Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

17.2: Виробництво електроенергії за допомогою атомної енергії

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    3832

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Ядерний паливний цикл

    Уранову руду необхідно видобувати, подрібнювати та збагачувати для отримання ядерного палива. Ядерний паливний цикл являє собою прогресування ядерного палива від створення до утилізації (рис.\(\PageIndex{a}\)). Першим етапом ядерного паливного циклу є видобуток урану, в якому видобувається уранова руда. Потім його подрібнюють для отримання жовтого пирога (концентрат уранової руди/оксид урануру/U 3 O 8). Фрезерування відокремлює уран від інших частин руди. Кожна тонна видобутої уранової руди зазвичай дає 1-4 фунти жовтого пирога (від 0,05% до 0,20% жовтого пирога). Далі урановий рудний концентрат перетворюється в гексафторид урану (UF 6). Потім його збагачують для збільшення концентрації урану-235 (235 U) щодо 238 U. при виготовленні палива природний і збагачений UF 6 перетворюється в діоксид урану (UO 2) або сплави металів урану для використання в якості палива для атомних електростанцій. Утилізація відпрацьованих паливних стрижнів та інших небезпечних відходів, що утворюються в цьому процесі, розглядаються в розділі «Наслідки ядерної енергетики

    Стрілки і значки зображують етапи ядерного паливного циклу
    Малюнок\(\PageIndex{a}\): Ядерний паливний цикл починається з відновлення (видобутку) природного урану з подальшим подрібненням, конверсією та збагаченням. Збагачений уран потім піддається виготовленню палива, виробляючи діоксид урану (UO 2) або сплави металів урану (MOX). Потім паливо надходить в ядерний реактор на електростанції. Відпрацьовані паливні стрижні зберігаються в басейні або сухому бочці, потенційно переробляються, і відправляються на утилізацію. Перероблений уран може знову увійти на більш ранні етапи паливного циклу. Відходи, що утворюються при збагаченні, перед утилізацією піддаються деконверсії Зображення американської NRC (суспільне надбання)

    Ядерні реактори

    Паливо, яке зараз у вигляді циліндричних керамічних гранул потім ущільнюється в довгі металеві трубки, звані паливними стрижнями, які збираються в ядрах реактора разом з керуючими стрижнями. Кожна паливна гранула, довжина якої становить близько 1 см, зберігає таку ж кількість енергії, як тонна вугілля. Тисячі паливних стрижнів утворюють активну зону реактора, місце ядерного поділу на атомній електростанції (рис.\(\PageIndex{b}\)).

    Блискучі, циліндричні металеві трубки, розташовані в 3D прямокутник
    Малюнок\(\PageIndex{b}\): Збірка паливних стрижнів, що містять гранули ядерного палива. Зображення Комісії з альтернативних джерел енергії та атомної енергії, Франція (суспільне надбання)

    Тепло виробляється в ядерному реакторі, коли нейтрони вражають атоми урану, змушуючи їх розщеплюватися в безперервній ланцюговій реакції, яка виділяє теплову енергію (рис.\(\PageIndex{c}\)). Зокрема, поділ 235 U виділяє додаткові нейтрони, які потім викликають поділ сусідніх ядер 235 U. Однак якщо поділ відбувається в занадто великій кількості атомів одночасно, виділяється занадто багато енергії, що може спричинити вибух або розплавлення. Цьому запобігають контрольні стрижні, які виготовлені з такого матеріалу, як бор, який поглинає надлишки нейтронів, що виділяються при ядерному поділі. Коли керуючі стрижні, що поглинають нейтрони, витягуються з ядра, стає доступним для поділу більше нейтронів, а ланцюгова реакція прискорюється, виробляючи більше тепла. При їх введенні в ядро доступно менше нейтронів для поділу, а ланцюгова реакція сповільнюється або припиняється, зменшуючи виділяється тепло.

    Розщеплення урану-235 індукується нейтроном, що викликає ланцюгову реакцію
    Рисунок\(\PageIndex{c}\): Принципова схема ланцюгової реакції поділу. (1) Атом урану-235 поглинає нейтрон і ділиться на два нових атома (фрагменти поділу), виділяючи три нові нейтрони та енергію. (2) Один з цих нейтронів поглинається атомом урану-238 і не продовжує реакцію. Інший нейтрон просто втрачається і ні з чим не стикається, також не продовжуючи реакцію. Однак один нейтрон стикається з атомом урану-235, який потім ділиться і вивільняє два нейтрони і деяку енергію зв'язку. (3) Обидва ці нейтрони стикаються з атомами урану-235, кожен з яких поділ і вивільнення між одним і трьома нейтронами тощо. Зображення та підпис (модифіковані) Fastfission (публічне надбання).

    Ядерні реактори (рис.\(\PageIndex{d}\)) містять активну зону реактора і машини, необхідні для вироблення електроенергії з виділеного тепла. Ядро реактора занурюється у воду. Окрім передачі теплової енергії, вода також служить для уповільнення або «помірного» нейтронів, необхідних для підтримки реакцій поділу. Зрештою, теплова енергія використовується для отримання пари високого тиску, яка перетворює турбіну для вироблення електроенергії. Механізм схожий на механізм електрики, що генерується вугіллям або природним газом, але ядерне поділ, а не спалювання вугілля, є джерелом теплової енергії.

    Ділянка атомної електростанції з п'ятьма ступенями
    Малюнок\(\PageIndex{d}\): (1) У ядерному реакторі паливні стрижні, повні уранових гранул, поміщаються у воду. (2) Усередині паливних стрижнів атоми урану розщеплюються, виділяючи енергію. (3) Ця енергія нагріває воду, створюючи пар. (4) Пар рухається через турбіну, яка перетворює генератор для створення електрики. (5) конденсатор, пар охолоджується назад у воду, яку потім можна використовувати знову. На деяких атомних електростанціях зайве тепло виділяється з градирні. Зображення та підпис (модифіковані) EPA (суспільне надбання).

    Існує два основних типи ядерних реакторів: водяні реактори під тиском і реактори на киплячу воду.

    Водяний реактор під тиском

    У водяному реакторі під тиском є три окремі потоки води: вода, що контактує з активною частиною реактора, вода, яка виробляє пар, і охолоджуюча вода (рис.\(\PageIndex{e}\)). Ядро реактора занурюється у воду, яка утримується сталевим посудиною. Це оточене структурою стримування. Оскільки реакція ядерного поділу нагріває воду, що оточує її, вода перекачується циклічним потоком. Він передає тепло другому потоку води, який знаходиться в окремій посудині. Цей другий потік утримується при нижчому тиску, дозволяючи воді кипіти і створювати пар. Пар перетворює турбіну, виробляючи електроенергію. Потім пар охолоджується в конденсаторі окремим потоком охолоджуючої води. Оскільки вода з активної зони реактора не змішується з іншими частинами реактора, не весь реактор є радіоактивним.

    Водяний реактор під тиском містить активну зону реактора, три потоки води, турбіну, генерацію та конденсатор
    Малюнок\(\PageIndex{e}\): У водяному реакторі під тиском знаходяться три окремих потоки води. Перший потік пов'язаний з активною частиною реактора в посудині під тиском реактора. Другий потік пов'язаний з парогенератором. Третій потік йде від зовнішнього джерела і використовується для конденсації пари. Резервуар під тиском реактора містить стрижні управління та паливні стрижні (не марковані). Напірний бак регулює тиск води. Гаряча вода з реактора рухається в парогенератор, де нагріває воду в другому потоці для отримання пари. Пар від парогенератора рухається по паропроводу і перетворює турбіну, що живить електрогенератор. Пар охолоджується в конденсаторі, а остигнула вода потім перекачується назад в парогенератор. Реакторний резервуар під тиском, резервуар під тиском та парогенератор - все це в структурі стримування. Вода з зовнішнього джерела використовується для охолодження пари в конденсаторі. Вода із зовнішнього джерела охолоджується в конусоподібної градирні. Зображення Управління атомної енергії/Міністерство енергетики США (суспільне надбання).

    Реактор киплячої води

    У реакторі з киплячою водою є два окремих потоки води: вода, що контактує з активною активністю реактора, і охолоджуюча вода (рис.\(\PageIndex{f}\)). Ядро реактора нагріває воду, в яку він занурений. Ця вода утримується сталевим посудиною, який оточений структурою стримування. Пара, що утворюється під час нагрівання активної зони реактора, перетворюється на турбіну, яка виробляє електроенергію. Потім пар охолоджується в конденсаторі окремим потоком охолоджуючої води. Оскільки вода з активної зони реактора контактує з усіма частинами реактора, вся річ радіоактивна.

    Реактор на киплячу воду містить активну зону реактора, два потоки води, турбіну, генерацію та конденсатор
    Малюнок\(\PageIndex{f}\): Реактор киплячої води має два потоки води. У першому потоці та сама вода, яка купає активну зону реактора в посудині під тиском реактора і перетворюється на пару і перетворює турбіну. Третій потік йде від зовнішнього джерела і використовується для конденсації пари. Резервуар під тиском реактора містить стрижні управління та паливні стрижні (не марковані). Він знаходиться в межах більшої структури утримання. Коли вода нагрівається реактором, вона випаровується в пар. При цьому рухається по паропроводу і обертається турбіна, що живить електрогенератор. Пар охолоджується в конденсаторі, а охолоджена вода потім перекачується назад в резервуар під тиском реактора. Вода з зовнішнього джерела використовується для охолодження пари в конденсаторі. Вода із зовнішнього джерела охолоджується в конусоподібної градирні. Зображення Управління атомної енергії/Міністерство енергетики США (суспільне надбання).

    Атрибуція

    Модифікований Мелісою Ха з наступних джерел: