|
Jednym z donioślejszych faktów w historii naszej cywilizacji było zbudowanie maszyny parowej przez Jamesa Watta. Maszyna parowa zamieniając ciepło na energię mechaniczną zastąpiła w pracy człowieka i zwierzęta pociągowe. Równie przełomowymi wydarzeniami były wynalezienie silnika spalinowego, żarówki, a w końcu urządzeń elektronicznych. Wraz ze przyrostem liczby wynalazków i rozwoju naszej cywilizacji stopniowo wzrastał poziom zapotrzebowania na energię. Według danych statystycznych w przeciągu 2000r. świat zużył łącznie 8752,4 [mln toe] energii (1toe - ilość energii zawarta w 1 tonie ekwiwalentnej ropy naftowej (oil equivalent). 1 toe = 41,86 GJ = 107 kcal) [6]. Obecnie obserwujemy ciągły wzrost zużycia energii. Według prognoz zapotrzebowanie na energię w roku 2020 będzie w skali całego globu o 50% większe w stosunku do stanu z 2000r. Problem ten dotyczy również Polski. Zakłada się, że zapotrzebowanie na energię do 2020r. wzrośnie w przedziale od 60 do 120 % w stosunku do obecnego poziomu. Przekracza to znacznie możliwości działających obecnie w naszym kraju elektrowni. Zaspokojeniem potrzeb energetycznych Świata zajmuje się ENERGETYKA, jeden z najważniejszych działów gospodarki światowej a także nauki i techniki. Energetyka w ogólnym rozumieniu zajmuje się pozyskiwaniem, przetwarzaniem, gromadzeniem oraz użytkowaniem różnych form i nośników energii. Użyteczne formy energii (mech., elektr. oraz ciepło) uzyskuje się w wyniku przetwarzania energii pierwotnej zawartej w źródłach odnawialnych i nieodnawialnych tzw. energii źródła. Obecnie większość energii elektrycznej wytwarzamy, spalając paliwa kopalne - węgiel kamienny i brunatny, ropę naftową i gaz ziemny. W wyniku spalania powstaje dwutlenek węgla - gaz odpowiadający za powstanie efektu cieplarnianego. Paliwa kopalne zawierają również pewne ilości związków siarki, które podczas spalania kopalin tworzą tlenki siarki. Tlenki mieszając się z parą wodną w atmosferze tworzą kwas siarkowy, który spada w postaci kwaśnych deszczów. Elektrownie węglowe wytwarzają ponadto dużo pyłu, unoszonego przez wiatry na duże odległości. Pomysłem na ograniczenie ilości spalin jest powolne wycofywanie się ze spalania kopalin. Równocześnie jednak nie możemy ograniczyć produkcji energii w związku z rosnącym na nią zapotrzebowaniem. Ważnym elementem systemu energetycznego są elektrownie wodne. Spiętrzając wodę, wykorzystujemy jej energię do napędzania turbin elektrycznych. Nie powstają przy tym żadne produkty uboczne, energia z elektrowni wodnych jest naprawdę "czysta" i - co bardzo ważne - jej źródła są odnawialne. Jednak zapory wodne nie są korzystne dla środowiska. Podczas ich budowy zostają zniszczone przez zalanie ekosystemy dolin rzecznych. Zmieniają się też warunki wodne dookoła. W przegrodzonych rzekach zanikają ryby wędrowne, jak np. węgorze, jesiotry czy łososie. Brzegi zbiorników zaporowych, w odróżnieniu od naturalnych jezior mają skąpą roślinność z powodu wahań poziomu wody. Zbiorniki powoli wypełniają się mułem, nanoszonym przez rzekę i wypłycają - czas eksploatacji jest więc ograniczony. W każdej elektrowni jądrowej, na skutek rozszczepienia ciężkich jąder atomowych, zachodzi przemiana części energii wiązania jądra, zwanej ENERGIĄ JĄDROWĄ, poprzez pośrednią postać energii, jaką jest energia cieplna, w energię elektryczną. Podstawowe paliwo zasilające reaktory jądrowe to głównie uran U - 235 oraz pluton Pu - 239. Nie tworzy się przy tym dwutlenek węgla, tlenki siarki, azotu. Produktem ubocznym są jednak odpady radioaktywne - głównie zużyte paliwo reaktorów jądrowych, które wydziela szkodliwe promieniowanie przez tysiące lat. Promieniowanie radioaktywne jest groźne dla wszystkich organizmów, wywołuje bowiem zmiany w materiale genetycznym. U człowieka zmiany te mogą być przyczyną białaczki lub rozwoju raka. Odpady radioaktywne muszą być składowane w specjalnych miejscach tak, aby nie wywoływały skażenia środowiska ani teraz, ani w przyszłości. Takich bezpiecznych miejsc jest jednak bardzo mało. Na początku tego roku na świecie było czynnych 444 jądrowych bloków energetycznych o łącznej mocy netto 351 GW. Łączny czas eksploatacji wszystkich reaktorów jądrowych wyniósł 9820 reaktorolat. Oprócz zastosowań w dziedzinie wytwarzania energii elektrycznej reaktory jądrowe pracują również jako napęd okrętów, oraz mają szerokie zastosowanie w medycynie.
Skok na początek 2. Historia rozwoju elektrowni jądrowych Rozwój
energetyki jądrowej na szeroką skalę zapoczątkowało odkrycie neutronu,
którego dokonał w 1932r. angielski fizyk James Chadwick,, oraz
przeprowadzone eksperymenty z przemianami jądrowymi (naświetlanie protonami,
cząstkami a i neutronami jąder atomów.).
Jeszcze przed wybuchem II Wojny Światowej (na przełomie lat 1938/1939)
chemicy niemieccy, Otto Hahn i Fritz Strassmann opublikowali wyniki
eksperymentu, w którym bardzo dokładnie zbadali produkty reakcji i
stwierdzili, że za pomocą neutronów udało im się rozszczepić jądro uranu. To
był moment, w którym dotychczasowe teoretyczne przewidywania, że człowiek
zapanuje nad energią znajdującą się w jądrze atomowym, stały się faktem.
Reakcja rozszczepienia przebiegała według wzoru poniżej a ilustrację
graficzną prezentuje
rys.1:
Pierwsza elektrownia jądrowa na świecie rozpoczęła pracę 27 czerwca 1954r. w Obnińsku ok. 120 km na zachód od Moskwy. W 1956 r. w Colder Hall w Anglii uruchomiono kolejną elektrownie jądrową. Lata 70 i 80-te dwudziestego wieku to szybki rozwój energetyki jądrowej. Obecnie energetyka jądrowa to dojrzała i wysoko rozwinięta technologia.
Skok na początek
- przemiana energii jądrowej w energię cieplną; - przemiana energii cieplnej w energię mechaniczną; - przemiana energii mechanicznej w energię elektryczną. Przemiana energii jądrowej w energię cieplną Przemiana ta odbywa się dzięki reakcji łańcuchowej rozszczepienia jąder atomowych w rdzeniu reaktora. W tej reakcji neutron wnika w ciężkie jądro i powoduje jego rozszczepienie (rys.1) na dwie najczęściej nierówne części, które nazywamy fragmentami rozszczepienia.
rys.1 Reakcja rozszczepienia jądra uranu U - 235. W wyniku rozszczepienia jądra następuje wyzwolenie energii, tzn. reakcja jest egzotermiczna i pojawiają się: - produkty rozszczepienia, które w przeważającej części są promieniotwórcze (promieniowanie β - i γ); - dwa do trzech neutronów prędkich, które nazywa się neutronami rozszczepionymi; - promieniowanie γ, które nazywa się promieniowaniem natychmiastowym γ. Uwalniająca się energia cieplna jest przekazywana nośnikowi ciepła, przepływającemu przez rdzeń reaktora. Najczęściej nośnikiem energii cieplnej (tzw. chłodziwo) jest woda dejonizowana (tj. całkowicie zdemineralizowana) pod wysokim ciśnieniem (do 16 MPa). Chłodziwo pompuje się za pomocą głównych pomp cyrkulacyjnych w zamkniętym obiegu chłodzenia składającym się z kilku równoległych pętli chłodzenia. Każda pętla posiada wytwornicę pary (tzw. wymiennik ciepła) Chłodziwo przepływając przez rury grzejne wytwornicy pary i przekazuje pobrane w reaktorze ciepło wodzie po stronie wtórnej wytwornicy pary. Woda ta pracując pod niższym ciśnieniem niż chłodziwo (max 7 MPa) paruje. Przy tej operacji chłodziwo ulega wychłodzeniu i jest ponownie kierowane do reaktora. Maksymalna temperatura chłodziwa - ze względu na materiały zastosowane w reaktorze - jest ograniczona do ok. 320°C, dlatego też w wytwornicy pary - przy uwzględnieniu spadku temperatury potrzebnego do przekazania ciepła - wytwarza się para nasycona o temperaturze niższej niż 300°C. Przemiana energii cieplnej w energię mechaniczną Przemiana energii cieplnej w mechaniczną zachodzi w obiegu termodynamicznym i podlega prawom termodynamiki. W obiegu tym jako czynnik roboczy stosuje się parę nasyconą, wytworzoną w wytwornicy pary. Jest to obieg wodno - parowy znany jako proces Clausiusa - Rankine'a. Parę nasyconą doprowadza się rurociągami pary świeżej do wysokoprężnej części turbiny parowej. W wyniku następującego bezpośrednio potem rozprężenia się pary w turbinie zostaje wykonana praca mechaniczna. Podczas rozprężania się pary nasyconej zwiększa się jej wilgotność. Wilgotność pary w turbinie nie może z reguły przekraczać 8 ÷ 13%, aby nie nastąpiła erozja wywołana kropelkami pary. W celu usunięcia nadmiaru wilgoci strumień pary z wysokoprężnej części turbiny kieruje się do mechanicznego oddzielacza wilgoci i następnie do przegrzewacza międzystopniowego. Po osuszeniu para przechodzi do niskoprężnej części turbiny. Tutaj rozpręża się znowu aż do osiągnięcia granicznej wartości wilgotności, po czym skrapla się w skraplaczu za pomocą układu wody chłodzącej. Ciepło skraplania jest przekazywane przez rury chłodzące do wody chłodzącej a następnie odprowadzane za pośrednictwem tej wody do otoczenia (jezioro, rzeka, chłodnia wieżowa). Skraplanie pary odbywa się przy temperaturze bliskiej temperaturze otoczenia. Temperaturze skraplania wynoszącej 26°C odpowiada ciśnienie ok. 0,0035 MPa. Skropliny muszą być odgazowane ze względu na korozję. W skraplaczu więc należy wytworzyć a następnie utrzymać wysoką próżnię. Duża część niskoprężnej części turbiny jest poddana podciśnieniu. Za pomocą pomp pokonuje się różnicę ciśnień między skraplaczem a wytwornicą pary i doprowadza się skropliny w postaci wody zasilającej do wytwornic pary. Do wykonania tego wymagane jest wykonanie pracy sprężenia, czyli doprowadzenie do procesu energii w postaci napędu pomp. Jednakże ze względu na nieściśliwość wody praca ta stanowi zaledwie kilka procent pracy uzyskanej w turbinie. Tym samym obieg czynnika roboczego jest zamknięty. Część pary pobiera się podczas jej rozprężenia z upustów w różnych stopniach turbiny i wykorzystuje się do podgrzewania regeneracyjnego wody zasilającej. Dzięki temu rozwiązaniu woda zasilająca na wlocie do wytwornicy pary ma prawie temperaturę wrzenia i wobec tego reaktor musi dostarczyć przede wszystkim ciepło parowania. Przemiana energii mechanicznej w energię elektryczną Ta przemiana zachodzi dzięki indukcji elektromagnetycznej w generatorze elektrycznym, którego wirnik jest sprzężony z wałem turbiny. Turbina i generator tworzą agregat zwany turbozespołem.
rys.2. Uproszczony schemat elektrowni jądrowej z obiegiem pierwotnym i wtórnym.
Skok na początek 4. Podstawowe typy elektrowni jądrowych Urządzenie, w którym zachodzi kontrolowana reakcje rozszczepienia, nazywamy reaktorem jądrowym. Część reaktora, w której znajduje się materiał rozszczepialny zwany paliwem jądrowym, nazywa się rdzeniem. Rdzeń reaktora otoczony jest zwykle warstwą materiału, zwaną reflektorem, która "odbija" z powrotem znaczną część neutronów uciekających z rdzenia. Rozwiązanie to pozwala na zmniejszenie ucieczki neutronów z rdzenia, co prowadzi do zmniejszenia wymiarów krytycznych i masy krytycznej oraz polepszenia warunków pracy reaktora. Schemat ideowy reaktora prezentuje rys. 3. oraz rys. 4.
rys. 3. Elementy konstrukcyjne reaktora jądrowego: 1 - osłona biologiczna, 2 - osłona ciśnieniowa, 3 - reflektor neutronów, 4 - pręty bezpieczeństwa, 5 - pręty sterujące, 6 - moderator, 7 - pręty paliwowe, 8 - chłodziwo.
rys. 4. Pręty paliwowe zanurzone w
wodzie Obecnie w większości budowanych reaktorów energetycznych stosowane są cylindryczne elementy paliwowe. Składają się one z cienkościennej szczelnie zespawanej rurki, zwanej koszulką, w której znajduje się materiał rozszczepialny w postaci pastylek. W czasie pracy reaktora, w wyniku rozszczepień jąder izotopów rozszczepialnych, w pastylkach powstają silnie promieniotwórcze produkty rozszczepienia, które dostają się do przestrzeni między pastylkami a koszulką. Zadaniem koszulki jest zatrzymanie ich wewnątrz elementu paliwowego. Wydostanie się produktów rozszczepienia na zewnątrz stanowiłoby zagrożenie dla personelu i uniemożliwiłoby prawidłowe funkcjonowanie reaktora. Koszulki wykonane są zwykle ze stali nierdzewnej, stopów cyrkonu lub stopów magnezu. Ze względów konstrukcyjnych i eksploatacyjnych elementy paliwowe są grupowane w tzw. kasety paliwowe o przekroju kwadratu lub sześciokąta. Między kasetami paliwowymi w rdzeniu reaktora lub wewnątrz kaset są umieszczone pręty regulacyjne wykonane z materiału silnie pochłaniającego neutrony. Są one przeznaczone do sterowania pracą reaktora. Ze względu na przeznaczenie reaktory możemy podzielić na: - energetyczne, przeznaczone do produkcji energii elektrycznej - badawcze (badania fizyczne, badania materiałów) - szkoleniowe - wytwórcze, przeznaczone do produkcji plutonu - napędowe, przeznaczone do napędu statków - ciepłownicze Ze względu na energię dominującej grupy neutronów powodujących rozszczepienia reaktory dzieli się na: - termiczne - prędkie - pośrednie (epitermiczne) Ze względu na rodzaj moderatora i chłodziwa rozróżnia się reaktory: wodne, grafitowo-gazowe, ciężkowodne, sodowe, organiczne. Ze względu na konstrukcję wyróżnia się reaktory zbiornikowe i kanałowe. W reaktorze zbiornikowym rdzeń jest zamknięty w grubościennym zbiorniku stalowym przystosowanym do pracy pod wysokim ciśnieniem czyli ok. 15 MPa. W reaktorach kanałowych pod wysokim ciśnieniem znajdują się jedynie kanały o niewielkiej średnicy, zawierające pojedyńcze zespoły paliwowe. W oznaczeniach typów reaktorów przyjęto konwencję skrótu literowego wyrazów oznaczających w języku angielskim istotne cechy reaktora. Obecnie na świecie dominują następujące typy reaktorów: - PWR (WWER) - Pressurized Water Reactor - reaktor z wrzącą wodą, - BWR - Boiling Water Reactor - reaktor z wrzącą wodą, - HWR - Heavy Water Reactor - reaktor ciężkowodny,. - GCR - Gas Cooled Reactor - reaktor chłodzony gazem, - HTR - High Temperature Reactor - reaktor wysokotemperaturowy, - LMFBR - Liquid Metal Fast Breeder Reactor - prędki reaktor powielający chłodzony ciekłym metalem, - CANDU - Canadian Deuterium Uranium reactor - kanadyjski reaktor ciężkowodny - RBMK - Rieaktor Bolszoj Moszcznosti Kanalnyj - reaktor kanałowy dużej mocy (Czernobyl)
rys.5 Uproszczony schemat obiegu pierwotnego reaktora CANDU W większości krajów reaktory energetyczne to reaktory lekkowodne typu PRW i BWR gdzie chłodziwem jest zwykła woda. W energetyce brytyjskiej oraz francuskiej stosuje się również reaktory chłodzone gazem GCR i AGR. Wybrane parametry techniczne reaktorów energetycznych przedstawia tabela nr.1.
tab. 1
Skok na początek 5. Porównanie elektrowni jądrowych z konwencjonalnymi Elektrownie jądrowe zalicza się do elektrowni cieplnych parowych. Zasadniczym nowym elementem realizowanego przez nie cyklu przemian jest wykorzystanie energii wiązania nukleonów w jądrze atomu, uwalnianej podczas reakcji rozszczepiania jąder pierwiastków o dużej liczbie atomowej. Energetyka jądrowa teoretycznie pod względem energetycznym jest znacznie bardziej efektywna bowiem: 1 g U235/1 g C = 8,6·1010J/3,4·104J=2,5·106 W rzeczywistości nie można uzyskać rozszczepienia wszystkich jąder uranu zawartych w jednostce masy - wypalenie (głębokość wypalenia typu PWR sięga 30 MW·d/kg - i 1 g U235/1 g C = 25,92·108J/3,4·104J=7,6·104 Tablica 2 przedstawia porównanie energii uzyskiwanej w procesie rozszczepienia jądra atomowego i energii chemicznej paliw organicznych.
tab.2 Eksploatacja elektrowni cieplnych, niezależnie od ich typu, nie jest obojętna dla środowiska, pociąga bowiem za sobą cieplne zanieczyszczenie wód, emisję związków siarki i azotu, konieczność usuwania popiołu i żużla lub też wypalonego paliwa jądrowego. Przyjrzyjmy się zatem w wyżej wymienionych aspektach, eksploatacji elektrownii o mocy 10 000MW w trzech wariantach czyli: jądrowa typu WWER-1000, opalana węglem kamiennym, opalana olejem opałowym.
tab.3 Porównania kosztów wytwarzania energii elektrycznej w EJ i elektrowni konwencjonalnej wykazują, że koszt ten jest w większości krajów o 30-80% wyższy w elektrowni konwencjonalnej.
6. Dane dotyczące produkcji energii elektrycznej w elektrowniach jądrowych Prezentowane dane dotyczą udziału energetyki jądrowej w produkcji energii elektrycznej za rok 2000 pod koniec którego, czynnych było łącznie 438 jądrowych bloków energetycznych o łącznej mocy zainstalowanej netto 351 GW [6].Tabela nr. 4 prezentuje stan energetyki jądrowej w poszczególnych krajach świata, w tab.5 - zużycie energii pierwotnej według rodzajów paliw w przeliczeniu na mln ton ropy naftowej (1toe - ilość energii zawarta w 1 tonie ekwiwalentnej ropy naftowej (oil equivalent). 1 toe = 41,86 GJ = 107 kcal) . Energia pierwotna oznacza wyłącznie paliwa będące przedmiotem obrotu handlowego i dystrybucji. Stan energetyki jądrowej w poszczególnych krajach świata
tab.4 [6] Zużycie energii pierwotnej według rodzajów paliw [mln toe]
tab.5 [6]
rys. 6
Zastanawiając się nad perspektywami rozwoju energetyki jądrowej
należy wziąć pod uwagę wiele aspektów. Oprócz aspektów ekonomicznych należy
uwzględnić również stosunek społeczeństwa oraz bezpieczeństwo. Sprawa
bezpieczeństwa nabrała szczególnego znaczenia w wyniku awarii elektrowni
jądrowej w Czernobylu w 1986r. oraz po ataku terrorystycznym w dniu 11 września
2001r. Na koniec prezentuję postawy Polaków wobec wykorzystania energii jądrowej w energetyce i innych działach gospodarki. Badania takie na zlecenie PAA wykonał na początku 2002r. Instytut Badania Opinii i Rynku PENTOR. Cele badawcze skoncentrowane były na poznaniu opinii na temat następujących zagadnień - obecnie wykorzystywane źródła energii, - wykorzystania energii jądrowej do zaspokojenia potrzeb energetycznych kraju, - budowy elektrowni jądrowej, - wykorzystania promieniowania w innych działach gospodarki, - wyobrażenia na temat obaw przed budową elektrowni jądrowych. Stosunek Polaków do energetyki jądrowej najlepiej ocenić analizując odpowiedzi na następujące pytanie: Czy Pana(i) zdaniem Polska powinna się przygotować do przyszłego wykorzystania energii jądrowej dla zaspokojenia potrzeb energetycznych kraju?
rys.7 Wśród mężczyzn poparcie wyniosło 35%. Ludzie młodzi (20-24 lata) byli w większości za energetyką jądrową (42% "za", 38% "przeciw"). W grupie ludzi z wyższym wykształceniem (47% "za", 38% "przeciw"). Większość polskiego społeczeństwa akceptuje stosowanie technik jądrowych w medycynie i zastosowaniach przemysłowych. Nieprzychylne podejście Polaków do elektrowni jądrowych związana jest głównie z obawą przed awariami i skażeniem środowiska 80% respondentów wykazało taką obawę. Może to się wiązać z awarią elektrowni w Czernobylu i jej skutkami. Na pytanie czy poparli by budowę elektrowni w ich sąsiedztwie 2/3 respondentów odpowiedziało negatywnie. Analizując te dane można wyciągnąć wniosek, że na uruchomienie w Polsce elektrowni jądrowej przyjdzie jeszcze nam poczekać.
Wykaz stron internetowych związanych z tematem i wartych odwiedzenia
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
