Примена
нуклеарне
енергије и
радиоактивних
,
изотопа
последице и
заштита
Екстракција урана из руда и припрема нуклеарног
горива. Нуклеарно пуњење реактора. Нуклеарни
реактори. Поузданост описаних врста нуклеарних
реактора. Извори радиоактивног зрачења и начини
заштите. Чићење загађене воде и гаса. Сигуросни суд.
Нуклеарни отпад. Замена нуклеарног горива у
реактору и прерада искоришћених горивних
елемената. Коначно одлагање радиоактивног отпада.
Пречишћавање средње и слабо активних раствора.
Последице рада нуклеарних постројења по биосферу и
човека. Акциденти у нуклеарним постројењима.
Незнање, немарност и неопрезно руковање
радиоактивним материјалом као извор загађивања
животне средине. Сигурност нуклеарних електрана.
Поређење са осталим типовима електрана. Стање у
републици Србији.
Студент: Христина Станковић
Професор: Софија Ранчић
1
УВОД
Свет је суочен са све озбиљнијим проблемом - недостатком енергије.
Цене фосилних горива вртоглаво скачу, а на тржишту је све теже доћи до енергената.
Струцњаци и еколози упозоравају да је неопходно да се хитно смањи загађење, а тиме и
погубан утицај климатских промена. Мада се воде оштре полемике око тога да ли се
изградњом нових нуклеарних централа решава енергетска сигурност или оне представљају
озбиљну еколошку претњу, широм планете ничу нови реактори.
Чињеница је да нуклеарне електране нуде најјефтинију и најчистију електричну
енергију, али њихова градња је много скупља од других извора. За градњу једног мегавата
капацитета нуклеарне електране неопходно је преко два милиона долара, за мегават
термоелектране - 1,5 милион и за мегават гасне електране свега 800 хиљада долара.
На основу овога се може закључити да изградња нуклеарних електрана није ограничена само
еколошким факторима већ треба узети у обзир како финансијску страну тако и чињеницу да
изградња ових електрана захтева дужи временски период.
3
Као нуклеарно гориво данас се најчешће користе изотопи U-235, Pu-239 и ређе U-233. Пошто
U-235 нема у природи у довољним количинама, зато се прибегава процесу обогаћивања
природног урана, од само 0,7% U-235, до концентрације овог нуклида од 2 до 3,5%. Остатак до
100% чини U-238. Овако обогаћен уран изотопом 235 користи се за нуклеарно гориво. С друге
стране Pu-239 је вештачки радиоактивни елеменат и настаје према следећој једначини:
t- време полураспада
па се зато може дибити само у посебним поступцима из урановог радиоактивног отпада који
је исцрпљен у односу на изотоп 235, али обогаћен плутонијумом.
2. Нуклеарно пуњење реактора
Нуклеарно пуњење реактора се налази у такозваним штаповима са нуклеарном шаржом
који су уроњени у флуид који чини модератор. У тај флуид се могу такође уронити и
регулаторски штапови. Када реактор отпочиње да ради потребно је успоставити одређен
степен прогресије ланчаних реакција без присуства регулаторских штапова, док реактор не
постигне радну температуру. Све то време је мулгипликациони фактор К
1
> 1 (слика 2-а). Када
је радна температура успостављена у систем се урања одређен број регулационих штапова,
којима се регулише учесталост ланчаних нуклеарних реакција и дотерује до одређене
константне вредности тј. до К = 1. Тек када реактор треба угасити у систем се урањају сви
регулациони штапови, чиме се у потпуности прекида слободно кретање неутрона у систему,
који су тада знатним делом апсорбоване од познатих апеорбујућих материјала, регулационих
штапова. При таквим условима нуклеарна реакција постепено јењава (К < 1) (слика 2 б). У
моменту када започне ланчана реакција започиње и тренутно повећање броја неутрона, и то у
стомилионитом делу секунде. Да није модератора или регулационих штапова процес би се
врло брзо окончао као застрашујућа нулелеарна експлозија. Међутим, контролом процеса све
се одвија далеко спорије. Само неких 0,75% од укупно ослобођених неутрона током фисије се
оставља да несметано наставе фисиони процес. Оно што се дешава у неконтролисаном
фисионом процесу у стомилионитом делу секунде под контролисаним условима траје 2· 10
9
пута дуже, пуних 20 секунди. Ако се даљи процес тако настави да се током стварања сваке
нове генерације неутрона употреби само 0,75% од укупног броја, успоставља се константна
брзина фисије у реактору. Наравно, све ово се постиже само уз помоћ модератора и
регулационих штапова.
4
Слика 2. а) Почетак рада реактора ( К>1); регукациони штапови су извучени из дела
реактора у коме се налази ураново нуклеарно пуњење. б) Прекидање рада реактора (К<1);
регулациони штапови су потпуно уроњени у модератор (D
2
O) и прекидаји ширење ланчане
реакције. 1) горивни елемент; 2) модератор (нпр. вода) 3) регулаторски штап (B
4
C)
Регулациони штапови се најчешће пуне кадмијумом и бором или алуминијумом и бором
(ова легура се назива просто борал), који је у стању да смањи флукс неутрона 10 пута са
дебљином слоја од само 6,5 mm. Изотоп бoра В-10 је веома значајан, јер има ту посебну
способност да апсорбује споре неутроне, а та његова особина се заснива на следећој
нуклеарној реакцији:
Настали литијум, који се иначе раствара може се испрати водом-средством за хлађење
реактора. Приликом пречишћавања воде Li се заједно са осталим растворним продуктима из
реакторског система ефикасно одстрањује. С друге стране ослобођене позитивно
наелектрисане α честице одмах прелазе у неутрални хелијум, који ствара приличан притисак у
регулационим штаповима, па сe посeбним поступком одстрањујe из штапова. Пошто процес
апсорпције спорих неутрона троши изотоп В-10 употребљивост оваквих штапова је ограничена,
трају највише до 6 година.
Када је систем под потпуном контролом неконтролисана фисија - нуклеарна експлозија
унутар реактора је физички и технички немогућа, зато што је садржај U - 235 у реактору
ограничен, зато што је нуклеарна шаржа уроњена у воду која служи као модератор и као
средство за хлађење и зато што су ту увек присутни апсорпциони штапови. Са евентуалним
повећањем температуре у реактору, изнад предвиђене, модератор постаје неефикасан, али се
зато апсорпциони штапови одмах стављају у акцију, ако је то потребно, да би се смањио ниво
активности реактора и тиме постепено смањила температура. На нижим температурама
густина модератора (воде) је таква да успепшо успорава брзе неутроне који настају током
фисије, до жељених брзина које су одговарајуће за активацију атома U-235 (слика 3-а). Aко је
температура повишена густина модератора је смањена, продукција спорих неутрона је
редукована (слика 3-б) и нуклеарна фисија јењава – гаси се. Од преосталих брзих неутрона
један је одмах апсорбован од стране U-238.
6
Слика 3. Шема реактора са кључалом водом
Реактори са водом под притиском
су реактори који су највише прихваћени у свету и
користе се само за производњу топлотне и електричне енергије. Конструкционо су тако
направљени да се примарни расхладни систем за реактор налази, заједно са реакторском
посудом, у бетонској грађевини у којој је смештен реактор. Уз помоћ топлотног измењивача
повезују се примарни и секундарни систем са водом, чиме се физички раздвајају систем за
хлаћење реактора и систем за покретање парних турбина. По питању безбедности и заштите
животне средине ови реактори спадају у групу најприхватњивијих.
Реактори са брзим неутронима
су скупи реактори и производе енергију као секундарни
производ, а првенствено се користе за производњу плутонијума који се употребљава за
производњу нуклеарног оружја. Основни разлог зашто ови реактори раде су нехумани па су
самим тим штетни за природу и човека. С друге стране плутонијум који се добија у таквим
реакторима је изузетно отрован. Међу онима који се сусрећу са овим металом влада
мишљење да су дозе плутонијума као токсичног елемента, не као радиоактивног елемента,
леталне већ у концентрацијама које се изједначавају са границом детекције многих класичних
аналитичких метода.
Торијумови реактори
су мало распрострањени, мада се и они користе за производњу
енергије. Подаци о њима су релативно скромни тако да се данас мало зна у широј јавности
колико је ризично радити са њима. У свету је досада изграђено преко 430 нуклеарних
електрана, највише у САД (109), Француској (57), Јапану (48), Британији (35), Русији (29), Канади
(22), Немачкој (21) и неким другим земљама. Нема евифденције колико је свака до сад
произвела нуклеарног отпада. Ако се каже да је у првој апроксимацији капацитет сваке 30-100
т, тј просеку око 65 т нуклеарног горива, и пошто се зна да нуклеарно гориво траје у просеку
око 3 године, а чињеница је да свака електрана може поуздано радити 30 година и након тога
се мора угасити, онда ових 430 електрана после 30 година за собом оставља нешто мање од
300 000 тона најопаснијег високорадиоактивног отпада који се може наћи на Земљи.
Последица рада нуклеарних електрана са реакторима за производњу плутонијума је да се на
нашој планети налази око 1 700 000 kg плутонијума. Уз то многи проблеми са одлагањем
нуклеарног отпада и санацијом угашених нуклеарних електрана још увек нису решени у свету,
нити се неко успешно решење назире у скоријој будућности. Сва постојећа решења су
привремена и изузетно скупа.
