Nuklearni reaktor Nuklearni reaktor Nuklearni reaktor je postrojenje

Nuklearni reaktor

Nuklearni reaktor • Nuklearni reaktor je postrojenje u kojem se odvija kontrolisana nuklearna lančana reakcija. Nuklearni reaktor je sistem dizajniran za samoodrživu fisionu reakciju. • Nuklearni reaktori imaju mnogo primjena. Jedna od najvažnijih je proizvodnja električne energije. • Pored toga funkcije reaktora mogu biti: Ø proizvodnja radioizotopa (u industrijske i medicinske svrhe), Ø oslobađanje neutrona iz centra reaktora (za eksperimente), Ø za obrazovanje i podučavanje budućih nuklearnih fizičara. Kao gorivo, u nukleanim reaktorima se koriste izotopi urana, plutonijum, a ponekad i torijum. Dio energije oslobođene u reakciji, ispoljava se u vidu toplote, koja se odvodi iz nuklearnog reaktora i koristi za pokretanje raznih toplotnih mašina. Nuklearni reaktor

Fisiono gorivo • Većina reaktora danas koristi uran kao fisiono gorivo u formi uranovog oksida UO 2 – Prirodni uran sadrži 99. 3% 238 U i 0. 7% 235 U. – 238 U nije podložan fisiji termalnim sporim neutronima – da bi se prirodni uranov dioksid UO 2 mogao koristiti kao fisiono gorivo potrebno je povećati koncentraciju 235 U do nekoliko postotaka – to je tzv. obogaćivanje urana

Nuklearna elektrana je u stvari termoelektrana, tj. energija oslobođena u nuklearnom reaktoru, koji radi u režimu kontrolisane lančane reakcije, se koristi za proizvodnju pare koja pokreće turbinu električnog generatora. Fisija se drži pod kontrolom, tj. Kontrolira se broj neutrona u nuklearnom reaktoru. Energija veze po nukleonu za teške jezgre je oko 7, 2 Me. V a za jezgre srednje mase je oko 8, 2 Me. V. Tako se u fisionom procesu oslobodi 1 Me. V energije po nukleonu, a kako je ukupan broj nukleona oko 200, to se u jednom fisijskom procesu oslobodi oko 200 Me. V energije

Nuklearni reaktor

Nešto o uranu: Prirodni uran se javlja u obliku mješavine 2 izotopa 235 U (manje od 0, 7%) i 238 U (preko 99, 3%). Izotop 235 U podliježe spontanom cijepanju jezgra pod uticajem termičkih neutrona. - Prirodni uran moramo obogatiti izotopom 235 U da bi povećali vjerovatnoću odvijanja lančane reakcije. Obogaćeni uran je, dakle, prirodni uran u kojem je povećan procenat urana 235. Prirodni uran sadrži samo 0, 72% urana 235, a ostalo je uglavnom uran 238 (99, 2745%) i malo urana 234(0, 0055%). - Povećanjem koncentracije uranijuma 235 u prirodnom uranu, povećava se i vjerovatnoća da dođe do fisione reakcije pomoću termičkih neutrona, s obzirom da se uran 238 većinom raspada pomoću brzih neutrona a uran 235 pomoću termičkih.

Dijelovi reaktora 1 — Kontrolne šipke 2 — Biološka zaštita 3 — Zašita 4 — Moderator neutrona 5 — Nuklearno gorivo 6 — toplotni rezervoar • Osnovni dijelovi svakog reaktora su: nuklerno gorivo, moderator (usporivač), upravljačke šipke, sistem za hlađenje i zaštitni sistem.

Dijelovi nuklearnog reaktora • Nuklerni reaktori mogu biti homogeni i heterogeni. U homogenim reaktorima nuklearno gorivo se nalazi u obliku rastvora ili praha, a u heterogenim reaktorima u obliku posebnih poluga (šipki). • Pomoću moderatora smanjuje se energija neutrona koji nastaju u fisionom procesu. Time se povećava njihova efikasnost u izazivanju fisije. Kao usporivač se koristi grafit, deuterijum (u vidu teške vode), jedinjenja berilijuma itd. • Reflektori neutrona imaju ulogu da vraćaju neutrone, koji su napustili aktivnu zonu reaktorskog jezgra, tako da oni mogu i dalje uzrokovati fisione procese. • Pomoću upravljačkih šipki kontroliše se režim rada reaktora i sprječava pregrijavanje reaktora, usljed velike količine toplotne energije oslobođene u toku procesa. Najčešće se koriste šipke napravljene od bora ili kadmijuma.

Dijelovi nuklearnog reaktora • Kao sistem za hlađenje mogu se koristiti obična ili teška voda ili druge supstance, koje imaju veliki toplotni kapacitet. Sistem za hlađenje se postavlja oko jezgra (aktivne zone) nuklearnog reaktora. • Prilikom fisije u nuklearnim reaktorima dolazi do oslobađanja gamazračenja pa je potrebna zaštita. Kao zaštita se obično koristi specijalna vrsta betona ili zaštitni sloj vode. Debljina tih zaštitnih slojeva je takva da u okolinu reaktora ne propušta zračenje koje bi moglo ugroziti ljude oko reaktora.

Moderator neutrona je sredina, koja smanjuje brzinu brzih neutrona, na taj način dobijaju se termički neutroni koji su sposobni da iniciraju i održavaju nuklearnu lančanu reakciju. Moderator usporava brze neutrone a kontrolni štapovi (kadmij, bor) apsorbiraju spore neutrone.

Moderator neutrona - - Vjerovatnoća da dođe do nastanka lančane reakcije direktno zavisi od brzine tj. energije oslobođenih neutrona. Brzi neutroni mnogo rjeđe i teže dovode do fisije urana 235 zato se moraju usporiti a time im se smanjuje i energija. - Obično moderator sadrži deutrerijum (u obliku teške vode), vodonik ( u slučaju obične vode) i grafit. Berilijum se takođe nekada koristi, a moguća je upotreba i ugljenih hidrata. - Dobar moderator neutrona je materijal od lakih elemenata koji dobro ne apsorbuju neutrone. Neutroni se sudaraju sa atomima moderatora i jednostavno se odbijaju. Dobar moderator je voda (neutron se sudari s jezgrom vodika u vodi) a ujedno i fluid koji se grije i prenosi toplinu do parne turbine. U ovom sudaru neutron gubi dio svoje energije. Nakon mnogo ovakvih sudara, brzina neutrona se značajno smanji i rezultat je termički neutron, koji dalje lako inicira fisiju na uranu 235.

Materijali moderatora: • Vodonik, kao sastavni deo obične vode, je jedan od najčešćih moderatora. • Reaktori koji koriste ovaj tip moderatora moraju da imaju obogaćeni uranijum kao gorivo. • Deuterijum, u obliku teške vode, koristi se u reaktoru tipa KANDU. Reaktori koji imaju ovaj moderator mogu da koriste neobogaćeni uranijum. • Ugljik, u obliku štapova od grafita, koristi se u RBMK reaktorima. • Za ovo se ponekad koristi i berilijum. Međutim, berilijum je veoma skup i otrovan, pa je njegova upotreba ograničena. Jezgro nuklearnog reaktora u kojem se nalaze uranijumovi štapovi- gorivo.

Tipovi reaktora: • Tlakovodni reaktor koristi za gorivo oksid obogaćenog urana, a hlađen je i moderiran običnom vodom pod pritiskomm. PWR (engl. Pressurized Water Reactor • Kipući reaktor takođe koristi isto gorivo, moderator i rashladno sredstvo, ali voda ključa (BWR – Boiling Water Reactor). • Teškovodni reaktor koristi oksid prirodnog ili obogaćenog urana, hlađen je i moderiran teškom vodom s pritiskom vode višim od pritiska zasićenja (nema ključanja). HWR (engl. Heawy Water Reactor) • Visokotemperaturni reaktor HTGR (engl. High Temperature Gas Reactor) posljednji je korak u razvoju grafitom moderiranih reaktora. Hlađen je helijem, a koristi oksid obogaćenog urana. • Brzi oplodni reaktor nema moderatora, a hlađen je tekućim metalom. Kao gorivo koristi oksid urana višeg obogaćenja ili oksid plutonija, a kao oplodni materijal prirodni uran (FBR – Fast Breeder Reactor).

Razni tipovi reaktora i njihov procent

Pregled podjele energetskih reaktora Tip reaktora Značenje skraćenice Advanced Gas Cooled, Graphite Moderated Reactor Boiling water reactor Napredni, gasom hlađen, grafitom moderiran reaktor Reaktor sa ključalom vodom АBWR Advanced Boiling Light Water Cooled and Moderated Reactor Napredni, lakom vodom hlađen i moderiran reaktor sa ključalom vodom FBR Fast Breeder Reactor Brzi, proizvođački reaktor GCR, Магнокс Gas Cooled, Graphite Moderated Reactor Gasom hlađen, grafitom moderiran reaktor HTGR High Temperature, Gas Cooled, Graphite Gasom hlađen i moderiran reaktor sa Moderated Reactor visokim temperaturama AGR BWR HWGCR LWGR, VVR-S, RBMK Heavy Water Cooled, Graphite Moderated Reactor Light Water Cooled, Graphite Moderated Reactor Teškom vodom hlađen, grafitom moderiran reaktor Lakom vodom hlađen, grafitom moderiran reaktor PHWR, Candu Pressurized Heavy Water Moderated and Teškom vodom pod pritiskom hlađen i Cooled Reactor, Deuterium Uranium moderiran reaktor PWR, VVER Pressurized Water Reactor Reaktor sa vodom pod pritiskom SGHWR Steam Generating Heavy Water Reactor Teškovodni reaktor sa vodom koja vri

Transfer energije – tipovi reaktora • Energije oslobođena u u fisionom reaktoru se najčešće izmjenjivačem toplote pretvara u vodenu para koja pokreće turbinu. • “Boiling water reactors “(BWRs) voda koja služi kao moderator se pretvara u paru kojom se pogoni turbina. • “pressurized water reactors “(PWRs) voda koja služi kao moderator je pod visokim pritiskom (155 atm) i cirkulira iz reaktora u vanjski izmjenjivač toplote koji proizvodi paru koja pokreće turbinu. Reaktor može sadržavati i do 90 tona UO 2 i proizvoditi 3400 MW i dati 1100 MW električne energije • BWR su jednostavniji od PWR. Međutim, mogućnost da para koja pokreće turbinu postane radioaktivna je veća za BWR. Kod PWR zbog dvostepenog procesa generator električne energije izoliran je od moguće radioaktivne kontaminacije.

Obogaćivanje urana Uran koji se dobiva iz rude potrebno je za nuklearno gorivo obogatiti. Uran se obogaćuje u procesu plinske difuzije, gdje se koristi različita brzina prolaska uranovih izotopa 235 i 238 kroz membrane. Postupak razdvajanja treba ponoviti nekoliko hiljada puta da bi se postigao traženi omjer. Efikasnija metoda razdvajanja je plinska centrifuga. U rotirajućim centrifugama različito teške molekule izotopa urana različito se raspoređuju. Lakše molekule okupljaju se oko središta cilindara odakle se isisavaju. Većina reaktora danas koristi uran kao fisiono gorivo u formi uranovog oksida UO 2

Breeder (Oplodni) Reaktori - Napredniji tip reaktora je “breeder “ reaktor, koji proizvodi više fisionog goriva 239 Pu nego što utroši 235 U. • Fast breeder reactors su konstruirani da transformiraju U-238 u Pu 239, a za to se koriste brzi neutroni. • Plutonij je lako odvojitii od urana hemijskim procesima. • Oplodni materijal je U-238 pri čemu nakon reakcije uhvata neutrona te nakon dva uzastopna beta-raspada nastaje izotop Pu-239 koji je fisibilan s termičkim neutronima na sličan način kao i U-235. • Breeder reaktori predstavljaju mogućnost jednog neograničenog izvora fisijskog materijala. • Problem je što je plutonij iznimno toksičan i postoji mogućnost zlouporabe plutonija za nuklearno oružje.

• Ova vrsta reaktora omogućuje daleko ekonomičnije korištenje urana u odnosu na termičke reaktore.

Kod rada reaktora definira se parametar K – neutronski prinos kao srednji broj neutrona iz svakog fisionog procesa koji su izazvali novi fisioni proces. Maksimalna vrijednost K za fisiju urana je 2. 5 u praksi je K < 2, 5 K = 1– samoodržavajuća fisiona reakcija (kritični reaktor) K < 1 – fisija zamre, podkritični reaktor K > 1 – lančana reakcija (nadkritični reaktor) Kontrolom neutronskog prinosa kontrolira se broj neutrona, koriste se štapovi od kadmija koji se uvlače u reaktorsku jezgru i apsorbiraju neutrone

Problemi nuklearnog reaktora • Jako je opasno ako se radioaktivni elementi oslobode u atmosferu ili u podzemne vode. • Toplinsko zagrijavanje atmosfere te voda jezera/rijeka koja se koristi za hlađenje može biti ozbiljan ekološki problem. • Vrlo ozbiljan problem je odlaganje radioaktivnog otpada fisionih procesa, neki fisioni fragmenti imaju vrijeme polu-raspada hiljade godina i milione godina. • Tri javnosti poznata nuklearna akcidenta su: Three Mile Island u Pennsylvania 1979 i Chernobyl u Ukrajina 1986 (50 tona radioaktivnog materijala pobjeglo u atmosferu) i nedavni Fukushima — znatno su okrenula javnost protiv korištenja nuklearnih fisionih elektrana. • Do širokeprimjene nuklearnih elektrana može doći ako se riješe 4 kritična pitanja: niska cijena, poboljšana sigurnost, kvalitetno rješavanje problema nuklearnog otpada i mali rizik od nesreće.

Černobil • najveća ekološka katastrofa novijeg doba • 26. 4. 1986. u 1 sat 23 minute eksplozija na 4. reaktoru • noćna smjena radila pokus i jedan operater opteretio reaktor • od 25 kontrolnih šipki u reaktoru ostalo 6 • drugi operater isključio dovod vode koja hladi i nastala je eksplozija • radioaktivni oblak nošen vjetrom išao prema Skandinaviji te središnjoj i jugoistočnoj Evropi

• od posljedica radijacije preminulo 200 000 do 400 000 (neslužbeni izvori, vlasti taje podatke) • dan i po nakon eksplozije u obližnjem gradu Pripjata radijacija 300 000 puta veća od “normalne” • danas radijacija 100 metara od reaktora 50 000 puta veća od “normalne” • područje Černobila neseljivo tek za oko 600 godina Na slici se vidi sarkofag oko 4. reaktora

Postotak električne energije iz nuklearki • Prema podacima 1997. godine 400 reaktora u 26 zemalja proizvodi 200 000 Mw električne snage: – Francuska 78 % – Belgija 60 % – Švedska 46 % – Švicarska 41 % – Mađarska 40 % – Južna Koreja 34 % – Japan 34 % – Španjolska 29 % – Velika Britanija 28 % – SAD 21 % – Kanada 14 % – Argentina 11 % – Niziozemska 3 % – Brazil 1 %