Czyste energie. Energetyka jądrowa. wykład 13. dr inż. Janusz Teneta. Wydział EAIiIB Katedra Automatyki i Inżynierii Biomedycznej

Transkrypt

1 Czyste energie wykład 13 Energetyka jądrowa dr inż. Janusz Teneta Wydział EAIiIB Katedra Automatyki i Inżynierii Biomedycznej AGH Kraków 2013

2 ELEKTROWNIE Damazy Laudyn Maciej Pawlik Franciszek Strzelczyk Wydawnictwa Naukowo Techniczne Warszawa 1997

3 Budowa atomu

4 Budowa atomu Si

5 Budowa atomu Liczba masowa (ilość nukleonów) A Liczba atomowa (ilość protonów) Z Si

6 Masa każdego jądra atomowego jest mniejsza od sumy mas nukleonów (neutronów i protonów) wchodzących w jego skład!

7 Defekt masy Δm = Zm p + Nm n m A Gdzie: Z liczba protonów w jądrze N = (A-Z) liczba neutronów w jądrze m p, m n masa protonu i neutronu m A -masa jądra

8 Energia wiązań nukleonów w jądrze E w = Δm * c 2 Gdzie: c prędkość światła ~ 300 * 10 6 [m/s]

9 Energia wiązań nukleonów w jądrze Jednostka energii w fizyce jądrowej to 1eV Jest to energia jaką uzyskuje ładunek elementarny w polu elektrycznym o różnicy Potencjałów 1V. 1eV = 1,6021*10-9 J

10 Energia wiązań nukleonów w jądrze Energia wiązania przypadająca na jeden nuklenon w funkcji liczby masowej

11 Energia wiązań nukleonów w jądrze He 4 2 Energia wiązania przypadająca na jeden nuklenon w funkcji liczby masowej

12 Reakcje rozszczepiania jader pierwiastków ciężkich

13 Reakcje rozszczepiania jader pierwiastków ciężkich

14 Reakcje rozszczepiania jader pierwiastków ciężkich

15 Reakcje rozszczepiania jader pierwiastków ciężkich Jeden kilogram uranu zawiera 2,46 * jąder Zakładając ich całkowite rozszczepienie uzyska się energię 4,97*10 26 MeV=79,6*10 9 kj=22100 MWh. Odpowiada to spaleniu w konwencjonalnej elektrowni 9500 ton węgla kamiennego Przy syntezie takiej samej ilości jąder deuteru i trytu można uzyskać energię MWh.

16 Rodzaje uranu naturalny ,71% U 99,29% U lekko wzbogacony % U reszta U mocno wzbogacony nawet do 93% U reszta U

17 Izotopy możliwe do rozszczepienia neutronami termicznymi U 239 Pu 233 U 94 92

18 Izotopy możliwe do rozszczepienia neutronami termicznymi Izotopy paliworodne U 239 Pu 233 U Izotopy rozszczepialne Reakcje powielania paliwa

19 Rodzaje neutronów termiczne ok. 0,025 ev, 2,2 km/s (typowe dla ruchu cząstek w temperaturze pokojowej) pośrednie (epitermiczne) 0,03 ev 0,1 MeV prędkie > 0,1MeV, ponad km/s

20 Przekrój czynny Używany do oceny oddziaływania neutronów z jadrami atomowymi Jest miarą prawdopodobieństwa wystąpienia reakcji jądrowej danego typu Jednostka 1 barn = cm 2 Przekroje czynne na: absorpcję, rozszczepianie, rozpraszanie, wychwyt radiacyjny itd..

21 Przekrój czynny

22 Reaktory jądrowe Urządzenia, w których zachodzi regulowane wyzwalanie energii jądrowej w procesie samopodtrzymującej się reakcji łańcuchowej. Jako paliwo mogą być wykorzystywane trzy podstawowe pierwiastki: uran, pluton i tor. Najkorzystniejsze właściwości jądrowe (samoczynne utrzymanie reakcji łańcuchowej i jej kontrolowanie) mają izotopy rozszczepialne neutronami termicznymi.

23

24 Reaktor termiczny -schemat

25 Reaktor termiczny -paliwo Uran naturalny lub wzbogacony, tlenki uranu, węgliki uranu

26 Paliwo jądrowe

27 Rdzeń reaktora badawczego

28 Reaktor termiczny -elementy Pręty paliwowe długość nawet do kilku metrów, grupowane po kilkadziesiąt sztuk w kasetach Moderator (spowalniacz) zmniejsza energię neutronów do poziomu termicznego. Stosowane są pierwiastki o małej liczbie atomowej, dużym przekroju czynnym na rozpraszanie neutronów i małym na pochłanianie neutronów zwykła (lekka) woda H 2 O, ciężka woda D 2 O, grafit

29 Reaktor termiczny -elementy Reflektor warstwa materiału o dużym przekroju czynnym na rozpraszanie i małym na wychwyt neutronów. Zawraca neutrony do rdzenia umożliwiając zmniejszenie wymiarów reaktora. Wykonuje się go zwykle z tego samego materiału co moderator. Optymalne grubości reflektora: grafit 800mm, H mm,

30 Reaktor termiczny -elementy Układ chłodzenia odprowadza ciepło wytworzone w rdzeniu, za pośrednictwem chłodziwa do wytwornicy pary lub bezpośrednio na turbinę. Chłodziwo: duża przewodność cieplna, stałe parametry fizykochemiczne dla szerokiego zakresu temperatur, możliwie mała aktywacja. Stosuje się wodę, ciężką wodę, ciekłe metale (Na), gazy CO 2 hel

31 Reaktor termiczny -elementy Układy sterujące oddziaływują na wartość strumienia neutronów. Pręty regulacyjne z materiałów silnie pochłaniających neutrony (bor, kadm, ind, hafn i ich związki). Pręty rozmieszczone są pomiędzy kasetami z prętami paliwowymi. Ma to zapewnić efektywność ich działania i równomierną promieniową gęstość strumienia neutronów.

32 Reaktor termiczny -elementy Osłona termiczna zabezpiecza zbiornik reaktora przed nadmiernymi naprężeniami termicznymi. Stanowi jedną lub dwie warstwy stali nierdzewnej z dodatkiem boru (3%) i otacza rdzeń reaktora. Zbiornik reaktora izoluje rdzeń reaktora i chłodziwo od otoczenia Osłona biologiczna zewnętrzna obudowa reaktora. Konstrukcja betonowa z dodatkami pochłaniającymi substancje promieniotwórcze

33 Reaktywność regulacja mocy reaktora Efektywny współczynnik mnożenia k ef stosunek liczby neutronów danej generacji do ich liczby w poprzedniej generacji. k ef =1 : łańcuch reakcji jest w równowadze, a reaktor w stanie krytycznym k ef <1 : łańcuch reakcji jest w zanikający (zbieżny), a reaktor w stanie podkrytycznym k ef >1 : reaktor jest w stanie nadkrytycznym

34 Reaktywność regulacja mocy reaktora Reaktywność reaktora: q = 1-1/k ef Odchylenie przebiegu reakcji łańcuchowej w rdzeniu reaktora od stanu krytycznego.

35 Wypalanie paliwa jądrowego Podczas pracy paliwo ulega stopniowemu wypaleniu. Zmniejsza się wzbogacenie. Wymagane są okresowe przeładunki paliwa. Zatrucie rektora przez produkty rozszczepiania o dużym przekroju czynnym na absorpcję neutronów, uszkodzenia radiacyjne materiału paliwowego, wychwyt radiacyjny. Wypalenie ilość energii możliwej do uzyskania z 1kg paliwa : MWd/kg (od 0,4% do 11% ) Cykl paliwowy reaktor, leżakowanie w basenach, odsyłanie częściowo zużytego paliwa do zakładów przeróbki, wzbogacanie, powrót do elektrowni

36 Typy reaktorów Ciśnieniowe reaktory wodne: PWR (Presurized Water Reactor), WWER (Wodo-Wodjanoj Energeticzeskij Reaktor) Reaktory z wrzącą wodą BWR (Boiling Water Reactor) Reaktory kanałowe RBMK (Reaktor Bolszoj Moszcznosti Kanalnyj) Reaktory z ciężką wodą HWR (Heavy Water Reactor) kanałowy CANDU (Canadian Deuterium Uranium Reactor) Reaktory chłodzone gazem GCR, AGR Reaktory prędkie chłodzone ciekłym metalem LMFBR i gazem HTGR

37 Ciśnieniowe reaktory wodne

38 Ciśnieniowe reaktory wodne

39 Reaktor wodno-ciśnieniowy PWR

40 Reaktor z wrzącą wodą BWR

41 Reaktor z wrzącą wodą BWR zabezpieczenia

42 Reaktory kanałowe

43 Reaktor RMBK

44 Reaktor gazowy AGR

45 Reaktor gazowy AGR

46 Reaktory prędkie Rozszczepianie jąder wywołane jest neutronami prędkimi Paliwem są paliwa wysokowzbogacone lub izotopy rozszczepialne : Materiały rozszczepialne: 235 U, 233 U, 239 Pu oraz materiały paliworodne 238 U, 232 Th. Praca bez moderatora mniejsze wymiary rdzenia Pierwotny obwód chłodzący z sodem Ze względu na promieniotwórcze izotopy sodu wymagany jest pośredni obwód chłodzący

47 Reaktory prędkie

48 Reaktor prędki powielający

49 Reaktor WWER - parametry

50 Reaktor WWER - schemat

51 Reaktor WWER - przekrój

52 Elektrownie jądrowe porównanie parametrów

53 Reaktory zwiększanie bezpieczeństwa

54 Porównanie do klasycznych elektrowni Koszt budowy : % (średnio 170%) kosztów elektrowni węglowej Koszt paliwa w cenie produkowanej energii: Elektrownia węglowa 60-70% Elektrownia jądrowa 20-26% (z czego 40-50% to koszt uranu naturalnego) Porównywalna cena produkcji energii elektrycznej (z tendencją do niższej ceny w elektrowniach jądrowych)

55 Dziękuję za uwagę!!!