Jaderná energie a energetika
Hvězdárna Vsetín, Chip 2003
Historie - 8.11.1895 - W.C. Roentgen objevil záření X - 24.2.1896 - A.H. Becquerel objevil radioaktivitu. - 1898 - Curieovi objevili radium - 1900 - O.Walkhoff zjistil, že záření ničí tkáň - 1902 - E.Rutherford a F.Soddy zjistili, že vyzářením alfa částice vzniká z uranu jiný prvek - 1906 - B.B. Boltwodd zkoumal rozpadovou řadu uranu
- 1910 - Rutherford sestrojil první model atomu: těžké pozitivně nabité jádro lehké negativně nabité elektrony
Historie - 1913 - A.H.D.Bohr vylepšil Rutherfordův model atomu - 1919 - Rutherford provedl první transmutaci prvku - 1922 - Rutherford rozbil atom a vyrazil z něj protony - 1922 - W Pauli objevil jaderný spin - 1925 - W.K.Heisenberg vyvinul mechaniku - kvantovou 1928 - G.Gamov navrhuje používat protony místo alfa částic při pokusech - 1930 - E.Lawrence sestrojil cyklotron
Historie - 1931 - J.D. Cockroft a E.T. Walton uskutečnili první jadernou reakci. R. 1934 Chadwick dokázal, že se uvolňovaly neutrony, nikoli gama záření, jak Cockfort s Waltonem čekali - 1932 - Heisenberg sestavil novou teorii o fyzice atomového jádra, která zahrnovala neutrony a vysvětlovala pomocí nich stabilitu jádra - 1934 - I. a F. Joliot - Curieovým se podařila přeměna atomů na atomy vyššího řádu - 1938 - O.Hahn a F.Strassman štěpí jádro uranu. L.Meitnerová uvažuje o uvolňování energie při štěpení
Historie - 2.8.1939 - dopis A. Einsteina Roosveltovi - 2.12.1942 - v 15:45 m.č. uvedena do chodu první štěpná řetězová reakce navozená člověkem E.Fermi, Chicago, univerzitní stadion
Historie - 1940 - 1945 - projekt Manhattan - 6./9.8.1945 - atomové útoky: Hirošima, Nagasaki - 20.12.1951 - v Idaho spuštěn první množivý reaktor EBR - I. Jako první na světě dodával el. energii - červen 1954 - první „komerční“ jaderná elektrárna v Obninsku v SSSR o výkonu 5 MW -1956 - v Calder Hall první moderní jaderná elektrárna s reaktorem typu MAGNOX
Princip
Princip
dvouokruhové řešení výhodou je, že chladivo v sekundárním okruhu není radioaktivní
Typy reaktorů 1) Lehkovodní (LWR) (85%): moderátorem i chladivem je lehká voda Rozlišujeme dva druhy: a) tlakovodní (PWR) (63%) b) varný (BWR) (22%) 2) Grafitové (9%) moderátorem grafit, chladivem CO2, He nebo lehká voda Rozlišujeme: a) plynem chlazený (MAGNOX/GCR) (1,5%) b) zdokonalený plynem chlazený (AGR) (2,5%)
Typy reaktorů c) vodou chlazený (LWGR) (5%) d) vysokoteplotní (HTGR) 3) Těžkovodní (HWR) (5%) moderátorem těžká voda chladivem voda, CO2 nebo těžká voda 4) Rychlé množivé (FBR) (1%) bez moderátoru, chladivem sodík
Podíl jednotlivých typů na výrobě energie
Počty reaktorů (podle států) USA – 104
Ukrajina – 13
Maďarsko – 4
Francie – 59
Švédsko – 11
Finsko – 4
Japonsko – 54
Španělsko – 9
Argentina, Brazílie,
Velká Británie – 31
Belgie – 7
Litva, Mexiko,
Rusko – 30
Čína – 7
Pákistán, JAR – 2
Německo – 19
ČR – 6
Arménie, Nizozemí,
Již. Korea – 18
Slovensko – 6
Rumunsko, Slovinsko -1
Kanada – 14
Švýcarsko – 5
Indie - 14
Bulharsko – 4
Dokončené a rozestavěné reaktory – rok 2002 Dokončené:
Rozestavěné:
Čína Čchin-Šan 610/650 MW
Indie Kaiga
2*202 MW
Čína Lingao
2*938 MW
Indie Radžastán
2*202 MW
ČR Temelín
912 MW
Indie Kudankulam 2*905 MW
JK
Yonggwan 950 MW
KLDR PWR
1040 MW
Popisy jednotlivých typů
PWR (VVER)
Moderátor: lehká voda Chladivo: lehká voda
Aktivní zóna: Palivem je obohacený uran ve formě tabletek oxidu uraničitého uspořádaných do palivových tyčí. Výměna paliva probíhá při odstaveném reaktoru zpravidla jednou za 1 až 1 a půl roku. Nahradí se 1/3 vyhořelých článků.
Typické parametry reaktoru: - obohacení U235 na 3,1% až 4,4% - rozměry: 3 * 3.5 m - tlak vody: 17,5 MPa - teplota vody na výstupu: 324°C - účinnost: 32,7% - množství paliva: 60 až 80 tun UO2
BWR
Moderátor: lehká voda Chladivo: lehká voda
Aktivní zóna: Palivem je obohacený uran ve formě tabletek oxidu uraničitého uspořádaných do palivových tyčí. Výměna paliva probíhá při odstaveném reaktoru zpravidla jednou za 1 až 1 a půl roku.
Typické parametry reaktoru: - obohacení na 2,1% - rozměry: 4,5 * 3,7 m - tlak vody: 7 MPa - teplota páry na výstupu: 286°C - účinnost: 33,3% - množství paliva: 122,3 tun UO2
GCR (MAGNOX)
Moderátor: grafit Chladivo: oxid uhličitý
Aktivní zóna: Palivem je přírodní kovový uran ve formě tyčí po krytých oxidem magnezia, které tvoří palivové tyče. Palivo se vyměňuje za provozu.
Typické parametry reaktoru: - obohacení na 0,7% tj. přírodní uran - rozměry: 17,4 * 9,1 m - tlak CO2: 2,75 MPa - teplota CO2 na výstupu: 360°C - teplota moderátoru: 340°C - účinnost: 25,8% - množství paliva: 595 tun uranu
AGR
Moderátor: grafit Chladivo: oxid uhličitý
Aktivní zóna: Palivem je uran obohacený izotopem 235U ve formě oxidu uraničitého, moderátorem grafit, chladivem oxid uhličitý.
Typické parametry reaktoru: - obohacení na 2,3% - rozměry: 9,1 * 8,5 m - tlak CO2: 5,5 MPa - teplota CO2 na výstupu 450°C
LWGR (RBMK)
Moderátor: grafit Chladivo: lehká voda Černobylský typ
Aktivní zóna: Palivem je přírodní nebo slabě obohacený uran ve formě oxidu uraničitého.Palivové tyče jsou vloženy v kanálech, kudy proudí chladivo obyčejná voda
Typické parametry reaktoru: - obohacení na 1,8% - rozměry: 11,8 * 7,0 m - tlak nas. páry: 6,9 MPa - teplota směsi páry a vody na výstupu: 284°C - účinnost: 31,3% - množství paliva: 197 tun UO2
HTGR(N)
Moderátor: grafit Chladivo: hélium
HTGR(A)
Moderátor: grafit Chladivo: hélium
Aktivní zóna: Palivem je vysoce obohacený uran ve formě malých kuliček oxidu uraničitého (0,5 mm v průměru).Kuličky povlékané třemi vrstvami karbidu křemíku a uhlíku jsou rozptýlené v koulích z grafitu.
Typické parametry reaktoru: - obohacení na 93% ! - rozměry: 5,6 * 6 m (675000 graf. koulí) - teplota hélia na výstupu: 750°C - tlak hélia: 5 MPa - účinnost: 39% - množství paliva: 0,33 tuny UO2 a 6,06 tuny ThO2
HWR (CANDU)
Moderátor: těžká voda Chladivo: těžká voda
Aktivní zóna: Palivem je pří rodní uran ve formě oxidu uraničitého, chladivem a moderátorem těžká voda.. Těžkovodní moderátor v nádobě musí být chlazen, neboť moderační schopnost se snižuje se zvyšující se teplotou.
Typické parametry reaktoru: - obohacení na 0,7% tj. přírodní uran - rozměry: 7 * 5,9 m - teplota těžké vody na výstupu: 305°C - tlak těžké vody: 9,3 MPa - teplota moderátorové těžké vody: 30°C - účinnost: 30% - množství paliva: 117 tun UO2
FBR
Moderátor: není Chladivo: kapalný sodík
Aktivní zóna: Palivem je plutonium ve směsi oxidu plutoničitého a uraničitého. Během provozu vyprodukuje více nového plutoniového paliva, než kolik sám spálí. Reaktor nemá moderátor, pracuje na rychlých neutronech
Typické parametry reaktoru: - obohacení plutoniem: 16,6% - rozměry: 3,7 * 1 m - teplota sodíku na výstupu: 545°C - tlak sodíku: 0,25 MPa - účinnost: 42% - množství paliva: 31,5 tuny PuO2/UO2
Reaktorové machrovinky - ADTT - urychlovačem řízená transmutační technologie: urychlovač bombarduje terčík z těžkého kovu protony, dochází k transmutaci prvku a jeho rozpadu, přičemž se uvolňují neutrony, které způsobují samotnou štěpnou reakci.
ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) Funguje na principu tokamaku
ITER
České jaderné elektrárny
Temelín
Temelín
Dukovany
Dukovany
Temelín Elektřinu vyrábí ve dvou výrobních blocích s tlakovodními reaktory VVER 1000 typu V 320. Na jaře 2003 se temelínská elektrárna s instalovaným elektrickým výkonem 1962 MW stala největším energetickým zdrojem České republiky. Po roce 1990 došlo v projektu elektrárny Temelín k řadě úprav za účelem zvýšení spolehlivosti a bezpečnosti na úroveň západních elektráren. Od roku 1991 byla elektrárna podrobena již 20 nejrůznějším kontrolám inspektorů Mezinárodní agentury pro atomovou energii a jejich doporučení ke zlepšení spolehlivosti a bezpečnosti elektrárny byla v průběhu výstavby a spouštění realizována. Zkušební provoz prvního bloku byl zahájen 10. června 2002. Na druhém bloku začal 18. dubna 2003. Uvedením dvou temelínských bloků do zkušebního provozu se spolu s jadernou elektrárnou Dukovany zvýšil podíl výroby jaderných zdrojů akciové společnosti ČEZ na 45 %
Dukovany Jaderná elektrárna Dukovany je dosud největší elektrárnou s instalovaným elektrickým výkonem 1 760 MW. V elektrárně jsou ve dvou dvojblocích instalovány celkem čtyři tlakovodní reaktory typu VVER 440 - model V 213, každý o elektrickém výkonu 440 MW. Palivem je oxid uraničitý UO2 s průměrem 3,82 % obohacením uranu o štěpitelný izotop uranu - 235. Palivo je v reaktoru umístěno v 312 palivových článcích. Každý článek je tvořen 126 palivovými proutky, ve kterých je palivo hermeticky uzavřeno. Mimo to je v reaktoru 37 regulačních kazet s palivovou částí. Zlepšené parametry paliva umožnily přejít v roce 1997 z tříletého na čtyřletý palivový cyklus.
Havárie
Hodnocení jaderných havárií (INES) INES = (The International Nuclear Event Scale) 4. Havárie s účinky v jaderném zařízení – Malý únik radioaktivity mimo elektrárnu. Okamžité následky na pracovníky jaderné elektrárny a následuje kontrola potravin v okolí. 5. Havárie s účinky na okolí - Únik radioaktivních štěpných produktů mimo elektrárnu. Velká část aktivní zóny je poškozena tavením nebo mechanicky. 6. Závažná havárie – Únik radioaktivních štěpných produktů mimo elektrárnu. Opatření pro obyvatelstvo – evakuace nebo ukrytí. 7. Velká havárie – Únik velkého množství radioaktivních látek z aktivní zóny reaktoru mimo elektrárnu. Dlouhodobé následky pro životní prostředí.
Havárie v jaderných elektrárnách (výběr)
- WINDSCALE (VB 1957) INES - 4 - SAINT LAURENT (Fr 1969 a 1980) INES - 4 - JASLOVSKÉ BOHUNICE (ČSSR 1977) INES - 4 - THREE MILE ISLAND (USA 1979) INES - 5 - ČERNOBYL (SSSR 1986) INES - 7
WINDSCALE (VB 1957) INES - 4 - první závažnější havárie - požár reaktoru - reaktor nebyl energetický, pokusný pro výrobu plutonia - došlo k úniku radioaktivních látek - nehoda nebyla brána příliš vážně - dnes Sellafield
SAINT LAURENT (Fr 1969 a 1980) INES - 4 Při noční směně 17.10.1969 vložil operátor do snímače manipulátoru děrnou pásku s programem automatické výměny několika článků. Spuštěný manipulátor se po chvíli zastavil a signalizoval, že adresovaný box čerstvých článků je prázdný. Operátor v rozporu s předpisy automatiku vyřadil a ručně navedl stroj k jiné přihrádce, v níž však místo článků ležely grafitové zátky. Po jejich vložení se v kanálu zastavil průtok vody a zbývající články (asi 50 kg) se roztavily. Jakmile z nich uvolněné štěpné produkty kontaminovaly vody primárního okruhu, automatika reaktor odstavila a vyhlásila poplach. Zbavit reaktor taveniny a kontaminace trvalo více než rok a vyžádalo si mimořádné úsilí. Ze závěrů komise EdF vyplynulo, že do programu se sice vloudila chyba, avšak operátor v několika bodech porušil předpisy, a byl proto potrestán třemi roky vězení. Podobná nehoda se opakovala v roce 1980 i na sousedním reaktoru. V obou případech vznikla značná škoda na zařízení i výpadku výkonu po dobu víc než jednoho roku, nikdo však neutrpěl zranění a mimo elektrárnu neunikla radioaktivita.
JASLOVSKÉ BOHUNICE (ČSSR 1977) INES - 4 K havárii těžkou vodou moderovaného a plynem (CO2) chlazeného reaktoru čs. jaderné elektrárny A -1 s výkonem 103 MWe došlo po čtyřletém ověřovacím provozu 22. února 1977 při výměně paliva. Ve snaze urychlit výměnu palivového článku, aby nedošlo k samovolnému odstavení reaktoru, neodstranila obsluha jeho ochrannou silikagelovou vložku. Ta v kanálu znemožnila průtok chladícího plynu a palivo se začalo tavit. Když se protavila i kanálová trubka, dostala se do primárního okruhu těžká voda. Rychlou erozí narušila povlak čtvrtiny z 570 založených článků. Radioaktivní zplodiny zamořily primární okruh a přes netěsnosti parogenerátorů došlo i ke kontaminaci sekundárního okruhu parovodů, turbíny a kondenzátoru. Ani zde nebyl nikdo zraněn nebo nadměrně ozářen.
THREE MILE ISLAND (USA 1979) INES - 5 Reaktor pracoval na 98% nominálního výkonu, když se ráno kole 4:00 m.č. odpojil oběh vody pro turbíny. Tím vypadlo chlazení a došlo k přehřátí reaktoru. Automatický havarijní systém selhal. radioaktivní voda vytekla mezi Reaktor a obal, radioaktivní látky unikly i do řeky. 30 000 lidí bylo evakuováno v okolí 8 km od elektrárny. Exemplární příklad selhání techniky i lidí. Tento incident značně otřásl vírou v jadernou energetiku.
ČERNOBYL (SSSR 1986) INES - 7 Elektroinženýři prováděli plánované testy. Došlo ke snížení výkonu reaktoru. Po různých pokusech a vypnutích všech bezpečnostních a havarijních došlo k rozpadu paliva, to proniklo ochrannými trubkami, čímž vznikla pára. Ta měla tak vysoký tlak, že odhodila betonový kontejment o hmotnosti 1000 tun! Dále došlo k rozmetání Grafitového moderátoru a úniku radioaktivních látek do volné atmosféry.
ČERNOBYL - pokračování
Aplikace v kosmonautice - plutoniové termoelektrické generátory: (Pioneer, Voyager, Galileo, Cassini, Viking Lander) - NERVA - americký projekt v 70. Letech. Využití jaderných reaktorů pro pohon raket pro dobytí Marsu. - Prometheus - současný projekt NASA. Nejde o pohon raket, ale jako energetický zdroj sond. - JIMO - Jupiter Icy Moons Orbiter – předváděcí mise projektu Prometheus. Plánovaný start 2011 :-)))))))))
Nukleární pohony raket
Nukleární pohony raket
Nukleární pohony raket
Nukleární pohony raket
JIMO
Při zpracování použity materiály: ČEZ a.s. (http://www.cez.cz/cze/public/energie/) MAAE (www.iaea.org) Kronika techniky (Fortuna Print, 1993)
Doporučené odkazy: http://www.fas.org/nuke/space/c04rover.htm http://www.aemann.pwp.blueyonder.co.uk/spacecraft/nerva/nerva.html http://www.astronautix.com/project/nerva.htm
KONEC
