Nuklearna elektrana

Nuklearna elektrana

Nuklearna elektrana je vrsta termoelektrane koja kao izvor energije koristi toplinu dobivenu fisijama nuklearnog goriva u (barem jednom) nuklearnom reaktoru. Kao i u većini ostalih termoelektrana, dobivena se toplina koristi za proizvodnju pare koja pokreće parnu turbinu spojenu na električni generator.

Krajem 2011. godine u svijetu su u komercijalnom pogonu 434 nuklearna reaktora u elektranama, a još ih je 64 u izgradnji.

Dijelovi nuklearne elektrane

Konverzija energije iz nuklearne u električnu u nuklearnoj se elektrani obavlja posredno, u nekoliko koraka.

Prvi je korak izvlačenje nuklearne energije, pohranjene u jezgrama atoma nuklearnog goriva. Nuklearna se energija pretvara u toplinsku u nuklearnom reaktoru, pomoću lančane reakcije nuklearne fisije. Dobivena toplinska energija se zatim treba odvesti iz reaktora. Mehanizam odvođenja topline ovisi o vrsti nuklearnog reaktora. Najveći broj reaktora koji su danas u pogonu su reaktori s vodom pod tlakom (PWR - Pressurized water reactor). U takvoj vrsti reaktora tekuća voda oplakuje nuklearno gorivo i zagrijava se, te teče prema parogeneratoru. Parogenerator je izmjenjivač topline koji odvaja primarni krug od sekundarnog. Voda potekla iz reaktora (voda primarnog kruga) ulazi u parogenerator i grije vodu sekundarnog kruga, a zatim se pomoću primarnih pumpi vraća u reaktor.

Voda sekundarnog kruga, koja se s primarnom vodom ne miješa, preuzima njenu toplinu kroz stijenke cijevi parogeneratora i vrije. Nastala para se privodi parnoj turbini, gdje predaje svoju energiju rotoru turbine (pretvorba toplinske u mehaničku energiju). Rotor turbine je na istoj osovini kao i rotor električnog generatora, čime se ostvaruje konačna pretvorba energije u električnu. Para izašla iz turbine se odvodi u kondenzator, gdje se hladi i kondenzira, te se pomoću sekundarnih pumpi vraća u parogenerator, zatvarajući tako sekundarni krug.

Nuklearni reaktor

Nuklearni reaktor u nuklearnim elektranama je naprava u kojoj se odvija kontrolirana lančana reakcija nuklearne fisije. Postoji nekoliko podjela energetskih nuklearnih reaktora prema tipu fisije koja se koristi, vrsti goriva, hladioca i moderatora.

Fisijom atoma goriva nastaju brzi neutroni, odnosno atomi velike energije. Ukoliko je reaktor takav da nastavlja lančanu reakciju koristeći brze neutrone, radi se o brzom reaktoru. Međutim, gotovo svi reaktori danas u upotrebi su termički reaktori - oni usporavaju neutrone pomoću moderatora. Usporavanje neutrona se još zove termalizacija, a usporeni neutroni termički.

Gorivo je najčešće prirodni ili obogaćeni uranij u formi metala ili oksida. U nekim se elektranama koristi MOX (mixed-oxide) gorivo, mješavina oksida plutonija i urana.

Hladioc, odnosno rashladni fluid, je medij koji odvodi toplinu nastalu fisijama iz nuklearnog reaktora. Često je hladioc voda (obična ili teška), a može biti i ugljikov dioksid ili helij. Kod brzih reaktora hladioc je rastaljeni metal.

Moderator je tvar koja usporava brze neutrone nastale fisijama do termičkih brzina, odnosno energija (manje od jednog elektronvolta. Ovisno o tipu reaktora, može biti voda (u tom slučaju je voda ujedno i moderator i hladioc) ili grafit. Brzi reaktori nemaju moderatora.

Najzastupljenija vrsta energetskog nuklearnog reaktora danas je reaktor s vodom pod tlakom. To je termički reaktor u kojemu je gorivo slabo obogaćeni uran, najčešće u formi oksida, a obična voda je ujedno i moderator i rashladno sredstvo.

Tlačnik

Tlačnik je naprava kojom se osigurava konstantan tlak primarnog kruga. U osnovi, to je posuda volumena 40-60 m^3 opremljena grijačem snage 1 - 2 MW. Zagrijavanjem u tlačniku može se ispariti određena količina vode, čime se podiže tlak i sprječava isparavanje u reaktoru.

Parogenerator

Parogenerator je naprava koja se nalazi u nuklearnim elektranama s tlakovodnim reaktorima. Pošto se u takvim elektranama vodi ne dopušta ključanje u reaktoru, a svejedno je potrebno proizvesti paru za korištenje parnih turbina, tok vode se dijeli u dva kruga, primarni i sekundarni. Primarnim krugom teče voda koja toplinu proizvedenu fisijama odvodi iz reaktora i predaje je sekundarnoj vodi u parogeneratoru. Na sekundarnoj se strani vodi dozvoljava isparavanje (to se postiže nižim tlakom sekundarnog kruga), te nastala para vrti rotore parnih turbina.

Parogenerator je komponenta nuklearne elektrane u kojoj se odvija predaja topline iz primarnog u sekundarni krug i isparavanje sekundarne vode. U donjem dijelu se nalazi nekoliko tisuća U-cijevi kroz koje teče primarna voda. Oko U-cijevi teče voda sekundarnog kruga, koja s njih uzima toplinu. Para nastala vrenjem sekundarne vode odlazi prema gornjem dijelu parogeneratora, gdje se nalaze separatori vlage, koji osiguravaju da u pari koja odlazi prema turbinama nema kapljica tekuće vode.

Parogeneratori su velike komponente, mase preko stotinu tona, i visine dvadesetak metara. Ovisno o snazi, nuklearna elektrana će imati određen broj reaktora. Može se reći da na svakih tristotinjak megavata električne snage elektrane dolazi po jedan parogenerator. Pošto su nuklearne elektrane redovito velike snage, u pravilu će imati barem dva parogeneratora.

Parne turbine

Parne turbine koje se koriste u nuklearnim elektranama su vrlo slične onima u klasičnim termoelektranama na ugljen. Razlika postoji u elektranama s tlakovodnim reaktorima, gdje su turbine nešto većih dimenzija zbog manjeg tlaka pare.

U svim termoelektranama snage iznad stotinjak MW postojat će više od jedne parne turbine. Turbine se nalaze na zajedničkoj osovini, a razlikuju se po tlaku pare. Para iz parogeneratora, tlaka oko 60 bar kod tlakovodnih, odnosno oko 150 bar kod reaktora s vodom koja ključa, ulaze u visokotlačnu turbinu. Nakon prolaska kroz visokotlačnu turbinu, tlak pare je znatno niži. Iz pare se prije ulaska u niskotlačnu turbinu dodatno separira vlaga, da bi se spriječila oštećenja lopatica turbine. Niskotlačne turbine su dimenzijama veće od visokotlačnih, a ovisno o snazi elektrane postojat će više niskotlačnih turbina (može se uvesti i "srednja" razina tlaka sa srednjotlačnim turbinama).

Električni generator

Električni generatori u upotrebi u nuklearnim elektranama su najčešće 4-polni sinkroni generatori. Električna snaga današnjih nuklearnih elektrana iznosi od 500 do 1500 MW po reaktoru. Na lokaciji nuklearne elektrane se može nalaziti više reaktora, ali na svaki reaktor dolazi po jedan generator.

Ostali dijelovi sekundarnog kruga

Kondenzator je izmjenjivač topline u kojem se para koja je prošla kroz turbine kondenzira, kako bi se mogla vratiti u parogenerator i zatvoriti sekundarni krug. Sastoji se od dva dijela, od kojih jedan pripada sekundarnom, a drugi tercijarnom krugu. Nakon što svoju energiju preda u turbini, para je već djelomično kondenzirana, a tlak joj je redovito manji od atmosferskog. Na taj se način iz pare izvlači maksimalna količina energije, odnosno povećava se faktor iskorištenja elektrane. Takva mokra para ulazi u sekundarni dio kondenzatora. Tercijarnim dijelom teče voda iz obližnje rijeke ili mora, koja preuzima preostalu, neiskoristivu toplinu i odvodi je iz elektrane.

U primarnom krugu postoji nekoliko rashladnih pumpi, ovisno o broju rashladnih petlji. Primarne pumpe su centrifugalnog tipa, pogonjene asinkronim motorom snage oko 6 MW, te se njima voda ohlađena u parogeneratoru vraća nazad u reaktor.

Sekundarne pumpe imaju ulogu jednaku onima u termoelektranama na ugljen ili naftu: pumpanje vode iz kondenzatora u isparivač, što je u ovom slučaju sekundarni dio parogeneratora.

Manje se pumpe koriste na više mjesta za cirkuliranje rashladnih fluida koji odvode toplinu nastalu radom razne opreme, najčešće motora. Te pumpe su pomoćne, odnosno ne sudjeluju direktno u ciklusu kojim se proizvodi električna energija.