod svih vrsta reaktora postoji sistem zaštite, s tim što su oni tehnički i grañevinski različito izvoñeni za nuklearne elektrane koje su zidane u različita vremena. Zato se sitemi za zaštitu od havarija u nuklearnim elektranama razlikuju u detaljima.

Slika 4.21. (a) Šematski prikaz sigurnosnog suda sa dvostrukim zidom i odnos

pritisaka u sudu, izmeñu zidova suda i reaktorske zgrade. (b) Postrojenja unutar sigurnosnog suda 1.Atmosfesra; 2.Rekatorska zgrada; 3.Zaptivne obloge; 4.Strujanje vazduha u pravcu nižeg pritiska; 5.Sigurnosni prostor. Pritisak za 10 hPa manjii od spoljašnjeg; 6.Sigurnosni

sud



|68|

Slika 4.22. (c) Šematski prikaz nuklearne elektrane sa reaktorom za ključalu vodu iz

koje se vidi gde i kako je ugrañen sigurnosni sud. 1. Turbina. 2. Kondenzator, 3. Meñugrejač. 4. Generator, 5. Sigurnosni sud. 6. Reaktorski sigurnosni sud. 7. Cirkulaciona pumpa. 8. Sud za odlaganje gorivnih elemenata, 9. Skladište, 10. Postrojenje za zamenu gorivih elemenata.

11. Ventilacioni odžak. 12. Zgrada sa dizel agregatima. 13. Radionica. Kako gas uvek teži da prelazi iz suda sa većim pritiskom u sud sa nižim pritiskom to

je sasvim jasno da će gas težiti da prodre, ukoliko se ukažu ma kakve pukotine, iz sigurnosnog suda u meñu prostor dvostrukih zidova sigurnosnog kućišta. U meñu prostoru dvostrukih zidova sigurnosnog kućišta vazdušni pritisak je znatno niži od onog koji vlada u sudu i od onog u reaktorskoj zgradi. Pored toga pritisak u reaktorskoj zgradi je uvek niži od spoljašnjeg, tako da nikad ne može da doñe do slobodnog strujanja vazduha iz reaktorske zgrade u atmosferu. Ako je pritisak u sigurnosnom sudu sa reaktorom 1 bar, kao i u spoljašnjoj sredini, onda u reaktorskoj zgradi pritisak mora biti oko 0,7 mbara niži, a u meñuprostoru dvostrukih zidova sigurnosnog kućišta oko 10 mbara niži od atmosferskog pritiska. Ovo potvrñuje sve što je do sada rečeno tj. da je strujanje vazduha usmereno iz spoljašnje sredine u reaktorsku zgradu, odnosno iz reaktorske zgrade ili sigurnosnog suda u meñu prostor dvostrukih zidova sigurnosnog kućišta. Ovakav način zaštite omogućava sigurno i nesmetano prečišćavanje vazduha iz meñuprostora dvostrukih zidova sigurnosnog kućišta, ako se za to ukaže potreba. Naravno da ovakva vrsta zaštite zahteva i sistem dvostrukih vrata u komunikaciji izmeñu reaktorske zgrade i ostalih delova nuklearne elektrane, kao i niz drugih predostrožnosti koje se podrazumevaju kod izgradnje ovakvih objekata, a za šta ovde nema dovoljno mesta da bi se sve u detalje objasnilo.

4.3.18. Rad sistema za hlañenje u slučaju opasnosti

Opasnosti koje prete prilikom nekontrolisanog rada nuklearne eketrane su velike, ali

srećom dobrim delom predvidive. Jedan od mogućih nepoželjnih dogañaja je pucanje cevi koje sprovode pregrejanu paru ili vodu u primarnom krugu, iz reaktora do toplotnog izmenjivača. Na osnovu eksperimenata koji su voñeni u SAD sačinjeni su posebni sistemi za kondenzovanje te pare, a sve to u okviru sigurnosnog suda tako da u spoljašnju sredinu ne mogu prodreti radioaktivni zagañujuće supstancije. Ako se pretpostavi da je na samom ulazu u reaktor popustila cev za dovod pregrejane vode pod pritiskom, nakon prolaska kroz toplotni



|69|

izmenjivač, temperatura te vode iznosi oko 200°C. Prilikom pucanja cevi oslobaña se vodena para koja je još uvek pregrejana i koja momentalno ispunjava unutrašnjost sigurnosnog suda. Za takve nepoželjne dogañaje u okviru sigurnosnog suda izgrañeni su posebni rezervoari sa hladnom vodom u koje može da prodre pregrejana para, koja u kontaktu sa hladnom vodom počinje naglo da se kondenzuje, pri čemu i pritisak u sigurnosnom sudu opada.

U ovakvim situacijama reaktor se automatski isključuje naglim ubacivanjem

regulacionih štapova, koji najveći deo neutrona osloboñenih u kontrolisanoj fisiji apsorbuju. Meñutim proces gašenja nuklearne elektrane nije ni približno tako brz. Od momenta kada su u reaktor ubačeni svi regulacioni štapovi, do konačnog gašenja nuklearnih reakcija i hlañenja mora da protekne najmanje još nekoliko nedelja. Iako je onemogućeno kretanje neutrona izmeñu štapova sa nuklearnim punjenjem nije sprečeno nastavljanje fisije u okviru samih štapova. U štapovima se pored urana nalaze i produkti fisije, koji su takoñe radioaktivni i koji zajedno sa uranom tokom nuklearne reakcije olobañaju znatnu količinu toplote. Zato je vrlo važno da se i pored havarije na dovodnoj cevi i dalje u reaktor upumpava voda koja će hladiti štapove sa nuklearnim gorivom, kako se ovi nebi pregrejali i rastopili, što bi bilo najopasnije i sa nesagledivim posledicama. Ovaj proces se odvija tako što se iz kondenzatora sa vodom može dolivati dodatna količina vode u reaktorski sistem, čime se automatski nadoknañuje voda koja na mestu havarije ističe iz sistema.

Slika 4.23. a) Reaktor u kome je upravo pukla cev za dovod vode b) Prodor pregrejane pare u sud sa hladnom vodom gde se ona kondenzuje 1) reaktorski sud; 2)

sigurnosni sud; 3) odvod pare; 4) dovod vode; 5) regulaconii štapovi; 6) gorivi elementi; 7) pumpa; 8) ventil; 9) kondezacione cevi; 10) kondenzator vode



|70|

Slika 4.24. Cirkulacija vode od kondenzatora do reaktora: a) Pri manjim havarijama voda se dodaje iz kondezatora sa vodom u reaktorski sistem. b) Pri većim havarijama sva

voda iz kondezatora se upumpava u reaktrski sistem. 1) sigurnosni dovod vode; 2) sistem za potapanje reaktora: 3) sistem za hlañenje jezgara

Pri manjim havarijama voda se samo dodaje iz kondenzatora sa vodom u reaktorski

sistem. Pri većim havarijama sva voda iz kondenzatora se upumpava u reaktorski sistem, a u slučajevima kada ni to nije diviljno zidovi zaštitnog suda služe kao površine za kondenzaciju pare, koja se zatim sa dna sigurnosnog suda upumpava ponovo u reaktor.



|71|

5. RADIOAKTIVNI OTPAD

Prilikom rada jedne nuklearne eketrane 99% radioaktivnog materijala u obliku

radioaktivnog otpada ostaje u gorivnim elementima. Na sreću jedan deo tog radioaktivnog otpada može ponovo da se iskoristi, kao na primer plutonijum koji predstavlja otpad u običnim nuklearnim elektranama a gorivo je u reaktorima sa brzim neutronima. Zato se naravno takozvani nuklearni otpad prerañuje sa ciljem da se ekstrahuje što više Pu-239 ili U-238. Pored ovog u nuklearnim elektranama je prisutan otpad nastao neutronskom aktivacijom, usled neželjenog prodiranja radioaktivnih supstancija u unutrašnjost zgrade nuklearne eketrane na mestima na kojima su popustili zaptivači ili za vreme havarija. Fluidi koji se koriste u nuklearnim elektranama na sreću sadrže uglavnom nuklearni otpad čije je vreme poluraspada relativno kratko, pa je moguće te fluide prečistiti aktivnim ugljem ili ih zadržati u posebnim sudovima dok aktivitet do te mere ne opadne da postaje zanemarljiv. Kao primer može poslužiti radioaktivni ksenon:

čije je vreme poluraspada svega 5,3 dana, pa ako se fluid koji sadrži radioaktivni ksenon zadrži oko 60 dana (oko 11 perioda vremena poluraspada) u sudu za privremeno skladištenje, onda njegov aktivitet sigurno opada na svega 0,1% od polaznog aktiviteta. Pored ksenona vrlo opasan produkt radioaktivnog raspada, odnosno neutronske aktivacije, je izotop I - 131, sa vremenom poluraspada od 8 dana. Ovi izotopi dospevaju i do rashladnih sistema gde se emituju u atmosferu. Tako, na primer, jedna nulearna elektrana snage 1300 MW dnevno proizvodi halogena čija je ukupna radioaktivnost 3,7·107 Bq, od čega na radioaktivni jod otpada oko 3,7·104 Bq na dan (ovo odgovara veličini od 3.700 radiokativnih raspada I-131 na dan). Ovde se mora naglasiti da postoje i tako niske koncentracije radioaktivnih elemenata koji se teško mogu odstraniti, i za koje nema načina da budu duže ili trajno skladišteni na posebnim mestima. Takvi radioaktivni elemenati se puštaju u prirodu u koncentracijama koje su propisima dozvoljene. Pa i pored toga svaka koncentracija radioaktivnih elemenata može da predstavlja potencijalnu opasnost za životnu sredinu. Pored ovih "manje opasnih koncentracija" radioaktivnih elemanata postoje i radioaktivni elementi koji se moraju odlagati na poseban način i na posebna mesta. Tako, na primer, jedan reaktor sa ključalom vodom snage od 1.300 m/l godišnje proizvodi nekih 210 m3 čvrstog radioaktivnog otpada, od čega 80% čini otpad slabe radioaktivnosti ( < 0,37·1010 Bq/m3 ), 15 % srednje radioaktivnosti (od 0,37·1010 Bq/m3 do 3,7·1014 Bq/m3) i svega 5% visoke radioaktivnosti (> 0,37·1014 Bq/m3).

Slika 5.1. Godišnji radioaktinii otpad jedne nuklearne elektrane sa ključalom vodom

snage od 1300 MW. CA-slaboradiokativan; CpA-srednje radioaktivan; MA-malo radioaktinan



|72|

U grupu otpada slabe radoaktivnosti spadaju papir, krpe za čišćenje, folije i ostali materijal koji se koristi za održavanje čistoće. Srednje radioaktivni materijal čine koncentrati iz isparivača, filtera i slično, a visiko radioaktivni materijal čine apsorcioni materijali, jonoizmenjivači, delovi mernih ureñaja koji se unose direktno u reaktor i slično. Ovo su zapravo materijali koji se ne mogu ponovo upotrebljavati pa se pakuju u burad, a prethodno, ako je to potrebno, zalivaju smolama ili betonom. Nuklearna elektrana od 1.300 MW koristi preko 100 tona "goriva", od čega godišnji otpad iznosi oko 34,2 tone isluženog goriva, koje čini 32,7 t urana, 1,2 t produkata radioaktivnog raspada i 0,3 t plutonijuma. Ova količina radioaktivnog materijala se dalje koristi, ali uvek jedan deo radiaktivnih produkata ostaje neiskorišćen i mora biti sklonjen sa površine Zemlje sa posebnom pažnjom. 5.1. Vrste RAO (radioaktivnog otpada)

Primena radioaktivnih supstanci: • u medicini • kao obeleživači u različitim formama • sterilizacija medicinskog pribora • kao izvor zračenja u tarapeutske svrhe • u industriji • kontrola habanja delova mašina • kontinualni merači debljine • pri ispitivanju kretanja površinskih i podzemnih voda • kao izvor topote različite snage • izvori neutronskog zračenja • goriva u reaktorima...

Nastajanje RAO u reaktorima:

1. Pri normalnom radu: • vazdušni filteri • otpadna voda • otpadni gas u sistemima hlañenja i ventilacije

2. Pri tretmanu radioaktivnog materijala, održavanja delova reaktora i kontaminiranih

sistema, zameni opreme, pri dekontaminaciji… Vrste RAO prema aktivnosti:

• nisko aktivni • srednje aktivni • visoko aktivni

Svaka od ovih vrsta može biti u gasovitom, tečnom ili čvrstom agregatnom stanju. Prema specifičnoj aktivnosti, radiotoksičnosti i tehnologijama obrade, čvrste i tečne radioaktivne materije razvrstavaju se u sledeće kategorije:

• visokoaktivne radioaktivne otpadne materije • srednje aktivne sa alfa emiterima i • nisko aktivne sa alfa emiterima.



|73|

RAO prema agregatnom stanju: • čvrste radioaktivne otpadne materije • tečne radioaktivne otpadne materije • gasovite radioaktivne otpadne materije

5.1.1. Nisko aktivni otpad

Nisko aktivni otpad nastaje u bolnicama, nuklearnim elektranama i industiji. Čine ga

delovi opreme, filteri, odeća itd., koji sadrže uglavnom kratkoživuće radioizotope. Obično se njegovo skladištenje vrši zatvaranjem u kontejnere i zakopavanjem u plitkim rovovima. Konačno odlaganje nisko aktivnog otpada vrši se u čeličnim buradima standardne veličine od 100 ili 200 litara, odnosno u betonskim sudovima. Danas se u Evropi u trajnim odlagalištima nalaze na stotine hiljada (nekoliko miliona) ovakvih sudova sa slaboradioaktivnim materijalom.

Slika 5.2. Primer odlaganja nisko aktivnog otpada

5.1.2. Srednje aktivni otpad

Sastoji se uglavnom od hemijskih komponenti i delova nuklearnih reaktora. Deponovanje se vrši zakopavanjem na velikim dubinama u geološki stabilnim formacijama i soldifikacijom. Soldifikacija se može vršiti: bitumenom ili betonom.



|74|

Slika 5.3. Deponovanje u geološki stabilnim formacijama

Srednjeradioaktivni materijal se obavezno meša sa bitumenom ili betonom koji se izlivaju u čeličnu burad, tako da je eventualno izlučivanje ovakvih materija dobrim delom onemogućeno. Ovaj materijal se odlaže u posebnim hermetički zatvorenim prostorijama u koje se pomenuta burad spuštaju. Ceo proces se prati preko TV kamera, a eventualno podignuta prašina koja može da sadrži i manje količine srednjeradioaktivnog materijala se putem posebnih filtera sakuplja i taloži. Prašina je uvek prisutna u rudnicima soli jer su oni izuzetno suvi, a kamena so se lako drobi i sprašuje. Količina buradi srednjeradioaktivnog materijala je uvek oko 100 puta manja od količine buradi sa slaboradioaktivnim materijalom. 5.1.3. Visoko aktivni otpad

Čini ga potrošeno nuklearno gorivo. Ova vrsta otpada čini samo 3% zapremine ukupnog svetskog radioaktivnog otpada, ali daje 95% ukupne radioaktivnosti. Deponovanje se vrši najčešće nakon reprocesiranja i vitrifikacije, odnosno zatapanja u borosilikatna (pirex) stakla. Nakon vitrifikacije vrši se zatvaranje u kontejnere od nerñajućeg čelika i konačno deponovanje na velikim dubinama u zemlji.



|75|

Slika 5.4. Primer odlaganja visoko aktivnog otpada

Kod reprocesiranja zamenjeni delovi reaktora se odlažu u bazen koji ima betonsku zaštitu sa vodenim pokrivačem, gde se nakon kratkotrajnog lagerovanje transportuje za dalji tretman i pripremu za korišćenje. U postrojenju za preradu gorivih ćelija ovi elementi se lageruju u dubokoj vodi i transportuju u stanicu sa izolacijom. Daljinskim upravljanjem gorive ćelije se seku na komade veličine 5cm, koji se dalje tretiraju azotnom kiselinom. Iz rastvora se ekstrahuju uran i pluton koji se ponovo koriste kao sirovina za proizvodnju gorivih ćelija.

5.2. Prečišćavanje srednje- i niskoaktivnih rastvora

Pored nuklearnih postrojenja, kao jednog od izvora radioaktivnih izotopa, njihovo

korišćenje u nizu drugih institucija (istraživačkih, medicinskih, privrednih i sl.) daje otpadne rastvore srednje i niske radioaktivnosti. Metode dezaktivacije srednje- i niskoaktivnih rastvora analogne su metodama prerade ostalih otpadnih voda, ali mogu imati i niz specifičnosti. Koncentracija radioaktivnog izotopa u rastvoru može biti toliko mala, u odnosu na onu odreñenu proizvodom rastvorljivosti, da se ne može istaložiti kao teško rastvorna so. Zbog toga se koncentracija elementa koji se udaljuje povećava uvsfenjem stabilnog izotopa datog elementa ili nekog drugog sličnih osobina. Ova metoda naziva se sataloženje. Tako potpunijem udaljavanju 90Sr metodom sataloženja doprinosi uvoñenje jona Ca2+, a udaljavanju 131I u obliku srebro jodida - uvoñenje kalijum jodida. Za dezaktivaciju rastvora primenjuju se metode taloženja, koagulacije sa naknadnim taloženjem, jonske izmene, sorpcione i dr. Tako se koagulacijom omogućava dezaktivacija rastvora u kome sadržaj 3P u obliku fosfat-jona 80 puta prevazilazi maksimalno dozvoljenu koncentraciju. Koagulacijom se uspešno udaljuju i radioaktivni izotopi u koloidnom i suspendovanom stanju. Upotreba koagulacije uzrokovane bazama omogućava snižavanje sadržaja 90Sr, 95Zr za 97-98%. Efikasnu metodu dezaktivacije predstavlja i izmena jona i ona nalazi primenu kod obrade voda nuklearnih elektrana.



|76|

Dezaktivacija niskoaktivnih voda može se vršiti biološkim metodama. Dezaktivacija

voda u procesu biološkog prečišćavanja zasnovana je na sposobnosti mikroorganizama aktivnog mulja, bioopne, planktona i dr. da akumuliraju izotope. Tako stepen udaljavanja 239Pu u biofiltrima iznosi 75-95%, a u aerotanku 75-80%.

Osnovna osobenost svih navedsnih metoda jeste obrazovanje visokoaktivnog otpada

(talog, koncentrat) koji se dalje mora preraditi ili na odgovarajući način odlagati, kao što je prethodno opisano.

5.3. Posledice rada nuklearnih postrojenja po biosferu i čoveka

Važna posledica rada nuklearnih postrojenja jeste obrazovanje većih količina

veštačkih radioaktivnih supstancija. Njihovo dospevanje u životnu sredinu čak i u malim količinama može predstavljati značajnu opasnost po zdravlje čoveka.

Slika 5.5. Putevi radijacionog dejstva postrojenja nuklearne energetike na čoveka 1) Emisije u atmosferu; 2) nuklerarne elektrane i postrojenja gorivog ciklusa; 3) tečni

otpaci; 4) prirodne vode 5) voda za piće; 6) pašnjaci: 7) usevi; 8) zemljište 9) unutrašnje (inhalaciono) i spoljašnje ozračivanje; I) deponovanje radioaktivnih materija u organizam

čoveka; II) taloženje radioaktivnih materija Pri normalnom radu nuklearne elektrane i postrojenja za proizvodnju nuklearnog

goriva ispuštanje radioaktivnih produkata u životnu sredinu obavlja se uz brižljivu kontrolu. U vazduh dospevaju radionuklidi plemenitih gasova kriptona, ksenona i radona, tricijum, 14C kao i aerosoli goriva i produkata fisije. Tečni radioaktivni otpaci koji dospevaju u reke, veća jezera ili okean sadrže tricijum, fisione irodukte i druge supstancije.

Čovek može biti izložen sledećem dejstvu jonizujućeg zračenja:

• Spoljašnjem β i γ zračenju pri raspadu gasovitih radionuklida koji se nalaze u vazduhu ili vodi.

- II



|77|

• Ozračivanju pri raspadu radioaktivnih aerosolnih čestica istaloženih na površini zemljišta.

• Unutrašnjem ozračivanju pri udisanju radionuklida (inhalaciono ozračivanje). • Unutrašnjem ozračivanju kao rezultat upotrebe radionuklidima zagañene hrane i vode.

Delovanje radioaktivnog zračenja na žive organizme u suštini je uvek isto, jer ono

razara molekule koji sačinjavaju organizam, s tim što mehanizam delovanja zavisi od vrste zračenja. Pored izvora zračenja prikazanih na slici mogu se navesti i drugi spoljni izvori (boca sa rastvorom jedinjenja radioaktivnog elementa, zid prostorije zagañen radioaktivnim izotopima, rentgenski ureñaj, prostorije reaktorskog objekta i dr.) kao i oni u samom organizmu (radioaktivni kalcijum deponovan u kostima nakon unošenja u organizam hranom ili pi ćem, radioaktivno gvožñe vezano u hemoglobinu krvi... S obzirom da dejstvo zračenja traje onoliko dugo koliko se dati organizam nalazi u prostoru pod dejstvom spoljnjeg izvora zračenja, vreme ozračivanja je ograničeno, tj. napuštanjem ovog prostora prestaje delovanje zračenja.

Izučavanju biološkog dejstva jonizujućeg zračenja pristupilo se još prvih decenija

našeg veka, kada su i konstatovani štetni uticaji na organizam čoveka. Interes za ovo proučavanje posebno je narastao 40-tih godina posle prvih proba i primene nuklearnog oružja, a naročito 50-tih godina kada je započela mirnodopska primena nuklearne energije u različitim oblastima.

Kao rezultat eksperimenata na životinjama i proučavanja posledica ozračivanja ljudi pri atomskim eksplozijama u Hirošimi i Nagasakiju, kao i pri havarijama nuklearnih postrojenja, najbolje je proučeno jednokratno ozračivanje letalnim dozama koje uzrokuje akutnu radijacionu bolest. U zavisnosti od osetljivosti ćelija i tkiva i doze ozračivanja razlikuju se sledeći oblici akutne radijacione bolesti: koštanosržni, crevni, toksemični i cerebralni.

U dinamici razvoja koštanosržnog oblika radijacione bolesti mogu se izdvojiti četiri

perioda: inicijalni, latentni, manifestni i period oporavka. Period inicijalne reakcije počinje ubrzo posle ozračivanja i traje 2-4 dana. U ovom

periodu dominiraju nervo-refleksni poremećaji (muka, povraćanje, slabost. Težina simptoma zavisi od doze ozračivanja.

Latentni period je period kada se stanje obolelog poboljšava. I pored činjenice da se

oboleli ne žali na tegobe bolest napreduje. Dužina trajanja ovog perioda zavisi od doze ozračivanja i iznosi od 3-5 do 15-20 dana.

U manifestnom periodu javljaju se svi osnovni simptomi bolesti : maksimalno

narušavanje sastava krvi, narušavanje imuno sistema organizma, izliv krvi i krvarenja, poremećaji želudačno-crevnog trakta i metabolizma. Pri težim slučajevima dolazi do letalnog ishoda zbog infekciono-septičkih komplikacija, nemogućnosti uspostavljanja hemopoeze, izliva krvi i krvarenja. Ovaj period traje 15-30 dana.

U povoljnim slučajevima počinje period oporavka, postepeno se uspostavlja

hemopoeza, prestaju infekcione komplikacije, hemoragije i uspostavljaju druge funkcije organizma. Ozdravljenje teče sporo, i sa periodima komplikacije traje od 2-5 do 6-10 meseci.



|78|

Budući da su u nuklearnoj energetici prisutna visokostepena mehanizacija i automatizacija rada, poboljšanja zaštite na radu i preventivna tehnička rešenja, do akutnog oblika radijacione bolesti dolazi samo u slučaju težih havarija kao što je to bio slučaj u Černobilju. Umesto akutne radijacione bolesti za rad nuklearnih postrojenja karakterističan je drugi po značaju somatski efekt - hronična radijaciona bolest.

Hronična radijaciona bolest može se razviti kao rezultat višekratnog ili dugotrajnog spoljašnjeg ozračivanja ili pri unošenju radioaktivnih supstancija hranom ili vodom i dugotrajnim unutrašnjim ozračivanjem. Deo u organizam dospelih radioaktivnih supstancija se eliminiše iz organizma, ali se deo njih apsorbuje i nagomilava u organima i tkivima (izotopi joda u štitastoj žlezdi, stroncijum-90 i radijum - u kostima). Jakom ozračivanju izloženi su sluzokoža creva, jetra, štitasta žlezda i drugi organi.

U zavisnosti od nivoa radijacije, količine radioaktivnih supstancija dospelih u

organizam i dužine ozračivanja, hronična radijaciona bolest može biti različite težine. Razvija se postepeno i često nezapaženo. Kod teškog oblika hronične radijacione bolesti mogu se javiti svi karakteristični simptomi akutne radijacione bolesti sa letalnim ishodom.

Oštećenja nastala posle dužeg perioda, iosle jednokratnog ili hroničnog ozračivanja,

nazivaju se poznim posledicama i ona su najčešće posledice uticaja nuklearnih postrojenja, pre svega elektrana, na biosferu.

Pozne posledice ozračivanja mogu nastati kao rezultat jednokratnog dejstva

rendgenskog i u-zračenja, neutrona, protona, pri jednokratnom unošenju radioaktivnih supstancija, kao i usled hroničnog delovanja radionuklida ili ozračivanja malim dozama. Pozne posledice mogu nastati i kod osoba koje su prebolele akutno ozračivanje.

Stohastički efekti koji se ne javljaju odmah već posle dužeg perioda od ozračivanja

dele se na: a) somatske (telesne) efekte ozračivanja - zloćudne tumore i b) genetske efekte - uroñene anomalije i poremećaje koji se prenose na buduće generacije.

Eksperimentalni podaci i kontrola zdravlja ljudi kazuju o visokoj blastomogenoj

efektivnosti različitih vrsta jonizujućeg zračenja. Pojava zloćudnih (malignih) tumora (kancer, rak) različitih organa i tkiva, u mnogome zavisi od specifične sposobnosti radionuklida da se deponuje u odreñenom organu ili tkivu. Jonizujuće zračenje javlja se kao jedan od mnogih kancerogenih činilaca koji deluju na čoveka. Ovaj činilac odgovoran je za nekoliko procenata oboljevanja od malignih tumora. Kancerogeni kao i mutageni efekti dejstva fizičkih i hemijskih kancerogena se po pravilu javljaju pri manjim dozama nego opštetoksični sistematski efekti. Naime, dokazano je da se u slučaju zagañivanja atmosfere produktima elektrana koje energiju proizvode sagorevanjem organskih goriva zapaža povećanje smrtnosti od raka pluća pri čemu ukupna smrtnost ostaje na istom nivou.

Radioaktivne supstancije koje imaju skeletni tip raspodele često izazivaju tumore

koštanog tkiva. Suštinsko mesto u patologiji tumornih oblika poznih posledica zauzimaju leukoze. U patogenezi leukemije poseban značaj pripada aktivaciji latentnih onkogenih virusa, greškama reparacije DNK, nastanku somatskih mutacija u krvotvornim ćelijama, narušavanju hormonalne regulacije ćelijske homeostaze i sniženju imunološke stabilnosti organizma.

Leukemije nastaju posle mnogih meseci od dejstva leukomogenih činilaca, ali se preleukemijske ćelije u koštanoj srži nalaze ubrzo posle ozračivanja.



|79|

Pored navedenih ustanovljeno je i nastajanje tumora pluća, želudačno crevnog trakta,

jetre, štitaste žlezde, nadbubrežne žlezde, hipofize. Utvrñeno je da je kod rudara rudnika urana Šeneberg i Jahimovo uzrok smrti u 28-83% slučajeva bio rak pluća, čiji latentni period iznosi 20 godina.

Pod poznim posledicama ozračivanja, podrazumevaju se i različite patološke promene

organizma ili njegovih organa funkcionalnog ili organskog karaktera. Beta opekotine nastaju dospevanjem β-čestica na otkrivene delove tela i one se kao i

radijaciona bolest odvijaju u četiri faze: inicijalna faza (rana reakcija), latentna (skriveni) faza, faza razvoja i faza zalečenja. U zavisnosti od primljene doze razlikuju se četiri stepena beta opekotina: laki, srednji, težak i najteži.

5.4. Detekcija radioaktivnog zračenja Danas se koriste različite metode da bi se otkrilo zračenje. One se zasnivaju na pojavama vezanim za prolaz zračenja kroz materiju. Na primer, zračenje ostavlja tragove u fotografskoj emulziji, pa se pomoću nje može otkriti. Zračenje izaziva jonizaciju u gasovima. Na toj pojavi zasnivaju se detektori zračenja: jonizaciona komora i Geigher-Milerov brojač. Prolaskom zračenja kroz različite materije javlja se termoluminiscencija, pa se ta pojava koristi za detekciju. Prolaskom zračenja kroz neke kristale javljaju se bljeskovi, pa se na toj pojavi zasnivaju scintilacioni brojači. Za precizno odreñivanje energije zračenja koriste se poluvodički detektori. Postoji niz najrazličitijih izvedbi mernih ureñaja za detekciju zračenja. Aktivnost izvora, doza i ekvivalentna doza izračunavaju se iz podataka dobijenih merenim ureñajima, ili su već merni instrumenti baždareni tako da se neke od tih veličina mogu na njima direktno očitavati. 5.4.1. Jonizaciona komora Jonizaciona komora se sastoji iz posebne posude u kojoj se nalaze dve 79etector79 uključene na visoki napon. U posudi se nalazi neki, obično, plemeniti gas. Radioaktivno zračenje koje dospeva u aktivnu zapreminu komore, jonizuje gas, pri čemu nastaju joni oba znaka, odnosno elektroni.



|80|

Slika 5.6. Jonizaciona komora

Pod uticajem jakog električnog polja joni se skupljaju na elektrodama. Rezultat je

pojava električne struje kroz gasnu sredinu koja se posle pojačavanja registruje mernim instrumentom. Pomoću jonizaciona komora mogu se regstrovati alfa- i beta- čestice, dok je za gama-zrake ovo suviše prozračan detektor. 5.4.2. Gajger-Milerov brojač Rad Gajger-Milerovog brojača je zasnovan na jonizacionim efektima. On je vrlo pogodan za upotrebu i relativno je jeftin. Staklen, iznutra posrebren, ili metalna posuda cilindričnog oblika ispunjena je nekim plemenitim gasom pod visokim pritiskom. Katoda je cilindričnog oblika, a anoda je tanka žica postavljena duž cilindra. Elektrode su priključene na izvor jednosmerne struje, visokog napona, koji stvara jako električno polje.

Slika 5.7. Gajger-Milerov brojač



|81|

Pri prolasku radioaktivnog zračenja, gas u brojaču se jonizuje. Joni dolaze do elektroda (elektroni na anodu, a pozitivni joni na katodu). Time se strujno kolo u brojaču zatvara i pojavljuje se naponski impuls. Ureñajem za brojenje impulsa se broje naponski impulsi nastali u odreñenom intervalu vremena. Na osnovu toga dobija se informacija o intenzitetu zračenja. Pomoću Gajger-Milerovog brojača detektuju se alfa- i beta-čestice. 5.4.3. Scintilacioni brojač Rad ovog detektora je zasnovan na svojstvu supstance da pod uticajem radioaktivnog zračenja emituje svetlucanje malog intenziteta. Pri prolasku kroz supstancu, naelektrisane čestice uzrokuju jonizaciju i prelazak atoma u normalno (osnovno) stanje, pri čemu atomi emituju vidljivu svetlost. Svetlosni signali se zatim pretvaraju u električne impulse. Na osnovu broja i amplitude tih impulsa odreñuju se intenzitet i energija radioaktivnih čestica. Pomoću Scintilacionog brojača registruju se brzi elektroni i gama-fotoni.

5.4.4. Wilsonova komora Engleski fizičar Wilson prvi je 1912. godine konstruirao ovaj ureñaj. Aktivna sredina komore je zasićena para, najčešće vode, helijuma, azota ili argona. Izvor radioaktivnog zračenja postavlja se unutar aktivne sredine. Naglim povećanjem pritiska para se prvo sabije, a zatim smanjivanjem pritiska dolazi do širenja pare, pri čemu se temperatura pare snižava i ona prelazi u prezasićeno stanje. Takva para se lako kondenzuje u tečnost. Prilikom prolaska samo jedne alfa-čestice, stvaraju se hiljade pari jona, koji postaju centri kondenzacije pare. Na taj način se formiraju kapljice tečnosti, koje stvaraju tragove koji su vidljivi golim okom. Na isti način nastaje i vidljivi trag pare iza aviona na velikim visinama, samo što u tom slučaju,čestice prašine dovode do stvaranja pare.



|82|

Slika 5.8. Wilsonova komora

5.5. Akcidenti u nuklearnim postrojenjima

Iako nuklearne elektrane predstavljaju u poreñenju sa klasičnom industrijom pojam

savršenstva tehnike, sigurnosti i pouzdanosti, kao što su to uostalom i avioni meñu saobraćajnim sredstvima, nikako ne treba zanemariti činjenicu da mogući kvarovi na nuklearnim reaktorima mogu izazvati teške posledice, uključujući i ljudske žrtve. Osim akcidenata na nuklearnim reaktorima potrebno je ukazati i na nesreće nastale zbog neznanja, nemarnosti i neopreznog rukovanja radioaktivnim materijalom, a koje takoñe mogu predstavljati značajnu pretnju životnoj sredini i zdravlju ljudi.

Prva nuklearna elektrana snage 3 megavata podignuta je u mestu Obninsk udaljenom

50 kt od Moskve, i počela je sa radom 27. jula 1954. godine. Sjedinjene američke države su svoju prvu nuklearnu centralu sagradile tri godine kasnije u Šiping Portu (savezna država Ilinois). U našem neposrednom okruženju u pogonu se nalazi 10, a u izgradnji još 10 nuklearnih energetskih reaktora što čini ukupno 20 nuklearnih energetskih reaktora.



|83|

Slika 5.9. Lokacije nuklearnih postrojenja

Do sada je širom sveta zabeležen veliki broj akcidenata na nuklearnim postrojenjima

različitog stepena težine. Neki od njih, naročito oni iz perioda razvoja i uhodavanja nuklearnih postrojenja, brižljivo su skrivani od javnosti. Podaci o dogañajima u njima bili su oskudni, a često i namerno netačno prikazivani.

Istraživanja uzroka smrti 173 rendgenologa ukazala su da je leukemija zastupljena sa

oko 5% dok je meñu 50.000 osoba koje nisu dolazile u kontakt sa zračenjem leukemija uzrokovala smrt u 0,5% . U Hirošimi je u periodu od 1948. do 1950. godine od leukemije umrlo pet puta više ljudi nego u drugim oblastima Japana.

U Velikoj Britaniji je 10. i 11. oktobra 1957. godine došlo do incidenta na

nuklearnom reaktoru namenjenom za proizvodnju plutonijuma u mestu Vindskejl, sada Selafild. Do nezgode je došlo za vreme regeneracije grafita koji se koristio kao moderator. Nastali požar je zahvatio pored grafita i gorive elemente. U toku dva dana u vazduh je izbačena velika količina fisionih produkata koji su dospeli u mnoge delove V.Britanije. Vatra je ugašena tek petog dana pošto je reaktorsko jezgro potopljeno vodom. Prema saopštenju komiteta uglednog medicinskog saveta V.Britanije izdatog odmah posle nezgode, nije bilo štetnog dejstva zračenja na radnike u Vindskejlu i stanovništvo u okolini. Meñutim, prema dokumentu odbora za radiološku zaštitu V.Britanije iz 1983. godine samo 131I odgovoran je za 260 slučajeva raka štitne žlezde, od kojih se 13 smatraju fatalnim.



|84|

Tabela 5.1. Skala bezbednosti po stpenima ugroženosti

ZNAČENJE UZROCI I POSLEDICE PRIMER

0 Nema ugrožavanja bezbednosti

I Nenormalnost

Neželjenji dogañaji u vezi funkcionisanja nuklearnog postrojenja koji nije povećao rizik. Javlja se zbog greške u materijalu ili ljudskih činilaca

II Incident

Tehnički kvar ili nenormalnost u radu koji je izazvao aktiviranja sistema bezbednosti

III Težak incident

Pojava radioaktivnosti koja prevazilazi dozvoljenu granicu. Potrebne su dodatne mere bezbednosti oko reaktora jer bi nove greške dovele do nuklearne nesreće.

Vandeljos (Španija) 1989. Senkt Petersburg (Rusija) 1992.

IV Nesreća u glavnom postrojenju

Pojava veće doze radioaktivnosti. Zbog oštećenja reaktora moraju se u najbližoj zoni obaviti dodatne kontrole. Zaposl4eni mogu imati posledica po zdravlje.

Sen Loren (Francuska) 1980.

V Nesreća sa rizikom izvan reaktora

Nekontrolisano oslobañanje radioaktivnog materijala zbog teškog oštećenja većeg dela reaktora. Potrebna delimična evakuacija stanovništva.

Vindskejl (Velika Britanija) 1957. Ostrvo Tri Milje (SAD) 1979.

VI Teška nesreća

Nekontrolisano oslobañanje radioaktivnih materijala. Neophodno je sprovoñenje mera bezbednosti kako bi se smanjila nposredna opasnost po zdravlje stanovništva.

VII Velika nesreća

Zbog iskakanja sitema iz kontrole oslobañaju se velike količine radioaktivnog materijala. Moguća su teška oštećenja zdravlja stanovništva. Posledice su dugo prisutne u celoj zemlji i susednim državama.

Černobilj 1986.

Prilikom incidenta na nuklearnom reaktoru u Vinči (Sobija), 15. oktobra 1958. godine

ozračeno je šest osoba dozama izmeñu 2,07 i 4,36. U SAD je 20. maja 1970. godine prilikom reparature nuklearne elektrane 1psLap

RoJp! I, zbog kvara na parovodu, istovremeno zamenjeno 1.800 radnika. Brzina oslobañanja radioaktivnog materijala iznosila je 20 s1t3/11. Šteta narušenog ekološkog balansa reke Hadeon (država Njujork) u kojoj je u dva navrata u toku zime 1970. došlo do masovnog pomora ribe procenjena je na 5 miliona dolara.

Zbog neispravnosti sistema za hlañenje i kontrolnog sistema kao i greške operatera

zaduženog za upravljanje sistemom havarijskog ohlañivanja, 28. marta 1979. godine, svega 11 meseci od puštanja u pogon, došlo je do akcidenta na nuklearnom energetskom reaktoru Ostrvo tri milje na reci Seksehana udaljenom oko 15 km od Harizburga (savezna država



|85|

Pensilvanija). Oko 50.000 od 950.000 stanovnika ugroženog područja pod dejstvom apokaliptičkih vizija je napustilo svoje domove. Naime, u toku prekida hlañenja (na temperaturi od 3.000 °C počeli su da se tope gorivi elementi) jedan od ventila je ostao zaglavljen i otvoren, tako da su radioaktivna para i voda (oko 6.500 m3) isticali, tuširajući zidove, podove i opremu u reaktorskoj zgradi. Mesecima je zatim bilo nemoguće ući u reaktorsku zgradu zbog visine radijacije (jačina doze zračenja u reaktorskoj sali iznosila je 300 Su/ć). Sve do polovine 1981. godine, nije se moglo ući ni sa zaštitnim odelom. Na teritoriji u blizini reaktora jačina doze zračenja iznosila je 4*10-5 Gy/h. Ukupna proračunata doza ozračenja stanovništva na rastojanju od 80 kt od reaktora u toku prvih 5 dana iznosila je 60% doze ozračivanja iz prirodnih izvora za ovaj period. U životnu sredinu je prilikom havarije dospelo oko 9,25*1010 MBq radioaktivnih plemenitih gasova i oko 55,5*1010 Bq| radioaktivnog joda.

Saniranje posledica stajalo je oko 1.000 miliona dolara, 300 miliona dolara više nego

što je koštala izgradnja nuklearne elektrane. U akciji koja je zahtevala bezgranično strpljenje, učestvovalo je hiljadu radnika uz pomoć niza novih i složenih mašina robota.

Kada je o havarijama na nuklearnim energetskim reaktorima reč, treba navesti da ih

Meñunarodna Agencija za Atomsku Energiju (IAEA) sa sedištem u Beču razvrstava skalom od šest stepeni, s tim da pored njih postoji i nulti stepen kojim se označava dogañaj koji ne ugrožava bezbednost ljudi. Prikaz ove skale dat je u tabeli 5.1. 5.5.1. Najpoznatiji akcidenti u nuklearnim reaktorima

Černobil

Dana 26. aprila 1986. godine u 1 čas i 23 minuta, dogodila se havarija u nuklearnoj

elektrani Lenjin u Čsrnobilju (bivši Sovjetski Savez) na njenom IV nuklearnom energetskom reaktoru. Ona je imajući 31 ljudsku žrtvu neposredne radijacije kao i zagañivanje velikih površina sa visokim nivoom radioaktivnosti najveći udes ove vrste. Akcident se desio prilikom servisiranje instalacije koje su operatori iskoristili za realizaciju eksperimenta svesno kršeći radne propise. Najpre je došlo do pregrevanja jezgra reaktora. a zatim do naglog izbijanja požara. Pregrevanje gorivih elemenata i nagla proizvodnja pare i verovatno hemijska eksplozija, proizveli su udarni talas snage verovatno ravne eksiloziji nekoliko stotina tona klasičnog eksploziva. Eksplozija je probila reaktorski sud i krovnu konstrukciju, usled čega su užareni grumeni grafita i urana razbacani po okolnim zgradama i prostoru. Ukupno je osloboñeno oko 185#1016 V^ produkata fisije (bez radioaktivnih gasova) što čini oko 3,5% ukupne količine radionuklida u reaktoru u trenutku havarije. U blizini nuklearne elektrane u periodu od 10 do 30 dana došlo je do taloženja 99Mo, 95Zr, 95Nb, 141Cs, 144 Cs, 131I, 132I, 132Te, 103Ru, 106Ru, 14OBa+14OLa, 134Cs, 137 Cs, 89Sr, 91I. Stvaranje osnovnog dela radioaktivnih padavina u bližoj zoni završeno je u prvih 4-5 dana. Meñutim, potpuno stvaranje radioaktivnih tragova i mrlja produžilo se do kraja maja. Na površini zemlje nañeni su i izotopi plutonijuma.

Zagañenost vazduha 131I konstatovana je do 2. maja 1986. godine u Ukrajini,

Belorusiji i u Pribaltiku. U većini slučajeva ovo zagañenje imalo je kratkotrajan karakter, i bilo je vezano sa zagañenjem pokretljivih vazdupših masa. Budući da 1311 predstavlja opasnost za štitastu žlezdu ljudi iz neposredne okoline, posebno nri unošenju zagañenog mleka, započela je stroga kontrola njegovog prisustva u ovoj namirnici.



|86|

Kao posledica ove havarije došlo je do obrazovanja pet radioaktivnih oblaka. Prvi od njih kretao se prema Skandinaviji 26. aprila, drugi prema Poljskoj i istočnim delovima Nemačke 27. aprila, treći prema zapadnim oblastima Nemačke i Francuskoj 28. aprila, čstvrti prema Mañarskoj i našoj zemlji i Bugarskoj 29. aprila i peti prema Rumuniji, našoj zemlji i Bugarskoj 1. maja 1986. godine. U ovim zemljama je osnovno radioaktivno zagañenje istaloženo kišama poticalo od 137Cs (oko 3,7*1010 Bq/km2). Prvih dana i nedelja osnovna aktivnost životnih namirnica bila je uslovljena izotopom 1311. Njegov nivo na jugu Belorusije dostigao je vrednost od 3,7*10 Bq/kg, u salati 3,7*105 10 Bq/kg, a u govedini 3,7*103- 3,7*102 10 Bq/kg.

U noći izmeñu 25. i 26. aprila u nuklearnoj elektrani nalazila su se 444 lica (dežurni

personal, radnici različitih firmi i remontnih službi). Personal nuklearne elektrane i vatrogasci angažovani na gašenju požara podvrgnuti su intenzivnom mnogokomponentnom gama ozračivanju, beta i gama ozračivanju kože, inhalacionom dejstvu radionuklida iz parno-gasne faze. Doza unutrašnjeg ozračivanja iznosila je 5-10% doze spoljašnjeg ozračivanja.

U šest sati ujutru 26. aprila hospitalizovano je 108 ljudi, a u toku dana još 24. Ukupan

broj umrlih od opekotina i akutne radijacione bolesti početkom jula 1986. godine dostigao je cifru od 28 ljudi. Zagañenja vazduha rasprostirala su se na veće teritorije okolnih država. Visina struje izbacivanja radionuklida iznosila je 1.200 metara.

Najveća količina radionuklida osloboñena je u prva 2-3 dana posle havarije, a stvaranje osnovne količine radioaktivnih padavina završeno je kao što je već napomenuto prvih 4-5 dana.

U bliskoj zoni rasprostiranja radionuklida izotopi plutonijuma nalazili su se u

beznačajnoj količini. Na većim rastojanjima nalazili su se telur, jod i cezijum. Najviše koncentracije 131I nañene su u Kijevskom akumulacionom jezeru. Evakuacija stanovništva izvršena je iz zone prečnika 30 km od nuklearne elektrane. Iz grada Pripjat evakuisano je 135.000 stanovnika. Procenjuje se da je od 135.000 evakuisanih njih 24.000 ozračeno dozom od preko 45 Gy pri čemu treba imati u vidu da je godišnja maksimalna dozvoljena doza zaposlenih u nuklearnim energetskim postrojenjima svega 5 Gy.

Zvanično je radijaciona bolest konstatovana kod 203 čoveka, a krajnje teška

radijaciona bolest (4. stepena) konstatovana je u 20 slučajeva. Predviña se da će u narednim decenijama 100-200 od 24.000 osoba koji su primili

visoku dozu umreti od raka, dok će broj smrtnih slučajeva u zapadnom delu bivšeg Sovjetskog saveza i Evropi porasti za 5.000 do 75.000.

U toku sedam meseci posle akcidenta izvršeno je brižljivo uklanjanje radioaktivnog

materijala iz više od 500 naselja i oko 60.000 grañevina. Prve procene troškova saniranja posledica date od strane sovjetske vlasti govorile su o 2,8 milijarde dolara, dok su se predviñanja američkih stručnjaka data 2 godine posle akcidenta kretala oko čak 15 milijardi dolara kao krajnjem iznosu svih troškova.

Na istom tipu reaktora kao što je Černobiljski došlo je do teškog incidenta i 24. marta

1992. godine, ali ovog puta u Sankt Peterburgu (Rusija). Prilikom rada pod optimalnim naponom bezbednosni sistem elektrane se automatski uključio pošto je došlo do zastoja u jednom od kanala za napajanje nuklearnim gorivom. Iako je sistem usporio reaktor ispod



|87|

kritične granice, ohladio ga i isključio, izvesna količina radioaktivnog gasa "pobegla" je kroz aerosolne filtre. Fukušima

Fukušima nuklearna elektrana se nalazi u gradu Okuma u Futaba oblasti koja pripada prefekturi Fukušima na oko 210 kilometara severno od Tokija. Elektrana se sastoji od šest blokova (reaktora) tipa BWR. Reaktor je dizajnirao Dženeral Elektrik sa ukupnom snagom 4,7 gigavata, pa Fukušima elektrana predstavlja jednu od 25 najvećih nuklearnih elektrana u svetu. Fukušima elektranu je prva elektrana koju je izgradio i kojom rukovodi Tokijska Elektroprivrede (TEPKO).

Prvi blok snage 1 439 megavati izgrañen je u julu 1967. Počeo je proizvodnju

električne energije u komercijalne svrhe 26. marta 1971. godine. Blokovi 2 i 3 su iste snage od po 784 megavati, reaktor 2 je počeo sa radom u julu 1974. a reaktor 3. marta 1976. godine.

Reaktori 1-5 imaju Marka 1 tip (torus u kome para može brzo kondenzuje) čeličnu

strukturu ispod reaktorskog suda, dok reactor 6 ima Marka 2 tip. Od septembra 2010. godine, blok 3 koristi kao gorivo pomešani oksid uranijuma i plutonijuma.

Slika 5.10. Japanska nuklearka Fukušima Daići I ima reaktor sa ključalom vodom.

Nuklearno gorivo (šipke), u procesu razbijanja atoma razvija toplotu koja greje vodu,

i prolazeći kroz turbinu – proizvodi struju. Ohlañena voda se pumpa u reaktor i onda se proces ponavlja – voda se ponovo greje.

Unutrašnjost takvog reaktora se sastoji od dugih cevi u kojima se nalazi nuklearno

gorivo i šipke obogaćenog uranijuma. Prilikom raspada radioaktivnog uranijuma, oslobañaju se ogromne količine energije koja zagreva vodu. Istovremeno, oslobañaju se i energetski nabijeni neutroni koji aktiviraju cepanje atoma u susednim šipkama sa uranijumom.

Radi kontrole ovog procesa, što podrazumeva i mogućnost da se on zaustavi, izmeñu

šipki sa nuklearnim gorivom instalirane su takozvane kontrolne šipke koje apsorbuju pomenute osloboñene neutrone.

Kada se nuklearna elektrana isključuje, kontrolne šipke se spuštaju u reaktor, prekida

se lančani proces cepanja atoma, reaktor se hladi – doduše, ne dovoljno brzo. Zbog toga se, pumpama na struju, hlañenje vodom ubrzava.



|88|

U slučaju nestanka struje, situacija postaje kritična, pritisak i temperatura u reaktoru rastu. Ako taj proces nije moguće zaustaviti, omotač šipki sa nuklearnim gorivom se može oštetiti ili totalno uništiti.

U ovoj fazi, sadržaj šipke, (nuklearno gorivo, što znači uranijum i na primer cezijum)

dospeva u sam reaktor i tone na dno. Tu onda može doći do nekontrolisanih nuklearnih eksplozija, koje izazivaju dodatni pritisak i temperaturu. Na kraju, može doći do eksplozije celog reaktora, kao što je to bio slučaj pre skoro 25 godina u Černobilu. To je najgori mogući scenario, jer svi proizvodi raspada atoma eksplodiraju u atmosferi.

Hronologija Incidenta u nuklearnoj elektrani od 11. Marta 2011 do 12. Aprila 2011

11. Marta, Tokoku zemljotres jačine devet stepeni Rihterove skale pogodio je Japan.

Japanska agencija za nuklearnu i industrijsku bezbednost odmah je sazvala sednicu kriznog štaba kako bi obezbedila normalno funkcionisanje 55 nuklearnih reaktora u Japanu. Reaktori 1,2,3 na nuklearnoj elektrani Fukušima 1 odmah su prestali da rade zbog potresa. Reaktori 4,5,6 u tom trenutku nisu ni bili operativni. Nakon sat vremena usledio je cunami. Proglašeno je vanredno stanje zbog kvara rashladnih sistema na reaktoru u Fukušima 1 nuklearnoj centrali i evakuisano je hiljade stanovnika koji žive u krugu od 2 km oko elektrane.

12. Marta da bi se oslobodio pritisak u kontejmentu prvog bloka, u vazduh je

ispuštana para, u kojoj su bile čestice radioaktivnog materijala. Oblast evakuacije oko nuklearne centrale Fukušima 1 povećana je na deset kilometara. Dok se pretpostavljalo da je došlo do delimičnog topljenja gorivnih šipki u bloku 1, došlo je do eksplozije vodonika na spoljnoj strukturi (reaktor nije bio oštećen) i uništen je gornji deo zgrade u kojoj se nalazi blok 1. U eksploziji je povreñeno četvoro radnika, ali je kontejment (čelično betonska konstrukcija oko primarnog kruga) reaktora unutar zgrade ostao netaknut. Operatori postrojenja su počeli da koriste morsku vodu za hitno hlañenje (što je trajno oštetilo reaktora s obzirom da morska voda prouzrokuje koroziju unutar reaktora). Donesena je odluka da se evakuacija stanovništva proširi na krug od 20 kilometara, što je uticalo na 170 000-200 000 ljudi, a savetovano je stanovnicima na 30 kilometara od centrale da ostanu u zatvorenom prostoru zbog mogućeg oslobañanja fisionih produkata iz oštećenog reaktora. Naročito je opasan radioaktivni jod-131, pa su zbog toga podeljene profilaktičke jod tablete za ljude koji žive oko Fukušima 1 centrale. Izdate su preporuke stanovništvu koje napušta prostor u blizini oštećene nuklearne elektrane da uzimaju jod koji, u obliku sirupa ili tableta, može biti od pomoći u zaštiti od raka tiroidne žlezde usled izloženosti radioaktivnosti. Kasnije je došlo do otkazivanja i sistema za hlañenje bloka broj 3 u nuklearnoj centrali, zbog čega je nastao rizik od nove eksplozije vodonika unutar zgrade reaktora.

13. Marta delimično topljenje jezgra bilo je moguće u bloku 3 Fukušima 1 nuklearne

elektrane. Od 13:00, iz reaktora 1 i 3 su ispušteni nagomilani gasovi odnosno para i reaktori se pune vodom i bornom kiselinom kako bi se smanjila temperatura i sprečio dalji razvoj nuklearne reakcije. Nešto kasnije upumpava se u reaktor 1 i morska voda radi boljeg hlañenja. Blok 2 je imao niži nivo vode od normalnog, ali se smatralno da je reaktor stabilan, iako je pritisak unutar reaktora bio dosta visok. Objavljeno je da je ocena situacije u Fukušima 1 centrali na nivou 4 (nezgoda sa lokalnim posledicama).

14. Marta došlo je do eksplozije vodonika unutar zgrade reaktora broj 3, pri tom je

povreñeno jedanaestoro ljudi. Nije došlo do oslobañanja radioaktivnog materijala u atmosferu s obzriom da je dan pre toga već došlo do ventilacije bloka. Uprkost tome, eksplozije štetno



|89|

utiče na vodosnabdevanje drugog bloka. Procenjeno je da nesreća u Fukušima 1 centrali treba da bude ocenjena kao nivo 5 (nesreće sa širim posledicama) ili čak 6 (teška nesreća). Spoljni zid reaktora je oštećen, ali je unutrašnjost ostala netaknuta. Oštećen je sistem za hlañenje na bloku 2 od eksplozije u bloku 3, problem sa sistemom za ventilaciju uticao je na dovod vode do bloka 2.

15. Marta eksplozija na trećem reaktoru je u bloku 2 prouzrokovala verovatno štetu na

kontejmentu reaktora. Sistem za hlañenje je potpuno van funkcije i počinje ubrizgavanje vode iz mora, kako bi se ohladio reaktor broj 2. Zbog veoma lošeg hlañenja i dovoda vode do jezgra reaktora 2 sumnja se da su gorivni elementi pretrpeli delimično izlaganje i da je došlo do njihovog pregrevanja. Isti dan izbija i požar u bloku 4 gde se nalazi bazen sa istrošenim gorivnim šipkama. Istrošeno gorivo se obično čuva u bazenu ispunjenim vodom kako se gorivo ne bi pregrevalo. Nivo radijacije u nuklearnoj centrali je značajno porastao, ali se kasnije smanjio. Izmerena ekvivalentna doze zračenja u blizini trećeg bloka iznosila je 400 milisiverta na sat (400 mSv/h). Treća eksplozija u Fukušimi 1 dogodila se nešto kasnije na reaktoru 2. Evakuisani svi radnici, osim onih koji su zaduženi za hlañenje reaktora. Proglašena je zona zabranjenog leta u radijusu 30 kilometara oko Fukušime 1 centrale.

16. Marta oko 14:30 došlo do ključanja vode u bazenu sa itrošenim gorivnim

elementima u bloku 4, koji se nalazi van kontejmenta reaktora. Blok 4 je bio u fazi remonta u vreme zemljotresa, u utorak 15. marta je izbila vatra u bazenu sa istrošenim gorivom verovatno izazvana eksplozijom vodonika, nivo vode u bazenu nije bio poznat. Pokušalo se sa upumpavanje vode kako bi se ohladio bazen. Mogućnost da se uspostavi kritičnost u bazenu sa istrošenim gorivom se povećala. Do podneva dolazi do oslobañanja gustog belog dima iz Fukušima 1 centrale i verovalo se da dim dolazi iz bloka 3. Ubrzo nakon toga, svi radnici osim male grupe (50ak ljudi) su evakuisani zbog rasta nivoa radioaktivnosti na 1000 mSv/h. Istog dana u popodnevnim časovima počeo je proces dodavanja vode u reaktore 5 i 6, koji su u vreme zemljotresa bili ugašeni ali gorivo je ostalo unutar jezgra reaktora. Neznatno dolazi do porasta temeperature u bazenima sa istrošenim gorivom na bloku 5 i 6, usled nedovoljne količine vode koja je potrebna za hlañenje istrošenog goriva. Nakon što su prethodnog dana na oštećene reaktore nuklearne centrale "Fukušima 1" izbacili oko 64 tone vode, japanska vojska i policija su nastavile akciju, kako bi se povećao nivo vode u reaktorima.

17. Marta, helikopteri su četiri puta pokušali da sa krova ubace vodu na bazen sa

istrošenim gorivom u blokove 3 i 4. U popodnevnim satima objavljeno je da je u bloku 4 bazen sa istrošenim gorivom pun vode i da nije došlo do izlaganja gorivnih elemenata i njihovog otapanja. Počeli su grañevinski radovi kako bi se obezbedio spoljni izvor napajanja električnom energijom do svih šest blokova Fukušima 1 centrale. Počevši od 7 sati, kamioni sa vodom pokušavali su da ubrizgaju vodu u reaktor bloka 3.Inženjeri su uspeli da povežu kablove sa blokom 2. U bazenima za hlañenje u još dobrim reaktorima 5 i 6 raste temperatura, izmereno je 60 stepeni.

18. Marta 139 vatrogasaca i spasilačkih ekipa je poslato sa trideset vozila oko 03:00

zajedno sa japanskim odbrambenim snagama da pomognu u snabdevanju vodom blok 4 kao i blok 3, gde je situacija bila mnogo ozbiljnija nego što se na početku mislilo. Prognoziralo se da će vetrovi duvati u smeru okeana tako da radioaktivne čestice neće da se šire u smeru ka kontinentu. Na 30 kilometara severozapadno od oštećenih Fukušima 1 nuklearnih postrojenja izmerena je povećana radijacija od 150 mikrosiverta na sat, mikroSv/h. Ljudsko izlaganje ovom nivou radijacije na šest do sedam sati bi značilo apsorpciju doze koja se dobije za



godinu dana. Nesreća na bloku 2, 3 i bazenu imogućih 7 nivoa.

19. Marta vatrogasci su koristili vozilo koje može da izbacuje vodu sa visine od 22

metara i time su potpomogli hlareaktora 3. Voda je sprejom ubrizgavana 7 sati u toku dana. Nakon toga uspešno je snižetemperatura vode oko istrošenog goriva na ispod 100 °C. U reaktoru 6 ponovo radi dizel generator, a u reaktoru 5 pumpa za hla

20. Marta teško oštećeni reaktor 2 u Fukušima 1 nuklearnoj centrali je kona

struju, što omogućava njegovo normalno hlau reaktoru 3 malo povišen. Uspecisterne opremljene sa vodenim topovima polili su oko 2.000 tona vode na reaktor 3. Ista operacija sprovedena je na reaktoru 4.

Slika 5.11. Kompjuterska simulacija širenja radioatkivnog oblaka usled Fukušima

21. Marta reaktori 1 i 2, koji su bili teško ošte

jezgra reaktora, prethodnih dana su bili prikljunormalno hlañenje jezgra. Reaktor 3 je u eksploziji bio električne energije hladi se i dalje posipanjem vode uz pomopreduzimaju se i u slučaju reaktora 4 sve dok se ne uspostavi napajanje elektrienergijom. Reaktori 5 i 6 spojeni su sa sistem

22. Marta u toku dana iz reaktora 2 i 3 oslobo

sumnjalo se da su radioaktivne evakuisani. Uspešno su spojeni svih šest reaktora nuklearne centrale Fukušima 1 sa električnim napajanjem, čime je uspostavljen sistem za hlanije najjasnije šta je prouzrokovalo dim tog dana.

Od 23. marta do 26. marta intenzivno je pra

centrali s obzirom da je do svih 6 rradioaktivnost u okolini centrale i podzemnim vodama (kao i okeanu) dramati

27. Marta radioaktivnost vode kod reaktora 2 u Fukušima centrali bila je nekoliko

puta veća od normalne zbog Takoñe, u uzorcima morske izmerena je veoma visoka koncentarcija radioaktivnog joda. U ostalim delovima nuklearke radnici su skoncentrisani na vazgrada gde su turbine (u 3 od 6 blokova) i pokušavaju da radioaktivnu vodu preusmere na kondenzatore. Napajanje strujom je uspostavljeno u svim blokovima 1

okruženje


|90|

a na bloku 2, 3 i bazenu istrošenog goriva 4 je podignuta na nivo 5, od

19. Marta vatrogasci su koristili vozilo koje može da izbacuje vodu sa visine od 22

metara i time su potpomogli hlañenje skladišta istrošenog nuklearnog goriva u bazenu reaktora 3. Voda je sprejom ubrizgavana 7 sati u toku dana. Nakon toga uspešno je snižetemperatura vode oko istrošenog goriva na ispod 100 °C. U reaktoru 6 ponovo radi dizel generator, a u reaktoru 5 pumpa za hlañenje nuklearnog goriva.

ćeni reaktor 2 u Fukušima 1 nuklearnoj centrali je kona

ava njegovo normalno hlañenje. Stabilni su i reaktori 5 i 6, dok je pritisak u reaktoru 3 malo povišen. Uspešno je spojen strujni dalekovod sa reaktorom 2. Kamioni cisterne opremljene sa vodenim topovima polili su oko 2.000 tona vode na reaktor 3. Ista operacija sprovedena je na reaktoru 4.

Kompjuterska simulacija širenja radioatkivnog oblaka usled Fukušima nuklearne nesreće.

21. Marta reaktori 1 i 2, koji su bili teško oštećeni i gde je moglo da dojezgra reaktora, prethodnih dana su bili priključeni na struju i na taj nač

enje jezgra. Reaktor 3 je u eksploziji bio veoma oštećen i zvog nedostatka ne energije hladi se i dalje posipanjem vode uz pomoć vatrogasnih jedinica. Iste mere

čaju reaktora 4 sve dok se ne uspostavi napajanje elektrienergijom. Reaktori 5 i 6 spojeni su sa sistemom za električno napajanje i reaktori su stabilni.

22. Marta u toku dana iz reaktora 2 i 3 osloboñen je gusti dim iz nepoznati

sumnjalo se da su radioaktivne čestice dospele u životnu sredinu, s toga su zaposleni hitno evakuisani. Uspešno su spojeni svih šest reaktora nuklearne centrale Fukušima 1 sa

čime je uspostavljen sistem za hlañenje u celoj elektrani. Još uvek nije najjasnije šta je prouzrokovalo dim tog dana.

Od 23. marta do 26. marta intenzivno je praćena situacija u Fukušima 1 nuklearnoj centrali s obzirom da je do svih 6 reaktora dovedeno napajanje električnom energijom ali je radioaktivnost u okolini centrale i podzemnim vodama (kao i okeanu) dramati

27. Marta radioaktivnost vode kod reaktora 2 u Fukušima centrali bila je nekoliko a od normalne zbog čega su svi radnici hitno evakuisani iz zgrade ovog bloka.

e, u uzorcima morske izmerena je veoma visoka koncentarcija radioaktivnog joda. U ostalim delovima nuklearke radnici su skoncentrisani na vañenje kontaminirane vode iz

od 6 blokova) i pokušavaju da radioaktivnu vodu preusmere na kondenzatore. Napajanje strujom je uspostavljeno u svim blokovima 1-6. Blokovi 2 i 4 se

kih nauka

strošenog goriva 4 je podignuta na nivo 5, od

19. Marta vatrogasci su koristili vozilo koje može da izbacuje vodu sa visine od 22 enje skladišta istrošenog nuklearnog goriva u bazenu

reaktora 3. Voda je sprejom ubrizgavana 7 sati u toku dana. Nakon toga uspešno je snižena temperatura vode oko istrošenog goriva na ispod 100 °C. U reaktoru 6 ponovo radi dizel

eni reaktor 2 u Fukušima 1 nuklearnoj centrali je konačno dobio

enje. Stabilni su i reaktori 5 i 6, dok je pritisak ujni dalekovod sa reaktorom 2. Kamioni

cisterne opremljene sa vodenim topovima polili su oko 2.000 tona vode na reaktor 3. Ista

Kompjuterska simulacija širenja radioatkivnog oblaka usled Fukušima

eni i gde je moglo da doñe do otapanja eni na struju i na taj način je omogućeno

ćen i zvog nedostatka vatrogasnih jedinica. Iste mere

aju reaktora 4 sve dok se ne uspostavi napajanje električnom no napajanje i reaktori su stabilni.

en je gusti dim iz nepoznatih razloga i

estice dospele u životnu sredinu, s toga su zaposleni hitno evakuisani. Uspešno su spojeni svih šest reaktora nuklearne centrale Fukušima 1 sa

oj elektrani. Još uvek

ena situacija u Fukušima 1 nuklearnoj čnom energijom ali je

radioaktivnost u okolini centrale i podzemnim vodama (kao i okeanu) dramatično rasla.

27. Marta radioaktivnost vode kod reaktora 2 u Fukušima centrali bila je nekoliko ga su svi radnici hitno evakuisani iz zgrade ovog bloka.

e, u uzorcima morske izmerena je veoma visoka koncentarcija radioaktivnog joda. U enje kontaminirane vode iz

od 6 blokova) i pokušavaju da radioaktivnu vodu preusmere na 6. Blokovi 2 i 4 se



|91|

snabdevaju električnom energijom, ali pojedinačne komponente se još uvek proveravaju pre nego što se stave pod napon. Osvetljenje u blokovima 1, 2 i 3 u kontrolnim sobama je vraćeno. I dalje je u toku upumpavanje sveže vode u samo jezgra reaktora kako bi se ohladila.

30. Marta u centrali su i dalje pokušavali da reaktore stave pod kontrolu i povrate

sistem za hlañenje na svim blokovima. Konstantno se smanjuje upotreba morske vode za hlañenje i umesto nje se ponovo koristi slatka voda. Napon struje je delimično uspostavljen u reaktoru broj 4 i kontrolna prostorija je ponovo dobila struju, kao što su je već dobile i prostorije reaktora 1, 2 i 3 prethodnih dana. Strah od zagañenja životne sredine je porastao u ponedeljak uveče 29. marta kada je saopšteno da su u pet uzoraka zemljišta u blizini postrojenja nañeni tragovi visokoradioaktivnog plutonijuma. Za sada se predpostavlja da plutonijum verovatno potiče od šipki iskorišćenog nuklearnog goriva.

1. aprila objavljeno je da je u podzemnim vodama u blizini bloka 1 Fukušima

nuklearne elektrane detekovan viši nivo radijacije od normalnog. Razmatranon je ubrizgavanje azota u reaktore kako bi se sprečio nastanak praskavog gasa usled stvaranja vodonika unutar reaktorskog suda.

2. aprila je uočena pukotina veličine 20 cm u blizini drugog bloka elektrane na mestu

gde se nalaze električi kablovi i gde voda ulazi u blok 2. Radnici su se pripremili da zabetoniraju ovu pukotinu kako bi zaustavili radioaktivnu vodu da se izlije u okean (izmerena radioaktivnost vode je 1 Sivert na sat.

3. aprila bezuspešno je prošao pokušaj da se zaustavi curenje vode u bloku 2

zabetoniranjem pukotine pa je s toga u rupu ubačen super apsorben koji može a upije velike količine vode. Nivo radijacije u elektrani i njenoj okolini se smanjuje.

4. aprila počelo je ispuštanje niskoradioaktivne vode u okean kako bi se u elektrani

napravio prostor za skladištenje visikoradioaktivne vode. Ovaj postupak je bio nepohodan kako bi se ponovo uspostavilo potpuno hlañenje reaktora 1-4.

5. aprila nivo radioaktivnog joda-131 u morskoj vodi u blizini eletrane je premašio

zakonski limit. Odlučuje se da se u pukotinu bloka 2 ubrizga natrijum silikat kako bi se sprečilo dalje curenje radioaktivne vode van reaktora.

6. aprila curenje u reaktoru je 2 prestalo. Još uvek nije najjasnije da li je došlo do

oštećenja jezgra u reaktoru 2 i koliko je jezgro uopšte oštećeno. Radnici su počeli sa ubacivanjem azota u blok 2 kako bi se smanjila verovatnoća da doñe do nove vodonikove eksplozije ili nastanka praskavog gasa.

7. aprila novi zemnjotres je pogodio Japan, ovaj put jačine 7.1, n audaljenosti od 118

kilometara od Fukušima nuklearne elektrane. Nije došlo do novih oštećenja na elektrani. 12. aprila nivo ozbiljnosti na INES skali je podignut na nivo 7, u odnosu na prethodni

nivo 5 koji je objavljen pre gotovo mesec dana. Na ovaj korak se odlučila pre svega zbog posledica koje su nastale na ureñajima u elektrani i oko elektrane. Nesreća je nažalost zahvatila 4 reaktora (dok su se sve prethodne nesreće u svetu dogañale uglavnom na samo jednom reaktoru). Iako je nivo 7 na INES skali isti nivo kao i Černobiljska havarija, radijacija koja je ispuštena za vreme nesreće u Fukušima elektrani iznosi jedva 10% radijacije iz Černobilja.



|92|



|93|

6. ENERGETSKA EFIKASNOST U GRAðEVINARSTVU

6.1. Modeli energetske efikasnosti

Postoje razni pristupi problemu energetske efikasnosti zgrada u zavisnosti od savremenosti primenjene tehnologije. Ovo poglavlje predstavlja modele,koji se mogu primeniti radi poboljšanja energetske efikasnosti zgrada uključujući nisko- i bezenergetske zgrade, dizajn pasivnog domaćinstva, zgrade koje proizvode struju, ekološka naselja, aspekte obnavljanje i procese tehničkog prijema.

6.1.1. Niskoenergetske zgrade

Vršena su mnoga istraživanja u Severnoj Americi i Evropi da bi se razvila prektična

rešenja za niskoenergetske zgrade. Teorije su testirane na modelima zgrada i razultati su u velikoj meri poboljšani. Danas se definicija niskoenergetske zgrade može podeliti na dva specificna pristupa: koncept od 50% i koncept od 0% (bezenergetske zgrade ili pasivna domaćinstva,pogledaj sledeće poglavlje). Procenti ukazuju na količinu energije, koju ove zgrade troše u odnosu na standardne zgrade sagrañene prema važećim standardima, propisima i zakonima. Zgrada sagrañena po konceptu 50% troši samo polovinu količine energije za grejanje standardne zgrade, koje su sagrañene na klasičan način.. Niska potrošnja energija se zasniva na povećanoj toplotnoj izolaciji, kvalitetnim prozorima i sistemu povraćaja toplote iz ventilacije.

U okviru IEA-ovog programa, Solarno grejanje i hlañenje, su sagrañene i

procenjivane niskoenergetske zgrade. Zgrade se nalaze u sledećim državama: SAD-Arizona, SAD-Kalifornia (Veliki Kanjon), Belgija, Kanada (Brempton i Vaterlo), Danska, Finska, Nemačka (Berlin i Potvajl), Italija, Japan, Holandija, Norveška, Švedska i Švajcarska. Nažalost u Africi i u Južnoj Americi nisu grañeni ovakvi objekti.

Projekat je rezultujeo sledeća opažanja:

• moguće je dizajnirati niskoenergetska zgrade, koji imaju visoki toplotni komfor, kvalitetan unutrašnji vazduh i malo narušavaju životnu sredinu. Prosečan ukupni utrošak energije posmatranih objekata pokazuje redukciju od 60% u odnosu na tipične potošnje u stambenim zgradama,

• ukupna energetska potrošnja se ne razlikuje puno od države do države. Ovo je delimično zato, što utrošak energije na grejanje vode, svetla i ureñaje ne zavisi u velikoj meri od klime, dok su propisi za izgradnju prilagoñeni preovlañavajućim klimama u svakoj zemlji. Nivoi izolacije su uglavnom niski u zemljama sa blagom klimom, a visoki u zemljama sa oštrom klimom. Utrošak energije po m² ne varira u tolikoj meri, koliko bi se očekivalo zbog razlike u klimatskim uslovima,

• radi objektivne procene je neophodno uzeti u obzir celokupnu potrošnju energije, a ne samo onu za grejanje vode i prostora. Bitno je uzeti u obzir i grejanje i hlañenje, jer se pokazalo da bi fokusiranjena jedno godišnje doba dovelo do problema u toku drugog godišnjeg doba. Takoñe je veći problem bio smanjenje hlañenja , nego smanjenje grejanja,

• zgrade funkcionišu kao sistem, gde su različite tehnologije korišćene kao integrisani deo celine. Redosled primenjenih mera se isto pokazao važnim. Kao po pravilu, najefikasnija ekonomičnost se postiže, ako se mere energetske efikasnosti razmatraju u sledećem redosledu: tehnologija za energetsko očuvanje, pasivne i aktivne solarne



|94|

tehnologije. Ove tri tehnologije se najčešće kombinuju u sistemima. Iz ovoga sledi, da je mudrije razviti kocepte za zgradu kao celinu, nego za posebne tehnologije,

• pasivne solarne tehnologije u velikoj meri doprinose grejanju u svim klimatskim uslovima i ne uzrokuju pregrejevanje, ako se upotrebljava odgovarajuća zaštita.Povraćaj toplote iz ventilacionog sistema je uobičajan u niskoenergetskim sistemima,

• dizajniranje novih koncepata zgrada zahteva timove stručnjaka iz različitih oblasti. Vidovi energije bi trebali da se razmatraju u ranoj fazi dizajniranja, a arhitekte i inženjeri treba da sarañuju od samog početka projektovanja i

• obuka graditelja, nadzora i stanovnika je isto bitna za niskoenergetske zgrade, jer gradilišna praksa i ponašanje stanovnika u velikoj meri utiču na potrošnju energije.

6.1.2. Bezenergetske zgrade Bezenergetske zgrade samostalno proizvode celu količinu energije, koju potroše u

toku jedne godine koristeći samo obnovljive izvore energije. Ovaj pristup predstavlja najizazovnije rešenje pojma: grañenje koje štiti životnu sredinu i ubuhvata moderne tehnologije: energetski efikasne tehnologije i obnovljive energetske sisteme, kao što su solarna energija i energija vetra. Ova rešenja minimalizuju uticaj zgrade na životnu sredinu, a da pri tome ne smanjuju komfor ukućana tj. korisnika objekta. Bezenergetske zgrade su sve potrebnije u razvijenim državama, jer su potencijalno rešenje za globalno zagrevanje i ostale probleme zaštite životne sredine, kao što je ekonomska zavisnost od uvoza fosilnih goriva.

Energija se može skladištiti toplotno ili u baterijama, jer neke zgrade mogu

proizvoditi više energije leti, a više koristiti zimi, ali na godišnjem nivou zbir proizvedene i potrošene energije mora biti nula (ili manje). Za porodične kuće takoñe postoji odreñen broj tehnologija, koje se mogu ugraditi da proizvode toplotu i struju (npr. solarne ćelije, male turbine za vetar, solarne ploče…)

Bezenergetske zgrade su obično priključene na glavnu električnu mrežu zbog

mogućih prekoračenja u zahtevu za strujom, ali ima i onih koji nisu priključeni.

6.1.3. Pasivne zgrade Pasivne zgrade raspolažu udobnom unutrašnjom klimom, koja se održava bez

aktivnih sistema za grejanje ili hlañenje, zgrada ’’greje samu sebe ’’, pa je ’’pasivna’’. Koristeći obnovljive izvore energije pasivne zgrade troše približno četvrtinu energije, koju troše prosečne nove evropske zgrade na održavanje i grejanje, a koje su izgrañene u saglasnosti sa važećim standardima i zakonima. Suma troškova izgradnje, uključujući cenu dizajniranja, vrednost ugrañene opreme i troškove održavanja u narednih 30 godina za ovakve objekte ne prelazi cenu koštanja izgradnje prosečnih novih zgrada. 6.1.4. Zgrade koje proizvode energiju

Tehnologija pasivnih zgrada je već demonstrirana i komercijalizovana (naročito u Nemačkoj), a uporedo sa time su aktivirani i neki pilot-projekti vezani za zgrade, koje proizvode više energije, nego što ukućani objekta potroše. Višak energije je obično struja proizvedena u solarnim ćelijama, solarnim grejanjem i hlañenjem, kvalitetnom izolacijom kao i pažljivim odabirom lokacije objekta.



|95|

6.2. Ekološka naselja

Da bi zgrada bila energetski efikasna, celokupni lanac energije mora da se uzme u obzir sa lokalnim uslovima životne sredine, problemima zajednice, sistemom transporta i strukturama posla i življenja.

Ekološka naselja spadaju u projekat podržan od strane EU čiji su glavni ciljevi:

• maksimizacija održavanja i poštovanje prirodnog stanja okoline, • maksimizacija duhovnog zdravlja, osećaja prihvaćenosti, zdravlja, rekreacije i

kulturnog identiteta i • optimizacija regionalne raspodele vode, energije, hrane…

U toku planiranja energetskog lanca eko-naselja se mora uzeti u obzir pritupačnost

energetskih izvora, prvenstveno obnovljivih izvora. Takoñe mora da se razmotri i funkcionalnost celokupnog energetskog sistema (proizvodnja, transport, potrošnja i u nekim slučajevima skladištenje), da bi se našlo optimalno rešenje.

Lanac energije u eko-naseljima podrazumeva sledeće:

• niskoenergetske zgrade • niskotemperaturni grejni sistem • niskotemperaturni proizvodni sistem toplote • korišćenje obnovljivih izvora energije, kad je moguće • optimalna proizvodnja toplote • centralizovanje proizvodnje električne energije.

Niskotemperaturni grejni sistemi su preporučljivi, jer mogu koristiti mnoge izvore

energije uključujući obnovljive izvore i izvor otpadne toplote. Dobro se uklapaju u niskoenergetske zgrade zbog male potražnje toplotne energije zgrade.

Korišćenje ovog sisteme u zgradama ima sledece pozitivne efekte na toplanu:

• gubici proizvodnje opadaju, • proizvodi se više elektricne energije i • povećava se efikasnost toplane.

6.3. Energetski-efikasno obnavljanje

U procesima obnavljanja su primenjeni praktično isti principi, kao kod novih

konstrukcija. Operativna energija je glavni uzrok emisije ugljendioksida u zgradama. Renoviranje postojećih objekata bi trebalo da obuhvati sledeće oblasti:

• energetska efikasnost, • izolaciona zaštita, • savremeni prozori, • kontrolisana ventilacija i toplotna obnovljivost izduvnog vazduha, • niskotemperaturni sistemi za proizvodnju toplote, • energetski efikasni električni ureñaji i • proizvodnja tople vode korišćenjem obnovljivih izvora.



|96|

Poboljšanje toplotnih karakteristika je najčešće logično rešenje za smanjenje potrošnje energije zgrade i kao takva je najznačajnija strategija saniranja objekata. Nivo poboljšanja nakon sanacije zavisi od kombinacije primenjenih mera (menjanje vrata, prozora, izolacija zidova, krova…), koji ako nisu usklañeni, neće dovesti do željenih rezultata. Istovremena sanacija izolacije zidova i krova postojećeg objekta ima mnogo veći efekat i više se isplati od vršenja istih u nekom vremenskom razmaku.

6.4. Performanse u toku životnog ciklusa

Efektivni nacin da se poboljša energetski ciklus objekata je tehnički pregled, koji

podrazumeva da se zgrada tako dizajnira, da zadovoljava funkcionalne zahteve ukućana. Prvenstveno se misli na optimizaciju energetskog sistema unutar zgrade, a zatim i na aspekte ekonomije, društva i ostale aspekte životne sredine. Razvijeni su sistemetski pristupi životnom ciklusu zgrada i dele se na one, koji podržavaju dizajn tehničkog pregleda, prihvatljivost, kontinualno održavanje i izveštavanje. Za svaku fazu su razvijene i date odgovarajuće liste i opisi, pri čemu su korišćene manuelne i automatizovane metode. Rezultati su objavljeni u priručnicima kao i na internetu. Zaključak je, da bi prisustvo odgovornog lica za tehnički pregled u toku projektovanja pozitivno uticalo na kvalitet projekta,jer bi isti rešavao probleme vezane za energetsku efikasnost objekta. U zavisnosti od veličine projekta ovu dužnost može obavljati višečlani tim stručnjaka. Pri manjim projektima se ova odgovornost može prepustiti dizajneru, koji već poseduje zadovoljavajuće predznanje iz oblasti energetske efikasnosti objekata uz razmatranje primedbi i zahteva budućih korisnika objekta. Svi ovi aspekti treba da se razumljivo preformulišu u zakonsku dokumentaciju.

6.5. Smanjenja potrošnje energije pri projektovanju objekata

Uvoñenje većeg iskorišćenja energije, upotreba obnovljivih izvora energije i

podržavanje zelenog projektovanja poslednih godina je postalo glavni prioritet u projektovanju federalnih objekata. 6.5.1. O tehnologiji

Objekti koriste približno 37% primarne energije i 67% ukupne godišnje električne

potrošnje u SAD.Pažljivo prateći projektantski proces, moguće je praviti objekte čija je potrošnja energije znatno manja, bez narušavanja njihove komfornosti i funkcionalnosti. Celokupno projektovanje objekata podrazumeva energetski povezane delove i akcije, uključujući:gradilište, oblogu(zidovi prozori, vrata, krov), grejanje, ventilaciju, osvetljenje i opremu. U tradicionalnom načinu gradnje nije postojao cilj smanjenja potrošnje energije i njenog koštanja, osim onog što je zahtevano propisima. Da bi se postigli ovi ciljevi projektantski tim mora kao prioritet ustanoviti minimalnu potrošnju energije, na samom početku projektovanja. Neophodno je da u projektantskom timu postoji stručnjak za energiju, koji daje savete u pogledu smanjenja potrošnje energije tzv. ENERGETSKI KONSULTANT.

. Njegov zadatak je:

• da upozna članove tima sa projektantskom strategijom koja je u skladu sa tipom, veličinom i lokacijom objekta

• da osigura da ta strategija bude primenjena u celosti, da ne bude ugrožena ili eliminisana tokom kasnijih faza



|97|

• da izvrši pregled završene konstrukcije ,da bi proverio da li je strategija izvedena u potpunosti Energetski konsultant u svom radu se koristi iskustvenim saznanjima, primenom

računarskog modeliranja....Vrlo često ulogu konsultanta može vršiti i sam arhitekta ili grañevinski inženjer

6.5.2. Oblast primene

Oblast primene ne podrazumeva lokaciju tehnologije, već gde je ona integrisana sa ostalim elementima objekta da bi se postigla energetska efikasnost i objekat koji služi i okolini i funkcionalnim potrebama korisnika.Veoma je bitno da se u razmatrenje ne uzimaju samo odvojeni delovi i materijali, već i to kako različiti delovi mogu najbolje da funkcionišu zajedno, da bi se postigli željeni rezultati. Principi smanjenja potrošnje energije i koncept obnovljivosti energije mogu biti primenjeni kod skoro svakog tipa objekata.

6.5.3. Mehanizmi očuvanja energije

Mehanizmi očuvanja energije i smanjenja njene potrošnje sastoje se od

arhitektonskih rešenja koja su pogodnija za primenu od mnogih konvencionalnih i manje efikasnih tehnologija.

Mnoge primene predstavljaju promena tipičnih delova objekata , kao što su fasade i

krovovi, u one koji imaju projektovanu površinu sa sposobnošću odbijanja ili blokiranja sunčevih zraka.

Smanjenje potrošnje energije ostvaruje se kombinovanjem različitih sistema,

materijala koncepata koji bi trebalo da deluju stimulativno kad god je to moguće. Za većinu nestambenih objekata smanjenje potrošnje energije od 30% ispod onog što se zahteva standardima može se postići malim povećanjem cene koštanja.Uštede od 70% i više su moguće u tipičnim objektima, ali ove značajne uštede mogu biti ograničene budzetom i kriterijumom koštanje-efikasnost.

Jedan od osnovnih alata očuvanja energije je primena računara u modeliranju i

dizajniranju softvera, jer se energetski efikasan koncept i tehnologija moraju spojiti sa svim ostalim elementima zgrade. Ova strategija treba biti upotrebljavana na samom početku projektovanja da bi se analizirala efikasnost i cena primenjenog rešenja. Rezultati ove analize su namenjeni projektantskom procesu, da bi se osigurala zahtevana namena i da promene dizajna neće uticati na bitne karakteristike objekta. 6.5.4. Prednosti projektovanja smanjenja potrošnje energije u grañevinarstvu

Projektovanja smanjenja potrošnje energije u grañevinarstvu: • omogućava veoma efikasno osvetljavanje i svetlosno zagrevanje, spektralno

selektivno zastakljivanje i primenu geotermalnih toplotnih pumpi • predstavlja korišćenje obnovljivih izvora energije • mnoga ovakva projektovanja rezultujela su apsolutnim redukovanjem upotrebe

fosilnih goriva • zajedno ove inovacije mogu da sačuvaju energiju, smanje cene i očuvaju prirodne

resurse



|98|

• mogu da inspirišu koncepte projektovanja

Primena zavisi od: 1.Klime 2.Unutrašnjih grejnih dobitaka 3.Veličine objekta i masivnosti 4.Zahteva osvetljenja 5.Sati rada 6.Koštanja energije

Klima • pored osnovnih karakteristika (toplo-hladno) bitna je i vlažnost, oblačnost, vetar • npr. vedra hladna klima je pogodna za prostore sa ugradnjom pasivnog solarnog

sistema zagrevanja • prostori sa vedrom toplom klimom zahtevaju visok stepen kontrole sunca • sezonska priroda vetra takoñe treba da se razmatra ako se želi prirodna ventilacija

Unutrašnji grejni dobici

• podrazumevaju toplotu dobijenu od stanara , osvetljenja, opreme • u ranoj fazi projektovanja predviñeni dobici toplote treba da budu definisani za

različite prostore, da bi se vršila odgovarajuća strategija projektovanja prema njima • npr. u stovarištima gde je mali broj korisnika prostora i gde je mala količina opreme

ovi dobici toplote su veoma mali • prisustvo intenzivne unutrašnje toplote je ključno za projektovanje HVAC sistema

Veličina objekta i masivnost

• i unutrašnja i spoljašnja klima imaju veliki uticaj na sve aspekte projektovanja • one nekada odgovaraju jedna drugoj , nekada su u suprotnosti • npr. slučaj objekta sa velikim unutrašnjim dobicima toplote u oblasti sa hladnom

klimom-slučaj kada su u suprotnosi • npr.kada je veliki unutrašnji dobitak toplote uoblasti sa toplom klimom-odgovaraju

jedna drugoj • razumevanje ovih faktora je ključno za projektovanje smanjenja potrošnje energijepod

toplo/toplo uslovima objekti će zahtevati uklanjanje toplote iz unutrašnjosti tokom cele godine

• osnovni prilazak projektovanju je da se sve prostorije pozicioniraju tako da mogu da dobiju koristi od spoljašnjosti preko spoljašnjih zidova

• da bi se ovo postiglo objekti su mnogo uži,maksimalne širine do 70 stopa • nije svim objektima potrebno da budu izloženi spoljašnosti (bolnice,sudovi), njima

više odgovara unutrašnje postavljanje i šira i kompaktnija forma

Zahtevi osvetljenja • osvetljenje različitih delova objekta treba da bude definisano u ranim fazama

projektovanja • mnogi prostori (lobiji) zahtevaju ambijentalno osvetljenje u relativno niskim

jedinicama svetlosti (10 kendela ili manje) • ovakvi prostori su idealni za dnevno osvetljenje • neki prostori pak zahtevaju visok stepen osvetljenja (50 kendela ili više)



|99|

• u ovakvim slučajevima drojektanti mogu da idu od dnevnog osvetljenja do efikasnog električnog osvetljenja sa odreñenom kontrolom

Sati rada • kod objekata u stalnoj upotrebi (bolnice, stanice) ravnoteža hlañenja i grejanja može

se bitno razlikovati od objekata koji nisu u stalnoj upotrebi • u ovakvim objektima generacija toplote iz osvetljenja, ljudi, opreme je veoma velika

i može redukovati proizvodnju toplotne energije • objekti u stalnoj upotrebi imaju zahteve za visoko efikasnim i dobro kontrolisanim

sistemom osvetljenja • objekti sa upotrebom u odreñenom vremenu treba da budu projektovani u skladu sa

svojim limitiranim korišćenjem

Koštanje energije

• cena energije (naručito električne) za većinu nestambenih objekata je kritičan faktor pri projektovanju strategije koja ne samo da će čuvati energiju već i da će imati povoljnu cenu

• u SAD na većini lokacija struja je 3-4 puta skuplja od prirodnog gasa, pa se na osnovu toga usmerava i projektovanje

• npr. povećavajući zastakljene površine koje obezbeñuju ulazak dnevne svetlosti, može se smanjiti upotreba skupe struje za osvetljenje i zagrevanje

• projektovanjem i pravljenjem objekata sa uvoñenjem upotrebe ’’zelenih izvora’’ energije može se smanjiti dalji udar na životnu sredinu

• ’’ZELENA ENERGIJA’’-odnosi se na korišćenje električnih izvora koji su prihvatljiviji za životnu sredinu od konvencionalnih

• termini ’’zelen’’ i ’’ čist’’ se koriste da opišu ovaj tip električne energije • snabdevanje ’’zelenom energijom’’ može biti i kombinacija dobijanja energije iz više

obnovljivih izvora energije 6.6. Tipovi objekata

6.6.1. Stambene zgrade

• u oblastima sa hlasnom klimom zahtevaju prozore niske emisione moći i visok nivo

izolacije • mogu da imaju koristi od pasivnog solarnog grejanja, ugradnjom odgovarajuće

količine absorbera toplote • u toploj klimi-solarna kontrola • važno je da se iskoristi mogućnost za pasivno ili aktivno solarnim predgrevanjem

vode • kod objekata koji nemaju lak prilazak korisničkoj mreži-mogućnost korišćenja

solarnih ploča kao primarnog izvora energije

6.6.2. Male nestambene zgrade

• osvetljenje i unutrašnje dobijanje istog ima malu ulogu u ravnoteži energije • na ove objekte se mogu lako primeniti principi projektovanja smanjenja potrošnje

energije



|100|

• ovde spadaju i razni centri za posetioce,koji spadaju u najnaprednije u pogledu očuvanja energije

• oni obično imaju veliki budžet koji omogućava upotrebu trajnih materijala • omogućavaju predstavljanje misije očuvanja pripodnih resursa posetiocima • ove konstrukcije obično kombinuju potrebu za prozorskim delovima, masivnu

konstrukciju i toleranciju temperaturne razlike-tako da su kompatibilne sa strategijom projektovanja smanjenja potrošnje energije

• dnevno osvetljenje je takoñe ključna stvar za primenu kod ovih objekata

6.6.3. Poslovne zgrade

• prave se na skupom zemljištu i skučenom prostoru • sadrže pretežno kancelarije ali i prostorije druge namene • obično imaju tornjeve, tako da bivaju zaklonjene od susednih zgrada što bitno utiče na

dizajn i veličinu mehaničkog sistema hlañenja • u većini slučajeva je potrebno da se redukuje solarni dobitak • spoljašnje zaštite od sunca ili upotreba specijalnih stakala (zatamljenih), vrše

dvostruku funkciju –oživljavaju fasadu i obezbeñuju redukciju hlañenja • smanjenje potrošnje energije se postiže pomeranjem kancelarija što više prema fasadi • na taj način svetlost je usmerena dublje u unutrašnjost, a korisnici mogu da uživaju u

pogledu i prirodnoj svetlosti • atrijumi treba da budu projektovani i locirani tako da prirodna svetlost zameni

veštačku,da se minimalizuje hlañenje i da se iskoristi mogućnost solarnog grejanja ako je to potrebno

6.6.4. Sudovi

• zahtevaju veoma složeno projektovanje • moraju biti usklañene mnoge različite funkcije ,gradilišni prostori često ograničeni • njihova urbana lokacija često zahteva obazrivost ka okolnim zgradama sa istoriskim

vrednostima,i zahteva integraciju u postojeći urbanistički plan • često funkcionalne potrebe (bezbednost) moraju biti u potpunosti zadovoljene i imaju

prednost u odnosu na projektovanje sniženja potrošnje energije, tako da solarna projektna strategija ne može uvek biti primenjena

• mogućnosti sniženja potrošnje energije su ipak velike naročito u pogledu osvetljenja, HVAC sistema, opreme i kontrole

• mogu se primeniti mnoga rešenja poslovnih zgrada

6.6.5. Bolnice

• teže da imaju mnogo malih prostorija i neke od njih treba da budu bez prozora • kancelarije i bolesničke sobe imaju i stambene i komercijalne karakteristike • kafeterije i lobiji imaju mogućnost za dnevnim osvetljenjem • većina prostorija zahteva spoljašnju ventilaciju vazduha • ventilacija-zagrevanje vazduha-povratni sistem koji nije sklon unakrsnom zagañenju

je veoma koristan kod ovih objekata naročito kod onih koji se nalaze u hladnoj klimi • dobre su za ugradnju efikasnog i kontrolisanog sistema osvetljenja



|101|

6.6.6. Laboratorije

• energetski osetljivi objekti, imaju visoke zahteve u pogledu ventilacije • zahtevaju ogromnu količinu ventilacionog vazduha da bi se osigurao dobar kvaliter

unutrašnjeg vazduha • ako postoji zahtev za toplom vodom, preporučuje se predgrevanje solarnom

energijom za objekte u oblastima sa vedrom klimom • ovi objekti mogu imati koristi od dnevne svetlosti, ali pošto su zidovi zauzeti opemom

treba predvideti visoko postavljene prozore ili gornje osvetljenje preko krova • u zavisnosti od klime termički zidovi za zadržavanje toplote izmeñu laboratorija i

hodnika takoñe imaju smisla • na severnoj strani mali prozori-izvor dnevne svetlosti • projektovanje atrijuma-dobijanje dnevne svetlosti i dobijanje prostora za sastanke • zapadne fasade mogu da posluže kao bezprozorne prosrorije za držanje predavanja

6.6.7. Skladišta/prenošenje/popravka

• ove aktivnosti se obično izvode u prizemnim objektima sa visokom tavanicom • za sastavne delove krova i zidova moraju biti preduzeti koraci za sprečavanje gubitka

toplote zbog stalnog metalnog kontakta po konstrukciji • ne ograničavanje metalnih komponenti može značajno da ugrozi otpornu moć

izolacije • u oblastima sa vrelim letima preporučuju se beli ili reflektujući krovovi • ako se osvetljenje može kontrolisati senzorima i drugim ureñajima , prirodno

osvetljenje može biti veoma korisno • ako budžet ne dozvoljava upotrebu krovnih monitora sa vertikalnim staklima na

severu ili jugu treba koristiti visoke prozore duž južne i severne strane • voditi računa pri upotrebi svetlarnika,jer mogu da stvaraju odsjaj i upuštaju značajnu

količinu toplote • HID lampe su pogodne kada su postavljene tako da osvetljavaju skladišni prostor

kada je dnevna svetlost nedostupna • ako se hala uptrebljava sa prekidima više manjih HID ili fluorescentnih lampi koje se

lako gase i pale treba da se koriste • HVAC-lociran u radnim prostorijama

6.6.8. Kampusi

• širok spektar objekata sa velikim gradilišnim prostorima • uključuju ruralne ili suburbane poslovne objekte,učionice i trening centre, neke

laboratorije... • pošto su objekti rašireni, veći deo unutrašnjeg prostora biće blizu spoljašnjim

zidovima • u poreñenju sa kompaktnom formom objekta, ovaj oblik gradnje košta više na

početku jer iziskuje veći gradilišni prostor, veće daline povezivanja... • kasnije ovi izdatci se pravdaju korišću od dnevnog osvetljenje i prirodne ventilacije • za delove koji mogu da imaju koristi od pasivnog solarnog zagrevanja,ključno je to

da južna solarna stakla budu bez ikakvog zaklanjanja (uključujući i drveće) tokom grejne sezone



|102|

6.7. Integracija koncepta smanjenja potrošnje energije u projektantski proces

1.FAZA OSTVARLJIVOSTI

• faza u kojoj oni koji donose odluke u federalnom sektoru,odobravaju izvoñenje

projekta • u ovoj fazi arhitekte i inženjeri osmišljavaju namenu i prave dokument koji

obezbeñuje projektantsku strategiju

2.BUDžETSKA FAZA

3.FAZA PRE-PLANIRANJA uključuje:

• potrebe korisnika i zahtevanu kvadraturu • lokaciju i gradilišne mogućnosti • procena koštanja i vremena rada

4.FAZA PLANIRANJA

• pripremaju se osnovne projektantske opcije • ovaj proces se vrši nekoliko puta sve dok se ne dobije najpogodnije rešenje, a zatim i

njegovo odobrenje

DIREKTNO DOBIJANJE PASIVNOG SOLARNOG ZAGREVANJA

• zastakljavanje južnih strana • ciljevi:dobijaju se uštede u grejanju • najbolje se primenjuje u vedrim,hladnim klimama

ATRIJUMI

• višespratne otvorene oblasti (pogodne za lobije,komunikaciju) • pokriveni su staklom • treba da obezbede dnevnu svetlost • u hladnim klimama atrijumi mogu da skupljaju solarnu toplotu

PEJZAŽNO OSENČENJE

• korišćenje postojećeg ili sadnja novog drveća i ostalog zelenila u cilju osenčenja • lociranje drveća tako da se redukuje hlañenje • najbolje funkcioniše kod južnih i zapadnih delova objekta

INTEGRISANI FOTOSTRUJNI SISTEMI

• pretvaraju sunčevu svetlost u električnu energiju bez stvaranja buke ili štetnih emisija • najbolje se primenjuju u sunčanim oblastima



|103|

ŠEMATSKI DIZAJN

• Tokom predhodne faze projektovanog planiranja , osnovne odluke su temeljene na osnovu polaožaja zgrade i planske organizacije. Te odluke će uticati na osnovnu strategiju nisko-energetskog dizajna .

• Tradicionalni dizajna nalže zaštitnu ulogu zidova i krovova od spoljašnjih uticaja. U nisko-energetskom dizajnu konturni elementi zgrade predstavljaju membranu izmeñu unutarnjeg i spoljšnjeg prostora .

Pravila izrade :

1. U preliminarnom rješenju osigurati optimalnu osvetljenost ( osvetljenost zgrade u

zavisnosti od lokacije , svetlarnici,prozori itd.) 2. Napraviti specifikaciju materijala i konfiguraciju spoljašnosti objekta koji prave

maksimalni energetski učinak ( oblik i pozicija prozora , zastori,reflektivni krov, ugrañena ventilacija )

3. Nastaviti energetsku analizu, u uključujući višestruke proračune za meñusobnoslične proizvode radi najboljeg rešenja. Razmotriti trajnost i dugoročni energetski učinak.

Strategija za razmatranje tokom ove faze selektivno zastakljivanje zidova Opis: širok izbor staklenih proizvoda nudi varijacije u količini solarne dobiti , vidljive

svetlosti i toplote koju propušta. Solarna toplota se meri koeficijentom senke ( SC ) i faktorom dobiti solarne toplote ( SHGF ) . Za providno staklo od 3mm SC = 1,0

SHGF pokriva širok dijapazon uglova solarnog uticaja.Smatra se da važi

SHGF=0,86Xsc .Prolaz dnevne svetlosti se predstavlja sa ''tvis'' , a gubitak toplote U-faktorom, koji predstavlja recipročnu vrijednost otpora zastakljene površine.

Cilj : odreñivanje kombinacije materijala za zastakljenje sa najboljim performansama

za odreñene potrebe . Način izvoñenja : početi sa obradom karakteristika stakla po odgovarajućim

standardima , zatim sprovesti kompjutersku analizu različitih mogućnosti radi odreñivanja najveće koristi unutar budžetnih granica .Najbolja opcija nije nužna ona sa najvećim performansama u numeričkom obliku.

Komentar : Zastakljivanje ima značajan uticaj na korišćenje enegrije za grejanje ,

rashlañivanje i osvetljenje .u poslednjih 20god. Tehnologija zastakljivanja napredovala je više od bilo kog drugog proizvoda u gradnji .

Zastori

Opis : fiksirani ili pokretni ureñaji locirani sa unutrašnje ili spoljne strane stakla koji

služe za kontrolu dolaza svjetlosti. Cilj : zastori se koriste za estetski prihvatljivu i funkcionalnu kontrolu svetlosti. Način izvoñenja : najefektivnije je na južnim fasadama za zamračenje radnog

prostora , zamračenje zapadnih fasada je važno za smanjenje maksimuma hlañenja . Postoji



|104|

veliki izbor zastora koji se drže (nastrešnice na južnim fasadama) , rebra (na istočnim i zapadnim fasadama) , zavese,venecijaneri i specijalna stakla .

Komentar : preporučljive su varijante bez pokretnih delova .Posebno su problematični

pokretni delovi sa spoljne strane objekta .

Osvetljenje putem prozora Opis : dnevna svetlost smanjuje potrebu za veštačkim svetlom čime se smanjuje

utrošak energije i poboljšava zdravlje, komfor i produktivnost korisnika . Cilj: smanjenje veštačke svetlosti i energije potrebne za rashlañivanje (leti) treba da

bude veće od povećanja potrebe za grejanjem uslovljenim količinom veštačke svetlosti(zimi). Najbolja primena : na fasadama koje imaju neometan pogled na nebo pod uglovima

većim od 030 u odnosu na horizont . Način izvoñenja : podizanjem zastakljene površine radi dubljeg prodiranja svetlosti.

Vještačka svetlost treba da bude samo dodatak dnevnoj svetlosti . Komentar: dnevna osvetljenost je glavni deo nisko-energetskog dizajna .

Produženo dnevno osvetljenje putem prozora svetlosne police

Opis : horizontalna polica koja odbija svetlost od plafona dublje u unutrašnjost prostorija. Takoñe se koristi i za zamračenje . Mogu da se postave i sa unutrašnje i sa spoljašnje strane .

Cilj : smanjenje utroška energije i zamračenje . Najbolja primena : na fasadama pravca unutar 030 od pravca juga . Način izvoñenja : integrisati u dizajn fasade , kancelarija i zastora . Komentar : problemi sa odžavanjem i golubovima .

Prirodna ventilacija putem prozora Opis : provetravanje po želji korisnika .Poboljšanje kvaliteta vazduha u prostoriji. Cilj : optimalni pristup podrazumeva kontrolu korisnika bez ometanja efikasnosti

integrisanog sistema ventilacije . Najbolja primena : u oblastima gde sigurnost i buka ne predstavljaju problem . Način izvoñenja : Pozicionirati prozore prema uobičajenom pravcu vetra . Komentar : potrebna je dobra strategija za sprečavanje rada ureñeja za ventilaciju( air-

kondition) dok su otvoreni prozori .U suprotnom može da dovede do povećanja potrošnje energije .

Geometrija prozora

Opis : Prozori treba da su oblikovani i pozicionirani tako da smanjuju nepozeljne

solarne uticaje i povećavaju nivo dnevne svetlosti i poželjne uticaje . Cilj : Važno je izbeći projektovanje veće prozorske površine nego što je zaista

potrebno .



|105|

Najbolja primena : doneti odluku na osnovu aktivnosti korisnika i nisko-energetskim performansama .Maksimalno smaljiti prozorske površine ( bolje više malih nego jedan veliki).

Komentar : najbolje je za procenu koristiti kompjutersku analizu.

''Podeljene fasade'' Varijacije u dizajnu fasade u zavisnosti od načina korišćenja prostora i za fasade i

strategije nisko-energetskog dizajna . Cilj : integracija strategije dizajna u estetske i funkcionalne delove dizajna objekta . Najbolja primena : ako se svaka fasada optimizira , ova strategija može da bude

primenjivana na sve objekte . Način izvoñenja : izabrati način grañenja kompatibilan sa vrstom fasade. Komentar : predstavlja dizajn prevashodno zasnovan na funkciji . Izolacije Opis: Dobro izvedena izolacija spoljašnjih elemenata objekta smanjuje potrošnju

energije, kontroliše vlagu i povećava konfor. Cilj: Odrediti optimalnu količinu izolacije. Najbolja primena : Prednost dobre izolacije se najbolje oslikava u stambenim

objektima u hladnim područjima . Način izvoñenja : Za početak projektovati izolaciju propisanu standardima ,a potom

kompijutrskom analizom odrediti optimalni projekta izolacije. Komentar: Prvi segment značajno smanjuje gubitak toplote , dok svaki svaki sledeći

ima sve manje uticaja.

Kontrola prolaza vazduha Opis: Sistemi vazdušnih rotardora smanjuju protok u/ iz objekta. Cilj: Napraviti sistem koji smanjuje potrošnju energije i štiti objekat. Najbolja primena : Standardna nisko – energetska procedura u hladnim područijma. Način izvoñenja :Korišćenjem elemenata koji stvaraju neprekidnu mebranu oko

objekta.Ipak, ti elementi moraju da propuštaju vodenu paru da nebi došlo do kondenzacije. Komentar: U ne stabenim objektima se sprečavanje ovakve pojave vrši stvaranjem

većeg pritiska unutar objekta u odnosu na spoljašnji.

Krovni monitori Opis : Prozori na krovu,obično su vertikalni ili pod velikim nagibom. Cilj: Propuštanje prirodne svetlosti i solarne toplote tokom grejne sezone . Najbolja primena : Dobar efekat kod mnogih vrsta objekata , naročito kod objekata sa

jednom ili dvije etaže . Način izvoñenja: krovni monitori okrenuti ka jugu treba da koriste vertikalna stakla sa

nastrešnicama nasuprot , severni monitori treba da budu zakošeni,dok se monitori okrenuti ka istoku i zapadu izbegavaju.

Komentar : treba koristiti preporuke ,a poželjno je i korišćenje kompjuterske analize.



|106|

Rešetkasti svetlarnici

Opis : Mali , individualni tačkasti svetlarnici . Cilj : Osvetljenje prirodnom svetlošću . Najbolja primena : u prizemnim objektima , poput skladišta a posebno u objektima

gde nije važna kontrola sunčeve svetlosti . Način izvoñenja : prefabrikovani elementi .Visoka cena . Komentar : proračun može da bude problematičan zbog čega se preporučuje upotreba

računara .Prokišnjavanje takoñe predstavlja problem ali uprkos tome našli su efikasnu primenu .

Zastakljeni krovovi

Opis : svetlarnici velike površine ,tipični za atrijumske prostore . Cilj: obezbeñenje dnevne svetlosti uz stvaranje jačeg arhitektonskog utiska . Najbolja primena : iznad prostora velike koncentracije ljudi . Način izvoñenja : za pokrivanje prostora izmeñu zgrada ili više delova jedne zgrade

da bi se stvorila tzv. Pokrivena ulica .Sunčana toplota se može kontrolisati primenom raznih vrsta stakala i zastora .

Komentar : veliki gubitak toplote .Kada se nalaze iznad visokih prostora (atrijum) treba koristiti i kao sisteme za ventilaciju .

Neapsorbujući krovovi

Opis : Krovovi pokriveni svetlom bojom ili reflektivnom membranom radi manje

apsorbcija toplote . Cilj: smanjenje potreba za rashlañivanjem . Najbolja primena : uobičajen pristup za niske zgrade u toplim područjima . Način izvoñenja : korišćenjem svetle boje i reflektivnih slojeva . Komentar : dizajner mora da bude upoznat sa bojom koja će se koristiti na površini

vidljivoj korisnicima objekta .

Platneni krovovi Opis : krovovi od zategnutog platna koja reflektuju svetlost . Cilj: sprečava zagrevanje sunčevom toplotom.Smanjena osvetljenost . Najbolja primena : nad velikim prostorom . Način izvoñenja : pažljivo izračunati odnos osvetljenja i potreba za rashlañivanjem i

grejanjem . Komentar : koristi se kao privremeno ili stalno rešenje iznad otvorenih prostora .

RAZVIJANJE DIZAJNA-I FAZA Ova faza se bazira na efikasnom osvetljenju i ventilacionom sistemu . Pravila izrade : 1) Nastaviti energetsku analizu i proces razmene . Strategija za razmatranje tokom ove faze



|107|

-Energetski efikasne lampe i balasti Opis : korišćenje visoko efikasnih lampi i balasta . Cilj: minimalizovanje utrošaka el.energije uz zadovoljavanje potreba za osvetljenjem . Najbolja primena : u objektima sa velikim utroškom struje . Način izvoñenja : korišćenje T8 lampi i kompatibilnih elektronskih balasta . Kompakte floroscentne lampe koriste trećinu struje halogenih lampi .Odreñivanje,

najbolje kombinacije lampe-balasta . Komentar : značajno poboljšanje u oblasti floroscentnog osvetljenja .

Kontrola osvetljenja Opis : Automatsko podešavanje osvetljenja u zavisnosti od dnevne svetlosti . Cilj : značajno smanjenje utroška struje potrebne za osvetljenje . Najbolja primena : kontrola osvetljenja se najbolje koristi u saradnji sa dizajnom

prirodnog osvetljenja . Način izvoñenja :kontrola se sprovodi u zavisnosti od količine dnevne svetlosti

detektovane senzorima ''senzori prisustva '' gase svetlo i ponekad ventilaciju u prostorijama bez ljudi .

Komentar : često su deo kompjuterizovanog sistema .

Visoko-efikasna oprema za grejanje, rashlañivanje i ventilaciju Opis : ova kategorija opreme je daleko efikasnija od opreme koja se projektuje da

''samo zadovolji standarde '' . Cilj: korišćenje efikasnije opreme kadgod je to isplativo . Najbolja primena : kod velikog utroška energije (električne) i dugim periodima rada . Način izvoñenja : potrebno je sprovesti analizu isplativosti,preporučljivo je korišćenje

modularne opreme ,kao i opreme sa promenjivom brzinom radi veće fleksibilnosti . Komentar : optimalan odabir veličine sistema , komponenti i opreme dovodi do

smanjenja troškova .

Vraćanje toplote izduvnog vazduha Opis : vraćanje korisne toplote vazduha koji se izbacuje iz objekta . Cilj: transfer 50-70% toplote koja bi inače bila izgubljena ma vazduh koji se ubacuje

u objekat . Najbolja primena : u zgradama sa velikim brojem stanara ili velikim ventilacionim

zahtjevima , naročito u hladnim područjima . Način izvoñenja : danas su u upotrebi razni sistemi.Najprostiji su punjene tečnošću za

hlañenje , koji prilikom isparavanja prenose toplotu sa izlaznog na ulazni vazduh. Komentar : potrebno je praćenje zagañenja ulaznog vazduha .

Ventilacija ekonomizovanog ciklusa Opis : doprinosi i smanjuju utrošak energije i poboljšaju kvalitet vazduha .Koristi

promjenjivu količinu vazduha za rashlañivanje objekta . Cilj: izbegavanje korišćenja AC kompresora i mehaničkih sredstava . Najbolja primena : u hladnim predelima sa niskim vlažnostima vazduha .



|108|

Način izvoñenja : za maksimalni učinak,uvoñenje adekvatnih kontrola . Komentar : ovo bi trebalo da bude standardna nisko-energetska procedura integrisane

vantilacije .

Ventilacije za noćno rashlañivanje Opis : Ventilacije velikog inteziteta na bazi fena za velike prostore tokom hladnih ,

suvih noći. Cilj: Rashlañivanje objekata korišćenjem spoljnog vazduha po principu da bi zbir

utroška pojedinačnih klima ureñaja bio veći od utroška ovog sistema . Najbolja primena : u toplim ,suvim predelima sa velikim temperaturnim razlikama

dana i noći. Način izvoñenja : zasniva se na pokretanju velike količine vazduha u ekonomičnom

režimu. Komentar : oslanjanje na otvorene prozore kao sistem ventilacije može da izazove

sigurnosne probleme i oštećenja usled vode i vetra.

FAZA TROŠKOVA (VE)

Pravila izrade: 1) VE analiza treba da se zasniva na stvarnim uslovima pre nego na samom smanjenju troškova 2) integrisati energetsku analizu u VE proces 3) energetski ciljevi objekta moraju da budu očuvani tokom VE 4) moraju se zadovoljiti potrebe korisnika i projektovane potrošnje

FAZA GRAðEVINSKIH DOKUMENATA

Pravila izrade: 1) osigurati da su grañevinski detalji i specifikacije dosledni ciljevima i strategijama

upotrebe energije 2) osigurati da dadetalji mehaničkih sistema i veličina opreme odgovaraju ciljevima

dizajna 3) osigurati da dadetalji sistema osvetljenja ispecifikacije opreme odgovaraju

energetskom projektu 4) pre nego što se dokumenti pošalju na tender obaviti konačnu reviziju energetskog

projekta

PROJEKAT I METODE ANALIZE Isplativost gradnje treba da bude definisana koristeći pogodne projekte i metode

analize, dole navedene, i opisane. ADELINE (uljučuje SUPERLITE i RADIANCE): Programski alat za dizajn dnevnog

osvetljenja, koji povezuje dnevnu svetlost i toplotni učinak. Dostupno od Lawrence Barkeley National Laboratory.

BLAST: Programski alat za detaljni godišnji učinak, sposoban za modeliranje

iteraktivnih efekata projekata grañenja objekata s malim utoškom energije, kao što su dnevna svetlost, pasivno solarno grejanje i toplotna masa. Dostupno od Blast Support Office.



|109|

BLCC: Programski paket za kalkulisanje troškova životnog ciklusa, shodno državnim

kriterijumima. CFD: Skraćenica za „kompjuterizovanu dinamiku fluida“, ova krajnje prefijena vrsta

programa može da prati protok vazduha unutar prostora, ili komponente objekta, i ustanovljava temperaturnu raspodelu unutar tog prostora, za vreme operacije sistema. Zahteva ozbiljno iskustvo za rukovanje, ali je neprocenjiv za odreñivanje difuzije vazduha. Dostupan na nekoliko prodajnih mesta, pod nekoliko naziva.

DOE 2/DOE 2.2: Programski alat za analizu energije, koji proračunava satnu

potrošnju energije zgrade, davajući mu detaljne informacije o lokaciji zgrade, tipu konstrukcije, izvršenim operacijama i HVAC sistemima. Dostupno od Lawrence Barkley National Laboratory. PROJEKTOVANJE OBJEKATA S MALIM UTROŠKOM ENERGIJE KORISTEĆI ENERGY-10: Satna i godišnja programska simulacija, napravljena da analizira stambene i javne grañevine, manje od otprilike 10 000 kvadratnih milja (jedna ili dve zone). Zamišljen je specijalno za upotrebu za vreme početnih faza projektovanja, kada strategija za objekte s malim utroškom energije može biti svedena na najniže moguće troškove. Dostupno na Sustainable Buildings Industry Council.

FRAME: Moćni program za termalnu analizu, koji precizno prati protok toplote kroz

pojedine odseke. Osnovni je program za analizu toplotne premošćavanja kroz fasadne elemente, kao što su prozorski ramovi. Zahteva iskustvo za optimalno korišćenje.

POWERDOE: DOE 2 verzija na bazi Windows-a, sa interfejsom pogodnim za lako korišćenje.

SERI-RES (takoñe i SUNREL, koji je nadograñena verzija SERI-RES-a sa

povećanim algoritamskim karakteristikama): Analizira pasivne solarne dizajne i termalne učinke u stambenim i malim komercijalnim zgradama. Dostupno od National Renewable Energy Laboratory.

TRNSYS: Modul FORTRAN-a, zasnovan na prolaznim simulacionim kodovima, koji

omogućava simulaciju bilo kog sistema termalne energije, naročito solarne toplote, grañenja i HVAC sistema. Dostupno od Solar Energy Laboratory, University of Wisconsin. 6.8. Uštede energije

Uštede energije će varirati, u zavisnosti od klime, vrste gradnje, i izabranih strategija.

U novim poslovnim zgradama, ekonomski je realno da se smanje troškovi energije za 30%, ili više ispod nacionalnog proseka, ako je usvojen optimalno projekat gradnje objekata smalim utroškom energije. Prema vlasnicima zgrada u udruženjima menadžera (BOMA), prosečni troškovi energije (uzimajući u obzir indikativne uzorke i javnih i privarnih zgrada) su 1.85 $ po zakupljenoj kvadratnoj milji. Kao što je prethodno napomenuto, federalna vlada održava oko 2.9 biliona milja prostora za izdavanje. Prema tome, 30% smanjenja u korišćenju energije bi doneo poreski obveznik godišnje, od 55.5 ¢ po milji, ili 1.6 biliona $ uštede, na nacionalnom energetskom godišnjem računu. Ova cifra ne ulazi u račun dopunskih ušteda, realizovanih kroz zaštitu od zagañenja, očuvanju sredstava, i sličnih postupaka za smanjenje troškova. Iako 30% uštede može delovati ambiciozno, kontrola grañenja NREL-ovog



|110|

programa gradnje sa malim utrošak energije, pokazuju smanjenja troškova energije, 75% u stambenim zgradama i 70% u nestambenim zgradama.

6.8.1. Ostali uticaji

Bolje tehnike projektovanja, i superiorne tehnologije su u velikoj meri eliminisale bilo

kakve negativne uticaje udružene sa projektima grañenja objekata sa malim potošnjem energije, kao što su pregrejavanja usled nekontrolisanog solarnog priliva. Prednosti za okolinu od projekata nisko-energetskog grañenja, mogu biti značajne, u zavisnosti koliko efikasne energije ili održivih produkata je korišćeno. Na primer, zgrade od sirovih materijala (kao što su boje sa malo, ili bez isparivih organskih sastojaka, i prerañenih materijala za grañenje) imaju manje uticaja na prirodne rezerve, nego što imaju konvencionalne zgrade. HVAC sistem koristi rashlañivače koji nisu na bazi hlorofluorokarbonata (CFC), te stoga manje oštećuju zemljin ozonski omotač, i pasivne solarne gradnje, koje koriste znatno manje količine energije, od fosilnih goriva, i manje doprinose efektu staklene bašte nego konvencionalne grañevine.

Uzimajući sve ovo u obzir, ove grañevine s malim utroškom energije, ne samo da

umanjuju opterećenost američkih poreznih obveznika, nego doprinose i zdravlju, boljem osećanju i produktivnosti njihovih stanovnika. 6.8.2. Studije slučaja

Proširenje američke sudnice u Denveru, državi Kolorado, SAD Proširenje američke sudnice u Denveru, državi Kolorado, se sastoji od 17 novih sala

za suñenje i pomoćnih prostorija, zauzimajući 383 000 kvadratnih milja. Generalni administrativni servisi (GSA) su dizajnirali ovaj projekat da služi kao prikaz za održivi dizajn, i posvetili značajnu pažnju energijama u objekatima i karakteristikama ekološkog projekta.

Održive projektne strategije, integrisane u grañenje, sadrže:

• sistemi zastakljivanja s visokim učinkom • dnevno osvetljenje, upotpunjeno energetski efikasnim električnim osvetljenjem • energetski efikasni HVAC sistemi i kontrole (npr izmeštena ventilacija i hlañenje

isparavanjem) • grañevinski integrisan PHOTOVOLTAIC sistem • prerañeni i nisko-VOC materijali za beskonačnu upotrebu • integrisani grañevinski sistem automatizacije • nisko uticajno ureñenje zemljišta • slavine i toaleti za uštedu vode

Zasnovano na kompjuterskim analizama, koristeći DOE 2.2, očekivano je da

grañevine potroše oko 50% manje energije nego minimalno popustljiva grañevina projektovana po pravilima federalnih standarda za energiju 10 CFR 435. Kao takve, njeni godišnji troškovi energije će biti umanjeni sa samo 300 000$ godišnje, na 150 000$. Dosta ušteda energije, postignutih u proširenoj denverskoj sudnici, će biti rezultat zahteva za uštedom energije, uštedama u osvetljenju, grejanju i hlañenju.



|111|

U grañevinama će se takoñe obezbediti poboljšana unutrašnjost, od koje se očekuje da poveća uspešnost na radnom mestu, dok poboljšava zdravlje osoblja, sigurnost i osećaj zadovoljstva. Pristupajući projektu, proširena denverska sudnica će takoñe smanjiti operacije i održavati nivo troškova, i osloniće se delom, na nezagañujuće, neiscrpne izvore energije. Opisi sredstava nisko-energetskih i visoko-uspešnih odlika slede: Visoko uspešno zastakljivanje

U potpunosti iskorištavajući osunčanost Denvera, suvu klimu, visoko uspešan sistem

troduplog zastakljivanja, je korišten na sudskom tornju, za minimalizaciju HVAC grejanja i opterećenja hlañenjem, pružajući divan pogled i izvore prirodne svetlosti za susednu sudnicu i konferencijske sale. Serije PV ćelija su integrisane u sistem zidnih zavesa, obezbeñujući čist, neiscrpan izvor energije, što pokazuje naklonost vlade ka osetljivosti klime.

Dnevno osvetljenje Dizajn dnevnog osvetljenja za prošireni deo denverske sudnice, je bazirano na

namernom odvajanju običnih stakala, od stakala za obezbeñivanje dnevnog osvetljenja. Sistem obezbeñuje maksimalno iskorišćenje dnevne svetlosti, smanjujući potrebe za električnim osvetljenjem tokom dana, kao i zadovoljenje stanara, zasnovano na jakom osećaju povezanosti sa spoljnim prostorom.

Nosači perifernog svetla su rasprostranjeni širom visokouzdignutog dela zgrade, i

postavljeni na spojeve zastakljenih površina, koje služe za omogućavanje prijema dnevne svetlosti, i zastakljenih površina, čija je primarna svrha da pruže prijatan vidik. Nosači rasipaju dnevno svetlo na ravan plafona i ravnih spojenih povšina, čime se minimizira kontrast izmeñu unutrašnjih površina i elemenata iz spoljašnjosti (koje je moguće videti kroz stakla). Na ovaj način se pojačava vizuelni ugoñaj i unapreñuje kvalitet vidika. Energetska efikasnost električnog osvetljenja

Kapaciteti sistema za veštačko osvetljenje su projektovani da dopune dnevno svetlo i

da iskoriste kombinaciju direktnog i indirektnog ovetljenja, sa T-5 florescentnim lampama. Rasveta je projektovana da radi u kombinaciji sa dnevnim osvetljenjem i sistemom visoko-uspešnog zastakljivanja, radi obezbeñivanja ravnomernog osvetljenja prostora uz malu potrošnju energije. Fotoćelije će biti korišćene zajedno sa elektronskim fluorescentnim regulatorima svetlosti, radi uštede energije u oblastima sa dovoljno dnevne svetlosti, dok ćenivoi sa nižim stepenom dnevnog osvetljenja dobijati više osvetljenja. Senzori će kontrolisati i osvetljenje u privatnim kancelarijama. Sistem izmeštene distribucije vazduha

Ventilacioni sistemi, koji se koriste u salama za suñenje, kancelarijama, javnim

koridorima, podrazumeva sistem izmeštene distribucije vazduha. Ovaj sistem podrazumeva da se vazduh u prizemlje upumpava malim brzinama i efikasno osvežava prostor, i odstranjuje postojeće unutrašnje zagañivače vazduha.



|112|

Isparavajući rashladni sistemi

Mnogi sistemi za hlañenje i ovlaživači vazduha se kombinuju u direktnim ili

indirektnim isparavajućim rashladnim sistemima, koji obezbeñuju rashleñivanje, preko isparavanja vode. Ovaj proces uveliko smanjuje potrebu za električnim rashladnim ureñajima. Suva klima Denvera, čini sistem idealnim u sezonama za hlañenje, zaista, kompjuterska simulacija pokazuje manje od 100 radnih sati sistema za hlañenje godišnje. Sistem se koristi i zimi radi obezbeñivanja vlažnosti vazduha.

Promenljive jačine vazdušnih sistema (vav) koristeći promenljive pogonske brzine (vsd)

VAV vazdušni sistem je posvećen potrebama za grejanjem i hlañenjem, reguliše

snabdevanje vazduhom, u zavisnosti od poteba za grejanjem ili hlañenjem različitih oblasti. VSD su ugrañeni na svim ventilatorima i pumpama, zarad uštede energije ovih ureñaja za vreme njihovog rada. Glavni sistem se sastoji od 4 odvojena ventilatora, koja mogu da budu i individualno postavljena, smanjujući protok za 5% u odnosu na projektovani. Korišćenje VSD-a je posebno važno u sudnicama, zbog njihovih karakteristika-večite zauzetosti i povremene upotrebe i noću. Automatski sistemi zgrade

Direktni digitalni kontrolni sistem se koristi za kontrolu HVAC i sistema za rasvetu.

Sistem je projektovan da ugasi HVAC i sistem za rasvetu u praznim prostorijama, i u kombinaciji sa VAV vazdušnim sistemima, izvodeći efikasne operacije, pod delimičnim opterećenjem. Fotovoltažni sistem (pv)

PV je integrisan u jugoistočni sistem zidne zavese, kod javnih koridora, i prirodna

svetlost je iznad sigurnosnih elemenata u specijalnom paviljonu. Delimično providan, tanak ćelijski film je upotrebljen na izvoru prirodne svetlosti, i panelima u sistemu zidnih zavesa, i dodatni polikristalin PV paneli su korišćeni kao umetni panel u sistemu zidnih zavesa. PV paneli obezbeñuju struju za vreme sunčanih sati, smanjujući maksimalne zahteve za energijom. Rezervna baterija nije neophodna, jer je izlaz iz sistema veći od zahteva objekta. Ureñenje okoline

Više različitih mera može biti primenjeno da se na najbolji način uredi zemljište u

okolini grañevine. Pored ovoga, očuvanje postojeće okoline bi trebalo da bude dizajerski primarni zadatak. Zrelo drveće i biljni svet su dragoceni resursi, koji se godinama ne mogu nadoknaditi. Njihovim očuvanjem, ne samo da se prave prirodne hladovine (u nekim klimama, kao zaštita od vetra ili zaštitni pojas), nego i očuvava stanište divljači, služi za odvodnju vode, i vezuje zemljište. Zaštitom drveća se smanjuju potrebe za iskopima, saobraćajnicama, i izmeštanjem tla. Smanjuju potrebu za snabdevanjem i transportom materijala za ureñenje zemljišta. Kada se dodaju nove biljne vrste, treba primenjivati regionalne strategije za ureñenje zemljišta, koja se sastoji od lokalnog rastinja i bilja. Efikasnost



|113|

korišćenja vode Jedna od oblasti, koja je najviše previñena u grañevinskom projektovanju, jeste,

efikasno iskorišćenje vodnih resursa. Radi obrade vode, državna vlada upotrebi 59.2 biliona Btu energije na godišnjem nivou, i više od 98% ove energije se koristi na grejanje vode. Prema tome, značajne uštede energije i novca, mogu biti realizovane sprovoñenjem raznih mera za efikasno korišćenje voda. Plan za upravljanje vodama, je da se omogući što veća efikasnost korišćenja vode, sprečavanje šteta i prekomernog korišćenja. Efikasnost u korišćenju vode je, uraditi što više, sa što manje, bez žrtvovanja komfora ili potrebnog učinka. Planiranje efikasnog korišćenja voda je relativno nova upravljačka politika, koja uključuje analizu troškova i iskorišćenja vode, uz specifikovanje mogućnosti uštede vode i uvoñenje mera za uštedu vode. Nekoliko tehologija, i tehnika, može da bude korišćeno za očuvanje vode, i vezivanje cena energije, uključujući:

• sanitarni elementi za efikasno korišćenje vode (npr: toaleti i pisoari s veoma malim protokom vode, pisoari bez vode, lavaboi sa slabim proticajem, ili na senzore, mašine za pranje sudova i veša napravljene po sistemu za uštedu vode...)

• smanjenje korišćenja vode za navodnjavanje i ureñenje zemljišta (sistemi za navodnjavanje splanom uštede vode, sistemi za kontrolisano navodnjavanje, prskalice sa slabim pritiskom...)

• sistemi za prečišćavanje vode, zarad ponovne upotrebe • smanjenje upotrebe vode u HVAC sistemima.

Postojeće metode snabdevanja podrazumevaju smanjenje količine potrošene vode, i

uljučuju mere optimizacije, mere skladištenja vode, i ponovnog korišćenja otpadnih voda koje su prošle kroz sistem za prečišćavanje vode. Ostale mere za povećanje efikasnosti, podrazumevaju otkrivanje napouklina kroz koje se može odlivati voda i njihovu popravku, unapreñenje industrijskih procesa, i promenu načina na koji se elementi i oprema koriste i održavaju.

Postojenje za termalna testiranja (ttf) nacionalne laboratorije za obnovljivu energiju, golden, država kolorado

Postrojenje za termalna testiranja Nacionalne laboratorije za obnovljivu energiju je

objekat na otvorenom, koji uključuje laboratorijske prostore, kancelarije i konferencijske sale. Projekat objekta od 10 000 kvadratnih milja, započet je početkom 1994. i konstrukcija je završena u leto 1996. Proces praćenja performansi je postojao od useljenja. Iako je postrojenje za termalna testiranja projektovano da služi kao laboratorija, izložena tehnologija u ovom slučaju, je pogodna za širok spektar javnih zgrada, kancelarija, skladišta i raznih institucionalnih kapaciteta.

Projekat uključuje:

• pasivne solarne karakteristike • efikasno iskorišćeno eletrično osvetljenje • karakteristike dnevnog osvetljenja • senzore za praćenje zauzetosti prostorija • efikasan HVAC dizajn • sistem upravljanja energijom, sa direktnom digitalnom kontrolom (DDC)



|114|

Projektni tim postrojenja za termalna istraživanja, uključujući i arhitekte, mašinske inženjere, elektro inženjere, grañevinske inženjere, stručno osoblje i konsultante za energiju. Tim je fokusiran na usklañivanje iterakcija raznih sistema, uzimajući u obzir i uticaj na stanare zgrada, njihove dnevne aktivnosti, i klimu. Odluke vezane za pitanja energije, su delom zasnovane na kompjuterskim simulacijama, koristeći DOE 2 (1994.) Vlasnik objekta (SAD DOE) i stanari (NREL osoblje), definisali su neophodne kriterijume još u početnoj fazi projektovanja. Zahtevani prostorije, su uključivale laboratorijski prostor, kancelarije, konferencijske sale, kupatila i kuhinjski prostor. Kada je svrha objekta utvrñena, projektni tim i NREL istraživački inženjerski tim su odredili smanjenje troškova za objekat od 70%, i dizajnerski i konstruktivni plan je razvijen da služi kao putokaz za ostale procese. Plan uključuje objedinjavanje karakteristika pasivne solarne energije, koeficijenta opterećenja za niske zgrade, efikasno iskorišćeno električno osvetljenje, karakteristike dnevne svetlosti, održavanje detektora za prilagoñavanje prostora, shodno broju prisutnih lica, i sistem za energetsko upravljanje sa DDC.

Sa kongresnim budžetom od 1.5 miliona $, koji pokriva troškove svih projekata, same konstrukcije i troškove provizije, neopravdano je podcenjen slučaj TTF-ovog projekta, koristeći 10 CFR 435 kao referencu. Osnovni slučaj je simuliran koristeći SERI-RES, za proučavanje termalnog uticaja kod zgrada, i DOE 2.2 za HVAC i studije osvetljenja. Prvi rezultati su pokazali, da je električno osvetljenje, povećalo korišćenje energije-73%. Sistemi za hlañenje su sledeći, sa 15% od ukupnog korišćenja energije u zgradi.

Na osnovu ovih informacija, NREL istraživački tim je verovao da bi porast

zagrevanja mogao biti minimalizovan smanjenjem eletričnog osvetljenja i smanjenjem nepoželjnog solarnog opterećenja. Ovo je postignuto udruživanjem dnevne svetlosti i efikasnih strategija veštačkog osvetljenja, visoko kvalitetnim prozorima i dimenzionisanjem ispusta.

Kompjutersko modeliranje je pokazalo, da bi najveće uštede energije mogle da budu

postignute smanjenjem električnog osvetljenja. Ušteda u smanjenju napona u utičnicama ima sličan efekat, ali one nisu povezane sa samim projektom objekta. Smanjenjem infiltracija, kontrolisanjem ventilacija i neželjenih solarnih priliva, dobili bi se slični rezultati uštede.

Unutrašnjost objekta je urañena tako, da se oslobodi sam mogući dodatni slobodni

prostor. Pomeranjem mašinskih prostorija, sa spoljnog istočnog zida na lokaciju iznad centralnog dela (gde su i toaleti, ostave i kuhinje), bilo bi napravljeno dodatnih 800 kvadratnih milja laboratorijskog prostora, bez povećanja troškova energije. TTF-ov projekat za objekte sa malom potrošnjom energije je postigao redukciju energije, usvajajući efikasne strategije za korišćenje energije, opisane ispod. Dizajn pasivne solarne energije

Koristeći osunčanost Kolorada, TTF objedinjava mnoge pasivne solarne karakteristike, uključujući i pogodnu lokaciju za objekat. Projekat takoñe inkorporiše malu količinu termalne mase u podnoj ploči i severnom zidu zgrade, s tim da severni zid deluje kao noseći, obezbeñujući toplotne koristi i iz zemljanog nasipa. Meñu najvažnijim karakteristkama objekta su, ispravni odabir, orijentacija i postavljanje prozora.

Objekat je pažljivo dizajniran da obezbedi pasivnu solarnu prilive u zimskim

mesecima, dok mimimalizuje iste tokom leta. Finalni dizajn podrazumeva da je 88% prozorskih okvira raspodeljeno u jedan niz i 2 reda visoko uzdignutih prozora duž južne



|115|

fasade. Dodatnih 8% stakala je jednako podeljeno izmeñu istočne i zapadne fasade, dok je preostalih 4% postavljeno na severni zid. Južni prozori su dizajnirani sa visokim SC od 0.76 (SHGC od 0.45). Viši SC dozvoljavaju da više solarne energije uñe u objekat. Svi prozori imaju zaštitni sloj koji sprečava provoñenje nevidljivih spektara svetllosti i neželjenih solarni priliva. Pažljivo dizajniranje i postavljanje kružnih ispusta, blokiraju direktno solarno zračenje tokom leta, dok se zimi dozvoljava , kad su uglovi sunčevih zračenja manji.

TTF-ove karakteristike pasivne solarne energije su takve da ugreju zgradu tokom

dana i večernjih sati, tako da su toplotna opterećenja na zgradu prisutna samo tokom jutarnjih časova. Tehnike zastakljivanja, i ostale pasivne solarne strategije opisane iznad, su veoma zavisne od položaja i primene objekta, i neće se obavezno primeniti na drugačije tipove zgrada na drugim lokacijama. Toplotni pojas

TTF-ov pod je konstruisan od 6-inčne betonske ploče sa izolacijom. Severni zid je

konstruisan od 8-inčne betonske ploče sa 2 inča krutog polistirena, dok su istočni, zapadni i južni zidovi od 6-inčnih čeličnih ploča sa izolacijom postavljenom izmeñu njih. Polistiren je postavljen preko cele spoljašnje površine, koja je završena spoljnom izolacijom i gipsnim malterom. Krov je konstruisan od metalnih platformi na čeličnim potporama i sa 3-inčnim omotačem od poliizocijanorata. Toplotna izolacija postavljena na spoljašnjem zidu, omogućava sa se energija odliva unutar zgrade, što utiče na prirodno temperaturno kolebanje zgrade. Npr, za vreme hladnih zimskih noći, kada spoljne temperature padaju ispod temperature mržnjenja, TTF-ova untrašnja temperatura opada za samo 10°F. Osvetljenje

TTF je osvetljen sa dinamičkom kombinacijom električne rasvete i dnevnog osvetljenja, zavisno od količine lica u zgradi i dnevnog osvetljenja. Stepenasti dizajn je ključan za postojeći plan korišćenja dnevnog osvetljenja, ono ulazi u zgradu kroz red glavih stakala, i 2 rdodatna reda visoko uzdignutih prozora južne fasade, koji ravnomerno osvetljava prostor otvorenih kancelarija. Dodatni prozori postoje duž istočnih, zapadnih i severnih zidova, zbog ravnomernosti osvetljavanja dnevnom svetlošću. Opet, svi prozori su dizajnirani tako, da u potpunosti iskorisne prirodnu dnevnu svetlost.

Senzori koji mere osetljivost nivoa, kontrolišu dopunske sisteme za eletričnu rasvetu u

zgradi i koriste ove informacije da ontolišu status električnog osvetljenja, u zavisnosti od količine prirodne svetlosti, dostupne u svakoj osvetljenoj zoni.

U sistemima za rasvetu se koriste T-8 i kompaktno fluorescentno osvetljenje, od kojih

72% obezbeñuje dodatna rasveta u osvetljenim oblastima, dok ostalih 28% obezbeñuje primarna rasveta u centralnom delu zgrade.

Sistem za regulisanje potrošnje energije, shodno broji lica koji se nalaze u zgradi

(EMS), koristi pasivne infracrvene i ultrasnične senzore da dezangažuje osvetljenje, kada nije potrebno. Zajedno, ove karakteristike imaju značajno smanjenu električnu svetlosnu upotrebu u zgradama, kao i upotrebu sistema za hlañenje, dok se grejna potrošnja povećava samo tokom zimskih meseci. Grejanje, ventilacija i regulacija vazduha



|116|

Pošto TTF smanjuje zahteve HVAC, ugrañen je manji, više efikasan, a jeftiniji

HVAC sistem. Zapravo, TTf koristi dva odvojena HVAC sistema, VAV jedinicu za manipulisanje vazduhom (AHU) koja služi glavnoj zgradi, i paket jednozonskog AHU koji služi samo konferencijskoj Sali. VAV jedinica se oslanja na direktni i indirektni isparavajući rashladni sistem kao primarni sistem za hlañenje, dopunjen sa plafonskim ventilatorom koji pomaže smanjenju temperaturnog uslojavanja, što je česta pojava u prostorijama sa velikim visinama plafona. TTf-ov efikasni HVAC dizajn je ograničio količinu ventilacionih cevi u zgradi, što smanjuje koštanje materijala tokom gradnje, kao i održavanja, kasnije. Sve cevi su izolovane, i postavljene u unutrašnjosti zbog smanjenja gubitaka prema spoljnoj okolini. Upravljanje energetskim sistemima

TTF koristi digitalni kontrolni sistem sa dosta mašinskih operacija u zgradi. EMS

omogućava lako praćenje i dijagnostikovanje, pomažući da zgrada funkcioniše po projektu. EMS koristi svaku od HVAC jedinica i sistem električnog osvetljenja, i takoñe, prikuplja informacije i podatke o radu dva bojlera za potrebe grejanja vode. DHW: jedan opslužuje kuhinju, a drugi kupatilo. Obe jedinice koriste gas i daju 80% termalne efikasnosti.

6.9. Budućnost tehnologije 6.9.1. Razvoj tehnologije

Još od antike, ljudi su projektovali objekte prema lokalnim klimatskim uslovima,

koristeći prednost prirodnog dnevnog osvetljenja i preovlañujućih vetrova. Danas se isti ovi principi primenjuju za projektovanje grañevina s malom potrošnjom energije, ali su kombinovani sa onim što smo naučili o održanju energije, naprednim materijalima, mašinskim sistemima, obnovljivoj energiji i programskim alatima za efikasno korišćenje energije. Kada se zajedno primenjuju, grupa tehnologija, kao što su energetska efikasnost osvetljenja, senzori za praćenje prisustva lica u zgradi, i dizajni dnevne svetlosti, može da smanji potrošnjuenergije u zgradi i da poboljša komfor lica koja se nalaze u zgradi. Državna uprava za energiju može da bude sigurna da će klimatski prilagodljiv projekat doneti dugoročne uštede u energiji, bez obzira na promene u cenama energije, i služiće kao osnova za dugoročne, komforne zgrade kojesu otporne na klimatske promene.

Napretci u ostalim ključnim tehnologijama će ubrzo izmeniti celokupnu grañevinsku

industriju. Novi dizajni i metode za analizu su unapredile projektantsku sposobnost da predvidi energetske odlike objekta, dok se upravljačkim sistemima za energiju, daju veće kontrole nad operacijama i održanju troškova.Ako ove metode nastave da se menjaju, i njihova upotreba postane mnogo uobičajenija, projekat objekata sa malom potrošnjom energije će se pojaviti kao jedini logični pristup ozgradnji i obnovi. 6.9.2. Tehnološke perspektive

Tehnologije, sistemi i strategije dizajniranja opisane u ovom priručniku, pomažu

osiguravanju svetle budućnosti za objekte sa malom potrošnjom energije. Kako mušterije nastavljaju sa zahtevima za više održivim razvojem i mudrom politikom izabranih lidera prema životnoj okolini, državna vlada je u poziciji da preuzme voñstvo u pravljenju sopstvenih grañevina, što je moguće više energetski efikasnih, i u isto vreme čineći ih što udobnijim i atraktivnijim nego što čine njihovi konvencionalni suparnici. Verovatno će, te



|117|

institucijalne barijere (restriktivni propisi, procedure, budžetski procesi...) morati da budu izmenjene i uklonjene pre nego što se državni sektor bude morao susresti sa ovim izazovima.

Ovaj priručnik je opipljiv korak prema postizanju sve šire upotrebe energetskih

dizajna i analiza, jer čini proces mnogo razumljivijim za sve članove projektnog tima. Ovo je takoñe važna stavka za one koji formulišu nove državne direktive i zahteve, koji podstiču upotrebu objekata sa malom potrošnjom energije i korišćenje obnovljivih energija. Mada često nespomenute, ove pojedinosti su kamen temeljac za značajne i trajne promene. Pri započinjanju narednog projekta, zapamtiti da precizno odreñivanje odlika i tehnologija za objekte sa malom potrošnjom energije, dolazi iz čistog razumevanja, ne samo kako mnoge komponente grañevine funkcionišu, nego i kako funkcionišu zajedno.Ovo često počinje od svesnosti da trenutne, krajnje rasparčani procesi grañenja ne daju najbolje rezultate, i da je neophodan novi pogled na grañenje, kao sistema nezavisnih komponenti. 6.9.3. Resursi

Proizvodi za grañenje objekata sa malom potrošnjom energije su dostupni kod

snabdevača tradicionalnih materijala za grañenje, kao i kod proizvoñača specijalizovanih tehnologija, kao što su PV sistemi. Zbog intenzivnog sistema pasivnog solarnog dizajniranja, korisno je znati kako pronaći profesionalne projektante sa specijaizovanim veštinama u grañenju objekata sa malom potrošnjom energije.Za informacije o proizvodima i profesionalnom servisiranju, potrebno je obratiti se proizvoñačima, kao i snabdevačima. Proizvoñačke i snabdevačke kontrole (sistemi za regulaciju rasvete, senzori za detektovanje prisutnosti lica u objektu, reduktori energije...), upravljanje energetskim sistemima, zastakljivanje (stakla, prozori, filmovi za prozore...), izolacioni sistemi i zaštite od zračenja, osvetljenje (efikanost energije, lampe, ovetljenje na izlazima, reflektori...) i krovni materijali.

Hiljade zgrada i kuća sa malom potrošnjom energije je konstruisano u SAD, većina od

strane državne vlade. Nekoliko državnih objekata sa malom potrošnjom energije su u fazi projektovanja, u izgradnji ili su skoro završeni, uključujući centar za edukaciju o životnoj sredini, Nacionalni centar u Vašingtonu, Federalna sudnica od 570 000 kvadratnih milja u Feniksu, državi Arizoni. Servis Nacionalnog parka je upotrebio strategiju pasivnog solarnog dizajna za prostorije za zaposlene. Zgrade Servisa Nacionalnog parka u Velikom kanjonu i Yosemite nacionalni park su uključeni u DOE program gradnje. Projekti su završeni, ili su u toku u Grand Toton nacionalnom parku, Hovenweep nacionalnom pokretu i Capitol reef nacionalnom parku. Ministarstvo odbrane takoñe koristi ove dizajne objekata sa malom potrošnjom energije.



|118|

7. RAČUNSKI ZADACI

7.1. Sagorevanje Zadatak 1. a) Izračunati potreban odnos vazduh-gorivo da bi se izvršilo potpuno

sagorevanje goriva. Gorivo se sastoji od 80% metana i 20% etana (molarno)

Gorivo Vazduh 80% CH4 0,8 CH4 21% O2 0,21 O2 20% C2H6 0,2 C2H6 79% N2 0,79 N2

1 �� · "#� � $ · %�# � & · #� � � · '� �0,8 · "%( � 0,2 · "�%�� 0,21 · #� � 0,79 · '�� · "#� � $ · %�# � & · #� � � · '�

Ugljenik 0,8 + 0,2⋅2 a Kiseonik Y⋅0,21⋅2 a⋅2

+ b + c⋅2 Vodonik 0,8⋅4 + 0,2⋅6 b⋅

2 Azot Y⋅0,79⋅2 d⋅

2 a = 1,2 b = 2,2 c = 0,21⋅Y – 2,3 d = 0,79⋅Y Stehiometrijski odnos Vazduh-Gorivo prestavlja neophodan odnos da bi se postiglo

potpuno sagorevanje bez viška vazduha. c = 0 Ysteh = 10,95 kmol Stehiometrijski odnos vazduh-gorivo je Vazduh/Gorivo = 10,95 : 1 Početna jednačina sada izgleda ovako: �0,8 · "%( � 0,2 · "�%�� 10,95 · �0,21 · #� � 0,79 · '�� 1,2 · "#� � 2,2 · %�# � 0 · #� � 8,65 · '� Ako želimo ovaj odnos da izrazimo u masenim jedinicama:

- � �.

M – molarna masa, kg/kmol m – masa, kg n – broj molova



|119|

-/012340 � 0,21 · 2 · 16 5�5�� 0,79 · 2 · 14 5�5�� 7 29 5�5��

�/012340 � 10,95 5�� · 29 5�5�� 317,62 5�

-9:; � 1 5�� · 12 5�5�� 4 5�� · 1 5�5�� 16 5�5�� -9<:= � 2 5�� · 12 5�5�o� � 6 5�� · 1 5�5�� 30 5�5��

�?@AB/0 � 0,8 · -9:; � 0,2 · -9<:= � 18,8 5� Stehiometrijski odnos vazduh-gorivo je onda Vazduh/Gorivo = 317,62 : 18,8 = 16,89

: 1 (maseni) Ako je odnos vazduh-gorivo manji od stehiometrijskog odnosa vazduh-gorivo onda se

odvija nepotpuno sagorevanje goriva i u produktima sagorevanje će biti prisutan CO. Ako je odnos vazduh-gorivo veći od stehiometrijskog odnosa vazduh-gorivo onda se

odvija potpuno sagorevanje goriva i u produktima sagorevanje će biti prisutan O2. b) Koliki procenat ulaznog vazduha izlazi iz procesa sagorevanja, u koliko

poznajemo stvarnu količinu vazduha koja se koristi u procesu sagorevanja (Y = 12 kmol).

CB1D01 � � E �FG@4�FG@4 H 100 %

CB1D01 � 12 E 10,9510,95 H 100 % � 9,6 %

c) Izračunati stvarnu količinu vazduha koja ulazi u proces sagorevanja goriva

(80% metana i 20% etana) ako je izmerena koncetracija CO2 = 10,5%. Ukoliko nam je poznat sastav goriva (80% metana i 20% etana) i izmerimo

koncentraciju produkata sagorevanja (npr. CO2 = 10,5%) možemo izračunati stvarnu količinu vazduha koja se koristi u procesu sagorevanja Y.

�0,8 · "%( � 0,2 · "�%�� 0,21 · #� � 0,79 · '�� · "#� � $ · %�# � & · #� � � · '� Prvo se uzorak produkata sagorevanja suši, odnosno uklanja se vlaga, kako bi izvršili

suvu analizu gasova (b = 0). Izmeri se koncentracija npr. CO2 i njegov udeo u ukupnoj količini gasova, koji u

ovom slučaju su CO2, O2 i N2, iznosi 10,5%. �� & � � � 0,105

Na osnovu jednačina dobijenih pod a) a = 1,2 c = 0,21⋅Y – 2,3 d = 0,79⋅Y



|120|

dobija se: � � 12,53 5�� Odnos vazduh-gorivo je 12,53 : 1. A procenat izlaznog vazduha je:

CB1D01 � 12,53 E 10,9510,95 H 100 % � 14,4 %

Ovu analizu možemo sprovesti i merenjem O2 ali njegova koncentracija je obično

mala i time je teško precizno izmeriti. Zadatak 2.

Toplotna moć goriva je odnos nastale količine toplote pri potpunom sagorevanju i

količine goriva čijim je sagorevanjem ta toplota dobijena. Toplotne moći (gornju i donju) analitičke mase čvrstog goriva u kJ/kg moguće je odrediti analitičkim putem, ako je poznat elementarni sastav goriva, pomoću izraza:

%?�0� � 340"�0� � 1420 · J%�0� E #�0�8 K � 93 · L�0� %2�0� � 340 · "�0� � 1190 · J%�0� E #�0�8 K � 93 · L�0� E 25M:�0�

Preračunavanje toplotnih moći sa analitičke na radnu uslovnu masu goriva vrši se

pomoću izraza:

%?�A� � 340"�A� � 1420 · J%�A� E #�A�8 K � 93 · L�A�

%?�A� � %?�0� · 100 E MN�A�100

%2�A� � 340 · "�O� � 1190 · J%�A� E #�0�8 K � 93 · L�A� E 25�M:�A� � MN�

%2�A� � %2�0� · 100 E MN�A�100 E 25 · MN�A� Veza izmeñu donje i gornje toplotne moći: %2�0� � %?�0� E 25 · �9 · %�0� � M:�0��



|121|

a) Na osnovu elementarne analize radne mase uglja dobijeno je C = 46,4 %; H = 5,2 %; O = 5,8 %; N = 2,5 %; S = 6,6 %; A = 9,4 %; WH =11,1 % i WG = 13 %, odrediti gornju i donju toplotnu moć radne mase.

Gornja toplotna moć:

%?�A� � 340"�A� � 1420 · J%�A� E #�A�8 K � 93 · L�A� %?�A� � 22,74 -P5�

Donja toplotna moć:

%2�A� � 340 · "�A� � 1190 · J%�A� E #�0�8 K � 93 · L�A� E 25�M:�A� � MQ�

%2�A� � 21,11 -P5�

b) Za poznato čvrsto gorivo sa karakteristikama: Hg(a) = 23,31 MJ/kg; WH(a) = 4

% i H(a) =3 %, potrebno je odrediti donju toplotnu moć analitičke i radne mase ovog goriva, ako je sadržaj grube vlage 15 %.

%2�0� � %?�0� E 25 · �9 · %�0� � M:�0��

%2�0� � 22,54 -P5�

%2�A� � %2�0� · 100 E MN�A�100 E 25 · MN�A� %2�A� � 18,78 -P5�

Zadatak 3. a) Minimalna količina kiseonika za sagorevanje elemenata goriva Minimalno potrebna količina kiseonika predstavlja teorijski neophodnu količinu

kiseonika za potpuno sagorevanje svih gorivih elemenata goriva. Kod čvrstih goriva se može izražavati u kg kiseonika po 1kg goriva ili u m3 kiseonika po 1kg goriva.

Ova veličina se računa na osnovu poznatog elementarnog sastava goriva i minimalno

potrebnih količina kiseonika za sagorevanje svakog gorivog elementa: ugljenika, vodonika i sumpora, dobijenih iz stehiometrijskih jednačina sagorevanja. Od dobijene potrebne količine kiseonika potrebno je oduzeti količinu kiseonika koja ulazi u sastav goriva, jer se i taj kiseonik koristi za sagorevanje.

Količinu kiseonika neophodnu za potpuno sagorevanje ugljenika dobijamo iz

stehiomertijske jednačine potpunog sagorevanja ugljenika: " � #� "#� odnosno: 15�� " � 15�� #� 15�� "#� � 406,08 -P



|122|

Imajući u vidu da su molarne mase molekula ugljenika, kiseonika i ugljen-dioksida redom:

-A�9� � 12 5�5�� -A�R<� � 32 5g5�� -A�9R<� � 44 5�5��

1 5�� " · 12 5�5�� 1 5�� #� · 32 5�5�� 1 5�� "#� · 44 5�5�� 406,08 -P

12 5� " � 32 5� #� 44 5� "#� � 406,08 -P

1 5� " � 83 5� #� 113 5� "#� � 33,79 -P Ili u m3

12 5� " � 22,4 �� #� 22,4 �� "#� 1 5� " � 1,867 �� #� 1,867 �� "#� Prema tome, za potpuno sagorevanje 1kg ugljenika neohodno je 8/3 kg kiseonika. Pri

tome nastane 11/3kg udgljen-dioksida i oslobodi se 33,79 MJ toplotne energije. Na sličan nacin se dobija količina kiseonika neophodna za sagorevanje 1kg vodonika: 2%� � #� 2%�# odnosno: 2 5�� %� � 1 5�� #� 2 5�� %�# � 241, 87 -P i kako su:

-A�:<� � 2 5�5�� -A�R<� � 32 5�5��

-A�:<R� � 18 5�5�� Dobija se:

2 5�� %� · 2 5�5�� 1 5�� #� · 32 5�5�� 2 5�� %�# · 18 5�5�� 241, 87 -P 4 5� %� � 32 5� #� 36 5� %�# � 241,87 -P 1 5� %� � 8 5� #� 9 5� %�# � 119,95 -P Ili 4 5� %� � 22,4 �� #� 44,8 �� %�# 1 5� %� � 5,6 �� #� 11,2�� %�#



|123|

Znači, za sagorevanje 1kg vodonika neophodno je 8kg kiseonika. Pri tome nastaje 9kg vode i oslobodi se 119,95 MJ toplotne energije.

Potpuno analogno se dobija količina kiseonika potrebna za sagorevanje sumpora,

polazeći od stehiometrijske jednačine sagorevanje sumpora: L � #� L#� odnosno: 15�� L � 15�� #� 15�� L#� � 296,84 -P I kako su:

-A�T� � 32 5�5�� -A�R<� � 32 5�5�� -A�TR<� � 64 5�5��

Dobija se:

1 5�� L · 32 5�5�� 1 5�� #� · 32 5�5�� 1 5�� L#� · 64 5�5�� 296,84 -P

32 5� L � 32 5� #� 64 5� L#� � 296,84 -P 1 5� L � 1 5� #� 2 5� L#� � 9, 295 -P Ili 32 5� L � 22,4 �� #� 22,4 �� L#� 1 5� L � 0,7 ��#� 0,7 �� L#� b) Minimalna količina kiseonika za sagorevanje goriva Minimalno potrebna kolicina kiseonika za sagorevanje goriva, data u kg kiseonika po

1 kg goriva, može se odrediti pomocu izraza:

#UBV W5�5�X � 83 �9�0� � 8�:�0� � �T�0� E �R�0� Uvodeci Molierovu konstantu, definisanu izrazom:

Y � 1 � 3 · �:�0� E Z38 �R�0� E 38 �T�0�[�9�0�

Dobija se:

#UBV W5�5�X � 2,67 · Y · �9�0� Minimalno potrebna količina kiseonika za sagorevanje, data u m3 kiseonika po 1kg

goriva, može se odrediti iz izraza:

#UBV \��5�] � 1,867 · Y · �9�0�

c) Minimalna i stvarna količina vazduha



|124|

Znajuci da je maseni udeo kiseonika u vazduhu 23,2% a zapreminski udeo oko 21%, može se odrediti minimalna količina vazduha neophodna za potpuno sagorevanje (iz koje se dobija neophodna količina kiseonika):

CUBV W5�5�X � #UBV^_?_?`0,232

CUBV \��5�] �

#UBVWUa_? X0,21

Ovako teorijski odreñena, minimalna potrebna količina vazduha za sagorevanje često

u praksi nije dovoljna da se obezbedi potpuno sagorevanje. Zato je potrebno dovesti nešto veću količinu vazduha, koju nazivamo stvarnom količinom vazduha, LS. Odnos stvarne i minimalne potrebne količine vazduha se naziva koeficijent viška vazduha, λ (bezdimenziona velicina). Često je u upotrebi relacija:

CT � b · CUBV λ = 1,01 - 1,1 gasovita goriva λ = 1,03 - 1,2 tečna goriva λ = 1,15 - 1,3 ugljena prašina λ = 1,3 - 1,5 ugalj na rešetki Ukoliko je λ < 1 takvo sagorevanje je nepotpuno. d) Napisati stehiometrijsku jednačinu potpunog sagorevanja jednog tečnog

goriva, benzola (C6H6), i na osnovu nje odrediti količinu kiseonika potrebnu za sagorevanje navedenog goriva(u kg/kg, kg/m3, m3/kg i m3/m3). "�%� � 7,5 · #� 6 · "#� � 3 · %�#

Količine materije, mase i zapremine svih jedinjenja koja ucestvuju u reakciji (sve

kolicine su date za 1kmol goriva): 1kmol C6H6 + 7,5kmol O2 → 6kmol CO2 + 3kmol H2O 78kg C6H6 + 240kg O2 → 264kg CO2 + 54kg H2O 22,4m3 C6H6 + 168m3 O2 → 134,4m3 CO2 + 67,2m3 H2O Minimalna kolicina kiseonika potrebna za potpuno sagorevanje benzola:

#UBV � 7,5 5��5�� 7,5 ��

#UBV � 240 5�78 5� � 168 ��78 5�

#UBV � 3,08 5�5� � 2,15 �� 5�

Analiza procesa sagorevanja Analiza procesa sagorevanja uključuje merenje koncentracije gasova, temperature i

pritiska, provere emisija i unapreñenje sigurnosti. Parametri koji se obično ispituju su:



|125|

• Kiseonik O2 • Ugljen-monoksid CO • Ugljen-dioksid CO2 • Temperatura izlaznog gasa • Temperatura vazduha za sagorevanje • strujanje vazduha • Azot-oksid NO • Azot-dioksid NO2 • Sumpor-dioksid SO2 Kiseonik, ugljen-monoksid, ugljen-dioksid Kada se u izlaznim gasovima iz procesa sagorevanja pojavi kiseonik, to obično znači

da se dovodi više vazduha nego što je potrebno za proces sagorevanja. Drugim rečima, merenjem O2 u izlazu, ukazuje da se višak vazduha doveo procesu sagorevanja.

Kada se manjak vazduha dovodi procesu sagorevanja, nema dovoljno O2 za da sav C

iz goriva formira CO2. Umesto toga neka količina O2 sa ugljenikom iz goriva formira CO (jako toksičan gas). Količinu CO treba što više smanjiti u izlaznim gasovima, a time se poboljšava efikasnost goriva i smanjuje stvaranje čañi.

Pravilo je da najefikasnije i najisplativije korišćenje goriva je kada je koncentracija

CO2 u izlaznim gasovima maksimizirana. Teorijski ovo se dešava kada se dovodi dovoljno O2 sa vazduhom da reaguje sa svim C iz goriva (teorijska količina vazduha). Ova količina vazduha zavisi od sastava goriva i količine goriva koje se sagoreva.

Opšta jednačina sagorevanja jednostavnog ugljovodonika na vazduhu:

"c%d � �4c � d�#�3 e c"#� � Zd2[ %�#

x – broj atoma ugljenika, y – broj atoma vodonika u molekulu ugljovodonika. Potpuno sagorevanje ugljovodonika prouzrokuje fiksnu količinu ugljendioksida. Ako

se dovede teorijska količina vazduha, koncetracija CO2 će biti maksimalna moguća. Za izračunavanje maksimalne koncetracije CO2 pretpostavi se da je sva voda u izduvnim gasovim kondezovana i uklonjena, pri čemu ostaju samo CO2 i N2.

"#��c � .9R<�.9R< � .f<� c 100 %

.9R< � c ��

.f< � �4c � d� · 3,764

Stvarna koncentracija CO2 u izlaznim gasovima se može izračunati na osnovu merenja

koncetracije O2:

"#� � "#��c · g20,9 E #�B1UhAhV@i20,9

Ako je izmerena koncentracija O2 jednaka nuli, koncetracija CO2 je jednaka

maksimalnoj koncentraciji odnosno sav C iz goriva se transformiso u CO2.



|126|

Kolićina izlaznog vazduh se može odrediti merenjem koncentracije nereagovanog O2 i CO u izlaznoj struji gasova. Procenat izlaznog vazduha (koji je odreñen koncentracijom O2) može se izračunati pomoću formule:

CB1D01V@ � #�B1UhAhV@ E "#B1UhAhV@220,9 E �#�B1UhAhV@ E "#B1UhAhV@2 � · 100 %

Ukoliko je u pitanju potpuno sagorevanje CO=0 O2, CO su izraženi u %. λ- koeficijent viška vazduha se izračunava:

b � CB1D01V@100 � 1

Temperatura i strujanje vazduha Toplota koja odlazi sa izduvnim gasovima je neiskorišćena toplota jer nije

transformisana u koristan rad, kao na primer za proizvodnju pare. Gubitak toplote je glavni uzrok niže efikasnosti goriva. Kako je toplotni sadržaj gasova proporcionalan njegovoj temperaturi, efikasnost goriva opada kako temperatura raste.

Kada odreñujemo gubitak toplote iz goriva, temperatura dovodnog vazduha se oduzima od temperature izlaznih gasova. Ovim se dobija neto temperatura i izračunava isporučena toplota sistemu.

Neki gubici toplote su neizbežni. Temperatura u izduvnim gasovima mora da bude

dovoljno visoka da se izbegne kondezacija u dimnjaku. Jedan od procesa za povraćaj izgubljenje toplote je da se topli gasovi iz procesa sagorevanja koriste za predgrevanje dovodnog vazduha pre dovoñenja u komoru za sagorevanje.

Kad se izvrši sagorevanje, gasovi napuštaju komoru za sagorevanje, predaju toplotu

toplotnom izmenjivaču i izlaze kroz dimnjak. Ventilacija može da bude prirodna ili mehanička kad imamo ventilator, a najčešće se vrši kombinovanje ova dva načina.

Odreñivanje najpogodnijeg načina se vrši merenjem pritiska u izduvnom dimnjaku.

Proizvoñači opreme za sagorevanje goriva daju specifikacije za poterebni pritisak i lokacije za merenje istog.

Azotovi oksidi (NOx) Azotovi oksidi (obično NO i NO2) predstavljaju polutante u gasovima koji doprinose

formiranju kiselih kiša. NO se generiše reakcijom azota iz goriva ili vazduha sa kiseonikom na visokim temeraturama, koji zatima oksidira dalje pri čemu se dobija NO2 , ova oksidacija se odvija na nižim temperaturama u dimnjaku ili nakon izlaza gasova.

Koncentracija NO se posebno meri a koncentracija NO2 se obično predpostavlja da

iznosi 5% od ukupne koncentracija azaotovih oksida. Sumpor-dioksid



|127|

Sumpor-dioksid reaguje sa vodom u izlaznim gasovima i formira maglu sumporne kiseline. Sumporna kiselina nastala u atmosferi je polutant koji se nalazi u magli, smogu, kiseloj kiši i snegu, i dospeva u zemlju i podzemne vode. Sumpor-dioksid je korozivan i nanosi štetu životnoj sredini.

Supor-dioksid nastaje kada u gorivu ima sumpora, i nalazi se u direktnoj vezi.

Najjeftiniji način za smanjenje emisije sumpor-dioksida je izbor goriva koji nema ili ima nizak sadržaj sumpora.

Čañ Čañ je crni dim i prisutna je kad god imamo sagorevanje nafte ili čvrstih goriva. Ona

je nepoželjna jer ukazuje na nepotpuno sagorevanje i taloži se na površinama koje služe za razmenu toplote, čime se onemogućava dobra termička konduktivnost.

Čañ je prvenstveno nesagoreli C, i nastaj na isti način kao i CO, usled nedostatka

kiseonika, slabog mešanja goriva i niske temperature plemena. KORIŠĆENE OZNAKE gC -maseni udeo ugljenika u gorivu, bezdimenziona velicina, C -procentualni maseni udeo ugljenika u gorivu, % (mas), C[%]=gC⋅100, gH -maseni udeo vodonika u gorivu, H -procentualni maseni udeo vodonika u gorivu, % (mas), H[%]=gH⋅100, H2 -procentualni maseni udeo molekula vodonika u gorivu, % gO -maseni udeo kiseonika u gorivu, O -procentualni maseni udeo kiseonika u gorivu, % (mas), O[%]=gO⋅100, O2 -procentualni maseni udeo molekula kiseonika u gorivu, % gN -maseni udeo azota u gorivu, N -procentualni maseni udeo azota u gorivu, % (mas), N[%]=gN⋅100, N2 -procentualni maseni udeo molekula azota u gorivu, % gS -maseni udeo sumpora u gorivu, S -procentualni maseni udeo sumpora u gorivu, % (mas), S[%]=gS⋅100, gA -maseni udeo mineralnih primesa u gorivu, A -procentualni maseni udeo mineralnih primesa u gorivu, % (mas), A[%]=gA⋅100, gWh -maseni udeo higroskopne vlage u gorivu, Wh -procentualni maseni udeo higroskopne vlage u gorivu, % (mas), Wh[%]=gWH⋅100, gWg -maseni udeo grube vlage u gorivu, Wg -procentualni maseni udeo grube vlage u gorivu, % (mas), Wg[%]=gWG⋅100, Hg -gornja toplotna moc, kJ/kg, Hd-donja toplotna moc, kJ/kg, Omin -minimalna količina kiseonika neophodna za potpuno sagorevanje, kg/kg, m3/kg, Lmin -minimalna količina vazduha neophodna za potpuno sagorevanje, kg/kg, m3/kg, LS -stvarna količina vazduha utrošena na sagorevanje, kg/kg, m3/kg, Lizlaz -izlazna količina vazduha, kg/kg, m3/kg, λ -koeficijent viška vazduha,



|128|

(r) -maseni udeo u radnoj masi goriva, (a) -maseni udeo u analitickoj masi goriva, (g) -maseni udeo u cistoj gorivoj masi goriva i (s) -maseni udeo u suvoj masi goriva.



|129|

7.2. Zakon održanja mase, nuklearne reakcije, fuzija i fisija

MATERIJA Ne postoji jasno defnisana teorija materije, ali se materija obično definiše kao

supstancija od koje su sačinjeni fizički objekti, što praktično znači da se pod materijom smatra sve što se može čulima osetiti i poseduje fizičke osobine.

Materija bi se najjednostavnije mogla definisati kao istovremena manifestacija mase i

energije u vremenu i prostoru.

SUPSTANCA Supstanca je oblik postojanja materije. To je čulima dostupan oblik materije.

Karakteriše je masa mirovanja. Svaka supstanca ima karakteristična svojstva po kojima se razlikuje od drugih supstanci, na primer: boju, miris, gustinu, temperaturu topljenja, temperaturu ključanja itd.

Još su stari Grci verovali da se materija ne može uništiti niti ni iz čega stvoriti. To

znači da su verovali da je materija večna i da je njena količina u vasioni stalna, odnosno niti se uvećava niti smanjuje. To shvatanje se, meñutim, kroz dugi niz godina lagano menjalo zbog površnih površnih posmatranja nekih procesa u prirodi, kao što su:

• Rast biljaka-počeli su ljudi da veruju da se biljka stvara ni iz čega, jer se u to vreme nije znalo da biljka koja raste uzima potrebne sastojke za svoju grañu iz zemljišta i vazduha.

• Gorenje sveće-posmatranjem sveće koja sagoreva i koja postaje sve manje i manja, ljudi su počeli da veruju da ona iščezava itd. Kao posledica takvih netačnih objašnjenja izvesnih pojava, postepeno se stvaralo

mišljenje da se materija može ni iz čega stvoriti, odnosno uništiti. Meñutim, pažljivim posmatranjem može se utvrditi da ovo ije sučaj. Materija može da

promeni svoj oblik, agregatno stanje i slično, ali ne može nastati ni iz čega ili nestati! 1774. godine Lavoazije je izvršio eksperiment nakon koga je formulisao ZAKON

ODRŽANJA MASE. Lavoazije je zagrevao odmerenu količinu kalaja s vazduhom u zatvorenom sudu. Pri

tome su se osobine kalaja izmenile, što znači da se odigrala hemijska promena. Merenjem težine suda sa kalajem pre i posle zagrevanja Lavoazije je utvrdio da se ona nije izmenila. Kada je otvorio sud i ponovo ga izmerio, video je da se njegova težina uvećala zbog ulaska nove količine vazduha, upravo za toliko koliko se uvećala i težina kalaja u toku zagrevanja.

Iz ovih činjenica Lavoazije je izveo zaključak da se kalaj sjedinio sa izvesnom

količinom kiseonika iz vazduha koji se nalazio u sudu, ali da se pri ovoj hemijskoj promeni ukupna težina supstanci što su učestvovale u njoj nije izmenila, i na osnovu toga formulisan je ZAKON ODRŽANJA MASE.



|130|

ZAKON ODRŽANJA MASE (Z.O.M.)

Ukupna masa supstance koja učestvuje u reakciji je konstantna. Z.O.M. može se

preformulisati čime se dobija osnovna hemijska karakterizacija maetrije: Materija se ne može uništiti niti ni iz čega stvoriti, ona samo može da promeni

oblik.

AJNŠTAJNOVA JEDNAČINA Kada se govori o Z.O.M. mora se primetiti da prema teoriji relativiteta, materija (kao

oblik energije) i energija, mogu prelaziti mogu prelaziti jedna u drugu , u meñusobnom odnosu koji je definisan poznatom Ajnštajnovom jednačinom:

E=mc2 gde je: E-osloboñena ili apsorbovana energija [J] m-gubitak ili dobitak mase [kg] c-brzina svetlosti [m/s]; c=3·108 m/s Pri bilo kojoj hemijskoj promeni koja je praćena promenom temperature, vršiće se i

odgovarajuća promena mase. To znači, da se pri hemijskoj promeni vrši promena mase, ali ako se uzme u obzir visoka vrednost brzine svetlosti, gubitak mase je izuzetno nizak i prema tome Z.O.M. može se uzeti u kao tačan za sva eksperimentalna merenja.

JEZGRO

Jezgro je pozitivno naelektrisan deo atoma koji se sastoji od protona i neutrona

(nukleoni).

REDNI BROJ (Z) Broj protona u jezgru predstavlja redni ili atomski broj elemenata u periodnom

sistemu elemenata.

MASENI BROJ (A) Maseni broj predstavlja sumu protona i netrona u jezgru odnosno ukupan broj

nukleona. Maseni broj je približno jednak masi jezgra izraženoj u atomskim jedinicama mase (µ). IZOTOPI

Izotopi su jezgra sa istim brojem protona i različitim brojem neutrona.

ATOMSKA JEDINICA MASE (µ)-predstavlja 1/12 mase izotopa "�� i iznosi: u=1,66·10-27kg



|131|

u=931,16 MeV-energija koja odgovara atomskoj jedinici mase po relaciji Energija koja je u vezi sa procesima u jezgru atoma u praksi se najčešće, osim u

džulima, izražava i u elektronvoltma (eV), tj. megaelektronvoltima (MeV), pri čemu je: 1 eV= 1,6022·10-19 J

ENERGIJA VEZE JEZGRA Energija koja se oslobaña ili troši pri nuklearnoj reakciji odreñena je Ajnštajnovom

relacijom: Ev=j � km·c2 gde je: lm-razlika masa čestica od kojih je jezgro izgrañeno i mase jezgra naziva se defekt

mase.

l� � mn �BV

Bo�p q�r E mn �B

U

Bo�p q�s�r

Defekt mase predstavlja raziku ukupne mase jezgara pre reakcije i mase svih jezgara

posle reakcije. Ukoliko je l�>0 energija se oslobaña, dok je za l�<0 energiju potrebno uložiti.

Ukoliko se uporede mase jezgra sačinjenog od protona (Z) i nutrona(N), sa zbirom njihovih pojedinačnih masa dolazi se do rezultata da je masa jezgra uvek manja odo ovog zbira. Razlika u masi, odnosno defekt mase iznosi:

l� � ^tUu � �v E t��V E �w,x` gde je: mp-masa protona mn-masa neutrona mA,Z-masa odgovarajućeg jezgra c-brzina svetlosti u vakuumu koja iznosi 3·108 UF .

RADIOAKTIVNI RASPAD Radioaktivni raspad predstavlja spontanu transformaciju jezgara nestabilnog izotopa

jednog hemijskog elementa u izotope drugog elementa uz emisiju radioaktivnog zračenja (α, β čestica i γ kvanata).

α-RASPAD Maseni broj elementa se smanjuje za 4, a redni broj za 2. Emituju se dvostruko

jonizovani atomi helijuma. β-RASPAD Maseni broj elementa se ne menja, redni broj se povećava za jedan ili se smanji za

jedan. Emituje se elektron ili pozitron (pozitron je antičestica elektrona, ima naeletrisanje +1 i masu jednaku masi elektrona) i odgovarajući neutrino (elementarna čestica, nema naelektrisanje ni masu ili vrlo malu).



|132|

γ-RASPAD Ne menja se ni redni ni maseni broj. Emituju se elektromagnetni zraci. FISIJA Fisija predstavlja proces cepanja teških jezgara i formiranje lakših, pri čemu se

oslobaña energija (kada se jezgro raspadne, delovi imaju veću masu i energija je razlika masa).

FUZIJA Fuzija predstavlja proces spajanja lakših jezgara i formiranje težih uz oslobañanje

energije.

ZADACI

1. Koliko protona, a koliko neutrona imaju jezgra: a) v�� ; b) C�� ; c) y� �� ; d) "s �(� ; e) z{��

Rešenje: a) 13p+12n; b) 3p+2n; c) 15p+17n; d) 55p+85n; e) 92p+143n

2. U prirodi se nalazi izotop azota |}~� , koji se pri nuklearnoj reakciji transformiše u vodonik �~~ i ugljenik ��~� , pod dejstvom neutrona nastalih kosmičkim zračenjem. Napisati jednačinu ove nuklearne reakcije.

Rešenje:

'��( + .�� %�� + "��( Na osnovu ove reakcije odreñuje se starost predmeta.

3. Za indikaciju neutronskog zračenja koristi se bor ��

~� , pri čemu se dobijaju α-čestice, kao dokaz neutronskog zračenja. Napisati jednačinu ove nuklearne reakcije.

Rešenje:

�

�� .�� %r � C��

��(

4. Radioaktivni fosfor �~�

�� je veoma nestabilan element, sa periodom poluraspada 2,65 minuta, pri čemu emituje β-česticu. Napisati jednačinu ove nuklearne reakcije.

Rešenje:

y�

�� L��(�� r��

�

5. U nuklearnim laboratorijama neutroni se dobijaju pri reakciji �� sa α-česticama.

Napisati jednačinu ove nuklearne reakcije.



|133|

Rešenje:

� � %r�

(({ " � .�

��

��

6. Pri raspadu urana �� nastaju α-zraci čija je energija E=4,75 MeV. Koliki defekt

mase jezgra odgovara emisiji α-čestice ovolike energije?

Rešenje: E=∆m·c2

∆m=��<=

(,� ��=h��,��·��< � �,��·��a

{·��= � 8,45 · 10��5�

7. Odrediti redni i atomski broj jezgra Y koje bi nastalo raspadom jezgra �� posle:

a) dva α i jednog β- raspada; b) jednog α i jednog β+ raspada. Napomena: β- - transformacija neutrona u proton uz oslobañanje elektrona i antineutrina, pri čemu

se maseni broj ne menja, a redni broj se povećava za 1. β+ - transformacija protona u neutron uz oslobañanje pozitrona i neutrina, pri čemu se

maseni broj ne menja, a redni broj se smanjuje za 1.

Rešenje: a) �xw → �x��w�� ; b) �xw → �x��w�(

8. Apsorpcijom sporog neutrona �� se raspada u dva srednje teška jezgra (fisioni produkti) i nekoliko neutrona uz oslobañanje energije. Kolika se energija oslobodi ako pri fisiji jezgra �� nastanu ��}~�� i �� i dva neutrona? Koja vrsta radioaktivnog raspada je u pitanju? Dato je sledeće:

mn=1,008665 u m( z{�� )=235,0439 u m( C� ��{ )=138,9061 u m( -�(�{ )=94,90584 u 1u=1,66·10-27 kg

Rešenje: Reakcija: .�� z{�� C� ��{ � -�(�{ �2 .�� Defekt mase za ovaj radioaktivni raspad iznosi:

l� � mn �BV

Bo�p q�r E mn �B

U

Bo�p q�s�r

� �V � �� z{�� ¡ E �� C� ��{ � � �� -�(�{ � � 2�V¡



|134|

l� � 236,05256� E 235,82927� � 0,22329� l� � 0,22329 � 1,66 � 10��5�

l� � 3,71 � 10-28 kg Dobijena masa pretvorena u energiju koja se oslobaña po jednoj reakciji iznosi: Q= l�c2=3,71·10-28·9·1016=3,34·10-11J 1eV=1,6·10-19 J

¢ � 3,34 � 10��1,6 � 10��{ � 2,0875 � 10�r£

Q=208,75Mev Da bi se odredila vrsta radioaktivnog raspada potrebno je odrediti broj neutrona i

protona pre i posle raspada. Broj nukleona iznosi: 235+1=236=139+95+2 Broj protona pre raspada je 92, a broj neutrona pre raspada je 236-92=144. Sabiranjem broja protona u jezgrima nastalim pri ovom raspadu dobija se broj od

57+42=99, dok je broj neutrona posle raspada 236-99=137. Na osnovu navedenog zaključuje se da se pri ovom raspadu 7 neutrona transformisalo

u protone tj. odigralo se 7 β- raspada.

9. Energija se na Suncu oslobaña trošenjem vodonika u termonuklearnoj reakciji, poznatoj kao ciklus proton-proton. Ciklus se sukcesivno odvija u nekoliko stupnjeva ali se, sa stanovišta energetskog bilansa, može svesti na to da od 4 protona kao krajnji produkti nastaju α-čestica, 2 pozitrona (e+) i 2 neutrina (ν). Izračunati:

a) koliku energiju oslobodi 2 kg utrošenog vodonika; b) kolika je masa vodonika ∆m koja se u jedinici vremena pretvori u helijum. Dato je sledeće: P=3,7·1028W (Ukupna snaga Sunca) me=5,49·10-4 u (masa elektrona) mp=1,007276 u (masa jezgra vodonika) mα=4,001506 u (masa jezgra helijuma) 1u=1,66·10-27 kg NA=6,022·1023 mol-1 M( %�� )=1,00709 g/mol (molarna masa jezgra vodonika)

Rešenje: Reakcija: 4 q�� ¤�( � 2r� � 2¥ a) U toku jednog ciklusa oslobodi se energija:



|135|

E=∆mc2 ∆m=[4m( %�

� ]-[m( %r � 2me�( ]=0,0265u=0,0265·1,66·10-27kg=0,04399·10-27kg

E=3,96·10-12J

E=�,{��<

�,��

E=24,75 MeV N=

U

¨� :�� 'w Broj jezgara

Kako su za jedan ciklus potrebna 4 jezgra vodonika, sledi da se tražena energija

dobija kao:

Em po 2kg =f

(·Q=

U

(¨� :�� 'w � ¢

Em po 2kg = 11,84·10�(J b) Energija osloboñena po 1kg vodonika je:

Em po 1kg =©ª «¬ �®

U =��,�(��;¯

�_? =5,92·10�( �_?

Masa vodonika koja se za vreme t=1s, pretvori u helijum iznosi:

∆m=°�G

©ª «¬ �®= 6,25·~�~�kg

10. Kolika je energija veze i energija veze po jednom nukleonu u α čestici? Kolika je energija potrebna da bi se izdvojio jedan proton iz ovog jezgra, a kolika da bi se izdvojio jedan neutron?

Dato je sledeće: mp=1,007276 u mα=4,001506 u mn=1,008665 u m( %�� )=3,016005 u m( %r�� )=3,01603 u 1u=1,66·10-27 kg

Rešenje: α-čestica predstavlja jezgro helijuma i sastoji se od 2 protona i 2 neutrona pa je: Ev(α)=∆m&� Ev(α)=(2mp+2mn-mα)c

2

Ev(α)=4,54·10��J=28,4 MeV Ev(α) po jednom nukleonu iznosi: ©±�²�

( =1,13·10��J=7,1 MeV Izdvajanjem protona odnosno neutrona iz jezgra helijuma nastaju jezgra %�� i %r�� ,

respektivno.



|136|

Energija potrebna za izdvajanje protona: (mpre-mposle)c

2=(mα-(mp+m( %�� ))c2=-3,25·10��J=-20,3MeV

(mpre-mposle)c2=(mα-(mn+m( %r�

� ))c2=-3,46·10��J=-21,6MeV Napomena: znak minus fizički znači da je energiju potrebno uložiti.

11. Izračunati energiju koja se oslobaña po jednom jezgru Al u nuklearnoj reakciji:

v�� %r �

( L��(�� %�

� m( v��

�� )=26,981535 u m( L��(

�� )=29,973761 u m( %r�

( )=4,001506 u m( %�

� )=1,007276 u

Rešenje: E=(mpre-mposle)c

2=2,99·10��J=1,87 MeV

12. Izračunati (u i eV) defekt mase jezgara �~� i �³�

� , i objasniti zašto se razlikuju? Dato je sledeće:

mp=1,007276 u mn=1,008665 u m( %�

� )=3,016005 u m( %r�

� )=3,01603 u 1u=1,66·10-27 kg me=5,49·10-4 u

Rešenje:

Δ� � µt�¶ � �v E t��V E �·¸ �· � �0 E t�h

∆m( %�

� )= 1 � �¶ � �3 E 1��V E ��0 E 1 � �h�=0,009106 u ¹/ � 8,5 MeV ∆m( %r�� )= 2 � �¶ � �3 E 2��V E ��0 E 2 � �h�=0,002015 u ¹/ � 7,48 MeV Vezivna energija %�� veća je od vezivne energije %r�� . To znači da su nukleoni u %r��

slabije vezani nego kod %�� .

13. Kolika je energija veze jezgra �� ? Dato je sledeće: mp=1,007276 u mn=1,008665 u me=5,49·10-4 u mj=9



|137|

Rešenje: Δ� � µt�¶ � �v E t��V E �·¸ � 4�¶ � �9 E 4��V E 9=0,072429

u=0,1202·10��kg ¹/ �67,63 MeV

14. U termonuklearnom reaktoru sa deutronima mogu da nastupe 2 reakcije: a) %r�� %�� %r � q��( � ¢� b) %�� % �� %r�( � .�� ¢� pri kojima se oslobaña energija. Kolike su količine toplota Q1 i Q2 osloboñene pri

ovim reakcijama? Koja reakcija je energetski povoljnija? Dato je sledeće: m( q�� )=1,00795 u m( %�� )=2,01474 u m( %�� )=3,01605 u m( %r�� )=3,0170u m( %r�( )=4,003876 u mn=1,008665 u

Rešenje:

a) ∆m=(∑mpre)-(∑mposle)=0,019914 u ¢�=∆mc2=3pJ=18,6 MeV b) ∆m=0,018249 u ¢�=∆mc2=2,7pJ=17 MeV Kako je ¢�>¢�, reakcija pod a) je energetski povoljnija.

15. Kolika se energija oslobodi pri nuklearnoj reakciji: C�� % �� 2 %r�( Dato je sledeće: m( C�� ) =7,0182 u m( %�� )=1,0081 u m( %r�( ) =4,003876 u

Rešenje: ∆m=(∑mpre)-(∑mposle)=( m( C�� )+ m( %�� ))-2 m( %r�( )=0,0185 u Osloboñena energija iznosi E=1,73 MeV

16. Kolika se energija oslobañau vodoničnoj bombi pri sintezi 1kg m( �³�� )? Dato je sledeće:



|138|

m( %�� ) =2,01474 u

m( %�� ) =3,01605 u

m( %r�� )=3,0170u

m( %r�( ) =4,003876 u

mn=1,008665 u M(m( %r�

( ))=4g/mol

Rešenje: Najveća energija se oslobodi pri nuklearnoj reakciji:

%�� % �

� %r�( � .�

� Pri sintezi jednog jezgra helijuma oslobaña se energija E1: E1=( m( %�

� )+ m( %�� ))-( m( %r�

( )+ mn)c2 ·1,66·10-27=0,255·10-11J=2,55pJ=15,4 MeV

Broj jezgara helijuma u 1kg je:

N=n·NA=U

¨� N» � � ®

�,��(®/ª¬½ � 6,023 � 10�� 1,5 � 10��

pa je ukupna energija osloboñena pri ovoj sintezi: E=N·¹�=1,5·10��·2,55·10��P � 3,825 � 10�(P � �, �¾�� ¿À

17. Kolika je snaga nuklearne centrale ako njena dnevna potrošnja urana-235e iznosi 0,22 kg i ako je njen stepen korisnog dejstva 0,25? Pri deobi jednog jezgra urana-235 oslobodi se energija od 200 MeV.

Dato je sledeće: m( z{�� )=0,22kg η=0,25 ¹�=200 MeV=200·10�·1,6·10��{=320·10��J M=235 g/mol=235 kg/mol

Rešenje:

P=�G uložena snaga centrale

P=η·©Â korisna snaga centrale

E – osloboñena energija pri deobi svih jezgara koja se nalaze u količini urana mase m. U ovoj količini urana nalazi se broj jezgara:

N=n·NA=U¨ � N» � �,�� ®

�,�� ®/ª¬½ � 6,023 � 10��mol�� 5,64 � 10��

Ukupna osloboñena energija u centrali je: E=N·¹�



|139|

a njena korisna snaga:

P=η·Ä��Å

Â=52MW

18. Snaga Sunčevog zračenja koje pada na Zemlju iznosi 1 W. Kolika je masa One količine vodonika koja prilikom termonuklearnih procesa na Suncu prelazi u helijum, pr čemu se odvija energetski proces čija snaga zračenja iznosi 1 PW?

Dato je sledeće: P=1 PW=10� M M( %�� )=1,00795 g/mol=1,00795·10�� kg/mol U toku svakog vremenskog intervala od 1s Zemlja primi energiju: E=P·t=10� M·1s=10� P=6,25·10��MeV Ako 4 atoma %�� prelaze u jedan atom %r�( : 4 %�� %r�( � 2r� � 2¥ onda nastaje defekt mase: ∆m=4m( %�� )-(m( %r�( )+2me)=0,0265 u=0,04399·10��kg ¹�≈3,96·10��J ¹�≈24,75 MeV Broj potrebnih atoma %�� je:

N=(��Å � (��,� ��<Æ

�(,� =1,01·10�� 0G@U0F

a njihova masa je:

m=N·¨

fÇ=1,01·10��·�,��{ ��a

�,��<a =1,7 kg

ZADACI ZA SAMOSTALNU VEŽBU

1. Kolika energija u MeV odgovara masi od 1 u? Uzeti da je brzina svetlosti u vakuumu c = 299 792 458 m/s i da je 1 u= 1,660 565-10-27kg.

2. Koliku je enrgiju potrebno uložiti za nuklearnu reakciju:

' � %r�(��( #�� %��

3. Izračunati defekte masa jezgara sledećih atoma: He, C, O, Na, Co, Au, U. Dato je sledeće: mp=1,007276 u mn=1,008665 u 1u=1,66·10-27 kg me=5,49·10-4 u



|140|

4. Kolika je energija veze jezra '�

�( ? Dato je sledeće: mp=1,007276 u mn=1,008665 u me=5,49·10-4 u



|141|

7.3. Atomska jezgra

Zakon radioaktivnog zakona N(t)=È�·É�ÊË gde je: N(t) – broj radioaktivnih jezgara u trenutku t N� – broj radioaktivnih jezgara u trenutku t=0 λ – konstanta raspada (verovatnoća raspada u jedinici vremena; s��)

Period poluraspada (Ì~/�)

N(T�/�) = ÄÅ

�

ÄÅ

� = N�·e�ÎÂ

Eλt = ln�

�

λt=ln2

Ì~/�=ÑÒ�

Ê

Aktivnost radioaktivnog uzorka (elementa)

A= - ÓÄ

ÓÂ

Aktivnost radioaktivnog elementa predstavlja brzinu raspada. Da bi aktivnost bila pozitivna, broj neraspadnutih jezgara tokom vremena se smanjuje.

A(t)=λN(t) A(t)=λN�·e�ÎÂ v�= λN� A(t)= ��·É�ÊË Jedinica: [BÕ]

ZADACI

1. Konstanta raspada izotopa olova �Ö¾��~� je ~��×�~. Izračunati vreme za koje se raspadne 40% prvobitne količine uzorka ovog izotopa.

λ=10�{s�� 40%

Rešenje: N(t)=N�·e�ÎÂ N(t)= N� - 0,4N�=0,6N� 0,6N�=N�·e�ÎÂ 0,6=e�ÎÂ ln0,6= - λt



|142|

t= - ½Ø�,�

Î=5,11·10�s=16,2 godine

2. Uzorak sadrži 60µg nestabilnog izotopa 60 Co. Kolika je aktivnost uzorka? Period poluraspada uzorka je 5,3 godine.

m(60 Co)=60µg Ù�/�=5,3 godine NA=6,023·10��mol-1 M(60 Co)=60g/mol A=?

Rešenje:

A(t)=A0·e�ÎÂ v�= λN� Početni broj radioaktivnih jezgara je:

N0=n·NA=U�� Ú¬�¨�� Ú¬�·NA

T�/�=½Ø�

Î Û λ=½Ø�

Ü�/< v�=½Ø�

Ü�/< · U�� Ú¬�¨�� Ú¬�·NA= 2,5·~��Bq

3. Preparat ��¾ mase m=1g emituje 1,24·104 α-čestica u jednoj sekundi. Naći period poluraspada urana.

m=1g A=1,24·104 Bq Ù�/�=?

Rešenje:

N(t)=N�·e�ÎÂ A(t)= v�·e�ÎÂ=λN�·e�ÎÂ=λN(t) Û λ=

wf

N=U�Ý�¨�Ý�·NA

T�/�=½Ø�

Î =fDV�

w =U�Ý��DV��fÇ¨�w =

�?��,�{��,��<aU@D��?/U@D��,�(��(ÞÕ =1,41·10�� s=4,5·~�� godina

4. U nekom prehrambenom proizvodu izmerena je aktivnost neke radioaktivne supstance. Proizvod se može korisno upotrebiti nakon 36 dana i 16 sati, kada se aktivnost radioaktivne supstance smanji za 72% od izmerene početne aktivnosti.

a) Koliko je vreme poluraspada radioaktivne supstance? b) Nakon koliko dana će se aktivnost smanjiti na 5% od početne aktvnosti? t=36 dana+16 sati=880 sati

Rešenje:

a) A(t)= A�·e�ÎÂ



|143|

A(t)=A�-0,72A�=0,28A� 0,28A�=A� � e�ÎÂ

ln0,28= - λt= - DV�

à�/< · t

Ù�/�=�DV�G

DV�,��= 479,17 sati

b) A(t)= A�·e�ÎÂá

A(t)=0,05A�

0,05A�=A�·e� âã<ä�/<Â á

ln0,05=E ½Ø�Ü�/< t á

t á=�DV�,� �à�/<DV� =2071 sati=86,29 dana 5. Masa posmatrane količine radioaktivnog izotopa natrijuma |�~~�� iznosi m=0.248 µg. Period poluraspada ovog izotopa je å~/� = 62 s. Kolika je početna aktivnost ove količine natrijuma? Kolika će ona da bude posle vremena t = 600 s.

m=0,248µg=0,248·10��g M( Na�� )=25g/mol T�/� = 62 s A=?

Rešenje:

T�/�=½Ø�

Î Û λ=½Ø�

Ü�/< N=

U�Ý�¨�Ý�·NA

A0=λN=½Ø�

Ü�/<·U�Ý�¨�Ý�·NA=6,68·10��Bq

A(t)= v�·e�ÎÂ=6,68·10��·r�Å,=�a�=ÅÅ=< =81,57 TBq 6. Pri radioaktivnom raspadu jezgra |� ~~�� nastaje emisija a-čestica. Period poluraspada ovoga jezgra iznosi å ~/�= 14,8 h. Koliko se jezgara |� ~~�� raspadne za vreme t = 10 h u uzorku mase m = 1 kg.

m=1kg Ù�/�=14,8h t=10h M=24g/mol ∆N=?

Rešenje:

∆N=N�-N(t) N�=

U�Ý�¨�Ý�·NA

N(t)=N�·e�ÎÂ � U�Ý�¨�Ý�·NA · e�ÎÂ



|144|

∆N=U�Ý�

¨�Ý�·NA-

U�Ý�

¨�Ý�·NA · e�ÎÂ=

U�Ý�

¨�Ý�·NA(1-e

� âã<ä�/<

Â)=9,38·~�~¾

7. Masa α radioaktivnog plutonijuma 239 iznosi 239 g. Posle kog vremena će nastati 3g helijuma, ako je vreme poluraspada plutonuijuma 1016 godina?

m(Pu)=239g M(Pu)=239g/mol m(He)=3g M(He)=4g/mol Ù�/�=10�� godina T=? N(He)=N�(Pu)- N�(Pu)·e�ÎÂ N(He)= N�(Pu)(1-e�ÎÂ) ª�çè�é�çè�·NA=

ª�êë�é�êë�·NA(1-e� âã<ä�/<Â

)

E ½Ø�Ü�/< t=ln(1-

ª�çè�é�çè� · é�êë�

ª�êë�) -

�,�{��= · t= ln0,25= - 1,39

t=��,�{

��,�{� · 10�� = 2·~�~� godina



|145|

8. LITERATURA

1. M. ðonlagić: Energija i okolina, PRINTCOM, Tuzla, 2005. 2. D. Marković, Š. ðarmati, I. Gržetić, D. Veselinović: Fizičko-hemijske osnove zaštite životne sredine - knjiga II: Izvori zagañivanja posledice i zaštita; Univerzitet u Beogradu; Beograd 1996. 3. M. Nikolić, Z. Mihajlović Milanović, Š. Mandal, Ekonomika Energetike, Beograd: Ekonomski fakultet; 2003. 4. Program ostvarivanja strategije energetike u Republike Srbiji do 2012. godine. 5. http://yosemite.epa.gov/oar/globalwarming.nsf/content/ClimateFutureClimate.html 6. http://hr.wikipedia.org/wiki/Nuklearna_elektrana 7. www.svetnauke.org › Tajne atoma 8. www.izvorienergije.com/nuklearna_energija.html 9. www.blic.rs 10. www.naslovi.net/2011 11. www.cudaprirode.com/.../2428-nuklearna-katastrofa-u-japanu 12. Izveštaj Sjedinjenih Američkih Država-ministarstva za energiju-’’Federal energy management program’’

Documents

2011. ENERGIJA I OKRUŽENJE - tfzr.uns.ac.rs · PDF fileSkripta iz predmeta Energija i okruženje Departman za inženjerstvo zaštite životne sredine i zaštite na radu │Fakultet