Tuumaelektrijaamad kasutavad lõhustumisel vabanevat energiat ja panevad selle elektrit tootvatele generaatoritele juhtima. Kuigi tuumaenergia moodustab vaid umbes 20 protsenti Ameerika Ühendriikidest toodetud elektrienergiast, on riigi tuumarajatis suurem kui mis tahes muu riik - 101 gigavatti 2010. aastal.
Tuumaenergia ühised komponendid
Tuumareaktorid on need komponendid ühised:
Kütus - Uraan, radioaktiivne, raske metallimaak, on tuumareaktorite jaoks kõige tavalisem kütus. Pärast rikastusprotsessi saab uraan väga kontsentreeritud kütusena.
Kaubanduslik tuumareaktor vajab töötamiseks tuhandeid kilo rikastatud uraanikütust. USA tsiviilotstarbelised tuumaelektrijaamad külastavad ligikaudu 50 miljonit naela uraani (U3O8 ekvivalent) aastas, millest enamus pärineb ülemeremaadest.
Uraani kaevandatakse kogu maailmas, peamiselt Kasahstanis, Kanadas, Austraalias ja Aafrikas. Ameerika Ühendriigid on kümme uraani tootjat.
Juhtpulgad - valmistatakse neutronit absorbeerivast materjalist nagu kaadmium, hafnium või boor, kontroll-vardad sisestatakse või eemaldatakse südamikust reaktsiooni kiiruse reguleerimiseks või vajaduse korral selle peatamiseks.
Moderaator - reaktori südamikus olev materjal, mis aeglustab lõhustumisest vabanenud neutronite arvu, mis põhjustab rohkem lõhustumist.
Moderaator on tavaliselt tavaline (kerge) vesi, kuid see võib olla raske vesi (D20) või grafiit.
Jahutusvedelik - vedelik või gaas, mis tsirkuleerub tuuma kaudu soojuse ülekandmiseks. Kergevee reaktorites toimib ka vee moderaator esmase jahutusvedelikuna.
Isoleerimine - tuumareaktorid on ümbritsetud tugevasti raudbetoonkonstruktsioonidesse, et vältida radioaktiivsuse pääsemist atmosfääri.
Tuumaenergia põhiprotsess
Tuumafüüsika on väga tehniline, kuid tuumaenergiaga elektrienergia tootmise põhiprotsess on järgmine:
Reaktori tuum tekitab soojust ja radioaktiivsust lõhustumisprotsessis, mida nimetatakse aatomite eraldamiseks. Reaktori tuum on uraani tuumkütus. Kuna uraani tuumad lagunevad, vabanevad nad neutronid. Kui neutronid tabasid teisi uraani aatomeid, lagunesid need tuumad, vabastades oma neutronid teiste aatomite avamiseks, põhjustades rohkem lõhustumist. See pidev aatomi eraldamine on ahelreaktsioon.
Kontrollitud lõhustumisreaktsioonide soojusest kasutatakse auru tootmiseks veest otseselt nii nagu keevveereaktoris (BWR) või kaudselt, nagu näiteks aurugeneraatorit sisaldavas rõhu all olevas veereaktoris (PWR).
Aur juhib turbiini, mis juhib generaatorit.
Generaator toodab elektrit, mis on jaotatud elektrivõrku.
Tuumareaktoritüübid
Üle maailma kasutatakse erinevaid tuumaenergia reaktoreid. Kuid kõige levinumad tüübid on surveveereaktorid (PWR) ja keevveereaktorid (BWR), mis liigitatakse kergeveereaktoriteks. Ameerika Ühendriikides on PWR ja BWR vaid kaks tüüpi kaubanduslikud tuumaelektrijaamad, mis töötavad.
- Keemisvee reaktor (BWR) - Sellises reaktoris tekitab lõhustumine reaktori südamikus keemistemperatuuril vett. Keetavast veest juhitakse turbiin, mis juhib generaatorit elektrienergia tootmiseks. Jaapani Fukushima Naiishi tehase reaktorid, mis on kahjustatud 2011. aasta märtsis toimunud maavärina ja tsunami, on BWR-id.
- Surveveereaktor (PWR) - Selline reaktor on energia tootmiseks kõige tavalisem. Ta kasutab vett jahutusvedelikuks ja moderaatoriks, mis aitab kontrollida lõhustumise kiirust. Suletud primaarjahuti süsteemis hoitakse kõrge rõhu all läbi lõhustamisel soojusenergiaga soojendatud vett, mis seetõttu ei kuumene. Steami toodetakse sekundaarses jahutusvedeliku ahelas ja seda kasutatakse elektrigeneraatori juhtimisega turbiini toiteks.
- CANDU ja raske veega modereeritud reaktorid. Need mudelid kasutavad modereerijana rasket vett. Raske vesi - koos kahe vesinikuaatomiga asendava deuteeriumiga - moderaatorina aeglustab lõhustumisprotsessis neutronite ja võimaldab kasutada looduslikku uraani, mitte rikastatud uraani kütusena.
- Pebble-moodul-modulaarreaktor - kõrgtemperatuurne reaktor, mis kasutab halogeen-jahutusvedelikku ja kütus, mis on ümbritsetud grafiidi ja ränikarbiidi sfääridesse, et tagada lõhustumisohutuse ja lagunemise vastupanu.