Как работает атомная электростанция?

Атомные электростанции используют тот факт, что при делении атомных ядер крошечная часть массы превращается в энергию. В отличие от других паровых электростанций, в которых сжигается ископаемое топливо, такое как уголь, газ или нефть, на атомных электростанциях не происходит никаких химических реакций. Вот почему здесь не производится CO 2. Общим для этих типов электростанций является то, что они используют энергию, которую они вырабатывают, для нагрева воды. Затем горячий пар можно использовать для привода турбины и, таким образом, для выработки электроэнергии.

Сердцем атомной электростанции является реактор: именно здесь расположены тепловыделяющие элементы, погруженные в нагреваемую воду. Топливные элементы представляют собой твэлы, объединенные в блоки квадратной или шестиугольной формы, которые, в свою очередь, состоят из чрезвычайно прочной оболочки и заключенного в неё топлива. В качестве основного топлива используется химический элемент уран, встречающийся в природе в различных вариантах – так называемых изотопах. Наиболее распространенным изотопом урана является уран-238, в ядре которого содержится 92 протона и 146 нейтронов. С другой стороны, на атомных электростанциях используется изотоп урана-235, который имеет на три нейтрона меньше и особенно легко расщепляется. В природных минералах уран-235 присутствует только в количествах менее одного процента. В топливных элементах доля обогащена до трех-пяти процентов.

Помимо урана-235, в качестве ядерного топлива подходят и некоторые другие тяжёлые элементы, например плутоний-239. Для того чтобы быть рассмотренными для использования на атомных электростанциях, химические элементы должны обладать несколькими свойствами: во-первых, они должны быть доступны на мировом рынке по доступным ценам. Во-вторых, они должны легко расщепляться нейтронами. И в-третьих, они должны сами выпустить несколько нейтронов при делении ядра. Это единственный способ поддерживать цепную реакцию, при которой в среднем хотя бы один из высвобождающихся нейтронов расщепляет другое атомное ядро.

Если нейтрон попадает в ядро ​​урана-235, оно может распасться — обычно на два осколка и два-три отдельных нейтрона. Затем осколки разлетаются на больших скоростях. На самом деле нейтроны, высвобождаемые при делении ядер, изначально распространяются так быстро, что плохо реагируют с другими атомными ядрами. По этой причине топливные стержни обычно окружены водой: нейтроны теряют часть своей энергии в результате столкновений с атомами водорода и таким образом замедляются. Медленные нейтроны имеют гораздо более высокую вероятность запуска ядерного деления. Однако торможение имеет и другой эффект: энергия, теряемая при столкновениях, преобразуется в тепло, которое вызывает нагрев окружающей охлаждающей воды.

Между твэлами ядерного реактора могут быть вставлены так называемые регулирующие и аварийные стержни, чтобы целенаправленно воздействовать на цепную реакцию и, при необходимости, иметь возможность прервать её. Эти стержни содержат материалы с высоким поглощением нейтронов, такие как кадмий или бор. Чем глубже управляющие стержни вставлены в активную зону реактора, тем больше нейтронов перехватывается и не может вызвать дальнейшее деление. Это снижает скорость реакции.

Типы реакторов:

Атомные электростанции, действующие в Германии, представляют собой так называемые реакторы с водой под давлением и кипящей водой. Основное различие между двумя типами реакторов заключается в том, где генерируется горячий пар, который в конечном итоге приводит в движение турбину.

В реакторах с кипящей водой топливные элементы находятся в сосуде под давлением — обычно это цилиндрический контейнер из толстой специальной стали, заполненный водой примерно на две трети. Цепная реакция нагревает воду до более чем 280 градусов по Цельсию при давлении около семидесяти бар. Это соответствует семидесятикратному атмосферному давлению. Из-за высокой температуры часть воды в корпусе реактора испаряется, отсюда и название реактора с кипящей водой.

Горячий пар направляется на турбину, которая приводит в действие генератор. После турбины водяной пар должен быть охлажден и сжижен в большом конденсаторе, прежде чем насосы высокого давления перекачают эту воду обратно в корпус реактора. Таким образом, круговорот воды остается закрытым, и любые радиоактивные частицы, которые могут улетучиваться, не могут попасть в окружающую среду или загрязнить части площадки электростанции.

В отличие от реакторов с кипящей водой, реакторы с водой под давлением имеют второй водяной контур, который отделен от реактора и приводит в движение турбину. Кроме того, давление в корпусе реактора повышается примерно до 150 бар, что значительно выше, чем в реакторе с кипящей водой. В результате вода внутри не кипит и остается жидкой, несмотря на более высокую температуру в 325 градусов Цельсия. Пар образуется только во вторичном контуре, который соединен с первичным контуром через теплообменник. Это означает, что все радиоактивные вещества остаются в центральном первом контуре, так что турбина и все связанные с ней детали не относятся к зоне радиоактивного контроля.

Помимо водо-водяных и кипящих реакторов существуют и другие типы электростанций. Для науки и медицины актуальны так называемые исследовательские реакторы: вместо горячего пара здесь вырабатываются нейтроны, которые можно использовать, например, для рентгеновского облучения различных материалов или для производства радионуклидов для медицинских или научных целей. В настоящее время в Германии есть три таких исследовательских реактора, включая источник нейтронов FRM II в Гархинге недалеко от Мюнхена.