Jądrowe reaktory energetyczne Elementy fizyki reaktorów jądrowych

1. Jądrowe reaktory energetyczneElementy fizyki reaktorów jądrowych PODSTAWY ENERGETYKI JĄDROWEJ materiały szkoleniowe dla nauczycieli przedmiotów przyrodniczych szkół ponadpodstawowych mgr inż. Roman Szyszka

2. Materiaskładasięz atomów • Demokryt ~460-370p.n.e. – filozof grecki „Według niego wszystko dzieje się na mocy techniki atomów, które są wieczne, rozmaite pod względem kształtu, wielkości, położenia i układu i znajdują się one w ciągłym ruchu” wikipedia • J. Dalton 1766-1844r - fizyk i chemik angielski twórca nowożytnej teorii atomistycznej opublikowanej w rozprawie "A new System of Chemical Philosophy". W 1803 roku wprowadził pojęcie atomu jako najmniejszej niepodzielnej cząstki zachowującej wszystkie właściwości pierwiastka chemicznego. • E. Rutherford 1871-1937r - fizyk i chemik (urodził się w Nowej Zelandii) Odkrywca jądra atomowego 1907, twórca planetarnego modelu atomu, odkrywca protonu 1919 Model planetarny atomu Flaga MAEA PODSTAWY ENERGETYKI JĄDROWEJ Materiały szkoleniowe dla nauczycieli przedmiotów przyrodniczych szkół ponadpodstawowych

3. neutron proton Budowajądraatomowego Cząstki elementarne • 1u (jednostka masy atomowej) = 1/12 m(C-12) = 1.66·10-27 kg • 1e (ładunek elektronu) = 1.602·10-19 C masa spoczynkowa ładunek • Elektron 5.48597·10-4 u 1e • Proton 1.0072766 u 1e • Neutron 1.0086654 u • X – symbol chemiczny pierwiastka • Z – liczba atomowa (liczba protonów w jadrze) • A – liczba masowa (liczba nukleonów w jądrze) Model atomu z powłoką elektronową i jądrem PODSTAWY ENERGETYKI JĄDROWEJ Materiały szkoleniowe dla nauczycieli przedmiotów przyrodniczych szkół ponadpodstawowych

4. Reakcjarozszczepienia • W 1938r Otto Hahn i Fritz Straßmann prowadząc badania polegające na ostrzeliwaniu neutronami próbki uranu odkryli zjawisko rozszczepienia • W 1939r zjawisko to wyjaśnia Leise Meitner • Podczas rozszczepienia emitowane są najczęściej 2 lub 3 neutrony i powstaje olbrzymia energia. Emitowane neutrony w ilości średnio 2,5 na rozszczepienie dają możliwości wykorzystania praktycznego uwięzionej w atomie energii PODSTAWY ENERGETYKI JĄDROWEJ Materiały szkoleniowe dla nauczycieli przedmiotów przyrodniczych szkół ponadpodstawowych

5. Defekt masy -skąd się bierze energia jądrowa? • Wyjaśnia to fundamentalny wzór A. Einsteina równoważności masy i energii • 1 eV (elektronowolt) = 1.602·10-19 J • 1(j.m.a.) [u] = 931.478 MeV • Rozpatrując reakcję rozszczepienia U-235 na: Mo-98 , Xe-136 i dwa neutrony otrzymamy poniższy bilans mas • Porównując do najbardziej wydajnych energetycznie (egzotermicznych) reakcji chemicznych, które są rzędu najwyżej kilkunastu eV (w reakcji utleniania glinu na jedną cząsteczkę trójtlenku glinu (Al2O3) wydziela się ok. 17,4 eV energii). okazuje się, że reakcja rozszczepienia jest ona kilka milionów razy wydajniejsza! Δm = 236,133 – 235,905 = 0,228 u Stąd po przeliczeniu wydzielona zostaje energia 212 MeV PODSTAWY ENERGETYKI JĄDROWEJ Materiały szkoleniowe dla nauczycieli przedmiotów przyrodniczych szkół ponadpodstawowych

6. Energia elementów rozszczepienia • Przejmowanie energii rozszczepienia U-235 • energia kinetyczna fragmentów rozszczepienia ~ 80 % 168 MeV • energia kinetyczna neutronów rozszczepieniowych ~ 3 % 5 MeV • energia natychmiastowego promieniowania gamma ~ 4 % 7 MeV • energia cząstek  ~ 4 % 8 MeV • energia neutrin ~ 5% 12 MeV • energia reakcji wtórnych ~ 4 % 7 MeV Razem 100% 207 MeV • Uśredniona wyzwolona energia na wszystkie produkty rozszczepienia - 207 MeV • Większość energii ~95% wydzielanej podczas reakcji rozszczepienia może być odebrana w postaci ciepła i dalej przetwarzana do różnych celów • Około 5% jest bezpowrotnie tracona i unoszona w kosmos przez neutrina – cząstki o pomijalnym oddziaływaniu z materią PODSTAWY ENERGETYKI JĄDROWEJ Materiały szkoleniowe dla nauczycieli przedmiotów przyrodniczych szkół ponadpodstawowych

7. Energia wiązania • Masa jąder izotopów pierwiastków jest mniejsza niż suma mas protonów i neutronów je tworzących. • Ubytek tej masy nazywamy energią wiązania • Ew – energia wiązania • Z – liczba atomowa • A – liczba masowa atomu • mp – masa protonu • mn – masa neutronu • Mj – masa jądra • c – prędkość światła • Na wykresie energii wiązania przypadającej na jeden nukleon umieszczonym po prawej widać, że maksymalną siłę wiązania posiada jądro żelaza Fe-56 a tym samym jest najtrwalsze. Energię zatem możemy pozyskać rozszczepiając jadra pierwiastków ciężkich, lub też przez syntezę pierwiastków lekkich Ew=(Z·mp+(A-Z)mn-Mj) c2 PODSTAWY ENERGETYKI JĄDROWEJ Materiały szkoleniowe dla nauczycieli przedmiotów przyrodniczych szkół ponadpodstawowych

8. pochłanianie rozpraszanie absorpion scattering inelastic scatt. Reakcje jądrowe wywoływane przez neutrony Oddziaływanie całkowite total • Reakcja typu (n , γ ) • Reakcja typu ( n, p ) • Reakcja typu ( n , α ) • Reakcja typu ( n , 2α ) rozpr. sprężyste rozpr. niesprężyste rozszczepienie (n , ) (n , p) (n , ) (n , 2) elastic scatt. fission PODSTAWY ENERGETYKI JĄDROWEJ Materiały szkoleniowe dla nauczycieli przedmiotów przyrodniczych szkół ponadpodstawowych

9. Widmo neutronów natychmiastowych • Średnia liczba neutronów rozszczepieniowych przypadających na jedno rozszczepienie ν i η uwzględniająca pochłonięcie (v=2200 m/s) • Widmo Watta neutronów natychmiastowych neutrony Energia średnia: 2 MeV Energia najbardziej prawdopodobna: 0,85 MeV termiczne epitermiczne (pośrednie) prędkie E<0,4 eV E>100 keV PODSTAWY ENERGETYKI JĄDROWEJ Materiały szkoleniowe dla nauczycieli przedmiotów przyrodniczych szkół ponadpodstawowych

10. Rozszczepienie – mikroskopowy przekrój czynny • Mikroskopowy przekrój czynny σ jest miarą prawdopodobieństwa zajścia danej reakcji jądrowej przy zderzeniu neutronu z jądrem atomu. • Jednostką jest barn 1 barn [1b] = 10-24 cm2 • przekrój czynny na rozszczepienie dla neutronów termicznych dla U-235 wynosi 582 b • przekrój czynny na rozszczepienie dla neutronów termicznych dla Pu-239 wynosi 740 b • przekrój czynny na rozszczepienie dla U-238 występuje tylko dla neutronów o energii powyżej 1,2 MeV Reakcja ta jest reakcją progową. PODSTAWY ENERGETYKI JĄDROWEJ Materiały szkoleniowe dla nauczycieli przedmiotów przyrodniczych szkół ponadpodstawowych

11. Mikroskopowy przekrój czynny U-238 • Wychwyt jest reakcją dla U-238 prowadzącą do powstania izotopu rozszczepialnego Pu-239 • Rozszczepienie U-238 ze względu na proporcje przekrojów czynnych w porównaniu do U-235 i Pu-239 ma niewielki udział w stosunku do reakcji zachodzących na tych izotopach PODSTAWY ENERGETYKI JĄDROWEJ Materiały szkoleniowe dla nauczycieli przedmiotów przyrodniczych szkół ponadpodstawowych

12. Mikroskopowy przekrój czynny Th-232 i U-233 • Wychwyt dla izotopu toru Th-232 jest reakcją prowadzącą do produkcji izotopu rozszczepialnego U-233 • Mikroskopowy przekrój czynny dla U-233 na rozszczepienie dla neutronów termicznych wynosi 524 b PODSTAWY ENERGETYKI JĄDROWEJ Materiały szkoleniowe dla nauczycieli przedmiotów przyrodniczych szkół ponadpodstawowych

13. Izotopy rozszczepialne i paliworodne • Izotopy rozszczepialne są izotopy o dużym mikroskopowym przekroju czynnym na rozszczepienie • Do izotopów rozszczepialnych naturalnie należy izotop uranu U-235 występujący w uranie naturalnym w ilości 0,714%. • Pluton Pu-239 izotop rozszczepialny powstający w wyniku reakcji z U-238. • Pluton Pu-241 izotop rozszczepialny powstający w wyniku reakcji z Pu-239 • Uran U-233 izotop rozszczepialny powstający w wyniku reakcji z Th-232 • Izotopy paliworodne to izotopy, które w wyniku reakcji jądrowych mogą utworzyć izotopy paliworodne. Należą do nich U-238 i Th-232 PODSTAWY ENERGETYKI JĄDROWEJ Materiały szkoleniowe dla nauczycieli przedmiotów przyrodniczych szkół ponadpodstawowych

14. Reakcja łańcuchowa • Masa krytyczna – najmniejsza ilość materiału rozszczepialnego przy której jest możliwa samopodtrzymująca się reakcja łańcuchowa. Zależy od koncentracji materiału rozszczepialnego, liczby neutronów rozszczepieniowych i geometrii, która wpływa na poziom ucieczki neutronów • Reflektor - bariera z materiału ograniczająca ucieczkę neutronów Reakcja łańcuchowa PODSTAWY ENERGETYKI JĄDROWEJ Materiały szkoleniowe dla nauczycieli przedmiotów przyrodniczych szkół ponadpodstawowych

15. Bilans neutronów w reaktorze • Produkcja neutronów = absorpcja (pochłanianie i rozszczepienie) + ucieczka • Dla określonego poziomu mocy bilans neutronówpowstających w reaktorze musi być równy sumie neutronów traconych w wyniku absorpcji, ucieczki i wykorzystanych na wywołanie następnych rozszczepień. • Przyjmując, że na 100 rozszczepień powstaje 256 nowych neutronów w stanie stabilnym mamy poniższy układ strat • Zostaje 100 neutronów do wywołania następnych 100 rozszczepień PODSTAWY ENERGETYKI JĄDROWEJ Materiały szkoleniowe dla nauczycieli przedmiotów przyrodniczych szkół ponadpodstawowych

16. Współczynnik mnożenia, czas życia jednego pokolenia neutronów, reaktywność Rozwój reakcji łańcuchowej w czasie • Współczynnik mnożenia (powielania neutronów) k to stosunek liczby neutronów następnego pokolenia ni+1 do liczby neutronów poprzedniego pokolenia ni • Reaktor jest w stanie w stanie krytycznym kiedy reakcja łańcuchowa jest na stałym poziomie k=1 • Czas życia jednego pokolenia neutronów Λ jest średnim czasem jaki upływa dla statystycznego neutronu pomiędzy jego powstaniem, a chwilą kiedy doprowadza do kolejnego rozszczepienia • Reaktywnośćρ – to wyznacznik odchylenia zachowania reaktora od stanu stacjonarnego. • Jednostki reaktywności: reaktywność mierzy się $ lub % zależność między jednostkami 1$=100c=0,67% PODSTAWY ENERGETYKI JĄDROWEJ Materiały szkoleniowe dla nauczycieli przedmiotów przyrodniczych szkół ponadpodstawowych

17. Stany: podkrytyczny, krytyczny i nadkrytyczny reaktora • Wzrost mocy reaktora jest proporcjonalny do strumienia neutronów (liczby neutronów) • Zmiany mocy są spowodowane zmianami liczby neutronów (strumienia neutronów) • Reaktor w stanie podkrytycznymdla k<1 ; ρ<0 rozwój reakcji zanika - moc reaktora maleje. • Reaktor w stanie krytycznymdla k=1 ; ρ=0 stacjonarna praca reaktora na stałej mocy • Reaktor w stanie nadkrytycznym dla k>1 ; ρ>0 szybkość reakcji rośnie - moc reaktora stale rośnie PODSTAWY ENERGETYKI JĄDROWEJ Materiały szkoleniowe dla nauczycieli przedmiotów przyrodniczych szkół ponadpodstawowych

18. Sterowanie mocą reaktora jądrowego Sterowanie dynamiczne mocą reaktora przy pomocy prętów regulacyjnych. • Pręty regulacyjne zawierają: kadm, gadolin lub bor o dużym mikroskopowym przekroju czynnym na pochłanianie neutronów termicznych (odpowiednio 2450 b , 46000b i 760 b) • Sterowanie dynamiczne przy pomocy wsuwania i wysuwania prętów regulacyjnych w rdzeń reaktora • Sterowanie statyczne mocą reaktora przy pomocy zmiany stężenia kwasu H3BO3 w chłodziwie (moderatorze). pręty regulacyjne pręty paliwowe neutrony Spowalnianie reakcji łańcuchowej przez opuszczenie prętów regulacyjnych Zwiększanie tempa reakcji łańcuchowej przez podniesienie prętów regulacyjnych PODSTAWY ENERGETYKI JĄDROWEJ Materiały szkoleniowe dla nauczycieli przedmiotów przyrodniczych szkół ponadpodstawowych

19. Wzrost mocy, okres reaktora na neutronach natychmiastowych • wzrost mocy reaktora na neutronach natychmiastowych w zależności od wzrostu reaktywności ρ i czasu życia jednego pokolenia neutronów Λma postać: Gdzie : P– moc ;ρ – reaktywność; Λ– średni czas życia pokolenia neutronów (wartość praktycznie stała dla danego reaktora) • wzór możemy przekształcić na :gdzie T = Λ /ρ jest okresem wzrostu mocy o e – podstawę logarytmów naturalnych ~2,718 , a T jest tzw. okresem reaktora • w praktyce często używa się pojęcia czasu podwojenia mocy T2 , który jest okresem czasu po którym moc wzrasta 2 krotnie. Zależność między o czasem podwojenia, a okresem reaktora ma postać: T2 = 0,693T • wzrost mocy reaktora odbywa się w funkcji wykładniczej jeśli przyjmiemy Λ = 0,0001s , a zmianę reaktywności o ρ= 0,001 to okres reaktora wyniesie 0,1 s co da nam wzrost mocy w ciągu 1 sekundy e10≈ 22 000 razy Reaktor na neutronach natychmiastowych byłby praktycznie niesterowalny PODSTAWY ENERGETYKI JĄDROWEJ Materiały szkoleniowe dla nauczycieli przedmiotów przyrodniczych szkół ponadpodstawowych

20. Neutrony opóźnione, okres reaktora z ich uwzględnieniem • W bilansie i rozpatrywaniu kinetyki i dynamiki reaktora należy uwzględnić neutrony opóźnione, które powstają w wyniku przemian jądrowych produktów rozszczepienia • Prekursorów neutronów opóźnionych można podzielić na 6 grup o różnych czasach życia • Uwzględniając neutrony opóźnione uproszczony wzór na okres reaktora ma postać: • Z wykresu po prawej wynika, że przy reaktywności poniżej 0,4$ okres reaktora praktycznie nie zależy od neutronów natychmiastowych i wynosi powyżej 10 sekund umożliwiając praktyczne sterowanie mocą Gdzie: T– okres reaktora; Λ– czas życia jednego pokolenia neutronów natychmiastowych; Λop– czas życia jednego pokolenia neutronów opóźnionych;β - udział neutronów opóźnionych; ρ -reaktywność PODSTAWY ENERGETYKI JĄDROWEJ Materiały szkoleniowe dla nauczycieli przedmiotów przyrodniczych szkół ponadpodstawowych

21. Dlaczego reaktor nie może wybuchnąć jak bomba jądrowa? Rdzeń reaktora Kaseta paliwowa Bomba jądrowa • niekontrolowana reakcja łańcuchowa – materiał rozszczepialny w stanie dużej nadkrytyczności) • rozszczepienia powodowane przez neutrony prędkie (brak moderatora) • bardzo wysokie wzbogacenie w materiał rozszczepialny (ponad 90%) • stworzenie warunków do tego, aby reakcja łańcuchowa przebiegała odpowiednio szybko (czas życia jednego pokolenia neutronów 10-8s ) Reaktor jądrowy • kontrolowana łańcuchowa reakcja - rozszczepienia w stanie lekko nadkrytycznym • rozszczepienia powodują neutrony termiczne - (w reaktorze znajduje się moderator) • niskie wzbogacenie paliwa w izotop rozszczepialny • wydłużenie czasu pomiędzy kolejny rozszczepieniami (zbyt wolny przebieg łańcuchowej reakcji rozszczepienia – czas życia jednego pokolenia neutronów 10-3s tj. około 100 000 razy wolniej niż w bombie) Schemat budowy uranowej bomby atomowej(atomarchive.com) Nawet stopienie rdzenia w trakcie awarii elektrowni TMI , ani w Czarnobylu nie doprowadziło do wybuchu jądrowego !!! PODSTAWY ENERGETYKI JĄDROWEJ Materiały szkoleniowe dla nauczycieli przedmiotów przyrodniczych szkół ponadpodstawowych

22. Wpływ parametrów pracy reaktora na zmiany reaktywności Zdolność samoregulacji reaktorów nie dopuszczająca do samoczynnego wzrostu mocy (sprzężenie zwrotne ujemne) • Ujemny temperaturowy efekt reaktywnościowy dla paliwa (od wzrostu temperatury paliwa – mocy reaktora) spowodowany zwiększonym pochłanianiem neutronów przez U-238 (zjawisko Dopplera) i spadkiem gęstości paliwa prowadzi do osłabienia strumienia neutronów • Ujemny temperaturowy efekt reaktywnościowy dla moderatora (chłodziwa) spowodowany spadkiem gęstości szczególnie przy wytwarzaniu się pary. Osłabia się proces spowalniania neutronów i w efekcie tempo reakcji łańcuchowej gaśnie • Ujemne efekty reaktywnościowe spowodowane zatruciem reaktora Xe-135 i Sm-149- zostały omówione w części poświęconej zatruciu reaktora • Ujemny efekt reaktywnościowy od wypalenia paliwa. Gromadzące produkty rozszczepienia tzw. „osad” zwiększający się udział w absorpcji neutronów PODSTAWY ENERGETYKI JĄDROWEJ Materiały szkoleniowe dla nauczycieli przedmiotów przyrodniczych szkół ponadpodstawowych

23. Wypalanie paliwa – mnożenie paliwa • Wypalanie paliwa – izotopów rozszczepialnych zawartych w świeżym paliwie załadowanym do reaktora • Powstawanie – produkcja w trakcie pracy reaktora izotopów rozszczepialnych z izotopów paliworodnych • Współczynnik powielania – konwersji stosunek liczby powstających nowych jąder izotopów rozszczepialnych do liczby jąder zużytych istniejących pierwotnie w paliwie. Terminu powielanie używa się gdy jest on większy niż 1. • W reaktorach wodnociśnieniowych wynosi około 0,55. Średnio około 1/3 energii wytworzonej podczas pracy takiego reaktora powstaje z nowo wytworzonych izotopów rozszczepialnych. Zmiana składu izotopowego paliwa w trakcie kampanii paliwowej PODSTAWY ENERGETYKI JĄDROWEJ Materiały szkoleniowe dla nauczycieli przedmiotów przyrodniczych szkół ponadpodstawowych

24. Trucizny reaktorowe - zatrucie reaktora Jama jodowa • Ksenon Xe-135 powstaje z rozpadu jodu • ma największy mikroskopowy przekrój czynnym na wychwyt neutronów termicznych 2,7 x 106 barn. • koncentracja ustalona po 2 dobach pracy reaktora na stałej mocy • Samar Sm-149 powstaje z rozpadu prometu • ma mikroskopowy przekrój czynnym na wychwyt neutronów termicznych 50 x 103 barn. Straty reaktywności 5 krotnie mniejsze niż wywołane zatruciem ksenonem • koncentracja ustalona po 10 dobach • zmiana koncentracji następuje w skutek wypalania tj. wychwytu radiacyjnego neutronów Straty reaktywności wskutek zatrucia Xe-135 podczas rozruchu i redukcji mocy (wyłączenia) reaktora Źródło Nuclear Power Plant Control Module 3D PODSTAWY ENERGETYKI JĄDROWEJ Materiały szkoleniowe dla nauczycieli przedmiotów przyrodniczych szkół ponadpodstawowych

25. Jądrowe reaktory energetyczne • PODSTAWY ENERGETYKI JĄDROWEJ • materiały szkoleniowe dla nauczycieli przedmiotów przyrodniczych szkół ponadpodstawowych • mgr inż. Roman Szyszka • mgr inż. Władysław Kiełbasa PODSTAWY ENERGETYKI JĄDROWEJ Materiały szkoleniowe dla nauczycieli przedmiotów przyrodniczych szkół ponadpodstawowych

26. Jak działa elektrownia jądrowa - reaktor Reaktor typu PWR • zbiornik ciśnieniowy – ciśnienie rzędu 15-17 MPa • woda - chłodziwo i moderator • rdzeń – umieszczony w koszu osłonięty reflektorem • paliwo - pastylki paliwa (UO2. PuO2), wzbogacenie ~4%, elementy (pręty) paliwowe dł. ~4m , kasety (zestawy) zawierają 200-300 elementów paliwowych; około 20 pustych rurek w których mogą poruszać się pręty regulacyjne • wsad paliwa około 30 ton, przeładunek - 1/3 wymienia się 1-1,5 roku na świeże, pozostałe przemieszcza się tak aby uzyskać jak najbardziej równomierny rozkład strumienia • pokrywa górna na której zamontowane są napędy kaset regulacyjnych i awaryjnych • pręty regulacyjne zawierające kadm, hafn lub bor Reaktor wodno-ciśnieniowy (Informationskreis Kernenergie: Strom aus Kraftwerken) PODSTAWY ENERGETYKI JĄDROWEJ Materiały szkoleniowe dla nauczycieli przedmiotów przyrodniczych szkół ponadpodstawowych

27. Jak działa elektrownia jądrowa – obieg pierwotny Obieg pierwotny • zamknięty układ obiegu pierwotnego – jądrowy układ wytwarzania pary • ciepło wytwarzane w elementach paliwowych w trakcie pracy reaktora odbierane jest przez cyrkulację wymuszoną chłodziwa • 2-4 (6) pętli cyrkulacyjnych. Pompa dostarcza chłodziwo do reaktora, chłodziwo odbierając ciepło z rdzenia ogrzewa się ~30°C, z reaktora o temperaturze ok. 330°C dostaje się na wytwornicę pary. • w wytwornicy pary ciepło przekazywane jest wodzie zasilającej obiegu wtórnego, która zamienia się w parę. Po odseparowaniu wilgoci podawana jest na turbinę. • do kompensacji zmian objętościowych chłodziwa i utrzymania odpowiedniego zapasu ciśnienia służy stabilizator ciśnienia Schemat obiegu pierwotnego reaktora / jądrowego układu wytwarzania pary (AREVA: U.S. EPR Nuclear Plant) PODSTAWY ENERGETYKI JĄDROWEJ Materiały szkoleniowe dla nauczycieli przedmiotów przyrodniczych szkół ponadpodstawowych

28. Jak działa elektrownia jądrowa – od reaktora do prądu • para z wytwornicy przepływa na część wysokoprężną, a następnie na niskoprężną turbiny • rozprężanie na stopniach turbiny, zamiana energii cieplnej w mechaniczną, generator, wytwarzanie prądu elektrycznego • prąd elektryczny z generatora ~20 kV na transformator, podniesienie napięcia do ~ 400 kV dla zmniejszenia strat przesyłu • para wodna po rozprężeniu w turbinie do 0,003 MPa trafia do skraplacza, po skropleniu pompą zasilającą kierowana jest ponownie do wytwornicy pary • ciepło skraplania odbierane jest przez wodę krążącą w obiegu zamkniętym chłodni kominowej. Powietrze przepływając w naturalnym ciągu odbiera ciepło od wody rozpylonej w zraszalniku. Obłoki nad chłodnią to cześć odparowanej – traconej wody Schemat działania jądrowego bloku energetycznego z reaktorem wodno-ciśnieniowym (Wikimedia Commons: http://commons.wikimedia.org) 1.Jądrowy układ wytwarzania pary w obudowie bezpieczeństwa 2. Chłodnia kominowa 3. Reaktor 4. Pręty regulacyjne 5. Stabilizator ciśnienia 6. Wytwornica pary 7. Rdzeń reaktora 8. Turbina parowa 9. Generator 10. Transformator blokowy 11. Skraplacz 12. Para świeża 13. Skropliny 14. Powietrze 15. Wilgotne powietrze 16. Rzeka lub jezioro 17. Uzupełnianie strat wody w zamkniętym układzie chłodzenia 18. Obieg pierwotny 19. Obieg wtórny 20. Para wodna 21. Pompa wody zasilającej PODSTAWY ENERGETYKI JĄDROWEJ Materiały szkoleniowe dla nauczycieli przedmiotów przyrodniczych szkół ponadpodstawowych

29. Klasyfikacja reaktorów jądrowych podział ze względu na przeznaczenie • Reaktory energetyczneprzeznaczone do produkcji energii elektrycznej w elektrowniach komercyjnych • Reaktory badawcze/szkoleniowe przeznaczone do prowadzenia prac badawczych, a w szczególności badań, podczas których wykorzystuje się wiązki neutronów do badań struktury ciał stałych oraz badań materiałów i paliw jądrowych dla reaktorów energetycznych • Reaktory do celów militarnychprzeznaczone do produkcji plutonu na potrzeby przemysłu zbrojeniowego • Reaktory napędoweprzeznaczone do napędu statków: łodzi podwodnych, lotniskowców, lodołamaczy itp. • Reaktory ciepłowniczeprzeznaczone do produkcji ciepła do celów ogrzewczych w ciepłowniach jądrowych • Reaktory wysokotemperaturoweprzeznaczone do produkcji ciepła w celach technologicznych • Reaktory do celów specjalnychprzeznaczone do produkcji np. radioizotopów do celów medycznych i przemysłowych Reaktory ze względu na przeznaczenie często spełniają więcej niż jedną rolę PODSTAWY ENERGETYKI JĄDROWEJ Materiały szkoleniowe dla nauczycieli przedmiotów przyrodniczych szkół ponadpodstawowych

30. Klasyfikacja reaktorów jądrowych – ze względu na paliwo • Ze względna rodzaj paliwa: • Uranowe (U-235), • Plutonowe (Pu-239, Pu241), • Uranowo-plutonowe (MOX), • Torowe (w których z Th-232 powstaje izotop rozszczepialny U-233). • Ze względu na stopień wzbogacenia paliwa: • Naturalnym (reaktory gazowe, ciężkowodne CANDU), • Nisko wzbogaconym (zawartość U-235 wynosząca 2-5%; należą tu wszystkie energetyczne reaktory lekkowodne oraz niektóre reaktory gazowe) • Średnio wzbogaconym (większość reaktorów badawczych; FBR, reaktory napędowe), • Wysoko wzbogaconym (zawartość U-235 wynosząca ponad 90%; należą tu reaktory wysokotemperaturowe oraz niektóre reaktory badawcze). • Ze względu na materiał koszulek w których zamknięte jest paliwo: • Stopy stali (reaktory prędkie) • Stopy cyrkonu (reaktory wodne) • Stopy magnezu (niektóre reaktory gazowe) • Stopy aluminium (niektóre reaktory badawcze) • Powłoki pirowęglowe (niektóre reaktory wysokotemperaturowe) • Ze względu na rodzaj konstrukcji elementów paliwowych : • Pręty • Pastylki • Rurki • Cylindry • Płytki • Kule • Ze względu postać chemiczną paliwa : • Dwutlenek uranuUO2 • Węglik uranu UC2 • Uran metaliczny PODSTAWY ENERGETYKI JĄDROWEJ Materiały szkoleniowe dla nauczycieli przedmiotów przyrodniczych szkół ponadpodstawowych

31. Klasyfikacja reaktorów jądrowych – moderator ; chłodziwo Ze względu na rodzaj chłodziwa: Lekkowodne H2O Ciężkowodne D2O Gazowe ( CO2 , He , N2H4 ) Sodowe Ołowiowe Ze względu na rodzaj moderatora: LekkowodneH2O Ciężkowodne D2O Grafitowe Berylowe Ze względu na dominującą energię neutronów wykorzystywanych do reakcji rozszczepienia: termiczne(E < 0,4 eV) – w reaktorach tej grupy około 3% rozszczepień wywoływanych jest przez neutrony prędkie; PWR, BWR, epitermiczne (0,4 eV < E < 1 MeV ) – reaktory do produkcji plutonu dla celów militarnych. prędkie (E > 1 MeV); FBR PODSTAWY ENERGETYKI JĄDROWEJ Materiały szkoleniowe dla nauczycieli przedmiotów przyrodniczych szkół ponadpodstawowych

32. Klasyfikacja reaktorów jądrowych - konstrukcja Ze względu na konstrukcję: • Zbiornikowe (reaktory typu PWR, BWR), których rdzeń zamknięty jest w grubościennym zbiorniku stalowym (przystosowanym do wytrzymywania wysokich ciśnień (dla reaktora PWR są to ciśnienia rzędu 15 MPa), wymiana paliwa okresowo po zatrzymaniu reaktora • Kanałowe (reaktory typu CANDU, RBMK), zawierające ciśnieniowe kanały paliwowe o niewielkiej średnicy. Możliwa wymiana paliwa w trakcie pracy • Basenowe (reaktory badawcze Ze względu na system odprowadzania ciepła: • Jednoobiegowy (np. BWR)  - para wytworzona w zbiorniku reaktora doprowadzana jest bezpośrednio do turbiny parowej, a po skropleniu za turbiną wraca do reaktora • Dwuobiegowy (np. PWR) - zamknięty obieg wody chłodzącej rdzeń reaktora, a ciepło z niego jest przekazywane w wytwornicy pary do drugiego obiegu, w którym znajduje się turbina parowa • Trzyobiegowy (np. reaktor prędki chłodzony sodem; FBR) - pierwszy sodowy obieg chłodzący rdzeń reaktora, drugi pośredni obieg sodowy i trzeci wodno-parowy obieg doprowadzający parę do turbiny PODSTAWY ENERGETYKI JĄDROWEJ Materiały szkoleniowe dla nauczycieli przedmiotów przyrodniczych szkół ponadpodstawowych

33. Rozwój technologiczny reaktorów: od I. do IV. Generacji • I Generacja - początek lata 50-te: Obnińsk (ZSRR)1954 5 MW, Calder Hall (GB)1956 r. MAGNOX 50 MW, następnie Shippingport (USA) – 1957 r. i Marcoule (Francja) – 1959 r. • II Generacja lata 70-90 XX wieku – reaktory typu PWR, BWR, CANDU, WWER, ACR i niesławny RBMK • III Generacja – w połowie lat 90-tych XX wieku ABWR, AP 600, BWR 90, System 80+, WWER 640 i 1000, CANDU 6 i 9. Reaktory AP 1000, ESBWR, EPR ze względu na wysokie bezpieczeństwo i pasywne układy bezpieczeństwa zalicza się do tzw., Generacji III+ • IV Generacja – GIF (2000r) – rozwój nowych typów reaktorów dla EJ (niezawodne, mniej odpadów, konkurencyjne ekonomicznie, synergia z nowymi technologiami, odporność na ploriferacje czyli bezużyteczne dla celów terrorystycznych lub produkcji broni jądrowej. Po pracach studyjnych instalacje pilotażowe mają być uruchamiane około 2020 roku PODSTAWY ENERGETYKI JĄDROWEJ Materiały szkoleniowe dla nauczycieli przedmiotów przyrodniczych szkół ponadpodstawowych

34. Prace nad rozwojem technologii reaktorów IV generacji GFR – reaktor prędki chłodzony gazem. Produkcja wodoru i elektryczności LFR – reaktor prędki chłodzony ołowiem. Produkcja wodoru i elektryczności MSR – reaktor chłodzony stopionymi solami. Produkcja wodoru i elektryczności PODSTAWY ENERGETYKI JĄDROWEJ Materiały szkoleniowe dla nauczycieli przedmiotów przyrodniczych szkół ponadpodstawowych

35. Prace nad rozwojem technologii reaktorów IV generacji SFR – reaktor prędki chłodzony sodem. Produkcja elektryczności SCWR – reaktor wodny o parametrach nadkrytycznych. Produkcja elektryczności VHTR – reaktor wysokotemperaturowy. Produkcja wodoru. PODSTAWY ENERGETYKI JĄDROWEJ Materiały szkoleniowe dla nauczycieli przedmiotów przyrodniczych szkół ponadpodstawowych

36. Reaktor WWER-440 ( II Generacji ) Elektrownia jądrowa z reaktorem WWER440 Dane bloku energetycznego: • Moc cieplna reaktora 1375 MWt • Moc elektryczna bloku 440 MWe • Sprawność 32% • Reaktor • Paliwo lekko wzbogacony UO2 ; 42t • Liczba kaset paliwowych 312 • Liczba grup prętów sterujących 37 Przekrój przez budynki Elektrowni Jądrowej „Dukovany” w Czechach z reaktorem WWER 440 PODSTAWY ENERGETYKI JĄDROWEJ Materiały szkoleniowe dla nauczycieli przedmiotów przyrodniczych szkół ponadpodstawowych

37. Reaktor WWER-440 ( II Generacji ) Zdjęcie z lewej Widok pracującej od 1980 roku elektrowni jądrowej LOVISA w Finlandii z reaktorami WWER440 Stabilizator ciśnienia Zintegrowany układ sterowania Główna pompa cyrkulacyjna Obieg pierwotny Ciśnienie 12 MPa Temperatura na wlocie 267oC Temperatura na wylocie 297oC Liczba pętli 6 Obieg wtórny Ciśnienie 4,7 MPa Temperatura pary 260oC Wytwornica pary Zbiornik reaktora Obieg pierwotny reaktora WWER440 El. LOVISA PODSTAWY ENERGETYKI JĄDROWEJ Materiały szkoleniowe dla nauczycieli przedmiotów przyrodniczych szkół ponadpodstawowych

38. Reaktor RBMK1000 Maszyna przeładunku paliwa Rurociągi parowe z reaktora do separatora 1700 Para do turbin Separator pary Główna pompa cyrkula- cyjna Rurociągi wodne 1700 Elektrownia jądrowa z reaktorem RBMK Dane bloku energetycznego Moc cieplna reaktora ~3200 MWt Moc elektryczna bloku 1000 MWe Sprawność 31% REAKTOR Przekrój przez budynek reaktora RBMK PODSTAWY ENERGETYKI JĄDROWEJ Materiały szkoleniowe dla nauczycieli przedmiotów przyrodniczych szkół ponadpodstawowych

39. Reaktor RBMK1000 wady i zalety konstrukcji Zalety: • możliwość łatwej kontroli parametrów technologicznych w poszczególnych kanałach, (budowa modułowa) • mała gęstość mocy w rdzeniu - 5,8 MW/m3 (w reaktorach BWR wynosi ona około 50 MW/m3) • niski stopień wzbogacenia paliwa (1.8%) • możliwość przeładunku paliwa podczas pracy reaktora (dziennie 5 przeładunków) • brak masywnego zbiornika ciśnieniowego znacznych rozmiarów. Główne Wady: • Niekorzystne właściwości fizykochemiczne grafitu: palność, możliwość reakcji prowadzącej do powstania palnego / wybuchowego gazu wodnego H2O + C → CO + H2 • brak obudowy bezpieczeństwa • błąd konstrukcyjny prętów bezpieczeństwa – grafitowe końcówki • zjawisko Wignera możliwe wydzielenie ciepła rzędu 2000-3000 kJ / kg • dodatni współczynnik reaktywności PODSTAWY ENERGETYKI JĄDROWEJ Materiały szkoleniowe dla nauczycieli przedmiotów przyrodniczych szkół ponadpodstawowych

40. Reaktor wrzący II. generacji (Boiling Water Reactor - BWR)

41. Dostawcy reaktorów BWR • USA i Japonia: • General Electric: BWR 1 ÷ 6, ABWR (III. generacji) • Toshiba i Hitachi: BWR-3 ÷6 budowane w Japonii • Toshiba: ABWR (w wersji Toshiby) • GE Hitachi: ABWR, ESBWR (generacji III+) • Niemcy:Siemens (Kraftwerk Union - KWU) • Szwecja:ASEA Atom (później ABB Atom)

42. Rozwój reaktorów BWR projektu General Electric • BWR-1: 1960 r. – USA, Dresden 1 (210 MWe) – z walczakiem i wtórnym obiegiem (z wytwornicą pary), sucha obudowa bezpieczeństwa • BWR-2: 1969 r. – USA, Oyster Creek (636 MWe) - prototyp reaktora BWR II. generacji, sucha obudowa bezpieczeństwa • BWR-3: 1971 r., obudowa bezpieczeństwa Mark-I • USA, Dresden 2 (867 MWe) • Japonia, Fukushima Dai-chi 1 (460 MWe) • BWR-4: 1972 r. – USA, Vermont Yankee (620 MWe), obudowa bezpieczeństwa Mark-I • BWR-5: 1978 r. – Japonia, Tokai 2 (1100 MWe), obudowa bezpieczeństwa Mark-II • BWR-6: 1978 r. – Hiszpania, Cofrentes (992 MWe, obecnie 1092 MWe), obudowa bezpieczeństwa Mark-III • ABWR: 1996 r. – Japonia Kashiwazaki-Kariwa 6 (1356 MWe) – 1-szy BWR III. generacji

43. Ewolucja konstrukcji obudów bezpieczeństwa reaktorów BWR (GE)

44. Ewolucja konstrukcji obudów bezpieczeństwa BWR: Mark-I (BWR-3 i 4), Mark-II (BWR-5), Mark-III (BWR-6)

45. Reaktor CANDU EC-6 ( III Generacji ) Elektrownia jądrowa z reaktorem EC-6kanadyjskiej firmy AECL Dane bloku energetycznego Moc cieplna reaktora ~ 2100 MWt Moc elektryczna bloku 740 MWe Sprawność 35% 1.Paliwo 2.System transportu ciepła 3.Ruru Calandria 4.Moderator 5.Komora 6.Budynek bezpieczeństwa Obieg pierwotny Ciśnienie 9,9 MPa Temperatura na wlocie 260oC Temperatura na wylocie 310oC Liczba pętli 4 Obieg wtórny Ciśnienie 4,7 MPa Temperatura pary 260oC PODSTAWY ENERGETYKI JĄDROWEJ Materiały szkoleniowe dla nauczycieli przedmiotów przyrodniczych szkół ponadpodstawowych

46. Reaktor CANDU ( III Generacji ) Przeładunek paliwa podczas pracy Pęczek elementów paliwowych w rurze Calandrii Maszyna przeładunkowa paliwa PODSTAWY ENERGETYKI JĄDROWEJ Materiały szkoleniowe dla nauczycieli przedmiotów przyrodniczych szkół ponadpodstawowych

47. Reaktor EPR ( III Generacji ) Przekrój przez główne obiekty bloku energetycznego z reaktorem EPR [AREVA: U.S. EPR]. Elektrownia jądrowa z reaktorem EPR Dane bloku energetycznego Moc cieplna reaktora 4 590 MWt Moc elektryczna bloku 1 630 MWe Sprawność 36% Budowa Elektrowni Jądrowej z reaktorem EPR w Finlandii PODSTAWY ENERGETYKI JĄDROWEJ Materiały szkoleniowe dla nauczycieli przedmiotów przyrodniczych szkół ponadpodstawowych

48. Reaktor EPR ( III Generacji ) Reaktor Paliwo UO2 ; PuO2 ; MOX Liczba kaset paliwowych 241 Liczba grup prętów sterujących 89 Obieg pierwotny Ciśnienie 15,5 MPa Temperatura na wlocie 295oC Temperatura na wylocie 330oC Liczba pętli 4 Obieg wtórny Ciśnienie 7,8 MPa Temperatura pary 290oC Stabilizator ciśnienia Wytwornica pary Zintegrowany układ sterowania Zimna nitka Gorąca nitka Kaseta paliwowa Zbiornik reaktora Główna pompa cyrkulacyjna Jądrowy układ wytwarzania pary EPR [AREVA – EPR) PODSTAWY ENERGETYKI JĄDROWEJ Materiały szkoleniowe dla nauczycieli przedmiotów przyrodniczych szkół ponadpodstawowych

49. Reaktor AP1000 ( III Generacji ) Reactor AP 1000 (Advanced Passive) to project Westinghouse Electric LLC Elektrownia jądrowa z reaktorem AP1000 Dane bloku energetycznego Moc cieplna reaktora 3415 MWt Moc elektryczna bloku 1117 MWe Sprawność 33% Przekrój bloku z reaktorem AP1000 [Oprac. wł. z wykorzystaniem rysunku ze strony www Westinghouse]. 1 – rejon manipulacji z paliwem, 2 – betonowy budynek osłonowy, 3 – stalowa obudowa bezpieczeństwa, 4 – zbiornik wody pasywnego chłodzenia obudowy bezpieczeństwa, 5 – wytwornica pary, 6 – pompy chłodziwa reaktora, 7 – reaktor, 8 – zintegrowany blok pokrywy reaktora, 9 – stabilizator ciśnienia, 10 – główna nastawnia, 11 – pompy wody zasilającej, 12 – turbozespół, 13 – budynek pomocniczy, 14 – budynek gospodarki odpadami promieniotwórczymi, 15 – budynek dodatkowy (aneks), 16 – awaryjna siłownia dieslowska. PODSTAWY ENERGETYKI JĄDROWEJ Materiały szkoleniowe dla nauczycieli przedmiotów przyrodniczych szkół ponadpodstawowych

50. Reaktor AP1000 ( III Generacji ) Wytwornica pary Wytwornica pary Reaktor Paliwo UO2 ; PuO2 ; MOX Liczba kaset paliwowych 157 Liczba grup prętów sterujących 69 Obieg pierwotny Ciśnienie 15,5 MPa Temperatura na wlocie 281oC Temperatura na wylocie 321oC Liczba pętli 2 Obieg wtórny Ciśnienie 5,5 MPa Temperatura pary 271oC Stabilizator ciśnienia Zintegrowany układ sterowania Gorąca nitka Główna pompa cyrkulacyjna Zbiornik reaktora Zimna nitka Przyłącze układu bezpiecz. Jądrowy układ wytwarzania pary AP1000 [Westinghouse: The AP1000 Reactor Nuclear Renaissance Option] PODSTAWY ENERGETYKI JĄDROWEJ Materiały szkoleniowe dla nauczycieli przedmiotów przyrodniczych szkół ponadpodstawowych