8. predavanje

Question 1

1. Kojim otkrićem i koje godine se smatra početkom nuklearnih istraživanja i razumijevanja nuklearne energije?

Answer 1

1. Početkom nuklearnih istraživanja i razumijevanja nuklearne energije smatra se 1895. godina i otkriće X zraka (Rontgenskih zraka) Wilhelma Roentgena

Henri Becquerel - otkrio je i imenovao pojam „radioaktivnosti“.

Question 2

2. Šta je atom, kakva je jezgra atoma, naboj jezgre, masa jezgre, izotopi jezgre?

Answer 2

Atom je električki neutralan, jezgra atoma je pozitivna. Naboj jezgre određen je brojem
protona. Masa jezgre određena je brojem protona i neutrona. Izotopi jezgre atoma: to su
atomi s jednakim brojem protona i različitim brojem neutrona.

Question 3

3. Atomska jedinica mase u

Answer 3

3. Atomska jedinica mase u: 1/12 mase atoma ugljika =1,66054 10-27 kg

Question 4

4. Beta i gama čestice

Vrijeme poluraspada

Answer 4

4. Beta čestice su brzi elektroni, kada radioaktivna jezgra emitira beta česticu, redni broj atoma se poveća za 1 uz isti maseni broj

Gama zračenje je elektromagnetsko zračenje vrlo kratkih duljina, pri tome se ne mijenjaju niti redni broj niti masa broja jezgre.

Vrijeme poluraspada (poluživota) T1/2: onaj vremenski interval u kojem se raspadne
polovina jezgara radioaktivne tvari.

Question 5

5. Transformacija nuklearne energije

Uran kao nuklearno gorivo

Answer 5

Nuklearna energija transformira se u unutrašnju energiju nositelja energije (fisija), a zatim u mehaničku i električnu energiju pomoću parnih turbina i električnih generatora. Pritom nuklearni reaktori preuzimaju funkciju parnih kotlova.

Uran kao nuklearno gorivo može biti u svom prirodnom obliku (prirodna smjesa U-235 i U-238) ili kao obogaćeni uran (povećani udio U-235).

Question 6

6. Fisija, energija u ovoj lančanoj reakciji, atomska bomba, prirodna nuklearna goriva za fisiju

Answer 6

Fisijska lančana reakcija ostvaruje se slobodnim neutronima koji izazivaju raspad drugih
jezgara.

Kod ove lančane reakcije energija se pojavljuje NAJVISE KAO KINETIČKA ENERGIJA novih izotopa, potom neutrona i energija zračenja, Samo manji dio se pretvara u unutarnju termičku energiju.

Lančana reakcija (nekontrolirana) je ispunjena u atomskoj bombi, koja je u prvoj izvedbi bila izgrađena od čistog U-235.

Prirodna nuklearna goriva (radioaktivni nizovi) za fisiju su uran (U) i torij (Th).

Question 7

7. Dobivanje plutonijuma (NAPISATI REAKCIJU)

Answer 7

Nakon sto U - 238 primi neutron postaje U - 239 koji emitira gama zrake, a nakon emisije jednog elektrona (beta zracenje za vremenom poluraspada 25.5 min) povecava se broj protona i dobiva se neptunij Np-239. Emisijom jos jednog elektrona (beta zracenje za vremenom poluraspada 2.3 dana) iz neptunija se dobiva stabilni plutonij Pu-294.

Question 8

8. Neptunij

Answer 8

8. Ne postoji u prirodi (T 1/2) = 2.1 * 10^6

Završavaju sa bizmutom (209 83 Bi)

Question 9

9. Dobivanje izotopa urana (NAPISATI REAKCIJU)

Answer 9

9. Isto kao i dobivanje plutonija samo se uran dobiva iz torija

Question 10

10. Dobijanje umjetnih nuklearnih goriva

Answer 10

10. Za dobivanje umjetnih nuklearnih goriva potrebna je izgradnja reaktora na bazi U-235, u kojima se osim pretvorbe nuklearne u toplinsku energiju – proizvode i nuklearna goriva.

Question 11

11. Broj raspadnutih jezgara

Answer 11

11. Broj raspadnutih jezgara rast će po zakonu 2^n, gdje je n broj sukcesivnih raspada (broj generacija neutrona)

Question 12

12. Postoji veliki broj nuklearnih procesa pomoću kojih je moguće postići transformaciju
    nuklearne u toplinsku energiju. Navedi primjer takvog nuklearnog procesa (NAPISATI REAKCIJU)

Answer 12

12.

Question 13

13. Energija koja se dobije raspadom 1g (1kg) U-235

Answer 13

13. Dakle raspadom 1 g U-235 dobiva se energija od: (6,023 x 10^23 / 235) x 320 x 10^-13 J = 0,82 x 10^11 J = 82 x 10^9 J
    Odnosno to je: 23 MWh. Za 1 kg urana U-235 to je 23 GWh energije

Question 14

14. Lančana reakcija

Answer 14

14. Atom U-235 apsorbira neutron, koji uzrokuje njegovo cijepanje. Pri cijepanju se oslobađa energija i u prosjeku dva do tri nova neutrona, koji mogu izazvati nova cijepanja. U prosjeku raspadom jezgre U-235 nastaje 2,5 neutrona. Ako ta 2.5 neutrona ne budu ometena nastavit će se raspadanje jezgara geometrijskom progresijom. Broj raspadnutih jezgara će rasti po zakonu 2n, gdje je n broj sukcesivnih raspada ili broj generacija neutrona. Taj se proces naziva lančanom reakcijom. U reaktoru se, dakle, odvija kontrolirana lančana reakcija

Question 15

15. Za odvijanje lančane reakcije odlučne su dvije veličine:

Answer 15

15. Faktor multiplikacije k i trajanje fisijske generacije τ u lančanoj reakciji.
    Trajanjem jedne fisijske generacije naziva se prosječno vrijeme između dviju uzastopnih fisija.

Question 16

16. Stavljanje reaktora u pogon, rad i obustavljanje

Answer 16

16. Ako sa n2 označimo broj neutrona u nekoj generaciji a sa n1 njihov broj u prethodnoj generaciji, za vrijeme stavljanja u pogon mora biti: n2 > n1
    Faktor multiplikacije k omjer je između broja fisija jedne fisijske generacije i broja fisija
    prethodne generacije. Lančana je reakcija divergentna ako je k > 1, konvergentna ako je k < 1. Ako je k = 1, lančana reakcija održava se trajno s istim brojem fisija u jediničnom volumenu.

Pomoću broja neutrona iz dvije sukcesivne genereacije definira se faktor multiplikacije k, određen izrazom: k = n2/n1

Question 17

17. Kontrolirana fisijska lančana reakcija u nuklearnom reaktoru

Answer 17

17. Pri stavljanju reaktora u pogon mora biti k > 1.
    Kad je dostignut broj neutrona u jedinici vremena nužan za potrebnu snagu (rad reaktora) mora se održavati konstantnost broja neutrona tj. k = 1
    Pri obustavljanju rada reaktora, broj neutrona mora se smanjivati, tj. k < 1

Question 18

18. Sirovina za nuklearno gorivo

Answer 18

18. Sirovina za nuklearno gorivo je prirodni radioaktivni element uran

Question 19

19. Uran

Answer 19

19. Uran je vrlo težak, odnosno gust metal, hemijski simbol je U, s rednim brojem 92. Uran je svjetlosiv metal. Glavne rude su uraninit i karnotit, javlja se i u bakrenim, zlatnim i fosfatnim rudama, a u niskim koncentracijama i u moru. Najzastupljeniji su uranovi izotopi u prirodi uran 238 (99,29 %) i uran 235 (0,71 %). Iz rude koja sadrži samo mali postotak urana treba izdvojiti uran i postići vrlo visok stupanj čistoće, da bi se osigurala lančana reakcija u reaktoru. Uran se nalazi u Zemljinoj kori, gdje je prilično raširen, iako u vrlo malim koncentracijama.

Question 20

20. Priprema nuklearnog goriva se odvija u fazama i to:

Answer 20

21. korak u pripremi prirodnog urana je povećanje koncentracije uranovih spojeva.
22. korak- Siromašnije rude se moraju u prvom koraku podvrgnuti kemijskim postupcima –
    dodavanje sumporne kiseline.
23. korak dovodi do metalnog urana ili uranovog heksafluorida UF6. To se postiže na različite načine.

Npr. Iz uranova dioksida UO2 pomoću fluorvodika HF, a prema relaciji:
UO2 + 4HF —> 2H2O + UF4 “zelena sol”-uranov tertrafluorid
Zelena so je polazna tvar za dobijanje metalnog urana do kojeg se dolazi redukcijom pomoću kalcija (ili magnezija): UF4 + 2Ca —> U + 2CaF2

Ako se uran želi obogatiti, treba uranov tetrafluorid pretvoriti u uranov heksafluorid. Pri
temperaturi od oko 250 C moguća je reakcija: UF4 + F —> UF6
Uranov spoj (UF6) koristi se kao međuprodukt u pripremi goriva za nuklearne reaktore.

Question 21

21. Obogaćeni uranijum

Answer 21

21. Obogaćeni Uranium je vrsta uranija u kojem procenat sastava U-235 se povećava procesima separacije izotopa. Prirodni Uranium je 99.284% U 238 izotopa, sa U235 koji čini svega 0.711% njegove težine. Međutim U235 je jedini izotop koji postoji u prirodi koji se može cijepati termičkim neutronima.

Question 22

22. Postupci obogaćivanja urana

Answer 22

22. 1. plinska difuzija i 2. plinska centrifuga

Uran se obogaćuje u procesu plinske difuzije, gdje se iskorištava različita brzina prolaska
uranovih izotopa 235 i 238 kroz membrane. Postupak razdvajanja treba ponoviti nekoliko
tisuća puta da bi se postigao traženi omjer.

Učinkovitija je metoda razdvajanja plinska centrifuga. U rotirajućim centrifugama teške molekule izotopa urana različito se raspoređuju. Lakše molekule okupljaju se oko
središta cilindara, a tamo ih isisavaju.

Question 23

23. Kakvo gorivo mora biti u reaktoru?

Sta se koristi za nuklearno gorivo?

Answer 23

Gorivo u reaktoru mora biti:

1. mehanički otporno u širokome temperaturnom rasponu, otporno na koroziju,
2. mora zadržati produkte cijepanja u kristalnoj rešetki.

Zbog tih zahtjeva, za nuklearno gorivo koristi se keramički materijal, uranov dioksid, koji te zahtjeve ispunjava, a njegova je točka taljenja vrlo visoka. Obogaćeni uranov
heksafluorid prerađuje se u uranov dioksid u obliku praha, sabija u tablete i termički obrađuje.

Question 24

24. Tri osnovna termodinamička sklopa sistema nuklearne elektrane?

Answer 24

Tehnološki dio nuklearne elektrane podijeljen je u tri osnovna termodinamička sklopa
sistema:
1. primarne (primarni krug): reaktor, parogeneratori, reaktorske crpke, tlačnik i cjevovodi
2. sekundarne (sekundarni krug): parogeneratori, turbine, generator, napojne crpke i cjevovodi
3. tercijarne (tercijarni krug): kondenzator, rashladne crpke, rashladni tornjevi i cjevovodi.

Question 25

25. Proces proizvodnje električne energije u nuklearnoj elektrani

Answer 25

1. Unošenje goriva Urana. U srcu reaktora (jezgra), atom se razbija i oslobađa toplinsku
   energiju, za proizvodnju neutrona i cijepanje sa drugim atomima - lančana reakcija.
2. Kontrolne šipke izrađene su od materijala kao što su kadmij i bor mogu se podići ili spustiti u reaktor time usporavati ili ubrzavati lančanu reakciju.
3. Voda se pumpa kroz reaktor za prikupljanje toplinske energije koju stvara lančana reakcija. Ona stalno teče oko zatvorene petlje koja povezuje reaktor s izmjenjivačem topline.
4. Unutar izmjenjivača topline, voda iz reaktora daje svoju energiju na hladnjak vode koja
   teče u drugoj zatvorenoj petlji, pretvarajući ga u paru.
5. Parni izmjenjivač (parogenerator) topline je cijevima spojen sa turbinom. Izbijanje pare na turbini omogućava rotiranje velikom brzinom.
6. Turbina je spojena na električni generator i takođe omogućava njegovo obrtanje.
7. Generator proizvodi električnu energiju.

Question 26

26. Tipovi termičkih reaktora: Nuklearni reaktori

Answer 26

26. Klasifikacija perma nuklearnom gorivu, moderatoru (sredstvu koje kontrolira lančanu reakciju - usporava neutrone) i prema rashladnom sredstvu.
27. Grafitni reaktori
28. Lakovodni reaktori
29. Teškovodni reaktori
30. Oplodni reaktori

Question 27

27. Plinski reaktori, tlačni reaktori, kipući reaktori, teškovodni reaktori

Answer 27

27.
Plinski su reaktori moderirani grafitom i hlađeni plinom CO2. Plin zagrijava vodu, koja se
pretvara u paru i pokreće turbinu. Kao gorivo koriste prirodni uran u obliku metala.

Reaktor hlađen vodom i moderiran grafitom – ili RBMK-reaktor . Ova je vrsta reaktora moderirana grafitom i hlađena običnom vodom. Gorivo je obogaćeni uran.

Tlačni reaktori
Najrašireniji je tip reaktora jer više od polovine nuklearnih elektrana u pogonu ima tlačni
reaktor. Kao gorivo koristi obogaćeni uran. Rashladna je voda (primarni rashladni krug ) u reaktorskoj posudi pod tlakom većim od zasićenoga parnoga tlaka pri najvišoj radnoj temperaturi. Do pretvaranja u paru dolazi tek u parogeneratoru (sekundarni rashladni
krug) – izmjenjivaču topline, gdje je velik broj tankih cijevi.

Kipući reaktor
Petina aktivnih nuklearnih elektrana ima kipući reaktor. Za njih je karakteristično da se voda pretvara u paru pri prolasku kroz reaktor i vodi se izravno u turbinu, gdje se nakon
obavljenoga posla kondenzira te se vraća natrag u reaktorsku posudu.

Teškovodni reaktori se i moderiraju i hlade teškom vodom. Teška voda je bolji
moderator od lake, ali je taj način hlađenja skuplji. Nastala je iz vodikova izotopa deuterija i kisika. Koristi se u nuklearnim reaktorima kao usporivač neutrona.

Question 28

28. Generirana snaga produkata raspadanja nakon obustave reaktora (FORMULA):
    Hlađenje, reprocesiranje

Answer 28

28.
Hlađenje: u dubokim bazenima u kojima se gorivo nalazi ispod sloja od nekoliko metara vode
Reprocesiranje:
- hemijsko izdvajanje neiskorištenog urana i plutonija,
- 30% povečanje dostupne energije,
- važno za tehnologiju oplodnih reaktora,
- smanjuje probleme odlaganja radioaktivnog otpada

Question 29

29. Odlaganje nuklearnog otpada

Answer 29

29. Postoje tri vrste otpada i to: nisko radioaktivni otpad, srednje radiokativni otpad i visoko
    radioaktivni otpad.

Nisko radiokativni otpad. Tu vrstu otpada uglavnom čine zaštitna odjeća, rukavice, alat, krpe i materijali za čišćenje, odnosno sve što sadržava malu količinu uglavnom kratkoživućih izotopa.

Srednje radioaktivni otpad sadržava veću količinu radioaktivnosti i može zahtjevati posebne štitove. ILW čini 7% ukupnog volumena radioaktivnog otpada te 4% radioaktivnosti. Konačno odlagalište srednje radioaktivnog otpada može biti površinskog ili podzemnog (tunelskog) tipa.

Visoko radioaktivni otpad: fisioni produkti, aktinidi . Nastaje kada se iz istrošenog goriva
izdvoje fisibilni i oplodni nuklidi. Istrošeno gorivo također se tretira kao visoko radioaktivni
otpad

Question 30

30. Preradom istrošenog nuklearnog goriva izdvajaju se sljedeći produkti:

Answer 30

30.

• aktinidi - izotopi urana, plutonija i ostalih manjinskih aktinida
• laki elementi - fisijski i aktivacijski produkti, košuljica gorivnog štapa

Question 31

31. Nalazišta urana i torija

Answer 31

31. Oba elementa nisu rijetka u Zemljinoj kori. Poznato je više od 200 minerala koji
    sadržavaju uran, od kojih se 29 može smatrati uranovim rudama, zbog znatnije količine tog elementa. Najvažniji minerali koje sadrže uran: uranitit, branerit, euksernit, karnotit. Samo 30 minerala sadrži torij u količinama koje su od nekog značaja. Za korištenje danas dolaze u obzir samo monazit, torit i branerit.

Question 32

32. Ekonomija nuklearne energije

Answer 32

32. Troškovi goriva nuklearnih elektrana su minorni u odnosu na ukupne troškove proizvodnje, iako su kapitalni troškovi veći od npr elektrana na ugalj, i još veći u odnosu na npr plinske elektrane. U procjeni isplativosti nuklearne energije, troškovi razgradnje i zbrinjavanja otpada se u potpunosti moraju uzeti u obzir.

Question 33

33. Osnovni faktori vezani uz daljnju upotrebu nuklearne energije

Answer 33

33.
- potreba za energijom, dostupnost i cijena fosilnih goriva, konkurentnost i dostupnost
nefosilnih izvora
- problemi zagađivanja zraka, globalnog zagrijavanja, održivog razvoja
- briga za sigurnost energetske opskrbe, organizacija proizvodnje (utility)
- stav javnosti, razvoj tehnologije
- rješavanje pitanja otpada
- sigurnosti reaktora u Istočnoj Evropi,
- održavanju nužne tehnicke ekspertize