03 Nuklearna goriva
Transcript of 03 Nuklearna goriva
Termoenergetska postrojenja
1. Uvod u energetiku, osnovni pojmovi i definicije, mjere2. Energetske statistike3. Oblici energije i energetske transformacije4. Primarni oblici energije
UgljenNaftaPrirodni plinNuklearna gorivaVodne snageObnovljivi izvori energije
5. Proizvodnja termalne energijeIzgaranjeSustavi fosilnih goriva, pumpe, plamenici, kotloviSustavi fosilnih goriva, pumpe, plamenici, kotlovi
6. Nuklearni procesi i reaktori7. Proizvodnja mehaničke energije
MotoriTurbine
8. Procesi parnog postrojenja9. Nove tehnologije
Kombi-postrojenjaGorivni članci
10. Pohrana energije11. Utjecaj elektrana na okoliš –
EmisijeStaklenički plinovi i globalno zatopljenje
coal
energy losses
resi
de
ntia
l
po
wer
pla
nts
renewables& nuclear
Primarni oblici
energije
transformirani oblici
energije
naturalgas
oil
use
ful e
nerg
y
transp
ort
indust
rial
heat
electricity
transport
non energy use
korisni oblici
energije
Nuklearna goriva
Prirodna nuklearna goriva
Prirodna nuklearna goriva: Uran (U) i Torij (Th)
Uran Torij
Redni broj u sastavu elemenata 92 90Atomska masa 238,03 232,038Broj izotopa 15 12Važniji izotopi od 234 do od 227 do
238 i 240 232 i 234Udio izotopa u prirodnom stanju 238 99,3% 232 99,99%
235 0,7%234 0,0055%
Boja srebrnastobijel platinastGustoća [kg/dm3] 18,9 11,31Temperatura taljenja [°C] 1130 1827
Jedino nuklearno gorivo koje se može u svom prirodnom obliku neposrednoupotrebiti je U-235
Umjetna nuklearna goriva
Plutonij Pu-239
Uran U-233
Pu-239 se dobiva iz U-238
238 239 239 239γ β‾ β‾
U + n → U → U → Np → Pu 238
92
1
0
239
92
239
92
239
93
239
94
γ β‾ β‾
25,5 min 2,3 dana
U-233 se dobiva iz Th-232
Th + n → Th → Th → Pa → Th 232
90
1
0
233
90
233
90
233
91
233
92
γ β‾ β‾
25,5 min 27,4 dana
Ove reakcije se odvijaju u nuklearnom reaktoru
+
– Elektron
Proton
Neutron
nukleoni
A = broj protona i neutronaZ = višekratnik elementarnog
naboja = broj protonaA – Z = broj neutrona u jezgri
Naboj protona, e = 1,602x10-19 AsMasa protona, mp = 1,672x10-27 kgMasa neutrona, mn = 1,675x10-27 kg
Z = redni broj u periodnom sustavu elemenataA = maseni broj (broj nukleona)
+
–
H1
1He
4
2
+
–
+
–
B(Z,A) = [Zmp + (A–Z)mn – M(Z,A)]c2
Energija vezanja medju nukleonima:
Mase atomskih jezgara manje su za otprilike 1% od zbroja masa protona i neutrona od kojih su sastavljene.Zbog toga jer se u procesu spajanja nukleona u jezgru oslobađa energija
Specifična energija vezanja:Specifična energija vezanja:
b = B/AB/A
A
Ako se jezgra s masenim brojem A i specifičnom energijom vezanja bpodijeli u dvije jezgre s masenim brojevima A1 i A2 (gdje je A = A1 + A2) ispecifičnim energijama b1 i b2 oslobodit će se energija:
∆W = b1A1 + b2A2 – bA
Primjer:
Jezgra A = 240 b = 7,5 MeVPodijeli se u dvije jednake jezgre A = A = 120Podijeli se u dvije jednake jezgre A1 = A2 = 120b1 = b2 = 8,4 MeV
∆W = 2 x 8,4 x 120 – 7,5 x 240 = 2016 – 1800 = 216 MeV
1 MeV = 1 x 10-13 J
Za razbijanje jezgre potrebna je energija veća od elektrostatičke barijere
Th U U U Pu
Energija potrebna za probuđenje jezgre, Wc 7,1 6,2 6,4 6,8 5,8
Energija vezanja neutrona, Wv 6,6 6,8 6,5 4,8 6,4
Karakteristike nekih teških atoma s obzirom na raspad jezgre (MeV)
232
90
233
92
235
92
238
92
239
94
neutrona, Wv 6,6 6,8 6,5 4,8 6,4
Potrebna energija neutrona, Wn = Wc – Wv 0,5 - - 2,0 -
Wn, exp. 1,3 - - 1,1 -
Zaključak: za raspad teških jezgara U-233, U-235 i Pu-239) dovoljna je energijavezanja neutrona, pa neutron koji prodire u tu jezgru može imati neku minimalnukoličinu energije, i manje od 1 eV (tzv. spori neutroni)
U + n → U → Sr + Xe + 2 n235
92
1
0
236
92
94
38
140
54
1
0
Za tehničke svrhe interesantne su reakcije koje mogu same sebe održavatina pr.:
U + n → U → Ba + Kr + 2 n235
92
1 236
92
140
56
94 1U + n → U → Ba + Kr + 2 n
92 0 92 56 36 0
U + n → U → Ba + Kr + 3 n235
92
1
0
236
92
139
56
94
36
1
0
U + n → U → Cs + Rb + 3 n235
92
1
0
236
92
137
55
96
37
1
0
U prosjeku fisijom U-235 nastaju 2,5 neutrona + toplina
Periodički sustav elemenata
Prirodni Uran:
U-238 99,3%
U-235 0,7%
Sastav prirodnog urana
Yello cake (žuti kolač) – 70%-90% (tež.) U3O8
U-234 0,0055%
Proces proizvodnje nuklearnog goriva
2600 miljardi kWh godišnje električne energije iz nuklearne u Svijetu
1 tona LEU → 400 milijuna kWhLEU = low-enriched uranium = obogaćeni uranij – gorivo za nuklearke
10 tona prirodnog uranija → 1 tona LEU
2600 miljardi / 400 milijuna = 6500 tona LEU/godišnje
Potrošnja i rezerve prirodnog urana
2600 miljardi / 400 milijuna = 6500 tona LEU/godišnje = 65000 tona prirodnog uranija
Rezerve uranija: 5,5 milijuna tona*dodatnih 10 milijuna tona vjerovatne rezerve35 milijuna tona mogući resursi4,5 milijuna tona iz morske vode
5,5 milijuna / 65000 tona/god = 85 godina
* Ovisno o cijeni
CountryWNA[1] ENS[2]
tonnes share tonnes share
Australia 1,673,000 31.0% 725,000 22.0%
Kazakhstan 651,000 12.0% 378,100 11.5%
Canada 485,000 9.0% 329,200 10.0%
Russia 480,000 8.9% 172,400 5.2%
South Africa 295,000 5.5% 284,400 8.6%
Namibia 284,000 5.3% 176,400 5.3%
Brazil 279,000 5.2% 157,400 4.8%
Niger 272,000 5.0% 243,100 7.4%
Rezerve Urana
Niger 272,000 5.0% 243,100 7.4%
United States 207,000 3.8% 339,000 10.3%
China 171,000 3.2% - -
Jordan 112,000 2.1% - -
Uzbekistan 111,000 2.1% 72,400 2.2%
Ukraine 105,000 1.9% 135,000 4.1%
India 80,000 1.5% - -
Mongolia 49,000 0.9% - -
Other 150,000 2.8% 287,600 8.7%
Total 5,404,000 100% 3,300,000 100%
The list is based on the European Nuclear Society and World Nuclear Associationdata (reasonably assured resources plus inferred resources at $130/kg on 2007).
30% moguće uštede dodatnim obogaćivanjem30% moguće uštede odvajanjem uranija i plutonija is istrošenog LEUBreeder reaktori bi stvarali vlastito gorivo
(uz utrošak svega 1% od sadašnjeg)
Problemi s nuklearnom energijom:
Mogućnost nesreće, terorističkog napada
Proliferacija nuklearnog oružja
Neriješen problem nuklearnog otpada
Obnovljivi izvori energije
Obnovljivi izvori energije
Solarna insolacijaHidroenergijaEnergija vjetraBiomasaEnergija valova
Oblici obnovljivih izvora energije
Energija valovaEnergija morskih strujaToplinska energija oceana
(razlika temperatura između površine i dubine)
Energija plime i osekeGeotermalna energija
Potencijal (EJ)
Solar 3,850,000 400,000*
94,000**
Raspoloživost obnovljivih izvora energije
Tehničkipotencijal(TWh/yr)
94,000**
Vjetar 1,000 39,000
Hidro 144 15,000
Sadašnja svjetska proizvodnja električne energije
18,800
Ukupna svjetska potrošnja energije 96,000***
*1/10 svjetskih pustinja pokrivena FN panelima**1/2 svjetskih krovova pokrivena FN panelima*** ne racunajuci gubitke u energetskim konverzijama
1EJ = 278 TWh