Nuklearna elektrana

Možemo generirati električnu energiju putem nuklearne energije. U nuklearnom elektrani, električna energija se generira putem nuklearnih reakcija. Ovdje, teške radioaktivne elemente poput urana (U235) ili torija (Th232) podvrgavaju nuklearnom širenju. To širenje obavlja se u posebnom uređaju zvanom reaktor.

Što je nuklearno širenje?

U procesu širenja, jedra teških radioaktivnih atoma razbijaju se na dvije gotovo jednake dijelove. Tijekom ovog razbijanja jedra, oslobađa se ogromna količina energije. Ova sloboda energije je posljedica masnog defekta. To znači da bi ukupna masa početnog proizvoda bila smanjena tijekom širenja. Ova gubitak mase tijekom širenja pretvara se u toplinsku energiju prema poznatoj Einsteinove jednadžbi.

Osnovni princip nuklearne elektrane isti je kao i konvencionalne termoelektrane. Jedina razlika je u tome što umjesto topline generirane izgorijevanjem ugljena, ovdje u nuklearnoj elektrani, toplina generirana nuklearnim širenjem koristi se za proizvodnju pare iz vode u kotlu. Taj par koristi se za pogon parne turbine.

Ta turbina je glavni pokretnik alternatora. Taj alternator generira električnu energiju. Iako dostupnost nuklearnog goriva nije velika, vrlo mala količina nuklearnog goriva može generirati ogromnu količinu električne energije.

To je jedinstvena značajka nuklearne elektrane. Jedinica urana ekvivalentna je 4500 metričkih tona visokokvalitetnog ugljena. To znači da potpuno širenje 1 kg urana može proizvesti toliko topline koliko bi mogla proizvesti potpuna sagorijevanja 4500 metričkih tona visokokvalitetnog ugljena.

Zbog toga, iako je nuklearno gorivo mnogo skuplje, trošak nuklearnog goriva po jedinici električne energije još uvijek manji je od troška energije generirane pomoću drugih goriva poput ugljena i dizela. Da bi se suočilo s krizom konvencionalnog goriva u današnjem dobu, nuklearne elektrane mogu biti najprikladniji alternativni izbor.

Prednosti nuklearne elektrane

1. Kao što smo rekli, potrošnja goriva u ovoj elektrani je prilično niska, stoga je trošak proizvodnje jedne jedinice energije znatno manji od drugih konvencionalnih metoda proizvodnje energije. Količina nuklearnog goriva koja je potrebna također je manja.

2. Nuklearna elektrana zauzima puno manji prostor uspoređeno s drugim konvencionalnim elektranama iste snage.

3. Ova elektrana ne zahtijeva puno vode, stoga nije nužno graditi instalaciju blizu prirodnih izvora vode. Također ne zahtijeva veliku količinu goriva, stoga nije nužno graditi instalaciju blizu ugljenog rudnika ili mjesta gdje su dostupne dobre transportne opcije. Zbog toga, nuklearna elektrana može biti postavljena vrlo blizu centra opterećenja.

4. Postoji velika količina nuklearnog goriva globalno, stoga takve elektrane mogu osigurati kontinuiranu dobavljanje električne energije za sljedeće tisuće godina.

Nedostaci nuklearne elektrane

1. Gorivo nije lako dostupno i vrlo je skupo.

2. Početni trošak izgradnje nuklearne elektrane vrlo je visok.

3. Erekcija i komisioniranje ove instalacije su puno složeniji i sofisticiraniji nego druge konvencionalne elektrane.

4. Produkti širenja su radioaktivni prirode i mogu uzrokovati visoku radioaktivnu zagađenost.

5. Trošak održavanja je viši, a broj ljudi potrebnih za upravljanje nuklearnom elektranom je veći jer su potrebni stručno obučeni ljudi.

6. Nagli fluktuacije opterećenja ne mogu učinkovito biti nadognano nuklearnim elektranama.

7. Kao što su produkti nuklearnih reakcija visoko radioaktivni, to je veliki problem za otpad tih produkata. Mogu se isprazniti samo duboko unutar tla ili u moru daleko od obale.

Različiti komponenti nuklearne elektrane

Nuklearna elektrana ima glavno četiri komponente.

1. Nuklearni reaktor

2. Trocitelj toplote

3. Parna turbina

4. Alternator

Hajdemo raspraviti o ovim komponentama jednu po jednu:

Nuklearni reaktor

U nuklearnom reaktoru, uran 235 podvrgava se nuklearnom širenju. Kontrolira lančanu reakciju koja započinje kad se širenje obavi. Lančana reakcija mora biti kontrolirana, inače brzina oslobađanja energije bit će velika, postoji velika šansa za eksploziju. U nuklearnom širenju, jedra nuklearnog goriva, poput U235, bombardiraju se sporim tokom neutrona. Zbog tog bombardiranja, jedra urana se razbijaju, što uzrokuje oslobađanje ogromne topline, a tijekom razbijanja jedra emitiraju se i brojne neutroni.

Emitirani neutroni zovu se fizijski neutroni. Ti fizijski neutroni uzrokuju daljnje širenje. Daljnje širenje stvara još fizijskih neutrona koji opet ubrzavaju brzinu širenja. To je kumulativni proces.

Ako se proces ne kontrolira, u vrlo kratkom vremenu brzina širenja postaje toliko velika, da će osloboditi toliko ogromnu količinu energije, da bi mogla doći opasna eksplozija. Ovaj kumulativni proces zove se lančana reakcija. Ovu lančanu reakciju može se kontrolirati uklanjanjem fizijskih neutrona iz nuklearnog reaktora. Brzinu širenja može se kontrolirati mijenjanjem brzine uklanjanja fizijskih neutrona iz reaktora.

Nuklearni reaktor je valjkasta stvaritlakova posuda. Gorivne šipke su napravljene od nuklearnog goriva, tj. urana, koje obično pokrivaju grafitne moderatori. Moderatori usporavaju neutrona prije sudara s jedrima urana. Kontrolne šipke su napravljene od kadmija jer je kadmij jak apsorbent neutrona.

Kontrolne šipke se umetaju u širenje komoru. Te kadmijeve kontrolne šipke mogu se spustiti i povući prema potrebi. Kada se te šipke dovoljno spuste, većina fizijskih neutrona apsorbira se tim šipkama, stoga lančana reakcija prestaje. Ponovno, dok se kontrolne šipke povuku, dostupnost fizijskih neutrona postaje veća, što povećava brzinu lančane reakcije.

Stoga je jasno da se podešavanjem položaja kontrolnih šipki može kontrolirati brzina nuklearne reakcije, a time i proizvodnja električne energije prema potrebi opterećenja. U stvarnom radu, spuštanjem i povlačenjem kontrolnih šipki upravlja automatski povratni sustav prema potrebi opterećenja. Ne upravlja se ručno. Toplina oslobađena tijekom nuklearne reakcije prenosi se na trocitelj toplote pomoću hladilaca sastavljenih od natrija.

Trocitelj toplote

U trocitelu toplote, toplina nosena natrijem disipa se u vodu i voda se pretvara u visokotlaknu paru. Nakon ispuštanja topline u vodu, natrijmetalni hladilac vraća se u reaktor pomoću cirkulacijske pumpa hladilca.

Parna turbina

U nuklearnoj elektrani, parna turbina igra istu ulogu kao i u ugljenoj elektrani. Par pokreće turbinu na isti način. Nakon što svoj posao obavi, is