Εισαγωγή στην πυρηνική ενέργεια από την ενέργεια σχάσης

Τα εργοστάσια πυρηνικής ενέργειας περιέχουν αντιδραστήρες που δημιουργούν ελεγχόμενη σχάση αλυσιδωτής αντίδρασης, μια διαδικασία που διαχωρίζει συνεχώς τους πυρήνες των ατόμων ουρανίου. Αυτή η διαδικασία παράγει πολλή ενέργεια, ακτινοβολία και πολύ υψηλή θερμότητα.

Οι μονάδες πυρηνικής ενέργειας εκμεταλλεύονται την ενέργεια που απελευθερώνεται από την σχάση και την χρησιμοποιούν για να κατευθύνουν τις γεννήτριες που παράγουν ηλεκτρική ενέργεια. Αν και η πυρηνική ενέργεια συμβάλλει μόνο περίπου το 20% της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται στις Ηνωμένες Πολιτείες, η πυρηνική ικανότητα του έθνους είναι η υψηλότερη από οποιαδήποτε άλλη χώρα - 101 gigawatts το 2010.

Κοινές συνιστώσες της πυρηνικής ενέργειας

Οι πυρηνικοί αντιδραστήρες έχουν τα κοινά αυτά στοιχεία:

Καύσιμα - Το ουράνιο, ένα ραδιενεργό, βαρέων μετάλλευμα, είναι το πιο κοινό καύσιμο για πυρηνικούς αντιδραστήρες. Μετά τη διαδικασία εμπλουτισμού, το ουράνιο γίνεται πολύ πυκνό καύσιμο.

Ένας εμπορικός πυρηνικός αντιδραστήρας απαιτεί χιλιάδες λίβρες εμπλουτισμένου καυσίμου ουρανίου για να λειτουργήσει. Οι μη στρατιωτικοί σταθμοί πυρηνικής ενέργειας στις ΗΠΑ αγοράζουν ετησίως περίπου 50 εκατομμύρια λίρες ουρανίου (ισοδύναμο με U3O8), η πλειοψηφία των οποίων προέρχεται από το εξωτερικό.

Το ουράνιο εξορύσσεται σε τοποθεσίες παγκοσμίως, κυρίως στο Καζακστάν, τον Καναδά, την Αυστραλία και την Αφρική. Οι Ηνωμένες Πολιτείες συγκαταλέγονται στους πρώτους δέκα παραγωγούς ουρανίου.

Ράβδοι ελέγχου - Κατασκευασμένα από υλικό που απορροφά νετρόνια όπως το κάδμιο, το άφνιο ή το βόριο, οι ράβδοι ελέγχου εισάγονται ή αποσύρονται από τον πυρήνα για τον έλεγχο του ρυθμού αντίδρασης ή για τον τερματισμό του εάν είναι απαραίτητο.

Μεσολαβητής - Υλικό στον πυρήνα του αντιδραστήρα που επιβραδύνει τα νετρόνια που απελευθερώνονται από την σχάση, ώστε να προκαλέσουν μεγαλύτερη σχάση. Ο συντονιστής είναι συνήθως συνηθισμένο (ελαφρύ) νερό, αλλά μπορεί να είναι βαρύ νερό (D20) ή γραφίτης.

Ψυκτικό - Υγρό ή αέριο που κυκλοφορεί μέσω του πυρήνα για τη μεταφορά της θερμότητας από αυτό. Σε αντιδραστήρες ελαφρού ύδατος, ο μετρητής νερού λειτουργεί επίσης ως πρωτεύον ψυκτικό μέσο.

Περιορισμός - Οι πυρηνικοί αντιδραστήρες είναι εγκιβωτισμένοι σε δομές βαρέως οπλισμένου σκυροδέματος για την αποτροπή της έκλυσης ραδιενέργειας στην ατμόσφαιρα.

Βασική Διαδικασία Πυρηνικής Ενέργειας

Η πυρηνική φυσική είναι πολύ τεχνική, αλλά η βασική διαδικασία παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με πυρηνική ενέργεια έχει ως εξής:

Ο πυρήνας του αντιδραστήρα παράγει θερμότητα και ραδιενέργεια σε μια διαδικασία που ονομάζεται σχάση, κοινώς γνωστή ως διάσπαση ατόμων. Μέσα στον πυρήνα του αντιδραστήρα είναι πυρηνικό καύσιμο ουρανίου. Καθώς οι πυρήνες του ουρανίου χωρίζονται, απελευθερώνουν νετρόνια. Όταν τα νετρόνια έπληξαν άλλα άτομα ουρανίου, αυτοί οι πυρήνες επίσης διασπάστηκαν, απελευθερώνοντας τα νετρόνια τους για να χτυπήσουν άλλα άτομα, προκαλώντας περισσότερη σχάση. Αυτός ο συνεχής διάσπαση ατόμων είναι αλυσιδωτή αντίδραση.

Η θερμότητα από τις ελεγχόμενες αντιδράσεις σχάσης χρησιμοποιείται για την παραγωγή ατμού από το νερό, είτε άμεσα είτε στον αντιδραστήρα βρασμού νερού (BWR) είτε έμμεσα όπως στον αντιδραστήρα πεπιεσμένου νερού (PWR), ο οποίος περιέχει ατμογεννήτρια.

Ο ατμός κινεί έναν στρόβιλο που τροφοδοτεί μια γεννήτρια.

Η γεννήτρια παράγει ηλεκτρική ενέργεια που διανέμεται στο ηλεκτρικό δίκτυο.

Τύποι πυρηνικών αντιδραστήρων

Σε παγκόσμιο επίπεδο, χρησιμοποιούνται διάφοροι τύποι αντιδραστήρων πυρηνικής ενέργειας. Ωστόσο, οι συνηθέστεροι τύποι είναι αντιδραστήρες πεπιεσμένου νερού (PWR) και αντιδραστήρες βρασμού νερού (BWR), οι οποίοι ταξινομούνται ως αντιδραστήρες ελαφρού ύδατος. Στις Ηνωμένες Πολιτείες, οι PWR και BWR είναι οι μόνοι δύο τύποι εμπορικών σταθμών πυρηνικής ενέργειας που λειτουργούν.

• Αντιδραστήρας βρασμού νερού (BWR) - Σε αυτόν τον τύπο αντιδραστήρα, η σχάση παράγει θερμότητα που βράζει νερό στον πυρήνα του αντιδραστήρα. Ο ατμός από το βραστό νερό τροφοδοτεί έναν στρόβιλο που κινεί μια γεννήτρια για να παράγει ηλεκτρική ενέργεια. Οι αντιδραστήρες στο εργοστάσιο της Φουκουσίμα Ναϊϊσί της βορειοανατολικής Ιαπωνίας που υπέστησαν ζημιά στο σεισμό και στο τσουνάμι του Μαρτίου 2011 είναι BWRs.
• Ο αντιδραστήρας υπό πίεση (PWR) - Αυτός ο τύπος αντιδραστήρα είναι ο συνηθέστερος για την παραγωγή ενέργειας. Χρησιμοποιεί το νερό ως ψυκτικό μέσο και ως συντονιστή, έναν παράγοντα που βοηθά στον έλεγχο της ταχύτητας της σχάσης. Στο κλειστό σύστημα πρωτογενούς ψυκτικού υγρού το νερό που θερμαίνεται με θερμική ενέργεια από τη σχάση ενώ διέρχεται από τον πυρήνα διατηρείται υπό υψηλή πίεση και κατά συνέπεια δεν βράζει. Ο ατμός παράγεται σε έναν δευτερεύοντα βρόχο ψύξης και χρησιμοποιείται για την τροφοδοσία ενός στροβίλου που οδηγεί μια ηλεκτρική γεννήτρια.
• CANDU και αντιδραστήρες μέτριου ύδατος - Αυτά τα σχέδια χρησιμοποιούν βαρύ νερό ως συντονιστής. Το βαρύ ύδωρ - με το δευτέριο που αντικαθιστά τα δύο άτομα υδρογόνου - ως επιβραδυντής επιβραδύνει τα νετρόνια στη διαδικασία σχάσης και επιτρέπει τη χρήση φυσικού ουρανίου αντί για εμπλουτισμένο ουράνιο ως καύσιμο.
• Δομοστοιχειωτός αντιδραστήρας με βότσαλο - Ένας αντιδραστήρας υψηλής θερμοκρασίας που χρησιμοποιεί ψυκτικό μέσο ήλιου και καύσιμο εγκλεισμένο σε σφαίρες από γραφίτη και καρβίδιο του πυριτίου για να εξασφαλίσει τη συγκράτηση του προϊόντος σχάσης και την αντίσταση στην τήξη.