INTERNACIONALNI UNIVERZITET TRAVNIKPOLITEHNIČKI FAKULTET

TRAVNIK

NUKLEARNA ENERGIJASEMINARSKI RAD

Predmet: Student:

Obnovljivi izvori energije Sabahudin Petak

Mentor: Br. Indexa:

Prof. dr.sc. Radomir Biočanin PT-13/13-I

Travnik, april 2016.

Sadržaj

1. UVOD..................................................................................................................................3

2. NEOBNOVLJIVI IZVORI ENERGIJE..........................................................................4

3. NUKLEARNA ENERGIJA...............................................................................................6

3. 1 Kako nastaje nuklearna energija...............................................................................6

3. 2 Utjecaj nuklearne energije na okoliš.......................................................................10

3. 3 Nuklearni ili radioaktivni otpad..............................................................................12

3. 1. 1. Odlaganje nuklearnog otpada..............................................................................14

4. ZAKLJUČAK...................................................................................................................16

5. LITERATURA..................................................................................................................17

2

1. UVOD

Obnovljivi izvori energije pružaju znatni potencijal za budućnost, ali trenutno su vrlo

ograničenih mogućnosti i skuplja je energija koja dolazi iz njih. Zbog toga će proći još neko

vrijeme do značajnije upotrebe takvih izvora energije. Do tada se moramo osloniti na

neobnovljive izvore energije, a to su :

1) Nuklearna energija

2) Ugljen

3) Nafta

4) Prirodni plin

Od toga ugljen, naftu i prirodni plin nazivamo još i fosilna goriva. Samo ime fosilna goriva

govori o njihovom nastanku. Prije mnogo milijuna godina ostaci biljaka i životinja počeli su se

taložiti na dno okeana ili na tlo. S vremenom je te ostatke prekrio sloj blata, mulja i pijeska. U

tim uvjetima razvijale su se ogromne temperature i veliki pritisci, a to su idealni uvjeti za

pretvorbu ostataka biljaka i životinja u fosilna goriva.

Nuklearne elektrane ne ispuštaju ugljični dioksid, ali nakon upotrebe nuklearno gorivo je

izuzetno radioaktivno i potrebno ga je skladištiti više desetaka godina (najradioaktivnije i više

stotina godina) u sigurnim betonskim bazenima ili podzemnim bunkerima. U normalnim

uvjetima nuklearna energija je vrlo čisti izvor energije, ali potencijalna opasnost neke havarije

sve više smanjuje broj novoinstaliranih nuklearnih elektrana.

Strah od havarije dodatno su povećale dvije do sada najveće nuklearne nezgode: Otok Tri

Milje 1979. godine i Černobilj 1986. godine. U oba slučaja do nezgode je došlo zbog niza

grešaka na opremi i ljudskih pogrešaka.

U zadnje vrijeme sve je manji utjecaj čovjeka na proces u nuklearnoj elektrani jer računala su

se pokazala pouzdanija za obavljanje nekih radnji koje ne zahtijevaju konstruktivno

razmišljanje.

Kroz tekst ćemo detaljnije objasniti pojam nuklearne energije.

3

2. NEOBNOVLJIVI IZVORI ENERGIJE

Neobnovljivi izvori energije su izvori energije koji se ne mogu regenerirati ni

ponovno proizvesti. To su: 

ugljen , 

nafta , 

prirodni plin , i

 nuklearna energija.1

Fosilna goriva

Ugljen, nafta i prirodni plin nazivaju se fosilna goriva. Samo ime fosilna goriva govori o

njihovom nastanku. Prije mnogo milijuna godina ostaci biljaka i životinja počeli su se taložiti

na dno oceana ili na tlo. S vremenom je te ostatke prekrio sloj blata, mulja i pijeska. U tim

uvjetima razvijale su se ogromne temperature i veliki pritisci, a to su idealni uvjeti za

pretvorbu ostataka biljaka i životinja u fosilna goriva. Glavni izvor energije fosilnih goriva

je ugljik, pa njihovim sagorijevanjem u atmosferu odlazi puno ugljikovog dioksida. To je

glavni problem iskorištavanja fosilnih goriva gledano s ekološkog aspekta.

Ugljen

Ugljen je nastao od davnih biljaka. Prije 300 milijuna godina, znači prije dinosaura, ogromne

biljke taložile su se u močvarama. Milijunima godina preko tih ostataka taložilo se blato koje

je stvaralo veliku toplinu u pritisak, a to su idealni uvjeti za nastanak ugljena. Danas se ugljen

većinom nalazi ispod sloja stijena i blata, a da bi se došlo do njega probijaju se rudnici. Dvije

najvažnije upotrebe ugljena su proizvodnja čelika i električne energije. Ugljen daje oko 23%

ukupne primarne energije u svijetu. 38% generirane električne energije u svijetu dobiveno je

od ugljena. Za oko 70% proizvodnje čelika u svijetu potreban je ugljen kao ključni sastojak.

Na slici 2.1., prikazana je proizvodnja i potrošnja ugljena po državama:

1 http://www.izvorienergije.com/prirodni_plin.html

4

Slika 2.1. Proizvodnja i potrošnja ugljena po državama

Nafta

Nafta je nastala iz ostataka biljaka i životinja koje su živjele prije mnogo milijuna godina u

vodi. Danas bušimo kroz debele slojeve pijeska, mulja i stijena da bi došli do nalazišta nafte.

Prije nego počne bušenje kroz sve te slojeve, znanstvenici i inženjeri proučavanju sastav

stijena. Ako sastav stijena ukazuje na moguće nalazište nafte počinje bušenje. Prilikom

sagorijevanja naftnih derivata oslobađaju se velike količine ugljičnog dioksida u atmosferu.

Ugljični dioksid je staklenični plin i njegovim ispuštanjem u atmosferu utječemo na povećanje

globalne temperature na zemlji. Zbog tog problema donesen je Kyoto protokol, ali ga najveći

zagađivači još uvijek nisu potpisali.

Prirodni plin

Glavnim dijelom sačinjen je od metana, jednostavnog spoja koji se sastoji od

jednog atoma ugljika i četiri atoma vodika. Metan je visoko zapaljiv i sagorijeva gotovo

potpuno. Nakon sagorijevanja ne ostaje pepela, a zagađivanje zraka je vrlo malo. Prirodni plin

nema boje, okusa, mirisa ni oblika u svojoj prirodnoj formi, pa je prema tome ljudima

neprimjetan. Prirodni plin se pronalazi u različitim podzemnim formacijama. Smanjeni loš

utjecaj na okoliš i napredak u tehnologiji učinili su prirodni plin preferiranim gorivom.2

2 http://www.izvorienergije.com/prirodni_plin.html

5

3. NUKLEARNA ENERGIJA

Nuklearna ili atomska energija je naziv za energiju koja se oslobađa pri procesima

transmutacije atomskih jezgara. U užem smislu pod nuklearnom energijom se smatra primjena

kontroliranih nuklearnih reakcija u svrhu pokretanja različitih uređaja. To se najčešće događa

u nuklearnim elektranama. 

Gotovo dvije milijarde ljudi širom svijeta nema pristup električnoj energiji i taj će se problem

pogoršavati rastom populacije. Globalno oslanjanje na fosilna goriva i velike hidroelektrane

ostati će trend bar do 2020. godine, ali to neće biti dovoljno za zadovoljavanje rastućih potreba

čovječanstva. Kao jedno od mogućih rješenja tog problema izdvaja se nuklearna energija. U

zadnje tri dekade nuklearna energija ima značajnu ulogu u proizvodnji električne energije.

Trenutno pomoću nuklearne energije generiramo oko 16% ukupno proizvedene električne

energije u svijetu. Jaki proboj nuklearne energije može se zahvaliti njezinoj čistoći i gotovo

nikakvim ispuštanjem stakleničnih plinova. Dobro konstruirane nuklearne elektrane pokazale

su se pouzdanima, sigurnima, ekonomski prihvatljivim i ekološki dobroćudnim.

3. 1 Kako nastaje nuklearna energija

Postoje dva različita načina dobivanja energije iz atoma. Atom možemo razbiti u dva lakša, ili

spojiti dva atoma da bi se dobio jedan teži. Nazivi tih dvaju postupaka su fisija i fuzija. U oba

slučaja oslobađa se velika količina energije, jer u ovakvim reakcijama jedan dio početne mase

nestane, potpuno se pretvarajući u energiju. Kada nastane atomska fisija, atom se podijeli u

dva jednostavnija atoma i oslobodi veliku količinu energije. Uvijek oslobodi i neutrone, koji se

izbačeni velikom snagom, sudaraju s drugim atomskim jezgrama, uzrokujući njihovu fisiju. I

iz tih jezgara mogu biti oslobođeni neutroni koji će se sudarati s drugim atomima, i tako

reakcija ide dalje. Kad jednom krene, reakcija uzrokuje druge, tj.lančane reakcije. Nuklearne

elektrane kao gorivo koriste izotop urana U-235 koji je vrlo pogodan za fisiju. U prirodi se

može naći uran sa više od 99% U-238 i svega oko 0.7% U-235. Dok U-238 apsorbira brze

neutrone, U-235 se u sudarima sa sporim neutronima raspada na vrlo radioaktivne, fisijske

produkte, a pri tom se oslobađa još brzih neutrona, što je prikazano na sljedećoj slici (slika

3.1.1.)

6

Slika 3.1.1.: Princip oslobađanja nuklearne energije. Nekontrolirani proces se zove atomska

bomba, a kontrolirani proces je nuklearni reaktor.

Zbog ovoga nuklearna reakcija može biti eksplozivna (u atomskoj bombi). Nuklearne

reakcije fisije otkrivene su ekserimentima na uranu, koji je bio bombardiran neutronima. Uran

je jedan od elemenata kod kojega je najlakše izazvati fisiju s velikim oslobađanjem energije.

Nuklearne elektrane kao gorivo koriste izotop urana U-235 koji je vrlo pogodan za fisiju.

Usporavanjem tih brzih neutrona u sudarima s molekulama teške vode, koja se pri tome

zagrijava, ostvaruje se lančana reakcija. Oslobođena toplina jest toliko željena energija. U

nuklearnim reaktorima se taj proces događa cijelo vrijeme u strogo kontroliranim uvjetima

Iako urana u prirodi ima relativno puno (sto puta više od srebra) izotopa U-235 ima malo.

Zbog toga se provodi postupak obogaćivanja urana. U konačnoj upotrebljivoj fazi, nuklearno

gorivo biti će u formi tableta dugih oko dva i pol centimetra. Jedna takva tableta može dati

otprilike istu količinu energije kao i jedna tona ugljena. Energija koja se oslobađa sudaranjem

neutrona sa uranom koristi se za zagrijavanje vode. Ta voda (para) tada pokreče generator, a

nakon toga treba je rashladiti i ponovo vratiti u reaktor. Za to je potreban stalan i veliki protok

vode oko jezgre reaktora.

Za prikaz jednog stvarnog načina dobijanja nuklearne energije uzet je primjer nuklearne

elektrane “KRŠKO”:

7

Nuklearna elektrana Krško je energetsko ostrojenje u kojem se energija fisije atoma

transformira u električnu energiju posredstvom toplinske energije. Jezgru reaktora čine gorivni

elementi, regulacijske i zaustavne šipke, moderator, rashladni fluid i konstrukcijski elementi.

U reaktorskoj jezgri odvija se proces kontrolirane lančane fisije pri čemu dolazi do cijepanja

jezgara fisibilnih atoma, prvenstveno urana, U-235, i oslobađaju velike količine energije.

Fisibilni atomi nalaze se u gorivim šipkama i zajedno s kosturom ( konstrukcijski materijali )

čine gorivne elemente ( NE KRŠKO ima 121 gorivni element tipa 16x16).

Gorivna šipka je cijev od cirkonijeve legure promjera oko 9,5 mm, debljine stijenke oko 0,6

mm i dužine od 3,6 m, ispunjena tabletama UO2. Cijev od cirkonijeve legure naziva se

oblogom gorivne šipke I sprječava ispuštanje fisijskih produkata u rashladni fluid. Prosječna

temperatura goriva je oko 670ºC, a obloge oko 345ºC. Prikaz gorive šipke dat je na sljedećoj

slici ( slika 3.1.2.):

Slika 3.1.2.: Goriva šipka3

Toplinska energija prenosi se sa goriva na rashladni fluid ( vodu ) koji forsirano struji ( tjera

ga cirkulacijska puma ) kroz reaktorsku posudu, olakujući gorivo. Temeratura vode na ulasku

u reaktorsku posudu je oko 280ºC, a na izlasku oko 320ºC. Kako je reaktorska posuda pod

3 http://eskola.hfd.hr/fiz_sva_stva/nek/nacinrad.html

8

pritiskom od 15,5 MPa ta je voda u tekućem stanju ( na većem pritisku temperatura ključanja

vode raste ).4 Pritisak se održava na potrebnom nivou uz pomoć zaptivača. Po izlasku iz

reaktorske posude zagrijana voda ulazi u parogenerator ( prostor tzv. U –cijevi ), gdje predaje

toplinu sekundarnom rashladnom fluidu ( voda-para ). Nuklearni reaktor, cirkulacijska pumpa,

zaptivač, parogenerator, cjevovodi predstavljaju primarni rashladni krug nuklearne elektrane.

Parogenerator možemo podijeliti na primarni i sekundarni. Primarni dio pripada primarnom

rashladnom krugu i sačinjava ga ulazno-izlazna komora i U- cijevi. Sekundarni dio sačinjavaju

plašt parogeneratora te isparivački i parni dio. U njega ulazi kipuća voda temperature oko

220ºC, zagrijava se i isparava. Izlazna temperatura pare je oko 270ºC. Para se parovodima

provodi do turbinske zgrade gdje udara u lopatice turbine i predaje im energiju. Turbina zatim

pogoni generator. Nakon turbine para dolazi u kondenzator gdje se dodatno hladi tekućom

vodom iz Save. Način rada prikazan je na slici 3.1.3.:

Slika 3.1.3.: Način rada NE Krško5

4 http://eskola.hfd.hr/fiz_sva_stva/nek/nacinrad.html5 http://eskola.hfd.hr/fiz_sva_stva/nek/nacinrad.html

9

3. 2 Utjecaj nuklearne energije na okoliš

Sve faze tehnoloških postupaka: rudarenje, rafiniranje rude, obogaćivanje, izrada gorivih

elemenata, odlaganje, prerada istrošena goriva, imaju vrlo veliki utjecaj na okoliš sa mogućim

dalekosežnim posljedicama.

Nuklearna energija ima najmanje 4 vrste zagađenja okoliša (slika 3.2.1.):

stvaranje radioaktivnog otpada u nuklearnim elektranama

velika količina jalovine u rudnicima

oslobađanje malih količina radioaktivnih izotopa tijekom rada

zagađenje u slučaju nuklearne katastrofe

Slika 3.2.1.: Utjecaj nuklearne energije na okoliš

10

U sljedećoj tabeli prikazane se Prednosti i nedostaci nuklearne energije:

Tabela 3.2.1.: Prednosti i nedostaci nuklearne energije6

PREDNOSTI NEDOSTACI

Relativno male emisije u atmosferu. Odlaganje radioaktivna materijala tijekom

pogona

Relativno velike energetske rezerve Velika količina radioaktivna materijala nakon

prestanka rada elektrane

Relativno niski proizvodni troškovi. Opasnost i strah od oštećenja reaktora

(topljenja jezgre).

Relativno velika pouzdanost u pogonu. Potrebna posebna odlagališta radioaktivna

materijala s velikim vremenom poluraspada.

Veliki porast troškova uvjetovanih zahtjevima

sigurnosti i zaštite okoliša.

Potencijalna opasnost od havarije elektrane.

Kao i svi procesi proizvodnje energije iz neobnovljivih izvora i nuklearne elektrane proizvode

otpad. Kod njih je to radioaktivni otpad i vruća voda. Budući da nuklearne elektrane ne

proizvode ugljični dioksid, njihovom upotrebom se ne povećava efekt staklenika. Radioaktivni

otpad dijeli se na dvije osnovne kategorije: nisko-radioaktivni i visoko-radioaktivni otpad.

Većina nuklearnog otpada je nisko radioaktivni otpad. To su: obično smeće, alati, zaštitna

odjela i ostalo. Taj se otpad kontaminirao sa malom razinom radioaktivnog praha ili čestica, a

mora se čuvati na način da ne dođe u kontakt sa predmetima izvana.

Pravi problem kod nuklearnih elektrana je ostatak iskorištenog goriva koji je visoko-

radioaktivni otpad i mora se mora skladištiti u specijalnim bazenima (voda ohlađuje nuklearno

gorivo i ponaša se kao štit od radijacije) ili u suhim kontejnerima. Starije i manje radioaktivno

gorivo skladišti se u suhim skladištima. Tamo se zatvara u specijalne betonske armirane

kontejnere.

6 Prof.dr. sc. Z. Prelec: “INŽENJERSVO ZAŠTITE OKOLIŠA”

11

3. 3 Nuklearni ili radioaktivni otpad

Radioaktivni otpad (kratica: RAO) je otpad koji nije predviđen za daljnje korištenje.

Klasifikacija i odlaganje otpada prikazano je u sljedećoj tabeli:

Tabela 3.3.1: Klasifikacija radioaktivnog otpada7

Klase radioaktivnog otpada Karakteristike Odlaganje

1. Izuzeti otpad Aktivnosti ne prelaze nivo

oslobađanja (koje se baziraju na

ograničenju godišnje doze ispod

0.01 mSv za osobe u

stanovništvu)

Bez radioloških ograničenja

2. Nisko i srednje radioaktivni

otpad

2.1. Kratkovječni otpad

2.2. Dugovječni otpad

Aktivnosti iznad nivoa

oslobađanja i toplotna snaga

ispod 2kW/m3

Ograničena koncentracija

dugovječnih radionuklida

(ograničenje za dugovječne alfa

emitere iznosi 4000 Bq/g za

pojedinačne pakete i 400 Bq/g

za prosječni iznos u svim

paketima)

Koncentracija dugovječnih

radionuklida prelaze navedena

ograničenja za kratkovječni

otpad

Odlaganje blizu površine ili u

duboko geološko odlagalište

Duboko geološko odlagalište

3. Visoko radioaktivni otpad Toplotna snaga iznad 2 kW/m3 i

koncentracija dugovječnih

radionuklida iznad ograničenja

za kratkovječni otpad

Duboko geološko odlagalište

7 A. Šabović, J. Isabegović, A. Okić: Obrada i model konačnog odlaganja otpada

12

Radioaktivni otpad se dijeli i s obzirom na agregatno stanje:

plinoviti radioaktivni otpad,

tekući radioaktivni otpad i

čvrsti radioaktivni otpad.

Veća nuklearna elektrana (od 1 000 MW) obično troši oko 100 tona nuklearnog

goriva (obogaćenog uranija) svake 3 godine. To se gorivo dobiva različitim fizikalnim i

kemijskim postupcima pročišćavanja i obrade uranijevih izotopa izuranijeve rudače, te prije

uporabe još uvijek predstavlja prirodni materijal u pogledu radioaktivnosti.

3. 1. 1.Odlaganje nuklearnog otpada

Odlaganje je konačno smještanje otpada u odlagalište, bez namjere da se iz njega ikada vadi i

bez nužnog oslanjanja na dugoročno nadgledanje i održavanje odlagališta ( slika 3.3.1.1.). Uz

prethodnu obradu i kondicioniranje, sustav prirodnih i izgrađenih višestrukih barijera oko

otpada u odlagalištu pruža jamstvo da će se bilo kakvo ispuštanje radionuklida u okoliš

odvijati prihvatljivom sporošću. Ima barijera koje osiguravaju potpunu izolaciju otpada u

nekom vremenskom razdoblju, poput metalnih posuda, kao i takvih koje usporavaju prodor

radionuklida u okoliš, poput materijala kojim se zapunjava odlagalište ili stijene u kojoj je

izgrađeno. Odlagališta se mogu nalaziti na površini ili na različitim dubinama ispod zemlje, a

posebnu skupinu čine duboka odlagališta u geološki stabilnim i nepropusnim slojevima,

namijenjena visokoaktivnom otpadu (kakvih za sada još nema u redovitom pogonu).

Za neka odlagališta može se planirati ograničeno vrijeme institucionalne kontrole, čime se

povećava sigurnost odlaganja kratkovječnog otpada. Bitno se, međutim, razlikuje pojam

skladištenja, koji označava privremeno čuvanje radioaktivnog otpada (pri čemu je

osigurana zaštita okoliša), kako bi se npr. olakšala obrada, kondicioniranje i odlaganje otpada

kada mu se umanji aktivnost. Specijalno, kratkovječni otpad može se skladištiti dok mu

aktivnost ne opadne toliko da se smije kontrolirano ispuštati u okoliš ili odlagati kao običan

otpad. Iako se za najveći dio radioaktivnog otpada planira izoliranje u odlagalištu ili barem

odležavanje u skladištu, neki otpadni radioaktivni plinovi i tekućine mogu se i odmah

kontrolirano ispuštati u okoliš (unutar dopuštenih granica radioaktivnosti), što se također

smatra postupkom odlaganja.

13

Slika 3.3.1.1.: Švedski KBS-3 spremnici za radioaktivni otpad, primjer suhih bačvi za

spremanje istrošenog nuklearnog goriva, moderni spremnici za prijevoz istrošenog nuklearnog

goriva željeznicom, uranijeva ruda – osnovna sirovina zanuklearno gorivo.8

8 https://hr.wikipedia.org/wiki/Radioaktivni_otpad

14

4. ZAKLJUČAK

Kao što znamo postoje dvije vrste izvora energije, to su obnovljivi i neobnovljivi izvori

energije. Neka definicija i nije bas potrebna jer same riječi upućuju na to što znače. U radu

smo prikazali jedanu od vrsta neobnovljive energije, a to je nuklearna energija.

To je kao što smo rekli energija koja se dobija u nuklearnim elektranama. Znanstvenici znaju

da je ostataka prirodnih resursa vrlo malo i da u ovakvom tempu života neće još dugo

opskrbljavati ljude prijeko potrebnom energijom, te da treba tragati za novim, alternativnim

izvorima koji će jednako dobro zadovoljiti sve ljudske potrebe za energijom. Jedan od takvih

izvora energije jest nuklearna energija koja je prva u Rusiji upotrebljena za proizvodnju

električne energije. Dakako da znanstvenici znaju da je to rizičan potez i da nuklearna energija

još nije doživjela afirmaciju kao standardan izvor energije jer je kao takav potencijalno opasan

zbog radioaktivnog zračenja. Međutim uviđaju se mnoge činjenice prednosti korištenja

nuklearne energije umjesto prirodnih energenata.

Za godišnji rad elektrane od 1000 MW potrebno je 2,3 milijuna tona ugljena za termoelektranu

na ugljen, 1,4 milijuna tona nafte za termoelektranu na naftu, 1,1 milijuna tona prirodnog plina

za termoelektranu na prirodni plin, a za nuklearnu elektranu 30 tona nuklearnog goriva za

proizvodnju u nuklearnoj elektrani s termičkim reaktorom.

Problem nuklearnih elektrana kao proizvođača električne energije i koje sve posljedice ima za

okoliš i za same ljude. Zbog potencijalnih opasnosti kvarova u nuklearnim elektranama i

izbijanja tragedija s dugoročnim posljedicama visokog inteziteta radioaktivnog zračenja( kao u

Černobilu ) čovječanstvo se pribojava daljnjem nastavku gradnji i masovnom iskorištenju

nuklearne energije.

Danas se nuklearne počinju sve više graditi, primjerice trenutno najviše u Finskoj. U Europi

samo Francuska nije prekidala svoj energetski program zasnovan na nuklearnim elektranama.

Rusija i Ukrajina imaju u izgradnji nekoliko novih reaktora. U sljedećem desetljeću gradnju

nuklearnih elektrana predvodit će zemlje Istočne Azije poput Japana i Južne Koreje.

15

5. LITERATURA

[1] Prof.dr. sc. Z. Prelec: “INŽENJERSVO ZAŠTITE OKOLIŠA”

[2] A. Šabović, J. Isabegović, A. Okić: “Obrada i model konačnog odlaganja otpada”

[3] Tehnički institut Bijeljina, Arhiv za tehničke nauke. Godina III – br. 4.

[4] https://hr.wikipedia.org/wiki/Radioaktivni_otpad

[5] http://eskola.hfd.hr/fiz_sva_stva/nek/nacinrad.html

[6] http://www.izvorienergije.com/prirodni_plin.html

16