เราสามารถสร้างพลังงานไฟฟ้าโดยใช้พลังงานนิวเคลียร์ได้ ในสถานีผลิตไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์ สร้างพลังงานไฟฟ้าโดยปฏิกิริยานิวเคลียร์ ที่นี่ธาตุกัมมันตรังสีหนักเช่น ยูเรเนียม (U235) หรือธอริอัม (Th232) ถูกทำให้เกิดการแตกตัวทางนิวเคลียร์ การแตกตัวนี้ทำในเครื่องมือพิเศษที่เรียกว่าเครื่องปฏิกรณ์
ในการแตกตัว นิวเคลียสของอะตอมกัมมันตรังสีหนักจะถูกแบ่งออกเป็นสองส่วนที่เท่ากันเกือบๆ ระหว่างการแบ่งนิวเคลียสนี้ จะปล่อยพลังงานจำนวนมากออกมา การปล่อยพลังงานนี้เกิดจากความผิดปกติของมวล หมายความว่า มวลรวมของผลิตภัณฑ์เริ่มต้นจะลดลงระหว่างการแตกตัว การสูญเสียมวลระหว่างการแตกตัวนี้จะถูกแปลงเป็นพลังงานความร้อนตามสมการที่มีชื่อเสียงของอัลเบิร์ตไอน์สไตน์
หลักการพื้นฐานของสถานีผลิตไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์เหมือนกับสถานีผลิตไฟฟ้าความร้อนแบบดั้งเดิม ความแตกต่างเพียงอย่างเดียวคือแทนที่จะใช้ความร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้ถ่านหิน ที่นี่ในสถานีผลิตไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์ ใช้ความร้อนที่เกิดจากการแตกตัวทางนิวเคลียร์เพื่อผลิตไอน้ำจากน้ำในหม้อไอน้ำ ไอน้ำนี้ถูกใช้ขับกังหันไอน้ำ
กังหันนี้เป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าหลัก เครื่องกำเนิดไฟฟ้านี้สร้างพลังงานไฟฟ้า แม้ว่าปริมาณเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ไม่มาก แต่เชื้อเพลิงนิวเคลียร์จำนวนน้อยมากสามารถสร้างพลังงานไฟฟ้าจำนวนมากได้
นี่คือคุณสมบัติที่โดดเด่นของสถานีผลิตไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์ ยูเรเนียม 1 กิโลกรัมเท่ากับถ่านหินเกรดสูง 4,500 ตัน หมายความว่าการแตกตัวของยูเรเนียม 1 กิโลกรัมสามารถสร้างความร้อนเท่ากับการเผาไหม้ถ่านหินเกรดสูง 4,500 ตัน
นี่คือเหตุผลที่แม้ว่าเชื้อเพลิงนิวเคลียร์จะมีราคาแพง แต่ค่าเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ต่อหน่วยพลังงานไฟฟ้ายังคงต่ำกว่าค่าพลังงานที่สร้างโดยเชื้อเพลิงอื่น ๆ เช่น ถ่านหินและดีเซล เพื่อแก้ปัญหาวิกฤตเชื้อเพลิงแบบดั้งเดิมในยุคปัจจุบัน สถานีผลิตไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์สามารถเป็นทางเลือกที่เหมาะสมที่สุด
อย่างที่เราได้กล่าวไว้ ปริมาณการใช้เชื้อเพลิงในสถานีผลิตไฟฟ้านี้น้อยมาก ดังนั้น ค่าใช้จ่ายในการผลิตพลังงานไฟฟ้าหนึ่งหน่วยจึงน้อยกว่าวิธีการผลิตพลังงานไฟฟ้าแบบดั้งเดิม อีกทั้งปริมาณเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่ต้องการยังน้อยด้วย
สถานีผลิตไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์ครอบคลุมพื้นที่น้อยกว่าสถานีผลิตไฟฟ้าแบบดั้งเดิมที่มีความจุเท่ากัน
สถานีนี้ไม่จำเป็นต้องใช้น้ำจำนวนมาก ดังนั้นไม่จำเป็นต้องสร้างสถานีใกล้แหล่งน้ำธรรมชาติ นอกจากนี้ยังไม่จำเป็นต้องใช้เชื้อเพลิงจำนวนมาก ดังนั้นไม่จำเป็นต้องสร้างสถานีใกล้เหมืองถ่านหินหรือที่ที่มีระบบขนส่งที่ดี ด้วยเหตุนี้ สถานีผลิตไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์สามารถสร้างขึ้นใกล้ศูนย์โหลด
มีปริมาณเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ทั่วโลกจำนวนมาก ดังนั้นสถานีผลิตไฟฟ้าเหล่านี้สามารถรับประกันการจัดจำหน่ายพลังงานไฟฟ้าต่อเนื่องได้หลายพันปี
เชื้อเพลิงไม่ได้มาอย่างง่ายและมีราคาสูง
ค่าใช้จ่ายเริ่มต้นในการสร้างสถานีผลิตไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์สูงมาก
การติดตั้งและการทดสอบสถานีนี้ซับซ้อนและทันสมัยกว่าสถานีผลิตไฟฟ้าแบบดั้งเดิม
ผลิตภัณฑ์จากการแตกตัวทางนิวเคลียร์มีรังสีและอาจก่อให้เกิดมลพิษทางรังสีสูง
ค่าบำรุงรักษาสูงและแรงงานที่ต้องการในการทำงานสถานีผลิตไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์สูง เพราะต้องใช้คนที่ได้รับการฝึกอบรมเฉพาะทาง
การเปลี่ยนแปลงของโหลดอย่างกะทันหันไม่สามารถตอบสนองได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยสถานีผลิตไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์
เนื่องจากผลิตภัณฑ์จากการแตกตัวทางนิวเคลียร์มีรังสีสูง จึงเป็นปัญหาใหญ่ในการกำจัดผลิตภัณฑ์เหล่านี้ สามารถกำจัดได้เฉพาะภายในพื้นดินหรือในทะเลที่อยู่ไกลจากชายฝั่ง
สถานีผลิตไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์มีส่วนประกอบหลัก 4 ส่วน
เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์
เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน
กังหันไอน้ำ
เครื่องกำเนิดไฟฟ้า
มาดูส่วนประกอบเหล่านี้ทีละส่วน:
ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ยูเรเนียม 235 ถูกทำให้เกิดการแตกตัวทางนิวเคลียร์ มันควบคุมปฏิกิริยาโซ่ที่เริ่มต้นเมื่อมีการแตกตัว การแตกตัวนี้ต้องควบคุมอย่างเข้มงวด ไม่เช่นนั้นอัตราการปล่อยพลังงานจะเร็วเกินไป อาจเกิดระเบิดได้ ในกระบวนการแตกตัว นิวเคลียสของเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ เช่น U235 ถูกกระแทกด้วยกระแสของนิวตรอนที่ช้า เมื่อถูกกระแทก นิวเคลียสของยูเรเนียมจะแตก ทำให้ปล่อยพลังงานความร้อนจำนวนมาก และขณะที่นิวเคลียสแตก นิวตรอนจำนวนมากก็ถูกปล่อยออกมา
นิวตรอนที่ปล่อยออกมาเรียกว่านิวตรอนจากการแตกตัว นิวตรอนเหล่านี้ทำให้เกิดการแตกตัวเพิ่มเติม ซึ่งทำให้เกิดนิวตรอนจากการแตกตัวเพิ่มขึ้น ทำให้การแตกตัวเร็วขึ้น นี่คือกระบวนการสะสม
หากกระบวนการนี้ไม่ได้รับการควบคุม ในเวลาอันสั้น อัตราการแตกตัวจะสูงมาก ปล่อยพลังงานจำนวนมาก อาจเกิดระเบิดได้ ปฏิกิริยาโซ่สามารถควบคุมได้โดยการนำนิวตรอนจากการแตกตัวออกจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ อัตราการแตกตัวสามารถควบคุมได้โดยการเปลี่ยนอัตราการนำนิวตรอนออกจากเครื่องปฏิกรณ์
เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เป็นภาชนะทรงกระบอกที่มีความดันสูง แท่งเชื้อเพลิงทำจากเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ คือ ยูเรเนียม สารชะลอ ที่ทำจากกราไฟต์ปกคลุมแท่งเชื้อเพลิง สารชะลอช่วยชะลอนิวตรอนก่อนที่จะชนกับนิวเคลียสของยูเรเนียม แท่งควบคุมทำจากแคดเมียมเพราะแคดเมียมเป็นสารที่ดูดซับนิวตรอนได้ดี
แท่งควบคุมถูกใส่เข้าไปในห้องแตกตัว แท่งแคดเมียมสามารถดันลงและดึงขึ้นตามความต้องการ เมื่อแท่งเหล่านี้ถูกดันลงเพียงพอ นิวตรอนจากการแตกตัวส่วนใหญ่จะถูกดูดซับโดยแท่งเหล่านี้ ทำให้ปฏิกิริยาโซ่หยุด เมื่อแท่งควบคุมถูกดึงขึ้น นิวตรอนจากการแตกตัวจะมีมากขึ้น ทำให้อัตราการแตกตัวเพิ่มขึ้น
ดังนั้น การปรับตำแหน่งของแท่งควบคุม สามารถควบคุมอัตราการแตกตัวทางนิวเคลียร์ และควบคุมการผลิตไฟฟ้าตามความต้องการของโหลด ในทางปฏิบัติ การดันและดึงแท่งควบคุมจะควบคุมโดยระบบป้อนกลับอัตโนมัติตามความต้องการของโหลด ไม่ได้ควบคุมด้วยมือ พลังงานความร้อนที่ปล่อยออกมาจากการแตกตัวถูกนำไปยังเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนโดยใช้สารทำความเย็นที่ทำจากโซเดียม
