Kärnkraftverk

Vi kan generera elektrisk energi med hjälp av kärnkraft. I en kärnkraftsstation genereras elektrisk energi genom kärnreaktion. Här utsätts tunga radioaktiva ämnen som uran (U235) eller torium (Th232) för kärnsplittring. Denna splittring utförs i ett speciellt apparat som kallas reaktor.

Vad är kärnsplittring?

I splittningsprocessen bryts kärnorna i tunga radioaktiva atomer i två nästan lika delar. Under denna kärnbrytning frigörs en enorm mängd energi. Denna energifrigörelse beror på en massdefekt. Det innebär att den totala massan av det ursprungliga produkten minskas under splitningen. Denna massförlust under kärnsplittring omvandlas till värmeenergi enligt den berömda ekvationen etablerad av Albert Einstein.

Det grundläggande principen för en kärnkraftsstation är densamma som för en konventionell termisk kraftstation. Den enda skillnaden är att istället för att använda värme genererad genom kolförbränning, används här i en kärnkraftsstation värme genererad genom kärnsplittring för att producera ånga från vatten i kitteln. Denna ånga används för att driva en ångturbin.

Denna turbin är den huvudsakliga drivaren för alternatorn. Denna alternator genererar elektrisk energi. Trots att tillgången på kärnbränsle inte är så stor, kan en mycket liten mängd kärnbränsle generera en enorm mängd elektrisk energi.

Detta är den unika egenskapen hos en kärnkraftsstation. En kilo uran motsvarar 4500 metriska ton högklassigt kol. Det betyder att fullständig splittring av 1 kg uran kan producera lika mycket värme som kan produceras av fullständig förbränning av 4500 metriska ton högklassigt kol.

Detta är anledningen till att, trots att kärnbränsle är mycket dyrare, är kostnaden per enhet elektrisk energi fortfarande lägre än kostnaden för energi genererad genom andra bränslen som kol och diesel. För att möta konventionell bränslekris i nutid kan kärnkraftsstationer vara de mest lämpliga alternativen.

Fördelar med kärnkraftsstation

1. Som vi sa, är bränsleförbrukningen i denna kraftstation ganska låg och därför är kostnaden för att generera en enda enhet energi ganska lägre än andra konventionella energigenereringsmetoder. Mängden kärnbränsle som krävs är också mindre.

2. En kärnkraftsstation upptar en mycket mindre yta jämfört med andra konventionella kraftstationer med samma kapacitet.

3. Denna station kräver inte mycket vatten, därför är det inte nödvändigt att bygga anläggningen nära naturliga vattenkällor. Detta kräver heller inte en stor mängd bränsle, därför är det heller inte nödvändigt att bygga anläggningen nära en kolgruva eller ställe där goda transportmöjligheter finns. På grund av detta kan kärnkraftsstationen byggas mycket nära belastningscentrum.

4. Det finns stora förekomster av kärnbränsle globalt, vilket gör att sådana anläggningar kan säkerställa en fortgående leverans av elektrisk energi under kommande tusentals år.

Nackdelar med kärnkraftsstation

1. Bränslet är inte lättillgängligt och det är mycket dyrt.

2. Den inledande kostnaden för att bygga en kärnkraftsstation är ganska hög.

3. Ejektering och drift av denna anläggning är mycket mer komplicerade och sofistikerade än andra konventionella kraftstationer.

4. Splittnings biprodukterna är radioaktiva och kan orsaka hög radioaktiv förorening.

5. Underhållskostnaden är högre och antalet personal som krävs för att drifta en kärnkraftsstation är ganska högre eftersom specialutbildade personer krävs.

6. Plötsliga variationer i belastning kan inte effektivt hanteras av kärnkraftverken.

7. Eftersom biprodukterna av kärnreaktioner är mycket radioaktiva, är det ett stort problem att ta hand om dessa biprodukter. De kan endast avfallshanteras djupt inne i marken eller i havet långt ifrån kusten.

Olika komponenter i en kärnkraftsstation

En kärnkraftsstation har huvudsakligen fyra komponenter.

1. Kärnreaktor

2. Värmeelement

3. Ångturbin

4. Alternator

Låt oss diskutera dessa komponenter en efter en:

Kärnreaktor

I en kärnreaktor utsätts uran-235 för kärnsplittring. Den kontrollerar kedjereaktionen som startar när splitningen sker. Kedjereaktionen måste kontrolleras, annars kommer energifrigörelsen att vara snabb, vilket kan leda till en stor risk för explosion. Vid kärnsplittring bombards kärnorna av kärnbränsle, som U235, av en långsam flöde neutroner. Genom denna bombardering bryts kärnan av uran, vilket leder till frigörelse av enorm värmeenergi och under kärnbrytningen utsläpps även ett antal neutroner.

De utsläppta neutronerna kallas fissionsneutroner. Dessa fissionsneutroner orsakar ytterligare fission. Ytterligare fission skapar fler fissionsneutroner, vilket igen ökar hastigheten av fission. Detta är en kumulativ process.

Om processen inte kontrolleras, blir hastigheten av fission så hög inom en kort tid, att den frigör så stor mängd energi, att det kan leda till en farlig explosion. Denna kumulativa reaktion kallas kedjereaktion. Denna kedjereaktion kan endast kontrolleras genom att ta bort fissionsneutroner från en kärnreaktor. Hastigheten av fission kan kontrolleras genom att ändra hastigheten av att ta bort fissionsneutroner från reaktorer.

En kärnreaktor är en cylindrisk formad stunt tryckbehållare. Bränslerodarna är gjorda av kärnbränsle, det vill säga uran, som vanligtvis täcks av grafitt som modererar. Modereraren bromsar ner neutronerna innan kollisionen med urankärnor. Kontrollståndena är gjorda av kadmium eftersom kadmium är en stark absorberare av neutroner.

Kontrollståndena infogas i fissionskammaren. Dessa kadmiumkontrollstånd kan sättas ned och dra upp efter behov. När dessa stänger sätts ned tillräckligt, absorberas de flesta fissionsneutronerna av dessa stänger, vilket stoppar kedjereaktionen. Återigen, när kontrollstånden dras upp, blir tillgängligheten av fissionsneutroner mer, vilket ökar hastigheten av kedjereaktionen.

Det är därför tydligt att genom att justera positionen av kontrollstånden, kan hastigheten av kärnreaktionen kontrolleras och därmed kan genereringen av elektrisk energi kontrolleras enligt belastningskrav. I praktiken styrs pushning och dragning av kontrollstånden av en automatisk återkopplingsystem enligt behov. Det styrs inte manuellt. Värmen som frigörs under kärnreaktionen överförs till värmeelementet genom kylmediet som består av natriummetall.

Värmeelement

I ett värmeelement dissiperas värmen som bärs av natriummetall i vatten och vatten omvandlas till högtrycksvapor här. Efter att ha frigjort värme i vatten återvänder natriummetallkylmediet till reaktorn via en kylmedicirkulationspump.

Ångturbin

I en kärnkraftsstation spelar ångturbinen samma roll som i en kolkraftsstation. Ången driver turbinen på samma sätt. Efter att ha utfört sin uppgift kommer utmatningsången in i en ångkondensator där den kondenseras för att ge plats åt ången bakom den.

Belöning