Temat

Działanie elektrowni jądrowej

Etap edukacyjny

Trzeci

Podstawa programowa

XI. Fizyka jądrowa. Uczeń:

10) opisuje zasadę działania elektrowni jądrowej oraz wymienia korzyści i niebezpieczeństwa płynące z energetyki jądrowej.

Czas

45 minut

Ogólny cel kształcenia

Opisuje zasadę działania elektrowni jądrowej.

Kształtowane kompetencje kluczowe

1. Opisuje schemat budowy elektrowni jądrowej.

2. Opisuje budowę i funkcję reaktora jądrowego.

3. Wymienia korzyści i niebezpieczeństwa wynikające ze stosowania energetyki jądrowej.

Cele (szczegółowe) operacyjne

Uczeń:

- wyjaśnia zasadę działania elektrowni jądrowej,

- wymienia zalety i wady stosowania energetyki jądrowej.

Metody kształcenia

1. Dyskusja.

2. Analiza tekstu.

Formy pracy

1. Praca indywidualna.

2. Praca grupowa.

Etapy lekcji

Wprowadzenie do lekcji

Uczniowie przypominają, czym jest reakcja łańcuchowa.

Przypomnij, na czym polega reakcja łańcuchowa.

Realizacja lekcji

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.

Podsumowanie lekcji

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.