Czyste energie wykład 13 Energetyka jądrowa dr inż. Janusz Teneta Wydział EAIiIB Katedra Automatyki i Inżynierii Biomedycznej AGH Kraków 2013
ELEKTROWNIE Damazy Laudyn Maciej Pawlik Franciszek Strzelczyk Wydawnictwa Naukowo Techniczne Warszawa 1997
Budowa atomu
Budowa atomu 28 14 Si
Budowa atomu Liczba masowa (ilość nukleonów) A Liczba atomowa (ilość protonów) Z 28 14 Si
Masa każdego jądra atomowego jest mniejsza od sumy mas nukleonów (neutronów i protonów) wchodzących w jego skład!
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
Energia wiązań nukleonów w jądrze E w = Δm * c 2 Gdzie: c prędkość światła ~ 300 * 10 6 [m/s]
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
Energia wiązań nukleonów w jądrze Energia wiązania przypadająca na jeden nuklenon w funkcji liczby masowej
Energia wiązań nukleonów w jądrze He 4 2 Energia wiązania przypadająca na jeden nuklenon w funkcji liczby masowej
Reakcje rozszczepiania jader pierwiastków ciężkich
Reakcje rozszczepiania jader pierwiastków ciężkich
Reakcje rozszczepiania jader pierwiastków ciężkich
Reakcje rozszczepiania jader pierwiastków ciężkich Jeden kilogram uranu zawiera 2,46 * 10 24 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 180 000 MWh.
Rodzaje uranu naturalny 235 92 238 92 0,71% U 99,29% U lekko wzbogacony 235 92 2-4% U reszta U mocno wzbogacony 235 92 238 92 238 92 nawet do 93% U reszta U
Izotopy możliwe do rozszczepienia neutronami termicznymi 235 92 U 239 Pu 233 U 94 92
Izotopy możliwe do rozszczepienia neutronami termicznymi 235 92 Izotopy paliworodne U 239 Pu 233 U 94 92 Izotopy rozszczepialne Reakcje powielania paliwa
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 10 000 km/s
Przekrój czynny Używany do oceny oddziaływania neutronów z jadrami atomowymi Jest miarą prawdopodobieństwa wystąpienia reakcji jądrowej danego typu Jednostka 1 barn = 10-24 cm 2 Przekroje czynne na: absorpcję, rozszczepianie, rozpraszanie, wychwyt radiacyjny itd..
Przekrój czynny
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.
Reaktor termiczny -schemat
Reaktor termiczny -paliwo Uran naturalny lub wzbogacony, tlenki uranu, węgliki uranu
Paliwo jądrowe
Rdzeń reaktora badawczego
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
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 2 0 150mm,
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
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.
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
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
Reaktywność regulacja mocy reaktora Reaktywność reaktora: q = 1-1/k ef Odchylenie przebiegu reakcji łańcuchowej w rdzeniu reaktora od stanu krytycznego.
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 : 4-100 MWd/kg (od 0,4% do 11% ) Cykl paliwowy reaktor, leżakowanie w basenach, odsyłanie częściowo zużytego paliwa do zakładów przeróbki, wzbogacanie, powrót do elektrowni
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
Ciśnieniowe reaktory wodne
Ciśnieniowe reaktory wodne
Reaktor wodno-ciśnieniowy PWR
Reaktor z wrzącą wodą BWR
Reaktor z wrzącą wodą BWR zabezpieczenia
Reaktory kanałowe
Reaktor RMBK
Reaktor gazowy AGR
Reaktor gazowy AGR
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
Reaktory prędkie
Reaktor prędki powielający
Reaktor WWER - parametry
Reaktor WWER - schemat
Reaktor WWER - przekrój
Elektrownie jądrowe porównanie parametrów
Reaktory zwiększanie bezpieczeństwa
Porównanie do klasycznych elektrowni Koszt budowy : 130-240% (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)
Dziękuję za uwagę!!!