Jak działa elektrownia jądrowa

W zasadzie podobnie jak elektrownia węglowa, z tą różnicą, że posiada inne źródło ciepła. O ile w tradycyjnej elektrowni ciepło powstaje w wyniku spalania węgla w palenisku, o tyle w elektrowni jądrowej ciepło jest efektem reakcji rozszczepiania jąder atomów uranu we wnętrzu reaktora.

Uran, uformowany w specjalne pastylki i ułożony w rurach, tzw. prętach paliwowych, pod wpływem neutronów ulega procesowi rozszczepienia. W efekcie tworzą się fragmenty rozszczepienia, czyli dwa jądra lżejszych pierwiastków, a także neutrony i promieniowanie gamma. Produkty rozszczepienia podlegają dalszym przemianom jądrowym, emitując energię. Niektóre z nich emitują także neutrony nazywane opóźnionymi w odróżnieniu od neutronów rozszczepieniowych, powstałych natychmiastowo w reakcji rozszczepienia uranu. Neutrony, które uwalniają się w reakcji rozszczepienia, powodują rozszczepianie innych jąder uranu i reakcję łańcuchową. Ta ostatnia jest kontrolowana dzięki wykorzystaniu tzw. prętów kontrolnych wykonanych z materiałów absorbujących neutrony oraz odpowiednich domieszek tych materiałów do paliwa i chłodziwa. Ich rola polega na takim korzystaniu z neutronów opóźnionych, aby w każdej chwili w reaktorze była tylko taka liczba neutronów, która umożliwia podtrzymywanie reakcji łańcuchowej, nie pozwalając jednocześnie na lawinowe rozszczepienie uranu i eksplozję jak w bombie atomowej.

Ważnym elementem, umożliwiającym podtrzymanie reakcji łańcuchowej w reaktorze, jest tzw. moderator. Tym mianem określamy substancję, która spowalnia neutrony w procesie ich rozpraszania na jądrach atomowych materiału moderatora. Spowolnienie to jest potrzebne ze względu na prawdopodobieństwo zainicjowania przez neutron reakcji rozszczepienia. Jest ono stosunkowo duże dla niskoenergetycznych neutronów, o energiach rzędu energii kinetycznej cząsteczek powietrza w temperaturze pokojowej. Takie neutrony z tego względu nazywamy neutronami termicznymi. Neutrony rozszczepieniowe mają energie nawet dziesiątki milionów razy większe i nie wywołują reakcji rozszczepienia w sposób efektywny – stąd sens spowalniania tych neutronów. Typowym i tanim moderatorem jest zwykła woda, wewnątrz której neutrony mogą przekazać większość swojej energii protonom – jądrom wodoru znajdującego się w wodzie. Woda może więc pełnić jednocześnie funkcję moderatora i chłodziwa. To ostatnia funkcja jest nie do przecenienia: utrzymywanie odpowiedniej ilości wody w rdzeniu reaktora zapobiega bowiem jego przegrzaniu się i stopieniu rdzenia, a każda poważna awaria reaktora ma swój początek właśnie w tego typu procesach.

Podczas reakcji łańcuchowej wytwarzane jest ogromne ciepło. Bez intensywnego, dynamicznego sposobu chłodzenia elementów paliwowych bardzo szybko uległyby one degradacji. Gorąca woda podgrzewana podczas przepływu koło elementów paliwowych może albo natychmiast przekształcić się w parę (tak się dzieje w tzw. reaktorach wrzących) lub – krążąc w tzw. obiegu pierwotnym – zostać skierowana do wytwornicy pary, gdzie jej ciepło zostanie zużyte właśnie na wytworzenie pary o odpowiednio wysokiej temperaturze w obiegu wtórnym (tak się dzieje w reaktorach wodno-ciśnieniowych). Para o wysokiej temperaturze kierowana jest na łopatki turbin parowych, a ich ruch powoduje obroty wirników prądu turbogeneratorów. Dzięki temu energia powstała w procesie rozszczepienia przekształcana jest w energię elektryczną. Separacja obiegów w reaktorach wodno-ciśnieniowych zwiększa bezpieczeństwo procesu powstawania energii.

Sterowanie mocą reaktora odbywa się za pomocą prętów sterujących i układu regulacji borowej. Wsunięcie do rdzenia reaktora prętów sterujących powoduje obniżenie intensywności przebiegu reakcji rozszczepiania, a w efekcie zmniejszenie mocy reaktora. Pręty sterujące wsuwane są pomiędzy elementy paliwowe, gdy chcemy zatrzymać reaktor również w sytuacjach awaryjnych. Układ regulacji borowej (zawartość boru w wodzie basenu reaktora) wyrównuje z kolei długotrwałe zmiany w reaktorze, powstałe na skutek wypalania się paliwa jądrowego, i zapobiega powstawaniu nadmiernej ilości neutronów.