Czyste energie wykład 11 Energetyka jądrowa dr inż. Janusz Teneta Wydział EAIiIB Katedra Automatyki i Inżynierii Biomedycznej AGH Kraków 2014 ELEKTROWNIE Damazy Laudyn Maciej Pawlik Franciszek Strzelczyk Wydawnictwa Naukowo Techniczne Warszawa 1997 1
Budowa atomu Budowa atomu 28 14 Si 2
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! 3
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] 4
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 5
Energia wiązań nukleonów w jądrze 4 2 He Energia wiązania przypadająca na jeden nuklenon w funkcji liczby masowej Reakcje rozszczepiania jader pierwiastków ciężkich 6
Reakcje rozszczepiania jader pierwiastków ciężkich Reakcje rozszczepiania jader pierwiastków ciężkich 7
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 0,71% 235 U 238 99,29% U 92 lekko wzbogacony 235 238 2-4% U reszta U 92 mocno wzbogacony 235 238 nawet do 93% U reszta U 92 92 92 92 8
Izotopy możliwe do rozszczepienia neutronami termicznymi 235 92 239 233 U 94 Pu 92 U 235 92 Izotopy paliworodne Izotopy możliwe do rozszczepienia neutronami termicznymi 239 233 U 94 Pu 92 U Izotopy rozszczepialne Reakcje powielania paliwa 9
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.. 10
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. 11
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 12
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 13
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 14
Reaktor termiczny -schemat Reaktor termiczny -paliwo Uran naturalny lub wzbogacony, tlenki uranu, węgliki uranu 15
Paliwo jądrowe Rdzeń reaktora badawczego 16
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. 17
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 18
Ciśnieniowe reaktory wodne Ciśnieniowe reaktory wodne 19
Reaktor wodno-ciśnieniowy PWR Reaktor z wrzącą wodą BWR 20
Reaktor z wrzącą wodą BWR zabezpieczenia Reaktory kanałowe 21
Reaktor RBMK Reaktor gazowy AGR 22
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 23
Reaktory prędkie Reaktor prędki powielający 24
Reaktor WWER - parametry Reaktor WWER - schemat 25
Reaktor WWER - przekrój Elektrownie jądrowe porównanie parametrów 26
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) 27
Dziękuję za uwagę!!! 28