Działanie i produkcja prądu w elektrowni jądrowej
Przedmiot: Chemia
Dodane: dzisiaj o 12:56
Elektrownia jądrowa jest zaawansowanym technologicznie zakładem, którego głównym celem jest produkcja energii elektrycznej na masową skalę – i to w bardzo specyficzny sposób, odmienny od klasycznych elektrowni węglowych czy gazowych. Podstawowa zasada jej działania opiera się przede wszystkim na wykorzystaniu zjawiska rozszczepienia jąder ciężkich atomów, najczęściej uranu-235 lub plutonu-239, w kontrolowanym środowisku reaktora jądrowego.
Proces rozszczepienia
W jądrze reaktora znajduje się paliwo jądrowe w postaci tzw. prętów paliwowych, zrobionych zazwyczaj z tlenku uranu (UO₂). Rozszczepianie to zjawisko fizyczne, polegające na podziale jądra ciężkiego atomu (np. uranu-235) na dwa mniejsze jądra pod wpływem uderzenia pojedynczego neutronu. Gdy taki neutron zostanie pochłonięty przez jądro uranu, jego struktura staje się niestabilna i rozpada się, uwalniając wielkie ilości energii cieplnej i kolejne neutrony.Te neutrony z kolei mogą wywołać dalsze reakcje rozszczepienia w sąsiednich jądrach – tak powstaje reakcja łańcuchowa. Ważne jest jednak, aby ta reakcja była kontrolowana, by nie doszło do gwałtownego, niekontrolowanego wzrostu mocy (eksplozji), jak to się dzieje w bombie atomowej.
Kontrola reakcji
W reaktorze jądrowym stosuje się pręty kontrolne, wykonane z materiałów pochłaniających neutrony (zwykle boru lub kadmu). Pręty te można wsuwać lub wysuwać pomiędzy pręty paliwowe. Gdy pręty kontrolne są głębiej wsunięte, pochłaniają więcej neutronów, osłabiając reakcję łańcuchową; gdy są wysunięte, reakcja przebiega szybciej. Dzięki temu operatorzy elektrowni mogą precyzyjnie sterować mocą reaktora.Równolegle cały proces zachodzi w środowisku zwanym moderatorem (np. woda lekka, woda ciężka lub grafit), którego rolą jest spowolnienie neutronów do takiej prędkości, którą najłatwiej pochłaniają jądra uranu.
Produkcja energii cieplnej
Energia wydzielana podczas rozszczepienia nie jest od razu zamieniana na energię elektryczną. Najpierw ma postać ciepła, które należy odebrać z paliwa i wykorzystać. Do chłodzenia rdzenia reaktora służy obieg wodny – woda przepływająca przez wnętrze reaktora odbiera energię cieplną i ogrzewa się do bardzo wysokiej temperatury.W większości elektrowni jądrowych stosuje się tzw. reaktory wodne ciśnieniowe (PWR – Pressurized Water Reactor) lub wrzące (BWR – Boiling Water Reactor). W PWR woda pod wysokim ciśnieniem nie wrze w reaktorze, lecz przekazuje ciepło w wymienniku ciepła do drugiego obiegu wodnego, który zmienia się w parę. W przypadku reaktorów BWR woda wrze bezpośrednio w reaktorze i para jest kierowana do turbin.
Zamiana energii cieplnej na elektryczną
Powstała para wodna pod bardzo wysokim ciśnieniem (nawet do 70 atmosfer i temperaturze powyżej 250°C) trafia do ogromnych turbin parowych. Pęd pary obraca łopatki turbiny, zamieniając energię cieplną w mechaniczną – ruch obrotowy wału turbiny. Wał ten połączony jest z generatorem, czyli wielkim prądnicą, w której energia mechaniczna zamieniana jest – dzięki zjawisku indukcji elektromagnetycznej odkrytemu przez Michała Faradaya – na prąd elektryczny.Oddzielenie obiegów i bezpieczeństwo
W elektrowniach jądrowych bardzo ważne są systemy bezpieczeństwa. Obieg, w którym ma miejsce bezpośredni kontakt z paliwem jądrowym, jest zwykle oddzielony od obiegu wytwarzającego parę i napędzającego turbiny. Dzięki temu ewentualne zanieczyszczenia radioaktywne nie trafiają poza reaktor.Chłodzenie i oddawanie ciepła
Po przejściu przez turbinę para jest skraplana w kondensatorze, zwykle chłodzonym wodą pobieraną z rzeki, jeziora lub z chłodni kominowych. Skroplona woda wraca do obiegu.Podsumowanie
Podstawowe etapy produkcji prądu w elektrowni jądrowej wyglądają więc następująco: 1. Paliwo jądrowe w rdzeniu reaktora ulega kontrolowanej reakcji rozszczepienia, wytwarzając ogromne ilości ciepła. 2. Ciepło to ogrzewa wodę, która zamienia się w parę o bardzo wysokiej temperaturze i ciśnieniu. 3. Para napędza turbinę, zamieniając energię cieplną w mechaniczną. 4. Turbina napędza generator, który wytwarza prąd elektryczny. 5. Para po przejściu przez turbinę jest skraplana i wraca do obiegu.To właśnie dzięki precyzyjnie sterowanym reakcjom jądrowym możliwe jest wytwarzanie olbrzymich ilości prądu, z minimalną emisją gazów cieplarnianych i bez zużycia paliw kopalnych. Elektrownie jądrowe należą dziś do fundamentów nowoczesnej energetyki wielu krajów europejskich, także Polski rozważającej budowę własnych reaktorów.
Oceń:
Zaloguj się aby ocenić pracę.
Zaloguj się