Nuklearna elektrana

Jedna nuklearna elektrana. Nuklearni reaktor je smešten u sfernoj zaštitnoj zgradi za zadržavanje radijacije. Levo i desno su rashladni dimnjaci koji su česti rashladni sistemi u svim nuklearnim elektranama i ispuštaju vodenu paru iz ne-radioaktivne parne turbine

Nuklearna elektrana je tip termoelektrane u kojoj je izvor toplote nuklearni reaktor. Kao i u svim konvencionalnim termoelektranama, toplota dobijena nuklearnom fisijom se koristi da se dobije vodena para koja pokreće parnu turbinu koja je povezana sa električnim generatorom koji proizvodi električnu energiju. Međunarodna agencija za nuklearnu energiju je u svom izveštaju navela da je zaključno sa 16. januarom 2013. na svetu bilo 439 operativnih reaktora u 31 državi.

Nuklearne elektrane se obično smatraju elektranama za bazno opterećenje, pošto je cena goriva mala u ukupnoj ceni proizvodnje.

Istorija

Električna energija iz nuklearnog reaktora je prvi put dobijena 3. septembra 1948. iz X-10 grafitnog reaktora u mestu Ouk Ridž u Tenesiju, i to je bila prva nuklearna elektrana koja je napajala sijalicu. Drugi, veći eksperiment se desio 20. decembra 1951. u eksperimentalnoj elektrani EBR-1 kod Arka, Ajdaho u SAD. Dana 27. juna 1954, prva nuklearna elektrana koja je davala električnu energiju za električnu mrežu je počela sa radom u sovjetskom gradu Obninsku. Prva elektrana velike snage na svetu Kolder Hol u Engleskoj je puštena u rad 17. oktobra 1956.

Princip rada

Šema nuklearne elektrane sa reaktorom pod pritiskom

Konverzija u električnu energiju odvija indirektno, kao i kod konvencionalnih termoelektrana. Toplotu proizvodi nuklearna fisija u nuklearnom reaktoru. Direktno ili indirektno, dobija se vodena para. Para pod pritiskom se onda dovodi do višestepene parne turbine. Nakon što parna turbina proširi i delimično kondenzuje paru, preostala para se kondenzuje u kondenzatoru. Kondenzator je izmenjivač toplote koji je povezan na sekundarnoj strani sa rekom ili rashladnim tornjem. Voda se zatim upumpava nazad u nuklearni reaktor i ciklus počinje ponovo. Ciklus voda-para prati Rankinov ciklus.

Nuklearni reaktor

Glavni članak: Nuklearni reaktor

Nuklearni reaktor je uređaj za pokretanje i kontrolu trajne nuklearne lančane reakcije. Nuklearni reaktor je srce elektrane. Gorivo je najčešće prirodni ili obogaćeni uranijum u obliku metala ili oksida. U nekim se elektranama koristi mešavina oksida plutonijuma i uranijuma. U centralnom delu, toplota u jezgru reaktora se dobija kontrolisanom nuklearnom fisijom. Fisijom atoma goriva nastaju brzi neutroni. Ukoliko je reaktor takav da nastavlja lančanu reakciju koristeći brze neutrone, radi se o brzom reaktoru. Međutim, gotovo svi reaktori danas u upotrebi su termički reaktori - oni usporavaju neutrone pomoću moderatora. Usporavanje neutrona se još zove termalizacija, a usporeni neutroni termički. Moderator neutrona je uređaj koja usporava brze neutrone nastale fisijama do termičkih brzina, odnosno energija (manje od 1 eV). U zavisnosti od tipa reaktora, moderator može biti voda (u tom slučaju je voda ujedno i moderator i rashladni medijum) ili grafit. Brzi reaktori nemaju moderatore.

Rashladni fluid je medijum koji odvodi toplotu nastalu fisijama iz nuklearnog reaktora. Često je rashladni fluid voda (obična ili teška), a može biti i ugljen-dioksid ili helijum. Kod brzih reaktora rashladni medijum je rastopljeni metal. Toplotom iz reaktora se zagreva rashladna tečnost koja se pumpa kroz reaktor i time uklanja energiju iz reaktora. Toplota iz nuklearne fisije koristi se za dobijanje pare, koja prolazi kroz turbine koji pokreću električne generatore.

Najzastupljenija vrsta energetskog nuklearnog reaktora danas je reaktor sa vodom pod pritiskom. To je termički reaktor u kom je gorivo slabo obogaćeni uranijum, najčešće u formi oksida, a obična voda je ujedno i moderator i rashladno sredstvo. Drugi tip reaktora koji se koristi je reaktor sa ključalom vodom. Ovde se voda zagreva u samom reaktoru, pa nema potrebe za generatorom pare. Neželjena mogućnost kod ovih elektrana je prenos radioaktivnosti do parnih generatora, zbog čega je neophodna dobra regulacija. RBMK reaktori se hlade vodom, a moderišu grafitom. Prednosti ovih reaktora je što mogu da koriste prirodni uranijum i što se elektrana može puniti tokom rada. Reaktor u Černobiljskoj nuklearnoj elektrani je bio ovog tipa pa se stoga ova vrsta reaktora smatra izrazito nesigurnom i nedovoljno bezbednom.

Pošto nuklearna fisija stvara povećanu radioaktivnost, jezgro reaktora je okruženo zaštitnim oklopom. Kontejnment (zaštitna zgrada) apsorbuje zračenje i sprečava da radioaktivni materijal prodre u životnu sredinu. Pored toga, mnogi reaktori su opremljeni betonskom kupolom od betona da se obezbedi zaštita i protiv unutrašnje štete i spoljnih uticaja.

U nuklearnim elektranama koriste se različiti tipovi reaktora, nuklearnih goriva, rashladnih kola i moderatora.

Generator pare

Generator pare je sistem koja se nalazi u nuklearnim elektranama sa reaktorima pod pritiskom. Pošto se u takvim elektranama vodi ne dopušta ključanje u reaktoru, a svejedno je potrebno proizvesti paru za korišćenje u parnim turbinama, tok vode se deli u dva kruga, primarni i sekundarni. Primarnim krugom teče voda koja toplotu proizvedenu fisijama odvodi iz reaktora i predaje je sekundarnoj vodi u izmenjivaču toplote. Na sekundarnoj strani vodi se dozvoljava isparavanje (to se postiže nižim pritiskom sekundarnog kruga), pa nastala para vrti rotore parnih turbina. Voda koja teče kroz sekundarni krug nije ozračena, za razliku od vode u primarnom krugu.

Generator pare je komponenta nuklearne elektrane u kojoj se odvija predaja toplote iz primarnog u sekundarni krug i isparavanje sekundarne vode. U donjem delu se nalazi nekoliko hiljada U-cevi kroz koje teče primarna voda. Oko U-cevi teče voda sekundarnog kruga, koja s njih uzima toplotu. Para nastala ključanjem sekundarne vode odlazi prema gornjem delu generatora pare, gde se nalaze separatori vlage (pregrejači), koji osiguravaju da u pari koja odlazi prema turbinama nema kapljica tekuće vode.

Parna turbina

Glavni članak: Parna turbina

Svrha parne turbine je konverzija toplote sadržane u pari u mehaničku energiju. U slučaju reaktora oid padom pritiska vode, parna turbina je odvojena od nuklearnog sistema.

Generator

Glavni članak: Generator

Generator pretvara kinetičku energiju koju dobija od turbine u električnu energiju. Koriste se naizmenični sinhroni generatori sa malim brojem polova i velike snage. Električna snaga današnjih nuklearnih elektrana iznosi od 500 do 1500 MW po reaktoru. Na lokaciji jedne nuklearne elektrane se može nalaziti više reaktora, ali na svaki reaktor dolazi po jedan generator.

Sistem hlađenja

Sistem hlađenja uklanja toplotu iz jezgra reaktora i prenosi je u drugu oblast postrojenja, gde se toplotna energija može iskoristiti za proizvodnju električne energije ili za druge korisne poslove.

Pumpe za vodu

Nivo vode u generatoru pare ili nuklearnom reaktoru se kontroliše sistemom pumpi za vodu. Sistem pumpi za vodu ima zadatak da vodi vodu od sistema za kondenzaciju vode, da podiže pritisak vode i da je pumpa ili u generator pare (kod reaktora sa vodom pod pritiskom) ili direktno u sud reaktora (kod reaktora sa ključalom vodom).

Napajanje za potrebe nužde

Napajanje nuklearne elektrane za potrebe nužde se vrši preko nekoliko nivoa redundantnosti: preko dizel generatora, generatora sa gasnim turbinama i akumulatorima. Akumulatori pružaju neprekinuto prebacivanje sa dizel/gasnih generatora na električnu mrežu. Ako je potrebno, napajanje za potrebe nužde omogućava bezbedno isključivanje nuklearnog reaktora. Manje važni pomoćni sistemi, kao što je npr. praćenje toplote duž cevi, ne napajaju se od ovih rezervi. Većina potrebne energije se koristi za napajanje pumpe za vodu kako bi se ohladio reaktor i uklonila toplota raspadanja nakon isključivanja.

Rizici

Havarije

Postoje zabrinutosti da kombinacija ljudske i mehaničke greške može imati za posledicu značajnu štetu za zdravlje ljudi i životnu sredinu. Operativni nuklearni reaktori sadrže velike količine produkata nuklearne fisije, koji, ako se rašire, mogu predstavljati direktnu radioaktivnu pretnju, kontaminiraju tlo i vegetaciju ili budu uneseni u organizam ljudi i životinja. Izlaganje ljudima dovoljno visokim nivoima zračenja može da u kratkom roku prouzrokuje bolesti ili smrt, a dugotrajno izlaganje može izazvati rak ili druge bolesti. Nemoguće je da komercijalni nuklearni reaktor eksplodira poput nuklearne bombe pošto nuklearno gorivo u reaktoru nikad nije dovoljno obogaćeno za to.

Nuklearni reaktor može otkazati iz brojnih razloka. Ako nestabilnost nuklearnog materijala proizvede neočekivano ponašanje, ono može proizvesti nekontrolisano prekoračenje energije. Rashladni sistemi u reaktorima su projektovani za prekoračenje toplote; međutim, ako se reaktoru desi i havarija na sistemu za hlađenje, onda se nuklearno gorivo može otopiti ili da prouzrokuje da se sud u kome se drži pregreje i istopi. Ovakav događaj se naziva topljenje jezgra.

Nakon isključivanja, reaktor neko vreme zahteva spoljašnju energiju za rad njegovih rashladnih sistema. Obično se ova energija dobija iz električne mreže na koju je elektrana priključena ili iz pomoćnih dizel-generatora. Nemogućnost da se obezbedi energija za rashladne sisteme može izazvati ozbiljne akcidente, kao što se desilo u Fukušimskoj katastrofi.

Ranjivost nuklearnih elektrana na napade

Nuklearni reaktori su postali prioritetni ciljevi tokom vojnih sukoba i u protekle tri decenije više puta su napadani tokom vojnih vazdušnih udara i invazija:

• tokom Iračko-iranskog rata, Iran je u septembru 1980. bombardovao nuklearno postrojenje Al Tuvaita u Iraku, u operaciji Sprženi mač.
• u izraelskom vazdušni udaru u junu 1981. potpuno je uništen nuklearni istraživački objekat Ozirak.
• između 1984. i 1987. Irak je bombardovao iransku nuklearnu elektranu Bušer šest puta.
• SAD su tokom Zalivskog rata 1991. bombardovali tri nuklearna reaktora i eksperimentalno postrojenje za obogaćivanje u Iraku.
• Irak je 1991. lansirao rakete skad na izraelsku nuklearnu elektranu Dimona.
• Izrael je septembra 2007. bombardovao sirijski reaktor u izgradnji.

Nuklearne elektrane u SAD okružene su dvostrukim nizom visokih ograda koje su elektronski nadziru. Elektranom patrolira značajan broj naoružanih stražara. Procedura hitnog gašenja elektrane traje manje od 5 sekundi, dok neometano ponovno pokretanje traje satima, što ozbiljno otežava teroristima da oslobode radioaktivnost.

Napad iz vazduha je problem koji je istaknut od napada 11. septembra. Međutim, već 1972. tri otmičara su preotela kontrolu nad domaćim putničkim letom duž istočne obale SAD i pretili da će srušiti avion na američko postrojenje za proizvodnju nuklearnog oružja u Ouk Ridžu, Tenesi. Avion je stigao do 8.000 stopa iznad lokacije postrojenja pre nego što su ispunjeni zahtevi otmičara.

Najvažnija barijera protiv oslobađanja radioaktivnosti u slučaju napada iz vazduha na nuklearne elektrane je zgrada za zadržavanje i njen raketni štit. Američka Nuklearna regulatorna komisija zahteva od osoblja elektrane da bude obučena za gašenje velikih požara i eksplozija bez obzira na njihov uzrok.

Pored toga, pristalice ukazuju na velike studije sprovedene od strane Istraživačkog instituta američke elektroprivrede koje je testiralo robusnost reaktora i skladišta nuklearnog otpada i zaključila da bi ona trebalo da izdrže održi teroristički napad uporediv sa napadima 11. septembra. Potrošeno nuklearno gorivo se obično nalazi unutar „zaštićene zone“ elektrane, tako da bi krađa goriva za upotrebu u „prljavim bombama“ bila izuzetno teška. Izloženost intenzivnom zračenju bi gotovo sigurno brzo onesposobilo ili ubilo svakoga ko bi pokušao da to učini.

Katastrofe i nezgode

Černobiljska katastrofa je nuklearna nesreća koja se dogodila 26. aprila 1986. u Černobiljskoj nuklearnoj elektrani u blizini grada Pripjat u Ukrajini. Smatra se da je to najveća ekološka katastrofa u istoriji nuklearne energije. Eksplozija se čula širom Evrope, i pucanje prozora se dogodilo čak i u Poljskoj i Nemačkoj. I dan danas se gas može osetiti u vazduhu u tom gradu.

Torijumski reaktor je bila nuklearna elektrana u Nemačkoj, saveznoj državi Severna Rajna-Vestfalija. 4. maja 1986. kamenčić goriva se zaglavio u cevi za dovod goriva do jezgra reaktora. Kao posledica toga, deo radioaktivne prašine je ispušten u okolinu. Od 1985. do 1989. godine, proizvedeno je 2.891.000 MWh.

Fukušimska katastrofa obuhvata seriju nuklearnih nesreća, koje su nastale kao posledica katastrofalnog zemljotresa u Japanu 11. marta 2011. To je druga najgora nuklearna katastrofa, nakon Černobiljske. Događaj je ocenjen sa 7 na Međunarodnoj skali nuklearnih događaja.

Pakšiska nezgoda se dogodila 10. aprila 2003. u Mađarskom gradu Pakš. Urušavanje gorivih šipki na bloku 2 Nuklearne elektrane Pakš tokom njegovog čišćenja od korozije dovelo je do curenja radioaktivnih gasova. Ostao je neaktivan 18 meseci. Skoro pola Mađarskog stanovništva je bilo evakuisano.

Nuklearna nesreća u Vinči se dogodila 15. oktobra 1958. godine u Institutu za nuklearne nauke u Vinči kada je došlo do isticanja radioaktivnog materijala iz nekoliko meseci ranije postavljenog nuklearnog reaktora, prog u tadašnjoj Jugoslaviji. Tom prilikom je ozračeno šestoro mladih istraživača.

Kontroverze

Napušteni grad Pripjat, nakon Černobiljske katastrofe. Černobiljska nuklearna elektrana je u pozadini.

Nuklearna energija je predmet kontroverzi koje se tiču izgradnje i upotrebe fisionih reaktora da bi se iz nuklearnog dobila električna energija za civilne namene. Debate o nuklearnoj energiji su imale svoj vrhunac tokom 1970-ih i 1980-ih.

Zagovornici tvrde da je nuklearna energija održiv izvor energije koja smanjuju emisiju ugljen-dioksida i može povećati energetsku bezbednost ako njihova upotreba nadoknađuje zavisnost od uvoznih goriva. Dalje se tvrdi da nuklearna energija ne izaziva nikakvo zagađenje vazduha, nasuprot fosilnim gorivima kao glavnoj alternativi. Zagovornici naglašavaju da je rizik od skladištenja otpada mali i da se može smanjiti korišćenjem najnovije tehnologije u novijim reaktorima, i da je izveštaj o operativnoj bezbednosti u zapadnom svetu odličan u poređenju sa drugim važnim vrstama elektrana.

Protivnici tvrde da nuklearna energija predstavlja mnoge pretnje ljudima i životnoj sredini. Ove pretnje predstavljaju rizike po zdravlje i štetu po životnu sredinu zbog vađenja uranijuma, njegove obrade i transporta, širenja nuklearnog oružja ili sabotaže i nerešeno pitanje nuklearnog otpada. Takođe tvrde da su sami reaktori izuzetno složene mašine gde mnogo toga može da krene po zlu, i da su se do sada dogodile mnoge ozbiljne nuklearne nesreće.

Literatura

• Giugni, Marco (2004). Social protest and policy change: ecology, antinuclear, and peace movements in comparative perspective. Rowman & Littlefield. str. 44—. ISBN 978-0-7425-1827-8. 
• Walker, J. Samuel (2006). Three Mile Island: A Nuclear Crisis in Historical Perspective. University of California Press. str. 10—11. ISBN 978-0-520-24683-6. 

Spoljašnje veze

• Nauka 50: Nuklearka (RTS Obrazovno-naučni program - Zvanični kanal)
• Ruska mobilna plutajuća nuklearna elektrana u Peveku na Čukotskom poluostrvu (Rosatom - Zvanični jutjub kanal)
• Nova generacija ruskih nuklearnih elektrana (Televizija Zvezda - Zvanični rutjub kanal)