Мы можем генерировать электроэнергию с помощью ядерной энергии. В ядерной электростанции электроэнергия генерируется в результате ядерной реакции. Здесь тяжелые радиоактивные элементы, такие как уран (U235) или торий (Th232), подвергаются ядерному делению. Это деление происходит в специальном устройстве, называемом реактором.
В процессе деления ядра тяжелых радиоактивных атомов разделяются на две почти равные части. При этом делении ядер выделяется огромное количество энергии. Выделение энергии связано с массовым дефектом, то есть общая масса исходного продукта уменьшается при делении. Потеря массы при делении преобразуется в тепловую энергию согласно известному уравнению, установленному Альбертом Эйнштейном.
Основной принцип работы ядерной электростанции тот же, что и у обычной тепловой электростанции. Единственное отличие заключается в том, что вместо использования тепла, генерируемого за счет сгорания угля, здесь в ядерной электростанции используется тепло, выделяемое в результате ядерного деления, для производства пара из воды в котле. Этот пар используется для привода паровой турбины.
Эта турбина является основным двигателем генератора. Генератор производит электроэнергию. Хотя доступность ядерного топлива не велика, но очень малое количество ядерного топлива может генерировать огромное количество электроэнергии.
Это уникальная особенность ядерной электростанции. Один килограмм урана эквивалентен 4500 метрическим тоннам высококачественного угля. То есть полное деление одного килограмма урана может произвести столько же тепла, сколько можно получить при полном сгорании 4500 метрических тонн высококачественного угля.
Поэтому, хотя ядерное топливо гораздо дороже, стоимость ядерного топлива на единицу электроэнергии все равно ниже, чем стоимость энергии, произведенной другими видами топлива, такими как уголь и дизель. Чтобы справиться с кризисом традиционного топлива в настоящее время, ядерные электростанции могут быть наиболее подходящей альтернативой.
Как мы уже говорили, расход топлива на этой электростанции довольно низкий, поэтому стоимость генерации одной единицы энергии значительно ниже, чем при других традиционных методах генерации энергии. Требуемое количество ядерного топлива также меньше.
Ядерная электростанция занимает намного меньше места по сравнению с другими традиционными электростанциями той же мощности.
Эта станция не требует большого количества воды, поэтому нет необходимости строить ее рядом с естественными источниками воды. Также эта станция не требует большого количества топлива, поэтому нет необходимости строить ее рядом с угольной шахтой или местом, где есть хорошие транспортные возможности. Поэтому ядерную электростанцию можно построить очень близко к центру нагрузки.
Существуют большие запасы ядерного топлива по всему миру, поэтому такие станции могут обеспечивать непрерывное снабжение электроэнергией на протяжении тысяч лет.
Топливо не легко доступно и оно очень дорогое.
Начальная стоимость строительства ядерной электростанции довольно высока.
Установка и ввод в эксплуатацию этой станции намного сложнее и более продвинуты, чем на других традиционных электростанциях.
Продукты распада от деления радиоактивны, и они могут вызвать высокую радиоактивную загрязненность.
Стоимость обслуживания выше, и для работы ядерной электростанции требуется больше квалифицированных специалистов, поскольку нужны специально обученные люди.
Резкие колебания нагрузки не могут быть эффективно компенсированы ядерными электростанциями.
Поскольку продукты ядерных реакций являются высоко радиоактивными, это большая проблема для их утилизации. Их можно утилизировать только глубоко под землей или в море, далеко от береговой линии.
Ядерная электростанция имеет четыре основных компонента.
Ядерный реактор
Теплообменник
Паровая турбина
Генератор
Давайте обсудим эти компоненты по порядку:
В ядерном реакторе уран-235 подвергается ядерному делению. Он контролирует цепную реакцию, которая начинается, когда происходит деление. Цепная реакция должна быть контролируемой, иначе скорость выделения энергии будет слишком высокой, и существует высокая вероятность взрыва. В ядерном делении ядра ядерного топлива, таких как U235, бомбардируются медленными нейтронами. В результате этого бомбардирования ядра урана разрушаются, что приводит к выделению огромного количества тепловой энергии, и при разрушении ядер также выбрасывается множество нейтронов.
Эти выброшенные нейтроны называются фиссионными нейтронами. Эти фиссионные нейтроны вызывают дальнейшее деление. Дальнейшее деление создает еще больше фиссионных нейтронов, которые снова ускоряют скорость деления. Это кумулятивный процесс.
Если процесс не контролируется, в очень короткое время скорость деления становится настолько высокой, что выделяется огромное количество энергии, что может привести к опасному взрыву. Этот кумулятивный процесс называется цепной реакцией. Цепную реакцию можно контролировать только путем удаления фиссионных нейтронов из ядерного реактора. Скорость деления можно контролировать, изменяя скорость удаления фиссионных нейтронов из реактора.
Ядерный реактор представляет собой цилиндрический стальной сосуд под давлением. Топливные стержни изготовлены из ядерного топлива, то есть урана, модератор, который обычно сделан из графита, покрывает топливные стержни. Модератор замедляет нейтроны перед столкновением с ядрами урана. Управляющие стержни изготовлены из кадмия, так как кадмий является сильным поглотителем нейтронов.
Управляющие стержни вставляются в камеру деления. Эти кадмиевые управляющие стержни можно опускать и поднимать по мере необходимости. Когда эти стержни достаточно опущены, большинство фиссионных нейтронов поглощаются этими стержнями, и цепная реакция останавливается. Когда управляющие стержни поднимаются, доступность фиссионных нейтронов увеличивается, что повышает скорость цепной реакции.
Таким образом, очевидно, что, регулируя положение управляющих стержней, можно контролировать скорость ядерной реакции и, следовательно, генерацию электроэнергии в соответствии с потребностями нагрузки. На практике поднятие и опускание управляющих стержней контролируется автоматической системой обратной связи в зависимости от потребностей нагрузки. Это не контролируется вручную. Тепло, выделяемое при ядерной реакции, переносится в теплообменник с помощью теплоносителя, состоящего из металлического натрия.
В теплообменнике тепло, переносимое металлическим натрием, рассеивается в воде, и вода преобразуется в пар высокого давления. После отдачи тепла воде металлический натрий-теплоноситель возвращается в реактор с помощью насоса циркуляции теплоносителя.
На ядерной электростанции паровая турбина играет ту же роль, что и на угольной электростанции. Пар приводит в движение турбину таким же образом. После выполнения своей работы, истощенный пар поступает в конденсатор, где он конденсируется, чтобы освободить место для пара, следующего за ним.
