Przeczytaj
Warto przeczytać
Realizacji elektrowni i reaktorów jądrowychreaktorów jądrowych jest wiele. W tym materiale skupimy się na najpopularniejszej, czyli na reaktorze wodnym ciśnieniowymreaktorze wodnym ciśnieniowym, w skrócie PWR (ang. Pressurized Water Reactor). Poniższa grafika pozwoli ci zrozumieć kolejne kroki prowadzące od reakcji rozszczepieniarozszczepienia do wygenerowania napięcia elektrycznego.
Sercem każdej elektrowni jądrowej jest reaktor. To w nim zachodzi reakcja rozszczepienia paliwa jądrowego, prowadząca do uwolnienia ogromnej ilości energii. Paliwo jądrowe zawiera izotopy, które ulegają rozszczepieniurozszczepieniu pod wpływem pochłonięcia neutronu. Samo rozszczepienie jest procesem, w którym ciężkie jądro atomowe ulega podziałowi na dwa lżejsze fragmenty, czemu towarzyszy emisja neutronów oraz uwolnienie energii. Wyemitowane neutrony mogą spowodować rozszczepienie kolejnych jąder, mówimy wtedy o reakcji łańcuchowej. Reaktory jądrowe są więc urządzeniami umożliwiającymi przeprowadzenie kontrolowanej reakcji łańcuchowej oraz zmianę uwolnionej energii na energię elektryczną.
Reaktor typu PWR można sobie wyobrazić jako ogromne, wypełnione wodą naczynie, w którym zanurzone są pręty zawierające paliwo jądrowe. Pręty zgrupowane są w kasetę paliwową. Ponadto każdy pręt zbudowany jest z mniejszych elementów - pastylek paliwowych. Poniższa ilustracja przedstawia fotografię kasety paliwowej oraz tworzących ją prętów i pastylek paliwowych. Paliwem jądrowym jest najczęściej związek zawierający izotop uranu Indeks górny 235235U. Występująca w przyrodzie ruda uranu ma jedynie ok 0,7% zawartości Indeks górny 235235U. To za mało, aby otrzymać samopodtrzymujący się cykl rozszczepień w reaktorach PWR. Stosowanym rozwiązaniem jest wzbogacanie uranu naturalnego w taki sposób, aby izotop Indeks górny 235235 U stanowił ok. 3‑5% próbki. Wzbogacony uran jest najpowszechniej stosowanym paliwem jądrowym.
Oprócz prętów paliwowych w zbiorniku reaktora znajdują się pręty kontrolnepręty kontrolne, służące do kontrolowania reakcji rozszczepienia, sterowania mocą reaktora oraz jego szybkiego wyłączenia. Pręty zbudowane są z materiałów pochłaniających neutrony. Wsunięcie prętów kontrolnych pomiędzy pręty paliwowe powoduje, że wyemitowane w rozszczepieniu neutrony zostają pochłonięte i nie inicjują kolejnych aktów rozszczepień. Dzięki temu maleje energia wydzielana w reaktorze lub jest on całkowicie wyłączany. W przypadku awarii reaktora pręty samoczynnie opadają wygaszając reakcję łańcuchową. Jest to jeden z elementów systemu bezpieczeństwa elektrowni jądrowej.
Wypełniająca reaktor woda pełni dwie ważne funkcje. Pierwsza z nich jest związana z energiami neutronów. Neutrony wyemitowane w rozszczepieniu mają duże energie kinetyczne, sięgające nawet kilku megaelektronowotów. Tak rozpędzone neutrony nie mogą zostać pochłonięte przez jądra uranu Indeks górny 235235 U i zainicjować kolejnych aktów rozszczepień. Aby podtrzymać reakcję łańcuchową, neutrony muszą wytracić większość swojej energii kinetycznej. Odbywa się to w szeregu zderzeń sprężystych z atomami otaczającego materiału. Aby efektywnie zmniejszać energię neutronów (spowalniać je) wykorzystuje się materiały zbudowane z lekkich atomów, tzw. moderatorymoderatory. W praktyce najczęściej stosuje się wodę (HIndeks dolny 22O) lub ciężką wodę (DIndeks dolny 22O). W reaktorach PWR rolę moderatora pełni wypełniająca je woda.
Drugą niezmiernie ważną funkcją wody jest odprowadzanie ciepła wygenerowanego w reaktorze. Energię uwolnioną w rozszczepieniu w ok. 85% stanowi energia kinetyczna fragmentów rozszczepienia. Pozostałe 15% stanowi energia kinetyczna neutronów, cząstek beta oraz promieniowania gamma. Fragmenty rozszczepienia poruszając się w obrębie pręta paliwowego, tracą swoją energię kinetyczną prowadząc do rozgrzania pręta. Podobnie energia neutronów, cząstek beta i gamma w większości zostaje zamieniona na ciepło w obrębie materiałów reaktora. Znajdująca się w reaktorze woda przepływa wokół prętów paliwowych odbierając od nich ciepło. Następnie rozgrzana ciecz przepływa przez wymiennik ciepła, gdzie oddaje swoją energię wodzie, znajdującej się w drugim obiegu. Woda z reaktora krąży w zamkniętym obiegu (obiegu pierwotnym), dlatego po schłodzeniu wraca do zbiornika reaktora, by ponownie pełnić swoją rolę. Zauważ, że woda przepływająca przez reaktor nigdy nie wydostaje się poza budynek reaktora. Jest to jedno z wielu zabezpieczeń mających na celu uniemożliwienie wydostania się izotopów promieniotwórczych do środowiska.
Wiesz już, jak działa reaktor jądrowy, jak jest zbudowany oraz co się dzieje z energią uwalnianą w rozszczepieniu. Prześledźmy teraz mechanizm zamiany energii cieplnej przekazanej wodzie obiegu wtórnego na energię elektryczną. Wymiennik cieplny, w którym następuje wymiana energii między obiegami, pełni rolę wytwornicy pary. Oznacza to, że woda z obiegu wtórnego po rozgrzaniu jest w postaci sprężonej pary wodnej. Posiadająca bardzo duże ciśnienie para rozpręża się na turbinach generatora prądu elektrycznego (prądnicy)generatora prądu elektrycznego (prądnicy), napędzając je. Generator prądu jest zaś urządzeniem zmieniającym energię mechaniczną turbiny na energię elektryczną. Ten mechanizm jest wspólny dla elektrowni jądrowych i konwencjonalnych, a nawet dla dynamo zasilającego lampkę rowerową.
Po rozpędzeniu turbiny para obiegu wtórnego ulega skropleniu, a wydzielone ciepło jest odbierane przez wodę znajdującą się w obiegu trzecim, chłodzącym. Woda obiegu wtórnego również krąży w ciągu zamkniętym i nie wydostaje się do środowiska. Dopiero trzeci, ostatni obieg wody jest otwarty. Rozgrzana woda jest odprowadzana albo do zbiornika znajdującego się w pobliżu elektrowni (np. jeziora), albo schładzana w chłodni kominowej, czyli szerokich okrągłych kominach, bardzo charakterystycznych dla elektrowni jądrowych.
Elektrownie jądrowe posiadają szereg zabezpieczeń uniemożliwiających uwolnienie substancji promieniotwórczych do środowiska. Zakłada się, że pojedyncze zabezpieczenia mogą zawieść, dlatego stosuje się szereg barier dublujących swoje zadanie. Pierwszą barierą jest materiał otaczający paliwo jądrowe, kolejną zbiornik reaktora, następnie obudowa bezpieczeństwa reaktora aż po sam budynek. Zarówno woda obiegu pierwotnego, przepływającego przez reaktor, jak i obiegu wtórnego, napędzającego turbiny generatora, krąży w cyklu zamkniętym i nie styka się ze środowiskiem. Ponadto wykorzystuje się systemy pasywne, czyli takie, których działanie nie wymaga zasilania. Przykładem są wpuszczane od góry pręty kontrolne. W razie awarii pręty grawitacyjnie opadają zatrzymując reakcję rozszczepienia.
Słowniczek
(ang. fission) – przemiana jądrowa polegająca na rozpadzie jądra atomowego na dwa lżejsze fragmenty o zbliżonej masie, czemu towarzyszy emisja neutronów oraz uwolnienie energii. Rozszczepienie może zachodzić samoistnie (spontaniczne rozszczepienie) lub pod wpływem działania czynnika zewnętrznego, np. pochłonięcia neutronu lub protonu (rozszczepienie wymuszone).
(ang. neutron moderator) – materiał służący do zmniejszania energii kinetycznej neutronów emitowanych w rozszczepieniu (spowalniania neutronów), w celu zwiększenia wydajności indukowania przez nie kolejnych aktów rozszczepienia. Najczęściej stosowanymi moderatorami są woda lub ciężka woda.
(ang.: nuclear reactor) – urządzenie służące do przeprowadzania kontrolowanej reakcji łańcuchowej rozszczepienia oraz pozyskania uwolnionej w tym procesie energii.
(ang. Pressurized Water Reactor) – reaktor, w którym moderatorem oraz chłodziwem jest woda. Elektrownia z reaktorem PWR posiada trzy niestykające się obiegi wody, co zmniejsza ryzyko wycieku materiałów radioaktywnych.
(ang.: electric generator) – urządzenie służące do zmiany energii mechanicznej w energię elektryczną. Zasada działania generatora opiera się na prawie Faradaya, które mówi, że w zamkniętym obwodzie, znajdującym się w polu magnetycznym generuje się siła elektromotoryczna indukcji równa szybkości zmiany strumienia indukcji pola magnetycznego przechodzącego przez ramkę. Oznacza to, że jeśli umieścimy zbudowaną z przewodnika ramkę w jednorodnym polu magnetycznym i zaczniemy nią obracać, tak aby zmieniał się przechodzący przez nią strumień indukcji magnetycznej, to w ramce wygeneruje się napięcie elektryczne. Tym sposobem energia mechaniczna obrotu ramki zamienia się na energię elektryczną.
(ang.: control rods) – zbudowane z materiału łatwo pochłaniającego neutrony, elementy rdzenia reaktora służące do kontroli szybkości zachodzenia reakcji łańcuchowej rozszczepienia oraz, w razie potrzeby, wygaszenia reakcji łańcuchowej.
(ang.: effective neutron multiplication factor) – stosunek liczby neutronów w i+1 pokoleniu rozszczepienia do liczby neutronów w i-tym pokoleniu rozszczepienia. Inaczej mówiąc jest to średnia liczba neutronów z rozszczepienia, która zainicjuje kolejny akt rozszczepienia. Warunkiem podtrzymania reakcji łańcuchowej jest, aby współczynnik powielania wynosił przynajmniej 1.