Definicja pojęcia:

elektrownia jądrowa

Elektrownia jądrowa – rodzaj elektrowni cieplnej, w której energię cieplną potrzebną do ogrzania czynnika roboczego uzyskuje się w wyniku łańcuchowych reakcji rozszczepiania jąder atomowych pierwiastków ciężkich, zachodzących w reaktorze jądrowym. Ciepło powstałe podczas reakcji rozszczepiania przekazywane jest następnie przez chłodziwo do wytwornicy pary, czego wynikiem jest powstanie pary napędzającej turbinę wytwarzającą prąd elektryczny.
  1. Reaktor jądrowy
  2. Zasada działania elektrowni jądrowej z ciśnieniowym reaktorem wodnym
  3. Energetyka jądrowa na świecie

Reaktor jądrowy

Reaktor jądrowy jest urządzeniem, w którym w sposób kontrolowany zachodzą łańcuchowe reakcje rozszczepiania jąder pierwiastków ciężkich. Reakcje te polegają na rozpadzie jądra na dwa fragmenty o zbliżonych masach, czemu towarzyszy emisja promieniowania jądrowego (głównie neutronów i promieniowania γ) i wydzielanie się znacznych ilości ciepła. Jądra powstające podczas reakcji rozszczepienia inicjują łańcuchy rozpadów promieniotwórczych, których elementy stanowią produkty rozszczepienia (gł. izotopy promieniotwórcze).
Schemat reakcji rozszczepienia jądra atomowego izotopu uranu ²³⁵U. Neutron absorbowany jest przez jądro atomowe izotopu uranu ²³⁵U, które ulega rozszczepieniu na produkty rozszczepienia (izotop kryptonu ⁹²Kr i izotop baru ¹⁴¹Ba) oraz wolne neutrony. Wikimedia.org
Reaktory jądrowe, ze względu na energię neutronów wywołujących reakcje rozszczepienia jąder, dzieli się na:
  • reaktory termiczne (reaktory na neutronach termicznych) – wykorzystujące neutrony o niskiej energii (rzędu 10⁻² eV);
  • reaktory prędkie (reaktory na neutronach prędkich) – wykorzystujące neutrony prędkie o energii rzędu 10⁻¹ eV.

Rdzeń reaktora jądrowego składa się z:
  • elementów paliwowych – walcowatych prętów składających się ze szczelnej, cienkościennej rurki i umieszczonych w jej wnętrzu pastylek paliwowych z paliwem jądrowym zawierającym, w celu niedopuszczenia wydostania się na zewnątrz reaktora produktów rozszczepienia, izotopy ciężkie, których jądra łatwo ulegają rozszczepieniu w wyniku zderzeń z neutronami o małych energiach (izotopy uranu ²³⁵U, ²³³U oraz plutonu ²³⁹Pu, ²⁴¹Pu);
  • prętów regulacyjnych wykonanych z materiałów pochłaniających neutrony, służących do regulowania mocy reaktora; jego włączania i wyłączania;
  • moderatora (reaktory termiczne) – materiału o małej masie atomowej (grafitu, ciężkiej wody, berylu), którego funkcją jest zmniejszanie energii neutronów; moderatorem może być także chłodziwo (woda, ciężka woda, ciekły sód, dwutlenek węgla, hel).
Rdzeń reaktora jądrowego. Wikimedia.org
Rdzeń reaktora termicznego otoczony jest reflektorem (materiałem o małej masie atomowej) zmniejszającym ucieczkę neutronów; rdzeń reaktora prędkiego otoczony jest płaszczem (warstwą materiału składającego się z izotopu uranu ²³⁸U pochłaniającego neutrony).

Rdzeń z reflektorem bądź płaszczem umieszczony jest w zbiorniku ciśnieniowym otoczonym przez osłonę biologiczną (przeważnie warstwę betonu o grubości ok. 3 m), chroniącą środowisko zewnętrzne przez szkodliwym oddziaływaniem promieniowania jądrowego.

Większość reaktorów jądrowych stanowią reaktory termiczne, wśród których wyróżnia się:
  • ciśnieniowe reaktory wodne (PWR, ang. Pressurized Water Reactor) – chłodziwem i moderatorem jest woda pod wysokim ciśnieniem, nie dopuszczającym do wystąpienia wrzenia w obiegu chłodzącym reaktora;
  • reaktory z wrzącą wodą (BWR, ang. Boiling Water Reactor) – chłodziwem i moderatorem jest wrząca woda; para wodna powstała w reaktorze kierowana jest bezpośrednio do turbiny;
  • reaktory ciężkowodne (HWR, ang. Heavy Water Reactor) – chłodziwo i moderator stanowi ciężka woda;
  • reaktory gazowe – GCR (ang. Gas Cooling Reactor) i AGR (ang. Advanced Gas Cooling Reactor) z moderatorem grafitowym, chłodzone CO₂; oraz wysokotemperaturowe HTGR (ang. High Temperature Gas Cooled Reactor) z moderatorem grafitowym, chłodzone helem;
  • reaktory chłodzone ciekłym metalem (LMFR, ang. Liquid Metal Fast Reactor) – reaktory prędkie chłodzone ciekłymi lub stopionymi metalami lub ich mieszaniną (rtęcią, sodem, stopem sodu z potasem, stopem ołowiu z bizmutem);
  • reaktory solne (MCR, ang. Molten Salt Reactor) chłodzone stopionymi solami (głównie fluoru).
Schemat cieplny elektrowni jądrowej z reaktorem wodnym ciśnieniowym: 1. Blok reaktora; 2. Komin chłodzący; 3. Reaktor; 4. Pręty kontrolne; 5. Zbiornik wyrównawczy ciśnienia; 6. Generator pary; 7. Zbiornik paliwa; 8. Turbina; 9. Prądnica; 10. Transformator; 11. Skraplacz; 12. Stan gazowy; 13. Stan ciekły; 14. Powietrze; 15. Wilgotne powietrze; 16. Rzeka; 17. Układ chłodzenia; 18. I obieg; 19. II obieg; 20. Para wodna; 21. Pompa. Wikimedia.org

Zasada działania elektrowni jądrowej z ciśnieniowym reaktorem wodnym

Elektrownia jądrowa jest elektrownia cieplną, w której ciepło potrzebne do ogrzania czynnika roboczego uzyskuje się w wyniku łańcuchowych reakcji rozszczepiania jąder atomowych zachodzących w reaktorze jądrowym.

Ciepło powstałe w procesie rozszczepiania jąder odbierane jest przez chłodziwo wodne (wodę o wysokim ciśnieniu) przepływające do wytwornicy pary, gdzie przekazywane jest wrzącej wodzie o niższym ciśnieniu, w wyniku czego powstaje gorąca, silnie sprężona para.

Para wodna powstała w wytwornicy pary zawiera dużą ilość wody w stanie ciekłym (para mokra), przechodzi więc przez systemy osuszające, co zapobiega zniszczeniu turbiny. Osuszona para wodna podlega następnie rozprężaniu, napędzając turbinę połączoną z generatorem energii elektrycznej.

Energetyka jądrowa na świecie

Energetyka jądrowa zajmuje się pozyskiwaniem energii jądrowej, która wykorzystywana jest bezpośrednio do ogrzewania lub przetwarzana na energię mechaniczną (okręty z napędem jądrowym) bądź elektryczną (elektrownie jądrowe).

Pierwsze elektrownie jądrowe pojawiły się w latach 50-tych XX w.; dynamiczny rozwój energetyki jądrowej rozpoczął się w połowie lat 60-tych, co wynikało głównie z wysokich kosztów pozyskiwania paliw kopalnych, względów ochrony środowiska oraz ogromnej wydajności pierwiastków promieniotwórczych.

Udział elektrowni jądrowych w światowej produkcji energii elektrycznej wynosi obecnie ok. 17%; niektóre kraje odchodzą od energetyki jądrowej na rzecz innych form pozyskiwania energii. Wynika to w głównej mierze z ich małej konkurencyjności ekonomicznej, ryzyka skażenia środowiska naturalnego w razie wydostania się promieniotwórczych produktów rozszczepienia na zewnątrz reaktora (katastrofa w Czarnobylu w 1986 r., katastrofa w Fukushimie w 2011 r.) oraz kwestii powstawania, transportu i składowania odpadów promieniotwórczych.
Elektrownia jądrowa. Wikimedia.org

Bibliografia

  1. Andrzej Strupczewski; “Awarie reaktorowe a bezpieczeństwo energetyki jądrowej”; Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1990;
  2. Grzegorz Jezierski; “Energia jądrowa wczoraj i dziś ”; Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 2014.;
  3. Didier Sornette, Wolfgang Kröger, Spencer Wheatley; “New Ways and Needs for Exploiting Nuclear Energy”; Springer-Verlag GmbH, 2018;
  4. Keith E. Holbert, Raymond Murray, ; “Nuclear Energy. An Introduction to the Concepts, Systems, and Applications of Nuclear Processes ”; Elsevier Ltd, Oxford, 2014.;
  5. Peter E. Hodgson; “Nuclear Power, Energy and the Environment ”; ICP, 1999.;
  6. David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker, ; “Podstawy fizyki T. 5”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2015. ;
Legenda. Pokaż objaśnienia oznaczeń i skrótów
Szukaj
Oceń stronę
Ocena: 4.5
Wybór wg alfabetu:
a b c ć d e f g h i j k l ł m n o q p r s ś t u v w x y z ż ź