Nuklearna energija

Fizika energijskih virov1

Nuklearna energija

Cepljenje jeder / fisija

Rok Bizjak


Zgodovina

Začetki med drugo svetovno vojno – atomska bomba.

Raziskave za uporabo novih dognanj v komercialne namene – energija.

V obdobju razvoja se godijo nesreče:

nesreče + nerazumevanje + vojaški nameni = strah

Gradnja nuklearnih elektrarn se ustavi (zahteva širše javnosti – odziv politike).

+ =


Trenutno in prihajajoče stanje

Masovno se uporabljajo neobnovljivi / škodljivi viri za proizvodnjo energije, ki močno onesnažujejo okolje – širše javnosti to ne skrbi.

Pride do točke, ko se narava odzove – efekt tople grede (poplave, suše in ostale naravne katastrofe).

Pomanjkanje in višanje cen nafte ter zemeljskega plina.

˝Svet˝ se zave, da bi bilo dobro vlagati v naravi prijaznejše in obnovljive energijske vire.

Nuklearna energija = nekakšna alternativa nafti.

Poučevanje širše javnosti o nuklearni energiji.


Jederska cepitev / fisija

Jedrska cepitev (fisija) je jedrska reakcija, pri kateri težko atomsko jedro razpade na dve srednjetežki jedri (cepitveni produkti), pri tem pa navadno odleti nekaj nevtronov.

Cepitev sproži nevtron ali foton, ki se absorbira v jedru in mu preda energijo.

Da se jedro lahko razcepi, mora najprej preseči energijski prag. Ko ga, se novo nastali jedri oddaljita, razlika energij pa se sprosti v obliki toplote. Cepitveni produkti so jedra srednjih mas, v katerih so nukleoni močneje vezani kakor v težkih jedrih.

Razlika energije med začetnim in končnim stanjem znaša približno 200 MeV na en razcep.


Gorivo

Nuklearno gorivo je katerikoli material, ki se ga lahko uporabi za pridobivanje nuklearne energije.

Najbolj uporabljeni so težki radioaktivni elementi, ki sami vzdržujejo verižno reakcijo v reaktorjih.

V večini sta to 235U in 239Pu,

Gorivo z izkopom, predelavo (konverzijo), bogatenjem, uporabo in na koncu skladiščenjem tvori jederski gorivni krog (zaključen na različne načine).


Uran

Odkrije ga Marin Heinrich Klaproth – 1789.

Uporabljen v medicinske namene, proizvodnja fosforescenčnih snovi (barvanje keramike) in fotografiji.

Je sivo-bela kovina.

Glaven pomen dobi po odkritju cepitve njegovega jedra.

Pridobivanje iz rud, fosforitov,premogovnega pepela, morske vode, granita, itd.


Pridobivanje iz rud

Hidrometalurška predelava rude – izkoriščanje topnosti urana v šestvalentni obliki ( ) v kislih ali karbonatnih medijih.

Končni produkt je uranov koncentrat v obliki amonijevega diuranata ( ), ki ga poznamo pod imenom rumeni kolač.

Skupna značilnost večine tehnoloških postopkov za predelavo rude je uporaba vode za reakcijsko in transportno sredstvo.

2UO

ADU


Bogatenje urana

Rumeni kolač vsebuje še precej raznih elementov – nečistoč, ki absorbirajo nevtrine.

Čistijo ga s pomočjo dušične kisline ( ) in organskega topila (solventna ekstrakcija), ter tako pridobijo zelo čist uran v obliki uranil nitrata.

(praškasti uranov dioksid)

Za obogatitev urana največ uporabljajo plinsko difuzijo (membrane) ali plinske centrifuge – potrebujemo plinasto obliko.

(uranov heksafluorid)

Končni produkt strnejo v uranove tabletke.

3HNO

23232 )( UOUONOUOredukcijasegrevanje

642 UFUFUO


Nuklearne elektrarne

Delujejo na pricipu termoelektrarn, le da je izvor toplote toplota iz jedrskega goriva.

Gorivo je shranjeno v sredici reaktorja, ki jo obdaja tlačna posoda.

Skozi sredico kroži hladilo, ki prenaša sproščeno toploto v uparjalnik (tlačnovodni reaktorji) ali pa se v reaktorju uparja in nastala para direktno poganja turbino (vrelni reaktor).

Sredica, tlačna posoda in naprave v njej sestavljajo reaktor.

Izkoristek termoelektrarn je okrog 40%, medtem ko je pri vodno hlajenih reaktorjih približno 34% (kritična temperatura vode je 379°C).


Reaktor

Naprava, v kateri teče nadzorovana cepitev jeder, in se vzdržuje sama

Sestavljajo ga: -sredica reaktorja-moderator-hladilo-regulacijske palice

Sredica reaktorja:

V njej je jedrsko gorivo, kjer poteka cepitev. Pri cepitvi se sprostijo dva ali trije nevtroni, s katerimi se dogaja naslednje:

-pobegnejo iz sredice reaktorja-ujamejo se v gorivu (ni cepitve) – resonančno zajetje-ujamejo se v drugih materialih (hladilo, cepitveni produkti,nečistoče,...)-ob zajetju v 235U povzročijo cepitev (verjetnost 84%)


100 termičnih nevtronov, ki povzročijo cepitev goriva

230 hitrih nevtronov po cepitvi

20 jih pobegne

40 se jih absorbira v 238U

z moderacijo se spremenijo v

170 termičnih nevtronov

20 jih pobegne

30 se jih absorbira v gorivu

20 se jih absorbira v moderatorju in drugih materialih

100 termičnih nevtronov, ki povzročijo cepitev goriva

Pobeg nevtronov zmanjšamo, če sredico obdamo z reflektorjem (grafit, berilij, voda)

To lahko uprizorimo z naslednjo shemo, ki ponazarja življenje ene generacije nevtronov:


Jedra 233U in 235U razcepijo nevtroni s poljubno enerijo, verjetnost za cepitev pa je večja, čim manjša je hitrost nevtrona.

Potrebno jih je upočasniti – moderirati

Vsebuje lahke elemente (voda, devterij, berilij, ogljik) – nevtroni se zaletujejo vanje....

Tako nastanejo počasni (termični) nevtroni.

Hladilo:

Z njim odvajamo toploto, ki se sprosti ob cepitvi.

Lahko uporabljamo: -lahko vodo

-težko vodo

-tekočo kovino (natrij)

-plin ( )

Moderator:

HeCO ,2


Uravnavajo pravilno število nevtronov.

Jih močno absorbirajo (kadmij, indij, srebro).

Uravnavajo moč reaktorja, ki je sorazmerna številu nastalih navtronov pri cepitvi

Gorivni element:

Uran se v reaktorju nenehno spreminja zaradi pogojev, ima majhno tališče (1133°C), zato se uporabljajo uranove spojine, ki so stabilne do okoli (2800°C).

Za jedersko gorivo uporabljajo keramični material, ki ga dobijo s stiskanjem ( ) . Iz keramike izdelujejo tabletke (r=0,8 cm, l=1.5 cm), ki jih vztavljajo v dolge kovinske palice (srajčke) iz cirkonija.

Notranjost gorilne palice je napolnjena s helijem pod tlakom – preprečuje deformacije srajčke.

Regulacijske palice:

2UO




Delovanje

Shema delovanja Sestavite nuklearno elektrarno po delih Preizkus znanega


Vrste reaktorjev

Tlačnovodni reaktor (PWR)Vrelni lahkovodni reaktor (BWR)Inherentna varnost vodnih reaktorjev. Imajo velik negativni temperaturni koeficient reaktivnosti – število cepitev se zmanjšuje

sorazmerno z naraščujočo temperaturo. Te vrste reaktorjev pri visoki temperaturi sami od sebe ugasnejo.

Hitri in hitri oplodni reaktorjiV njih poteka verižna cepitev s hitrimi nevtroni – manjša verjetnost nezaželjene absorbcije.

Zaradi majhnih izgub nevtronov in odsotnosti moderatorja se doseže velika gostota moči.Hladilo so tekoče kovine.Lahko jih uporabljamo kot ˝breeder-je˝ . Gorivo je sestavljeno iz oksidov plutonija in urana.

Slednji je poleg izotopa urana tudi gorivo – pridobi se več goriva kot se ga porabi.

239239239238 PuNpUnU



Visokotemperaturni s plinom hlajeni reaktor (HTR)Kot hladilo se uporablja plin helij pod tlakom 40 – 60 barov

Za moderacijo se uporablja grafit.

Gorivo je shranjeno v keramičnih kroglicah s premerom okoli 0,5 mm, ki vsebujejo v sredini uran in torij, na obodu pa grafit.

Kroglice združijo v večjo s premerom 6 cm – gorilni element.

V reaktorju je do 670000 gorilnih elementov, ki jih lahko zamenjujejo med obratovanjem



Elektrarne po evropi in svetu


Slaba stran

Slaba stran cepljenja jeder je sevanje, ki je posledica razpada.

Lako ima močan vpliv na živali, rastline in okolje.

Vsak človek je izpostavljen sevanju okolice, vesolja, kamnin, itd.


Dobra stran

Je skoraj čist energijski vir, ne proizvaja ogljikovega dioksida, ne onesnažuje okolja in daje ogromne količine energije.

Izgradnja in razgradnja ne dvigne bistveno cene proizvedene energije, investicija se povrne (rast cene energije).

Documents

Nuklearna energija