Wróć do informacji o e-podręczniku Wydrukuj Pobierz materiał do PDF Pobierz materiał do EPUB Pobierz materiał do MOBI Zaloguj się, aby dodać do ulubionych Zaloguj się, aby skopiować i edytować materiał Zaloguj się, aby udostępnić materiał Zaloguj się, aby dodać całą stronę do teczki
RyL61FbBBVpMt

Operation of a nuclear power plant

Source: licencja: CC 0.

Działanie elektrowni jądrowej

You will learn
  • to describe the principle of operation of a nuclear power plant.

R1XCcSNntRnVP1
nagranie abstraktu

Before you start, do the following.

  • Remind what a chain reaction is all about.

R1EZ1o6PDDqqr1
nagranie abstraktu

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
RfEpSF8mrcCxz1
nagranie abstraktu

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).

RrptVjHEnCCqJ
Fossil fuel power station
Source: GroMar, licencja: CC BY 3.0.
Rp2BEgdo0lHuj
Nuclear power station
Source: GroMar, licencja: CC BY 3.0.
Generation of electricity
R1dP4q0bMSdIT1
nagranie abstraktu

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 steamsteamsteam 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 steam 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
R1YipuU39d1fv1
nagranie abstraktu

In the nuclear reactornuclear reactornuclear 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 reactor is the corecorecore 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 235U, Indeks górny 233U, Indeks górny 239Pu, Indeks górny 241Pu.

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
RyogTyOUlyjfq1
nagranie abstraktu

In most nuclear power plants, fuel is enriched uranium, i.e. uranium Indeks górny 238U, which contains more uranium Indeks górny 235U than it is in natural uranium (over 0,72%). In the corecorecore of the nuclear reactornuclear reactornuclear reactor the Indeks górny 235U 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.

RbSTJWeWiBQOh
Na ilustracji interaktywnej został przedstawiony przebieg reakcji rozszczepienia w reaktorze. W rdzeniu reaktora jądrowego zachodzi reakcja rozszczepienia jąder. W wyniku tej reakcji powstają neutrony, lżejsze jądra oraz wydzielana jest energia. Gdy liczba powstających neutronów jest równa liczbie neutronów, które są tracone w wyniku pochłaniania i ucieczki mamy do czynienia ze stanem krytycznym reaktora, który jest normalnym stanem 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. Neutrony te odpowiedzialne są za wywoływanie kolejnych rozszczepień. W ten sposób tworzy się reakcja łańcuchowa. Na rysunku przedstawione schematycznie są reakcja rozszczepienia - Fission i absorpcji - Absorption oraz wychwyt - Capture. Główne komponenty reaktora zaznaczone są w postaci prostokątów o kolorze fioletowym oznaczonym numerem 1, różowym oznaczonym numerem 2 i szarym oznaczonym numerem 3. Na ilustracji widoczne są numery, a na nich podpisy. 1. fuel rod {audio}, 2. moderator {audio}.
Nuclear fission in a reactor
Source: GroMar, licencja: CC BY 3.0.
RNIh93GBSumQE1
nagranie abstraktu

When the number of neutrons produced is equal to the number of neutrons that are lost as a result of absorption and escape, we deal with the so‑called critical condition of the reactor. Despite its name, this is a normal state of the reactor. Controlling the reactor is based on keeping it in a critical condition. Materials strongly absorbing neutrons are used for this. Control rodscontrol rodsControl rods, made of such materials, are appropriately set, which affects the number of available neutrons, thereby weakening or strengthening the course of the reaction. The change in the neutron flux allows adjusting the corecorecore power.

The control rods also play an important role as so‑called safety rods - their task is to interrupt the course of the reaction. When the reaction gets out of control, they are shot into the core - then the reactor's operation is interrupted.

RZqszsDbKQhFN1
Source: GroMar, licencja: CC BY 3.0.
Applications of reactors
R1JrarGXOz2cB1
nagranie abstraktu

Reactors are used for:

  • electricity generation,

  • production of nuclear fuel (in the form of a Indeks górny 239Pu) for military purposes,

  • production of radioactive isotopes (e.g. those applicable in medicine),

  • scientific experiments in physics, biology, etc.

Remember
RgGNzdX6Jji621
nagranie abstraktu
  • nuclear reactornuclear reactornuclear reactor is the only source of heat in a nuclear power plant and is equivalent to a steamsteamsteam boiler found in a classic coal‑fired power plant.

  • As a result of proper control of the reactor operation, thermal energy is released in a controlled manner.

Exercises

R1HunncsiVp6p
Exercise 1
Wersja alternatywna ćwiczenia: Determine which sentences are true. Możliwe odpowiedzi: 1. The construction of reactors allows you to control the course of the chain reaction., 2. During the fission reaction, gamma radiation is emitted., 3. Control rods maintain the desired level of neutrons in the reactor., 4. Moderator is a substance which transfers heat created as a result of a chain reaction.
zadanie
Source: GroMar, licencja: CC BY 3.0.
Exercise 2

Search for information in available sources and make a note about the consequences of a Fukushima nuclear plant failure.

Exercise 3

Describe in English how the nuclear power plant works.

R3v7MpSr1p98r
Exercise 4
Wersja alternatywna ćwiczenia: Indicate which pairs of expressions or words are translated correctly. Możliwe odpowiedzi: 1. elektrownia jądrowa - nuclear plant, 2. reaktor jądrowy - nuclear reactor, 3. rdzeń - core, 4. pręty sterujące - control rods, 5. para - generator, 6. rurociąg - steam
zadanie
Source: GroMar, licencja: CC BY 3.0.
R3TmTIuvdS82K1
Interaktywna gra, polegająca na łączeniu wyrazów w pary w ciągu jednej minuty. Czas zaczyna upływać wraz z rozpoczęciem gry. Jeden ruch to odkrywanie najpierw jednej potem drugiej karty z wyrazem. Każdy wyraz jest odczytywany. Kolejny ruch to odkrywanie trzeciej i czwartej karty. W ten sposób odsłuchasz wszystkie wyrazy. Nawigacja z poziomu klawiatury za pomocą strzałek, odsłuchiwanie wyrazów enterem lub spacją. Znajdź wszystkie pary wyrazów.
Source: Zespół autorski Politechniki Łódzkiej, licencja: CC BY 3.0.

Glossary

control rods
control rods

pręty sterujące

RH6na7CVFNdPG1
wymowa w języku angielskim: control rods
core
core

rdzeń

R2zdNRE3YMUFg1
wymowa w języku angielskim: core
generator
generator

generator

R1DiCyoQZKwuC1
wymowa w języku angielskim: generator
moderator
moderator

moderator

R1S8IEnat7UsK1
wymowa w języku angielskim: moderator
nuclear plant
nuclear plant

elektrownia jądrowa

R12BboyDBf5RB1
wymowa w języku angielskim: nuclear plant
nuclear reactor
nuclear reactor

reaktor jądrowy

R1Z7sy2vkiGsj1
wymowa w języku angielskim: nuclear reactor
pipe line
pipe line

rurociąg

RL8pAPkSaqejy1
wymowa w języku angielskim: pipe line
steam
steam

para

R1eX8Hr6H3wT01
wymowa w języku angielskim: steam

Keywords

control rodscontrol rodscontrol rods

corecorecore

moderatormoderatormoderator

nuclear plantnuclear plantnuclear plant

nuclear reactornuclear reactornuclear reactor