The first nuclear power plants were built in the 1940s.
Nuclear power plants belong to the same group of thermal power plants as conventional thermal power plants. The operation of thermal power plants has a common feature - in both cases the working circuit is a steam‑water circuit. The difference is in steamsteamsteam generating sources - in coal‑fired power plants there is coal, in nuclear - a nuclear reactornuclear reactornuclear reactor filled with nuclear fuel.
Nuclear power plants have much more power than conventional ones. The problem is side production of radioactive waste. Waste fuel from reactors is exchanged every three years on average. They are stored in specially adapted places.
Structure of a nuclear power plant:
Each thermal power plant is a system composed of two main parts:
- producing hot, compressed water vapour (nuclear part), - generating electricity thanks to turbines driven by expanding water vapour (conventional part).
The main element of the nuclear part is a reactor in which the fission reaction produces energy for heating the water flowing through the reactor corecorecore and converting it to water vapour.
The most widespread types of reactors are the pressurized water reactor (PWR) and the boiling water reactor (BWR).
[Illustration 1]
[Illustration 2]
Generation of electricity: In the nuclear part of the power plant there is a reactor, circulation pumps and a steam generatorgeneratorgenerator. Together they form a primary water circuit. It is a closed circuit in which the thermal energy from the reactor produced by the fission reaction is transported by means of water to the steam generator. Changes in water volume in the primary circuit, caused by temperature changes, are controlled by means of a pressure regulator.
The element connecting the two circuits in the power plant is the steamsteamsteam generator. Water supplied to it by a secondary circuit from a conventional part of the power plant receives heat from the primary circuit, resulting in water vapour. It flows through a high pressure pipeline from the steam generator to the steam turbine. The steamsteamsteam expands, sets the turbine in motion, causing the generatorgeneratorgenerator to move and generate electricity.
These processes take place in a pressurized water reactor (PWR). In a boiling water reactor (BWR), the water vapour exchange takes place in the reactor corecorecore.
Structure of the reactor: In the nuclear reactor, the process of initiating, controlling and maintaining the chain reaction takes place. As a result of fission, gamma radiation and neutrons and a significant amount of heat energy arise. Other nuclides are also formed. The failure‑free operation of the reactor depends on proper control and maintenance of the chain reaction.
The most important element of the nuclear reactornuclear reactornuclear reactor is the core in which there are fuel elements and a moderatormoderatormoderator. Moderator is a substance that slows down neutrons, e.g. graphite, heavy water.
Nuclear fuel is made usually from substances containing fissile isotopes whose nuclei easily undergo nuclear fission by bombarding with neutrons of low energy, e.g. Indeks górny 235235U, Indeks górny 233233U, Indeks górny 239239Pu, Indeks górny 241241Pu.
Nuclear fuel is enclosed within fuel elements. They have the form of rods, for example in the shape of a cylinder or cuboid.
This solution avoids unwanted release of fission products outside the reactor.
A coolant flows through the reactor, which is intended to discharge the generated heat. It must be a substance that weakly absorbs neutrons. The most commonly used are ordinary or heavy water, liquid sodium, helium or carbon dioxide. Its flow is forced by means of pumps.
Control and maintenance of the chain reaction: In most nuclear power plants, fuel is enriched uranium, i.e. uranium Indeks górny 238238U, which contains more uranium Indeks górny 235235U than it is in natural uranium (over 0,72%). In the core of the nuclear reactornuclear reactornuclear reactor the Indeks górny 235235U uranium fission reaction takes place. As a result of this reaction, neutrons, lighter nuclei and energy are generated. These neutrons are responsible for causing further fission. In this way, a chain reaction is created.
- electricity generation; - production of nuclear fuel (in the form of a Indeks górny 239239Pu) for military purposes; - production of radioactive isotopes (e.g. those applicable in medicine); - scientific experiments in physics, biology, etc.
Reaktor jądrowy stanowi jedyne źródło ciepła elektrowni jądrowej i jest odpowiednikiem kotła parowego występującego w klasycznej elektrowni węglowej. W wyniku odpowiedniego sterowania praca reaktora, energia cieplna wyzwalana jest w sposób kontrolowany.
Gdy liczba powstających neutronów jest równa liczbie neutronów, które są tracone w wyniku pochłaniania i ucieczki mamy do czynienia z tzw. stanem krytycznym reaktora. Wbrew swojej nazwie, jest to normalny stan pracy reaktora. Sterowanie reaktorem polega na utrzymywaniu go w stanie krytycznym. Wykorzystywane do tego są materiały silnie pochłaniające neutrony. Wykonuje się z nich pręty sterujące, których odpowiednie ustawienie wpływa na ilość dostępnych neutronów, a tym samym osłabianie lub wzmacnianie przebiegu reakcji. Zmiana strumienia neutronów pozwala na regulację mocy rdzenia.
Pręty sterujące spełniają również ważną rolę jako tzw. pręty bezpieczeństwa – ich zadaniem jest przerwanie przebiegu reakcji. Gdy reakcja wymyka się spod kontroli, są one wstrzeliwane do rdzenia – wtedy praca reaktora zostaje przerwana.
m03638d4798b84f58_1528449000663_0
Działanie elektrowni jądrowej
m03638d4798b84f58_1528449084556_0
Trzeci
m03638d4798b84f58_1528449076687_0
XI. Fizyka jądrowa. Uczeń:
10) opisuje zasadę działania elektrowni jądrowej oraz wymienia korzyści i niebezpieczeństwa płynące z energetyki jądrowej.
m03638d4798b84f58_1528449068082_0
45 minut
m03638d4798b84f58_1528449523725_0
Opisuje zasadę działania elektrowni jądrowej.
m03638d4798b84f58_1528449552113_0
1. Opisuje schemat budowy elektrowni jądrowej.
2. Opisuje budowę i funkcję reaktora jądrowego.
3. Wymienia korzyści i niebezpieczeństwa wynikające ze stosowania energetyki jądrowej.
m03638d4798b84f58_1528450430307_0
Uczeń:
- wyjaśnia zasadę działania elektrowni jądrowej.
- wymienia zalety i wady stosowania energetyki jądrowej.
m03638d4798b84f58_1528449534267_0
1. Dyskusja.
2. Analiza tekstu.
m03638d4798b84f58_1528449514617_0
1. Praca indywidualna.
2. Praca grupowa.
m03638d4798b84f58_1528450127855_0
Uczniowie przypominają, czym jest reakcja łańcuchowa.
Przypomnij, na czym polega reakcja łańcuchowa.
m03638d4798b84f58_1528446435040_0
Pierwsze elektrownie jądrowe powstały w latach 40‑tych ubiegłego wieku.
Elektrownie jądrowe należą do tej samej grupy elektrowni cieplnych co konwencjonalne elektrownie cieplne. Działanie elektrowni cieplnych ma wspólną cechę – w obu przypadkach obiegiem roboczym jest obieg parowo‑wodny. Różnicę stanowią źródła wytwarzające parę – w elektrowniach konwencjonalnych paliwem jest węgiel, w jądrowych - reaktor jądrowy wypełniony paliwem jądrowym.
Elektrownie jądrowe mają dużo większą moc niż konwencjonalne. Problemem jest natomiast uboczna produkcja odpadów promieniotwórczych. Zużyte paliwo z reaktorów średnio co trzy lata jest wymieniane. Składuje się je w specjalnie przystosowanych do tego miejscach.
Budowa elektrowni jądrowej:
Każda elektrownia cieplna stanowi układ złożony z dwóch głównych części:
- produkującej gorącą, sprężoną parę wodną (część jądrowa), - generującą prąd, dzięki turbinom napędzanym rozprężającą się parą wodną (część konwencjonalna).
Głównym elementem części jądrowej jest reaktor, w którym w wyniku reakcji rozszczepienia wytwarza się energia służącą do podgrzewania wody przepływającej przez rdzeń reaktora i zamianę jej na parę wodną.
Najbardziej rozpowszechnione typy reaktorów to reaktor wodny ciśnieniowy (PWR) oraz reaktor wodny wrzący (BWR).
[Ilustracja 1]
[Ilustracja 2]
Wytwarzanie energii elektrycznej: W części jądrowej elektrowni znajduje się reaktor, pompy cyrkulacyjne oraz wytwornica pary. Połączone ze sobą tworzą obieg pierwotny wody. Jest to obieg zamknięty, w którym energia cieplna z reaktora wytworzona w reakcji rozszczepienia jest transportowana za pomocą wody do wytwornicy pary. Zmiany objętości wody w obiegu pierwotnym, wywoływane przez zmiany temperatury, kontrolowane są przy pomocy regulatora ciśnienia.
Elementem łączącym obydwa obiegi w elektrowni jest wytwornica pary. Woda dostarczona do niej przez obieg wtórny z części konwencjonalnej elektrowni odbiera ciepło z obiegu pierwotnego, w wyniku czego powstaje para wodna. Przepływa ona rurociągiem pod wysokim ciśnieniem od wytwornicy do turbiny parowej. Para się rozpręża, wprawia w ruch turbinę, co powoduje ruch generatora i wytwarzanie prądu elektrycznego.
Wymienione procesy zachodzą w ciśnieniowym reaktorze wodnym (PWR). W reaktorze wodnym wrzącym (BWR) zamiana wody w parę odbywa się w rdzeniu reaktora.
Budowa reaktora: W reaktorze jądrowym następuje proces inicjowania, kontrolowania oraz podtrzymywania reakcji łańcuchowej. W wyniku rozszczepienia powstaje promieniowanie gamma oraz neutrony oraz znaczna ilość energii cieplnej. Powstają również inne nuklidy. Od właściwej kontroli i podtrzymywania reakcji łańcuchowej zależy bezawaryjna praca reaktora.
Najważniejszym elementem reaktora jądrowego jest rdzeń, w którym znajdują się elementy paliwowe oraz moderator. Moderator stanowi substancja spowalniająca neutrony np. grafit, ciężka woda.
Paliwem jądrowym są najczęściej substancje zawierające izotopy rozszczepialne, których jądra łatwo ulegają rozszczepieniu w wyniku bombardowania neutronami o małych energiach np. Indeks górny 235235U, Indeks górny 233233U, Indeks górny 239239Pu, Indeks górny 241241Pu.
Paliwo jądrowe jest zamknięte wewnątrz elementów paliwowych. Mają one postać prętów np. o kształcie walca lub prostopadłościanu.
Rozwiązanie to pozwala na uniknięcie niepożądanego wydostania się produktów rozszczepienia na zewnątrz reaktora.
Przez reaktor przepływa chłodziwo, które ma na celu odprowadzenie wydzielonego ciepła. Musi być to substancja, która słabo absorbuje neutrony. Najczęściej używa się wody zwykłej lub ciężkiej, ciekłego sodu, helu lub dwutlenku węgla. Jego przepływ wymuszany jest za pomocą pomp.
Kontrola i podtrzymywanie reakcji łańcuchowej: W większości elektrowni jądrowych paliwo stanowi wzbogacony uran, czyli uran Indeks górny 238238U, który zawiera więcej uranu Indeks górny 235235U niż naturalny uran (ponad 0,72%). W rdzeniu reaktora jądrowego zachodzi reakcja rozszczepienia jąder uranu Indeks górny 235235U. W wyniku tej reakcji powstają neutrony, lżejsze jądra oraz wydzielana jest energia. Neutrony te odpowiedzialne są za wywoływanie kolejnych rozszczepień. W ten sposób tworzy się reakcja łańcuchowa.
[Grafika interaktywna]
Gdy liczba powstających neutronów jest równa liczbie neutronów, które są tracone w wyniku pochłaniania i ucieczki mamy do czynienia z tzw. stanem krytycznym reaktora. Wbrew swojej nazwie, jest to normalny stan pracy reaktora. Sterowanie reaktorem polega na utrzymywaniu go w stanie krytycznym. Wykorzystywane do tego są materiały silnie pochłaniające neutrony. Wykonuje się z nich pręty sterujące, których odpowiednie ustawienie wpływa na ilość dostępnych neutronów, a tym samym osłabianie lub wzmacnianie przebiegu reakcji. Zmiana strumienia neutronów pozwala na regulację mocy rdzenia.
[Ilustracja 3]
Pręty sterujące spełniają również ważną rolę jako tzw. pręty bezpieczeństwa – ich zadaniem jest przerwanie przebiegu reakcji. Gdy reakcja wymyka się spod kontroli, są one wstrzeliwane do rdzenia – wtedy praca reaktora zostaje przerwana.
Zastosowanie reaktorów:
Reaktory stosowane są do:
- wytwarzania energii elektrycznej; - produkcji paliwa jądrowego (w postaci plutonu Indeks górny 239239Pu) do celów militarnych; - produkcji izotopów radioaktywnych (np. mających zastosowanie w medycynie); - eksperymentów naukowych w fizyce, biologii itd.
m03638d4798b84f58_1528450119332_0
Reaktor jądrowy stanowi jedyne źródło ciepła elektrowni jądrowej i jest odpowiednikiem kotła parowego występującego w klasycznej elektrowni węglowej. W wyniku odpowiedniego sterowania praca reaktora, energia cieplna wyzwalana jest w sposób kontrolowany.