Zasada działania elektrowni jądrowej

Ogólny schemat

Elektrownie jądrowe wytwarzają energię elektryczną przekształcając energię cieplną powstałą w procesie rozszczepiania jąder atomowych (który zachodzi w reaktorze jądrowym)w energię mechaniczną (za pomocą turbiny parowej) a następnie w elektryczną (wytwarzaną przez generator napędzany wałem turbiny).

Zasada działania elektrowni jądrowej jest podobna do zasady działania typowej polskiej elektrowni opalanej węglem - główna różnica polega na sposobie wytwarzania ciepła, ponieważ w elektrowni węglowej ciepło jest wytwarzane poprzez spalanie węgla w palenisku i podgrzewanie wody w kotle, natomiast w elektrowni jądrowej ciepło jest efektem reakcji rozszczepienia jąder atomów uranu zachodzącej w reaktorze jądrowym. Energia elektryczna wytwarzana jest w elektrowni jądrowej według poniższego schematu:

Reakcja rozszczepienia jąder atomów uranu --> ciepło --> para wodna --> ruch turbiny --> generator --> energia elektryczna

Wygenerowane ciepło podgrzewa wodę powodując jej wrzenie i zamieniając ją w parę w reaktorze (BWR) lub poza reaktorem (PWR), która z kolei przemieszczana jest rurami do turbin i naciskając na ich łopatki sprawia, że turbina zaczyna się kręcić. Turbina jest połączona z generatorem prądu i przekazuje mu swoją energię ruchu, którą generator zamienia w energię elektryczną.

Na koniec energia elektryczna przekazywana jest do sieci elektroenergetycznej.

Jądrowy Układ Wytwarzania Pary (JUWP)

W reaktorach lekkowodnych (LWR, do których zalicza się PWR i BWR) woda krąży w 2 lub 3 obiegach, z których każdy jest odseparowany od pozostałych – co oznacza, że skażona substancjami promieniotwórczymi z reaktora woda z obiegu pierwotnego nie ma kontaktu fizycznego z wodą obiegu wtórnego lub wodą obiegu chłodzenia skraplacza.

W elektrowniach z reaktorami PWR występują dwa obiegi oraz obieg chłodzenia skraplacza. W pierwszym obiegu (tzw. obieg pierwotny) podgrzana do temperatury 320-330° woda opuszcza reaktor. Jej wrzeniu zapobiega wysokie ciśnienie (ponad 15 MPa) w rurociągu, utrzymywane przez urządzenie zwane stabilizatorem ciśnienia. Woda trafia następnie do wytwornicy pary, gdzie przepływa przez tysiące rurek, zamieniając opływającą je wodę obiegu wtórnego w parę pod wysokim ciśnieniem (6-7 MPa). Od tego momentu woda obiegu pierwotnego, wytraciwszy część ciepła (przekazując je wodzie obiegu wtórnego) wraca do reaktora (ma wtedy temperaturę ok. 290°) a para powstała w wytwornicy pary płynie do turbiny gdzie rozpręża się, naciska łopatki turbiny i wprawia ją w ruch. Turbina napędza generator prądu, który dalej przekazuje energię elektryczną do stacji transformatorowej i dalej do krajowego systemu elektroenergetycznego. W tym czasie, po opuszczeniu turbiny para skrapla się w skraplaczu i jako woda zasilająca jest pompowana znów do wytwornicy pary. Skraplacz chłodzony jest kolejnym, ostatnim już obiegiem wody – wodą czerpaną bezpośrednio z akwenu (morze, duża rzeka, duże jezioro) lub chłodzoną za pomocą chłodni kominowych (jednak powstające tu ubytki wody i tak trzeba uzupełniać poborem z akwenu, co prawda w o wiele mniejszym zakresie niż przy chłodzeniu bezpośrednio wodą spoza elektrowni).

W elektrowniach z reaktorami BWR woda odparowuje już w reaktorze, zatem nie ma potrzeby stosowania stabilizatora ciśnienia i wytwornic pary. Stąd występuje tam tylko jeden obieg wody (plus obieg skraplacza), w którym woda z reaktora zasila bezpośrednio turbinę. Aby nie dopuścić do skażenia maszynowni stosuje się specjalne osłony biologiczne. Takie rozwiązanie ma zarówno wady jak i zalety – z jednej strony zmniejsza koszty budowy i eksploatacji elektrowni ale z drugiej nieco podnosi wielkość dawek promieniowania jakie otrzymują pracownicy, aczkolwiek dawki te są nadal bardzo dalekie od poziomu, który ma wpływ na zdrowie. O bezpieczeństwie elektrowni BWR dobitnie świadczy fakt, że są one drugim najpowszechniej stosowanym typem elektrowni jądrowych na świecie, zaraz po PWR. Elektrownie BWR zyskały dużą popularność w USA, Japonii, Szwecji, Finlandii i Niemczech – krajach silnie uprzemysłowionych i wysoko rozwiniętych.

Z przedstawionego wyżej opisu wynika, że część ciepła wytwarzanego w reaktorze wykorzystywana jest do wytworzenia energii elektrycznej a część jest tracona do środowiska. Najnowsze typy elektrowni jądrowych (tj. elektrownie III generacji) mają tzw. sprawność (czyli w uproszczeniu zdolność do przetworzenia energii cieplnej na elektryczną) na poziomie 34-37% (co oznacza, że taka część energii cieplnej zostanie przetworzona na elektryczną). Jest to zaledwie o kilka procent mniej niż dla nowoczesnych elektrowni węglowych. Wartości te można jednak podnieść nawet do 85%, jeśli wykorzysta się ciepło odpadowe do zasilania na przykład miejskiej sieci ciepłowniczej (zastępując turbiny kondensacyjne turbinami upustowo-kondensacyjnymi) – w tym przypadku jest to elektrociepłownia jądrowa. Elektrociepłownie jądrowe pracują w kilku państwach:

• Bułgaria
• Czechy
• Rumunia
• Rosja
• Słowacja
• Szwajcaria
• Węgry

Elektrociepłownie jądrowe planowane są w Finlandii i Szwecji. Budowane w Polsce w latach 80-tych elektrownie w Żarnowcu i Klempiczu również miały być elektrociepłowniami jądrowymi.