|
|
| Redak 21: |
Redak 21: |
| | | | |
| | Vuleta, mojne briat gluposti! | | Vuleta, mojne briat gluposti! |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − | Nuklearne elektrane
| |
| − |
| |
| − | materijal prikupila: Danica Maljković
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − | Nuklearne elektrane (NE) su postrojenja u kojima se energija fisije atoma transformira u električnu energiju posredstvom toplinske energije proizvedene u nuklearnom reaktoru. Toplinska energija se iskorištava pomoću Rankinovog kružnog procesa voda – para u parnoj turbini (u tom smislu nuklearna elektrana je načelno termoelektrana, samo što se u njoj toplinska energija ne proizvodi izgaranjem goriva već fisijom).
| |
| − |
| |
| − | Gorivni elementi reaktora, u kojima se odvija proces fisije i u kojima se neposredno oslobađa tolinska energija, imaju najvišu temperaturu u nuklearnoj elektrani.
| |
| − |
| |
| − | Sam stupanj djelovanja toplinskog ciklusa ovisi o prosječnoj temperaturi rashladnog fluida (po drugom zakonu termodinamike stupanj djelovanja je to veći što je viša temperatura toplijeg spremnika). Od interesa je što više približiti prosječnu i maksimalnu temperaturu rashladnog fluida, odnosno što više smanjiti porast temperature rashladnog fluida u reaktoru.
| |
| − |
| |
| − | Sigurnost nuklearnog postrojenja i okoline je ograničavajući faktor za iznos temperature nuklearnog goriva i rashladnog sredstva, čime posredno ograničava i stupanj djelovanja NE (stupanj djelovanja NE je uvijek manji od stupnja djelovanja TE jednake snage).
| |
| − |
| |
| − | Nuklearne elektrane proizvode oko 17% svjetske električne energije. U svijetu postoji oko 400 nuklearnih elektrana (prema podacima International Atomic Energy Agency).
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − | Slika 1. Nuklearna elektrana u pogonu
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − | Susrećemo nekoliko tipova NE čija je razlika u vrsti primarnog postrojenja (reaktorskog), koje se odnosi na reaktor, elemente primarnog kruga i na pomoćne sustave reaktora, jer je sekundarno postrojenje, kojem pripada turbinsko i električno postrojenje elektrane, kod svih načelno isto.
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − | Osnovni materijali po kojima se nuklearni reaktori razlikuju su:
| |
| − |
| |
| − | Nuklearno gorivo – prirodni ili obogaćeni uran, metalni uran ili oksid urana. (umjesto obogaćenog urana može se djelomično koristiti i plutonij)
| |
| − |
| |
| − | Moderator – obična voda, teška voda, grafit
| |
| − |
| |
| − | Rashladni fluid – obična voda, teška voda, CO2, helij (He), tekući metal
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − | Tipovi nuklearnih elektrana, tj. reaktorski tipovi:
| |
| − |
| |
| − | 1. Reaktor hlađen i moderiran običnom vodom
| |
| − |
| |
| − | Ovaj reaktor se izvodi u dvije varijante:
| |
| − |
| |
| − | a) Voda u reaktoru ima tlak viši od tlaka zasićenja
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − | Takav reaktor je poznat kao tlakovodni reaktor: U zapadnim zemljama označava se kraticom PWR (Pressurized Water Reactor, a u bivšem Sovjetskom Savezu kraticom VVER vodo-vodnoj energetičeskij reaktor). Ovog tipa je reaktor u NE Krško. Gorivo reaktora: oksid obogaćenog urana
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − | Slika 2. Shematski prikaz PWR reaktora
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − | b) Voda u reaktoru kipi (kipući reaktor)
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − | To je reaktor tipa (BWR Boiling Water Reactor).Gorivo reaktora: oksid obogaćenog urana
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − | 2. Reaktor hlađen i moderiran teškom vodom
| |
| − |
| |
| − | Takozvani teškovodni reaktor ili HWR (Heavy Water Reactor). Izvodi se samo tip koji ima tlak viši od tlaka zasićenja, tj. kao tlakovodni reaktor. Gorivo reaktora: oksid prirodnog ili obogaćenog urana
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − | 3. Reaktor moderiran grafitom i hlađen ugljik – dioksidom
| |
| − | To su plinom hlađeni reaktori koji se izvode u dvije verzije:
| |
| − |
| |
| − | a) GCR (Gas Cooled Reactor)
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − | Prva generacija ovih reaktora poznata pod nazivom magnox dobila je ime po leguri magnezija koji se upotrebljava kao materijal za obloge gorivnih šipki. Gorivo reaktora: metalni prirodni uran
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − | b) AGR (Advanced Gas Reactor)
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − | Druga generacija grafitnih reaktora koja se od prve razlikuje u izvedbi i materijalu gorivnih šipki. Obloge gorivnih šipki su izrađene od nehrđajućeg čelika. Gorivo reaktora: oksid obogaćenog urana
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − | Slika 3. NE Wylfa na sjeveru Walesa, UK, ima magnox reaktor, i jedna je od najstarijih NE u svijetu koje još uvijek rade
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − | 4. Reaktor moderiran grafitom i hlađen kipućom vodom
| |
| − |
| |
| − | Ovaj tip reaktora se gradi samo u bivšem SSSR-u i njegova kratica je RBMK reaktor boljšoi močnosti kipjaščij. Nuklearna elektrana u Černobilu je bila ovog tipa. Gorivo reaktora: oksid obogaćenog urana
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − | 5. Reaktor moderiran grafitom i hlađen helijem
| |
| − |
| |
| − | Visoko temperaturni reaktor ili HTGR (High Temperature Gas Reactor) je posljednji korak u razvoju grafitom moderiranih reaktora. Gorivo reaktora: oksid obogaćenog urana
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − | 6. Brzi oplodni reaktor
| |
| − |
| |
| − | Dok svi prethodno navedeni tipovi reaktora pripadaju u kategoriju termalnih reaktora, tj. upotrebljavaju moderator za termalizaciju neutrona, brzi oplodni reaktor nema moderatora. Gorivo reaktora: oksid urana višeg obogaćenja ili oksid plutonija
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − | -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − | Tehnologija se temelji na procesu nuklearne fisije. Uran, kao prirodni element, je osnovni energent u nuklearnoj energetici. Nalazimo ga u prirodi. Uran–238 (U-238) ima vrlo dugo vrijeme poluraspada, oko 4,5 milijarde godine, i zato se još uvijek mogu naći zamjetne količine ovog elementa u prirodi. Ovaj izotop urana, U-238, čini oko 99% svih izotopa urana na Zemlji. Uran-235 čini oko 0,7% urana kojeg nalazimo u prirodi, dok je uran-234 još rijeđi u prirodi i nastaje radioaktivnim raspadom urana-238.
| |
| − |
| |
| − | Uran-235 ima zanimljivo svojstvo koje ga čini korisnim i za nuklearnu energetiku, a i za proizvodnju nuklernih bombi. Kao i U-238, U-235 se spontano raspada alpha raspadom. Osim spontanog raspada U-235 kratkotrajno podliježe i spontanoj fisiji. Međutim, U-235 je jedan od rijetkih elementa koji je sposoban osloboditi energije cijepanjem jezgre atoma (nukleusa) mehanizmom inducirane fisije. U slučaju da se slobodni neutron sudari sa jezgrom urana-235, jezgra će apsorbirati taj neutron što će rezultirati time da će postati nestabilna i u konačnosti će se rascijepati na dva lakša atoma uz oslobađanje dva do tri nova slobodna neutrona. Dva nova atoma postižu novo stanje gama raspadom. Tri fizikalne činjenice čine proces inducirane fisije zanimljivim sa energetskog stajališta
| |
| − |
| |
| − | Vjerojatnost da će atom urana-235 apsorbirati slobodan neutron je relativno velika. Ako reaktor radi u najpovoljnijem režimu (tj. u kritičnom stanju), oslobođeni neutron svake fisije će uzrokovati novu fisiju.
| |
| − |
| |
| − | Proces apsorpcije neutrona i cijepanja jezgre je vrlo brz, reda veličine picosekunde (10-12 sekundi).
| |
| − |
| |
| − | Cijepanjem jedne jezgre U-235 oslobađa se zamjetno velika količina energije u obliku toplinske energije i gama zračenja. Energiju oslobođenu jednom fisijom dobivamo iz činjenice da fisijski produkti i neutroni zajedno teže više nego sam atom U-235 čija se jezgra rascijepala. Razlika u masi se može direktno preračunati u dobivenu energije pomoću izraza E = mc2.
| |
| − |
| |
| − | Raspadom jednog atoma U-235 oslobađa se energija reda veličine 200 MeV (milijun elektron volta). Na prvi pogled to se ne čini puno, ali ako se uzme u obzir da, naprimjer, jednam kilogram urana sadrži veliku količinu atoma, shvaća se da je oslobođena energija iz takvog kilograma zamjetna. Ona je tolika da se obogaćeni uran koristio kao gorivo za nuklearne podmornice dajući im potisnu snagu koju bi se moglo dobiti iz nekoliko stotina tisuća litara nafte. Da bi dobili tražena svojstva uranskog goriva, takvo je gorivo potrebno predhodno obogatiti, tako da sadrži 2 do 3% (ili više) urana-235. Tropostotno obogaćenje je dovoljno za uporabu u civilnom nuklearnom reaktoru, dok se uran za proizvodnju oružja obogaćuje tako da sadrži 90% ili više U-235.
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − | Najveći postotak nuklearnih elektrana u svijetu čine elektrane PWR reaktorskog tipa. Izvedba PWR nuklearne elektrane zasniva se na principu dvaju odvojenih rashladnih krugova, primarnog i sekundarnog.Toplinski stupanj djelovanja N je funkcija prosječe temperature vode u primarnom krugu, te je svrsishodno da ona bude što viša.
| |
| − |
| |
| − | Tipični parametri rashladne vode primarnog kruga jesu:
| |
| − |
| |
| − | Tlak: 150 do 160 bar
| |
| − |
| |
| − | Prosječna temperatura: 570 do 590 K
| |
| − |
| |
| − | Promjena temperature u reaktoru i generatoru pare: 40 do 50 K
| |
| − |
| |
| − | Protočni volumen pri rashladnom krugu: oko 6 m3/s
| |
| − |
| |
| − | Primarni krug se načelno sastoji od reaktora, cirkulacijske pumpe, generatora pare i tlačnika. Budući da su rashladni krugovi hidraulički povezani u reaktoru potreban je samo jedan tlačnik za sve rashladne krugove. Komponente primarnog kruga smještaju se u containment ili zaštitnu posudu. Zaštitna posuda je projektirana za tlak koji u njoj narastao pri većem lomu komponente primarnog kruga (tj. da se tlak povisi za 0,3 do 0,5 Mpa). Osobito obilježje je kuglasta zaštitna posuda. Veličina jezgre i broj gorivnih elementa u njoj ovise u snazi. U zapadnim zemljama te su snage u razredima od 600 do 700, 900 do 1000 i 1200 do 1500 MW.
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − | Slika 4. Containment ili zaštitna posuda/zgrada, sa sferičnim svodom
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − | Generator pare je jedan od komponenti primarnog kruga NE. To je izmjenjivač topline specijalne izvedbe kojem je zadatak da toplinsku energiju nastalu u primarnom krugu prenese na radni medij sekundarnog kruga. Primarni medij nalazi se u snopu cijevi, a sekundarni u plaštu parogeneratora. Srednja temperatura primarnog fluida u reaktoru i parogeneratoru je približno ista. Temperaturna razlika između primarnog i sekundarnog fluida je malena da bi tlak pare bio što viši, a time i stupanj djelovanja. To se može postići, i postiže se, izgradnjom velike površine prijelaza topline. Ta ogrijevna površina iznosi oko 4000 m2, a tehnološki je dobivena ugradnjom nešto više od 4000 “U” cijevi u cijevni snop visok 10 m, dok je promjer cijevi 20 mm i debljine stijenke oko 1,2 mm. Materijal cijevog snopa je legura naziva Inconel600. Materijal plašta generatora pare je niskolegirani kotlovski čelik.
| |
| − |
| |
| − | Najbitniji djelovi generatora pare su ulazno/izlazna komora primarnog fluida, cijevni snop, isparavačka sekcija, parni prostor. Potrebno je još ugraditi i separator vlage i sušionik pare.
| |
| − |
| |
| − | Sekundarna voda se nalazi pod tlak od cca 6MPa.
| |
| − |
| |
| − | Gabariti takvog generatora pare za nuklearna postrojenja su oko 21 m visine, promjer donjeg djela posude je oko 3,5 m, promjer gornjeg dijela posude je oko 4,5 m, dok je masa suhog generatora pare oko 300 t.
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − | Tlačnik je komponenta primarnog kruga NE s tlakovodnim reaktorom kojoj je zadatak da na elastičan način održava tlak u primarnom krugu. U osnovi, to je električni bojler kod kojeg tlak pare iznad razine vode elastično održava tlak u primarnom krugu. Funkcionalno kompenzira promjene specifičnog volumena vode brzih prijelaznih projava i održava tlak u stacionarnom stanju.
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − | Cirkulacijska puma kod tlakovodnih reaktora (PWR) je jednostupnjevita cirkulacijska pumpa. Budući da je maksimalna temperatura fluida ograničena dopuštenom temperaturom u reaktoru, nastoje se prosječna temperatura što više približiti toj temperaturi. Smanjenje porasta temperature rashladnog fluida u reaktoru moguće je jedino smanjenjem njegova protoka. Snaga pumpe je ograničavajući faktor za smanjenje temperaturne razlike u primarnom krugu.
| |
| − |
| |
| − | Izvedba pumpe mora zadovoljavati slijedeće uvjete:
| |
| − |
| |
| − | Propuštanje rashladnog fluida reaktora treba svesti na najmanju moguću mjeru (jer rashladni fluid sadrži određeni stupanj radioaktivnosti). Rješenje je u brtvenju protutlakom.
| |
| − |
| |
| − | Podmazivanje donjih ležajeva treba rješiti bez klasičnim maziva (kontaminacija rashladnog fluida). To se rješava tako da se donji ležaj pumpe, napravljen od grafita, podmazuje ubrizganom vodom.
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − | Jezgru PWR reaktora čine:
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − | Gorivi elementi
| |
| − | Regulacijske i zaustavne šipke
| |
| − | Moderator
| |
| − | Rashladni fluid
| |
| − | Konstrukcijski elementi
| |
| − |
| |
| − | odnosno svi materijali i sklopovi za ostvarenje i samoodržavanje lančane reakcije, njezinu kontrolu i odvod generirane topline.
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − | 1. Gorivi elementi
| |
| − |
| |
| − | Gorivi elementi su složeni mehanički sklopovi, kojih su osnovni djelovi gorivne šipke i kostur gorivnog elementa.
| |
| − |
| |
| − | a) Gorivne šipke
| |
| − |
| |
| − | Gorivna šipka je cijev od cirkonijeve (Zr) legure (često se upotrebljava legura pod nazivom ZIRCALLOY2, [Zr + Sn + Fe + Ni]) promjera oko 9,5 mm, debljine stijenke oko 0,6 mm te dužine oko 3,6 m ispunjene tabletama UO2 koje su konkavno obrađene radi kompenzacije termalne ekspanzije. Zazor između tablete i stijenke obloge puni se helijem radi boljeg odvođenja topline.
| |
| − |
| |
| − | b) Kostur gorivnog elementa
| |
| − |
| |
| − | Kostur gorivnog elementa je mehanički element kojem je zadatak držati gorivne šipke u formaciji (pridržavanje trenjem) i omogućiti vođenje regulacijskih ili zaustavnih šipki.
| |
| − |
| |
| − | Gorivi element ima kvadratni horizontalni presjek dimenzija oko 200x200 mm i masu između 500 i 700 kg.
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − | 2. Regulacijske i zaustavne šipke
| |
| − |
| |
| − | Regulacijske i zaustavne šipke zajedno čine absorbcijske šipke.
| |
| − |
| |
| − | Regulacijske šipke su povezane u regulacijski sklop, što znači da sve one šipke koje ulaze u jedan gorivi element kreću kao mehanička cjelina. Cijevi su od nehrđajućeg čelika ispunjene legurom koja u težinskim postocima sadrži 80% srebra, 15% indija i 5% kadmija. Sastav legure izabran je tako da se apsorpcijom pokrije širi spektar energija termalnih i epitermalnih neutrona.
| |
| − |
| |
| − | Zaustavne šipke imaju zadatak osigurati dovoljnu podkritičnost reaktora obustavljenog rada i nisu povezane s regulacijskim sustavom.
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − | 3. Moderator
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − | To su materijali koji imaju zadatak da usporavajubrze neutrone fisije. Da bi se stvorila compound jezgra koja je nestabilna i koja je uvijet za postupak fisije energija projektila koja udara u jezgru mora biti manja od približno 50 MeV.
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − | Slika 5.
| |
| − | Jumper, osoblje NE zadouženo za remont reaktora, pri čemu ulaze u sam reaktor
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − | Sigurnost nuklearne elektrane je jedan od najbitnijih uvjeta za njezinu prihvatljivost kao energetskog objekta. Osnovna filozofija projektiranja nuklearne elektrane sa stajališta sigurnosti je tkz. obrana po dubini. Obrana po dubini sastoji se u poduzimanju mnogih sistematskih mjera za očuvanje funkcija opreme i sustava NE važnih za sigurnost, i to tako da one u pogledu zaštite okoliša djeluju serijski, jedna nakon druge. Time se postiže da izgubljenu funkciju jednog sustava važnog za sigurnost automatski preuzima drugi.
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − | Tablica 1. Klasifikacija mogućih nezgoda u skladu s preporukama American Nuclear Society (ANS)
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − | Kategorija I Pogonski tranzijenti (u radnom vijeku elektrane njihova pojava očekuje se često tijekom redovitog pogona)
| |
| − | Kategorija II Nezgode srednje učestalosti (u najgorem slučaju rezultiraju obustavom rada reaktora no elektrana može po njihovom prestanku nastaviti s radom)
| |
| − | Kategorija III Nezgode male učestalosti (mogu rezultirati oštećenjem malog dijela goriva, i sl.)
| |
| − | Kategorija IV Granične nezgode (ne očekuje se da će se pojaviti u radnom vijeku NE, rezultiraju ispuštanjem značajnih količina radioaktivnog materijala u okoliš, uključuju nezgode gubitka hladioca, LOCA*, i lom cijevi generatora pare)
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − | *LOCA – Lost of Coolant Accident (do sada je nije bilo osim u nezgodi NE na Otoku tri milje)
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − | Sa stajališta utjecaja na okoliš najvažnije su nezgode kategorije IV, a to su:
| |
| − |
| |
| − | Veći lomovi cijevi sekundarnog sustava
| |
| − |
| |
| − | Lom cijevi pojne pumpe
| |
| − |
| |
| − | Zakočenje rotora pumpe reaktorskog hladioca
| |
| − |
| |
| − | Lom osovine pumpe reaktorskog hladioca
| |
| − |
| |
| − | Lom kučišta mehanizma kontrolnih štapova
| |
| − |
| |
| − | Lom cijevi parogeneratora
| |
| − |
| |
| − | Nezgoda gubitka hladioca (LOCA)
| |
| − |
| |
| − | Nezgoda rukovanja gorivom u contaimentu i zgradi za pohranu istrošenog goriva
| |
| − |
| |
| − |
| |
| − | Većih akcidenta je do sada bilo dva puta. Prvi se zbio u NE Otok tri milje u SAD-u, 28. Ožujka 1979., a drugi 25. Travnja 1986. u NE Černobil. Ljudska greška je bila uzrok obje nesreće.
| |
