Jaderná elektrárna nebo jaderná výrobní jednotka
Elektrickou energii lze vygenerovat pomocí jaderné energie. V jaderné elektrárně se elektrická energie generuje díky jaderné reakci. Zde jsou těžké radioaktivní prvky jako urán (U235) nebo torium (Th232) podrobeny jadernému štěpení. Tohle štěpení probíhá v speciálním zařízení zvaném reaktor.
Co je jaderné štěpení?
V procesu štěpení se jádra těžkých radioaktivních atomů rozdělují na dvě téměř stejně velké části. Během tohoto rozdělení jader je uvolněna obrovská množství energie. Toto uvolnění energie je způsobeno hmotovým defektem. To znamená, že celková hmotnost počátečního produktu bude během štěpení snížena. Tato ztráta hmoty během štěpení se převede na tepelnou energii podle slavné rovnice od Alberta Einsteina.
Základní princip jaderné elektrárny je stejný jako u konvenční tepelné elektrárny. Jediným rozdílem je, že místo tepla vygenerovaného spalováním uhlí se zde využívá teplo vygenerované jaderným štěpením k výrobě páry z vody v kotli. Tato pára se používá k pohonu parní turbíny.
Turbína je hlavním pohonným mechanismem alternátoru. Alternátor generuje elektrickou energii. Ačkoli dostupnost jaderného paliva není velká, malé množství jaderného paliva může vygenerovat obrovské množství elektrické energie.
To je jedinečná vlastnost jaderné elektrárny. Jedna kilogram uránu je ekvivalentní 4500 tunám vysokokvalitního uhlí. To znamená, že úplné štěpení 1 kg uránu může produkovat tolik tepla, kolik by bylo možné vyprodukovat úplným spalováním 4500 tun vysokokvalitního uhlí.
Proto, i když jaderné palivo je mnohem dražší, náklady na jaderné palivo na jednotku elektrické energie jsou stále nižší než náklady na energii vygenerovanou jinými palivy, jako je uhlí a diesel. K řešení krize s konvenčními palivy v současné době mohou být jaderné elektrárny nejvhodnější alternativou.
Výhody jaderné elektrárny
Jak již bylo řečeno, spotřeba paliva v této elektrárně je poměrně nízká a proto je náklad na vygenerování jednotky energie mnohem nižší než u jiných konvenčních metod výroby energie. Množství potřebného jaderného paliva je také menší.
Jaderná elektrárna zabírá mnohem menší prostor než jiné konvenční elektrárny stejné kapacity.
Tato elektrárna nevyžaduje mnoho vody, proto není nutné ji stavět poblíž přirozených zdrojů vody. Toto také nevyžaduje obrovské množství paliva, proto není nutné ji stavět poblíž uhelného doolu nebo místa, kde jsou k dispozici dobré dopravní spojení. Díky tomu lze jadernou elektrárnu postavit velmi blízko střediska spotřeby.
Existuje velké množství zásob jaderného paliva po celém světě, což takové elektrárny mohou zajistit trvalý dodávku elektrické energie pro tisíce let v budoucnosti.
Nevýhody jaderné elektrárny
Palivo není snadno dostupné a je velmi drahé.
Počáteční náklady na výstavbu jaderné elektrárny jsou poměrně vysoké.
Erekce a zprovoznění této elektrárny jsou mnohem komplikovanější a sofistikovanější než u jiných konvenčních elektráren.
Pobytové produkty štěpení jsou radioaktivní povahy a mohou způsobit vysokou radioaktivní znečištění.
Náklady na údržbu jsou vyšší a počet lidí potřebných k provozu jaderné elektrárny je vyšší, protože jsou potřebni specialisté s odborným vzděláním.
Náhlé fluktuace zatížení nemohou být efektivně vyřešeny jadernými elektrárnami.
Protože pobytové produkty jaderných reakcí jsou velmi radioaktivní, je velký problém s jejich likvidací. Mohou být likvidovány hluboko v zemi nebo v moři daleko od pobřeží.
Různé komponenty jaderné elektrárny
Jaderná elektrárna má hlavně čtyři komponenty.
Jaderný reaktor
Výměník tepla
Parní turbína
Alternátor
Nyní si tyto komponenty popíšeme jednu po druhé:
Jaderný reaktor
V jaderném reaktoru je urán 235 podroben jadernému štěpení. Reaktor kontroluje řetězovou reakci, která začíná po štěpení. Řetězovou reakci musí být kontrolována, jinak by se rychlost uvolňování energie zvýšila a mohla dojít k explozi. Při jaderném štěpení jsou jádra jaderného paliva, jako je U235 bombardována pomalým proudem neutronů. Tímto bombardováním se jádra uránu rozpadají, což způsobuje uvolnění obrovského množství tepelné energie a během rozpadu jader jsou emitovány i mnohé neutrony.
Tyto emitované neutrony se nazývají štěpné neutrony. Tyto štěpné neutrony způsobují další štěpení. Další štěpení vytváří více štěpných neutronů, což opět zrychluje rychlost štěpení. Je to kumulativní proces.
Pokud tento proces není kontrolován, v krátké době se rychlost štěpení zvýší natolik, že uvolní obrovské množství energie, což může způsobit nebezpečnou explozi. Tento kumulativní proces se nazývá řetězová reakce. Tuto řetězovou reakci lze kontrolovat pouze odstraněním štěpných neutronů z jaderného reaktoru. Rychlost štěpení lze kontrolovat změnou rychlosti odstraňování štěpných neutronů z reaktoru.
Jaderný reaktor je válcovitého tvaru a je vystavěn jako tlakový nádrž. Palivové tyče jsou vyrobeny z jaderného paliva, tedy uránu. Moderátory, které jsou obvykle vyrobeny z grafitu, pokrývají palivové tyče. Moderátory zpomalují neutrony před jejich kolizí s jádry uránu. Kontrolní tyče jsou vyrobeny z kadmia, protože kadmium je silný absorbent neutronů.
Kontrolní tyče jsou vloženy do štěpné komory. Tyto tyče z kadmia lze dle potřeby posunout dolů a nahoru. Pokud jsou tyče dostatečně posunuty dolů, většina štěpných neutronů je absorbována těmito tyčemi, což zastaví řetězovou reakci. Naopak, když jsou kontrolní tyče vytáhnuté, dostupnost štěpných neutronů se zvýší, což zvýší rychlost řetězové reakce.
Je tedy zřejmé, že úpravou polohy kontrolních tyčí lze ovládat rychlost jaderné reakce a následně ovládat výrobu elektrické energie podle potřeby zatížení. Ve skutečnosti je posouvání a vytahování kontrolních tyčí ovládáno automatickým systémem zpětné vazby podle potřeby zatížení. Není to ručně ovládaný proces. Teplo uvolněné během jaderné reakce je přeneseno do výměníku tepla prostřednictvím chladiva složeného z hořčíku.
Výměník tepla
V výměníku tepla je teplo přenesené hořčíkem odvedeno do vody a voda se zde přemění na vysokotlakou páru. Po uvolnění tepla v vodě se hořčíkové chladivo vrátí zpět do reaktoru prostřednictvím čerpadla chladiva.
