Tuumaelektrijaam (2)

2008
Referaat
Tuumaelektrijaam
Füüsika
Juhendaja : Indrek Karo
Mari Parts
Pelgulinna Gümnaasium

Sisukord

Tuumaelektrijaam…………………………………………………………………………….3
Tööpõhimõte……………………………………………………………………………….4
Olemus ja mehhanism……………………………………………………………………5
Ajalugu…………………………………………………………………………………......6
Tuumareaktorite põlvkonnad…………………………………………………………….7
Tulevik……………………………………………………………………………………....8
Eelised ja puudused……………………………………………………………………..10
Keskkonnamõjud - ühiskonnasaaste……………………………………………….10
Keskkonnamõjud – vesijahutus reaktorites………………………………………..11
Kasutatud kirjandus………………………………………………………………………...12

Tuumaelektrijaam

Tuumaelektrijaam ehk tuumajaam ehk tuumajõujaam ehk aatomielektrijaam on elektrijaam, kus elektrienergiat saadakse aatomituuma lõhustumisest. Tuumaelektrijaamades on võimalik toota elektrienergiat suures koguses, ökonoomselt ja õhusaastevabalt. Tuumaelektrijaamad ei eralda kasvuhoonegaase ega saasta õhku. Normaalse töö korral tekib väga vähe tahkeid jäätmeid ja kütus on odav, sest seda kulub väga vähe. Sel põhjusel on maailmas väga suured tuumakütuse potentsiaalsed varud.
Tänapäeval annavad tuumajaamad 17% kogu elektrienergiast, peaaegu sama palju kui hüdroelektrijaamad. Esmakordselt toodeti tuumareaktori abil elektrienergiat 20. detsembril 1951 USAs Idahos. Esimene tuumaelektrijaam alustas tööd 27. juunil 1954 NSV Liidus Kaluga oblastis Obninskis. 2005. aasta seisuga oli maailma tuumaelektrijaamades 443 tegutsevat reaktorit . Kõige rohkem on reaktoreid USAs (104), järgnevad Prantsusmaa (59), Jaapan (56) ja Venemaa (31). Tänapäeval kasutatavate tuumaelektrijaamade võimsus ulatub 40 megavatist üle 1 gigavati.
Tuumaelektrijaamades kasutatakse kütusena uraani, mille varusid arvatakse jätkuvat umbes viiekümneks aastaks. Rikkalikumad uraanileiukohad on Kanadas, USA-s ja LAV-s.
Tuumaelektrijaama ehitamine ja käigushoidmine on väga kallis. Seda eeskätt turvakaalutlustel, sest õnnetuse puhul võib tekkida keskkonnale ülisuur kahju. Tuumakütuse jäägid on radioaktiivsed, seega ülimalt mürgised, ja nende lagunemiseks kulub sajandeid . Tuumaelektrijaamad võivad põhjustada veekogude temperatuuri tõusmist. Tuumakütuse rikastamise käigus võivad valitsused valmistada salaja tuumarelva ja seda on raske avastada.
Tuumaelektrijaamade ehituses pööratakse erilist tähelepanu ohutuse tagamisele
mitmesuguste võimalike rikete puhul. Survevesireaktoriga energiaploki ehituspõhimõte, milles võib eristada järgmisi kaitsebarjääre:
1)reaktori aktiivtsoonis – kütusevarda tsirkooniumkest sulamistemperatuuriga
1855°C;
2) reaktori tugev teraskest;
3) reaktorit, aurugeneraatorit ja veeringlustorustikku ümbritsev, radioaktiivset
kiirgust tõkestav eribetoonist kinnine ruumtarind;
4) rõhukindel, enamasti sfäärikujuline, eelnimetatud elemente ja ruumtarindit
ümbritsev teraskest;
5) kogu reaktoriseadmestikku väljast kaitsev betoonkuppel, mis peab vastu
pidama nt ükskõik millisele maailma maade relvastuses olevale raketile ning
välistama radioaktiivsete ainete väljapääsu reaktori purunemisel;
6) vundamendiplaat paksusega ligikaudu 10 m, mis peab kinni pidama reaktori
aktiivtsooni täielikul sulamisel tekkiva metallikoguse ning välistama selle
jõudmise pinnasesse.
Tuumaelektrijaamade eluiga on tavaliselt 30-40 aastat. Pärast seda kõrvaldatakse
reaktoreist tuumkütus ja jaam konserveeritakse. Jaama radioaktiivse (reaktori-) osa
lammutamisele saab asuda enamasti alles 10-20 aasta möödumisel pärast jaama
seismajätmist, kui radioaktiivse kiirguse foon on langenud piisavalt madalale.

Tööpõhimõte

Tuumaelektrijaama tööpõhimõte on sama, mis soojuselektrijaamal, ainult auru toodab aatomituumade lõhustumisel vabanenud energia.

Tööpõhimõte on väga lihtne:
1) alakriitiline kogus uraani - kui mingi rike juhtub, siis "ei saa laiali lennata, nagu Tsernobõlis".
2) alakriitiline uraani kogus kompenseeritakse kiirendist tuleva neutornite vooga - katkestades kiirendi elektriahela seiskub ka alakriitiline tuumareaktor;
3) soojust ei kasutata auruturbiini käitamiseks vaid väävelhappe lagundamiseks 1200°C juures laguneb väävelhape, mis edasi reageerib joodi ja veega summarselt lagundatakse nii vesi vesinikuks ja hapnikuks;
4) auruturbiini kasutugur on 30%, vesiniku kütuseelemendil 60%, samuti saab vesinikku kasutada autokütusena, nii pole vaja ka bensiini sisse osta.

Kuidas tuumaenergia tekib?

Tuumaelektrijaamades kasutatakse ära tuumade lõhustumise tagajärjel vabanev energia. Reaktoris luuakse tuumaenergia tootmiseks kontrollitud ahelreaktsioon , kus energia vabaneb soojusena. Viimast rakendatakse vee kuumutamiseks ja auru tekitamiseks, auru abil pannakse tööle elektrienergia tootmiseks kasutatavad turbogeneraatorid.
Kontrollitud ahelreaktsiooni käigus pommitatakse suure massiarvuga tuumi aeglustatud neutronitega, protsessi tulemusel liitub neutron tuumaga põhjustades viimase ergastatud oleku.. Tuumajõudude  tõttu lõhustub ergastunud tuum kaheks erineva massiga osaks (kildtuumaks), põhjustades nii kahe uue isotoobi tekke. Lisaks isotoopide tekkele eraldub lõhustumisel alati ka neutroneid ning gamma -kiirgust. Analoogiliselt lõhustub näiteks reaktorites kütusena kasutatav U-235 kaheks väiksema massiarvuga isotoobiks ning sellise protsessi käigus vabaneb suur kogus energiat.

Olemus ja mehhanism

Tuumareaktsioon reaktoris käib nii:
Uraani tuum kiirgab iseeneslikult neutroneid ja laguneb. Kui vabanenud neutron tabab uraan -235 tuuma, lõhustub ka see tuum (haarab neutroni ja liidab selle enda koosseisu, mille tõttu muutub ebastabiilseks ja laguneb peaaegu kohe) ja kiirgab välja 2-3 neutronit, mis omakorda tabavad järgmisi tuumi ja nii tekib ahelreaktsioon.
Tuumareaktsioonil vabaneb energia gammakiirgusena. Kui vabanenud neutron tabab uraan-238 tuuma, neelab uraanituum neutroni, kuid ei muutu ebastabiilseks, vaid kiirates 2 elektroni (neutroneid kiirgamata) muutub uueks aineks plutooniumiks.
Uraan-235 ja uraan-238 erinevad neutronite arvu poolest tuumas. Peale neutronite leidub tuumas prootoneid, mille arv on alati võrdne elemendi järjenumbriga elementide perioodilisussüsteemis (uraanil on see 92). Uraan-235 näitab, et tuumas on kokku 235 neutronit ja prootonit, st 92 prootonit ja 143 neutronit. Uraan-238 näitab, et tuumas on kokku 238 neutronit ja prootonit, st 92 prootonit ja 146 neutronit.
Tuumareaktoreid on kaht tüüpi: tavalise vee reaktorid ja raske vee reaktorid. Vett on reaktorisse vaja kahel otstarbel: esiteks neutronite liikumise aeglustajaks ja teiseks soojuskandjaks (kannab soojusenergiat reaktorist välja). Neutroneid on vaja aeglustada sellepärast, et uraanituum kiirgab enamasti kiireid neutroneid, aga uraanituuma suudavad lõhustada ainult aeglased neutronid. Kiired neutronid kas löövad tuumast osakese välja või põrkuvad lihtsalt eemale tuuma lõhustamata.
Raske vesi on vesi, mille molekulis (H2O) on tavalise vesinik -1 (tuumas 1 prooton, 0 neutronit) asemel vesinik-2 ehk deuteerium ehk raske vesinik (tuumas 1 prooton, 1 neutron). Raske vesi on palju parem neutronite aeglusti kui tavaline vesi. Nende kahe reaktoritüübi peamine vahe on selles, et raske vee reaktor tarbib kütusena looduslikku uraani, millest 99% moodustab tuumareaktsiooniks kasutu uraan-238. Tavalise vee reaktori kütuseks kasutatakse rikastatud uraani, millest umbes poole moodustab uraan-235.
Tuumareaktsiooni juhtimiseks (aeglustamiseks/kiirendamiseks), kasutatakse neutroneid neelavaid kaadmiumist juhtvardaid, mis vajadusel tõmmatakse reaktorist välja või lükatakse reaktori sisse.

Ajalugu

Tuumaenergia ajalugu on lühike. 1789.a avastas Martin Heinrich Klaproth aine, mille ta nimetas uraaniks. Tegelikult oli saadud aine aga uraandioksiid, mitte puhas uraan. Klaproth suri aastal 1817 ega saanudki oma eksitusest teada. Metallilist uraani sai esmakordselt alles Eugen Péligot aastal 1841.
Aastal 1896 avastas Henri Becquerel , et uraan kiirgab mingisuguseid nähtamatuid kiiri, mis läbivad musta paberit ja põhjustavad fotoplaadi tumenemise. Ta nimetas selle kiirguse uraanikiirteks. Umbes samal ajal avastasid Marie ja Pierre Curie, et nn "uraanikiired" on omased ka mõnedele teistele ainetele (nt tooriumile) ja nad nimetasid need kiired ümber radioaktiivseks kiirguseks. 1898 . aasta keskel avastas abielupaar Curie veel ühe radioaktiivse elemendi polooniumi ja viis kuud hiljem raadiumi. Aatomituuma avastas oma katsete käigus E. Rutherford 1911. aastal.
Uraanituumast energia saamise alguseks oli aga Otto Hahni ja Fritz Strassmanni avastus aastal 1939, mis näitas, et uraani isotoobi 235 tuum lõhustub aeglaste neutronite mõjul, kiirates välja energiat ja veel 2-3 neutronit, mis on omakorda võimelised teisi uraanituumi lõhustama, tekitades nii ahelreaktsiooni. See avastus avaski tee tuumaenergia kasutamisele, mida hakati ka kiiresti realiseerima.
Uraanituumade lõhustumisel vabanevat energiat kasutatakse tuumaelektrijaamades ja laevadel (ka allveelaevadel). Tuumareaktsiooni kasutatakse ka mõnede ainete sünteesimiseks.
Esimene tuumapomm lõhati 16.juulil 1945 USA-s New Mexico kõrbes. 6. augustil 1945 visati pomm Hiroshimale ja 3 päeva hiljem Nagasakile (Jaapani linnad). Veel praegugi leidub inimesi, kes peavad seda esimest tuumarünnakut eetiliseks ja ausaks teoks. Üks viimaseid suuremaid tuumakatastroofe oli 1986.a. Ukrainas Tðernobõli tuumaelektrijaamas. Igasugust looduse (jõgede jms) mürgitamist tuumajäätmetega jms oli NSV Liidus ka varem esinenud .
2. detsembril 1942 käivitas rühm teadlasi Itaalia füüsiku Enrico Fermi juhtimisel maailma esimese tuumareaktori. Chicago Ülikooli staadioni tribüüni alla ehitatud katseseadmes Chicago Pile No 1 teostati äärmise salastatuse õhkkonnas esimest korda inimese juhitav tuumalõhustumise ahelreaktsioon.
Selle saavutuse tegi võimalikuks paljude maade teadlaste eelnev töö ioniseeriva kiirguse, tuumamuundumiste ja tuumalõhestumise uurimisel , peamiselt 1930-ndate aastate lõpul. Ühtlasi sai tohutu energiahulga vabanemisel raskete tuumade lõhustumises neutronite toimel praktikas kinnituse A. Einsteini kuulus energia ja massi ekvivalentsuse põhimõte. Kuigi II Maailmasõja tõttu oli eesmärgiks tuumapommi tarvis plutooniumi tootmise seadme loomine, kinnitas selle katse edu ühtlasi rahumeelse tuumaenergia võimalikkust.

Tuumareaktorite põlvkonnad

Tulevik

Rahvastiku kasvu, majanduse arengu ja industrialiseerimise kombineerumine maailmas tähendab globaalse energiatarbimise kasvu. Jätkub soojusjaamadest saadava energia tarbimine ja seda tõusvas joones. See tähendab ühtlasi kasvuhoonegaaside emissiooni kasvu. Mitte miski ei suuda seda kahandada.
Laiaulatuslikus keskkonnakontekstis on tuumajõu kasulikkuses veendunud paljud valitsused, esmajoones arengumaades. IAEA teeb koostööd paljude selliste maadega, et teostada ulatuslikku energiaplaneerimist koos energiaallikate suhtelise hindamisega ja nende mõjudega tervisele ja keskkonnale. IAEA abistab oma liikmesriike hoolikas varustuse planeerimises, kaasaarvatud abi adekvaatsete tööstus- ja organisatoorsete infrastruktuuride asutamisel ja personali treenimisel ning kindlustab tõhusa ja turvalise tuumarajatiste opereerimise ja säilimise.
Paljudes industriaalmaades säilitab avaliku sektori arvamus kõhklevat ja vastandlikku hoiakut kasvava tuumaenergia kasutamise suhtes, või isegi selle olemasoleva taseme säilitamise suhtes. Taoline opositsioon ripub kolme faktori otsas: hirm õnnetuste ees, hirm pikaajaliselt säilivate radioaktiivsete jäätmete ees ja hirm, et tuumajõu kasutus aitab kaasa tuumarelvade vohamisele.
Tuumajõu levik ei ole kuidagi viimasele aspektile kaasa aidanud. Vastupidi, suureneb nende maade hulk, mis deklareerivad tuumarelvadest loobumist.
Sellal kui avalikkus ja meedia säilitavad tundelisuse iga pisemagi häire suhtes tuumaseadmetes, on tuumajaamad tegelikult küllaltki turvalised. Tuumaelektrijaamadel on suur töökogemus peaaegu 7200 reaktoriaasta kohta. Vastavalt kogemustele on kasutatud muudatusi jaamade töös ja nende juhtimises, et saavutada suurem turvalisus.
Nagu iga teine energiaallikas, genereerib ka tuumajõud jäätmeid, mis tuleb õieti ladustada. Madala ja keskmise tasemega radioaktiivsete jäätmete turvalise ladustamise tehnoloogia on heal tasemel IAEA liikmesmaades. Kõrgradioaktiivsete jäätmete (kulutatud kütus) pikaajaline ladustamine kindlates tingimustes on tehniliselt täiustatud, kuid seisab vastamisi poliitiliste takistustega, millest valitsused peavad jagu saama.
Paljud maad töötavad pakiliselt selle kallal, et leida kohti või konstrueerida ja komplekteerida kõrgradioaktiivsete jäätmete ladustamise rajatisi. Taolised sügavad maaalused rajatised on kõrgeima keskkonna, geoloogilise ja inimturvalisuse standardiga. Ollakse teadlikud vastutusest, kollektiivselt investeeritakse turvalisusesse rohkem kui mõnes teises võrreldavas ettevõttes. Tuumajäätmete ohutukstegemise probleem on vastavate eriteadlaste huvitsentrumis. Vene teadlane Viktor Arhipov väidab, et tuleviku tuumaenergeetika süsteemides on võimalik elektritootmise käigus samas põletada kõrgradioaktiivseid jäätmeid.
Edukalt arenevas rahvusvahelises koostöös on väljatöötamisel moodsad lähituleviku tuumareaktorid , millest tähtsamaiks võib pidada tuumalõhustusreaktorite IV põlvkonna ja termotuumasünteesi reaktori prototüübi projekte.
Esimene teeb võimalikuks praegusega võrreldes 50–60 korda suurema energia saamise samast uraanikogusest üliohututes standardkonstruktsiooniga säästlikes kiirete neutronite reaktorites. Sealjuures tagatakse sümbiootilises (suletud) tuumkütusetsüklis väiksemad ja vähemohtlikud radioaktiivsete jäätmete kogused ning kõrgtemperatuurse soojuse saamine vesiniku tootmiseks ja muudeks tööstusvajadusteks. Perspektiivsed on arendused rikkaliku tooriumkütuse tegelikuks kaasamiseks energeetikasse. Ehkki asjatundjate hinnangul jätkub uraani isegi tuumaenergeetika osa olulisel suurenemisel maailma energiatoodangus paljudeks sajanditeks, ületavad tooriumivarud uraani omasid kolmekordselt.
Teine väljakutse, tuumasünteesi juhitav ja ohutu teostamine, tõotab inimkonnale ammendamatut ja keskkonnasõbralikku energiaallikat. Tuumasüntees toodab tuumalõhestumisega võrreldes oluliselt lühema poolestusajaga ja vähemohtlikke radioaktiivseid jäätmeid. Puuduvad ka tuumkütuse tarnijatega seotud probleemid – iga vett ja seega selles sisalduvat deuteeriumi (raske vesinik) omav riik saab tuumkütuse omanikuks! Loodetavasti õnnestub maailma parimate asjatundjate koostöös ITER-i projektis oluliselt lühendada tuumasünteesi praktiliseks teostamiseks kuluvat ajavahemikku, mida siiani on mõningase irooniaga nimetatud parimaks invariandiks (muutumatuks suuruseks) füüsikas: mistahes ajahetkel on see ajavahemik 50 aastat!

Eelised ja puudused

Eelised
Puudused
Saastaineid ei teki.
Veehoidlad aitavad ühtlustada veetaset.
Uraanimaaki esialgu jätkub, energiasisaldus suur.
Transpordi-tava kütuse ja jäätmete väike
maht.
Normaalsel tööl saastavad keskkonda
tunduvalt vähem, kui paljud teised kütused ja on kõige odavam energiatootmise viis.
Ehitamine kallis. Ehitamine tasub end vaid suure languga või veerikastele jõgedele.
Veehoidlad muudavad ökosüsteemi, hõivavad elamisterritooriumi jne.
Üliohtlikud radioaktiivsed jäätmed, mille
kahjutustamise tehnoloogia puudub.
Avarii korral radioaktiivsete elementide väljapaiskumine.
Nõuab väga suuri kapitalimahutusi ja arenenud teadust.
Tekitab soojusreostust veekogudes, kuhu suunatakse jahutusvesi.
Tuumašantaaži oht.
Kas väljatöötatav uus reaktor sobiks väikeriigile nagu Eesti?
See võiks olla Eestile lahendus. Seda tüüpi reaktorid on palju tõhusamad ega vaja paljusid kaitsemehhanisme, mida vajavad vesijahutusega reaktorid. Kui vaadata võimsust, siis see ulatub 120 megavatist kuni 165 megavatini, mis on omakorda atraktiivne, sest selliseid reaktoreid saab rajada moodulitena vastavalt vajadusele. Eelis on ka, et algne kapitalimahutus on väiksem ja võrreldes suure elektrijaamaga saab ta kiiremini tööle.
Keskkonnamõjud - õhusaaste
Tuumajaamadest juttu tehes on viimasel ajal üha sagedasemaks muutunud väide nagu tuumaelekter oleks keskkonnasõbralik elektri tootmise viis. Tuumareaktori tegevusega otseselt kasvuhoonegaase ei teki - hiiglaslikest korstendeist tõuseb taeva poole ainult veeaur. See vesi on pärit kuskilt tuumajaama jahutussüsteemist ning mürgine ega radioaktiivne see ei ole. Selle tõttu on mitmed keskkonnakaitsjad hakanud promoma tuumaenergiat, jättes rääkimata milline olukord tegelikult on.
Nagu iga asigi, vajab ka tuumaelektrijaam ehitamiseks ja lammutamiseks energiat välisest keskkonnast. Mineraale tuleb kaevandada ja rikastada, et saada tuumakütust. Seda tehakse otseselt fossiilkütuseid diisel - või bensiinimootorites põletades, või siis kaudselt kasutades elektrit, mida toodetakse samuti fossiilkütuseid põletades. Elutsükli analüüs hindab nende tegevustega tarbitud energia hulka (arvestades tänapäevast energialiikide hajutatust) kalkuleerides tuumaelektrijaamas energiat tootes kilovatttunni kohta õhku paiskamata jäänud CO2'te (võrreldes fossiilkütustega) ning võrreldes seda tuumajaama ehituse ja kütuse tootmise käigus kulutatud CO2 hulgaga .
Arvestades emissioone kilovatt -tunni kohta, toovad mitmed elutsükli analüüsid tuumaenergia ja taastuvate energiaallikate, nagu näiteks tuuleenergia, vahel paralleele. 2001 aastal koostatud Van Leeuweni ja Smith'i uuringu kohaselt võivad olenevalt uraani maagi kättesaadavusest tuumajaama elu jooksul atmosfääri paisatud CO2 emissioonid ulatuda 20-st kuni 120% kilovatt-tunni kohta, võrrelduna maagaasi kasutavate elektrijaamadega. Maailma Tuuma Assotsatsioon (World Nuclear Association ) lükkas need väited hiljem ümber.
Keskkonnamõjud - vesijahutus reaktorites
Tuumareaktorid vajavad jahutamist, mida tavaliselt tehakse veega (kas otseselt või siis kaudselt). Kõige levinum jahutusvee allikas on jõgi. Jõgedest võetakse vesi ning oma funktsiooni täitnud siis juba soe vesi juhitakse tagasi jõkke, juhul kui see radioaktiivne pole. Väljalastava vee temperatuur ei tohi ka liiga suur olla, vastasel juhul võivad jões elavad kalad surma saada. Selle jaoks on uuemate tuumajaamade juures olemas jahutustornid, kus vesi enne jõkke laskmist jahutatakse.
Väljalastava vee temperatuur seab elektri tootmisele piirid. Eriti soojadel päevadel, kui nõudlus elektri järele on samuti suur, on vastavalt ilmale ka vesi soojem. Soe vesi aga ei suuda piisavalt tõhusalt reaktorit jahutada, ning vett ei saa ka liiga soojaks kütta, sest siis kahjustaks see jõe (või mõne muu veekogu) elukeskkonda. Just selline asi juhtus 2003 aasta Euroopa kuumalaine ajal.

Kasutatud kirjandus

http://et.wikipedia.org/wiki/Tuumaelektrijaa m

http://maakond.blogspot.com/2006/11/tuumaenergia.html

http://www.tuumaenergia.ee/

http://www.zone.ee/OS/aatompommid.ht m

http://www.minut.ee/comments.pl?sid=84257&cid=75492

http://www.hot.ee/vulpesvulpes/Sissejuhatus.html