Kako v jedrski elektrarni nastaja elektrika?

Po podatkih mednarodnega inštituta za jedrsko energijo NEI na svetu trenutno obratuje 438 jedrskih reaktorjev za proizvodnjo električne energije. Največ, 99, jih je v ZDA. Na drugem mestu je Francija (58), ki pa iz jedrskih elektrarn pridobi največji delež elektrike glede na druge vire med vsemi državami na svetu, kar 76,9-odstotnega.

Proizvodnja električne energije v jedrski elektrarni deluje na podoben način kot v termoelektrarni, kjer lopatice turbine, ki poganja električni generator, obrača vodna para, ki nastaja s segrevanjem vode. Razlika je v tem, da vodo v termoelektrarni uparja sežiganje fosilnih goriv, medtem ko v jedrski elektrarni to nalogo opravlja jedrski reaktor. V reaktorju poteka proces, ki mu rečemo jedrska fisija oziroma cepitev atomskih jeder.

Na hitro o verižni reakciji

Da bi lažje razumeli, kako točno se dogajanje v jedrskem reaktorju prevaja v elektriko, najprej nekaj besed o cepitvi atomskih jeder.

Gre za proces, pri katerem težko atomsko jedro, ki ga sestavljajo protoni in nevtroni, razpade oziroma se razcepi na dve lažji jedri. Čeprav se lahko zgodi tudi spontano, jo v jedrskem reaktorju sprožijo nevtroni, ki se zaletavajo v težja jedra atomov jedrskega goriva.

Jedrsko gorivo v večini reaktorjev predstavljata izotopa kemijskega elementa urana, uran 235 in uran 238, ponekod uporabljajo tudi plutonij. Gorivo je v obliki peletov, pospravljeno je v nekaj metrov dolge gorivne palice.

Takole je videti vstavljanje gorivnih palic v jedrski reaktor.

Ko se nevtron v atomsko jedro zaleti dovolj hitro, se jedro zaradi prejete energije razcepi. Pri tem po svoje odleti nekaj novih nevtronov, ki se zaletavajo v atomska jedra v bližini in povzročajo nove cepitve. Pri teh nastaja še več nevtronov, ki povzročijo še več cepitev in tako dalje. Temu pravimo verižna reakcija.

Verižna reakcija je v jedrskem reaktorju avtonomen proces, kar pomeni, da jo je treba po začetku zgolj še nadzorovati, ne pa tudi spodbujati. Da se v novem reaktorju lahko začne, pa je treba vanj vstaviti tudi vir nevtronov. V največ primerih je to zmes elementa berilija s polonijem ali radijem. Gre za zelo radioaktivna in nestabilna kemijska elementa, ki ob razpadu oddajata nevtrone.  

Cepitev atomskih jeder je proces, pri katerem se v obliki toplote sprošča ogromno energije, ta toplota pa poganja turbino, ki zavrti električni generator.

 V jedrskem reaktorju

Verižna jedrska reakcija poteka v reaktorski posodi, v katero je v elektrarni pospravljen jedrski reaktor.

Reaktorska posoda je velikanska kovinska kapsula z več kot 20 centimetrov debelimi stenami. Biti mora dovolj robustna, da v primeru najhujše nesreče, staljenega reaktorskega jedra, zadrži radioaktivno sevanje.

Ob palicah jedrskega goriva (uran, plutonij) so v reaktorski posodi še:

- Nadzorne palice, s katerimi je mogoče omejiti potek verižne reakcije. Sestavljene so iz kemijskih elementov, kot so bor, kadmij, srebro. Atomi teh elementov lahko absorbirajo proste nevtrone, brez da bi sami doživeli cepitev jeder.

- Voda. V reaktorski posodi ima voda dve funkciji. Prva je zajezitev hitrosti nevtronov, zaradi česar je lažje nadzorovati učinkovitost in potek verižne reakcije (temu pravimo tudi, da je voda nevtronski moderator). Druga je prevajanje toplote.

Verižna reakcija namreč segreva vodo v reaktorski posodi. Njena temperatura naraste tudi več kot 300 stopinj Celzija, a se voda ne upari, ker tlak v reaktorski posodi presega 150 barov. Črpalke zelo vročo vodo iz reaktorja nato prenašajo v komponento, ki se imenuje uparjalnik.

Velik parni stroj

Voda iz reaktorja se v uparjalnik ne steka, ker je radioaktivna – črpalke jo skozi uparjalnik pošljejo po ceveh in nato vrnejo v reaktorsko posodo. Med potjo voda iz reaktorja segreva tisto, ki je že v uparjalniku.

Voda, ki kroži med reaktorsko posodo in uparjalnikom, je tipičen primer dela entropije v praksi. Entropija na področju termodinamike, veje fizike, pomeni, da toplota od tam, kjer je je več, vedno prehaja tja, kjer je je manj. Vroča voda iz reaktorja oddaja toploto v uparjalniku in se hladnejša vrne v reaktorsko posodo, kjer sprejme toploto reaktorske sredice ter jo s tem tudi ohlaja.

Ker so cevi, po katerih teče, zelo zelo vroče, pri tem v uparjalniku pod velikim pritiskom nastaja vodna para, ki je po ceveh usmerjena do lopatic turbine. Ta se zavrti in požene generator, ki ustvari električno energijo in jo pošlje v električno omrežje.

Shema delovanja jedrske elektrarne:

Vodna para, ki prehaja skozi lopatice turbine, se nato zbere v kondenzatorju, ki jo utekočini in pošlje nazaj v uparjalnik. V kondenzatorju paro hladi voda, ki jo elektrarna črpa iz bližnjega naravnega vodnega vira in jo tja tudi vrača.

V primeru jedrske elektrarne Krško je to reka Sava. Nevarnosti, da bi bila reka zaradi tega onesnažena z radioaktivnimi delci, ni, ker ta voda ne prihaja v stik z jedrskim gorivom.

Presežek toplote se v jedrskih elektrarnah odvaja skozi velikanske hladilne stolpe.

Opisani tip reaktorja je v jedrskih elektrarnah najpogostejši, imenuje se tlačnovodni jedrski reaktor (PWR ali Pressurized Water Reactor). Drugi, manj pogost tip, je vrelovodni jedrski reaktor (BWR ali Boiling Water Reactor). Gre za bolj preprosto zasnovo reaktorja, pri katerem se voda upari že v reaktorski posodi in neposredno poganja turbino. Reaktor v nuklearni elektrarni Krško je tipa PWR.