Graevinskoarhitektonski fakultet u Niu SEMINARSKI RAD IZ FIZIKE

Građevinsko-arhitektonski fakultet u Nišu SEMINARSKI RAD IZ FIZIKE Stoilkov Anita, ra 1003/04 Filipovac Mihael, ra 1010/04

Nuklearni reaktor l l l Nuklearna energija Procesi fisije i fuzije Lančana reakcija Nuklearno gorivo Princip rada nuklearnog reaktora Kad reaktori polude 5/22/2021 2

Nuklearna energija l l 5/22/2021 Nuklearna ili atomska energija predstavlja energiju koja se oslobodi procesima transmutacije jezgra atoma. Iako je nuklearna energija sadr`ana u jezgru atoma svakog elementa, ona se mo`e iskori{}avati iz relativno malog broja elemenata. Svako atomsko jezgro sastoji se od protona i neutrona. Uspe li se, dakle, atomsko jezgro razbiti na sastavne delove, na dva ili vi{e, onda se oslobodi ogromna koli~ina energije koja je te delove dr`ala zajedno. Prema Ajn{tajnovoj jedna~ini ekvivalencije mase i energije E=mc 2, na primer, jednom gramu mase odgovara energija koja se dobije prilikom izgaranja 1000 vagona lignita. 3

Procesi fisije i fuzije l l Nuklearna fisija je proces cepanja teškog atomskog jezgra na dva lakša, pri čemu se oslobađa energija na račun povećavanja specifične energije veze. Novonastala jezgra usled dejstva fisije nazivaju se fisioni produkti (fragmenti) ili fisiumi. Nuklearna fuzija je proces suprotan fisiji, dakle, proces dobijanja energije spajanjem dva atomska jezgra. U pogledu količine dobijene energije, fuzija je oko 6 puta povoljnija od fisije. Međutim, da bi spajanje jezgara trajalo neprekidno, potrebno je stvaranje posebnih uslova koje u prvom redu karakteriše visoka temperatura, zbog čega se ovaj proces naziva i termonuklearna fuzija. Na takvim temperaturama supstanca je u stanju plazme i posebno je težak problem njenog , , skladištenja”. 5/22/2021 4

Lančana reakcija l l Pod lančanom reakcijom podrazumevaju se svi procesi koji podržavaju sami sebe. Lančana reakcija u nuklearnoj fizici prvi put je došla do izražaja kod fenomena fisije atomskih jezgara. Kod bombardiranja prirodnog urana termalnim neutronima, samo se njegov izotop U 235 raspada u fisium. Fisija U 235 je tipičan primer lančane reakcije. U proseku se pri svakoj fisiji oslobodi 2, 5 neutrona, koji su potencijalni izazivači nove fisije. Kontrolisana lančana reakcija odigrava se u nuklearnom reaktoru i danas predstavlja veoma bitan način dobijanja energije. 5/22/2021 5

Nuklearno gorivo l l l Nuklearno gorivo je materija koja podleže fisionoj ili fuzionoj lančanoj reakciji i pritom oslobađa energiju atomskog jezgra. Zasad se, međutim, u tehničke svrhe koristi samo energija fisije. U prirodi postoji samo jedan element – uran – koji spontano podleže fisionoj lančanoj reakciji. Prirodni uran se sastoji od izotopa U-234, U 235 i U-238 od kojih se samo U-235 može iskoristiti za fisionu lančanu reakciju. Učešće izotopa U-235 u prirodnom uranu iznosi oko 0, 721%; ostatak čini U-238, jer je udeo izotopa U-234 praktično beznačajan. Procenat učešća izotopa U-235 moguće je veštački povećati i tako dobiveno nuklearno gorivo naziva se obogaćeno gorivo. Veštačkim putem, pomoću neutronskog ozračivanja, mogu se proizvesti još dva izotopa prikladna za fisionu lančanu reakciju i to iz izotopa U-238 izotop plutonijuma Pu 239, a iz torijuma Th-232 izotop U-233. 5/22/2021 6

Nuklearni reaktor l l Nuklearni reaktor je uređaj u kome se vrši kontrolisana lančana reakcija fisije u svrhu dobijanja energije i neutronskog fluksa potrebnog za proizvodnju veštačkih radioaktivnih izotopa i za ispitivanje materijala. Već prema tome koja je od ovih dveju namena primarna, nuklearni reaktori se dele na energetske i istraživačke Prvi nuklearni reaktor izradio je italijanski fizičar Enrico Fermi (1901 -1954) 1924. godine u Čikagu. Zahvaljujući ovom radu, kao i mnoštvu drugih zasluga iz oblasti fizike, dodeljena mu je Nobelova nagrada za fiziku 1938. godine. 5/22/2021 7

Sastavni delovi nuklearnog reaktora l l Svaki nuklearni reaktor sastavljen je iz: jezgra reaktora koje se sastoji iz nuklearnog goriva (prirodnog ili obogaćenog urana U-235 ili nekog drugog teškog elementa sposobnog za fisiju) i eventualno moderatora (obične ili teške vode, grafita ili kakvog lakog materijala), kontrolnih šipki, reflektora koji opkoljuje jezgro, rashladnog medija koji daje toplotu u izmenjivaču toplote i zaštitnog sistema. Nuklearni reaktori dele se na termalne, intermedijalne i brze, zavisno od toga kod koje energije (brzine) neutrona se razvija lančana reakcija. Druga podela reaktora je prema primenjenom moderatoru i rashladnom sredstvu, kao npr: termalni, grafitom moderirani i gasom hlađeni reaktor (GCGR – Gas Cooled Graphite moderated Reactor); termalni reaktor, hlađen i moderiran vodom pod pritiskom (PWR – Pressurized Water Reactor), termalni reaktor, hlađen i moderiran vodom s isparivanjem (BWR – Boiling Water Reactor) itd.

Princip rada nuklearnog reaktora

Kad reaktori polude l l 5/22/2021 Kao i svi procesi proizvodnje energije iz neobnovljivih izvora i nuklearne elektrane proizvode otpad koji može biti nisko-radioaktivni i visoko-radioaktivni. Pravi problem kod nuklearnih elektrana je ostatak korišćenog goriva koji je visoko -radioaktivni otpad i mora se skladištiti u specijalnim bazenima (jer voda hladi nuklearno gorivo i ponaša se kao štit od radijacije ili pak u suvim specijalnim betonskim armiranim kontejnerima. S druge strane, iako su nuklearne elektrane bezazlene za okolinu, ukoliko se sve radi po pravilima, velika pretnja je mogućnost katastrofe prilikom nepravilnog korišćenja. Do sada su se prilikom mirnodopskog korišćenja nuklearne energije desile dve velike katastrofe – Černobil i Ostrvo Tri Milje. Najveća havarija dogodila se 26. 04. 1986. godine u Černobilu u tadašnjem SSSRu, današnjoj Ukrajini. Eksplodirao je reaktor broj IV formiravši radioaktivni oblak koji se proširio na veliki deo Evrope. Prilikom eksplozije razrušena je aktivna zona reaktora i 10 dana je trajao aktivni stupanj havarije praćen intenzivnim oslobađanjem radioaktivnih elemenata. To je konačno zaustavljeno tek u novembru 1986. kada je reaktor stavljen u betonski “sarkofag” ispod koga ukupna radioaktivnost premašuje dva miliona kirija. 10