Kako Djeluje Nuklearna Energija

{h1}

Nuklearna energija daje električnu energiju značajnom postotku svjetskog stanovništva. Pogledajte unutrašnjost nuklearnog reaktora pomoću WordsSideKick.com.

Nekima, nuklearna energija nudi čistu energetsku alternativu koja nas oslobađa okova ovisnosti o fosilnim gorivima. Drugima se prikupljaju slike katastrofe: japanske elektrane u ruševinama potresa koje probijaju radioaktivnu paru, mrtva zona koja okružuje Černobilski betonski sarkofag.

Ali što se događa u nuklearnoj elektrani da bi se stvorilo takvo čudo i jad? Zamislite kako slijedi volta električne energije kroz zidnu utičnicu, sve do kilometra dalekovoda do nuklearnog reaktora koji ju je stvorio. Naišli biste na generator koji proizvodi iskru i turbinu koja ga okreće. Dalje ćete naći mlaz pare koji pretvara turbinu i napokon snop radioaktivnog urana koji zagrijava vodu u paru. Dobrodošli u jezgru nuklearnog reaktora.

Voda u reaktoru služi i kao rashladno sredstvo za radioaktivni materijal, sprječavajući je da se pregrije i rastopi. U ožujku 2011., TV gledatelji širom svijeta saznali su što se događa kada rashladni sustav pretrpi katastrofalni kvar. Japanski državljani pobjegli su pred desecima tisuća s područja oko nuklearnog postrojenja Fukushima-Daiichi nakon što je najjači potres zabilježen, a cunami koji je uslijedio nanio ozbiljnu štetu postrojenju i nekoliko njegovih reaktorskih jedinica. Između ostalog, voda je iscurila iz jezgre reaktora, što je zauzvrat onemogućilo kontrolu temperature jezgre. To je rezultiralo pregrijavanjem i djelomičnim nuklearnim taloženjem [izvor: NPR].

Od travnja 2018. u 50 zemalja djeluje oko 450 nuklearnih reaktora, koji osiguravaju oko 11 posto svjetske električne energije, prema podacima Svjetske nuklearne asocijacije. Samo u SAD-u nalazi se 99 reaktora u 61 komercijalno operirane nuklearne elektrane u roku od 30 država SAD-a, uključujući Tennessee's Watts Bar Unit 2, reaktor snage 1150 megavata koji je započeo s radom u listopadu 2016. [izvor: EIA].

Nuklearna energija opskrbljuje 20 posto američkih potreba za električnom energijom, manje od 31,7 posto koje dolazi iz prirodnog plina i 30,1 posto iz ugljena, a tek nešto više od 17,1 posto koje daju obnovljivi izvori energije poput hidroelektrane, vjetra i sunca [izvor: EIA], Ali neke zemlje mnogo više ovise o atomu. Francuska, primjerice, dobiva 72 posto svoje struje iz nuklearnih postrojenja, a Švedska od njih oko 40 posto, navodi se u izvješću iz travnja 2018. [izvor: World-Nuclear.org].

U ovom ćemo članku pogledati kako funkcionira nuklearni reaktor unutar elektrane, kao i atomska reakcija koja oslobađa svu tu presudnu toplinu.

Nuklearna fisija: srce reaktora

Unatoč svim kozmičkim energijama na koje se poziva riječ "nuklearna", elektrane koje ovise o atomskoj energiji ne djeluju drugačije od tipičnih elektrana na izgaranje ugljena. Oba zagrijavaju vodu u paru pod tlakom, koja pokreće generator turbine. Ključna razlika između dviju postrojenja je metoda zagrijavanja vode [izvor: Mnsu.edu].

Dok postrojenja s pogonom na ugljen izgaraju fosilna goriva, postrojenja s nuklearnim pogonom ovise o toplini koja nastaje tijekom nuklearna fizija, kad se jedan atom podijeli na dva i oslobodi energiju. Nuklearna fisija događa se prirodno svaki dan. uranijumna primjer, stalno se podvrgava spontanoj fisiji vrlo sporom brzinom. To je razlog zašto element emitira zračenje i zašto je prirodan izbor za inducirana fisija da nuklearne elektrane trebaju [izvor: World-nuclear.org].

Uran je čest element na Zemlji i postoji još od formiranja planeta. Iako postoji nekoliko sorti urana, uranij-235 (U-235) je najvažnija za proizvodnju i nuklearne energije i nuklearnih bombi.

U-235 se prirodno raspada alfa zračenjem: baca alfa čestice, odnosno dva neutrona i dva protona povezana zajedno. To je također jedan od rijetkih elemenata koji može proći kroz induciranu fisiju. Slobodni neutron ispalite u jezgro U-235 i jezgra će apsorbirati neutron, postati nestabilna i odmah se cijepati.

Ovaj sadržaj nije kompatibilan na ovom uređaju.

Gornja animacija prikazuje jezgro urana-235 s neutronom koji se približava vrhu. Čim jezgro hvata neutron, razdvaja se na dva lakša atoma i izbacuje dva ili tri nova neutrona (broj izbačenih neutrona ovisi o načinu razdvajanja atoma U-235). Postupak hvatanja neutrona i cijepanja događa se vrlo brzo.

Raspadom jednog atoma U-235 oslobađa se oko 200 MeV (milijuna elektrona volti). To se možda ne čini mnogo, ali ima puno atoma urana u kilogramu (0,45 kilograma) urana [izvor: World-nuclear.org]

Cijepanje atoma oslobađa toplinu i gama zračenjeili zračenje izrađeno od visokoenergetskih fotona. Dva atoma koja su rezultat fisije kasnije se oslobađaju beta zračenje (superbrzi elektroni) i svoje gama zračenje [izvor: World-nuclear.org].

No, da bi sve ovo uspjelo, znanstvenici moraju prvo obogatiti uzorak urana tako da sadrži 2 do 3 posto više U-235 [izvor: World-nuclear.org]. Tri postotna obogaćivanja dovoljna su za nuklearne elektrane, ali uranij s oružjem sastoji se od najmanje 90 posto U-235. Proces obogaćivanja urana provodi se centrifugom nakon što se iz urana stvori plin. Sila centrifuge odvaja U-235 atome od U-238 atoma. U početku postoji samo neznatno povećanje koncentracije atoma U-235, pa se postupak mora ponoviti u centrifugi nekoliko puta kako bi se povećalo obogaćivanje. Napraviti uranij s oružjem vrlo je težak i skup, što je jedan od razloga zbog čega malo zemalja ima nuklearno oružje. Ali te prepreke nisu nepremostive [izvor: Zielinski].

Što je s plutonijem?

Uran-235 nije jedino moguće gorivo za elektranu. Još jedan podjeljeni materijal, Plutonij-239 nastaje bombardiranjem U-238 neutronima [izvor: World-nuclear.org].

Unutar nuklearne elektrane

Ovaj dijagram prikazuje sve dijelove nuklearnog reaktora.

Ovaj dijagram prikazuje sve dijelove nuklearnog reaktora.

Da bi nuklearnu fisiju pretvorili u električnu energiju, operatori nuklearnih elektrana moraju kontrolirati energiju koju odvodi obogaćeni uranij i omogućiti joj da zagrijava vodu u paru. Ta para tada pokreće turbine za proizvodnju električne energije [izvor: NEI].

Obogaćeni uranij obično se formira u pelete (2,5 cm duge) pelete, svaki približno istog promjera kao i dim. Dalje, peleti su raspoređeni u duge šipke, a šipke se skupljaju u snopovi, Snopovi su potopljeni u vodu unutar posude pod pritiskom. Voda djeluje kao rashladno sredstvo. Ostavljen na svoje uređaje, uran bi se s vremenom mogao pregrijati i rastopiti.

Da biste spriječili pregrijavanje, upravljačke šipke izrađeni od materijala koji apsorbira neutrone, ubacuju se u snop urana koristeći mehanizam koji ih može podići ili spustiti. Podizanje i spuštanje kontrolnih šipki omogućuju operaterima kontrolu brzine nuklearne reakcije. Kad operater želi da uranovo jezgro proizvede više topline, kontrolne šipke podižu se iz snopa urana (tako apsorbira manje neutrona). Da bi smanjili toplinu, oni se spuštaju u snop urana. Šipke se također mogu potpuno spustiti u snop urana kako bi se reaktor zatvorio u slučaju nesreće ili za promjenu goriva [izvori: Nosowitz, World-nuclear.org].

Snop urana djeluje kao izuzetno visokoenergetski izvor topline. Zagrijava vodu i pretvara je u paru. Para pokreće turbinu, koja okreće generator da proizvodi snagu. Ljudi su koristili širenje vode u paru stotinama godina.

U nekim nuklearnim elektranama para iz reaktora prolazi kroz sekundarni, srednji izmjenjivač topline radi pretvaranja druge petlje vode u paru koja pokreće turbinu. Prednost ovog dizajna je u tome što radioaktivna voda / para nikada ne dodiruje turbinu. Također, u nekim reaktorima rashladna tekućina u kontaktu s reaktorskom jezgrom je plin (ugljični dioksid) ili tekući metal (natrij, kalij); ove vrste reaktora omogućuju rad jezgre na višim temperaturama [izvor: World-nuclear.org]

S obzirom na sve radioaktivne elemente u nuklearnoj elektrani, ne bi trebalo biti iznenađenje da izvana ima nešto više, nego što biste vidjeli u elektrani na ugljen. U sljedećem odjeljku istražit ćemo razne zaštitne barijere između vas i atomskog srca biljke.

Izvan nuklearne elektrane

Kao što možete vidjeti gledajući ovu fotografiju njemačke nuklearke Brokdorf, beton ima važnu ulogu u sadržaju radioaktivnih materijala.

Kao što možete vidjeti gledajući ovu fotografiju njemačke nuklearke Brokdorf, beton ima važnu ulogu u sadržaju radioaktivnih materijala.

Jednom kada prijeđete sam reaktor, vrlo je mala razlika između nuklearne elektrane i elektrane na ugalj ili naftu, osim izvora topline koja se koristi za stvaranje pare. No kako taj izvor može emitirati štetne razine zračenja, potrebne su dodatne mjere opreza.

Betonska obloga obično nalazi reaktorsku tlačnu posudu i djeluje kao zračni štit. Taj se koš zauzvrat nalazi unutar mnogo veće čelične posude. Ova posuda sadrži jezgru reaktora, kao i opremu koju radnici u postrojenju koriste za punjenje i održavanje reaktora. Posuda za zadržavanje čelika služi kao prepreka za sprečavanje istjecanja bilo kojeg radioaktivnog plina ili tekućine iz postrojenja [izvor: Nuclear-power.net].

Vanjski betonski objekt služi kao završni sloj koji štiti čeličnu posudu. Ova je betonska konstrukcija dizajnirana tako da bude dovoljno jaka da preživi vrstu ogromne štete koja može nastati uslijed zemljotresa ili pad sustava mlaznog zrakoplova [izvor: Wald].

Ove sekundarne strukture za zadržavanje potrebne su kako bi se spriječilo ispuštanje zračenja / radioaktivne pare u slučaju nesreće. Nepostojanje sekundarnih struktura za zadržavanje u ruskim nuklearnim elektranama omogućilo je bijeg radioaktivnog materijala u Černobilu [izvor: Salisbury].

Radnici u kontrolnoj sobi nuklearne elektrane mogu nadgledati nuklearni reaktor i poduzimati mjere ako nešto pođe po zlu. Nuklearna postrojenja obično sadrže sigurnosne perimetre i dodatno osoblje za zaštitu osjetljivih materijala.

Kao što vjerojatno znate, nuklearna energija ima svoj udio kritičara, kao i svojih pristalica. Na sljedećoj ćemo stranici kratko pogledati neke od prednosti i nedostataka cijepanja atoma kako bi se svi TV-i i tosteri svi pokrenuli.

Za i protiv nuklearne energije

U ovom skladištu u blizini mjesta nuklearne elektrane u Černobilu trenutno se nalazi nuklearni otpad.

U ovom skladištu u blizini mjesta nuklearne elektrane u Černobilu trenutno se nalazi nuklearni otpad.

Koja je nuklearna energija najveća prednost? To ne ovisi o fosilnim gorivima i na njega ne utječu fluktuirajuće cijene nafte i plina. Elektrane s ugljenom i prirodnim plinom emitiraju ugljični dioksid u atmosferu, što doprinosi klimatskim promjenama. Kod nuklearnih elektrana emisije CO2 su minimalne, iako iskopavanje urana, izgradnja reaktora, transport goriva i drugih dijelova nuklearne energije stvaraju stakleničke plinove [izvor: Lenzen].

Prema Institutu za nuklearnu energiju, snaga proizvedena u svjetskim nuklearnim postrojenjima obično bi proizvela 2,2 milijarde tona (2 milijarde metričkih tona) CO2 godišnje ako ovise o fosilnim gorivima. Zapravo, nuklearna elektrana koja pravilno funkcionira zapravo ispušta manje radioaktivnosti u atmosferu nego elektrana na ugalj. To je zato što kada se ugljen sagorijeva za struju, oslobađa se letećeg pepela (koji sadrži vrlo koncentrirane količine urana i torija). Taj leteći pepeo ima 100 puta više radioaktivnosti od radioaktivnosti koju ispušta nuklearna elektrana koja proizvodi istu količinu energije [izvor: Hvistendahl]. Uz to, nuklearna energija dolazi s daleko lakšom potrebom za gorivom. Nuklearna fisija proizvodi otprilike milijun puta više energije po jedinici mase od fosilnog goriva [izvor: Helman].

Ali postoje i mnogi negativni. Povijesno, vađenje i pročišćavanje urana nije bio vrlo čist proces. Čak i prijevoz nuklearnog goriva do i iz postrojenja predstavlja rizik od onečišćenja. A kad gorivo potrošite, ne možete ga samo baciti na gradsku deponiju. Još je uvijek radioaktivan i izlaganje ovom otpadu može uzrokovati radijacijsku bolest, rak ili čak smrt, ovisno o tome koliko zračenja apsorbirate [izvor: Rettner]. Prema američkom Uredu za odgovornost, SAD je akumulirao 88.185 tona (80.000 tona) nuklearnog otpada koji se generiraju u elektranama, a većina ih je još uvijek pohranjena na mjestima kompanija, dok se savezna vlada bori da pronađe što bolje rješenje.

I kao da to nije dovoljno loše, nuklearne elektrane proizvode mnogo radioaktivni otpad niske razine u obliku navlaka za cipele, brisanja krpama, opreme i drugih materijala [izvor: NRC].

Nuklearna katastrofa i zaustavljanje reaktora

Pogled na posljedice najvećeg potresa u povijesti i cunamija koji je uslijedio, koji je razdvojio Japan i doveo do njegove nuklearne katastrofe.

Pogled na posljedice najvećeg potresa u povijesti i cunamija koji je uslijedio, koji je razdvojio Japan i doveo do njegove nuklearne katastrofe.

Zapamtite, u središtu svakog nuklearnog reaktora je kontrolirano okruženje radioaktivnosti i inducirane fisije. Kad ovo okruženje izmakne kontroli, rezultati mogu biti katastrofalni.

Dugo godina, černobilska katastrofa bila je glavni najgori primjer nuklearnog kvara. Godine 1986. ukrajinski nuklearni reaktor eksplodirao je, ispuštajući 50 tona (45 metričkih tona) radioaktivnog materijala u okolno područje, zagađujući milijune hektara šume. Katastrofa je prisilno preselila 150.000 ljudi i na kraju uzrokovala da tisuće ljudi umre od raka i drugih bolesti [izvor: History.com].

Černobil je bio loše dizajniran i nepravilno upravljan. Postrojenje je zahtijevalo stalnu ljudsku pažnju da reaktor ne bi radio u kvaru. Ali čak je i dobro dizajnirana nuklearna elektrana osjetljiva na prirodne katastrofe.

U petak, 11. ožujka 2011., Japan je doživio najveći potres u modernoj povijesti. Programirani odgovor u nuklearnom postrojenju Fukushima-Daiichi u zemlji se odmah spustio na sve kontrolne šipke reaktora i zatvorio sve reakcije fisije u roku od 10 minuta. Nažalost, međutim, ne možete isključiti svu radioaktivnost pritiskom prekidača.

Kao što smo istražili na prethodnoj stranici, nuklearni otpad i dalje proizvodi toplinske godine nakon početnog pokretanja elektrane. Slično tome, u prvih nekoliko sati nakon gašenja nuklearnog reaktora, nastavlja stvarati toplinu iz procesa raspadanja.

Zemljotres u ožujku 2011. godine pokazao je smrtonosni tsunami, koji je uništio rezervne dizelske generatore koji su pokretali pumpe za vodenu rashladnu tekućinu u koje se postrojenje okrenulo nakon što nije moglo dobiti napajanje iz japanske mreže. Ove crpke cirkuliraju vodu kroz reaktor kako bi se uklonila toplina raspada. Nekruženo, i temperatura vode i tlak vode unutar reaktora nastavili su rasti. Nadalje, reaktorsko zračenje počelo je razdvajati vodu na kisik i isparljivi vodik. Eksplozija vodika rezultirala je kršenjem čeličnih zaštitnih ploča zgrade reaktora [izvor: World-Nuclear.org].

Jednostavno rečeno, postrojenje Fukushima-Daiichi imalo je mnogo protumjera za zaustavljanje operacija u slučaju jakih seizmičkih aktivnosti. Jednostavno nisu računali da će izgubiti snagu na svojim pumpama za rashladno sredstvo.

Postrojenja poput japanskog pogona Fukushima-Daiichi, ruskog Černobila i američkog otoka Tri kilometra ostaju crno oko za nuklearnu industriju, često zasjenivši neke ekološke prednosti koje tehnologija može ponuditi.

Zadnja izmjena uredništva 31. kolovoza 2018. 14:50:19.


Video Dodatak: Nuklearna centrala.




HR.WordsSideKick.com
Sva Prava Pridržana!
Umnožavanje Bilo Koje Materijale Dozvoljen Samo Prostanovkoy Aktivni Link Na Stranicu HR.WordsSideKick.com

© 2005–2020 HR.WordsSideKick.com