Мы можем генерировать электроэнергию с помощью атомной энергии. В атомной 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 распадаются на две почти равные части. При этом распаде ядер выделяется огромное количество энергии. Этот выброс энергии обусловлен массовым дефектом. Это означает, что общая масса исходного продукта уменьшается при делении. Потеря массы при делении преобразуется в тепловую энергию согласно известному уравнению, установленному Альбертом Эйнштейном.
Основной принцип работы атомной электростанции такой же, как и обычной тепловой электростанции. Единственное отличие заключается в том, что вместо использования тепла, выделяющегося при сжигании угля, в атомной электростанции используется тепло, выделяющееся при ядерном делении, 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 произвести огромное количество электроэнергии.
Это уникальная особенность атомной электростанции. Один килограмм урана эквивалентен 4500 метрическим тоннам высококачественного угля. Это означает, что 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 еще ниже, чем стоимость энергии, произведенной с использованием других видов топлива, таких как уголь и дизель. Для преодоления кризиса традиционных видов топлива в современную эпоху атомные электростанции могут быть наиболее подходящими альтернативами.
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. Количество требуемого ядерного топлива также меньше.
Атомная электростанция занимает гораздо меньшую площадь 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. Кроме того, она не требует большого количества топлива, поэтому нет необходимости строить ее рядом с угольной шахтой или местом, где есть хорошие транспортные возможности. Поэтому атомную электростанцию можно разместить очень близко к центру нагрузки.
Существуют большие запасы ядерного топлива во всем мире, поэтому такие станции могут обеспечить непрерывное снабжение электроэнергией на протяжении тысяч лет.
Топливо недоступно и очень дорого.
Начальная стоимость строительства атомной электростанции довольно высока.
Установка и ввод в эксплуатацию этой станции намного сложнее и более технологичны, чем на других традиционных электростанциях.
Продукты деления являются радиоактивными, что может вызвать высокую радиоактивную загрязненность.
Затраты на обслуживание выше, и для работы атомной электростанции требуется больше персонала, так как нужны специалисты, прошедшие обучение.
Резкие колебания нагрузки не могут быть эффективно компенсированы атомными станциями.
Поскольку продукты ядерных реакций сильно радиоактивны, их утилизация представляет собой серьезную проблему. Их можно утилизировать только глубоко под землей или в море, далеко от побережья.
Атомная 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 при делении. Цепная реакция должна быть контролируемой, иначе скорость выделения энергии будет слишком высокой, и существует высокая вероятность взрыва. При ядерном делении ядра ядерного топлива, такого как U235, бомбардируются медленными нейтронами. В результате этого бомбардирования ядра урана распадаются, что вызывает выделение огромного количества тепловой энергии, и при распаде ядер также испускается несколько нейтронов.
Эти испущенные нейтроны называются фиссионными нейтронами. Эти фиссионные нейтроны вызывают дальнейшее деление. Дальнейшее деление создает больше фиссионных нейтронов, которые снова ускоряют скорость деления. Это кумулятивный процесс.
Если процесс не контролируется, за очень короткое время скорость деления становится настолько высокой, что выделяется огромное количество энергии, и может произойти опасный взрыв. Этот кумулятивный процесс называется цепной реакцией. Цепную реакцию можно контролировать, удаляя фиссионные нейтроны из ядерного реактора. Скорость деления можно контролировать, изменяя скорость удаления фиссионных нейтронов из реактора.
Ядерный реактор представляет собой цилиндрический стальной герметичный сосуд. Топливные стержни изготовлены из ядерного топлива, то есть урана, который обычно покрыт графитом, замедляющим 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 опущены достаточно, большинство фиссионных нейтронов поглощается 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 потребностью в нагрузке. На практике опускание и поднятие управляющих стержней контролируется автоматической системой обратной связи в зависимости от потребности в нагрузке. Это не контролируется вручную. Тепло, выделяемое при ядерной реакции, передается в теплообменник с помощью охладителя, состоящего из металлического натрия.
В теплообменнике тепло, переносимое металлическим натрием, рассеивается в воде, и вода здесь превращается в пар высокого давления. После отдачи тепла в воде охладитель металлический натрий возвращается в реактор с помощью насоса циркуляции охладителя.
На атомной электростанции паровая турбина выполняет ту же роль, что и на угольной электростанции. Пар приводит в движение турбину таким же образом. После выполнения своей работы, отработанный пар поступает в конденсатор, где он конденсируется, чтобы освободить место для пара, следующего за ним.
