Nuklearne elektrane koriste prozračnu energiju i stavljaju je u upotrebu za pogon generatora koji proizvode električnu energiju. Iako nuklearna energija doprinosi samo oko 20 posto električne energije proizvedene u Sjedinjenim Državama, nuklearni kapacitet nacije je najviši od bilo koje druge zemlje - 101 gigavata u 2010. godini.
Zajedničke komponente nuklearne energije
Nuklearni reaktori imaju zajedničke komponente:
Gorivo - Uranijum, radioaktivna, teška metalna ruda, najčešće je gorivo za nuklearne reaktore. Nakon procesa obogaćivanja, uranijum postaje vrlo koncentrirano gorivo.
Komercijalni nuklearni reaktor zahteva hiljade funti obogaćenog uranijuma za rad. Cijene nuklearne elektrane u SAD kupuju oko 50 miliona funti uranijuma (U3O8 ekvivalent) godišnje, od kojih većina dolazi iz inostranstva.
Uran je miniran na lokacijama širom sveta, pre svega u Kazahstanu, Kanadi, Australiji i Africi. Sjedinjene Države su među prvih deset proizvođača uranijuma.
Kontrolne šipke - Napravljene od materijala koji apsorbuje neutron, kao što su kadmijum, hafnij ili bor, kontrolne šipke se ubacuju ili povlače iz jezgre kako bi kontrolisali brzinu reakcije ili da ga zaustave ako je potrebno.
Moderator - Materijal u reaktorskom jezgru koji usporava neutrone oslobođene od fisije, tako da uzrokuju više fisije.
Moderator je obično obična (lagana) voda, ali može biti teška voda (D20) ili grafit.
Tečnost za hlađenje - tečnost ili gas koji cirkuliše kroz jezgru da prenese toplotu iz njega. U reaktorima lake vode, moderator vode takođe funkcionira kao primarni rashladni fluid.
Zadržavanje - Nuklearni reaktori su obloženi u jako armiranim betonskim konstrukcijama kako bi se sprečilo izbacivanje radioaktivnosti u atmosferu.
Osnovni proces nuklearne energije
Nuklearna fizika je veoma tehnička, ali osnovni proces za proizvodnju električne energije sa nuklearnom energijom je sledeći:
Reaktorsko jezgro stvara toplotu i radioaktivnost u procesu pod nazivom fisija, poznatog pod nazivom split atomom. Unutar jezgra reaktora je uranijumsko nuklearno gorivo. Kao jezgra uranijuma, oni oslobađaju neutrone. Kada su neutroni pogodili druge atome urana, ta jezgra se takođe razdvajaju, oslobađajući svoje neutrone da udari u druge atome, uzrokujući više fisije. Ovo kontinualno razdvajanje atoma je lančana reakcija.
Toplota iz kontrolisanih reakcija cijevi se koristi za proizvodnju pare iz vode, bilo direktno kao u reaktoru za ključanje vode (BWR), ili indirektno kao u reaktoru vodenog pritiska (PWR), koji sadrži generator pare.
Para upravlja turbinom koja upravlja generatorom.
Generator proizvodi električnu energiju koja se distribuira električnoj mreži.
Vrste nuklearnih reaktora
U svijetu koriste se različiti tipovi nuklearnih reaktora. Međutim, najčešći tipovi su vodeni reaktori (PWR) i reaktori ključalne vode (BWR) pod pritiskom, koji su klasifikovani kao reaktori lake rečne vode. U Sjedinjenim Državama, PWR i BWR su jedine dve vrste komercijalnih nuklearnih elektrana u radu.
- Reaktor za vrelu vodu (BWR) - U ovoj vrsti reaktora, fisija proizvodi toplotu koja vreo vodu u jezgru reaktora. Steam iz vrele vode ima turbinu koja pogoni generator za proizvodnju električne energije. Reaktori u sjeveroistočnoj japanskoj fabrici Fukushima Naiishi oštećeni u martu 2011. zemljotres i cunami su BWR.
- Reaktor pod pritiskom (PWR) - Ovaj tip reaktora je najčešći za proizvodnju energije. On koristi vodu kao sredstvo za hlađenje i moderator, sredstvo koje pomaže u kontroli brzine fisije. U zatvorenom sistemu primarne rashladne tečnosti, voda zagrijana toplotnom energijom od fisije dok prolazi kroz jezgru, drži se pod visokim pritiskom i stoga ne vreo. Steam se proizvodi u sekundarnoj petlji i koristi se za napajanje turbine koja pogoni električni generator.
- CANDU i moderne reaktore sa teškim vodama - Ovi modeli koriste modernu vodu kao tešku vodu. Teška voda - sa deuterijumom zamenjuju dva atoma vodonika - moderator usporava neutrone u procesu fisije i omogućava korišćenje prirodnog uranijuma, a ne obogaćenog uranijuma kao goriva.
- Modularni reaktor krečnjaka - Reaktor visoke temperature koji koristi helium rashladno sredstvo i gorivo zatvorene u sfere grafita i silicijum karbida kako bi se obezbedilo zadržavanje proizvoda i otpornost na topljenje.