Používate zastaralý prehliadač, stránka sa nemusí zobraziť správne, môže sa zobrazovať pomaly, alebo môžu nastať iné problémy pri prehliadaní stránky. Odporúčame Vám stiahnuť si nový prehliadač tu.
jadrova elektraren a oblaky
1
Otvoriť Foto TU
Otvoriť galériu
Foto: Flickr.com/Toni Rodrigo (licencia Creative Commons)
30. novembra 2011 Jadrová energia od Energia.skSITA

Stručný prehľad: Jadrová energia

Vo svojom  materiáli OECD uvádza, že súčasné zásoby prírodného uránu tvoria 15 miliónov ton. Najväčšie zásoby suroviny má Austrália, Kazachstan, Kanada, USA, JAR, Uzbekistan, Niger a Brazília. Kazachstan je v súčasnosti najväčším dodávateľom uránu na svete pre účely jadrovej energie. V krajine sa nachádza celkovo 15 % globálnych zásob tejto suroviny. V prvom polroku 2010 vzrástla v Kazachstane ťažba uránu medziročne o 41 %.

Kanada je druhým najväčším producentom uránu na svete, čo predstavuje asi 22 % svetovej produkcie.  Od roku 2013 by sa produkcia mala výrazne zvýšiť, a to uvedením nových baní do prevádzky. Okrem toho je lídrom v oblasti jadrového výskumu a technológií, ako aj vývozcom ucelených reaktorových systémov.

Ročná svetová spotreba uránu predstavuje 65 tis. ton, čo by pri súčasných kapacitách jadrových elektrární vystačilo na 200 rokov.

Princíp fungovania jadrovej elektrárne

Jadrová elektráreň premieňa energiu „uzamknutú“ v atómovom jadre na teplo, ktoré sa využíva ako zdroj pre výrobu pary, ktorá poháňa turbínu s generátorom elektrickej energie. Výrobňa sa skladá z jadrového reaktora, parnej turbíny a iných technologických zariadení. Jadrové elektrárne sú tak vo svojej podstate tepelné elektrárne, ktoré používajú namiesto parného kotla jadrový reaktor s parným generátorom. Rozdiel je iba v použitom druhu paliva a spôsobe jeho premeny na teplo. Zdrojom tepla je jadrové palivo, ktorým je spravidla obohatený urán.

Obr. Jadrová elektráreň – princíp fungovania (Zdroj: English – online)

Palivo v podobe špeciálnych palivových kaziet je umiestnené v tlakovej nádobe reaktora, do ktorej prúdi chemicky upravená voda a kanálikmi v palivových kazetách odvádza teplo, ktoré vzniklo pri štiepnej reakcii. Teplota vody dosahuje takmer 300°C. Horúca voda prechádza primárnym potrubím do parogenerátora. V ňom sa nachádzajú výmenník, cez ktorý sa odovzdáva teplo vode zo sekundárneho okruhu s teplotou 222 °C. Ochladená voda z primárneho okruhu sa následne vracia naspäť do aktívnej zóny reaktora. Voda zo sekundárneho okruhu sa odparuje v parogenerátore a vzniknutá para poháňa lopatky turbíny, čím sa roztáča generátor a dochádza k „produkcii“ elektrickej energie.

Jadrové palivo

Urán je prirodzený rádioaktívny prvok s niekoľkými izotopmi využívanými ako jadrové palivo. Dosiaľ sú známe izotopy uránu s hmotnostnými číslami 227 až 240, z ktorých v prirodzenej izotopnej zmesi sa vyskytujú materské nuklidy uránového a aktíniového radu (U238 a U235) a dcérsky produkt uránového radu (U234).

Prírodná zmes izotopov uránu sa skladá z 99,3 % U238 a 0,7 % U235. Praktický význam spočíva v štiepiteľnosti atómu tepelnými neutrónmi a v schopnosti udržať reťazovú reakciu. Spomaľovanie neutrónu z rýchleho na tepelný prebieha nárazmi neutrónu do jadier atómov okolitej hmoty. Pri týchto zrážkach neutrón stráca časť svojej energie, a tak sa spomaľuje. Najväčšie množstvo energie odovzdá neutrón jadru s porovnateľnou hmotnosťou. Preto veľmi účinne spomaľuje neutróny voda (vodík). Pri štiepnej reakcii jadra atómu sa pohltí len jeden neutrón, ale uvoľnia sa v priemere dva až tri neutróny, čo umožní rozštiepenie ďalšieho jadra a tak vzniká reťazová reakcia, ktorá je v prípade energetického využitia riadená.

Pre potreby jadrovej energetiky sa pre štiepnu reakciu používajú jadrá atómov U235, ktorý je izotopom uránu a taktiež hlavnou využiteľnou zložkou jadrového paliva v tlakovodných reaktoroch založených na štiepení pomalými neutrónmi. Väčšina reaktorov využíva mierne obohatený urán, v ktorom je podiel uránu 235 pomocou špeciálnej technológie zvýšený na 2 až 4 %.

V jadrovom reaktore, v ktorom sa používa ako palivo urán, vzniká až jedna tretina uvoľnenej energie štiepením plutónia, ktoré je vedľajším produktom štiepenia uránu. Po vyhorení sa palivo z reaktora vyberá a ukladá sa na dobu 3-4 rokov do bazénu skladovania vyhoreného paliva umiestneného vedľa reaktora. Vo vyhorenom palive ostáva ešte aj nespotrebovaný urán, plutónium a iné ťažké prvky (produkty štiepenia). Po dostatočnom ochladení a znížení radiácie v bazéne skladovania sa vyhoreté palivo môže prepracovať, čím sa získava nevyužitý urán a plutónium pre nové jadrové palivo (ide o tzv. palivo MOX).

Nové jadrové reaktory GEN IV

Jadrový priemysel ráta s novou technológiou rýchlych reaktorov IV. generácie. Štvrtá generácia (Gen IV) reaktorov je predmetom intenzívneho výskumu a vývoja. Tieto systémy by mali byť spustené do komerčnej prevádzky od roku 2025. Základný výskum o reaktoroch štvrtej generácie predstavuje globálnu spoluprácu koordinovanú Medzinárodným fórom „Generácia IV” (GIF), ktorého aktívnym členom je aj Euratom. Medzi hlavné ciele GEN IV patrí zvýšená bezpečnosť, zamedzenie zneužitia jadrového paliva na výrobu zbraní, minimalizovanie rádioaktívneho odpadu a využitie prírodných zdrojov, rovnako ako zníženie nákladov na výstavbu a prevádzku jadrových elektrární.

Výhodami novej generácie v porovnaní so súčasnými jadrovými zdrojmi budú podstatne nižšia doba rozpadu jadrového odpadu, zefektívnenie výroby (100 až 300 násobne) a možnosť využitia tóriového paliva a MOX paliva v uzavretom palivovom cykle.

Reaktory IV. generácie majú využívať uzavretý palivový cyklus. V rámci neho sa vyhorené palivo využíva ako energetický zdroj na prevádzku rýchlych reaktorov. Rýchle reaktory využívajú odpad z reaktorov, palivo recyklujú a znova vracajú späť do palivového cyklu. Podmienkou k takémuto uzavretiu uránového cyklu je proces spracovania vyhoreného paliva. Rýchle reaktory zvyšujú množstvo využiteľnej energie z jadrového paliva až 100-násobne a rovnako znižujú rádio-toxicitu odpadov.

Jadro vs. ostatné zdroje energie

Medzinárodná energetická agentúra (IEA) vo svojej pravidelnej analýze World Energy Outlook porovnáva konkurencieschopnosť produkcie jadrovej a ostatných zdrojov energie. Nukleárna energia je nízko-uhlíkový energetický zdroj. Cena produkcie elektrickej energie z jadra je stále výhodnejšia v porovnaní s fosílnymi palivami, nakoľko nie je ovplyvňovaná výkyvmi na medzinárodných trhoch (pozn. viac k cenám elektrickej energie z jadra v slovenskom kontexte: na tejto linke).

Správa IEA sa venuje aj analýze výrobných cien počas každej fázy výrobného cyklu. Od počiatočnej investície, konštrukčných a prevádzkových nákladov až po ceny palív. Jadrové elektrárne si vyžadujú obrovské počiatočné investície, no na druhej strane, po vybudovaní sú prevádzkové náklady nižšie než pri iných zdrojoch. Dôležitým faktorom je aj to už do počiatočných nákladov sú zarátané aj finančné prostriedky spojené s vyradením elektrárne z prevádzky.

Výhody jadra Nevýhody jadra
  • nezaťažuje životné prostredie vypúšťaním produktov spaľovania fosílnych palív
  • vysoký faktor využitia inštalovaného výkonu
  • nízka cena jednotky vyrobenej elektrickej energie v porovnaní s ostatnými typmi
  • cena paliva sa podieľa malým dielom na cene vyrobenej elektrickej energie v porovnaní s ostatnými typmi (stabilita ceny elektriny pri pohyboch cien paliva)
  • existujú spoľahliví dodávatelia jadrového paliva v stabilných regiónoch
  • je možné vytvoriť zásoby paliva na niekoľko rokov
  • pomerne malé objemy produkovaných odpadov
  • neustále prebiehajúci vedecký výskum na poli jadra
  • nízke prevádzkové náklady
  • dlhodobá životnosť (40 – 65 rokov)
  • možnosť využitia pre kombinovanú produkciu elektriny a tepla
  • vysoké investičné náklady pri výstavbe, citlivé najmä na základnú úrokovú sadzbu
  • potrebná starostlivosť o dlhodobo uložené rádioaktívne odpady
  • doteraz komplexne nevyriešená otázka záverečnej časti jadrového cyklu
  • prísne nároky na bezpečnosť prevádzky jadrových zariadení (riziko škôd pri havárii jadrového zariadenia je oveľa vyššie než pri tradičnom konvenčnom zdroji)

Z pohľadu paliva, cena uránu predstavuje iba približne 5 % výrobných nákladov, zatiaľ čo celý palivový cyklus uránu sa podieľa na 15 % rozpočtových nákladoch. Palivový cyklus uránu zahŕňa ťažbu, obohacovanie, premenu a odpadový manažment.

Jadrová bezpečnosť

Bezpečnosť je základnou požiadavkou na prevádzku každej jadrovej elektrárne. Atómový zákon ju definuje ako stav a schopnosť jadrového zariadenia alebo prepravného zariadenia a ich obsluhy zabrániť nekontrolovanému rozvoju štiepnej reťazovej reakcie alebo nedovolenému úniku rádioaktívnych látok alebo ionizujúceho žiarenia do pracovného prostredia alebo do životného prostredia. Bezpečná prevádzka tiež znamená obmedzovanie následkov nehôd a havárií jadrových zariadení alebo následkov udalostí pri preprave rádioaktívnych materiálov. Ide teda o súbor všetkých technických a organizačných opatrení, ktoré musia zabezpečiť, aby proces štiepenia atómových jadier spojených s uvoľňovaním rádioaktivity zostal za akýchkoľvek podmienok pod kontrolou.

Bezpečnosť jadrovej elektrárne v prvom rade zaisťujú bariéry, ktoré sú dané konštrukčným riešením. Ich cieľom je zamedziť úniku rádioaktívnych látok do životného prostredia a zabezpečiť tak ochranu pred ionizujúcim žiarením. Medzi hlavné bariéry patria:

  • palivová tableta – palivový element v keramickej forme, najčastejšie vyrobený zo zmesi oxidov obohateného uránu, ktorý zachytáva všetky produkty jadrového štiepenia.
  • palivový prút – palivové tablety sú uložené do kovovej rúrky a sú tu hermeticky uzatvorené. Rúrka slúži pre palivové tablety, ako obal, aj ako nosná časť. Najčastejšie býva vyrobená zo zliatiny zirkónia. Niekoľko palivových prútov spojených navzájom pevnou konštrukciou tvorí tzv. palivový súbor, tiež označovaný aj ako palivová kazeta.
  • primárny okruh – hranica tlakového celku primárneho okruhu, ktorý tvorí tlaková nádoba reaktora, hlavné cirkulačné potrubie, kompenzátor objemu a ďalšie zariadenia.
  • kontajnment – budova kontajnmentu tvorí hermetický plášť, ktorý chráni okolie pred šírením rádioaktívnych látok najmä v prípade havárie. Na druhej strane chráni zariadenie jadrového ostrova elektrárne pred nepriaznivými vonkajšími vplyvmi, vrátane pádu lietadla. Budova je postavená zo železobetónu vystuženého oceľovými lanami. Najmodernejšie typy jadrových elektrární sú vybavené tzv. dvojitým kontejmentom, čo sú v podstate dva nad sebou postavené kontejmenty, pričom hrúbka každého je viac ako jeden meter.

Jednotlivé bezpečnostné bariéry v jadrovej elektrárni dopĺňa rozsiahly bezpečnostný systém, ktorého hlavnou úlohou je v prípade potreby alebo ohrozenia odstaviť reaktor – zastaviť reťazovú štiepnu reakciu, zabezpečiť odvod zvyškového tepla z aktívnej zóny reaktora, zabezpečiť neporušenie primárneho okruhu a znížiť tlak v hermetických priestoroch za účelom ochrany jednotlivých bezpečnostných bariér, a to za každého prevádzkového stavu, aj v prípade maximálnej projektovej nehody t. j. prasknutia hlavného primárneho potrubia. Bezpečnostné mechanizmy pracujú na rôznych fyzikálnych princípoch, sú odolné voči jednoduchým poruchám a ich konštrukcia musí odolať nepriaznivým podmienkam i v prípade havárie.

Jadrová bezpečnosť je pre EÚ prioritou a je prvým významným regionálnym aktérom so záväzným právnym rámcom v oblasti jadrovej bezpečnosti. Pravidlá sa sprísňovali i v roku 2011 v kontexte nehody na japonskej jadrovej elektrárni vo Fukušime. Európska únia sa dohodla na vykonaní tzv. stress testov (záťažových testov) všetkých jadrových elektrární v jej členských krajinách. Kompletná a definitívna správa s výsledkami testov by mala byť známa na budúci rok.

(c) energia

K téme

Bezplatné novinky z Energia.sk raz týždenne:
podmienkami používania a potvrdzujem, že som sa oboznámil s ochranou osobných údajov
Copyright © iSicommerce s.r.o. Všetky práva vyhradené. Vyhradzujeme si právo udeľovať súhlas na rozmnožovanie, šírenie a na verejný prenos obsahu.