Elektrownia jądrowa

Możemy generować energię elektryczną za pomocą energii jądrowej. W elektrowni jądrowej, energia elektryczna jest generowana poprzez reakcję jądrową. Tutaj, ciężkie radioaktywne pierwiastki, takie jak Uran (U235) lub Tor (Th232), są poddawane rozszczepieniu jądrowemu. To rozszczepienie odbywa się w specjalnym urządzeniu zwanym reaktorem.

Czym jest rozszczepienie jądrowe?

W procesie rozszczepienia, jądra ciężkich radioaktywnych atomów są łamane na dwie niemal równe części. Podczas tego łamania jąder, uwalniana jest ogromna ilość energii. Uwalnianie tej energii wynika z defektu masy. Oznacza to, że całkowita masa początkowego produktu zmniejsza się podczas rozszczepienia. Ta strata masy podczas rozszczepienia jest przekształcana w ciepło zgodnie z znanym równaniem ustalonym przez Alberta Einsteina.

Podstawowe zasady działania elektrowni jądrowej są takie same jak w konwencjonalnej elektrowni termicznej. Jedyną różnicą jest to, że zamiast wykorzystywania ciepła generowanego przez spalanie węgla, w elektrowni jądrowej ciepło generowane przez rozszczepienie jądrowe służy do produkcji pary z wody w kotłowni. Ta para służy do napędzania turbiny parowej.

Ta turbina jest głównym napędem alternatora. Ten alternator generuje energię elektryczną. Mimo że dostępność paliwa jądrowego nie jest duża, bardzo mała ilość paliwa jądrowego może wygenerować ogromną ilość energii elektrycznej.

To jest unikalna cecha elektrowni jądrowej. Jeden kilogram uranu jest równoważny 4500 tonom wysokiej jakości węgla. Oznacza to, że pełne rozszczepienie 1 kg uranu może wyprodukować tyle ciepła, ile może być wyprodukowane przez pełne spalanie 4500 ton wysokiej jakości węgla.

Dlatego, pomimo że paliwo jądrowe jest znacznie droższe, koszt paliwa jądrowego na jednostkę energii elektrycznej jest nadal niższy niż koszt energii generowanej za pomocą innych paliw, takich jak węgiel i olej napędowy. Aby sprostać kryzysowi konwencjonalnych paliw w obecnej epoce, elektrownie jądrowe mogą być najbardziej odpowiednią alternatywą.

Zalety Elektrowni Jądrowych

1. Jak powiedzieliśmy, zużycie paliwa w tej elektrowni jest stosunkowo niewielkie, co oznacza, że koszt generowania jednostki energii jest znacznie niższy niż w przypadku innych konwencjonalnych metod generowania energii. Ilość wymaganego paliwa jądrowego jest również mniejsza.

2. Elektrownia jądrowa zajmuje znacznie mniejszą przestrzeń w porównaniu do innych konwencjonalnych elektrowni o tej samej mocy.

3. Ta elektrownia nie wymaga dużej ilości wody, dlatego nie jest konieczne budowanie jej w pobliżu naturalnych źródeł wody. Ponadto nie wymaga ona dużej ilości paliwa, dlatego nie jest konieczne budowanie jej w pobliżu kopalni węgla lub miejsca, gdzie dostępne są dobre środki transportu. Dzięki temu elektrownia jądrowa może być zbudowana blisko centrum obciążenia.

4. Istnieją duże złożenia paliwa jądrowego na świecie, dzięki czemu takie elektrownie mogą zapewniać ciągły dopływ energii elektrycznej na kolejne tysiące lat.

Wady Elektrowni Jądrowych

1. Paliwo nie jest łatwo dostępne i jest bardzo drogie.

2. Początkowy koszt budowy elektrowni jądrowej jest stosunkowo wysoki.

3. Erekcyjne i komisyjne prace związane z tą elektrownią są bardziej skomplikowane i zaawansowane niż w przypadku innych konwencjonalnych elektrowni.

4. Związki pochodne rozszczepienia są radioaktywne, co może prowadzić do wysokiego zanieczyszczenia radioaktywnego.

5. Koszty utrzymania są wyższe, a liczba pracowników potrzebnych do obsługi elektrowni jądrowej jest większa, ponieważ wymagani są specjalistycznie wyszkoleni ludzie.

6. Nagłe fluktuacje obciążenia nie mogą być efektywnie obsłużone przez elektrownie jądrowe.

7. Ponieważ produkty uboczne reakcji jądrowych są highly radioaktywne, jest to duży problem dotyczący ich usuwania. Mogą one być usunięte tylko głęboko pod ziemią lub w morzu daleko od brzegu.

Różne Komponenty Elektrowni Jądrowej

Elektrownia jądrowa składa się głównie z czterech komponentów.

1. Reaktor jądrowy

2. Wymiennik ciepła

3. Turbina parowa

4. Alternator

Przeanalizujmy te komponenty jeden po drugim:

Reaktor Jądrowy

W reaktorze jądrowym uran 235 podlega rozszczepieniu jądrowemu. Kontroluje on reakcję łańcuchową, która rozpoczyna się, gdy następuje rozszczepienie. Reakcję łańcuchową należy kontrolować, w przeciwnym razie tempo uwalniania energii będzie szybkie, co może prowadzić do wybuchu. W rozszczepieniu jądrowym jądra paliwa jądrowego, takiego jak U235, bombardowane są powolnymi neutronami. W wyniku bombardowania jądro uranu jest łamane, co powoduje uwalnianie ogromnej ilości ciepła, a podczas łamania jądra emitowane są również neutrony.

Te emitowane neutrony nazywane są neutronami rozszczepienia. Te neutrony rozszczepienia powodują dalsze rozszczepienie. Dalsze rozszczepienie tworzy więcej neutronów rozszczepienia, które ponownie przyspieszają tempo rozszczepienia. Jest to proces kumulacyjny.

Jeśli proces ten nie jest kontrolowany, w bardzo krótkim czasie tempo rozszczepienia staje się tak wysokie, że uwalnia tak ogromną ilość energii, co może prowadzić do niebezpiecznego wybuchu. Ta kumulacyjna reakcja nazywana jest reakcją łańcuchową. Reakcję łańcuchową można kontrolować tylko usuwając neutrony rozszczepienia z reaktora jądrowego. Prędkość rozszczepienia można kontrolować, zmieniając tempo usuwania neutronów rozszczepienia z reaktora.

Reaktor jądrowy to cylindryczny, szczelny naczynie ciśnieniowe. Sztyki paliwowe wykonane są z paliwa jądrowego, czyli uranu, a moderatory, zazwyczaj wykonane z grafitu, pokrywają sztyki paliwowe. Moderatory spowalniają neutrony przed kolizją z jądrami uranu. Sztyki sterujące wykonane są z kadmu, ponieważ kadm jest silnym pochłaniaczem neutronów.

Sztyki sterujące są wstawiane do komory rozszczepienia. Te sztyki z kadmem można wpuszczać i wyciągać według potrzeb. Gdy sztyki są wystarczająco opuszczone, większość neutronów rozszczepienia jest pochłaniana przez te sztyki, co powoduje zatrzymanie reakcji łańcuchowej. Znowu, gdy sztyki sterujące są podnoszone, dostępność neutronów rozszczepienia staje się większa, co zwiększa tempo reakcji łańcuchowej.

Jest jasne, że dostosowując pozycję sztyków sterujących, można kontrolować tempo reakcji jądrowej, a w konsekwencji można kontrolować generację energii elektrycznej zgodnie z popytem na obciążenie. W praktyce, wprowadzanie i wyciąganie sztyków sterujących jest kontrolowane przez system automatycznej sprzężenia zwrotnego zgodnie z potrzebami obciążenia. Nie jest to kontrolowane ręcznie. Ciepło uwalniane podczas reakcji jądrowej jest przenoszone do wymiennika ciepła za pomocą chłodziwa składającego się z metalu sodu.

Wymiennik Ciepła

W wymienniku ciepła ciepło przenoszone przez metal sodu jest oddzielane w wodzie, a woda jest przekształcana w parę o wysokim ciśnieniu. Po oddzieleniu ciepła w wodzie, chłodziwo metalowe sodu wraca do reaktora za pomocą pomp cyrkulacji chłodziwa.

Turbina Parowa

W elektrowni jądrowej turbina parowa pełni taką sam