Nuklearne elektrane 7. Ferenčak, Mario R3004

1. Nuklearne elektrane7. Ferenčak, Mario R3004 SVEUČILIŠTE U ZAGREBU RUDARSKO-GEOLOŠKO-NAFTNI FAKULTET OSNOVE ELEKTROTEHNIKE

2. Zašto nuklearne elektrane? -povećanje potreba za energijom uvjetovano porastom standarda sveopće proizvodnje i potrošnje – dvije milijarde ljudi širom svijeta nema pristup električnoj energiji -globalno oslanjanje na fosilna goriva i velike hidroelektrane ostati će trend bar do 2020. godine, ali to neće biti dovoljno za zadovoljavanje rastućih potreba ljudi

3. Povijesni razvoj, primjena i značaj nuklearne energetike • razvoj je počeo prije II. svjetskog rata • -vojni nuklearni program – “Manhattan” projekt – cilj je bio proizvesti atomsku bombu – u sklopu projekta izgrađen je prvi reaktor “Chicago pile 1” – prva samoodržavajuća lančana reakcija 2.12.1942. • -sredinom 50-ih godina dvadesetog stoljeća počela je komercijalna primjena nuklearnih reaktora koja traje sve do danas • djelotvorna i ekonomična primjena u energetici

4. Povijesni razvoj, primjena i značaj nuklearne energetike • status i značaj nuklearne energetike • -u pogonu su 444 reaktora (494 u izgradnji i remontu) • -SAD (110), Francuska (59), bivši SSSR(46), Njemačka (17), Japan (54), Južna Koreja (21), Kanada (17), Velika Britanija (23) itd. • -ukupna instalirana električna snaga – 406136 MWe • -18% ukupne proizvedene električne energije svijeta • -radni vijek nuklearnih elektrana – 30 – 60 godina • -284 istraživačka reaktora te dodatnih 220 reaktora u funkciji pogona brodova i podmornica

5. Nuklearne reakcije • Fisija • nuklearna reakcija cijepanja jezgre atoma na dva dijela (fisijski fragmenti) pri čemu se oslobađa velika količina toplinske energije • Fuzija • Nuklearna reakcija spajanja jezgara atoma pri čemu nastaje teža jezgra uz oslobođenje toplinske energije

6. Princip rada

7. Princip rada -bit – samoodrživa kontrolirana lančana reakcija -NE koriste kao gorivo uran ili plutonij -prirodni uran (izotop U-238 sa 99,3% udjela i izotop U-235 sa 0,7 % udjela) – potrebno je prirodni uran obogatiti izotopom U-235 da bi ga mogli koristiti kao gorivo

8. Princip rada • -oslobođena energija u fisijama U i Pu pretvara se u toplinsku energiju koja grije rashladno sredstvo koje svoju toplinsku energiju predaje vodi koja se grije i prelazi u paru te odlazi do parne turbine • -glavni dijelovi: • reaktorska jezgra • gorivi element (gorivo) • rashladno sredstvo • parogenerator • sigurnosni sustavi

9. Princip rada

10. Princip rada • NE se dijele prema tipu reaktora i vrsti goriva: • PWR (293) • BWR (98) • HWR (54) • GCR (30) • HTGR • LMFBR • najbitnije dvije skupine reaktora su PWR i BWR te njihove inačice

11. Nesreće u NE • Otok tri milje u SAD (1979.) • oštećenje jezgre 1979. godine rezultiralo je iz niza nesretnih okolnosti u kojima su se događale pogreške na opremi i pogreške operatera • rastalila se približno trećina jezgre • doza zračenja izvan NE nije prelazila razinu koja ugrožava stanovništvo

12. Nesreće u NE • Černobilj u Ukrajini (1986.) • primarni je uzrok nesreće ljudska pogreška - niz narušavanja propisanih instrukcija i operativnih postupaka • sekundarni se uzroci mogu sažeti u kategoriju nedostataka u projektu i izvedbi elektrane • 31 žrtva neposredno nakon nesreće, više od 100.000 ljudi evakuirano • ogroman negativni utjecaj na razvoj nuklearne energetike

13. Nesreće u NE

14. Usporedbe s ostalim elektranama • broj smrtnih slučajeva po milijardi proizvedenih kWh električne energije: • najveća je smrtnost kod hidroelektrana (101 slučaj po TWh) • termoelektrane na ugljen (39 slučajeva po TWh) • termoelektrane na plin (10 slučajeva po TWh) • NE (1 slučaj po TWh - uključujući i černobiljsku nesreću) • reaktori u Černobilju ne mogu biti mjerodavni za procjenu sigurnosti ostalih tipova NE – nisu građeni uz poštivanje opće prihvaćenih kriterija sigurnosti, ali nisu ni temelj nuklearne energetike ni u jednoj zemlji izvan zemalja bivšeg SSSR

15. Usporedbe s ostalim elektranama

16. Sigurnost NE • smanjenje emisije CO2 – NE ne proizvode CO2, SO2, NOx u velikim količinama – NE ne rade efekt staklenika, ne utječu na ozon • dobro konstruirane NE pokazale su se pouzdanima, sigurnima, ekonomski prihvatljivim i ekološki “dobroćudnim” • do sad se u svijetu nakupilo više od 10000 reaktor-godina rada, pa se skupilo i potrebno iskustvo u iskorištavanju nuklearne energije

17. Ciljevi nuklearne energetike • ciljevi za srednjeročno razdoblje (do 2030.) • poboljšani lakovodni reaktori • poboljšani teškovodni reaktori • visokotemperaturni plinom hlađeni reaktori • ciljevi za dugoročno razdoblje (nakon 2030.) • brzi oplodni reaktori • fuzijski nuklearni reaktori (ITER)

18. Općenito o fuziji • 1934. god. Cockroft i Walton prvi put demonstrirali oslobađanje energije fuzije • 1936.god. Lord Rutherford predvidio nuklearnu reakciju fuzije između deuterija i tricija • 1950 – ih god. hidrogenska bomba

19. Fizikalne osnove fuzije Reakcije od interesa za ostvarivanje kontrolirane fuzije zajedno s potrebnom početnom temperaturom i iznosom dobivene energije

20. Fizikalne osnove fuzije • Praktični problemi: • vrlo visoke temperature > 100 milijuna K • svi materijali prelaze u stanje plazme • puno energije za zagrijavanje goriva • zbog neutrona materijal reaktora postaje radioaktivan

21. Fizikalne osnove fuzije • PLAZMA – 4. stanje materije • elektroni odvojeni od pripadajućih atomskih jezgri • 99,9% materije u svemiru - plazma • grijati do temperature fuzije – važno je zadržati minimalnu gustoću materijala • materijal mora biti dovoljno niske gustoće i tlaka (oko 1 Pa) - fuzijska komora mora biti napravljena od čvrstog materijala konačnog volumena(vakuum)

22. Fizikalne osnove fuzije • TLAK PLAZME • Zvijezde - plazmu na okupu drže snažne gravitacijske sile 1) fuzijski uređaji s magnetskim ograničenjem plazme 2) fuzijski uređaji s inercijalnim ograničenjem plazme

23. Fuzijski uređaji s magnetskim ograničenjem plazme • Plazma – električki vodljiva • Ako je stavimo u magn.polje, u njoj će se inducirati struja koja će nastojati poništiti vanjsko magnetsko polje (potisnuti ga van iz plazme) • Magn. silnice obilaze plazmu i pritom polje vrši tlak, koji nastoji ograničiti širenje plazme

24. Fuzijski uređaji s magnetskim ograničenjem plazme • Princip rada tokamaka • zasniva se na postojanju izmjeničnog magnetskog polja koje inducira kružnu struju kroz plazmu (plazma se ponaša kao sekundar transformatora), a magnetsko polje te struje obuhvaća i komprimira plazmu (i tok struje i prateća kompresija griju plazmu)

25. Fuzijski uređaji s magnetskim ograničenjem plazme • Princip rada tokamaka

26. Fuzijski uređaji s magnetskim ograničenjem plazme • Princip rada tokamaka • TEHNOLOŠKI PROBLEMI • problemi vezani za: • mogućnost proizvodnje dovoljno snažnih mag. polja • dinamičku stabilnost plazme • termičke izolacije

27. Fuzijski uređaji s magnetskim ograničenjem plazme • reakcijska komora - na visokom podtlaku • toplinski tok na zidu – velik • brzi neutroni oštećuju zid komore i čine ga radioaktivnim • zaštititi okolinu reakcijske komore od tok brzih neutrona vanjskim oplodnim omotačima koji će se koristiti za proizvodnju tricija • Princip rada tokamaka • TEHNOLOŠKI PROBLEMI

28. Fuzijski uređaji s magnetskim ograničenjem plazme • Princip rada tokamaka • niz tokamak uređaja u eksploataciji i gradnji: • JET (Joint Europen Torus) • u pogonu od 1983.god. • trenutno najveći tokamak na svijetu sposoban za proizvodnju 16 MW fuzijske snage u trajanju do 1 s

29. Fuzijski uređaji s magnetskim ograničenjem plazme Izgled JET eksperimentalnog fuzijskog uređaja

30. Fuzijski uređaji s magnetskim ograničenjem plazme • Princip rada tokamaka - ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) • najozbiljniji pomak prema ostvarenju fuzijske elektrane • međunarodni projekt : Narodne Republike Kine Europske Unije Japana Republike Koreje Rusije SAD-a, uz pokroviteljstvo UN-ove nuklearne agencije IAEA

31. Fuzijski uređaji s magnetskim ograničenjem plazme • ITER • CILJ: • postići samoodrživu fuzijsku reakciju (jednom pokrenuta, samostalno se održava uz kontinuirani dotok goriva) • MJESTO RAZVOJA PROJEKTA: • Japan Atomic Energy Research InstituteuNaka-i, 80 km sjeverno odTokija • Max Planck Institut für PlasmaphysikuGarching-u, 15 km sjeverno od Münchena • LOKACIJA ZA IZGRADNJU PROJEKTA • Cadarache, France • PREDVIĐENI POČETAK RADA: • kraj 2016.

32. Fuzijski uređaji s magnetskim ograničenjem plazme Cadarache, France

33. Fuzijski uređaji s magnetskim ograničenjem plazme • Izgled ITER eksperimentalnog fuzijskog reaktora

34. Fuzijski uređaji s magnetskim ograničenjem plazme • Sigurnost • Inherentno siguran proces • Fuzija se odvija u vakuumu – unutrašnjost reaktora je dobro zabrtvljena – minimalna mogućnost kontaminacije okoliša • Bilo kakav kontakt sa okolinom unosi nečistoće u plazmu i gasi fuziju • Nema lančane reakcije koja bi se mogla oteti kontroli (nasuprot fisiji) • Prekid dotoka goriva - fuzija se gasi za oko 1 sekundu

35. Fuzijski uređaji s magnetskim ograničenjem plazme • Zračenje (neutrone) upija materijal reaktora • Ozračena materija (reaktor) nije pokretna • Za radnog vijeka postrojenja bit će proizvedena znatna količina radioaktivnog otpada no on nije visoko radioaktivan

36. Fuzijski uređaji s inercijalnim ograničenjem plazme • Osnovna ideja • Termonuklearna eksplozija u malom • Postići uvjete fuzije slične onima u zvijezdama ili hidrogenskoj bombi: • Visoka temperatura • Visoki tlak • Visoka gustoća • Fuzija mora biti manjih razmjera kako bi se mogla držati pod kontrolom

37. Fuzijski uređaji s inercijalnim ograničenjem plazme

38. Fuzijski uređaji s inercijalnim ograničenjem plazme Indirektno i direktno obasjavanje mete laserom i meta za snop teških iona

39. Fuzijski uređaji s inercijalnim ograničenjem plazme

40. Fuzijski uređaji s inercijalnim ograničenjem plazme • Da bi bilo moguće razmišljati o komercijalnoj fuzijskoj elektrani na bazi inercijalnog ograničenja plazme potrebno je riješiti još puno problema: • jednostavne i učinkovite proizvodnje tableta mete koje bi proizvele 50 do 100 puta veću energiju od one uložene za grijanje i kompresiju • prema sada očekivanoj veličini tableta potrebno ih je oko 100 milijuna godišnje • najviše se radi na eliminiranju nestabilnosti izazvanih nesimetričnim obasjavanjem mete i na razvoju snopova odgovarajućih karakteristika (energetska efikasnost od 10 do 30% i frekvencija ponavljanja pulsa od 5 do 10 Hz) • Fuzijska komora bi morala imati životni vijek bar 30 godina i ne bi smjela biti tretirana kao radioaktivni materijal nakon razgradnje

41. Fuzijski uređaji s inercijalnim ograničenjem plazme • National Ignition Facility (NIF) • Eksperimentalni inercijski fuzijski reaktor u izgradnji • Puštanje u pogon 2008. • Projekt Ministarstva obrane SAD-a • Početni cilj bio je proučavanje termonuklearnih reakcija • Eliminira potrebu za podzemnim termonuklearnim eksplozijama • Veliki interes pokazuje ministarstvo energije • Zbog mogućnosti proizvodnje električne energije • Osnovne karakteristike: • Laserski pogon (192 zrake) • Mogućnost direktnog i indirektnog pogona • Slično postrojenje gradi se u Francuskoj (Laser Mega Joule) • Očekivano puštanje u pogon 2012.

42. Zaključak • zadnje tri dekade nuklearna energija ima značajnu ulogu u proizvodnji električne energije • jaki proboj nuklearne energije može se zahvaliti njezinoj čistoći i gotovo nikakvim ispuštanjem stakleničnih plinova • konstantan, čist i pouzdan izvor energije