Elektrownia jądrowa to zakład przemysłowy wytwarzający energię elektryczną poprzez wykorzystanie energii jądrowej, która jest uwalniana w postaci energii cieplnej podczas reakcji łańcuchowej rozszczepienia jądrowego w zbiorniku reaktora. Wiele osób nie wie, jak działa elektrownia jądrowa.
Z tego powodu powiemy Ci szczegółowo jak elektrownia jądrowa działa od środka.
Główne elementy elektrowni jądrowej
Reaktor jądrowy jest głównym elementem elektrowni, ponieważ zawiera paliwo jądrowe (najczęściej uran) i jest wyposażony w systemy umożliwiające rozpoczęcie, utrzymanie i kontrolowane zakończenie reakcji jądrowej. Zasada działania elektrowni jądrowej przypomina tradycyjną elektrownię cieplną, w której energia cieplna powstaje w wyniku spalania paliw kopalnych. Natomiast reaktor jądrowy uzyskuje energię cieplną z reakcji łańcuchowych rozszczepienia jądrowego zachodzących w atomach uranu obecnych w paliwie jądrowym.
Wytworzona energia cieplna jest wykorzystywana do podgrzewania wody, aż osiągnie punkt parowania, stając się parą pod wysokim ciśnieniem i temperaturą. Ta para napędza turbinę połączoną z generatorem, który przetwarza energię mechaniczną wytwarzaną podczas obrotu turbiny na energię elektryczną.
Chociaż istnieje kilka typów reaktorów jądrowych, wyróżniają się dwa szczególne projekty, które łącznie stanowią ponad 80% z prawie 450 jednostek operacyjnych na całym świecie: reaktor wodny ciśnieniowy (PWR) i reaktor wodny ciśnieniowy o temperaturze wrzenia (BWR).
Eksploatacja reaktora wodnego ciśnieniowego (PWR)
Należy pamiętać, że podczas rozszczepienia jądrowego jądra ciężkich atomów, w które uderzają neutrony, rozpadają się na mniejsze, lżejsze jądra. W procesie tym uwalniana jest energia wiążąca protony i neutrony, co skutkuje emisją dwóch lub trzech neutronów. Te neutrony wyemitowały Są w stanie wywołać dodatkowe rozszczepienia poprzez interakcję z innymi ciężkimi jądrami, co z kolei uwolni więcej neutronów, utrwalając cykl. Ten efekt kaskadowy znany jest jako reakcja łańcuchowa rozszczepienia jądrowego.
Funkcjonowanie elektrowni jądrowej można podsumować w następujących fazach:
- W reaktorze jądrowym Uran ulega rozszczepieniu, w wyniku którego powstaje znaczna ilość energii podgrzewającej wodę chłodzącą pod wysokim ciśnieniem krążącą w systemie. Ta podgrzana woda jest następnie transportowana przez obieg pierwotny do wymiennika ciepła, zwanego generatorem pary, gdzie ułatwia produkcję pary wodnej.
- Zespół turbinowo-generatorowy odbiera parę przez obwód wtórny. Po przybyciu para obraca łopatki turbiny. Ten obrót wału turbiny napędza następnie alternator, przekształcając energię mechaniczną w energię elektryczną.
- Po przejściu przez turbinę para wodna trafia do skraplacza, gdzie schładza się i ponownie przekształca w wodę w stanie ciekłym.
- Następnie woda jest zawracana do generatora pary, aby ponownie wytworzyć parę, pracując w zamkniętym obiegu.
Kluczowe elementy elektrowni jądrowej
Powiedzieliśmy wcześniej, że reaktor jądrowy to obiekt zaprojektowany do inicjowania, utrzymywania i kończenia reakcji łańcuchowych rozszczepienia w kontrolowany sposób, wyposażony w niezbędne mechanizmy do ekstrakcji wytworzonego ciepła. Reaktor jest głównym elementem elektrowni i pełni funkcję miejsca przechowywania paliwa jądrowego.
Głównymi elementami elektrowni jądrowej są:
- Palny: Jest to materiał, w którym zachodzą reakcje rozszczepienia, w których zazwyczaj wykorzystuje się wzbogacony dwutlenek uranu. Substancja ta pełni podwójną funkcję: jest źródłem energii oraz dostawcą neutronów niezbędnych do podtrzymania reakcji łańcuchowej. Lek jest dostarczany w postaci stałej, składającej się z cylindrycznych tabletek owiniętych metalowymi prętami o długości około czterech metrów.
- Moderator: Substancja zmniejszająca prędkość szybkich neutronów wytwarzanych podczas rozszczepienia, ułatwiając w ten sposób dodatkowe rozszczepienia i utrzymując reakcję łańcuchową.
- Chłodziarka: To ta sama woda, która pełni rolę moderatora i służy do usuwania ciepła powstałego w wyniku reakcji rozszczepienia zachodzącej w paliwie uranowym.
- Paski kontrolne: Stanowią elementy sterujące reaktora i pełnią funkcję pochłaniaczy neutronów. Zbudowane z węglika boru lub indu-kadmu, pręty te umożliwiają ciągłe zarządzanie populacją neutronów, zapewniając stabilność reaktora i ułatwiając jego wyłączenie w razie potrzeby.
- Zbroja: Służy do hamowania ucieczki promieniowania i neutronów z reaktora do środowiska zewnętrznego. Zazwyczaj wykorzystuje się w tym celu takie materiały jak beton, stal czy ołów.
- Funkcjonalność związana z bezpieczeństwem: Każdy obiekt jądrowy wyposażony jest w liczne systemy bezpieczeństwa, których zadaniem jest zapobieganie przedostawaniu się radioaktywności do środowiska, w tym także w konstrukcję obudowy bezpieczeństwa.
- Regulator ciśnienia: Jest to krytyczny element głównego obwodu chłodzenia. Ten regulator utrzymuje równowagę pomiędzy fazą ciekłą i parową w warunkach nasycenia, aby skutecznie zarządzać ciśnieniem wewnątrz reaktora.
- Zbiornik reaktora: Obejmuje reaktor jądrowy, w którym zachodzi reakcja łańcuchowa rozszczepienia. Rdzeń tego statku składa się z elementów paliwowych.
- Generatory pary: Pełnią one funkcję wymienników ciepła, w których woda chłodząca obieg pierwotny przepływa przez rurki w kształcie odwróconej litery U i przekazuje swoją energię cieplną wodzie obiegu wtórnego, zamieniając ją w ten sposób w parę wodną.
- Budynek przechowawczy: Jest to obudowa, która zawiera układ chłodzenia reaktora wraz z kilkoma układami pomocniczymi i pełni funkcję bariery ochronnej podczas normalnej pracy, skutecznie zapobiegając przedostawaniu się substancji zanieczyszczających do środowiska zewnętrznego. W połączeniu z innymi systemami bezpieczeństwa odpowiada za zapobieganie możliwemu uwolnieniu produktów rozszczepienia do atmosfery w razie wypadku.
- Turbina: Obiekt przeznaczony jest do wychwytywania pary wodnej z wytwornic pary, przekształcania jej energii w energię mechaniczną ruchu obrotowego poprzez łopatki. Kilka sekcji jest przeznaczonych do rozprężania pary. Wał jest bezpiecznie przymocowany do wału alternatora.
- Alternator: Urządzenie wytwarzające energię elektryczną poprzez przetwarzanie obrotowej energii mechanicznej turbiny na energię elektryczną średniego napięcia i dużego natężenia.
- Transformator: Urządzenie przeznaczone do podnoszenia napięcia energii elektrycznej wytwarzanej przez alternator w celu ograniczenia strat podczas jej przesyłu do punktów poboru.
- Woda chłodząca: Woda z rzeki, zbiornika lub morza służy do skraplania pary wodnej wewnątrz skraplacza. Wodę tę można zawrócić bezpośrednio do pierwotnego źródła, zwanego obiegiem otwartym, lub zawrócić do obiegu przez wieżę chłodniczą w systemie z obiegiem zamkniętym.
- Wieże chłodnicze: Ułatwiają odprowadzenie części ciepła resztkowego powstającego podczas produkcji energii elektrycznej do atmosfery, stanowiąc źródło chłodu. System ten służy do chłodzenia wody krążącej przez skraplacz, który jest integralną częścią pomocniczego obiegu chłodzenia instalacji.
- Skraplacz: Wymiennik ciepła składa się z szeregu rurek ułatwiających cyrkulację wody chłodzącej. Odparowana woda wpływająca z turbiny do skraplacza ulega procesowi upłynnienia, przechodząc do fazy ciekłej. W procesie tym powstaje podciśnienie, które poprawia wydajność pracy turbiny.
Mam nadzieję, że dzięki tym informacjom będziecie mogli dowiedzieć się więcej o tym, jak działa elektrownia jądrowa od środka.