مقدمة للطاقة النووية من الطاقة الانشطارية

تحتوي محطات الطاقة النووية على مفاعلات تولد انشطارا تفاعليا متحكما في السلسلة، وهي عملية تقسم باستمرار نوى ذرات اليورانيوم. هذه العملية تنتج الكثير من الطاقة، والإشعاع، وحرارة عالية جدا.

تعمل محطات الطاقة النووية على تسخير الطاقة المنبعثة من الانشطار واستخدامها لدفع المولدات الكهربائية التي تنتج الكهرباء. وعلى الرغم من أن الطاقة النووية لا تسهم إلا بنحو 20 في المئة من الكهرباء المولدة في الولايات المتحدة، فإن القدرة النووية للبلاد هي الأعلى في أي بلد آخر - 101 جيجاوات في عام 2010.

المكونات المشتركة للطاقة النووية

المفاعلات النووية لها هذه المكونات المشتركة:

الوقود - يعتبر اليورانيوم، وهو خام مشع، من المعدن الثقيل، الوقود الأكثر شيوعا للمفاعلات النووية . وبعد عملية التخصيب يصبح اليورانيوم وقودا مركزا جدا.

يتطلب المفاعل النووي التجاري آلاف الجنيهات من وقود اليورانيوم المخصب من أجل العمل. وتقوم محطات الطاقة النووية المدنية في الولايات المتحدة بشراء ما يقرب من 50 مليون جنيه من اليورانيوم (مكافئ U3O8) سنويا، معظمها يأتي من الخارج.

يتم استخراج اليورانيوم في مواقع في جميع أنحاء العالم، في المقام الأول في كازاخستان وكندا واستراليا وأفريقيا. والولايات المتحدة من بين أكبر 10 منتجين لليورانيوم.

قضبان التحكم - مصنوعة من مادة امتصاص النيوترون مثل الكادميوم أو الهفنيوم أو البورون، يتم إدخال قضبان التحكم أو سحبها من النواة للتحكم في معدل التفاعل أو إيقافها إذا لزم الأمر.

مشرف - المواد في المفاعل الأساسي الذي يبطئ النيوترونات المنبعثة من الانشطار بحيث تسبب المزيد من الانشطار.

المشرف هو عادة الماء العادي (الضوء)، ولكن قد يكون الماء الثقيل (D20) أو الجرافيت.

المبرد - السائل أو الغاز الذي ينتقل من خلال النواة لنقل الحرارة منه. وفي مفاعلات الماء الخفيف، يعمل مشرف الماء أيضا كمبرد أولي.

الاحتواء - يتم تضمين المفاعلات النووية في الهياكل الخرسانية المسلحة بشدة لمنع النشاط الإشعاعي من الهروب إلى الغلاف الجوي.

العملية الأساسية للطاقة النووية

الفيزياء النووية تقنية للغاية، ولكن العملية الأساسية لإنتاج الكهرباء بالطاقة النووية هي كما يلي:

ينتج المفاعل الحرارة والإشعاع في عملية تسمى الانشطار، المعروفة باسم ذرة تقسيم. داخل وقود المفاعل هو الوقود النووي لليورانيوم. كما نواة تقسيم اليورانيوم، فإنها تطلق النيوترونات. وعندما ضربت النيوترونات ذرات أخرى من اليورانيوم، انقسمت تلك النوى أيضا، وأطلقت نيوتروناتها لضرب ذرات أخرى، مما تسبب في المزيد من الانشطار. هذا التقسيم المستمر للذرة هو تفاعل سلسلة.

يتم استخدام الحرارة الناتجة عن تفاعلات الانشطار المتحكم في إنتاج البخار من الماء، إما بشكل مباشر كما هو الحال في مفاعل الماء المغلي (بور)، أو بشكل غير مباشر كما هو الحال في مفاعل الماء المضغوط (بور) الذي يحتوي على مولد بخار.

يحرك البخار التوربينات التي تعمل على مولد.

المولدات تنتج الكهرباء التي يتم توزيعها على شبكة الكهرباء.

أنواع المفاعلات النووية

في جميع أنحاء العالم، تستخدم أنواع مختلفة من مفاعلات الطاقة النووية. ومع ذلك، فإن أكثر الأنواع شيوعا هي مفاعلات الماء المضغوط (بور) ومفاعلات الماء المغلي (بور)، والتي تصنف على أنها مفاعلات الماء الخفيف. وفي الولايات المتحدة، يعتبر كل من بور و بور هما النوعين الوحيدين من محطات الطاقة النووية التجارية العاملة.

• مفاعل الماء المغلي (بور) - في هذا النوع من المفاعل، ينتج الانشطار حرارة تغلي الماء في جوهر المفاعل. بخار من الماء المغلي القوى توربينات التي تدفع مولد لإنتاج الكهرباء. وتعتبر المفاعلات في مصنع فوكوشيما نايشي في شمال شرق اليابان التي تضررت في زلزال وموجة تسونامي في مارس 2011 من المصادر المائية.
• مفاعل الماء المضغوط (بور) - هذا النوع من المفاعل هو الأكثر شيوعا لإنتاج الطاقة. ويستخدم الماء كما المبرد ومدير، وكيل أن يساعد على السيطرة على سرعة الانشطار. في نظام المبرد الأولي مغلقة، يتم تسخين المياه، تسخينها بالطاقة الحرارية من الانشطار أثناء مرورها من خلال جوهر، تحت ضغط عال، وبالتالي فإنه لا يغلي. ويتم إنتاج البخار في حلقة تبريد ثانوية ويستخدم لتوليد توربينات تعمل على توليد مولد كهربائي.
• كاندو والمفاعلات المائية ذات الماء الثقيل - تستخدم هذه التصاميم المياه الثقيلة كمحرر. المياه الثقيلة - مع الديوتريوم تحل محل ذرات الهيدروجين اثنين - كمسؤول يبطئ النيوترونات في عملية الانشطار ويسمح باستخدام اليورانيوم الطبيعي، بدلا من اليورانيوم المخصب كوقود.
• مفاعل حجري السرير الحصى - مفاعل درجة حرارة عالية يستخدم المبرد الهليوم والوقود المغطى في مجالات الجرافيت وكربيد السيليكون لضمان احتواء المنتج الانشطار ومقاومة الانهيار.