Nuklearna elektrana

Nuklearna elektranaNuklearna elektrana je elektrana koja kao izvor energije koristi toplotu dobivenu u nuklearnom reaktoru, a po svemu ostalom se ne razlikuje bitno od termoelektrane koja koristi fosilno gorivo.Nuklearni reaktor je ureaj unutar koga nuklearne reakcije proizvode ogromne koliine energije.Postoje dva glavna tipa reaktora: fisioni i fuzioni reaktori, mada se fuzioni jo uvijek istrauju.Sve dananje nuklearne elektrane su izgraene oko centralnog fisionog reaktora i svaka proizvodi daleko vee koliine elektrine energije nego bilo koji drugi tip elektrane.Nuklearna fisijaJezgro atoma sadri ogromne koliine uskladitene energije.Nuklearna fisija je nain oslobaanja te energije i predstavlja nuklearnu reakciju - reakcija koja dovodi do promjena u jezgru atoma.

Fisija je proces u kome se teko, nestabilno jezgro cijepa u dva (ili vie) laka jezgra, otprilike jednaka po veliini, uz oslobaanje dva ili tri neutrona i velike koliine energije.Dva laka jezgra zovu se produkt fisije i mnogi od njih su radioaktivni.

U fisionim reaktorima se fisija izaziva vjetaki, tj. vri se nuklearna fisija jezgra koje je vjetaki uinjeno nestabilnim, odnosno bombardovano je brzom esticom (esto neutron) koju apsorbuje.Na ovaj nain se ne mogu pobuditi na fisiju sva jezgra.Ona koja mogu, tj. jezgra izotopa urana-235 i plutonijuma-239 su djeljiva.Ako u supstanci ima mnogo djeljivih jezgara, onda e neutroni osloboeni indukovanom (vjetaki izazvanom) fisijom izazvati jo fisija.To se zove lanana reakcija.U nuklarnim elektranama se vri kontrolirana nuklearna lanana reakcija (za razliku od nuklearne bombe u kojoj je reakcija eksplozivna i nekontrolirana).

Rezultat te kontrolirane nuklearne lanane reakcije je ogromna koliina osloboene energije u obliku toplote.Ta toplota zagrijava tenost za hlaenje.Zagrijana tenost odvodi toplotu iz reaktora.Zagrijana tenost zagrijava vodu u posebnom kolu (parogeneratoru) do isparavanja.Para dalje odvodi toplotu i koristi se za dobivanje elektrine struje (para pokree turbine rotora generatora elektrine struje)Nakon toga se vodena para, pomou posebne cirkulacije vode, kondenzuje opet u vodu i voda ponovo cirkulie.Na sljedeoj slici je prikazana osnovna ema nuklearne elektrane:

Legenda: R-reaktor, GP-generator pare(ispariva, parogenerator), T-parna turbina, K-kondenzator, P-pumpa, G-generator elektrine strujeNuklearni reaktorOsnovni dijelovi svakog reaktora su: nuklearno gorivo, moderator (usporiva), upravljake ipke, reflektor, sistem za hlaenje i zatitni sistem.Nuklearni reaktori mogu biti homogeni i heterogeni.U homogenim reaktorima nuklearno gorivo se nalazi u obliku rastvora ili praha, a u heterogenim reaktorima u obliku ipki.Nuklearni reaktori mogu biti brzi i termiki.Termiki reaktori koriste moderatore koji usporavaju brze neutrone i tako smanjuju njihov energetski nivo na nie, termike, nivoe.Ukoliko reaktor ne koristi moderator, te se lanana reakcija odvija dalje sa brzim neutornima, radi se o brzom reaktoru.

Moderator ili usporiva neutorna je hemijska tvar koja slui za usporavanje brzih neutrona koji nastaju u fisionom procesu.Time se poveava efikasnost u izazivanju fisije.Danas se kao moderator uglavnom koristi obina proiena voda, grafit i teka voda. Crvene kuglice su neutroni, a plave kuglice predstavljaju moderator koji ih usporava.Kinetika energija se prenosi izmeu estica.

Na slici je dijagram koji pokazuje zavisnost uestalosti neutrona u reakciji fisije od njegove energije

Reflektori neutrona imaju ulogu da vraaju neutrone, koji su napustili aktivnu zonu reaktorskog jezgra, tako da oni mogu i dalje uzrokovati fisione procese.Pomou upravljakih ipki kontrolie se reim rada reaktora i sprjeava pregrijavanje reaktora, usljed velike koliine toplotne energije osloboene u toku procesa. Najee se koriste ipke napravljene od bora ili kadmijuma.

Kao sistem za hlaenje mogu se koristiti obina ili teka voda ili druge supstance, koje imaju veliki toplotni kapacitet. Sistem za hlaenje se postavlja oko jezgra (aktivne zone) nuklearnog reaktora.Prilikom fisije u nuklearnim reaktorimadolazi do oslobaanja gama-zraenja pa je potrebna zatita. Kao zatita se obino koristi specijalna vrsta betona ili zatitni sloj vode. Debljina tih zatitnih slojeva je takva da u okolinu reaktora ne proputa zraenje koje bi moglo ugroziti ljude oko reaktora. Jedna od najefikasnijih mjera je automatizacija I robotizacija rada reaktora.

ParogeneratorParogenerator je komponenta nuklearne elektrane u kojoj se odvija predaja toplote iz primarnog u sekundarni krug i isparavanje sekundarne vode. U donjem dijelu se nalazi nekoliko hiljada U-cijevi kroz koje tee primarna voda. Oko U-cijevi tee voda sekundarnog kruga, koja s njih uzima toplinu. Para nastala vrenjem sekundarne vode odlazi prema gornjem dijelu parogeneratora, gdje se nalaze separatori vlage, koji osiguravaju da u pari koja odlazi prema turbinama nema kapljica tekue vode koje bi otetile lopatice turbine.

Parogeneratori su velike komponente, mase preko stotinu tona, i visine dvadesetak metara. Ovisno o snazi, nuklearna elektrana e imati odreen broj reaktora. Na svakih tristotinjak megavata elektrine snage elektrane dolazi po jedan parogenerator. Poto su nuklearne elektrane redovito velike snage, a i zbog sigurnijeg pogona elektrane, u pravilu e imati barem dva parogeneratora.

TlanikTlanik je naprava kojom se osigurava konstantan pritisak primarnog kruga. U osnovi, to je posuda volumena 40-60 m3opremljena grijaem snage 1 - 2 MW. Zagrijavanjem u tlaniku moe se ispariti odreena koliina vode, ime se podie tlak i sprjeava isparavanje u reaktoru.Parne turbineParne turbine koje se koriste u nuklearnim elektranama su vrlo sline onima u klasinim termoelektranama na ugalj.U svim termoelektranama snage iznad stotinjak MW radi vie od jedne parne turbine. Turbine se nalaze na zajednikoj osovini, a razlikuju se po pritisku pare.KondenzatorKondenzatorje izmjenjiva toplote u kojem se para koja je prola kroz turbine kondenzira, kako bi se mogla vratiti u parogenerator i zatvoriti sekundarni krug. Sastoji se od dva dijela, od kojih jedan pripada sekundarnom, a drugi tercijarnom krugu.

Nakon to svoju energiju preda u turbini, para je ve djelomino kondenzirana, a pritisak joj je manji od atmosferskog. Na taj se nain iz pare izvlai maksimalna koliina energije, odnosno poveava se faktor iskoritenja elektrane. Takva mokra para ulazi u sekundarni dio kondenzatora. Tercijarnim dijelom tee voda iz oblinje rijeke ili mora, koja preuzima preostalu, neiskoritenu toplinu i odvodi je iz elektrane.

Tipovi nuklearnih elektranaPod raznim tipovima nuklearnih elektrana smatraju se razliiti tipovi nuklearnog reaktora.Osnovni materijali prema kojima se nuklearni reaktori mogu razlikovati su neklearno gorivo, moderator i rashladni fluid.U sljedeoj tabeli su dati razliiti tipovi nuklearnih elektrana (reaktora).Tip reaktoraZnaenje skraeniceAGRAdvanced Gas Cooled, Graphite Moderated ReactorNapredni, gasom hlaen, grafitom moderiran reaktorBWRBoiling water reactorReaktor sa kljualom vodomBWRAdvanced Boiling Light Water Cooled and Moderated ReactorNapredni, lakom vodom hlaen i moderiran reaktor sa kljualom vodomFBRFast Breeder ReactorBrzi, proizvoaki reaktorGCR, Gas Cooled, Graphite Moderated ReactorGasom hlaen, grafitom moderiran reaktorHTGRHigh Temperature, Gas Cooled, Graphite Moderated ReactorGasom hlaen i moderiran reaktor sa visokim temperaturamaHWGCRHeavy Water Cooled, Graphite Moderated ReactorTekom vodom hlaen, grafitom moderiran reaktorLWGR, VVR-S, RBMKLight Water Cooled, Graphite Moderated ReactorLakom vodom hlaen, grafitom moderiran reaktorPHWR, CanduPressurized Heavy Water Moderated and Cooled Reactor, Deuterium UraniumTekom vodom pod pritiskom hlaen i moderiran reaktorPWR, VVERPressurized Water ReactorReaktor sa vodom pod pritiskomSGHWRSteam Generating Heavy Water ReactorTekovodni reaktor sa vodom koja vriNuklearni gorivni ciklusObuhvata sve aktivnosti od vaenja urana do konanog odlaganja radioaktivnog otpada.Gorivo provede 3 godine u reaktoru. Svake godine se mijenja priblino treina. Sprema se privremeno u bazen za istroeno gorivo.Radioaktivni otpad se moe: reprocesuirati ili odloiti. Oba naina imaju i svoej pozitivne i negativne strane.Na sljedeoj slici je prikazan cijeli nuklearni gorivni ciklus:

Nuklearna energija u odnosu na ostale energenteAko uporedimo razliite vrste elektrana prema vrsti goriva koje koriste za proizvodnju toplotne energije uoavamo veliki nesrazmjer. Za godinji rad elektrane od 1.000 MW potrebno je 2,3 miliona tona uglja (23 transportna broda) za termoelektranu na ugalj, 1,4 miliona tona nafte (7 tankera) za termoelektranu na naftu (mazut), 1,1 miliona tona prirodnog plina (16 brodova na ukapljeni plin) za termoelektranu na prirodni plin odnosno 30 tona nuklearnog goriva (3 kamiona) za proizvodnju u nuklearnoj elektrani s termikim reaktorom. Oigledna je injenica kako se za proizvodnju elektrine energije u elektrani iste snage potrebna najmanja masa, a pogotovo volumen, goriva u sluaju nuklearne elektrane.