Wykład IX

ENERGETYKA JĄDROWA

Wprowadzenie

Energetyka jądrowa - proces rozszczepienia jąder uranu , plutonu lub toru przy którym następuje powstawanie energii cieplnej i kolejno pary wodnej dla obiegu turbin parowych elektrowni lub elektrociepłowni. Obiegi technologiczne w elektrowni jądrowej (EJ): obieg pierwotny , obieg wtórny:

Obieg pierwotny Obieg wtórny

Obiegi technologiczne w EJ

Rodzaje reaktorów :

• reaktory wodne - ciśnieniowe (Pressurized Water Reactor ), najbardziej rozpowszechnione w których w obiegu pierwotnym chłodziwem jest woda pod takim ciśnieniem aby w nim nie następowało odparowanie - reaktory rosyjskie -WWER;

• reaktory z wrzącą wodą w obiegu pierwotnym: BWR (Boiling Water Reactor );

• reaktory z ciężką wodą : HWR (Heavy Water Reactor )

W reaktorze typu WWER ogrzana w reaktorze woda wytwarza w wytwornicy parę nasyconą a lub lekko przegrzaną. Reaktor zasila kilka wytwornic pary np. w WWER 6 wytwornic. Obieg wtórny jest obiegiem parowo - wodnym , klasycznym. Poniżej pokazano schemat technologiczny wodnego reaktora ciśnieniowego.

Schemat reaktora PWR (wg.1 ): 1-reaktor, 2- grafitowe pręty spowalniające, 3 - wytwornica pary, 4- stabilizator ciśnienia, 5- zbiornik ciśnieniowy, 6 - turbina parowa, 7 - elektryczny generator, 8- pompa, 9- skraplacz, 10 - obieg wody chłodzącej, 11 - szczelna obudowa bezpieczeństwa reaktora.

Przestrzenne usytuowanie obiegu pierwotnego reaktora PWR pokazano na kolejnym rysunku ( firma Westinghouse)

Układ przestrzenny aparatury procesowej obiegu pierwotnego reaktora PWR firmy Westinghouse:1 -reaktor, 2- rdzeń reaktora, 3- wytwornica pary , 4- pompa cyrkulacyjna, 5- stabilizator ciśnienia, 6- doprowadzenie wody, 7 odprowadzenie pary.

Reaktory PWR są pracują w USA i Francji są najpopularniejszymi typami reaktorów z kopułą bezpieczeństwa której nie posiadają reaktory radzieckie typu WWER.

W reaktorach z wrzącą wodą (BWR) para nasycona powstaje w reaktorze bezpośrednio - nie występuje wytwornica pary, w efekcie sprawność turbin jest mniejsza a wymiary zdecydowanie większe. Technologiczny schemat takiej elektrowni w Ignalinie (Litwa ) pokazano poniżej. Elektrownia ta w której skraplacz chłodzony jest wodą pobieraną z jeziora jest w trakcie likwidacji. Układ jej jest identyczny z elektrownią w Czarnobylu.

Schemat technologiczny elektrowni w Ignalinie (Litwa )

Cykl paliwowy: Średnia zawartość uranu w skałach wynosi 2gr/Mg. Oszacowano , że zewnętrzna skorupa ziemi o grubości 20 km zawiera 800 miliardów ton uranu. Ruda z kopalni uranowej o zawartości 0,03 - 0,2 % uranu jest przerabiana na koncentrat o stężeniu ok.75% U₃O₈ - produkt handlowy , poczym z tego związku wytwarzany jest gaz UF₆ (sześciofluorek uranu ) z którego np. metodą dyfuzji gazowej lub metodą wirówkową po wzbogaceniu otrzymywany jest proszek - dwutlenek uranu UO₂ z którego wyrabiane są pastylki paliwowe o średnicy 6 -12 mmm i wysokości 10-25mmm. Kopalnie rudy uranowej i zakłady jej wzbogacania zanieczyszczają środowisko. Pastylki otacza się z kolei koszulkami z stopu cyrkonu z żelazem niklem i niobem- koszulki są pierwszą barierą ochronną.

Zabezpieczenie EJ. Ochrona obejmuje następujące systemy: 1- minimalizacją czasu ekspozycji, 2- stosowanie osłon, 3 - zachowanie właściwych odległości - moc promieniowania jonizującego jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości od źródła promieniowania. Promieniują produkty rozpadu uranu , plutonu lub toru oraz ciała pobudzone do promieniowania w wyniku bombardowania neutronowego. Natomiast promieniowanie α; β; γ nie pobudzają opromieniowywanych materiałów. Bariery zabezpieczające:

• koszulki elementów paliwowych;

• ścianki rurociągów obiegu pierwotnego,

• obudowy bezpieczeństwa zapobiegające skutkom awarii reaktora.

Reaktor wraz z promieniotwórczymi obiegami znajdują się wewnątrz obudowy bezpieczeństwa. Obudowa ta jest szczelna i obliczona na maksymalne ciśnienie możliwe do powstania w czasie awarii. Na rys. pokazano bariery ochronne wodnego reaktora ciśnieniowego.

Bariery ochronne wodnego reaktora ciśnieniowego (1): 1- reaktor; 2- elementy paliwowe, 3- stabilizator ciśnienia, 4 - pompa, 5 -wytwornica pary raz zdjęcie kolumny wymiany prętów paliwowych ( Igmalina )

Obieg pierwotny EJ obejmuje następujące instalacje:

Układ oczyszczania chłodziwa reaktora. Układ oczyszcza radioaktywne zanieczyszczenia reaktora np. produkty korozji w chłodziwie obiegu.

Układ zbierania przecieków kontrolowanych zbiera przecieki np. z dławic pomp , oczyszcza je i wprowadza z powrotem do obiegu.

Układ awaryjnego chłodzenia reaktora. Zabezpiecza reaktor na przypadek pęknięcia rurociągu w obiegi pierwotnym składają się na to trzy niezależne podsystemy z zbiornikami wody o 100% wydajności każdy.

Układ chłodzenia basenu wypalonego paliwa chłodzenie wody w basenach paliwowych.

Paliwo wypalone. Wypalone pręty przechowuje się pod wodą w basenach przez ok. 3 lata, pojemność basenów obejmuje trzy przeładunki oraz awaryjny zrzut wsadu paliwowego. Paliwo wymienia się raz w roku przy czym wymianie podlega 1/3 wsadu paliwowego. Chłodzenie basenu jest konieczne ma ono zapewnić nie przekraczanie temperatury 50^oC a w sytuacjach awaryjnych 70^oC. Po tym okresie paliwo transportuje się do wodnego magazynu wypalonego paliwa - w budynku - w którym przetrzymuje się paliwo ok. 10 lat. Z kolei paliwo ładuje się do kontenera z własnym układem chłodzenia który wywozi się z terenu EJ. Wszystkie operacja prowadzone są pod kontrolą dozymetryczną.

Argumenty za EJ

Cytaty:

„Odgrywanie przez energetykę jądrowa coraz większej roli w w bilansie energetycznym świata będzie wymuszone przez wyczerpywanie się zasobów paliw organicznych ( węgiel, ropa , gaz ziemny ) i przez względy ekologiczne”

„Ważną przeszkodą we wprowadzaniu energetyki jądrowej jest i będzie w najbliższej przyszłości opór społeczny. Z jednej strony ten opór powinien być łagodzony przez zakrojone na szeroką skale mądre informowanie społeczeństw o prawdziwych aspektach energetyki jądrowej , z drugiej zaś strony przez rozwiązania konstrukcyjne reaktorów jądrowych nowych generacji o „wbudowanym” bezpieczeństwie i przez nie budzące zastrzeżeń rozwiązania problemu unieszkodliwiania i składowania wysoko aktywnego paliwa jądrowego.”

Uchwała Sejmu RP z dnia 9 listopada 1990 r. Zatwierdziła decyzje rządu o likwidacji Elektrowni Jądrowej w Żarnowcu w Budowie wyraziła również możliwość budowy w Polsce EJ przy wykorzystywaniu reaktorów nowej generacji.

Przeciwnicy EJ: racjonalizacja użytkowania energii odsunie widmo głody energetycznego, oraz , że odnawialne źródła energii ten głód zaspokoją .

Informacje dodatkowe( wg 4 ). EJ pokrywa ok. 5% światowego zapotrzebowania na energię a 17 % na energię elektryczną, W ok. 35 krajach pracuje 427 reaktory jądrowe o łącznej mocy 330 651 MWel w budowie było 72 reaktory o mocy projektowanej ok. 60 000MWel. Najwięcej reaktorów pracuje w USA - 109 potem w Francji 56 - początek - bonus militarny

Udział energetyki jądrowej w produkcji energii elektrycznej w roku 1992 w %

Litwa 80,0 Szwajcaria 39,6 Japonia 27,7

Francja 72,9 Hiszpania 36,4 Ukraina 25,0

Belgia 59,9 Taiwan 35,4 W. Brytania 23,2

Słowacja 49,5 Słowenia 34,6 USA 22,3

Węgry 46,4 Finlandia 33,2 Czechy 26,7

Korea Płd.34,2 Bułgaria 32,5 Kanada 14,4

Szwecja 43,2 Niemcy 30,1 Rosja 11,3

W Czrnobylu był typu BRK o symbolu RBMK - Reactor Bolszoj Moszcznosci Kanalnyj w którym moderatorem jest palny grafit o masie 1500 ton

Reaktory RBMK: pracujące odległość od granic Polski( km)

Czarnobyl O 435

Ignalina 2 216

Kursk 4 850

St. Petersburg

(Sosnowy Bór ) 4 725

Smoleńsk 3 563

Reaktory inherentnie bezpieczne. Reaktory z budowanym bezpieczeństwem wewnętrznym w których żadna awaria nie spowoduje rozszczelnienia elementów paliwowych. = reaktory pasywne wewnętrznie.

Przykład I: reaktory Słowpoke o małej mocy 20 kWth pracują od 1970 roku w instytutach naukowych. Opracowana w latach 80 tych reaktory o mocach 2 i 10 MWth mogą być instalowane jako ciepłownicze źródła energii dla pomieszczeń o powierzchni 150 000 m² a więc np. dla 150 mieszkań. Reaktor umieszczony jest w zbiorniku o średnicy 6m i wysokości 13 m wkopany częściowo w ziemię. Woda w kontakcie z prętami paliwowymi ogrzewana jest do 92^oC przekazuje za pośrednictwem podwójnej kaskady wodzie sieciowej o temp. 83^oC.

Przykład II: Reaktory wysokotemperatutowe chłodzone gazowym helem (HTR) składają się z elementów paliwowych odpornych na wysokie temperatury do 1600⁰C w kształcie kulek o średnicy 0,8 mm w izolacji zamykających tlenki węglika uranowego otoczonego warstwami pirolitycznego grafitu rozdzielonego warstwą krzemu. Kulkami tymi wypełnione są kule grafitowe o średnicy 60mm. Kóle w swoim złożu chłodzone są gazowym helem ogrzewającym się do tem. 1000⁰C co umożliwia produkcję pary czy ogrzewanie wody sieciowej np. w reaktorach o mocy 10 -15 MWth. Reaktor tego typu może pracować bez operatora a załadunek paliwa odbywa się raz na 15 lat. Reaktor o mocy 30 MWth okres ładowania raz na 40 lat.

Przykład III Reaktor podkrytyczny na izotopie torze Th²³² w którym reakcja rozczepienia odbywa się w promieniowani neutronowym i zanika po ustąpieniu promieniowania. Toru 232 jest w skorupie ziemskiej 350 razy więcej niż U235.

Energia jądrowa a ekologia

Elektrownia o mocy 1000 MWel spala rocznie ok. 3,5 mln ton węgla energetycznego - 8 wagonów na godzinę, emituje rocznie:

9mln ton CO₂

120 000 ton SO₂

20 000 ton NOx

70 000 ton pyłów

1mln ton popiołu

W elektrowni zasilanej węglem brunatnym (np. Bełchatów, PAK- Pątnów -Adamów - Konin, Turów ) o mocy 1000 Mwel zużycie węgla przekracza 8 mln ton/ rok.

Zawartość siarki w węglach polskich waha się od 0,45 % do ponad 2,0% - siarkę pirytową można usuwać w procesie jego uszlachetniania np. flotacji. Spaliny emitowane z elektrowni zawierają metale ciężkie tj. ołów antymon, kadm czy cynk ponadto zawierają policykliczne węglowodory np. furany i dioksyny. Zawierają również uran i tor zdaniem Hrynkiewicza osoby mieszkające blisko elektrowni otrzymują 2 do 3 razy większą dawkę promieniowania niż w okolicy elektrowni jądrowej

Dodatkowe argumenty Hrynkiewicza:

• wydobyciu 3,5 mln ton odpowiada 3 wypadki śmiertelne w górnictwie,

• elektrownia węglowa o mocy 1000 MWel w wyniku emisji zanieczyszczeń powoduje przedwczesny zgon od 100 -500 osób rocznie w zależności od gęstości zaludnienia w USA liczbę tą ocenia się na 25 000 w skali kraju w Anglii na 2000 itd.

EJ o mocy 1000MWel zużywa ok. 30 ton paliwa rocznie i produkuje tyle samo odpadów wysoko radioaktywnych. Sprawność energetyczna ze względu na niższe parametry jest niższa (33% ) w stosunku do elektrowni węglowych wynoszących 37- 38 %.

Kucowski J i inni. Energetyka a ochrona środowiska. WNT Warszawa 1997 r.

HDO lub D₂O odmiana izotopowa wody w której wodór zwykły został zastąpiony izotopem ciężkim deuterem D, następuje wzrost gęstości wody o 10,77% i lepkości o 23,2 %

Chwaszczewski S. Energetyka jądrowa w Polsce . Perspektywy i uwarunkowania. Raport IAE -15/A Instytut Energii Atomowej. Świerk 1995

Hrynkiewicz A. Energia jądrowa - szanse i zagrożenia. Instytut Fizyki Jądrowej im. H. Niewodniczańskiego

P.Dastidar: Nuclear Power... Państwowa Agencja Atomistyki ISBN 83 -7121-002,str.93

J.S Glen The Canadian Slowpoke Hiting Reactor Proc. Nuklear Heat Application, Crakow Des. 1983 Vienna 1994 s 129.

7

REAKTOR

JĄDROWY

Turbina

Generator

Fizyka zjawiska.

W reakcji rozszczepienia jądra np. izotopu uranu ²³⁵ ( lub plutonu czy toru ) po zderzeniu neutronu z jądrem pierwiastka tworzą się dwa jądra pierwiastków lżejszych wydzielające w skutek ubytku masy energię cieplną i wyzwalając 8 neutronów. Energia cieplna przejmowana jest przez obieg i energetyczne. Pozostała część energii wydzielana jest w postaci promieniowania gama i beta

Argumenty za EJ:

• Moc hydroelektrowni na całym świecie wynosi 2,1 TWel co odpowiada 6% zapotrzebowania światowego,

• Cały potencjał hydroenergetyki szacowany jest na 15TWel jednak w XXI wieku jej udział nie przekroczy 10 % - ze względów ekonomicznych,

• Jeszcze mniejsze znaczenie będzie miała energia wiatru, energia promieniowania słonecznego - kolektory słoneczne fotowoltaiczne (η ok. 12% - krzemowe ), czy cieplne, biomasa , energia wiatru, - z problemem braku stabilności systemu

• Energia geotermalna dostępna ekonomiczne w określonych rejonach świata np. Irlandia, Filipiny, Salwador Nikaragua,

• Jedyną alternatywą jest energia jądrowa

Awaria reaktora w Thee Mile Island ( USA )w roku1979 z częściowym stopieniem rdzenia paliwowego dzięki kopule bezpieczeństwa nie spowodowała wydostania się substancji radiokatywnych na zewnątrz.

Czarnobyl : niebezpieczeństwo awarii wynika z dodatniego współczynnika reaktywności ,przy małej mocy i znacznym wypaleniu paliwa może nastąpić znaczny wzrost tem. rdzenia co wymaga niezawodnego chłodzenia W czasie prowadzonego eksperymentu warunku tego nie spełniono.

Zastosowanie wielu wytwornic pary i pomp cyrkulacyjnych wynika ze względów bezpieczeństwa

---