Elektrownie jądrowe wykorzystują energię uwolnioną przez rozszczepienie i wykorzystują ją do napędzania generatorów wytwarzających energię elektryczną. Chociaż energia jądrowa dostarcza tylko około 20 procent energii elektrycznej wytwarzanej w Stanach Zjednoczonych, potencjał nuklearny kraju jest najwyższy spośród wszystkich innych krajów - 101 gigawatów w 2010 roku.
Wspólne składniki energii jądrowej
Reaktory jądrowe mają te elementy wspólne:
Paliwo - najbardziej popularnym paliwem dla reaktorów jądrowych jest uran - radioaktywna ruda metali ciężkich. Po procesie wzbogacania uran staje się paliwem bardzo skoncentrowanym.
Reaktywny reaktor jądrowy wymaga tysięcy funtów wzbogaconego paliwa uranowego, aby mógł działać. Cywilne elektrownie jądrowe w USA kupują rocznie około 50 milionów funtów uranu (odpowiednik U3O8), z czego większość pochodzi z zagranicy.
Uran jest wydobywany w lokalizacjach na całym świecie, głównie w Kazachstanie, Kanadzie, Australii i Afryce. Stany Zjednoczone należą do 10 największych producentów uranu.
Pręty kontrolne - wykonane z absorbującego neutrony materiału, takiego jak kadm, hafn lub bor, pręty kontrolne są wkładane lub wyciągane z rdzenia w celu kontrolowania szybkości reakcji lub, jeśli to konieczne, zatrzymywania.
Moderator - Materiał w rdzeniu reaktora, który spowalnia neutrony uwalniane z rozszczepienia, powodując większe rozszczepienie.
Moderatorem jest zazwyczaj zwykła (lekka) woda, ale może to być ciężka woda (D20) lub grafit.
Chłodziwo - płyn lub gaz cyrkulujący przez rdzeń w celu przeniesienia ciepła z niego. W reaktorach z wodą lekką moderator wody działa również jako główny czynnik chłodzący.
Ograniczanie - Reaktory jądrowe są zamknięte w silnie zbrojonych konstrukcjach betonowych, aby zapobiec przedostawaniu się radioaktywności do atmosfery.
Podstawowy proces energii jądrowej
Fizyka jądrowa jest bardzo techniczna, ale podstawowy proces wytwarzania energii elektrycznej z wykorzystaniem energii jądrowej wygląda następująco:
Rdzeń reaktora wytwarza ciepło i promieniotwórczość w procesie zwanym rozszczepieniem, powszechnie znanym jako rozszczepianie atomów. Wewnątrz rdzenia reaktora znajduje się paliwo jądrowe uranu. W miarę rozdzielania się zarodków uranu uwalniają one neutrony. Kiedy neutrony uderzają w inne atomy uranu, jądra te również się rozpadają, uwalniając swoje neutrony, by uderzać w inne atomy, powodując więcej rozszczepienia. Ten ciągły rozszczepianie atomów jest reakcją łańcuchową.
Ciepło z kontrolowanych reakcji rozszczepienia jest wykorzystywane do wytwarzania pary wodnej z wody, albo bezpośrednio jak w reaktorze z wrzącą wodą (BWR), albo pośrednio, jak w reaktorze ciśnieniowym (PWR), który zawiera generator pary.
Para napędza turbinę napędzającą generator.
Generator wytwarza energię elektryczną, która jest dystrybuowana do sieci energetycznej.
Typy reaktorów jądrowych
Na całym świecie stosowane są różne typy reaktorów jądrowych. Jednak najczęściej spotykane typy to reaktory wodne pod ciśnieniem (PWR) i reaktory z wrzącą wodą (BWR), które są klasyfikowane jako reaktory lekkowodne. W Stanach Zjednoczonych, PWR i BWR są jedynymi dwoma typami komercyjnych elektrowni jądrowych w eksploatacji.
- Reaktor wody wrzącej (BWR) - W tym typie reaktora rozszczepienie wytwarza ciepło, które podgrzewa wodę w rdzeniu reaktora. Para z wrzącej wody zasila turbinę, która napędza generator do wytwarzania energii elektrycznej. Reaktory w północno-wschodnim, japońskim zakładzie Fukushima Naiishi uszkodzonym w trzęsieniu ziemi w marcu 2011 roku i tsunami to BWR.
- Ciśnieniowy reaktor wodny (PWR) - ten typ reaktora jest najpowszechniejszym źródłem energii. Wykorzystuje wodę jako chłodziwo i moderator, środek, który pomaga kontrolować szybkość rozszczepienia. W zamkniętym pierwotnym układzie chłodzenia woda ogrzewana energią cieplną z rozszczepienia podczas przechodzenia przez rdzeń jest utrzymywana pod wysokim ciśnieniem, a zatem nie gotuje się. Para jest wytwarzana w pętli wtórnego chłodziwa i służy do zasilania turbiny napędzającej generator elektryczny.
- CANDU i reaktory o umiarkowanej wodzie - Te projekty używają ciężkiej wody jako moderatora. Ciężka woda - z deuterem, zastępując dwa atomy wodoru - jako moderator spowalnia neutrony w procesie rozszczepiania i pozwala na użycie naturalnego uranu zamiast wzbogaconego uranu jako paliwa.
- Reaktor modułowy z żwirkiem - reaktor wysokotemperaturowy, w którym stosuje się hel i paliwo zamknięte w sferach grafitu i węglika krzemu, aby zapewnić ochronę produktu rozszczepienia i odporność na stopienie.