Jedrska elektrarna ali nuklearna elektrarna je elektrarna, podobna termoelektrarni; pri jedrski elektrarni se kot primarni vir toplote namesto premoga, nafte ali plina uporablja jedrski reaktor. Konstrukcijsko je jedrska elektrarna sestavljena iz dveh delov: jedrskega in konvencionalenga dela.
V jedrskem delu iz energije, ki se sprosti pri cepitvi atomskih jeder, nastaja toplota, ki uparja vodo [1]. Uparjena voda oz. para prenaša toploto na konvencionalni oz. termoelektrarniški del elektrarne, kjer nato para poganja turbino. Naloga turbine je, da iz toplote (pare) proizvaja mehansko energijo (vrtenje rotacija turbine), to pa električni generator pretvori v električno energijo. S tem je postopek pretvorbe jedrske energije v električno energijo zaključen.
Investicija v gradnjo in razgradnjo nuklearne elektrarne je relativno visoka, visoki so tudi stroški skladiščenja izrabljenega jedrskega goriva, medtem ko so samo gorivo in ostali obratovalni stroški relativno nizki. Zaradi stabilnosti proizvodnje se jedrske elektrarne uporablja predvsem za stalno zagotavljanje pokrivanja osnovnih potreb po električni energiji – t.i. »obratovanje v pasu«. Sodobni reaktorji potrebujejo menjavo goriva vsakih 18 mesecev, postopek menjave in hkratnega vzdrževanja vitalnih delov (remont) traja nekaj tednov.[2] Neposredni kazalec izkoriščenosti iz goriva nastale energije v uporabno električno energijo pri jedrskih elektrarnah je približno 90 %; za primerjavo: kazalec izkoriščenosti pri vetrni elektrarni je približno 30 %, pri elektrarni na sončne celice pa 10-20 %. Pri upoštevanju porabe energijo za gradnjo, vzdrževanje in razgradnjo se ti kazalci med viri sicer lahko spremenijo.
Na območju Slovenije deluje ena jedrska elektrarna, Jedrska elektrarna Krško, ki proizvede približno 40 % vse proizvedene električne energije v Sloveniji. Gre za edino jedrsko elektrarno na področju nekdanje Jugoslavije, ki deluje od leta 1983 in bo po vsej verjetnosti obratovala vse do leta 2043. Zgrajena je bila na podlagi samoupravnega sporazuma med SR Hrvaško in SR Slovenijo, ki sta vsaka vložili polovico sredstev in od zagona tudi po razglasitvi neodvisnih držav prejemata vsaka polovico proizvedene električne energije.[3]
Delujoči reaktorji, gradnja novih reaktorjev Delujoči reaktorji, načrtovanje novogradenj Ni delujočih, novi reaktorji v gradnji Ni delujočih, novi reaktorji v načrtovanju | Delujoči reaktorji, brez sprememb Delujoči reaktorji, razmišlja o zaustavitvi Uporaba jedrske energije za civilne potrebe ni dovoljena Ni reaktorjev |
V svetu je približno 10 % vse električne energije proizvedene v jedrskih elektrarnah, ki obratujejo v 33 državah. Konec leta 2019 je obratovalo skupaj 448 jedrskih reaktorjev. 13 držav je leta 2020 vsaj četrtino električne energije proizvedlo iz jedrske energije. Največji delež jedrske energije v celotni proizvodnji električne energije je imela Francija, kar 70,6 %, nato Slovaška (53,1 %), Ukrajina (51,2 %) in Madžarska (48 %). Medtem ZDA, kjer je največ jedrskih elektrarn na svetu, dobijo le dobrih 20 % električne energije iz svojih 96 jedrskih elektrarn. V zadnjih letih se je najbolj povečal delež proizvodnje iz jedrske energije na Kitajskem.
Količinsko so z naskokom največji proizvajalec ZDA z 789.919 GWh jedrskih kapacitet 2020, sledi Kitajska z 344.746 GWh.[5] Stanje decembra 2020 je: operativnih 448 reaktorjev z neto kapacitetami 397.777 MWe in 54 reaktorjev z neto kapaciteto 61.219 MWe v izgradnji. Od reaktorjev v izgradnji jih je 17 z 18.616 MWe na Kitajskem.[6]
Država | Št. reaktorjev | Moč Neto skupaj (MWe) |
Proizvedena elektrika (GWh) |
Delež vse porabljene elektrike |
Opombe | |
---|---|---|---|---|---|---|
v uporabi | v izgradnji | |||||
Argentina | 3 | 1 | 1641 | 10012,42 | 7,5% | |
Armenija | 1 | 0 | 415 | 2551,80 | 34,5% | |
Bangladeš | 0 | 2 | ni na voljo | ni na voljo | ni na voljo | |
Belorusija | 1 | 1 | 1110 | 338,43 | 1,0 | |
Belgija | 7 | 0 | 5942 | 32792,85 | 39,1% | |
Brazilija | 2 | 1 | 1884 | 13244,36 | 2,1% | |
Bolgarija | 2 | 0 | 2006 | 15937,59 | 40,8% | |
Kanada | 19 | 0 | 13624 | 92166,11 | 14,6% | |
Kitajska | 50 | 14 | 47528 | 344747,50 | 4,9% | |
Češka republika | 6 | 0 | 3934 | 28371,87 | 37,3% | |
Finska | 4 | 1 | 2794 | 22354,24 | 33,9% | |
Francija | 58 | 1 | 63130 | 338670,67 | 70,6% | |
Nemčija | 6 | 0 | 8113 | 60918,11 | 11,3% | Načrtovano zaprtje do 2022 |
Madžarska | 4 | 0 | 1902 | 15178,67 | 48,0% | |
Indija | 22 | 7 | 6255 | 40374,37 | 3,3% | |
Iran | 1 | 1 | 915 | 5792,22 | 1,7% | |
Japonska | 33 | 2 | 31679 | 43098,63 | 5,1% | Večina reaktorjev trenutno ne obratuje |
Južna Koreja | 24 | 4 | 23150 | 152583,25 | 29,6% | |
Mehika | 2 | 0 | 1552 | 10864,27 | 4,9% | |
Nizozemska | 1 | 0 | 482 | 3885,68 | 3,2% | |
Pakistan | 5 | 2 | 1318 | 9638,99 | 7,1% | |
Romunija | 2 | 0 | 1300 | 10575,07 | 19,9% | |
Rusija | 39 | 2 | 29503 | 201821,27 | 20,6% | |
Slovaška | 4 | 2 | 1837 | 14357,19 | 53,1% | |
Slovenija[8] | 1 | 0 | 688 | 6040,85 | 37,8% | |
Južna Afrika | 2 | 0 | 1860 | 11615,60 | 5,9% | |
Španija | 7 | 0 | 7121 | 55825,26 | 22,2% | |
Švedska | 7 | 0 | 7763 | 47361,83 | 29,8% | |
Švica | 4 | 0 | 2960 | 23048,97 | 32,9% | Načrtovano postopno zapiranje |
Tajvan | 4 | 2 | 3844 | 30341,92 | 12,7% | |
Turčija | 0 | 2 | ni na voljo | ni na voljo | ni na voljo | |
Ukrajina | 15 | 2 | 13107 | 71549,60 | 51,2% | |
Združeni arabski emirati | 1 | 3 | 1345 | 1561,81 | 1,1% | |
Velika Britanija | 15 | 2 | 8923 | 45668,04 | 14,5% | |
Združene države Amerike | 96 | 2 | 98152 | 789918,61 | 19,7% | |
Svet skupaj | 448 | 54 | 397,777 MWe | 2,553 TWh |
V Sloveniji imamo eno jedrsko elektrarno, Nuklearno elektrarno Krško (NEK), ki se nahaja na levem bregu Save 2 km od Krškega proti Brežicam. Jedrska elektrarna Krško (JEK) ima tlačnovodni reaktor (PWR) ameriške družbe Westinghouse z močjo 696 MW. V sedanjem času sodi med manjše jedrske elektrarne tega tipa.
Priprave na izgradnjo nuklearne elektrarne v Sloveniji so se z raziskavami možnih lokacij pričele že v 1960-ih. Sporazum med slovenskim in hrvaškim elektrogospodarstvom je bil podpisan 1970, z delom pa je elektrarna, katere opremo je dobavilo ameriško podjetje Westinghouse, pričela leta 1983.[3] Zaradi počasnega in dragega prehoda v nizkoogljično družbo ter padajočega deleža samooskrbe z električno energijo[9] Slovenija vedno bolj razmišlja o drugem bloku Jedrske elektrarne Krško (NEK 2; Nuklearna Elektrarna Krško 2) ter morebitnem predčasnem zaprtju Termoelektrarne Šoštanj.[10]
Obstaja vrsta različnih izvedb jedrskih elektrarn, ki jih v glavnem lahko razdelimo na to, kakšno vrsto goriva, moderatorja (upočasnjevalec nevtronov) in hladila uporabljajo. Tipi jedrskih elektrarn so:
Nekatere redke vrste reaktorjev pa za hladilo uporabljajo kovine, npr. natrij ali svinec:
Komponente in sisteme jedrske elektrarne lahko razdelimo na dve veliki skupini, ki ju imenujemo jedrski otok oz. jedrski del in turbinski otok oz. konvencionalni del.
Jedrski del sestavljajo primarni sistem, pomožni tekočinski sistemi, električni, instrumentacijski in regulacijski sistemi, ki so potrebni za delovanje primarnega sistema (do sem naštete sisteme včasih imenujemo tudi sistem za proizvodnjo pare) ter sistem za predelavo radioaktivnih odpadkov, sistem za ravnanje z gorivom in ventilacijski sistemi. Glavne komponente teh sistemov so:
Primarni sistem sestavljajo reaktorska posoda, črpalka primarnega hladila s pripadajočimi cevovodi in (v nekaterih tipih reaktorjev) tlačnik. V reaktorski posodi se nahaja sredica reaktorja, ki jo sestavljajo:
Varnostni sistemi:
Sistem za ravnanje z gorivom:
Nekatere vrste jedrskih elektrarn imajo tudi uparjalnik, ki je meja med jedrskim in konvencionalnim delom jedrske elektrarne.
Osrednji del primarnega sistema je reaktor. V njem poteka kontrolirana verižna jedrska reakcija cepitve jeder. Med atomi, ki so prisotni v naravi, lahko edinole pri najtežjem med njimi, uranu, izzovemo verižno reakcijo cepitve. Pri skoraj vsakem elementu najdemo več vrst atomov, ki se imenujejo izotopi. Tudi naravni uran ima dva glavna izotopa, ki se imenujeta uran-235 in uran-238. Označujemo ju z 235U in 238U. Verižna reakcija lahko poteka le na 235U, katerega je v naravnem uranu zgolj 0.7 %, preostalih 99.3 % pa je 238U. Slednji ni povsem neuporaben, saj iz njega v reaktorju sčasoma nastaja plutonij, ki je prav tako primeren za verižno reakcijo.
V vsakem jedrskem reaktorju je prisotno jedrsko gorivo, ki v veliki večini primerov vsebuje uran (izjemoma tudi umetni element plutonij). Gorivo je lahko narejeno iz naravnega urana ali pa iz obogatenega urana, pri katerem je s posebnimi metodami povečan delež 235U in je zato tako gorivo bolj učinkovito. Področje reaktorja, v katerem se nahaja gorivo, se imenuje sredica.
Za proženje cepitve so najbolj uspešni počasni nevtroni, katerih hitrost je nekaj tisočkrat manjša od hitrosti nevtronov, ki nastanejo pri cepitvi. Zato ima večina reaktorjev tudi posebno snov za upočasnjevanje oz. zaviranje nevtronov, ki se imenuje moderator. Nevtroni se najbolj učinkovito upočasnjujejo pri trkih z lahkimi jedri, zato so moderatorji narejeni iz elementov z začetka periodnega sistema. Ker mora moderator zgolj upočasnjevati nevtrone in jih ne tudi absorbirati (sicer bi jih zmanjkalo za verižno reakcijo), poleg tega pa imeti še vrsto drugih ugodnih fizikalnih in kemičnih lastnosti, je število možnih moderatorjev precej omejeno. Večina reaktorjev ima za moderator eno od naslednjih treh snovi: navadno vodo (H2O), težko vodo ali grafit. Težka voda se od navadne razlikuje v tem, da je v njej navadni (»lahki«) vodik 1H nadomeščen s »težkim« vodikom ali devterijem (2H ali D), ki ga je v naravnem vodiku zgolj 0.015 %. Izkaže se, da reaktorji, ki imajo za moderator grafit ali težko vodo, lahko obratujejo na naravni uran, medtem ko tisti na navadno vodo potrebujejo gorivo iz obogatenega urana, saj je absorpcija nevtronov v navadnem vodiku razmeroma velika.
Energija, ki se sprosti pri jedrskih reakcijah v reaktorju, se zelo hitro spremeni v toploto. Za njeno odvajanje poskrbi hladilo. Reaktorsko hladilo mora biti v tekočem ali plinastem stanju in tako kot moderator tudi hladilo ne sme pretirano absorbirati nevtronov. V mnogih primerih je hladilo hkrati tudi moderator, ni pa to nujno. Za hladila se največkrat uporabljajo navadna in težka voda ter plina CO2 in helij.
Vsak reaktor mora imeti tudi regulacijski sistem, s katerim zaženemo ter ustavimo reaktor in določamo moč reaktorja. Regulacijski sistem vsebuje snovi, ki so močni absorberji nevtronov (kadmij, bor, indij, srebro...).
Doslej so razvili že veliko število različnih vrst reaktorjev glede na namen uporabe. Tudi pri reaktorjih za proizvodnjo energije oz. pri jedrskih elektrarnah obstaja vrsta različnih izvedb, ki jih v glavnem lahko razdelimo glede na vrsto goriva, moderatorja in hladila.
Energija, sproščena pri jedrski reakciji, je vsaj milijonkrat večja od energije, ki se sprosti pri kemijski reakciji, kot je na primer kurjenje premoga. Energija se sprosti v obliki kinetične energije novonastalih delcev in gama sevanja.[2]
Turbinski oz. konvencionalni del je del jedrske elektrarne, v katerem se toplotna energija pare pretvarja v mehansko delo in naprej v električno energijo. Sestavljajo ga zelo podobni sistemi in deli kot v termoelektrarni. Konvencionalni del sestavljajo:
Parna turbina, električni generator in kondenzator se nahajajo v ločeni stavbi, ki jo imenujemo turbinska zgradba.
Parametri pare (temperatura, tlak, vlažnost) so v jedrski elektrarni nekoliko drugačni kot v konvencionalni termoelektrarni. Temu so prilagojene konvencionalne komponente jedrske elektrarne, ki zato niso povsem enake kot v termoelektrarni
Izkoriščanje energije jedrske verižne reakcija temelji na znanstvenih odkritjih s področja jedrske fizike.
Konec petdesetih in v začetku šestdesetih let dvajsetega stoletja so tudi druge razvite industrijske države (Velika Britanija, Kanada, Francija, Nemčija, ...) postavile prve jedrske elektrarne in pripravljen je bil teren za njihovo široko komercialno uporabo.
Večina držav danes gradi elektrarne na podlagi tlačnovodnega tipa reaktorja (PWR – Pressurised Water Reactor) 69 % vseh trenutno delujočih reaktorjev), ostale elektrarne pa so, razen zelo redkih izjem, pretežno na osnovi vrelovodnega reaktorja (BWR – Boiling Water Reactor).[14]
Jedrska elektrarna ima zaradi svojega zanesljivega in neprekinjenega delovanja na polni moči ugoden vpliv na elektroenergetski sistem, saj zagotavlja:
Obenem pa jedrska elektrarna pripomore tudi k zmanjšanju izpustov ogljikovega dioksida v ozračje, saj nadomešča fosilna goriva.
Jedrska energija ima veliko vlogo pri zmanjšanju izpustov ogljikovega dioksida (CO2), saj je trenutno edini tehnološko in ekonomsko razviti vir energije, ki je že dostopen in lahko v dovolj veliki meri nadomešča fosilna goriva (seveda je tak vir tudi hidroenergija, vendar je ta v veliki meri že izkoriščena). Primerjava sproščanja CO2 iz posameznih vrst elektrarn je na sliki 2 in iz nje je jasno razvidno, da jedrske elektrarne sproščajo zgolj nekaj odstotkov CO2, ki ga za enako količino proizvedene energije sprostijo termoelektrarne.
Investicijski stroški |
Delovanje in vzdrževanje |
Gorivo | Emisije | Seštevek [eur/MWh] | |
---|---|---|---|---|---|
Jedrska elektrarna |
20 | 10 | 5 | 0 | 35 |
Termoelektrarna (premog) |
11,5 | 8 | 26,2 | (18,6) | 45,7 (64,6) |
Termoelektrarna (plin) |
6,2 | 5 | 40 | 8 | 51,2 (59,2) |
Vetrna elektrarna |
41,9 | 11 | 0 | 0 | 52,9 |
Biomasa (les) | 23,9 | 9 | 40,6 | 0 | 73,6 |
Opomba: vrednosti, ki vključujejo tudi stroške emisijskih kuponov, so v oklepajih. Nekatere študije sicer ugotavljajo, da višina posameznih stroškovlahko močno niha glede na dostopnost posameznega energetskega vira ter druge okoliščine v posamični državi.[16] |
Pri vrednotenju prednosti in slabosti jedrskih elektrarn je poleg ekonomskih dejavnikov (ki so nakazani v tabeli), zaradi možnega geografsko širokega vpliva morebitnih nesreč upoštevati tudi okoljske, politične in čustvene dejavnike.
Prednosti jedrske energije:
Kot vsaka tehnologija ima tudi jedrska nekaj pomanjkljivosti:
Jedrska varnost pomeni varstvo ljudi in okolja pred škodljivimi učinki ionizirajočih sevanj.
Na mednarodnem nivoju za jedrsko varnost skrbita predvsem Mednarodna agencija za jedrsko energijo s sedežem na Dunaju (IAEA; International Atomic Energy Agency) [18] ter Evropska skupnost za jedrsko energijo (EURATOM; European Atomic Energy Community). Po nesreči v Fukušimi je na ravni EU prišlo do stresnih testov vseh jedrskih elektrarn, ki so privedle do enotnih 4 sklopov ukrepov:
V Sloveniji za izvajanje nadzora deluje Uprava za jedrsko varnost.[20]
V jedrskih elektrarnah širitev radioaktivnih snovi iz jedrskega goriva preprečujejo štiri zaporedne fizične pregrade, ki gorivo ločujejo od okolja.
Jedrske elektrarne imajo tudi varnostne sisteme, ki blažijo posledice nesreč. Ti sistemi so samostojni in ločeni od sistemov za normalno obratovanje (proizvodnjo električne energije) ter so tipično vsaj podvojeni. Varnostni sistemi v vsaki naslednji generaciji reaktorjev težijo k dodajanju števila pregrad ter pasivni varnosti in avtonomnosti (samodejno reagiranje ter neodvisnost od zunanjih energetskih virov).[18]
Splošna percepcija varnosti jedrskih elektrarn v javnosti je močno odvisna od nesreč na tem področju (po vsaki nesreči hitro pade in se le počasi nato zopet povečuje) ter terorističnih groženj, učinkovitosti možnih rešitev za varno odstranitev odpadkov ter odstranitvi možnosti zlonamerne uporabe jedrskih materialov (v tem vrstnem redu po padajoči pomembnosti). Sprejemljivost jedrske energije se sicer poveča ob omenjanju pozitivnih učinkov na globalno segrevanje, razlagi varnostnih ukrepov ter ugotavljanju o nezmožnosti sledenja proizvodnje povečani potrošnji električne energije. Prav tako je stopnja sprejemljivosti jedrskih elektrarn višja v državah, ki že imajo izkušnje z jedrsko energijo. Statistično jedrsko energijo bolj podpirajo moški kot ženske, tisti s sredinsko politično opredelitvijo; podpora narašča tudi s stopnjo izobrazbe ter starostjo. Na splošno prebivalci ne zaupajo vladnim ustanovam ter medijem, temveč bolj znanstvenikom, nevladnim organizacijam za zaščito okolja ter organizacijam za zaščito potrošnikov.[21]
V zgodovini civilne izrabe jedrske energije so v povezavi z jedrskimi elektrarnami najbolj znane tri nesreče:[22][23][24]
Največja jedrska nesreča do sedaj se je zgodila 26. aprila 1986 v jedrski elektrarni Černobil (reaktor 4) v Ukrajini, takratna Sovjetska zveza. Reaktor je bil tipa RBMK, ki za hlajenje uporablja vodo pod visokim tlakom, za moderator pa grafit, električna moč reaktorja je bila 1000 MW. Do eksplozije v jedrski elektrarni je prišlo, ko se je med poskusi na enem od štirih jedrskih reaktorjev pričelo taliti jedro.
Posledice nesreče:
Izredno močnemu potresu 9. stopnje po Richterjevi lestvici je 11. marca 2011 na Japonskem sledil izjemen popotresni morski val oz. cunami, ki je bil kar 8 metrov višji od projektno predvidenih. Sam potres in cunami sta povzročila smrt 15.842 ljudi, 5890 je bilo poškodovanih in 3485 pogrešanih. Potres sicer ni poškodoval varnostnih sistemov elektrarne, je pa cunami poplavil jedrsko elektrarno Fukušima Daiči s šestimi vrelnimi reaktorji in onesposobil njene varnostne sisteme.
Potek nesreče:
Posledice nesreče: Po jedrski nesreči v Fukušimi je zaradi sevanja umrlo več kot 3.000 ljudi, opazen pa naj bi bil tdi upad biotske raznovrstnosti v prizadetem območju.[25] 70 tisoč ljudi so pred sprostitvijo radioaktivnosti evakuirali iz 30-kilometrskega kroga. Del evakuiranih območij je že varnih za normalno bivanje. Količina sproščenega sevanja je bila 10-krat nižja kot v Černobilu, na srečo pa je tudi glavnino radioaktivnega oblaka odneslo nad nenaseljeni Tihi ocean.
Po fukušimski nesreči so bile v svetu in Sloveniji izvedene analize odpornosti jedrskih elektrarn na ekstremne dogodke in uvedene izboljšave varnostnih lastnosti elektrarn. Precej držav je ustavilo gradnjo ali celo uporabo obstoječih jedrskih elektrarn, toda zaradi rastočih cen električne energije (vojna v Ukrajini, nezanesljivost alternativnih virov) o ponovni rabi jedrske energije razmišlja tudi Japonska.[26]
Jedrska nesreča na Otoku treh milj (Three Mile Island) se je zgodila 28. marca 1979 v ameriški zvezni državi Pensilvanija. Tip reaktorja je bil tlačnovodni reaktor (PWR), kakršna je tudi NEK električna moč reaktorja je bila 906 MW
Potek nesreče:
Posledice nesreče: Nesreča ni imela radioloških učinkov na okolje in prebivalstvo. Povzročila je uvedbo niza varnostnih ukrepov pri obstoječih in poznejših novih jedrskih elektrarnah z namenom, da se podobna nesreča ne bi več zgodila.
((navedi splet))
: Vzdrževanje CS1: samodejni prevod datuma (povezava)
((navedi splet))
: Vzdrževanje CS1: samodejni prevod datuma (povezava)