Ydinvoimala tai ydinvoimakenttä

Voimme tuottaa sähköä ydinvoiman avulla. Ydinvoimalassa sähkö tuotetaan ydinteknologian reaktioilla. Tässä, raskaita radioaktiivisia alkuaineita, kuten uraania (U235) tai toria (Th232) ajetaan ydinjakoiseen. Tämä jakautuminen tehdään erityisessä laitteessa, jota kutsutaan reaktoriksi.

Mitä tarkoittaa ydinjakautuminen?

Jakautumisprosessissa raskaiden radioaktiivisten atomien ytimet murtuvat kahteen melko tasapainoiseen osaan. Tämän murtojen aikana vapautuu valtava määrä energiaa. Tämä energian vapautuminen johtuu massan puutteesta. Tämä tarkoittaa, että alkuperäisen tuotteen kokonaispaino vähenee jakautumisen aikana. Tämä massa-epäselvyys muunnetaan lämpöenergiaksi Albert Einsteinin tunnetun yhtälön mukaisesti.

Ydinvoimalan perusperiaate on sama kuin perinteisellä lämpövoimalalla. Ainoa ero on, että sijaan, että käyttää hiilipolttoon liittyvää lämpöä, ydinvoimalassa käytetään ydinjakautumisen aiheuttamaa lämpöä vedelle kattilaessa. Tämä höyry ajaa höyrykonesiirroturbiinia.

Tämä turbiini on vaihtokoneen pääturbiini. Vaihtokone tuottaa sähköenergiaa. Vaikka ydinpolttoaineen saatavuus ei ole paljon, hyvin pieni määrä ydinpolttoainetta voi tuottaa suuren määrän sähköenergiaa.

Tämä on ydinvoimalan ainutlaatuinen piirre. Yksi kilogramma uraania on vastaavainen 4500 metriselle tonnille korkealaatuista hiiltä. Tämä tarkoittaa, että 1 kilogramman uraaniumin täydellinen jakautuminen voi tuottaa niin paljon lämpöä kuin 4500 metrisen tonnin korkealaatuista hiiltä polttaessa.

Tämän vuoksi, vaikka ydinpolttoaine on paljon kalliimpaa, ydinpolttoaineen hinta yksikkösähköenergian tuotannon kannalta on edelleen alhaisempi kuin muiden polttoaineiden, kuten hiilen ja dieselöljyn, kautta tuotettua energiaa. Perinteisen polttoainekriisin kohtaamiseksi nykyajan ydinvoimalat voivat olla parhaat vaihtoehdot.

Ydinvoimalan etuja

1. Kuten mainitsimme, polttoaineen kulutus tällaisessa voimalassa on hyvin pieni, ja siksi yhden energiayksikön tuotannon hinta on huomattavasti alempi kuin muissa perinteisissä sähköntuotantomenetelmissä. Ydinpolttoainetta tarvitaan myös hyvin vähän.

2. Ydinvoimala vie paljon vähemmän tilaa verrattuna muihin samankokoisiin perinteisiin voimaloihin.

3. Tälle voimalalle ei tarvita paljon vettä, joten ei ole välttämätöntä rakentaa voimalaa luonnollisten vesilähteiden lähelle. Tämä ei myöskään vaadi suurta määrää polttoainetta, joten ei ole välttämätöntä rakentaa voimalaa hiilikivenlouhosien lähelle tai paikoille, joilla on hyvät liikennevälineet. Tämän vuoksi ydinvoimala voidaan perustaa hyvin lähelle sähkökulutuksen keskuksia.

4. Maailmassa on suuria varastoja ydinpolttoainetta, joten tällaiset voimalat voivat taata sähköenergian jatkuvan toimituksen tuhatia vuosia.

Ydinvoimalan haittoja

1. Polttoaine ei ole helposti saatavilla, ja se on hyvin kallista.

2. Ydinvoimalan rakentaminen on alkuun hyvin kallista.

3. Tämän voimalan asentaminen ja käyttöönotto on monimutkaisempaa ja tarkempaa kuin muissa perinteisissä voimaloissa.

4. Jakautumisen sivutuotteet ovat säteileviä, mikä voi aiheuttaa merkittävää säteilypilaamista.

5. Huoltokustannukset ovat korkeammat, ja ydinvoimalan ajamiseen vaaditaan enemmän ammattitaitoa, koska erikoistetusti koulutettuja ihmisiä tarvitaan.

6. Ydinvoimalat eivät pysty tehokkaasti vastaamaan äkillisiin sähkökulutuksen vaihteluun.

7. Ydinreaktioiden sivutuotteet ovat erittäin säteileviä, joten niiden hävittäminen on suuri ongelma. Ne voidaan hävittää vain maan syvyyksiin tai merelle kauas rannikosta.

Ydinvoimalan eri komponentit

Ydinvoimalassa on pääasiassa neljä komponenttia.

1. Ydinreaktori

2. Lämpövaihtaja

3. Höyryturbiini

4. Vaihtokone

Keskustellaan nyt näistä komponenteista yksi kerrallaan:

Ydinreaktori

Ydinreaktorissa uraania U235 ajetaan ydinjakautumiseen. Se hallitsee ketjureaktiota, joka alkaa, kun jakautuminen tapahtuu. Ketjureaktiota on hallittava, muuten energian vapautumisnopeus olisi nopea, ja olisi suuri riski räjähdykselle. Ydinjakautumisessa ydinpolttoaineen, kuten U235, ytimiä pommitetaan hitaalla neutroniviululla. Tämän pommituksen seurauksena uraaniumin ytimekset murtuvat, mikä aiheuttaa valtavan määrän lämpöenergian vapautumisen, ja ytimien murtojen aikana vapautuu myös useita neutroneja.

Nämä vapautuneet neutronit kutsutaan jakautumisneutroniksi. Nämä jakautumisneutronit aiheuttavat lisää jakautumista. Lisäjakautuminen luo enemmän jakautumisneutronia, jotka taas kiihdyttävät jakautumisnopeutta. Tämä on kumulatiivinen prosessi.

Jos prosessia ei hallita, hyvin lyhyessä ajassa jakautumisnopeus kasvaisi niin paljon, että vapautuisi niin valtava määrä energiaa, että voisi aiheuttaa vaarallisen räjähdyksen. Tätä kumulatiivista reaktiota kutsutaan ketjureaktioksi. Tämä ketjureaktio voidaan hallita poistamalla jakautumisneutronit ydinreaktorista. Jakautumisnopeutta voidaan hallita muuttamalla jakautumisneutronien poistamisnopeutta reaktoreista.

Ydinreaktori on sylinterimäinen painevesseli. Polttoainepuita valmistetaan ydinpolttoaineesta, eli uraaniusta, ja ne peitetään yleensä grafiittipohjaisilla moderaattoreilla, jotka hidastavat neutroneja ennen niiden törmäystä uraaniumin ytimeen. Ohjauspuita valmistetaan kadmiumista, koska kadmium on vahva neutronien absorboija.

Ohjauspuita upotetaan jakautumiskammariin. Nämä kadmiumipuita voidaan työntää alas ja nostaa ylös tarvittaessa. Kun nämä puita työnnään riittävän pitkälle alas, suurin osa jakautumisneutronista absorboituu puihin, jolloin ketjureaktio loppuu. Taas, kun ohjauspuita nostetaan ylös, jakautumisneutronien saatavuus kasvaa, mikä lisää ketjureaktion nopeutta.

On siis selvää, että ohjauspuiden sijainnin säädöllä voidaan hallita ydinreaktion nopeutta ja siten sähköenergian tuotantoa kulutuskysynnön mukaan. Käytännössä ohjauspuiden työntäminen ja nostaminen hallitaan automaattisella palautesysteemillä kulutuskysynnön mukaan. Sitä ei hallita manuaalisesti. Ydinreaktion aikana vapautunut lämpö siirretään lämpövaihtajalle naulumitaloina koostuvalta jäähdytinaineelta.

Lämpövaihtaja

Lämpövaihtajassa naulumitaloina koostuvalta jäähdytinaineelta vapautuva lämpö siirtyy vedelle, ja vesi muuttuu korkeapaineiseksi höyryksi. Jäähdytinaine palautuu reaktoriin jäähdytinaineen kierrättämispuhelimella.

Höyryturbiini