7,1 Energia reakcji jądrowych

Jądro atomu składa się z protonów i neutronów, które łącznie noszą nazwę nukleonów. Liczbę nukleonów w jądrze określa liczba masowa A, zaś liczbę protonów liczba atomowa Z _Z^AX. Masa każdego jądra jest mniejsza od sumy mas nukleonów wchodzących w jego skład. Ten ubytek masy zwany defektem masy określa się wzorem:

- energia wiązania

Jednostkową energię wiązania ε określamy jako:

Źródłem energii mogą być reakcje:

• łączenia, czyli syntezy lekkich jąder w jądra pierwiastków ciężkich

• rozszczepiania jąder pierwiastków o dużej liczbie masowej A na jądra pierwiastków lżejszych

Energia wydzielająca się podczas reakcji rozszczepienia równa jest różnicy energii wiązania jąder pierwiastków otrzymanych w wyniku reakcji i energii wiązania rozszczepionych jąder ciężkich. Energia w reakcji syntezy równa jest różnicy między energią wiązania pierwiastków otrzymanych w wyniku reakcji i energii wiązania lekkich jąder

7,2 Rozszczepienie jąder pierwiastków ciężkich

Obecnie powszechnie stosowana w energetyce jądrowej jest reakcja rozszczepienia jąder izotopu uranuJądro takie pod wpływem działania neutronu termicznego ulega przeobrażeniu we wzbudzone jądro izotopu uranu zgodnie z reakcją

Tak powstałe jądro dzieli się samorzutnie na dwa nowe jądra lżejszych pierwiastków, z niemal jednoczesnym powstaniem wolnych neutronów. W rezultacie rozszczepienia jąder i późniejszego rozpadu fragmentów w materiale rozszczepialnym powstaje bardzo wiele izotopów promieniotwórczych. Energię rozszczepienia dzielimy na natychmiastową i opóźnioną. Blisko 85% całej energii stanowi energia kinetyczna fragmentu rozszczepienia. Na skutek zderzeń fragm. z innymi jądrami energia kinetyczna zamienia się prawie w całości na energię cieplną. Dla innych ciężkich pierwiastków aby zaszła reakcja rozszczepienia energia neutronu musi być znacznie większa i dlatego neutrony dzielimy w zależności od energii na:

• termiczne ( powolne )

• epitermiczne

• pośrednie

• prędkie

Dla ilościowej oceny oddziaływań neutronów z jądrami atomowymi stosuje się pojęcie przekroju czynnego, który jest miarą prawdopodobnego zajścia reakcji w danych warunkach.

7,3 Praktyczne wykorzystanie procesów rozszczepienia

Z punktu widzenia wykorzystania energii jądrowej znaczenie reakcji rozszczepienia polega na :

• procesowi towarzyszy wydzielanie ogromnej ilości energii

• wyzwalają się neutrony o energii wystarczającej do rozszczepienia jąder i podtrzymywania procesu rozszczepienia

Warunkiem wykorzystania energii jądrowej jest więc uzyskanie kontrolowanej reakcji łańcuchowej. Urządzenia, w których zachodzi regulowane wyzwalanie energii jądrowej w procesie podtrzymywanej reakcji łańcuchowej nazywamy reaktorami jądrowymi. W reaktorach jako paliwo stosowany może być zarówno uran jak i pluton a najlepiej ich izotopy. Zastosowanie w reakcjach neutronów termicznych spowodowało, że większość reaktorów to reaktory termojądrowe, mniej jest reaktorów pośrednich i prędkich, chociaż przewiduje się wzrost roli reaktorów prędkich w energetyce.

7,4 Reaktory termiczne

W reaktorach termicznych paliwo jądrowe otoczone jest moderatorem z odpowiednimi kanałami dla czynnika chłodzącego i ta część reaktora nazywa się rdzeniem. Pozostałe części to reflektor neutronów, osłona termiczna i osłona biologiczna. Paliwo jądrowe w reaktorach wykonane jest w postaci prętów, rur lub płytek zgrupowanych w pęczki po kilkadziesiąt sztuk. Zadaniem moderatora jest zmniejszenie energii neutronów do energii termicznej. Moderator jest zbudowany z pierwiastków, które charakteryzują się przdewszystkim małym pochłanianiem neutronów powstałych w reakcji, ale dużym współczynnikiem rozproszenia rozproszenia neutronów. Do moderatorów używa się:

• wody lekkiej H₂O

• wody ciężkiej D₂O

• grafitu

• berylu

Odbiorcą energii powstałej w wyniku reakcji jest chłodziwo, które przepływa przez rdzeń kanałami umożliwiającymi bezpośredni kontakt z elementami paliwowymi. Aby reakcja mogła być kontrolowana zastosowano pręty kompensujące i regulacyjne oraz pręty bezpieczeństwa pozwalające na szybkie przerwanie pracy reaktora.

Aby reakcja nie mogła zaniknąć samoczynnie ze względu na ucieczkę neutronów z rdzenia zastosowano reflektor neutronów powodujący, że neutrony zderzając się z jądrami reflektora ulegają rozproszeniu i są skierowane ponownie do rdzenia.

Następną częścią reaktora jest osłona termiczna, której zadaniem jest usunięcie z wiązki promieniowania takiej ilości energii cieplnej aby w reaktorze i osłonie biologicznej nie wystąpiły zbyt duże naprężenia cieplne.

Osłona termiczna wykonana jest ze stali nierdzewnej.

Osłona biologiczna wykonana jest z bloków betonowych zabezpieczających otoczenie przed wpływem działania szkodliwego promieniowania jąder.

Reaktory termojądrowe z paliwem uranowym charakteryzują się dużymi gabarytami.

Reaktory prędkie

Reakcja rozszczepienia jądra neutronami prędkimi zachodzi wówczas gdy s-cja rozszczepialna może pochłonąć neutrony zanim zdążą one ujść z paliwa.

Reaktory prędkie są wykorzystywane do powielania paliwa, tzn. do reakcji w wyniku której więcej s-cji rozszczepialnej niż wynosiła jej ilość wejściowa. Reaktory prędkie pracują bez moderatora, zatem rdzeń ma małe wymiary. Brak moderatora małe wymiary oraz duża gęstość mocy cieplnej ( MW/m³ ) powodują, że na chłodziwo reaktora stosuje się ciekłe metale

( najczęściej stosowany jest ciekły sód ).

Reaktory można podzielić także ze względu na:

• rodzaj paliwa

• rodzaj moderatora

• rodzaj i warunki pracy chłodziwa

• rozwiązanie konstrukcji reaktora

• przeznaczenie reaktora

7,5 Reaktory jądrowe w układach energetycznych

Energia wyzwalana w procesie rozszczepienia jądra atomowego może być przekształcona w ciepło, pracę mechaniczną i energię elektryczną podobnie jak w elektrowniach parowych.

Ciepło z reaktora odbiera chłodziwo, które jest kierowane do wytwornicy pary gdzie przekazuje ciepło wodzie krążącej w obiegu wtórnym, która z kolei zamieniona zostaje na parę, a ta następnie napędza turbinę parową i kolejne fazy zamiany energii są takie same jak w elektrowni konwencjonalnej. Niekiedy para wytwarzana jest bezpośrednio w reaktorze. W elektrowni jądrowej są najczęściej dwa obiegi :

• wtórny ( turbina parowa i woda z której powstaje para )

• pierwotny ( reaktor, wymienniki ciepła oraz pompy do chłodziwa )

Do najczęściej stosowanych obecnie w energetyce reaktorów jądrowych należą:

• reaktory wodno-ciśnieniowe z chłodziwem H₂O ( ok. 25% )

• reaktory wodne wrzące ( ok. 31% )

• reaktory grafitowo-gazowe moderator grafitowy z chłodziwem gazowym CO₂ i He ( ok. 40%

7,7 Możliwości wykorzystania energii termojądrowej

Reakcje syntezy lekkich jąder mogą zachodzić na dużą skalę tylko w bardzo wysokich temp., sięgających setek milionów stopni. W tak wysokiej temp. s-cja jest w stanie plazmy. Podstawowym problemem w tego typu reakcji jest uzyskanie plazmy o określonej temp., gęstości i utrzymanie jej tak długo aż energia dostarczona będzie mniejsza od energii wyzwolonej.

Typowa reakcja termojądrowa

Jest to reakcja bardzo trudna do zrealizowania technicznie.

Osobnym problemem jest utrzymanie plazmy w przestrzeni tzw. zamknięcie plazmy, ale poradzono sobie także i z tym wykorzystując pole magnetyczne o różnej konfiguracji oraz zjawisko inercji - zamknięcie bezwładnościowe.

W reaktorach termojądrowych wyzwalana energia jest związana z neutronami uchodzącymi z przestrzeni reaktora. Wytwarzanie energii elektrycznej z uwolnionego ciepła ma się odbywać tylko w obiegu termodynamicznym.

Zaletą tego typu elektrowni z punktu widzenia środowiska jest b. Mała promieniotwórczość zarówno paliwa jak i produktów syntezy.

8,3 Zasady wykorzystywania energii wiatrów

Energia wiatru należy do tzw. nowych źródeł pozyskiwania energii. Wiąże się to ze stałym przemieszczaniem mas powietrza i jest jednym z ważniejszych nieprzerwanie odnawialnych, a więc niewyczerpywalnych źródeł energii.

Energię wiatru możliwą do wykorzystania można określić ze wzoru na energię kinetyczną

Objętość masy powietrza V [m³] przepływającego w czasie t [s] przez powierzchnię S [m²] prostopadła do kierunku wiatru o prędkości v [m/s]

Moc wiatru

Ze wzoru wynika, że moc i energia wiatru jest proporcjonalna do v³.

Wykorzystanie energii wiatru jest bardzo zróżnicowane ze względu na zmienność kierunku i siły wiatru dlatego do napędu elektrowni wiatrowych wykorzystuje się zaledwie 0,4 % całych zasobów. Użytkowa prędkość wiatrów zawarta jest w granicach od 3 do 15 m/s.

Elektrownie wiatrowe składają się z:

• silnika wiatrowego

• gen. elektrycznego

• przekładni mechanicznej

• urządzeń sterowniczych

• urządzeń pomocniczych

Najprostszą metodą wytworzenia energii elektrycznej jest system prądu stałego z prądnicą bocznikową. Przy tym systemie osiąga się stałe napięcie w sieci przy różnych prędkościach wiatru przez regulację wzbudzenia.

Dla zapewnienia ciągłości dostaw energii elektrycznej elektrownie wyposaża się w akumulatory oraz silniki rezerwujące.

Moc elektrowni wiatrowej określona na zaciskach generatora wyraża się wzorem

gdzie P_w - moc teoretyczna wiatru

pozostałe to kolejno sprawność silnika wiatrowego oraz sprawność generatora

8,2 Turbiny wodne

Turbina wodna jest silnikiem przetwarzającym energię potencjalną wody na pracę użyteczną. W wirniku turbiny woda doznaje przyspieszenia i zmiany kierunku ruchu lub jedynie zmiany kierunku ruchu i wywołuje siłu powodujące ruch obrotowy silnika.

Turbina Francisa

Dopływ wody jest promieniowy przez łopatki kierownicze umieszczone na obwodzie zewnętrznym wirnika. Łopatkami tymi możemy regulować przepływ wody przez turbinę. Wirnik omawianej turbiny składa się z dwóch wieńców i łączących je łopatek. Woda jest odprowadzana z wirnika rurą ssącą.

Wodę do turbiny można doprowadzić bezpośrednio z otwartej komory poprzez łopatki kierownicze lub za pomocą żeliwnej spirali.

Turbina Kaplana

Wirnik wykonany jest w postaci śmigła o przestawialnych łopatkach. Turbiny z takimi wirnikami nazywa się turbinami śmigłowymi. Wlot wody do wirnika odbywa się przez przestawialne łopatki kierownicze. Turbiny Kaplana są wykonane wyłącznie w układzie pionowym.

Turbiny Petona

Wirnik turbiny składa się z tarczy kołowej oraz rozmieszczonych na jej obwodzie łopatek w postaci podwójnych czasz. Zamiast łopatek kierowniczych stosowane są dysze, które kierują strumień wody na czasze. Otwory w dyszach. Regulację ilościową strumienia wody uzyskuje się przez przymykanie otworów w dyszach.

7,6 Rodzaje elektrowni jądrowych

Elektrownia z reaktorem wodno-ciśnieniowym PWR

Ciśnienie wody jest tak dobrane by jej odparowanie w rdzeniu reaktora było mniejsze niż 5%. Woda ogrzana w reaktorze oddaje ciepło w wytwornicy pary, wytwarzając parę nasyconą lub bardzo nieznacznie przegrzaną i powtórnie wraca do reaktora. W reaktorach tego typu stosuje się wodę o wysokim stopniu czystości, która posiada duże zdolności spowalniani neutronów.

Schemat reaktora

II Elektrownie z reaktorami wodno-wrzącymi BWR

W reaktorach tych para powstaje bezpośrednio w rdzeniu reaktora. Wytworzona mieszanka parow-odna po przejściu przez odpowiednie elementy osuszające jest kierowana do turbiny a wrząca woda jest powtórnie przetłaczana do reaktora. Zaletą tej elektrowni jest prostota konstrukcyjna i mniejsze koszty urządzeń, ale wadą jest praca urządzeń w warunkach radioaktywnych.

Schemat elektrowni

III Elektrownie z reaktorami grafitowo-gazowymi GCR

Reaktory GCR są proste w budowie i cechuje je wysoka niezawodność. Zastosowanie gazu jako chłodziwa ma wiele zalet wad. Do zalet należy to, żę bez zwiększania ciśnienia możemy podwyższyć temperaturę chłodziwa na wyjściu z reaktora, bardzo niewielkie pochłanianie neutronów co zapewnia korzystny bilans neutronów w reaktorze. Wadą takich reaktorów jest natomiast to, że są to reaktory b. Dużych rozmiarów.

Schemat elektrowni GCR

IV Elektrownie z reaktorami powielającymi

W tego typu elektrowniach jako chłodziwo stosuje się ciekły sód, lecz zastosowanie sodu wiąże się z trójobiegowym układem elektrowni, gdyż sód jest b. Aktywny chemicznie zwłaszcza z tlenem. W tych reaktorach stosowany jest podwójny obieg sodu i obieg parowo-wodny.

Schemat elektrowni

8,1 Elektrownie wodne

Energię wód należy ogólnie podzielić na energię wód śródlądowych oraz na energię mórz. Powstanie energii wód śródlądowych jest związane cyklem krążenia wody w przyrodzie.

Elektrownie przepływowe

Charakteryzują się tym, że cały zespół urządzeń elektrowni umieszczony jest w jednej budowli bezpośrednio w korycie rzeki, a turbiny umieszczone są:

w specjalnym kanale skracającym

bezpośrednio w korycie rzeki

schematy

elektrownie zbiornikowe

W celu lepszego wyzyskania cieku wyposaża się elektrownie wodne w zbiorniki wody o ile pozwala na to ukształtowanie terenu. Zadaniem zbiorników jest gromadzenie wody w okresach kiedy jej energia nie może być spożytkowana. Elektrownie te pracują przeważnie szczytowo.

Elektrownie szczytowo-pompowe

Z dolnego zbiornika woda jest przepompowywana w godzinach małego obciążenia układu elektroenergetycznego do górnego zbiornika za pomocą pomp napędzanych przez elektryczne maszyny synchroniczne, przyczym energii elektrycznej do napędu maszyn dostarczają elektrownie cieplne lub wodne przepływowe. W czasie szczytu obciążenia elektrowni woda jest doprowadzana do turbiny wodnej sprzęgniętej bezpośrednio z maszyną synchroniczną ( generatorem ).

Schemat

elektrownie pływowe

Różnica energii potencjalnej wód morskich między przypływem i odpływem morza jest w niektórych rejonach kuli ziemskiej tak duża, że celowe może się okazać jej wykorzystanie i przemiana na energię elektryczną.

Schemat

---