2011. ENERGIJA I OKRUŽENJE SKRIPTA D. D. ŠTRBAC, B. D. GVOZDENAC, Z. D. MIROSAVLJEVIĆ

Transcript

1 2011. ENERGIJA I OKRUŽENJE SKRIPTA D. D. ŠTRBAC, B. D. GVOZDENAC, Z. D. MIROSAVLJEVIĆ

2 SADRŽAJ 1. FORMIRANJE ENERGETSKIH BILANSA Zakon održanja energije i energetski bilansi Planetarni i lokalni bilansi Globalna klima Globalno zagrevanje POJAM ENERGIJE I ENERGIJSKI RESURSI Pojam i vrste energije Energetski resursi Fosilna goriva Ugalj Rezerve uglja Nafta Osobine i sastav nafte Prerada nafte Rafinacija nafte Destilacija sirove nafte Prirodni gas i rafinerijski gas Zagañenje okoline rafinerija Uticaj rafinerija nafte na aerozagañenje Zagañenje vodotoka ULOGA ENERGIJE U FUNKCIONISANJU DRUŠTVENIH, BIOLOŠKIH I INDUSTRIJSKIH SISTEMA Uloga energije u funkcionisanju društva Ciljevi i mere razvojne energetske politike Energija potrebna za proizvodnju energije Populacija i energija Energetska politika i strategija Prioriteti u razvoju energetike u zemljama u tranziciji Prioriteti energetskog razvoja kroz faze Energetska snabdevenost Energetska zavisnost Uvoz i izvoz energije Energetska politika u Srbiji Energetska zavisnost Srbije Energetska postrojenja u industriji Energetski sistemi u industriji Električna energija u industriji Kotlovsko postrojenje Turbine

3 Parni sistem Komprimovan vazduh Rashladni sistem Kogeneracija ELEKTRANE Termoelektrane Princip rada termoelektrane Kogeneracija Stanje u Srbiji Uticaj termoelektrana na životnu sredinu Hidroelektrane Tipovi hidroelektrana Uticaj hidroelektrana na okolinu Nuklearna postrojenja Radioaktivni raspad Nuklearna energija Primena nuklearne energije i radioaktivnih izotopa, posledice i zaštita Ekstrakcija urana iz ruda i priprema nuklearnog goriva Kontrolisana fisija Rasipanje neutrona, transformacija i fisija jezgra Moderatori nuklearne reakcije Regulacija lančanih reakcija apsorpcijom neutrona Nuklearno punjenje reaktora Nuklearni reaktori Pouzdanost opisanih vrsta nuklearnih reaktora Izvori radioaktivnog zračenja i načini zaštite Zaštita od mogućnosti izlaska radioaktivnih supstancija iz reaktora Gorivi elementi i šipke sa nuklearnim gorivom Reaktorski sud Čišćenje zagañene vode i gasa Sigurnosni sud Rad sistema za hlañenje u slučaju opasnosti RADIOAKTIVNI OTPAD Vrste RAO (radioaktivnog otpada) Nisko aktivni otpad Srednje aktivni otpad Visoko aktivni otpad Prečišćavanje srednje- i niskoaktivnih rastvora Posledice rada nuklearnih postrojenja po biosferu i čoveka Detekcija radioaktivnog zračenja Jonizaciona komora Gajger-Milerov brojač

4 Scintilacioni brojač Wilsonova komora Akcidenti u nuklearnim postrojenjima Najpoznatiji akcidenti u nuklearnim reaktorima ENERGETSKA EFIKASNOST U GRAðEVINARSTVU Modeli energetske efikasnosti Niskoenergetske zgrade Bezenergetske zgrade Pasivne zgrade Zgrade koje proizvode energiju Ekološka naselja Energetski-efikasno obnavljanje Performanse u toku životnog ciklusa Smanjenja potrošnje energije pri projektovanju objekata O tehnologiji Oblast primene Mehanizmi očuvanja energije Prednosti projektovanja smanjenja potrošnje energije u grañevinarstvu Tipovi objekata Stambene zgrade Male nestambene zgrade Poslovne zgrade Sudovi Bolnice Laboratorije Skladišta/prenošenje/popravka Kampusi Integracija koncepta smanjenja potrošnje energije u projektantski proces Uštede energije Ostali uticaji Studije slučaja Budućnost tehnologije Razvoj tehnologije Tehnološke perspektive Resursi RAČUNSKI ZADACI Sagorevanje Zakon održanja mase, nuklearne reakcije, fuzija i fisija Atomska jezgra LITERATURA

5 1. FORMIRANJE ENERGETSKIH BILANSA 1.1. Zakon održanja energije i energetski bilansi Kompletna energetika se zasniva na transformacijama različitih vidova energije. Pri tome važi da je E=const., odnosno važi zakon održanja energije, koji tvrdi da u sistemu u kome je masa stalna energija se ne može ni generisati ni uništiti, već sam može preći iz jednog oblika u drugi. Transformacija energije se u industriji i energetskim postrojenjima odvija posredstvom mašina (toplotnih, električnih, nuklearnih ) uz vršenje rada, bilo onog koji se vrši nad sistemom, bilo onog koji sistem vrši, dakle u komunikaciji sistema i okoline. Mogućnost transformacije i procesi vezani za komunikaciju sistema i okoline opisani su I i II principom termodinamike. Formiranje energetskih bilansa podrazumeva specifičnu ststistiku, koja za cilj ima jednostavno i pregledno prikazivanje izvora energije, energetske transformacije, energetske tokove, gubitke energije, odavanje energije, odnosno sve ono što opisuje energiju u toku odigravanja procesa koji se želi prikazati. Energetski bilans treba da obezbedi jednostavno odreñivanje svih bitnih veličina, odnosno karakteristika posmatranog sistema Planetarni i lokalni bilansi Čovekova aktivnost ima velik uticaj na delikatan bilans izmeñu količine sunčeve toplote, koja dospe do površine Zemlje i toplote koja se izrači nazad u svemir. Da bi se shvatio kakav je uticaj čovekove aktivnost na globalno prenošenje toplote, mora se prethodno poznavati unutrašnji mehanizam funkcionisanja klimatskog sistema Zemlje. Na Zemlji postoji život zbog odgovarajućeg rastojanja od Sunca i sastava atmosfere. Ipak, naša klima se može menjati i na taj način zapretiti da ugrozi stanje ravnoteže na Zemlji Globalna klima Pod globalnom klimom se podrazumeva stanje klimatskih faktora odreñenih za celu površinu Zemlje i usrednjenih u dugačkim vremenskim intervalima. Od svih klimatskih faktora smatra se da je globalna prosečna temperatura faktor koji je najbolji za raćenje promena klime i predviñanje budućih klimatskih promena, jer je ona najstabilniji klimatski parametar. Period veremena po kojem se vrši usrednjavanje obično je decenija ili duži vremenski interval. Tipično je da se temperatura vazduha na površini Zemlje menja za oko 20 C izmeñu dana i noći u nekoj posmatranoj oblasti. Usrednjavanjem po celoj površini Zemaljske kugle zapravo se eliminiše ova razlika, budući da je uvek isti procentualni deo Zemlje izložen u datom trenutku zračenju Sunca. Jednostavnije rečeno na jednoj polovini planete je dan, kada je na drugoj polovini noć, tako da se efekti smene dana i noći u ovakvom usrednjavanju praktično poništavaju. Prosečna globalna temperatura je stoga dobar reprezent ukupne sunčeve energije koja se apsorbuje od strane Zemlje. 4

6 Atmosfera, zemljišta i okeani imaju ogromni toplotni kapacitet, odnosno mogu da deponuju velike količine energije. Iz tog razloga prosečna temperatura na Zemlji se održava i pored fluktuacija u količini energije koja dolazi do Zemlje ili fluktuacijama gubitaka energije. Ove fluktuacije posledica su Različitih uslova u Zemljinoj atmosferi, kretanja velikih vazdušnih masa, pojave oblaka i padavina. Klimatska istraživanja bave se globalnom ravnotežom energije. Izvor energije na Zemlji je Sunce. Apsorpcija solarne energije od strane Sunca, protok energije kroz tokove na Zemlji, kao i vraćanje energije u svemir su procesi koji obuhvataju globalni transfer energije. Istraživanja klime danas su zapravo usmerena na globalni bilans energije. Izvor energije na Zemlji je Sunce. Sunce transfomiše energiju jezgara od kojih je sastavljeno, u procesima nuklearne fuzije. Fuzija je proces spajanja lakših jezgara u teža, pri čemu se oslobaña velika količina energije. Osnovni proces fuzije koji se dešava na suncu jeste fuzija jezgara vodonika u jezgra helijuma. Ono što se pri razmatranju globalne klime podrazumeva jeste apsorpcija sunčeve energije od strane Zemlje, protok energije kroz sisteme na Zemlji i emisija energije Zemlje nazad u svemir. Meñutim postoji veliki broj faktora koji utiču na transfere energije kako na lokalnom, tako i na globalnom nivou Globalno zagrevanje Zemljina atmosfera prirodno funkcioniše kao staklena bašta. Ova pojava je posledica različite talasne dužine zračenja koje se apsorbuje i koje potiče od Sunca i ezračenja koje odaje Zemlja. To omogućava postojanje optimalne temperature za život na Zemlji, odnosno zadržavanje potrebne količine toplote za funkcionisanje sistema u okviru životne sredine. Pojava koja se naziva globalno zagrevanje predstavlja narušavanje prirodne ravnoteže i zadržavanje veće količine toplote u Zemljinoj atmosferi, što za posledicu ima povećanje prosečne temperature na Zemlji. Uzrok ovoj pojavi su različiti gasovi, koji imaju sposobnost propuštanja talasnih dužina koje dolaze na Zemlju sa Sunca i zadržavanja zračenja koje se emituje sa Zemlje. Ovakvi gasovi su: 1. Ugljen-dioksid (CO 2 ) 2. Metan (CH 4 ) 3. Azotni oksidi 4. CFC Naučnici smatraju da udvostručavanje koncentracije ugljen-dioksida dovodi do povećanja prosečne temperature na Zemlji od 0.6 C do 2.5 C i da će se dalje povećanje temperature više osetiti na kopnu nego na okeanu. To će dalje dovesti do topljenja glečera i delova oblasti večitog leda, što će uzrokovati povećanje nivoa mora. Na slici 1.1. dat je grafički prikaz predviñanja povećanja temperature na Zemlji. 5

7 Slika 1.1. Predviñanja o promenama temperature u narednih 100 godina. Izvor: IPCC Third Assessment Report (2001) 2. POJAM ENERGIJE I ENERGIJSKI RESURSI 2.1. Pojam i vrste energije Energija se definiše kao sposobnost nekog tela da vrši rad. Jedinica energije u SI je 1 Džul (J). Postoje različite vrste energije i svaka vrsta energije se u prisustvu materije može transformisati iz jednog oblika u drugi. Vrste energije, koje se javljaju u sistemima životne sredine su sledeće: 1. Hemijska energija, koju poseduju supstance u svojim atomima i molekulima i koja se oslobaña prilikom odvijanja hemijskih reakcija. 2. Električna energija, koju poseduju naelektrisana tela. 3. Kinetička energija, koju tela poseduju usled kretanja. 4. Toplotna energija, koju poseduje telo usled kretanja njegovih atoma i molekula (ona je zapravo jedan oblik kinetičke energije). 5. Potencijalna energija, koju telo poseduje usled svog položaja u odnosu na neko drugo telo. 6. Nuklearna energija, koja se nalazi u jezgima atoma. Svi oblici energije se mogu podeli na prirodne i korisne oblike energije. Kao prirodni oblici energije mogu se javiti: 6

8 Energija Sunčevog zračenja Energija goriva Energija hrane Energija vodotokova Energija vetra Energija morskih struja i talasa Energija plime i oseke Energija nuklearnih goriva Energija termalnih izvora Geotermalna energija Energija vulkana Oblici energije koji koriste potrošači nazivaju se korisni oblici energije. To su: Toplotna energija Mehanička energija Električna energija energija Svetlosna energija Prirodni oblici energije se vrlo retko mogu koristiti bez posebnih transformacija kao korisni oblici energije, a često se dešava da se transformacija jednog oblika energije u drugi mora izvršiti više puta da bi se dobio korisan oblik energije. Direktno se mogu koristiti samo Sunčeva toplota, toplota termalnih izvora i geotermalna toplota, dok se svi ostali oblici energije mogu koristiti tek posle transformacije. Budući da su prirodni oblici energije meñusobno različiti biće različiti i načini njihove transformacije u korisne oblike energije. Najčešći rezultat tih transformacija je električna energija (koja se dalje pretvara u korisne oblike) ili mehanička energija kao koristan oblik energije. Koa što je već rečeno, transformacije energije u okviru nekog sistema odreñene su pomoću prva dva zakona termodinamike. I zakon termodinamike: U sistemu u kome je masa stalna, energija se ne može ni stvoriti ni uništiti; ona se može samo transformisati iz jednog oblika u drugi. II zakon termodinamike: Ukupna dovedena energija nekom sistemu troši se na izvršeni rad i povećanje unutrašnje energije sistema. Moguće je odrediti energijske bilanse za mnoge, pogotovo sisteme u životnoj sredini. Proučavanje načina na koji neki sistem dobija, deponuje, koristi i otpušta energiju, daje mnogo informacija o tome kako posmatrani sistem funkcioniše i kako su komponente sistema meñusobno povezane. Odreñivanje kako se u konkretnom sistemu menja energija u toku vremena, predstavlja važan korak u odreñivanju stabilnosti i promena datog sistema. 7

9 2.2. Energetski resursi Fosilna goriva Fosilna goriva su, ako se uzme u obzir njihova upotrebljivost sa stanovišta čoveka, verovatno najvredniji resurs na planeti. Moderno društvo bi bilo nemoguće zamisliti bez fosilnih goriva, jer ono zavisi od nijh kao glavnih izvora energije. Fosilna goriva spadaju u neobnovljive izvore energije, zato što ih čovek troši mnogo brže nego što se ona prirodno formiraju i nema sumnje da će jednog dana ove vrste goriva nestati. Zamena za fosilna goriva i alternativni izvori energije se svakodnevno traže i razvijaju. Ovo predstavlja jedan od najurgentnijih zadataka, jer se alternativa za fosilna goriva mora pronaći pre no što fosilnih goriva nestane, ili čak pre no što fosilna goriva budu postojala u toliko maloj količini da će njihova cena biti izuzetno visoka, a fosilna goriva samim tim ne budu više glavni izvor energije. Najvažnija fosilna goriva su: Ugalj Nafta Prirodni gas Fosilna goriva nastaju razlaganjem i sjedinjavanjem ostataka biljaka, koje su živele pre oko milijardu godina. Ona su poznata i kao karbonska ili hidrokarbonska goriva, jer su bazirana na organskim elementima, uz sadržaj ugljenika i vodonika. Upotrebom fosilnih goriva uzrokuju se problemi u okviru životne sredine, od kojih su neki veoma značajni i resprostranjeni i sa pravom se mogu smatrati problemima svetskih razmera Ugalj Ugalj obuhvata tri osnovne podvrste: mrke ugljeve kameni ugalj antracit Mrki ugljevi su postali ugljenisanjem biljaka ispod zemlje pod pritiskom i bez dovoljno kiseonika i predstavljaju smešu huminskih kiselina, njihovih soli, anhidrida kiselina i bitumena. Mrki ugljevi se dele prema ishodnoj materiji na: humusne sapropel voštane mrke ugljeve. Humusni ugljevi su nastali raspadanjem biljnih materija u toku procesa ugljenisanja. U humusne ugljeve spadaju ligniti, obični mrki ugljevi, zemljasti mrki ugljevi i sjajni mrki ugljevi. Sapropel ugljevi nastali su transformacijom organskog mulja i dele se na listasti mrki ugalj, glibne mrke ugljeve i gagate. 8

10 Voštani mrki ugljevi nastali su iz smolastih i voštanih materija, koje su bile sadržane u biljkama koje su ishodne materije ugljeva. Ovi ugljevi se dele na humusno-voštane mrke ugljeve i piropizite. Kameni ugljevi su najbolja i najstarija vrsta ugljeva. Kameni ugalj nosi ovaj naziv zbog spoljašnjeg izgleda. Delimo ga na nekoliko podvrsta s obzirom na sadržaj isparljivih materija i osobine koksovanja. Prema sadržaju ugljenika možemo podeliti kamene ugljeve na: Suvi ugalj - 75% do 80% C Masni ugalj - 80% do 90% C Mršavi ugalj - 90% do 93% C Antracit - 93% do 95% C Suvi kameni ugljevi nazivaju se još i peščani. Oni su geološki najmlañi, pa imaju najviše isparljivih materija. Koks ovih ugljeva je mek. Dugoplameni ugalj je vrsta suvog kamenog uglja, koji se upotrebljava za potpalu generatora, keramičke peći, simensove peći, gasogeneratore i u svim granama industrije gde se traži dugačak plamen. Masni kameni ugljevi imaju veliki sadržaj ugljenika u isparljivim materijama. Koks ovih ugljeva je čvrst i kvalitetan. Ovi ugljevi obuhvataju: masne dugoplamene ili gasne ugljeve, kratkoplamene ili koksne ugljeve, masne kovačke, polumasne i posne ugljeve. Dugoplameni ili gasni ugalj služi za proizvodnju svetlećeg gasa i pri tome daje 60% koksa, koji se upotrebljava kao gorivo u domaćinstvima, u industriji stakla, ciglarskim pećima i u gasogeneratorima. Koks dobijen od ovog uglja je srednje tvrdoće. Kratkoplameni ili koksni ugljevi sporo sagorevaju, imaju veliku sposobnost proizvodnje pare. Upotrebljavaju se u domaćinstvu, u industrijama gde je potreban nagli porast proizvodnje pare (šećerane). Ovi ugljevi daju preko 75% koksa. Boja im je svetlo crna. Kovački masni ugljevi služe kao gorivo za kovačke vatre, za proizvodnju metalurškog koksa, u industriji stakla, hemijskoj industriji, rafinerijama nafte itd. Polumasni dobro sagorevaju, daju dugotrajan plamen, proizvodeći veliku količinu toplote. Upotrebljavaju se za parne kotlove i u domaćinstvu. Posni gore bez dima. Upotrebljavaju se za ložišta sa jakom promajom, na lokomotivama i brodovima. Ovi ugljevi se mešaju sa kamenim ugljevima, a upotrebljavaju se i samostalno za loženje u domaćinstvu. Mršavi, antracitni ugljevi gore sa prilično kratkim plamenom. Upotrebljavaju se uglavnom u kombinaciji sa drugim ugljevima i to tamo gde je potrebno sporo i dugotrajno zagrevanje. Antracit spada u kamene ugljeve no s obzirom na njegova specifične osobine moguće ga je i odvojeno posmatrati kao posebnu vrstu uglja. On predstavlja kompaktnu organsku 9

11 stenu, crno sjajne boje i velike tvrdoće. Vrlo su otporni prema hemijskim agensima. Pale se teško i gore slabim plavkastim plamenom. Kada se razgore daju vrlo visoke temperature, koje mogu biti štetne za kotao, radi čega se mešaju sa slabijim ugljevima Rezerve uglja Ugalj je po svojim rezervama najznačajnije fosilno gorivo, jer ga ima u mnogo većim količinama od nafte i prirodnog gasa. Od ukupne količine uglja na Zemlji 48% se nalazi na području bivšeg Sovjetskog Saveza, Istočne Evrope i Kine. 9% rezervi se nalazi na području Zapadne Evrope, 6% na području Afrike, 26% na području Severne Amerike i 9% na području Australije i Azije. Procenjuje se da su zalihe uglja dovoljne za planiranu potrošnju u narednih 500 godina, ali će ove zalihe biti mnogo brže istrošene ako se velike količine uglja budu trošile za dobijanje sintetičkih ulja, koja bi bila zamena za naftu. Iskopavanje uglja ima mnogo uticaja na životnu sredinu. U pogledu produkata sagorevanja ugalj je najprljavije fosilno gorivo i negovo sagorevanje daje veliki deo gasova, koji su odgovorni za efekat staklene bašte i sumpor-dioksida, koji je odgovoran za nastajanje kiselih kiša. Na slici 2.1. prikazana je raspodela svetskih rezervi uglja Nafta Slika 2.1. Raspodela svetskih rezervi uglja Od svih mineralnih sirovina nafta i gas spadaju u grupu sirovina koje po prirodi svog nastajanja i fizičko-hemijskih karakteristika imaju značajan uticaj na čovekovu okolinu. Akumulacije nafte i gasa nalaze se pod zemljom kontinentalnog dela i u podzemlju ispod mora. 10

12 U procesu istraživanja mogu nastati slobodne erupcije fluida (nafta, srirodni gas, gasoviti ugljovodonici, ugljenmonoksid, sumpordioksid, slana voda i sl.). Izliveni gasovi i tečni fluidi imaju uticaja na okolinu, jer zagañuju zemlju, vazduh, vodu, te ugrožavju biljni životinjskr svet. Stalno prisustvo sumpordioksida (SO 2 ) i ugljendioksida (CO 2 ) u manjim ili većim količinama uz visoke pritiske i prisustvo slane vode čine sredinu agresivnom. Zbog toga se koriste posebne mere zaštite i specijalni konstrukcioni materijali. Prilikom eksploatacije nafte dolazi do zagañivanja vazduha, jer su vrlo često u produktima sagorevanja gasa u bakljama prisutni CO 2 i H 2 S. Veoma često dolazi do zagañenja vode ukoliko se proizvedena voda zajedno sa naftom nekontrolisano ispušta u vodotoke. Nalazišta nafte, u manjim ili većim količinama, su vrlo dobro rasprostranjena na svim delovima naše planete. Izmešana sa naslagama soli, nafta često izbija slobodno na površinu ili se probija kroz pukotine stena. Gasovi koji se razvijaju iz nafte su pod velikim pritiskom, te pri bušenju nafta izbija u vrlo jakim mlazevima. Nafta se nalazi na raznim dubinama, a može je biti i u više slojeva, koji se nalaze jedan iznad drugog. Današnje bušotine nafte prelaze i 5000m dubine. Nafta je danas primarno fosilno gorivo u svetu i poznate rezerve nafte se brzo iscrpljuju. Sirova nafta, gusta zeleno-braon zapaljiva tečnost, nalazi se u zemlji i koristi se za dobijanje čitavog niza vrednih proizvoda-derivata nafte. U naftne derivate ubrajaju se: benzini, kerozini, dizel goriva, mazuti, ulja, maziva itd. Sama sirova nafta, tj. nafta dobijena neposredno iz zemlje retko se upotrebljava kao gorivo. Prerada sirove nafte deli se uglavnom na tri postupka: Čišćenje nafte od nečistoća i vode Prerada nafte i njenih produkata Rafiniranje ( prečišćavanja gotovih produkata) U preradu nafte i njenih produkata spadaju procesi: destilacije, krekovanja, pirolize, hidriranja i polimerizacije. Proces prerade nafte, kojim se dolazi do ovih proizvoda vrši se u postrojenjima, koja se nazivaju rafinerije. Oko dve trećine poznatih rezervi svetske nafte, koju je isplativo iskoristiti, nalazi se na podrućju Bliskog Istoka. Procena je da će do sada poznate količine raspoložive nafte, uz upotrebu trenutno raspoložive tehnologije, biti iscrpene za oko 80 godina, pa se zbog toga očekuje postepen pad ukupne proizvodnje nafte u svetu, počev od godine. Od 1970 nove tehnologije su omogućile eksploataciju sa naftnih polja, kojase nalaze na dnu mora (oblast Severnog mora), kao i iz oblasti pod večitim ledom na severu Aljaske. Najveće nalazište nafte na području zapadne Evrope nalazi se na području Dorseta, u Engleskoj, 1973 i od tada se koristi, iako se u toj oblasti nalazi i najznačajniji prirodni rezervat u U.K. Na slici 2.2. su prikazane svetske rezerve nafte. 11

13 Slika 2.2. Svetske rezerve nafte. Eksploatacija i korišćenje nafte ima mnoge posledice po životnu okolinu. Sagorevanje benzina predstavlja jedan od osnovnih izvora zagañenja vazduha, a transportovanje nafte, koje se uvek vrši velikim tankerima, morskim putevima, uzrokovalo je nekoliko najvećih ekoloških katastrofa. Najpoznatiji primeri izlivanja nafte u more su izlivanje u jugozapadnoj Engleskoj, u oblastima Aljaske i u okolini severne Škotske. Nafta se, u celini gledano, slabo rastvara u vodi. Možese smatrati da nafta i voda obrazuju uzajamno nerastvorne i nemešljive tečnosti. Iz tog razloga, prilikom izlivanja nafte, dolazi do formiranja naftne mrlje, koja predstavlja najprisutniji oblik nalaženja nafte kao zagañujuće supstance. Naftne mrlje se nikada ne razlivaju do monomolekulskog sloja. Eksperimentalno je utvrñeno da je minimalna debljina ove specifične naftne opne 0.15µm. Rasprostinjanje naftne mrlje po površini okeana odvija se pomoću dva procesa. prvi je prenos mrlje kao celine, dejstvom vetra, morskih struja i površinskih talasa. Drugi je njeno razlivanje po mirnoj površini, što dovodi do povećanja površine mrlje, srazmerno vremenu proteklom od izlivanja Osobine i sastav nafte Osobine sirove nafte (kako fizičke tako i hemijske) variraju zavisno od izvorišta. Nafta i njeni derivati sastoje se uglavnom od ugljovodonika (90%-95%), dok ostatak (5%- 10%) čine jedinjenja sumpora, azota i nekih metala. Ugljovodonici koji ulaze u sastav nafte mogu biti zasićeni, kao što su: parafin i naften, ili nezasićeni, kao: olefin, diolefin i aromat. U pojedinim vrstama nafte preovlañuje jedna od ovih grupa ugljovodonika, koja je onda osnova te nafte.u sirovoj nafti su obično prisutne i naftenske kiseline, kompleksna azotna jedinjenja, merkaptani-sumporna jedinjenja, smolaste i bitumenske supstance. 12

14 Količina pojedinih jedinjenja prisutnih u sirovoj nafti zavisi od izvorišta nafte, te se njihovo prisustvo korisit kao osnova za klasifikaciju sirove nafte na: parafinsku, mešanu i bitumensku. Sirova nafta može sadržavati pored rastvorenih gasova i rastvorene čvrste materije i koloidne suspenzije. Prema jednoj od definicija, prema standardu ASTM-288 to je prirodna smeša u kojoj preovladavaju ugljovodonici i to jedinjenja sumpora, azota i/ili kiseonika, koja se izdvaja iz dubine zemlje u tečnom stanju. Sirovu naftu prate obično i različite količine supstanci kao što su voda, neorganske supstance i gasovi. Uobičajeni sastav sirove nafte prikazan je u Tabeli 2.1. Tabela 2.1. Sastav sirove nafte u težinskim procentima: Ugljenik, C 83,9-86,8% Vodonik H 11,4-14,0% Sumpor, S 0,06-8,00% Azot, N 0,11-1,70% Kiseonik, O 0,5% Metali (Fe, Ni, V, i dr.) 0,03% Prerada nafte Smatra se da je prerada nafte počela godine sa Drejkovim otkrićem. Intenzivnija eksploatacija nafte je počela u periodu I svetskog rata na nekoliko naftnih polja, a svoj puni razvoj doživljava nakon II svetskog rata i u sedamdesetim godinama 20. veka. U naftnom izvorištu su prisutna sva tri fluida koji su rasporeñeni prema veličini specifične težine i to: zona gasa, naftna zona i zona vode. U fazi prerade nafte iz bušotine odvija se proces degradacije i dehidracije. U prvoj operaciji dolazi do oslobañanja gasa, gde se odvajaju manje isparljive komponente i gas šalje za komercijalnu upotrebu, a odvojene tečne komponente predstavljaju benzin. Druga operacija se odvija u svrhu eliminacije vode, kao i neorganskih soli koje su rastvorljive u vodi, koje u slučaju da ostanu u nafti uzrokuju ozbiljne korozione probleme u toku procesa rafinacije. Preradom nafte u rafinerijama dobiva se širok spektar naftnih goriva, maziva, ulja, bitumena i voskova. Sirova nafta se može preraditi na više načina a rafinacijom se dobijaju proizvodi na najekonomičniji način. Sirova nafta jednostavno sagoreva i može se postaviti pitanje zašto se kao takva ne koristi bez dodatnog troška za rafinaciju. Za to postoje četiri razloga: Benzinski motor radi na specijalno rafinisano gorivo i ne ide na naftni pogon. Gotovo sve sirove nafte sadrže ugljovodonike niske tačke isparavanja što uslovljava njihovu zapaljivost koja otežava čuvanje i rukovanje. Sve zemlje imaju zakone koji regulišu transport nafte, prijem i skladišta za naftu. Restrikcija prema pomenutim zakonima ne obuhvata nafte koje imaju tačku zapaljenja iznad 65 C, a ta tačka se postiže uklanjanjem isparljivih materija. Sirove nafte toliko variraju u osobinama da bi bez procesa rafinacije bilo nemoguće da se dobije gorivo željenog kvaliteta. 13

15 Rafinacija nafte Prerada sirove nafte se vrši u rafinerijama i to manjim, kapaciteta oko t/dan. Većina rafinerija primaju sirovu naftu tankerima, morem ili cevovodima. Komercijalni tankeri za prevoz nafte imaju kapacitet do tona. Rafinerije se odlikuju po broju i kompleksnosti procesa koje obuhvataju, kao i produkata koje proizvode. Jednostavne rafinerije proizvode benzin, dizel gorivo i teško gorivo. Sirova nafta se destiluje u gasovite ugljovodonike koji se spaljuju u rafinacijsko gorivo, benzin, naftu, dizel gorivo i teško gorivo Destilacija sirove nafte Sirova nafta se sastoji od mešavine ugljovodonika. U destilacionim kolonama se vrši razdvajanje pojedinih frakcija na različitim temperaturama. Na temperaturama C izdvaja se benzinska frakcija, koja predstavlja smešu ugljovodonika sa 4-12 ugljenikovih atoma. Ugljovodonici koji su sadržani u benzinu su parafini, olefini i aromati. Primarna separacija frakcija iz sirove nafte se izvodi kontinualnom destilacijom na atmosferskom pritisku. Na slici 2.3. dat je prikaz jednostepene destilacije sirove nafte i produkata destilacije. Na temperaturama od C se izdvaja kerozinska frakcija, a u opsegu temperatura C gasno ulje i na temperaturama preko 340 C se izdvaja destilatno gorivo i ostatak. Pored jednostepene destilacije postoje trostepena postrojenja sa poboljšanim odvajanjem frakcija. Primenom vakuum-destilacije izdvajaju se frakcije i sa tačkama ključanja do 550 C na atmosferskom pritisku. Teški destilat se koristi kao osnov za dobijanje mazivih ulja, a ostatak za izradu bitumena, mazuta i u druge industrijske svrhe. Frakcije sirove nafte imaju primenu kao pogonsko gorivo tj. sagorevanjem u kotlovima proizvodi se toplota koja služi za proizvodnju pare i vrele vode i, daljim transformacijama, električne energije. Kotlovi koji koriste tečna goriva su čelične konstrukcije kao i kotlovi na ugalj s tim što je rešenje ložišta podešeno za tečno gorivo. Tečno gorivo se raspršuje u ložištu pomoću gorionika i sagoreva sa vazduhom. U pogledu zagadenja okoline ovi kotlovi imaju prednost u odnosu na kotlove na čvrsta goriva. 14

16 Slika 2.3. Jednostepena destilacija sirove nafte, Izvor: M. ðonlagić: Energija i okolina Slika 2.4. Blok-šema jednostavne rafinerije, Izvor: M. ðonlagić: Energija i okolina 15

17 Benzinska frakcija sa niskom tačkom isparavanja se podvrgava dodatnom hemijskom tretmanu. Frakcija nafte ima veoma nizak oktanski broj, do 40, u odnosu na potrebe tržišta koje iziskuju vrednost oktanskog broja od oko 90. Takva frakcija se podvrgava katalitičkoj reform-obradi i na taj način postigne oktanski broj oko 100. Ova frakcija se potom meša sa isparljivom benzinskom frakcijom i dobija benzin sa poželjnim sadržajem isparljivih sastojaka i sa visokom vriednošću oktanskog broja. Jednostavno postrojenje rafinerije se sastoji iz destilacione jedinice sirove nafte, jedinice za omekšavanje benzina i katalitičke reform-jedinice, kao što je prikazano na slici 2.4. Ovakve rafinerije imaju kapacitet prerade sirove nafte od 2000 do 4000 tona sirove nafte dnevno. Sledeći stepen prerade je jedinica za desulfuraciju dizel-goriva. Kod kompleksnijih rafinerija se vrši likverifikacija gasova propana, butana i kerozina. su: Veće, kompleksnije rafinerije imaju veći broj kompleksnih procesnih jedinica kao što vakuum destilacija za dobijanje teških destilata za katalitički kreking ili hidrokreking ili proizvodnju mazivih ulja i dobijanje ostataka za dalju destilaciju i dobijanje bitumena, hidrokreking jedinica za dizel-gorivo i gorivo sa niskim sadržajem sumpora, katalitički kreking za proizvodnju gasa za likverifikacija, olefinskih ugljovodonika i visoko čisti benzin, ekstrakcija rastvaračima za rafinaciju kerozina, postrojenje za vosak i odvajanje voska iz nafte i prečišćavanje voska. 16

18 Prirodni gas i rafinerijski gas Prirodni gas Prirodni gas predstavlja mešavinu gasova, koji se nalaze izmeñu slojeva zemljišta. On nastaje u procesu stvaranja nafte, te se često i nalazi uz nalazišta nafte. Najzastupljeniji gas u prirodnom gasu je metan CH 4, dok ostale primese čine CO 2, H, O i N. Prirodni gas se upotrebljava za dobijanje benzina i dobijanje tzv. tečnih gasova, kao što su: propan, butan, propilen i butilen, koji služe kao motorna goriva. Ova vrsta fosilnog goriva je veoma čisto i primenljivo gorivo, tako da čini veoma značajan izvor energije u nekim zemljama. Prmera radi, Sjedinjene Američke Države obezbeñuju trećinu ukupno potrebne energije iz prirodnog gasa. Najveće rezerve prirodnog gasa nalaze se u Severnoj Americi i Bliskom Istoku (oko 40%), kao i na prostorima bivšeg SSSR-a (takoñe oko 40%). Na slici 2.4. je data procentualna preraspodela svetskih rezervi prirodnog gasa. Slika 2.4. Preraspodela svetskih rezervi prirodnog gasa Prirodni gas je relativno čist i ima primenu u domaćinstvu kao i u industriji. Oko 33% primarne energije prirodnog gasa se koristi za proizvodnju elektroenergije u zemljama koje imaju na raspolaganju dovoljnu količinu gasa. Sastav prirodnog gasa koji se izdvaja sa eksploatacijom nafte ili nastaje u procesu prerade nafte varira, od čistog vodonika do ugljovodonika, koji su delimično u parnom stanju na sobnoj temperaturi i atmosferskom pritisku. Ovi gasovi nastaju eksploatacijom sirove nafte ili proizvodnjom gasovitih goriva u procesu prerade nafte ili naftinih derivata u rafinerijama. Ovi gasovi se nazivaju»prirodni gas«koji se dijeli na»suvi gas«i prateće rafinerijske gasove, propan i butan, što se obično naziva tečni petrolej gas (liquefied petroleum gas, LPG). Značaj prirodnog gasa kao goriva u domaćinstvu i industriji je veliki. Najveće rezerve prirodnog gasa su u Rusiji i Severnoj Americi. 17

19 Sastav suvog prirodnog gasa varira, ali preovladava sadržaj metana uz odreñenu količinu etana i azota, ugljendioksida, ponekad helijuma, a prateći rafinerijski gas sadrži znatne količine propana, butana i pentana, koje se moraju odstraniti iz gasa, jer bi u suprotnom došlo do stvaranja čvrstih hidratnih spojeva na niskim temperaturama. Druge nečistoće koje su prisutne u suvom i pratećem rafinerijskom gasu su ugljendioksid, vodonik-sulfid i vodena para. Procesom prečišćavanja uklanjaju se ove materije iz gasa. Pošto su nalazišta prirodnog gasa znatno udaljena od mesta potrošnje, došlo je do razvoja ureñaja za prenos gasa. Ovaj prenos se ostvaruje gasovodima pod pritiskom, a uz veoma razvijene kontrole protoka na radnim pritiscima. Ovakve mreže daljinskog transporta gasa su izvedene u Sjevernoj Americi, Rusiji, Zapadnoj i bivšoj Istočnoj Evropi. U posljednje vrieme se izvodi likverifikacija gasa i transport takvog tečnog prirodnog gasa (Liquefied Natural Gas - LNG) korištenjem tankera, železnice ili cisterni. Rafinerijski gasovi Prerada sirove nafte u rafineriji obuhvata primarnu destilaciju ugljo-vodonične smeše što rezultuje odvajanjem frakcija po broju C-atoma, isparljivosti, specifične gustine i drugih karakteristika. Najlakše isparljiva frakcija, koja sadrži većinu gasova koji su bili rastvoreni u sirovoj nafti, sastoji se iz ugljovodonika - od metana do butana - ili ponekada do izopentana. Ovakav gas varira u sastavu zavisno od porekla sirove nafte. Pored gasova dobijenih destilacijom sirove nafte, gasoviti produkti se dobijaju u daljem toku procesiranja nafte i srednjeg destilata u fazi proizvodnje benzina, kao i u procesu desulfuracije nafte i destilata. Gasni produkti se dobijaju u procesu daljnje termičke i kreking obrade gdje se dobijaju etilen, propilen, izobutan i dr. Ovako dobijen gas se mora prečistiti, što podrazumeva uklanjanje vodoniksulfida i merkaptana adeorpcijom u rastvaračima. Pored primene u domaćinstvu, gasovi iz rafinerije su našli široku primenu u hemijskoj industriji za proizvodnju amonijaka, metanola i sintetičkih ugljovodonika. Prednosti gasovitih goriva su sledeće: jednostavna kontrola sagorevanja u gorionicima brzo paljenje dobro mešanje goriva i oksidansa jednostavnost gorionika (nije neophodna pumpa za gorivo) čisti gasovi iz procesa sagorevanja Ovi gasovi se mogu spaljivati u velikom broju standardnih gasnih gorionika. Pogodne karakteristike sagorevanja kao i pogodnosti korišćenja gasova u odnosu na tečna goriva, kao što je čistoća kod sagorievanja, odsustvo rezervoara goriva i jeftina oprema za sagorevanje, imalo je za rezultat povećanje korišćenja ovih goriva Zagañenje okoline rafinerija Osnovni rizik za okolinu u blizini rafinerija je mogućnost izbijanja požara. Visoki troškovi postrojenja za proizvodnju nafte su uglavnom i zbog sigurnosne opreme i poštovanja restriktivnih zakonskih normi u cilju zaštite. Pored vatre postoji mogućnost pojave eksplozija. Svi ugljovodonici sa tačkom ključanja ispod 250 C postoje u gasovitom stanju i njihove pare u smeši sa vazduhom čine eksplozivne smeše u prisustvu izvora vatre ili varnice. Ovakve 18

20 incidentne situacije se sprečavaju podesnim sistemom ventilacije. U većini postrojenja nastaje i gas sumporvodonik (H 2 S) koji predstavlja osnovni izvor intoksikacije. Obično se koriste i automatski detektori prisutnosti vodoniksulfida kada njegova koncentracija premaši nivo od 10 ppm. Isto tako, pare ugljovodonika u nižim koncentracijama od potrebnih za stvaranje eksplozivne smeše uzrokuju toksikaciju. U procesu rafinerijske prerade nafte se ispuštaju odreñene materije u vazduh i vodene tokove, što uzrokuje zagañenje vazduha i vode. U većini zemalja je ispuštanje efluenata iz rafinerije zakonski regulirano. Sagorevanje teške nafte u rafinerijama rezultuje stvaranjem karakterističnog crnog dima koji ukazuje na nepotpuno sagorevanje. Rafinerijsko gorivo sadrži sumpor koji sagorevanjem prelazi u sumpordioksid i delom u sumportrioksid, odnosno anhidrid sumporne kiseline. Pošto je potrošnja rafinerijskog goriva velika stoga i ukupna količina sumpornih oksida dostiže iznose od nekoliko tona dnevno. Postoje postupci kojima se sumpor uklanja iz teškog goriva što u svakom slučaju poskupljuje cenu postrojenja. Ustanovljeno je da se povećanjem visine dimnjaka smanjuje koncentracija gasa na zemlji tako da su izvedeni obrasci kojima se izračunavaju optimalne visine dimnjaka s obzirom na sadržaj sumpora u gorivu i dozvoljena emisija sumpornih oksida. U procesu rafinerijske obrade sirove nafte nastaje i vodoniksulfid i merkaptani koji su karakteristični po neugodnom mirisu. U većim rafinerijama se dnevno proizvede i do 100 t/dan vodonik sulfida, koji se smatra opasnim otrovom. Velika pažnja se posvećuje sprečavanju curenja vodoniksulfida i merkaptana, a postoje i osetljivi ureñaji za detekciju i automatsko aktiviranje zaštitnih ureñaja. Danas značajan deo svetske proizvodnje sumpora potiče od prerade nafte. U nekim sirovim naftama se azot nalazi u obliku izocijanida ili izocijanata, čije količine u tragovima detektuje ljudsko čulo mirisa, a tragovi sulfidnih jedinjenja daju miris belog luka. Da bi se otklonili ovi nepoželjni efekti vrši se zaptivanje postrojenja, a kada se vrši ventilacija, prethodno se uklanjaju ove supstance Uticaj rafinerija nafte na aerozagañenje Emisija iz rafinerija nafte se najviše sastoji od ugljovodonika i sumpornog dioksida. Deo gasova proizvedenih za vreme rafinacije se spaljuje u bakljama, gde sagoreva 50-70% izduvnih gasova, dok se neizgoreni ugljovodonici ispuštaju u okolinu. Sumpomi dioksid nastaje u procesnim pećima i kotlovima u kojima se loži teško loživo ulje i rafinerijski gas. 19

21 2.5. Zagañenje vodotoka Zagañenje vodenih tokova zavisi od koncentracije efluenata i od brzine proticanja vodotoka. Voda ili efluenti iz rafinerije moraju biti bez sadržaja nafte (što znači ispod 20 ili 30 delova nafte na milion delova vode ili čak u nekim slučajevima 5 delova na milion delova vode). Ovakvi standardi podrazumevaju primenu skupih postrojenja za tretman efluenata. Otpadne hemikalije iz procesa rafinacije nisu toksične, već je glavni problem njihova brza oksidacija i oduzimanje kiseonika iz vode, što uslovljava umiranje životinjskog sveta. Smanjenje koncentracije kiseonika sprečava i bakterijsku oksidaciju otpadnih organskih materija, što predstavlja proces samoprečišćavanja. Rafinerijski efluenti moraju biti ohlañeni da ne podignu temperaturu recipijenta. Iz ovih razloga se rafinerijskim efluentima kontroliše temperatura, sadržaj nafte i biološki potreban kiseonik (BPK),, koji predstavlja meru do koje će opasti sadržaj kiseonika prijemom efluenta. Odvajanje nafte iz otpadne vode je neophodan proces u svakoj rafineriji i ta oprema predstavlja znatna ulaganja. Nafta je uvek prisutna u rafinerijskim efluentima i verovatnoća curenja nafte je uvek velika. Separatori nafte se koriste za izdvajanje pomoću hemijskih jedinjenja. Ukoliko efluent ima visoku vrednost biološki potrebnog kiseonika, neohodno je da se postavi postrojenje za tretman efluenta, što je slučaj kod prisustva fenola. 20

22 3. ULOGA ENERGIJE U FUNKCIONISANJU DRUŠTVENIH, BIOLOŠKIH I INDUSTRIJSKIH SISTEMA 3.1. Uloga energije u funkcionisanju društva Snabdeavanje energijom preduslov je napredka svakog društva, bilo u smislu privrednog napredka ili standarda stanovništva. Energetska privreda predstavlja značajnu granu privrede, koja je u stalnoj ekspanziji zbog neprestanog povećanja potreba za proizvodnjom energije. Nedovoljan razvoj energetike odnosno takoav razvoj koji ne prati potrebe celokupne potražnje energije, može predstavljati ozbiljan ograničavajući faktor razvoja privrede, dovesti do poremećaja u prizvodnji, pa samim tim i do znatnih gubitaka. Sa druge strane razvoj nauke i tehnike, kao i napredak tehnologije doveli su do mogućnosti korišćenja novih oblika energije, boljeg iskorišćenja konvencionalnih oblika energije, kao i manjh gubitaka prilikom procesa transformacije prirodnih vrsta energije u korisnu energiju. Izbor optimalne strukture eksploatacije prirodnih resursa i transformacije energije zavise od niza faktora. Na prvom mestu ona zavisi od prirodnih potencijala zemlje, od vrste prirodnih oblika energije sa kojima dato područje raspolaže i od oblika korisne energije za kojima postoji potreba. Značajan faktor predstavljaju i potrebna investiranja za ostvarivanje celokupnog procesa proizvodnje energije, kao i krajnja cena energije. Veliku ulogu ima i lokacija postrojenja za prizvodnju energije, kao i lokacija potrošača, koji impliciraju potrebne oblike transporta, odgovarajuće troškove i slično. Uticaj proizvodnje energije, eksploatacije prirodnih energetskih resursa, distribucija korisnih oblika energije do potrošača, kao i sama potrošnja energije imaju veliki uticaj i na životnu sredinu. Termičko opterećenje okoline, zagañenje atmosfere produktima sagorevanja iz energetkih postrojenja, menjanje karakteristika zemljišta, vodnih tokova i prirodnih ekosistema usled eksploatacije prirodnih resursa samo su neke od manifestacija ugrožavanja životne sredine Ciljevi i mere razvojne energetske politike Uopšteno bi se moglo reći da bi osnovni ciljevi energetske politike trebali biti: 1. Pokrivanje potreba za energijom 2. Sigurnost snabdevanja potrošača energijom 3. Postizanje minimalnih troškova 4. Usklañivanje razvoja energetike s razvojem ostale privrede 5. Unapreñivanje opšteg privrednog razvoja 6. Racionalna potrošnja i štednja energije Pokrivanje potreba za energijom može se jednostavno interpretirati kao preduslov rasta ukupne privrede. U današnjim uslovima industrijske proizvodnje i intenzivnog razvoja saobraćaja, nemoguće je zamisliti postojanje i normalno funkcionisanje života bez osiguranja dovoljnih i odgovarajućih količina energije. 21

23 Problem sigurnosti snabdevanja potrošača energijom je u uskoj vezi sa ciljevima podmirenja energetskih potreba i postizanju minimalnih troškova, a naročito je izražen kada je u pitanju snabdevanje potrošača električnom energijom. Povećanje sigurnosti snabdevanja potrošača energijom može se ostvariti povećanom izgradnjom termoelektrana ili kombinovanih elektro-energetskih sistema. Treba imati u vidu da najčešće nije optimalno izgraditi takav elektroenergetski sistem koji potrošačima obezbeñuje 100% sigurnosti isporuke električne energije. Naime, kada se postigne relativno visoka sigurnost u snabdevanju potrošača električnom energijom, dalje povećanje stepena sigurnosti zahteva velika finansijska ulaganja u izgradnju elektroenergetskih objekata, a stepen rasta sigurnosti je relativno mali. Smatra se da je najpovoljnija energetska struktura postignuta onda kada je ostvareno snabdevanje potrošača takvim prirodnim oblicima energije, kada postoje takve transformacije energije i takvi korisni oblici energije da su ukupni troškovi energije minimalni. U ukupne troškove energije pored troškova izgradnje energetskih postrojenja i proizvodnje korisnih oblika energije spadaju i troškovi transporta prirodnih oblika energije do postrojenja za transformaciju kao i troškovi transporta energije do potrošača. Lokacija postrojenja za proizvodnju korisnih oblika energije u mnogome zavisi od raspoloživosti prirodnim oblicima energije, njihovih nalazišta i područja potrošnje. Uvek se mora odabrati lokacija koja je tehnički moguća i ekonomski opravdana. Stalni porast potreba za energijom zahteva i stalno intenzivna ulaganja u energetsku privredu. Investicije u energetsku privredu čine znatan deo ukupnih privrednih investicija, a cene energije znatno utiču na cenu svih proizvoda, odnosno troškove proizvodnje praktički svih privrednih grana. Racionalna potrošnja i štednja energije logičan su cilj svakog društva, koji priozilazi iz poznavanja svih prethodno navedenih činjenica. Visoka cena energije kao prizvoda, velika ulaganja u energetska postrojenja i stalno povećanje potreba za energijom samo su neki od razloga za racionalnu potrošnju, a u sredinama kao što je naša gde je energetska privreda ima često veoma velikih poteškoća u snabdevanju potrošača potrebnim količinama energije, značaj racionalne potrošnje i štednje energije je još veći Energija potrebna za proizvodnju energije Kada se govori o energiji potrebnoj za proizvodnju energije najčešće se misli samo na neposrednu potrošnju energije u posmatranom procesu, odnosno smatra se da je u tom procesu utrošena energija jednaka potrošnji za pogon ureñaja i postrojenja koja vrše posmatranu eksploataciju. To znači da se posmatra samo neposredno utrošena energija za taj proces, što svakako ne daje realnu sliku o ukupno potrebnoj energiji za proizvodnju energije. Za realno sagledavanje i proračun»potrošnje energije za energiju«potrebno je u razmatranje uključiti: 1. Neposrednu potrošnju energije u samom procesu, 2. potrošnju energije za proizvodnju i transport energenata koji se u tom procesu upotrebljavaju, 3. energiju utrošenu za proizvodnju ureñaja, opreme i objekata koji se u tom procesu koriste, 4. energiju utrošenu za proizvodnju ureñaja s kojima su napravljeni oprema i ureñaji za posmatrani objekat. 22

24 Iz navedenog se može zaključiti da je izračunavanje ukupne potrebne energije za proizvodnju energije veoma kompleksan i obiman posao. Uobičajeno je da se veliki broj faktora koje bi trebalo uračunati zanemaruje radi pojednostavljenja samog postupka izračunavanja i uostalom nemogućnosti da se baš svaki utrošak energije za dati proces proizvodnje uzme u obzir. Iz tog razloga treba biti svestan da su u ovakvim proračunima uvek prisutne i zapravo neminovne izvesne greške, te da je svaki proračun zapravo procena Populacija i energija Jedan od osnovnih motiva, pri bavljenju problemima žs je odreñivanje održivog razvoja, odnosno odlučivanje o tome da li je»više uvek i bolje«.»more is always better«je zapravo princip koji najčešće favorizuju političari i ekonomisti, a koji ohrabruje donošenje odluka koje uvek uvažavaju samo aspekt ekonomskog rasta. Osnovni problem održivog razvoja sadrži se u tome da eksponencijalni rast tehnologije i populacije, čiji stepen rasta raste u toku vremena, nije praćen dovoljnom količinom dostupnih resursa kao ni produkcijom hrane. Pesimistički nastrojeni naučnici smatraju da će ovakav stepen rasta (naročito populacije i tehnologije), vrlo brzo dovesti do krajnje tačke održivosti, odnosno do granica rasta. Sa takvog stanovišta, čak i ne preduzimanje nikakvih mera u odnosu na postojeće probleme u žs, dovelo bi do kolapsa. Na slici 3.1. dat je grafički prikaz dosadašnjeg ponašanja relevantnih parametara, koji karakterišu životnu sredinu, kao i prognozu daljeg ponašanja i tačke u dvadeset i prvom veku, kada će nedostatak resursa dovesti do pada industrijske proizvodnje, ograničenog snabdevanja hranom i značajnog pada u brojnosti ljudske populacije usled zagañenja, bolesti i stresa. Pojedini naučnici smatraju da su postojeći resursi sasvim dovoljni za naredni vek i da je ovakav tempo eksploatacije održiv, uključujući i probleme povezane sa njihovom eksploatacijom (formiranje otpada, emisija polutanata, zauzimanje zemljišta). Ovakva teorija, naime predpostavlja da će rast populacije i razvitak tehnologije, pored svih negativnih efekata dovesti i do otkrića novih resursa, koji će biti obnovljivi i ekonomični. Slika 3.1. Granice rasta: Predviñanja o globalnoj populaciji, zagañenju i resursima 23

25 3.5. Energetska politika i strategija Savremen privredni razvoj uslovljen industrijalizacijom permanentno zahteva sve veću količinu energije. Poslednja decenija svetskog razvoja odvija se u znaku prelazak svetske ekonomije sa jeftine energije u stanje skupe energije. Saznanje o relativnoj ograničenosti i iscrpljenosti klasičnih energetskih izvora sa jedne strane i ograničene mogućnosti snabdevanja energijom iz obnovljivih izvora energije imali su dvostruki efekat na energetski i privredni razvoj, ali i na životnu sredinu. Ukazana je potreba hitnog iznalaženja izvora i tehnologija za efikasnije i potpunije korišćenje energije iz obnovljivih izvora. Potencira se mnogo i na samu štednju energije kao i na ekonomično i racionalno korišćenje energetskih izvora. Tako posmatrajući situaciju energija predstavlja jedan od ograničavajućih faktora privrednog razvoja. Danas se Zemlja i čovečanstvo nalaze u kritičnoj tački donošenja odluka o energetsko-ekološkoj politici koje treba da definiše i omoguće optimizaciju svih procesa, potrošnje energije i razvoja novih environmental friendly tehnologija koje će zajedničkim snagama minimizirati emisuju štednih gasova u atmosferu. Kako se kretao razvoj svetskog privrednog razvoja kretala se i energetika. Potrošnja energija je tokom 20 veka zabeležila visok rast koji se i dalje nastavlja, a to je uzrokovano: 1. Povećanjem broja stanovnika 2. Povećenjem kvaliteta i standarda života 3. Uticaja proizvodnje i potrošnje energije na životnu sredinu 4. Strukturnim promenama koje se dešavaju na svetskom energetskom tržistu Energetska politika je definisana kroz načela, ciljeve, zadatke, mere i instumente. Ona je povezana sa svim segmentima koji se tiču energije: istraživanje, dobijanja/proizvodnje, distribucije (transmisije) i korišćenja energije. Uspešnost ostvarenje ovog zadatka je moguća ukoliko se odredi jednistvena energetska politika države, čiji će ciljevi biti u skladu sa načelima globalne energetske politike. Opšti ciljevi energetske strategije: Sigurnost snabdevanja energijom Povećanje stepena energetske nezavisnosti države Maksimiziranje ekonomskih efekata Kontrola energetskih resursa Smanjenje potrošnje energije Zaštita životne sredine Razvijene države su razvile strateške i operativne planove korišćenja i upravljanja energijom. Ovakav pristup rezultuje: smanjenjem potrošnje energije, većem korišćenju energetski efikasnih tehnologija, smanjenjem štetnog uticaja na okolinu i drugih postavljenih ciljeva. Država koristi sledeće instrumente za intervenciju sprovoñenja usvojene energetske politike i to putem: 24

26 1. Zakonodavne regulative 2. Poreske politike 3. Sistema subvencija 4. Dotacija 5. Kredita 6. Edukacija stučnjaka 7. Informisanja javnosti 8. Drugim aktivnostima 3.6. Prioriteti u razvoju energetike u zemljama u tranziciji Zemlje u tranziciji prolaze kroz težak period u razvoju privrede. Sve zemlje teže profitabilonom tržišnom poslovanju. Za Srbiju je značajno na energetskom planu usklañivanje sa energetskom politikom Jugoistočne Evrope. Sličnosti energetske situacije Centralne i Istočne Evrope: Niska energetska efikasnost sektora proizvodnje prenosa i distribucije električne energije Visoka energetska intenzivnost na potrošačkom nivou Neodgovarajuće cene energenata Nizak nivo ponude zbog tehničkih i komercijalnih razloga Zavisnost od upotrebe uglja u proizvodnji električne energije Visok uticaj energetske proizvodnje i potrošnje na životnu sredinu Ključna pitanja energetske politike se ogledaju kroz: 1. Donošenje odluka u neizvesnim situacijama formiranje fleksibilnih strategija razvoja energetike da se država na nastale nove situacije može brzo prilagoditi 2. Promena tržišta- Zasnivaju se na dogovorima glavnih aktera koji vode ka boljoj proceni i eliminacije odrenenih rizika 3. Sigurnost Sve vlade čak i one koje favorizuju pristup nemešanja, neophodno je da nadgledaju tržišta energije u pogledu njegove sigurnosti 4. Razlike u ceni nafte i prirodnog gasa Urañena su različita studijska scenarija koja predviñaju ove promene. 5. Odnos cene prirodnog gasa i električne energije 6. Troškovi proizvodnje 7. Cena energije za proizvoñače 8. Tržišna konkurencija 9. Uloga energetskih kompanija Značajne promene koje su se kroz istoriju dešavaju na svetskom tržištu energije uslovile su potrebu za intenzivnim proučavanjem veka trajanja raspoloživih energetskih rezervi. Intenzivnim istraživanjem energetskih potencijala i razvojem novih tehnologija korišćenja energije ublažena su strahovanja o skoroj iscrpljenosti konvencijalnih energetskih sredstava. Još uvek je brži rast novopronañenih rezervi nego što je potrošnja. 25

27 3.7. Prioriteti energetskog razvoja kroz faze I FAZA Definisanje energetske politike kompanije i institucionalna organizacija Energetska strategija Separacija u odgovornosti Vlade - Politikom se bavi ministarstvo za rudarstvo i energetiku, regulacijom se bave nezavisne regulatorne agencije, energetskim uslugama nezavisne energetske kompanije Definisanje odgovornosti organizacija i koordinacija nacionalnih i meñunarodnih kompanija II FAZA Stabilan i efikasan regulatorni okvir Definisanje i usvajanje zakona o energetici (licence, cene, kontrola usluga) Utvrñivanje politike cena (nova tarifna struktura) III FAZA Restruktuiranje energetskih kompanija Prilagoñavanje ponude efektivnoj tražnji Reorganizacija postojećih kapaciteta Dogradnja prenosne i distributivne mreže Komercijalizacija energetskih kompanija Demonopolizacija IV FAZA Povećanje energetske sigurnosti Diverzifikacija energetskih izvora Uključivanje obnovljivih energetskih izvora Diverzifikacija uvoznih izvora V FAZA Razvoj energetske efikasnosti i zaštite životne sredine Implementacija programa za racionalano korišćenje energije Načini smanjenja emisije CO 2 iz energetike i njen uticaj na životnu sredinu VI FAZA Tranzicioni izvodi Socijalna zaštita i programi VII FAZA Razvoj regionalne kooperacije 3.8. Energetska snabdevenost Energetska snabdevenost je važna pretpostavka privrednog i društvenog razvoja države. Bazira se na makismalnom zadovoljenju potreba za energijom iz sopstvenih izvora. Važno je instalirati najpovoljnije transportne i transmisione sisteme. 26

28 3.9. Energetska zavisnost Jedan od osnovnih ciljeva energetske politike je da se smanji uvozna zavisnost zemlje. To se može postići: Efikasnijim procesom iskorišćenja raspoloživih energetskih izvora (revitalizacija i rekonstrukcija postojećih kapaciteta) Smanjenje gubitaka u transportu/transmisiji Smanjenjem potrošnje finalne energije na nacinalnom nivou Upotrebom novih izvora energije Uvoz i izvoz energije Mora se konstantno pratiti uvozna energetska zavisnost jedne zemlje po svom sadžaju (strukturi), obimu i vremenskoj učestalosti. Uvoz i izvoz energije predstavljaju veoma važne stavke energetskog bilansa svake zemlje Energetska politika u Srbiji Politiku razvoja energetike odnosno njenu strategiju u Srbiji utvrñuje Vlada RS. Energetska politika treba da utvrñuje uslove i načine ostvarivanja politike razvoja pojedinih delatnosti. Propisuje način usklañivanja izgradnje energetskih objekata. Odreñuje nacionalne prioritete razvoja. Ima zadatak da obezbedi podsticajne mere za finansijska ulaganja u izgadnju objekata koji koriste obnovljive izvore energije, kao i za racionalno korišćenje energije Energetska zavisnost Srbije Naša energetika se u značajnoj meri oslanja na uvozna goriva. Energetska zavisnost Srbije je odreñena: Nepovoljnom strukturom energetskih resursa Nerazvijenošću kapaciteta Nedovoljnim investicionim ulaganjima Niskim cenama Neophodne mere za razvoj energetskog sektora Srbije su sledeće: U oblasti kadrova i naučnoistaživačkog rada U oblasti zakonske regulative U oblasti organizacije i sistema rada (rekonstrukcija, revitalizacija...) Restruktuiranje energetskog sistema Privatizacija energetskog sistema U skladu sa definisanom Strategijom Ministarstvo utvrñuje program njenog ostvarivanja. Tim programom se utvrñuje sledeće: Uslovi, načini i rokovi za ostvarivanje planiranih aktivnosti Za svaki sektor se predlažu mere koje se tiču rekonstrukcije, izgradnje objekata i/ili racionalnog korišćenja energije Za svaki analizirani sektor se prikazuje prognozirana potrošnja energije kao i predviñena ušteda koja se postiže primenom predloženih mera 27

29 Realizacija prioriteta razvoja energetike do godine u Srbiji vodi ka stabilnosti u sferi energetike, ali doprinosi i uspostavljanju ukupne stabilnosti i održivog i stabilnog ekonomskog razvoja. Priroriteti razvoja energetike u Republici Srbiji do godine su: 1. Poboljšanje tehnoloških i operativnih performansi energetskih objekata 2. Povećanje energetske efikasnosti 3. Osnivanje fond za energetsku efikasnost 4. Korišćenje obnovljivih izvora energije 5. Gradnja novih kapitalno intenzivnih energetskih kapaciteta Ministarstvo donosi i Program efikasnog korišćenja energije kojim se utvrñuju: 1. Mere za podsticanje racionalnog korišćenja energije 2. Standardi za ocenu efikasnosti proizvodnje energije i njenog korišćenja 3. Mere za podsticanje ostvarivanja razvojnih planova koji se zasnivaju na korišćenju obnovljivih energetskih izvora i uštedi energije 4. Uspostavljanja sistema obuke 5. Informisanje korisnika energije sa merama za njeno efikasno korišćenje 6. Mere za zaštitu životne sredine iz oblasti energetike Energetska postrojenja u industriji Energetski sistemi u industriji Energetski sistem u industriji se formira na osnovu sledećeg: Energetski sistem same fabrike se formira na osnovu potreba procesa proizvodnje. Proces odreñuje neophodne vrste energenata. Zahtevi procesa odreñuju i snagu energetskog sistema. Pokretačko gorivo se bira u zavisnosti od raspoloživosti, tipa proizvodnje... U industriji može da se koristi kombinacija neke od navedenih vrsta energenata: Električna energija Toplotna energija (para ili topla voda) Komprimovan vazduh Rashladna energija (7/12 0 C, 34 0 C) Neko gorivo direktno u samom procesu Voda Energetski sistem preduzeća: Proizvodi energiju da zadovolji sopstvene potrebe (ima izuzetaka) Treba da obezbedi nesmetan rad i proces u svim segmentima rada u preduzeću On ima zadatak da podmiri potrebe ne samo procesa proizvodnje nego i klimatizaciju radnih prostorija i slično te da omogući kontuinualan rad. Energetski sistem u industriji može da obuhvata: Postrojenje za dobijanje toplotne energije (pare i vruće vode) Kombinovano postrojenje za dobijanje električne i toplotne energije (kogeneracija) Postrojenje za komprimovani vazduh Transformatore električne energije 28

30 Rashladne mašine Potrošače iz procesa koji direktno koriste energent u svom pogonu, pumpne stanice i elektro motori Sistem osvetljenja Energetski sistem ubraja i: Parovode Rashladne kule Elektro vodovi Vodovod Razvod komprimovanog vazduha Ventile Odvajače kondenzata Električna energija u industriji Električna energija u industriji može da se koristi za: Pogon elektro motora i pumpi Pogon mašina na električnu energiju (u procesu, mehaničkih čilera,...) Osvetljenje Za kancelarijske poslove Pripremu tople sanitarne vode Grejanje/hlañenje Kotlovsko postrojenje Kotao je postrojenje koje konvertuje hemijsku energiju pogonskog goriva u korisnu toplotu. Kao radni fluid najčešće se koristi voda. Osim vode se mogu koristiti i druge materije, hemijska jedinjenja i razna termička ulja otporna na visoke temperature. Kako se najčešće koristi voda kao radni fluid, osnovna korisna toplota koja se dobija iz kotla: para ili topla voda. Mogu biti na: Prirodni gas Ugalj Mazut Biomasa Električna energija (retko u industriji) Klasifikacija kotlova prema nameni: Energetski kotolovi ili genenratori pare uglavno u termoelektranama. Oni su najveći po jediničnoj snazi, a po ukupnoj instalisanoj snazi nadmašuju ukupnu snagu ostalih kotlova. Industrijski kotlovi služe za snabdevanje raznih industrijskih tehnoloških procesa parom. Toplifikacioni kotlovi snabdevaju parom ili vrelom vodom stambene zgrade, blokove ili čitava naselja, kao i industrijske i druge objekte u cilju grejanja, a često i obezbeñenja sanitarne tople vode. 29

31 Kotlovi utilizatori namenjeni su za korišćenje otpadne toplotne nergije, potpuno ili delimično sagorelih produkata sagorevanja iz procesa u industriji, petrohemiji, crnoj i obojenoj metalurgiji i dr. Kotao može biti: Vrelovodni Toplovodni kotao Parni kotao Turbine Turbine mogu biti: Parne turbine (kondenzacione i protiv pritisne) Gasne turbine (zatvoren i otvoren ciklus) Kombinovano postrojenje parne i gasne turbine Industrijske turbine služe za istovremenu proizvodnju tehnološke pare ili korisne toplote i električne energije ili mehaničke energije Parni sistem Tipični parni sistem uključuje i sledeće podsisteme: Kotlove/turbine Parovodi (uključujući kontrolne ventile, izolaciju,...) Krajnje korisnike pare (kontrolni sistem, izolacija,odvajač kondenzata...) Povrat kondenzata (cevovodi, rezervoari i pumpe, odvajač kondenzata) Para i tolotna energija se u industriji koristi za: Pojedini procesi u proizvodnji isklučivo zahtevaju paru odreñenih karakteristika Za blasnširanje Kuvanje Pasterizaciju, sterilizaciju Grejanje Komprimovan vazduh Komprimovan vazduh se često koristi u industriji. Zapravo oko 70% od svih preduzeća koriste komprimovan vazduh u nekim aspektima svog rada. On se proizvodi na licu mesta (u okviru fabrike). Komprimovan vazduh se u industriji koristi za: Za pogon mašina (pokretanje klipova,...) Za pakovanje (folijom,...) Za rad pneumatskih ureñaja Pasterizacija (za pokretanje komandi,..) Lepljenje nalepnica... 30

32 Rashladni sistem Rashladni sistem je kombinacija komponenti, opreme, cevovoda povezanih tako da proizvode rashladni učinak. Rashladna energija različite temperature se koristi za: Zamrzavanje robe Hlañenje proizvoda Klimatizaciju prostorija Rashladni sistemi se mogu podeliti u dve grupe prema zadatim temperaturama: 1. Od +10 do 0 0C. 2. Od 0 do -40 0C Rashladni sistem obezbeñuje hlañenje u industrijskim procesima uključujući i klimatizaciju vazduha. Ovi sistemi se dele u dve kategorije: 1. Parna kompresiona rashladna mašina - često se nazivaju mehanički sistemi. Njihove kompresore uglavnom pokreću elektro motori, a retko gasni motori, gasne ili parne turbine. 2. Apsorpcioni sistemi - Rashladni učinak je dobijen koristeći toplotnu energiju (direktno sagorevanje fosilnih goriva ili korišćenje otpadne toplote) Raspoložive apsorbcione rashladne mašine u kombinaciji sa CHP sistemom za pogon mogu da koriste: Paru, Toplu vodu ili Izduvne gasove Kogeneracija Osnovu procesa kombinovane proizvodnje toplotne i električne energije čini jedinstven termodinamički proces uz korišćenje samo jednog pogonskog goriva odnosno korišćenje otpadne toplote koja se stvara kada se generiše električna energija u cilju stvaranja tople vode i pare. Para ili topla voda mogu se koristiti u tehnološkim procesima, za grejanje prostora, u spravljanju tople potrošne vode ili za pogon rashladnih mašina pri kondicioniranju (hlañenju)vazduha. U litetraturi se za kombinovanu proizvodnju električne i toplotne energije često nailazi na termin kogeneracija ili CHP. Akronim CCHP naglašava da se radi o kombinovanoj proizvodnji električne, toplotne i rashladne energije, sa obzirom na činjenicu da uz CHP sistem osim proizvodnje električne i toplotne energije može ili ne da se koristi dobijena toplota za proizvodnju rashladne energije. CHP postrojenja imaju svoju primenu u industriji i zgradarstvu: 31

33 A. INDUSTRIJA 1. Hemijska i farmaceutska 2. Industrija papira 3. Grañevinski materijal, keramika i cement 4. Pivare 5. Prehrambena industrija i šećerane 6. Tekstilna industrija 7. Rafinerije nafte 8. Železare, obojeni metali 9. Livnice 10. Drvna industrija 11. Metalska industrija 12. Staklene bašte i hortikultura B. ZGRADARSTVO 1. Centralno grejanje 2. Hoteli i restorani 3. Bolnice 4. Sportski centri i bazen 5. Univerziteti i škole 6. Tržni centri 7. Poslovne i upravne zgrade 8. Aerodromi 9. Individualne kuće 32

34 4. ELEKTRANE 4.1. Termoelektrane Termoelektrane su energetska postrojenja koje energiju dobijaju sagorevanjem goriva, a glavna primena i svrha termoenergetskih postrojenja je proizvodnja pare koja će pokretati turbinu, a potom i generator električne energije. Tehničko pretvaranje toplotne energije u mehaničku energiju, a potom u električnu energiju, odvija se u termoelektranama na ugalj. S obzirom na pogonski sistem, termolektrane se mogu podeliti na: parne termoelektrane gasne termoelektrane dizel termoelektrane. U parnim termoelektranama mogu se koristiti: ugalj, tečna i gasovita goriva, u gasnim termoelktranama tečna i gasovita goriva, a u dizel termoelektranama dolazi u obzir samo tečno goriva. Najveći broj velikih termoelektrana je s parnim pogonom, kod kojih se, uglavnom, koriste parne turbine neposredno spojene sa generatorom (turbogenerator). U ovim elektranama toplota dobijena sagorevanjem goriva predaje se vodenoj pari koja u parnim turbinama proizvodi mehaničku energiju, a koja se u generatoru pretvara u električnu energiju. U gasnim elektranama se mehanička energija pretvara u električnu pomoću gasnih motora. Postrojenja za proizvodnju pare i vrele vode, nazivaju se toplanama, a postrojenja za kombinovanu proizvodnju električne energije, pare i vrele vode, nazivaju se termoelektranama-toplanama. Postoje javne i industrijske toplane, tj. termoelektrane-toplane. Hemijska energija sadržana u gorivu najčešće se pretvara u unutrašnju toplotnu energiju. Proces pretvaranja hemijske energije u unutrašnju toplotnu energiju naziva se sagorevanje, što je u stvari, izmena materije u kojoj se hemijska energija sadržana u gorivu pretvara u toplotnu energiju. U procesu sagorevanja goriva razvija se toplota, te pri tome u zavisnosti od hemijskog sastava goriva i uslova sagorevanja nastaju gasovi sagorevanja kao produkti sagorevanja. ti gasovi predstavljaju smešu produkata sagorevanja odnosno: ugljendioksid (CO 2 ) koji nastaje potpunim sagorevanjem ugljenika (C); ugljenmonoksid (CO) koji nastaje nepotpunim sagorevanjem ugljenika (C); sumpornog dioksida (SO 2 ) koji nastaje sagorevanjem sumpora; sumpornog trioksida (SO 3 ) koji nastaje oksidacijom sumpornog dioksida (SO 2 ); azota (N 2 ) iz goriva i vazduha koji se dovodi u ložište (azot ne učestvuje u procesu sagorevanja, ali povećava ukupnu količinu gasova sagoravanja); azotnih oksida (NO x ) koji nastaju pri specifičnim uslovima; kiseonika (O 2 ) preostalog u gasovima sagorevanja usled dovoda vazduha u ložište iznad stehiometrijskih odnosa sagorevanja 33

35 vodene pare (H 2 O) koja nastaje ispravanjem vode sadržane u gorivu i sagorevanjem vodonika Princip rada termoelektrane Proces rada termoelektrane se sastoji od sledećih operacija: snabdevanje gorivom (ugljem, naftom, gasom), parni kotao, mehanički deo i delovi za odvoñenje toplote i gasova. U našim uslovima su najčešće termoelektrane na ugalj. Šematski prikaz termoelektrane na ugalj dat je na Slici 4.1. U ložištu sagoreva gorivo (ugalj, nafta, gas) i proizvodi se toplotna energija koja zagreva kotao. Radi boljeg sagorevanja koriste se ventilatori koji ubacuju kiseonik u ložište. Zagrevanjem vode u kotlu dobijamo vodenu paru koja se koristi za pokretanje turbine. Za pokretanje turbine potrebna je potpuno suva vodena para, pa se za njeno sušenje koristi pregrejač pare. Tako osušena para prenosi se u parnu turbinu, koja pokreće generator, koji na svom izlazu daje električnu struju. Slika 4.1. Termoelektrana na ugalj Konkretno kod termoelektrana na ugalj, pri sagorevanju uglja nastaju gasovi koji iz ložišta kotla preko cevovoda u kotlu odlaze u dimnjak i okolnu atmosferu. U parnom kotlu se proizvodi para koja se u pregrejačima pare pregreva na temperaturu C i pod pritiskom od bar. Nastala pregrejana para prolazi kroz parnu turbinu i ekspandira. Tu se toplotna energija pretvara u kinetičku energiju, koja pokreće rotor generatora. Para koja izlazi iz turbine dolazi u kondenzator, hladi se i pretvara u tečnost-vodu. Tako nastala voda dovodi se u kotao i ponovo se pretvara u paru. Gasovi iz ložišta kotla idu u filtere koji su smešteni ispod dimnjaka i kroz njih odlaze u atmosferu. Elektrane na ugalj imaju stepen delovanja dobijanja pare iznad 40%. elektrane se grade u blokovima (osnovna proizvodna jedinica elektroprivrede u savremenim termoelektranama; blok se sastoji od jednog postrojenja za proizvodnju pare, jedne 34

36 kondenzacijske turbine, električnog generatora i transformatorskog postrojenja), snage do 4000 MW, gde je svaki blok snage MW. U ureñajima za registrovaanje štetnih izlaznih gasova registruje se sadržaj CO, CO 2, SO 2, NO i NO Kogeneracija Toplane (TO), kao što je gore već pomenuto, predstavljaju centralizovana postrojenja za dobijanje tople vode kao potrošne vode i vode za grejanje, i tehnološke procese iz energije goriva. Često se zbog boljeg iskorišćenja energije, grade termoelektane toplane (TE-TO). Kogeneracija je termin koji se primenjuje za sisteme koji proizvode i električnu energiju kao i korisnu energiju iz goriva koje sagoreva. Znači, proces kogeneracije predstavlja kombinovanu proizvodnju električne (ili mehaničke) i korisne toplotne energije iz istog primarnog izvora energije. Iz iste količine goriva dobija se, pored električne energije, još i dodatna toplotna energija, što omogućava podizanje stepena iskorišcenja hemijske energije goriva. Sagorevanjem fosilnog goriva nastaje velika količina toplote niskog potencijala (tj. niske temperature), koja se mora odvesti rashladnim sistemom (toplotni gubici u procesu transformacije hemijske energije u mehanički rad). Ovu energiju je pogodno iskoristiti za zagrevanje tople vode, za grejanje stanova i u slične svrhe. Tako se istovremeno proizvodi i električna energija, a otpadna toplota se koristi za druge namene i korisna je. Inicijativa za kogeneraciju je prvenstveno finansijske prirode jer cena snabdevanja električnom energijom uz istovremenu proizvodnju toplotne energije je znatno niža nego da se proizvodnja realizuje odvojeno. Takoñe je i potrošnja goriva smanjena u slučaju istovremene proizvodnje kao i uticaj na okolinu u neposrednoj blizini postrojenja. Odvojena proizvodnja električne i toplotne energije Gorivo El. energija Termoelektrana 100% 36 Ukupna efikasnost: Gorivo Toplota Kotao 100% 80 η = 0,58 Kogeneracija El. energija Gorivo 100% Sistem sa primenom kogeneracije 30 Toplota Ukupna efikasnost: η = 0,85 55 Slika 4.2. Prikaz energetske efikasnosti kod odvojene proizvodnje električne i toplotne energije i kod primene sistema kogeneracije 35

37 Značaj korišćenja kogeneracije za životnu sredinu je sledeći: Prednosti kombinovane proizvodnje toplote i električne energije potiču od efikasnijeg iskorišćenja toplotnog potencijala goriva, koje za posledicu ima redukciju emisije aeropolutanata SO 2, NO x i CO 2. Kogeneracija troši 15-20% manje primarne energije za dobijanje iste količine korisne energije, u odnosu na najmodernija postrojenja za odvojeno dobijanje toplotne i električne energije i naravno ekvivalentno doprinosi redukciji štetnih emisija u životnu sredinu. Kada se kogeneracija kombinuje sa prelaskom na ekološki prihvatljivija goriva, odnosno sa uglja na prirodni gas, ova zamena goriva pokazuje još veći doprinos očuvanju životne sredine Stanje u Srbiji Termoenergetske kapacitete Elektroprivrede Srbije čini osam termoelektrana (TE): sa 25 blokova ukupne instalisane snage 5171MW, koje kao pogonsko gorivo koriste lignit, kao i tri termoelektrane-toplane (TE-TO) sa 6 blokova ukupne snage 425 MW, koje rade na tečna i gasovita goriva. Ovi termokapaciteti, proizvode oko 69% ukupne električne energije u Srbiji. JP TE "Nikola Tesla" JP TE "Nikola Tesla" čine 36% ukupne snage elektroenergetskog sistema Srbije. TE "Nikola Tesla" A i TE "Nikola Tesla" B godišnje u proseku proizvedu 16 milijardi kwh električne energije, što je oko 47% ukupne proizvodnje Elektroprivrede Srbije. TE "Nikola Tesla" kao gorivo koriste kolubarski lignit. Od prijemnih mesta u rudniku do termoelektrana, ugalj se transportuje specijalnim železnickim kompozicijama, sopstvenom industrijskom elektrificiranom prugom normalnog koloseka dužine oko 30 km. Vozni železnički park je predviñen za dopremanje ukupno 37 miliona tona uglja godišnje. JP TE Kostolac JP TE Kostolac čine dve proizvodne celine: TE "Kostolac A" sa blokovima od 90 i 191 MW i TE "Kostolac B" sa dva bloka od po 320 MW. Po snazi, kostolačke termoelektrane su četvrti energetski kapacitet u Srbiji koji dnevno proizvede i do 20 miliona kwh električne energije. To podrazumeva dnevnu potrošnju od oko tona lignita koji se proizvodi na površinskim kopovima "Širkovac" i "Drmno". Kostolačke termoelektrane godišnjom proizvodnjom od oko četiri milijarde kwh, podmiruju oko 12% ukupne potrošnje električne energije u Srbiji. Pored električne energije, TE "Kostolac A" proizvodi i toplotnu energiju za grejanje gradova Kostolca i Požarevca. 36

38 JP Panonske elektrane Sedište JP "Panonske elektrane" je u Novom Sadu, a u njegovom sastavu rade tri TE- TO (TE-TO Zrenjanin, TE-TO Sremska Mitrovica i TE-TO Novi Sad) ukupne istalisane snage 353 MW. U sastavu TE-TO Zrenjanin nalazi se i bivša energana IPK Servo Mihalj, izgrañena 1952 godine i obnovljena u periodu godine, udaljena oko 1 km od glavnog pogonskog objekta TE-TO Zrenjanin, ima okupno 5 kotlova manjih kapaciteta od 12 do 75 t/h i 4 turbine od 2,5 do 8,5 MW, ukupne snage 25 MW. TE-TO Zrenjanin kao gorivo koristi prirodni gas i mazut sa sadržajem sumpora do 3%. TE-TO Sremska Mitrovica kao gorivo koristi prirodni gas i mazut sa sadržajem sumpora do 3%. Rashladna voda obezbeñuje se iz reke Sava. U poslednjih nekoliko godina, TE-TO Sremska Mitrovica ima veoma malu i nedovoljno kontinualnu proizvodnju tehnološke pare, obzirom na veoma smanjene zahteve za potrebom tehnološke pare od strane tehnoloških potrošača, fabrike Matroz i Šećerane, koje se nalaze u procesu tranzicije i praktično ne rade sa dve toplifikacione turbine snage 6 i 12 MW, izgrañene 1961 i 1963 godine, sa preko sati. TE-TO "Novi Sad" snage 208 MW je energetski objekat za kombinovanu proizvodnju električne energije, tehnološke pare i toplotne energije. Snabdevanje prirodnim gasom omogućeno je priključkom na magsitralni gasovod, mazut se doprema mazutovodom, dok blizina Dunava omogućava relativno lako snabdevanje ove termoelektrane-toplane potrebnim količinama rashladne vode. Kao što je već rečeno, TE-TO Novi Sad kao gorivo koristi prirodni gas i mazut. U pojedinim isporukama, sadržaj sumpora u mazutu je i do 3%. U elektrani postoji postrojenje za obradu zamazućenih i zauljenih voda koje je u funkciji Uticaj termoelektrana na životnu sredinu Termoelektrane u procesu proizvodnje električne energije stvaraju ogromne količine otpadnih materijala, koji završavaju u okolini, čime dolazi do sve veće zagañenosti. To je naročito izraženo kod termoelektrana sa lošim kvalitetom uglja (lignita) koji se najviše troši u termoelektranama lociranim na samim kopovima uglja ili njihovoj neposrednoj blizini. Osim toga u termodinamičkom ciklusu termoelektrane gubi se oko 50% osloboñene toplotne energije iz uglja kao otpadna toplota zagrevajući vodu u rekama, jezerima, morima i vazduh, a oko 15% energije gubi se u dimnim gasovima, tako da se u električnu energiju pretvara samo oko trećina dovedene energije. Na slici 4.3., dat je šematski prikaz termoelektrane na ugalj i uticaja na okolinu. 37

39 Slika 4.3. Uticaj na okolinu termoelektrane na ugalj Uticaji termoelektrana na ugalj na okolinu su višestruki, intenzivni i uglavnom nepovoljni za ekološki sistem. Oni potiču od potencijalnog zagañivanja vazduha, vode i zemljišta, u okolini lokacije ispuštanja otpadne toplote, narušavanja prirodne ravnoteže i zvučnih uticaja. Emisija štetnih materija iz termoelektrana obuhvata dimne gasove, prašinu, šljaku, pepeo i otpadne vode. Šematski prikaz uticaja termoelektrana na okolinu je dat na slici 4.4. Slika 4.4. Šematski prikaz štetnog uticaja termoelektrana 38

40 Aerozagañenje Emisija gasovitih produkata iz dimnjaka termoelektrana je direktno zavisna od kvaliteta i količine sagorelog uglja. Termoelektrane koje koriste domaće lignite ispuštaju približno 1,6 Nm 3 dimnih gasova po jednom megavatu električne snage. Dimni gasovi sadrže: čañ, pepeo, okside ugljenika, sumpora i neke druge sastojke. Najštetniji je sumpordioksid (SO 2 ) u koji se pretvara skoro sav sagorivi sumpor iz goriva, dok se u sumpor-monoksid (SO) pretvara samo 3% sumpora. Sumporni oksidi utiču štetno na čoveka, floru i faunu, a takoñe i na materijale (ubrzavaju koroziju). Na čoveka je posebno štetna kombinacija sumpornih oksida sa dimom i vlagom poznata kao smog»londonskog tipa«, koji se javlja naročito pri nepogodnoj konfiguraciji terena i u specifičnim meteorološkim situacijama. Disperzija ovih zagañivača u atmosferi zavisi od me-teoroloških uslova, visine dimnjaka i kinetičke energije gasova na izlazu iz dimnjaka. Pri jako nestabilnim meteorološkim uslovima i inverziji javljaju se najveće koncentracije zagañivača na relativno malom rastojanju (1-2 km) od elektrane. Uklanjanje sumpordioksida iz atmosfere je složen proces oksidacije. Mehanizam nastajanja atmosferskih sulfata još nije dovoljno proučen. Jedan od najznačajnijih puteva oksidacije SO 2 je rastvaranje u kapljicama vode. U atmosferi su to oblaci, magla i dim u kojima se sumpordioksid (SO 2 ) u prisustvu kiseonika oksiduje do sulfata. Ovaj proces je spor, ali se kod nepotpunog sagorevanja javlja čañ koja je vrlo efikasan katalizator u procesu nastajanja sulfata. Pored ovoga moguća je i heterogena oksidacija na površini čvrste faze. Taloženje sumpordioksida i sulfata na površini zemlje zavisi od brzine i vrste vegetacije i veća je za šumsko područje. Ustanovljeno je da atmosferski sulfati imaju često štetniji uticaj na životnu okolinu i zdravlje od sumpordioksida, a takoñe smanjuju i vidljivost i utiču na promenu klime. Oksidi azota (NO X ) nastaju sagorevanjem lignita u parnim kotlovima na visokim temperaturama (iznad 1500 C) kada se azot sadržan u lignitu ne ponaša kao inertan gas već reaguje sa kiseonikom. U savremenim kotlovima na lignit nastaje oko 3,4 g/kwh azotnih oksida od čega na NO 2 otpada oko 1,9 g/kwh. Meñutim da bi se održali, moraju se naglo ohladiti (što nije slučaj sa gasnim turbinama). Pošto ovaj uslov u kotlovima termoelektrana nije u potpunosti ispunjen, to su realne opasnosti od azotnih oksida manje nego kod sumpornih oksida. Oksidi ugljenika se, takoñe, javljaju u dimnim gasovima iz termoelektrana. Ugljenmonoksid (CO) je proizvod nepotpunog sagorevanja lignita i mogu se očekivati količine od oko 0,1 g/kwh. Ugljendioksid (CO 2 ) nastaje u mnogo većim količinama i utiče na okolinu indirektno, preko promene klime. Izbacivanjem ugljendioksida menja se njegov ravnotežni sadržaj u atmosferi, a fizičkim svojstvima smesa, CO 2 i aerosola, menja se i toplotna akumulacija atmosfere, što će u dugoročnom periodu izazvati porast prosečne temperature vazduha i poremetiti ravnotežu izmeñu atmosfere i hidrosfere s neželjenim posledicama na promenu klime širih razmera. 39

41 Zagañenje okoline česticama Emisija čestica pri radu termoelektrana potiče od ložišta kotla, deponije uglja i deponije šljake i pepela. Dok se čestični zagañivači sa deponije raznose vetrom na ograničena rastojanja u okolinu njihovih lokacija, dotle oni izbačeni kroz dimnjak mogu dospeti na znatno veće udaljenosti, zavisno od visine dimnjaka i parametara difuzije. Sagorevanjem lignita nastaju veće količine pepela koje se kreću oko 0,3-0,5 kg/kwh. Tako sa dimnim gasovima krene i oko 70 g/s pepela po jednom megavatu električne snage, što s obzirom na ukupne količine dimnih gasova iznosi oko 50 g pepela po Nm 3. Pre ispuštanja u dimnjak, gasovi sa letećim pepelom ulaze u elektrofiltere čija se efikasnost kreće oko 99%, čime se značajno smanjuje koncentracija čestica koje se ispuštaju u atmosferu. Projektovanje elektrofiltera i njihova primena je značajna sa stanovišta zaštite stanja, koja mogu biti prouzrokovana ispadima pojedinih sekcija elektrofiltara, mogu da izazovu povećanje taloženja letećeg pepela više desetina puta i da daleko premaše dozvoljene granice. Iz tog razloga održavanje elektrofiltera predstavlja najznačajniji zadatak za očuvanje životne sredine. Zagañenje površinskih i podzemnih voda Zagadenje voda štetnim produktima iz termoelektrana nastaje kao rezultat ispuštanja otpadnih voda, kao i dejstvom atmosferskih voda na deponiji uglja i pepela. Otpadne vode mogu biti hemijski zagañene, zauljene, fekalne i kišne. U zavisnosti od klase vodotoka vrši se odgovarajuće prečišćavanje i neutralizacija otpadnih voda pre ispuštanja u recipijent. Tom prilikom se uzimaju u obzir i značajne količine otpadnih voda, koje nastaju kao rezultat povremenog ispiranja i pražnjenja pojedinih ureñaja termoelektrane. Zagañenju površinskih voda treba posvetiti odgovarajuću pažnju, jer može da doñe do posrednog zagañenja izvorišta voda u području nizvodno od lokacije termoelektrane. Zagañenje voda koje potiče od deponija uglja, šljake i pepela i otpadnog mulja uzrokovano je rastvaranjem sulfata, bikarbonata i drugih neorganskih i organskih materija pod uticajem atmosferskih voda. Atmosferske vode otiču delimično u površinske vode, a delimično prodiru pod zemlju gde zagañuju podzemne vode. Merenja uticaja na podzemne vode su neophodna kako bi se sprečile neželjene posledice na okolno stanovništvo i životinje, nastale upotrebom bunarskih voda. Ispuštanje otpadne toplote Primenom sagorevanja lignita u termoelektranama se iskoristi oko 35% (savremene TE i do 40% energije), koja se pretvara u električnu energiju. Ostatak se ispušta u okolinu i to: 15% se izgubi preko rashladne vode. Ovako velika količina otpadne toplote predstavlja termičko opterećenje okoline. U zavisnosti od raspoloživog rashladnog medija ima više načina predaje toplote okolini. Najčešće se uštede goriva (najbolji stepen efikasnosti pretvaranja energija) dobijaju ako je rashladni sistem sa protočnim hlañenjem, pri čemu se otpadna toplota ispušta u reku. U našim uslovima potencijal vodotoka da primi otpadnu toplotu nije veliki, te se izgradnja termoelektrana mora prvenstveno orijentisati na povratno hlañenje. 40

42 S obzirom na udaljenost ugljenih bazena od velikih vodenih tokova, najčešće primenjivani način odvajanja otpadne toplote je preko rashladnih tornjeva, pri čemu se koristi latentna toplota vode za hlañenje rashladne vode. Otpadna toplota iz termoelektrana, odvedena rashladnom vodom, u reku, u jezero ili more (protočno hlañenje) predstavlja značajno opterećenje okoline. U slučaju protočnog hlañenja posle mešanja sa rashladnom vodom znatno raste temperatura vode u reci. Na taj način dolazi do uticaja kako na fizičkohemijske karakteristike vode, tako i na poremećaj ekološke ravnoteže u reci. Poznato je da se porastom temperature smanjuje količina rastvorenog kiseonika koji reguliše i održavanje ekološkog lanca i proces razlaganja. Otpadna toplota se u konačnom bilansu predaje atmosferi isparavanjem, konvekcijom i zračenjem. U moru usled velikog toplotnog kapaciteta ovaj porast temperature je zanemarljiv. Jedna termoelektrana snage MW za godinu dana potroši oko 2,5 miliona tona uglja i proizvede osam miliona tona ugljen-dioksida, 40 miliona tona sumpor-dioksida, šest miliona tona prašine i pola miliona tona letećeg pepela. Svake godine na svaki hektar u krugu poluprečnika od 100 kilometara oko Termoelektrane "Nikola Tesla" pada po 326 kilograma sumporne kiseline. Svetski naučni eksperti smatraju da već 30 kilograma sumporne kiseline po jednom hektaru godišnje vodi u ekološku katastrofu te se onda u krugu poluprečnika od 100 kilometara oko TE Nikola Tesla odvija jedanaest ekoloških katastrofa istovremeno Hidroelektrane Hidroenergija, odnosno energija vode, je izvor koji u osnovi nastaje padanjem vode, odnosno transformacijama potencijalne energije vode u druge oblike energije. U poreñenju sa sagorevanjem fosilnih goriva, hidroenergija predstavlja po životnu sredinu bezbedan izvor energije, jer stvara malo zagañenje i uopšte ne emituje neke značajne polutante, kao što su ugljenikovi oksidi. Ona ipak ima svoje mane kao što su potencijalno oštećenje zemljišta, uništavanje naselja, erozija itd. Korišćenje vodenih potencijala predstavlja značajn energetski kapacitet. Voda je jedan od obnovljivih izvora energije. Energija vodotoka primjenjuje se već stotinama godina (vodeni točak, pogon čekića i dr.). Za razliku od uglja i drugih fosilnih goriva čije su rezerve ograničene, rezerve vode ža proizvodnju energije se, posmatrano globalno, ne iscrpljuju. To je pored ostalih razloga jedan od bitnih elemenata koji opredjeljuju da se što više angažuje hidroenergija kao jedan od načina očuvanja rezervi uglja. Uvažavajući realnost da je najznačajniji energetski resurs - ugalj, limitiran količinski i vremenski na nekoliko desetina godina, značaj proizvodnje hidroenergije, odnosno korištenja vodnih resursa, sa svim svojim uticajima dobijaće još naglašeniji značaj iz sledećih razloga: voda je obnovljiv resurs energije, što znači da se raspoložive rezerve vode za proizvodnju energije ne iscrpljuju, te, je to jedan od bitnih elemenata što se više angažuje hidroenergija za račun 'čuvanja rezervi uglja, većina drugih klasičnih izvora energije postaje sve skuplja, proizvodnja energije na bazi drugih izvora uglavnom zahtijeva obezbjeñenje i hidroenergije obezbjeñenjem vode za potrebe hlañenja, gašenja i transporta šljake, nizak stepen iskorištenja uglja kod proizvodnje termoenergije, uvoñenje novih metoda za transformaciju postojećih resursa (gasifikacija, likvefakcija uglja i dr.) 41

43 navode na potrebu da se rezerve uglja što racionalnije troše, što navodi na potrebe većeg vrednovanja hidroenergije, uticaj akumulacija izgrañenih za proizvodnju hidroenergije može da ima i značajne višenamjenske efekte, kako pozitivne tako i negativne. Energetska postrojenja koja vrše transformaciju hidroenergije u električnu energiju nazivaju se hidroelektrane. Tipična struktura hidroelektrane podrazumeva postojanje akumulacionog jezera, u kojem se sakuplja voda i koje se najčešće realizuje pregrañivanjem rečnih tokova. Iz akumulacionog jezera se voda pušta da, usled postojanja nagiba, pod uticajem gravitacione sile dolazi na turbine, koje uz pomoć generatora transformišu mehaničku energiju vode u električnu energiju. Na slici 4.5. data je šema jedne tipične hidroelektrane. Slika 4.5. Šematski prikaz jedne tipične hidroelektrane Hidroelektrane obezbeñuju više od 20% električne energije, koja se potroši u svetu. Proizvodnja električne energije u hidroelektranama povećana je 14 puta od 1950., ali raspodela ovog izvora energije izmeñu različitih zemalja je vrlo neravnomerna. Hidroenergija obezbeñuje više od dve trećine ukupne proizvodnje električne energije u 35 zemalja sveta, a u Gani, Norveškoj i Zambiji, taj procenat je čak 90%. Zemlje u razvoju proizvode 37% od ukupne svetske hidro-električne energije. SAD i Kanada proizvode svaka po 13% od ukupne svetske proizvodnje električne energije u hidroelektranama. U ostalim Zemljama ovaj način proizvodnje električne energije učestvuje u veoma malom procentu. Tako, naprimer u Velikoj Britaniji ovaj procenat ne prelazi 2%. Procena je da je do sredine tih oko četvrtina svetskih hidroenergetskih potencijala iskorišćena. Vrlo je verovatno da rast proizvodnje električne energije u ovoj vrsti energetskih postrojenja neće biti značajan u budućnosti. Razlog tome je nepostojanje adekvatnih lokacija, odnosno posledica po životnu sredinu, koje bi izgradnja novih velikih 42

44 hidroelektrana mogla imati. Takoñe i veliki troškovi po jedinici proizvedene električne energije predstavljaju ograničavajući faktor. Izgradnja malih, lokalnih hidroelektrana imaće primat u budućnosti, zbog toga što su takva energetska postrojenja jeftinija, lakša za izgradnju, lakša za održavanje i bezbednija po životnu sredinu Tipovi hidroelektrana Zavisno od prirodnih uslova odnosno karakteristika kroz koje protiču vodotoci razvili su se i grade se različiti tipovi hidroelektrana kao: protočne i akumulacione. Slika 4.6. Hidrocentrala sa niskim pritiskom Korišćenje vodene energije se realizuje u hidroelektranama koje se sastoje od osnovnog postrojenja koje proizvodi energiju, to su turbina i generator koji proizvodi elektroenergiju. Turbinu pokreće voda a potom se aktivira generator. Na slici 4.6. je prikazana hidrocentrala sa niskim pritiskom. Kod protočnih sistema turbina je direktno postavljeno uz reku i delimično ili u potpunosti koristi tok reke ili se stvaraju ustave, akumulacije, koje se štite ugradnjom brana, koje podižu nivo vode, čime se dobija odgovarajući pritisak vode ili se odvajaju mase vode betonskim kanalima. Osnovni cilj je da se dobije dovoljan pritisak vode na osnovu razlika dotoka i oticanja vode. Protočne hidroelektrane mogu biti: pribranska protočna hidroelektrana kod koje nema promene prirodnog režima vodotoka, pribranska protočna hidroelektrana s malim akumulacionim bazenom, gde se u osnovi ne menja prirodni režim vodotoka, s malim bazenom koji omogućava protok kod niskih nivoa vode, derivacione protočne hidroelektrane sa ili bez akumulacionog bazena kod kojih se u doba malih voda ostavlja deo korita bez vode, derivacione protočne hidroelektrane sa kanalom, gde se pad vode obezbeñuje izgradnjom deset ili više kilometara nasipa uzvodno od tačke koncentracije pada vode i isto toliko kanala nizvodno od iste tačke. Akumulacione hidroelektrane mogu biti: pribranske, derivacione i crpnoakumulacione hidroelektrane. Kod ovih hidroelektrana je znatna promena režima voda. Zaustavljanjem vodenih talasa za vreme visokih nivoa vode u akumulacijama se štite 43

45 nizvodna naselja i poljoprivredne površine od poplava i omogućava bolje odvodnjavanje otpadnih voda iz naselja i industrije, a poboljšava se i vodosnabdevanje. Protočne hidroelektrane su izvedene kao rečne sisteme za nagomilavahje vode - akumulacije, ili kao stabilni kanali izgrañeni za elektrae sa nsikim pritiskom visine pada 20 metara. Akumulacija vode zavisi od dotoka a hidroelektrane su postavljene u dnu brane. Stvaranjem većih akumulacija grade se brane visine od 35 do 300 metara koje proizvode elektroenergiju i do 5000 MW. Na planinama se prave elektrane sa visokim pritiscima gde se voda iz planinskih jezera dovodi do turbinskog ureñaja. Kod ovih elektrana se koriste visinske razlike i do 1500 metara. Kod hidroelektrana na crpno-akumulacioni pogon akumulacije vode se nadoknañuju pumpanjem u vreme kada postoji nedostatak vode u prirodnoj akumulaciji Uticaj hidroelektrana na okolinu Uticaj protočnih hidroelektrana na okolinu u negativnom smislu je neznatan i različit za razne tipove hidroelektrana. Kod pribranske protočne hidroelektrane, pošto nema promene prirodnog režima vodotoka, nema negativnih uticaja na okolinu. Postoji potencijalna opasnost da usled kvara dospeju u vodu izvesne količine transformatorskog ili turbinskog ulja. Kod protočnih hidroelektrana sa akumulacionim bazenom, usled promene toka može doći do erozivnog delovanja nizvodno od hidroelektrane. Za derivacione-protočne hidroelektrane je karakteristično da u vreme kada je instalirani protok veći od prirodnog korito ostaje suvo, što može dovesti do uginuća biološkog života u koritu. Kod derivacionih hidroelektrana kanalnog tipa, gdje se koncentracija vodenog pada od metara može postići izgradnjom deset ili više kilometara nasipa, te je derivacija zapravo paralelno novo korito, pa se postiže sprečavanje pojave poplava. Povišeni nivo vode u bazenu izmeñu nasipa omogućava navodnjavanje poljoprivrednih površina, što predstavlja odreñeni doprinos. Meñutim, obično se javlja povišeni nivo podzemnih voda kao prateća negativna posledica. Uticaj akumulacionih hidroelektrana, odnosno velikih brana i akumulacija na okolinu je znatno veći od uticaja protočnih hidroelektrana. Izgradnjom hidroelektrana znatno se utiče na okolinu, a kompleksnost tih uticaja se može sistematizirati sa: fizičkog aspekta, ekološkog aspekta, socijalnog i ekonomskog aspekta, aspekta sigurnosti, zdravlja ljudi i kulture života. Fizički aspekt: promena režima protoka voda promena kvaliteta vode kvalitativna i kvantitativna promena podzemnih voda erozija i urušavanje zemljišta na obalama jezera taloženje nanosa erozija korita nizvodno od brane mogućnost seizmičkih efekata 44

46 Zbog punjenja i pražnjenja akumulacije dolazi do izvjesne erozije obala, a moguće je i urušavanje zemljišta. Opažanja su pokazala da se javlja seizmička aktivnost kao posledica izgradnje brana i akumulacija i da ta aktivnost nije u direktnom odnosu sa težinom akumulirane vode već sa visinom vodenog stuba. U zoni akumulacije plave se naselja, obradiva zemlja, narušava se stabilnost obala, menja nivo podzemnih voda i sl. Ekološki aspekt: uticaj na floru i faunu uticaj na klimu Izgradnjom hidroelektrana menja se hidrološki režim vodotoka i protoka, fizičkohemijska svojstva vode, što se odražava na floru i faunu. Postojanje velikih površina vode akumulacionih bazena utiče na promenu mikro klime regiona, temperaturni režim vode i vazduha, povećava vlažnost vazduha i uzrokuje pojavu magle. Socijalni i ekonomski aspekt: preseljavanje stanovništva zapošljavanje proizvodnja energije potapanje zemljišta uticaj na poljoprivredu kontrola poplava uticaj na vodosnabdevanje turizam Socijalne i ekonomske implikacije hidroelektrana su od posebnog značaja. Kao negativne implikacije dolaze do izražaja potapanje značajnih površina obradivog i plodnog zemljišta, kao i ekonomski i socijalni problemi iseljavanja stanovništva sa ovih područja. Postoje i pozitivne implikacije od ekonomskih efekata proizvodnje električne energije, zatim eliminisanje poplava, oslobañaju se velike površine za poljoprivredu i turizam, kao i za zapošljavanje radne snage. Sigurnost i zdravlje ljudi: moguće izvorište i širenje bolesti opasnost od rušenja brana U pogledu sigurnosti života, zbog eventualnog rušenja brane i zdravlja ljudi, zbog mogućnosti izvorišta bolesti, pažljivim projektovanjem i izgradnjom moguće je navedene probleme sasvim kontrolisati. Kulturni aspekt: uticaj na estetiku mogućnost potapanja kulturnih spomenika i arheoloških nalazišta. 45

47 Izgradnja brana i akumulacija može delovati na estetski izgled i u jednom i u drugom smislu u pogledu uticaja na kulturu, jer postoji mogućnost potapanja kulturnih spomenika ili potrebe njihovog izmeštanja. Pored svih pozitivnih uticaja hidroelektrana na okolinu ne mogu se zanemariti i negativni uticaji, te ostaje da se oni pažljivim studiranjem i projektovanjem eliminišu ili svedu u tolerantne granice. Hidroelektrane čiji je udeo u proizvodnji električne energije u zemljama Evropske Unije iznosio 16% u osamdesetim godinama, a 11% u godini, predstavljaju značajan izvor električne energije. Navedeni udeli hidroenergije iako opadaju zbog ograničenosti potencijala, predpostavljaju iskorišćenje hidropotencijala praktički u celini, jer tome u prilog idu sledeće činjenice: da sve više preostalih hidroelektrana za izgradnju postaju ekonomski opravdane zbog stalnog i znatnog porasta cena fosilnih goriva, da su hidroelektrane u odnosu na ostale elektrane - klasične termoelektrane na ugalj, naftu i gas i nuklearne elektrane u prednosti sa stanovišta zagañivanja okoline, odnosno one se ne mogu smatrati izazivačima destrukcije okoline. Imajući u vidu koristi koje se postižu izgradnjom brane i akumulacije, kao npr. eliminisanje poplava i s tim u vezi mogućnost intenzivnije obrade poljoprivrednog zemljišta, mogućnosti navodnjavanja i povećanja prinosa, unapreñenje ili ograničavanje plovidbe, poboljšavanje uslova vodosnabdevanja, proizvodnje električne energije itd. sasvim je jasan i prihvaćen stav da se hidroelektrane trebaju graditi, uz tendenciju kompleksnog rešavanja višenamenskog karaktera svakog vodotoka na način da se korist, koja se može postići, razmatra i sa stanovišta zaštite okoline, sa težnjom ka optimumu u okviru šireg interesa društvene zajednice. 46

48 4.3. Nuklearna postrojenja Radioaktivni raspad Radioaktivni raspad je slučajan proces deobe nuklearnog jezgra uz emisiju čestica ili zračenja, u kojem verovatnoća da će se jedno jezgro raspasti ne zavisi od toga koliko se jezgara već raspalo i koliko će ih se tek raspasti. Broj jezgara koja se raspadnu u jedinici vremena jednak proizvodu verovatnoće da do raspada doñe λ i broja prisutnih jezgara, N: Minus u gornjoj jednačini označava da broj jezgara tokom vremena opada, tj., brzina je negativna. Preureñenjem dobija se diferencijalna jednačina prvog reda: čijim rešavanjem (integraljenjem) nalazimo gde se numerička konstanta C = e D. odreñuje iz početnog uslova da je pri t = 0 broj jezgara N 0 :. Ovde je: N 0 početna vrednost N-a (na t=0) λ pozitivna konstanta (konstanta raspada) koja označava kolika je verovatnoća da se izvesno jezgro raspadne u jedinici vremena. Konkretno, postoji vreme takvo da: odnosno vreme za koje se raspadne polovina od početnog broja jezgara. Ovo vreme se naziva PERIOD POLURASPADA. Smenjujući u formulu iznad, dobijamo: 47

49 Nuklearna energija Nuklearna energija, ili kako se često naziva, atomska energija, je energija koja se oslobaña ili troši u nuklearnim reakcijama. U užem energetskom smislu, pod nuklearnom energijom podrazumevamo energiju koja se oslobaña u reakcijama spajanja lakih jezgara, fuziji, i cepanju teških jezgara, fisiji. U oba slučaja, novonastala jezgra nalaze se u oblasti jezgara sa većom energijom veze po nukleonu, odnosno bliže područjuu jezgara masenog broja 50 do 60, pa se u tim reakcijama oslobaña dodatna energija vezivanjaa atomskih jezgara. (slika 4.7). Slika 4.7. Zavisnost prosečne energije veze po nukleonu od broja nukleona u jezgru Nuklearne elektrane kao gorivo upotrebljavaju izotop urana U-235, koji je vrlo pogodan za fisiju. U prirodi se može naći uran sa više od 99% U-238 i samo oko 0,7% U Dok U-238 apsorbuje brze neutrone, U-235 se u sudarima sa sporim neutronima raspada na vrlo radioaktivne, fisijske produkte, a pri tom se oslobaña još brzih neutrona. Usporavanjem tih brzih neutrona u sudarima s molekulama teške vode, koja se pri tome 48

50 zagreva, ostvaruje se lančana reakcija. Osloboñena toplota jeste toliko željena energija. U nuklearnim reaktorima taj proces se dogaña sve vreme u strogo kontrolisanim uslovima. Atomska bomba rezultat je namerno izazvane prevelike koncentracije slobodnih neutrona, koji se tada sudaraju sa fisijski osetljivim atomima i na taj način ostvaruju nekontrolisanu eksploziju energije. 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 biće u formi tableta dugih oko dva i po centimetra. Jedna takva tableta može dati otprilike istu količinu energije kao i jedna tona uglja. Energija koja se oslobaña sudaranjem neutrona s uranom koristi se za zagrevanje vode. Ta voda (para) tada pokreće generator, a nakon toga treba je rashladiti i ponovo vratiti u reaktor. Za to je potreban stalan i veliki protok vode oko jezgra reaktora Primena nuklearne energije i radioaktivnih izotopa, posledice i zaštita Prilikom radioaktivnog raspada nekog elementa oslobaña se odreñena količina energije koja zahvata širok spektar od γ do toplotnog zračenja uz najčešće prisutno korpuskularno zračenje. Meñutim, ovi procesi ne mogu da se koriste za dobijanje energije. Za ovu svrhu daleko su povoljniji procesi fisije jezgra, koji se odvijaju reakcijom sa sporim termalnim peutronima pri kojoj kao produkti nastaju dva nova jezgra koja se obično nalaze bliže sredini periodnog sistema elemenata, 2 do 3 neutrona i energija O, kao na primer pri fisiji U-235: Ako se umesto sporih neutrona koriste brzi neutroni onda se dobijaju nova jezgra, odnosno dobijaju se veštački radioaktivni elementi, kao na primer reakcijom: u kojoj se iz U-238 dobija prelazno jezgro U-239, a iz njega neptunijum, koji kao radioaktivan sa kratkim vremenom poluraspada prelazi u plutonijum. Ovim tipom reakcije dobija iz Th-232 i U-233: Karakteristika izotopa U-233 i Pu-239 je da se termalnim neutronima podležu reakciji fisije, kao i U-235. Ako se precizno saberu mase nuklida sa leve i desne strane reakcije ustanoviće se neznatna razlika (defekt) mase na desnoj strani. Materija koja nedostaje je ustvari prevedena u energiju. 49

51 Slika 4.8. Prikaz lančane reakcije Kako se pri procesu fisije dobijaju 2 do 3 neutrona, oni će, nakon usporavanja, da bi imali energiju termalnih neutrona, izazvati fisiju novih jezgara U-235 (ili nekog drugog fisionog jezgra) kojih je veći broj. Zbog ovog se proces fisije odvija kao lančana reakcija, što je prikazano na slici. Lančana reakcija se odvija u atomskim bombama, ali se za korišćenje u nuklearnim elektranama ona mora da prevede u reakciju sa kontrolisanom brzinom fisije. To se postiže uvoñenjem u reaktorski sistem materijala koji apsorbuju odreñenu količinu neutrona, pa se proces u reaktoru, odvija kontrolisanom brzinom, a ne lančano. U ovom se krije osnovna mogućnost zagañivanja životne sredine, tj. prelaz iz kontrolisane fisije u nekontrolisanu, odnosno nastanak lančanog procesa koji može da dovede do nuklearnih eksplozija, manje ili veće snage. Meñutim, U-238 i Th-232 se ne raspadaju na lakše elemente pod dejstvom neutrona pa zato nisu pogodni za nuklearnu fisiju koja se koristi u nuklearnim elektranama, ali zato ova jezgra daju nova veštačka jezgra koja su pogodna za upotrebu ovih radioaktivnih elemenata ili za proizvodnju vojnog naoružanja. U prirodi se ne nalazi, kako se zna, čist U- 235 jer se prirodni uran sastoji od tri izotopa: U-234 (0,006%), U-235 (0,7%) i U-238 (99,3%). Pored toga prosečna rasprostranjenost urana u zemljinoj kori iznosi samo 1,1 atom na svakih 10 6 atoma silicijuma, dok u stenama to zavisi od njihove vrste i porekla Ekstrakcija urana iz ruda i priprema nuklearnog goriva Uran se u prirodi pojavljuje u nekoliko karakterističnih minerala od kojih su najrasprostranjeniji uraninit i pehblenda. Geološke sredine u kojima se nalazi uran su granitne stene ili sedimenti nastali raspadanjem ovih stena. Eksploatacija urana započinje kada se u ležištu urana nalazi nešto manje od 1000 ppm urana (oko 1 kg na tonu rude). Postupci kojima se uran ekstrahuje se svi svode na njegovu ekstrakciju hidrometalurškim putem. Tokom ove faze se dobija uranov koncentrat "žuti kolač". Specijalnim tehnologijama se nakon toga uran prečišćava i odvaja od nečistoća u obliku UF 6. Kako je tačka ključanja UF 6 na svega 56 C to se pare ovog jedinjenja unose u ultracentrifuge u kojima se usled razlike u masama delimično razdvajaju U(238)F 6 i U(235)F 6. Sakupljanjem gasa iz sredine 50

52 centrifuge dobija se smeša obogaćena sa U(235) od koje se pravi nuklearno gorivo neophodno za rad nuklearnih reaktora. Od prirodnog koncentracionog odnosa U(238) prema U(235) koji iznosi 99,3% prema 0,7% dobija se nov odnos 97% prema 3%. Daljim hemijskim postupkom se proizvodi UO 2 koji je sada obogaćen lakšim izotopom urana. Dobijeni UO 2 se sinteruje na 1700 C u tablete koje su pogodne za punjenje gorivih elemenata za nuklearne reaktore Kontrolisana fisija Kao nuklearno gorivo danas se najčešće koriste izotopi U - 235, Pu 239 i reñe U Pošto U nema u prirodi u dovoljnim količinama, zato se pribegava procesu obogaćivanja prirodnog urana, od samo 0,7% U - 235, do koncentracije ovog nuklida od 2 do 3,5%. Ostatak do 100% čini U Ovako obogaćen uran izotopom 235 koristi se za nuklearno gorivo. S druge strane Pu239 je veštački radioaktivni elemenat i nastaje prema gore prikazanoj jednačini, pa se zato može dobiti samo posebnim postupcima iz uranovog radioaktivnog otpada koji je iscrpljen u odnosu na izotop 235, ali obogaćen plutonijumom. Da bi radioaktivni raspad urana otpočeo potrebno je uran izložiti neutronskom zračenju sa brzim ili sporim neutronima. U se mnogo efikasnije destabilizuje pod dejstvom brzih neutrona, čija brzina iznosi oko km/s. Ovi neutroni na svom putu do uranovog jezgra često pretrpe niz elastičnih sudara i dospevaju u jezgro U kao srednje brzi neutroni, ali još uvek sa dovoljno energije koja je potrebna da se odigra nuklearna rekcija. Pod dejstvom sporih (termalnih) neutrona, čija brzina iznosi oko 2km/s, U se ne može aktivirati, jer se ovi neutroni lako odbijaju od jezgra ovog izotopa u elestičnin sudarima. S druge strane termalni neutroni su najpodesniji za fisiju U ili Pu Rasipanje neutrona, transformacija i fisija jezgra Zahvaljujući selektivnoj osetljivosti U na brzinu neutrona moguće je kontrolisati nuklearne procese u nuklearnom reaktoru, tako što se putem posebnih moderatora može favorizovati reakcija izmeñu sporih neutrona i U ili Pu 239 što ima za posledicu oslobañanje velike količine energije. Kontrolom nuklearnih procesa se može favorizovati i reakcija brzih neutrona sa U pri čemu se u stvari "proizvodi" Pu 239. Vrlo značajan problem u svakom nuklearnom reaktoru je uspostavljanje kontrolisane lančane reakcije. Ovo pre svega zavisi od količine urana i konstrukcije reaktora. Ako je koncentracija urana mala. a geometrija raspodele uranovih jezgara takva da je zapremina koju zauzimaju suviše velika, tada je aktivacija uranovih jezgara neutronima znatno umanjena, jer znatan broj neutrona ostaje neefikasan. Nasuprot tome moguće je odrediti najmanju masu U- 235 u okviru koje otpočinje nekontrolisana lančana reakcija, a koja se naziva "kritična masa" i iznosi oko 50 kg U-235. Ona zauzima zapreminu kugle prečnika 8,4 cm. Ukoliko se obezbede takvi uslovi da se neutroni koji se kreću u svim pravcima tako reflektuju da se ponovo usmeravaju na jezgra urana, kritična masa se može smanjiti. Jedini problem koji je preostao je kako započeti reakciju, tj. kako obezbediti onaj prvi neutron koji će poslužiti kao upaljač. Za tu svrhu koriste se posebni izvori neutrona koji se unose u reaktor, a koji služe kao upaljači lančanih reakcija. Logičkim rasuñivanjem se dolazi do prostog zaključka da se sa promenom gustine pakovanja urana u reaktoru može uticati na obim lančane reakcije, ili mnogo elegantnije, podešavanjem brzine neutrona može se uticati na efikasnost neutrona koji izazivaju lančanu reakciju. 51

53 Moderatori nuklearne reakcije U pricipu, pri cepanju jezgra urana emitiju se veoma brzi neutroni koji mogu efikasno da aktiviraju U-238, ali tek njihovim usporavanjem mogu biti korisni za pobuñivanje U-235 ili Pu 239. Potrebno je, zato, upotrebiti takve materijale koji mogu da uspore neutrone, tj. da preuzmu od njih dobar deo energije, a da ih sami ne apsorbuju. Takvi materijali se nazivaju moderatori. To moraju biti takvi materijali čija je masa slična masi neutrona, tako da se uz relativno mali broj sudara neutrona sa atomima ili molekulima tog materijala energija neutrona maksimalno može preneti na čestice moderatora. Za to su najpogodniji grafit, berilijum, teška voda (DHO, retko D 2 O) ili laka voda (H 2 O). Laka voda pored svoje sposobnosti da uspori neutrone ima i tu osobinu da apsorbuje spore neutrone koji reaguju sa atomima vodonika, pri čemu nastaje deuterijum. Empirijski je ustanovljeno da je najbolji način da se prevaziñe problem gubitka sporih neutrona usled apsorpcije povećanje koncentracije U-235 u prirodnom uranu. To povećanje je upravo ono koje se dobija procesom obogaćenja urana sa U na koncentracije od 2 do 3,5%. Time se zapravo povećava gustina U-235, a to znači da je i pored malog broja sporih neutrona efikasnost pobuñivanja fisije jezgra povećana. Za razliku od lake vode teška voda predstavlja idealan moderator, jer vrlo slabo apsorbuje neutrone, pošto već sadrži deuterijum koji skoro uopšte ne zadržava spore neutrone. Meñutim, proces dobijanja teške vode je veoma skup pa se iz tih razloga primenjuju i drugi moderatori. Eksperimentalno je utvrñeno da se nakon različitog broja sudara brzih neutrona dobijaju spori neutroni u različitim sredinama Regulacija lančanih reakcija apsorpcijom neutrona Suština primene moderatora se ogleda u održavanju konstantne brzine fisije. Ako se fisija odvija kontrolisano, onda se ona odvija diskontinualno u više serija ili nizova manjih lančanih reakcija. Tada se brzina fisije može predstaviti kao: količnik broja jezgara podleglih fisiji izazvanoj neutronima u okviru tekuće lančane reakije i broja jezgara podleglih fisiji u prethodnoj seriji (generaciji). Pomenuti količnik se još naziva "multiplikacioni faktor" i iznosi: Ukoliko je K = 1 tada je brzina procesa fisije konstantna, za K < 1 brzina se smanjuje, odnosno za K > 1 brzina se povećava. Na brzinu reakcije se može neposredno uticati sa brojem neutrona. Kako se pri svakom raspadu U-235 oslobaña 2 do 3 neutrona veoma je važno da se uklone oni neutroni koji čine višak. Apsorpcijom tih neutrona ili uticajem na njihovu brzinu dobija se manja frakcija neutrona koja će imati odgovarajuću brzinu, da ostaje efikasna u procesu pobuñivanja uranovih jezgara. Ovo se upravo postiže postavljanjem moderatora na put neutrona od izvora (uranovog atoma koji se upravo raspao) do cilja (neraspadnutog uranovog atoma). 52

54 Slika 4.9. Uloga moderatora u procesu usporavanja brzih neutrona izmeñu izvora (uranonog atoma koji se upravo raspao) i cilja (neraspadnutog uranovog atoma) 1) brzi neutroni; 2) spori neutorni Proces uklanjanja viška neutrona se odvija tako što srednje brze neutrone apsorbuje U-238, ili neki od elemenata koji je nastao raspadom uranovih atoma. Važnu ulogu pri tome igra i betonska oplata koja se nalazi oko reaktora kao zaštita od radioaktivnog zračenja. Pored toga se u reaktor, pored moderatora, unose posebni regulacioni štapovi, koji mogu da se postave izmeñu nuklearnih punjenja, a čija je namena isključivo da upijaju višak neutrona. Štapovi se prave od onih materijala koji imaju povećanu apsorpcionu moć u odnosu na neutrone (legure koje sadrže bor, indijum, srebro ili kadmijum). Pored ovih elemenata koriste se gadolinijum i disprozijum koji imaju izrazitu moć apsorpcije neutrona i u najvećem broju slučajeva uvek gase sve lančane reakcije, pa se zato nazivaju "otrovom za reaktore". Na koji način se koriste moderatori u sprezi sa regulacionim štapovima vidi se iz slike. Slika a) Početak rada reaktora (K > 1); regulatorski štapovi su izvučeni iz dela reaktora u kome se nalazi uranovo nuklearno punjenje b) Prekidanje rada reaktora (K < 1); regulatorski štapovi su potpuno uronjeni u moderator (D 2 O) i prekidaju širenje lančane reakcije 1) gorivi element; 2) moderator (npr. voda); 3) regulatorski štap (npr. B 4 S) Nuklearno punjenje reaktora Nuklearno punjenje reaktora se nalazi u takozvanim štapovima sa nuklearnom šaržom koji su uronjeni u fluid koji čini moderator. U taj fluid se mogu takoñe uroniti i regulatorski štapovi. Kada reaktor otpočinje da radi potrebno je uspostaviti odreñen stepen progresije lančanih reakcija bez prisustva regulatorskih štapova, dok reaktor ne postigne radnu temperaturu. Sve to vreme je K > 1 (slika a). Kada je radna temperatura uspostavljena u sistem se uranja odreñen broj regulacionih štapova, kojima se reguliše učestalost lančanih nuklearnih reakcija i doteruje do odreñene konstantne vrednosti tj. do K = 1. Tek kada reaktor 53

55 treba ugasiti u sistem se uranjaju svi regulacioni štapovi, čime se u potpunosti prekida slobodno kretanje neutrona u sistemu, koji su tada najvećim delom apsorbovani od strane poznatih apsorbujućih materijala, regulacionih štapova. Pri takvim uslovima nuklearna reakcija postepeno jenjava (K < 1) (slika b). U momentu kada započne lančana reakcija započinje i momentalno povećanje broja neutrona, i to u stomilionitom delu sekunde. Da nije moderatora ili regulacionih štapova proces bi se vrlo brzo okončao kao zastrašujuća nuklearna eksplozija. Meñutim, kontrolom procesa sve se odvija daleko sporije. Samo nekih 0,75% od ukupno osloboñenih neutrona tokom fisije se ostavlja da nesmetano nastave fisioni proces. Ono što se dešava u nekontrolisanom fisionom procesu u stomilionitom delu sekunde pod kontrolisanim uslovima traje puta duže, punih 20 sekundi. Ako se dalji proces tako nastavi da se tokom stvaranja svake nove generacije neutrona upotrebi samo 0,75% od ukupnog broja, uspostavlja se konstantna brzina fisije u reaktoru. Naravno sve ovo se postiže samo uz pomoć moderatora i regulacionih šipki. Regulacione šipke (štapovi) se najčešće pune kadmijumom i borom ili aluminijumom i borom (ova legura se naziva prosto boral), koji je u stanju da smanji fluks neutrona 10 puta sa debljinom sloja od samo 6,5 mm. Izotop bora B - 10 je veoma značajan, jer ima tu posebnu sposobnost da apsorbuje spore neutrone, a ta njegova osobina se zasniva na sledećoj nuklearnoj reakciji: Slika a) Uloga moderatora na nižim temparaturama: Gustina moderatora - vode je dovoljno velika da obezbedi dovoljan broj sudara sa neutronima. pri čemu oni gube od svoje brzine i dostižu optimalnu brzinu od oko 2 km/s, potrebnu za reakcju sa U b) Izgubljena uloga moderatora na povišenim tsmperaturama: Gustina moderatora je smanjena pa je zato smanjen i broj sudara imeñu brzih neutrona i molekula vode, tako da se neutroni ne mogu efikasno usporiti i zato nisu podesni za aktivaciju U ) moderator; 2) putanja neutrona 54

56 Kada je sistem pod potpunom kontrolom nekontrolisana fisija - nuklearna eksplozija unutar reaktora je fizički i tehnički nemoguća, zato što je sadržaj U u reaktoru ograničen, zato što je nuklearna šarža uronjena u vodu koja služi kao moderator i kao sredstvo za hlañenje i zato što su tu uvek prisutni apsorpcioni štapovi. Sa eventualnim povećanjem temperature u reaktoru, iznad predviñene, moderator postaje neefikasan, ali se zato apsorpcioni štapovi odmah stavljaju u akciju, ako je to potrebno, da bi se smanjio nivo aktivnosti reaktora i time postepeno smanjila temperatura. Na nižim temperaturama gustina moderatora (vode) je takva da uspešno usporava brze neutrone koji nastaju tokom fisije, do željenih brzina koje su odgovarajuće za aktivaciju atoma U-235 (slika 4.11.). Ako je temperatura povišena gustina moderatora je smanjena, produkcija sporih neutrona je redukovana (slika 4.11.) i nuklearna fisija jenjava - gasi se. Od preostalih brzih neutrona jedan deo je odmah apsorbovan od strane U Nuklearni reaktori Prema svojoj nameni nuklearni reaktori se dele na: nuklearne reaktore za proizvodnju električne energije kojih ima nekoliko tipova: (a) nuklearni reaktori sa uranovim punjenjem i sa vodom pod pritiskom, (b) nuklearni reaktori sa uranovim punjenjem i sa ključajućom vodom, (c) nuklearni reaktori sa uranovim punjenjem i sa uporednom proizvodnjom plutonijuma i (d) torijumovi nuklearni reaktori; nuklearni reaktori za naučnoistraživačke i obrazovne svrhe i nuklearni reaktori za proizvodnju radioaktivnih izotopa. Poznata je stvar da svaka nuklearna elektrana radi kao i svaka druga termoelektrana, s tim što se umesto konvencionalnih goriva kao što su ugalj ili nafta kod nuklearnih elektrana kao gorivo koristi nuklearno punjenje, koje tokom procesa fisije razvija ogromnu količinu toplote. Ovom prilikom biće govora samo o prvoj grupi reaktora koji se koriste samo za proizvodnju energije. Osnovni delovi svakog nuklearnog reaktora su: nuklearno punjenje, moderator, sredstvo za hlañenje i konačno oplata za zaštitu od zračenja. Pored toga postoje dva tipa reaktora u odnosu na nuklearno punjenje i moderator. Prvi tip je heterogeni reaktor, kod koga su nuklearno punjenje i moderator odvojeni, dok je drugi tip homogeni reaktor, kod koga su punjenje i moderator pomešani u okviru čvrste faze. Kao tipičan primer heterogenih reaktora može poslužiti nuklearni reaktor koji koristi kao moderator običnu vodu. Reaktori sa vodom pod pritiskom Glavna karakteristika ovog reaktora je da se sastoji od dva zatvorena kružna sistema. Primarni koji čini reaktor u kome se čista (dejonizovana) voda koristi kao moderator i kao sredstvo za hlañenje nuklearne šarže, a koja se nalazi na dovoljno visokom pritisku, od oko 158 bara tj. 15,8 MPa, da ne bi proključala s obzirom da je temperatura u sistemu oko 316 C, koliko je npr. u elektrani Štade koja je ovog tipa. Ovaj sistem je izvan reaktora povezan preko toplotnog izmenjivača (generatora pare) sa spoljnim, sekundarnim, kružnim sistemom, koji je takoñe ispunjen vodom, a u okviru koga se u toplotnom izmenjivaču proizvodi vodena para, koja se potom šalje na turbine generatora za proizvodnju električne energije. Voda iz reaktora se vraća u njega na temperauri od oko 288 C. Mali pad temperature od T 2 = 316 C do T,= 288 C ukazuje na relativno malo termodinamičko iskorišćenje primarnog sistema svega 4,9%, ali to se nadoknañuje izuzetno velikom cirkulacijom vode u primarnom sistemu. 55

57 Vodena para koja proñe kroz turbine odlazi u kondenzator, koji je još uvek sastavni deo sekundarnog zatvorenog sistema, a koji se hladi vodom iz spoljašnje sredine, obično vodom iz reke. Vrlo značajno je to da se i u sekundarnom sistemu voda nalazi pod pritiskom od 52 bara (5,2 MPa) što znatno umanjuje mogućnost da primarni sistem "procuri", i na taj način zagadi sekundarni sistem radioaktivnim supstancijama i produktima radioaktivnog raspada. Unutar spoljnjeg sistema, sistem vodena para - voda na pomenutom pritisku radi u okviru temperturnog intervala od 265 C (temperature vodene pare) do 207 C (temperatura vode). Interesantno je napomenuti da je za kondenzovanje vode u kondezatoru sekundarnog sistema u temoelektrani Štade potrebno tona vode na sat, a što se može dobiti samo iz velikih reka. Za regulacione štapove u reaktoru koristi se legura srebra, indijuma i kadmijuma koja je veoma efikasan apsorber neutrona i zato se koristi za brze i efikasne promene fluksa neutrona, dok u slučajevima kada brze promene nisu potrebne u vodu primarnog sistema se ubacuje borna kiselina sa izotopom B 10. Nuklerno punjenje u ovoj nuklearnoj elektrani se nalazi u sudu od specijalnog čelika čija je debljina 20 cm, a pomenuti sud se nalazi u sigurnosnom sudu dvostrukih zidova o kome će kasnije biti nešto više reči. Slika Nuklearni reaktor koji kao toplotni izmenjivač izmeñu nuklearnog punjenja i spoljašnje sredine koristi vodu pod pritiskom. 1.Rektorski sud. 2.Elementi sa nuklearnim punjenjem, 3..Regulacioni štapovi. 4.Pokretači regulacionih štapova. 5.Regulator pritiska. b.toplotni izmenjivač -generator pare. 7.Pumpa primarnog kružnog sistema. 8.Para, 9. Kondenzovana voda iz sekundarnog kružnog sistema, 10.Parna turbina - deo za visoke pritiske. P.Parna turbina - deo za niske pritiske. 12.Elektrogenerator, 13.Pokrstač generatora, 14.Kondenzator, 15.Reka. 16.Pumpa za vodu sekundarnog kružnog sistema. 17.Ureñaj za predgrevanje vode, 18.Betonska zaštita, 19. Pumpa za rečnu vodu. Elektrana sa nuklearnim reaktorom sa vodom pod pritiskom je danas najrasprostranjeniji i najpovoljniji model nuklearne elektrane, jer ima za sada najbolje razvijen sistem osiguranja i zaštite. Na žalost nema podataka koliko ovakve nuklearne elektrane utiču na promenu lokalne klime, s obzirom da bez sumnje zagrevaju vodu reka što utiče na floru i faunu koja ih okružuje. Reaktori sa ključajućom vodom Ova vrsta reaktora se po svojoj konstrukciji razlikuje od prethodnog u jednom bitnom detalju, a to je da ne postoje primarni i sekundarni sistem prenosa toplote, već postoji samo 56

58 jedan jedinstven sistem, koji je šematski prikazan na slici. Nuklearna elektrana iz Brunsbitela na Elbi (Nemačka) će posluži kao konkretan primer. Kao gorivo se i ovde koristi urandioksid, pri čemu su gorivi elementi u obliku štapova koji su do dve trećine uronjeni u vodu, koja cirkuliše odozdo naviše i u kontaktu sa gorivnim elementima prelazi u gasnu fazu. Temperatura vodene pare iznosi oko 286 C na pritisku od 71 bara i kao takva se odmah sprovodi na gasnu turbinu elektrogeneratora. Generator nuklearne elektrane u Brunsbitelu ima snagu od 806 MW pri naponu od 27 kv. Nakon prolaska kroz turbine vodena para se kondezuje uz pomoć hladne vode, koja se dovodi u kondenzator iz Elbe i to u količinama od m 3 na sat. Kondezacija vodene pare u sistemu ima za posledicu da je pritisak neposredno iza turbine znatno niži, i tek tada se ta voda može prečišćavati odgovarajućim postupcima. Nakon ove faze voda se ponovo zagreva na 215 C i potom ponovo ubrizgava pumpama u reaktor. Termodinamički gledano iskorišćenje u ovom sitemu iznosi 14,55%. Materijal za regulatorske štapove je bor-karbid (B 4 C), a štapovi se unose u sistem i iznose iz sistema uz pomoć elektromotora, u normalnim situacijama kada je potrebno samo regulisati aktivnost reaktora. Za potrebe brzog gašenja koristi se hidraulični sistem, koji momentalno reaguje i ubacuje regulacione štapove u reaktor izmeñu elemenata sa nuklearnim gorivom. Ovakva vrsta reaktora je zastarela, jer je mnogo neprikladnija od prethodne vrste. Zaštita od eventualnog zagañivanja radioaktivnim supstancijama zahteva preduzimanje posebnih mera zaštitite, kako samog raektora tako i mašinske hale sa generatorom i kondenzatorom. Posebna betonska oplata, ojačana za svaku vrstu eksplozije ustvari obuhvata celu nuklearnu elektranu. Iz tih razloga ovakva vrsta nuklearnih elektrana se više ne gradi, jer reaktor i turbine stoje u neposrednoj vezi preko vodene pare i vode u zajedničkom sistemu. Slika Nuklearni reaktor koji kao toplotni izmenjivač izmeñu nuklernog punjenja i spoljašnje sredine koristi ključalu vodu. 1. Reaktorski sud, 2. Elementi sa nuklearnim punjenjem, 5. Regulacioni štapovi. 4. Pokretači regulacionih štapova, 5. Pumpe za mešanje vode u reaktorskom sudu. 6. Para. 7.Kondenzovana voda, 8.Parna turbina - deo za visoke pritiske, 9.Parna turbina - deo za niske pritiske, 10. elektrogenerator. 11. Pokretač generatora. 12. Kondenzator, 13. Rečna voda, 14. Ureñaj za predgrevanje vode, 15.Pumpa za vodu, 16. Pumpa za rečnu vodu, 17. Betonska zaštitna oplata. Reaktori sa brzim neutronima - reaktori sa tečnim natrijumom Za razliku od prethodnih vrsta nuklearnih reaktora koji rade samo sa U -235, reaktori koji rade na povišenoj temperaturi mogu da koriste U - 238, koji se pod dejstvom brzih neutrona prevodi u Pu 239. On služi kao sirovina za vojnu industriju ili kao gorivo u reaktorima sa brzim neutronima. Da bi se ova dva procesa odvijala - nuklearna sinteza Pu i 57

59 zatim "sagorevanje" Pu, reaktor sa brzim neutronima se sastoji iz dve zone, unutrašnje koja se sastoji od nuklearnog punjenja sa 80% UO 2 i 20% PuO 2, i koja prvenstveni služi kao nuklearno gorivo i spoljašnje zone, koja se sastoji iz istrošenog nulearnog goriva u kome preovlañuje U gde se pod dejstvom brzih neutrona uran prevodi u plutonijum. Ovakvi reaktori uvek proizvode više plutonijuma nego što se on može potrošiti u nuklearnim elekranama. Višak Pu može da se koristi u vojne svrhe, ali ni tamo ne mogu da se utroše sve raspoložive količine. Na slici prikazana je razlika izmeñu reaktora sa vodom i reaktora sa brzim neutronima. U prvom slučaju reaktor radi u temperaturnom intervalu od 288 C do 316 C pri čemu se hladi sa vodom pod pritiskom od 155 bara. U drugom slučaju reaktor radi u temperaturnom intervalu od 377 C do 546 C i hladi se sa tečnim natrijumom pod pritiskom od 10 bara. Kod reaktora sa brzim neutronima koncentracija nuklearnog goriva (20% Pu) mora biti dovoljno visoka s obzirom da je efikasnost brzih neutrona izazovu nuklearnu reakciju znatno manja nego kod sporih neutrona. Zato su vrste reaktora mnogo kompaktnije grañene i sadrže do 10 puta veće koncentracije nuklearnog goriva nego obični reaktori koji se hlade vodom. Veoma važna informacija, do koje se došlo laboratorijskim eksperimentalnim putem, je da se u reaktoru sa brzim neutronima na svakih 100 raspadnutih atoma Ri u unutrašnjoj zoni može proizvesti 115 atoma Ri u spoljašnjoj zoni. Ovaj višak dobijenog plutonijuma se zatim može upotrebiti u reaktorima sa vodom. Meñutim ovo nije praktično moguće s obzirom da se u svakom procesu ekstrakcije Ri pojavljuju gubitci, tako da je realan stepen iskorišćenja nuklearnog goriva drukčiji. Kod reaktora sa vodom ukupno ikorišćenje urana iznosi samo 1% dok se u reaktoru sa brzim neutronima iskoristi oko 60% od početne količine urana. Šematski prikaz reaktora sa brzim neutronima dat je na slici 5.11, a kao podloga za egzaktne podatke poslužiće nam reaktor u Kalkaru na Rajni (Nemačka). 58

60 Slika Osnovne karakteristike reaktora sa brzim neutronima i klasičnog reaktora sa vodom Kako se iz slike vidi sistem se sastoji od kompaktnog reaktora sa plutonijumskim gorivom koji se hladi u primarnom krugu sa tečnim natrijumom, sa ulaznom temperaturom od 377 C i izlaznom temperaturom od 546 C. Čist natrijum se topi na 98 C, a ključa na 883 C. S obzirom da je napon pare natrijuma u tom temperaturnom intervalu nizak dovoljan je pritisak u sistemu od samo 12 bara. Toplota koju je natrijum preuzeo iz reaktora predaje se preko toplotnog izmenjivača sekundarnom natrijumovom krugu, a ovaj dalje prenosi toplotu tercijernom krugu koji je ispunjen vodom. U njemu se proizvodi vodena para sa temperaturom od 495 C koja se dalje šalje na turbine, potom kondezuje u kondenzatoru koji se rashlañuje vodom iz reke Rajne. Trostepen prenos toplote je jako skup ali je i neophodan zbog nuklearne reakcije izmeñu - 23 i neutrona: pri čemu nastaje radioaktivni Na - 24, koji R raspadom prelazi u Mg Sasvim je jasno da radioktivni natrijum može nastati samo u primarnom krugu hlañenja, već u sekundarnom krugu to nije moguće. S druge strane, ako doñe tehničkog kvara u toplotnim izmenjivačima radiokativni natrijum nikako ne može da doñe u kontakt sa vodom i na taj način prodre u spoljašnju sredinu u ovakvoj vrsti reaktora se moraju koristiti regulacioni štapovi, primer od bor-karbida (B 4 C) s obzirom da bor ima veoma visoku apsorcionu moć u odnosu na neutrone. 59

61 Slika Nuklearni reaktor sa brzim neutronima hlañen sa natrijumom. 1.Rektorski sud. 2.Elementi sa nuklearnim punjenjem (zona fisije). 3. Elementi sa nuklearnim punjenjem (zona proizvodnje plutonijuma), 4. Regulacioni štapovi, 5. Pumpe za tečnim natrijumom, 6. Primarni sistem sa tečnim Na, 7. Toplotni izmenjivač, 8. Sekundarni sistem sa tečnim Na, 9. Pumpa za tečnim natrijumom. 10. Generator pare. 11. Tercijerni krug sa vodom i vodenom parom. 12. Sistem za predgrevanje vode, 13. Pumpa za vodu, 14. Kondenzator. 15. Rečna voda za hlañenje; 16. Parna turbina - deo za visoke pritiske, 17. Parna turbina - deo za niske pritiske. 18. Elektrogenerator, 19. Pokretač generatora, 20. Pumpa za rečnu vodu. 21. Krug sistema za hlañenje rečnom vodom. 22. Toranj za hlañenje vodom, 23. Vazdušna strujanja. Torijumov reaktor Slika nuklearno gorivo u grafitnim kuglama. 1.grafitna ljuska; 2.slojevite fisione kuglice, ugljenični sloj Ovo je reaktor koji radi na najvišoj temperaturi. Reaktor sa vodenim hlañenjem radi na 330 C, reaktor sa natrijumskim hlañenjem na 550 C, a ovaj poslednji radi na 750 C. Torijumov reaktor kao sredstvo za hlañenje koristi gas helijum, a kao gorive elemente grafitne kugle 60

62 prečnika 6 cm, ispunjene sa 1 g U i 10 g Th u obliku oksida ili karbida, kao čestica veličine 0,5 do 0,7 tt. Nekih ovakvih čestica nalazi je u jednoj grafitnoj kugli (slika 4.16.). Pod dejstvom sporih neutrona dolazi do raspada U - 235, i do transformacije Th u U koji se zatim takoñe raspada na elemente produkte. Slika Šema visokotemperaturnog torijumovog reaktora. 1.Rektorski sud sa ThO 2 - grafitnim kuglama. 2. Grafitni reflektori neutrona. 3. Giozdena zaštitna oplata, 4. Generator pare, 5. Pumpa za hladan gas. 6. Zaštita od armiranog betona, 7. Regulacioni štapovi, 8. Otvor za odvod kugli sa gorivom. 9. Otvor za dovod kugli sa gorivom, 10. Gas za rashlañivanje (helijum), 11. Čelična hermetična oplata betonskog zaštitnog sloja. 12. Vodena para. 13. Sistem za predgrevanje vode, 14. Pumpa za vodu, 15. Parna turbina - deo za visoke pritiske. 16. Parna turbina - deo za niske pritiske. 17. Elsktrogenerator. 18. Pokretač generatora. 19. Kondenzator, 20. Krug sistema za hlañenje rečnom vodom, 21. Pumpa za rečnu vodu. 22. Kula sa vazdušnim rashladnim sistemom, 23. Vazdušna strujanja. Kao moderator u torijumovom reaktoru koristi se grafit, a kako su moderator, nuklearno gorivo i proizvedeni U u jednoj fazi, to se ovaj generaor naziva još i homogeni reaktor. Za primer će poslužiti torijumov visokotemperaturni reaktor u Ham- Utentropu na reci Lipi koja se uliva u Rajnu (Nemačka). U kućištu reaktora ima oko kugli od kojih je gorivnih elemenata i čistih grafitnih kugli kao dodatnog moderatora i oko kugli koje sadrže bor kao apsorciono sredstvo za neutrone. Samo kućište reaktora prečnika 5,6 t i visine 6 t se sastoji od grafitnih blokova koji služe kao reflektori za neutrone, dok je celo kućište zaštićeno gvozdenom oplatom radi zaštite okoline od γ radijacije. Ceo reaktor je smešten u jedan veliki čelični sud ojačan betonom debljine 4,5 do 5 t i u sebi sadrži i toplotne izmenjivače, u kojima se voda pod pritiskom prevodi u paru pod dejstvom zaista vrelog helijuma. Temperatura helijuma na ulazu u grafitno kućište iznosi samo 250 C, ali za to pri izlazu iznosi 750 C. Regulacioni štapovi sadrže bor karbid. Značajno je pomenuti da se tokom rada dnevno troši oko kugli, od kojih je oko 620 kugli sa nuklearnom šaržom. Kugle se svremena na vreme mešaju i vade iz reaktora. Vek upotrebe ovakvih kugli je u proseku 3 godine, i za to vreme svaka kugla proñe kroz reaktor 3 puta. Interesantno je naglasiti da je kod ovog tipa reaktora razvijen zatvoren sistem za hlañenje. U takvom sistemu kondenzator za paru dolazi odmah iza turbina elektrane, gde vodena para prelazi u vodu i vraća se natrag u toplotne izmenjivače reaktora. Kondenzatori se hlade posebnim i odvojenim sistemom sa vodom koji je takoñe zatvoren. Voda iz tog sistema 61

63 se hladi u kuli sa vazdušnim hladnjacima, tako da ceo reaktorski sistem nije neposredno povezan ni sa jednom rekom Pouzdanost opisanih vrsta nuklearnih reaktora Kada se svedu podaci o svim vrstama reaktora u nuklearnim elektranama: a) reaktor sa ključalom vodom, b) reaktor sa vodom pod pritiskom, c) reaktor sa brzim neutronima za proizvodnju plutonijuma i d) torijumov visokotemperaturni reaktor, neophodno je dati neke važne komentare. Reaktori sa ključalom vodom su zastareli reaktori - najprimitivnije su grañeni. U ovakvim reaktorima voda i vodena para u krugu za hlañenje predstavlja neposrednu vezu sa reaktorskom posudom i turbinama u elektrani. Svaka veća havarija predstavlja veliki rizik da se radioaktivne supstancije relativno lako probiju izvan reaktorskog suda, što je pre svega omogućeno konstrukcijom ovakvih reaktora. To znači da su ovakvi reaktori samim tim i najopasniji po čoveka i životnu sredinu. Reaktori sa vodom pod pritiskom su reaktori koji su najviše prihvaćenu u svetu i koriste se samo za proizvodnju toplotne i električne energije. Konstrukciono su tako napravljeni da se primarni rashladni sistem za reaktor nalazi, zajedno sa reaktorskom posudom, u betonskoj grañevini u kojoj je smešten reaktor. Uz pomoć toplotnog izmenjivača povezuju se primarni i sekundarni sistem sa vodom, čime se fizički razdvajaju sistm za hlañenje reaktora i sistem za pokretanje parnih turbina. Po pitanju bezbednosti i zaštite životne sredine ovi reaktori spadaju u grupu najprihvatljivijih. Reaktori sa brzim neutronima su skupi reaktori i proizvode energiju kao sekundarni proizvod, a prvenstveno se koriste za proizvodnju plutonijuma koji se, na žalost, upotrebljava za proizvodnju nuklearnog naoružanja. Osnovni razlog zašto ovi reaktori rade su nehumani pa su samim tim šeteni za prirodu i čoveka. S druge strane plutonijum koji se dobija u takvim reaktorima je izuzetno otrovan. Meñu onima koji se susreću sa ovim metalom vlada mišljenje da su doze plotonijuma kao toksičnog elementa, ne kao radiokativnog elementa, već letalne u koncentracijama koje se izjednačavaju sa granicom detekcije mnogih klasičnih analitičkih metoda. Torijumovi reaktori su malo rasprostranjeni, mada se i oni koriste za proizvodnju energije. Podaci o njima su realtivno skromni tako da se danas malo zna u široj javnosti koliko je rizično raditi sa njima. U svetu je do sada izgrañeno preko 430 nuklearnih elektrana, najviše u SAD (109), zatim u Francuskoj (57), Japanu (48), Britaniji (35), Rusiji (29), Kanadi (22), Nemačkoj (21) i u nekim drugim zemljama [79]. Nema evidencije koliko je svaka do sada proizvela nuklearnog otpada. Meñutim, ako se kaže da je u prvoj aproksimaciji kapacitet svake od 30 do 100 I, tj. u proseku oko 65 1 nuklearnog goriva, i pošto se zna da nuklearno gorivo traje u proseku oko 3 godine, a činjenica da svaka nuklearna elektrana može pouzdano da radi oko 30 godina i nakon toga se mora ugasiti, onda ovih 430 nuklearnih elektrana posle 30 godina rada za sobom ostavlja nešto manje od najopasnijeg visokoradioaktivnog otpada koji se može danas naći na planeti Zemlji. Posledica rada nuklearnih elektrana sa reaktorima za proizvodnju plutonijuma je da se danas na našoj planeti nalazi preko kd plutonijuma, a očekuje se da se krajem veka nañe oko kd. Uz to mnogi problemi sa odlaganjem nuklearnog otpada i sanacijom ugašenih nuklearnih elektrana još uvek nisu rešeni u svetu, niti se neko uspešno rešenje nazire u skorijoj budućnosti. Sva postojeća rešenja su privremena i izuzetno skupa. 62

64 Iako se naša zemlja trenutno ne nalazi meñu zemljama korisnicama nuklearne energije Černobiljska katastrofa nedvosmisleno ukazuje na činjenicu da se potencijalna opasnost ne zaustavlja na granicama zemalja koje koriste nuklearnu energiju, već ta opasnost jednako preti i onima koji tu enerju ne koriste. Poznavanje ovih tehnologija za proizvodnju energije i svih posledica koje eventualno mogu da nastupe tokom korišćenja nuklearne energije, jako mnogo pomaže da se bolje štitimo ili blagovremeno reagujemo na sve ono što ugrožava čoveka ili životnu sredinu a potiče od radioaktivnosti i radioaktivnih procesa Izvori radioaktivnog zračenja i načini zaštite U svakoj nuklearnoj elektrani pojavljuju se tri osnovna izvora radioaktivnog zračenja. Prvi je fisija urana pri čemu se emituju neutroni i d zračenje: Neutroni i γ zračenje imaju veoma veliku prodornu moć tako da je neophodno postaviti vrlo efikasne barijere koje su u stanju da ove vrste zračenja apsorbiju. Druga vrsta zračenja nastaje kao posledica aktivacije stabilnih elemenata, pre svega neutronima, od kojih je izgrañen reaktor, na primer, Fe i Ca u rashladnom sistemu reaktora, betonu, gvozdenoj oplati i dr. pri čemu je vreme poluraspada za Fe ,6 dana, a za Ca dana. Treći izvor zračenja su sami produkti radioaktivnog raspada urana, koji su i sami nestabilni pa se dalje sami raspadaju, na primer: Zahvaljujući ovim reakcijama, emitovano zračenje pri nuklearnoj fisiji urana višestruko je umnoženo i zahteva posebne mere predostrožnosti tokom izgradnje jedne nuklearne elektrane. Da bi se uopšte moglo razgovarati o zaštiti potrebno je prethodno 63

65 naglasiti koje je vrste nuklearna elektrana, pa ako je to do danas najrasprostranjeniji model: nuklearna elektrana sa vodom kao moderatorom i sredstvom za hlañenje reaktora, tada se može govoriti o tačno predviñenoj vrsti zaštite Zaštita od mogućnosti izlaska radioaktivnih supstancija iz reaktora Slika Zaštita okoline od nuklearnog reaktora postavljanjem višestepenih barijera..nosač gorivih elemenata; 2.Košuljica gorivnog elementa; 3.Reaktorski sud; 4.Sigurnosni sud; 5.Sistem za podpritisak; b.biološki štit; 7.Reaktorska zgrada Sve zaštitine barijere koje okružuju nuklearni reaktor imaju dve osnovne funkcije. Prva je da spreče izlazak radioaktivnih materija u spoljašnju sredinu, a druga je da spreče prodor radioaktivnog zračenja izvan reaktora. Radioaktivno α i β zračenje ima vrlo veliku energiju, ali na sreću veoma malu prodornu moć. Tako pri raspadu urana brzina α čestice iznosi oko cm/s, a dužina puta u vazduhu od 3 do 8 cm. (3 čestica ima srednju brzinu oko cm/s, a domet oko 100 puta veći nego α čestica, dok γ zraci čija je talasna dužina od oko 10-8 do cm imaju izrazitu prodornu moć i, grubo rečeno, imaju više od puta veću prodornu moć nego te čestice. Zahvaljujući ovim osobinama α i β čestice se mogu vrlo efikasno apsorbovati u vodi koja služi kao moderator i kao rashlañivač u reaktoru. S druge strane γ zrake apsorbuje čelični sud u kome se nalazi nuklearno punjenje i to vrlo efikasno. Samo deo od primarnog zračenja prodre izvan suda koji je utopljen u 2 t debeo armirani beton, koji apsorbuje preostalo zračenje iz reaktora. I pored svega ovoga zaštita otpočinje od samog štapa sa gorivom u kome su smeštene tablete radioaktivnog materijala. 64

66 Gorivi elementi i šipke sa nuklearnim gorivom Slika Izgled i konstrukcija gorivog elementa U današnje vreme u reaktorima sa lakom vodom skoro uvek se koristi kao nuklearno gorivo U Kako je njegova koncentracija u prirodnom uranu samo 0,7% to je neophodno sprovesti proces obogaćenja prirodnog urana, sa ciljem da se postigne takva koncentracija ovog izotopa koja će biti dovoljna da se odvija kontrolisan proces fisije pod dejstvom sporih neutrona. Priprema goriva za nuklearni reaktor je opisana, a smeštaj nuklearnog goriva u gorivne elemente dat je na slici a, b i c. Gorivi elementi su načinjeni od veoma otporne cirkonijumove legure koja ima veoma malu apsorcionu moć u odnosu na spore neutrone, ima izrazito visoku tačku topljenja i vrlo je čvrsta. Gorivni elementi su kvadratnog preseka, iz jednostavnog razloga zato što se tako lakše pakuju u reaktor i što to omogućava konstrukciju koja je pogodna za brzo i efikasno strujanje vode kao rashlañivača i moderatora. Iako temperatura vode pod pritiskom u reaktoru ne prelazi temperaturu od oko 330 C, temperaura u štapovima gorivnih elemenata može da 65

67 dostigne u izuzetnim slučajevima i vrednost od 2200 C. Ova temperatura je samo 300 C niža od tačke topljenja UO 2 koja iznosi 2500 C. Nuklearna elektrana u Brunsbojtlu (Nemačka) ima u reaktoru punjenje od oko 98 t UO 2, a nuklearna elektrana u Krškom (Slovenija) punjenje od oko 56 t goriva. Prosečan vek punjenja iznosi oko 3 godine, što znači da se za to vreme utroši glavni deo U i njegova koncetracija sa početnih 3,1 % pada na oko 0,8 %. Zaostali materijal predstavlja dobrim delom nuklearni otpad, iz koga se doduše može još ekstrahovati plutonijum. Slika (a) Izgled i konstrukcija gorivih elemenata: (b) šematski izgled štapa sa nuklearnim gorivom i (c) fotografija gorivog elementa..otstojnik; 2.Spiralna opruga; 3.Prostor za fisione gasove; 4.Gasno-nepropusna košuljica od legure cirkonijuma; 5.Rashladno sredstvo; 6.Zatvarač Reaktorski sud Reaktorski sud se pravi od čelika i ima znatne dimenzije. Tako na primer, reaktor sa ključalom vodom u Brunsboitelu (Nemačka) ima dimenzije: 21 m visina i 5,6 m prečnik, pri čemu su zidovi debeli 14 cm. Zato ne iznenañuje podatak da je prazan reaktorski sud težak oko 550 t Pored ove primarne zaštite reaktora postoji i betonska zaštita koja okružuje reaktorski sud. Ova betonska zaštita je od posebnog značaja jer štiti celokupni biološki svet od opasnog γ zračenja. Kod ovako velikih sistema nije isključena mogućnost da tokom upotrebe, na primer, prilikom zamene nuklearnog goriva, može doći do popuštanja zaptivača ili oštećenja cirkonijumske košuljice štapova sa gorivom, tako da jedan manji deo radioaktivnih supstancija može dospeti i u sistem za hlañenje. Ovo se može brzo i lako detektovati tako da se odmah preduzima sve da se tečnost za hlañenje očisti od radioaktivnih zagañenja i korozionih produkata, ali zato betonsko kućište ne dopušta ni u takvim slučajevima da se radioaktivno zračenje probije u spoljašnju sredinu Čišćenje zagañene vode i gasa Prilikom normalnog rada nuklearne eketrane razvijaju se gasovite, tečne i čvrste radioaktivne supstancije koje se svrstavaju u radioaktivni otpad. Od ukupnog otpada koga čine oko 200 različitih supstancija 20% čine gasne supstancije, pretežno plemeniti gasovi. Uz ove gasove moraju se priključiti i nastali radiokativni gasovi iz betonskog kućišta, reakcijom izmeñu gasova vazduha i sporih neutrona, koji su prodrli kroz metalni reaktorski sud. Meñu 66

68 svim tim gasovima najopasniji su Xe i Kr - 85 koji se moraju obavezno odstraniti. Lako isparljivi i izrazito mobilni elementi kao I, Rb i Cs takoñe čine sastavni deo zagañenih fluida. Zato se vrši neophodno čišćenje fluida pomoću jonoizmenjivačkih smola, gasnih filtera za prašinu i aktivnog uglja. Nakon te faze fluidi se posebnim postupkom zadržavaju u specijalnim sudovima sa ciljem da "sačekaju" da se okončaju svi radioaktivni raspadi kratkoživećih radioaktivnih nukleida, koji su zaostali nakon čišćenja. Pa i pored svih predostrožnosti u vazduh u prostorijama nuklearne elektrane ipak dospe jedan mali deo ovih supstancija kao radioaktivni gasovi ili kao aerosol. Stoga su postavljena zakonska ograničenja koja govore koliki je dozvoljen aktivitet radioaktivnih supstancija u atmosferi radnih prostorija nuklearne eketrane. Te vrednosti iznose za radiokativni He i Kg 1,48*10 15 Bq/godišnje, za radioaktivne nukleide u aerosolu 1,48*10 10 Bq/godišnje i 7,4*10 9 Bq/goodišnje za radioaktivni jod (I-131). Ovako prečišćeni fluidi mogu se ponovo upotrebiti ili pustiti u spoljašnju sredinu Sigurnosni sud Na slici se vidi da je reaktor obmotan sa nekoliko slojeva meñu kojima sigurnosni sud ima vrlo važnu funkciju. Sigurnosni sud sa reaktorom nalazi se u betonskom kućištu sa dvostrukim betonskim zidovima, izmeñu koji vlada snižen pritisak. Razlika pritisaka u sigurnosnom sudu i izmeñu duplih zidova sigurnosnog kućišta služi kao efikasna zaštita reaktora. Na slici a upravo je prikazan šematski odnos pritisaka u sigurnosnom sudu, izmeñu dvostrukih zidova sigurnosnog kućišta i reaktorske zgrade. Na slici 4.21.b prikazana je unutrašnjost reaktorske zgrade koja je tako grañena da sama predstavlja sigurnosni sud za reaktor i toplotni izmenjivač nuklearne eketrane sa vodom pod pritiskom. Slika c prikazuje šematski nuklearnu elektranu sa reaktorom za ključalu vodu, iz koje se vidi gde i kako je ugrañen sigurnosni sud u nuklearnu elektranu. Zapravo kod svih vrsta reaktora postoji sistem zaštite, s tim što su oni tehnički i grañevinski različito izvoñeni za nuklearne elektrane koje su zidane u različita vremena. Zato se sitemi za zaštitu od havarija u nuklearnim elektranama razlikuju u detaljima. Slika (a) Šematski prikaz sigurnosnog suda sa dvostrukim zidom i odnos pritisaka u sudu, izmeñu zidova suda i reaktorske zgrade. (b) Postrojenja unutar sigurnosnog suda 1.Atmosfesra; 2.Rekatorska zgrada; 3.Zaptivne obloge; 4.Strujanje vazduha u pravcu nižeg pritiska; 5.Sigurnosni prostor. Pritisak za 10 hpa manjii od spoljašnjeg; 6.Sigurnosni sud 67

69 Slika (c) Šematski prikaz nuklearne elektrane sa reaktorom za ključalu vodu iz koje se vidi gde i kako je ugrañen sigurnosni sud. 1. Turbina. 2. Kondenzator, 3. Meñugrejač. 4. Generator, 5. Sigurnosni sud. 6. Reaktorski sigurnosni sud. 7. Cirkulaciona pumpa. 8. Sud za odlaganje gorivnih elemenata, 9. Skladište, 10. Postrojenje za zamenu gorivih elemenata. 11. Ventilacioni odžak. 12. Zgrada sa dizel agregatima. 13. Radionica. Kako gas uvek teži da prelazi iz suda sa većim pritiskom u sud sa nižim pritiskom to je sasvim jasno da će gas težiti da prodre, ukoliko se ukažu ma kakve pukotine, iz sigurnosnog suda u meñu prostor dvostrukih zidova sigurnosnog kućišta. U meñu prostoru dvostrukih zidova sigurnosnog kućišta vazdušni pritisak je znatno niži od onog koji vlada u sudu i od onog u reaktorskoj zgradi. Pored toga pritisak u reaktorskoj zgradi je uvek niži od spoljašnjeg, tako da nikad ne može da doñe do slobodnog strujanja vazduha iz reaktorske zgrade u atmosferu. Ako je pritisak u sigurnosnom sudu sa reaktorom 1 bar, kao i u spoljašnjoj sredini, onda u reaktorskoj zgradi pritisak mora biti oko 0,7 mbara niži, a u meñuprostoru dvostrukih zidova sigurnosnog kućišta oko 10 mbara niži od atmosferskog pritiska. Ovo potvrñuje sve što je do sada rečeno tj. da je strujanje vazduha usmereno iz spoljašnje sredine u reaktorsku zgradu, odnosno iz reaktorske zgrade ili sigurnosnog suda u meñu prostor dvostrukih zidova sigurnosnog kućišta. Ovakav način zaštite omogućava sigurno i nesmetano prečišćavanje vazduha iz meñuprostora dvostrukih zidova sigurnosnog kućišta, ako se za to ukaže potreba. Naravno da ovakva vrsta zaštite zahteva i sistem dvostrukih vrata u komunikaciji izmeñu reaktorske zgrade i ostalih delova nuklearne elektrane, kao i niz drugih predostrožnosti koje se podrazumevaju kod izgradnje ovakvih objekata, a za šta ovde nema dovoljno mesta da bi se sve u detalje objasnilo Rad sistema za hlañenje u slučaju opasnosti Opasnosti koje prete prilikom nekontrolisanog rada nuklearne eketrane su velike, ali srećom dobrim delom predvidive. Jedan od mogućih nepoželjnih dogañaja je pucanje cevi koje sprovode pregrejanu paru ili vodu u primarnom krugu, iz reaktora do toplotnog izmenjivača. Na osnovu eksperimenata koji su voñeni u SAD sačinjeni su posebni sistemi za kondenzovanje te pare, a sve to u okviru sigurnosnog suda tako da u spoljašnju sredinu ne mogu prodreti radioaktivni zagañujuće supstancije. Ako se pretpostavi da je na samom ulazu u reaktor popustila cev za dovod pregrejane vode pod pritiskom, nakon prolaska kroz toplotni 68

70 izmenjivač, temperatura te vode iznosi oko 200 C. Prilikom pucanja cevi oslobaña se vodena para koja je još uvek pregrejana i koja momentalno ispunjava unutrašnjost sigurnosnog suda. Za takve nepoželjne dogañaje u okviru sigurnosnog suda izgrañeni su posebni rezervoari sa hladnom vodom u koje može da prodre pregrejana para, koja u kontaktu sa hladnom vodom počinje naglo da se kondenzuje, pri čemu i pritisak u sigurnosnom sudu opada. U ovakvim situacijama reaktor se automatski isključuje naglim ubacivanjem regulacionih štapova, koji najveći deo neutrona osloboñenih u kontrolisanoj fisiji apsorbuju. Meñutim proces gašenja nuklearne elektrane nije ni približno tako brz. Od momenta kada su u reaktor ubačeni svi regulacioni štapovi, do konačnog gašenja nuklearnih reakcija i hlañenja mora da protekne najmanje još nekoliko nedelja. Iako je onemogućeno kretanje neutrona izmeñu štapova sa nuklearnim punjenjem nije sprečeno nastavljanje fisije u okviru samih štapova. U štapovima se pored urana nalaze i produkti fisije, koji su takoñe radioaktivni i koji zajedno sa uranom tokom nuklearne reakcije olobañaju znatnu količinu toplote. Zato je vrlo važno da se i pored havarije na dovodnoj cevi i dalje u reaktor upumpava voda koja će hladiti štapove sa nuklearnim gorivom, kako se ovi nebi pregrejali i rastopili, što bi bilo najopasnije i sa nesagledivim posledicama. Ovaj proces se odvija tako što se iz kondenzatora sa vodom može dolivati dodatna količina vode u reaktorski sistem, čime se automatski nadoknañuje voda koja na mestu havarije ističe iz sistema. Slika a) Reaktor u kome je upravo pukla cev za dovod vode b) Prodor pregrejane pare u sud sa hladnom vodom gde se ona kondenzuje 1) reaktorski sud; 2) sigurnosni sud; 3) odvod pare; 4) dovod vode; 5) regulaconii štapovi; 6) gorivi elementi; 7) pumpa; 8) ventil; 9) kondezacione cevi; 10) kondenzator vode 69

71 Slika Cirkulacija vode od kondenzatora do reaktora: a) Pri manjim havarijama voda se dodaje iz kondezatora sa vodom u reaktorski sistem. b) Pri većim havarijama sva voda iz kondezatora se upumpava u reaktrski sistem. 1) sigurnosni dovod vode; 2) sistem za potapanje reaktora: 3) sistem za hlañenje jezgara Pri manjim havarijama voda se samo dodaje iz kondenzatora sa vodom u reaktorski sistem. Pri većim havarijama sva voda iz kondenzatora se upumpava u reaktorski sistem, a u slučajevima kada ni to nije diviljno zidovi zaštitnog suda služe kao površine za kondenzaciju pare, koja se zatim sa dna sigurnosnog suda upumpava ponovo u reaktor. 70

72 5. RADIOAKTIVNI OTPAD Prilikom rada jedne nuklearne eketrane 99% radioaktivnog materijala u obliku radioaktivnog otpada ostaje u gorivnim elementima. Na sreću jedan deo tog radioaktivnog otpada može ponovo da se iskoristi, kao na primer plutonijum koji predstavlja otpad u običnim nuklearnim elektranama a gorivo je u reaktorima sa brzim neutronima. Zato se naravno takozvani nuklearni otpad prerañuje sa ciljem da se ekstrahuje što više Pu-239 ili U Pored ovog u nuklearnim elektranama je prisutan otpad nastao neutronskom aktivacijom, usled neželjenog prodiranja radioaktivnih supstancija u unutrašnjost zgrade nuklearne eketrane na mestima na kojima su popustili zaptivači ili za vreme havarija. Fluidi koji se koriste u nuklearnim elektranama na sreću sadrže uglavnom nuklearni otpad čije je vreme poluraspada relativno kratko, pa je moguće te fluide prečistiti aktivnim ugljem ili ih zadržati u posebnim sudovima dok aktivitet do te mere ne opadne da postaje zanemarljiv. Kao primer može poslužiti radioaktivni ksenon: čije je vreme poluraspada svega 5,3 dana, pa ako se fluid koji sadrži radioaktivni ksenon zadrži oko 60 dana (oko 11 perioda vremena poluraspada) u sudu za privremeno skladištenje, onda njegov aktivitet sigurno opada na svega 0,1% od polaznog aktiviteta. Pored ksenona vrlo opasan produkt radioaktivnog raspada, odnosno neutronske aktivacije, je izotop I - 131, sa vremenom poluraspada od 8 dana. Ovi izotopi dospevaju i do rashladnih sistema gde se emituju u atmosferu. Tako, na primer, jedna nulearna elektrana snage 1300 MW dnevno proizvodi halogena čija je ukupna radioaktivnost 3, Bq, od čega na radioaktivni jod otpada oko 3, Bq na dan (ovo odgovara veličini od radiokativnih raspada I-131 na dan). Ovde se mora naglasiti da postoje i tako niske koncentracije radioaktivnih elemenata koji se teško mogu odstraniti, i za koje nema načina da budu duže ili trajno skladišteni na posebnim mestima. Takvi radioaktivni elemenati se puštaju u prirodu u koncentracijama koje su propisima dozvoljene. Pa i pored toga svaka koncentracija radioaktivnih elemenata može da predstavlja potencijalnu opasnost za životnu sredinu. Pored ovih "manje opasnih koncentracija" radioaktivnih elemanata postoje i radioaktivni elementi koji se moraju odlagati na poseban način i na posebna mesta. Tako, na primer, jedan reaktor sa ključalom vodom snage od m/l godišnje proizvodi nekih 210 m 3 čvrstog radioaktivnog otpada, od čega 80% čini otpad slabe radioaktivnosti ( < 0, Bq/m 3 ), 15 % srednje radioaktivnosti (od 0, Bq/m 3 do 3, Bq/m 3 ) i svega 5% visoke radioaktivnosti (> 0, Bq/m 3 ). Slika 5.1. Godišnji radioaktinii otpad jedne nuklearne elektrane sa ključalom vodom snage od 1300 MW. CA-slaboradiokativan; CpA-srednje radioaktivan; MA-malo radioaktinan 71

73 U grupu otpada slabe radoaktivnosti spadaju papir, krpe za čišćenje, folije i ostali materijal koji se koristi za održavanje čistoće. Srednje radioaktivni materijal čine koncentrati iz isparivača, filtera i slično, a visiko radioaktivni materijal čine apsorcioni materijali, jonoizmenjivači, delovi mernih ureñaja koji se unose direktno u reaktor i slično. Ovo su zapravo materijali koji se ne mogu ponovo upotrebljavati pa se pakuju u burad, a prethodno, ako je to potrebno, zalivaju smolama ili betonom. Nuklearna elektrana od MW koristi preko 100 tona "goriva", od čega godišnji otpad iznosi oko 34,2 tone isluženog goriva, koje čini 32,7 t urana, 1,2 t produkata radioaktivnog raspada i 0,3 t plutonijuma. Ova količina radioaktivnog materijala se dalje koristi, ali uvek jedan deo radiaktivnih produkata ostaje neiskorišćen i mora biti sklonjen sa površine Zemlje sa posebnom pažnjom Vrste RAO (radioaktivnog otpada) Primena radioaktivnih supstanci: u medicini kao obeleživači u različitim formama sterilizacija medicinskog pribora kao izvor zračenja u tarapeutske svrhe u industriji kontrola habanja delova mašina kontinualni merači debljine pri ispitivanju kretanja površinskih i podzemnih voda kao izvor topote različite snage izvori neutronskog zračenja goriva u reaktorima... Nastajanje RAO u reaktorima: 1. Pri normalnom radu: vazdušni filteri otpadna voda otpadni gas u sistemima hlañenja i ventilacije 2. Pri tretmanu radioaktivnog materijala, održavanja delova reaktora i kontaminiranih sistema, zameni opreme, pri dekontaminaciji Vrste RAO prema aktivnosti: nisko aktivni srednje aktivni visoko aktivni Svaka od ovih vrsta može biti u gasovitom, tečnom ili čvrstom agregatnom stanju. Prema specifičnoj aktivnosti, radiotoksičnosti i tehnologijama obrade, čvrste i tečne radioaktivne materije razvrstavaju se u sledeće kategorije: visokoaktivne radioaktivne otpadne materije srednje aktivne sa alfa emiterima i nisko aktivne sa alfa emiterima. 72

74 RAO prema agregatnom stanju: čvrste radioaktivne otpadne materije tečne radioaktivne otpadne materije gasovite radioaktivne otpadne materije Nisko aktivni otpad Nisko aktivni otpad nastaje u bolnicama, nuklearnim elektranama i industiji. Čine ga delovi opreme, filteri, odeća itd., koji sadrže uglavnom kratkoživuće radioizotope. Obično se njegovo skladištenje vrši zatvaranjem u kontejnere i zakopavanjem u plitkim rovovima. Konačno odlaganje nisko aktivnog otpada vrši se u čeličnim buradima standardne veličine od 100 ili 200 litara, odnosno u betonskim sudovima. Danas se u Evropi u trajnim odlagalištima nalaze na stotine hiljada (nekoliko miliona) ovakvih sudova sa slaboradioaktivnim materijalom Srednje aktivni otpad Slika 5.2. Primer odlaganja nisko aktivnog otpada Sastoji se uglavnom od hemijskih komponenti i delova nuklearnih reaktora. Deponovanje se vrši zakopavanjem na velikim dubinama u geološki stabilnim formacijama i soldifikacijom. Soldifikacija se može vršiti: bitumenom ili betonom. 73

75 Slika 5.3. Deponovanje u geološki stabilnim formacijama Srednjeradioaktivni materijal se obavezno meša sa bitumenom ili betonom koji se izlivaju u čeličnu burad, tako da je eventualno izlučivanje ovakvih materija dobrim delom onemogućeno. Ovaj materijal se odlaže u posebnim hermetički zatvorenim prostorijama u koje se pomenuta burad spuštaju. Ceo proces se prati preko TV kamera, a eventualno podignuta prašina koja može da sadrži i manje količine srednjeradioaktivnog materijala se putem posebnih filtera sakuplja i taloži. Prašina je uvek prisutna u rudnicima soli jer su oni izuzetno suvi, a kamena so se lako drobi i sprašuje. Količina buradi srednjeradioaktivnog materijala je uvek oko 100 puta manja od količine buradi sa slaboradioaktivnim materijalom Visoko aktivni otpad Čini ga potrošeno nuklearno gorivo. Ova vrsta otpada čini samo 3% zapremine ukupnog svetskog radioaktivnog otpada, ali daje 95% ukupne radioaktivnosti. Deponovanje se vrši najčešće nakon reprocesiranja i vitrifikacije, odnosno zatapanja u borosilikatna (pirex) stakla. Nakon vitrifikacije vrši se zatvaranje u kontejnere od nerñajućeg čelika i konačno deponovanje na velikim dubinama u zemlji. 74

76 Slika 5.4. Primer odlaganja visoko aktivnog otpada Kod reprocesiranja zamenjeni delovi reaktora se odlažu u bazen koji ima betonsku zaštitu sa vodenim pokrivačem, gde se nakon kratkotrajnog lagerovanje transportuje za dalji tretman i pripremu za korišćenje. U postrojenju za preradu gorivih ćelija ovi elementi se lageruju u dubokoj vodi i transportuju u stanicu sa izolacijom. Daljinskim upravljanjem gorive ćelije se seku na komade veličine 5cm, koji se dalje tretiraju azotnom kiselinom. Iz rastvora se ekstrahuju uran i pluton koji se ponovo koriste kao sirovina za proizvodnju gorivih ćelija Prečišćavanje srednje- i niskoaktivnih rastvora Pored nuklearnih postrojenja, kao jednog od izvora radioaktivnih izotopa, njihovo korišćenje u nizu drugih institucija (istraživačkih, medicinskih, privrednih i sl.) daje otpadne rastvore srednje i niske radioaktivnosti. Metode dezaktivacije srednje- i niskoaktivnih rastvora analogne su metodama prerade ostalih otpadnih voda, ali mogu imati i niz specifičnosti. Koncentracija radioaktivnog izotopa u rastvoru može biti toliko mala, u odnosu na onu odreñenu proizvodom rastvorljivosti, da se ne može istaložiti kao teško rastvorna so. Zbog toga se koncentracija elementa koji se udaljuje povećava uvsfenjem stabilnog izotopa datog elementa ili nekog drugog sličnih osobina. Ova metoda naziva se sataloženje. Tako potpunijem udaljavanju 90 Sr metodom sataloženja doprinosi uvoñenje jona Ca 2+, a udaljavanju 131 I u obliku srebro jodida - uvoñenje kalijum jodida. Za dezaktivaciju rastvora primenjuju se metode taloženja, koagulacije sa naknadnim taloženjem, jonske izmene, sorpcione i dr. Tako se koagulacijom omogućava dezaktivacija rastvora u kome sadržaj 3 P u obliku fosfat-jona 80 puta prevazilazi maksimalno dozvoljenu koncentraciju. Koagulacijom se uspešno udaljuju i radioaktivni izotopi u koloidnom i suspendovanom stanju. Upotreba koagulacije uzrokovane bazama omogućava snižavanje sadržaja 90 Sr, 95 Zr za 97-98%. Efikasnu metodu dezaktivacije predstavlja i izmena jona i ona nalazi primenu kod obrade voda nuklearnih elektrana. 75

77 Dezaktivacija niskoaktivnih voda može se vršiti biološkim metodama. Dezaktivacija voda u procesu biološkog prečišćavanja zasnovana je na sposobnosti mikroorganizama aktivnog mulja, bioopne, planktona i dr. da akumuliraju izotope. Tako stepen udaljavanja 239 Pu u biofiltrima iznosi 75-95%, a u aerotanku 75-80%. Osnovna osobenost svih navedsnih metoda jeste obrazovanje visokoaktivnog otpada (talog, koncentrat) koji se dalje mora preraditi ili na odgovarajući način odlagati, kao što je prethodno opisano Posledice rada nuklearnih postrojenja po biosferu i čoveka Važna posledica rada nuklearnih postrojenja jeste obrazovanje većih količina veštačkih radioaktivnih supstancija. Njihovo dospevanje u životnu sredinu čak i u malim količinama može predstavljati značajnu opasnost po zdravlje čoveka. Slika 5.5. Putevi radijacionog dejstva postrojenja nuklearne energetike na čoveka 1) Emisije u atmosferu; 2) nuklerarne elektrane i postrojenja gorivog ciklusa; 3) tečni otpaci; 4) prirodne vode 5) voda za piće; 6) pašnjaci: 7) usevi; 8) zemljište 9) unutrašnje (inhalaciono) i spoljašnje ozračivanje; I) deponovanje radioaktivnih materija u organizam čoveka; II) taloženje radioaktivnih materija Pri normalnom radu nuklearne elektrane i postrojenja za proizvodnju nuklearnog goriva ispuštanje radioaktivnih produkata u životnu sredinu obavlja se uz brižljivu kontrolu. U vazduh dospevaju radionuklidi plemenitih gasova kriptona, ksenona i radona, tricijum, 14 C kao i aerosoli goriva i produkata fisije. Tečni radioaktivni otpaci koji dospevaju u reke, veća jezera ili okean sadrže tricijum, fisione irodukte i druge supstancije. Čovek može biti izložen sledećem dejstvu jonizujućeg zračenja: Spoljašnjem β i γ zračenju pri raspadu gasovitih radionuklida koji se nalaze u vazduhu ili vodi. - II 76

78 Ozračivanju pri raspadu radioaktivnih aerosolnih čestica istaloženih na površini zemljišta. Unutrašnjem ozračivanju pri udisanju radionuklida (inhalaciono ozračivanje). Unutrašnjem ozračivanju kao rezultat upotrebe radionuklidima zagañene hrane i vode. Delovanje radioaktivnog zračenja na žive organizme u suštini je uvek isto, jer ono razara molekule koji sačinjavaju organizam, s tim što mehanizam delovanja zavisi od vrste zračenja. Pored izvora zračenja prikazanih na slici mogu se navesti i drugi spoljni izvori (boca sa rastvorom jedinjenja radioaktivnog elementa, zid prostorije zagañen radioaktivnim izotopima, rentgenski ureñaj, prostorije reaktorskog objekta i dr.) kao i oni u samom organizmu (radioaktivni kalcijum deponovan u kostima nakon unošenja u organizam hranom ili pićem, radioaktivno gvožñe vezano u hemoglobinu krvi... S obzirom da dejstvo zračenja traje onoliko dugo koliko se dati organizam nalazi u prostoru pod dejstvom spoljnjeg izvora zračenja, vreme ozračivanja je ograničeno, tj. napuštanjem ovog prostora prestaje delovanje zračenja. Izučavanju biološkog dejstva jonizujućeg zračenja pristupilo se još prvih decenija našeg veka, kada su i konstatovani štetni uticaji na organizam čoveka. Interes za ovo proučavanje posebno je narastao 40-tih godina posle prvih proba i primene nuklearnog oružja, a naročito 50-tih godina kada je započela mirnodopska primena nuklearne energije u različitim oblastima. Kao rezultat eksperimenata na životinjama i proučavanja posledica ozračivanja ljudi pri atomskim eksplozijama u Hirošimi i Nagasakiju, kao i pri havarijama nuklearnih postrojenja, najbolje je proučeno jednokratno ozračivanje letalnim dozama koje uzrokuje akutnu radijacionu bolest. U zavisnosti od osetljivosti ćelija i tkiva i doze ozračivanja razlikuju se sledeći oblici akutne radijacione bolesti: koštanosržni, crevni, toksemični i cerebralni. U dinamici razvoja koštanosržnog oblika radijacione bolesti mogu se izdvojiti četiri perioda: inicijalni, latentni, manifestni i period oporavka. Period inicijalne reakcije počinje ubrzo posle ozračivanja i traje 2-4 dana. U ovom periodu dominiraju nervo-refleksni poremećaji (muka, povraćanje, slabost. Težina simptoma zavisi od doze ozračivanja. Latentni period je period kada se stanje obolelog poboljšava. I pored činjenice da se oboleli ne žali na tegobe bolest napreduje. Dužina trajanja ovog perioda zavisi od doze ozračivanja i iznosi od 3-5 do dana. U manifestnom periodu javljaju se svi osnovni simptomi bolesti : maksimalno narušavanje sastava krvi, narušavanje imuno sistema organizma, izliv krvi i krvarenja, poremećaji želudačno-crevnog trakta i metabolizma. Pri težim slučajevima dolazi do letalnog ishoda zbog infekciono-septičkih komplikacija, nemogućnosti uspostavljanja hemopoeze, izliva krvi i krvarenja. Ovaj period traje dana. U povoljnim slučajevima počinje period oporavka, postepeno se uspostavlja hemopoeza, prestaju infekcione komplikacije, hemoragije i uspostavljaju druge funkcije organizma. Ozdravljenje teče sporo, i sa periodima komplikacije traje od 2-5 do 6-10 meseci. 77

79 Budući da su u nuklearnoj energetici prisutna visokostepena mehanizacija i automatizacija rada, poboljšanja zaštite na radu i preventivna tehnička rešenja, do akutnog oblika radijacione bolesti dolazi samo u slučaju težih havarija kao što je to bio slučaj u Černobilju. Umesto akutne radijacione bolesti za rad nuklearnih postrojenja karakterističan je drugi po značaju somatski efekt - hronična radijaciona bolest. Hronična radijaciona bolest može se razviti kao rezultat višekratnog ili dugotrajnog spoljašnjeg ozračivanja ili pri unošenju radioaktivnih supstancija hranom ili vodom i dugotrajnim unutrašnjim ozračivanjem. Deo u organizam dospelih radioaktivnih supstancija se eliminiše iz organizma, ali se deo njih apsorbuje i nagomilava u organima i tkivima (izotopi joda u štitastoj žlezdi, stroncijum-90 i radijum - u kostima). Jakom ozračivanju izloženi su sluzokoža creva, jetra, štitasta žlezda i drugi organi. U zavisnosti od nivoa radijacije, količine radioaktivnih supstancija dospelih u organizam i dužine ozračivanja, hronična radijaciona bolest može biti različite težine. Razvija se postepeno i često nezapaženo. Kod teškog oblika hronične radijacione bolesti mogu se javiti svi karakteristični simptomi akutne radijacione bolesti sa letalnim ishodom. Oštećenja nastala posle dužeg perioda, iosle jednokratnog ili hroničnog ozračivanja, nazivaju se poznim posledicama i ona su najčešće posledice uticaja nuklearnih postrojenja, pre svega elektrana, na biosferu. Pozne posledice ozračivanja mogu nastati kao rezultat jednokratnog dejstva rendgenskog i u-zračenja, neutrona, protona, pri jednokratnom unošenju radioaktivnih supstancija, kao i usled hroničnog delovanja radionuklida ili ozračivanja malim dozama. Pozne posledice mogu nastati i kod osoba koje su prebolele akutno ozračivanje. Stohastički efekti koji se ne javljaju odmah već posle dužeg perioda od ozračivanja dele se na: a) somatske (telesne) efekte ozračivanja - zloćudne tumore i b) genetske efekte - uroñene anomalije i poremećaje koji se prenose na buduće generacije. Eksperimentalni podaci i kontrola zdravlja ljudi kazuju o visokoj blastomogenoj efektivnosti različitih vrsta jonizujućeg zračenja. Pojava zloćudnih (malignih) tumora (kancer, rak) različitih organa i tkiva, u mnogome zavisi od specifične sposobnosti radionuklida da se deponuje u odreñenom organu ili tkivu. Jonizujuće zračenje javlja se kao jedan od mnogih kancerogenih činilaca koji deluju na čoveka. Ovaj činilac odgovoran je za nekoliko procenata oboljevanja od malignih tumora. Kancerogeni kao i mutageni efekti dejstva fizičkih i hemijskih kancerogena se po pravilu javljaju pri manjim dozama nego opštetoksični sistematski efekti. Naime, dokazano je da se u slučaju zagañivanja atmosfere produktima elektrana koje energiju proizvode sagorevanjem organskih goriva zapaža povećanje smrtnosti od raka pluća pri čemu ukupna smrtnost ostaje na istom nivou. Radioaktivne supstancije koje imaju skeletni tip raspodele često izazivaju tumore koštanog tkiva. Suštinsko mesto u patologiji tumornih oblika poznih posledica zauzimaju leukoze. U patogenezi leukemije poseban značaj pripada aktivaciji latentnih onkogenih virusa, greškama reparacije DNK, nastanku somatskih mutacija u krvotvornim ćelijama, narušavanju hormonalne regulacije ćelijske homeostaze i sniženju imunološke stabilnosti organizma. Leukemije nastaju posle mnogih meseci od dejstva leukomogenih činilaca, ali se preleukemijske ćelije u koštanoj srži nalaze ubrzo posle ozračivanja. 78

80 Pored navedenih ustanovljeno je i nastajanje tumora pluća, želudačno crevnog trakta, jetre, štitaste žlezde, nadbubrežne žlezde, hipofize. Utvrñeno je da je kod rudara rudnika urana Šeneberg i Jahimovo uzrok smrti u 28-83% slučajeva bio rak pluća, čiji latentni period iznosi 20 godina. Pod poznim posledicama ozračivanja, podrazumevaju se i različite patološke promene organizma ili njegovih organa funkcionalnog ili organskog karaktera. Beta opekotine nastaju dospevanjem β-čestica na otkrivene delove tela i one se kao i radijaciona bolest odvijaju u četiri faze: inicijalna faza (rana reakcija), latentna (skriveni) faza, faza razvoja i faza zalečenja. U zavisnosti od primljene doze razlikuju se četiri stepena beta opekotina: laki, srednji, težak i najteži Detekcija radioaktivnog zračenja Danas se koriste različite metode da bi se otkrilo zračenje. One se zasnivaju na pojavama vezanim za prolaz zračenja kroz materiju. Na primer, zračenje ostavlja tragove u fotografskoj emulziji, pa se pomoću nje može otkriti. Zračenje izaziva jonizaciju u gasovima. Na toj pojavi zasnivaju se detektori zračenja: jonizaciona komora i Geigher-Milerov brojač. Prolaskom zračenja kroz različite materije javlja se termoluminiscencija, pa se ta pojava koristi za detekciju. Prolaskom zračenja kroz neke kristale javljaju se bljeskovi, pa se na toj pojavi zasnivaju scintilacioni brojači. Za precizno odreñivanje energije zračenja koriste se poluvodički detektori. Postoji niz najrazličitijih izvedbi mernih ureñaja za detekciju zračenja. Aktivnost izvora, doza i ekvivalentna doza izračunavaju se iz podataka dobijenih merenim ureñajima, ili su već merni instrumenti baždareni tako da se neke od tih veličina mogu na njima direktno očitavati Jonizaciona komora Jonizaciona komora se sastoji iz posebne posude u kojoj se nalaze dve 79etector79 uključene na visoki napon. U posudi se nalazi neki, obično, plemeniti gas. Radioaktivno zračenje koje dospeva u aktivnu zapreminu komore, jonizuje gas, pri čemu nastaju joni oba znaka, odnosno elektroni. 79

81 Slika 5.6. Jonizaciona komora Pod uticajem jakog električnog polja joni se skupljaju na elektrodama. Rezultat je pojava električne struje kroz gasnu sredinu koja se posle pojačavanja registruje mernim instrumentom. Pomoću jonizaciona komora mogu se regstrovati alfa- i beta- čestice, dok je za gama-zrake ovo suviše prozračan detektor Gajger-Milerov brojač Rad Gajger-Milerovog brojača je zasnovan na jonizacionim efektima. On je vrlo pogodan za upotrebu i relativno je jeftin. Staklen, iznutra posrebren, ili metalna posuda cilindričnog oblika ispunjena je nekim plemenitim gasom pod visokim pritiskom. Katoda je cilindričnog oblika, a anoda je tanka žica postavljena duž cilindra. Elektrode su priključene na izvor jednosmerne struje, visokog napona, koji stvara jako električno polje. Slika 5.7. Gajger-Milerov brojač 80

82 Pri prolasku radioaktivnog zračenja, gas u brojaču se jonizuje. Joni dolaze do elektroda (elektroni na anodu, a pozitivni joni na katodu). Time se strujno kolo u brojaču zatvara i pojavljuje se naponski impuls. Ureñajem za brojenje impulsa se broje naponski impulsi nastali u odreñenom intervalu vremena. Na osnovu toga dobija se informacija o intenzitetu zračenja. Pomoću Gajger-Milerovog brojača detektuju se alfa- i beta-čestice Scintilacioni brojač Rad ovog detektora je zasnovan na svojstvu supstance da pod uticajem radioaktivnog zračenja emituje svetlucanje malog intenziteta. Pri prolasku kroz supstancu, naelektrisane čestice uzrokuju jonizaciju i prelazak atoma u normalno (osnovno) stanje, pri čemu atomi emituju vidljivu svetlost. Svetlosni signali se zatim pretvaraju u električne impulse. Na osnovu broja i amplitude tih impulsa odreñuju se intenzitet i energija radioaktivnih čestica. Pomoću Scintilacionog brojača registruju se brzi elektroni i gama-fotoni Wilsonova komora Engleski fizičar Wilson prvi je godine konstruirao ovaj ureñaj. Aktivna sredina komore je zasićena para, najčešće vode, helijuma, azota ili argona. Izvor radioaktivnog zračenja postavlja se unutar aktivne sredine. Naglim povećanjem pritiska para se prvo sabije, a zatim smanjivanjem pritiska dolazi do širenja pare, pri čemu se temperatura pare snižava i ona prelazi u prezasićeno stanje. Takva para se lako kondenzuje u tečnost. Prilikom prolaska samo jedne alfa-čestice, stvaraju se hiljade pari jona, koji postaju centri kondenzacije pare. Na taj način se formiraju kapljice tečnosti, koje stvaraju tragove koji su vidljivi golim okom. Na isti način nastaje i vidljivi trag pare iza aviona na velikim visinama, samo što u tom slučaju,čestice prašine dovode do stvaranja pare. 81

83 Slika 5.8. Wilsonova komora 5.5. Akcidenti u nuklearnim postrojenjima Iako nuklearne elektrane predstavljaju u poreñenju sa klasičnom industrijom pojam savršenstva tehnike, sigurnosti i pouzdanosti, kao što su to uostalom i avioni meñu saobraćajnim sredstvima, nikako ne treba zanemariti činjenicu da mogući kvarovi na nuklearnim reaktorima mogu izazvati teške posledice, uključujući i ljudske žrtve. Osim akcidenata na nuklearnim reaktorima potrebno je ukazati i na nesreće nastale zbog neznanja, nemarnosti i neopreznog rukovanja radioaktivnim materijalom, a koje takoñe mogu predstavljati značajnu pretnju životnoj sredini i zdravlju ljudi. Prva nuklearna elektrana snage 3 megavata podignuta je u mestu Obninsk udaljenom 50 kt od Moskve, i počela je sa radom 27. jula godine. Sjedinjene američke države su svoju prvu nuklearnu centralu sagradile tri godine kasnije u Šiping Portu (savezna država Ilinois). U našem neposrednom okruženju u pogonu se nalazi 10, a u izgradnji još 10 nuklearnih energetskih reaktora što čini ukupno 20 nuklearnih energetskih reaktora. 82

84 Slika 5.9. Lokacije nuklearnih postrojenja Do sada je širom sveta zabeležen veliki broj akcidenata na nuklearnim postrojenjima različitog stepena težine. Neki od njih, naročito oni iz perioda razvoja i uhodavanja nuklearnih postrojenja, brižljivo su skrivani od javnosti. Podaci o dogañajima u njima bili su oskudni, a često i namerno netačno prikazivani. Istraživanja uzroka smrti 173 rendgenologa ukazala su da je leukemija zastupljena sa oko 5% dok je meñu osoba koje nisu dolazile u kontakt sa zračenjem leukemija uzrokovala smrt u 0,5%. U Hirošimi je u periodu od do godine od leukemije umrlo pet puta više ljudi nego u drugim oblastima Japana. U Velikoj Britaniji je 10. i 11. oktobra godine došlo do incidenta na nuklearnom reaktoru namenjenom za proizvodnju plutonijuma u mestu Vindskejl, sada Selafild. Do nezgode je došlo za vreme regeneracije grafita koji se koristio kao moderator. Nastali požar je zahvatio pored grafita i gorive elemente. U toku dva dana u vazduh je izbačena velika količina fisionih produkata koji su dospeli u mnoge delove V.Britanije. Vatra je ugašena tek petog dana pošto je reaktorsko jezgro potopljeno vodom. Prema saopštenju komiteta uglednog medicinskog saveta V.Britanije izdatog odmah posle nezgode, nije bilo štetnog dejstva zračenja na radnike u Vindskejlu i stanovništvo u okolini. Meñutim, prema dokumentu odbora za radiološku zaštitu V.Britanije iz godine samo 131 I odgovoran je za 260 slučajeva raka štitne žlezde, od kojih se 13 smatraju fatalnim. 83

85 0 I II III IV V VI Tabela 5.1. Skala bezbednosti po stpenima ugroženosti ZNAČENJE UZROCI I POSLEDICE PRIMER Nema ugrožavanja bezbednosti Neželjenji dogañaji u vezi funkcionisanja Nenormalnost nuklearnog postrojenja koji nije povećao rizik. Javlja se zbog greške u materijalu ili ljudskih Incident Težak incident Nesreća u glavnom postrojenju Nesreća sa rizikom izvan reaktora Teška nesreća činilaca Tehnički kvar ili nenormalnost u radu koji je izazvao aktiviranja sistema bezbednosti Pojava radioaktivnosti koja prevazilazi dozvoljenu granicu. Potrebne su dodatne mere bezbednosti oko reaktora jer bi nove greške dovele do nuklearne nesreće. Pojava veće doze radioaktivnosti. Zbog oštećenja reaktora moraju se u najbližoj zoni obaviti dodatne kontrole. Zaposl4eni mogu imati posledica po zdravlje. Nekontrolisano oslobañanje radioaktivnog materijala zbog teškog oštećenja većeg dela reaktora. Potrebna delimična evakuacija stanovništva. Nekontrolisano oslobañanje radioaktivnih materijala. Neophodno je sprovoñenje mera bezbednosti kako bi se smanjila nposredna opasnost po zdravlje stanovništva. Vandeljos (Španija) Senkt Petersburg (Rusija) Sen Loren (Francuska) Vindskejl (Velika Britanija) Ostrvo Tri Milje (SAD) VII Velika nesreća Zbog iskakanja sitema iz kontrole oslobañaju se velike količine radioaktivnog materijala. Moguća su teška oštećenja zdravlja stanovništva. Posledice su dugo prisutne u celoj zemlji i susednim državama. Černobilj Prilikom incidenta na nuklearnom reaktoru u Vinči (Sobija), 15. oktobra godine ozračeno je šest osoba dozama izmeñu 2,07 i 4,36. U SAD je 20. maja godine prilikom reparature nuklearne elektrane 1psLap RoJp! I, zbog kvara na parovodu, istovremeno zamenjeno radnika. Brzina oslobañanja radioaktivnog materijala iznosila je 20 s1t 3 /11. Šteta narušenog ekološkog balansa reke Hadeon (država Njujork) u kojoj je u dva navrata u toku zime došlo do masovnog pomora ribe procenjena je na 5 miliona dolara. Zbog neispravnosti sistema za hlañenje i kontrolnog sistema kao i greške operatera zaduženog za upravljanje sistemom havarijskog ohlañivanja, 28. marta godine, svega 11 meseci od puštanja u pogon, došlo je do akcidenta na nuklearnom energetskom reaktoru Ostrvo tri milje na reci Seksehana udaljenom oko 15 km od Harizburga (savezna država 84

86 Pensilvanija). Oko od stanovnika ugroženog područja pod dejstvom apokaliptičkih vizija je napustilo svoje domove. Naime, u toku prekida hlañenja (na temperaturi od C počeli su da se tope gorivi elementi) jedan od ventila je ostao zaglavljen i otvoren, tako da su radioaktivna para i voda (oko m 3 ) isticali, tuširajući zidove, podove i opremu u reaktorskoj zgradi. Mesecima je zatim bilo nemoguće ući u reaktorsku zgradu zbog visine radijacije (jačina doze zračenja u reaktorskoj sali iznosila je 300 Su/ć). Sve do polovine godine, nije se moglo ući ni sa zaštitnim odelom. Na teritoriji u blizini reaktora jačina doze zračenja iznosila je 4*10-5 Gy/h. Ukupna proračunata doza ozračenja stanovništva na rastojanju od 80 kt od reaktora u toku prvih 5 dana iznosila je 60% doze ozračivanja iz prirodnih izvora za ovaj period. U životnu sredinu je prilikom havarije dospelo oko 9,25*10 10 MBq radioaktivnih plemenitih gasova i oko 55,5*10 10 Bq radioaktivnog joda. Saniranje posledica stajalo je oko miliona dolara, 300 miliona dolara više nego što je koštala izgradnja nuklearne elektrane. U akciji koja je zahtevala bezgranično strpljenje, učestvovalo je hiljadu radnika uz pomoć niza novih i složenih mašina robota. Kada je o havarijama na nuklearnim energetskim reaktorima reč, treba navesti da ih Meñunarodna Agencija za Atomsku Energiju (IAEA) sa sedištem u Beču razvrstava skalom od šest stepeni, s tim da pored njih postoji i nulti stepen kojim se označava dogañaj koji ne ugrožava bezbednost ljudi. Prikaz ove skale dat je u tabeli Najpoznatiji akcidenti u nuklearnim reaktorima Černobil Dana 26. aprila godine u 1 čas i 23 minuta, dogodila se havarija u nuklearnoj elektrani Lenjin u Čsrnobilju (bivši Sovjetski Savez) na njenom IV nuklearnom energetskom reaktoru. Ona je imajući 31 ljudsku žrtvu neposredne radijacije kao i zagañivanje velikih površina sa visokim nivoom radioaktivnosti najveći udes ove vrste. Akcident se desio prilikom servisiranje instalacije koje su operatori iskoristili za realizaciju eksperimenta svesno kršeći radne propise. Najpre je došlo do pregrevanja jezgra reaktora. a zatim do naglog izbijanja požara. Pregrevanje gorivih elemenata i nagla proizvodnja pare i verovatno hemijska eksplozija, proizveli su udarni talas snage verovatno ravne eksiloziji nekoliko stotina tona klasičnog eksploziva. Eksplozija je probila reaktorski sud i krovnu konstrukciju, usled čega su užareni grumeni grafita i urana razbacani po okolnim zgradama i prostoru. Ukupno je osloboñeno oko 185 # V^ produkata fisije (bez radioaktivnih gasova) što čini oko 3,5% ukupne količine radionuklida u reaktoru u trenutku havarije. U blizini nuklearne elektrane u periodu od 10 do 30 dana došlo je do taloženja 99 Mo, 95 Zr, 95 Nb, 141 Cs, 144 Cs, 131 I, 132 I, 132 Te, 103 Ru, 106 Ru, 14O Ba+ 14O La, 134 Cs, 137 Cs, 89 Sr, 91 I. Stvaranje osnovnog dela radioaktivnih padavina u bližoj zoni završeno je u prvih 4-5 dana. Meñutim, potpuno stvaranje radioaktivnih tragova i mrlja produžilo se do kraja maja. Na površini zemlje nañeni su i izotopi plutonijuma. Zagañenost vazduha 131 I konstatovana je do 2. maja godine u Ukrajini, Belorusiji i u Pribaltiku. U većini slučajeva ovo zagañenje imalo je kratkotrajan karakter, i bilo je vezano sa zagañenjem pokretljivih vazdupših masa. Budući da predstavlja opasnost za štitastu žlezdu ljudi iz neposredne okoline, posebno nri unošenju zagañenog mleka, započela je stroga kontrola njegovog prisustva u ovoj namirnici. 85

87 Kao posledica ove havarije došlo je do obrazovanja pet radioaktivnih oblaka. Prvi od njih kretao se prema Skandinaviji 26. aprila, drugi prema Poljskoj i istočnim delovima Nemačke 27. aprila, treći prema zapadnim oblastima Nemačke i Francuskoj 28. aprila, čstvrti prema Mañarskoj i našoj zemlji i Bugarskoj 29. aprila i peti prema Rumuniji, našoj zemlji i Bugarskoj 1. maja godine. U ovim zemljama je osnovno radioaktivno zagañenje istaloženo kišama poticalo od 137 Cs (oko 3,7*10 10 Bq/km 2 ). Prvih dana i nedelja osnovna aktivnost životnih namirnica bila je uslovljena izotopom Njegov nivo na jugu Belorusije dostigao je vrednost od 3,7*10 Bq/kg, u salati 3,7* Bq/kg, a u govedini 3,7*10 3-3,7* Bq/kg. U noći izmeñu 25. i 26. aprila u nuklearnoj elektrani nalazila su se 444 lica (dežurni personal, radnici različitih firmi i remontnih službi). Personal nuklearne elektrane i vatrogasci angažovani na gašenju požara podvrgnuti su intenzivnom mnogokomponentnom gama ozračivanju, beta i gama ozračivanju kože, inhalacionom dejstvu radionuklida iz parno-gasne faze. Doza unutrašnjeg ozračivanja iznosila je 5-10% doze spoljašnjeg ozračivanja. U šest sati ujutru 26. aprila hospitalizovano je 108 ljudi, a u toku dana još 24. Ukupan broj umrlih od opekotina i akutne radijacione bolesti početkom jula godine dostigao je cifru od 28 ljudi. Zagañenja vazduha rasprostirala su se na veće teritorije okolnih država. Visina struje izbacivanja radionuklida iznosila je metara. Najveća količina radionuklida osloboñena je u prva 2-3 dana posle havarije, a stvaranje osnovne količine radioaktivnih padavina završeno je kao što je već napomenuto prvih 4-5 dana. U bliskoj zoni rasprostiranja radionuklida izotopi plutonijuma nalazili su se u beznačajnoj količini. Na većim rastojanjima nalazili su se telur, jod i cezijum. Najviše koncentracije 131 I nañene su u Kijevskom akumulacionom jezeru. Evakuacija stanovništva izvršena je iz zone prečnika 30 km od nuklearne elektrane. Iz grada Pripjat evakuisano je stanovnika. Procenjuje se da je od evakuisanih njih ozračeno dozom od preko 45 Gy pri čemu treba imati u vidu da je godišnja maksimalna dozvoljena doza zaposlenih u nuklearnim energetskim postrojenjima svega 5 Gy. Zvanično je radijaciona bolest konstatovana kod 203 čoveka, a krajnje teška radijaciona bolest (4. stepena) konstatovana je u 20 slučajeva. Predviña se da će u narednim decenijama od osoba koji su primili visoku dozu umreti od raka, dok će broj smrtnih slučajeva u zapadnom delu bivšeg Sovjetskog saveza i Evropi porasti za do U toku sedam meseci posle akcidenta izvršeno je brižljivo uklanjanje radioaktivnog materijala iz više od 500 naselja i oko grañevina. Prve procene troškova saniranja posledica date od strane sovjetske vlasti govorile su o 2,8 milijarde dolara, dok su se predviñanja američkih stručnjaka data 2 godine posle akcidenta kretala oko čak 15 milijardi dolara kao krajnjem iznosu svih troškova. Na istom tipu reaktora kao što je Černobiljski došlo je do teškog incidenta i 24. marta godine, ali ovog puta u Sankt Peterburgu (Rusija). Prilikom rada pod optimalnim naponom bezbednosni sistem elektrane se automatski uključio pošto je došlo do zastoja u jednom od kanala za napajanje nuklearnim gorivom. Iako je sistem usporio reaktor ispod 86

88 kritične granice, ohladio ga i isključio, izvesna količina radioaktivnog gasa "pobegla" je kroz aerosolne filtre. Fukušima Fukušima nuklearna elektrana se nalazi u gradu Okuma u Futaba oblasti koja pripada prefekturi Fukušima na oko 210 kilometara severno od Tokija. Elektrana se sastoji od šest blokova (reaktora) tipa BWR. Reaktor je dizajnirao Dženeral Elektrik sa ukupnom snagom 4,7 gigavata, pa Fukušima elektrana predstavlja jednu od 25 najvećih nuklearnih elektrana u svetu. Fukušima elektranu je prva elektrana koju je izgradio i kojom rukovodi Tokijska Elektroprivrede (TEPKO). Prvi blok snage megavati izgrañen je u julu Počeo je proizvodnju električne energije u komercijalne svrhe 26. marta godine. Blokovi 2 i 3 su iste snage od po 784 megavati, reaktor 2 je počeo sa radom u julu a reaktor 3. marta godine. Reaktori 1-5 imaju Marka 1 tip (torus u kome para može brzo kondenzuje) čeličnu strukturu ispod reaktorskog suda, dok reactor 6 ima Marka 2 tip. Od septembra godine, blok 3 koristi kao gorivo pomešani oksid uranijuma i plutonijuma. Slika Japanska nuklearka Fukušima Daići I ima reaktor sa ključalom vodom. Nuklearno gorivo (šipke), u procesu razbijanja atoma razvija toplotu koja greje vodu, i prolazeći kroz turbinu proizvodi struju. Ohlañena voda se pumpa u reaktor i onda se proces ponavlja voda se ponovo greje. Unutrašnjost takvog reaktora se sastoji od dugih cevi u kojima se nalazi nuklearno gorivo i šipke obogaćenog uranijuma. Prilikom raspada radioaktivnog uranijuma, oslobañaju se ogromne količine energije koja zagreva vodu. Istovremeno, oslobañaju se i energetski nabijeni neutroni koji aktiviraju cepanje atoma u susednim šipkama sa uranijumom. Radi kontrole ovog procesa, što podrazumeva i mogućnost da se on zaustavi, izmeñu šipki sa nuklearnim gorivom instalirane su takozvane kontrolne šipke koje apsorbuju pomenute osloboñene neutrone. Kada se nuklearna elektrana isključuje, kontrolne šipke se spuštaju u reaktor, prekida se lančani proces cepanja atoma, reaktor se hladi doduše, ne dovoljno brzo. Zbog toga se, pumpama na struju, hlañenje vodom ubrzava. 87