Tuumareaktorid - kordamisküsimused (0)

Tallinna Tehnikaülikool - Energeetika - Tuumareaktorid

1 Hindamata

Tuumaenergeetika osa elektroenergeetikas. Tuumaenergeetika areng. Tuumareaktorite liigitus.
Tänapäeval on 30 riigis elektritootmisel käigus 443 tuumareaktorit koguvõimsusega 372 GWe. Tuumalõhustumise energia abil toodetakse 16 % kogu maailma elektrist (~7% moodustab maailmas tarbitavast energiast).
Tänu ioniseeriva kiirguse ja 1930-ndate aastate lõpul tuumamuundumiste, tuumalõhestumiste uurimisele arenes välja tuumaenergeetika. Teadaolevalt käivitati 1940-ndate alguses esimene tuumareaktor .
Lisaks soodustas mingil määral tuumarelvastuse ja sõjalaevade tuumajõuseadmete väljatöötamine energiatootmiseks sobivate tuumareaktorite ja tuumkütusetsükli arengut. USA ja NL lõid tööstuskompleksid suurte 235U koguste rikastamiseks ja plutooniumi 239Pu tootmiseks, aga seega ka eeldused reaktorikütuste valmistamiseks. Katsetati erinevaid reaktoritüüpe - sõjalaevade ning Pu-tootmise reaktoritest arenesid välja hilisemad energiatootmise reaktorid .
1940-1950-ndatel aastatel jõuti tuumasünteesini (kergete tuumade fusioon ). Esimene tuumaelektri tootmine eksperimentalreaktorig toimus 1951. aastal USA-s.
Esimene riigi elektrivõrku ühendatud 5 MWe võimsusega tuumaelektrijaam avati 1954. aastal NL-s.
Reaktorid jaotatakse nelja põlvkonda. Enamus kasutusel olevatest jaamadest kuulub kas teisse või kolmandasse põlvkonda. Põlvkondasid eristavad peamiselt nõuded turvalisusele, efektiivsusele ning säästvale käidule.
Tänapäevaste tuumareaktorite arendajate peamiseks sihiks on vähendada kõikvõimalikke tuumajaamaga kaasneda võivaid riske ning optimeerida nende tööd. Nii on näiteks Tšernobõlis kasutatud (Leedu Ignalina tuumajaamas kasutati analoogseid) RBMK-tüüpi teise põlvkonna reaktoritest astutud suur samm edasi kaasaegsete kolmanda põlvkonna reaktoriteni. Neljanda põlvkonna reaktorite kommertskasutusse võtmist ei ole järgmise 15 aasta jooksul ette näha.

Tuumakütuse (uraani, tooriumi ) varud, saadavus, tootjamaad.

Uraan : leidub looduses ainult ühendeis. Looduslik uraan on isotoopide U234(0,006%), U235(0,72%) ja U238(99,274%) segu. Isotoobi U234 kogus on väike ja ebaoluline. Uraan on väga levinud element looduses. Ntx: leidub merevees, graniidis , settekivimis.

Kaevandatud uraani rikastatakse vastavaks reaktori nõuetele. Rikastamine on teiste sõnadega uraani isotoobi U-235 protsendi tõstmine kütuses. Reaktori tööks piisav rikastusprotsent jääb tavaliselt alla 10%, pigem 5% lähedale

Toorium : kuigi uraan on põhiline tuumakütus , võib arvestada ka küllaltki suurte loodusliku tooriumi varudega. Suur osa nendest varudest esineb monatsiit liivadena, mida leidub Indias, Brasiilias ja USA-s.

Tuumakütuse varud
Austraalia 30%, Kasahstan 17%, Kanada 12%, Lõuna-Aafrika Vabariik ja USA-mõlemal ~ 8%, Namiibia 6%, Venemaa 4%, Usbekistan 3%

Tuumakütuse tsükkel. Tuumakütuse rikastamine. Töötanud tuumakütuse varraste ümbertöötamine.
Tuumkütuse tsükli moodustavad mitmed tegevused, mis on vajalikud tagamaks elektritootmist tuumajaamas. Tsükli algus koosneb uraani kaevandamisest ja eraldamisest, konversioonist, rikastamisest, rekonversioonist ja tuumkütuse valmistamisest.

Uraanimaak kaevandatakse kas avatud karjääridest või allmaakaevandustest ja saadetakse tavaliselt lähedal asuvasse tehasesse. Maak purustatakse, peenestatakse lobriks ja sellest eraldatakse uraan tugevas happes või leelises lahustamise teel. Lahusest sadestatakse uraanoksiidi U308 kontsentraat , mis kuivatatakse, kuumutatakse ja pakendatakse.

Konversioonitehases muundatakse „kollakook“ algul uraandioksiidiks UO2 ja seejärel gaasiliseks uraanheksafluoriidiks UF6. Uraandioksiid on raskeveereaktorite rikastamata tuumkütuse valmistamiseks otseselt kasutatav. Kergeveereaktorite kütuse valmistamiseks peab aga uraankütuse sisaldust isotoobi 235U suhtes suurendama - rikastama.

Rikastamisega suurendatakse uraanis ühe tema põhiisotoobi, lõhustumiseks võimelise 235U, osakaalu teise isotoobi 238U suhtes. Rikastusmeetodid: 1.) gaasilise difusiooni meetod 2.)tsentrifugaalprotsess. Suured rikastustehased on USA-s, Prantsusmaal, Venemaal.

Enamus kasutatavast tuumkütusest valmistatakse uraandioksiidist pressitud ja kõrgel temperatuuril kuumutatud keraamiliste tablettide kujul. Tabletid pakitakse hermeetiliselt tsirkooniumisulamist torudesse kütusevarrasteks. Viimastest koostatakse reaktorisse paigutamiseks kütusekomplektid.

Kasutatud tuumkütus eraldatakse reaktorist. Need on reaktorist väljavõtmise järel ülimalt radioaktiivsed - intensiivse ioniseeriva kiirguse ja soojuse allikad. Kasutatud tuumkütuse võib pärast „jahtumist“:1.) ümbertöödelda uueks tuumkütuseks 2.) vahe-/ lõppladustada.

Ümbertöötlemistehases eraldatakse kasutatud kütuses sisalduv uraan, plutoonium ja väikeaktiniidid lõhustusproduktidest (kildtuumadest). Uraan, milles on lõhustuvat 235U rohkem kui looduslikus , suunatakse tagasi kütusetsüklisse: konversioon , rikastamine jne. Lõppladustamist vajavateks radioaktiivseteks jäätmeteks lähevad ainult viimased , so umbes 3 % kogu kasutatud kütuse asemel. Ümbertöötlemine on igal juhul soodne nii kütuse säästliku kasutuse kui radioaktiivsete jäätmete koguse olulise vähenemise seisukohalt.

Kasutusel on maapealsed või maapinna-lähedased vahehoidlad. Kasutatud tuumkütusekomplektid pakendatakse lõppladustamiseks hermeetiliselt korrosioonikindlatesse konteineritesse.
Avatud kütusetsükkel lõpeb kasutatud tuumkütuse ja radioaktiivsete jäätmete käitlemise ning vahe- ja lõppladustamisega.. Suletud kütusetsükkel saadakse, kui kasutatud tuumkütus töödeldakse ümber uueks kütuseks, see suunatakse uuesti tuumareaktorisse ja ainult väike kogus jäätmeid läheb lõppladustamisele.

Aatomituuma omadused. Massidefekt . Seoseenergia : Tuumareaktsioonid . Tuumareaktsioonide efektiivsed ristlõiked. Tuumade lõhustumine .
Aatomituum on aatomi väga väike ja tihe keskosa, mis moodustab põhilise osa aatomi massist. Aatomituum koosneb nukleonidest – positiivse laenguga prootonitest ja neutraalse laenguga neutronitest . Tuuma iseloomustavad: laeng, mass, spin, magnetmoment, raadius, el.moment. Nii nagu aatomis, on ka tuumas tuumasisene energia kvantiseeritud: igal nukleonil on lubatud enrgianivood (nivoode vahe ~ 1 MeV).
Seoseenergiale ekvivalentset massi (seisumass), mille võrra on tuum kergem tema koostisosade masside summast, nimetatakse massidefektiks.
Massidefekt Z prootoni ja N neutroni puhul: ΔM=ZmP+NmN-M
Seoseenergia on töö, mida on vaja teha tuuma lõhkumisel algosakesteks. Täpselt sama suur energiahulk vabaneb algosakeste tuumaks liitumisel.
Tuumaühinemine (ehk tuumafusioon) on kergete aatomituumade ühinemine raskemateks tuumadeks. Sõltuvalt tekkiva tuuma seoseenergiast võib selle reaktsiooni tulemusena energiat vabaneda (uue tuuma seoseenergia on väiksem kui ühinevate tuumade seoseenergia) või neelduda (uue tuuma seoseenergia on suurem kui ühinevatel tuumadel).
Tuumareaktsioon on kahe aatomituuma või elementaarosakese ja aatomituuma kokkupõrge, mille tulemusena tekivad uued aatomituumad ja/või elementaarosakesed. Tuumareaktsioonid võivad olla eksotermilised (soojuse eraldumisega) või endotermilised ( soojus neeldub).
Tuumareaktsioon: 1. kergete tuumade ühinemine ( tuumasüntees ) 2. raskete tuumade lagunemine .
Tuumalõhustumine on protsess, milles raske ebastabiilne tuum lõhustub kaheks (või rohkemaks) kergemaks, enam-vähem võrdse suurusega tuumaks. Seejuures kiirgab ta 2-3 neutronit ja suur hulk energiat.
Lõhustumisel kasutatakse tuumade pommitamiseks aeglaseid neutroneid. Kiired neutronid ei
suuda lohustumist esile kutsuda. Voib muutuda ahelreaktsiooniks, kui lohustumise tagajarjel
tekkinud neutronid kutsuvad esile uusi lohustumisi. Leiab aset tuumareaktoris, aatompommis. Ahelreaktsiooni käiku mõjutab neutronite paljunemistegur k.

Erineva energiaga neutronite reaktsioonid tuumaga. Tuumalagunemise mehhanism . Silmapilksed, resonants ja hilinevad neutronid. Tuumalagunemisel vabanev energia. Reaktori jääkenergiaeraldus. Tuumakillud.

Tuumalagunemisel vabanev energia:

Tuumakildude kin. energia
Silmapilksete ג kvantide energia
Hilinevate ג kvantide energia
Neutronite energia
β osakeste energia
Antineutronite energia
SUMMA
235U
166,0
7,2
7,2
4,9
9,0
10,0
204,1 MeV
239Pe
171,3
7,0
7,0
5,9
9,0
10,0
210,3 MeV

Radioaktiivne lagunemine võib toimuda mitmesugust mehhanismide kaudu, olulisim neist on lähtetuuma spontaanne lagunemine kaheks laengult ja massilt võrreldavaks tütartuumaks. Spontaanne lagunemine on põhjustatud prootonite vahel valitsevast väga tugevast elektrostaatilisest tõukumisest, mistõttu suure prootoniarvuga tuumad muutuvad äärmiselt ebastabiilseks. Energia eralduse aeg: 33% > 1 minutiga, 60% > 1h, 75% > 1 ööpäev.

Reaktori jääkenergiaeraldus. 7% reaktori töövõimsuset.

Neutronite aeglustamine. Aeglustite omadused. Neutronite eluiga.

Aeglusti on aine, mis aeglustab kütusetuumade lõhustumises tekkivaid kiireid neutroneid ja muudab nad sellega efektiivsemateks ahelreaktsiooni tekitajateks. Kõige rohkem kasutatakse tavalist vett, kuid ka rasket vett (D2O) ja grafiiti .
Neutronite aeglustumine:
1) elastsete kokkupõrgetega (kahe neutroni vahel)
ΔEmax = E1-E2 = 4AE1/(A+1)2 (max energia laupkokkupõrkel)
2) mitteelastne kokkupõrge
Kihis dx N (tuumade arv ruutmeetris):
- sigma fii Ndx = dI
dfii/fii = -sigma Ndx
Fiix=fii0e-sigma Nx
N sigma dx = sum dx
Vaba tee pikkus kuni vastava reaktsioonini:
Lambda = (int(0 to inf) x e-sumxdx)/(int(0 to inf) e –sum x dx) = 1/sum
3) neelates ehk sidudes ainega.
Aeglustustegur:
Ka = (ksii sume )/suma.t. ,kus
ülemine on elastne ja mitteelastne hajumine ja alumine sooj. neutronite neeldumisristlõige aines
Aeglustiks kasutatakse kerg-, raskevett või grafiiti.
Kõige paremini neelab neutroneid raske vesi, mis ei neela neutroneid, ainult hajutab neid. Raske vee puuduseks on selle kallidus. Raske vesi on ainus aeglusti, millega saab kasutada looduslikku uraani.
Soojusliku kiirgusega neutronid:

Neelatakse aeglusti, konstruktsioonmaterjalide poolt.
Kutsuvad esile tuumalagunemise.
Lendavad tuumareaktori aktiivtsoonist välja.

Aeglusti omadused: suur neutronite hajumisristlõige, väike neutronite neeldumisristlõige, suur neutronite energiakadu kokkupõrkel aeglusti tuumaga.
Vaba neutroni eluiga on 15,3 minutit. Seetõttu ei ole looduses vabu neutroneid, kuid neid saab tuumareaktsioonidega.

Neutronite difusioon reaktoris . Difusiooni võrrand. Diffusiooni tee pikkus. Neutronite voo tihedus.
sigmaa – difusiooni tegur, mis määratakse
eksperimentaalset
D sigma
– diameeter ,
L delta
– teepikkus
Harilik vesi: kihi paksus delta = ca 10 cm
G R0
rafiit: kihi paksus delta = ca 100 cm
r- raadius

Nelja kordajaga võrrand. Reaktori kriitilised mõõtmed. Neutronite efektiivne paljunemistegur. Reaktiivsus . Neutronite peegeldi .
Nelja kordajaga võrrand
Neutronid ja difusioon tekivad ühekorraga.
Vaatleme lõpmata suurt reaktorit , mis koosneb tuumakütusest ja aeglustist. Kütuseks on nõrgalt rikastatud uraan, N5 Olgu n1 esimese põlvkonna neutron , mille energia E ≥ 1MeV.
Kiirete neutronite arv μ*n1, kus μ – kiirete neutronite paljunemistegur.
ζ*μ*n1-kui palju neutroneid jõuab soojusliku liikumise kiiruseni, kus ζ – tegur, mis arvestab neutronite arvu vähenemisega.
Neutronite arv e tuuma lagunemise määr - θ* ζ*μ*n1, kus θ – näitab tõenäosust, kui palju kaob neutrone kiirguse teel. Nim. soojuslike neutronite kasuteguriks.
Selle tagajärjel tekivad teise põlvkonna neutronid.
Reaktori „kriitilised mõõdud“ (puhta küuse korral):
U233→mkriitil=16 kg→R kriitil=6 cm
U235→mkriitil=48 kg→R kriitil=8,5 cm
U239→mkriitil=17 kg→R kriitil=6 cm
Neutronite effektiivne paljunemistegur: Kef= n2/n1= θ* ζ*μ*n1
Neutronite paljunemistegur
K = järgneva põlvkonna neutronid / eelneva põlvkonna neutronid
K = 1 kriitiline reaktor
K K > 1 ülekriitiline
Reaktorite reaktiivsus- dimensioonita suurus
Olgu No esimese põlvkonna neutronid, siis No* Kef järgmise põlvkonna neutronid
ζ= No* Kef -No/ No* Kef = Kef -1/ Kef, kus ζ – reaktori reaktiivsus
Kui ζ=0, siis reaktor töötab konstantsel kiirusel
Kui ζ>0, siis reaktori võimsus kasvab
Kui ζ 6,75h 135Xe beeta- -> 9,13h
135Cs beeta- -> 2,6 E6 aastat 135Ba
6,34%
Energial 0,084 eV
sigmaa = 3,15 E6 baarn
Peale seiskamist kohe käivitada reaktorit ei tohi! Joodiaurud reaktoris!
143Nd beeta- -> 2h 149Pm beeta- -> 53,1h 149Sm (stabiilne)
1,13% sigma a = 4,08 * E4 baarn
Neutronmürgid on ained, mis neelavad väga palju neutrone, kuna nende ainete neelamise ristlõige on väga suur. 1. väljapõlevad neutronite mürgid ; 2. lahustuvad neutronite mürgid; 3. mittepõlevad neutonite mürgid.
10. Reaktorites kasutatavad tuumakütuse elemendid ( vardad jne).
Neutroneid neelavat ainet sisaldavad vardad, mille väljatõmbamisega reaktorisüdamikust või sellesse sisselükkamisega saab ahelreaktsiooni kiirust muuta või lõhustumisprotsessi üldse seisata. Neelavateks aineteks on tavaliselt boor, hafnium või kaadmium . Peaaegu kõikides reaktorites on ahelreaktsiooni kiireks summutamiseks ka lisasüsteem, mis vajaduse korral juhib reaktorisse neutroneid neelavat vedelikku või gaasi.
Kütusevardad: Magnokskate (p=2,5 MPa, t 850C).
11. Erinevat tüüpi reaktorite juhtimis-, reguleerimis- ja ohutusseadmed.
Reaktori juhtimine ja kontroll
Reaktoris tuleb kas luua võimalus tööajal kütuse vahetamiseks (raskeveereaktoris) või reaktiivsustagavara (korra aastas vahetatakse kütusest 1/3, st. üks kütusevarras on 3 aastat reaktoris)
* Kütuse ärapõlemise kompenseerimiseks (arvestades ka 239Pu teket).
* Statsionaarse Xe (tekib joodist beeta-lagunemise ja neutronite neelamise teel, ) mürgituse kompenseerimiseks.
* Sm (samaariumi) mürgituse kompenseerimiseks.
* Šlakkumise kompenseerimiseks.
* root ja rooW
Et reaktor ei muutuks ülekriitiliseks, tuleb sinna panna neutroneid neelavaid (suure neelamisrist-lõikega) materjale, milleks on: Boorteras ( boori üle 3%); Boorkarbiid B4C; Hafnium Hf; Kadmium Cd
k ef: Reaktori võimsuse muutmine. Energiaeralduse jaotus aktiivtsoonis. Reaktori käivitus. Plaaniline ja avariiline seiskamine.
On olemas 4 tüüpi juhtvardaid:
1. automaatjuhtimise vardad – reaktori võimsuse muutmiseks
2. käisitsijuhtimise vardad – samuti reaktori võimsuse muutmiseks
3. kompensatsioonivardad – reaktiivsuse muutuse reguleerimiseks ajas
4. avariilise seiskamise vardad – peavad tagama reaktori ohutuse, töötavad automaatselt, kui võimsus järsult tõuseb või mõnes piirkonnas temperatuur järsult kasvab või tuumakütuse elementide kate puruneb või tekib kuskil keemine .
Peab olema 2 üksteist sõltumatud ohusignaali, et reaktor automaatselt seiskuks.
Reaktorit kaitseb 3 ohutusbarjääri:
1) Kütusevarraste kate – varda ulatuses väga suur temperatuurigradient (300 kuni 2000 *C)
Kütusevarda sees UO2, Xe, tahked osakesed. Kiirete neutronite toimel muutub varda kest hapraks. See peab vastu pidama ka avariiolukorrale, järsule kuumenemisele. Osadel varrastel tekivad siiski praod ja laguproduktid pääsevad vardast välja. Üritatakse välja aretada paremaid metalle.
2) I kontuur ehk reaktori anum ja torustikud aurugeneraatorisse ja tagasi (keevreaktoril BWR turbiinini ja tagasi).
3) Kaitsekuppel peab vastu pidama rõhule 5-6 baari. Kui avarii korral rõhk läheb suuremaks , siis on olemas ventiilid, mis lasevad osa heitmeid välja, et kõik heitmed välja ei pääseks. Normaalselt kaitsekupli alust ventileeritakse, gaasid läbivad radioaktiivsust eemaldavaid filtreid. Olkiluoto 3 kaitsekuppel on kahekordne, peab vastu ka lennukiga tabamisele.
12. Vesi-vesi reaktorid (PWR) e. surveveereaktor
Rohkem kui 260 reaktoriga on PWR enimkasutatav reaktoritüüp maailma energeetikas, peamiselt USA-s, Prantsusmaal, Jaapanis ja Venemaal (nimetatakse WWER). Elektriline võimsus varieerub piirides 300-1500 MWe. Suure võimsusega PWR reaktori südamikus võib olla 150-250 vertikaalselt asetatud kütusekomplekti, millest igaühes on 200-300 kütusevarrast. Kokku on reaktoris seega 80-100 tonni 3,5-5 % 235U suhtes rikastatud tuumkütust. Veerand kuni kolmandik kütust uuendatakse 1,5-2 aasta järel.
Vertikaalsed juhtvardad juhitakse südamikku reaktorianuma pealt. Tavaline vesi reaktorianumas ja esmases jahutussüsteemis temperatuuril ~ 325°C ja rõhul ~ 150 at toimib nii soojuskandja kui ka aeglustina. Kõrge rõhk, mida hoiab aur erilises survepaagis, takistab vee keemist esmases kontuuris . Aurugeneraator, milles esmase kontuuri vee antud soojus tekitab turbogeneraatorit käitava auru teiseses madalama rõhu all töötavas jahutuskontuuris, asub tavaliselt samuti kaitsekestas. Kaitsekestast väljas koosneb teisene jahutuskontuur aurutraktist, turbogeneraatorist, kondensaatorist ja veepumbast. Kondensaatorit, kus aur muundub tagasi aurugeneraatorisse juhitavaks veeks , jahutatakse jõe-, järve- või mereveega või jahutustornide abil.
Surveveereaktoreid eelistatakse nende sisemise ohutuse tõttu. Tagatiseks on PWR reaktorile omane negatiivne tagasiside: kui südamiku võimsuse suurenemisel osa esmase süsteemi vett muutub auruks, siis aurus väheneb neutronite aeglustumine ja seega ka lõhustusreaktsiooni kiirus ning reaktori võimsus. Avariisüsteemiks reaktori seiskamiseks vajadusel on lisaks juhtvarrastele, nt, boori juhtimine esmase kontuuri vette.
PWR eeliseks on ka asjaolu, et teisene jahutuskontuur ei saastu radioaktiivselt, mis esmases kontuuris paratamatult esineb.
13. Keevad reaktorid (BWR)
Maailmas töötab üle 90 keevveereaktori võimsustega kuni 1300 MWe ja see on levikult teine reaktoritüüp USA-s, Jaapanis, Rootsis. Erinevalt PWR-st on selles reaktoris ainult üks madalama ~ 75 at veerõhuga jahutuskontuur. Sellisel rõhul keeb vesi ~ 285 °C juures juba reaktorisüdamikus ja südamiku ülaosas on 12-15 % kogu veest auru kujul. Aurus on neutronite aeglustumine oluliselt nõrgem kui vees. Kokkuvõttes on sellise reaktori kasutegur väiksem kui PWR reaktoril. Reaktorianuma ülaosas tekkinud aur läbib auruseparaatorid ja juhitakse sealt otse turbiini . Turbiinist jõuab aur kondensaatorisse, kus muundub veeks, jahtub ja vesi pumbatakse tagasi reaktorianumasse.
Tuumkütusena kasutatakse 235U suhtes rikastatud uraanoksiidi olenevalt reaktori võimsusest kuni 750 vertikaalses kütusekomplektis (igaühes 90-100 varrast ). Korraga on reaktoris kuni 140 tonni tuumkütust. Juhtvardad viiakse südamikku reaktorianuma alt. Lisaks kasutatakse juhtimiseks südamikku läbiva veevoo muutmist , reguleerides auru osakaalu südamiku ülaosas ja sellega neutronite aeglustamise efektiivsust.
Konstruktsiooni lihtsuse eest (ainult üks jahutuskontuur!) tuleb siiski maksta. Kuna turbogeneraatorisse jõuab reaktorisüdamikku läbinud aur, siis jõuavad sinna ka vees sisalduvad lühiealised radioaktiivsed lisandid. Turbiin vajab seetõttu kiirgusvarjestust ja igasugused hooldetööd generaatorisaalis tuleb reaktori töötamisel teha kiirgusohutuse meetmeid rakendades. Peale selle vajab BWR reaktor ka

14. Kanal -tüüpi reaktorid (RBMK jne) e. Kergevee grafiitaeglustiga reaktor

Endises NSV Liidus väljatöötatud ja ainult selle territooriumil ehitatud reaktoritüüp võimsusega 1000 – 1500 MWe. Tuumkütuseks oli kuni 1986. a. madala rikastusastmega 2 % 235U uraanoksiid 3,5 m pikkustes kütusekomplektides. Pärast avariid Tšernobõlis suurendati kütuse rikastusastet 2,4 % 235U. Kütus asetseb vertikaalsetes 7 m pikkustes survetorudes, mis paiknevad aeglustigrafiidis. Samas asuvad ka vertikaalsed juhtvardad. Survetorudest voolab soojuskandjana läbi kõrge rõhu all vesi temperatuuril ~ 290 °C, mis erinevalt CANDU reaktorist keeb. RBMK tüüpi reaktorit iseloomustab ohtlik positiivne tagasiside ja seepärast sellist tüüpi muudes maades ehitada ei lubata. Positiivne tagasiside võib tekkida järgmiselt. Tuleb arvestada, et tavaline vesi mitte ainult ei aeglusta, vaid ka neelab neutroneid. Võimsuse suurenemisel tekkiv aur põhjustab neutronite neeldumise vähenemist ja samaaegselt jahutuse halvenemist varem veega täidetud reaktorisüdamikus, peamine grafiitaeglusti toimib üha efektiivsemalt ja reaktori võimsus aina kasvab. See protsess koos reaktori ehitusvigade ja valede juhtimisvõtetega viis raske reaktoriavariini Tšernobõlis 1986. a. RBMK reaktorit energeetikas kasutamiseks enam edasi ei arendata ja rahvusvaheline surve on praegu töötavate reaktorite lõplikuks seiskamiseks.

15. Raske vee reaktorid

Surveraskeveereaktor PHWR või CANDU (i.k., Pressurised Heavy Water Reactor)

Levikult kolmas reaktoritüüp CANDU töötati välja Kanadas 1950-ndatel aastatel ja seda on järjest täiustatud. Praegu töötab 44 seda tüüpi umbes 500 MWe keskmise võimsusega reaktorit mitmetes maades (Kanada, India). CANDU suur eelis on võimalus kasutada looduslikku uraanoksiidi (0,7% 235U) tuumkütusena tänu raske vee D2O suurepärastele aeglustiomadustele. Jääb ära kulukas uraanirikastusprotsess, kuid samas tuleb rikastada aeglustimaterjali, mis pole küll samuti odav!
Madalal temperatuuril ja rõhul aeglusti paikneb suures kalandriks nimetatavas paagis, mida läbistab mitusada horisontaalset survetoru. Aeglusti rasket vett jahutatakse eraldi soojusvaheti abil, seega on ka siit võimalik vähesel määral soojust toota. Igas survetorus paikneb otsakuti 12 kütusekomplekti (igaühes 37 poolemeetrise pikkusega tsirkooniumisulamist torus varrast) ja seda läbib esmase kontuuri jahutusvesi. Juhtvardad viiakse kalandri pealt vertikaalselt kütust sisaldavate survetorude vahele. Esmase jahutuskontuuri raske vesi survetorudes on kõrge rõhu all kuni 290 °C ulatuval temperatuuril ja ringeldes läbi aurugeneraatori, tekitab nagu PWR reaktoris teises kontuuris auru, mis omakorda käitab turbogeneraatori. Kuna üksikuid survetorusid saab igaüht eraldi süsteemist välja lülitada, saab tuumkütust vahetada reaktori töötamise käigus ja selleks pole vaja reaktorit seisata.
Avariiseiskamiseks on CANDU varustatud lisaks juhtvarrastele ka kalandri aeglustile neutroneid efektiivselt neelava gadoliiniumi lisamise süsteemiga.

16. Gaasilise soojuskandjaga reaktorid

Täiustatud gaasjahutusega reaktor AGR (i.k., Advanced Gas-cooled Reactor)

Ühendkuningriigis väljatöötatud ja ainult seal kasutatav reaktoritüüp elektrilise võimsusega 550 – 625 MWe. AGR kasutab rikastatud (2,5-3,5 % 235U) uraanoksiidist tuumkütust ja soojuskandjana süsinikdioksiidi (süsihappegaas, CO2). Prototüüp , nn Magnox reaktor, kasutas kütuseks looduslikku metalset uraani. Neutronite aeglustiks on grafiit . Tuumkütus paikneb tablettidena vertikaalselt paigaldatud roostevabast terasest torudes grafiitaeglustis. Juhtvardad suunatakse aeglustisse reaktorikorpuse pealt. 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. Üheks neist on tehnilised raskused. Teine on selliste reaktorite hind. Praegu on uraan nii odav, et nad pole majanduslikult tasuvad.
Plutooniumit tekib rohkem, kui algset tuumakütust kulub. Kütus PuO2/UO2 segu – 20% rikastatu UO2, 80% PuO2.
Soojuskandja: Pb ja Na segu. Naatrium ei tohi mingil juhul veega kokku puutuda!
Joonis 4 fotokast!
Aktiivtsoon: D = 3,66 m
h = 1m
V = 10,8 m3
435 kW/l
Kütuse tootmisetsoon delta = 1 m
Kütuse vardad D = 8,5 mm roostevaba teras
Aktiivtsoonis 37 t kütust
Kütuse tootmine 74 t uraani
Kütus 34-37 % mahust
Na 39-47 %
Austeniiteras 22-27 %

18. Neljanda põlvkonna tuumareaktorite iseärasused

2005. a. lepiti kokku kuue reaktoritehnoloogia valikus , mis peaksid kujundama tuumaenergia näo lähitulevikus. Kõiki valituid iseloomustab praegustega võrreldes parandatud jätkusuutlikkus, säästlikkus, ohutus, usaldatavus , kindlus terrorirünnaku ja tuumarelvamaterjali diversiooni suhtes ning pikk tööiga (> 60 a). Kõik reaktorid töötavad kõrgetel temperatuuridel , so temperatuuride vahemikus 510-1000°C. 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. Loodetavasti soodustab see asjaolu viimaste kiiremat väljatöötamist. Tööd on arendusjärgus ja pole selge, kas kõik valitud tüüpidest end praktikas õigustavad. Ehituskõlblikeks peaksid nad saama ajavahemikus 2010-2030. Muidugi peab GIF silmas ka teisi arenguid täiustatud reaktorikontseptsioonide väljatöötamisel.

19. Tuumareaktorite bioloogiline kaitse (kehvapoolne vastus)

Arvatakse, et reaktori radioaktiivse töötamisel on 1018 – 1020 Bq. Reaktori seiskudes hakkab see kiiresti vähenema. Arvatakse, et 0,3 % sellest väljub reaktori aktiivtsoonist. Seetõttu kaitstakse reaktor bioloogilise kaitse ja soojuskaitsega. Bioloogiline kaitse peab kinni pidama gamma ja neutronkiirguse. Neutronid aeglustatakse kas betooni või veega. Laevareaktorites kasutataks e parafiini, terast, seatina, malmi või mitmekihilist kaitset. Esimene kiht võib olla ka boori sisaldav grafiit.
Reaktorit kaitseb 3 ohutusbarjääri:
1) Kütusevarraste kate – varda ulatuses väga suur temperatuurigradient (300 kuni 2000 *C)
Kütusevarda sees UO2, Xe, tahked osakesed. Kiirete neutronite toimel muutub varda kest hapraks. See peab vastu pidama ka avariiolukorrale, järsule kuumenemisele. Osadel varrastel tekivad siiski praod ja laguproduktid pääsevad vardast välja. Üritatakse välja aretada paremaid metalle.
2) I kontuur ehk reaktori anum ja torustikud aurugeneraatorisse ja tagasi (keevreaktoril BWR turbiinini ja tagasi).
3) Kaitsekuppel peab vastu pidama rõhule 5-6 baari. Kui avarii korral rõhk läheb suuremaks, siis on olemas ventiilid, mis lasevad osa heitmeid välja, et kõik heitmed välja ei pääseks. Normaalselt kaitsekupli alust ventileeritakse, gaasid läbivad radioaktiivsust eemaldavaid filtreid. Olkiluoto 3 kaitsekuppel on kahekordne, peab vastu ka lennukiga tabamisele.

20. Reaktori aktiivsed ja passiivsed ohutussüsteemid (kehvapoolne vastus)

Passiivsete ohutusmeetmete laialdane rakendamine – nt, mitte aktiivsed vahendid nagu jahutusvee pumbad, vaid raskusjõu ja/või loomuliku tsirkulatsiooni kasutamine.

Reaktorit kaitseb 3 ohutusbarjääri:
1) Kütusevarraste kate – varda ulatuses väga suur temperatuurigradient (300 kuni 2000 *C)
Kütusevarda sees UO2, Xe, tahked osakesed. Kiirete neutronite toimel muutub varda kest hapraks. See peab vastu pidama ka avariiolukorrale, järsule kuumenemisele. Osadel varrastel tekivad siiski praod ja laguproduktid pääsevad vardast välja. Üritatakse välja aretada paremaid metalle.
2) I kontuur ehk reaktori anum ja torustikud aurugeneraatorisse ja tagasi (keevreaktoril BWR turbiinini ja tagasi).
3) Kaitsekuppel peab vastu pidama rõhule 5-6 baari. Kui avarii korral rõhk läheb suuremaks, siis on olemas ventiilid, mis lasevad osa heitmeid välja, et kõik heitmed välja ei pääseks. Normaalselt kaitsekupli alust ventileeritakse, gaasid läbivad radioaktiivsust eemaldavaid filtreid. Olkiluoto 3 kaitsekuppel on kahekordne, peab vastu ka lennukiga tabamisele.

21. Tuumaenergia tootmises tekkivad jäätmed, nende iseloom ja käitlemine. Reaktori heitmed.

Radioaktiivsed jäätmed

Kõrge radioaktiivsusega jäätmed – kasutatud tuumakütuse vardad. 95% reaktori radioaktiivsusest.
1000 MWe reaktoris tekib 25-30 tonni/aastas, s.o. 3 m
Algul hoitakse neid vähemalt 1 aasta reaktori kõrval jahutusbasseinides. Järgnevalt transporditakse hoiupunkti.
Koostised:
„Värske“ tuumakütus:
4% 235U
96% 238U
Reaktorist eemaldatud kütus:
1% 235U
1% xPu
3% laguprodukte
95% 238U
Kütust saab ümber töötada ainult 1 kord, mitte rohkem. Praegu on Uraan liiga odav, et kütuse ümber töötamine ära tasuks . Kütusevarraste ohutamiseks pannakse nad näiteks vasest anumatesse (Soomes) ja ladustatakse. Neid ei saa väga kompaktselt hoiustada, sest eraldavad veel soojust.

Keskmise radioaktiivsusega jäätmed – 4% radioaktiivsusest. I kontuuri ioonvahetid, tihendid, reaktorist pärit metall , erinevad vedelad jäätmed, mis aurustatakse ja seotakse betooniga . Lõpuks valatakse bituumeniga üle ja ladustatakse.

Vähese radioaktiivsusega jäätmed – 90% mahust, 1 % radioaktiivsusest. Tööriistad, paber, riided, mitmesugused gaasifiltrid. Radioaktiivsus ainult natuke suurem kui looduslik foon.

22. Tuumaenergeetika ohutuse probleemid

Ohutuse tagamise suhtes on tuumaenergia arengu kestel väga palju tehtud ja saavutatud. Euroopa Liidu kui maailma suurima tuumaelektri tootja seadmetes ei ole kogu ajaloo jooksul toimunud ühtki tõsisemat avariid. Enamik praegustest töötavatest tuumareaktoritest on ohutuse suurendamiseks ja käidu lihtsustamiseks täiustatud. Eriti kehtib see uue põlvkonna kergevee reaktorite kohta, mille ehitusse on projekteeritud lihtsustatud hooldussüsteemid ja passiivsed, see on operaatorist sõltumatult toimivad , ohutussüsteemid.
Tuumaenergeetikas võivad ohutuse rikkumise tagajärjed ulatuda kaugele väljapoole tuumajaama ennast. Selgeks näiteks oli puuduliku konstruktsiooniga reaktori ja ohutusreeglite jõhkra rikkumise tulemusena arenenud Tšernobõli avarii 1986. a. Seepärast ei saa tuumaohutusega seotud tegevust ainult tuumajaama operaatori kontrolli alla jätta. Igal juhul on õigustatud tõhus asjakohasele seadusandlikule ja täidesaatvale baasile tuginev riigipoolne ja rahvusvaheline järelevalve . Nii irooniline kui see ka ei näi, soodustas just eelnimetatud avarii tuumaohutuse tohutut parandamist kogu maailmas. Võib täie kindlusega väita, et kaasaegsed arendused reaktoriehituses koos praeguste ohutusstandardite, käidupraktika, tugeva järelevalve- ja inspektsioonisüsteemiga on võimelised tagama tuumaenergia ohutuse. Samas suurenevad riskid vältimatult, kui ükski neist süsteemidest ei täida oma ülesandeid korralikult.
15

.DOC Laadi alla originaalfail 15 lk · .doc · 21 allalaadimist

50 punkti Autor soovib selle materjali allalaadimise eest saada 50 punkti.

~ 15 lehte Lehekülgede arv dokumendis

2015-02-13 Kuupäev, millal dokument üles laeti

21 laadimist Kokku alla laetud

0 arvamust Teiste kasutajate poolt lisatud kommentaarid

Sulnis Õppematerjali autor

Vastused eksami kordamisküsimustele:
1. Tuumaenergeetika osa elektroenergeetikas. Tuumaenergeetika areng. Tuumareaktorite liigitus.
2. Tuumakütuse (uraani, tooriumi) varud, saadavus, tootjamaad.
3. Tuumakütuse tsükkel. Tuumakütuse rikastamine. Töötanud tuumakütuse varraste ümbertöötamine.
4. Aatomituuma omadused. Massidefekt. Seoseenergia: Tuumareaktsioonid. Tuumareaktsioonide efektiivsed ristlõiked. Tuumade lõhustumine.

Jne.

Sarnased õppematerjalid

rtf

Tuumaenergeetika uurimistöö

......... 1. Mis on tuumaenergia?........................................................................................... 2. Kuidas tuumaenergia tekib?.................................................................................. 3. Tuumaenergia kasulikkus...................................................................................... 4. Tuumkütus............................................................................................................. 5. Tuumareaktor........................................................................................................ 6. Levinuimad reaktoritüübid..................................................................................... 7. Reaktorite põlvkonnad.......................................................................................... 7.1 Esimene põlvkond............................................................................................. 7.2 Teine põlvkond........

Füüsika

ppt

Energiamajandus

Rootsi (~50%) USA (~20%) Tuumaelektrijaamade paiknemine Kokku on maailmas kasutusel 439 kommertstuumaelektrijaama 30-s riigis. Lisaks sellele on kasutusel 284 õppereaktorit 56 riigis ning umbes 220 reaktorit on paigutatud laevadele või allveelaevadele. Tuumaelektrijaamade tüübid · 4 tuumareaktorite põlvkonda * 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

Geograafia

pdf

Tuumaenergia

......................................................................................................................10 4. AJALUGU ...................................................................................................................................................11 4.1. Algus .................................................................................................................................................11 4.2. Esimene tuumareaktor .....................................................................................................................11 4.3. Esimestele katsetele järgnenud arengud .........................................................................................12 4.4. Reaktorite põlvkonnad .....................................................................................................................13 5. TUUMAENERGIA MAAILMAS...............................................

Ökoloogia ja keskkonnakaitse

docx

Tuumaenergiauus (1)

Tallinn 2015 SISUKOR Sissejuhatus................................................................................................................... 3 1.Ajalugu........................................................................................................................ 4 1Eelnev....................................................................................................................... 4 1.2.Maailma esimene tuumareaktor............................................................................5 1.3.Areng..................................................................................................................... 5 1.4.Ajastute erinevused............................................................................................... 6 2. TUUMAENERGIA OLEMUS............................................................................................ 8 2.1. Tuumaenergia tekkimine................

Kategoriseerimata

doc

Tuumajaamad

laviinitaoliselt paljuneda. Varraste järkjärgulise reaktorist väljatõmbamise teel oli võimalik väga kindlalt ja täpselt reguleerida ahelreaktsiooni algusmomenti ja kiirust ning automaatselt hoida seda mistahes soovitaval tasemel. Peale selle olid reaktoris kanalid mõõteriistade ning neutronitega pommitamiseks aktiivtsooni viidavate ainete jaoks. Reaktori töö käigus tekkis väga ohtlik, suure läbimisvõimega neutron- ja gammakiirgus, seepärast tuli reaktor ümbritseda kahe-kolme meetri paksuse betoonkestaga, nn bioloogilise kaitsega. Tuumareaktoreid kasutatakse elektrienergia tootmiseks, teaduslikel uurimistöödel rakendavate võimsate neutronivoogude tekitamiseks, mitmesuguse kiirgusintensiivsuse ja poolestusajaga radioaktiivsete tehisisotoopide valmistamiseks, ainete kiiritamiseks nende füüsikaliste ja 3

Füüsika

docx

Tuumaenergia referaat

määral reaktorites kasutatavat lõhustuvat U235, siis tuleb kaevandatud uraani rikastada vastavaks reaktori nõuetele. Rikastamine on teiste sõnadega uraani isotoobi U235 protsendi tõstmine kütuses. Reaktori tööks piisav rikastusprotsent jääb tavaliselt alla 10%, pigem 5% lähedale; näiteks relvatööstuses kasutamiseks on uraani vajalik rikastusprotsent oluliselt kõrgem, ulatudes 90%ni. Tänapäevased reaktorid Reaktorid jaotatakse nelja põlvkonda kuuluvateks. Enamus kasutusel olevatest jaamadest kuulub kas teisse või kolmandasse põlvkonda. Põlvkondasid eristavad peamiselt nõuded turvalisusele, efektiivsusele ning säästvale käidule. Tänapäevaste tuumareaktorite arendajate peamiseks sihiks on vähendada kõikvõimalikke tuumajaamaga kaasneda võivaid riske ning optimeerida nende tööd.

Geograafia

docx

Tuumaenergia

katse edu ühtlasi rahumeelse tuumaenergia võimalikkust. Sõja olukorras ja seose tõttu tuumarelva väljatöötamisega salastati rangelt kõik tuuma valdkonna uurimised ja arendused. Erandiks oli mõningane infovahetus USA ja Ühendkuningriigi vahel ning USA tuumasaavutuste spionaaz NLiidu kasuks. Tulemusena arendas iga suurriik tuumatehnikat oma vajaduste ja võimaluste piires iseseisvalt. Näiteks, käivitati NLiidu esimene reaktor F-1 Moskvas detsembris 1946 ja Ühendkuningriigi reaktor GLEEP Harwellis augustis 1947. Kolmkümmend aastat Fermi reaktorist hiljem (1972) selgus, et inimene polnud siiski esimene tuumareaktori looja Maal. Juba 1,8 miljardit aastat tagasi käivitus looduses Oklo uraanirikastes settekivimites Aafrikas Gabonis vähemalt 17 tuumareaktorit. Need töötasid avariide ja olulise keskkonnasaasteta ning juhtisid end umbes miljoni aasta vältel, kuni lõpuks välja lülitusid. Esimestele katsetele järgnenud arengud

Füüsika

docx

Tuumaelektrijaam

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.

Füüsika

Rohkem sarnaseid