Введение в ядерную энергию от энергии деления

Атомные электростанции содержат реакторы, которые создают контролируемое деление цельной реакции, процесс, который непрерывно расщепляет ядра атомов урана. Этот процесс производит много энергии, излучения и очень высокой температуры.

Атомные электростанции используют энергию, выделяемую делением, и используют ее для управления генераторами, которые производят электричество. Хотя ядерная энергия составляет лишь около 20 процентов электроэнергии, производимой в Соединенных Штатах, ядерный потенциал страны является самым высоким в любой другой стране - 101 гигаватт в 2010 году.

Общие компоненты ядерной энергетики

Ядерные реакторы имеют эти общие компоненты:

Топливо - Уран, радиоактивная, тяжелая металлическая руда, является наиболее распространенным топливом для ядерных реакторов , После процесса обогащения уран становится очень концентрированным топливом.

Для коммерческого ядерного реактора требуется тысячи фунтов обогащенного уранового топлива для работы. Гражданские атомные электростанции в США покупают около 50 миллионов фунтов урана (эквивалент U3O8) в год, большинство из которых поступает из-за рубежа.

Уран добывается в местах по всему миру, прежде всего в Казахстане, Канаде, Австралии и Африке. Соединенные Штаты входят в десятку крупнейших производителей урана.

Управляющие стержни - Изготовлены из поглощающего нейтроны материала, такого как кадмий, гафний или бор, управляющие стержни вставляются или выводятся из сердечника для контроля скорости реакции или для его остановки, если это необходимо.

Модератор - Материал в ядре реактора, который замедляет нейтроны, высвобождаемые из деления, поэтому они вызывают большее деление.

Модератор - обычно обычная (легкая) вода, но может быть тяжелой водой (D20) или графитом.

Охлаждающая жидкость - Жидкость или газ, которые циркулируют через сердечник для передачи тепла от него. В реакторах с легкой водой водяной замедлитель также функционирует как первичный хладагент.

Сдерживание - Ядерные реакторы заключены в тяжело железобетонные конструкции, чтобы предотвратить утечку радиоактивности в атмосферу.

Основной процесс ядерной энергетики

Ядерная физика очень техническая, но основной процесс производства электроэнергии с ядерной энергией заключается в следующем:

Ядро реактора вырабатывает тепло и радиоактивность в процессе, называемом делением, широко известном как атом-расщепление. Внутри ядра реактора находится уранное ядерное топливо. Поскольку ядра урана расщепляются, они выделяют нейтроны. Когда нейтроны попадают в другие атомы урана, эти ядра также расщепляются, высвобождая свои нейтроны для удара по другим атомам, вызывая большее деление. Это непрерывное расщепление атомов является цепной реакцией.

Тепло от контролируемых реакций деления используется для получения пара из воды либо непосредственно, как в реакторе кипящей воды (BWR), либо косвенно, как в реакторе с водой под давлением (PWR), который содержит парогенератор.

Пар управляет турбиной, которая питает генератор.

Генератор производит электричество, которое распределяется по энергосистеме.

Типы ядерного реактора

Во всем мире используются различные типы ядерных энергетических реакторов. Однако наиболее распространенными типами являются реакторы с водой под давлением (PWR) и реакторы кипящей воды (BWR), которые классифицируются как реакторы легкой воды. В Соединенных Штатах, PWR и BWR - это только два типа коммерческих атомных электростанций.

• Реактор для кипящей воды (BWR) - В этом типе реактора деление производит тепло, которое кипит воду в активной зоне реактора. Пар из кипящей воды обеспечивает турбину, которая приводит в действие генератор для производства электроэнергии. Реакторы на северо-восточном японском заводе Fukushima Naiishi, поврежденные в марте 2011 года землетрясением и цунами, являются BWR.
• Реактор под давлением (PWR) - этот тип реактора является наиболее распространенным для производства энергии. Он использует воду в качестве охлаждающей жидкости и замедлителя, агента, который помогает контролировать скорость деления. В замкнутой системе первичного хладагента вода, нагретая тепловой энергией от деления при прохождении через сердечник, удерживается под высоким давлением и, следовательно, не кипит. Пар образуется во вторичной контуре охлаждающей жидкости и используется для питания турбины, которая управляет электрическим генератором.
• Конденсаторы CANDU и тяжелой воды - В этих конструкциях используется тяжелая вода в качестве модератора. Тяжелая вода - с дейтерием, заменяющим два атома водорода - как замедлитель замедляет нейтроны в процессе деления и позволяет использовать в качестве топлива природный уран, а не обогащенный уран.
• Модульный реактор с шаровидным слоем - высокотемпературный реактор, в котором используется гелиевый хладагент и топливо, заключенные в сферы графита и карбида кремния для обеспечения удержания продукта деления и сопротивления расплавлению.