Uporabnik:Icjt/sandbox

Jedrska elektrarna

Jedrska elektrarna Isar v Nemčiji

Jedrska elektrarna deluje načeloma enako kot termoelektrarna, le da je vir toplote - namesto parnega kotla na klasično gorivo - jedrski reaktor.

Glavne komponente jedrske elektrarne

Komponente in sisteme jedrske elektrarne lahko razdelimo na dve veliki skupini, ki ju imenujemo jedrski otok oziroma jedrski del in turbinski otok oziroma konvencionalni del.

Jedrski del (sistem za proizvodnjo pare)

Jedrski del sestavljajo primarni sistem, pomožni tekočinski sistemi, električni, instrumentacijski in regulacijski sistemi, ki so potrebni za delovanje primarnega sistema (do sem naštete sisteme včasih imenujemo tudi sistem za proizvodnjo pare) ter sistem za predelavo radioaktivnih odpadkov, sistem za ravnanje z gorivom in ventilacijski sistemi. Glavne komponente teh sistemov so:

Primarni sistem sestavljajo reaktorska posoda, črpalka primarnega hladila s pripadajočimi cevovodi in (v nekaterih tipih reaktorjev) tlačnik. V reaktorski posodi se nahaja sredica reaktorja, ki jo sestavljajo

• jedrsko gorivo
• moderator nevtronov,
• hladilo in
• regulacijski sistem.

Varnostni sistemi:

• varovalni sistem reaktorja,
• sistem za zasilno hlajenje sredice,
• zadrževalni hram s svojimi sistemi,
• sistem zasilnih virov električnega napajanja in
• sistem bistvene oskrbovalne vode.

Sistem za ravnanje z gorivom:

• sistem za menjavo goriva,
• bazen za izrabljeno gorivo in
• radioaktivni odpadki.

Nekatere vrste jedrskih elektrarn imajo tudi uparjalnik, ki je meja med jedrskim in konvencionalnim delom jedrske elektrarne.

Opis delovanja reaktorja

Osrednji del primarnega sistema je reaktor. V njem poteka kontrolirana verižna jedrska reakcija cepitve jeder. Med atomi, ki so prisotni v naravi, lahko edinole pri najtežjem med njimi, uranu, izzovemo verižno reakcijo cepitve. Pri skoraj vsakem elementu najdemo več vrst atomov, ki se imenujejo izotopi. Tudi naravni uran ima dva glavna izotopa, ki se imenujeta uran-235 in uran-238. Označujemo ju z ²³⁵U in ²³⁸U. Verižna reakcija lahko poteka le na ²³⁵U, katerega je v naravnem uranu zgolj 0.7 %, preostalih 99.3 % pa je ²³⁸U. Slednji ni povsem neuporaben, saj iz njega v reaktorju sčasoma nastaja plutonij, ki je prav tako primeren za verižno reakcijo.

V vsakem jedrskem reaktorju je prisotno jedrsko gorivo, ki v veliki večini primerov vsebuje uran (izjemoma tudi umetni element plutonij). Gorivo je lahko narejeno iz naravnega urana ali pa iz obogatenega urana, pri katerem je s posebnimi metodami povečan delež ²³⁵U in je zato tako gorivo bolj učinkovito. Področje reaktorja, v katerem se nahaja gorivo, se imenuje sredica.

Za proženje cepitve so najbolj uspešni počasni nevtroni, katerih hitrost je nekaj tisočkrat manjša od hitrosti nevtronov, ki nastanejo pri cepitvi. Zato ima večina reaktorjev tudi posebno snov za upočasnjevanje oziroma zaviranje nevtronov, ki se imenuje moderator. Nevtroni se najbolj učinkovito upočasnjujejo pri trkih z lahkimi jedri, zato so moderatorji narejeni iz elementov z začetka periodnega sistema. Ker mora moderator zgolj upočasnjevati nevtrone in jih ne tudi absorbirati (sicer bi jih zmanjkalo za verižno reakcijo), poleg tega pa imeti še vrsto drugih ugodnih fizikalnih in kemičnih lastnosti, je število možnih moderatorjev precej omejeno. Večina reaktorjev ima za moderator eno od naslednjih treh snovi: navadno vodo (H₂O), težko vodo ali grafit. Težka voda se od navadne razlikuje v tem, da je v njej navadni (»lahki«) vodik ¹H nadomeščen s »težkim« vodikom ali devterijem (²H ali D), ki ga je v naravnem vodiku zgolj 0.015 %. Izkaže se, da reaktorji, ki imajo za moderator grafit ali težko vodo, lahko obratujejo na naravni uran, medtem ko tisti na navadno vodo potrebujejo gorivo iz obogatenega urana, saj je absorpcija nevtronov v navadnem vodiku razmeroma velika.

Energija, ki se sprosti pri jedrskih reakcijah v reaktorju, se zelo hitro spremeni v toploto. Za njeno odvajanje poskrbi hladilo. Reaktorsko hladilo mora biti v tekočem ali plinastem stanju in tako kot moderator tudi hladilo ne sme pretirano absorbirati nevtronov. V mnogih primerih je hladilo hkrati tudi moderator, ni pa to nujno. Za hladila se največkrat uporabljajo navadna in težka voda ter plina CO₂ in helij.

Vsak reaktor mora imeti tudi regulacijski sistem, s katerim zaženemo ter ustavimo reaktor in določamo moč reaktorja. Regulacijski sistem vsebuje snovi, ki so močni absorberji nevtronov (kadmij, bor, indij, srebro...).

Doslej so razvili že veliko število različnih vrst reaktorjev glede na namen uporabe. Tudi pri reaktorjih za proizvodnjo energije oziroma pri jedrskih elektrarnah obstaja vrsta različnih izvedb, ki jih v glavnem lahko razdelimo glede na vrsto goriva, moderatorja in hladila.

Konvencionalni del (turbina, generator, kondenzator)

Turbinski oziroma konvencionalni del je del jedrske elektrarne, v katerem se toplotna energija pare pretvarja v mehansko delo in naprej v električno energijo. Sestavljajo ga zelo podobni sistemi in deli kot v termoelektrarni. Konvencionalni del sestavljajo:

• parna turbina,
• električni generator,
• kondenzator,
• sistem za hlajenje kondenzatorja (pretočno hlajenje ali hladilni stolpi ali oboje).

Parna turbina, električni generator in kondenzator se nahajajo v ločeni stavbi, ki jo imenujemo turbinska zgradba.

Parametri pare (temperatura, tlak, vlažnost) so v jedrski elektrarni nekoliko drugačni kot v konvencionalni termoelektrarni. Temu so prilagojene konvencionalne komponente jedrske elektrarne, ki zato niso povsem enake kot v termoelektrarni.

Vrste oziroma tipi jedrskih elektrarn

Obstaja vrsta različnih izvedb jedrskih elektrarn, ki jih v glavnem lahko razdelimo na to, kakšno vrsto goriva, moderatorja in hladila uporabljajo. Tipi jedrskih elektrarn so:

• Tlačnovodni reaktor (Pressurized water reactor - PWR) - Moderiran in hlajen z navadno vodo. V reaktorju je tako visok tlak, da voda ne zavre. Toplota se prenaša na sekundarni krog v uparjalniku, kjer nastaja para in poganja turbino. Tudi sovjetski/ruski reaktorji tipa VVER so tlačnovodni reaktorji.
• Vrelni reaktor (Boiling Water Reactor - BWR) - Moderiran in hlajen z navadno vodo. Voda v reaktorju vre, nastala para poganja turbino.
• Težkovodni tlačni reaktor ( Pressurized Heavy Water Reactor - PHWR; CANada – Deuterium – Uranium (CANDU)) - Moderiran in hlajen s težko vodo. Voda v reaktorju ne vre. Težka voda v uparjalniku greje lahko vodo, nastala para poganja turbino.
• Plinsko hlajeni reaktor ( Gas Cooled Reactor - GCR, Advanced Gas-cooled Reactor - AGR, High Temperature Gas-cooled Reactor - HTGR) - Moderator je grafit, hladilo pa plin, ki v uparjalniku greje vodo. Nastala para poganja turbino.
• Grafitni vodno hlajeni reaktor (Light Water Graphite Reactor (LWGR)) - Moderator je grafit, hladilo pa voda, ki v tlačnih ceveh ob gorivu vre. Ruska kratica teh reaktorjev je RBMK. Reaktor v Černobilu, kjer se je zgodila najhujša jedrska nesreča, je bil tega tipa.
• Hitri oplodni reaktor (Fast Breeder Reactor - FBR) - Moderatorja nima, primarno in sekundarno hladilo je tekoči natrij. Primarno, radioaktivno hladilo v prenosniku toplote oddaja segreva sekundarno hladilno zanko iz (neradioaktivnega) natrija, slednja v uparjalniku uparja vodo, nastala para poganja turbino.

Zgodovina

Izkoriščanje energije jedrske verižne reakcija temelji na znanstvenih odkritjih s področja jedrske fizike.

• 1896: Začetek jedrske fizike: Henry Becquerel odkrije, da uranova sol seva prodorne žarke.
• 1898: Marie in Pierre Curie ta pojav imenujeta radioaktivnost in izolirata radioaktivni element radij.
• 1932: James Chadwick odkrije nevtron, osnovni delec, ki igra izjemno pomembno vlogo v reaktorski fiziki.
• 1938: Otto Hahn in Fritz Strassmann obstreljujeta uran z nevtroni in odkrijeta reakcijo cepitve jeder urana.
• 2. december 1942: Steče prva nadzorovana verižna reakcija cepitve jeder v poskusni napravi, ki so jo imenovali Chicago Pile 1 (CP1). Izgradnjo naprave je vodil fizik Enrico Fermi. To je bil za današnje pojme zelo velik sestav iz urana in grafita. Prvo verižno reakcijo so vzdrževali 28 minut.
• Prva leta po odkritju verižne reakcije je bila jedrska energija uporabljana le v vojaške namene. Vendar pa so kmalu po vojni so pričeli z razvojem uporabe jedrske cepitve za proizvodnjo električne energije. Zelo pomemben je bil zakon o atomski energiji - Atomic Energy Act, ki ga je leta 1946 sprejel ameriški kongres. Z njim je bil omogočen razvoj civilne uporabe jedrske energije.
• 1951: Zasvetijo prve štiri žarnice, ki jih je napajala električna energija, proizvedena s pomočjo hitrega oplodnega reaktorja EBR-1 v Idaho Falls v ZDA.
• Vzporedno poteka razvoj reaktorja, prvotno namenjenega pogonu podmornic. Prva podmornica na jedrski pogon Nautilus je zaplula leta 1954. Energijo za pogon je dajal tlačnovodni reaktor.
• 1954: V kraju Obninsk v Sovjetski zvezi poženejo prvo jedrsko elektrarno na svetu APS-1. Imela je le 5 MW električne moči. Bila je moderirana z grafitom in je predstavljala zametek kasnejših elektrarn tipa RBMK (černobilski tip reaktorja). Zaprli so jo leta 2002 po 48 letih obratovanja.
• 1957: V ZDA poženejo prvo komercialno jedrsko elektrarno Shippingport. Njen tlačnovodni reaktor, ki ga je zgradila družba Westinghouse, je bil razvit iz podmorniškega reaktorja.

Konec petdesetih in v začetku šestdesetih let prejšnjega stoletja so tudi druge razvite industrijske države (Velika Britanija, Kanada, Francija, Nemčija, ...) postavile prve jedrske elektrarne in pripravljen je bil teren za njihovo široko komercialno uporabo.

Vloga jedrske elektrarne pri proizvodni elektrike

Sproščanje CO2 iz različnih elektrarn

Jedrska elektrarna ima zaradi svojega zanesljivega in neprekinjenega delovanja na polni moči ugoden vpliv na elektroenergetski sistem, saj zagotavlja:

• Zanesljivost oskrbe z električno energijo (energetska neodvisnost države),
• Ekonomsko stabilnost trga električne energije,
• Stabilnost elektroenergetskega sistema.

Obenem pa jedrska elektrarna pripomore tudi k zmanjšanju izpustov ogljikovega dioksida v ozračje, saj nadomešča fosilna goriva.

Jedrska energija ima veliko vlogo pri zmanjšanju izpustov ogljikovega dioksida (CO₂), saj je trenutno edini tehnološko in ekonomsko razviti vir energije, ki je že dostopen in lahko v dovolj veliki meri nadomešča fosilna goriva (seveda je tak vir tudi hidroenergija, vendar je ta v veliki meri že izkoriščena). Primerjava sproščanja CO₂ iz posameznih vrst elektrarn je na sliki Sproščanje CO₂ iz različnih elektrarn in iz nje je jasno razvidno, da jedrske elektrarne sproščajo zgolj nekaj odstotkov CO₂, ki ga za enako količino proizvedene energije sprostijo termoelektrarne.

Delež v svetovnem merilu

V svetu je približno 10 % vse električne energije proizvedene v jedrskih elektrarnah, ki obratujejo v 31 državah. Konec leta 2019 je obratovalo skupni 443 jedrskih reaktorjev.

Jedrska energija je tudi drugi največji vir nizkoogljične energije na svetu.

V več kot 53 državah deluje še približno 220 raziskovalnih reaktorjev, nekaj jih pa je še v gradnji. Številni raziskovalni reaktorji se poleg tega, da se uporabljajo za raziskave in usposabljanje, uporabljajo tudi za proizvodnjo medicinskih in industrijskih izotopov.

Deleži električne energije iz jedrskih elektrarn leta 2019

Deleži po posameznih državah

Trinajst držav je leta 2019 vsaj četrtino električne energije proizvedlo iz jedrske energije. Največ je proizvedla Francija, kar 70.6 %, medtem ko ZDA, kjer je največ jedrskih elektrarn na svetu, dobijo le dobrih 20 % električne energije iz svojih 96 jedrskih elektrarn. V zadnjih letih se je najbolj povečal delež proizvodnje iz jedrske energije na Kitajskem.

V Sloveniji smo v letu 2019 proizvedli 37 % električne energije v jedrski elektrarni Krško.

Slika Deleži električne energije iz jedrskih elektrarn leta 2019 kaže deleže proizvodnje električne energije leta 2019 v jedrskih elektrarnah v državah sveta z jedrskimi programi.

Spodnja tabela pa podaja pregled števila in moči obratujočih jedrskih elektrarn po državah.

Pregled vseh obratujočih jedrskih elektrarn na dan 31.12.2019.

Država	Število JE	Skupaj MW
Argentina	3	1641
Armenija	1	375
Belgija	7	5930
Bolgarija	2	2006
Brazilija	2	1884
Češka	6	3932
Finska	4	2794
Francija	58	63130
Indija	22	6255
Iran	1	915
Japonska	33	31679
Južna Afrika	2	1860
Južna Koreja	24	23172
Kanada	19	13554
Kitajska	48	45518
Madžarska	4	1902
Mehika	2	1552
Nemčija	6	8113
Nizozemska	1	482
Pakistan	5	1318
Romunija	2	1300
Rusija	38	28437
Slovaška	4	1814
Slovenija	1	688
Španija	7	7121
Švedska	7	7740
Švica	4	2960
Tajvan	4	3844
Ukrajina	15	13107
Velika Britanija	15	8923
ZDA	96	98152
Skupaj	443	392098

Poleg naštetih reaktorjev, namenjenih proizvodnji električne energije, na svetu obratuje še nekaj sto reaktorjev za pogon plovil. Jedrski pogon pokaže svoje največje prednosti pri podmornicah. Jedrske podmornice imajo ZDA, Rusija, Velika Britanija, Francija in Kitajska. Velesile imajo tudi nekatere druge vojne ladje, zlasti letalonosilke, na jedrski pogon. Vsi reaktorji za pogon plovil so tlačnovodni in imajo gorivo iz visoko obogatenega urana, ki omogoča obratovanje okoli 10 let brez menjave goriva.

Edine civilne ladje na jedrski pogon, ki plujejo še danes, so ruski ledolomilci v arktičnem morju.

Prednosti in slabosti

Pri vrednotenju prednosti in slabosti jedrskih elektrarn je potrebno upoštevati več dejavnikov (ekonomske, okoljske in politične).

Prednosti jedrske energije:

• Zagotavlja zanesljivo oskrbo z električno energijo, zmanjšuje odvisnost od uvoza energije iz drugih držav, zagotavlja električno energijo po konkurenčni ceni.
• Zagotavlja velike količine proizvedene energije glede na potrebne količine goriva.
• Ne povzroča izpustov toplogrednih plinov v ozračje, kot tudi ne preostalih škodljivih emisij s katerimi povečujemo učinek tople grede. V celotni življenjski dobi jedrske elektrarne je sproščanje CO₂ mnogo manjše kot v primerjavi z drugimi tehnologijami. Pravimo, da ima jedrska energija majhen okoljski oziroma ogljični (CO₂) odtis.
• Omogoča nam širok spekter uporabnosti jedrske tehnologije na področju delovanja človeka, npr. v medicini, industriji in znanosti.
• Proizvodnja električne energije v jedrskih elektrarnah zmanjšuje odvisnost od uporabe fosilnih goriv za pridobivanje električne energije. Pomeni, da zmanjšujemo sproščanje CO₂ v ozračje in tudi varčujemo z naravnimi rezervami fosilnih goriv.
• Jedrska elektrarna prispeva k nastanku novih delovnih mest. Zagotavlja delovna mesta med samo izgradnjo, kot tudi med dolgoletnim obratovanjem.

Kot vsaka tehnologija ima tudi jedrska nekaj pomanjkljivosti:

• Človeške napake so v preteklosti povzročile tri jedrske nesreče, ki so negativno vplivale na družbeno sprejemljivost jedrske energije.
• Pri pridobivanju jedrske energije nastajajo radioaktivni odpadki s katerimi je potrebno ravnati in upravljati zelo odgovorno.
• Možnost izpusta (uhajanja) radioaktivnih snovi v okolje zaznava javnost kot veliko tveganje.
• Cena investicije izgradnje jedrske elektrarne je visoka in se še povečuje zaradi vedno višjih varnostnih zahtev novejših tehnologij.
• Izgradnja jedrske elektrarne traja dalj časa v primerjavi z izgradnjo drugih elektrarn.
• Možnost zlorabe jedrske tehnologije za vojaške namene (jedrsko orožje).

Jedrska varnost v jedrskih elektrarnah

Jedrska varnost pomeni varstvo ljudi in okolja pred škodljivimi učinki ionizirajočih sevanj.

Na mednarodnem nivoju za jedrsko varnost skrbita predvsem Mednarodna agencija za atomsko energijo s sedežem na Dunaju (IAEA - International Atomic Energy Agency) ter Evropska skupnost za jedrsko energijo (EURATOM - European Atomic Energy Community). Po nesreči v Fukušimi so bili na ravni EU uvedeni stresni testi vseh jedrskih elektrarn, ki so privedli do enotnih 4 sklopov ukrepov:

• oblikovanje enotnih ocen tveganj za primer naravne nesreče (potres, poplava, ekstremne vremenske razmere);
• preverjanje elektrarn glede odpornosti na naravne nesreče najmanj vsakih 10 let;
• izvedba možnih izboljšav reaktorskih posod;
• razširitev varnostne ocene tudi na izredne vremenske razmere.

V Sloveniji izvajanje ukrepov nadzoruje Uprava za jedrsko varnost Republike Slovenije.

V jedrskih elektrarnah širitev radioaktivnih snovi iz jedrskega goriva preprečujejo štiri zaporedne fizične pregrade, ki gorivo ločujejo od okolja.

1. Jedrsko gorivo (tabletke iz uranovega dioksida UO₂) že samo zadržuje radioaktivne snovi.
2. Neprodušna kovinska srajčka, ki obdaja gorivne tabletke.  
3. Tlačna meja reaktorskega sistema (reaktorska posoda, cevovodi, primarna črpalka, uparjalnik, komponente za fizično ločitev primarnega sistema od okolice).
4. Zadrževalni hram, ki jedrski reaktor in primarni sistem ločuje od zunanjega okolja.

Jedrske elektrarne imajo tudi varnostne sisteme, ki blažijo posledice nesreč. Ti sistemi so samostojni in ločeni od sistemov za normalno obratovanje (proizvodnjo električne energije) ter so tipično vsaj podvojeni. Varnostni sistemi v vsaki naslednji generaciji reaktorjev težijo k dodajanju števila pregrad ter pasivni varnosti in avtonomnosti (samodejno reagiranje ter neodvisnost od zunanjih energetskih virov).

Splošna percepcija varnosti jedrskih elektrarn v javnosti je močno odvisna od nesreč (po vsaki nesreči hitro pade in se le počasi nato zopet povečuje) ter terorističnih groženj, učinkovitosti možnih rešitev za varno odstranitev odpadkov ter odstranitvi možnosti zlonamerne uporabe jedrskih materialov (v tem vrstnem redu po padajoči pomembnosti). Sprejemljivost jedrske energije se sicer poveča ob razlagi pozitivnih učinkov na globalno segrevanje, razlagi varnostnih ukrepov ter ugotavljanju o nezmožnosti sledenja proizvodnje povečani potrošnji električne energije. Prav tako je stopnja sprejemljivosti jedrskih elektrarn višja v državah, ki že imajo izkušnje z jedrsko energijo.

---

[S1]Tole poglavje bi bilo potrebno pregledati po Radkovih popravkih.

Položaj jedrske elektrarne v Sloveniji

Nuklearna elektrarna Krško

V Sloveniji imamo eno jedrsko elektrarno, Nuklearno elektrarno Krško (NEK), ki se nahaja na levem bregu Save 2 km od Krškega proti Brežicam. Jedrska elektrarna Krško (JEK) ima tlačnovodni reaktor (PWR) ameriške družbe Westinghouse z močjo 696 MW. V sedanjem času sodi med manjše jedrske elektrarne tega tipa.

Jedrska elektrarna Krško ima zaradi svoje, za elektroenergetski sistem Slovenije velike moči, zelo pomembno vlogo. V veliki meri zagotavlja stabilnost omrežja in vzdržuje kvalitetne napetostne razmere pri prenosu energije. Zaradi ugodne cene svoje energije in njenega velikega deleža precej prispeva k cenovni stabilnosti električne energije v Sloveniji. Bistveno tudi povečuje zanesljivost oskrbe oziroma neodvisnost od zunanjih dejavnikov.

Pomembno je omeniti, da električna energija iz NEK predstavlja 39 % v Sloveniji proizvedene električne energije, vendar pa polovica te elektrike pripada Hrvaški. Slovenija in Hrvaška sta podpisali slovensko-hrvaški sporazum, ki med drugim predvideva solastništvo NEK v razmerju 50:50.

V Sloveniji imamo z jedrsko energijo in varnim obratovanjem jedrske elektrarne Krško pozitivne izkušnje. Odlično se je odrezala tudi na varnostnih (»stresnih«) testih na evropski ravni.

Glej tudi

• Jedrska elektrarna Krško

Zunanje povezave

• Izobraževalni center za jedrsko tehnologijo
• Kako deluje jedrska elektrarna
• Uprava za jedrsko varnost RS
• International Atomic Energy Agency (IAEA)
• Power Reactor Information System (PRIS), IAEA