UNIVERZITET U TUZLIFAKULTET ELEKTROTEHNIKE

SEMINARSKI RAD

NUKLEARNI REAKTORI

Kandidati:

Amra Požegić

Arijana Pašalić

Eldar Muratović

Dr. sc. Nedžmija Demirović, docent

_______________________________________

Tuzla, maj 2016. godine

1

SažetakNuklearna energija je energija koja se oslobađa ili raspadom jedne atomske jezgre na dva

atoma ili spajanjem dvije atomske jezgre u jedan novi atom.

Nuklearna energija proizvodi se kontroliranom lančanom reakcijom i stvara toplinu - ta toplina se koristi za grijanje vode, proizvodnju pare i konačno za pogon parne turbine.

Nuklearna energija može se proizvoditi fisijom (cijepanjem) atoma urana, plutonija ili torija ili fuzijom (spajanjem) atoma vodika u helij. Trenutno se gotovo isključivo koristi uran. Osnovna energetska činjenica je da se fisijom atoma urana proizvede deset milijuna puta više energije nego što se proizvede sagorijevanjem atoma ugljika iz ugljena.

Nuklearne elektrane trebaju znatno manje goriva nego elektrane koje koriste fosilna goriva. Na primjer, jedna tona urana daje energije koja je ekvivalentna energiji koja se dobije iz nekoliko milijuna tona ugljena ili nekoliko milijuna barela nafte.

2

3

Abstract

Nuclear energy is the energy that is released or the dissolution of one atomic nucleus into two atoms or merger of two atomic nucleus in a new atom .

Nuclear energy is produced by a controlled chain reaction and creates heat - this heat is used to heat water , producing steam and finally to drive a steam turbine .

Nuclear energy can be produced by fission ( splitting ) of uranium atoms , plutonium or thorium or fusion ( merger ) hydrogen atoms into helium . There are currently almost exclusively used uranium . The basic energy fact is that the fission of uranium atoms produced ten million times more energy than is produced from combustion of carbon from coal .

Nuclear power plants need much less fuel than power plants using fossil fuels . For example , one ton of uranium gives energy equivalent to the energy obtained from a few million tons of coal or several million barrels of oil

4

Sadrža

5

j

1. Nuklearni reaktori..............................................................................................................................8

2. Dijelovi nuklearnog reaktora..............................................................................................................9

3. Tipovi nuklearnih reaktora...............................................................................................................11

4. Način rada nuklearnog reaktora.......................................................................................................13

5. Nuklearna goriva..............................................................................................................................16

6. Povijest nuklearnih reaktora............................................................................................................17

7. Fuzijski nuklearni reaktori.................................................................................................................19

8. Prenos energije.................................................................................................................................21

9. Problemi nuklearnog reaktora..........................................................................................................23

10. Električna energija dobivena iz nuklearnih reaktora......................................................................24

11. Činjenice o nuklearnoj energiji.......................................................................................................25

6

Popis slika

Slika 1. Nuklearni reaktor.......................................................................................................................7Slika 2. Dijelovi nuklearnog reaktora......................................................................................................8Slika 3. Tlakovodni reaktor...................................................................................................................11Slika 4. Kipući reaktor...........................................................................................................................11

7

Popis skraćenica

8

9

Uvod

Nuklearni reaktor je naprava u kojoj se odvija postojana kontrolirana nuklearna

lančana reakcija (za razliku od nuklearne bombe u kojoj je reakcija eksplozivna i

nekontrolirana).

Najvažnija primjena nuklearnih reaktora je danas u proizvodnji električne

energije (nuklearna energija). Istraživački reaktori služe za dobivanje radioaktivnih izotopa i

pokuse s neutronskim zračenjem. Povijesno su prvi reaktori izgrađeni za

proizvodnju plutonija korištenog u nuklearnom oružju, a također su i prvi reaktori za pogon

podmornica i brodova razvijeni za vojne svrhe (ipak mnogo manji nego oni u nuklearnim

elektranama).

10

1. Nuklearni reaktori

Nuklearni reaktor je naprava u kojoj se odvija postojana kontrolirana nuklearna

lančana reakcija (za razliku od nuklearne bombe u kojoj je reakcija eksplozivna i

nekontrolirana).

Najvažnija primjena nuklearnih reaktora je danas u proizvodnji električne energije

(nuklearna energija). Istraživački reaktori služe za dobivanje radioaktivnih izotopa i pokuse s

neutronskim zračenjem. Povijesno su prvi reaktori izgrađeni za proizvodnju plutonija

korištenog u nuklearnom oružju, a također su i prvi reaktori za pogon podmornica i brodova

razvijeni za vojne svrhe (ipak mnogo manji nego oni u nuklearnim elektranama).

Slika 1. Nuklearni reaktor

11

2. Dijelovi nuklearnog reaktora

Osnovni dijelovi svakog reaktora su: nuklerno gorivo, moderator (usporivač),

upravljačke šipke, sistem za hlađenje i zaštitni sistem.

Slika 2. Dijelovi nuklearnog reaktora

1. Kontrolne šipke

2. Biološka zaštita

3. Zaštita

4. Moderator neutrona

5. Nuklearno gorivo

6. Toplotni rezervoar

Pomoću moderatora smanjuje se energija neutrona koji nastaju u fisionom procesu.

Time se povećava njihova efikasnost u izazivanju fisije. Kao usporivač se koristi grafit,

deuterijum (u vidu teške vode), jedinjenja berilijuma itd.

Reflektori neutrona imaju ulogu da vraćaju neutrone, koji su napustili aktivnu zonu

reaktorskog jezgra, tako da oni mogu i dalje uzrokovati fisione procese.

Pomoću upravljačkih šipki kontroliše se režim rada reaktora i sprječava pregrijavanje

reaktora, usljed velike količine toplotne energije oslobođene u toku procesa. Najčešće se

koriste šipke napravljene od bora ili kadmijuma.

12

Kao sistem za hlađenje mogu se koristiti obična ili teška voda ili druge supstance,

koje imaju veliki toplotni kapacitet. Sistem za hlađenje se postavlja oko jezgra (aktivne zone)

nuklearnog reaktora.

Prilikom fisije u nuklearnim reaktorima dolazi do oslobađanja gama-zračenja pa je

potrebna zaštita. Kao zaštita se obično koristi specijalna vrsta betona ili zaštitni sloj vode.

Debljina tih zaštitnih slojeva je takva da u okolinu reaktora ne propušta zračenje koje bi

moglo ugroziti ljude oko reaktora.

13

3. Tipovi nuklearnih reaktora

Klasifikacija reaktora može se napraviti prema:

• energiji neutrona koji izazivaju fisije;

• materijalu moderatora;

• materijalu rashladnog sredstva;

• prema razvojnim kategorijama;

• upotrebi;

• fazi goriva.

Tlakovodni reaktor koristi za gorivo oksid obogaćenog urana, a hlađen je i moderiran

običnom vodom pod pritiskomm. PWR (engl. Pressurized Water Reactor

Kipući reaktor takođe koristi isto gorivo, moderator i rashladno sredstvo, ali voda

ključa (BWR – Boiling Water Reactor).

Teškovodni reaktor koristi oksid prirodnog ili obogaćenog urana, hlađen je i

moderiran teškom vodom s pritiskom vode višim od pritiska zasićenja (nema ključanja).

HWR (engl. Heawy Water Reactor)

Visokotemperaturni reaktor HTGR (engl. High Temperature Gas Reactor) posljednji

je korak u razvoju grafitom moderiranih reaktora. Hlađen je helijem, a koristi oksid

obogaćenog urana.

Brzi oplodni reaktor nema moderatora, a hlađen je tekućim metalom. Kao gorivo

koristi oksid urana višeg obogaćenja ili oksid plutonija, a kao oplodni materijal prirodni uran

(FBR – Fast Breeder Reactor).

14

Slika 3. Tlakovodni reaktor

Slika 4. Kipući reaktor

15

4. Način rada nuklearnog reaktora

Kao što konvencionalne elektrane proizvode električnu energiju, koristeći toplinsku

energiju oslobođenu izgaranjem fosilnih goriva, tako nuklearni reaktori pretvaraju toplinsku

energiju oslobođenu iz nuklearne fisije.

Jezgra reaktora proizvodi toplinu na mnogo načina:

Kinetička energija fisijskih produkata pretvara se u toplinsku energiju kada se jezgre sudaraju

sa susjednim atomima. Reaktor apsorbira neke od gama zraka, koje su nastale tijekom fisije,

te pretvara njihovu energiju u toplinu. Radioaktivnim raspadom fisijskih produkata i

materijala, koji su aktivirani neutronskim apsorberima,proizvodi se toplina. Taj izvor topline

od raspada, prisutan je još neko vrijeme nakon što je reaktor isključen.

Kilogram uranija-235 (U-235), koji je promijenjen putem nuklearnih procesa,

oslobađa otprilike tri milijuna puta više energije nego kilogram ugljena koji je izgorio na

konvencionalan način (7,2 × 1013 džula po kilogramu uranija-235, u odnosu na 2,4 × 107

džula po kilogramu ugljena)

HLAĐENJE

Rashladno sredstvo nuklearnog reaktora je obično voda, koja cirkulira pored jezgre

reaktora, kako bi apsorbirala toplinu proizvedenu u reaktoru. Toplina se odvodi iz reaktora i

potom se koristi kako bi se proizvela para. Većina reaktora koristi rashladni sustav koji je

fizički odvojen od vode. Kod takvih reaktora voda se zagrijava do vrenja, da bi se proizvela

para pod pritiskom, za korištenje u parnoj turbini. To su npr. tlačni reaktori ili PWR. Kod

primjerice reaktora s ključajućom vodom ili BWR, jezgra reaktora izravno zagrijava vodu za

parne turbine.

NUKLEARNA FISIJA

Kada velika fisijska atomska jezgra kao što je uranij-235 ili plutonij-239 apsorbira

neutron, može doći do nuklearne fisije. Teška jezgra cijepa se na dvije ili više lakših jezgri,

oslobađajući pritom kinetičku energiju, gama zračenje i slobodne neutrone poznate pod

zajedničkim nazivom kao fisijski produkti.

16

Drugi fisijski atomi mogu kasnije apsorbirati dio ovih neutrona i pokrenuti daljnje fisijske

događaje, koji oslobađaju još više neutrona i tako dalje. To je poznato kao nuklearna lančana

reakcija.Ta nuklearna lančana reakcija može se kontrolirati korištenjem neutronskih apsorbera

i moderatora neutrona. Oni mijenjaju količinu neutrona koji će izazivati dodatne fisije.

Nuklearni reaktori obično imaju automatske i ručne sustave za isključivanje fisijske reakcije,

ako se otkrije da su uvjeti nesigurni.

Usporivači neutrona ili moderatori koji se najčešće koriste uključuju običnu (laganu)

vodu (75% svjetskih reaktora), čvrsti grafit (20% reaktora) i tešku vodu (5% reaktora). Berilij

je, isto tako, bio korišten kod nekih eksperimentalnih tipova, a kao druga mogućnost

predloženi su i ugljikovodici.

KONTROLA REAKTIVNOSTI:

Izlazna snaga reaktora prilagođava se kontroliranjem količine neutrona koji mogu

stvoriti nove fisije.

Kontrolne šipke koje su napravljene od neutronskog apsorbera koriste se za

apsorpciju neutrona. Što se više neutrona apsorbira u kontrolnu šipku to znači da je ostalo

manje slobodnih neutrona, koji bi mogli izazvati fisiju. Ako gurnemo kontrolnu šipku dublje u

reaktor, to će smanjiti njegovu izlaznu snagu, a ako izvučemo kontrolnu šipku, to će povećati

izlaznu snagu reaktora.

Na prvoj razini kontrole u svim nuklearnim reaktorima, važan fizikalni proces je

emisija zakašnjelih neutrona od strane određenog broja fisijskih izotopa, koji su bogati

neutronima. Zakašnjeli neutroni čine oko 0,65% ukupnog broja neutrona nastalih u fisiji, a

ostatak je oslobođen odmah nakon fisije. Fisijski produkti, koji proizvode zakašnjele

neutrone, imaju nakon raspada, zbog emisije neutrona, poluživot koji traje od nekoliko

milisekundi do čak nekoliko minuta. Kad se reaktor održava u zoni lančane reaktivnosti, gdje

su zakašnjeli neutroni neophodni kako bi se postigla kritična masa, to daje vremena

mehaničkim uređajima ili ljudima da kontroliraju lančanu reakciju. U drugom slučaju bi

vrijeme za intervenciju, između postizanja kritičnosti i taljenja jezgre nuklearnog reaktora, što

nastaje kao rezultat eksponencijalnog izboja snage iz normalne nuklearne lančane reakcije,

bilo prekratko.

Kod nekih reaktora, rashladno sredsto djeluje kao moderator neutrona. Moderator

povećava snagu reaktora tako što izaziva da brzi neutroni, oslobođeni u fisiji, izgube energiju

17

i pretvore se u termalne neutrone. Termalni neutroni prije izazivaju fisiju nego brzi neutroni,

zato više moderiranja neutrona znači i više izlazne snage reaktora. Ako je rashladno sredstvo

moderator, tada promjene temperature mogu utjecati na gustoću rashladnog

sredstva/moderatora i samim time promijeniti izlaznu snagu. Rashladno sredstvo više

temperature bilo bi manje gusto i time manje učinkovito kao moderator.

Kod drugih reaktora rashladno sredstvo djeluje kao apsorber, tako što apsorbira

neutrone na isti način na koji to čine kontrolne šipke. Kod takvih reaktora izlazna snaga može

se povećati grijanjem rashladnog sredstva, što ga čini manje gustim apsorberom. Nuklearni

reaktori obično imaju automatske i ručne sustave za isključenje reaktora u hitnim slučajevima.

Takvi sustavi stavljaju velike količine apsorbera (često je to bor u obliku borne kiseline) u

reaktor kako bi isključili fisijsku reakciju.To se događa ako su uvjeti nesigurni ili se predviđa

da bi mogli biti.

Većina tipova reaktora osjetljiva je na proces poznat pod nazivom "jodna jama"

(engl. iodine pit). Ksenon-135 nastaje u procesu fisije i ponaša se kao neutronski apsorber. On

apsorbira neutrone i djeluje na isključenje reaktora. Može se kontrolirati unutar reaktora tako

da razina neutrona i snage bude dovoljno visoka da se može uništiti kada bude proizveden.

Normalni fisijski proces isto tako proizvodi jod-135, koji nakon raspada ima poluživot ispod

sedam sati, a raspada se na novi ksenon-135. Ako se reaktor isključi, jod-135 se nastavlja

raspadati u reaktoru na ksenon-135. Jod-135 se raspada do točke kada nastali ksenon-135

djeluje tako da je ponovno uključenje reaktora teže, na dan-dva, nego kad je prvi puta reaktor

isključen (to privremeno stanje onesposobljenosti zove se jodna jama). Ako reaktor ima

dovoljno dodatnog kapaciteta, još uvijek se može ponovo uključiti prije raspada joda-135 i

ksenona-135, ali budući da je ekstra ksenon-135 "sagoren" pretvaranjem u ksenon-136 (nije

neutronski apsorber), za nekoliko sati reaktor može postati nestabilan kao rezultat ovakvog

"ksenonskog prijelaznog izgaranja (snage)". Brzo se pregrijava, osim ako kontrolne šipke nisu

ponovo stavljene kako bi zamijenile neutronsku apsopciju izgubljenog ksenona-135.

Neuspjeh u provođenju ovakve procedure doveo je do katastrofe u Černobilu.

18

5. Nuklearna goriva

Nuklearno gorivo je materijal koji sadrži atomske jezgre nekih teških kemijskih

elemenata kojima se mogu ostvariti nuklearni procesi za oslobađanje energije.

U nuklearnom gorivu takvi se procesi podržavaju sami od sebe te se odvijaju

lančano, prenoseći se od jedne do druge atomske jezgre i to kada se u nuklearnom reaktoru

nađe dovoljna količina nuklearnog goriva raspodijeljenog na pravilan način. Nuklearni

gorivni ciklus skup je aktivnosti kojima se dobiva sirovina za gorivo, izrađuje gorivo, upravlja

njegovim korištenjem i brine o iskorištenom gorivu (spremanju, preradi i odlaganju

radioaktivnog otpada). Nuklearno gorivo je najgušći dostupni izvor energije.

Kao gorivo, u nukleanim reaktorima se koriste uranijumovi izotopi, plutonijum, a

ponekad i torijum. Dio energije oslobođene u reakciji, ispoljava se u vidu toplote, koja se

može odvoditi iz nuklearnog reaktora i iskoristiti za pokretanje raznih toplotnih mašina (npr.

parnih turbina).

Većina reaktora danas koristi uran kao fisiono gorivo u formi uranovog oksida UO2

Prirodni uran sadrži 99.3% 238U i 0.7% 235U . 238U nije podložan fisiji termalnim sporim

neutronima da bi se prirodni uranov dioksid UO2 mogao koristiti kao fisiono gorivo potrebno

je povećati koncentraciju 235U do nekoliko postotaka – to je tzv. obogaćivanje urana

OBOGAĆIVANJE URANA:

Uran koji se dobiva iz rude potrebno je za nuklearno gorivo obogatiti. Uran se

obogaćuje u procesu plinske difuzije, gdje se koristi različita brzina prolaska uranovih izotopa

235 i 238 kroz membrane. Postupak razdvajanja treba ponoviti nekoliko hiljada puta da bi se

postigao traženi omjer. Efikasnija metoda razdvajanja je plinska centrifuga. U rotirajućim

centrifugama različito teške molekule izotopa urana različito se raspoređuju. Lakše molekule

okupljaju se oko središta cilindara odakle se isisavaju. Većina reaktora danas koristi uran kao

fisiono gorivo u formi uranovog oksida UO2.

19

6. Povijest nuklearnih reaktora

Razvoj nuklearne energetike započeo je pionirskim radovima mnogih znanstvenika u

godinama prije Drugoga svjetskog rata (Irène i Frédéric Joliot-Curijem, Otto Hahn, Lise

Meitner, Leo Szilard, Enrico Fermi i dr.). Ti su radovi rezultirali ostvarenjem prve

samoodržive nuklearne lančane reakcije 2. prosinca 1942., u reaktoru izgrađenom na terenu

Sveučilišta u Chicagu

Nuklearni reaktori I. generacije služili su za istraživanje, a današnji reaktori

zapravo predstavljaju tu prvu generaciju, poboljšanu za tržišno korištenje. Imaju sigurnosne

sustave koji trebaju spriječiti topljenje jezgre reaktora, ili propuštanje radioaktivnih tvari u

prirodu. Nuklearni reaktor tipa Magnox dobio je naziv prema slitini magnezija, koja se koristi

kao materijal za oblogu gorivnih štapova s malim dodacima aluminija i ostalih metala.

Moderiran je grafitom, hlađen ugljikovim dioksidom, a za gorivo koristi metalni prirodni

uranij. Kratica mu je GCR (engl. Gas Cooloed Reactor), odnosno reaktor hlađen pomoću

plina (ugljikov dioksid CO2). Magnox reaktor je danas zastarjeli tip nuklearnog reaktora, koji

je osmišljen u Velikoj Britaniji i još uvijek je u uporabi.

Nuklearni reaktori II. generacije razvili su se iz svojih prethodnika. Za taj razvoj

trebalo je proći čitavih 30 godina, sve do sredine 1990-tih godina 20. stoljeća. Promjene u

konstrukciji bile su značajne, ali ipak ne u cijelosti revolucionarne. Dva su podtipa reaktora s

običnom vodom LWR (engl. Light Water Reactor) ili lakovodnih reaktora:

-reaktor s vodom pod tlakom PWR (engl. Pressurized Water Reactor) ili tlačni reaktor.

-reaktor s ključajućom vodom BWR (engl. Boiling Water Reactor) ili kipući reaktor.

Reaktori III. generacije nastali su evolucijom konstrukcije na osnovu prethodne

generacije. Dizajn je standardiziran za svaki od tipova, što rezultira manjim kapitalnim

troškovima i kraćim vremenom izgradnje. Dizajn je pojednostavljen, pa je lakše upravljanje i

manja je osjetljivost na kvarove. Radni je vijek produžen na 60 godina. Uz povećanu

raspoloživost postrojenja, smanjena je vjerojatnost taljenja jezgre i povećana je otpornost na

ozbiljna oštećenja, uzrokovana čak i udarom zrakoplova. Uporaba novih sagorivih apsorbera

produžava duljinu nuklearnog gorivnog ciklusa, a visoki odgor goriva reducira potrebe za

gorivom i količinu otpada. Ipak, najveći odmak od prethodne generacije je ugradnja pasivnih

20

sigurnosnih sustava, čije se djelovanje oslanja na gravitaciju, prirodnu konvekciju i

uskladištenu energiju, a ne na dijelovima ovisnim o vanjskim naponskim izvorima. Električna

energija je potrebna za signalizaciju i upravljanje magnetskim ventilima, a dobiva se iz

akumulatora. Različiti reaktori III. generacije i “III. +” generacije u završnoj su fazi dizajna, a

već su u pogonu napredni reaktori s kipućom vodom (engl. Advanced Boiling Water Reactor -

ABWR).

Nakon inicijative američke vlade za razvoj novih reaktora IV. generacije, osnovan

je međunarodni forum koji je odredio ciljeve tehnološkog razvoja novih reaktora. Nove

nuklearne elektrane moraju udovoljiti zahtjevima održivog razvoja, uz zanemariv utjecaj na

okoliš. Proliferacija nuklearnog materijala praktično mora biti onemogućena na tehnološkom

nivou. Stvaranje nuklearnog otpada mora se smanjiti na najmanju moguću mjeru, uz znatno

smanjenje dugotrajnih utjecaja na okoliš. Potrebno je postići izvrsnost u sigurnosti i

pouzdanosti, te ostvariti zanemarivu mogućnost oštećenja jezgre. Treba biti uklonjena potreba

za planiranjem zaštitnih akcija izvan kruga postrojenja. U odnosu na ostale tehnologije

potrebno je ostvariti ekonomsku prednost cjelokupnog nuklearnog gorivnog ciklusa.

Financijski rizik potrebno je izjednačiti s ostalim tehnologijama. Prvi reaktori IV. generacije,

za koje se smatra da predstavljaju budućnost nuklearne energetike, trebali bi biti izgrađeni do

2030.

21

7. Fuzijski nuklearni reaktori

Fuzijski nuklearni reaktor je uređaj u kojem se kontinuirano zbiva kontrolirana

nuklearna reakcija fuzije. Nuklearna reakcija fuzije je reakcija kojom se dvije lake jezgra

atoma spajaju u težu jezgru i pritom dolazi do oslobađanja energije. Da bi došlo do spajanja

dviju lakih jezgara koje nose pozitivan električki naboj potrebno je savladati njihovu odbojnu

električnu silu. Tek ako jedna ili obje lake jezgre imaju dovoljno veliku brzinu mogu se

približiti dovoljno jedna drugoj da bi jaka privlačna nuklearna sila prevladala odbojnu

električnu silu. Medij u kojem lake jezgre mogu postići veliku brzinu odnosno energiju je

plazma. Plazma se sastoji od pozitivno nabijenih slobodnih iona i slobodnih elektrona

jednakog naboja tako da je taj medij električki neutralan. Dovođenjem energije plazmi podiže

se temperatura plazme, a time i energija iona postaje dovoljno velika da bi došlo do fuzijske

reakcije.

Da bi se fuzijska reakcija mogla koristiti kao energetski izvor potrebno je stvoriti

uvjete u kojima će se ta reakcija događati kontinuirano. Lake jezgre pogodne za kontroliranu

fuzijsku reakciju su jezgre deuterija ( izotop vodika čija se jezgra sastoji od jednog protona i

jednog neutrona) i tricija (izotop vodika čija se jezgra sastoji od jednog protona i dva

neutrona). Temperature koje treba postići da bi došlo do fuzijske reakcije jezgara deuterija

iznose stotinjak milijuna kelvina. Pri tim temperaturama plazma koja sadrži jezgre deuterija je

nestabilna. Stoga treba spriječiti širenje plazme (tzv. ograničenje plazme) kako bi se održali

uvjeti potrebni za fuzijsku reakciju. Ograničenje plazme kod fuzijske reakcije u zemaljskim

uvjetima može se ostvariti magnetskim ograničenjem plazme ili inercijskim ograničenjem

plazme. Kod magnetskog ograničenja plazme prikladnom konfiguracijom magnetskih polja

može se plazma prisiliti da se drži osi cilindrične ili toroidalne posude. Metoda inercijskog

ograničenja plazme bazira se na principu veoma brzog zagrijavanja plazme tako da se fuzijska

reakcija dogodi prije nego što zagrijana plazma ekspandira ispod gustoće potrebne za fuzijsku

reakciju. Zagrijavanje plazme obavlja se laserima velikih snaga.

U usporedbi s fisijskim nuklearnim reaktorima u fuzijskim nuklearnim reaktorima

stvarat će se manje radioaktivnog otpada zbog otsutnosti transuranskih izotopa, a radioaktivni

izotopi stvoreni aktivacijom neutronima imaju kraće vrijeme poluraspada. Usprkos

intenzivnim istraživanjima dosada nisu ostvareni uvjeti za kontinuiranu fuzijsku reakciju tako

22

da realizacija fuzijskog nuklearnog reaktora tek predstoji. S obzirom na kompleksnost

problema i značajna financijska sredstva koja treba uložiti za realizaciju prvog fuzijskog

reaktora formiran je međunarodni projekt ITER u koji su uključeni Kina, Indija, Japan,

Rusija, Južna Koreja, Sjedinjene Američke Države i Europska Unija. Cilj je projekta napraviti

uređaj za kontinuiranu fuziju deuterija i tricija koji će se imati deset puta veću snagu od one

koja se ulaže. ITER je lociran u Cadarachu-u u Francuskoj a gradnja je započela 2008.

godine. Dobivanje prve plazme očekuje se 2020. godine a fuzijska reakcija deuterija i tricija

planirana je za 2027. godinu. ITER će biti prvi istraživački fuzijski nuklearni reaktor i nije

predviđen za proizvodnju električne energije. Svrha projekta ITER je sticanje znanja

potrebnih za projektiranje uređaja sljedeće faze a to je demonstracijska fuzijska nuklearna

elektrana. Demonstracijska fuzijska elektrana izgradit će se u okviru projekta DEMO čime će

fuzija konačno postati izvor električne energije. Predviđena termička snaga DEMO elektrane

je između 2000 MW i 4000 MW što je po snazi slično kao kod modernih fisijskih nuklearnih

elektrana. DEMO elektrana započela bi radom 2033. godine a priključenje na električnu

mrežu očekuje se 2038. godine. PROTO je projekt koji slijedi nakon projekta DEMO, a cilj

mu je izgradnja prototipne fuzijske nuklearne elektrane kojom će se pokazati mogućnost

proizvodnje električne energije na komercijalnoj bazi.

ITER je međunarodni projekt u koji su uključeni Kina, Indija, Japan, Rusija, Južna

Koreja, Sjedinjene Američke Države i Europska Unija. Cilj je projekta napraviti uređaj za

kontinuiranu fuziju deuterija i tricija koji će imati deset puta veću snagu od one koja se ulaže

(Q faktor je jednak 10). ITER će biti prvi istraživački fuzijski nuklearni reaktor i nije

predviđen za proizvodnju električne energije. Svrha projekta ITER je sticanje znanja

potrebnih za projektiranje uređaja sljedeće faze a to je demonstracijska fuzijska nuklearna

elektrana.

Projekt ITER je tek prvi korak u pripremi fuzijske nuklearne elektrane. Stoga se već

planira projekt DEMO kojim će se pokazati mogućnost proizvodnje značajne količine

električne energije korištenjem fuzijskog nuklearnog reaktora. U okviru tog projekta izgradit

će se demonstracijska fuzijska elektrana (Demonstration Power Plant, kratica DEMO) čime će

fuzija konačno postati izvor električne energije. Predviđena termička snaga DEMO elektrane

je između 2000 MW i 4000 MW što je po snazi slično kao kod modernih fisijskih nuklearnih

elektrana. Konceptualni dizajn DEMO elektrane trebao bi biti završen do 2017. godine, a

inženjerski dizajn do 2024. godine. Predviđa se da bi period izgradnje bio od 2024. do 2033.

23

godine. DEMO elektrana započela bi radom 2033. godine, a priključenje na električnu mrežu

očekuje se 2038. godine.

8. Prenos energije

Energije oslobođena u u fisionom reaktoru se najčešće izmjenjivačem toplote

pretvara u vodenu para koja pokreće turbinu.

“Boiling water reactors “(BWRs) voda koja služi kao moderator se pretvara u paru

kojom se pogoni turbina.

“Pressurized water reactors “(PWRs) voda koja služi kao moderator je pod visokim

pritiskom (155 atm) i cirkulira iz reaktora u vanjski izmjenjivač toplote koji proizvodi paru

koja pokreće turbinu. Reaktor može sadržavati i do 90 tona UO2 i proizvoditi 3400 MW i dati

1100 MW električne energije

BWR su jednostavniji od PWR. Međutim, mogućnost da para koja pokreće turbinu

postane radioaktivna je veća za BWR. Kod PWR zbog dvostepenog procesa generator

električne energije izoliran je od moguće radioaktivne kontaminacije.

Slika 5. BWR

24

Slika 6. PWR

25

9. Problemi nuklearnog reaktora

Jako je opasno ako se radioaktivni elementi oslobode u atmosferu ili u podzemne

vode. Toplinsko zagrijavanje atmosfere te voda jezera/rijeka koja se koristi za hlađenje može

biti ozbiljan ekološki problem. Vrlo ozbiljan problem je odlaganje radioaktivnog otpada

fisionih procesa, neki fisioni fragmenti imaju vrijeme polu-raspada hiljade godina i milione

godina.

Tri javnosti poznata nuklearna akcidenta su:Three Mile Island u Pennsylvania 1979 i

Chernobyl u Ukrajina 1986 (50 tona radioaktivnog materijala pobjeglo u atmosferu) i

nedavni Fukushima — znatno su okrenula javnost protiv korištenja nuklearnih fisionih

elektrana. Do široke primjene nuklearnih elektrana može doći ako se riješe 4 kritična pitanja:

niska cijena, poboljšana sigurnost, kvalitetno rješavanje problema nuklearnog otpada i mali

rizik od nesreće

Černobil je najveća ekološka katastrofa novijeg doba 26. 4. 1986. u 1 sat 23 minute

eksplozija na 4. reaktorunoćna smjena radila pokus i jedan operater opteretio reaktorod 25

kontrolnih šipki u reaktoru ostalo 6drugi operater isključio dovod vode koja hladi i nastala je

eksplozijaradioaktivni oblak nošen vjetrom išao prema Skandinaviji te središnjoj i

jugoistočnoj Evropi. Od posljedica radijacije preminulo 200 000 do 400 000 (neslužbeni

izvori, vlasti taje podatke)dan i po nakon eksplozije u obližnjem gradu Pripjata radijacija 300

000 puta veća od “normalne”danas radijacija 100 metara od reaktora 50 000 puta veća od

“normalne”, područje Černobila neseljivo tek za oko 600 godina.

26

Slika 7. Radioaktivnost poslije nuklearne katastrofe u Černobilu

10. Električna energija dobivena iz nuklearnih reaktora

Prema podacima 1997. godine 400 reaktora u 26 zemalja proizvodi 200 000 Mw električne snage:

• Francuska 78 %• Belgija 60 %• Švedska 46 %• Švicarska 41 %• Mađarska 40 %• Južna Koreja 34 %• Japan 34 %• Španjolska 29 %• Velika Britanija 28 %• SAD 21 %• Kanada 14 %• Argentina 11 %• Niziozemska 3 % • Brazil 1 %

27

11. Činjenice o nuklearnoj energiji

Trenutno postoje 104 komercijalna nuklearna reaktora koja su u potpunosti odobrena

od strane Nuklearne regulativne komisije (Nuclear Regulatory Commission - NRC) u

Sjedinjenim Američkim Državama. Od tih 104 reaktora 69 ih je kategorizirano kao tlakovodni

reaktori (Pressurized water reactors - PWR) i imaju oko 65.100 megavata snage, a ostalih 35

reaktora kategorizirano je kao kipući reaktori (Boiling water reactors - BWR) i imaju oko

32.300 megavata snage.

• 27. lipnja 1954 sovjetska nuklearna elektrana Obninsk postala je prva nuklearna

elektrana koja je generirala električnu energiju i pritom bila spojena na električnu mrežu.

Proizvedena snaga bila je oko 5 megavata.

• Rusija je započela gradnju plutajuće nuklearne elektrane. Brod će koštati oko 100

milijuna funti (oko 205 milijuna dolara), biti će završen 2010 godine i zvat će se Lomonosov.

To će biti prva od sedam plutajućih nuklearnih elektrana i prema Moskvi to će biti vitalni

izvor energije za udaljene ruske regije.

• Nuklearna katastrofa u Černobilu koja se dogodila 1986 godine najveća je nesreća u

nuklearnoj povijesti i to je jedini događaj koji je na INES ljestvici ocijenjen sa sedam.

Černobil se tada nalazio u Sovjetskom savezu, a danas je to Ukrajina.

• Nuklearna energija oslobađa se u tri eksotermična procesa:

o Radioaktivni raspad, gdje se proton ili neutron u radioaktivnoj jezgri spontano

raspadne i emitira česticu.

o Fuzija, dvije atomske jezgre spoje se zajedno i tvore teži atom.

o Fisija, cijepanje jednog teškog atoma na dva lakša atoma.

• Sunce koristi nuklearnu fuziju atoma vodika u atome helija. To daje toplinu, svjetlost i

ostale radijacije koje izlaze iz Sunca.

• Nuklearna energija trenutno se sve više spominje kao prihvatljivi izvor energije jer ne

proizvodi nikakve stakleničke plinove i time ne zagrijava planet kao ostali neobnovljivi izvori

energije.

28

• Građenje povjerenja i povećavanje pouzdanosti iskorištavanja nuklearne energije

vitalni su elementi za pridobivanje potpore u demokratskim društvima.

• Nuklearna energija je sada vrlo siguran izvor energije zbog toga jer su mjere sigurnosti

dovedene na maksimum i gotovo je nemoguće da se dogodi katastrofa slična Černobilskoj.

• Ako se usporedi s ostalim ne-ugljičnim i ugljik-neutralnim energetskim opcijama,

nuklearne elektrane zahtijevaju mnogo manje površine za rad. Za 1000 MW elektranu

zahtjevi što se tiće površine su sljedeći: nuklearna elektrana 1-4 km2; fotovoltažni park 20-50

km2; farma vjetrenjača 50-150 km2; biomasa 4.000-6.000 km2.

• Nuklearne elektrane su jedina energetska industrija koja u potpunosti kontrolira nastali

otpad i to se uračunava u cijenu proizvodnje.

• Nuklearna energija bi do sad bila dominantni izvor energije da nije bilo Černobilske

katastrofe i incidenta na Otoku tri milje. Incident na Otoku tri milje nije imao neki veći utjecaj

na okoliš, ali je imao jako veliki utjecaj na javnu percepciju o sigurnosti nuklearnih elektrana.

• Nuklearna energija može biti vrlo razorna. Do danas su nuklearne bombe bačene na

Hirošimu i Nagasaki jedini napadi nuklearnim oružjem u povijesti ratovanja. Nuklearne

bombe su 1945 godine u Hirošimi ubile 140.000 ljudi, a 80.000 ljudi poginulo je u

Nagasakiju. Otprilike pola od toga umrlo je istog dana kad su pale bombe.

29