Centralele nucleare utilizează energia eliberată prin fisiune și o folosesc pentru a acționa generatoarele care produc energie electrică. Deși energia nucleară contribuie doar cu aproximativ 20% din energia electrică generată în Statele Unite, capacitatea nucleară a națiunii este cea mai mare din orice altă țară - 101 gigawați în 2010.
Componente comune ale energiei nucleare
Reactoarele nucleare au în comun aceste componente:
Combustibil - Uraniul, un minereu radioactiv, de metale grele, este combustibilul cel mai comun pentru reactoarele nucleare. În urma procesului de îmbogățire, uraniul devine un combustibil foarte concentrat.
Un reactor nuclear comercial necesită mii de kilograme de combustibil de uraniu îmbogățit pentru a funcționa. Centralele nucleare civile din SUA achiziționează anual aproximativ 50 de milioane de kilograme de combustibil uraniu (echivalent U3O8), majoritatea provenind din străinătate.
Uraniul este exploatat în locații din întreaga lume, în principal în Kazahstan, Canada, Australia și Africa. Statele Unite se numără printre primii 10 producători de uraniu.
Tablouri de control - sunt fabricate dintr-un material care absoarbe neutroni cum ar fi cadmiu, hafniu sau bor, tijele de control sunt inserate sau retrase din miez pentru a controla rata de reacție sau a opri, dacă este necesar.
Moderator - Material din nucleul reactorului care încetinește neutronii eliberați din fisiune, astfel încât acestea să provoace o mai mare fisiune.
Moderatorul este, de obicei, apă obișnuită (ușoară), dar poate fi apă grea (D20) sau grafit.
Agent de răcire - lichid sau gaz care circulă prin miez pentru a transfera căldura din acesta. În reactoarele cu apă ușoară, moderatorul apei funcționează și ca agent de răcire primar.
Concentrarea - Reactoarele nucleare sunt închise în structuri din beton armat puternic pentru a preveni scăderea radioactivității în atmosferă.
Procesul de bază al energiei nucleare
Fizica nucleară este foarte tehnică, dar procesul de bază pentru producerea energiei electrice cu energie nucleară este după cum urmează:
Miezul reactorului produce căldură și radioactivitate într-un proces numit fisiune, cunoscut sub numele de divizare atomică. În interiorul miezului reactorului se află combustibilul nuclear de uraniu. Pe măsură ce nucleele uraniului se separă, ele eliberează neutronii. Când neutronii au lovit alți atomi de uraniu, acei nuclei s-au despărțit, eliberându-și neutronii să lovească alți atomi, provocând mai multă fisiune. Această divizare atomică continuă este o reacție în lanț.
Căldura de la reacțiile de fisiune controlate este utilizată pentru a produce aburul din apă, fie direct în reactorul de apă fierbinte (BWR), fie indirect, ca în reactorul cu apă sub presiune (PWR), care conține un generator de abur.
Aburul acționează o turbină care acționează asupra unui generator.
Generatorul produce energie electrică distribuită în rețeaua electrică.
Tipuri de reactoare nucleare
În întreaga lume se folosesc diferite tipuri de reactoare nucleare. Cu toate acestea, cele mai frecvente tipuri sunt reactoarele cu apă sub presiune (PWR) și reactoarele cu apă fierbinte (BWR), care sunt clasificate drept reactoare cu apă ușoară. În Statele Unite, PWR și BWR sunt singurele două tipuri de centrale nucleare comerciale aflate în funcțiune.
- Reactor de apă fierbinte (BWR) - În acest tip de reactor, fisiunea produce căldură care fierbe apă în miezul reactorului. Aburul din apa de fierbere alimentează o turbină care propulsează un generator pentru a produce energie electrică. Reactoarele de la uzina din nord-estul Japoniei, Fukushima Naiishi, afectate de cutremurul din martie 2011 și de tsunami, sunt BWR-uri.
- Reactorul cu apă sub presiune (PWR) - Acest tip de reactor este cel mai frecvent utilizat pentru producerea de energie. Folosește apa ca agent de răcire și moderator, un agent care ajută la controlul vitezei de fisiune. În sistemul închis de răcire primară, apa, încălzită de energia termică din fisiune în timp ce trece prin miez, este menținută sub presiune înaltă și, prin urmare, nu fierbe. Aburul este produs într-o buclă de răcire secundară și este utilizat pentru alimentarea unei turbine care acționează un generator electric.
- CANDU și reactoare moderate cu apă grea - Aceste modele folosesc apă grea ca moderator. Apa grea - cu deuteriu inlocuind cei doi atomi de hidrogen - ca moderator incetineste neutronii in procesul de fisiune si permite utilizarea uraniului natural, mai degraba decat uraniul imbogatit drept combustibil.
- Rectorul modular cu pat de piatră - Un reactor cu temperatură înaltă care folosește agentul de răcire heliu și combustibilul încorporat în sfere de grafit și carbură de siliciu pentru a asigura izolarea produsului de fisiune și rezistența la topire.