مبانی نظری تولید برق از نیروگاههای هسته ای؟

اینگونه کار می کند که نیروگاه هسته ای عمل کند:
نیروگاه هسته ای برق را از گرما تولید می کند. این نیروگاه حرارتی مانند نیروگاه های زغال سنگ یا بنزین است. تنها تفاوت این است که در طول تولید گرما نه آلاینده های هوا و نه گازهای گلخانه ای تولید می کند.

با انرژی ای که هنگام تقسیم هسته های اتمی آزاد می شود ، آب در فشار زیاد مانند در اجاق گاز فشار می یابد. این بخار گرم ایجاد می کند. این بخار توربین بخار را به یک ژنراتور متصل می کند. سرانجام ، ژنراتور برق تولید می کند که از طریق شبکه برق به مصرف کننده ارسال می شود.

گروه توربین 2012 در طول مرور وبدر اینجا برق برای یک میلیون نفر تولید می شود: توربین های بخار و ژنراتور در نیروگاه هسته ای لایبستاد. (تصویر: KKL)
بخشی هسته ای و متعارف
نیروگاه هسته ای در اصل از دو بخش تشکیل شده است: در قسمت هسته ای ، شکافت هسته ای گرما تولید می کند. در قسمت متعارف ، گرما به جریان الکتریکی تبدیل می شود. قسمت معمولی این نیروگاه بسیار شبیه به نیروگاه های ذغال سنگ ، گاز و زمین گرمایی است. برج های خنک کننده از جمله ویژگی های نیروگاه های هسته ای نیستند - آنها همچنین در نیروگاه های زغال سنگ و بنزین مورد استفاده قرار می گیرند. آنچه از برج خنک کننده بالا می آید پرچم مه آلود است.

تولید گرما در قسمت هسته ای
هسته کارخانه ، هسته راکتور ، در قسمت هسته ای قرار دارد. در مخزن تحت فشار راکتور فولادی با دیواره ضخیم قرار دارد و از عناصر سوخت چند متر طول تشکیل شده است. مجموعه های سوخت به نوبه خود از دسته های میله های سوخت نازک تشکیل شده اند. سوخت هسته ای در آنها به شکل قرص های کوچک حاوی اورانیوم (که به آن گلوله نیز گفته می شود) است. شکافت هسته ای در میله های سوختی هوایی صورت می گیرد که باعث ایجاد گرما می شود.

سوخت هسته ای اورانیوم به روشی که در نیروگاه هسته ای استفاده می شود. به همان میزان که یک خانواده چهار نفره در یک سال مصرف می کنند ، از دو قرص اکسید اورانیوم می توان برق زیادی تولید کرد. (تصویر: KKG)

سیستم های مختلف راکتور در سراسر جهان وجود دارد. بیشتر آنها راکتور آب سبک هستند. پنج نیروگاه های هسته ای در سوئیس - Beznau-1 و -2 ، Mühleberg ، Gösgen و Leibstadt - با راکتورهای آب سبک مجهز شده است.

در راکتورهای آب سبک ، آب دو عملکرد دارد: از یک طرف ، به عنوان خنک کننده عمل می کند و انرژی را از راکتور به توربین های بخار منتقل می کند. از طرف دیگر ، نوترونهای آزاد شده در هنگام شکافت هسته ای (بلوک های ساختاری خنثی هسته هسته اتمی) را کند می کند و بنابراین به عنوان یک تعدیل کننده به اصطلاح عمل می کند. نوترون ها فقط در صورت کند شدن می توانند باعث شکافت هسته ای بیشتر شوند (واکنش زنجیره ای). اگر در راکتور آب سبک وجود نداشته باشد ، نوترون ها دیگر کند نمی شوند و واکنش زنجیره متوقف می شود. دو راکتور آب سبک وجود دارد: راکتورهای آب تحت فشار و راکتورهای آب جوش. هر دو نوع در سوئیس نشان داده شده اند.

عملکرد نیروگاه هسته ای با رآکتور آب تحت فشار
در راکتورهای آب تحت فشار (Beznau-1 ، Beznau-2 و Gösgen) ، آب در راکتور تحت فشار زیاد گرم می شود بدون اینکه جوش شروع شود. آب گرم شده به مولد بخارهای خارج از راکتور هدایت می شود ، جایی که گرمای خود را به چرخه آب دیگری منتقل می کند. آب موجود در مدار دوم گرم می شود و تبخیر می شود. این بخار توربین ها را در قسمت معمولی نیروگاه هسته ای به حرکت در می آورد.

راکتور آب تحت فشار PWR
عملکرد نیروگاه هسته ای با رآکتور آب جوش
در راکتورهای آب جوش (لایبستاد و ملاحبرگ) ، بخار در مخزن تحت فشار راکتور ایجاد می شود و مستقیماً به سمت توربین ها هدایت می شود. برخلاف راکتورهای آب تحت فشار ، بخار که به توربین ها می رسد حاوی اثری از مواد رادیواکتیو کوتاه مدت است.

راکتور آب جوش BWR

تولید برق در بخش معمولی
توربین های بخار و ژنراتورها در خانه ماشینی بخش کارخانه معمولی قرار دارند. بخار گرم حاصل از راکتور توربین ها را هدایت می کند ، که به نوبه خود ژنراتور را هدایت می کند ، که انرژی جنبشی را به برق تبدیل می کند - مانند دوچرخه ، جایی که دینام برق لامپ را تولید می کند.

خنک کننده توربین بخار
به گونه ای که توربین های بخار می توانند گرمای بخار عرضه شده را به یک حرکت مکانیکی تبدیل کنند ، اختلاف دما و فشار قبل و بعد از توربین باید تا حد ممکن باشد. به همین دلیل ، بخار بعد از ترک توربین از طریق یک مدار آب بیشتر خنک می شود تا مجدداً درون آب مایع متراکم شود. پمپ این آب را از کندانسور به داخل ژنراتور بخار (راکتور آب تحت فشار) یا درون رکتور فشار راکتور (راکتور آب جوش) منتقل می کند. در آنجا دوباره گرم می شود و دوباره به عنوان بخار به توربین ها می رسد.

خنک کننده مستقیم با آب رودخانه آب
برای خنک کردن بخار در محل خروجی توربین از نیروگاه های هسته ای بو -1 ، بو -2 و ملهبرگ دره آاره گرفته شده و با کمی گرم شدن به رودخانه باز می گردد. محدودیت های اتصال ، Aare را از گرم شدن بیش از حد محافظت می کند. این چرخه آب کاملاً از راکتور جدا شده و حاوی هیچ ماده رادیواکتیو نیست.

کشویی NPP Beznau 1خنک کننده مستقیم آب رودخانه از نیروگاه هسته ای Aare: Beznau
خنک کننده با برج خنک کننده
در نیروگاههای هسته ای گاسگن و لایبستاد ، کندانسور با آب خنک می شود که در یک چرخه از نیروگاه به برج خنک کننده می رود و دوباره برمی گردد. آب گرم شده در نیروگاه در برج خنک کننده فریب خورده است. قطرات آب در حال ریزش گرما را به برج در برج خنک کننده (اثر دودکش) می بخشد. بخش کوچکی از آب تبخیر می شود و هنگام بیرون آمدن از بالای برج ، به عنوان مه مهیا می شود. بنابراین از قطرات آب خالص تشکیل شده و برای محیط زیست بی ضرر است. قسمت آب تبخیر شده توسط آبهای Aare (گوسن) و راین (لیبستاد) جایگزین می شود. این چرخه آب همچنین کاملاً از راکتور جدا شده و حاوی هیچ ماده رادیواکتیو نیست.

وب KKL Panorama2خنک کننده با برج خنک کننده: نیروگاه هسته ای لایستاد
چنین برج خنک کننده با پرچم مه ، که اغلب از راه دور قابل مشاهده است ، یک برج خنک کننده مرطوب پیش فرض نامیده می شود. هوای گرم در برج بالا می رود. با توجه به باریک بودن در وسط و ارتفاع بسیار زیاد آن 140 و بیشتر متر ، مانند یک شومینه خانه یک پیش نویس قوی وجود دارد: هوای گرم به سمت بالا فرار می کند ، در حالی که هوای سردتر محیط از زیر آن جریان می یابد. این هوای سرد قطرات آب در حال ریزش را بدون هیچگونه انرژی خنک می کند.

برج های خنک کننده ترکیبی نیز وجود دارد. آنها بسیار پایین تر از برج خنک کننده مرطوب برج طبیعی هستند و تقریبا هیچ پرچم مه ایجاد نمی کنند ، به طوری که به سختی چشم انداز آن را تحت تأثیر قرار می دهند. از طرف دیگر برج خنک کننده هیبریدی به طرفداران نیاز دارد که جریان هوای کافی را تأمین کنند. نیروگاه هسته ای آلمان در نکارکارستهایم چنین برج خنک کننده ترکیبی دارد. به حدود 1.4 درصد از تولید برق نیروگاه نیاز دارد.

برج خنک کننده گرافیکی 1 d
بهره وری اندازه گیری همه چیزها نیست
در نسل امروز نیروگاههای هسته ای ، یک سوم گرمای آزاد شده توسط شکافت هسته ای به برق تبدیل می شود. از طرف دیگر یک نیروگاه مدرن گازی و بخار (CCGT) تا 58 درصد کارایی دارد. این تفاوت به دلایل فیزیکی است: نیروگاههای هسته ای با دمای حدود 300 درجه کار می کنند ، در حالی که یک CCGT در دمای بیش از 1200 درجه کار می کند.

حداکثر بهره وری یک نیروگاه به دلیل قوانین بدنی محدود است (ضریب کاروت). این بدان معنی است که با افزایش دما حداکثر راندمان افزایش می یابد. نیروگاههای هسته ای نسل آینده مانند راکتور دمای فوق العاده بالا می توانند به لطف دمای فرآیند زیاد ، بازده 70 درصد را بدست آورند.

مزایای اضافی از گرمایش منطقه دوستانه با آب و هوا
با استفاده مداوم از گرمای زباله می توان بهره وری نیروگاههای هسته ای را بهبود بخشید. نیروگاه هسته ای بو از شبکه گرمایشی منطقه Refuna برای تأمین گرما بیش از 2600 اتصال در صنعت ، تجارت ، ساختمانهای عمومی و خانوارهای خصوصی استفاده می کند. حدود 4000 خانوار با تقریبا 15000 نفر از این گرمای منطقی ، اقتصادی ، سازگار با محیط زیست و عاری از CO2 بهره مند می شوند.

بخار مورد نیاز سیستم گرمایش منطقه از چرخه بخار در نیروگاه هسته ای بو استخراج می شود. از آنجایی که دیگر برای تولید برق در دسترس نیست ، خروجی الکتریکی 6.2 تا 9 مگاوات است. بازده کلی سیستم (ژنراتور و خروجی گرما در رابطه با خروجی راکتور حرارتی) تا 37 درصد افزایش می یابد.

نیروگاه هسته ای گوسن همچنین گرمای فرآیند را برای دو کارخانه کاغذ تأمین می کند. با 20،000 تن روغن گرمایش که در هر سال صرفه جویی می شود ، بیش از 60،000 تن CO2 هر ساله اجتناب می شود.