Elektromos energia termelése nukleáris erőforrásokkal történik. A nukleáris erőműban az elektromos energia nukleáris reakcióval jön létre. Itt a nehéz radioaktív elemek, mint például az urán (U235) vagy a thorium (Th232) részecskére bontják. Ez a szétesés egy speciális eszközben, a reaktorban történik.
A szétesés folyamatában a nehéz radioaktív atommagok két majdnem egyenlő részre vannak szétesve. Ez a mag-szétesés során hatalmas mennyiségű energia jelenik meg. Az energiaszabadság miatt a kezdeti termék teljes tömege csökken. Ez a tömegvesztés a hőenergiává alakul, ahogyan Albert Einstein nevezetes egyenlete is kimondja.
Egy nukleáris erőmű alapelve hasonló a hagyományos hőerőműhöz. Az egyetlen különbség, hogy itt nem a szén-egészszenes égés által generált hőt használják, hanem a nukleáris szétesés által generált hőt, amelyet a gőzgép meghajtására használnak.
Ez a gőzgép a generátor elsődleges mozgatóereje. A generátor elektromos energiát termel. Bár a nukleáris üzemanyag rendelkezésre állása korlátozott, de nagyon kevés mennyiségű nukleáris üzemanyag is hatalmas mennyiségű elektromos energiát tud előállítani.
Ez a nukleáris erőmű egyedi jellemzője. Egy kilogramm urán ekvivalens 4500 tonna magas minőségű szénnel. Ez azt jelenti, hogy 1 kg urán teljes szétesése annyi hőt termel, mint 4500 tonna magas minőségű szén teljes égése.
Ezért, bár a nukleáris üzemanyag sokkal drágább, a nukleáris üzemanyag egységnyi elektromos energia költsége még mindig alacsonyabb, mint más üzemanyagok, mint például a szén és a diesel energia-termelésének költsége. A hagyományos üzemanyaghiány kezeléséhez a nukleáris erőművek a legalkalmasabb alternatívák lehetnek.
Ahogy már említettük, az üzemanyag-fogyasztás ebben az erőműben nagyon alacsony, így az energia-egység termelésének költsége is sokkal alacsonyabb, mint más hagyományos energia-termelési módszerek esetén. A nukleáris üzemanyag szükséges mennyisége is kevesebb.
Egy nukleáris erőmű sokkal kevesebb területet foglal el, mint más hagyományos erőművek ugyanolyan kapacitással.
Ez az erőmű nem igényel sok vizet, ezért nem szükséges építeni természeti vízforgalmi forrásokhoz közeli helyszínen. Nem igényel nagy mennyiségű üzemanyagot, ezért sem szükséges építeni széntevőhelyekhez vagy jó közlekedési feltételekhez közeli helyszínen. Ennek következtében a nukleáris erőmű közel kerülhet a terhelési központhoz.
Globálisan nagy mennyiségű nukleáris üzemanyag található, ezért ilyen erőművek biztosíthatják az elektromos energia folyamatos ellátását a következő ezer évben.
Az üzemanyag nem könnyen beszerezhető és nagyon drága.
Egy nukleáris erőmű felépítésének kezdeti költsége nagyon magas.
Az erőmű felállítása és beüzemelése sokkal összetettebb és finomabb, mint más hagyományos erőműveknél.
A szétesés melléktermékei radioaktívak, és magas radioaktív szennyezést okozhatnak.
A karbantartási költségek magasabbak, és a nukleáris erőmű futtatásához specializált képzett személyzet szükséges.
A terhelés váratlan fluktuációit a nukleáris erőművek hatékonyan nem tudják kezelni.
A nukleáris reakciók melléktermékei nagyon radioaktívak, ezért a hulladék-elhelyezés nagy probléma. Csak a föld mélyén vagy a part távoli részein a tengerben lehet elhelyezni őket.
Egy nukleáris erőmű főleg négy komponensből áll.
Nukleáris reaktor
Hőcserélő
Gőzgép
Generátor
Részletesen ismertetjük ezeket a komponenseket:
A nukleáris reaktorból az U235-öt szétesztik. Irányítja a láncreakciót, amely a szétesés során kezdődik. A láncreakciót irányítani kell, különben az energiaszabadítás gyors lesz, ami robbanásra vezethet. A nukleáris szétesés során a nukleáris üzemanyag, mint például az U235 magjai lassú neutronfolyammal bombárdálva szétesnek, ami hatalmas hőenergia szabadítását és további neutronok kiadását eredményezi.
Ezek a kiadott neutronok további szétesést okoznak, ami további neutronokat hoz létre, és így gyorsítja a szétesés sebességét. Ez egy kumulatív folyamat.
Ha a folyamatot nem irányítják, rövid idő alatt a szétesés sebessége olyan magas lesz, hogy olyan hatalmas mennyiségű energiát szabadít ki, ami veszélyes robbanást okozhat. Ez a kumulatív reakció láncreakció. A láncreakciót csak úgy lehet irányítani, ha eltávolítják a szétesés neutronjait a nukleáris reaktorból. A szétesés sebességét a reaktorból eltávolított szétesés neutronjainak arányának változtatásával lehet irányítani.
A nukleáris reaktor hengeres nyomásvessző, amelyben az üzemanyagra (urán) vonatkozó üzemanyagcsavarka található. A moderátorok, általában szivárványból készült, lelassítják a neutronokat a szétesés előtt. A kontrollcsavarka cadiumból készül, mivel a cadium erős neutronabszorbáló anyag.
A kontrollcsavarka a szétesés kamrába illesztve van. Ezeket a cadium kontrollcsavarkat szükség szerint lehúzzák vagy felfognak. Ha elég messze lehúzzák, a szétesés neutronjai nagyrészt ezekkel a csavarkákkal abszorbálódnak, így a láncreakció leáll. Ha a kontrollcsavarkat felfognak, a szétesés neutronok elérhetősége növekszik, ami gyorsítja a láncreakció sebességét.
Tehát világos, hogy a kontrollcsavarka pozíciójának beállításával irányítható a nukleáris reakció sebessége, és ennek következtében az elektromos energia termelése is a terhelési igény szerint. Gyakorlatilag a kontrollcsavarka mozdítása automatikus visszacsatolási rendszerrel történik a terhelési igény szerint. Nem manuálisan irányítják. A nukleáris reakció során szabadult hő a hőcserélőbe sodortó anyaggal, natriumméttel kerül át.
A hőcserélőben a natriumméttől származó hő a vízben szóródik, és a víz magasnyomású párrá alakul. A hő kiadása után a natriumméttől származó hűtőanyag a reaktorba visszakerül hűtőanyag-cirkuláló pompával.
