Aatomielektrijaamad Tuumareaktorid · Tuumareaktor on seade, milles tuumareaktsioonid toodavad suuri soojushulki · Esimese tuumareaktori pani käiku Igor Kurtsatovi juhtimisel töötanud füüsikute kollektiiv 25. detsembril 1946. a. Põhilised reaktori osad · Uraanivardad · Neutronite aeglusti ja peegeldi · Soojuskandja · Aurugeneraator Tuumareaktorite tüübid · Aeglastel neutronitel töötav reaktor · Kiiretel neutronitel töötav reaktor Aatomielektrijaam · Elektrijaam, kus elektrienergiat saadakse aatomituuma lõhustumisest · Esimene aatomielektrijaam ehitati 1954. a. Obniskis Aatomielektrijaamad maailmas 2009 aasta seisuga oli maailma tuumaelektrijaamades 437 tegutsevat reaktorit, mis kokku tootsid 17% maailma elektrienergiast · USA-s 104 · Prantsusmaal 59 · Jaapanis 53 · Venemaal 31 Eestile lähimad tuumaelektrijaamad: · Sosnovõi Bori tuumaelektrijaam
gaas-soojuskandjaga Magnox reaktor (Magnesium non-oxidising) ja hiljem rikastatud uraani kütusega täiustatud gaasjahutusega reaktor AGR, mis mõlemad sobisid nii energia- kui ka Pu- tootmiseks. Ühendkuningriigi ja Läänemaailma esimeseks tööstuslikuks tuumajaamaks sai 1956. a. 50 MWe Calder Hall-1 Sellafieldis. Prantsusmaal alustati samuti Magnox-reaktoritega, kuid peagi mindi üle USA litsentsiga PWR-reaktorite ehitamisele. Kui eelnimetatud, va EPR-1, on kõik aeglastel neutronitel töötavad reaktoritüübid, siis arendamist leidsid ka nn kiired (kiiretel neutronitel töötavad, so aeglustita) reaktorid FBR. Aastal 1963 alustas Newportis USA-s tööd FBR reaktor Fermi-1. NL tööstuslik variant BN-350 käivitati Sevtsenkos, Kasahstanis aastal 1972. Reaktorite põlvkonnad Praeguse klassifikatsiooni järgi loetakse Shippingport, Dresden-1, Magnox tuumareaktorid I põlvkonda kuuluvaks. Nende tüüpide edasiarendamise tulemusena saadi peamisteks
Neutron tänu laengu puudumisele liitub kergesti iga tuumaga, tuues kaasa reaktsiooniks vajalikku kineetilist energiat. Kui tuumaga liitub neutron siis tekkinud isotroop on ergastatud olekus ning sellega kaasneb lagunemine. Selle lagunemise käigus kiiratakse - või -osakese ja - kvante, muutudes jälle uueks isotoobiks, mis võib osutuda radioaktiivseks. · Kriitiline mass Väikese koguse aine puhul on juhusliku tuuma lõhkemisel tekkivatel neutronitel väike tõenäosus teisi tuumi kohata. Sellised neutronid väljuvas enamasti ainest ning ei kutsu esile ühegi teise tuuma lõhkemist.Sellisel juhul on k <1. Kui aine kogus on piisavalt suur, ehk kui juhusliku tuuma lõhkemisel tekkinud neutronitel on väga suur tõenäosus kohata uut tuuma ning sundida see lõhkema, tekib ahelreaktsioon. Vastavat ainekoguse massi nim kriitiliseks massiks. Kriitilise massi korral on k>1. · Kergete tuumade ühinemine, energia vabanemine
I osa : Aatomi ehitus. 1. Millistest osadest koosneb aatom? 2. Nimeta aatomi koostises olevad elementaarosakesed, nende laengud ja massid. · Prooton - laeng + ; mass ligikaudu 1 · Neutron laeng puudub ; mass ligikaudu 1 · Elektron laeng - ; mass ligikaudu 0 3. Milline on aatomituuma laeng, miks? · Tuuma laeng on + kuna prootonid annavad laengu + ja neutronitel laeng puudub. 4. Milline on aatomi laeng, miks? · Aatomi laeng on neutraalne, kuna prootonid annavad + laengu ja elektronid annavad laengu ja neid on sama palju. 5. Kuidas paiknevad elektronid ümber aatomi tuuma? · Elektronid paiknevad kihtidel. Esimesel kihil võib olla 2 elektroni max, teisel 8, 18, 32. Viimasel kihil on alati max kuni 8 elektroni ja eelviimasel 18. Elektronkihid jagunevad orbitaalideks: s, p, d, f. 6
94 Pu
9. Kriitilise massi mõiste.
Kriitiline mass on mass, mille korral hakkab toimuma tuumade iseeneslik lõhustumine.
10. Neutronite paljunemistegurite eri väärtused ja ahelreaktsiooni kiirus.
k<1 siis ahelreaktsiooni ei teki
k=1 siis ahelreaktsioon käivitub
1
nukleon. Tuum: *on kerataoline keha aatomi keskmes,mille ümber tiirlevad elektronid *mõõtmed 10- 15 m *koosneb prootonitest ja neutronitest *nukleon on prootoni ja neutroni ühisnimetus *prootonil positiivne laeng *neutron on elektriliselt neutraalne tuuma osake Tuuma ehitus: *tuuma osakesed asuvad teatud energiatasemetel *ühel energiatasemel saab olla piiratud arv osakesi *prootonite ja neutronite energiatasemed on üksteisest sõltumatud *prootonite seoseenergia on väiksem kui neutronitel *seoseenergia-energia, mis oleks vaja osakesele anda,et teda täielikult tuumast vabastada 2.Isotoobid *Ühel elemendil võib olla erineva massiarvuga tuumi ehk isotoope. *massiarv-neutronite ja prootonite koguarv (A=Z+N)(Sama Z juures võib N, seega ka A olla erinev) 3.Stabiilse tuuma tingimused 1.Tuuma võimalik suurus on piiratud 2.Stabiilsel tuumal on energiatasemed täitunud järjest 3.Neutroneid on veidi rohkem kui prootoneid 4.Radioaktiivsus,radioaktiivne kiirgus
4) Millest koosneb aatomituum ja kui palju on see aatomist väiksem Aatomituum on aatomiga võrreldes ligi 100 000 korda väiksem ja koosneb neutronitest ja prootonitest. 5) Miks moodustab aatomituum põhilise osa aatomimassist? Prootonid ja neutronid on elektronidest ligi 2000 korda suurema massiga seega on nemad põhilise massi kujundajad. 6) Mida nimetatakse tuumalaenguks ja põhjenda miks ta on alati positiivne? Prootonitel on positiivne laeng ja neutronitel laeng puudub, seega aatomi tuuma laeng on alati positiivne ja määratud prootonite arvuga. Prootonite arvu aatomi tuumas nimetatakse tuumajõuks. 7) Iseloomusta elektroni, prootoni, neutroni (kus asub, mis laenguga on, nende mass võrreldes teiste aatomis olevate osakestega jne.) Prootonil on positiivne laeng ja neutronil laeng puudub. Mõlemad asuvad aatomi tuumas. Elektronide laeng on negatiivne ja elektronid asuvad elektronkihtidel aatomituuma ümber.
Reaktorianum, mis toimib ühtlasi kiirguskaitsena, on valmistatud raudbetoonist ja selles asuvad ka aurugeneraatoritorud. Avariisulgemise süsteem juhib vajadusel soojuskandjasse lämmastiku, mis summutab ahelreaktsiooni. Süsinikdioksiidist soojuskandja läbib reaktorisüdamiku, kuumeneb temperatuurini kuni 650°C ja läbib seejärel aurugeneraatori, kus veest tekitatakse aur teises kontuuris. Edasine töö on analoogiline PWR reaktoritüübiga. 17. Kiiretel neutronitel töötavad reaktorid Fast Breeder Reactor - FBR Kongressi otsusega keelati Ameerikas kasutada. Inglased on ka loobunud. Pranslaste Phenix 250 MW töötab siiani (alates 1973. aastast). Superphenix 1240 MW töötas 1985-98, probleemide tõttu kinni pandud. Nendes reaktorites kasutatakse tuumakütust 60 korda efektiivsemalt kui aeglastel neutronitel töötavatel reaktoritel. Ennustatakse, et 2050. aastaks on enamus reaktoreid kiiretel neutronitel. Aeglasel arengul on mitmeid põhjusi
Ka nendes reaktorites saab tõhusalt toota plutooniumi. Kuna radioaktiivse kiirituse risk on nende käigus osutunud liiga suureks, on nende talitlus kavas lõpetada hiljemalt aastal 2010. Grafiitaeglustiga, kuid süsinikdioksiidsoojuskandjaga reaktori eeliseks on plutooniumi tootmine. Veaks on radioaktiivse kiirituse suur risk. [8] Paljundusreaktorid ehk briiderid erinevad kõigist eelkäsitletuist selle poolest, et nad põhinevad kiiretel neutronitel ja neis tekib plutooniumi näol uut tuumkütust enam kui seda reaktoris kulutatakse. Tekkivast tuumkütusest ja reaktoris kasutatud tuumkütusest saadava energia suhet nimetatakse paljundusteguriks, mille väärtus on enamasti piirides 1,2...1,4. Paljundusteguri ülempiiriks peetakse teadaolevate reaktoriliikide korral 1,8. Paljundusreaktori ehk briideri eeliseks on see, et ta põhineb kiiretel neutronitel ja et tas tekib plutooniumi näol uut tuumkütust enam kui seda reaktoris kulutatakse
kuuluvaks. Ajalooliselt on väljaarendatud mitmeid erinevaid reaktoritüüpe, millest arvukuse järjekorras on end praktikas suuremal või vähemal määral õigustanud järgmised: · surveveereaktor PWR ja WWER, · keevveereaktor BWR, · surveraskeveereaktor PHWR või CANDU, · täiustatud gaasjahutusega reaktor AGR, · kergevee grafiitaeglustiga reaktor RBMK, · kiire reaktor FBR. Väljaarvatud väikesearvuline viimane tüüp FBR, on kõik ülejäänud aeglastel neutronitel töötavad reaktorid, mis kasutavad tuumkütusena peamiselt looduslikku või 235U suhtes väherikastatud uraani ja osaliselt reaktori töötamisel 238U neutronkiiritamisel tekkivat plutooniumi. Sellega kasutatakse kogu uraanis sisalduvast lõhustumisenergiast ära ainult 1-2 %. Tuumaenergeetikas on tänapäeval kasutusel nn ühekordne (once-through) tuumkütuse tsükkel ja kasutatud kütus läheb kohe (lõpp)ladustamisele. Uraani madal hind ei soodusta kasutatud tuumkütuse
ja seejärel enamasti elektrienergiat. Teised rakendusalad on näiteks vabade neutronite tootmine ning teatud radioaktiivsete nukliidide tootmiseks, näiteks meditsiinilisel otstarbel. Püütakse välja töötada ka termotuumareaktorit, mis toodab energiat termotuumasünteesist. Enamik praegu kasutatavatest tuumareaktoreid nimetatakse teise põlvkonda kuuluvateks ja kasutavad peamiselt kütusena väherikastatud looduslikku uraani, töötavad aeglastel neutronitel. Teise põlvkonna reaktori liigid: 1. Surveveereaktor (PWR) 2. Keevvee reaktor (BWR) 3. Surveraskeveereaktor (PHWR) 4. Täiustatud gaasijahutusega reaktor (AGR) 5. Kergevee grafiitaeglustiga reaktor (RBMK) Järgmise põlvkonna reaktori liigid: 1. Gaasjahutusega kiire reaktor 2. Pliijahutusega kiire reaktor 3. Sulasoolareaktor 4. Naatriumjahutusega kiire reaktor 5. Ülekriitilise veega jahutatud reaktor 6. Ülikõrgtemperatuurne reaktor
turbiini nõrgalt radioaktiivne ülekuumutatud aur. Kahekontuuriliste tuumajaamade puhul tuleb vältida olukordi, kus on võimalik esimese kontuuri soojuskandja sattumine teise kontuuri. Selleks hoitakse soojuskandja rõhk esimeses kontuuris alati madalam kui teises kontuuris. Soojuskandja avariilise lekke korral saastub, sellisel juhul, vaid esimese kontuuri soojuskandja, mis põhjustab esimese kontuuri torustike korrosiooni. Kolmekontuurilisi skeeme kasutatakse tavaliselt vaid kiiretel neutronitel töötavate reaktorite korral. Soojuskandjana kasutatakse tavaliselt nii esimeses kui ka teises kontuuris vedelat naatriumi. Sellise skeemi kasutamisel on radioaktiivne vaid esimese kontuuri naatrium. Tuumaelektrijaamu jaotatakse veel vastavalt: - reaktori tüübi järgi (aeglased või kiired neutronid) - auruturbiini järgi (küllastunud või ülekuumendatud aur) - soojuskandja järgi (vesi, keev vesi, gaas, vedelmetall)
Iga keemilise elemendi aatomil on oma kindel ehitus. Aatomi ehitus Keemias aine ehituse seletamiseks piisab, et aatomit vaadatakse ehituselt meenutavat päikesesüsteemi. Seda nim. planetaarseks aatomimudeliks. Planetaarse aatomi mudeli järgi koosneb aatom aatomituumast ja elektronkattest. Aatomituum Aatomituum asub aatomi keskel ja tuuma on koondunud praktiliselt kogu aatomi mass. Tuum koosneb prootonitest ja neutronitest. Prootonid on positiivse laenguga osakesed ja neutronitel laeng puudub. Seega on aatomi tuumal positiivne laeng. Tuumalaenguks nimetatakse aatomi tuumalaengut. Tuumalaengu määrab prootonite arv tuumas. Kokkuleppeliselt loetakse prootoni laenguks +1. Näiteks kui tuumas on 3 prootonit, siis tuumalaeng on +3. Li 3 , 3 on järjekorra number , ütleb prootonite arvu tuumas. Prootonite arv ehk tuumalaeng määrab keemilise elemendi järjekorranumbri. Elektronkate Elektronkate tuuma ümber tiirlevad kindlatel orbiitidel elektronid.
Võrdluseks, tänapäeva veereaktorite töötemperatuur on ~330°C. Seejuures neli tüüpi kuuest sobivad tootma kõrgtemperatuurset soojust vesiniku termokeemiliseks tootmiseks või muudeks tööstuslikeks rakendusteks. Enamik reaktoritest töötab suletud kütusetsüklis, kindlustades sellega tuumkütuse parema ärakasutamise ja geoloogilisse lõpphoidlasse paigutamist vajavate pikaealiste kõrgaktiivsete jäätmete koguse olulise vähenemise. Neli tehnoloogiat töötab kiiretel neutronitel (neist ühel on siiski ka aeglaste neutronite versioon) ja kaks on aeglaste neutronite reaktorid. Nähakse ette erinevate reaktorite loomist elektrilise võimsusega vahemikus 50 1500 MWe. Kaks reaktoritüüpi on heeliumjahutusega, üks vesijahutusega ja ülejäänud plii-vismutisulam-, naatrium- ja fluoriidsooljahutusega. Kõiki valitud tehnoloogiaid on varem katsetatud, kuid pikaajalisem töötamiskogemus on olemas neist nelja suhtes
gaas-soojuskandjaga Magnox reaktor (Magnesium non-oxidising) ja hiljem rikastatud uraani kütusega täiustatud gaasjahutusega reaktor AGR, mis mõlemad sobisid nii energia- kui ka Pu- tootmiseks. Ühendkuningriigi ja Läänemaailma esimeseks tööstuslikuks tuumajaamaks sai 1956. a. 50 MWe Calder Hall-1 Sellafieldis. Prantsusmaal alustati samuti Magnox-reaktoritega, kuid peagi mindi üle USA litsentsiga PWR-reaktorite ehitamisele. [7] Kui eelnimetatud, va EPR-1, on kõik aeglastel neutronitel töötavad reaktoritüübid, siis arendamist leidsid ka nn kiired (kiiretel neutronitel töötavad, so aeglustita) reaktorid FBR. Aastal 1963 alustas Newportis USA-s tööd FBR reaktor Fermi-1. NL tööstuslik variant BN-350 käivitati Sevtsenkos, Kasahstanis aastal 1972. [7] 4.4. Reaktorite põlvkonnad Praeguse klassifikatsiooni järgi loetakse Shippingport, Dresden-1, Magnox tuumareaktorid I põlvkonda kuuluvaks. Nende tüüpide edasiarendamise tulemusena saadi peamisteks ehitatavateks
* I põlvkonda enam ei kasutata ja IV veel lähema 15 aasta jooksul tootmisküpseks ei saada. * Töös on enamasti II põlvkonna ja üksikud III põlvkonna reaktorid. II põlvkonna reaktorite tüübid (arvukuse järgi): * surveveereaktor PWR ja WWER * keevveereaktor BWR * surveraskeveereaktor PHWR või CANDU * täiustatud gaasjahutusega reaktor AGR * kergevee grafiitaeglustiga reaktor RBMK * kiire reaktor FBR Väljaarvatud FBR, on kõik ülejäänud aeglastel neutronitel töötavad reaktorid, mis kasutavad tuumkütusena peamiselt looduslikku või 235U suhtes väherikastatud uraani ja osaliselt reaktori töötamisel 238U neutronkiiritamisel tekkivat plutooniumi. Sellega kasutatakse kogu uraanis sisalduvast lõhustumisenergiast ära ainult 1-2 %. Surveveereaktor PWR Tavaline vesi reaktoris ja esmases jahutussüsteemis
orgaanilised ained. Kuidas see liitumine võimalik oli, vaatleme esmalt lihtsate ühendite tekkimise näitel. Aatomil on tuum, milles on positiivselt laetud osakesed prootonid laenguga +1 ja laenguta osakesed neutronid. Ümber tuuma tiirlevad negatiivselt laetud osakesed elektronid laenguga -1. Kuna + ja laengud on tasakaalus, on aatom tervikuna laenguta. Prootonite ja elektronide arv on võrdne, neutronite arv võib varieeruda (isotoobid!). Prootonitel ja neutronitel on mass. See kokku C moodustab elemendi aatommassi. Elektronide mass on võrreldes tuuma massiga nii väike, et seda ei arvestata. Näiteks kõige enam levinud süsiniku isotoop 12C omab 6 prootonit ja 6 neutronit ja 6 elektroni. Aatommmass on 6+6 = 12. Mendelejevi tabelis: Elektronid tiirlevad ümber tuuma kindlatel orbiitidel. Orbiitidel on kindel kuju (s ja p orbiidid). Igal orbiidil võib olla kuni 2 elektroni
Kiirgusspekteris ja neeldumispektris asuvad jooned samadel kohtadel. Laser: Light Amplication by Stimulated Emission of Radiation. See tahendab valguse voi mendamist stimuleeritud kiirguse abil. Laserikiirgus on monokromaatne ja koherentne. Energiakvant energia väiksem jagamatu osa Osakeselaine dualism: ? Laineomadusi (interferents, difraktsioon) on eksperimentaalselt registreeritud elektronidel, neutronitel, aatomitel. ? Laineomadused on koikidel kehadel, ka makrokehadel. ? Osakeselaine dualism ehk kahesus on looduse uldine omadus. Aatomituuma ehitus: ? Tuum on kerataoline suure tihedusega objekt aatomi keskmes. ? Koosneb nukleonidest: ? prootonid, laenguga +e, ? neutronid, neutraalsed. ? Nukleone hoiavad koos tuumajoud: tugev vastasmoju. Tuumareaktsioon on kahe aatomituuma voi aatomituuma ja elementaarosakese kokkupor ge, mille tulemusena tekivad uued aatomituumad ja/voi elementaarosakesed
Ümber aatomituuma erinevatel elektronkihtidel tiirlevaid elektrone kokku nimetatakse elektronkatteks. Igasse elektronkihti mahub kindel arv elektrone. Aatomid erinevad üksteisest massi, mõõtmete ja sisemise ehituse poolest. Aatomituum on aatomi keskel paiknev aineosake, mis koosneb nekleonitest. Aatomituum on aatomist ligi 100000 korda väiksem. Nukleoniteks on prootonid ja neutronid, need omakorda koosnevad kvarkidest. Prootonitel on positiivne elektrilaeng, neutronitel laeng puudub ehk neutronid on elektriliselt neutraalsed. Aatomi ehituse seosed perioodilisustabeliga: Aatomnumber (järjenumber) = tuumalaeng = prootonite arv = elektronide koguarv Perioodi number = elektronkihtide arv A-rühma number = elektronide arv väliskihil B-rühma elementidel on väliskihil tavaliselt 2 elektroni Ümardatud aatommass = massiarv = prootonite + neutronite arv 8. Ionisatsioonienergia
on raske avastada. Tuumaelektrijaamad maailmas Euroopas on 18 riigil tuumaelektrijaamad. Soome ja Rumeenia kavatsevad hakata ehitama veel uut. Maailma võimsam on Jaapanis Kashiwazaki Kariwa (2008) kontsern Toshiba tuumaelektrijaam, kus on ekspluatatsioonis 5 keevavee reaktorit (BWR) ja 2 täiustatud keevaveereaktorit (ABWR), summaarse võimsusega 8,212 GWe. Aatomielektrijaamad klassifitseeritakse vastavalt seal paigutatud reaktoritele: o soojus neutronitel töötavad reaktorid, kus kasutatakse spetsiaalseid neutroni aatomituuma aeglustajaid; o kergel veel töötavad reaktorid; o grafiitreaktorid; o kiirete neutronite reaktorid; o subkriitilised reaktorid, kus kasutatakse väliseid neutronite allikaid; o termotuumareaktorid. Väljastava energia järgi jagatakse aatomielektrijaamad (AEJ): o ainult elektrienergia tootmiseks; o nii elektrienergia kui ka soojusenergia tootmiseks;
Aeglustiks on grafiit, soojus- kandjaks heelium. Reaktor töötab tunduvalt kõrgemal temperatuuril kui teised reaktorid, auru- generaatoris toodetakse sama kõrgete parameetritega auru nagu fossiilsetel kütustel töötavates elektrijaamades. Tuumaelektrijaama kasutegur on seetõttu oluliselt kõrgem. Briiderreaktorid. Kütusena kasutatakse plutooniumi-uraani segu. Kütuse on rikastud üle 20%- seks. Reaktor töötab ilma aeglustita, kiiretel neutronitel. Reaktoris toimub teistes reaktori tüüpides inertse U-238 muundumine uueks tuumakütuseks plutooniumiks. Uut tuumakütust tekib rohkem, kui "põleb" vana. Soojuskandjaks kasutatakse vedelmetalli naatriumi. Seade on kolmekontuuriline: kahes esimeses kontuuris tsirkuleerib vedelmetall, kolmandas aur vesi. Sellised reaktorid on Prantsusmaal ja Jaapanil. Joonis 8.83. PWR tüüpi reaktoriga tuumajaama põhimõtteline skeem Ohud
annaabi.ee 
