Termoenergetska postrojenja

1. Uvod u energetiku, osnovni pojmovi i definicije, mjere2. Energetske statistike3. Oblici energije i energetske transformacije4. Primarni oblici energije

UgljenNaftaPrirodni plinNuklearna gorivaVodne snageObnovljivi izvori energije

5. Proizvodnja termalne energijeIzgaranjeSustavi fosilnih goriva, pumpe, plamenici, kotloviSustavi fosilnih goriva, pumpe, plamenici, kotlovi

6. Nuklearni procesi i reaktori7. Proizvodnja mehaničke energije

MotoriTurbine

8. Procesi parnog postrojenja9. Nove tehnologije

Kombi-postrojenjaGorivni članci

10. Pohrana energije11. Utjecaj elektrana na okoliš –

EmisijeStaklenički plinovi i globalno zatopljenje

coal

energy losses

resi

de

ntia

l

po

wer

pla

nts

renewables& nuclear

Primarni oblici

energije

transformirani oblici

energije

naturalgas

oil

use

ful e

nerg

y

transp

ort

indust

rial

heat

electricity

transport

non energy use

korisni oblici

energije

Nuklearna goriva

Prirodna nuklearna goriva

Prirodna nuklearna goriva: Uran (U) i Torij (Th)

Uran Torij

Redni broj u sastavu elemenata 92 90Atomska masa 238,03 232,038Broj izotopa 15 12Važniji izotopi od 234 do od 227 do

238 i 240 232 i 234Udio izotopa u prirodnom stanju 238 99,3% 232 99,99%

235 0,7%234 0,0055%

Boja srebrnastobijel platinastGustoća [kg/dm3] 18,9 11,31Temperatura taljenja [°C] 1130 1827

Jedino nuklearno gorivo koje se može u svom prirodnom obliku neposrednoupotrebiti je U-235

Umjetna nuklearna goriva

Plutonij Pu-239

Uran U-233

Pu-239 se dobiva iz U-238

238 239 239 239γ β‾ β‾

U + n → U → U → Np → Pu 238

92

1

0

239

92

239

92

239

93

239

94

γ β‾ β‾

25,5 min 2,3 dana

U-233 se dobiva iz Th-232

Th + n → Th → Th → Pa → Th 232

90

1

0

233

90

233

90

233

91

233

92

γ β‾ β‾

25,5 min 27,4 dana

Ove reakcije se odvijaju u nuklearnom reaktoru

+

– Elektron

Proton

Neutron

nukleoni

A = broj protona i neutronaZ = višekratnik elementarnog

naboja = broj protonaA – Z = broj neutrona u jezgri

Naboj protona, e = 1,602x10-19 AsMasa protona, mp = 1,672x10-27 kgMasa neutrona, mn = 1,675x10-27 kg

Z = redni broj u periodnom sustavu elemenataA = maseni broj (broj nukleona)

+

–

H1

1He

4

2

+

–

+

–

B(Z,A) = [Zmp + (A–Z)mn – M(Z,A)]c2

Energija vezanja medju nukleonima:

Mase atomskih jezgara manje su za otprilike 1% od zbroja masa protona i neutrona od kojih su sastavljene.Zbog toga jer se u procesu spajanja nukleona u jezgru oslobađa energija

Specifična energija vezanja:Specifična energija vezanja:

b = B/AB/A

A

Ako se jezgra s masenim brojem A i specifičnom energijom vezanja bpodijeli u dvije jezgre s masenim brojevima A1 i A2 (gdje je A = A1 + A2) ispecifičnim energijama b1 i b2 oslobodit će se energija:

∆W = b1A1 + b2A2 – bA

Primjer:

Jezgra A = 240 b = 7,5 MeVPodijeli se u dvije jednake jezgre A = A = 120Podijeli se u dvije jednake jezgre A1 = A2 = 120b1 = b2 = 8,4 MeV

∆W = 2 x 8,4 x 120 – 7,5 x 240 = 2016 – 1800 = 216 MeV

1 MeV = 1 x 10-13 J

Za razbijanje jezgre potrebna je energija veća od elektrostatičke barijere

Th U U U Pu

Energija potrebna za probuđenje jezgre, Wc 7,1 6,2 6,4 6,8 5,8

Energija vezanja neutrona, Wv 6,6 6,8 6,5 4,8 6,4

Karakteristike nekih teških atoma s obzirom na raspad jezgre (MeV)

232

90

233

92

235

92

238

92

239

94

neutrona, Wv 6,6 6,8 6,5 4,8 6,4

Potrebna energija neutrona, Wn = Wc – Wv 0,5 - - 2,0 -

Wn, exp. 1,3 - - 1,1 -

Zaključak: za raspad teških jezgara U-233, U-235 i Pu-239) dovoljna je energijavezanja neutrona, pa neutron koji prodire u tu jezgru može imati neku minimalnukoličinu energije, i manje od 1 eV (tzv. spori neutroni)

U + n → U → Sr + Xe + 2 n235

92

1

0

236

92

94

38

140

54

1

0

Za tehničke svrhe interesantne su reakcije koje mogu same sebe održavatina pr.:

U + n → U → Ba + Kr + 2 n235

92

1 236

92

140

56

94 1U + n → U → Ba + Kr + 2 n

92 0 92 56 36 0

U + n → U → Ba + Kr + 3 n235

92

1

0

236

92

139

56

94

36

1

0

U + n → U → Cs + Rb + 3 n235

92

1

0

236

92

137

55

96

37

1

0

U prosjeku fisijom U-235 nastaju 2,5 neutrona + toplina

Periodički sustav elemenata

Prirodni Uran:

U-238 99,3%

U-235 0,7%

Sastav prirodnog urana

Yello cake (žuti kolač) – 70%-90% (tež.) U3O8

U-234 0,0055%

Proces proizvodnje nuklearnog goriva

2600 miljardi kWh godišnje električne energije iz nuklearne u Svijetu

1 tona LEU → 400 milijuna kWhLEU = low-enriched uranium = obogaćeni uranij – gorivo za nuklearke

10 tona prirodnog uranija → 1 tona LEU

2600 miljardi / 400 milijuna = 6500 tona LEU/godišnje

Potrošnja i rezerve prirodnog urana

2600 miljardi / 400 milijuna = 6500 tona LEU/godišnje = 65000 tona prirodnog uranija

Rezerve uranija: 5,5 milijuna tona*dodatnih 10 milijuna tona vjerovatne rezerve35 milijuna tona mogući resursi4,5 milijuna tona iz morske vode

5,5 milijuna / 65000 tona/god = 85 godina

* Ovisno o cijeni

CountryWNA[1] ENS[2]

tonnes share tonnes share

Australia 1,673,000 31.0% 725,000 22.0%

Kazakhstan 651,000 12.0% 378,100 11.5%

Canada 485,000 9.0% 329,200 10.0%

Russia 480,000 8.9% 172,400 5.2%

South Africa 295,000 5.5% 284,400 8.6%

Namibia 284,000 5.3% 176,400 5.3%

Brazil 279,000 5.2% 157,400 4.8%

Niger 272,000 5.0% 243,100 7.4%

Rezerve Urana

Niger 272,000 5.0% 243,100 7.4%

United States 207,000 3.8% 339,000 10.3%

China 171,000 3.2% - -

Jordan 112,000 2.1% - -

Uzbekistan 111,000 2.1% 72,400 2.2%

Ukraine 105,000 1.9% 135,000 4.1%

India 80,000 1.5% - -

Mongolia 49,000 0.9% - -

Other 150,000 2.8% 287,600 8.7%

Total 5,404,000 100% 3,300,000 100%

The list is based on the European Nuclear Society and World Nuclear Associationdata (reasonably assured resources plus inferred resources at $130/kg on 2007).

30% moguće uštede dodatnim obogaćivanjem30% moguće uštede odvajanjem uranija i plutonija is istrošenog LEUBreeder reaktori bi stvarali vlastito gorivo

(uz utrošak svega 1% od sadašnjeg)

Problemi s nuklearnom energijom:

Mogućnost nesreće, terorističkog napada

Proliferacija nuklearnog oružja

Neriješen problem nuklearnog otpada

Obnovljivi izvori energije

Obnovljivi izvori energije

Solarna insolacijaHidroenergijaEnergija vjetraBiomasaEnergija valova

Oblici obnovljivih izvora energije

Energija valovaEnergija morskih strujaToplinska energija oceana

(razlika temperatura između površine i dubine)

Energija plime i osekeGeotermalna energija

Potencijal (EJ)

Solar 3,850,000 400,000*

94,000**

Raspoloživost obnovljivih izvora energije

Tehničkipotencijal(TWh/yr)

94,000**

Vjetar 1,000 39,000

Hidro 144 15,000

Sadašnja svjetska proizvodnja električne energije

18,800

Ukupna svjetska potrošnja energije 96,000***

*1/10 svjetskih pustinja pokrivena FN panelima**1/2 svjetskih krovova pokrivena FN panelima*** ne racunajuci gubitke u energetskim konverzijama

1EJ = 278 TWh