Uvod u nuklearnu energiju iz fisije energije

Nuklearne elektrane sadrže reaktore koji stvaraju kontroliranu fiziju lančane reakcije, proces koji kontinuirano dijeli jezgre atoma urana. Ovaj proces proizvodi puno energije, zračenja i vrlo visoke topline.

Nuklearne elektrane iskorištavaju energiju koju je oslobodila fisija i stavljaju ga na pogon generatora koji proizvode električnu energiju. Iako nuklearna energija doprinosi samo oko 20 posto električne energije proizvedene u Sjedinjenim Američkim Državama, nacionalni nuklearni kapacitet je najviši od bilo koje druge zemlje - 101 gigawatt u 2010.

Zajedničke komponente nuklearne energije

Nuklearni reaktori imaju ove zajedničke komponente:

Gorivo - Uran, radioaktivna, teška metalna ruda, najčešće je gorivo za nuklearne reaktore. Nakon procesa obogaćivanja, uran postaje vrlo koncentrirano gorivo.

Komercijalni nuklearni reaktor zahtijeva tisuće kilograma obogaćenog goriva za uran radi rada. Civilne nuklearne elektrane u SAD-u godišnje kupuju oko 50 milijuna funti urana (U3O8 ekvivalent), od kojih većina dolazi iz inozemstva.

Uran se minira na mjestima diljem svijeta, prvenstveno u Kazahstanu, Kanadi, Australiji i Africi. Sjedinjene Države su među 10 najboljih proizvođača urana.

Upravljačke šipke - Izrađene od materijala koji apsorbira neutrona, kao što su kadmij, hafnium ili bum, kontrolne šipke se umetnu ili povlače iz jezgre da bi kontrolirale brzinu reakcije ili da se zaustave ako je potrebno.

posrednik - Materijal u reaktorskoj jezgri koji usporava neutrone otpuštene iz fisije pa uzrokuju više fisije. Moderator je obično obična (lagana) voda, ali može biti teška voda (D20) ili grafit.

rashladne tekućine - tekućina ili plin koji cirkulira kroz jezgru da bi se prenijela toplina. U reaktorima s laganim vodama, vodeni moderator također djeluje kao primarni rashladni sustav.

Zaustavni - Nuklearni reaktori su zatvoreni u čvrsto armiranim betonskim strukturama kako bi se radioaktivnost mogla izbjeći u atmosferu.

Osnovni proces nuklearne energije

Nuklearna fizika je vrlo tehnička, ali osnovni proces proizvodnje električne energije nuklearnom energijom je sljedeći:

Reaktorska jezgra proizvodi toplinu i radioaktivnost u procesu koji se zove fisija, obično poznata kao atomska cijepanje. Unutar jezgre reaktora je nuklearno gorivo urana. Budući da se jezgre urana razdvajaju, oslobađaju neutrone. Kad neutroni udaraju s drugim atomima urana, te se jezgre također razdvajaju, oslobađajući svoje neutrone da štrajkaju druge atome, uzrokujući više fisija. Ovaj neprekinuti atom-cijepanje je lančana reakcija.

Toplina iz kontroliranih fizionijskih reakcija koristi se za proizvodnju pare iz vode, bilo izravno kao u reaktoru za kipuću vodu (BWR), ili posredno kao u reaktoru vode pod tlakom (PWR), koji sadrži parni generator.

Parna pogoni turbinu koja napaja generator.

Generator proizvodi električnu energiju koja se distribuira na električnu mrežu.

Vrste nuklearnih reaktora

U svijetu se koriste razne vrste nuklearnih reaktora. Međutim, najčešći tipovi su reaktori za vodu pod tlakom (PWR) i reaktori kipuće vode (BWR), koji su klasificirani kao reaktori lake vode. U SAD-u, PWR i BWR su samo dvije vrste komercijalnih nuklearnih elektrana u pogonu.

• Reaktor vrelišta (BWR) - U ovoj vrsti reaktora fisija proizvodi toplinu koja upija vodu u jezgri reaktora. Para iz kipuće vode utiskuje turbinu koja pokreće generator za proizvodnju električne energije. Reaktori na sjeveroistočnom japanskom pogonu Fukushima Naiishi koji su bili oštećeni u potresu i tsunami u ožujku 2011. su BWR-ovi.
• Reaktor vode pod tlakom (PWR) - Ova vrsta reaktora je najčešća za proizvodnju energije. Koristi vodu kao rashladnu tekućinu i moderatora, agens koji pomaže u kontroli brzine fisije. U zatvorenom primarnom sustavu rashladnog sredstva voda, zagrijana toplinskom energijom iz fisije pri prolasku kroz jezgru, drži se pod visokim tlakom i stoga ne kuha. Parenje se proizvodi u sekundarnoj petlji rashladne tekućine i koristi se za napajanje turbine koja pokreće električni generator.
• CANDU i reaktori koji su umjereni vodom - Ti dizajni koriste tešku vodu kao moderatora. Teška voda - s deuterijem koji zamjenjuje dva vodikova atoma - kao moderator usporava neutrone u fisijskom procesu i omogućuje korištenje prirodnog urana, a ne obogaćeni uran kao gorivo.
• Modularni reaktor sa šljunkovitim slojem - Visokotemperaturni reaktor koji koristi helijsku rashladnu tekućinu i gorivo u kugle grafita i silicijevog karbida kako bi se osiguralo zadržavanje fisije i otpornost na taljenje.