Fizika energijskih virov 2008/2009: Jedrski reaktorstepisnik/sola/energvir/Seminarji08_09/jedrski-reaktor_text.pdf · Jedrska fisija oz. cepitev Jedrska cepitev je jedrska reakcija,

Fizika energijskih virov 2008/2009:

Jedrski reaktor

Ljubljana, 07.05.2009

Avtor: Aljaž Kolšek Mentor: prof. dr. Janez Stepišnik

KazaloUvod.....................................................................................................................................................3Zgodovina.............................................................................................................................................4Jedrska fisija oz. cepitev.......................................................................................................................5Zgradba reaktorja..................................................................................................................................6

Nevtronski moderator......................................................................................................................6Nevtronski absorber.........................................................................................................................7Kontrolne palice...............................................................................................................................7Reaktorsko hladilo (coolant)............................................................................................................8Reaktorska posoda (reactor vessel)..................................................................................................8Jedrsko gorivo..................................................................................................................................9

Vrste reaktorjev..................................................................................................................................10Glede na hitrost nevtronov.............................................................................................................10Glede na uporabo...........................................................................................................................10Obstoječe tehnologije jedrskih reaktorjev.....................................................................................11

Tlačnovodni reaktor (Pressurized Water Reactor – PWR)........................................................11Vrelovodni reaktor (Boiling Water Reactor – BWR)................................................................12Tlačnovodni težkovodni reaktor (Pressurized Heavy Water Reactor – PHWR)......................12Plinsko hlajeni reaktor (Gas Cooled Reactor-GCR, Advanced Gas Cooled Reactor-ACR)... .13Hitri oplodni reaktor (Fast Breeding Reactor-FLMBR)...........................................................14

Tehnični podatki JE Krško.................................................................................................................14Elektrarna.......................................................................................................................................14Gorivo............................................................................................................................................14Reaktorsko hladilo.........................................................................................................................15Uparjalnik......................................................................................................................................15Turboagregat..................................................................................................................................15Transformatorji..............................................................................................................................16

Jedrska energija..................................................................................................................................16Okolje in radioaktivni odpadki...........................................................................................................17

Tunelsko odlaganje........................................................................................................................18Plitvo zakopavanje.........................................................................................................................19Odlagališče visokoradioaktivnih odpadkov...................................................................................19

Viri......................................................................................................................................................19

1

Uvod

V tej seminarski nalogi bom poskušal najprej predstaviti jedrsko fisijo in izvor energije, ki jo izrabljajo jedrske elektrarne. S kratkim uvodom iz zgodovine bom orisal same začetke jedrske fizike in eksperimentov povezanih z jedrom atoma. Opisal in predstavil bom posamezne sestavne dele reaktorja, jih razčlenil na različne tipe in razložil še delovni krog najpogostejšega tipa reaktorja, ki je tudi v Sloveniji. Za lažjo predstavo bom priložil še nekaj tehničnih podatkov Nuklearne elektrarne Krško. Celoto bom zaokrožil z ovrednotenjem jedrske energije, vplivom elektrarn na okolje in končal s skladiščenjem radioaktivnih odpadkov.

2

Zgodovina

Zgodba jedrske energije se je začela z odkritjem urana, najpogostejšega goriva za reaktorje. Martin Heinreich Klaproth je leta 1789 v rudi, tako imenovanem smolovcu, odkril nov element, ki ga je poimenoval uran po planetu, ki so ga odkrili 8 let prej.

To je bilo seveda zelo pomemben mejnik v zgodovini, saj je bil uran v nadaljevanju predmet kar dosti eksperimentov.

Enrico Fermi je bil italijanski fizik, ki je leta 1934 prvi eksperimentalno dosegel jedrsko fisijo s streljanjem nevtronov v uranove atome. Štiri leta pozneje pa Nemec Otto Hahn še natančneje opazuje spodbujen razcep in odkrije, da nevtron razcepi težka jedra urana na dva dela z različnim številom protonov in nevtronov.

Kmalu so se začele pojavljati ideje o verižnih reakcijah, kjer bi produkti razcepa vzpodbudili fisijo še pri drugih jedrih in to jim je uspelo leta 1942 v ZDA na reaktorju Chicago Pile-1. Največ zaslug ima za to Enrico Fermi, ki je zaradi druge svetovne vojne emigriral v Ameriko.

To uspeh je kar razburkal svet, sploh če pomislimo na takratne razmere zaradi vojne. Skoraj vse raziskave so padle pod strog nadzor oblasti, skoncentrirale so se predvsem za vojaško korist in razvoj jedrskega orožja. Nekaj let pozneje so seveda idejo o orožju uresničili, za energijske vire pa je pomembnejše leto 1951.

Dvajsetega decembra 1951 so zasvetile prve štiri žarnice(200W), ki jih je napajala električna energija, proizvedena s pomočjo jedrskega reaktorja EMR-I v Idaho Falls, ZDA. Za gorivo so uporabljali plutonij, proizvedel pa je 100kW električe moči. Po tem uspehu so začeli tudi dosti več denarja vlagati v raziskave povezane s tem virom energije.

Takrat sovjetski znanstveniki so pohiteli in leta 1954 so v Obninsku zagnali prvo jedrsko elektrarno (5MW električne moči) za električno omrežje. Za moderator so uporabili grafit, za hladilo pa kar vodo.

Število jedrskih elektrarn se je začelo bliskovito povečevati. Pri uporabi te vrste energije najbolj izstopata Japonska ter Francija, na vrhu pa je daleč pred vsemi ZDA.

Za Slovenijo pa je zelo pomembno leto 1981, ko smo še sami zagnali prvo in tudi edino jedrsko elektrarno JE Krško. V nadaljevanju bo tudi bolje predstavljena in z nekaj tehničnimi podatki. Trenutno je tudi aktualno vprašanje gradnje drugega bloka NEK, katerega gradnja je ocenjena na 2 milijardi evrov.

3

Jedrska fisija oz. cepitev

Jedrska cepitev je jedrska reakcija, pri kateri težko jedro razpade na dve srednjetežki jedri, ki ju imenujemo tudi razcepka, odleti nekaj prostih nevtronov ter produkt je še gama sevanje. Fisija je eksotermična reakcija, pri kateri se sprostijo velike količine energije v obliki kinetičnih energij produktov ter elektromagnetnega valovanja(žarkov gama). Razcepki imajo ponavadi presežek nevtronov, zato so zelo nestabilni in kar hitro razpadejo z β- razpadom. Pri zelo težkih jedrih opazimo tudi spontano cepitev, do katere pride zaradi tunelskega pojava, podobno kot pri drugih vrstah jedrskega razpada(alfa razpad, beta plus ter beta minus razpad). Tu se težko jedro spontano razcepi, brez zunanjih dejavnikov. V reaktorju želimo nadzorovane razpade, zato se uporablja uran, ki ima majhno verjetnost za spontano cepitev. Razlog za nestabilnost oziroma radioaktivnost izotopov nekaterih težkih elementov je v razmerju med številu protonov in nevtronov. Jedrska sila ima zelo kratek doseg, ker pa je dosti protonov v težkih jedrih, je potrebno tudi več nevtronov, ki dodajo k vezavni energiji. Četrti člen v semi-empirični formuli nazorno kaže, da so najstabilnejši elementi z istim številom protonov in nevtronov, kar sledi iz Paulijevega izključitvenega načela.

Sedaj pa še bolje poglejmo jedrsko cepitev, ki se uporablja za pridobivanje energije v reaktorjih. Nevtron prileti s kinetično energijo v težko jedro, ki ga absorbira. Nastane zelo nestabilno jedro in ti termični nevtroni dovedejo dovolj energije, da je presežen energijski prag vezave v jedru. Energijski prag se pojavi zaradi delovanja jedrske privlačne sile(na majhnih razdaljah) in Coulombove odbojne(na večjih razdaljah). Novo nastali jedri se oddaljita, sprosti pa se razlika energije, ki pride od vezavne energije prvotnega jedra. En takšen dogodek sprosti 200 MeV. V primerjavi z dogajanjem pri kemijskih reakcijah se tu sprosti okoli 107 -krat več energije. Nastala razcepka sta največkrat nestabilna in se tudi sama naprej razcepita.

Produkti jedrskega razcepa trkajo z atomi snovi iz katere je reaktor ter s hladilnim sredstvom, tako se energija pretvori v toploto, ki se porabi za uparitev vode in pogon turbine.

Pri takšni cepitvi nastane v povprečju 2.5 nevtronov, od katerih mora eden sprožiti razcep v drugem težkem jedru goriva. Tako pridemo do primerne verižne reakcije, ki se ohranja. Več o tem v poglavju o gorivu reaktorjev. Jedrski reaktorji torej izkoriščajo najslavnejšo enačbo E=mc^2, ki obravnava pretvarjanje mase v energijo in obratno.

4

Zgradba reaktorja

Nevtronski moderatorNevtronski moderator je medij, ki se uporablja za upočasnevanje hitrih nevtronov do hitrosti termičnega gibanja. Sipalni presek urana-235 je pri tej hitrosti nevtronov dosti večji in so razcepi pogostejši. 75% svetovnih reaktorjev uporablja navadno vodo(sipanje na vodiku), 20% grafit(sipanje na ogljiku), težko vodo(sipanje na devteriju) pa okoli 5%. V nekaterih eksperimentalnih pa še poskušajo z berilijem.

Moderacija je proces redukcije prvotne visoke kinetične energije nevtronov, ki nastanejo pri jedrski cepitvi. Energija se seveda ohranja, zato ta proces poteka s prenašanjem energije moderatorju. Prvih nekaj trkov je neelastičnih, ker zaradi visoke energije spravijo nevtroni jedra moderatorja v vzbujena stanja. Kinetična energija se zmanjšuje, ker se pretvori v potencialno zaradi vzbujenega stanja. Ko pa se hitrost ustrezno zmanjša, da ni več vzbujevanja jeder moderatorja, potem pa so le elastični trki naprej in se ohranja kinetična energija ter gibalna količina jeder. Idealni moderator ima majhno maso, velik sipalni presek in majhen absorbcijski presek.

Moderator se mora uporabljati predvsem v termičnih reaktorjih, kjer cepitev povzročajo predvsem termični nevtroni, medtem ko pri hitrih ni potreben. V nekaterih reaktorjih se uporablja moderator še kot hladilo, ki odvaja toploto do uparjevalnika. Ti so tudi zelo varni, saj če izpari vso hladilo, potem tudi moderatorja ni in se reakcija ustavi. V tem primeru je gorivo potopljeno v moderator. Če pa se uporablja sipanje na ogljiku za moderacijo, je pa moderator v obliki blokov zelo čistega grafita ali pa ˝tenis žogic˝, ki vsebujejo gorivo. Pri uporabi grafita za moderato morajo seveda poskrbeti še za hlajenje.

5

Nevtronski absorberNevtronski absorber je snov z zelo velikim nevtronskim absorbcijskim presekom. Lahko nastane kot produkt med cepljenjem, kar je slabo za reaktor, ker reakcijo zaustavlja, lahko pa ga dodajo za znižanje reaktivnosti goriva. Nekateri absorberji se iztrošijo, drugi ostanejo relativno konstantni oziroma ne izgubijo absorbcijskih lastnosti.

Med delovanjem reaktorja se količina goriva ves čas zmanjšuje. Za daljše nemoteno delovanje je torej potrebno dodati presežek goriva od kritične mase. Potrebno je le še to pozitivno reaktivnost zaradi presežka goriva kompenzirati z negativno reaktivnostjo absorberja. En način je s kontrolnimi palicami, včasih pa zaradi oblike jedra reaktorja ne gre in je potrebno po tem poseči. Poznamo tri vrste: ˝burnable poisons˝ so materiali, ki imajo velik absorbcijski presek za nevtrone, se pa s časom iztrošijo, oziroma njihov absorbcijski presek se zmanjša z absorbcijo. Idealno bi se naj absorberji te vrste iztrošili skupaj s porabljanjem goriva. Tako bi bila cepitev ves čas kritična in bi se verižna reakcija ohranjala. Za to se uporabljata elementa bor ter gadolinij. Dobra stran je tudi, da se lažje enakomerno porazdeli po reaktorju in manj pokvari porazdelitev moči po jedru. Potem so še ˝non-burnable poisons˝, ki ohranijo konstantno negativno reaktivnost ves čas delovanja. Primer je hafnij, za katerega lahko v približku rečemo, da se ne iztroši s časom, čeprav v resnici gre skozi verigo(5 členov) nastajanja novih absorberjev. Zadnji so pa še ˝soluble poisons˝, ki so absorberji, ki so raztopljeni v vodi in tako enakomerno prisotni po celotnem jedru reaktorja. Pri tlačnovodnih reaktorjih (razloženi v nadaljevanju) je to borova kislina. S koncentracijo te kisline lahko zelo natančno nadzorujejo reaktivnost. Spreminjanje koncentracije je dolgotrajen proces in se primarno uporablja za kompenziranje porabe goriva.

Kontrolne paliceKontrolna palica je palica iz materiala, ki absorbira nevtrone. V jedrskih reaktorjih se uporabljajo za nadzorovanje reaktivnosti. Narejene morajo biti zelo natančno, saj morajo absorbirati spekter nevtronov, za katerega je reaktor narejen. V termičnih reaktorjih morajo absorbirati termične nevtrone, v hitrih pa hitri nevtrone, saj drugače ne bi mogli ustaviti verižne reakcije. Več teh palic je združenih v skupek in v primeru tlačnovodnega reaktorja, so potopljene skupaj z gorivnimi palicami v vodo in borovo kislino. Z njihovim spuščanjem in dviganjem lahko hitro spreminjajo reaktovnost. Zaradi varnostnih razlogov tudi niso trdo vpete v kakšno ogrodje, temveč jih dvignejo z elektromagneti. Tako v primeru izpada električne energije zaradi gravitacije padejo v jedro reaktorja in zaustavijo cepitve.

Hitra zaustavitev reaktorja v primeru kakšne nesreče se imenuje ˝SCRAM˝. O izvoru tega izraza kroži tudi legenda: Nad reaktorjem bi naj na vrveh bile obešene kontrolne palice. V primeru nevarnosti je tisti človek, ki je bil zadolžen za spuščanje in dviganje palic, vzel sekiro in presekal vrvi. Palice so padle in reaktor se je ustavil. Naziv te osebe, ki je skrbela za ˝varnostni mehanizem˝ pa je bil SCRAM, kar pomeni ˝Safety Control Rod Axe Man˝. Ta izraz se še danes uporablja za zasilno ustavitev reaktorja.

Pri izbiri elementov iz katerih so palice pa je kar velika izbira. Za katerega se odločijo je odvisno od energij nevtronov, mehaničnih lastnosti ter življenjske dobe. Elementi z velikim presekom za zajetje nevtronov so: srebro, indij, kadmij, bor, kobalt, hafnij, gadolinij, samarij, erbij ter dosti njihovih zlitin. Zelo pogost je srebro-indij-kadmij zlitina, iz katere so palice v dosti tlačnovodnih reaktorjih.

6

Reaktorsko hladilo (coolant)Jedro reaktorja se med delovanjem zelo segreje, pridobljeno toploto iz energije pa je tudi potrebno na en način odvesti do turbine na paro. Zato morajo reaktorji vsebovati še hladilni medij oziroma reaktorsko hladilo. To je tekočina ali plin, ki kroži po jedru reaktorja in odvaja toploto od jedrske fisije ter jo spreminja v uporabno energijo – električno energijo. Hladilo torej vstopi v proces z nizko temperaturo in jo zapusti z višjo. V termičnih reaktorjih igra hladilo tudi vlogo moderatorja, da upočasni hitre nevtrone do primerne hitrosti. Glede na vrsto reaktorja ločimo tudi različna hladila. Lahka in težka voda se uporabljata predvsem v tlačnovodnih reaktorjih, kjer sta pod visokim tlakom, da se vrelišče pomakne k višjim temperaturam. Voda ima lastnosti moderatorja, zato v hitrih reaktorjih ni primerna. Tam raje uporabijo hlajenje s pomočjo tekoče kovine. Kovine v uporabi so: Na, Pb, NaK ter v starejših reaktorjih še Hg. Iz varnostnih razlogov je ta način tudi pozitiven, saj ni potrebno hladila hraniti pri zelo visokem tlaku, saj ima dosti višje vrelišče kot voda. Plin se tudi uporablja za hlajenje reaktorja. Predvsem je to helij, dosti pa tudi dušik ter ogljikov dioksid. Nekateri reaktorji delujejo pri tako visokih temperaturah, da lahko ta plin kar direktno poganja turbino. Hladilo pa tudi ni vedno delovna tekočina. Včasih še vodijo to visokotemperaturno hladilo do izmenjevalca toplote, kjer jo preda delovni snovi, to pa naprej vodijo do turbine.

Reaktorska posoda (reactor vessel)Naloga reaktorske posode je zapreti določene dele reaktorja, kot so naprimer jedro z gorivnimi palicami, reflektorji, ščiti,... Dosti teh posod je pod visokim tlakom, da zagotovijo višje vrelišče hladila. Reflektorja ne bom podrobneje razložil, je pa zelo pomemben, saj prepreči, da bi nevtroni ušli iz te verige cepitev, ker bi se reaktor ustavil. Ščit je pa zaradi varnosti, saj bi visoke temperature ter močno sevanje škodovali ljudem v bližini.

Pogoji, pri katerih poteka jedrska cepitev, so zelo nevarni za ljudi. Posode so večinoma iz jekla, ker je zelo trden in lahko ustvarijo visok tlak znotraj. Kot zaključena celota varuje vse v okolici pred nevarnim sevanjem, hkrati pa v notranjosti zadržuje nevtrone, preprečuje uhajanje toplote, znotraj je tudi konstanten tok hladilne tekočine. Od izbire hladilnega sredstva in ostalih elementov je odvisna zgradba te enote reaktorja.

Za lažjo predstavo pogojev v reaktorski posodi lahko naštejem nekaj podatkov za JEK. Notri je okoli 200 m^3 reaktorskega hladila pri temperaturi okoli 300°C in tlaku 15.41 MPa.

7

Jedrsko gorivoJedrsko gorivo je bistvo reaktorja, je izvor vse energije, ki jo potem dobimo pri cepitvi. Za gorivo se največ uporablja uran-233, uran-235 ter plutonij-239. Proces cepitve je natančneje razložen že na 4. strani, tokrat se bom bolj osredotočil na pripravo goriva iz urana v najbolj razširjeni obliki gorivnih palic. Ta opisan način uporablja tudi Jedrska elektrarna Krško.

Uranova ruda se najprej drobi in melje ter odstranjuje jalovina. Uranove minerale raztapljajo v raztopinah kislin (kisli postopek z žveplovo kislino) ali baz (karbonatni postopek z natrijevim karbonatom). Prečiščen koncentrat, ki vsebuje U3O8, se imenuje rumena pogača. Jedrske elektrarne večinoma uporabljajo obogateno gorivo, ki vsebuje 1 do 5 % urana-235. Uran je potrebno obogatiti, saj naravni vsebuje le 0.71% urana-235, ki se uporablja za fisijo. Za ločevanje obeh izotopov urana (urana-235 in urana-238) je najbolj primeren uran v plinasti obliki – UF6. Proces plinske difuzije uporabijo za ločevanje uranovih izotopov 235 in 238, saj z različnimi hitrostmi prehajata skozi membrane. Proces je dolgotrajen, saj ga je potrebno večkrat ponoviti(več tisočkrat). Učinkovitejša metoda je pa plinska centrifuga, kjer se zaradi vrtenja različno težke molekule različno razporejajo. Lažje se zberejo okoli središča cilindrov, kjer jih potem izčrpajo.

Gorivo mora biti mehansko odporno v širokem temperaturnem območju, odporno mora biti proti koroziji, zadržati pa mora tudi cepitvene produkte v kristalni rešetki. Za gorivo se uporablja keramični material uranov dioksid, ki ima tališče pri 2880°C, saj je tako odporen na visoke temperature v jedru reaktorja. Po obogatitvi urana UF6

pretvorijo v uranov dioksid (v obliki prahu), stisnejo v tabletke in termično obdelajo. Te tabletke imajo imajo premer ter dolžino približno 1cm in so neprodušno zaprte v ceveh gorivnih palic. Cevi so dolge nekaj metrov(JEK – 3.85m), njihova debelina pa je manj kot milimeter. So iz aluminija, jekla, najpogosteje pa se uporabi cirkonijeva zlitina. Ima zelo dobre mehanske in fizikalne lastnosti, zadržuje cepitvene produkte, poleg tega pa ima nizko absorbcijo nevtronov. Prostor med tabletkami in stenami cevi je napolnjen s helijem, kar preprečuje deformacijo gorivnih palic, ki bi nastala zaradi razmer v reaktorju. Več gorivnih palic sestavlja en gorivni element. Ti snopi so povezani z distančnimi rešetkami.Ti gorivni elementi so potem potopljeni v reaktorsko hladilo. To je primer sestave heterogenega reaktorja, kjer sta hladilo ter gorivo ločena. Homogen reaktor ima pa gorivo in hladilo zmešana oz. raztopljena in tvorita homogen medij za nevtrone. Primer takšnega reaktorja uporablja uranov sulfat ali uranov nitrat raztopljen v vodi. Dobra stran teh je tudi, da pri uporabi težke vode za hladilo in moderator, ne potrebujejo obogatenega urana in kritičnost dosežejo že z naravnim.

Zanimivo je tudi gorivo za ˝pebble bed reactor˝. Najprej vzamejo pirolitičen grafit za moderator in ga oblikujejo v krogle velikosti tenis žogic. V notranjosti pa vsebujejo te krogle tisoče mikro gorivne delce imenovane TRISO delci. TRISO delec je fisijski material (naprimer Uran-235) prevlečen s SiC. V PBR reaktorju je teh 360,000 krogel skupaj naloženih in ohlajenih s helijem, dušikom ali ogljikovim dioksidom.

8

Vrste reaktorjev

Glede na hitrost nevtronovPrvi so termični reaktorji oz. počasni. Kot že ime samo pove, razcepi potekajo s termični nevtroni. Večina trenutnih reaktorjev deluje na ta način. Vsebujejo moderator, ki upočasni nevtrone, da se le še termično gibajo. Pri teh hitrostih imata največji sipalni presek ravno uran-235 ter plutonij-239, ki se najpogosteje uporabljajo. Zaradi izrabe termičnih nevtronov tudi ni potrebno tako obogatiti uran. Potem pa so še hitri reaktorji, ki za razcep goriva uporabljajo hitre nevtrone. Pri njih tudi ne potrebujejo moderatorja.V tej vrsti reaktorja hitri nevtroni povzročijo razcep urana-238 na različne izotope plutonija. Dva od teh (plutonij-239, plutonij-241) se razcepita na isti način kot uran-235. Reaktorji torej uporabljajo za gorivo plutonij-239, visoka koncentracija urana-235 v uranu pa je za ohranjanje verižne reakcije, saj se z večanjem hitrosti nevtronov sipalni presek manjša.

Glede na uporaboNajpogostejši so seveda energetski reaktorji za pridobivanje elektrike za električno omrežje. Na te se bom v seminarski nalogi osredotočil. Dosti je tudi pogonskih reaktorjev v jedrskih podmornicah in letalonosilkah. Nekaj je tudi predlogov še za pogon vesoljskih plovil. Uporabljajo se tudi produkcijski reaktorji za transmutacijo elementov. Kot že ime pove, s pomočjo jedrskega razcepa iz urana pridobivajo plutonij, ki se uporablja za jedrsko orožje. Hitri reaktorji pri svojem delovanju proizvajajo višek plutonija. Na svetu pa je še okoli 280 raziskovalnih reaktorjev, ki so namenjeni za razne raziskave, testiranje materialov ter proizvodnjo radioizotopov za medicino in industrijo.

9

Obstoječe tehnologije jedrskih reaktorjev

Tlačnovodni reaktor (Pressurized Water Reactor – PWR)Tlačnovodni reaktor je vrsta jedrskega reaktorja, ki uporablja navadno lahko vodo za hladilno sredstvo ter nevtronski moderator. Oba slovenska reaktorja sta tega tipa ter več kot polovica svetovnih. Hladilna voda (primarni hladilni krog) se v reaktorski posodi nahaja pod tlakom(okoli 158-kratna vrednost atmosferskega tlaka), zato se tam ne more upariti. Do uparjanja pride šele v uparjalniku, ki igra vlogo izmenjalnika toplote, kjer je veliko število tankih cevi. Črpalke poganjajo skoznje primarno reaktorsko hladilo, ki svojo toploto oddaja sekundarnemu hladilu, ki kroži okoli cevi uparjalnika. Sekundarno hladilo se segreva in uparja. Para poganja turbino, po koncu dela pa se kondenzira v kondenzatorju in se nato vrača v uparjalnik. Pri PWR reaktorju sta primarni ter sekundarni krog ločena.

PWR delovanje:

Na levi strani imamo v oranžni barvi reaktorsko posodo s prečiščeno vodo in dodano borovo kislino. Gorivne palice so črne črte in sive so regulacijski svežnji ter svežnji za zaustavitev. Reaktorsko hladilo v primarnem krogu je označeno oranžno(visoka T), beli pa sta črpalki na vsaki strani. Sekundarni krog s paro vodi iz uparjevalnikov na vrhu v turbino. Para se po opravljenem delu kondenzira in z modro barvo je označen sekundarni krog od kondenzatorja do uparjevalnikov.

Zagon reaktorja:

Najprej poženejo reaktorske črpalke, da se zaradi trenja segreje reaktorsko hladilo ter uparjevalnika na delovno temperaturo. S tlačnikom dvignejo tlak in temperaturo vode v primarnem krogu ter reaktorski posodi. Svežnje za zaustavitev popolnoma izvlečejo iz posode, svežnje za regulacijo pa najprej malo dvignejo, da se začne verižna reakcija. Z dviganjem regulacijskih svežnjev večajo moč reaktorja in v uparjevalnikih začne nastajati para. Najprej jo dovajajo neposredno v kondenzator, dokler ne doseže reaktor 5% moči. Med 5% in 10% jo začnejo dovajati na turbino, električni generator sinhronizirajo in priklučijo na električno omrežje. Postopoma moč reaktorja in turbine večajo, pri 100% moči pa se nekaj čez 30% toplotne energije spremeni v električno(NEK – 35%). Ostalo energijo odvajajo v okolje s pomočjo odtočnih voda.

10

Vrelovodni reaktor (Boiling Water Reactor – BWR)Vrelovodni reaktor ima petina obratujočih jedrskih elektrarn. Ti reaktorji nimajo dveh krogov, ampak samo enega. Uporabljajo večinoma obogaten uran za delovanje. Tlak v reaktorski posodi je manjši kot pri PWR, zato se voda uparja pri prehodu skozi reaktor in gre neposredno v turbino. Po opravljenem delu se kondenzira in vrne nazaj v reaktorsko posodo. Hladilo je pri 75-kratnem tlaku atmosferskega, zato ima vrelišče pri približno 285°C. Njegova prednost je, da je hladilno sredstvo pri dvakrat manjšem tlaku ter ima manj sestavnih delov in ga je zato lažje zgraditi. Slabša stran pa je, da se zaradi toka pare in tekočine v reaktorski posodi računanje in usklajevanje delov zaplete. Večja je tudi reaktorska posoda, ker je v njej hkrati delovna snov, hladilo ter moderator. Izkoristek teh reaktorjev je lahko celo višjo od PWR.

Tlačnovodni težkovodni reaktor (Pressurized Heavy Water Reactor – PHWR)Reaktorji te vrste uporabljajo za moderator ter hladilo težko vodo. Težka voda je boljši moderator od lahke vode, saj že ima ˝dodatni nevtron˝, ki ga navadno voda drugače lahko absorbira. Več nevtronov tako ostane v verižni reakciji in ni potrebno obogatiti urana. Takšen način hlajenja je dosti dražji od navadne vode. Razen razlike v gorivu in primarnem hladilnem sredstvu, je zelo podoben tlačnovodnem reaktorju. PHWR v sekundarnem krogu tudi uporablja lahko vodo. Obogatitve urana so pri teh reaktorjih sicer rešeni, ga je pa zato potrebno dosti več in se hitreje porablja.

11

Plinsko hlajeni reaktor (Gas Cooled Reactor-GCR, Advanced Gas Cooled Reactor-ACR)Reaktorji tega tipa uporabljajo grafit za nevtronski moderator, za reaktorsko hladilo pa ogljikov dioksid. V reaktorski posodi so dosti višje temperature, ker tako izboljšajo toplotni izkoristek. CO2

kroži pri temperaturi okoli 640°C in tlaku okoli 40 bar. Posoda je iz nerjavečega jekla, da lahkoa reaktor deluje pri tako visoki temperaturi ter tlaku. Izkoristek je višji zaradi višjih temperatur, v povprečju imajo ACR približno 40%. Slabša stran pa je, da mora biti jedro dosti večje za isto izhodno moč kot PWR, pa gorivo je tudi slabše izkoriščeno.

1-> cevi za kontrolne palice

2-> kontrolne palice

3-> grafit moderator

4-> gorivni skupki

5-> reaktorska posoda in radiacijski ščiti

6-> reaktorsko hladilo-plin

7-> voda

8-> vodna črpalka

9-> toplotni izmenjevalec

10-> para

Hitri oplodni reaktor (Fast Breeding Reactor-FLMBR)Hitri oplodni reaktor je jedrski reaktor, ki za reaktorsko hladilo uporablja tekoči natrij(večina večjih svetovnih reaktorjev), pri delovanju pa producira več goriva kot ga porabi. Proces nastajanja goriva je razložen že pri hitrih reaktorjih na strani 9. Na začetku potrebujejo obogaten uran, da lahko dosežejo samoohranjajočo verižno reakcijo, pozneje pa zadostuje dodajanje le naravnega urana. Razlog je, da v spektru hitrih nevtronov imata uran-235 in plutonij-239 zelo majhen fisijski presek, uran-238 pa velik absorbcijski presek. Zaradi uporabe hitrih nevtronov ne potrebujejo moderatorja. Potrebno je tudi zelo natančno zasnovati izmenjevalce toplote, saj natrij burno reagira z delovno snovjo – vodo. Pri reaktorjih tega tipa poznamo dve različni zasnovi reaktorske posode. Prva se imenuje ˝pool design˝, saj so primarni izmenjevalci in črpalke v reaktorski posodi. Drugi tip pa je ˝loop design˝, kjer primarno hladilo kroži po primarnih toplotnih izmenjevalcih zunaj posode.

12

Tehnični podatki JE KrškoZa približen občutek kako je sestavljena jedrska elektrarna v Krškem prilagam še tehnične podatke:

Elektrarna

Tip reaktorja: Lahkovodni tlačni reaktorToplotna moč reaktorja: 1994 MWElektrična moč na sponkah generatorja: 727 MWMoč na pragu elektrarne: 696 MWToplotni izkoristek: 35 %

Gorivo

Število gorivnih elementov: 121Število gorivnih palic v gorivnem elementu: 235Razporeditev gorivnih palic: 16 x 16Dolžina gorivnih palic: 3,658 mDebelina srajčke: 0,572 mmGradivo srajčke: Zircaloy-4 Kemična sestava goriva: UO2

Premer tablete goriva: 8,192 mm Dolžina tablete goriva: 13,46 mmSkupna količina urana: 48,7 t

Reaktorsko hladilo

Snov: H2O

Dodatki: H3BO3

Število hladilnih zank: 2Skupni masni pretok: 9220 kg/sTlak: 15,41 MPa (157 ata) Celotna prostornina: 197 m3

Temperatura na vstopu v reaktor: 287 °CTemperatura pri izstopu iz reaktorja: 324 °CŠtevilo črpalk: 2Zmogljivost črpalke: 6,3 m3/sMoč motorja črpalke: 5,22 MWRegulacijske palice

Število regulacijskih svežnjev: 33Število absorpcijskih palic v svežnju: 20Celotna teža regulacijskega svežnja: 53,07 kgNevtronski absorber: Ag-In-CdOdstotna sestava: 80-15-5 %

13

Uparjalnik

Material: INCONEL 690 TTŠtevilo uparjalnikov: 2Tlak pare pri izstopu: 6,5 MPa (63,5 ata)Temperatura pare pri izstopu: 280,1 °CTemperatura napajalne pare pri vstopu: 219,4 °CMasni pretok pare iz obeh uparjalnikov: 1090 kg/sVišina uparjalnika: 20,6 mTeža uparjalnika: 345 tŠtevilo U-cevi v uparjalniku: 5428Celotna površina prenosa toplote: 7177 m2

Zunanji premer U-cevi: 19,05 mmDebelina U-cevi: 1,09 mm

Turboagregat

Maksimalna moč: 727 MWPretok pare: 1090 kg/sVstopni tlak sveže pare: 6,2 MPa (63 ata)Temperatura sveže pare: 275,5 °CVrtilna hitrost turbine: 157 rad/s (1500 vrt./min)Vlažnost pare ob vstopu: 0,46 %Kondenzacijski tlak (vakuum): 5,1 kPa (0,052 ata)Povprečna temperatura kondenzata: 33 °CŠtevilo glavnih napajalnih črpalk: 3Zmogljivost napajalne črpalke: 50 %Nazivna moč generatorja: 813 MVANazivna napetost: 21 kVNazivna frekvenca generatorja: 50 Hz Nazivni cos ø: 0,85

Transformatorji

Blokovna transformatorjaNazivna moč: 1 x 500 MVA

1 x 400 MVAPrestavno razmerje: 21/400 kVTransformatorja lastne rabeMaksimalno dovoljena trajna moč: 2 X 30 MVAPomožni transformatorMaksimalno dovoljena trajna moč: 60 MVAPrestavno razmerje: 105/6,3/6,3 kV

14

Jedrska energija

Leta 2005 so jedrske elektrarne proizvedle približno 15% svetovne elektrike, na vrhu so seveda ZDA, Francija ter Japonska. Dve leti pozneje so našteli 439 jedrskih reaktorjev v 31 državah. Delež energije je padel na 14%, domnevno zaradi potresa na Japonsek 16. Julija 2007, ki je ustavil sedem reaktorjev. Največ električne energije dobi iz jedrskih elektrarn Francija, ki je leta 2006 proizvedla na ta način 78% svoje elektrike. Evropska unija pa ima tudi kar visok delež, kar 30 odstotkov. Težava jedrske energije je predvsem gorivo, saj ocenjujejo zaloge naravnega urana na približno 70 let (pri trenutni porabi in ceni $ 130 na kilogram naravnega urana). Alternativa za uran je tudi torij, ki ga je trikrat več v Zemljini skorji kot urana in ga lahko v reaktorjih predelajo v uran-233, ki je tudi gorivo. Indija že gradi termične oplodne reaktorje za predelavo torija. Še ena možnost pa so hitri oplodni reaktorji, ki uporabljajo uran-238 in ga predelajo v plutonij, ki se uporablja za gorivo. Po ocenah bi naj bilo na svetu urana-238 za 10,000 let do parih miljard let.

Jedrska energija ima kar dosti pozitivnih strani. Energijsko gledano je en kilogram urana ali torija ekvivalenten 3,500 ton premoga. Proizvodnja jedrske energije je prav tako cenovno ugodna kot energija iz premoga. Poleg tega pa ni potrebno plačevati še dajatev zaradi izpusta toksičnih plinov(ne izpušča plinov kot so: CO2, NO, CO, SO2, arzen,...) in zelo malo prispeva k globalnemu segrevanju ter kislemu dežju. Oplodni reaktorji imajo po raziskavi tudi zelo dolgo in svetlo prihodnost.

Nekaj je pa tudi slabih strani. Slabo načrtovanje ter nepravilni izračuni lahko vodijo v katastrofalne posledice za ljudi in okolje. Jedrski odpadki so strupeni in visoko radioaktivni. Nekateri reaktorji sicer lahko uporabljajo te odpadke za gorivo, večina pa jih žal še ne more. Po uporabi morajo jedrske odpadke ustrezno shraniti, saj ostanejo radioaktivni tudi še 500 let. Sporna je tudi povezanost jedrske energije ter jedrskega orožja, saj nekaj oplodnih reaktorjev proizvaja material za orožje, pa tudi iste zgradbe za obogatitev goriva uporabljajo. Po ocenah po letu 2026 ne bi več zadostili povpraševanju z zalogami uranove rude.

15

Okolje in radioaktivni odpadki

Vpliv jedrskih elektrarn na okolje je v primerjavi s termoelektrarnami dosti manjši. V zrak med delovanjem namreč ne spuščajo ogljikovega dioksida in drugi nevarnih plinov. Uporaba jedrske energije bi naj Evropi letno prihranila izpust približno 800 milijonov ton CO2. Jedrske elektrarne sevajo v okolje kar 200krat manj kot je sevanje iz vesolja in radioaktivnih kamnin. Reaktorji tudi dostikrat uporabljajo bližnje tekoče vode za hlajenje pare v kondenzatorju. To reke, potoke in podtalnice segreje in lahko opazneje vpliva na ekosistem. Nekaj težav za okolje predstavlja še obogatitev urana, saj je uranov heksafluorid (UF6) visoko toksičen, burno reagira z vodo in ima korozivne lastnosti za večino kovin. Največji problemi so pa seveda s skladiščenjem radioaktivnih odpadkov.

Glede na radioaktivnost delimo odpadke na tri vrste. V jedrskih elektrarnah nastanejo naslednji nizko in srednjeradioaktivni odpadki: kontaminirana varovalna obleka, odpad iz blaga, filtri iz tehnoloških in ventilacijskih sistemov, kontaminirano orodje, itd. Poleg trdnih odpadkov nastanejo tudi tekoči in plinasti radioaktivni odpadki. Tekoči nastanejo zaradi puščanja tehnoloških sistemov in opreme primarnega hladilnega kroga ali pri dekontaminacij opreme, tal in delovne obleke. Radioakivni plini pa nastanejo pri cepitvi U-235, ko se v gorivnem elementu nabirajo cepitveni produkti v obliki radioaktivnih plinov. Visokoradioaktivni odpadki so tisti, za katere je značilno, da oddajajo ionizirajoče sevanje z visoko energijo in vsebujejo cepitvene produkte, ki nastanejo v jedrskem gorivu. Sem spada izrabljeno in predelano jedrsko gorivo. Za odlaganje radioaktivnih odpadkov so se najbolje uveljavili naslednji načini: tunelsko odlaganje, plitvo zakopavanje, odlagališče visokoradioaktivnih odpadkov.

16

Tunelsko odlaganjeTo so podzemni prostori, kjer se nizko in sredneradioaktivni odpadki odlagajo v sodih ali zaščitnih betonskih blokih. Glavni tunel obdaja še več prečnih, ki jih postopoma polnijo z betonskimi bloki. Ko so polni, jih zalijejo z betonom, da še dodatno zagotovijo varno pregrado. Na Švedskem je blizu kraja Forsmark zelo znano odlagališče. Je 50m pod dnom Baltskega morja in lahko v prvi fazi sprejme 90 000 m3

odpadkov z možnostjo povečanja na 230 000 m3.

Plitvo zakopavanjeJe cenejše in enostavnejše od tunelskega, saj se betonski bloki oziroma sodi, napolnjeni z odpadki, odlagajo na za vodo neprepustno ploščo. To celoto sproti prekrivajo z neprepustnim slojem, ki ščiti odpadke pred škodljivimi vplivi. Neprepustni sloj je iz debele plasti gline in stekla. Ko je odlagališče napolnjeno, ga zaprejo z betonsko ploščo. Vse skupaj še prekrijejo z zemljo in še nasadijo razno rastlinje. Odlagališča te vrste so predvsem v ZDA in Franciji, obsegajo pa od 8 do 10 hektarjev zemlje.

Odlagališče visokoradioaktivnih odpadkovTi odpadki so visoko radioaktivni in potrebujejo tudi hlajenje, ker proizvajajo kar dosti toplote. Povprečen reaktor na leto proizvede 25-30 ton porabljenega goriva. Trajnih odlagališč ni, saj lahko oplodni reaktorji še uporabijo te odpadke drugih reaktorjev. Načrtovana pa so globoka odlagališča več sto metrov pod zemljo, vendar so še predmet diskusije. Zato pa trenutno skladiščijo odpadke na dva načina. Prva začasna rešitev so bazeni za izrabljeno gorivo.Voda je namenjena kot zaščita pred sevanje in za hlajenje izrabljenega goriva. V bazenih je shranje od 10 do 20 let, potem pa se pošlje naprej na predelavo ali v suho skladiščenje. To je drugi način, kjer se hranijo visokoradioaktivni odpadki, ki so se že vsaj eno leto hladili v bazenih. Gorivo obdaja inerten(ne reagira z elementi) plin v velikih zabojnikih iz večih slojev jekla.

17

Viri

=> STRNAD J., Fizika, 4. del, Molekule, kristali, jedra, delci, DMFA (2005)

=> Nuclear Physics and Reactor Theory (handbook)

=> BASDEVANT J.-L., RICH J., SPIRO M., Fundamentals in Nuclear Physics, 2004

=> Nuklearna elektrarna Krško (7.5.2009)

URL: http://www.nek.si/sl/

=> Nuclear Fission (7.5.2009)

URL: http://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_fission

=> Nuclear Power (7.5.2009)

URL: http://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_power

=> Nuclear Reactor (7.5.2009)

URL: http://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_reactor

18