Energetyka Jądrowa. źródło: Wszystko o energetyce jądrowej, AREVA

Transkrypt

1 Energetyka Jądrowa Wykład 5 28 marca 2017 źródło: Wszystko o energetyce jądrowej, AREVA Zygmunt Szefliński Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów szef@fuw.edu.pl

2 Kiedy efektywne spowalnianie? a) Lekkie jądra o masie zbliżonej do neutronu b) Nie powinna zachodzić reakcja wychwytu na jądrze tarczy

3 Jakie jądra spowalniacze? Woda H 2 O (pochłanianie na H) Ciężka woda D 2 O ( O.K. koszty) Grafit - C (ciężki, tani) Beryl - Be (drogi) Uran naturalny 0,71 % - U-235, T 1/2 =0,72 mld lat 99,29 % - U-238, T 1/2 =4,5 mld lat 0,0055% - U-234 produkt rozpadu U-238

4 dn dt Materiał moderatora: -Lekkie jądra: możliwie duża strata energii neutronu przy zderzeniu; -Duży przekrój czynny na zderzenia sprężyste; -Mały przekrój czynny na absorpcję. Woda H 2 O; Ciężka woda D 2 O; Grafit - C Beryl - Be 0 Jakie warunki musi spełnić jednorodny układ złożony z uranu i moderatora aby otrzymać w nim samopodtrzymującą reakcję łańcuchową?

5 Reaktor jądrowy dn Produkcja Absorpcja Ucieczka = dt Produkcja = liczba rozszczepień * liczba neutronów na rozszczepienie Strumień neutronów = n v, gdzie n gęstość neutronów, v - prędkość W reaktorze istnieje całe widmo energii neutronów n(e,r) Dlatego definiujemy strumień neutronów jako funkcję energii neutronów: ( E, r) n( E, r) 2E m n

6 Energia z atomu Energia 1 J (1 w*sek) - 3, rozszczepień - 1, reakcji atomu węgla z dwoma atomami tlenu Do wytworzenia 145 TWh energii elektrycznej wytwarzanej z paliw stałych w Polsce rocznie wykorzystuje się 50 Mton węgla kamiennego i ponad 60 Mton węgla brunatnego. W wyniku spalenia takiej ilości węgla powstaje około 140 Mton CO 2. Do wytworzenia takiej ilości energii elektrycznej potrzeba około 360 ton paliwa jądrowego uzyskanego z ton uranu naturalnego.

7 Energetyka jądrowa Jądrowy blok energetyczny reaktor jądrowy z turbiną i generatorem (Nuclear power unit) Elektrownia jądrowa jeden lub kilka jądrowych bloków energetycznych (Nuclear power plant) umiejscowionych na wydzielonym obszarze z wspólną infrastrukturą techniczną.

8 Zasoby, tys. ton U3O8 Światowe rozpoznane zasoby uranu mln ton U 3 O 8 Wydobycie uranu <80 $/kgu <130 $/kgu Australia 1,074 1,910 Kazachstan 0,662 0,957 Kanada 0,439 0,532 Poł. Afryka 0,298 0,369 Namibia 0,213 0,287 Rosja 0,158 0,218 Brazylia 0,143 0,309 USA 0,102 0,355 Uzbekistan 0,093 0,153 Pozostali 0,480 0,526 Ogółem 3,622 5, Koszt wydobycia $/kg U

9 Wydobycie uranu Przy wydobyciu miedzi Australia Olimpic Dam; Przy wydobyciu złota Rep. Południowej Afryki; Kopalnie odkrywkowe 27%; Kopalnie głębokie ~ 50%; Ługowanie głębokie In Situ Leach (ISL) 20%

10 Przygotowanie do wzbogacenia Wydobyta ruda uranu jest rozdrabniana i przy pomocy kwasu azotowego jest wydobywany uran w postaci U 3 O 8 tzw. yellowcake. W tej postaci (stabilnej) uran jest transportowany do zakładów wzbogacania Cykl paliwowy

11 Kasety paliwowe Temperatura topnienia Cyrkonu T= C Pręty paliwowe

12 Bariery bezpieczeństwa Zbiornik Zbiornik reaktora reaktora Koszulka Koszulka Obudowa bezpieczeństwa Paliwo Paliwo produkty produkty rozszcz. rozszcz.

13 Zr+2H 2 O>2H 2 +ZrO 2 Gwałtowny wzrost mocy reaktora Wrzenie chłodziwa Pogorszenie odbioru ciepła Produkty rozszczepienia 3UO 2 +2H 2 O>2H 2 +U 3 O 8 Awaria reaktywnościowa -przyrost dodatniej reaktywności M T P T Uszkodzenie koszulki paliwa!

14 Elementy jądrowego bloku energetycznego (LWR Light Water Reactor) - Turbina parowa i generator; - Kondensator i układ chłodzenia obiegu wtórnego; - Układ zasilania kondensatem; - Jądrowy układ wytwarzania pary reaktor PWR; - Jądrowy układ wytwarzania pary reaktor BWR

15 Reakcja rozszczepienia

16 Jak działa reaktor jądrowy? Wszystkie pracujące obecnie na świecie reaktory jądrowe wykorzystują energię rozszczepienia jądrowego. Aby produkować energię elektryczną, reaktor jądrowy musi: utrzymywać łańcuchową reakcję rozszczepienia odprowadzać ciepło powstające w tej reakcji, za pomocą płynu zwanego chłodziwem ciepło napędza turbinę połączoną z generatorem generator wytwarza energię elektryczną

17 Jak napędzamy turbinę Dwie możliwości: 1.Chłodziwo może bezpośrednio napędzać turbinę. Dotyczy to, między innymi, reaktorów z wrzącą wodą (BWR). Chłodziwem jest woda. Pod wpływem ciepła z rozszczepień jądrowych woda zamienia się w parę, która napędza turbinę; 2.Ciepło przenoszone przez chłodziwo można przekazywać innej cieczy w wymienniku ciepła, nazywanym wytwornicą pary. W praktyce, tą drugą cieczą zawsze jest woda. Woda ta, zamieniona w parę w wymienniku ciepła, napędza turbinę. Takie rozwiązanie przyjęto w ciśnieniowych reaktorach wodnych (PWR). Wszystkie reaktory energetyczne eksploatowane we Francji należą do tego typu.

18 Elementy jądrowego bloku energetycznego (LWR) - Turbina parowa i generator; - Kondensator i układ chłodzenia obiegu wtórnego (skraplacz) ; - Układ zasilania kondensatem; - Jądrowy układ wytwarzania pary reaktor PWR; - Jądrowy układ wytwarzania pary reaktor BWR

19 Reaktor typu BWR Reaktor wodny wrzący, w skrócie BWR (ang. Boiling Water Reactor) reaktor moderowany i chłodzony wodą cyrkulującą w jednym obiegu pod ciśnieniem 7,6 Mpa (75 atm). Temperatura wrzenia C. Lekka woda pełni jednocześnie funkcje moderatora i czynnika roboczego; wytworzona w reaktorze para jest kierowana do turbiny, a po ochłodzeniu w skraplaczu ponownie do reaktora. Para wodna I obiegu napędza turbinę!

20 Reaktor PWR Reaktor wodny ciśnieniowy, w skrócie PWR (ang. Pressurized Water Reactor) reaktor, w którym moderatorem jest zwykła (lekka) woda pod ciśnieniem ok. 15 Mpa (150 atm). Woda pod tym ciśnieniem nie wrze nawet przy temperaturach powyżej 300 C i spełnia jednocześnie funkcję czynnika chłodzącego i spowalniacza. Reaktor PWR produkuje gorącą wodę pod dużym ciśnieniem, która następnie trafia do wytwornicy pary. Tam oddaje ciepło wodzie pod niższym ciśnieniem, która zmienia się w parę mokrą (zazwyczaj 275 C i 6 MPa). Ta para po osuszeniu napędza turbinę. Dwa obiegi czynnika roboczego (wody)!!! Para wodna wtórnego obiegu napędza turbinę!

21 Rozpowszechnienie reaktorów Technologia reaktorów lekkowodnych (LWR), obejmująca reaktory wodne ciśnieniowe (PWR albo WWER (Wodno Wodnyj Energeticzeskij Reaktor) oraz reaktory wodne wrzące (BWR), jest zdecydowanie najbardziej rozpowszechniona na świecie wśród obecnie pracujących reaktorów. Pozostałe reaktory zajmują tylko określone, specyficzne nisze technologiczne. PWR przeważają ilościowo (49 % wszystkich reaktorów na świecie w 2005 roku), 60 % reaktorów to reaktory lekkowodne - LWR).

22 Elementy potrzebne do pracy reaktora paliwo chłodziwo pochłaniacze neutronów moderator obiegi przenoszące ciepło z rozszczepień źródło neutronów

23 Paliwo Paliwo, czyli mieszanka materiałów rozszczepialnych i paliworodnych. Paliwem jądrowym może być: uran, pluton tor (jednak tor musi być połączony z materiałem rozszczepialnym). Materiały te można stosować w postaci tlenków, metali, węglików albo azotków. Większość eksploatowanych obecnie na świecie reaktorów używa uranu. Niektóre pracują z mieszanką tlenku uranu i plutonu. Toru nie stosuje się na skalę przemysłową.

24 Uran naturalny 0,71 % - U-235, T 1/2 =0,72 mld lat 99,29 % - U-238, T 1/2 =4,5 mld lat 0,0055% - U-234 produkt rozpadu U-238 W reaktorze PWR paliwem jest przede wszystkim uran w postaci tlenku, wzbogacony w izotop rozszczepialny U 235 do poziomu 3-5 %. Paliwo umieszczone w zbiorniku reaktora tworzy jego rdzeń.

25 Chłodziwo Chłodziwo, które może być gazem (hel, dwutlenek węgla, para wodna), cieczą (woda pod ciśnieniem) albo ciekłym metalem (stopiony sód). Chłodziwo musi mieć: wysoką pojemność cieplną, nie powinno nadmiernie wychwytywać neutronów. Chłodziwo omywa pręty paliwowe, z którymi się styka i od których odbiera ciepło wydzielane przez reakcje rozszczepienia, zachodzące wewnątrz każdego z nich;

26 Pochłaniacze neutronów Pochłaniacze neutronów w każdej chwili pozwalają kontrolować łańcuchową reakcję rozszczepienia oraz moc wytwarzaną przez tę reakcję. W zależności od potrzeb, wprowadza się do rdzenia reaktora albo usuwa się z niego pierwiastki, których jądra atomowe pochłaniają neutrony. Pochłaniacze neutronów (przeważnie węglik boru, tlenek gadolinu, hafn, erb względnie stop srebra, indu i kadmu) wkłada się do ruchomych prętów, z których złożone są zestawy regulacyjne rdzenia reaktora. Pochłaniaczami neutronów mogą także być substancje rozpuszczone w chłodziwie, których stężeniem się steruje (na przykład kwas borowy), albo materiał zawarty w samym paliwie (pastylki zawierające tlenek gadolinu);