Jedrske elektrarne izkoriščajo energijo, ki jo sprošča cepitev, in jo uporablja za pogon generatorjev, ki proizvajajo električno energijo. Čeprav jedrska energija prispeva le približno 20 odstotkov električne energije, proizvedene v Združenih državah, je jedrska zmogljivost države najvišja od katere koli druge države - 101 gigawatts v letu 2010.
Skupne komponente jedrske energije
Jedrski reaktorji imajo skupne elemente:
Gorivo - Uran, radioaktivna, težka kovinska ruda, je najpogostejše gorivo za jedrske reaktorje. Po procesu bogatenja uran postane zelo zgoščeno gorivo.
Za komercialni jedrski reaktor potrebujemo na tisoče kilogramov obogatenega uranovega goriva za delovanje. Civilne jedrske elektrarne v ZDA kupijo približno 50 milijonov funtov urana (U3O8 enakovredno) gorivo letno, večinoma izvirajo iz čezmorskih držav.
Uran je miniran na lokacijah po vsem svetu, predvsem v Kazahstanu, Kanadi, Avstraliji in Afriki. Združene države so med prvimi desetimi proizvajalci urana.
Krmilne palice - izdelane iz materiala, ki absorbira nevtron, kot so kadmij, hafnij ali bor, so krmilne palice vstavljene ali odvzete iz jedra, da bi nadzirali hitrost reakcije ali, če je potrebno, ustavili.
Moderator - Material v jedru reaktorja, ki upočasni nevtrone, sproščene iz cepitve, zato povzročajo več cepitev.
Moderator je navadno navadna (lahka) voda, lahko pa je težka voda (D20) ali grafit.
Hladilna tekočina - tekoča ali plin, ki kroži skozi jedro, da prenese toploto iz njega. V reaktorjih za lahke vode moderator vode deluje tudi kot primarni hladilnik.
Zadrževanje - Jedrski reaktorji so obloženi v močno ojačenih betonskih konstrukcijah, da preprečijo uhajanje radioaktivnosti v ozračje.
Osnovni proces jedrske energije
Jedrska fizika je zelo tehnična, vendar je osnovni postopek za proizvodnjo električne energije z jedrsko energijo naslednji:
Reaktorsko jedro proizvaja toploto in radioaktivnost v postopku, imenovanem cepitev, splošno znano kot delitev atomov. V jedru reaktorja je uransko jedrsko gorivo. Kot jedro urana se razcepi, sproščajo nevtronov. Ko nevtroni prizadenejo druge atome na uranu, se tudi ti jeziki razcepi, sproščajo svoje nevtrone, da udarijo druge atome, kar povzroča več cepitev. Ta neprekinjena razcepitev atomov je verižna reakcija.
Toplota iz nadzorovanih cepitvenih reakcij se uporablja za pridobivanje pare iz vode, bodisi neposredno kot v reakciji z vrelo vodo (BWR) ali posredno kot v vodnem reaktorju pod pritiskom (PWR), ki vsebuje generator pare.
Para poganja turbino, ki poganja generator.
Generator proizvaja električno energijo, ki se distribuira na električno omrežje.
Vrste jedrskih reaktorjev
V svetu se uporabljajo različne vrste jedrskih reaktorjev. Najpogostejši tipi pa so vodni reaktorji (PWR) in reaktorji z vrelo vodo (BWR), ki so razvrščeni kot reaktorji za lahke vode. V Združenih državah sta PWR in BWR edini dve vrsti komercialnih jedrskih elektrarn v obratovanju.
- Reaktor za vrelo vodo (BWR) - V tej vrsti reaktorja fisija proizvaja toploto, ki vre reči v reaktorskem jedru. Para iz vrele vode omogoča turbino, ki poganja generator za proizvodnjo električne energije. Reaktorji na severovzhodnem japonskem obratu Fukushima Naiishi, poškodovani v potresu marca 2011 in cunami, so BWR.
- Reaktor z vodo pod pritiskom (PWR) - Ta vrsta reaktorja je najpogostejši za proizvodnjo energije. Uporablja vodo kot hladilno sredstvo in moderator, sredstvo, ki pomaga nadzirati hitrost cepitve. V zaprtem sistemu primarnega hladila se voda, segreta s toplotno energijo iz cepitve med prehodom skozi jedro, zadržuje pod visokim pritiskom in zato ne vre. Steam se proizvaja v sekundarni hladilni vrvi in se uporablja za napajanje turbine, ki poganja električni generator.
- CANDU in reaktorji z moderno vodo - Ti modeli uporabljajo moderno vodo. Težka voda - z devterijem, ki nadomešča dva atoma vodika - moderator upočasni neutrone v procesu cepitve in omogoča uporabo naravnega urana, ne pa obogatenega urana kot goriva.
- Modularni reaktor za prodnate postelje - Reaktor visoke temperature, ki uporablja hladilno sredstvo helija in gorivo, zajeto v sferah grafita in silicijevega karbida, da se zagotovi zadrževanje produktov fisije in odpornost proti zlomu.