تعمل محطات الطاقة النووية على تسخير الطاقة التي يطلقها الانشطار وتضعها في استخدام المولدات التي تنتج الكهرباء. وعلى الرغم من أن الطاقة النووية لا تساهم إلا بنسبة 20 في المائة من الكهرباء المتولدة في الولايات المتحدة ، إلا أن القدرة النووية للأمة هي الأعلى من أي بلد آخر - 101 جيجاوات في عام 2010.
المكونات الشائعة للطاقة النووية
المفاعلات النووية لها هذه العناصر المشتركة:
الوقود - اليورانيوم ، وهو خام مشع ، وخام معدن ثقيل ، هو الوقود الأكثر شيوعا للمفاعلات النووية. بعد عملية التخصيب ، يصبح اليورانيوم وقودًا مركّزًا للغاية.
يتطلب المفاعل النووي التجاري آلاف الجنيهات من وقود اليورانيوم المخصب من أجل العمل. تشتري محطات توليد الطاقة النووية المدنية في الولايات المتحدة ما يقرب من 50 مليون رطل من وقود اليورانيوم (ما يعادل U3O8) سنويا ، ويأتي معظمها من الخارج.
يتم استخراج اليورانيوم في المواقع في جميع أنحاء العالم ، في المقام الأول في كازاخستان وكندا وأستراليا وأفريقيا. الولايات المتحدة من بين أكبر 10 منتجين لليورانيوم.
قضبان التحكم - مصنوعة من مادة تمتص النيوترونات مثل الكادميوم أو الهافنيوم أو البورون ، يتم إدخال أو سحب قضبان التحكم من القلب للتحكم في معدل التفاعل أو لإيقافه إذا لزم الأمر.
وسيط - مادة في قلب المفاعل الذي يبطئ النيوترونات المنطلقة من الانشطار مما يسبب المزيد من الانشطار.
عادة ما يكون المشرف هو الماء العادي (الضوء) ، ولكن قد يكون الماء الثقيل (D20) أو الجرافيت.
سائل التبريد - السائل أو الغاز الذي يدور عبر القلب لنقل الحرارة منه. في مفاعلات الماء الخفيف ، يعمل منسق المياه أيضًا كمبرد أساسي.
الاحتواء - المفاعلات النووية مغلفة في الهياكل الخرسانية المسلحة بشدة لمنع النشاط الإشعاعي من الهروب إلى الغلاف الجوي.
العملية الأساسية للطاقة النووية
الفيزياء النووية تقنية للغاية ، لكن العملية الأساسية لإنتاج الكهرباء بالطاقة النووية هي كما يلي:
وينتج قلب المفاعل الحرارة والإشعاع في عملية تسمى الانشطار ، وهي تعرف باسم فصل الذرة. يوجد داخل قلب المفاعل وقود نووي لليورانيوم. عندما تنقسم نوى اليورانيوم ، فإنها تطلق النيوترونات. عندما تضرب النيوترونات ذرات اليورانيوم الأخرى ، تنقسم تلك النوى أيضًا ، فتطلق نيوتروناتها لتضرب ذرات أخرى ، مسببة انشطارًا أكبر. هذا التقسيم المستمر للذرات هو تفاعل متسلسل.
تستخدم الحرارة الناتجة من تفاعلات الانشطارية الخاضعة للرقابة لإنتاج البخار من الماء ، إما مباشرة كما في مفاعل الماء المغلي (BWR) ، أو بشكل غير مباشر كما في مفاعل الماء المضغوط (PWR) ، الذي يحتوي على مولد البخار.
يعمل البخار على دفع التوربين الذي يعمل على تشغيل مولد كهربائي.
ينتج المولد الكهرباء التي يتم توزيعها على شبكة الطاقة.
أنواع المفاعلات النووية
في جميع أنحاء العالم ، يتم استخدام أنواع مختلفة من مفاعلات الطاقة النووية. ومع ذلك ، فإن الأنواع الأكثر شيوعًا هي مفاعلات الماء المضغوط (PWR) ومفاعلات الماء المغلي (BWR) ، والتي تصنف على أنها مفاعلات الماء الخفيف. في الولايات المتحدة ، تعد PWR و BWR هما النوعان الوحيدان من محطات الطاقة النووية التجارية قيد التشغيل.
- مفاعل الماء المغلي (BWR) - في هذا النوع من المفاعل ، ينتج الانشطار حرارة تغلي الماء في قلب المفاعل. البخار من الماء المغلي يدير التوربين الذي يقود مولد كهربائي لإنتاج الكهرباء. المفاعلات في مصنع فوكوشيما نيايشي في شمال شرق اليابان الذي تضرر في زلزال مارس / آذار 2011 والتسونامي هما BWRs.
- مفاعل الماء المضغوط (PWR) - هذا النوع من المفاعلات هو الأكثر شيوعًا لإنتاج الطاقة. ويستخدم الماء كمبرد وسيطر ، وهو عامل يساعد على التحكم في سرعة الانشطار. في نظام سائل التبريد الأساسي مغلق ، يتم تسخين المياه ، التي يتم تسخينها بواسطة الطاقة الحرارية من الانشطار أثناء المرور عبر القلب ، تحت ضغط مرتفع وبالتالي لا يتم غليها. يتم إنتاج البخار في حلقة تبريد ثانوي ويتم استخدامه لتشغيل توربين يقوم بتشغيل مولد كهربائي.
- مفاعلات CANDU والمفاعلات التي تعمل بالماء الثقيل - تستخدم هذه التصاميم المياه الثقيلة كمدير. والماء الثقيل - مع استبدال الدوتريوم ذرتي الهيدروجين - حيث يبطئ المنسق النيوترونات في عملية الانشطار ويسمح باستخدام اليورانيوم الطبيعي ، بدلا من اليورانيوم المخصب كوقود.
- مفاعل حبيبي لسرير ذي حصى - مفاعل ذو درجة حرارة عالية يستخدم مبرد الهيليوم والوقود المغطى في كربيد الجرافيت وكربيد السيليكون لضمان احتواء منتج الانشطار ومقاومة الانصهار.