Dowiedz się, jak działa elektrownia jądrowa, poznaj różne typy reaktorów jądrowych i podstawowe zasady energii jądrowej.
Na najbardziej podstawowym poziomie energia jądrowa to praktyka rozszczepiania atomów w celu zagotowania wody, obracania turbin i generowania energii elektrycznej.
Podczas rozszczepienia neutron uderza w atom uranu, uwalniając więcej neutronów i rozpoczynając reakcję łańcuchową.
Zasady działania energii jądrowej
Atomy są zbudowane jak miniaturowe układy słoneczne. W centrum atomu znajduje się jądro, wokół którego krążą elektrony.
Jądro składa się z protonów i neutronów upakowanych bardzo blisko siebie. Wodór, najlżejszy pierwiastek, ma jeden proton; najcięższy naturalny pierwiastek, uran, ma 92 protony.
Jądro atomu jest utrzymywane razem z wielką siłą, “najsilniejszą siłą w przyrodzie”. Po zbombardowaniu neutronami może podzielić się na kawałki w procesie zwanym rozszczepieniem. Ponieważ atomy uranu są bardzo duże, siła atomowa, która je łączy, jest stosunkowo słaba, dzięki czemu uran nadaje się do rozszczepiania.
Co to jest grzmot i poznaj interesujące fakty na jego temat
W elektrowniach jądrowych neutrony zderzają się z atomami uranu, rozszczepiając je. To rozszczepienie uwalnia neutrony z uranu, które z kolei zderzają się z innymi atomami, powodując reakcję łańcuchową. Ta reakcja łańcuchowa jest kontrolowana przez “pręty kontrolne”, które pochłaniają neutrony.
W rdzeniu reaktorów jądrowych rozszczepienie atomów uranu uwalnia energię, która podgrzewa wodę do około 520 stopni Fahrenheita. Ta gorąca woda jest następnie wykorzystywana do obracania turbin podłączonych do generatorów wytwarzających energię elektryczną.
Wydobycie i przetwarzanie paliwa jądrowego
Uran jest jednym z najmniej rozpowszechnionych minerałów – jego zawartość w skorupie ziemskiej wynosi zaledwie dwie części na milion – ale dzięki swojej radioaktywności jest bogatym źródłem energii. Jeden kilogram uranu zawiera tyle energii, co trzy miliony kilogramów węgla.
Pierwiastki promieniotwórcze stopniowo rozpadają się, tracąc swoją radioaktywność. Czas potrzebny do utraty połowy radioaktywności nazywany jest “okresem połowicznego rozpadu”. U-238, najbardziej rozpowszechniona forma uranu, ma okres połowicznego rozpadu wynoszący 4,5 miliarda lat.
Uran występuje w wielu formacjach geologicznych, a także w wodzie morskiej. Aby jednak mógł być wydobywany jako paliwo, musi być wystarczająco skoncentrowany, aby stanowić co najmniej sto części na milion (0,01 procent) skały, w której się znajduje.
Proces wydobycia jest podobny do wydobycia węgla, z wykorzystaniem zarówno kopalni odkrywkowych, jak i podziemnych. Ma podobny wpływ na środowisko, z dodatkowym niebezpieczeństwem, że odpady z kopalni uranu są radioaktywne. Wody gruntowe mogą zostać skażone nie tylko metalami ciężkimi obecnymi w odpadach kopalnianych, ale także śladami radioaktywnego uranu, które wciąż pozostają w odpadach. Połowa osób zatrudnionych w przemyśle wydobywczym uranu pracuje przy oczyszczaniu kopalń po zakończeniu eksploatacji.
Uran występuje w dwóch formach – U-235 i U-238. W naturze uran składa się w ponad 99 procentach z U-238; niestety to właśnie U-235 jest wykorzystywany w elektrowniach. U-238 może być również przetwarzany na pluton, który również ulega rozszczepieniu.
Po wydobyciu, ruda uranu jest wysyłana do zakładu przetwórczego w celu skoncentrowania jej na paliwo nadające się do użytku. Ruda uranu jest następnie przekształcana w U3O8, formę paliwową uranu, i formowana w małe granulki.
Granulki są następnie pakowane w pręty o długości 3 metrów, zwane prętami paliwowymi. Pręty są łączone w zespoły paliwowe gotowe do użycia w rdzeniu reaktora.
Jak działa elektrownia jądrowa: reaktory jądrowe
Istnieją głównie 2 rodzaje reaktorów: reaktory wodne ciśnieniowe (PWR) i pozostałe reaktory wodne wrzące (BWR). W reaktorze wrzącym, przedstawionym powyżej, woda wrze i zamienia się w parę, która jest następnie przepuszczana przez turbinę w celu wytworzenia energii elektrycznej.
W reaktorach wodnych ciśnieniowych woda w rdzeniu jest pod ciśnieniem i nie może wrzeć. Ciepło jest przekazywane do wody na zewnątrz rdzenia przez wymiennik ciepła (zwany również generatorem pary), powodując wrzenie wody, wytwarzając parę i napędzając turbinę. W reaktorach wodnych ciśnieniowych wrząca woda jest oddzielona od procesu rozszczepienia, dzięki czemu nie staje się radioaktywna.
Po wykorzystaniu pary do zasilania turbiny, jest ona schładzana w celu ponownego skroplenia do postaci wody. Niektóre elektrownie wykorzystują wodę z rzek, jezior lub oceanu do chłodzenia pary, podczas gdy inne używają wysokich wież chłodniczych.
Wieże chłodnicze w kształcie klepsydry to dobrze znany widok w wielu elektrowniach jądrowych. Na każdą jednostkę energii elektrycznej wytworzonej przez elektrownię jądrową, do środowiska uwalniane są około dwie jednostki ciepła odpadowego.
Wielkość komercyjnych elektrowni jądrowych waha się od około 60 megawatów w przypadku pierwszej generacji elektrowni z początku lat 60. do ponad 1000 megawatów. Wiele elektrowni posiada więcej niż jeden reaktor.
Niektóre konstrukcje reaktorów wykorzystują chłodziwa inne niż woda do usuwania ciepła rozszczepienia z rdzenia. Kanadyjskie reaktory wykorzystują wodę wzbogaconą deuterem (tzw. “ciężką wodę”), podczas gdy inne są chłodzone gazem.
Jedna z elektrowni w Kolorado, która jest obecnie na stałe zamknięta, wykorzystywała hel jako chłodziwo (tzw. reaktor wysokotemperaturowy chłodzony gazem). Kilka elektrowni wykorzystuje ciekły metal lub sód.
Odpady promieniotwórcze
Dowiedzieliśmy się już, jak działa elektrownia jądrowa, ale co z odpadami promieniotwórczymi?
Do połowy lat 70. planowano przerabiać zużyty uran na nowe paliwo.
Fakt, że produktem ubocznym przerobu jest pluton, który można wykorzystać do produkcji broni jądrowej, a także to, że przerób miał trudności z ekonomicznym konkurowaniem z nowym paliwem uranowym, powstrzymał te plany.
Składowiska odpadów jądrowych istnieją w wielu krajach.
W międzyczasie odpady radioaktywne są składowane w elektrowniach jądrowych, w których są wytwarzane. Najpopularniejszą opcją jest przechowywanie ich w basenach wypalonego paliwa jądrowego, dużych zbiornikach wyłożonych stalą, które wykorzystują energię elektryczną do cyrkulacji wody. Gdy baseny te są pełne, niektóre pręty paliwowe są przenoszone do dużych stalowych i betonowych beczek, które są uważane za bezpieczniejsze.
Oprócz wypalonego paliwa, same elektrownie zawierają odpady radioaktywne, które muszą zostać usunięte po ich zamknięciu. Elektrownie jądrowe mogą być demontowane natychmiast lub przechowywane przez kilka lat, aby dać czas na zmniejszenie promieniowania. Większość elektrowni jest uważana za “odpady niskoaktywne” i może być przechowywana w mniej bezpiecznych lokalizacjach.
Rozwój energetyki jądrowej
Zasady energii jądrowej zostały sformułowane przez fizyków na początku XX wieku. W 1939 roku niemieccy naukowcy odkryli proces rozszczepienia jądra atomowego, co zapoczątkowało rywalizację z amerykańskimi naukowcami o wykorzystanie niesamowitej mocy rozszczepienia do stworzenia bomby.
Dzięki intensywnym wysiłkom Projektu Manhattan, bomba atomowa została stworzona do 1945 roku i użyta do zniszczenia Hiroszimy i Nagasaki pod koniec II wojny światowej.
Po wojnie “wielka moc atomowa” była postrzegana jako potencjalne nowe źródło energii.
Pod koniec lat 50. zaczęto rozwijać energię jądrową do komercyjnego wytwarzania energii elektrycznej, początkowo w Anglii. Morris w stanie Illinois było miejscem pierwszego komercyjnego reaktora w Stanach Zjednoczonych, elektrowni jądrowej Dresden, która rozpoczęła działalność w 1960 roku. Elektrownia w Shippingport w Pensylwanii rozpoczęła działalność w 1957 roku, ale nie była komercyjna.
Czym jest grawitacja i ewolucja jej badań?
Spadek popularności energii jądrowej w Stanach Zjednoczonych
Ponieważ producenci zaczęli ponosić straty, przestali oferować elektrownie “pod klucz”. W latach 70. zbudowano, budowano lub planowano budowę około 200 elektrowni. Wiele czynników przyczyniło się jednak do zakończenia boomu nuklearnego.
Po pierwsze, przekroczenie kosztów ujawniło prawdziwy koszt elektrowni jądrowych. Gdy przedsiębiorstwa zaczęły budować elektrownie według własnych projektów, brak doświadczenia z technologią, stosowanie unikalnych projektów dla każdej elektrowni oraz podejście “buduj czekając na projekt” doprowadziły do ogromnego przekroczenia kosztów.
Ponieważ budowa trwała latami, przedsiębiorstwa użyteczności publicznej musiały zainwestować ogromne sumy pieniędzy w elektrownię, zanim jeszcze zaczęła ona działać.
Po drugie, ceny energii gwałtownie wzrosły w latach 70. z powodu embarga na ropę OPEC, problemów pracowniczych w przemyśle węglowym i niedoborów gazu ziemnego. Te wysokie ceny doprowadziły do zwiększenia efektywności energetycznej i zmniejszenia zapotrzebowania na energię.
Po wielu latach rocznego wzrostu zapotrzebowania na energię elektryczną na poziomie 7%, pod koniec lat 70. roczny wzrost spadł do 2%. Ponieważ elektrownie jądrowe były duże, często ponad 1000 MW każda, spowolnienie wzrostu popytu oznaczało, że nie były one w pełni wykorzystywane, co dodatkowo zwiększyło zadłużenie przedsiębiorstw użyteczności publicznej.
Po trzecie, rosnące ceny energii doprowadziły do wzrostu inflacji. Wysoka inflacja oznacza wysokie oprocentowanie kredytów. Przedsiębiorstwa użyteczności publicznej zadłużone w elektrowniach jądrowych odnotowały wzrost stóp procentowych i zostały zmuszone do podniesienia cen energii elektrycznej.
Państwowe komisje użyteczności publicznej, które nie zwracały uwagi na finanse przedsiębiorstw w erze cięć taryfowych, nagle zaczęły interesować się decyzjami przedsiębiorstw dotyczącymi inwestycji w elektrownie.
Po czwarte, komisje użyteczności publicznej były mniej skłonne do przenoszenia wszystkich kosztów inwestycji na podatników. W Nowym Jorku komisja orzekła, że jedna czwarta kosztów elektrowni jądrowej Shoreham nie została poniesiona “ostrożnie” i zmusiła udziałowców przedsiębiorstwa do poniesienia straty w wysokości 1,35 miliarda dolarów. Inwestorzy szybko zaczęli obawiać się ryzykownych i dużych inwestycji w energię jądrową.
Po piąte, publiczny sprzeciw wobec elektrowni jądrowych nabrał rozpędu w latach 70. ubiegłego wieku. Elektrownie jądrowe znalazły się w centrum intensywnych protestów antynuklearnych. Ingerując w decyzje dotyczące lokalizacji i wydawania zezwoleń, grupy antynuklearne oraz władze stanowe i lokalne były w stanie zablokować lub opóźnić budowę elektrowni.
W 1979 r. stopienie rdzenia reaktora w elektrowni jądrowej Three Mile Island było tylko ostatnim z serii problemów dla branży. Ściślejsza kontrola ze strony Komisji Nadzoru Jądrowego zmusiła konstruktorów elektrowni jądrowych do zmiany projektów w trakcie budowy.
Podczas gdy zwolennicy energetyki jądrowej obwiniają regulacje rządowe za problemy branży, rząd federalny był jej najsilniejszym sprzymierzeńcem. Dopiero po awarii elektrowni Three Mile Island organy nadzorcze były gotowe do wypełniania swoich obowiązków.
W latach 80. branża jądrowa znajdowała się w poważnych tarapatach. Po 1978 roku nie zamówiono żadnych nowych elektrowni, a wszystkie zamówienia złożone od 1973 roku zostały następnie anulowane. Magazyn Forbes donosił w 1985 r., że koszt budowy wybranych 35 elektrowni będzie od sześciu do ośmiu razy wyższy od pierwotnych szacunków, a ich budowa potrwa dwa razy dłużej niż planowano – od sześciu do dwunastu lat.
Magazyn nazwał energetykę jądrową “największą katastrofą menedżerską w historii biznesu”. Ostatecznie w latach 1972-1990 anulowano 120 elektrowni – więcej niż zbudowano.
Źródło: https://www.ucsusa.org
