УНИВЕРЗИТЕТ У НИШУ
ФАКЛУТЕТ ЗАШТИТЕ НА РАДУ
Предмет:
Енергетски процеси и окружење
СЕМИНАРСКИ РАД
Тема:
Нуклеарни реактори
Ментори:
Студенти:
др Миомир Раос
мр Јелена Маленовић Николић
Дсдгфгеагх 01017
Фгхаетјстк 01020
Ниш, 2011.
3
1. ПУТ ДО НУКЛЕАРНИХ РЕАКТОРА
Да би се схатио принцип рада нуклеарних реактора и шта се све одвија у њему,
потребно је упознати се са добијањем нуклеарних реакција тј. нуклеарне енергије.
1.1.
Еволуциони пут развоја нуклеарних реактора
До саме идеје за нуклеарне реакторе требало је проћи много година. Пре свега у
проучавању атома, језгара, радиоактивности итд. Учествовали су многи научници.
Хенри Бакерел (1905) при проучавању уранових соли случајно открива радиоактивно
својство урана.
1
Алберт Енштајн (1913)открива да су енергија и материја једнако
вредне. У одређеним количинама маса може постати енергија, а енергија маса. Нилс
Бохр (1919)објашњава електромагнетско зрачење као последицу гибања честица Бохр
се све време заузимао за употребу атомске енергије у мирнодопске сврхе. Ернест
Рутхефорд (1939) утемељује знаност о радиоактивности и цепању атома. Развијао је
теоријске концепције и терминологију – протон, алфа-честице и неутрон његови су
изрази. Отто Хахн (1942) у Њемачкој.
Нуклеарну енергију је открио фрнцуски физичар Хенри Бецкверел 1896 године када је
открио да су фотографске плоче у чијој близини је стајао комад уранијума потамнеле
слично као и ренгенске плоче које су тих година и измишљене.[2]
Нуклеарна енергија је енергија која се ослобађа из атомског језгра. Контролисане
нуклеарне реакције у којима се ослобађа нуклеарна енергија користе се у реакторима за
добијање електричне енергије. У нуклеарној ланчаној реакцији се производи енергија
која се користи за грејање воде како би се произвела пара која касније покреће парну
турбину. Турбина се може користити за механички рад као и за производњу електричне
енергије. Данас, највећи произвођачи електричне енергије су Литванија (око 80%),
Француска (78%) и Белгија (60%). Развој нуклеарних реактора уздрмале су две велике
несреће - хаварија у Чернобиљу (1986. године) и једна мања несрећа у Америци
(Електрана Острво три миље) 1979. године. Општа неприхваћеност нуклеарне енергије
последњих година 20. века произилази из страха према могућим нуклеарним
катастрофама, страха од радијације и производње нуклеарног отпада. Шведска, Италија
и Немачка, под утицајем хаварије у Чернобиљу, на референдуму су одлучили да ће
престати са коришћењем нуклеарне енергије заувек.[3]
Године 1939, после дугих и напорних истраживања установљено је да се језгра урана
бомбардовањем неутронима могу делити на два парчета за које је установљено да су
елементи негде из средине Периодног система елемената. Та појава се назива
нуклеарна фисија или фисија атомског језгра. Главна два уранова изотопа су
238
U и
235
U.
238
U представља 99.27% природног урана, а
235
U око 0.72%. Уран се може цепати
неутронима ниске и високе енергије. Ова категоризација се одоси на кинетичке
енергије неутрона. Брзи неутрони имају високе енергије, док спори неутрони ниске
енергије имају брзине које одговарају брзинама термичког кретања молекула, па се
називају и термички неутрониНуклеарна фисија производи снагу за нуклеарну енергију
и покреће експлозију нуклеарних оружја. Нуклеарна горива пролазе кроз фисију код
судара са слободним неутронима а за узврат стварају неутроне кад се раздвоје. То
омогућава самоодржавајућу ланчану реакцију која ослобађа енергију контролисано у
1
Радиоактивност је појава у којој се распада нестабилна атомска језгра. При распаду настаје друга језгра,
па се истодобно ослобађа и високоенергетска честица.
4
нуклеарном реактору или врло брзо и неконтролисано
код нуклеарних оружја.Количина нуклеарне енергије
садржане у нуклеарном гориву је милион пута већа од
количине слободне енергије садржане у сличној
количини хемијског горива као што је бензин, што
чини нуклеарну фисију врло примамљивим извором
енергије. .[1]
Лоша страна тога је што су производи нуклеарне
фисије радиоактивни и остају такви дуго времена чиме
се повећава проблем нуклеаног отпада. Забринутост
око скупљања нуклеарног отпада и око експлозивног
потенцијала нуклеарних оружја је можда већа од
пожељних квалитета фисије као извора енергије, те се
око тога воде велике политичке дебате.[4]
Тешка језгра се у процесу фисије цепају на два лакша фрагмента чији су односи маса
3:2 те се налазе у средини периодног система. Енергија ослобођена фисијом само једног
урановог језгра износи око 200 МеВ-а. Ослобађање енергије је последица разлике
између енергије везивања по нуклеону језгра који се цепа и енергије везања по
нуклеону лакших елемената који настају фисијом. Протони и неутрони су најтежи када
су слободни. Везањем у неко језгро они губе део своје масе. Разлика између масе
слободног нуклеона и његове масе у језгрз зове се дефект масе. Приликом спајања
нуклеона у језгро део њихове масе се претвара у енергију, која се ослобађа у тренутку
формирања језгра. Ослобођена енергија се назива енергијом везања језгра ..[5]
Неутрони који настају при фисији могу под извесним условима изазвати нове фисије.
Ако свака фисија проузрокује једну или више фисија онда настаје појава да се фисије
одигравају као по неком ''ланцу''. Таква појава огромног броја фисија које се узастопно
проузрокују, назива се ''ланчана реакција''[1]
Неконтролисана ланчана реакција са довољно великом количином фисионог
материјала тј. горива (критична маса) може да доведе до експлозивног ослобађања
енергије. Овај принцип је коришћен у нукларном оружју. Ланчана реакција такође
може да буде контролисана и коришћена за производњу енергије (нуклеарни реактор).
Неке од фисионих једначина:[6]
1.
Слика
Radioaktivno raspadanje,
nuklearna fisija, nuklearna fuzija [2]
2.
Слика
Шематски приказ
нуклеарне фисионе
ланчане
. 1.
реакције
Атом
Уранијума
-235
апсорбује
неутрон
,
и
,
распада се на два фисиона фрагмента ослобађајући
. 2.
три нова неутрона и малу количину енергије везе
Један од новонасталих неутрона је апсорбован атомом
Уранијума
-238,
.
и не продужава реакцију Други неутрон
,
је једноставно изгубљен и такође не продужава
.
реакцију Последњи неутрон се судара са атомом
-235,
уранијума
који се распада и ослобађа два нова
. 3.
неутрона и мало енергије
Оба настала неутрона
-235,
сударају се са уранијумом
и сваки доводи до
,
настанка нових неутрона који настављају
ланчану
.
реакцију
[3]
6
o
Природни уран је смеша три изотопа
238
U,
235
U,
234
U који слабо емитују
радиоактивност.
ПЛУТОНИЈУМ 239 не постоји у природи и сматра се најбољим нуклеарним
горивом јер је његова склоност ка разлагању помоћу спорих неутрона већа него
235
U.
239
Pu се добија из
235
U који озрачен спорим неутронима, апсорбује их и претвара се у
нестабилни изотоп
239
U, те се кроз два узастопна β распада претвара у прутонијум.
Реактор који ради на плутонијум уз присуство природног урана ствара довољно
неутрона чак и за регенерацију горива.
2
УРАН 233 који се може добити озрачивањем торијума 232 у реакторима, па
самим тим преставља вештачки изотоп урана.
3
Нуклеарно гориво се уграђује у реакторе које се припрема у облику:
1.
ШИПКЕ горива
су на хиљаде танких 180cm дугачких шипки које су начињене
од легуре цирконијума. Оне су уроњене у воду у суду за одржавање притиска. У
самој шипци налазе се палете горива које су сачињене од уранијум-диоксида или
мешаних оксида (МОX гориво) тј мешавина плутонијума и уранијума.
2.
КУГЛЕ
познате су
као
TRISO
елементи.
Триструктурална-изотропна јединица нуклеарног горива, је облик паковаwа
нуклеарног горива за
реакторе. Она се састоји
од језгра које садржи
нуклеарно
гориво
(обично UОx,понекад и
UC или UCО) мада је
могућа и употреба
плутонијума
или
торијума. Језгро је
пресвучено са четири
слоја
изотропних
материјала. У нуклеарном
реактору се затим убацују
око 360000 оваквих
кугли, реактор се
хладиинертним
или
полуинертним гасом: хелијумом, азотом или угљендиоксидом, који
наконизласка из реактора покреће гасну турбину[12]
2.4.
Рефлектори
Рефлектори неутрона имају улогу да враћају неутроне који су напустили активну зону
реактивног језгра, тако да они могу даље да узрокују фисионе процесе.
2
На овом принципу раде бридери.
3
Озрачене шипке торијума ослобађају се магнезијумске кошуљице њеним растварањем у разблаженој
азотној киселини да би се након тога сложеним технолошким поступком коначно завршило
пречишћавање и добијање урана 233.
3.
[]
Слика
Шипка горива нуклеарног реактора
4. TRISO –
;
Слика
елемент Нуклеарно гориво у облику
(
)[12]
кугли за реакторе четврте генерације
